金属氧化物阻变存储器性能提升的方法和机理研究-微电子学与固体电子学专业毕业论文

1、.复 叹人 学 硕 L 学 位 论 文A b str a c tW ith th e d ev e lo P m e n t o f se m ie o n d u e to r te e h n o lo g y ，th e m ark e t d e m a n d f o r h ig h 一d e n s ity ， h ig h 一s P e e d ， lo w 一P o w e r a n d lo w 一e o st n o n v o la tile m e m o ry 15 a ls o in e re a s in g . B u t w ith th e e o n

2、tin u o u s se a lin g d o w n in s e m ie o n d u e to r P ro e e s s te c h n o lo g y ， th e c o n v e n tio n a l F la sh a s th e m a in stre a m n o n v o la tile m e m o ry ， 15 e x P e rie n e in g m u c h m o re S e rio u s c h a lle n g e s ，su e h a s th e lim its in d e e re a se o f f l

3、o a tin g g a te th ic k n e s s . T h e re f o re ，se a rc h in g f or m o re su P e rio r n e x t一g e n e ra tio n n o n v o la tile m e m o r y b e e o m e s m u e h m o re im P o rta n t a n d n e e e ssa ry in m e m o ry re s e a re h f ie ld .S everal noV el nonVo latile m em ories，such as M R

4、 A M (M agneto一resistive R A M )，F eR A M (F erro eleetrie R A M )，P R A M (P h ase C h an ge R R A M )，are draw ing in ten siv e a tte n tio n th e s e d a y s . B u t d u e to th e ir o w n d e m e rits ，n o n e o f th e m P e rf o rm s g o o d e n o u g h to re P la e e F la sh b y n o w .R e e e

5、 n tly ， an e wty P eo f R A Mb a se do nm a te ria l5re sis tiv e 一sw ite h in gch araeteristies、R R A M (R esistiv e R A M )，draw s both seien tifie an d co m m ereialin te re s ts ，b e e a u se o f its sim P le stru e tu re ，su P e rio r se a la b ility ，lo n g re te n tio n a b ility ， lo w 一P o

6、 w e r o P e ra tio n ，S u P e rio r c o m P a tib ilit3w ith C M O S P ro c e s s . A n d a m o n g v a rio u sm ate ria ls w ith re s is tiv e sw ite h in g P h e n o m e n o n ，b in a ry m e ta l o x id e s a re m o re P o P u la r f o r its s im P le e o m P o n e n t a n d e o u n ta b le sta b

7、 ility . H o w e v e r，a s a n im m a tu re e a n d id a tem e m o r y ，th e re s e a rc h o n R R A M 5 P e rf o r m a n c e im P ro v e m e n t a n d m e e h a n ism e a lls f o r f u rth e r s tu d y .T h is w o rk system atically studies th e im P rov em en t of m etal ox id e (as N IO an d Z n

8、O ) b ased R R A M an d d etailed an alyzes the relative m echan ism . F irstly，the P aP er studies the effe ct of th e ProcesS of P V D (P hysieal Va P or D ePosition ) m etho d to th e e lectrie a l P erform an e e o f N IOx b ased R R A M ， th en P ro P o se s a P erform a n e e e n h an e em en

9、t m eth o d b y a ee u rae y P ro e ess一c o n tro l o f N IOx P reP a ratio n ， an ds u e e e s sf u lly a e h ie v e a 5 tim e s la rg e r re sistiv e w in d o w a n d m u c h b e tte r sta b ility .C o n sequ ently，b asin g On R C B (R an d om C ircu it B reak er) m o del an d its an alysis o f th

10、 e re la tio n sh iP o f f ila m e n t一b re a k in g a n d e le c tie f ie ld d istrib u tio n ，th e P a P e r f u rth e r stud y th e en h an c e m en t o f N i氏 b a sed R R A M b y in tro d u e in g a A IZO 3zN iq /A 12O 3 s a n d w ie h s tru c tu re to im P ro v e th e d iS P e rs io n o f V s E

11、丁，V R E sE丁 a n d R e s is tiv e s ta b ility . B e sid e s，a 10 tim e s la rg e r re s istiv e w in d o w 15 a e h ie v e d b y th is m e a n s .：复 贝人 学 硕 卜学 位 论 文A f te r th a t， th e P a P e r m a n a g e s to a P P ly th e A 1 2O 3一a s s is te d m e th o d to th eim P ro v e m e n t o f Z n O b

12、a s e d R R A M . B y e n la rg in g th e re sis ta n e e o f o f f- sta te Z n Ob a se d R R A M ， a 1 0 tim e s la rg e r re sistiv e w in d o w 15 a c h ie v e d . T h e n ， th e P aP e r in v e tig a te s th e in f lu e n e e o f d if fe re n t e o m P lia n e e c u r re n t to th e o n 一sta te

13、re s ista n e e ，a n d a lso S u c c e SSfully d e m o n stra te s m u ti一lev e l sto ra g e ab ility in A 12O 3/Z n O /A 12O 3str u e tu re ， th e n a u th o r P ro v id e th is a s a P o ss ib le m e th o d in m u lti一le v e l sto ra g ea P P lic a tio n .F in a lly ，P a P e r su m m a riz e s th

14、e e o n e lu sio n s f or a ll w o rk s a n d m a k e s a n o u tlo o k f o r th e R R A M re se ra c h in f u tu re .K e y w o r d s : M e ta l O x id e s ; R R A M ; P e rf o rm a n c e E n h a n e e m e n t: M e c h a n ism S tu d y :C h in e s e L ib r a r y C la s sif ie a tio n n u m b e r : T

15、 N 4 0复 旦人 学 子项 士学 位 论 文第 一 章 绪 论第 一 章绪 论L l 引 言过 去 三 十 年 ，集 成 电 路 工 艺 在 摩 尔 定 律 的 驱 动 下 不 断推 进 ，带 动 了 信 息 技 术 产 业 的 飞 速 发 展 。尤 其 在 移 动 电子 设 备 的 推 广 中 ，性 能 不 断 提 升 的 半 导 体 存 储 器 扮 演 了 重 要 角 色 l。 因而 在 市 场 需 求 上 ， 半 导 体 存 储 器 在 整 个 lc 市 场 中 一 直 占 有 极 高 的 市 场 份 额 。在 2005 年 第 四 季 度 的统 计 中 ， 全 球 半 导 体 存

16、储 器 的 发 展 速 度 已远 超 过 逻 辑 器 件 。国 际 lC 制 造 产 能 有 47 % 用 于 存 储 器 ，逻 辑 类 产 品 仅 29 % 。 2 0 07 年 全 球 半 导 体 存 储 器 市 场 规 模 为 600 亿 美 元 ，而 中 国 半 导 体 市 场 增 长 37 % ， 成 为 全 球 lC 消 费 最 大 国 。而 传 统 上 ，存 储 器 一 直 是 我 国 IC 行 业 产 品 的 重 要 产 品 线 ，近 年 来 逐 渐 成 为 国 家 重 点 投 入 的 研 究 领 域 。半 导 体 存 储 器 总 体 上 可 以分 为 挥 发 性 和 非 挥

17、发 性 两 大 类 ，所 谓 挥 发 性 ，即 存 储 的 信 息 需 要 持 续 供 电 来 维 持 ，断 电会 导 致 存 储 数 据 丢 失 ; 如 常 见 的 动 态 随 机 存 储 器 ( D R A M )、 静 态 随 机 存 储 器 (S R A M ) 都 属 于 这 一 类 。 而 非 挥 发 存 储 器 则 是 指 在 断 电后 仍 能 保 持 所 存 储 的信 息 ， 浮 栅 存 储 器 Flash 属 于 这 一 类 。近 年 来 ， 随 着 各 种 移 动 终 端 设 备 的广 泛 应 用 ，非 挥 发 存 储 器 在 存 储 器 市 场 中所 占份 额 越 来 越

18、 大 ， 约 占整 个 半 导 体 市 场 的 4 0 % ，而 其 中 Flash 存 储 器 又 占非 挥 发 性 存 储 器 市 场 的 9 0 % 。1.2 斗卜挥 发 存 储 器 研 究 进 展自 从 个 人 电脑 出现 ，硬 盘 存 储 器 一 直 作 为 大 容 量 存 储 的 首 选 ，但 随 着 信 息 技 术 的 飞 速 发 展 ，硬 盘 的缺 点 日益 明 显 : 首 先 是 数 据 传 输 速 率 不 能 满 足 性 能 飞速 提 高 的 处 理 器 的 需 要 ; 体 积 很 难 进 一 步 缩 小 ; 发 热 量 和 功 耗 问 题 日益 严 重 ; 此 外 ， 由

19、于 硬 盘 包 含 机 械 部 分 ，在 高速 旋 转 时 必 须 避 免 强 烈 冲 击 和 振 动 ，对 自身 的应 用 环 境 产 生 限制 。而 以闪 存 Flash 为 代 表 的 非 挥 发 性 存 储 器 在 这 些 方 面 都 拥 有 明 显 优 势 ， 因 而 在 IT 产 品 中得 到 越 来 越 广一泛 的 应 用 和 重 视 。1 .2.1 经 典 浮 栅 Flash 技 术 及 其 瓶 颈非 挥 发 存 储 器 经 历 了从 R O M 、P R O M 、E E P R O M 发 展 到 Flash 存 储 器 的 各 个 阶 段 ，但 基 本 工 作 原 理 保

20、 持 一 致 ，即 利 用 向浮 栅 中 注 入 电 子 使 浮 栅 晶 体 管 的 闽 值 发 生 变 化 ， 从 而 实现 存 储 数 据 状 态 的 改 变 。1 . Flash 存 储 器 的 基 本 结 构 :Fl ash 存 储 器 存 储 单 元 的 结 构 类 似 于 M O S 品 体 管 ，但 利 用 在 M O S 晶 体 管 结复 _旦人 学 不吹 l 学 位 论 文第 一 章 绪 论构 的 栅 介 质 层 中 引 入 能 够 俘 获 电荷 的 浮 栅 (F toati n g ga te)，来 实 现 存 储 器 的 数 据 保 存 功 能 lz， 具 体 结 构 如

21、 图 1.2 .1 .1 所 示 。在 初 始 时 处 于“0态 ， 当栅 极 加 电脉 冲 时 ， 能 从 “0态 转 变 为 “1”态 ， 当 电 脉 冲 撤 去 后 ，“1”态 仍 旧 保 持 ，数 据 不 挥 发 性 的 保 存 。那 么 ，对 于 浮 栅 结 构 存 储 器 ，如 果 能 把 电荷 注 入 到 电荷 俘 获 介 质 层 中 ， 就 可 以 改 变 晶 体 管 的 闭 值 电 压 (v T ) ， 当 改 变 达 到 一 定 大 小 时 ， 即 可 以 区 分 ，1 ， 和 “O ”的 状 态 。C o n tr o l g a te C o n t r o 】o x

22、id e!u n n e lin go x id eF 10 a tin g g a tel l+l l+图 1.2 .1.1 Flash 存 储 器 存 储 单 元 结 构 示 意 图Fl ash 被 认 为 整 合 了 E P R O M 的 高 密 度 优 点 和 E E P R O M 的 可 电擦 除 优 点 ，其 成 本 和 功 能 介 于 两 者 之 间 ，且 在 架 构 上 引入 按 块 擦 除 的 概 念 ，而 极 大 的 提 高 了擦 除 速 度 。 因 此 Flash 已在 很 多 应 用 领 域 取 代 了 E P R O M 和 E E P R O M 。尽 管 如

23、此 ，Flash 还 远 不 是 一 个 理 想 的 非 挥 发 存 储 器 ， 主 要 缺 点 在 于 :1 ) 存 储 单 元 叠 层 厚 度 过 大 ， 导 致 台 阶 覆 盖 问题 变 得 尤 为 突 出 。 不 良 台 阶 覆盖 会 引 起 金 属 连 线 在 爬 坡 区 域 变 薄 ， 甚 至 断 路 。2 ) R ash 的 电荷 存 储 机 制 对 隧 穿 氧 化 层 质 量 要 求 很 高 ，任 何 针 孔 缺 陷 都 会 在 浮 栅 与 沟 道 间 形 成 导 电通 道 ， 造 成 全 部 电荷 丢 失 ， 引 起 器 件 失 效 。3) 工 艺 复 杂 ， 需 要 额 外

24、 的 掩 膜 版 和 工 艺 ， 比标 准 C M O S 工 艺 多 8一12 次 掩 膜 ， 导 致 制 造 周 期 和 成 本 的 上 升 ， 同 时 ，增 加 的 工 艺 步 骤 还 会 对 S O C 系 统 中 的 其 它 电 路 带 来 负 面 的 影 响 。4 ) 按 比例 缩 小 能 力 有 限 。 目前 都 认 为 Flash 不 能 走 到 32nm 工 艺 代 。主 要 原 因 是器 件 栅 氧 层 的 厚 度 受 到 限 制 不 能 太 薄 ，否 则 浮 栅 中 存 储 的 电 荷 会 在 量 子 隧 穿 作 用 下 丢 失 ，极 大 的 影 响 器 件 的 数 据

25、保 持 特 性 。 另 一 方 面 ，Flash 是 电 场 操 作 原 件 ，两 个 一单.元 距 离 过 近 时 ， 一个 存 储 单 元 的 操 作 卜匕场 会 影 响 临 近 的 单 元 引 发 误 操 作 。5 ) 需 要 按 块 擦 除 。 不 适 合 小 容 量 且需 要 按 位 随 机 改 写 数 据 的 应 用 ( 这 正 是它 在 小 密 度 应 用 场 合 不 能 取 代 E E P R O M 的 原 因 )。6 )终 电 学 胜 能 方面 的 缺 陷 也 限 制 了 F lash 的 应 用 ， 比 如 ， 弓操 作 需 要 用复 旦 大 学 硕 土学 位 论 文 第

26、 一 章 绪 论高 压 ( 8一12 V )， 电路 上 需 要 借 助 电荷 泵 产 生 高 压 ，编 程 速 度 很 慢 ， 对 单 个 bit 写 操 作 需 要 约 l us ，擦 除操 作 约 需 1 m s，即 使 在 按 次序 写 和 块 擦 写 的 操 作 方 式 下 速 度 也 只 有 达 到 约 写 Z M B ytes/s，擦 3 M B ytes/s。 反 复 擦 写 次 数 少 ，Flash 只 能 反 复擦 写 约 1了 次1.2 .2 新 兴 非 挥 发 存 储 技 术目 前 对 于 克 服 F lash 存 储 器 的缺 点 ，非 挥 发 存 储 器 技 术 的

27、 研 究 方 向 大 体 上 分 为 两 种 : 一 方 面 对 Flash 存 储 器 的 结 构 进 行 改 善 ，引 入 新 技 术 来 拓 宽 其 发 展 道 路 ， t匕如 纳 米 晶 技 术 I，4，N R o M 技 术 5，6， 以及 N eo b it 技 术 17; 另 一 方 面 人 们 开 始 重 视 对 新 一 代 存 储 器 的 研 发 ， 力 求 找 到 一 种 完 美 的 通 用 的 存 储 器 ( u nive rsalM em or y )， 即 具 有 以下 特 征 : 集 成 度 高 ，功 耗 低 ，读 写 速 度 快 ，操 作 电 压 低 ，反 复擦

28、写 承 受 力 强 (E nduranee )， 并 能 长 时 间 保 持 数 据 (R eten tso n ) 18。200 9 年 半 导 体 国 际 发 展 技 术 路 线 图 ( IT R S ， In tern atio n al Te eh n o lo g y R o ad m ap forS em ico n d u ctor) 将 4 种 非 挥 发 存 储 器 列 入 发 展 蓝 图 中 : Flash 存 储 器 ，铁 电存 储 器 (F e R A M ) 19 ，磁 存 储 器 ( M R A M ) 01 ， 以及 相 变 存 储 器 (P R A M ) l“

29、。 这 其 中 P R A M ，Fe R A M 和 M R A M 都 属 于 新 型 非 挥 发 存 储 器 。其 中 ，虽 然 Fe R A M 和 M R A M已 实 现 小 范 围 产 业 化 ，但 目前 的 应 用 只 在 特 殊 要 求 领 域 : P R A M 是 目 前 较 为 被 看 好 的 存 储 器 ， 认 为 有 司一能 挑 战 Flash 的 地 位 。1 . F e R A M :Fe R A M是 利 用 铁 电效 应 来 实 现 数 据 存 储 的 随机 存 储 器 ，在 各 类 新 型 非 挥 发 存 储 器 中 ，Fe R A M 实 现 量 产 较

30、 早 ，但 受 制 于成 木 、容 量 以及 技 术 成 熟 度 等 因 素 ， 目前 尚 未 有 Fe R A M 大 量 应 用 的 报 道 。( l) 工 作 原 理Fe R A M 的存 储 单 元 结 构 与 我 们 常 见 的 D R A M 、 Flash 类 似 ，但 Fe l屯A M 将 D R A M 的 电 容 部 分 变 成 了 铁 电 材 料 元 器 件 (如 图 1.2.2 .1 ) 。铁 电 材 料 的 微 小 晶 体 分 为 正 负 两 极 ，在 收 到 外 加 电场 的作 用 后 ，它 们 的排 列 状 态 会 趋 向一 致 ，即 使 撤 去 外 加 电场 ，

31、状 态 仍 然 保 持 ， 以此 来 实 现 非 挥 发 性 的 数 据 存 储 。复 旦 人 学 硕 _:学 位 论 文第 一章 绪 论DDDRA MMMFlashhhFeR A MMMBBBL哥哥O川川一一一一wLLL阵wLLLQQQ区区/置/)“舟舟VVVVV VVVVITII + ICCCJiTTTIT + IC (ZT + 2()DDD“t几RReRteifvere sRhhh ehhadou盆盆 N“n一d“之)一任?e犷，“douDe、trXUOc一triveefrRe sehh几hdoutttVV V6 la til七七七N o n 一军o la 行lee e888F2224F

32、2226F2(12F2、图 1.2 .2 .1 D R A M 、F lash 、 F eR A M 结 构 手11电 学 特 性 比较F eR A M 的数 据 写 入 方 式 和 读 取 方 式 与 D R A M 略 有 不 同 。D R A M 是 利 用 电 容 器 中 有 无 电荷 来 一记录 数 据 . 因此 只 需 要 使 用 位 线 (Bi t Lin 。) 对 电容 器 进 行 加 压 即可 记 录 数 据 ; 而 Fe R A M 是 利 用 铁 电材 料 中 晶体 的 取 向状 态 记录 数 据 ，因 此 需 要 两 套 线 路 进 行 双 向加 压 ， 增 加 的 线

33、 路 称 为 “面 线 ” (P laln Line )。 在 写 入 数 据 “1 ”时 ， 由面 线 向 位 线 加 压 ，在 写 入 数 据 “O ”时 ， 由位 线 向面 线 加 压 。在 进 行 数 据 读 取 时 ，D R A M 仅 仅 根 据 电容 中 是 否 有 电荷 就 可 以判 断 出 数 据 是 “1 ”还 是 “0 ”; 而 Fe R A M 则 不 能 直 接 判 断 数 据 ， 因 此 需 要 通 过 强 行 写 入 数 据 “1 ”来 识 别 存 储 单 元 中 的 数 据 ，如 果 存 储 单 元 中 的 数 据 是 “1 ”，则 状 态 不 变 ，电荷 的

34、移 动 少 ， 如 果 存 储 单 元 中 的数 据 是 “0 ”，则 铁 电体 的状 态 要 发 生 翻 转 ， 电荷 移 动 量 大 ，通 过 侦 测 电荷 的移 动 量 ，就 可 以 知 道 存 储 一单元 中 保 存 的 数 据 是 “O ”还 是 “1 ”。(2 ) 优 点 与 缺 陷由 于采 用 了与 D R A M 相 似 的 工 作 原 理 ， 因此 Fe R A M 的读 写 速 度 很 快 ， 在 2 0 03 年 左 右 已经 实 现 了大 约 loo ns 的 读 写 速 度 。早 期 Fe R A M 使 用 的铁 电材 料 主 要 是 美 国 R em tron x

35、n tern atio n al 公 司 开 发 的 错 钦 酸 铅 (p Z T ) 和 S y m etrix 公 司 开 发 的 钦 酸 钡 锯 (S B T )。 P Z T 的优 点 是 可 以在 低 温 下 制 备 ，产 生 的 电 荷 量 大 ，B Z T可 以 实 现 低 耗 电 。 这 两 种 材 料 均 成 本 低 廉 ， 适 合 大 规 模 生 产 。 富 士 通 量 产的 F eR A M 即采 用 了 P Z T 材 料 。万、过 由 J二目 前应 用 的 铁 电 材 料一的 固 有 缺 陷 和 F eR A M 的 工 作 原 理 的 矛后 ， Fe R A M 还

36、 有 一些 缺 点 : Fe R A M 的 读 取 基 本 川 禹 于有 损 读 取 ，在 读 取 时 会 破 坏 原复 旦 大 学 硕 _l 学 位 论 文第 一 章 绪 论始 数 据 ， 因此 必 须 在 D R A M一样 进 行 数 据 回 写 ，此 外 ，在 读 取 数 据 时还 要 进 行 写 入 操 作 ，这 些 都 将 加 速 铁 电材 料 的 老 化 。铁 电 材 料 在 反 复 读 写 数 次 后 ，可 能 产 生 疲 劳 ，使 得 数 据 无 法 辨 认 ; 或 是 反 复 写 入 相 同 数 据 导 致 写 入 惯 性 ，无 法 再 写 入 其 他 数 据 。虽 然

37、已经 有 公 司 开 发 了无 损 读 取 的 方 法 ，但 存 在 数 据 不 易 辨 识 的 问题 。 在 数 据 的长 期保 持特 性 方面 ，Fe R A M也 不尽 如 人 意 ，随着 时 间 的推 移 ，铁 电材 料 有 可 能 会 失 去 正 负 极 型 ; 或 是 长期 保 存 统 一 数 据 ，由于 “动 态 压 印 ”效 应 使 得 数 据 固 化 ， 无 法 进 行 擦 写 。由 于 上 述 缺 点 的 限 制 ，Fe R A M 的 寿 命 有 限 ， 只 能 进 行 大 约 10 8一10 10次 的 读 写 操 作 ，这 也 使 得 它 在 与 其 他 新 型 非

38、挥 发 存 储 器 的 竞 争 中落 于 下 风 。并 且 Fe R A M 随 C M O S 工 艺 缩 微 能 力 比较 差 ，存 储 密 度 不 高 ，所 以 目前 Fe R A M 生 产 上 主 要 使 用 0.2 5 召m 工 艺 。另 一 方 面 ，铁 电材 料 对 半 导 体 生 产 线 有 污 染 ，很 难 应 用 在 嵌 入 式 领 域 ，所 以 Fe R A M 始 终 无 法 取 代 Flash 成 为 主 流 非 挥 发 存 储 器 。2 . M R A M :磁 阻 型 存 储 器 (M R A M ) 的 出现 可 以追 溯 到 1984 年 ， 并 且 在 2

39、0 世 纪 90 年 代 以 来 得 到 了 飞 速 的 发 展 。 IB M 、三 星 、 摩 托 罗 拉 等 公 司 在 M R A M 的 研 究 上 投 入 了 大 量 资 金 ，20 02 年 6 月 ，摩 托 罗 拉 公 司 率 先 发 布 了 I M bit M R A M 芯 片 的 试 制 品 ， 2 0 03 年 4 月 ， 东 芝 与 N E C 也 发 布 了 1 M bit M R A M 样 品 ，2 00 6 年 ， 飞思 卡 尔 公 司 更 正 式 上 市 了一 系 列 M R A M 产 品 。( 1) 工 作 原 理M R A M 是 指 以磁 电 阴.性

40、质 来 存 储 数 据 的 随 机 存 储 器 。它 的 数 据 存 储 介 质 也 不 是 品 体 管 ，而 是 磁 性 体 单 元 。 目前 应 用 最 广 泛 的 就 是 T M R ( 隧 道 磁 阻 ) 磁 体 。一 个 磁 性 体 单 元 的 原 理 结构 如 图 1.2 .2.2 所 示 ， 类 似 于 三 明 治 ，在 两 层 磁 性 体 之间 包 夹 一 层 氧 化 铝 介 质 层 ， 一层 磁 性 体 (Pinn ed L ayer ) 的磁 场 方 向 是 固 定 的 ，上 层 磁 性 体 (Free La ye r) 的 磁 场 方 向 是 可 变 的 。单 元 的 电

41、 阻 率 随 着 上 下 两 层 磁 性 体 磁 场 方 向 的 不 同 发 生变 化 ，方 向一 致 时 呈 现 低 阻 ，方 向相 反 时 ， 呈 现 高 阻 。 两 种 电 阻 状 态 即 可 代 表 数 据 “0 ”和 “1 ”。只 要 外 部 磁 场 不 改 变 ，磁 化 的 方 向 就 不 会 变 化 ，不 像 D R A M 为 了要 保 持 数 据 需 让 电 流 不 断 流 动 ，M R A M 不 需 要 刷 新 的 操 作 。(2 ) 优 缺 点从 原 理 上 来 看 ，M R A M 的 存 储 单 元 小 ， 在 存 储 容 量 上 可 与 D R A M 相 比 拟

42、 。 此 外 ，穿 隧 式 磁 电 阻 材 料 还 具 有 半 导 体 材 料 所 不 具 有 的 电 阻值 大 的 特 点 ，使 得 其 组 件 的 功 耗 低 。M R A M 兼 具 非 易 失 、，高速 度 、 高 密 度 、低 功 耗 等 各 种 优 良特 胜 ， 所 以被 认 为 是 电 子 设 备 件的 理 想 存 储 器 。 另外 ， M R A M 归 J几是 金 属 材 料一为 般，复 日.大 学 硕 卜学 位 论 文第 一 章 绪 论因 此 抗 辐 射 能 力 远 较 半 导 体 材 料.强 【101。但 M R A M 的 不 足 之 处 也 相 当 明显 : 写 入

43、电流 大 ，且 尺 寸 缩 微 能 力 弱 ， 不 像 晶体 管 那 样 能 够 实 现 微 细 化 。此 外 ，M R A M 的 寻 址 速 度 将 会 随 着 芯 片逻 辑 Ba nk 容 量 增 加 而 降低 ，限 制 了对 未 来 大 容 量 M R A M 器 件 的 开发 。同 时 ，T M R 的 生 产 成 本 远 高 于 晶 体 管 ， 良率 较 低 等 问题 也 是 M R A M 发 展 的瓶 颈 。位 线气少磁 场黔通 聚 集月吐嵌 入 的铜 互 连图 1.2 .2 .2 M R A M 磁 性 体 单 元 结 构 示 意 图3 . P R A M( 1) 工 作 原

44、 理P R 了、M是 利 用 相 变 材 料 来 一记录 数 据 的 ， 与可 擦 写 光 盘 D V D -R A M的 工 作 原 理 类 似 。 相 变 材 料 具 有 独特 的 温 度 特 性 : 当 温 度 大 于 其 熔 化 温 度 (600 OC ) 时 ， 快 速 冷 却 ，可 以 避 免 和 减 小 结 晶 化 ，形 成 高 阻 的 无 定 形 态 ; 当 温 度 大 于其 玻 璃 转 化 温 度 时 (约 300 )， 同 时 小 于 熔 化 温 度 ，慢 速 冷 却 来 促 进 结 晶化 ，会 形 成 低 阻 的多 晶 状 态 。基 于 此 ，P R A M 采 用 脉

45、冲 电流 的 热 能 来 使 相 变 材 料 发 生 电 阻翻 转 ， 实 现 双 态 存 储 。 各 个 公 司 采 用 的 相 变 材 料 不 完 全 相 同 ， 常 见 的 相 变 材 料 有 :o eZs b Z几 5，o e 1S b 4孔 :，G els b Z几 4 和 G e4S b l几 : 等 。( 2 ) 优 点P R A M 的优 点 非 常 突 出 ，首 先 ，响 应 速 度 很 快 ，为 纳 秒 量 级 ，比 闪存 快 数 百 倍 ，数 据 传 输 速 率 也 高 达 每 秒 数 百 兆 。 其 次 P R A M比 Flash 有 更 好 的 缩 微 能 力 ，

46、避 免 了 更 小 尺 寸 下数 据 不 稳 定 和 可 擦 写 次 数 减 少 的 问题 ，完 全 司一以 满 足 2 2 nm 甚 至 以一卜的 J 一艺 要 求 。P R A M 的 尺 寸大 约 是 同 等 _艺 卜Flash 的一半 ， 史加 适 合 日 益 扩 大 的 移 动 电 子 !卜场 的 需 求 。 因 此 ， P R A M被 认 为 是 不前最 优 希 望 )戊 为 Flash复 旦人 学 硕 士 学 位 论 文 第 一 章 绪 论接 班 人 的 产 品 。但 P R A M 由于 接 近 毫 安 量 级 的 写 操 作 电流 ，却 被 认 为 有 着 功 耗 过 大

47、的 问 题 。大 电流 需 要 大 尺 寸 的 驱 动 晶体 管 ，造 成 外 围 电 路 规 模 过 大 ，芯 片 面 积 反 而 无 法 缩 微 。所 以是 否 能 减 小 写 操 作 电 流 成 为 P R A M 发 展 的关 键 问题 。1.3 阻 变 存 储 器 研 究 现 状综 上 ，多 年 来 ，人 们 一 直 在 寻 找 一种 更 接 近 理 想 的下 一 代 非 挥 发 存 储 器 ，但 目 前研 究 较 热 的 几 种 新 型 存 储 器 尚不 够 理 想 : Fe R A M 和 M R A M 存 储 密 度 不 够 ， P R A M功 耗 过 大 ，所 以 寻 找

48、 取 代 Flash 的新 一 代 存 储 器 仍 需 要 更 多 的研 究 投 入 。 近 年 来 ，另 一 种 基 于 材 料 电 阻 率 的翻 转 来 存 储 数 据 的 非 挥 发 性 存 储 器 阻 变 存 储 器 ( R R A M ) 脚】， 由于 性 能 表现 优 越 ，且 具 有 结 构 简 单 、缩 微 能 力 强 、非 破 坏 性 读 出 、 保 持 时 间长 、 操 作 电压 小 和 与 传 统 C M O S 工 艺 兼 容 性 好 等 优 点 受 到 大 量 的关 注 。表 1.3 .1 列 出 了 R R A M 与 现 有 几 种 存 储 器 的性 能 比较 。

49、表 1.3 .1 R R 气M 与 D R A M ， S R A M ，Flash ，P R A M ， Fe R A M ， M R A M 性 能 比 较存存储 器器R R A MMMD R A MMMS R A MMMF L A S HHHP R A MMMF eR A MMMM R A MMM非非挥 发 性性 是是否否否否是是是是是是是是 编编程 功 率率 低低低低低低高高低低低低高高 编编程 电 压压 低低低低低低高高高低低中中 写写入 时 间间 10 11555S On SSSs n ssslu sssIOn SSS3 O n SSS30 11555 擦擦除 时 间间 30 n

50、sssS OnSSSsn sss1一IO Om SSS S On SSS3O nSSS3 0 n sss 读读取 时 间间 ZO n SSSS O nSSSsn sssS O n SSSZ OflSSS3O n SSS3 O n SSS 编编程 功 率率 低低中中l局局高高低低低低中中 高高度 集集光 刻刻电容容晶 体体栅 氧氧光 刻刻铁 电体体编 程程 成成条 件件工 艺艺容 量量管 数 目目 厚 度度工 艺艺面 积积电流流1.3 .1 阻 变 存 储 器 结 构 和 分类早 在 19 62 年 ，Hi ck m ott 就 首次 报 道 了 Al /A 120 3/A ! 结 构 当 在

51、上 下 铝 电 极 间 加 电 压 后 ，能 观 察 到 带 有 滞 回 的 I一v 电 学 特 性 曲 线 I3。之 后 另有 一 些 二 元 金 属 氧 化 物 如 S IOx ，C uxO ，Z rO Z，N b ZO S，肠0 2 和 N IOx l“一20，以及 钙 钦 矿 材 料 如 s rz ro 312 被 报 道 具 有 这 样 的 电 阻 翻 转 能 力 。特 别 是 Ni 、Ti 、C u 、W的 氧 化 物 ， 由于 他 们 己 是标 准 c M o s 工 艺 所 用 到 的 元 素 ，所 以 受 到 工 业 界 的 推 崇 ，例 如 : sa m sung 公 司【

52、22!和 s ha rp 公 司 fZ，己 分 别 着 手试 产 金 属 氧 化 物 材 料 和 有 机 化 合 物 材 料 的 阻 变 存 储 器 ，通 过 施 加 不 同 的 电 压 改 变 材 料 阻 态 来 实 现 数 据 存 储 。R R A M存 储 单 元 具 有 类 似 电 容 l!勺金 属 /介 质 层 /金 属 ( M etal一In sulato r一M etal，复 月.大 学 硕 学 位 论 文第 一 章 绪 论M IM ) 的 简 单 三 明 治 结 构 ， 如 图 1.3 .1.1 所 示 。在 特 定 外 加 电信 号 下 ， 图 中 介 质 层 的 阻 值 会

53、 发 生 变 化 ，并 且 这 种 阻值 变 化 发 生后 ，阻 值 在 电信 号 撤 除 后 仍 能 够 保 持 ，形 成 稳 定 的 阻 值 态 ，直 到 再 施 加 另 一 特 定 大 小 的 电信 号 使 其 阻 值 翻 转 到 另 一 稳 定 的 阻 值 态 为 止 ，此 为 “双 稳 态 ”。 更 重 要 的 是 ， 这 种 随 电压 产 生 的 阻 值 变 化 是 可 逆 的 ，在 反 复 操 作 中 ，加 一 种 电信 号 使 阻值 变 小 ，加 另 一 种 大 小 的 电信 号 即 可 恢 复 到 高 阻 。阻 变 存 储 器 正 是 基 于 这 种 快 速 的 可 逆 的 阻值 转 变 实 现 “O ”和 “1 ” 的 切 换 。!n S U la t o rAM e ta l图 1 3 .1.1 R RA M 存 储 单 元 结 构 示 意 图 l0l根 据 所 表 现 出 的 电 流 电 压 关 系 ，R R A M 的 阻 变 特 性 可 分 为 两 大 类 : 单 极 性 阻 变 (U n ip o lar S w iteh in g ) 和 双 极 性 阻 变 (B ipo lar S w itchin g )，对