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两类阻变机理及性能改善方法的研究

更新时间：2019-12-24 17:05:46 大小：2M 上传用户：zhiyao6查看TA发布的资源 标签：非易失性存储 下载积分：1分 评价赚积分 （如何评价?） 打赏 收藏 评论(0) 举报

资料介绍

在新型非易失性存储领域,结构简单、高速低耗的阻变存储器具有巨大优势和很强的竞争力.简要介绍了阻变存储器的结构及其两个电阻转变行为.总结了两类阻变机理,探讨了阻变存储器性能优化的方法,以及优化方法在阻变性能与器件的可靠性和稳定性之间如何取得平衡统一的问题,并展望了其前景.


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4
Vol． 45 No． 4  
Apr． 2017  
第
期
电
子
学
报
2017  
4
ACTA ELECTRONICA SINICA  
年
月
两类阻变机理及性能改善方法的研究  
， ， ， ，  
王 玮 陈 晋 余林峰 薛群虎 杨春利  
(
，
西安建筑科技大学材料与矿资学院 陕西西安  
710055)  
:
， 、 ．  
在新型非易失性存储领域 结构简单 高速低耗的阻变存储器具有巨大优势和很强的竞争力 简要介绍  
摘
要
． ， ，  
了阻变存储器的结构及其两个电阻转变行为 总结了两类阻变机理 探讨了阻变存储器性能优化的方法 以及优化方  
，
法在阻变性能与器件的可靠性和稳定性之间如何取得平衡统一的问题 并展望了其前景  
．
:
;
;
关键词  
中图分类号  
URL: http: / /www． ejournal． org． cn  
阻变存储器 阻变机理 性能优化  
:
TP333  
:
A
:
文章编号  
0372-2112 ( 2017) 04-0989-11  
文献标识码  
DOI: 10． 3969 /j． issn． 0372-2112． 2017． 04． 031  
电子学报  
A Research of Two Kinds of Mechanism and Performance  
Improvement of Resistive Switching Access Memory  
WANG Wei，CHEN Jin，YU Lin-feng，XUE Qun-hu，YANG Chun-li  
( College of Material and Mineral Resources，Xi’an University of Architecture and Technology，Xi’an，Shaanxi 710055，China)  
Abstract: In the field of new type of nonvolatile memory，the simple-structured RRAM with high speed and low con-  
sumption has manifested great advantages and competitiveness． In this review，a brief introduction to the structures of RRAM  
and two kinds of resistive switching behaviors are made． And then，a summary of two kinds of resistive mechanisms is also  
given． With discussing the performance optimization of RRAM，how the optimized methods achieve balance and unification  
between the resistive performance and the reliability and stability of the devices is simply demonstrated． In the end，the future  
of RRAM is also prospected．  
Key words: RRAM; resistive switching mechanism; performance optimization  
［9］  
［10］  
、 ．  
超低的能耗和多级转变能力 等 这些优良  
变速度  
1
引言  
， ．  
的性能 对于高性能的计算设备来说尤为重要 因此  
，
，
几十年来 随着  
DRAM，SRAM  
Flash  
和
等主流存储  
RRAM  
．
被认为最有可能成为下一代非易失性存储器  
，
器的发展 这种通过改变电荷所处的状态来存储数据  
2
阻变行为  
，
的存储器尺寸不断缩小 并且成功获得了较高的擦写  
， ． ，  
速度 增加了存储密度 然而 随着这些非易失性存储器  
M-I-M(  
- -  
金属 绝缘体 金  
阻变存储器具有简单的  
［1］  
20nm  
，
器件面临着物理尺寸极  
的尺寸缩小至  
范围内  
) ( 1 ) ，  
属 结构 如图 所示 绝缘氧化层在外电场的作用  
［2］  
，
限 为了满足物联网信息化智能化的海量信息服务  
，
下 引发电阻在高阻态  
( HRS)  
( LRS)  
和低阻态 之间转  
［3］  
［11，12］  
，
以及摩尔定律在存储器中的持续应用  
其改进的技  
， ，  
变 外电场移除后 器件将保持最后的阻态  
．
［4，5］  
［6］  
、
术路线主要有纳米晶存储器  
电荷捕获型存储器  
-
根据器件测试的电压 电流  
( I-U)  
，
特性 电阻转变过  
FRAM、MRAM、PCM  
RRAM  
和
以及  
等革 新性的存储  
，
程是否与电压极性相关 将阻变存储器的阻变行为分  
［7］  
．
“ ” ( RRAM)  
其中具有 三明治 结构的阻变存储器  
器
［13 ～ 15］  
:
为单极性电阻转变和双极性电阻转变  
在单极性  
． RRAM  
得到了广泛的关注和研究  
存储器具有一些极其  
，
电阻开关中 无论是在正电压条件下还是在负电压条  
［8］  
，
优越的性能 比如超高的堆积密度 使得器件具有高  
， ，  
件下 电阻形态都会经历高低阻态之间的循环转变 这  
、 、  
的存储密度 长时间擦写后良好的非易失性 超快的阻  
，
种转变取决于外加电压的大小 与外加电压的极性无  
: 2015-09-18;  
: 2016-05-10;  
:
收稿日期  
修回日期  
责任编辑 孙瑶  
( No． 20126120120016) ; ( No． 20126120120018)  
高等学校博士学科点专项科研基金  
:
基金项目 国家自然科学基金  
( No． 51372193) ;  
教育部基金  
990  
2017  
年
电
子
学
报
3
阻变机理  
虽然电介质材料在电场作用下诱发的电阻转变现  
， ，  
象早在四十年前就已经被发现 但是直到现在 电阻转  
．
变的微观机制仍在讨论中 为了研究这种电阻转变行  
， ，  
为 研究人员已经提出了几种不同的电阻转变机理 在  
［18］  
:
此简要概括两类机理 导电细丝模型 和电场诱导下  
［19］  
．
的界面肖特基势垒模型  
3． 1  
导电细丝理论  
导电细丝的理论机制认为 器件在外加电压下 在  
，
，
［14］  
(
2( a)  
如图  
) ; ，  
所示 在双极性电阻转变过程中 阻  
关
，
阻变材料内部可以形成导电细丝通道 一旦导电通道  
，
态转变除了与外加电场的强度有关外 还和外加电场  
， ，  
在上下电极间形成 器件表现为低阻态 当细丝断裂时  
，
［13］  
(
2( b) ) ．  
所示  
的极性有关  
如图  
．
器件变恢复到高阻态 导电细丝主要包括金属导电细  
． ，  
单极性转变和双极性转变各有特点 一般而言 具  
．
丝和氧离子迁移氧空位型导电细丝两类  
3． 1． 1  
这类器件其电极通常是由一个容易发生电化学反  
，
有单极性转变的器件 是由焦耳热引发的导电细丝的  
金属导电细丝  
，SET  
氧化还原反应  
转变过程是由于阻变氧化物的局部  
RESET  
( Ag  
或者  
Cu) ， ( Pt、Au、Ir、  
一个惰性电极  
，
化学还原反应形成的 而  
应的活性电极  
则为导电细丝的再氧  
W
) ，  
等 组成 电阻转变就是通过外电场作用下活性电极  
， /  
化过程 普遍认为还原 再氧化行为是  
SET RESET  
和
过
过程  
转变  
［12］  
［16］  
．
，
在此类阻变机理中 阻变层  
的氧化还原反应来实现  
．
RESET  
，SET  
过程相比  
程中不同温度决定的  
更高的操作电压跟高的局部温度 因此 高的  
RESET  
与
［20］  
［21］  
［22］  
［23］  
GeS 、GeSe 、AgI  
x
， Ta O  
等 或者是  
2
材料通常为  
．
，
SET  
5
，
等二元过渡金属氧化物 一般而言阻变层材料充当了  
， ．  
操作电流 使得器件的能耗过大 双极  
温度以及  
［24］  
．
离子导电层的作用 以  
Ag /Insulator/Pt  
器件 的阻变  
(
性电阻转变是通过电场作用下离子的迁移 主要是氧  
( 3  
机理为例 如图 所示  
) :  
Ag  
在
，Ag  
顶电极施加正电压  
)
空位的迁移 改变导电细丝的形状和导电性实现的  
．
+
+
Ag ，Ag Ag + e．  
→
原子被氧化成  
Ag  
当施加的电场足够强  
SET  
， ．  
过程中 利用限制电流控制导电细丝的尺寸 研究  
，
时 这些  
Pt ， Pt  
离子向 电极移动 到达 电极时得到电  
［17］  
，
，I  
，
也随着减小 而  
RESET  
表明  
随着限制电流的减小  
Ag  
，
原子 被还原的  
Ag  
Pt  
离子在  
子被还原为  
电极上不  
R
， ， SET  
则随之增大 也就是说 在  
，
过程中 限流值越大  
LRS  
，
断堆积 金属  
Ag  
Ag  
细丝最终到达  
，
电极 形成金属导电  
， ，  
时 导电细丝尺寸会越大 由此则会导致更小的  
R
值
LRS  
． ， ，  
通道 与此同时 器件的阻值急剧降低 器件到达低阻态  
I
．
值
和更大的  
RESET  
( ON state) ，  
此过程称为  
SET  
． ，  
过程 需要指出的是 可以  

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