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1 引言 目前工业上对理想的非易失性数据存储器(NVM)提出的要求是达到制备成本低、读写速度快、存储密度高、能量损耗低以及高效的循环和滞留特性[1,2]。现今，基于半导体硅基底材料的 Flash 存储器由于具有高存储密度以及低制备成本，而被认为是当前最具潜力的非易失性数据存储器。一方面，这类以硅材料作为基底支架的 Flash 存储器本身还存在很多缺点，例如可循环特性差、读写速度慢以及读写电压高等。另外一方面，Flash存储器单位面积的存储量的扩展即存储密度的进一步扩大，在未来几年也将会遭受理论上的瓶颈。从图 1.1 所示的不同年代对存储器的要求，可以看出随着社会的的进一步发展，人类对存储器的要求越来而对于另外一些基于不同存储机理的存储器，像铁电转换存储器(FeRAM)和磁电阻式转换存储器(MRAM)则由于目前只能满足一些具有特殊性能应用的小众市场，而不能被工业推广应用。主要原因之一就是基于这两类存储器的数据存储密度低，不能满足人们正常的实用需求。如果要想达到与如今的 Flash 存储器类似的数据存储密度，还存在技术和理论上的困难。为了克服现有的这些数据存储器所存在的缺陷，科研人员积极探索并开发了基于各式不同存储机理的新型存储器。其中最引人注目的是基于外界施加电场驱动的阻抗转换的非易失性数据存储器，也就是文献中经常说的阻抗转变随机存储器(RRAMs)。表 1 简要的总结了目前比较受到大家关注的、基于不同存储机理的存储器之间的存储性能参数。从表中可以看出，和其他类型的存储器相比较而言， RRAMs 由于具有存储密度高、 器件结构简单、读写速度快、循环特性好以及功率损耗低等特点，而被广泛科研工作者认为是拥有巨大发展前景的、
下一代非易失性随机存储器的有力竞争者。 表1.1各种典型存储器的性能参数对比[3] (T：传感器C：电容器R：电阻器) 存储器名称 类型 集成结构 操作速度 存储密度 功率损耗 SRAM volatile 6T 快 中 低 DRAM volatile 1T1C 中 高 中 Flash nonvolatile 1T 中慢 中 低中 FRAM nonvolatile 1T1C 快 高 低 MRAM nonvolatile 1T1R 快 高 低 PRAM nonvolatile 1T1R 快 高 中 RRAM nonvolatile 1T1R/1D1R 快 高 低 1.1 电驱动阻抗转变存储器发展现状 1.1.1 RRAMs的一般要求 阻抗转变随机存取存储器中的存储单元是按照一定要求的顺序（矩阵）来排列的。矩阵的行和列分别被称为字线和位线，进而连接到矩阵外围的电子放大器，进行一系列的写入和读取操作。在最简单的情况下，阻变存储器单元可能被放置在一个无源横杆矩阵中，在每个节点处连接字线和位线，如图 1.2(a)所示。图 1.2 一个典型的基于电驱动的阻抗转换的存储器矩阵存储节点的电路图，其中RS表示电阻转换单元 (a)无源矩阵，其中使用的是一个特定的非线性序列元素 (b)有源矩阵与选择晶体管T 为了避免所谓的寄生路径问题，也就是存储单元在低阻状态发生的信号旁路，每个节点处必须添加一个具有特定非线性的序列元素[4]。根据存储单元的转换方式，可以认为是具有特定的非线性程度的一个二极管或压敏型器件。另外，一个随机存储器被放置在一个有源矩阵中，这个有源矩阵的每个节点处都有一个选择晶体管，选择晶体管在其中所扮演的角色则是将未经过编址的存储单元去耦(见图1.2(b))。这一结构显著的降低了由矩阵中的晶体管触点所需要的额外面积而引起的串扰和干扰信号。 阻抗转变存储器中存储单元通常是呈 MIM 的电容器结构，即由两种相同或者不同的导电体(M)之间放置一个绝缘体或者阻变材料(I)。在经典的 RRAM 结构中，“I”一般表示的是氧化物或者高硫属化合物等典型的离子导体。这些 MIM 结构的存储单元在电驱动下，经过最初的“electroforming”（通常表示是阻变材料开关特性的激活），阻值至少可以在两种不同的数值之间进行转换。通过适当的编程以及录写电压脉冲 Vwr，在高阻值状态（“开”状态）的存储单元可以转变为低阻值状态（“关”状态）或者转变回起始的“开”状态。一般将作为阻变层材料阻抗值从高阻抗状态到低阻抗状态的转换过程称为SET， 而与之相反的变换过程称为RESET 或者 ERASE。在另外一些情况下，也有人观察到了多阻态的转变，即阻变材料具有超过两个以上的稳定的阻态。例如，每个单元可以存储多个比特信息。阻变存储器的存储状态是通过外加读取电压Vrd来进行操作、检测的。 基于现今对高密度的非易失性数据存储器的要求（像 Flash 存储器） ，以及对未来 15 年内扩展技术发展的预测[5]，对RRAM 存储单元的要求可以简单的总结如下: 1.写入操作 为了与CMOS几伏特的电压相兼容，写入电压Vwr应该在几百毫伏特范围内（克服了Flash存储器所需要高的编程电压）。为了与 DRAM 竞争，超越具有 10毫秒编程速度的 Flash存储器，甚至达到小于 10纳秒的高性能的 SRAM 的水平，理想的 RRAM写入电压的脉冲时间 twr应小于 100纳秒。