阻变式存储器(resistiverandomaccessmemory,RRAM)是以材料的电阻在外加电场作用下可在高阻态和低阻态之间实现可逆转换为基础的一类前瞻性下一代非挥发存储器.它具有在32nm节点及以下取代现有主流Flash存储器的潜力,成为目前新型存储器的一个重要研究方向。
早在1967年,Simmons和Verderber就研究了Au/SiO/Al结构的电阻转变行为。由于受实验手段和需求的影响,直到2000年,美国休斯顿大学(UniversityofHouston)的Ignatiev研究小组报道了PrxCa12xMnO3(PCMO)氧化物薄膜电阻转换特性后,人们才开始投入大量的精力和财力对RRAM进行研究。报道的具有电阻转变效应的材料种类繁多,到底采用哪种工艺制备的何种材料能够得到实际应用还没有定论;现阶段的研究主要集中在电阻转变机制的探讨和单管性能的提升上。到目前为止,除Spansion公司在2005年的IEDM上公开发布的64kb测试芯片外,还没有关于RRAM量产的消息,RRAM的集成技术也是其实用化的基础。
图1是RRAM器件典型的“三明治”(MIM)结构示意图,其上下电极之间是能够发生电阻转变的阻变层材料。在外加偏压的作用下,器件的电阻会在高低阻态之间发生转换,从而实现“0”和“1”的存储。与传统浮栅型Flash的电荷存储机制不一样,RRAM是非电荷存储机制,因此可以解决Flash中因隧穿氧化层变薄而造成的电荷泄漏问题,具有更好的可缩小性。
RRAM的制备工艺简单,有利于保证器件的成品率和降低成本。RRAM中最关键的是阻变层的制备,采用不同工艺制备的器件所获得的性能也不相同。目前,阻变层薄膜的制备技术主要有溅射(Sputtering)、化学气相淀积(CVD)、脉冲激光沉积(PLD)、电子束蒸发、原子层淀积(ALD)、溶胶2凝胶等。对于不同的材料体系,应根据材料的特性以及反应前驱物的状态,选择不同的制备工艺。同时,对材料进行设计和剪裁,包括掺杂改性、引入纳米晶颗粒,以及界面特性改善(如在H2中退火),也可以使器件的性能得到提高。
对RRAM存储器,必须建立一套行之有效的测试方法,才能够正确地评估其性能,并实现商业应用。RRAM交叉阵列的操作电压配置一般有两种方法:1/2V和1/3V法,如图4所示。在1/2V方法中,选中单元的字线电压为V,位线电压为0,其余的字线和位线电压都为1/2V,这样,选中单元上面的电压为V,选中单元所在的行和列上其他单元的电压为1/2V,其余的单元电压都为0,总的电流为I(V)+(m+n-2)I(V/2)。在1/3V方法中,选中单元的字线电压为VDD,位线电压为0,其余字线电压均为1/3V,其余的位线电压均为2/3V,这样,选中单元上面的电压为V,未选中单元上的电压为1/3V或21/3V,总的电流为I(V)+(m-1)(n-1)I(V/3)。需要指出的是,由于器件本身对电压的敏感程度不一样,采用1/2V或1/3V方法对编程效率和读裕度(readmargin)会有一定程度的影响。
作为下一代非挥发性存储器的有力竞争者,国际上对RRAM存储器的研究工作如火如荼。相比传统的Flash存储器,RRAM作为一种采用非电荷存储机制的存储器在32nm工艺节点以下将有很大的发展空间。具有电阻转变效应的材料很多,但是具体的电阻转变机制还不是很清楚,深入研究电阻转变机制能为RRAM器件的设计提供理论指导。高密度是存储器追求的一个重要性能,如何实现高密度的集成也是科研工作者和工程师需要一起解决的问题。RRAM的3D集成是实现高密度的一个重要手段,但由此带来的应力问题也应得到全面的考虑。在1D1R结构中追求整流二极管高电流密度的同时,如何降低RRAM器件的电流密度、开发低功耗的RRAM器件,也是一个重要的研究方向。