磁存储和半导体存储

廖 宇 龙2017.09 主要内容：u一 、 磁 性 存 储 材 料u二 、 光 信 息 存 储 材 料u三 、 半 导 体 存 储 技 术u四 、 MRAM存 储 材 料 及 技 术u五 、 RRAM存 储 材 料 及 技 术 一、磁性存储材料 在 信 息 时 代 ， 大 容 量 存 储 技 术 在 信 息处 理 、 传 递 和 探 测 保 存 中 占 据 着 相 当重 要 的 地 位 。 经 过 一 个 世 纪 的 发 展 ， 磁 性 存 储 取 得了 巨 大 的 进 步 ， 目 前 的 磁 记 录 密 度 已进 入 每 平 方 英 寸 超 过 100G位 数 的 量 级 。 为 了 提 高 磁 记 录 的 密 度 ， 主 要 途 径 是增 大 介 质 的 Hc/Br并 降 低 介 质 的 厚 度 。但 记 录 后 的 输 出 信 号 正 比 于 Br， 因 此提 高 介 质 矫 顽 力 是 关 键 。 磁 记 录 材 料 先 后 经 历 了 、（ Fe Co Ni等 合 金 磁 粉 ） 和 金 属 薄膜 三 个 阶 段 。 矫 顽 力 和 剩 磁 都 得 到 了 很 大 的 提 升 。是 高 记 录 密 度 的 理 想 介 质 。薄膜介质是连续性介质高的矫顽力高的饱和磁化强度 垂 直 磁 记 录 磁 化 方 向 和 记 录 介 质 的 平 面 相 垂 直的 记 录 方 式 。它 可 彻 底 消 除 纵 向 磁 记 录 方 式 随 记 录 单 元 缩 小 所 产 生 的 退 磁 场 增 大 的 效 应 ， 因 而 更 有 利 于 记 录 密 度的 提 高 。 同 时 对 薄 膜 厚 度 和 矫 顽 力 的 要 求 可 更 宽 松 。 但 其 对 信 号 的 读 出 效 率 较 差 ， 要 求 磁 头 必 须 距记 录 介 质 面 很 近 。 纵 向 磁 化 记 录 磁 化方 向 与 记 录 介 质 的 运动 方 向 平 行 的 记 录 方式 。如 硬 盘 、 软 盘 、 磁 带 等 。提 高 其 存 储 密 度 的 方 式 主 要 是 提 高 矫 顽 力和 采 用 薄 的 存 储 膜 层 。 高密度磁性存储磁头材料磁 记 录 的 两 种 记 录 剩 磁 状 态 （ Mr） 是 由 正 、 负脉 冲 电 流 通 过 磁 头 反 向 磁 化 介 质 来 完 成 的 。在 读 出 记 录 信 号 时 ， 磁 头 是 磁 记 录 的 一 种 磁 能 量转 换 器 ， 即 磁 记 录 是 通 过 磁 头 来 实 现 电 信 号 和 磁信 号 之 间 的 相 互 转 换 。 因 此 磁 头 同 磁 记 录 介 质 一 样 是 磁 记 录 中 的 关 键 元 件 。 磁头在磁记录过程中经历了几个阶段：体形磁头薄膜磁头磁阻磁头 磁阻、巨磁阻效应 1971年 有 人 提 出 利 用 铁 磁 多 晶 体 的 各 向 异 性 磁电 阻 效 应 制 作 磁 记 录 的 信 号 读 出 磁 头 。 1985年 IBM公 司 实 现 了 这 一 设 想 。此 后 ， 磁 记 录 密 度 有 了 很 大 的 提 高 。 磁 阻 磁 头 主要 采 用 Ni （ Co， Fe） 系 列 的 铁 磁 合 金 材 料 ， 其主 要 特 点 当 电 流 与 磁 场 平 行 和 垂 直 时 其 电 阻 率 有较 明 显 的 变 化 。 上 世 纪 80年 代 末 法 国 巴 黎 大 学 Fert教 授 课 题 组 提 出 和发 现 的 ， 引 起 极 大 轰动 ， 也 为 磁 头 技 术 带 来 了 突 飞 猛 进 的 发 展 。 该 项 成 果也 获 得 了 2007年 诺 贝 尔 物 理 奖 。 GMR效 应 主 要 基 于 电 子 自 旋 特 性 产 生 。 Mp M电子的两大量子特性电荷自旋NP + + + +- - - - E 巨 磁 电 阻 电 阻 网 络 模 型 (Mott二 流 体 模 型 )两磁性层平行 两磁性层反平行 NFFNF RwLR)P1(w2RRR DeN 2 DeN 2 NFFNF RwLR)P1(w2RRR P 1986发现AF耦合GMR 1988发现GMR 1991发明自旋阀1994,GMR记录磁头2005,100Gb/in2记录磁头1993第一个GMR MRAM 2005，1Gb MRAM自旋阀典型结构 二、光信息存储材料与 磁 存 储 技 术 相 比 ， 光 盘 存 储 有 以 下 优 势 ：非 接 触 式 读 /写 ， 光 头 与 光 盘 间 有 1 2mm距 离 ， 因 此 光 盘 可以 自 由 更 换 ； 信 息 载 噪 比 高 ， 而 且 经 多 次 读 写 不 降 低 ； 信 息 位 的 价 格 低 ； 抗 磁 干 扰 。缺 点 ： 光 盘 驱 动 器 较 贵 ， 数 据 传 输 率 较 低 ， 存 储 密 度 较 低 。 在 未 来 10年 内 ， 磁 存 储 和 光 盘 存 储 仍 为 高 密度 信 息 外 存 储 的 主 要 手 段 。今 后 高 性 能 的 硬 盘 主 要 为 计 算 机 联 机 在 线 存 储 ， 以 计 算 机 专 业 用 为 主 。高 性 能 光 盘 为 脱 机 可 卸 式 海 量 存 储 和 信 息 分 配 存 储 ， 以 消 费 用 为 主 。 提 高 存 储 密 度 和 数 据 传 输 率 一 直 是 光 盘 存 储 技术 的 主 要 发 展 目 标 。同 时 ， 多 功 能 （ 可 擦 重 写 ） 也 是 光 盘 存 储 技 术 的 发 展 方 向 ， 也 由 此 才能 与 日 益 发 展 的 磁 盘 存 储 技 术 竞 争 。 光 盘 工 作 性 能 的 扩 展 取 决 于 存 储 介 质 的 进 展 。CD-ROM光 盘 的 信 息 数 据 :预 刻 于 光 盘 母 盘 上 的 （ 形 成 凹 坑 ） 然 后 制 成 金 属 压 膜 再 把凹 坑 复 制 于 聚 碳 酸 酯 的 光 盘 基 片 上 靠 凹 坑 与 周 围 介 质 反 射 率 的不 同 读 出 信 号 。由 于 其 价 格 便 宜 ， 制 作 方 便 ， 已 大 量 使 用 。 光 盘 记 录 点 的 尺 寸 决 定 于 聚 焦 光 束 的 衍 射 极 限 。缩 短 记 录 激 光 波 长 是 缩 小 记 录 点 间 距 ， 提 高 存储 密 度 的 关 键 。PS: 采 用 GaN半 导 体 激 光 器 （ 记 录 波 长 0.40 0.45m） ， 可 将 光 盘 的 存储 容 量 提 高 到 10GB以 上 ， 称 为 超 高 密 度 光 盘 存 储 技 术 。 可擦重写光盘存储技术可 擦 重 写 光 盘 的 存 储 介 质 能 够 在 激 光 辐 射 下 起 可 逆的 物 理 或 化 学 变 化 。目 前 发 展 的 主 要 有 两 类 : 即 磁 光 型 和 相 变 型 。前 者 靠 光 热 效 应 使 记 录 下 来 的 磁 畴 方 向 发 生 可 逆 变化 ， 不 同 方 向 的 磁 畴 使 探 测 光 的 偏 振 面 产 生 旋 转（ 即 克 尔 角 ） 作 读 出 信 号 ；后 者 靠 光 热 效 应 在 晶 态 与 非 晶 态 之 间 产 生 可 逆 相 变 ，因 晶 态 与 非 晶 态 的 反 射 率 不 同 而 作 为 探 测 信 号 。 具 有 显 著 磁 光 效 应 的 磁 性 材 料 称 为 磁光 材 料 。 主 要 为 石 榴 石 型 铁 氧 体 薄 膜 。 偏 振 光 被 磁 性 介 质 反 射 或 透 射 后 ， 其偏 振 状 态 发 生 改 变 ， 偏 振 面 发 生 旋 转 的 现 象 。 由 反射 引 起 的 偏 振 面 旋 转 称 为 克 尔 效 应 ； 由 透 射 引 起 的偏 振 面 旋 转 称 为 法 拉 第 效 应 。 磁 光 存 储 的 写 入 方 式 利 用 热 磁 效 应 改 变 微小 区 域 的 磁 化 矢 量 取 向 。1. 当 经 光 学 物 镜 聚 焦 的 激 光 束 瞬 时 作 用 于 该 薄 膜 的 一 点 时 ，此 点 温 度 急 剧 上 升 ， 超 过 薄 膜 的 居 里 温 度 后 ， 自 发 磁 化强 度 消 失 。2. 激 光 终 止 后 温 度 下 降 ， 低 于 居 里 温 度 后 ， 磁 矩 逐 渐 长 大 ，磁 化 方 向 将 和 施 加 的 外 加 偏 置 场 方 向 一 致 。 因 为 该 偏 置场 低 于 薄 膜 的 矫 顽 力 ， 因 此 偏 场 不 会 改 变 其 它 记 录 位 的磁 化 矢 量 方 向 。磁 光 存 储 即 有 光 存 储 的 大 容 量 及 可 自 由 插 换 的 特 点 ，又 有 磁 存 储 可 擦 写 和 存 取 速 度 快 的 优 点 。 它 们 的 熔 点 较 低 并 能 快 速 实 现 晶 态 和 非 晶态 的 可 逆 转 变 。 两 种 状 态 对 光 有 不 同 的 发 射 率 和 透 射 率 。 但 这 种 光 存 储 介 质 多 次 读 写 后 信 噪 比 会 下降 。相 变 型光 存 储介 质 Te（ 碲 ） 半 导 体 合 金非 Te基 的 半 导 体 合 金 三、半导体存储技术目 前 的 半 导 体 存 储 器 市 场 ， 以 挥 发 性 的 及 非 挥 发 性的 为 代 表 。 其 中 Flash具 有 非 易 失 性 、 高 速 、 高 集 成 度 和 电 可 擦 除 等 优点 。 目 前 NAND型 Flash已 发 展 到 32 nm/64 Gbit量 产 的 水 的水 平 。 Flash存 储 器 己 发 展 成 为 当 前 工 艺 线 宽 最 小 、 单 片 集成 密 度 最 高 、 应 用 最 广 泛 的 集 成 电 路 产 品 。 Flash存 储 器 通 过 对 器 件 的栅极、源极、漏极和衬底加 适 当 的 电 压 激 励 ， 使 得 器 件 沟 道 中 的 电 子 被 电 场 拉到 浮 栅 (floating gate)中 的 电 子 将 导 致 器 件 阀 值 电 压的 状 态 用 来 存 储 数 据 “ 0” 和 数 据 “ 1” 。 传 统 Flash存 储 器 的 隧 穿 氧 化 层 厚 度 的 减薄 不 能 与 技 术 代 发 展 保 持 同 步 ， 同 时 单元 尺 寸 的 缩 小 还 会 带 来 工 艺 涨 落 和 随 机涨 落 增 加 等 难 题传 统Flash存 储器 将面 临着 许多 缺陷 和难 题 写 入 电 压 较 高 、 读 写 速 度 较 慢 ( s量 级 )和 功 耗 较 大 ， 因 而 需 要 特 殊 的 电 压 提 升结 构 从 而 加 大 了 电 路 设 计 的 难 度 。技 术 界 普 遍 预 测 ， NOR（ 高 速 ） 型 Flash将 止 步 于 45 nm技 术 节 点 ， 而 NAND（ 大 容 量 ） 型 Flash也 将 在 32 nm的 技 术 节 点 处 达 到 极 限 尺 寸 。 铁 电 存 储 器 (FRAM: Ferroelectric Random Access Memory) 磁 随 机 存 储 器 (MRAM: Magnetoresistive Random Access Memory) 相 变 存 储 器 (PCM: Phase Change Memory) 阻 变 存 储 器 (RRAM: Resistive Random Access Memory) 是 利 用 铁 电 晶 体 材 料 (如PZT, SBT, BLT等 )的 自 发 极 化 和 在 外 界 电 场 的 作 用 下 改 变极 化 方 向 的 特 性 来 进 行 数 据 存 储 。 主 要 是 利 用 来 实 现 高 低 两 种 电阻 状 态 的 转 换 而 达 到 二 值 存 储 的 目 的 。 MRAM的 数 据 是 以 磁 性 状 态 (而 不 是 电 荷 )存 储 ， 并 且 读 取 数据 是 利 用 测 量 电 阻 来 感 知 ， 不 会 干 扰 磁 性 状 态 ， 因 此 与 现 有的 Flash, SRAM, DRAM相 比 ， MRAM具 有 存 取 速 度 快 、 存 取次 数 多 、 功 耗 低 以 及 非 挥 发 性 等 优 点 ， 具 有 广 泛 的 应 用 领 域 。 但 是 ， MRAM磁 性 材 料 薄 膜 的 制 备 工 艺 比 较 复 杂 ， 在 大 面 积制 备 过 程 中 薄 膜 的 厚 度 容 易 出 现 波 动 ， 从 而 影 响 器 件 的 均 匀性 和 可 靠 性 ， 与 传 统 CMOS工 艺 的 兼 容 性 还 需 要 进 一 步 优 化 。 ， 通 常 也 被 称 为 PCM, PCRAM或 OUM(Ovonics Unified memory)等 。 它 主 要 是 利 用 硫 化 物 (Chalcogenide)和硫 化 合 金 等 材 料 的 相 变 特 性 来 实 现 储 存 的 。 PRAM器 件 具 有 非 常 简 单 的 金 属 一 绝 缘 体 一 金 属 (M-I-M)结 构 ，通 过 在 电 极 两 端 施 加 不 同 高 度 和 宽 度 的 电 脉 冲 就 可 以 使 得相 变 薄 膜 材 料 在 晶 相 和 非 晶 相 之 间 进 行 转 换 ， 使 得 相 变 薄膜 材 料 的 电 阻 阻 值 在 高 、 低 阻 态 之 间 进 行 转 换 ， 从 而 实 现数 据 的 储 存 。 具 有等 优 点 ，但 PRAM存 在 一 个 致 命 的 缺 陷 ， 擦 除 (RESET)过 程 需 要 较 大 的 电 流 (100 A)， 大 电 流需 要 大 尺 寸 的 晶 体 管 驱 动 ， 造 成 存 储 密 度 的 降 低 ， 同 时 增 加 了 芯 片 的 功 耗 ， 这 己 成为 阻 碍 其 商 用 化 最 关 键 的 问 题 。 ， 它 主 要 是 利 用 某 些 薄 膜 材 料 在 电 激 励 的 作 用 下会 出 现 不 同 电 阻 状 态 ( )的 转 变 现 象 来 进 行 数 据 的 存储 ， 这 和 PRAM有 相 似 的 地 方 。pRRAM的 基 本 结 构 为 金 属 一 绝 缘 体 一 金 属 (M-I-M)或(M-I-S)结 构 ， 其 中 上 面 的 金 属 薄 膜 作 为 上 电 极 ， 中间 的 绝 缘 层 作 为 阻 变 功 能 层 ， 下 面 金 属 或 导 电 的 半 导 体 衬 底 用 作 下 电 极 。具 有 阻 变 现 象 的 材 料 非 常 丰 富 ， 特 别 是 一 些 与 CMOS工 艺 兼 容 的 二 元 氧 化物 也 被 报 道 具 有 较 好 的 阻 变 存 储 特 性 ， 使 得 RRAM存 储 技 术 受 到 广 大 半 导体 公 司 的 青 睐 。 与 其 它 新 型 非 挥 发 存 储 器 相 比 ， 具 有、 、和 ， 因 此 成 为 下 一 代 非 挥 发 存 储器 的 有 力 竞 争 者 之 一 。 MRAM不 仅 具 有 SRAM存 取 速 度 快 、 工 作 电 压 低 ， DRAM重 复擦 写 次 数 多 的 优 点 ， 而 且 具 备 FLASH的 非 易 失 性 ， 并 且 由 于其 抗 电 磁 干 扰 、 抗 辐 射 、 大 容 量 存 储 等 优 势 ， 在 计 算 领 域 和军 事 信 息 领 域 具 有 重 大 的 应 用 价 值 。四、MRAM材料及技术 目 前 DRAM、 SRAM和 Flash都 是 基 于 半 导 体技 术 开 发 。 静 态 随 机 存 储 器 （ SRAM） 利 用 双 稳 态 触 发 器 作 存 储 元 件 ，因 此 速 度 快 ， 但 相 对 于 DRAM集 成 度 低 。 DRAM相 对 于 SRAM来 说 集 成 度 高 ， 但 因 为 用 电 容 作 存 储 元件 ， 放 电 时 间 长 ， 限 制 了 DRAM的 速 度 。 Flash控 制 原 理 是 电 压 控 制 栅 晶 体 管 的 电 压 高 低 值 （ 高 低电 位 ） ， 栅 晶 体 管 的 结 电 容 可 长 时 间 保 存 电 压 值 ， 因 而能 断 电 后 保 存 数 据 。 但 其 单 元 工 作 电 压 较 大 ， 存 储 密 度提 高 不 易 。 且 写 入 时 间 较 长 。 虽 然 大 多 数 专 家 相 信 ， 即 使 工 艺 节 点 缩 小 到 20nm， 硅 技术 仍 将 保 持 其 领 先 地 位 ， 但 是 在 20nm以 下 ， 将 出 现 大 量由 基 础 以 及 特 殊 应 用 引 发 的 障 碍 ， 从 而 阻 挠 工 艺 节 点 的进 一 步 缩 小 。 随 着 大 家 对 “ 不 久 的 将 来 ， DRAM和 闪 存 器 件 在 体 积 上 将 不 会 有 所变 化 ” 的 疑 虑 不 断 增 加 ， 人 们 开 始 关 注。 毫 无 疑 问 ， 下 一 代 存 储 器 市 场 的 竞 争 一 定 会 十 分 激 烈 ， 而目 前 也 很 难 判 定 哪 种 技 术 将 在 潜 能 巨 大 的 通 用 存 储 器 业 务 中 胜 出 。 基 于 巨 磁 电 阻 效 应 （ Giant Magnetoresistive，GMR）的 一 种 新 型 存 储 器 (Magnetic Random Access Memory，MRAM) 受 到 各 国 研 究 者 的 广 泛 关 注 ， 成 为 当 前 存 储 器 研 究领 域 的 热 点 。 快 速 存 取非 易 失 性抗 辐 射抗 干 扰低 功 耗使 用 寿 命 长 、 成 本 低 目 前 MRAM的 读 写 机 制 主 要 有 两 种 ：1. 1T1MTJ（ one Transistor one MTJ)架 构 ， 即 一个 记 忆 单 元 连 接 一 个 MOS管 ；2. XPC (Cross-point cell)构 架 ； MRAM核 心 技 术 其 一 是 获 得 高 磁 阻 变 化 比 值的 磁 性 多 层 膜 结 构 ； 其 二 是 尽 量 降 低 存 储 位 元 的 尺 寸 ； 其 三 是 读 写 的 构 架 和 方 法 合 理 实 施 。 结 构 较 复 杂 ， 且 存 储 单 元 的 小 型 化 受 MOS管 限 制 ，存 储 密 度 提 高 有 限 。 o XPC结 构 存 储 单 元 结 构 更 简 单 ， 更 有 利 于 存储 密 度 的 提 高 。o 但 XPC结 构 中 位 线 和 字 线 都 直 接 与 MTJ连 接 。所 以 在 写 入 时 电 流 会 经 由 MTJ流 失 ， 导 致 电流 会 随 着 位 线 或 字 线 路 径 增 长 而 降 低 ， 甚 至小 到 无 法 完 成 MTJ的 写 入 动 作 。 五、RRAM材料及技术的 研 究 实 际 上 已 有 数 十 年 的 历 史 。 1971年 ， 加 州 大 学 伯 克 利 分 校 Leon Chua教 授 预 测 ， 在 电 容 、电 阻 和 电 感 之 外 ， 还 存 在 第 四 种 基 本 元 件 ： 记 忆 电 阻（ Memristor） 。 这 种 电 阻 能 够 通 过 施 加 不 同 方 向 、 大 小 电压 ， 改 变 其 阻 值 。 2006年 ， 惠 普 终 于 通 过 实 验 证 实 了 忆 阻 器 的 存 在 ， 并 在 2008年 于 “ Nature” 杂 志 发 表 论 文 得 到 世 界 认 可 。 在 证 明 忆 阻 器 存 在 后 ， 惠 普 还 在 不 断 推 动 这 项 技 术 的 进 步 ，包 括 2009年 实 现 忆 阻 器 电 路 堆 叠 ， 2010上 半 年 又 证 实 忆 阻 器可 实 现 逻 辑 电 路 ， 即 可 以 在 存 储 芯 片 中 直 接 实 施 运 算 功 能 。 由 于 RRAM属 于 非 易失 性 存 储 设 备 ， 其最 直 接 的 应 用 就 是替 代 闪 存 ， 担 当 计算 机 以 及 各 种 消 费电 子 设 备 中 的 长 期存 储 任 务 。 甚 至 还可 能 成 为 通 用 性 存储 介 质 ， 取 代 DRAM甚 至 硬 盘 的 位 置 。 ： 一 些 有 机 分 子 薄 膜 被 发 现 具。 通 过 在 有 机 薄 膜 或 聚 合 物 中 加 入 金 属 性 纳 米 材 料 (如 Al, Au等 纳 米 晶 )的 方 法 ， 还 可 以 提 高 有 机 薄 膜 阻 变 器 件 的 存 储 特性 。 由 于 有 机 材 料 构 成 的 器 件 存 在 热 稳 定 性 差 、 重 复 转 变 次 数低 和 有 机 材 料 与 CMOS工 艺 难 以 兼 容 等 缺 点 ， 因 此 很 难 应 用于 主 流 的 非 挥 发 性 存 储 领 域 。 考 虑 到 有 机 材 料 具 有 的 优 点 :如 柔 性 、 制 备 简 单 、 低 成 本 和大 面 积 制 造 等 ， 有 机 材 料 构 成 的 RRAM器 件 可 能 会 在 柔 性 电子 领 域 、 低 成 本 的 一 次 写 入 可 读 出 存 储 领 域 上 获 得 成 功 。RRAM材料体系： 目 前 被 报 道 具 有 电 阻 转 变效 应 的 多 元 金 属 氧 化 物 主 要 有 PrxCa1-xMnO3, LaxCa1-xMnO3等 四 元 金 属 氧 化 物 等 SrTiO3, SrZrO3等 三 元 金 属 氧 化 物 。夏 普 公 司 在 购 买 休 斯 顿 大 学 的 专 利 后 ， 在 2002年 的 IEDM会 议 上 报 道 了 基 于 PCMO薄 膜 的 64 bit的 RRAM的 测 试 芯 片 ， 并 将 器 件 的 高 、 低 阻 态 的 比 值 提 高 到 了 104倍 。 国 内 的 科 研 院 所 ，如 中 国 科 学 院 上 海 硅 酸 岩 研 究 所 ， 中 科 院 物 理 研 究 所 和 南 京 大 学 等 单 位 在 四 元 金 属 氧 化 物的 RRAM上 也 开 展 了 大 量 的 工 作 。 PS： 尽 管 多 元 金 属 氧 化 物 材 料 构 成 的 RRAM器 件 也 表 现 出了 较 好 的 存 储 特 性 ， 但 是 考 虑 到 多 元 金 属 氧 化 物 材 料 的 制 备工 艺 比 较 复 杂 、 成 分 比 例 难 以 控 制 并 与 当 前 CMOS工 艺 不 兼容 ， 因 此 这 类 材 料 在 RRAM存 储 领 域 的 应 用 前 景 并 不 明 朗 。 除 了 以 上 这 些 二 元 金 属氧 化 物 材 料 以 外 ， 还 有 许 多 二 元 金 属 氧 化 物 材 料 如 :TiOx, MnO, CrO3, A1203和 CoO等 也 被 发 现 具 有 电 阻 转 变效 应 。 影 响 二 元 氧 化 物 的 阻 变 特 性 除 了 与 材 料 本 身 相 关 以 外 ，还 和 所 使 用 的 电 极 材 料 ， 材 料 的 制 备 工 艺 和 材 料 的 掺 杂元 素 等 因 素 有 很 大 的 关 系 。 尽 管 各 公 司 都 有 自 己 关 注 的 二 元 金 属 氧 化 物 ， 但 是 具 体哪 种 二 元 金 属 氧 化 物 更 具 有 优 势 到 目 前 都 还 没 有 统 一 的定 论 ， 这 也 给 中 国 的 半 导 体 公 司 和 科 研 单 位 提 供 了 获 得具 有 自 主 知 识 产 权 的 RRAM器 件 的 机 遇 。 RRAM阻变机制：从 材 料 中 发 生 阻 变 现 象 的 区 域 进 行 划 分 ， 可 以 将 目 前 所 提出 的 阻 变 机 制 分 为 整 体 效 应 和 局 域 效 应 两 大 类 。是 指 发 生 阻 变 的 区 域 在 材 料 体 内 是 均 匀 的 ，产 生 的 原 因 可 能 是 电 极 与 阻 变 材 料 界 面 势 垒 的 变 化 或 者 是材 料 体 内 的 缺 陷 对 电 荷 的 捕 获 和 释 放 过 程 引 起 的 ， 这 类RRAM器 件 的 高 、 低 阻 态 电 阻 都 与 器 件 的 面 积 有 着 紧 密 的 关系 。 是 指 材 料 体 内 部 分 区 域 发 生 阻 变 现 象 ， 产 生的 原 因 是 在 材 料 体 内 形 成 导 电 能 力 较 强 的 导 电 通 道 ， 这 类阻 变 器 件 的 低 阻 态 电 阻 与 器 件 的 面 积 关 系 不 大 ， 因 此 具 有更 好 的 可 缩 小 性 ， 目 前 观 测 到 的 导 电 细 丝 尺 寸 最 小 可 到 几 个 纳 米 。 从 目 前 报 道 的 研 究 结 果 来 看 ， 氧 化 物 中 的 电 阻转 变 现 象 大 部 分 都 与 (conductive filament)的 形 成 与 破 灭 相 关 。这 种 导 电 细 丝 机 制 主 导 的 电 阻 转 变 ， 在 电 学 特 性 上 有 两 大 特 征 :第 一 ， 器 件 的 低 阻 态 电 流 与 电 压 成 线 性 关 系 ；第 二 ， 器 件 低 阻 态 电 阻 值 与 器 件 的 面 积 无 关 。 RRAM的集成结构：1R是 阻 变 器 件 中 最 简 单 的 集 成 结 构 ， 通 常采 用 交 叉 阵 列 (crossbar)的 二 维 结 构 。 但 是 。 crossbar结 构存 在 严 重 的 “ 误 读 ” 现 象 ，如 果 在 2x2的 阵 列 中 三 个相 邻 的 交 叉 点 处 于 低 阻 状态 (1)， 那 么 不 管 第 四个 交 叉 点 的 实 际 电 阻 处 于高 阻 态 还 是 低 阻 态 ， 其 读出 的 电 阻 都 为 低 阻 ， 这 就是 “ 误 读 ” 现 象 。 1T1R单 元 结 构 ： 1T1R结 构 就 是 将 和 一 个组 合 在 一 起 形 成 一 个 存 储 单 元 。 当 对 某 个 单 元 进 行 操 作 时 ，对 应 的 品 体 管 打 开 ， 而 其 它 单 元 对 应 的 晶 体 管 关 闭 ， 这 样 就避 免 了 对 周 围 单 元 的 误 操 作 以 及 产 生 读 取 串 扰 的 问 题 。 1T1R结 构 是 一 种 有 源 结 构 ， 器 件 的 最 小 面 积 取 决 于 晶 体 管 的 大 小 ，因 此 不 利 于 高 密 度 集 成 。1D1R单 元 结 构 ： 与 1T1R结 构 中 的 晶 体 管 作 用 类 似 ，1D1R结 构 采 用 来 选 择 所 需 要 操 作 的 存 储 单 元 。 由 于 二极 管 具 有 整 流 特 性 ， 因 此 要 求 RRAM器 件 必 须 是 单 极 性 或 无 极性 转 变 ， 即 必 须 能 够 使 用 同 一 极 性 的 不 同 电 压 实 现 存 储 单 元的 擦 写 。 采 用 1D1R结 构 ， 电 流 只 能 从 一 个 方 向 流 过 RRAM器 件 ，从 而 有 效 地 抑 制 了 1R结 构 中 的 误 读 现 象 。