RRAM的阻变特性研究

宋 玲

（中国电子科技集团公司第四十七研究所，沈阳110032）

RRAM的阻变特性研究

宋 玲

（中国电子科技集团公司第四十七研究所，沈阳110032）

阻变存储器（RRAM）是一种基于阻值变化来记录存储数据信息的非易失性存储器（NVM），RRAM具有存储单元结构简单、工作速度快、功耗低等诸多优点，因而受到广泛关注。主要从三方面论述RRAM的阻变特性。

阻变存储器；阻变；非易失存储器

1 引 言

阻变存储器（RRAM）是一种基于阻值变化来记录存储数据信息的非易失性存储器（NVM）。作为下一代NVM存储器的有力竞争者，RRAM显示出了优异的电学性能及良好的CMOS兼容性，它具有结构简单、尺寸小、保持时间长、擦写速度快、操作电压小、非破坏性读出和与传统CMOS工艺兼容性好等优点，被学术界和工业界看好。

2 RRAM的阻变机理

阻变现象是RRAM器件所特有的物理现象，它是利用某些薄膜材料在电脉冲激励下可以具备不同的电阻状态而进行信息存储的NVM技术。实际上早在1967年，Simmons JG和Verderber R R等人就在SiO材料中观测到了电阻转变现象，而直到2000年Ignatiev A等人报道了他们在稀土掺杂锰氧化物镨钙锰氧（Pr0.7Ca0.3MnO3，PCMO）中发现了电脉冲诱发变阻效应以后，这种电致变阻现象才引起了世界各国学者的广泛关注。而后研究者们陆续在很多种材料中都发现了这种现象，最为常见的是过渡金属二元氧化物，如CuxO、NiO和ZrOx以及一些固态电解质材料如CuI0.76S0.1、Ag-Ge-Se、Ag-Ge-S、Ag2S等。

图1为RRAM的单元结构与工作机理。RRAM存储单元是一个金属-功能层-金属的三明治结构。通过金属电极对功能层材料施加适当的电学激励，其电阻值可以在高电阻和低电阻两种状态之间进行转换，以此可以代表器件的两种状态，用以存储逻辑“1”和逻辑“0”。当电学信号撤掉之后，材料的电阻值可以维持不变，因此其存储信息具有非挥发性。需数据读取时，只需要施加小信号测试单元的电阻值便可读出数据。当信号足够小时，并不会对变阻材料的电阻状态产生影响，因此其又具有非破坏性读出的特点。

图1 RRAM的单元结构与工作机理

根据电阻开关跳变过程是否与电压的极性相关，可以分为单极性电阻开关、双极性电阻开关和无极性转变，如图2所示。图2（a）所示在单极性电阻开关中，我们可以看到无论是在正电压条件下还是在负电压条件下，电阻形态都会经历由低阻态变为高阻态同时由高阻态变回低阻态；图2（b）所示双极性电阻开关的跳变过程除了与电压的大小有关系之外还和电压的极性有关。这两种电阻跳变过程，在同一电压极性范围之内都会发生。

图2 RRAM的特性

有趣的是随着时代的发展和科研人员的努力，有些研究者同时又发现了一种无极性电阻开关如图2（c）所示。无极性电阻开关的电阻形态变化不会随着电压方向的变化而变化，同时电阻形态的变化可以发生在任何方向的电压条件之内，也就是高低阻态的变化可以发生在正电压的激发条件下，同时也可以发生在负电压的激发条件下。它和单极性电阻开关的区别在于，单极性电阻开关的组态变化只能从低电阻变化为高电阻，然后再从高电阻变回低电阻，但是无极性电阻开关的电阻形态是可以自己选择的。它和双极性电阻开关的不同之处在于，双极性电阻开关电阻形态的改变是要依赖于电压极性的变化，而无极性电阻开关电阻形态的变化不依赖于电压形态的变化。

3 阻变机制的分类

阻变机制的分类并不是固定的，根据分类判据的不同，RRAM的阻变机制可分为细丝导电理论与界面阻变理论；由电极决定的阻变与由介质层决定的阻变；单极型与双极型阻变；基于氧化还原反应与其他物理化学反应的阻变等。

造成非易失性阻变的物理机制也非常多，包括纳米机械记忆效应、分子阻变效应、静电／电子记忆效应、电化学金属化记忆效应、价变记忆效应、热化学记忆效应、相变记忆效应、词组记忆效应以及铁电隧穿效应等，但基本都是电致激发的阻变现象。

4 阻变器件

由于阻变现象的材料种类很多，且不同材料的阻变特性差异较大，表1给出了几种常见RRAM器件比较，其中比较重要的参数有：阻变转换电压，为与现有COMS电路兼容，阻变转换电压最好在5V以下；高、低阻态阻值比，为有效区分两种阻态，高、低阻态阻值比应尽量大，常见的RRAM器件阻值比可达103；器件的读写速度；器件状态转化次数及状态保持时间；器件功耗等。

表1 几种常见RRAM器件比较

5 结束语

从RRAM的阻变机理、阻变机制的分类、阻变器件等三方面对RRAM的阻变特性进行了深入剖析。目前，RRAM受到国内外大量研究人士的青睐，不光在阻变机理方面，还有器件结构、工作机理、器件模型等方面都在大量研究，它的低操作电压、低功耗、简单结构、高存储密度、快速读写、与CMOS工艺相兼容等特点被学术界和工业界广泛看好，相信随着研究工作的深入，RRAM一定会逐步走向实用，被大量应用于生活甚至武器装备中，成为纳米特征尺寸下替代现有存储技术的新一代存储器。

［1］宋志棠.相变存储器与应用基础［M］.北京：科学出版社，2013.

［2］桑野雅彦.存储器IC的应用技巧［M］.北京：科学出版社，2012.

［3］宋志棠.相变存储器［M］.北京：科学出版社，2013.

Research of RRAM’s Varaiable Resistance Characteristics

SONG Ling
（The 47th Research Institute of China Electrics Technology Group corporation，Shenyang 110032，China）

RRAM（Resistive random access memory）is non-volatile memory（NVM），which stores records based on changing resistance.RRAM is extensively concerned because of its excellent characteristics such as simple cell structure，high speed and low power.This paper introduces RRAM＇s varaiable resistance characteristics in three aspects.

RRAM；Varaiable Resistance；NVM

10.3969／j.issn.1002-2279.2014.04.008

TP21

：A

：1002-2279（2014）04-0024-02

宋玲（1979-），女，辽宁盘锦人，工程师，主研方向：软件工程。

2014-01-20