阻变存储器概述

阻变存储器 （RRAM）是利用脉冲电压对存储单元进行写入和消除，进而导致记忆单元电阻改变，这就是电脉冲诱使阻变效应。

2.1 电阻转换现象

利用一些薄膜材料在电激励条件下薄膜电阻在不同电阻状态（高阻态（HRS）、 低阻态（LRS））之间的相互转换来实现数据存储。根据电阻转换所需外加电压极性的不同，RRAM器件的电阻转变特性可以分为两种切换模式：单极转换和双极转换。从HRS到LRS的转换被称为“SET”过程。相反，从LRS到HRS的转换被称为“RESET”过程。单极转换是指器件在高低组态之间转变时外加电压极性相同。如果器件能在任意极性的电压实现高低阻态的转变，它被称作为无极性转换。双极开关的切换方向取决于所施加的电压的极性。

图2.2.1 （a）RRAM基本结构示意图和RRAM转换特性，（b）单极性转换，（c）

双极性转换

对于单极转换必须设置限制电流，对于双极转换，不一定需要设置限定电流的大小。施加在RRAM上的电压可以是脉冲电压或扫描电压，实际应用中利用扫描电压改变记忆单元电阻是不行的。除了使用直流电压改变阻态，还可以用电脉冲诱导电阻转变（EPIR）效应实现记忆单元阻值转换。利用改变脉冲电压的极性完成高低阻态的转变，如图1.2.2所示。

图2.2.2 脉冲诱使电阻转换的可重复现象

2.2 RRAM器件的阻变机制

到目前为止，电阻转换的真正机制还未确定，机制的不明确严重影响阻变存储器的应用步伐[6]。阻变效应属于材料的体效应还是氧化物与电极间的界面效应是需要解决的重大难点。目前，对于电阻转换现象的解释，研究人员提出了下面几种模型，主要有：导电细丝模型，界面接触势垒模型，缺陷能级模型。

2.2.1 导电细丝模型

导电细丝（CF，conducting filament）机制是一种局域化的效果，仅在介质薄膜的局部发生电阻的转变。从目前报道来看，固态电解液和大多数金属氧化物RRAM的电阻转变都与局部导电细丝的形成与断裂有关[7]。

图2.2.1 导电细丝模型

导电细丝主要原理：电路导通时，薄膜内部会形成传导路径，使通过电流变大，这时薄膜器件处于开启状态（ON state）；当导电通道断裂后，薄膜电流变小，这时薄膜器件处于关闭状态（OFF state）。图2.2.1为C.C Lin et al.人提出的导电细丝模型。（a）处于ON state，（b）、（c）、（d）都处于OFF state。 2.2.2 界面接触势垒模型

当RRAM单元有电极/半导体薄膜接触面时，界面接触电阻的变化可能来自于界面处肖特基势垒变化，界面处氧空位缺陷俘获和释放电荷导致界面势垒变化原理图如图2.2.2所示。当有负向电压施加界面处时，电子进入氧化物和氧空位结合，导致界面处势垒增加并造成隧穿电流减小，器件为HRS；当正向电压施加界面处时，电荷从氧空位中释放，造成氧空位累积而是肖特基势垒降低，隧穿电流增加，器件变为LRS.

图2.2.2 金属与半导体材料界面处电荷被俘获与释放导致界面势垒的变化原理图[8]

2.2.3 缺陷能级模型

在实际的薄膜材料中，总存在一些杂质和缺陷，这些杂质和缺陷会在材料中引入相应的杂质能级和缺陷能级，因此，在电荷传输的过程中会俘获和释放电荷，从而影响电子或空穴的传输。目前用以解释阻变现象的缺陷能级模型主要包括：SV模型、SCLC模型和Poole-Frenkel模型。本节主要说明SV模型 。

早在1967年，J. G. Simmons和R. R. Verderber为解释Au/SiO2/Al 结构中的阻变现象，提出了SV模型[9]。他们认为，在初始的电激励作用下，Au电极的原子扩散进SiO2，SiO2的带隙中将形成由金原子引入的一系列的缺陷能级，此时器件为低阻态。当注入的电子逐渐占据了缺陷能级，会形成一个自建电场，阻止后续电子的注入，器件转变为高阻态。当施加相反的电场时，缺陷能级中的电子会逐步释放，器件转变回低阻态。D.Lee等人和W. GuAn等人用这个模型解释了基于非化学配比和掺杂ZrO2器件的阻变特性[10]。

图2.2.3 ZrO2薄膜的电阻转变机制：（a） forming成功后的能带图，（b） 没有正电荷时的高阻态，（c）有正电荷时的低阻态[10] 在非化学配比的ZrO2薄膜中，在大的正向forming电压下，Zr原子被电离成

Zr+离子，正电荷使得ZrO的能带弯曲使电流更容易通过过渡层，器件呈低阻态， 如图2.2.3(c)所示。当施加反向电场时，注入的电子被Zr+俘获并在过渡层积累，削弱了施加的电场，限制了电流渡过器件，器件转为高阻态，如图2.2.3(b)所示。

2.3 漏电流机制分析

漏电流机制一般可以分为两大类：界面效应；体效应。界面效应（指阻变现象主要发生在电极与阻变材料表面）包括三种机制：肖特基效应、隧穿效应、热场效应。体效应主要发生在阻变功能层内部，又称为传输限制，主要包括以下几种机制：普尔-法兰克发射、空间电荷限制电流、跳跃传导、本质传导、离子传导。

基于不同的氧化物RRAM器件，其HRS电流一般都是非线性的，非线性导电机制一般包括空间电荷限制电流效应、Poole-Frenkel效应和肖特基发射效应；RRAM处于LRS时电流传导机制一般是欧姆传导效应。下面主要介绍以上三种漏电流机制。

2.3.1 空间电荷限流效应

一些宽禁带金属氧化物导带中电荷非常少，电流由于受到导带中电荷数量限制，产生空间电荷限制效应（SCLC, space charge limit current）[11]。在电极上加上偏压，载流子会穿过界面势垒进入绝缘体中，载流子会被陷阱（trap）俘获，造成电流急剧上升，产生非线性传导效应。不同偏压下阻变薄膜中电流大小服从不同的定律。

低压下（外偏压

外加偏压增加至VTFL时，薄膜材料中的陷阱被注入的电子填满，电流急剧增大。当外加偏压继续增加到V’TFL时，注入的可移动载流子浓度与材料自身的本征热载流子浓度基本相等，I-V特性曲线满足莫特-格尼定律。

图2.3.1 空间电荷限流效应原理

当外加偏压远大于V’TFL时，导带中的电子浓度远远大于陷阱中的电子浓度，薄膜材料呈现低阻现象，如果撤去外加偏压，陷阱仍被电子填满，薄膜继续保持低阻状态。外加相反的大偏压，被陷阱俘获的电子会被高电场激发出来，薄膜材料回到高阻态。

2.3.2 Poole-Frenkel效应

Poole-Frenkel效应是一种与陷阱有关的热电子发射机制[12]，通常情况下，介质中的电子被束缚在陷阱等局域态中，只有当随机的热扰动给了电子足够的能量后，电子才能摆脱陷阱的束缚，进入导带并传输。当对其施加大偏压，使得材料内部势垒减小，此刻降低了陷阱之间势垒高度，被陷阱俘获的电子被激发到半导体的导带，从而使遂川现象容易发生，所以半导体材料的电阻变小，电流增大。

Poole-Frenkel效应通常在高压条件下发生，公式如下【13】：

)/exp(0rKTqEqKTqEqNJrtc

化简后得到：

从上式中可以看出ln(J/E)与E1/2呈线性相关。Φt为陷阱势垒，εr代表动态介电常数，ε0代表真空介电常数，K为玻尔兹曼常数，T代表温度，r为1~2之间的数。半导体材料含有较少缺陷（r=1）,导电机制为正常的Poole-Frenkel效应；半导体材料含有较多缺陷（r=2），这时导电机制称为修正型Poole-Frenkel效应

2.3.3 肖特基发射效应

肖特基发射（Schottky Emission effect）是一种与界面态有关的机制，在外电场的作用下，界面处的势垒高度发生变化[14]。I-V曲线服从下面的表达式[15]：

TkqEqTAJBiB)4/(exp2*

其中，A*=4πqmn*k02/h3为有效理查逊常数，E是电场，ΦB是界面势垒高度，εi是材料的介电常数。

2.3.4 欧姆传导效应

欧姆传导效应是材料的本征导电特性，是价带或缺陷能级上的电子通过热激发到导带上，导致导电[14]。外加电压很小时，自由电子移动所形成的电流占主导地位，欧姆传导的表达式为：J=qun0V/d。

2.4 阻变存储器的集成

作为下一代非易失性存储器的候选者之一，RRAM 技术的突出优势在于优秀的可缩小性，采用交叉阵列的RRAM 集成结构具有结构、制备工艺简单等优点。最简单的结构是采用单个RRAM 器件进行集成1R 结构，通常采用上、下电极交叉后形成二维阵列，称为crossbar，如图2.4.1 所示。这种交叉阵列的优势在于结构简单，制备工艺流程少，成本低廉等。由于采用这种结构时阵列的密度主要取决于特征线宽F，1R 结构单元面积为4F2，因此1R结构具有很大的存储密度。另一方面，通过三维堆叠的方式，可以进一步的提高存储密度。

图2.4.1 1R结构组成的无源交叉阵列

尽管1R结构具有较高的存储密度，这种1R 基本结构形成的交叉存储阵列却存在着比较严重的串扰（Crosstalk）问题（如图2.4.2 所示）：在一个2×2 的交叉存储阵列中，坐标为（1， 1）的存储器件处于高阻态（HRS），其余三个相邻器件（1，2）、（2，2）和（2，1）都处于低阻态（LRS），如果在（1， 1）器件所在的字线（Word Line）上加上读电压时，理论的电流通路如图2.3.2 中实线所示，但实际上电流沿着低阻通道（2，1） → （2，2） → （1，2）（图3

中虚线所示）进行传导，形成一个漏电通道，使得这时本来为HRS 的（1，1） 器件会被误读成LRS，此即交叉阵列中所谓的“串扰”。这种串扰问题会导致的要访问的RRAM 存储单元信息误读，大大降低RRAM 存储器件的可靠性。解决串扰的办法有两种：一种是在每个RRAM 单元上串入一个选择器件，如二极管或三极管，目的使得非寻址单元在不被访问时不被选中；另一种方法是采用非线性电阻作为RRAM 单元的选择器件。

图2.4.2 Crossbar结构中的串扰现象

RRAM的集成一般有1D1R结构、1T1R结构、1S1R结构。

2.4 阻变存储器的基本参数[19]

电阻状态

阻变存储器中，存储信息是以器件的电阻值来表示。一般器件分为高阻态（HRS）和低阻态（LRS）。

存储窗口

存储窗口是表示存储器存储能力的参数，体现不同的信息存储状态之间的区分程度。对于阻变存储器，存储窗口指器件高低阻态下的电阻比值：RHRS/RLRS。

操作电压

操作电压指的是使RRAM器件电阻发生变化的电压，即从高阻态转变到低阻态（Set）过程，或从低阻态转变到高阻态（Reset）过程，对应的电压称为Set电压（VSet）和Reset电压（VReset）。

操作电流