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| 編輯推薦： |
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《新型阻变存储技术》适合半导体、电子产业技术领域的学生、科研人员、工程技术人员阅读和参考。
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| 內容簡介： |
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《新型阻变存储技术》针对阻变存储器的未来实际应用，重点阐述其基本科学问题和关键技术，系统地介绍了阻变存储器的背景、研发历程与现状、发展趋势、阻变材料、器件结构、电阻转变的机理、载流子输运模型与随机模型、电阻转变统计与模型、器件性能改善方法、集成技术、电路应用等。《新型阻变存储技术》适合微电子、材料、物理、化学等领域从事半导体存储器技术研究和教学的科研人员、工程技术人员、大学教师、研究生、本科生阅读和参考。
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| 目錄：
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目 录
《纳米科学与技术》丛书序
前言
第1章绪论1
1. 1非易失性存储器发展历程1
1.2存储器发展趋势6
1.2.1分立电荷存储器 6
1-2.2铁电存储器7
1.2.3磁性存储器7
1.2.4相变存储器8
1 .2.5 阻变存储器9
1 .3阻变存储器发展历程9
参考文献1 1
第2章阻变材料1 4
2. 1无机阻变材料1 4
2. 1 . 1 二元氧化物阻变材料1 4
2. 1 .2复杂氧化物阻变材料1 9
2. 1 .3固态电解质材料22
2.2有机阻变材料26
2.2. 1小分子功能层材料27
2.2.2聚合物功能层材料29
2.2.3施主受主复合型功能层材料3 1
2.2.4纳米颗粒混合体功能层材料33
2.3 纳米阻变材料37
2. 3. 1 阻变纳米线37
2.3.2 其他纳米阻变材料44
参考文献49
第3章阻变存储器器件结构6 1
3. 1 两端 RRAM 61
3.1.1 “三明治”结构61
3.1.2 crossbar 结构63
3.1.3 via-hole 结构66
3.1. 4原子开关结构68
3.1. 5平面两端结构69
3. 1. 6侧边接触结构73
3.2 三端 RRAM 74
3.3 四端 RRAM 76
参考文献79
第4章电阻转变机制82
4.1电化学金属化机制83
4.1.1电化学金属化理论83
4.1.2导电细丝生长和破灭的动态过程84
4.2化学价变化机制91
4.2.1化学价变化机制引起的界面势全调制92
4.2.2化学价变化机制引起的导电细丝生长和破灭93
4.2.3导电细丝生长和破灭的动态过程96
4.3热化学机制97
4.3.1熔丝与反熔丝模型98
4.3.2焦耳热RESET模型100
4.3.3焦耳热引起的阈值转变现象101
4.4 静电电子机制102
4.4.1空间电荷限制模型102
4.4.2 Frenkel-Poole 发射模型104
4.4.3 SV 模型105
参考文献108
第5章阻变存储器物理模型111
5. 1阻变存储器阻变模型111
5. 1. 1模型的发展状况与分类111
5.1.2连续介质模型113
5.1.3随机模型120
5.2第一性原理计算127
5.2.1单个氧空位的计算128
5.2.2氧空位的形成能 129
5 .2.3 掺杂效应133
5 .2.4 导电细丝的结构预测13 5
参考文献136
第6章电阻转变统计研究140
6.1电阻转变统计的渗流解析模型140
6.1.1 导电细丝形成和断裂的本质141
6.1.2 SETRESET 转变的 cell 几何模型141
6.1.3 SETRESET转变动力学模型 143
6.1.4 SETRESET电压和电流统计实验145
6. 2转变速度统计解析模型及转变速度-干扰困境的快速预测151
6.2.1 RRAM中的转变速度-干扰困境问题151
6.2.2 SET速度的统计与模型151
6 .2.3恒压模式预测速度-干扰困境的方法152
6 .2.4电压扫描模式快速预测速度-干扰困境的方法153
6 .2.5电压扫描模式下的速度-干扰问题设计空间153
6 .3电阻转变过程中导电细丝演化的统计分析154
6 .3.1单极性VCM器件的RESET转变的类型与细丝演化过程155
6 .3.2 RESET过程中细丝电导演化的统计分析 15 6
6 .3.3连续电压扫描RESET转变中的电导演化的统计分析158
6 .3.4 RESET转变参数的分布规律159
6 .3.5 RESET统计的蒙特卡罗模拟1 6 3
6 . 4 电阻转变中的量子化效应1 6 6
6 .4.1 VCM器件电阻转变中的量子化效应1 6 7
6 .4.2 ECM器件电阻转变中的量子化效应171
参考文献174
第.章阻变存储器性能改善179
7. 1材料优化179
7.1.1 电极材料优化179
7.1.2阻变功能层材料优化183
7.2 RRAM器件的结构优化191
7.2.1插层结构191
7.2.2 增强电极的局部电场195
7.2.3器件尺寸微缩197
7.3 RRAM器件操作方法优化198
7.3.1直流电流扫描的优化方式198
7.3.2恒定应力预处理的优化方式201
7.3.3栅端电压扫描的优化方式203
7.3.4 脉冲测试的优化 205
参考文献207
第8章阻变存储器集成212
8. 1有源阵列结构212
8.2无源阵列结构222
8.2.1无源交叉阵列中的串扰现象222
8.2.2 1D1R 结构224
8.2.3 1S1R 结构231
8.2.4 自整流RRAM结构234
8.3无源交叉阵列的读写操作240
8.3.1 “写，，操作240
8.3.2 “读，，操作241
8.4三维集成结构243
8.4.1堆叠交叉阵列结构244
8.4.2垂直交叉阵列结构245
参考文献248
第9章阻变存储器的电路应用252
9. 1紧凑模型252
9.1.1基于金属离子迁移动态机制的紧凑模型252
9.1.2基于忆阻器理论的紧凑模型253
9.1.3考虑正态分布偏差的RRAM紧凑模型255
9.2 RRAM在FPGA领域中的应用257
9.2.1 FPGA 技术简介257
9.2.2传统FPGA器件的结构258
9. 2. 3 基于 RRAM 的 FPGA 技术260
9. 3 CMOL电路技术265
9 .3.1 CMOL 电路介绍265
9 .3.2 CMOL 电路结构265
9 .3.3 CMOLFPGA 结构267
9 . 3. 4 CMOL电路的逻辑功能268
9 . 4忆阻器在神经元网络中的应用270
9 .4.1忆阻器介绍270
9 .4.2忆阻器的模型与机理271
9 .4.3忆阻器在神经元网络中的应用273
参考文献276
索引280
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| 內容試閱：
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第1章绪 论
半导体存储器是电子设备最基本的元器件之一 ！是现代信息技术的重要组成 部分。随着现代信息技术的快速发展，数据的处理能力不断增强，数据量急剧增 长，同时，人们希望可以获得性能优良、价格低廉的存储芯片来存储海量数据。 经过三十多年的快速发展，基于浮栅结构的闪存器件取得了巨大的成功。但随着 技术节点的不断推进，闪存器件面临的挑战更加严峻。闪存器件到达物理极限之 后半导体存储器的发展方向是目前存储领域的热点问题。
1.1非易失性存储器发展历程
半导体的分类如图"1所示。根据数据的保存条件，半导体存储器可分为易 失性volatile和非易失性（nonvolatile两类。易失性存储器需要有电源供应来 维持存储的数据，电源关闭后数据就会丢失。主要的易失性存储器包括动态随机 存储器（dynamic random access memory， DRAM和静态随机存储器（static random access memory，SRAM。非易失性存储器中的数据在掉电状态下也可以保 持。主要的非易失性存储器包括只读存储器（read only memory，ROM、可编 程只读存储器programmable read only memory，PROM以及基于浮栅结构的可编
图1-1半导体存储器的分类
程擦除只读存储器erasablepragrammableROM，EPROM、电编程擦除只读存储 器（electrically erasable programmable read only memory， EEPROM，也写为 E2PROM和闪存flash。
只读存储器ROM中的存储单元为二极管、双极型晶体管或金属-氧化物-半导体metal-oxide-semiconductor，MOS型晶体管等半导体器件。它位于字线 和位线交叉处，以字线和位线交叉点是否连有器件来决定该单元存储的数据是 “0”还是“1”。其中的信息由芯片制造过程中所用掩模决定，用户无法修改，因而 ROM —般用来存储固定程序。由于掩模模具价格昂贵，成本较高，所以适用于 批量生产的产品。
可编程只读存储器PROM的存储方式与ROM类似。芯片出厂时，半导体 器件与数据线之间以熔丝相连。用户可根据自己的需要，用电或光照的方法写入 所需要的信息。以熔断或保留熔丝区分“0”和“”。但熔丝熔断后不能再连通，所 以一经写入就只能读出，无法更改。因而PROM只能进行一次编程写入，这类 器件又称为 OTPoneime programmable器件。
1967年贝尔实验室的Kahng姜大元）和Se施敏[1’2]提出了具有浮栅 floating gate结构的非易失性半导体存储器的构想。浮栅型存储器基于MOS 结构，由硅衬底、源端、漏端、隧穿氧化层、浮栅、阻挡氧化层、控制栅构成。 如图1-2所示。浮栅位于隧穿氧化层和阻挡氧化层之间，不外接电源，电位是浮 动的，因而称之为“浮栅”。器件操作包括写入、存储和擦除三部分。图1-3为三 种操作状态时浮栅结构的能带图（。写入时控制栅上加正电压，衬底中的电子通 过Fowler-Nordheim隧穿进入浮栅，如图1_3a所示。由于浮栅包围在绝缘层 中，电子可被存储在浮栅中，如图1-3b所示。当控制栅上加负电压时，电子会 穿过隧穿氧化层回到衬底，完成擦除，如图1-3c所示。浮栅中存储的电子会改变 器件的阈值电压，通过阈值电压的差别来识别所存储的信息，如图1 -4所示。
1 971年，英特尔的Frohman-Bentchkowsky[3]发明了浮栅雪崩注入MOS floating gate avalanche-injection MOS， FAMOS，结构如图 1 -5a所示。FA-
图1 -2浮栅结构剖面图
图1-3浮栅结构的能带图[2]
a写人模式；（b存储模式；（c擦除模式
MOS有浮栅但没有控制栅，编程时通过电 压偏置使漏极附近的热电子穿过氧化层注 入到浮栅。器件上方有石英窗口，擦除时 使用紫外线透过窗口照射器件，浮栅中的 电子获得足够能量穿过氧化层回到衬底完 成擦除。FAMOS是一种可编程擦除只读 存储器（EPROM。EPROM 比 PROM 在 重复使用性上有了很大的进步，但当数据 需要改动时，EPROM仍需使用专用设备，
还要经过繁琐的操作程序才能移除原有数
据并写入新数据。并且EPROM不能局部地修改数据，必须擦除芯片保存的全 部数据。
1976年，东芝的Iizuka等（]推出了堆叠栅雪崩注入型MOSstacked gate
图1-4浮栅型存储器工作原理示意图
avalanche-injection MOS， SAMOS，如图 1-5b所示。此结构属于电编程擦除只读 存储器（EEPROM，结构与图1 -2相同， 但是注入机制是雪崩击穿而非Fowler-Nor-dheim隧穿。由于采用了较厚的隧穿层， 存储时间得到很大提高。每个存储单元包 含一个EEPROM和一个选择晶体管，器 件尺寸较大。
1 984年东芝公司的Masuoka等[5]提出 了闪存flash的概念。在存储机理上它仍 然是基于EEPROM使用电学方法来存储 电荷的器件，但在操作方法上使用了逐位 编程、按块擦除的操作模式。图1 -6所示 为flash结构图（]。沿着A-A,的剖面为基本的浮栅结构，沿着B-B,剖面则有一擦 除栅，此栅串联多个存储器件，当施加擦除电压时，整个区域的存储器件将同时 被擦除。由于每个存储单元只有一个器件，所以相对于EEPROM，flash具备密 度高、成本低、可缩小性好的优点。
图1 -5两种早期的浮栅存储器 aFAM〇S[3]; bSAM〇S[4]
图1-6 flash结构示意图
1985?1987 年，Masuoka 及同事分别提出 NOR-flash]与 NAND-flash]的 结构，如图"7所示。在NOR-flash结构中，每一个存储器件直接与存储阵列的 字线和位线相连接。而在NAND-flash存储阵列中，存储器件串联排列（图1-7 b中为16个存储单元）。NOR-flash中随机存储速度较快，而NAND-flash中 的元件密度较高。
图 1-7 NOR-flash 结构a[6]和 NANIHlash 结构b[7]
现在主要的浮栅存储器产品为EEPROM、NOR-flash和NAND-flash。EE-PROM可用于需要每位灵活存储的情况，NOR-flash主要用于存储程序和代码， NAND-flash用于存储大量资料。图1-8所示为三种浮栅器件产品2000?2010年 间以及预测到2020年的市场占有率]。近年来，随着个人便携式电子产品对高 容量存储的需求，NANDlash的市场占有率大幅攀升。
图1-8三种浮栅器件产品从2000年到2010年间以及 预测到2020年的市场占有率[8]
1.2存储器发展趋势
在过去的三十年间，flash取得了巨大的成功，但是随着互补金属氧化物半 导体CMOS技术进入纳米量级，半导体工艺面临着前所未有的严峻挑战。随着 尺寸的不断缩小，浮栅器件在操作电压、功耗、集成工艺、可靠性、电路设计等 方面面临着物理和技术上的瓶颈。这些问题不仅减慢了技术节点的缩小速度，而 且引入了很重要的可靠性问题。最严重的问题是器件尺寸的缩小所引起的器件性 能的退化。小尺寸下，过薄的隧穿氧化层不能对浮栅中的电子起到足够的保护， 在反复擦写后极易引起漏电。此外，电容之间的耦合干扰现象也越来越严重。而 flash自身的一些缺点如较慢的写入速度、较高的操作电压等都限制了 flash的进 一步发展。为了应对进一步小型化后flash可能出现的问题，非易失性存储器的 发展出现了改进型和革命型两种技术趋势。前者以目前的flash技术为基础，针对 出现的问题进行技术上的改进，以期望能将现有的技术向着更高技术代继续推进。 分离电荷存储器是改进型技术的代表。另一种技术趋势主张在flash走向物理极限 之后，提出革命型的、全新的非易失性存储技术。目前，主要的革命型的非易失性 存储技术有铁电存储器ferroelectric random access memory，FeRAM、磁性存储器 magnetic random access memory， MRAM、相变存储器（phase random access memory， PRAM和阻变存储器（resistive random access memory，RRAM。
1.2.1分立电荷存储器
分立电荷存储器包括纳米晶浮栅存储器和电荷俘获存储器（charge trapping memory，CTM。使用纳米晶来提高flash的性能这一想法最早是由IBM的 Tiwari等在1996年提出的，器件的基本结构如图1-9a所示。纳米晶存储器 的核心部分由控制栅、阻挡绝缘层、隧穿绝缘层以及它们之间的纳米晶所构成。 在传统的浮栅型存储器中，电子都存储在浮栅中。一旦隧穿氧化层中出现一个泄 漏通道，所有的电荷都会顺着这个泄漏通道流走，导致存储信息的改变。但是在 纳米晶存储器中，由于在浮栅中加入了互相分立的纳米晶颗粒，电荷被存储在纳 米晶上。即使在隧穿绝缘层中出现了漏电通道，也只有漏电通道附近的电荷会流 走，大部分的电荷仍然可以得到保存，数据的保持性能得到了提高。隧穿绝缘层 的厚度可以不再受到漏电的影响，进行一定程度的减薄。而更薄的隧穿绝缘层可 以进一步提高擦写速度，降低操作电压[1M3]。但是纳米晶浮栅存储器也有无法 回避的缺陷。由于纳米晶的颗粒是有一定尺寸的，因此在小型化方面仍然会面临 到达物理极限后无法继续前进的问题。
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