高密度存储器技术发展与应用浅谈

2015-10-19鲍旭恒吴艳艳

河南科技 2015年21期

关键词：存储单元存储器高密度

鲍旭恒吴艳艳

（国家知识产权局专利局专利审查协作河南中心，河南郑州 454000）

高密度存储器技术发展与应用浅谈

鲍旭恒吴艳艳

（国家知识产权局专利局专利审查协作河南中心，河南郑州 454000）

高密度存储技术指的是能在一个存储单元中存储多个值以实现大容量数据的存储器及其相关技术，本文着眼于市场应用前景和产业发展趋势，简单分析了磁性随机存取存储器、电阻随机存取存储器中高密度存储器技术的发展与应用。

高密度；随机；存储；磁性；电阻

信息技术的高速发展将人类社会带入大数据时代，人们创造、捕获和复制的信息无处不在，数据的爆发式增长对对作为信息载体的存储器性能的要求越来越高，制造高密度、高速度、低功耗、小尺寸的存储器成为现代存储技术发展的潮流。高密度存储技术指的是能在一个存储单元中存储多个值以实现大容量数据的存储器及其相关技术，其主要体现在两个方面：1、多态，即单位存储单元中存储的值增多；2、单位存储单元的体积减小。本文着眼于市场应用前景和产业发展趋势，简单谈谈磁性随机存取存储器、电阻随机存取存储器中高密度存储器技术的发展与应用。

1 磁性随机存取存储器（MRAM）

磁性随机存取存储器（Magnetic Random Access Memory），简称MRAM，采用磁化方向不同所导致的磁电阻不同来记录0和1。由于存储位是以磁性方式而不是作为电荷来存储的，所以存储器具有非易失性。

MRAM的存储单元由磁性薄膜构成，MRAM的驱动逻辑装置等半导体部件集成在半导体衬底内。如果非磁性层材料由铜或诸如这类的导体所制成，磁阻效应薄膜就被称为一个巨磁致电阻薄膜（GMR），巨磁阻（ GMR）型的非磁性层界面处的传导电子会呈现漫游现象，传输电子具有极化特性；如果非磁性层由诸如Al2O3这类的绝缘体所制成，磁阻效应薄膜则被称为一个依赖自旋隧道磁致电阻薄膜（TMR），其自旋极化电子的穿隧率随极化方向而改变。MRAM 要求 TMR 材料具有较高的磁电阻比。室温下高磁电阻比 TMR 材料是目前一个研究热点，通常采用Co - F e/ A l- O/ Co - F e 体系磁性隧道结，室温磁电阻比可以达到30－80%。

图1所示为MRAM存储单元结构。该MRAM结构配置在半导体衬底上，共需要三个金属布线层M1、M2和一个过渡金属层TM。除了读字线RWL，其地线GND、写字线WWL和位线BL分别处于不同的金属布线层中。磁性薄膜存储单元通过过渡金属层TM、金属布线层M2、M1以及相关接触孔与晶体管ATR的漏区相连接，而晶体管 ATR的源区则和地线GND连接，晶体管ATR的栅极即为读字线RWL。

图1

MRAM存储单元可以方便的嵌入到逻辑电路芯片中，MRAM 可以做到与动态随机存储器类似的高密度，兼具非易失、高速度、低功耗等各种优良特性。

2 电阻随机存取存储器（RRAM）

电阻随机存取存储器（Resistive Random Access Memory），简称RRAM，其工作原理为将具有阻变特性的材料夹在两个电极之间，阻变材料在不同的外加偏压下其电阻会在高阻态和低阻态之间发生转换，从而实现数据存储。RRAM的结构简单、可缩微性强、功耗低、擦写速度快、存储密度高、能与CMOS结构相兼容，因此正日益成为下一代非易失性存储器的研究重点。

在 RRAM 的集成结构方面，主要由1R （one resistor）、ITIR（one transistor one resistor）和IDIR（one diode one resistor）三种基本单元结构，其中1T1R为有源结构，该结构具有高密度、易于3D集成的特点，同时可以缓解串扰和误读问题，而1R和1D1R为无源结构。

根据所用存储介质的不同，电阻随机存取存储器主要包括有机RRAM，金属氧化物RRAM、导电桥接RAM（也称为可编程金属单元RRAM）等。

2.1 有机RRAM

有机RRAM通常采用“三明治”结构，将具有电双稳态的有机薄膜材料（单层或多层）夹在两层电极之间。目前应用于阻变存储器的有机半导体材料包括共扼小分子材料和高分子聚合物材料。有机非挥发性存储器的结构主要有两种：交叉线有机存储器和有机薄膜场效应晶体管（OTFT）存储器。

2.2 金属氧化物RRAM

美国休斯顿大学（Houston University） ShangquingLiu和Alex Ignatiev等人公布了利用了庞磁阻效应（CMR：Colossal Magnetoresistance）材料中的新现象即电脉冲感应电阻（EPIR：Electrical-Pulse Induced Resistance）效应的电阻随机存取存储器（RRAM：Resistive RAM）器件。

金属氧化存储介质阻变层材料主要分为二元过渡金属氧化物以及多元金属氧化物。

二元过渡金属氧化物目前研究较多的有：NiO，ZnO，TiO2，Cu2O，ZrO2等。多元金属氧化物目前具有阻变效应的多元金属氧化物以三元金属氧化物（ Sr R uO3、SrZrO3、SrTiO3等）和四元金属氧化物（ LaxSr1-xMnO3、LaxCa1 - xMnO3、PrxCa1 -xMnO3等）。

2.3 导电桥接RAM或可编程金属单元RRAM

导电桥接RAM也被称为可编程金属单元，它由可编程金属化材料构成。由这种材料组成的存储元件具有稳定静止高阻态，但可通过在存储元件上施加适当电压而编程为稳定低阻态。施加到存储元件上的适当幅度的反向电压可恢复高阻态。通过在可编程导体材料的表面上或穿过该表面生长导电枝晶来产生低阻态。