高密度存儲器技術發展與應用淺談

鮑旭恒 吳艷艷

（國家知識產權局專利局專利審查協作河南中心，河南 鄭州 454000）

高密度存儲器技術發展與應用淺談

鮑旭恒 吳艷艷

（國家知識產權局專利局專利審查協作河南中心，河南 鄭州 454000）

高密度存儲技術指的是能在一個存儲單元中存儲多個值以實現大容量數據的存儲器及其相關技術， 本文著眼于市場應用前景和產業發展趨勢，簡單分析了磁性隨機存取存儲器、電阻隨機存取存儲器中高密度存儲器技術的發展與應用。

高密度；隨機；存儲；磁性；電阻

信息技術的高速發展將人類社會帶入大數據時代，人們創造、捕獲和復制的信息無處不在，數據的爆發式增長對對作為信息載體的存儲器性能的要求越來越高，制造高密度、高速度、低功耗、小尺寸的存儲器成為現代存儲技術發展的潮流。高密度存儲技術指的是能在一個存儲單元中存儲多個值以實現大容量數據的存儲器及其相關技術，其主要體現在兩個方面：1、多態，即單位存儲單元中存儲的值增多；2、單位存儲單元的體積減小。本文著眼于市場應用前景和產業發展趨勢，簡單談談磁性隨機存取存儲器、電阻隨機存取存儲器中高密度存儲器技術的發展與應用。

1 磁性隨機存取存儲器（MRAM）

磁性隨機存取存儲器（Magnetic Random Access Memory），簡稱MRAM，采用磁化方向不同所導致的磁電阻不同來記錄0和1。由于存儲位是以磁性方式而不是作為電荷來存儲的，所以存儲器具有非易失性。

MRAM的存儲單元由磁性薄膜構成，MRAM的驅動邏輯裝置等半導體部件集成在半導體襯底內。如果非磁性層材料由銅或諸如這類的導體所制成，磁阻效應薄膜就被稱為一個巨磁致電阻薄膜（GMR），巨磁阻（ GMR）型的非磁性層界面處的傳導電子會呈現漫游現象，傳輸電子具有極化特性；如果非磁性層由諸如Al2O3這類的絕緣體所制成，磁阻效應薄膜則被稱為一個依賴自旋隧道磁致電阻薄膜（TMR），其自旋極化電子的穿隧率隨極化方向而改變。MRAM 要求 TMR 材料具有較高的磁電阻比。室溫下高磁電阻比 TMR 材料是目前一個研究熱點，通常采用Co - F e/ A l- O/ Co - F e 體系磁性隧道結，室溫磁電阻比可以達到30－80%。

圖1所示為MRAM存儲單元結構。該MRAM結構配置在半導體襯底上，共需要三個金屬布線層M1、M2和一個過渡金屬層TM。除了讀字線RWL，其地線GND、寫字線WWL和位線BL分別處于不同的金屬布線層中。磁性薄膜存儲單元通過過渡金屬層TM、 金屬布線層M2、M1以及相關接觸孔與晶體管ATR的漏區相連接，而晶體管 ATR的源區則和地線GND連接，晶體管ATR的柵極即為讀字線RWL。

圖1

MRAM存儲單元可以方便的嵌入到邏輯電路芯片中，MRAM 可以做到與動態隨機存儲器類似的高密度，兼具非易失、高速度、低功耗等各種優良特性。

2 電阻隨機存取存儲器（RRAM）

電阻隨機存取存儲器（Resistive Random Access Memory），簡稱RRAM，其工作原理為將具有阻變特性的材料夾在兩個電極之間，阻變材料在不同的外加偏壓下其電阻會在高阻態和低阻態之間發生轉換，從而實現數據存儲。RRAM的結構簡單、可縮微性強、功耗低、擦寫速度快、存儲密度高、能與CMOS結構相兼容，因此正日益成為下一代非易失性存儲器的研究重點。

在 RRAM 的集成結構方面，主要由1R （one resistor）、ITIR（one transistor one resistor）和IDIR（one diode one resistor）三種基本單元結構，其中1T1R為有源結構，該結構具有高密度、易于3D集成的特點，同時可以緩解串擾和誤讀問題，而1R和1D1R為無源結構。

根據所用存儲介質的不同，電阻隨機存取存儲器主要包括有機RRAM，金屬氧化物RRAM、導電橋接RAM（也稱為可編程金屬單元RRAM）等。

2.1 有機RRAM

有機RRAM通常采用“三明治”結構，將具有電雙穩態的有機薄膜材料（單層或多層）夾在兩層電極之間。目前應用于阻變存儲器的有機半導體材料包括共扼小分子材料和高分子聚合物材料。有機非揮發性存儲器的結構主要有兩種：交叉線有機存儲器和有機薄膜場效應晶體管（OTFT）存儲器。

2.2 金屬氧化物RRAM

美國休斯頓大學（Houston University） ShangquingLiu和Alex Ignatiev等人公布了利用了龐磁阻效應 （CMR：Colossal Magnetoresistance）材料中的新現象即電脈沖感應電阻（EPIR：Electrical-Pulse Induced Resistance）效應的電阻隨機存取存儲器（RRAM：Resistive RAM）器件。

金屬氧化存儲介質阻變層材料主要分為二元過渡金屬氧化物以及多元金屬氧化物。

二元過渡金屬氧化物目前研究較多的有：NiO，ZnO，TiO2，Cu2O，ZrO2等。多元金屬氧化物目前具有阻變效應的多元金屬氧化物以三元金屬氧化物（ Sr R uO3、SrZrO3、SrTiO3等）和四元金屬氧化物（ LaxSr1-xMnO3、LaxCa1 - xMnO3、PrxCa1 -xMnO3等）。

2.3 導電橋接RAM或可編程金屬單元RRAM

導電橋接RAM也被稱為可編程金屬單元，它由可編程金屬化材料構成。由這種材料組成的存儲元件具有穩定靜止高阻態，但可通過在存儲元件上施加適當電壓而編程為穩定低阻態。施加到存儲元件上的適當幅度的反向電壓可恢復高阻態。通過在可編程導體材料的表面上或穿過該表面生長導電枝晶來產生低阻態。

3 結語

在未來存儲領域中，追求高密度存儲仍是一個終極目標，在推進高性能存儲器的發展及其商業化應用的道路上，仍有很多理論及實踐上的艱辛值得人們去探索。我們相信在研究人員的不懈努力下，一定能夠使存儲器技術實現更大的飛躍從而適應大數據時代的新要求，進而更好地為人類社會發展服務。

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鮑旭恒（1986.10-）男，碩士研究生，研究方向：電路與系統相關工作。

吳艷艷（1986.06-），女，碩士研究生，從事半導體器件相關工作（等同第一作者）

TP333

A

1003-5168（2015）11-007-02