新一代存储材料与技术.docx

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1、新一代存储材料与技术    　　　　　　　　　　　　　　　　香山科学会议第326次学术讨论会    在二十一世纪全球化的信息时代，计算机技术、互联网以及新型大众化电子产品的高速发展，对电子信息存储产品的需求呈现高速上升趋势。存储器在我国有巨大的市场需求，是我国IC企业产品的重要组成部分。以计算机的半导体随机存储器（包括DRAM和SRAM）为例，2006年全球年产值约为850亿美元，2008年预计达到1360亿美元。占据半导体式存储器市场的主要产品类型有DRAM、SRAM和FLASH等存储器，它们都具有各自的特点：如DRAM具有高的

2、集成度、SRAM具有高的速度、FLASH具有非易失性，即断电后数据仍能保留在存储器中。当前的数字高科技的飞速发展，对现有信息存储产品的性能也提出了更高的要求，例如：高速度、高密度、长寿命、低成本和低功耗等，同时也揭示了现有随机存储技术的缺陷。半导体随机存储器的弱点之一是其易失性：断电情况下信息丢失，并且易受电磁辐射干扰，极大地限制了这一技术在国防、航天航空等一系列关键高科技领域的应用。同时，就存储单元密度的发展而言，SRAM、嵌入式DRAM和闪存等储存技术将面临严重的缩放问题。特别对于闪存而言，由于存在读写速度缓慢、低记录密度等技

3、术障碍，闪存在较长时间内还难以与DRAM相竞争。因此，迫切需要在存储器材料和技术方面取得突破，以开发新一代的存储器技术。    一、电阻式存储器的研究背景与现状    2000年，美国休斯顿大学的科学家报道了在庞磁阻氧化物薄膜器件中发现电脉冲触发可逆电阻转变效应（EPIR效应），即在外加纳秒级电压脉冲的作用下，器件的电阻在低阻态（“0”）和高阻态（“1”）之间可逆转变，变化率可达1000倍以上，并且所得到的电阻在外电场去除后可以保持下来。同年IBM的研发部门也在钙钛矿型氧化物薄膜器件中发现了类似的效应。在随后的研究中，研究者发现在

4、NiO、TiO2、CuO、ZrO2、Fe3O4等多种二元过渡族金属氧化物中也随在类似的电阻转变效应。这些发现引起了存储技术研究者们的兴趣，并基于EPIR效应，提出了一种新型非易失性存储器概念—电阻式随机存储器（RRAM）。在大容量、低成本存储器需求的带动下，半导体技术的发展除了不断减小工艺尺寸外，还需引入新的物理现象到存储技术中，开发新型存储器。其中包括利用自发极化现象而开发的铁电存储器（FRAM）、利有电致相变现象开发的相变存储器（PRAM）、利用磁电阻效应开发的磁存储器（MRAM）和利用电致电阻转变效应开发的电阻式存储器（RR

5、AM）等。在这些新型存储器中，电阻式存储的主要优势表现在：（1）制备简单。存储单元为金属-氧化物-金属三明治结构，可通常规的薄膜制备工艺制备。（2）擦写速度快度。擦写速度由触发电阻转变的脉冲宽度决定，一般<100ns。（3）存储密度高。研究表明电阻发生变化的区域很小，约几个纳米，因此存储单元可以很小。另外，在RRAM中还存在多水平电阻转变现象。利用这些电阻状态存储不同信息，可以使存储密度在不改变单元体积的条件下大大提高。（4）半导体工艺兼容性好。RRAM可以利用现有的半导体工艺技术生产，从而大大缩减了开发成本。在RRAM器件研究方

6、面，Sharp公司早在2002年国际电子元器件会议（IEDM）上首先发表了采用Pr0.7Ca0.3MnO3薄膜材料和0.5μmCMOS工艺制造的RRAM器件，随后Samsung公司在2004年IEDM上发表了采用NiOx薄膜材料和0.18μmCMOS工艺制造的RRAM器件，并在2005年IEDM上发表了RRAM器件的3D叠层结构。Spansion公司也在2005年IEDM上发表了采用CuOx薄膜材料和0.18μmCMOS工艺制造的RRAM器件。此外，在Nature、NatureMaterials、AdvancedMaterials

7、、PhysicalReviewLetteres、AppliedPhysicsLetters、PhysicalReviewB等国际重要学术期刊上有关RRAM研究的论文逐年增多，成为材料学和物理学领域新的研究热点。    中国半导体产业近几年保持了非常快的发展态势，中国已经占据全球市场1/3强，激烈的国际竞争和利润空间压力是我国半导体产业发展遇到的重要挑战。存储器在应用中不断发展，它在半导体产业中的地位既很重要又很稳定，它又是一项技术相对较低和可以大量生产的产品，迄今为止，一直是相对后发研究的国家和地区在半导体产业技术方面赶超发达国家

8、的唯一有效途径。在此过程中，新物理现象、新材料对存储器的发展具有巨大的推动作用。例如自Intel在80年代末推出非易失性FLASH存储器以来，在短短二十年的时间里，迅速成为存储产业的核心，并且推动了数字产品的多功能化；高介电常数栅介质和金属栅极的使