李德君　代月花　陳軍寧　柯導(dǎo)明　胡　媛

摘 要：為進(jìn)一步確定阻變型非易失性存儲(chǔ)器的擦寫(xiě)速度、器件功耗和集成度等實(shí)用化的性能指標(biāo)，設(shè)計(jì)RRAM存儲(chǔ)器單元電路結(jié)構(gòu)，并使用HSpice軟件分別對(duì)RRAM存儲(chǔ)器單元結(jié)構(gòu)電路的延時(shí)和功耗性能進(jìn)行仿真。同時(shí)，通過(guò)仿真對(duì)雙極型和單極型兩種電阻轉(zhuǎn)變類(lèi)型及器件工藝進(jìn)行比較和分析，確定1T1R結(jié)構(gòu)電路單元適用于雙極型阻變型非易失性存儲(chǔ)器件，并且電路仿真的結(jié)果為阻變型非易失性存儲(chǔ)器的進(jìn)一步實(shí)用化提供了參考。

關(guān)鍵詞：非易失性存儲(chǔ)器；電阻轉(zhuǎn)變特性；存儲(chǔ)單元結(jié)構(gòu)；1T1R

中圖分類(lèi)號(hào)：TN710文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

文章編號(hào)：1004 373X(2009)02 001 03

Design of Nonvolatile Resisitive Random Access Memory Cell Circuits and Spice Simulation

LI Dejun,DAI Yuehua,CHEN Junning,KE Daoming,HU Yuan

(School of Electronic Science and Technology,Anhui University,Hefei,230039,China)

Abstract： To confirm the practical performance index such as erase－write velocity,power operation and integration of the nonvolatile Resistive Random Access Memory(RRAM)further,the RRAM cell circuits are designed,besides,the delay time and power operation characteristics of the RRAM cell circuits are simulated by HSpice program respectively.Meanwhile,the two types of resistive switching of bipolar and unipolar nanodevices,together with their corresponding device architectures are compared and analyzed through simulation.1T1R－RRAM cell is expected for bipolar nonvolatile RRAM,and the result of simulation supplies the reference for the further practicality of nonvolatile RRAM.

Keywords：nonvolatile memory;resistive switching characteristics;memory cell circuit;1T1R

0 引 言

隨著微電子工藝進(jìn)入45 nm技術(shù)節(jié)點(diǎn)，基于傳統(tǒng)浮柵MOSFET結(jié)構(gòu)的FLASH存儲(chǔ)器將遇到極為嚴(yán)重的挑戰(zhàn)，相鄰存儲(chǔ)器件單元之間的交叉串?dāng)_（Cross－Talk）變得顯著而無(wú)法忽略。對(duì)此學(xué)術(shù)界和工業(yè)界主要從阻變型非易失性存儲(chǔ)技術(shù)和納米晶浮柵結(jié)構(gòu)非易失性存儲(chǔ)技術(shù)兩方面對(duì)下一代非易失性存儲(chǔ)器技術(shù)［1－5］進(jìn)行研究，在此設(shè)計(jì)了RRAM［1－5］存儲(chǔ)器單元結(jié)構(gòu)并對(duì)其電路單元的延時(shí)和功耗進(jìn)行仿真。

1 阻變型非易失性存儲(chǔ)器單元電路結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

基于阻變非易失性存儲(chǔ)器的1T1R（1 Transistor and 1RRAM Device）結(jié)構(gòu)單元，如圖1所示，將1個(gè)RRAM存儲(chǔ)器件和1個(gè)MOS晶體管串聯(lián)組成了1個(gè)有源結(jié)構(gòu)。

在圖1中，當(dāng)PL端輸入低電平GND， BL端輸入高電平V_DD時(shí)，如果WL端輸入電平高于MOS管的閾值電壓，則MOS管溝道導(dǎo)通，與MOS管串聯(lián)的RRAM存儲(chǔ)單元被訪問(wèn)，RRAM兩端被施加了一個(gè)正向的電壓降。如果該電壓降大于RRAM器件SET過(guò)程的阻變閾值，則RRAM器件轉(zhuǎn)變成低阻態(tài)，即完成了寫(xiě)“1” 的過(guò)程。反之，當(dāng)BL端輸入低電平GND，而PL端輸入高電平V_DD時(shí)，如果該電壓降大于RRAM器件RESET過(guò)程的阻變閾值，則RRAM器件又變回高阻態(tài)，完成了寫(xiě)“0”的過(guò)程。當(dāng)WL端輸入的電壓不足以開(kāi)啟MOS管時(shí)，MOS管處相當(dāng)于斷開(kāi)了，對(duì)應(yīng)的RRAM器件不會(huì)被訪問(wèn)。

2 1T1R結(jié)構(gòu)RRAM單元電路Spice仿真

2.1 1T1R結(jié)構(gòu)RRAM的I－V模型

阻變型非易失性存儲(chǔ)RRAM器件在外加電壓下的I－V轉(zhuǎn)變特性有兩種情況，一種是雙極性RRAM (Bipolar RRAM),即電阻的轉(zhuǎn)變發(fā)生在相反的電壓極性上；另一種是單極性RRAM(Unipolar RRAM),即電阻的轉(zhuǎn)變發(fā)生在同一電壓極性上。此外，還存在一種特殊的情況，就是正反極性的電壓作用都可以使得RRAM的狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)橄喾礌顟B(tài)，稱(chēng)為無(wú)極性RRAM［6－7］ (Nonpolar RRAM)，但在具體應(yīng)用中主要考慮上述前兩種類(lèi)型。所以，圖2分別給出了雙極性RRAM和單極性RRAM的I－V模型。

雖然通過(guò)實(shí)驗(yàn)可以得到單個(gè)RRAM存儲(chǔ)器件的擦寫(xiě)速度和功耗，但它與1T1R結(jié)構(gòu)整個(gè)存儲(chǔ)單元的速度和功耗存在很大不同，因?yàn)樾枰紤]MOS管可能引入的對(duì)存儲(chǔ)單元速度和功耗性能的影響。

2.2 RRAM單元電路延時(shí)特性的Spice仿真與分析

基于上面建立的雙極型和單極型RRAM模型，針對(duì)圖1所示的1T1R存儲(chǔ)單元結(jié)構(gòu)，使用Spice電路仿真軟件對(duì)RRAM單元電路部分引起的延時(shí)特性進(jìn)行了仿真。

如圖3所示，對(duì)于雙極型RRAM存儲(chǔ)器，SET過(guò)程比RESET過(guò)程明顯慢得多。而且在SET過(guò)程中，器件的阻變閾值u璗越大，寫(xiě)操作的速度成量級(jí)的變慢；在RESET過(guò)程中，隨著器件的阻變閾值變大，寫(xiě)操作的速度變慢的趨勢(shì)較緩和，并且趨于飽和。這可能是因?yàn)镸OS管本身溝道傳輸?shù)脑绰┎粚?duì)稱(chēng)性。此外，隨著MOS管尺寸減小，1T1R結(jié)構(gòu)存儲(chǔ)單元的存儲(chǔ)速度變慢，這可能是由于MOS管的工作電流隨著尺寸的減小而減小，所以驅(qū)動(dòng)RRAM器件電阻轉(zhuǎn)變的能力減小。

圖4與圖3比較，可以發(fā)現(xiàn)，圖4中單極型RRAM存儲(chǔ)器SET過(guò)程和雙極型SET過(guò)程是一致的，隨著器件尺寸減小整體變化趨勢(shì)相同。但是，對(duì)于RESET過(guò)程，單極型RRAM的存儲(chǔ)速度比SET過(guò)程要慢，同時(shí)在RESET過(guò)程比SET過(guò)程減慢的更嚴(yán)重，這與雙極型RRAM不同。但是這也符合上面對(duì)雙極型RRAM的RESET過(guò)程的判斷，雙極型RRAM利用了MOS管的雙向不對(duì)稱(chēng)傳輸?shù)奶匦裕鴨螛O型RRAM的SET和RESET過(guò)程都是在正電壓下完成的，在SET過(guò)程中，RRAM處于高阻態(tài)，兩端分壓大，容易獲得驅(qū)動(dòng)電阻轉(zhuǎn)變所需的電壓降，寫(xiě)的速度快；而在RESET過(guò)程中，RRAM處于低阻態(tài)，需要更多的時(shí)間獲得足夠驅(qū)動(dòng)電阻轉(zhuǎn)變的電壓降，寫(xiě)的速度慢。

由此可知，基于1T1R存儲(chǔ)單元結(jié)構(gòu)，雙極型RRAM存儲(chǔ)器比單極型RRAM存儲(chǔ)器更有優(yōu)勢(shì)，因?yàn)槠銻ESET過(guò)程的寫(xiě)速度要快得多，達(dá)到一個(gè)量級(jí)以上。同時(shí)，如圖3和圖4所示，1T1R存儲(chǔ)單元結(jié)構(gòu)對(duì)單極型RRAM存儲(chǔ)器的RESET過(guò)程的驅(qū)動(dòng)能力也有限，只達(dá)到1 V左右，這就增加了在1T1R單元存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)中使用單極型RRAM存儲(chǔ)器的限制。

在圖5中，以SET過(guò)程為例，反映了BL和WL端的輸入脈沖電壓值u璓對(duì)RRAM器件速度的影響，并針對(duì)180 nm，90 nm和65 nm MOS管的情況進(jìn)行了比較。由的延時(shí)圖可見(jiàn)，隨著B(niǎo)L和WL端的輸入脈沖電壓的增加，基于1T1R結(jié)構(gòu)的RRAM存儲(chǔ)單元在SET過(guò)程的寫(xiě)速度總體上是不斷增加的。這說(shuō)明基于1T1R結(jié)構(gòu)的RRAM存儲(chǔ)器存在對(duì)高速度和低功耗要求的矛盾，需要在具體設(shè)計(jì)中進(jìn)行折衷考慮。

需要注意的是，當(dāng)前討論的所有延時(shí)都是1T1R結(jié)構(gòu)中MOS晶體管對(duì)存儲(chǔ)電路單元造成的延時(shí)影響t_MOS，并沒(méi)有考慮RRAM器件本身的延時(shí)t_RRAM，實(shí)際應(yīng)該是t_DELAY＝t_MOS＋t_RRAM。

2.3 RRAM單元電路功耗的Spice仿真與分析

基于上面建立的雙極型和單極型RRAM模型，下面針對(duì)圖1所示的1T1R存儲(chǔ)單元結(jié)構(gòu)，使用Spice電路仿真軟件對(duì)RRAM單元電路部分造成的功耗進(jìn)行了仿真。

由于雙極型和單極型RRAM存儲(chǔ)器的SET和RESET過(guò)程的電阻轉(zhuǎn)變所需的驅(qū)動(dòng)能力不同，圖6和圖7分別為對(duì)應(yīng)的器件對(duì)1T1R結(jié)構(gòu)存儲(chǔ)單元總功耗p_MM的影響，并同時(shí)比較了對(duì)應(yīng)180 nm，90 nm和65 nm MOS管的情況。

由圖6和圖7可以看到，無(wú)論是雙極型還是單極型RRAM存儲(chǔ)器，RESET過(guò)程的功耗比SET過(guò)程要大得多，可能是因?yàn)镽ESET過(guò)程中，RRAM處于低阻態(tài)，流過(guò)單元電路的電流很大；而SET過(guò)程中，RRAM處于高阻態(tài)，流過(guò)單元電路的電流很小。

另外，無(wú)論是雙極型還是單極型RRAM存儲(chǔ)器，1T1R結(jié)構(gòu)的存儲(chǔ)單元的總功耗與MOS管的尺寸無(wú)關(guān)。這也表明，隨著MOS管的尺寸減小，對(duì)適用于1T1R存儲(chǔ)單元結(jié)構(gòu)的雙極型和單極型RRAM器件性能指標(biāo)的要求都更加嚴(yán)格。

3 結(jié) 語(yǔ)

針對(duì)阻變非易失性存儲(chǔ)器技術(shù)，設(shè)計(jì)了基于1T1R結(jié)構(gòu)的存儲(chǔ)單元，并使用Spice仿真軟件，對(duì)基于1T1R結(jié)構(gòu)的雙極型和單極型的RRAM存儲(chǔ)單元電路的速度和功耗特性進(jìn)行模擬仿真，并對(duì)結(jié)果進(jìn)行總結(jié)和分析，為RRAM器件的進(jìn)一步應(yīng)用提供參考和幫助。

參考文獻(xiàn)

［1］Guan Weihua,Long Shibing,Liu Qi,et al.Nonpolar ㎞onvolatile Resistive Switching in Cu doped ZrO2［J］.IEEE Electron Devices Lett.,2008,29 (5):434－437.

［2］Guan Weihua,Long Shibing,Jia Rui,et al.Nonvolatile Resistive Memory Utilizing Gold Nanocrystals Embedded in Zirconium Oxide［J］.Applied Physics Lett.,2007(91):1－3.

［3］Liu Qi,Guan Weihua,Long Shibing,et al.Resistive Swi－tching Memory Effect of ZrO2 Films with Zr+ Implanted［J］.Applied Physics Lett.,2008(92):1－3.

［4］Guan Weihua,Long Shibing,Liu Qi,et al.Nonvolatile Resistive Switching Characteristics of Binary Oxide with Cu ヾoping［A］.2008 MRS Spring Meeting.2008.

［5］Guan Weihua,Long Shibing,Liu Ming.et al.Resistive Switching Characteristics of Hafnium Oxide with Cu ヾoping for Nonvolatile Memory Application［A］.7th International Semiconductor Technology Conference (ISTC2008).2008.

［6］Lin Chunchieh,Lin Chihyang,Lin Menghan,et al.Voltage－Polarity－Independent and High－Speed Resistive Switching Properties of V－Doped SrZrO3 Thin Films［J］.IEEE Trans.Electron Dev.,2007(54):31－46.

［7］Schindler C,Thermadam S C P,Waser R,et al.Bipolar and Unipolar Resistive Switching in Cu－Doped SiO2［J］.IEEE Trans.Electron Devices,2007(54):27－62.

作者簡(jiǎn)介 李德君 女，1984年出生，安徽大學(xué)在讀碩士研究生。研究方向?yàn)樽枳冃痛鎯?chǔ)器。