单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,汇报人 ：伍法才,汇报人 ：伍法才,1,点击添加文本,点击添加文本,点击添加文本,点击添加文本,简单介绍,5,种非易失性存储器,二,、,非易失性存,储器的简单说明,一,、引言,三,、,介绍,5,种非易,失性存储器,点击添加文本点击添加文本点击添加文本点击添加文本简单介绍5种,2,引言,随着微电子技术和计算机技术的迅速发展,我们正迈向一个信息社会。信息社会离不开信息的存贮。近半个世纪以来,人们不断地探索存贮新技术,形成了品种繁多的存储器家族,其中的半导体不挥发性存储器,(Non-VolatileSemiconductor Memory),因其具有掉电仍能保持信息的特点而成为存储器家族的热门领域。,引言随着微电子技术和计算机技术的迅速发展,我们正迈向一个信,3,简单介绍,5,种非易失性存储器,非易失性存储器,（,英语,：,non-volatile memory,，缩写为,NVRAM,）是指当电流关掉后，所存储的,数据,不会消失的,电脑存储器,，其存储特性相当于硬盘。,简单介绍5种非易失性存储器非易失性存储器（英语：non-vo,4,简单介绍,5,种非易失性存储器,重要参数：保持性能、耐受性能、读写速度、器件寿命、开关电阻比值,保持性能,非挥发性存储器的保持性能所对应的参数就是保持时间,这个时间是指,从数据存储以后到第一次读错数据所跨越的时间长度,。目前典型的数值是,十年,而且是指在不供电的清况下。,耐受性能,在大多数非挥发技术中,写入和读取这样的常规操作会产生应力,最终能损害存储器的性能或者干扰存储器的存储数据。耐受性就是用来描叙存储器对这种应力的承受能力,这个参数的数值是指让,存储器不能正确存储信息时的擦除一写入循环的最小次数,。这些年以来,工业界一致认同存储器的耐受性至少要到达,十万次,才具有竞争力。,开关电阻比值,R,OFF,/R,ON,简单介绍5种非易失性存储器重要参数：保持性能、耐受性能、读,5,点击添加文本,点击添加文本,点击添加文本,点击添加文本,简单介绍,5,种非易失性存储器,铁电随机存储器,（,FeRAM,）,相变随机存储器,（,PRAM,）,磁性随机存储器,（,MRAM,）,闪速存储器,(Flash Memory),阻变存储器,(RRAM),点击添加文本点击添加文本点击添加文本点击添加文本简单介绍5种,6,1.,闪速存储器,(Flash Memory),闪存的存储单元为三端器件，与场效应管有相同的名称：源极、漏极和栅极。栅极与硅衬底之间有,二氧化硅绝缘层,，用来保护浮置栅极中的电荷不会泄漏。采用这种结构，使得存储单元具有了电荷保持能力，就像是装进瓶子里的水，当你倒入水后，水位就一直保持在那里，直到你再次倒入或倒出，所以闪存具有记忆能力。,Flash,存储器是通过向浮栅中注入或拉出电子来实现“写”或“擦”。向浮栅中注入电子时定义为“,1”,将浮栅中的电子拉出定义为“,0”,。,1.闪速存储器(Flash Memory)闪存的存储单元为三,7,1.,闪速存储器,(Flash Memory),注入电子实现“写”,热电子注入机理：当在漏和栅极上同时加高电压，电子从电场获得能量变成热电子，由源极向漏极迁移，在栅极电场的吸引下，当电子的能量大于,Si/SO2,界面势垒时，它们就能越过势垒注入到浮栅上。同时，强电场也会引起碰撞电离，碰撞电离产生的二次电子也能注入到浮栅上。,福勒,-,诺德海姆隧穿效应机理：当在栅极和衬底之间加一个电压时,在氧化层中会建立一个电场。一般情况下,由于,SiO2,和,Si,界面的电子势垒很高,(3.2eV),电子很难越过势垒注入到多晶硅栅中。,Fowler,等人提出,当氧化层中电场达到,10MV/cm,且氧化层厚度较小,(0.01m,以下,),时,电子将发生直接隧穿效应,穿过氧化层中势垒注入到浮栅。,小结：通过越过势垒和电子隧穿势垒实现注入电子。,拉出电子实现“擦”,在控制栅极上加上负电压，或在源,/,漏加正电压，存储电子通过隧穿离开浮到到衬底。,1.闪速存储器(Flash Memory)注入电子实现“写”,8,1.,闪速存储器,(Flash Memory),电子注入示意图,1.闪速存储器(Flash Memory),9,1.,闪速存储器,(Flash Memory),整个工作机理用能带图来说明,（,a,）初始阶段,(b),电子越过势垒或隧穿注入,1.闪速存储器(Flash Memory)整个工作机理用能带,10,1.,闪速存储器,(Flash Memory),（,c,）电子成功注入,(d),通过电子隧穿擦除,1.闪速存储器(Flash Memory),11,1.,闪速存储器,(Flash Memory),硅基,flash,存储器作为传统的,NVM,器件，已被广泛投入到可移动存储器的应用当中。但是，工作寿命、读写速度的不足，写操作中的高电压及尺寸无法继续缩小等瓶颈已经从多方面限制了,flash,存储器的进一步发展。,作为替代，多种新兴器件作为下一代,NVM,器件得到了业界广泛的关注，这其中包括铁电随机存储器（,FeRAM,）、磁性随机存储器（,MRAM,）、相变随机存储器（,PRAM,）、阻变随机存储器（,RRAM,）等。,1.闪速存储器(Flash Memory)硅基flash存储,12,2.,铁电随机存储器（,FeRAM,）,原理,FRAM,利用铁电晶体的铁,电效应实现数据存储,铁电,晶体的结构如图所示。铁,电效应是指在铁电晶体上施,加一定的电场时,晶体中心,原子在电场的作用下运动,并达到一种稳定状态,;,当电场从晶体移走后,中心原子会保持,在原来的位置。这是由于晶体的中间层是一个高能阶,中心原,子在没有获得外部能量时不能越过高能阶到达另一稳定位置,因此,FRAM,保持数据不需要电压,也不需要像,ROM,一样周期,性刷新。,2.铁电随机存储器（FeRAM）原理,13,2.,铁电随机存储器（,FeRAM,）,2.铁电随机存储器（FeRAM）,14,2.,铁电随机存储器（,FeRAM,）,问题,大多数铁电材料均为钙钛矿晶体结构,典型的铁电材料有锆钛酸铅,(PZT),，钛酸锶钡,(,SBT,),。,锆钛酸铅,(PZT),缺点是有疲劳退化问题，还有含铅会对环境造成污染。,钛酸锶钡,(,SBT,）缺点工艺温度较高，使之工艺集成难度增大，剩余极化程度较小。,未来发展要解决的主要难题,:,一是采用 单元结构缩小单元面积提高集成度,;,二是提高铁电薄膜性能。,2.铁电随机存储器（FeRAM）问题,15,3.,磁性随机存储器（,MRAM,）,当铁磁层的磁矩相互平行时，由于,通过绝缘隧道层的载流子与自旋有,关的散射最小，电阻也就最小，器,件表现出低阻态；,反之，磁层的磁矩相反时，通过绝,缘层的载流子与自旋有关的散射最,大，这时电阻最大，使器件呈现高阻态。,3.磁性随机存储器（MRAM）当铁磁层的磁矩相互平行时，由于,16,3.,磁性随机存储器（,MRAM,）,问题,（,1,）制造成本十分高昂。,（,2,）,MRAM,是在集成硅电路的磁性材料中存储信息，周围的磁场会对芯片产生一定影响，对于高磁环境下的磁场屏蔽也是值得考虑的问题。,3.磁性随机存储器（MRAM）问题,17,4.,相变随机存储器（,P,RAM）,材料在外加电压下，,在晶态与非晶态间之,间转换，两种状态的,电阻特性不同，可以,用来分别代表“,0”,和“,1”,来存储数据。,(,电阻加热器,BEC,、,上下电极,TE,、,BE,相变薄膜,GST),4.相变随机存储器（PRAM）材料在外加电压下，,18,4.,相变随机存储器（,P,RAM）,CRAM,写入和读取信息的具体过程为：,（,1,）写“,0”RESET,非晶化,给存储单元施加如图（,a,）所示,的短而强的脉冲电流（电压），,GST,的温度被加热到熔点（,Tm,）以上，,其分子成为无序状态，其后电压突然,移去，熔融的,GST,经快速冷却（,t1,）,至结晶点（,Tg,）以下，由于分子没有,足够的时间进行重新排列，其无序状,态得到保持，从而实现到高阻的非晶态,的转化，实现存储信息“,0”,。,4.相变随机存储器（PRAM）CRAM 写入和读取信息的具体,19,4.,相变随机存储器（,P,RAM）,（,2,）写“,1”SET,晶化,给存储单元施加如图（,b,）所示,的长而幅度中等的脉冲电流（电压），,GST,的温度被加热到熔点（,Tm,）以下,结晶点（,Tg,）以上，且该状态被保持,一段时间（,t2,）。由于脉冲时间较长，,其分子有足够的时间进行排列，成为,有序状态，从而实现到低阻的晶态的,转化，实现存储信息“,1”,。,4.相变随机存储器（PRAM）（2）写“1”SET晶,20,4.,相变随机存储器（,P,RAM）,（,3,）读,READ,存储单元的读过程使用短而弱的脉冲,电流（电压），如图（,c,）所示，其,产生的热能只能使,GST,的温度上升到,结晶点以下，材料的状态在读电脉冲,下不会发生变化，通过与外电路的配,合，即可读出存储元的电阻。,4.相变随机存储器（PRAM）（3）读READ,21,4.,相变随机存储器（,P,RAM）,问题,（,1,）性能不高：耐久性读写速度和次数不如,FeRAM,MRAM,RRAM,。,（,2,）由于 需要使用加热电阻来使相变材料发生相变，工艺越先进，单元越精细，对加热元件的,控制要求也越高，发热带来的影响也越大 发热和,较大的耗电量可能会限制 的进一步发展。,（,3,）制造成本十分高昂。,4.相变随机存储器（PRAM）问题,22,5.,阻变随机存储器,(RRAM),RRAM,中的阻变元件,一般采用简单的类似电,容的金属,-,介质层,-,金属,（,MIM,）结构，由两层,金属电极包夹着一层介,质材料构成。,对,RRAM,存储机制仍有很大的争论,本,次汇报简单讲解导电细丝理论。,5.阻变随机存储器(RRAM)RRAM中的阻变元件,23,5.,阻变随机存储器,(RRAM),导电细丝典型结构,5.阻变随机存储器(RRAM)导电细丝典型结构,24,5.,阻变随机存储器,(RRAM),在初始情况下，,ECM,单元处于如,（,D,）图所示的,关断状态。,5.阻变随机存储器(RRAM)在初始情况下，,25,5.,阻变随机存储器,(RRAM),当活性阳极，如本例中的,Ag,电极，,施加正电压，会有,Ag,+,离子开始沿,着电场方向在电解质内向惰性阴极,方向迁移。当,Ag,+,离子接触到惰性,阴极时得到电子被还原，于是沉积,在惰性电极表面。一旦开始有,Ag,颗,粒沉积于阴极表面，电解质内的电,场分布发生变化，,Ag,沉积处的高电,场会导致更多,Ag,+,离子迁移至此并,被还原，于是逐渐形成一条由阴极,通向阳极的细丝，如图,(A),所示。,5.阻变随机存储器(RRAM)当活性阳极，如本例中的Ag电极,26,5.,阻变随机存储器,(RRAM),在导电细丝完整形成,的瞬间为置位过程，,此时,ECM,单元的阻态,迅速由高阻变为低阻。,最终，电流由细丝流过，,ECM,单元达到开启状态，,如图,(B),所示。,5.阻变随机存储器(RRAM)在导电细丝完整形成,27,5.,阻变随机存储器,(RRAM),而此时当,Ag,电极加反向电压，,两种熔断机制：,(1),氧化还原细丝溶断,导电细丝中的,Ag,原子发生,氧化反应，产生带正电的,Ag,+,；,带正电的,Ag,+,在,Ag,电极处还,原成,Ag,原子。导电细丝开,始断裂。,（,2,）热熔断,导电细丝因为低阻态电,流产生热量过大而熔断。,细丝熔断即复位过程，如图,(C),所示。,5.阻变随机存储器(RRAM)而此时当Ag电极加反向电压，,28,5.,阻变随机存储器,(RRAM),此时,ECM,单,元的阻态迅速,由低阻变为高,阻。最终器件,达到关断状态，,如图,(D),所示。,5.阻变随机存储器(RRAM)此时ECM单,29,5.,阻变随机存储器,(RR