4. Resistive Random Access Memory (RRAM)
4.3.2. Cơ chế chuyển mạch điện trở
Hình 4.3.2. Sơ đồ dòng của cơ chế hoạt động cho RRAM kiểu dây tóc
Hình 4.3.2 cho thấy một sơ đồ dòng của cơ chế hoạt động cho RRAM kiểu dây
tóc. RRAM chuẩn bị sẵn ở trạng thái có điện trở suất cao. Trong quá trình 'hình thành' (1), các đường dẫn hình thành trong lớp chuyển mạch bằng cách áp dụng ứng suất điện áp cao làm sự cố mềm, và RRAM được chuyển sang trạng thái điện trở thấp (LRS) (2); RRAM trong LRS được chuyển sang trạng thái điện trở cao (HRS) bằng cách áp dụng 'điện áp đặt lại' (quy trình đặt lại) (3); RRAM được chuyển từ HRS sang LRS bằng cách áp dụng 'điện áp đặt' (quy trình đặt). Phản ứng oxy hóa khử và/hoặc quá trình anốt hóa gần mặt phân cách giữa điện cực và lớp chuyển mạch được coi là cơ chế đằng sau sự hình thành và đứt gãy các đường dẫn.
Tiểu luận GVHD: TS. Trần Hoàng Linh
27
Hình 4.3.3. Cực điện hoạt động
RRAM có thể được phân thành hai loại liên quan đến cực điện hoạt động. Một loại được gọi là 'đơn cực', trong đó quy trình chuyển mạch không phụ thuộc vào cực của điện áp hoạt động, như trong Hình 4.3.3 e. Cơ chế vật lý của loại đơn cực thường được hiểu là hiệu ứng gia nhiệt Joule, và do đó cực tính hoạt động của điện không phụ thuộc vào cực của điện áp hoạt động. Một loại khác được gọi là 'lưỡng cực', trong đó quá trình đặt và quá trình đặt lại phải xảy ra với các cực điện áp ngược nhau, như trong Hình 4.3.3 f. Ngược lại, cơ chế của loại lưỡng cực thường được coi là phản ứng oxy hóa khử và di chuyển điện hóa. Do đó, cực tính điện hoạt động phụ thuộc vào cực tính của điện áp hoạt động.
Quy trình sản xuất 1R- RRAM
Trong nghiên cứu thiết bị RRAM, việc sử dụng cấu trúc dạng lỗ thông qua trong quá trình sản xuất để làm rõ cơ chế vật lý và các phép đo điện được ưu tiên. Hơn nữa, cấu trúc như vậy có thể loại bỏ vấn đề về tính đồng nhất của màng và đáng tin cậy hơn cho việc phân tích độ tin cậy và cơ chế. Hơn nữa, do khả năng mở rộng quy mô, 1R-RRAM rất thiết thực cho bộ nhớ chính.
Đối với quy trình sản xuất 1R-RRAM, trước tiên, điện cực dưới cùng được lắng đọng và tạo hình bằng quy trình in thạch bản. Sau đó, lớp cách điện (chủ yếu là SiOx) được lắng đọng, và quá trình in thạch bản được sử dụng để tạo mẫu cho kích thước tế bào và vùng hoạt động thông qua lỗ. Sau đó, lớp chuyển mạch được tăng trưởng bằng cách sử dụng quá trình lắng đọng hơi hóa học (CVD) hoặc lắng đọng hơi vật lý (PVD). Cuối cùng, điện cực trên cùng được lắng đọng và tạo hình bằng quy trình in thạch bản.
Tiểu luận GVHD: TS. Trần Hoàng Linh
28
Hình 4.4.1. Cấu trúc giảng đồ và hình ảnh hiển vi điện tử truyền qua của kim loại
Một trong những kiến trúc mảng RRAM phổ biến là mảng một transitor và một điện trở (1T1R).Trong thiết kế này, mỗi ô RRAM mắc nối tiếp với một transitor chọn ô như hình.
Hình 4.4.2. Cấu trúc mảng điện trở (1T1R)
Việc bổ sung một transitor lựa chọn có thể cách ly ô đã chọn khỏi các ô không được chọn khác. Dòng từ (WL) điều khiển cổng của transitor, do đó điều chỉnh điện áp WL có thể kiểm soát dòng tuân thủ được phân phối đến ô RRAM.
Điện cực trên cùng của tế bào RRAM kết nối với dòng bit (BL) trong khi điện cực dưới cùng của nó kết nối với tiếp điểm thông qua cống của transitor. Đường nguồn (SL) kết nối với nguồn của transitor. Vùng ô điển hình của mảng 1T1R là 12 F2 (F là kích thước tính năng in thạch bản) nếu chiều rộng/chiều dài cổng (W/L) của transitor là 1 diện tích ô tối thiểu có thể giảm xuống 6 F2 nếu quy tắc thiết kế DRAM không viền tích cực với chia sẻ BL và SL được áp dụng. Diện tích ô sẽ tăng lên nếu W/L của transitor lớn hơn1 khi transitor có kích thước tối thiểu không thể cung cấp đủ dòng lập trình.
Tiểu luận GVHD: TS. Trần Hoàng Linh
29 Bởi vì một diện tích ô tương đối lớn nhưng sự cách ly tốt giữa các ô giúp giảm thiểu vấn đề nói chuyện chéo. Mảng 1T1R được ưu tiên cho các ứng dụng nhúng trong đó mật độ không phải là theo đuổi mà là hiệu suất và độ tin cậy là ưu tiên.
Phân loại RRAM
Dựa trên cơ chế chuyển mạch điện trở chia RRAM thành 4 loại :
RRAM kiểu anion: cơ chế của loại RRAM này bị chi phối bởi các ion oxy (điện tích âm).
RRAM kiểu cation: cơ chế của loại RRAM này bị chi phối bởi phản ứng oxi hóa khử và sự di chuyển của các ion kim loại (điện tích dương). Loại RRAM này nổi tiếng trong RAM cầu dẫn điện (CBRAM).
RRAM dựa trên carbon: Các đặc điểm chuyển mạch điện trở lưỡng cực của RRAM dựa trên cacbon vô định hình (α-C: H RRAM) và cơ chế chuyển mạch gây ra bởi quá trình hydro hóa và khử hydro của nguyên tử Hidro
Điện cực dựa trên oxit RRAM : Hành vi tích tụ oxy trong điện cực ITO giàu oxy trống.
Kết luận
Phần báo cáo này cung cấp một giới thiệu ngắn gọn về sự tiến bộ của kiến trúc bộ nhớ, các xu hướng hiện tại và những hạn chế đồng thời cung cấp một cái nhìn sâu sắc có giá trị về lĩnh vực công nghệ bộ nhớ mới nổi. Cũng như nêu sự nổi bật, tầm quan trọng của RRAM, cấu trúc, cơ chế làm việc và phân loại của nó.
Trong vài năm qua, nghiên cứu trong lĩnh vực công nghệ bộ nhớ mới nổi đã phát triển đáng kể và một số sản phẩm RRAM nguyên mẫu đã được phát triển chứng tỏ tiềm năng cho các ứng dụng bộ nhớ nhúng tốc độ cao và công suất thấp. RRAM là một trong những công nghệ bộ nhớ hứa hẹn nhất bởi các ưu điểm của cấu trúc đơn giản, khả năng tương thích với công nghệ CMOS hiện có, tốc độ chuyển mạch tốt và khả năng mở rộng đến các kích thước nhỏ nhất.
Tiểu luận GVHD: TS. Trần Hoàng Linh
30