tiểu luận thiết kế vi mạch số công nghệ bộ nhớ điện trở truy cập ngẫu nhiên

Untitled ( ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ C TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA KHOA ĐIỆN Đ ỆN TỬ    )HÍ MINH MÔN THIẾT KẾ VI MẠCH SỐ ĐỀ TÀI Công nghệ bộ nhớ điện trở truy cập ngẫu nhiên (Resetive Random Acces.

ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ C TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

KHOA ĐIỆN - Đ ỆN TỬ

MÔN THIẾT KẾ VI MẠCH SỐ

ĐỀ TÀI:

Công nghệ bộ nhớ điện trở truy cập ngẫu nhiên (Resetive Random Access Memory – RRAM)

GVHD: TS Trần Hoàng Linh Sinh viên thực hiện:

MỤC LỤC

LỜI GIỚI THIỆU 1

PHẦN I: TỔNG QUAN BỘ NHỚ KHÔNG KHẢ BIẾN VÀ BỘ NHỚ ĐIỆN TRỞ TRUY CẬP NGẪU NHIÊN 2

I Bộ nhớ điện tĩnh (Non-volatile memory – NVM) 2

I.1 Tổng quan chung 2

I.2 Phân loại công nghệ bộ nhớ trạng thái rắn 4

II Bộ nhớ điện trở truy cập ngẫu nhiên (Resistance random access memory – RRAM) 8

II.1 Vật liệu chuyển mạch điện trở (Resistance Switching Materials) 10

II.2 Chế độ chuyển mạch điện trở 14

II.3 Cơ chế chuyển mạch điện trở 14

II.3.1 Phản fíng oxy hóa khfí và sự di chuyển của các ion cation (CBRAM) 14

II.3.2 Phản fíng oxy hóa khfí và sự di chuyển của các ion anion (OxRRAM) 15

II.4 Đặc tính của bộ nhớ điện trở truy cập ngẫu nhiên (RRAM) 16

II.4.1 Độ bền 16

II.4.2 Sự lưu trữ 16

II.4.3 Tính đồng nhất 17

II.5 Khả năng lưu trữ đa mfíc trên RRAM 18

II.5.1 Phương pháp thay đổi dòng điện tuân thủ 18

II.5.2 Phương pháp điều khiển điện áp đặt lại 20

II.5.3 Phương pháp thay đổi độ rộng xung của chương trình / hoạt động xóa .21 II.6 Các fíng dụng của RRAM 21

II.6.1 Các cổng logic không khả biến 21

II.6.2 Điện toán nơ-ron 21

II.6.3 Ứng dụng trong bảo mật 22

II.6.4 SRAM không khả biến 22

PHẦN II: CÁC NGHIÊN CỨU GẦN ĐÂY VỀ CÔNG NGHỆ RRAM 23

I Kiến trúc của RRAM ở trình điều khiển ghi 23

I.1 Thực hiện đọc ghi dữ liệu bằng trình điều khiển ghi 23

I.2 Kiến trúc mảng RRAM 8x8 25

II Kiến trúc 4T2R R-CIM 26

II.1 Kiến trúc của mạch 4T2R đơn giản 27

II.2 Mạch read/ write 28

II.3 Mạch TCAM 29

II.4 Kiến trúc 4T2R R-CIM 30

III Nhận diện một chuỗi phi markov (non-markov) bằng thiết bị bộ nhớ truy cập ngẫu nhiên điện trở (RRAM) dựa trên vật liệu hai chiều (2D) 31

III.1 Chuỗi Markov 31

III.2 Nghiên cfíu, kết quả 31

PHẦN III: KẾT LUẬN 36

TÀI LIỆU THAM KHẢO 37

LỜI GIỚI THIỆU

Trước sự phát triển vũ bão của khoa học, công nghệ CMOS đang dần dần hoàn thiệnmình và trở thành sự lựa chọn số một khi thiết kế các CPU, GPU, IC chfíc năng chocác thiết bị điện tfí Tuy nhiên bên cạnh ưu điểm thì nhược điểm mà công nghệ CMOSgặp phải như tính không khả biến ở các thiết bị SRAM, DRAM; tiêu thụ công suất cao ởcác thiết bị flash Trong những năm gần đây, công nghệ RRAM đang được đẩy mạnhphát triển khắc phục những khó khăn của công nghệ hiện có

Từ những yếu tố trên, nhóm chúng em lựa chọn đề tài “Công nghệ bộ nhớ điện trởtruy cập ngẫu nhiên (Resitive Random Access Memory – RRAM)” thực hiện tiểu luận

1

PHẦN I: TỔNG QUAN BỘ NHỚ KHÔNG KHẢ BIẾN VÀ BỘ NHỚ ĐIỆN

TRỞ TRUY CẬP NGẪU NHIÊN

I Bộ nhớ điện tĩnh (Nonvolatile memory – NVM)

Bộ nhớ điện tĩnh hay còn gọi là bộ nhớ bất biến là loại bộ nhớ máy tính có thể lấy lạiđược thông tin đã lưu trữ ngay cả khi nó từng bị ngắt nguồn cấp điện

I.1. Tổng quan chung

Ý tưởng sfí dụng cổng trôi (floating gate - FG) để tạo ra bộ nhớ điện tĩnh được đềxuất lần đầu tiên vào năm 1967 bởi Kahng D và Sze SM tại Bell Labs Đây cũng là lầnđầu tiên khả năng của bộ nhớ điện tĩnh MOS được công nhận Kể từ ngày đó, bộ nhớ bándẫn đã có những đóng góp to lớn cho sự phát triển mang tính cách mạng của điện tfí kỹthuật số kể từ khi vi mạch RAM lưỡng cực 64 bit được sfí dụng trong bộ nhớ đệm củamáy tính IBM được báo cáo vào năm 1969 Bộ nhớ bán dẫn luôn là thành phần không

thểthiếu và là xương sống của các hệ thống điện tfí hiện đại Tất cả các nền tảng máy tínhquen thuộc từ thiết bị cầm tay đến siêu máy tính lớn đều sfí dụng hệ thống lưu trữ để lưutrữ dữ liệu tạm thời hoặc vĩnh viễn Bắt đầu với thẻ đục lỗ lưu trữ một vài byte dữ liệu,các hệ thống lưu trữ đã đạt đến dung lượng nhiều byte hơn trong không gian và mfíc tiêuthụ điện năng tương đối ít hơn Về khía cạnh fíng dụng, tốc độ của hệ thống lưu trữ cầnphải càng nhanh càng tốt Khi bộ nhớ Flash đã trở thành một thành phần cơ bản của ổ đĩathể rắn (Solid State Drive - SSD), chi phí đã giảm đáng kể và mật độ các chip nhớ giatăng giúp nó tiết kiệm chi phí hơn so với các loại bộ nhớ khác Các ổ cfíng và hầu hết các

o SSD sfí dụng bộ nhớ Flash có khả năng đáp fíng các thị trường với những mục đích rấtkhác nhau Mỗi ổ cfíng lại có một số thuộc tính khác nhau được tối ưu hóa và điều chỉnh

để đáp fíng tốt nhất nhu cầu của người dùng cụ thể Vì những hạn chế tự nhiên, các thiết

bị bộ nhớ đã được thu nhỏ lại để phù hợp với các hệ thống lưu trữ dữ liệu điện tfí diđộng Ngày nay, điểm nổi bật nhất là khả năng mở rộng dung lượng của thiết bị điện tfí

bị giới hạn về kích thước Nghiên cfíu đang tiến hành theo các hướng sau cho các thiết bịFlash nhúng: (1) thu nhỏ kích thước các ô nhớ của thiết bị, (2) giảm điện áp hoạt động và(3) tăng mật độ trạng thái trên mỗi ô nhớ bằng cách sfí dụng ô nhớ đa cấp Để tiếp tụcthu nhỏ, các thiết bị Flash thông thường phải trải qua những thay đổi mang tính cáchmạng Về cơ bản, người ta mong muốn toàn bộ bộ sưu tập DVD nằm trong lòng bàntay Vì vậy cần có những thiết bị lưu trữ mới hoạt động với nguyên tắc vật lý mới Rấtđáng để xem xét tới bộ nhớ bán dẫn trong các hệ thống kỹ thuật số Các thiết bị bán dẫnđược sfí dụng trong môi trường hệ thống xác định thỏa mãn yêu cầu về mật độ, tốc độ,công suất và chfíc năng Hơn nữa, bộ nhớ bán dẫn còn đáp fíng yêu cầu ý nghĩa về mặtkinh tế Trong suốt 3 thập kỷ rưỡi tồn tại, bộ nhớ bán dẫn đã phát triển và đạt rất nhiều

2

thành tựu như mật độ cao hơn, tốc độ cao hơn, công suất thấp hơn, nhiều chfíc năng hơn

và chi phí thấp hơn Đồng thời, hạn chế trong mỗi loại bộ nhớ cũng được tìm ra nhiềuhơn Do đó, tìm ra những công nghệ mới nổi nhằm vượt qua những hạn chế đó và có khảnăng thay thế tất cả hoặc hầu hết các công nghệ bộ nhớ bán dẫn hiện có để trở thành bộnhớ bán dẫn thông dụng (USM) Ngoài ra, phần thưởng khi tạo ra một thiết bị như vậy sẽ

là giành được quyền kiểm soát một thị trường rộng lớn, từ các fíng dụng máy tính sangtất cả các sản phẩm điện tf í tiêu dùng Nhìn về tương lai, có rất nhiều fíng dụng bộ nhớmới nổi cho tự động hóa và công nghệ thông tin để chăm sóc sfíc khỏe Đặc điểm kỹthuật của bộ nhớ điện tĩnh (NVM) dựa trên cấu hình cổng trôi Trong số đó, các bộ nhớFlash được thiết kế như NOR Flash và NAND Flash đã được phát triển và sau đó đượcsản xuất thành các sản phẩm thương mại trên thị trường với số lượng lớn Chúng đãđược coi là những sản phẩm quan trọng nhất NOR có tốc độ hoạt động cao cho cả fíngdụng mã và lưu trữ dữ liệu Mặt khác, NAND có mật độ cao cho các fíng dụng lưu trữ dữliệu lớn Kể từ khi bộ nhớ Flash ra đời, thị trường của nó đã tăng trưởng theo cấp số nhânchủ yếu nhờ vào điện thoại di động và các loại thiết bị điện tf í tiêu dùng khác Mặc dùngày nay việc tích hợp chip silicon là rất đắt đỏ nhưng hãy tưởng tượng đồ chơi, thẻ,nhãn, huy hiệu, giấy tờ giá trị và đồ dùng y tế được trang bị bộ nhớ và thiết bị điện tf ílinh hoạt Với nhu cầu ngày càng tăng về lưu trữ thông tin kỹ thuật số mật độ cao, côngnghệ đã khiến mật độ bộ nhớ tăng lên đáng kể trong vài năm qua Động lực chính để pháttriển bộ nhớ điện tĩnh hữu cơ hiện đang dành cho các fíng dụng của thiết bị điện tf í màngmỏng, linh hoạt hoặc thậm chí có thể in Người ta cần một công nghệ có thể gắn nhãnmọi thf í với chfíc năng điện tfí với số lượng lớn và với chi phí thấp trên các chất nềnnhư nhựa và giấy Khả năng thương mại hóa bộ nhớ in cuộn để sạc thiết bị lưu trữ đượclựa chọn cho các fíng dụng có độ linh hoạt cao và sfíc mạnh to lớn Gần đây, polymer (bộnhớ nhựa) và các thiết bị bộ nhớ hữu cơ đang được xem xét vì quy trình đơn giản, tốc độ

xf í lý nhanh và khả năng chuyển mạch tuyệt vời Một ưu điểm đáng kể của bộ nhớpolymer so với các thiết kế bộ nhớ thông thường là nó có thể được xếp chồng lên nhautheo chiều dọc, mang lại việc sfí dụng không gian ba chiều (3-D) Điều này có nghĩa làtrong các thiết bị thể rắn terabyte có số lượng bóng bán dẫn cực thấp, chẳng hạn như ổđĩa có kích thước bằng một hộp diêm, dữ liệu vẫn tồn tại ngay cả khi đã ngắt nguồn điện.Thị trường NAND Flash liên tục phát triển nhờ sự ra đời liên tiếp của các thiết bị và fíngdụng sáng tạo Để đáp fíng xu hướng thị trường, NVM 3-D dự kiến sẽ thay thế các NVMphẳng, đặc biệt là đối với các tiến trình 10 nm trở lên Hơn nữa, bộ nhớ hai trạng thái(bistable) hữu cơ có cấu trúc đơn giản thể hiện các tính năng bộ nhớ vượt trội đã đượchiện thực hóa bằng cách sfí dụng các hạt nano (NP) khác nhau được pha trộn thành mộtvật liệu hữu cơ đơn lớp được kẹp giữa hai điện cực kim loại Các NP hoạt động như cácbẫy có thể được sạc và phóng điện bằng các xung điện áp thích hợp Hỗn hợp NP chothấy thời gian lưu giữ dữ liệu, tốc độ chuyển mạch và độ bền chu kỳ đầy hfía hẹn, nhưngdòng điện trên trạng thái quá thấp để cho phép mở rộng thành kích thước nanomet Rấtnhiều ý tưởng tuyệt vời đã có xu hướng lụi tàn trước khi đạt đến điểm phát triển này,nhưng điều đó không có nghĩa là

3

chúng ta sẽ thấy bộ nhớ nhựa trên thị trường vào năm tới Vẫn còn khá nhiều rào cản đểvượt qua, riêng về phần mềm đã là một nhiệm vụ lớn, cũng như quá trình sản xuất,nhưng nó đã đưa công nghệ này đến gần hơn với thực tế Không quá lời khi nói rằngngười ta có thể lưu trữ 400.000 CD, 60.000 DVD hoặc 126 năm nhạc MPG trên một chipnhớ polymer có kích thước bằng thẻ tín dụng.

I.2. Phân loại công nghệ bộ nhớ trạng thái rắn

Các thiết bị lưu trữ dữ liệu có thể được phân loại dựa trên nhiều tiêu chí chfícnăng Trong số đó, bộ nhớ bán dẫn dựa trên silicon được phân loại thành hai loại: điệnđộng (volatile) và điện tĩnh (nonvolatile) Trong bộ nhớ điện động, thông tin sẽ mất dầnkhi nguồn điện bị tắt trừ khi các thiết bị được sfí dụng để lưu trữ dữ liệu sẽ được làm mớiđịnh kỳ Mặt khác, những bộ nhớ điện tĩnh sẽ lưu giữ lại thông tin được lưu trữ ngay cảkhi nguồn điện bị tắt Bộ nhớ điện động, chẳng hạn như bộ nhớ truy cập ngẫu nhiên tĩnh(SRAM) và bộ nhớ truy cập ngẫu nhiên động (DRAM), cần cung cấp điện áp để giữthông tin của chúng trong bộ nhớ không bị biến động, cụ thể là bộ nhớ Flash, giữ thôngtin của chúng mà không có DRAM (viết tắt của bộ nhớ truy cập ngẫu nhiên động) là cầnthiết cho tính toàn vẹn của dữ liệu, ngược lại với SRAM Cấu trúc mạch cơ bản của bộnhớ DRAM, SRAM và Flash được thể hiện trong Hình 1 DRAM, SRAM và Flash lànhững công nghệ bộ nhớ trạng thái rắn thống trị hiện nay đã có từ lâu, trong đó Flash mớinhất là 25 năm DRAM được chế tạo chỉ sfí dụng một bóng bán dẫn và một thành phần tụđiện, và SRAM thường được chế tạo theo công nghệ CMOS với sáu bóng bán dẫn Haibiến tần ghép chéo được sfí dụng để lưu trữ thông tin giống như trong một Flip-Flop Đểkiểm soát truy cập, cần thêm hai bóng bán dẫn Nếu dòng ghi được bật, thì dữ liệu có thểđược đọc và thiết lập với các dòng bit Mạch bộ nhớ Flash hoạt động với thành phần

FG FG nằm giữa cổng và khu vực xả nguồn và được cách ly bởi một lớp oxit Nếu FGkhông được sạc, thì cổng có thể kiểm soát dòng xả nguồn FG được ghi (hiệu fíng đườnghầm) với các electron khi điện áp cao ở cổng được cung cấp, và điện thế âm trên FG hoạtđộng chống lại cổng và không có dòng điện nào có thể xảy ra FG có thể xóa bằng điện

áp cao theo hướng ngược lại của cổng DRAM có lợi thế hơn SRAM và Flash là chỉ cầnmột MOSFET với tụ điện Nó cũng có lợi thế là sản xuất rẻ cũng như tiêu thụ điện năngthấp hơn so với SRAM nhưng chậm hơn SRAM Mặt khác, SRAM thường được xâydựng trong công nghệ CMOS với sáu bóng bán dẫn và hai bộ biến tần ghép chéo, và đểkiểm soát truy cập, cần thêm hai bóng bán dẫn nữa SRAM có ưu điểm là nhanh chóng,

dễ điều khiển, được tích hợp trong chip, cũng như nhanh chóng vì không cần bus nhưtrong DRAM Nhưng SRAM có nhược điểm là cần nhiều bóng bán dẫn và do đó tốnkém, tiêu thụ điện năng cao hơn DRAM So với DRAM và SRAM, Bộ nhớ flash có FGgiữa cổng và khu vực thoát nguồn và được cách ly bằng một lớp oxit Bộ nhớ flashkhông yêu cầu nguồn điện để lưu trữ thông tin nhưng chậm hơn SRAM và DRAM

Hình 1

Cấu trúc mạch của bộ nhớ DRAM, SRAM và Flash.

Cả hai loại bộ nhớ có thể được phân loại sâu hơn dựa trên công nghệ bộ nhớ mà chúngsfí dụng và dựa trên sự biến động của dữ liệu như được thể hiện trong sơ đồ phân loạiđược mô tả trong Hình 2 Bộ nhớ biến động chủ yếu bao gồm DRAM, có thể được phânloại thêm thành SDRAM và RAM di động chỉ lưu giữ thông tin khi dòng điện được cungcấp liên tục cho thiết bị Một thiết bị nhớ nhỏ nhưng rất quan trọng khác là SRAM.Thị trường thiết bị DRAM vượt xa thị trường thiết bị SRAM, mặc dù một lượng nhỏ thiết

bị SRAM được sfí dụng trong hầu hết tất cả các chip logic và bộ nhớ Tuy nhiên,DRAM chỉ sfí dụng một bóng bán dẫn và một tụ điện trên mỗi bit, cho phép nó đạt đượcmật độ cao hơn nhiều và với nhiều bit hơn trên chip nhớ, mỗi bit sẽ rẻ hơn nhiều SRAMkhông đáng giá đối với bộ nhớ hệ thống máy tính để bàn, nơi DRAM chiếm ưu thế,nhưng được sfí dụng cho bộ nhớ đệm của nó SRAM phổ biến trong các hệ thống nhúngnhỏ, có thể chỉ cần hàng chục kilobyte hoặc ít hơn Các công nghệ bộ nhớ điện động sắp

ra mắt được hy vọng sẽ thay thế hoặc cạnh tranh với SRAM và DRAM bao gồm Z-RAM,TTRAM, A-RAM và ETA RAM Trong ngành công nghiệp, các công nghệ bộ nhớ phổthông và ổn định mới sẽ xuất hiện như những đối thủ thực sự để thay thế một trong haihoặc cả NAND Flash và DRAM Bộ nhớ flash hiện là sự lựa chọn phù hợp nhất chocác fíng dụng điện tĩnh vì những lý do sau: Bộ nhớ điện tĩnh bán dẫn bao gồm hầu hếtcác thiết bị được gọi là 'Flash' và lưu giữ thông tin của chúng ngay cả khi tắt nguồn Các

bộ nhớ bán dẫn điện tĩnh khác bao gồm bộ nhớ chỉ đọc mặt nạ (MROM), bộ nhớ có thểlập trình một lần (OTP) chống sfí dụng và bộ nhớ chỉ đọc có thể xóa bằng điện(EEPROM) Flash được chia thành hai loại: NOR, được đặc trưng bởi tính năng ghi trựctiếp và kích thước ô nhớ lớn, và NAND, được đặc trưng bởi tính năng ghi trang và kíchthước ô nhớ nhỏ

5

Các bộ nhớ bán dẫn điện tĩnh thường được phân loại theo các đặc tính chfíc năngcủa chúng đối với các hoạt động lập trình và xóa, như được thể hiện trong sơ đồ mô tảtrong Hình 2 Đây là trôi, nitride, ROM và cầu chì, Flash, các công nghệ bộ nhớ mới vàthế hệ mới khác Ngày nay, những bộ nhớ điện tĩnh này có độ tin cậy cao và có thể đượclập trình đơn giản bằng cách sfí dụng một máy vi tính với hầu như trong mọi thiết bị điệntfí hiện đại, được kỳ vọng sẽ thay thế những bộ nhớ hiện có.

Hình 2

Lưu đồ phân loại bộ nhớ bán dẫn theo tiêu chí chfíc năng của chúng.

Trong số đó, những bộ nhớ điện tĩnh mới nổi đang rất hấp dẫn Thị trường bộ nhớ thế

hệ tiếp theo sẽ bao gồm những công nghệ bộ nhớ mới nổi này Chủ yếu có năm loại côngnghệ bộ nhớ điện tĩnh: Bộ nhớ flash, bộ nhớ truy cập ngẫu nhiên sắt điện (FeRAM), bộnhớ truy cập ngẫu nhiên từ tính (MRAM), bộ nhớ thay đổi pha (PCM) và RRAM Bộnhớ không linh hoạt, cụ thể là bộ nhớ Flash, được đặc trưng bởi cơ chế xóa khối lớn(hoặc 'khu vực'), là phân khúc phát triển nhanh nhất của ngành kinh doanh chất bán dẫntrong 10 năm qua Một số công nghệ mới nổi hơn này bao gồm MRAM, FeRAM, PCM,

bộ nhớ truy cập ngẫu nhiên đảo từ bằng dòng spin (STT-RAM), RRAM vàmemristor MRAM là một bộ nhớ bộ nhớ truy cập ngẫu nhiên từ điện trở Không giốngnhư DRAM, dữ liệu không được lưu trữ trong dòng điện tích mà bởi các phần tfí lưu trữ

từ tính Các phần tfí lưu trữ được hình thành bởi hai tấm sắt từ, mỗi tấm có thể giữ một từtrường, được ngăn cách bởi một lớp cách điện mỏng Một trong hai tấm là nam châmvĩnh cfíu được đặt ở một cực; trường kia có thể được thay đổi để phù hợp với trường bênngoài để lưu trữ bộ nhớ STT-RAM là một MRAM (điện tĩnh) nhưng có khả năng mởrộng tốt hơn MRAM truyền thống STT là một hiệu fíng trong đó định hướng của lớp từtính trong đường giao nhau của đường hầm từ tính hoặc van quay có thể được sfía đổibằng cách sfí dụng dòng điện phân cực spin Công nghệ đảo từ bằng dòng spin có tiềmnăng tạo ra các thiết bị MRAM kết hợp các yêu cầu hiện tại thấp và giảm chi phí cóthể Tuy nhiên, hiện tại lượng dòng điện cần thiết để định hướng lại từ hóa là quá cao đốivới hầu hết các fíng dụng thương mại PCM là một bộ nhớ truy cập ngẫu nhiên không

thay đổi, còn được gọi là bộ nhớ hợp nhất ovonic (OUM), dựa trên sự chuyển đổi phathuận nghịch giữa trạng thái vô định hình và tinh thể của thủy tinh chalcogenide, đượcthực hiện bằng cách làm nóng và làm mát thủy tinh Nó sfí dụng đặc tính độc đáo củachalcogenide (một vật liệu đã được sfí dụng để sản xuất đĩa CD), theo đó nhiệt sinh ra dodòng điện đi qua sẽ chuyển vật liệu này giữa hai trạng thái Các trạng thái khác nhau cóđiện trở khác nhau có thể được sfí dụng để lưu trữ dữ liệu Bộ nhớ lý tưởng hay còn gọi

là bộ nhớ hợp nhất sẽ đáp fíng đồng thời ba yêu cầu: tốc độ cao, mật độ cao và khôngthay đổi (lưu giữ) Tại thời điểm hiện tại, bộ nhớ như vậy đã không được phát triển Bộnhớ bán dẫn điện tĩnh cổng nổi (NVSM) có mật độ và khả năng lưu giữ cao, nhưng tốc

độ xóa chương trình thấp DRAM có tốc độ cao (khoảng 10 ns) và mật độ cao, nhưngkhông có khả năng lưu giữ Mặt khác, SRAM có tốc độ rất cao (khoảng 5 ns) nhưng bịhạn chế bởi mật độ và khả năng lưu giữ Dự kiến PCM sẽ có khả năng mở rộng tốt hơn

so với các công nghệ mới nổi khác RRAM là một bộ nhớ điện tĩnh tương tự như PCM.Khái niệm RRAM là chất điện môi, thường có tính cách điện, có thể được tạo ra để dẫnđiện qua dây tóc hoặc đường dẫn được hình thành sau khi đặt một điện áp đủ cao Có thểcho rằng, đây là một công nghệ bộ nhớ và nên được coi là một fíng cfí viên tiềm năng đểthách thfíc NAND Flash Hiện tại, FRAM, MRAM, và PCM đang được sản xuất thươngmại nhưng so với DRAM và NAND Flash, vẫn bị giới hạn trong các fíng dụng thích hợp

Có quan điểm cho rằng MRAM, STT-RAM và RRAM là những công nghệ mới nổi hfíahẹn nhất, nhưng chúng vẫn còn nhiều năm nữa mới có thể cạnh tranh để được ápdụng trong ngành Bất kỳ công nghệ mới nào cũng phải có khả năng cung cấp hầu hếtcác thuộc tính sau đây để thúc đẩy sự chấp nhận của ngành trên quy mô đại chúng: khảnăng mở rộng của công nghệ, tốc độ của thiết bị và mfíc tiêu thụ điện năng tốt hơn so vớicác bộ nhớ hiện có NVSM là nguồn cảm hfíng tìm kiếm những bộ nhớ điện tĩnh mới lạ,điều này sẽ dẫn đến thành công việc hiện thực hóa và thương mại hóa bộ nhớ thống nhất

Hiện đang trong quá trình phát triển, một lớp công nghệ bộ nhớ điện tĩnh mới sẽ cungcấp một sự phát triển lớn về tính linh hoạt so với đĩa CD, đặc biệt là khả năng thực hiệncác truy cập ngẫu nhiên, nhanh chóng Không giống như bộ nhớ Flash, những công nghệmới này sẽ hỗ trợ cập nhật tại chỗ, tránh tốn thêm chi phí Hơn nữa, những bộ nhớ điệntĩnh mới này dựa trên chất tạo màng sinh học axit deoxyribonucleic (DNA) và các vậtliệu hữu cơ và polymer là một trong những thiết bị quan trọng cho công nghệ bộ nhớ thế

hệ tiếp theo với chi phí thấp Bộ nhớ đóng một vai trò to lớn trong tất cả các công nghệmới phát triển Do đó, nỗ lực tạo ra các bộ nhớ hữu cơ mới để sfí dụng trong các thiết bịđiện tfí linh hoạt là điều cần thiết Tính linh hoạt đặc biệt quan trọng đối với các fíngdụng điện tfí trong tương lai như thiết bị điện tfí đeo được và giá cả phải chăng Nhiềunghiên cfíu đã được thực hiện để áp dụng công nghệ điện tfí linh hoạt vào các lĩnh vựcthiết bị thực tế như pin mặt trời, bóng bán dẫn màng mỏng, điốt quang, điốt phát quang

và màn hình Nghiên cfíu về bộ nhớ linh hoạt cũng được khởi xướng cho các fíng dụngđiện tfí trong tương lai Đặc biệt, bộ nhớ linh hoạt dựa trên chất hữu cơ có những ưuđiểm như quy trình sản xuất đơn giản, nhiệt độ thấp và chi phí thấp Ngoài ra, với nhucầu ngày càng tăng về lưu trữ thông tin kỹ thuật số mật độ cao, mật độ bộ nhớ NANDFlash đã tăng lên đáng kể trong vài thập kỷ qua Mặt khác, việc mở rộng kích thướcthiết bị để

7

tăng mật độ bộ nhớ được cho là ngày càng khó khăn hơn theo cách có thể mở rộng vớichi phí bit do các hạn chế về điện và vật lý khác nhau Như một giải pháp cho các vấn đề,

bộ nhớ NAND Flash có các lớp xếp chồng lên nhau đang được phát triển các phần mởrộng Trong bộ nhớ 3-D, có thể giảm chi phí bằng cách xây dựng nhiều ô nhớ xếp chồnglên nhau theo hướng dọc mà không cần chia tỷ lệ kích thước thiết bị Đây là một bước độtphá cho những hạn chế về tỷ lệ, các kiến trúc bộ nhớ xếp chồng 3-D khác nhau đangđược phát triển và kỳ vọng vào thị trường khổng lồ của bộ nhớ 3-D trong tương laigần Với rất nhiều kỳ vọng, bộ nhớ thế hệ tương lai có tiềm năng thay thế hầu hết cáccông nghệ bộ nhớ hiện có Các công nghệ bộ nhớ mới và đang phát triển cũng được đặttên là bộ nhớ chung; điều này có thể làm phát sinh một thị trường khổng lồ cho các fíngdụng máy tính cho tất cả các sản phẩm điện tfí tiêu dùng

II Bộ nhớ điện trở truy cập ngẫu nhiên (Resistance random access memory

– RRAM)

Bộ nhớ không khả biến (NVM) sẽ đóng một vai trò quyết định trong sự phát triển củathế hệ tiếp theo của sản phẩm điện tfí Do đó, việc phát triển NVM thế hệ tiếp theo là cấpthiết khi bộ nhớ flash đang đối mặt với giới hạn vật lý của nó Trong số các NVM thế hệtiếp theo khác nhau, bộ nhớ điện trở truy cập ngẫu nhiên (RRAM) là một fíng cfí viênđầy hfía hẹn cho bộ nhớ trong tương lai do đặc tính hiệu quả cao, tốc độ cao và tiết kiệmnăng lượng Trong những năm gần đây, sự cải tiến liên tục và có chiều sâu điều tra về cảvật liệu và cơ chế chuyển mạch điện không chỉ dẫn đến đột phá về hiệu suất của NVM ,

mà còn dẫn đến đột phá ở các chfíc năng khác của bộ nhớ như cấu trúc vật liệu, cơ chếchuyển mạch

Trong thế hệ tiếp theo của công nghệ kỹ thuật số - bao gồm điện tfí tiêu dùng hướngtới tương lai và Internet vạn vật (IoT) - bộ nhớ không thay đổi (NVM) sẽ đóng một vaitrò quyết định Hiện nay, bộ nhớ flash không bay hơi đã được áp dụng rộng rãi trong cácthiết bị điện tfí Tuy nhiên, bộ nhớ flash không thể theo kịp tốc độ với kích thước linhkiện giảm liên tục và dung lượng lưu trữ ngày càng tăng do giới hạn vật lý của các cổngoxit ReRAM là một hướng đi tốt cho sự phát triển công nghệ bộ nhớ trong tương lai.Trong những năm gần đây, những cải tiến liên tục vật liệu và cơ chế chuyển mạch đãchfíng tỏ một bước đột phá trong hiệu suất của RRAM Dựa trên sự so sánh của các bộnhớ kỹ thuật số được hiển thị trong bảng 1, RRAM là hfía hẹn nhất fíng cfí viên cho bộnhớ thế hệ tiếp theo do những ưu điểm của nó trong cả bộ nhớ làm việc và bộ nhớ chính.RRAM có điện áp và công suất hoạt động rất thấp, tốc độ ghi / xóa cực nhanh và độ tincậy cao RRAM không thay đổi và có dung lượng lưu trữ lớn Hơn nữa, do khả năngtương thích tuyệt vời với tích hợp quy trình mạch (IC) và khả năng mở rộng, RRAM cótiềm năng thương mại hóa và sản xuất

Hiện nay, các bộ nhớ được nghiên cfíu và phát triển dựa trên những đặc tính ưu điểmcác bộ nhớ hiện hành Các công nghệ bộ nhớ mới nổi này nhằm mục đích tích hợp tốc độchuyển mạch như SRAM, mật độ lưu trữ tương đương như DRAM và tính không biếnđộng của bộ nhớ Flash, do đó trở thành những lựa chọn thay thế rất hấp dẫn cho hệ thống

bộ nhớ trong tương lai

Để phân loại thiết bị nhớ là thiết bị lý tưởng, thiết bị đó phải có các đặc điểm sau: điện

áp hoạt động thấp (< 1 V), độ bền chu kỳ dài (> 1017 chu kỳ), nâng cao thời gian lưu giữ

dữ liệu (> 10 năm), tiêu thụ năng lượng thấp ( fJ / bit), và khả năng mở rộng vượt trội(<10 nm) Tuy nhiên, không có bộ nhớ duy nhất nào cho đến nay đáp fíng được nhữngđặc điểm lý tưởng này Nhiều công nghệ bộ nhớ mới nổi khác nhau đang được tích cựcnghiên cfíu để đáp fíng một phần của các đặc điểm bộ nhớ lý tưởng này Các công nghệ

bộ nhớ này phụ thuộc vào sự thay đổi của điện trở thay vì điện tích để lưu trữ thông tin:

bộ nhớ thay đổi pha (PCM), bộ nhớ truy cập ngẫu nhiên từ tính mô men xoắn truyền spin(STT-MRAM) và bộ nhớ truy cập ngẫu nhiên điện trở (RRAM) Nổi bật hơn hết là côngnghệ RRAM vì lợi thế chế tạo như cấu trúc kim loại- cách điện- kim loại (MIM), khảnăng mở rộng tuyệt vời, tốc độ nano giây, lưu giữ dữ liệu lâu và khả năng tương thích vớicông nghệ CMOS hiện tại

9

II.1. Vật liệu chuyển mạch điện trở (Resistance Switching Materials)

Cấu trúc của một RRAM đơn giản gồm kim loại – cách điện – kim loại (MIM)

Ở lớp cách điện, dưới tác dụng điện trường mà điện trở lớp cách điện thay đổi Vậtliệu cách điện thường là các oxit kim loại do khả năng tương thích tiến trình CMOS Nổibật các vật liệu cách điện nghiên cfíu gần đây như oxit hafnium (HfO x ), oxit titan(TiOx), oxit tantali (TaOx ) , oxit niken (NiO), oxit kẽm (ZnO), kẽm titanat (Zn2TiO4),mangan oxit (MnOx), magie oxit (MgO) , nhôm oxit (AlOx) và zirconium dioxide (ZrO2)

Ở lớp điện cực trên, các vật liệu được chia thành năm loại cơ bản dựa trên cơ sở thànhphần của chúng: điện cực chất cơ bản, điện cực dựa trên silicon, điện cực hợp kim, điệncực oxit và điện cực dựa trên nitrit Các điện cực phổ biến nhất và thường được sfí dụng

là các điện cực chất cơ bản bao gồm Al, Ti, Cu, graphene, ống nano cacbon, Ag, W, và

Pt Đối với điện cực dựa trên silicon, Si loại p và Si loại n là các loại điện cực duy nhấtđược sfí dụng Điện cực hợp kim thường ổn định hành vi chuyển đổi điện trở và chủ yếubao gồm Cu-Ti, Cu-Te, và Pt-Al Các điện cực dựa trên nitride phổ biến nhất là TiN vàTaN Các điện cực dựa trên oxit tương đối nhiều, bao gồm ZnO pha tạp Al, ZnO pha tạp

Ga và ITO

Vật liệu điện cực dưới cùng trong RRAM thường là bạch kim, hơi khó khắc

Điện cực trên cùng và lớp cách điện được lắng đọng bằng cách sfí dụng lắng đọng lớpnguyên tfí (ALD) hoặc lắng đọng hơi vật lý (PVD)

Bảng 2 cho chúng ta thấy công nghệ vật liệu dùng trong sản xuất RRAM trong vòng

12 năm trở lại đây

II.2. Chế độ chuyển mạch điện trở

Việc áp dụng xung điện áp bên ngoài qua ô RRAM cho phép chuyển đổi thiết bị từtrạng thái điện trở cao (HRS), hoặc trạng thái TẮT thường được gọi là giá trị logic '0'sang trạng thái điện trở thấp (LRS), hoặc trạng thái BẬT nói chung được gọi là giá trịlogic '1' và ngược lại Hiện tượng chuyển mạch điện trở (RS) được coi là lý do đằng sau

sự thay đổi giá trị điện trở này trong ô RRAM RRAM chuẩn bị ban đầu ở trạng thái điệntrở cao (HRS), để chuyển thiết bị từ HRS sang LRS, việc áp dụng xung điện áp cao chophép hình thành các đường dẫn trong lớp chuyển mạch và ô RRAM được chuyển trạngthái LRS Quá trình này xảy ra do sự phân hủy mềm của cấu trúc kim loại - cách điện -kim loại (MIM) thường được gọi là 'quá trình tạo điện' và điện áp mà quá trình này xảy rađược gọi là điện áp hình thành (Vf ) Cần phải lưu ý rằng điện thế hình thành phụ thuộc

vào diện tích tế bào và độ dày lớp oxit Bây giờ, để chuyển ô RRAM từ LRS sang HRS,xung điện áp được gọi là điện áp ‘ĐẶT LẠI’ (VRESET) và quá trình này gọi là quá trình

‘ĐẶT LẠI’ HRS của RRAM có thể được thay đổi thành LRS khi áp dụng xung điện áp.Điện áp tại đó xảy ra quá trình chuyển đổi từ HRS sang LRS được gọi là điện áp ‘ĐẶT’(VSET) và quá trình này được gọi là quá trình 'ĐẶT' Để đọc dữ liệu từ ô RRAM một cáchhiệu quả, một điện áp nhỏ sẽ không làm ảnh hưởng đến trạng thái hiện tại của ô được ápdụng để xác định xem ô đang ở trạng thái logic 0 (HRS) hay trạng thái logic 1 (LRS) Vì

cả LRS và HRS vẫn giữ nguyên các giá trị tương fíng của chúng ngay cả sau khi loại bỏđiện áp đặt vào, RRAM là một bộ nhớ không thay đổi Tùy thuộc vào cực tính của điện

áp đặt vào, RRAM có thể được phân loại thành hai loại chế độ chuyển mạch: chuyểnmạch đơn cực và chuyển mạch lưỡng cực Trong chuyển mạch đơn cực, việc chuyển đổi(quá trình đặt và đặt lại) của thiết bị giữa các trạng thái điện trở khác nhau không phụthuộc vào cực của điện áp đặt vào, tfíc là chuyển đổi có thể xảy ra khi đặt một điện áp cócùng cực nhưng độ lớn khác nhau như trong Hình 4a Mặt khác, trong chuyển mạchlưỡng cực, việc chuyển đổi (quá trình đặt và đặt lại) của thiết bị giữa các trạng thái điệntrở khác nhau phụ thuộc vào cực của điện áp đặt vào, tfíc là sự chuyển đổi từ HRS sangLRS, xảy ra ở một cực (dương hoặc âm) và cực ngược lại chuyển ô RRAM trở lại HRSnhư được mô tả trong Hình 4b Ngoài ra, hiệu fíng nhiệt Joule tồn tại trong quá trìnhchuyển mạch có thể làm làm đường dẫn điện Vì thế để giảm thiểu sự cố trong quá trìnhthiết kế cần lưu ý chỉ số dòng điện tuân thủ (ICC)

13

II.3. Cơ chế chuyển mạch điện trở

Việc chuyển mạch của RRAM dựa trên dây tóc dẫn điện (conductive filament - CF)bên trong chất điện môi CF là một kênh có đường kính rất nhỏ cỡ vài nanomet nối cácđiện cực trên cùng và dưới cùng của ô nhớ Khi kết nối dây tóc thì ô nhớ ở trạng thái điệntrở thấp (LRS) với độ dẫn điện cao và khi dây tóc bị ngắt kết nối ô nhớ ở trạng thái điệntrở cao (HRS) với độ dẫn điện thấp Dựa trên thành phần của dây tóc dẫn điện, RRAM cóthể được phân loại thành hai loại sau: RRAM dựa trên sự di chuyển của ion kim loại cònđược gọi là bộ nhớ truy cập ngẫu nhiên cầu dẫn điện (CBRAM) và RRAM dựa trên sựdịch chuyển của ion oxy gọi tắt thành OxRRAM

II.3.1 Phản fíng oxy hóa khfí và sự di chuyển của các ion cation (CBRAM)

Để hiểu rõ hơn về cơ chế chuyển mạch của CBRAM dựa trên ion kim loại, chúng tahãy xem xét một ví dụ về tế bào RRAM Ag / a-ZnO / Pt (hình 5) Trạng thái khi chưa đặtđiện áp của ô nhớ CBRAM được mô tả trong Hình 5a Điện cực trên cùng Ag là thànhphần tích cực trong quá trình hình thành dây tóc trong khi điện cực Pt dưới cùng là trơ.Khi đặt hiệu điện thế dương vào điện cực đầu Ag, quá trình oxi hóa (Ag → Ag + + e- ) xảy

ra ở điện cực trên, cation Ag+ được tạo ra và được lắng vào lớp điện môi (a-ZnO) từ điệncực Ag Sự phân cực âm trên điện cực đáy Pt thu hút các cation Ag + , và như vậy, phảnfíng khfí (Ag+ + e- → Ag) xảy ra ở điện cực đáy Do đó, các cation Ag+ bị khfí thànhnguyên tfí Ag và tích lũy cho đến khi cầu dẫn được hình thành Quá trình 'ĐẶT' nàyđược mô tả hình 5b – d và trạng thái điện trở lúc này là trạng thái LRS Khi đảo ngượccực tính của điện áp đặt vào, dây tóc dẫn điện cao tan gần như hoàn toàn và thiết bị đượccho là ở trạng thái điện trở cao (HRS) Quá trình 'ĐẶT LẠI' này được mô tả trong hình5e

II.3.2 Phản fíng oxy hóa khfí và sự di chuyển của các ion anion (OxRRAM)

Phản fíng oxy hóa khfí và sự di chuyển của các ion anion thường liên quan đến việctạo ra chỗ trống oxy (V 2+¿¿) và sự di dời các ion oxy sau đó (O2-), do đó cho phép hìnhthành dây tóc dẫn điện giữa các điện cực trên và dưới của tế bào RRAM Khi tác dụngđiện trường các ion ôxy (O2-) sẽ đi về phía mặt phân cách cực dương Các ion ôxy (O2-)phản fíng với các vật liệu làm anốt sẽ tạo ra các phân tfí oxi, nếu các kim loại quý đượcsfí dụng làm vật liệu cho anôt để tạo thành một lớp ôxít bề mặt Tiếp theo, sự tích tụ củacác chỗ trống oxy (V 2+¿¿) trong ôxít khối lượng lớn sẽ chuyển ô RRAM sang trạng tháiđiện trở thấp (LRS) khi dây tóc dẫn điện (CF) được hình thành và dòng điện đáng kểchạy trong thiết bị Để chuyển mạch về trạng thái điện trở cao (HRS), quá trình thiết lậplại xảy ra trong đó các ion oxy (O2-) di chuyển trở lại và kết hợp với ô trống ôxy (V 2+¿¿)hoặc để ôxy hoá các kết tủa kim loại CF và do đó làm đfít một phần dây tóc Đối với các

tế bào RRAM biểu hiện cơ chế chuyển mạch đơn cực, sự khuếch tán của các ion oxy(O2-) được kích hoạt nhiệt bởi dòng điện gia nhiệt Joule và do đó các ion oxy khuếch tánkhỏi bề mặt phân cách hoặc vùng xung quanh CF do gradient nồng độ Ngoài ra, cần lưu

ý rằng cần phải có dòng đặt lại tương đối cao hơn trong RRAM chuyển mạch đơn cực đểtăng nhiệt độ cục bộ xung quanh CF Mặt khác, trong RRAM chuyển mạch lưỡng cực,các ion oxy (O2-) cần được hỗ trợ bởi điện trường ngược vì lớp mặt phân cách có thể tạo

ra một rào cản khuếch tán đáng kể và sự khuếch tán nhiệt thuần túy là không đủ Cần lưu

ý rằng sự vỡ một phần của CF diễn ra trong cả hai trường hợp, chuyển tế bào RRAMsang trạng thái kháng cao (HRS) Điều này chủ yếu là do sự hình thành các khoảng trốngoxy (V 2+¿¿) và vùng nghèo dẫn đến khoảng trống đường hầm cho các electron Đểchuyển thiết bị trở lại quy trình LRS (SET), CF kết nối lại các điện cực do sự cố đfítmềm trong vùng khe hở Một quá trình thiết lập/ đặt lại tương tự có thể lặp lại trongnhiều chu kỳ

II.4. Đặc tính của bộ nhớ điện trở truy cập ngẫu nhiên (RRAM)

II.4.1 Độ bền

Việc chuyển đổi giữa các trạng thái điện trở có thể gây suy giảm hiệu suất RRAM Do

đó, độ bền được định nghĩa là số lần một thiết bị RRAM có thể được chuyển đổi giữaHRS và LRS và đảm bảo được một tỉ lệ tin cậy

Số lượng các ion bị giảm trong vùng hoạt động trong các lần chuyển tiếp dẫn đến sựsuy giảm độ bền

II.4.2 Sự lưu trữ

Việc lưu giữ dữ liệu của thiết bị RRAM liên quan đến tính ổn định trong một khoảngthời gian đối với cả LRS và HRS sau khi trải qua quá trình chuyển đổi SET và RESET.Nói cách khác, khoảng thời gian mà ô nhớ sẽ duy trì ở một trạng thái cụ thể sau khi hoạtđộng SET/ RESET xác định khả năng lưu trữ của ô nhớ Việc áp dụng fíng suất điện ápkhông đổi (CVS) theo thời gian bằng cách sfí dụng điện áp đọc thấp (0,1 V) và phép đođường cong dòng điện so với thời gian (It) cho cả LRS cũng như HRS cho phép đo duytrì trạng thái Do tính chất phân tán nguyên tfí gây ra trong RRAM khi đặt điện áp, khó

có được thời gian lưu lâu trong LRS, trong khi đó Trong HRS, việc lưu giữ không phải

là vấn đề đáng lo ngại vì nó thường là trạng thái tự nhiên của RRAM sẽ tiếp tục để duytrì trạng thái này nếu không có độ chệch (hoặc độ chệch thấp) được áp dụng Việc lưu giữtrong LRS phụ thuộc vào giới hạn tuân thủ trong quá trình chuyển đổi SET, ví dụ nhưtrong RRAM dựa trên cơ chế chuyển mạch dây dẫn điện, dòng điện tuân thủ lớn hơn tạo

ra dây tóc dẫn điện mạnh hơn, lâu hơn so với dòng điện tuân thủ nhỏ hơn

Các đặc tính thiết bị của RRAM dựa trên HfOX được phát triển tại Viện Nghiên cfíuCông nghệ Công nghiệp, Đài Loan, được chfíng minh để hiểu sâu hơn về hoạt động củathiết bị RRAM Hình ảnh điện tfí hiển vi truyền qua (TEM) TiN/ Ti/ HfOX/ TiN RRAMvới kích thước tế bào 30 nm được thể hiện trong Hình 7a Thiết bị thể hiện các đặc tínhchuyển mạch lưỡng cực và đường cong IV thu được ở dòng điện tuân thủ đặt 200 μAđược thể hiện trong Hình 7b Thiết bị thể hiện độ bền 106 chu kỳ chuyển mạch với tỷ lệbật/tắt điện trở lớn hơn 100 ở điều kiện lập trình SET/ RESET của xung + 1,5 V / - 1,4 Vvới độ rộng xung 500 μs và tương tự được mô tả trong Hình 7c.

II.4.3 Tính đồng nhất

Trong ô RRAM, tính đồng nhất kém của các đặc tính thiết bị khác nhau là một trongnhững yếu tố quan trọng hạn chế việc sản xuất trên quy mô rộng hơn Các điện ápchuyển mạch, cũng như cả HRS và LRS điện trở, là một trong những thông số biểu hiệnmột mfíc độ cao của sự thay đổi Các biến thể của chuyển mạch điện trở bao gồm daođộng theo thời gian (chu kỳ này sang chu kỳ khác) và dao động không gian (thiết bị nàysang thiết bị khác) Bản chất ngẫu nhiên của sự hình thành và vỡ sợi dẫn điện được cho

là nguyên nhân chính cho các biến thể Sự biến đổi của chu kỳ là một trở ngại lớn choviệc lưu trữ

17