TỔNG QUAN BỘ NHỚ KHÔNG KHẢ BIẾN VÀ BỘ NHỚ ĐIỆN TRỞ TRUY CẬP NGẪU NHIÊN
Bộ nhớ điện tĩnh (Non-volatile memory – NVM)
Bộ nhớ điện tĩnh, hay còn gọi là bộ nhớ bất biến, là loại bộ nhớ máy tính có khả năng lưu trữ và khôi phục thông tin ngay cả khi không còn nguồn điện.
I.1 Tổng quan chung Ý tưởng sử dụng cổng trôi (floating gate - FG) để tạo ra bộ nhớ điện tĩnh được đề xuất lần đầu tiên vào năm 1967 bởi Kahng D và Sze SM tại Bell Labs Đây cũng là lần đầu tiên khả năng của bộ nhớ điện tĩnh MOS được công nhận Kể từ ngày đó, bộ nhớ bán dẫn đã có những đóng góp to lớn cho sự phát triển mang tính cách mạng của điện tử kỹ thuật số kể từ khi vi mạch RAM lưỡng cực 64 bit được sử dụng trong bộ nhớ đệm của máy tính IBM được báo cáo vào năm 1969 Bộ nhớ bán dẫn luôn là thành phần không thể thiếu và là xương sống của các hệ thống điện tử hiện đại Tất cả các nền tảng máy tính quen thuộc từ thiết bị cầm tay đến siêu máy tính lớn đều sử dụng hệ thống lưu trữ để lưu trữ 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 mức tiêu thụ điện năng tương đối ít hơn Về khía cạnh ứng dụng, tốc độ của hệ thống lưu trữ cần phải càng nhanh càng tốt Khi bộ nhớ Flash đã trở thành một thành phần cơ bản của ổ đĩa thể rắn (Solid State Drive - SSD), chi phí đã giảm đáng kể và mật độ các chip nhớ gia tăng giúp nó tiết kiệm chi phí hơn so với các loại bộ nhớ khác Các ổ cứng và hầu hết các ổ SSD sử dụng bộ nhớ Flash có khả năng đáp ứng các thị trường với những mục đích rất khác nhau Mỗi ổ cứng lại có một số thuộc tính khác nhau được tối ưu hóa và điều chỉnh để đáp ứng 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 tử di động Ngày nay, điểm nổi bật nhất là khả năng mở rộng dung lượng của thiết bị điện tử bị giới hạn về kích thước Nghiên cứu đang tiến hành theo các hướng sau cho các thiết bị Flash nhúng: (1) thu nhỏ kích thước các ô nhớ của thiết bị, (2) giảm điện áp hoạt động và
Để tăng mật độ lưu trữ trên mỗi ô nhớ, công nghệ ô nhớ đa cấp đang được áp dụng, yêu cầu các thiết bị Flash phải có những cải tiến mang tính cách mạng Mục tiêu là tích hợp toàn bộ bộ sưu tập DVD vào lòng bàn tay, dẫn đến nhu cầu phát triển các thiết bị lưu trữ mới dựa trên nguyên tắc vật lý khác Bộ nhớ bán dẫn trong hệ thống kỹ thuật số đáp ứng yêu cầu về mật độ, tốc độ, công suất và chức năng, đồng thời có thể vượt qua những hạn chế hiện tại để trở thành bộ nhớ bán dẫn thông dụng (USM) Việc phát triển bộ nhớ điện tĩnh (NVM) như NOR và NAND Flash đã tạo ra những sản phẩm thương mại quan trọng, với NOR phù hợp cho ứng dụng mã và lưu trữ dữ liệu, còn NAND có mật độ cao cho lưu trữ lớn Thị trường NAND Flash đã tăng trưởng mạnh mẽ nhờ vào sự phát triển của điện thoại di động và thiết bị điện tử tiêu dùng Công nghệ bộ nhớ in cuộn và polymer đang được nghiên cứu để đáp ứng nhu cầu lưu trữ cao, cho phép sản xuất với chi phí thấp trên các chất nền như nhựa và giấy Bộ nhớ polymer có thể xếp chồng theo chiều dọc, mang lại không gian ba chiều, giúp lưu trữ dữ liệu ngay cả khi mất điện Dự kiến, NVM 3-D sẽ thay thế các NVM phẳng, và bộ nhớ hai trạng thái hữu cơ với cấu trúc đơn giản đang thể hiện tính năng vượt trội, mặc dù vẫn còn nhiều thách thức trong việc phát triển và sản xuất Công nghệ này có tiềm năng lưu trữ khối lượng lớn dữ liệu, như 400.000 CD hay 126 năm nhạc MPG trên một chip nhớ polymer kích thước bằng thẻ tín dụng.
I.2 Phân loại công nghệ bộ nhớ trạng thái rắn
Các thiết bị lưu trữ dữ liệu được phân loại thành bộ nhớ điện động (volatile) và điện tĩnh (nonvolatile) Bộ nhớ điện động như SRAM và DRAM mất thông tin khi nguồn điện tắt, trong khi bộ nhớ điện tĩnh như Flash giữ lại dữ liệu ngay cả khi không có điện DRAM yêu cầu điện áp để duy trì tính toàn vẹn của dữ liệu, khác với SRAM Cấu trúc mạch của DRAM, SRAM và Flash đã tồn tại lâu, với Flash mới nhất khoảng 25 năm DRAM sử dụng một bóng bán dẫn và một tụ điện, trong khi SRAM thường sử dụng công nghệ CMOS với sáu bóng bán dẫn Để kiểm soát truy cập, cần thêm hai bóng bán dẫn và khi dòng ghi được bật, dữ liệu có thể được đọc và thiết lập.
FG nằm giữa cổng và khu vực xả nguồn, được cách ly bởi một lớp oxit, cho phép cổng kiểm soát dòng xả nguồn khi FG không được sạc Khi điện áp cao được cung cấp, FG ghi lại hiệu ứng đường hầm với các electron, và điện thế âm trên FG ngăn cản dòng điện FG có thể được xóa bằng điện áp cao theo hướng ngược lại DRAM có ưu điểm hơn SRAM và Flash nhờ chỉ cần một MOSFET với tụ điện, sản xuất rẻ và tiêu thụ điện năng thấp hơn, mặc dù chậm hơn SRAM SRAM, được xây dựng trên công nghệ CMOS, nhanh chóng và dễ điều khiển nhưng tốn kém hơn vì cần nhiều bóng bán dẫn Trong khi đó, bộ nhớ flash có FG tương tự như DRAM nhưng không yêu cầu nguồn điện để lưu trữ thông tin, tuy nhiên vẫn chậm hơn so với SRAM và DRAM.
Cấu trúc mạch của bộ nhớ DRAM, SRAM và Flash.
Cả hai loại bộ nhớ, DRAM và SRAM, có thể được phân loại dựa trên công nghệ và tính biến động của dữ liệu DRAM, chủ yếu bao gồm SDRAM và RAM di động, chỉ lưu giữ thông tin khi có dòng điện, trong khi SRAM là một thiết bị nhớ quan trọng nhưng có thị trường nhỏ hơn DRAM sử dụng một bóng bán dẫn và một tụ điện cho mỗi bit, cho phép đạt mật độ cao hơn và chi phí thấp hơn so với SRAM, mặc dù SRAM thường được sử dụng cho bộ nhớ đệm trong máy tính Các công nghệ bộ nhớ điện động mới như Z-RAM, TTRAM, A-RAM và ETA RAM đang được phát triển để cạnh tranh với SRAM và DRAM Trong khi đó, bộ nhớ flash, bao gồm NOR và NAND, hiện là lựa chọn phổ biến cho các ứng dụng điện tĩnh nhờ khả năng lưu giữ thông tin ngay cả khi mất điện.
Các bộ nhớ bán dẫn điện tĩnh được phân loại dựa trên chức năng lập trình và xóa, như thể hiện trong Hình 2 Các loại bộ nhớ này bao gồm trôi, nitride, ROM, cầu chì và Flash, cùng với các công nghệ bộ nhớ mới khác Hiện nay, bộ nhớ điện tĩnh có độ tin cậy cao và dễ dàng lập trình thông qua máy vi tính, được tích hợp trong hầu hết các thiết bị điện tử hiện đại, dự kiến sẽ thay thế các bộ nhớ truyền thống.
Lưu đồ phân loại bộ nhớ bán dẫn theo tiêu chí chức năng của chúng.
Trong số các công nghệ bộ nhớ mới nổi, bộ nhớ điện tĩnh đang thu hút sự chú ý lớn Thị trường bộ nhớ thế hệ tiếp theo sẽ bao gồm những công nghệ này, với năm loại chính: bộ nhớ flash, bộ nhớ truy cập ngẫu nhiên sắt điện (FeRAM), bộ nhớ truy cập ngẫu nhiên từ tính (MRAM), bộ nhớ thay đổi pha (PCM) và RRAM Trong đó, bộ nhớ Flash, với cơ chế xóa khối lớn, là phân khúc phát triển nhanh nhất trong ngành chất bán dẫn.
Trong 10 năm qua, nhiều công nghệ bộ nhớ mới nổi đã xuất hiện, bao gồm MRAM, FeRAM, PCM, STT-RAM, RRAM và memristor MRAM, một loại bộ nhớ truy cập ngẫu nhiên từ điện trở, lưu trữ dữ liệu bằng các phần tử từ tính thay vì dòng điện tích như DRAM STT-RAM, một biến thể của MRAM, có khả năng mở rộng tốt hơn nhờ hiệu ứng dòng điện phân cực spin PCM, hay bộ nhớ hợp nhất ovonic, hoạt động dựa trên sự chuyển đổi pha của thủy tinh chalcogenide giữa hai trạng thái, nhưng hiện tại vẫn chưa có bộ nhớ lý tưởng đáp ứng đồng thời tốc độ cao, mật độ cao và khả năng lưu giữ RRAM, tương tự như PCM, có thể dẫn điện qua dây tóc khi áp dụng điện áp cao, được xem là một ứng cử viên tiềm năng cho NAND Flash Mặc dù FRAM, MRAM và PCM đã được sản xuất thương mại, chúng vẫn chưa thể cạnh tranh với DRAM và NAND Flash trong các ứng dụng chính Để công nghệ mới được chấp nhận rộng rãi, nó cần có khả năng mở rộng, tốc độ cao và tiêu thụ điện năng thấp hơn NVSM đang dẫn dắt tìm kiếm các giải pháp bộ nhớ điện tĩnh mới, hứa hẹn sẽ góp phần vào thành công trong việc thương mại hóa bộ nhớ thống nhất.
Một lớp công nghệ bộ nhớ điện tĩnh mới đang trong quá trình phát triển, hứa hẹn mang lại tính linh hoạt cao hơn so với đĩa CD và khả năng truy cập ngẫu nhiên nhanh chóng Khác với bộ nhớ Flash, công nghệ này cho phép cập nhật tại chỗ mà không tốn thêm chi phí Các bộ nhớ điện tĩnh mới dựa trên DNA và vật liệu hữu cơ, đóng vai trò quan trọng trong công nghệ bộ nhớ thế hệ tiếp theo với chi phí thấp Việc phát triển bộ nhớ hữu cơ cho thiết bị điện tử linh hoạt là cần thiết, đặc biệt cho các ứng dụng như thiết bị điện tử đeo được Nghiên cứu về bộ nhớ linh hoạt đang được tiến hành, với ưu điểm là quy trình sản xuất đơn giản và chi phí thấp Mặc dù mật độ bộ nhớ NAND Flash đã tăng đáng kể, việc mở rộng kích thước thiết bị để tăng mật độ bộ nhớ đang trở nên khó khăn hơn do các hạn chế vật lý Giải pháp cho vấn đề này là phát triển bộ nhớ 3-D, cho phép giảm chi phí bằng cách xây dựng các ô nhớ xếp chồng theo chiều dọc Điều này mở ra tiềm năng lớn cho thị trường bộ nhớ 3-D trong tương lai gần, với hy vọng rằng công nghệ bộ nhớ thế hệ mới có thể thay thế các công nghệ hiện tại và tạo ra một thị trường khổng lồ cho các ứng dụng máy tính trong sản phẩm điện tử tiêu dùng.
Bộ nhớ điện trở truy cập ngẫu nhiên (Resistance random access memory – RRAM)
Bộ nhớ không khả biến (NVM) sẽ đóng vai trò quan trọng trong sự phát triển của sản phẩm điện tử thế hệ tiếp theo, đặc biệt khi bộ nhớ flash đang gặp phải giới hạn vật lý Trong số các loại NVM mới, bộ nhớ điện trở truy cập ngẫu nhiên (RRAM) nổi bật với hiệu suất cao, tốc độ nhanh và tiết kiệm năng lượng, trở thành ứng cử viên tiềm năng cho bộ nhớ tương lai Những nghiên cứu sâu sắc về vật liệu và cơ chế chuyển mạch điện trong những năm gần đây đã không chỉ cải thiện hiệu suất của NVM mà còn mở ra những đột phá trong cấu trúc vật liệu và chức năng bộ nhớ.
Trong kỷ nguyên công nghệ số tiếp theo, bộ nhớ không thay đổi (NVM) sẽ đóng vai trò quan trọng, đặc biệt trong bối cảnh điện tử tiêu dùng và Internet vạn vật (IoT) Mặc dù bộ nhớ flash không bay hơi đã được sử dụng rộng rãi, nhưng nó không thể đáp ứng được tốc độ và dung lượng lưu trữ ngày càng tăng do các giới hạn vật lý ReRAM nổi lên như một giải pháp tiềm năng cho tương lai của công nghệ bộ nhớ, nhờ vào những cải tiến trong vật liệu và cơ chế chuyển mạch, mang lại hiệu suất vượt trội So với các loại bộ nhớ kỹ thuật số khác, RRAM hứa hẹn nhất với điện áp và công suất hoạt động thấp, tốc độ ghi/xóa nhanh, độ tin cậy cao và dung lượng lưu trữ lớn Hơn nữa, khả năng tương thích với tích hợp quy trình mạch và tiềm năng mở rộng của RRAM mở ra cơ hội thương mại hóa và sản xuất trong tương lai.
Hiện nay, các công nghệ bộ nhớ mới nổi đang được phát triển để kết hợp tốc độ chuyển mạch của SRAM, mật độ lưu trữ của DRAM và tính không biến động của bộ nhớ Flash, tạo ra những lựa chọn thay thế hấp dẫn cho hệ thống bộ nhớ tương lai Để được coi là thiết bị nhớ lý tưởng, bộ nhớ cần có điện áp hoạt động thấp (< 1 V), độ bền chu kỳ dài (> 10^17 chu kỳ), thời gian lưu giữ dữ liệu lâu (> 10 năm), tiêu thụ năng lượng thấp (fJ/bit) và khả năng mở rộng vượt trội (< 10 nm) Tuy nhiên, chưa có bộ nhớ nào đáp ứng đầy đủ các tiêu chí này Nhiều công nghệ bộ nhớ mới như bộ nhớ thay đổi pha (PCM), STT-MRAM và RRAM đang được nghiên cứu để đạt được một phần các đặc điểm lý tưởng Trong số đó, RRAM nổi bật nhờ cấu trúc kim loại-cách điện-kim loại (MIM), khả năng mở rộng tốt, tốc độ nano giây, thời gian lưu giữ dữ liệu dài và tương thích với công nghệ CMOS hiện tại.
II.1 Vật liệu chuyển mạch điện trở (Resistance Switching Materials)
Cấu trúc của RRAM đơn giản bao gồm kim loại - cách điện - kim loại (MIM), trong đó lớp cách điện có khả năng thay đổi điện trở dưới tác dụng của điện trường Vật liệu cách điện chủ yếu là oxit kim loại, phù hợp với tiến trình CMOS, bao gồm các oxit như hafnium (HfOx), titan (TiOx), tantali (TaOx), niken (NiO), kẽm (ZnO), kẽm titanat (Zn2TiO4), mangan (MnOx), magie (MgO), nhôm (AlOx) và zirconium dioxide (ZrO2) Lớp điện cực được phân loại thành năm loại chính: điện cực chất cơ bản, điện cực dựa trên silicon, điện cực hợp kim, điện cực oxit và điện cực dựa trên nitrit, với các điện cực phổ biến như Al, Ti, Cu, graphene, ống nano cacbon, Ag và W.
Điện cực dựa trên silicon chủ yếu sử dụng Si loại p và Si loại n Các điện cực hợp kim như Cu-Ti, Cu-Te và Pt-Al nổi bật với sự ổn định trong hành vi chuyển đổi điện trở Trong khi đó, TiN và TaN là những điện cực dựa trên nitride phổ biến nhất Ngoài ra, các điện cực dựa trên oxit cũng đa dạng, với các loại như ZnO pha tạp Al và ZnO pha tạp khác.
Trong RRAM, vật liệu điện cực dưới cùng thường là bạch kim, tuy nhiên việc khắc chúng có thể gặp khó khăn Điện cực trên cùng và lớp cách điện được lắng đọng thông qua các phương pháp như lắng đọng lớp nguyên tử (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
II.2 Chế độ chuyển mạch điện trở
Việc áp dụng xung điện áp bên ngoài qua ô RRAM cho phép chuyển đổi giữa trạng thái điện trở cao (HRS) và điện trở thấp (LRS), tương ứng với giá trị logic '0' và '1' Hiện tượng chuyển mạch điện trở (RS) là nguyên nhân chính gây ra sự thay đổi này Ban đầu, RRAM ở trạng thái HRS; để chuyển sang LRS, cần áp dụng xung điện áp cao, tạo ra các đường dẫn trong lớp chuyển mạch Quá trình này, gọi là 'quá trình tạo điện', xảy ra do sự phân hủy mềm của cấu trúc kim loại - cách điện - kim loại (MIM), với điện áp hình thành (Vf) phụ thuộc vào diện tích tế bào và độ dày lớp oxit Để trở lại trạng thái HRS từ LRS, cần sử dụng xung điện áp 'ĐẶT LẠI' (VRESET).
HRS của RRAM có thể chuyển đổi thành LRS thông qua quá trình áp dụng điện áp, gọi là điện áp 'ĐẶT' (VSET) Để đọc dữ liệu từ ô RRAM, cần một điện áp nhỏ không ảnh hưởng đến trạng thái logic 0 (HRS) hoặc logic 1 (LRS) RRAM là bộ nhớ không thay đổi vì cả LRS và HRS giữ nguyên giá trị sau khi loại bỏ điện áp RRAM được phân loại thành hai chế độ chuyển mạch: đơn cực và lưỡng cực Trong chế độ đơn cực, quá trình chuyển đổi không phụ thuộc vào cực của điện áp, trong khi chế độ lưỡng cực yêu cầu điện áp với cực khác nhau để chuyển đổi giữa HRS và LRS Hiệu ứng nhiệt Joule trong quá trình chuyển mạch có thể làm tăng dẫn điện, do đó cần lưu ý đến chỉ số dòng điện tuân thủ (ICC) trong thiết kế.
II.3 Cơ chế chuyển mạch điện trở
Chuyển mạch của RRAM diễn ra thông qua dây tóc dẫn điện (CF) trong chất điện môi, với CF là kênh nhỏ chỉ vài nanomet nối các điện cực Khi dây tóc kết nối, ô nhớ đạt trạng thái điện trở thấp (LRS) và độ dẫn điện cao, ngược lại khi dây tóc bị ngắt kết nối, ô nhớ ở trạng thái điện trở cao (HRS) với độ dẫn điện thấp RRAM được phân loại thành hai loại dựa trên thành phần dây tóc dẫn điện: RRAM dựa trên di chuyển của ion kim loại, còn gọi là CBRAM, và RRAM dựa trên dịch chuyển của ion oxy, gọi tắt là OxRRAM.
II.3.1 Phản ứng oxy hóa khử 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 ta hãy xem xét một ví dụ về tế bào RRAM Ag / a-ZnO / Pt (hình 5) Trạng thái khi chưa đặt điện áp của ô nhớ CBRAM được mô tả trong Hình 5a Điện cực trên cùng Ag là thành phần 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 điện cực Ag Sự phân cực âm trên điện cực đáy Pt thu hút các cation Ag + , và như vậy, phản ứng khử (Ag + + e - → Ag) xảy ra ở điện cực đáy Do đó, các cation Ag + bị khử thành nguyên tử Ag và tích lũy cho đến khi cầu dẫn được hình thành Quá trình 'ĐẶT' này được mô tả hình 5b – d và trạng thái điện trở lúc này là trạng thái LRS Khi đảo ngược cực tính của điện áp đặt vào, dây tóc dẫn điện cao tan gần như hoàn toàn và thiết bị được cho là ở trạng thái điện trở cao (HRS) Quá trình 'ĐẶT LẠI' này được mô tả trong hình 5e.
II.3.2 Phản ứng oxy hóa khử và sự di chuyển của các ion anion (OxRRAM)
Phản ứng oxy hóa khử và sự di chuyển của các ion anion liên quan đến việc tạo ra chỗ trống oxy (V o 2 +¿ ¿ ) và di dời các ion oxy (O 2- ), cho phép hình thành dây tóc dẫn điện giữa các điện cực trong tế bào RRAM Khi có điện trường, các ion oxy (O 2- ) di chuyển về phía cực dương và phản ứng với vật liệu anốt tạo ra phân tử oxi, hình thành lớp ôxít bề mặt Sự tích tụ chỗ trống oxy (V o 2 +¿ ¿ ) trong ôxít khối lượng lớn chuyển RRAM sang trạng thái điện trở thấp (LRS) khi dây tóc dẫn điện (CF) hình thành Để chuyển sang trạng thái điện trở cao (HRS), các ion oxy (O 2- ) di chuyển trở lại, kết hợp với chỗ trống oxy hoặc oxy hóa các kết tủa kim loại CF, dẫn đến đứt dây tóc Trong RRAM chuyển mạch đơn cực, sự khuếch tán của các ion oxy được kích hoạt bởi dòng điện Joule, trong khi trong RRAM chuyển mạch lưỡng cực, cần có điện trường ngược để hỗ trợ khuếch tán Sự vỡ một phần của CF diễn ra trong cả hai trường hợp, chuyển RRAM sang trạng thái HRS do sự hình thành chỗ trống oxy và vùng nghèo dẫn đến khoảng trống đường hầm cho electron Để quay lại quy trình LRS (SET), CF kết nối lại các điện cực do sự cố đứt mềm trong vùng khe hở, cho phép lặp lại quá trình thiết lập/đặt lại trong nhiều chu kỳ.
II.4 Đặc tính của bộ nhớ điện trở truy cập ngẫu nhiên (RRAM)
Chuyển đổi giữa các trạng thái điện trở có thể làm giảm hiệu suất của RRAM Vì vậy, độ bền của thiết bị RRAM được xác định bằng số lần chuyển đổi giữa trạng thái HRS và LRS, đồng thời đảm bảo tỉ lệ tin cậy cao.
Số lượng các ion bị giảm trong vùng hoạt động trong các lần chuyển tiếp dẫn đến sự suy giảm độ bền.
Việc lưu giữ dữ liệu trong thiết bị RRAM phụ thuộc vào tính ổn định của cả trạng thái LRS và HRS sau quá trình SET và RESET Thời gian mà ô nhớ duy trì ở trạng thái cụ thể xác định khả năng lưu trữ của nó Áp dụng điện áp không đổi (CVS) với điện áp đọc thấp (0,1 V) và đo đường cong dòng điện theo thời gian (It) cho cả LRS và HRS giúp đánh giá khả năng duy trì trạng thái Do tính chất phân tán nguyên tử trong RRAM khi áp dụng điện áp, thời gian lưu trữ trong LRS thường ngắn hơn, trong khi HRS duy trì trạng thái tự nhiên mà không cần áp dụng độ chệch Lưu giữ trong LRS phụ thuộc vào giới hạn tuân thủ trong quá trình chuyển đổi SET; cụ thể, dòng điện tuân thủ lớn hơn tạo ra dây tóc dẫn điện mạnh hơn và duy trì lâu hơn so với dòng điện tuân thủ nhỏ hơn.
Các đặc tính thiết bị RRAM dựa trên HfOX, được phát triển tại Viện Nghiên cứu Công nghệ Công nghiệp, Đài Loan, đã được nghiên cứu để hiểu rõ hơn về hoạt động của chúng Hình ảnh TEM của cấu trúc TiN/Ti/HfOX/TiN với kích thước tế bào 30 nm cho thấy các đặc tính chuyển mạch lưỡng cực Đường cong IV được ghi nhận ở dòng điện 200 μA, cho thấy thiết bị có độ bền lên đến 10^6 chu kỳ chuyển mạch Tỷ lệ bật/tắt điện trở lớn hơn 100 được duy trì ở điều kiện lập trình SET/RESET với xung +1,5 V/-1,4 V và độ rộng xung 500 μs.
Trong ô RRAM, tính đồng nhất kém của các đặc tính thiết bị là yếu tố hạn chế sản xuất quy mô lớn Điện áp chuyển mạch, cùng với điện trở HRS và LRS, cho thấy sự thay đổi cao Biến thể chuyển mạch điện trở thể hiện qua dao động theo thời gian và không gian Nguyên nhân chính cho sự biến thể này là sự hình thành và vỡ sợi dẫn điện ngẫu nhiên Sự biến đổi theo chu kỳ gây trở ngại cho lưu trữ thông tin trong RRAM, ảnh hưởng bởi số lượng khuyết tật ôxy trong CF Tính ngẫu nhiên này làm cho việc dự đoán và kiểm soát hình dạng CF trở nên khó khăn.
II.5 Khả năng lưu trữ đa mức trên RRAM
CÁC NGHIÊN CỨU GẦN ĐÂY VỀ CÔNG NGHỆ RRAM
Kiến trúc của RRAM ở trình điều khiển ghi
I.1 Thực hiện đọc ghi dữ liệu bằng trình điều khiển ghi
TiO2 được chia thành hai lớp: lớp pha tạp với nhiều chỗ trống oxy và lớp không pha tạp có điện trở suất cao Khi áp dụng điện áp bên ngoài, các chỗ trống oxy sẽ được đẩy ra xa, dẫn đến sự thay đổi tỉ số D/W (D là chiều dài lớp TiO2 tạp chất và W là chiều dài lớp TiO2) RON biểu thị trạng thái điện trở thấp khi tỉ số D/W tiến gần đến 1, trong khi ROFF thể hiện trạng thái điện trở cao khi tỉ số D/W giảm về 0.
Các bóng bán dẫn MP7, MN7, MP8, MN8 có kích thước 32x32 nm, trong khi các bóng bán dẫn khác cần kích thước lớn hơn để đáp ứng yêu cầu dòng điện Dòng điện cao hơn sẽ ảnh hưởng đến độ rộng của vùng pha tạp, giúp đưa vùng nhớ về trạng thái RON hoặc ROFF Ngoài ra, đầu ra của cổng NOT do các bóng bán dẫn MP7, MN7 và MP8, MN8 tạo ra có vai trò quan trọng trong việc điều khiển.
Để ghi giá trị 1 vào ô RRAM, cần đưa dây write enable (WEN) và DX lên trạng thái tích cực, với BL = 0, BLB = 1, và Vout = 1, dẫn đến điện trở memristor thay đổi thành ROFF Để ghi giá trị 0, quá trình tương tự cũng diễn ra như hình vẽ Để đọc giá trị đã ghi, WEN được đặt ở mức 0, cho phép bóng bán dẫn MP2 và MN2 dẫn điện, tạo ra dòng điện từ VDD qua MP2, memristor, TG (MN1 song song với MP1), MN2 và R1 về GND.
Rt trong đó: Rt = RMP2 + Rmemristor + (RMP1 // RMN1) + RMN2 + R1
VBL >= Vtn , nếu dữ liệu là 0
Vtp
