TWI531100B - 電阻式隨機存取記憶體 - Google Patents
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Description
本發明是有關於一種記憶體，且特別是有關於一種電阻式隨機存取記憶體。
隨著各種電子產品的蓬勃發展及功能需求的提升，使得當前全球記憶體市場需求急速擴張，其中又以非揮發性記憶體(Non-Volatile Memory,NVM)的快速成長最引人注目。為了因應此產業變化，全球各大廠與研究機構對於下一個世代記憶體技術開發均早已如火如荼般地展開。在各種可能的技術中，電阻式隨機存取記憶體(Resistive Random Access Memory，RRAM)具有結構簡單、寫入操作電壓低、可高速操作以及非揮發性等特性，因此電阻式隨機存取記憶體具有與其它非揮發性記憶體競爭的潛力。
然而，當電阻式隨機存取記憶體的電極的可供進行氧化還原的部分完全被氧化時，電阻式隨機存取記憶體將無法繼續使用。因此，如何提升電阻式隨機存取記憶體的耐用性為目前業界積極研究開發的目標之一。
本發明提供一種電阻式隨機存取記憶體，其具有較佳的耐用性(endurance)。
本發明提出一種電阻式隨機存取記憶體，包括第一電極、介電層、至少一第一奈米結構及第二電極。介電層設置於第一電極上。第一奈米結構設置於第一電極與介電層之間，且第一奈米結構包括多個第一群聚型金屬奈米粒子及多個第一包覆型金屬奈米粒子。第一群聚型金屬奈米粒子設置於第一電極上。第一包覆型金屬奈米粒子包覆第一群聚型金屬奈米粒子，其中第一群聚型金屬奈米粒子的擴散係數大於第一包覆型金屬奈米粒子的擴散係數。第二電極設置於介電層上。
依照本發明的一實施例所述，在上述之電阻式隨機存取記憶體中，第一電極的材料例如是過渡金屬或其氮化物。
依照本發明的一實施例所述，在上述之電阻式隨機存取記憶體中，第一電極例如是比第二電極容易氧化。
依照本發明的一實施例所述，在上述之電阻式隨機存取記憶體中，介電層的材料例如是高介電常數材料。
依照本發明的一實施例所述，在上述之電阻式隨機存取記憶體中，第一群聚型金屬奈米粒子與第一電極例如是具有相同的金屬元素。
依照本發明的一實施例所述，在上述之電阻式隨機存取
記憶體中，第一群聚型金屬奈米粒子例如是具有可氧化性(oxidizability)。
依照本發明的一實施例所述，在上述之電阻式隨機存取記憶體中，第一群聚型金屬奈米粒子的材料與第一包覆型金屬奈米粒子的材料可分別為過渡金屬。
依照本發明的一實施例所述，在上述之電阻式隨機存取記憶體中，第一包覆型金屬奈米粒子的電位例如是高於該些第一群聚型金屬奈米粒子的電位。
依照本發明的一實施例所述，在上述之電阻式隨機存取記憶體中，第一包覆型金屬奈米粒子的擴散係數例如是大於介電層的材料的擴散係數。
依照本發明的一實施例所述，在上述之電阻式隨機存取記憶體中，第一包覆型金屬奈米粒子的材料包括一種或兩種以上金屬。
依照本發明的一實施例所述，在上述之電阻式隨機存取記憶體中，第二電極的材料例如是過渡金屬或其氮化物。
依照本發明的一實施例所述，在上述之電阻式隨機存取記憶體中，更包括第一放熱電極，且第一電極設置於第一放熱電極上。
依照本發明的一實施例所述，在上述之電阻式隨機存取記憶體中，更包括至少一第二奈米結構，設置於第二電極與介電層之間，且第二奈米結構包括多個第二群聚型金屬奈米粒子及多
個第二包覆型金屬奈米粒子。第二群聚型金屬奈米粒子設置於第二電極上。第二包覆型金屬奈米粒子包覆第二群聚型金屬奈米粒子，其中第二群聚型金屬奈米粒子的擴散係數大於第二包覆型金屬奈米粒子的擴散係數。
依照本發明的一實施例所述，在上述之電阻式隨機存取記憶體中，第二群聚型金屬奈米粒子與第二電極例如是具有相同的金屬元素。
依照本發明的一實施例所述，在上述之電阻式隨機存取記憶體中，第二群聚型金屬奈米粒子利如是具有可氧化性。
依照本發明的一實施例所述，在上述之電阻式隨機存取記憶體中，第二群聚型金屬奈米粒子的材料與第二包覆型金屬奈米粒子的材料可分別為過渡金屬。
依照本發明的一實施例所述，在上述之電阻式隨機存取記憶體中，第二包覆型金屬奈米粒子的電位例如是高於該些第二群聚型金屬奈米粒子的電位。
依照本發明的一實施例所述，在上述之電阻式隨機存取記憶體中，第二包覆型金屬奈米粒子的擴散係數例如是大於介電層的材料的擴散係數。
依照本發明的一實施例所述，在上述之電阻式隨機存取記憶體中，第二包覆型金屬奈米粒子的材料包括一種或兩種以上金屬。
依照本發明的一實施例所述，在上述之電阻式隨機存取
記憶體中，更包括第二放熱電極，設置於第二電極上。
基於上述，由於本發明所提出的電阻式隨機存取記憶體具有第一奈米結構，且在電阻式隨機存取記憶體進行操作時，第一奈米結構中的第一群聚型金屬奈米粒子可作為氧化還原反應的材料，因此可提升電阻式隨機存取記憶體的耐用性。
為讓本發明的上述特徵和優點能更明顯易懂，下文特舉實施例，並配合所附圖式作詳細說明如下。
100、200‧‧‧電阻式隨機存取記憶體
102、108、208‧‧‧電極
104‧‧‧介電層
106、206‧‧‧奈米結構
110、210‧‧‧群聚型金屬奈米粒子
112、212‧‧‧包覆型金屬奈米粒子
114、214‧‧‧放熱電極
116‧‧‧氧化物
圖1所繪示為本發明的一實施例的電阻式隨機存取記憶體的示意圖。
圖2所繪示為圖1中的電阻式隨機存取記憶體在進行操作時的示意圖。
圖3所繪示為本發明的另一實施例的電阻式隨機存取記憶體的示意圖。
圖1所繪示為本發明的一實施例的電阻式隨機存取記憶體的示意圖。圖2所繪示為圖1中的電阻式隨機存取記憶體在進行操作時的示意圖。
請參照圖1，電阻式隨機存取記憶體100，包括電極102、
介電層104、至少一奈米結構106及電極108。電極102的材料例如是過渡金屬或其氮化物，如Zr、Al、Ta、Hf、Ti、Cu、TiN或TaN。電極102的形成方法例如是物理氣相沉積法，如濺鍍法。
介電層104設置於電極102上。介電層104的材料例如是高介電常數材料。介電層104的材料例如是金屬氧化物，如HfO2、Al2O3、Ta2O5、ZrO2、TiO2、Cu2O或CuO。在此實施例中，介電層104的材料例如是以HfO2為例進行說明，但本發明並不以此為限。介電層104的形成方法例如是原子層沈積法(atomic layer deposition，ALD)或化學氣相沉積法(chemical vapor deposition，CVD)。
奈米結構106設置於電極102與介電層104之間，且奈米結構106包括多個群聚型金屬奈米粒子110及多個包覆型金屬奈米粒子112。奈米結構106例如是設置於電極102上且暴露出部分電極102。奈米結構106的形成方法例如是旋轉塗佈法(spin coating)。在此實施例中，雖然奈米結構106是以多個為例進行說明，然而只要電阻式隨機存取記憶體100具有至少一個奈米結構106即屬於本發明所保護的範圍。
群聚型金屬奈米粒子110設置於電極102上，且群聚型金屬奈米粒子110可於電極102上形成群聚結構。群聚型金屬奈米粒子110例如是具有可氧化性。群聚型金屬奈米粒子110的材料例如是過渡金屬，如Zr、Al、Ta、Hf、Ti或Cu。群聚型金屬奈米粒子110與電極102例如是具有相同的金屬元素。在此實施例
中，群聚型金屬奈米粒子110與電極102的材料例如是同為Zr，而具有相同的金屬元素，但本發明並不以此為限。群聚型金屬奈米粒子110的尺寸粒如是3nm~300nm。
包覆型金屬奈米粒子112包覆群聚型金屬奈米粒子110，其中群聚型金屬奈米粒子110的擴散係數大於包覆型金屬奈米粒子112的擴散係數。包覆型金屬奈米粒子112的擴散係數例如是大於介電層104的材料的擴散係數。包覆型金屬奈米粒子112的材料例如是過渡金屬，如Pt、Zr、Al、Ta、Hf、Ti或Cu。包覆型金屬奈米粒子112的電位例如是高於群聚型金屬奈米粒子110的電位，且藉由包覆型金屬奈米粒子112與群聚型金屬奈米粒子110之間的電位差，可使得包覆型金屬奈米粒子112包覆群聚型金屬奈米粒子110。舉例來說，材料為Pt的包覆型金屬奈米粒子112的電位高於材料為Zr的群聚型金屬奈米粒子110的電位，但本發明並不以此為限。
此外，包覆型金屬奈米粒子112的材料可為一種或兩種以上金屬。在此實施例中，雖然包覆型金屬奈米粒子112的材料是以單一種金屬(如，Pt)為例進行說明。然而，在其他實施例中，包覆型金屬奈米粒子112的材料亦可為兩種以上金屬。包覆型金屬奈米粒子112的尺寸粒如是3nm~300nm。
電極108設置於介電層104上。電極108的材料例如是過渡金屬或其氮化物，如Pt、Zr、Al、Ta、Hf、Ti、Cu、TiN或TaN。電極108的形成方法例如是物理氣相沉積法，如濺鍍法。電
極102例如是比電極108容易氧化。舉例來說，材料為Zr的電極102比材料為Pt的電極108容易氧化，但本發明並不以此為限。
電阻式隨機存取記憶體100更可包括放熱電極114，且電極102可設置於放熱電極114上。放熱電極114的材料例如是放熱金屬材料，如TiSiN或TaSiN。放熱電極114的形成方法例如是化學氣相沉積法。
請同時參照圖1及圖2，在電阻式隨機存取記憶體100進行操作時，在電極102與介電層104的界面進行的氧化還原反應會產生聲子(phonon)，且聲子的振動(vibration)會導致焦耳加熱(joule heating)。當熱能傳送到群聚型金屬奈米粒子110及包覆型金屬奈米粒子112時，群聚型金屬奈米粒子110及包覆型金屬奈米粒子112會藉由克根達效應(kirkendall effect)進行擴散。亦即，擴散係數大的包覆型金屬奈米粒子112(如，Pt奈米粒子)及群聚型金屬奈米粒子110(如，Zr奈米粒子)會往擴散係數小的介電層104(如，HfO2)進行擴散，而使得群聚型金屬奈米粒子110從奈米結構106中擴散到介電層104中。
如此一來，在電阻式隨機存取記憶體100進行操作時，除了電極102可作為氧化還原的材料之外，群聚型金屬奈米粒子110亦可作為氧化還原的材料，因此可提升電阻式隨機存取記憶體100的耐用性。在此實施例中，在電阻式隨機存取記憶體100進行操作時所產生的氧化物116例如是ZrO，但本發明並不以此為限。
此外，當電阻式隨機存取記憶體100具有放熱電極114
時，由於放熱電極114有助於將熱能傳送到群聚型金屬奈米粒子110及包覆型金屬奈米粒子112，因此可提升群聚型金屬奈米粒子110及包覆型金屬奈米粒子112的擴散效率。
圖3所繪示為本發明的另一實施例的電阻式隨機存取記憶體的示意圖。
請同時參照圖1及圖3，圖3的電阻式隨機存取記憶體200與圖1的電阻式隨機存取記憶體100的差異在於：電阻式隨機存取記憶體200更包括至少一奈米結構206。此外，電極208的材料與電極108的差異在於：電極208的材料不為Pt。另外，電阻式隨機存取記憶體200更可包括放熱電極214，設置於電極208上。另外，由於圖2中的其他構件與圖1中的構件相似，故以相同的標號表示並省略其說明。
奈米結構206設置於電極208與介電層104之間，且奈米結構206包括多個群聚型金屬奈米粒子210及多個包覆型金屬奈米粒子212。奈米結構206例如是設置於電極208上且暴露出部分電極208。奈米結構206的形成方法例如是旋轉塗佈法。在此實施例中，雖然奈米結構206是以多個為例進行說明，然而只要電阻式隨機存取記憶體200具有至少一個奈米結構206即屬於本發明所保護的範圍。
群聚型金屬奈米粒子210設置於電極208上，且群聚型金屬奈米粒子210可於電極208上形成群聚結構。群聚型金屬奈米粒子210例如是具有可氧化性。群聚型金屬奈米粒子210的材
料例如是過渡金屬，如Zr、Al、Ta、Hf、Ti或Cu。群聚型金屬奈米粒子210與電極208例如是具有相同的金屬元素。在此實施例中，群聚型金屬奈米粒子210與電極208的材料例如是同為Al，而具有相同的金屬元素，但本發明並不以此為限。群聚型金屬奈米粒子210的尺寸粒如是3nm~300nm。
包覆型金屬奈米粒子212包覆群聚型金屬奈米粒子210，其中群聚型金屬奈米粒子210的擴散係數大於包覆型金屬奈米粒子212的擴散係數。包覆型金屬奈米粒子212的擴散係數例如是大於介電層104的材料的擴散係數。包覆型金屬奈米粒子212的材料例如是過渡金屬，如Pt、Zr、Al、Ta、Hf、Ti或Cu。包覆型金屬奈米粒子212的電位例如是高於群聚型金屬奈米粒子210的電位，且藉由包覆型金屬奈米粒子212與群聚型金屬奈米粒子210之間的電位差，可使得包覆型金屬奈米粒子212包覆群聚型金屬奈米粒子210。舉例來說，材料為Pt的包覆型金屬奈米粒子212的電位高於材料為Al的群聚型金屬奈米粒子210的電位，但本發明並不以此為限。
此外，包覆型金屬奈米粒子212的材料可為一種或兩種以上金屬。在此實施例中，雖然包覆型金屬奈米粒子212的材料是以單一種金屬(如，Pt)為例進行說明。然而，在其他實施例中，包覆型金屬奈米粒子212的材料亦可為兩種以上金屬。包覆型金屬奈米粒子212的尺寸粒如是3nm~300nm。
電極208的材料例如是Pt以外的過渡金屬，如Zr、Al、
Ta、Hf、Ti或Cu。在此實施例中，電極208的材料是以Al進行說明，但本發明並不以此為限。電極102例如是比電極208容易氧化。舉例來說，材料為Zr的電極102比材料為Al的電極208容易氧化，但本發明並不以此為限。
此外，放熱電極214的材料例如是放熱金屬材料，如TiSiN或TaSiN。放熱電極214的形成方法例如是化學氣相沉積法。
由上述實施例可知，由於奈米結構206的作用原理與機制與上一實施例中的奈米結構106相似，在電阻式隨機存取記憶體200進行操作時，除了電極102、208可作為氧化還原的材料之外，群聚型金屬奈米粒子110、210在進行操作時亦可作為氧化還原反應的材料，因此可提升電阻式隨機存取記憶體200的耐用性。
此外，當電阻式隨機存取記憶體200具有放熱電極114、214時，由於放熱電極114、214有助於將熱能傳送到群聚型金屬奈米粒子110、210及包覆型金屬奈米粒子112、212，因此可提升群聚型金屬奈米粒子110、210及包覆型金屬奈米粒子112、212的擴散效率。
綜上所述，本發明所提出的電阻式隨機存取記憶體只要在至少一電極與介電層之間具有奈米結構，即可藉由奈米結構中的群聚型金屬奈米粒子作為氧化還原反應的材料，而提升電阻式隨機存取記憶體的耐用性。
雖然本發明已以實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明，任何所屬技術領域中具有通常知識者，在不脫離本發明的
精神和範圍內，當可作些許的更動與潤飾，故本發明的保護範圍當視後附的申請專利範圍所界定者為準。
100‧‧‧電阻式隨機存取記憶體
102、108‧‧‧電極
104‧‧‧介電層
106‧‧‧奈米結構
110‧‧‧群聚型金屬奈米粒子
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114‧‧‧放熱電極
Claims (19)
- 一種電阻式隨機存取記憶體，包括：一第一電極；一介電層，設置於該第一電極上；至少一第一奈米結構，設置於該第一電極與該介電層之間，且該第一奈米結構包括：多個第一群聚型金屬奈米粒子，設置於該第一電極上；以及多個第一包覆型金屬奈米粒子，包覆該些第一群聚型金屬奈米粒子，其中該些第一群聚型金屬奈米粒子的擴散係數大於該些第一包覆型金屬奈米粒子的擴散係數；一第二電極，設置於該介電層上；以及至少一第二奈米結構，設置於該第二電極與該介電層之間，且該第二奈米結構包括：多個第二群聚型金屬奈米粒子，設置於該第二電極上；以及多個第二包覆型金屬奈米粒子，包覆該些第二群聚型金屬奈米粒子，其中該些第二群聚型金屬奈米粒子的擴散係數大於該些第二包覆型金屬奈米粒子的擴散係數。
- 如申請專利範圍第1項所述的電阻式隨機存取記憶體，其中該第一電極的材料包括過渡金屬或其氮化物。
- 如申請專利範圍第1項所述的電阻式隨機存取記憶體，其 中該第一電極比該第二電極容易氧化。
- 如申請專利範圍第1項所述的電阻式隨機存取記憶體，其中該介電層的材料包括高介電常數材料。
- 如申請專利範圍第1項所述的電阻式隨機存取記憶體，其中該些第一群聚型金屬奈米粒子與該第一電極具有相同的金屬元素。
- 如申請專利範圍第1項所述的電阻式隨機存取記憶體，其中該些第一群聚型金屬奈米粒子具有可氧化性。
- 如申請專利範圍第1項所述的電阻式隨機存取記憶體，其中該些第一群聚型金屬奈米粒子的材料與該些第一包覆型金屬奈米粒子的材料分別包括過渡金屬。
- 如申請專利範圍第1項所述的電阻式隨機存取記憶體，其中該些第一包覆型金屬奈米粒子的電位高於該些第一群聚型金屬奈米粒子的電位。
- 如申請專利範圍第1項所述的電阻式隨機存取記憶體，其中該些第一包覆型金屬奈米粒子的擴散係數大於該介電層的材料的擴散係數。
- 如申請專利範圍第1項所述的電阻式隨機存取記憶體，其中該些第一包覆型金屬奈米粒子的材料包括一種或兩種以上金屬。
- 如申請專利範圍第1項所述的電阻式隨機存取記憶體，其中該第二電極的材料包括過渡金屬或其氮化物。
- 如申請專利範圍第1項所述的電阻式隨機存取記憶體，其中更包括一第一放熱電極，且該第一電極設置於該第一放熱電極上。
- 如申請專利範圍第1項所述的電阻式隨機存取記憶體，其中該些第二群聚型金屬奈米粒子與該第二電極具有相同的金屬元素。
- 如申請專利範圍第1項所述的電阻式隨機存取記憶體，其中該些第二群聚型金屬奈米粒子具有可氧化性。
- 如申請專利範圍第1項所述的電阻式隨機存取記憶體，其中該些第二群聚型金屬奈米粒子的材料與該些第二包覆型金屬奈米粒子的材料分別包括過渡金屬。
- 如申請專利範圍第1項所述的電阻式隨機存取記憶體，其中該些第二包覆型金屬奈米粒子的電位高於該些第二群聚型金屬奈米粒子的電位。
- 如申請專利範圍第1項所述的電阻式隨機存取記憶體，其中該些第二包覆型金屬奈米粒子的擴散係數大於該介電層的材料的擴散係數。
- 如申請專利範圍第1項所述的電阻式隨機存取記憶體，其中該些第二包覆型金屬奈米粒子的材料包括一種或兩種以上金屬。
- 如申請專利範圍第1項所述的電阻式隨機存取記憶體，其中更包括一第二放熱電極，設置於該第二電極上。
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