TWI596609B - 電阻式記憶體 - Google Patents

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TWI596609B
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蔡宗鳴
朱天健
潘致宏
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Description

電阻式記憶體
本發明係關於一種電阻式記憶體；特別是關於一種切換速度快的電阻式記憶體。
記憶體(Memory)廣泛的使用在各種電子產品上，隨著資料儲存需求與日俱增，對於記憶體容量以及性能的要求也越來越高，在各種記憶體元件中，電阻式記憶體(RRAM)具有極低的操作電壓、極快的讀寫速度以及高度的元件尺寸可微縮性等優點，有機會取代傳統的快閃記憶體(Flash Memory)以及動態隨機存取記憶體(DRAM)，成為下個世代的記憶體元件主流。
習知電阻式記憶體通常設有一下電極、一介質體、一電阻切換層及一上電極，該介質體疊設於該下電極，該介質體設有一通孔；該電阻切換層由該通孔內的下電極向外延伸至通孔外的介質體表面；該上電極疊設於該電阻切換層。其中，該電阻切換層可施加電場而切換為低阻態(LRS)或高阻態(HRS)，其一實施例可參酌「”Characteristics and Mechanisms of Silicon-Oxide-Based Resistance Random Access Memory”IEEE ELECTRON DEVICE LETTERS,VOL.34,NO.3,MARCH 2013」。
惟，電子元件的尺寸縮小使工作速度隨之提高，為了配合電子元件工作速度，電阻式記憶體的工作速度勢必需要進一步加快，如：提升阻態切換速度等，以符合電子裝置未來的應用趨勢。
有鑑於此，上述先前技術亟需進一步改良，以提升其實用性。
本發明係提供一種可提升阻態切換速度的電阻式記憶體。
本發明揭示一種電阻式記憶體，可包含：一導熱層；一第一電極層，疊設於該導熱層；一熱圍阻體，疊設於該第一電極層，該熱圍阻體具有一通孔，該第一電極層局部裸露於該通孔內；一變阻層，由該熱圍阻體之通孔內裸露的第一電極層延伸至該通孔外的熱圍阻體表面；及一第二電極層，疊設於該變阻層。
本發明另揭示一種電阻式記憶體，可包含：一導熱層；一第一電極層，疊設於該導熱層；一熱圍阻體，疊設於該導熱層，該熱圍阻體圍繞該第一電極層，並形成一通孔；一變阻層，由該熱圍阻體之通孔內的第一電極層向外延伸至該通孔外的熱圍阻體表面；及一第二電極層，疊設於該變阻層。
所述導熱層可具有一凸出部，該第一電極層可疊設於該導熱層之凸出部，該凸出部及該第一電極層容納於該熱圍阻體之通孔內；該凸出部之周緣與該通孔之孔緣相密合。藉此，可有效利用電熱效果提升阻態切換速度，且有效加強隔熱效果，可有效利用電熱效果提升阻態切換速度。
所述導熱層可為金、銀、銅、鐵、鋁或前述金屬材料組成的群組構成。藉此，可提升電熱能量傳導效率，以便利用熱能加速該變阻層的阻態切換效率。
所述熱圍阻體含有二氧化矽及二氧化鉿的組成物，該熱圍阻體可含有絕熱材料；該絕熱材料的導熱係數可小於1.26W/m．℃；該熱圍阻體可設有一隔熱層，該隔熱層圍繞該第一電極層及該變阻層之局部；該隔熱層可由強化碳-碳複合材料(RCC)、高溫表面絕熱瓦(HRSI)、複合加工纖維絕熱瓦(FRCI)、彈性隔熱毯(FIB)或強化單體纖維絕熱瓦(TUFI)構成。藉此，可有效防止熱量逸散，以便利用熱能加速該變阻層的阻態切 換效率。
所述變阻層可形成一槽部凹入該熱圍阻體的通孔內；該變阻層可為二氧化鉿與二氧化矽的組成物；所述第二電極層可由該槽部內延伸至該槽部外，並可形成一凹部位於該變阻層的槽部內。藉此，可有利於將電能集中於該變阻層的局部，以便利用電熱能量加速該變阻層的阻態切換效率。
上揭電阻式記憶體主要可利用該熱圍阻體防止電熱能量逸散，經由該第一電極層及導熱層加速熱傳導過程，用以增加該變阻層中的氧離子受熱激活的數量，進而加速阻絲的形成效率，提升阻態切換速度。因此，本發明電阻式記憶體上述實施例可提升阻態切換速度，有效縮短記憶體中的資料存取時間，達成「加速存取資料」功效，可應用於須快速存取資料的設備(如：即時作業系統等)，或縮短大數據運算時的整體運算時間，以促進產業發展。
1,1’,1”‧‧‧導熱層
11”‧‧‧凸出部
2,2’‧‧‧第一電極層
2a‧‧‧設置面
3‧‧‧熱圍阻體
3a,3b‧‧‧相對二表面
31‧‧‧通孔
32‧‧‧隔熱層
4‧‧‧變阻層
41‧‧‧槽部
5‧‧‧第二電極層
51‧‧‧凹部
H‧‧‧熱能
R‧‧‧工作範圍
X‧‧‧氧離子
XR‧‧‧工作氧離子
XA‧‧‧熱活氧離子
第1圖：係本發明電阻式記憶體第一實施例之組合側剖圖。
第2a圖：係本發明電阻式記憶體實施例於固定電壓工作時的電能變化曲線圖。
第2b圖：係本發明電阻式記憶體實施例於固定電壓工作時的阻值變化曲線圖。
第3a圖：係本發明電阻式記憶體實施例供電工作時之變阻層中氧離子受熱活化的示意圖(一)。
第3b圖：係本發明電阻式記憶體實施例供電工作時之變阻層中氧離子受熱活化的示意圖(二)。
第3c圖：係本發明電阻式記憶體實施例供電工作時之變阻層中氧離 子受熱活化的示意圖(三)。
第4a圖：係本發明電阻式記憶體第一實施例在不同溫度下的能量與切升比率的實驗曲線圖。
第4b圖：係本發明電阻式記憶體第一實施例的溫度與切升比率的趨勢示意圖。
第5圖：係本發明電阻式記憶體之變阻層的熱量散逸示意圖。
第6圖：係本發明電阻式記憶體第二實施例之組合側剖圖。
第7圖：係本發明電阻式記憶體第三實施例之組合側剖圖。
為讓本發明之上述及其他目的、特徵及優點能更明顯易懂，下文特舉本發明之較佳實施例，並配合所附圖式，作詳細說明如下：本發明全文所述之方向性用語，例如「前」、「後」、「左」、「右」、「上(頂)」、「下(底)」、「內」、「外」、「側」等，主要係參考附加圖式的方向，各方向性用語僅用以輔助說明及理解本發明的各實施例，非用以限制本發明。
請參閱第1圖所示，其係本發明之電阻式記憶體第一實施例的側面剖視圖。其中，該電阻式記憶體第一實施例可包含一導熱層1、一第一電極層2、一熱圍阻體3、一變阻層4及一第二電極層5，該導熱層1、第一電極層2、熱圍阻體3、變阻層4及第二電極層5可依序堆疊形成該電阻式記憶體，該第一電極層2係疊設於該導熱層1上；該熱圍阻體3具有一通孔31，使該第一電極層2可局部裸露於該通孔31內；該變阻層4可由該熱圍阻體3之通孔31內裸露的第一電極層2向外延伸至該通孔31外的熱圍阻體3表面；該第二電極層5係疊設於該變阻層4上。在此實施例中，該第一電極層2及第二電極層5可用於電性連接一外加電源(圖未繪示)，以便施加電場於該電阻式記憶體，使該變阻層4的阻態(resistance state)產生變化。以下舉例說明該電阻式記憶體第一實施例的實施態樣，惟不以此為限。
舉例而言，如第1圖所示，該導熱層1可由導熱性佳的材料構成，如：金屬片(如：金、銀、銅、鐵、鋁或前述金屬材料組成的群組)、導熱薄膜或導熱膠/膏等，用於將該第一電極層2供電工作時產生的熱量迅速傳導；該第一電極層2可由導電材料構成，如：氮化鈦(TiN)或鉑(Pt)等，該第一電極層2可具有一設置面2a，用於疊設該熱圍阻體3。
在此例中，該熱圍阻體3含有二氧化矽(SiO2)及二氧化鉿(HfO2)的組成物，該熱圍阻體3還可含有絕熱性佳的材料，如：導熱係數小於1.26W/m．℃的絕熱材料等，用以降低該熱圍阻體3內部熱量散失的速度；該熱圍阻體3之通孔31內周面亦可設有一隔熱層32，該隔熱層32可圍繞該第一電極層2及該變阻層4之局部，該隔熱層32可由強化碳-碳複合材料(RCC)、高溫表面絕熱瓦(HRSI)、複合加工纖維絕熱瓦(FRCI)、彈性隔熱毯(FIB)或強化單體纖維絕熱瓦(TUFI)等薄膜構成，用於阻絕該通孔31內的熱量散逸；該熱圍阻體3具有相對二表面3a、3b，該通孔31貫穿該相對二表面3a及3b，該表面3a可貼設於該第一電極層2之設置面2a，該表面3b可用於疊設該變阻層4。
在此例中，該變阻層4可為適於變換電阻值的材料構成，如：二氧化鉿與二氧化矽的組成物等氧化物，該變阻層4可由該通孔31內裸露的第一電極層2沿該通孔31的內周面延伸至該通孔31外的熱圍阻體3表面，該變阻層4可依該通孔31形狀對應形成一槽部41(如：利用蝕刻技術等)，該槽部41可凹入該通孔31內，以利電場集中作用於該熱圍阻體3之通孔31中的變阻層4，並利用該通孔31中累積的熱量加速該變阻層4中的氧離子改變阻態的時程，用以加快阻態切換速度。
在此例中，該第二電極層5可由導電材料構成，如：銦錫氧 化物(ITO)或鉑(Pt)等，該第二電極層5可由該變阻層4之槽部41內延伸至該槽部41外的變阻層4表面，該第二電極層5可依該槽部41形狀對應形成形成一凹部51，該凹部51係位於該變阻層4的槽部41內，以利電場集中於該變阻層4之局部。
請再參閱第1圖所示，本發明電阻式記憶體上述實施例使用時，可經由該第一電極層2與第二電極層5對該變阻層4施予電場，該變阻層4中的氧離子(O2-)可經由不同電場作用方式(如：調整正、負電壓值)，使該變阻層4內部產生氧化/還原反應，如：還原後可形成阻絲(Filament)而降低電阻值，氧化後阻絲消失而增加電阻值，該變阻層4可經由設置過程(Set Process)或重置過程(Reset Process)切換成不同阻態，如：當逐漸增加的正電壓超過一設置電壓(set voltage)時，該變阻層4可由高阻態(HRS)轉為低阻態(LRS)；當逐漸增加的負電壓超過一重置電壓(reset voltage)時，該變阻層4可由低阻態轉為高阻態，以下舉例說明該變阻層4中的氧離子受熱激活而加速阻態切換反應的過程。
舉例而言，在上述實施例中，以重置過程(低阻態轉為高阻態)為例，如第2a及2b圖所示，當該變阻層4在某一電壓下工作時，隨著工作時間增加，該變阻層4累積的電能及熱量會逐漸增加，其中，該熱量可經由該第一電極層2及導熱層1加速傳導，使該變阻層4中的氧離子逐漸受熱激活(active)，以便縮短電阻值趨於穩態(如：高阻態)的時間，詳如後述。
詳言之，如第3a圖所示，由於該變阻層4中含有眾多氧離子X，在電場作用下，會開始對一工作範圍R中的工作氧離子XR加熱，在剛開始加熱(約100~200μs)時，該工作氧離子XR受熱激活後會形成熱活氧離子XA，由於該熱活氧離子XA處於高速運動狀態，可將熱能H施加於已形成的阻絲S，用以加速該變阻層4的阻態切換反應過程(如：電阻 值約由8KΩ迅速升至12KΩ)。接著，如第3b圖所示，該工作範圍R中的工作氧離子XR受熱傳導，使得形成該熱活氧離子XA的數量逐漸增多，有越多的熱活氧離子XA參與阻態切換反應過程(如：電阻值約由12KΩ升至16KΩ)。最後，如第3c圖所示，幾乎該工作範圍R中的工作氧離子XR皆受熱而形成該熱活氧離子XA，此時，有最多的熱活氧離子XA參與阻態切換反應過程，使該變阻層4穩健地趨於切換後的阻態(如：電阻值約18KΩ)。
請參閱第4a圖所示，其係本發明電阻式記憶體第一實施例在不同溫度下的能量與切升比率的實驗曲線圖。其中，該曲線可利用變溫實驗量測所得的數據繪製而成，用以觀察在77K、200K、300K、350等溫度的切升比率(switching time/raising time)，由圖可知，隨著能量(energy，nJ)累積的越多，該切升比率越低，使阻態切換過程(如：Reset)速率越快。請參閱第4b圖所示，其係本發明電阻式記憶體第一實施例的溫度與切升比率的趨勢示意圖。其中，由第4a及4b圖可知，隨著溫度增加(如：77K→200K→300K→350K)，具有切升比率逐漸降低(表示切換速度逐漸提高)的趨勢，累積的能量越多可輔助加熱阻絲，使阻態切換過程(如：Reset)速率越快。
其中，本發明電阻式記憶體實施例在阻態切換過程(如：重置過程)中，隨著輸入的能量越多，可對已形成的阻絲加熱，加速阻態的切換過程，但該變阻層4之工作範圍中的熱量H會逸散(如第5圖所示)，尤其是整體元件溫度較低(如：77K)時，將會延長阻絲加熱過程，不利增快阻態切換速度。因此，為了改善此情況，還可適當修改構造，如：為了利用該熱圍阻體3與上述電極層2、5構造防止熱量散逸，還可將該第一電極層2移至該熱圍阻體3之通孔31內，以有效輔助加速阻態切換速度，惟不以此為限，詳如後述。
請參閱第6圖所示，其係本發明之電阻式記憶體第二實施例 的側面剖視圖。其中，該電阻式記憶體第二實施例可包含一導熱層1’、一第一電極層2’、一熱圍阻體3、一變阻層4及一第二電極層5，該第二實施例與第一實施例之熱圍阻體3、變阻層4及第二電極層5的材料及構造大致相同，在此實施例中，該熱圍阻體3疊設於該導熱層1’上，該熱圍阻體3圍繞該第一電極層2’，並形成該通孔31；該變阻層4由該熱圍阻體3之通孔31內的第一電極層2’向外延伸至該通孔31外的熱圍阻體3表面；該第二電極層5疊設於該變阻層4上，其中，該導熱層1’、第一電極層2’與第一實施例之導熱層1、第一電極層2的材料大致相同，在此容不贅述。藉此，使該第一電極層2移至該熱圍阻體3之通孔31內，且該第一電極層2與變阻層4之間的介面進一步深入該通孔31內部，可有效利用電熱效果提升阻態切換速度。
請參閱第7圖所示，其係本發明之電阻式記憶體第三實施例的側面剖視圖。其中，該電阻式記憶體第三實施例可包含一導熱層1”、一第一電極層2’、一熱圍阻體3、一變阻層4及一第二電極層5，該第三實施例與第二實施例之第一電極層2’、熱圍阻體3、變阻層4及第二電極層5的材料及構造大致相同，在此實施例中，該導熱層1”具有一凸出部11”；該第一電極層2’僅疊設於該導熱層1”之凸出部11”上，該凸出部11”及該第一電極層2’容納於該熱圍阻體3之通孔31內，該凸出部11”之周緣與該通孔31之孔緣可相密合(如：形成螺紋等密合構造)，用以加強防止該通孔31內的熱量散逸。藉此，使該第一電極層2與變阻層4之間的介面更加深入該通孔31內部，且有效加強隔熱效果，可更加提升阻態切換速度。
藉此，本發明電阻式記憶體上述實施例主要可經由該導熱層1、1’、1”及第一電極層2、2’加速熱傳導過程，並利用該熱圍阻體3輔助防止電熱能量逸散效果，用以增加該變阻層4中的氧離子受熱激活的數量，加速阻絲的形成效率，進而提升阻態切換速度。因此，本發明電阻式 記憶體上述實施例可提升阻態切換速度，有效縮短記憶體中的資料存取時間，達成「加速存取資料」功效，可應用於須快速存取資料的設備(如：即時作業系統等)，或縮短大數據運算時的整體運算時間，以促進產業發展。
雖然本發明已利用上述較佳實施例揭示，然其並非用以限定本發明，任何熟習此技藝者在不脫離本發明之精神和範圍之內，相對上述實施例進行各種更動與修改仍屬本發明所保護之技術範疇，因此本發明之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。
1‧‧‧導熱層
2‧‧‧第一電極層
2a‧‧‧設置面
3‧‧‧熱圍阻體
3a,3b‧‧‧相對二表面
31‧‧‧通孔
32‧‧‧隔熱層
4‧‧‧變阻層
41‧‧‧槽部
5‧‧‧第二電極層
51‧‧‧凹部

Claims (12)

  1. 一種電阻式記憶體，包含：一導熱層；一第一電極層，疊設於該導熱層；一熱圍阻體，疊設於該第一電極層，該熱圍阻體具有一通孔，該第一電極層局部裸露於該通孔內；一變阻層，由該熱圍阻體之通孔內裸露的第一電極層向外延伸至該通孔外的熱圍阻體表面；及一第二電極層，疊設於該變阻層。
  2. 一種電阻式記憶體，包含：一導熱層；一第一電極層，疊設於該導熱層；一熱圍阻體，疊設於該導熱層，該熱圍阻體圍繞該第一電極層，並形成一通孔；一變阻層，由該熱圍阻體之通孔內的第一電極層向外延伸至該通孔外的熱圍阻體表面；及一第二電極層，疊設於該變阻層。
  3. 根據申請專利範圍第2項所述之電阻式記憶體，其中該導熱層具有一凸出部，該第一電極層疊設於該導熱層之凸出部，該凸出部及該第一電極層容納於該熱圍阻體之通孔內。
  4. 根據申請專利範圍第3項所述之電阻式記憶體，其中該凸出部之周緣與該通孔之孔緣相密合。
  5. 根據申請專利範圍第1、2或3項所述之電阻式記憶體，其中該導熱層為金、銀、銅、鐵、鋁或前述金屬材料組成的群組構成。
  6. 根據申請專利範圍第1、2或3項所述之電阻式記憶體，其中該熱圍阻 體含有二氧化矽及二氧化鉿的組成物。
  7. 根據申請專利範圍第6項所述之電阻式記憶體，其中該熱圍阻體含有絕熱材料，該絕熱材料的導熱係數小於1.26W/m．℃。
  8. 根據申請專利範圍第6項所述之電阻式記憶體，其中該熱圍阻體設有一隔熱層，該隔熱層圍繞該第一電極層及該變阻層之局部。
  9. 根據申請專利範圍第8項所述之電阻式記憶體，其中該隔熱層由強化碳-碳複合材料(RCC)、高溫表面絕熱瓦(HRSI)、複合加工纖維絕熱瓦(FRCI)、彈性隔熱毯(FIB)或強化單體纖維絕熱瓦(TUFI)構成。
  10. 根據申請專利範圍第1、2或3項所述之電阻式記憶體，其中該變阻層形成一槽部凹入該熱圍阻體的通孔內。
  11. 根據申請專利範圍第10項所述之電阻式記憶體，其中該第二電極層由該槽部內延伸至該槽部外，並形成一凹部位於該變阻層的槽部內。
  12. 根據申請專利範圍第1、2或3項所述之電阻式記憶體，其中該變阻層為二氧化鉿與二氧化矽的組成物。
TW105103135A 2016-02-01 2016-02-01 電阻式記憶體 TWI596609B (zh)

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