电阻式记忆体

简介

　　从1999年起，非挥发性记忆体的市场需求就有突破性的成长，因为近几年陆续出现如随身碟、数位相机储存卡、手机记忆体等相当广泛的应用，创造出其他技术无法涵盖的全新市场。目前主流的非挥发性记忆产品为快闪记忆体，但是现有的快闪记忆体元件架构在65nm技术世代以後，将逐渐面临物理极限的挑战，因而有「奈米晶粒之非挥发性记忆体」技术的开发。快闪记忆体也面临诸多特性上的限制，例如操作速度太慢和操作周期不长等等。因此更有潜力的记忆体技术需要被进一步开发，以满足未来更广大的记忆需求。

　　电阻式记忆体技术正是非挥发性记忆体新技术当中相当有潜力的新兴技术，近年来也受到国际半导体大厂和主要研究单位的关注。其原因在於电阻式记忆体的元件结构相当简单；同时所采用的材料并不特殊，许多的半导体厂均有现成的制程能力；另外电阻式记忆体元件所需制程温度不高，因此相当容易与相关元件或电路制程相整合。工研院电光所奈米电子技术组在3年前便积极投入研发电阻式记忆体，最近获得相当大的技术突破。

结构

　　电阻式记忆体的主要结构相当简单，和一般电容器结构极为相似，目前主要均是采用MIM（metal-insulator-metal）结构，如图一所示。此结构在半导体後段制程的整合困难度并不高，和电晶体元件（MOS）整合非常容易，所以相当适合使用电晶体元件来操作记忆单元（memory cell）。此外，电阻式记忆体记忆单元的制程温度并不高，因此与相关电路或其他元件容易整合在单一晶片上，也提高此技术的应用价值。

特点

　　电阻式记忆体具有读写速度快、结构简单、单元面积小、密度高、低电压驱动、低能耗、高操作周期和非挥发性等特点。

操作步骤

　　电阻式记忆体的操作主要可分为三个步骤，分别为forming、set及reset。

　　Forming步骤

　　Forming步骤是元件一开始刚制作完成时只需经过一次的步骤，主要是施加一偏压於元件上，使元件的氧化物层产生soft breakdown，目的在使元件的漏电流增加，如此元件才能开始有电阻式记忆体特性。有些氧化物层其实不需要forming即可具备电阻式记忆体特性，这样端看氧化物本身的性质以及制程条件而定。

　　Set步骤

　　Set步骤为元件由高电阻态转变为低电阻态的步骤，当施加偏压超过某一临界电压时，元件将会由高电阻态转往低电阻态，此时通常需要限制流过元件的电流大小（current compliance）以免元件烧毁。

　　Reset步骤

　　Reset步骤为元件由低电阻态转变为高电阻态的步骤，当施加偏压超过某一临界电压时，元件将会由低电阻态转往高电阻态，此时不需要限制流过元件的电流大小，让元件能完整重置回高电阻态。不过通常元件在set步骤研发人员所设定的限电流是多少，那麽在reset步骤时流经元件的电流，也会和set步骤所设定的限电流大小相当。

　　另外，电阻式元件有分为单极性元件（unipolar）及双极性元件（bipolar），所谓单极性元件亦即元件的set及reset步骤都需在同一极性的偏压下操作，而双极性元件则是元件的set及reset步骤可在不同极性的偏压下操作。根据我们的研究发现，元件是否为单极性或双极性特性，与所采用的电极材料相关；相同的氧化层材料如果使用不同的电极材料，便可由单极性元件变成双极性元件、或由双极性元件变成单极性元件。