电阻式记忆体

摘要

本发明主要公开一种电阻式记忆体，用于解决现有电阻式记忆体切换速度慢的问题，本发明的电阻式记忆体可包括：一个导热层；一个第一电极层，叠设于该导热层；一个热围阻体，叠设于该第一电极层，该热围阻体具有一个通孔，该第一电极层局部裸露于该通孔内；一个变阻层，由该热围阻体的通孔内裸露的第一电极层向外延伸至该通孔外的热围阻体表面；及一个第二电极层，叠设于该变阻层。借此，可确实解决上述问题。

权利要求

1.一种电阻式记忆体，其特征在于：包括：

一个导热层，具有一个凸出部；

一个第一电极层，叠设于该导热层的凸出部；

一个热围阻体，叠设于该导热层，该热围阻体围绕该第一电极层，并形成一个通孔，该凸出部及该第一电极层容纳于该热围阻体的通孔内；

一个变阻层，由该热围阻体的通孔内的第一电极层向外延伸至该通孔外的热围阻体表面；及一个第二电极层，叠设于该变阻层。

2.根据权利要求1所述的电阻式记忆体，其特征在于：该凸出部的周缘与该通孔的孔缘相密合。

3.根据权利要求1所述的电阻式记忆体，其特征在于：该导热层为金、银、铜、铁、铝或前述金属材料组成的群组构成。

4.根据权利要求1所述的电阻式记忆体，其特征在于：该热围阻体含有二氧化硅及二氧化铪的组成物。

5.根据权利要求4所述的电阻式记忆体，其特征在于：该热围阻体含有绝热材料，该绝热材料的导热系数小于1.26W/m．℃。

6.根据权利要求4所述的电阻式记忆体，其特征在于：该热围阻体设有一隔热层，该隔热层围绕该第一电极层及该变阻层的局部。

7.根据权利要求6所述的电阻式记忆体，其特征在于：该隔热层由强化碳-碳复合材料、高温表面绝热瓦、复合加工纤维绝热瓦、弹性隔热毯或强化单体纤维绝热瓦构成。

8.根据权利要求1所述的电阻式记忆体，其特征在于：该变阻层形成一个槽部，该槽部凹入该热围阻体的通孔内。

9.根据权利要求8所述的电阻式记忆体，其特征在于：该第二电极层由该槽部内延伸至该槽部外，并形成一个凹部，该凹部位于该变阻层的槽部内。

10.根据权利要求1所述的电阻式记忆体，其特征在于：该变阻层为二氧化铪与二氧化硅的组成物。

说明书

电阻式记忆体

技术领域

[0001] 本发明关于一种电阻式记忆体；特别是关于一种切换速度快的电阻式记忆体。

背景技术

[0002] 记忆体(Memory)广泛的使用在各种电子产品上，随着资料储存需求与日俱增，对于记忆体容量以及性能的要求也越来越高，在各种记忆体元件中，电阻式记忆体(RRAM)具有极低的操作电压、极快的读写速度以及高度的元件尺寸可微缩性等优点，有机会取代传统的快闪记忆体(Flash Memory)以及动态随机存取记忆体(DRAM)，成为下个世代的记忆体元件主流。

[0003] 现有的电阻式记忆体通常设有一下电极、一介质体、一电阻切换层及一上电极，该介质体叠设于该下电极，该介质体设有一通孔；该电阻切换层由该通孔内的下电极向外延伸至通孔外的介质体表面；该上电极叠设于该电阻切换层。其中，该电阻切换层可施加电场而切换为低阻态(LRS)或高阻态(HRS)，其一实施例可参酌《”Characteristics and Mechanisms of Silicon-Oxide-Based Resistance Random Access Memory”IEEE 
ELECTRON DEVICE LETTERS,VOL.34,NO.3,MARCH2013》。

[0004] 但，电子元件的尺寸缩小使工作速度随之提高，为了配合电子元件工作速度，电阻式记忆体的工作速度势必需要进一步加快，如：提升阻态切换速度等，以符合电子装置未来的应用趋势。

[0005] 有鉴于此，上述现有技术亟需进一步改良，以提升其实用性。

发明内容

[0006] 本发明提供一种可提升阻态切换速度的电阻式记忆体。

[0007] 本发明公开一种电阻式记忆体，可包括：一导热层；一第一电极层，叠设于该导热层；一热围阻体，叠设于该第一电极层，该热围阻体具有一通孔，该第一电极层局部裸露于该通孔内；一变阻层，由该热围阻体的通孔内裸露的第一电极层延伸至该通孔外的热围阻体表面；及一第二电极层，叠设于该变阻层。

[0008] 本发明另外公开一种电阻式记忆体，可包括：一导热层；一第一电极层，叠设于该导热层；一热围阻体，叠设于该导热层，该热围阻体围绕该第一电极层，并形成一通孔；一变阻层，由该热围阻体的通孔内的第一电极层向外延伸至该通孔外的热围阻体表面；及一第二电极层，叠设于该变阻层。

[0009] 所述导热层可具有一凸出部，该第一电极层可叠设于该导热层的凸出部，该凸出部及该第一电极层容纳于该热围阻体的通孔内；该凸出部的周缘与该通孔的孔缘相密合。借此，可有效利用电热效果提升阻态切换速度，且有效加强隔热效果，可有效利用电热效果提升阻态切换速度。

[0010] 所述导热层可为金、银、铜、铁、铝或前述金属材料组成的群组构成。借此，可提升电热能量传导效率，以便利用热能加速该变阻层的阻态切换效率。

[0011] 所述热围阻体含有二氧化硅及二氧化铪的组成物，该热围阻体可含有绝热材料；该绝热材料的导热系数可小于1.26W/m.℃；该热围阻体可设有一隔热层，该隔热层围绕该第一电极层及该变阻层的局部；该隔热层可由强化碳-碳复合材料(RCC)、高温表面绝热瓦(HRSI)、复合加工纤维绝热瓦(FRCI)、弹性隔热毯(FIB)或强化单体纤维绝热瓦(TUFI)构成。借此，可有效防止热量逸散，以便利用热能加速该变阻层的阻态切换效率。

[0012] 所述变阻层可形成一个槽部，该槽部凹入该热围阻体的通孔内；该变阻层可为二氧化铪与二氧化硅的组成物；所述第二电极层可由该槽部内延伸至该槽部外，并可形成一个凹部，该凹部位于该变阻层的槽部内。借此，可有利于将电能集中于该变阻层的局部，以便利用电热能量加速该变阻层的阻态切换效率。

[0013] 上述电阻式记忆体主要可利用该热围阻体防止电热能量逸散，通过该第一电极层及导热层加速热传导过程，用以增加该变阻层中的氧离子受热激活的数量，进而加速阻丝的形成效率，提升阻态切换速度。因此，本发明电阻式记忆体的上述实施例可提升阻态切换速度，有效缩短记忆体中的资料存取时间，达成“加速存取资料”的目的，可应用于须快速存取资料的设备(如：即时作业系统等)，或缩短大数据运算时的整体运算时间，以促进产业发展。

附图说明

[0014] 图1：本发明电阻式记忆体第一实施例的组合侧剖图；

[0015] 图2a：本发明电阻式记忆体实施例于固定电压工作时的电能变化曲线图；

[0016] 图2b：本发明电阻式记忆体实施例于固定电压工作时的阻值变化曲线图；

[0017] 图3a：本发明电阻式记忆体实施例供电工作时的变阻层中氧离子受热活化的示意图(一)；

[0018] 图3b：本发明电阻式记忆体实施例供电工作时的变阻层中氧离子受热活化的示意图(二)；

[0019] 图3c：本发明电阻式记忆体实施例供电工作时的变阻层中氧离子受热活化的示意图(三)；

[0020] 图4a：本发明电阻式记忆体第一实施例在不同温度下的能量与切升比率的实验曲线图；

[0021] 图4b：本发明电阻式记忆体第一实施例的温度与切升比率的趋势示意图；

[0022] 图5：本发明电阻式记忆体的变阻层的热量散逸示意图；

[0023] 图6：本发明电阻式记忆体第二实施例的组合侧剖图；

[0024] 图7：本发明电阻式记忆体第三实施例的组合侧剖图。

[0025] 附图标记说明

[0026] 1,1’,1’’  导热层             11’’  凸出部

[0027] 2,2’        第一电极层         2a     设置面

[0028] 3           热围阻体           3a,3b  相对两表面

[0029] 31          通孔               32     隔热层

[0030] 4           变阻层             41     槽部

[0031] 5           第二电极层         51     凹部

[0032] H           热量               R      工作范围

[0033] X         氧离子             XR    工作氧离子

[0034] XA        热活氧离子         S      阻丝

具体实施方式

[0035] 为使本发明的上述及其他目的、特征及优点能更明显易懂，下文特根据本发明的较佳实施例，并配合所附附图，作详细说明如下：

[0036] 本发明全文所述的方向性用语，例如“前”、“后”、“左”、“右”、“上(顶)”、“下(底)”、“内”、“外”、“侧”等，主要参考附加附图的方向，各方向性用语仅用以辅助说明及理解本发明的各实施例，并非用以限制本发明。

[0037] 请参阅图1所示，其为本发明电阻式记忆体第一实施例的侧面剖视图。其中，该电阻式记忆体第一实施例可包括一个导热层1、一个第一电极层2、一个热围阻体3、一个变阻层4及一个第二电极层5，该导热层1、第一电极层2、热围阻体3、变阻层4及第二电极层5可依序堆叠形成该电阻式记忆体，该第一电极层2叠设于该导热层1上；该热围阻体3具有一个通孔31，使该第一电极层2可局部裸露于该通孔31内；该变阻层4可由该热围阻体3的通孔31内裸露的第一电极层2向外延伸至该通孔31外的热围阻体3表面；该第二电极层5叠设于该变阻层4上。在此实施例中，该第一电极层2及第二电极层5可用于电性连接一外加电源(图未绘示)，以便施加电场于该电阻式记忆体，使该变阻层4的阻态(resistance state)产生变化。以下举例说明该电阻式记忆体第一实施例的实施状态，但不以此为限。

[0038] 举例而言，如图1所示，该导热层1可由导热性佳的材料构成，如：金属片(如：金、银、铜、铁、铝或前述金属材料组成的群组)、导热薄膜或导热胶/膏等，用于将该第一电极层2供电工作时产生的热量迅速传导；该第一电极层2可由导电材料构成，如：氮化钛(TiN)或铂(Pt)等，该第一电极层2可具有一设置面2a，用于叠设该热围阻体3。

[0039] 在此例中，该热围阻体3含有二氧化硅(SiO2)及二氧化铪(HfO2)的组成物，该热围阻体3还可含有绝热性佳的材料，如：导热系数小于1.26W/m.℃的绝热材料等，用以降低该热围阻体3内部热量散失的速度；该热围阻体3的通孔31内周面也可设有一隔热层32，该隔热层32可围绕该第一电极层2及该变阻层4的局部，该隔热层32可由强化碳-碳复合材料(RCC)、高温表面绝热瓦(HRSI)、复合加工纤维绝热瓦(FRCI)、弹性隔热毯(FIB)或强化单体纤维绝热瓦(TUFI)等薄膜构成，用于阻绝该通孔31内的热量散逸；该热围阻体3具有相对两表面3a、3b，该通孔31贯穿该相对两表面3a及3b，该表面3a可贴设于该第一电极层2的设置面2a，该表面3b可用于叠设该变阻层4。

[0040] 在此例中，该变阻层4可由适于变换电阻值的材料构成，如：二氧化铪与二氧化硅的组成物等氧化物，该变阻层4可由该通孔31内裸露的第一电极层2沿该通孔31的内周面延伸至该通孔31外的热围阻体3表面，该变阻层4可依该通孔31形状对应形成一个槽部41(如：利用蚀刻技术等)，该槽部41可凹入该通孔31内，以利电场集中作用于该热围阻体3的通孔
31中的变阻层4，并利用该通孔31中累积的热量加速该变阻层4中的氧离子改变阻态的时程，用以加快阻态切换速度。

[0041] 在此例中，该第二电极层5可由导电材料构成，如：铟锡氧化物(ITO)或铂(Pt)等，该第二电极层5可由该变阻层4的槽部41内延伸至该槽部41外的变阻层4表面，该第二电极层5可依该槽部41形状对应形成形成一个凹部51，该凹部51位于该变阻层4的槽部41内，以利电场集中于该变阻层4的局部。

[0042] 请再参阅图1所示，本发明电阻式记忆体的上述实施例使用时，可通过该第一电极层2与第二电极层5对该变阻层4施予电场，该变阻层4中的氧离子(O2-)可通过不同电场作用方式(如：调整正、负电压值)，使该变阻层4内部产生氧化/还原反应，如：还原后可形成阻丝(Filament)而降低电阻值，氧化后阻丝消失而增加电阻值，该变阻层4可通过设置过程(Set Process)或重置过程(Reset Process)切换成不同阻态，如：当逐渐增加的正电压超过一设置电压(set voltage)时，该变阻层4可由高阻态(HRS)转为低阻态(LRS)；当逐渐增加的负电压超过一重置电压(reset voltage)时，该变阻层4可由低阻态转为高阻态，以下举例说明该变阻层4中的氧离子受热激活而加速阻态切换反应的过程。

[0043] 举例而言，在上述实施例中，以重置过程(低阻态转为高阻态)为例，如图2a及图2b所示，当该变阻层4在某一电压下工作时，随着工作时间增加，该变阻层4累积的电能及热量会逐渐增加，其中，该热量可通过该第一电极层2及导热层1加速传导，使该变阻层4中的氧离子逐渐受热激活(active)，以便缩短电阻值趋于稳态(如：高阻态)的时间，详如后述。

[0044] 详言之，如图3a所示，由于该变阻层4中含有众多氧离子X，在电场作用下，会开始对一工作范围R中的工作氧离子XR加热，在刚开始加热(约100～200μs)时，该工作氧离子XR受热激活后会形成热活氧离子XA，由于该热活氧离子XA处于高速运动状态，可将热量H施加于已形成的阻丝S，用以加速该变阻层4的阻态切换反应过程(如：电阻值约由8KΩ迅速升至12KΩ)。接着，如图3b所示，该工作范围R中的工作氧离子XR受热传导，使得形成该热活氧离子XA的数量逐渐增多，有越多的热活氧离子XA参与阻态切换反应过程(如：电阻值约由12KΩ升至16KΩ)。最后，如图3c所示，几乎该工作范围R中的工作氧离子XR都受热而形成该热活氧离子XA，此时，有最多的热活氧离子XA参与阻态切换反应过程，使该变阻层4稳健地趋于切换后的阻态(如：电阻值约18KΩ)。

[0045] 请参阅图4a所示，其为本发明电阻式记忆体第一实施例在不同温度下的能量与切升比率的实验曲线图。其中，该曲线可利用变温实验测量所得的数据绘制而成，用以观察在77K、200K、300K、350等温度的切升比率(switching time/raising time)，由图可知，随着能量(energy，nJ)累积的越多，该切升比率越低，阻态切换过程(如：Reset)速率越快。请参阅图4b所示，其为本发明电阻式记忆体第一实施例的温度与切升比率的趋势示意图。其中，由图4a及图4b可知，随着温度增加(如：77K→200K→300K→350K)，具有切升比率逐渐降低(表示切换速度逐渐提高)的趋势，累积的能量越多可辅助加热阻丝，使阻态切换过程(如：
Reset)速率越快。

[0046] 其中，本发明电阻式记忆体实施例在阻态切换过程(如：重置过程)中，随着输入的能量越多，可对已形成的阻丝加热，加速阻态的切换过程，但该变阻层4的工作范围中的热量H会逸散(如图5所示)，尤其是整体元件温度较低(如：77K)时，将会延长阻丝加热过程，不利增快阻态切换速度。因此，为了改善此情况，还可适当修改构造，如：为了利用该热围阻体3与上述电极层2、5构造防止热量散逸，还可将该第一电极层2移至该热围阻体3的通孔31内，以有效辅助加速阻态切换速度，但不以此为限，详如后述。

[0047] 请参阅图6所示，其为本发明电阻式记忆体第二实施例的侧面剖视图。其中，该电阻式记忆体第二实施例可包括一个导热层1’、一个第一电极层2’、一个热围阻体3、一个变阻层4及一个第二电极层5，该第二实施例与第一实施例的热围阻体3、变阻层4及第二电极层5的材料及构造大致相同，在此实施例中，该热围阻体3叠设于该导热层1’上，该热围阻体3围绕该第一电极层2’，并形成该通孔31；该变阻层4由该热围阻体3的通孔31内的第一电极层2’向外延伸至该通孔31外的热围阻体3表面；该第二电极层5叠设于该变阻层4上，其中，该导热层1’、第一电极层2’与第一实施例的导热层1、第一电极层2的材料大致相同，在此容不赘述。借此，使该第一电极层2移至该热围阻体3的通孔31内，且该第一电极层2与变阻层4之间的介面进一步深入该通孔31内部，可有效利用电热效果提升阻态切换速度。

[0048] 请参阅图7所示，其为本发明电阻式记忆体第三实施例的侧面剖视图。其中，该电阻式记忆体第三实施例可包括一个导热层1’’、一个第一电极层2’、一个热围阻体3、一个变阻层4及一个第二电极层5，该第三实施例与第二实施例的第一电极层2’、热围阻体3、变阻层4及第二电极层5的材料及构造大致相同，在此实施例中，该导热层1’’具有一凸出部11’’；该第一电极层2’仅叠设于该导热层1’’的凸出部11’’上，该凸出部11’’及该第一电极层2’容纳于该热围阻体3的通孔31内，该凸出部11’’的周缘与该通孔31的孔缘可相密合(如：形成螺纹等密合构造)，用以加强防止该通孔31内的热量散逸。借此，使该第一电极层2与变阻层4之间的介面更加深入该通孔31内部，且有效加强隔热效果，可更加提升阻态切换速度。

[0049] 借此，本发明电阻式记忆体的上述实施例主要可通过该导热层1、1’、1’’及第一电极层2、2’加速热传导过程，并利用该热围阻体3辅助防止电热能量逸散，用以增加该变阻层4中的氧离子受热激活的数量，加速阻丝的形成效率，进而提升阻态切换速度。因此，本发明电阻式记忆体的上述实施例可提升阻态切换速度，有效缩短记忆体中的资料存取时间，达成“加速存取资料”的目的，可应用于须快速存取资料的设备(如：即时作业系统等)，或缩短大数据运算时的整体运算时间，以促进产业发展。