tiểu luận thiết kế vi mạch số công nghệ bộ nhớ điện trở truy cập ngẫu nhiên

ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ C TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
KHOA ĐIỆN - Đ ỆN TỬ
HÍ MINH
--------

MƠN THIẾT KẾ VI MẠCH SỐ
ĐỀ TÀI:

Công nghệ bộ nhớ điện trở truy cập ngẫu nhiên
(Resetive Random Access Memory – RRAM)
GVHD: TS. Trần Hoàng Linh
Sinh viên thực hiện:
STT

HỌ VÀ TÊN

MSSV

1

Nguyễn Đức Tiến

1711897

2

Nguyễn Đình Tuấn

1812691

3

Trần Đình Kiên

1712826

4

Nguyễn Trung Kiên

1712829


MỤC LỤC
LỜI GIỚI THIỆU.................................................................................................1
PHẦN I: TỔNG QUAN BỘ NHỚ KHÔNG KHẢ BIẾN
VÀ BỘ NHỚ ĐIỆN TRỞ TRUY CẬP NGẪU NHIÊN.....................................2
I. Bộ nhớ điện tĩnh (Non-volatile memory – NVM)....................................2
I.1. Tổng quan chung............................................................................................2
I.2. Phân loại công nghệ bộ nhớ trạng thái rắn.....................................................4
II. Bộ nhớ điện trở truy cập ngẫu nhiên
(Resistance random access memory – RRAM)....................................................8
II.1. Vật liệu chuyển mạch điện trở
(Resistance Switching Materials).......................................................................10
II.2. Chế độ chuyển mạch điện trở......................................................................14
II.3. Cơ chế chuyển mạch điện trở......................................................................14
II.3.1. Phản fíng oxy hóa khfí và sự di
chuyển của các ion cation (CBRAM).................................................................14
II.3.2. Phản fíng oxy hóa khfí và sự
di chuyển của các ion anion (OxRRAM)............................................................15
II.4. Đặc tính của bộ nhớ điện trở truy cập ngẫu nhiên (RRAM)......................16

II.4.1. Độ bền......................................................................................................16
II.4.2. Sự lưu trữ.................................................................................................16
II.4.3. Tính đồng nhất.........................................................................................17
II.5. Khả năng lưu trữ đa mfíc trên RRAM........................................................18
II.5.1. Phương pháp thay đổi dòng điện tuân thủ................................................18
II.5.2. Phương pháp điều khiển điện áp đặt lại....................................................20
II.5.3. Phương pháp thay đổi độ rộng xung của chương trình / hoạt động xóa. .21
II.6. Các fíng dụng của RRAM...........................................................................21
II.6.1. Các cổng logic không khả biến.................................................................21


II.6.2. Điện toán nơ-ron.......................................................................................21
II.6.3. Ứng dụng trong bảo mật...........................................................................22
II.6.4. SRAM không khả biến.............................................................................22
PHẦN II: CÁC NGHIÊN CỨU GẦN ĐÂY VỀ CƠNG NGHỆ RRAM..........23
I. Kiến trúc của RRAM ở trình điều khiển ghi............................................23
I.1. Thực hiện đọc ghi dữ liệu bằng trình điều khiển ghi...................................23
I.2. Kiến trúc mảng RRAM 8x8..........................................................................25
II. Kiến trúc 4T2R R-CIM...................................................................................26
II.1. Kiến trúc của mạch 4T2R đơn giản.............................................................27
II.2. Mạch read/ write..........................................................................................28
II.3. Mạch TCAM................................................................................................29
II.4. Kiến trúc 4T2R R-CIM................................................................................30
III. Nhận diện một chuỗi phi markov (non-markov)
bằng thiết bị bộ nhớ truy cập ngẫu nhiên điện trở (RRAM)
dựa trên vật liệu hai chiều (2D)...........................................................................31
III.1. Chuỗi Markov.............................................................................................31
III.2. Nghiên cfíu, kết quả...................................................................................31
PHẦN III: KẾT LUẬN.......................................................................................36
TÀI LIỆU THAM KHẢO...................................................................................37

LỜI GIỚI THIỆU
Trước sự phát triển vũ bão của khoa học, cơng nghệ CMOS đang dần dần hồn thiện
mình và trở thành sự lựa chọn số một khi thiết kế các CPU, GPU, IC chfíc năng... cho
các thiết bị điện tfí. Tuy nhiên bên cạnh ưu điểm thì nhược điểm mà cơng nghệ CMOS
gặp phải như tính khơng khả biến ở các thiết bị SRAM, DRAM; tiêu thụ công suất cao ở
các thiết bị flash... Trong những năm gần đây, công nghệ RRAM đang được đẩy mạnh
phát triển khắc phục những khó khăn của cơng nghệ hiện có.
Từ những yếu tố trên, nhóm chúng em lựa chọn đề tài “Cơng nghệ bộ nhớ điện trở
truy cập ngẫu nhiên (Resitive Random Access Memory – RRAM)” thực hiện tiểu luận.

1


PHẦN I: TỔNG QUAN BỘ NHỚ KHÔNG KHẢ BIẾN VÀ BỘ NHỚ ĐIỆN
TRỞ TRUY CẬP NGẪU NHIÊN

I. Bộ nhớ điện tĩnh (Nonvolatile memory – NVM)
Bộ nhớ điện tĩnh hay còn gọi là bộ nhớ bất biến là loại bộ nhớ máy tính có thể lấy lại
được thơng tin đã lưu trữ ngay cả khi nó từng bị ngắt nguồn cấp điện.

I.1. Tổng quan chung

Ý tưởng sfí dụng cổng trơi (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 cơng 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 tfí kỹ
thuật số kể từ khi vi mạch RAM lưỡng cực 64 bit được sfí 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 tfí hiện đại. Tất cả các nền tảng máy tính
quen thuộc từ thiết bị cầm tay đến siêu máy tính lớn đều sfí 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 mfíc tiêu
thụ điện năng tương đối ít hơn. Về khía cạnh fíng 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 cfíng và hầu hết các
o SSD sfí dụng bộ nhớ Flash có khả năng đáp fíng các thị trường với những mục đích rất
khác nhau. Mỗi ổ cfíng lại có một số thuộc tính khác nhau được tối ưu hóa và điều chỉnh
để đáp fíng 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 tfí di
động. Ngày nay, điểm nổi bật nhất là khả năng mở rộng dung lượng của thiết bị điện tfí
bị giới hạn về kích thước. Nghiên cfíu 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
(3) tăng mật độ trạng thái trên mỗi ô nhớ bằng cách sfí dụng ô nhớ đa cấp . Để tiếp tục
thu nhỏ, các thiết bị Flash thông thường phải trải qua những thay đổi mang tính cách
mạng. Về cơ bản, người ta mong muốn toàn bộ bộ sưu tập DVD nằm trong lịng bàn
tay. Vì vậy cần có những thiết bị lưu trữ mới hoạt động với nguyên tắc vật lý mới. Rất
đáng để xem xét tới bộ nhớ bán dẫn trong các hệ thống kỹ thuật số. Các thiết bị bán dẫn
được sfí dụng trong mơi trường hệ thống xác định thỏa mãn yêu cầu về mật độ, tốc độ,
cơng suất và chfíc năng. Hơn nữa, bộ nhớ bán dẫn cịn đáp fíng u cầu ý nghĩa về mặt
kinh tế. Trong suốt 3 thập kỷ rưỡi tồn tại, bộ nhớ bán dẫn đã phát triển và đạt rất nhiều
2


thành tựu như mật độ cao hơn, tốc độ cao hơn, cơng suất thấp hơn, nhiều chfíc năng hơn
và chi phí thấp hơn. Đồng thời, hạn chế trong mỗi loại bộ nhớ cũng được tìm ra nhiều
hơn. Do đó, tìm ra những công nghệ mới nổi nhằm vượt qua những hạn chế đó và có khả

năng thay thế tất cả hoặc hầu hết các công nghệ bộ nhớ bán dẫn hiện có để trở thành bộ
nhớ bán dẫn thơng dụng (USM). Ngoài ra, phần thưởng khi tạo ra một thiết bị như vậy sẽ
là giành được quyền kiểm soát một thị trường rộng lớn, từ các fíng dụng máy tính sang
tất cả các sản phẩm điện tf í tiêu dùng. Nhìn về tương lai, có rất nhiều fíng dụng bộ nhớ
mới nổi cho tự động hóa và cơng nghệ thơng tin để chăm sóc sfíc khỏe. Đặc điểm kỹ
thuật của bộ nhớ điện tĩnh (NVM) dựa trên cấu hình cổng trơi. Trong số đó, các bộ nhớ
Flash được thiết kế như NOR Flash và NAND Flash đã được phát triển và sau đó được
sản xuất thành các sản phẩm thương mại trên thị trường với số lượng lớn. Chúng đã
được coi là những sản phẩm quan trọng nhất. NOR có tốc độ hoạt động cao cho cả fíng
dụng mã và lưu trữ dữ liệu. Mặt khác, NAND có mật độ cao cho các fíng dụng lưu trữ dữ
liệu lớn. Kể từ khi bộ nhớ Flash ra đời, thị trường của nó đã tăng trưởng theo cấp số nhân
chủ yếu nhờ vào điện thoại di động và các loại thiết bị điện tf í tiêu dùng khác. Mặc dù
ngày nay việc tích hợp chip silicon là rất đắt đỏ nhưng hãy tưởng tượng đồ chơi, thẻ,
nhãn, huy hiệu, giấy tờ giá trị và đồ dùng y tế được trang bị bộ nhớ và thiết bị điện tf í
linh hoạt. Với nhu cầu ngày càng tăng về lưu trữ thông tin kỹ thuật số mật độ cao, công
nghệ đã khiến mật độ bộ nhớ tăng lên đáng kể trong vài năm qua. Động lực chính để phát
triển bộ nhớ điện tĩnh hữu cơ hiện đang dành cho các fíng dụng của thiết bị điện tf í màng
mỏng, linh hoạt hoặc thậm chí có thể in. Người ta cần một cơng nghệ có thể gắn nhãn
mọi thf í với chfíc năng điện tfí với số lượng lớn và với chi phí thấp trên các chất nền
như nhựa và giấy. Khả năng thương mại hóa bộ nhớ in cuộn để sạc thiết bị lưu trữ được
lựa chọn cho các fíng dụng có độ linh hoạt cao và sfíc mạnh to lớn. Gần đây, polymer (bộ
nhớ nhựa) và các thiết bị bộ nhớ hữu cơ đang được xem xét vì quy trình đơn giản, tốc độ
xf í lý nhanh và khả năng chuyển mạch tuyệt vời. Một ưu điểm đáng kể của bộ nhớ
polymer so với các thiết kế bộ nhớ thơng thường là nó có thể được xếp chồng lên nhau
theo chiều dọc, mang lại việc sfí dụng khơng gian ba chiều (3-D). Điều này có nghĩa là
trong các thiết bị thể rắn terabyte có số lượng bóng bán dẫn cực thấp, chẳng hạn như ổ
đĩa có kích thước bằng một hộp diêm, dữ liệu vẫn tồn tại ngay cả khi đã ngắt nguồn điện.
Thị trường NAND Flash liên tục phát triển nhờ sự ra đời liên tiếp của các thiết bị và fíng
dụng sáng tạo. Để đáp fíng xu hướng thị trường, NVM 3-D dự kiến sẽ thay thế các NVM
phẳng, đặc biệt là đối với các tiến trình 10 nm trở lên. Hơn nữa, bộ nhớ hai trạng thái

(bistable) hữu cơ có cấu trúc đơn giản thể hiện các tính năng bộ nhớ vượt trội đã được
hiện thực hóa bằng cách sfí dụng các hạt nano (NP) khác nhau được pha trộn thành một
vật liệu hữu cơ đơn lớp được kẹp giữa hai điện cực kim loại. Các NP hoạt động như các
bẫy có thể được sạc và phóng điện bằng các xung điện áp thích hợp. Hỗn hợp NP cho
thấy thời gian lưu giữ dữ liệu, tốc độ chuyển mạch và độ bền chu kỳ đầy hfía hẹn, nhưng
dịng điện trên trạng thái quá thấp để cho phép mở rộng thành kích thước nanomet. Rất
nhiều ý tưởng tuyệt vời đã có xu hướng lụi tàn trước khi đạt đến điểm phát triển này,
nhưng điều đó khơng có nghĩa là
3


chúng ta sẽ thấy bộ nhớ nhựa trên thị trường vào năm tới. Vẫn còn khá nhiều rào cản để
vượt qua, riêng về phần mềm đã là một nhiệm vụ lớn, cũng như q trình sản xuất,
nhưng nó đã đưa công nghệ này đến gần hơn với thực tế. Không quá lời khi nói rằng
người ta có thể lưu trữ 400.000 CD, 60.000 DVD hoặc 126 năm nhạc MPG trên một chip
nhớ polymer có kích thước bằng thẻ tín dụng.

I.2. Phân loại công nghệ bộ nhớ trạng thái rắn

Các thiết bị lưu trữ dữ liệu có thể được phân loại dựa trên nhiều tiêu chí chfíc
năng. Trong số đó, bộ nhớ bán dẫn dựa trên silicon được phân loại thành hai loại: điện
động (volatile) và điện tĩnh (nonvolatile). Trong bộ nhớ điện động, thông tin sẽ mất dần
khi nguồn điện bị tắt trừ khi các thiết bị được sfí dụng để lưu trữ dữ liệu sẽ được làm mới
định kỳ. Mặt khác, những bộ nhớ điện tĩnh sẽ lưu giữ lại thông tin được lưu trữ ngay cả
khi nguồn điện bị tắt. Bộ nhớ điện động, chẳng hạn như bộ nhớ truy cập ngẫu nhiên tĩnh
(SRAM) và bộ nhớ truy cập ngẫu nhiên động (DRAM), cần cung cấp điện áp để giữ
thông tin của chúng trong bộ nhớ không bị biến động, cụ thể là bộ nhớ Flash, giữ thông
tin của chúng mà khơng có. DRAM (viết tắt của bộ nhớ truy cập ngẫu nhiên động) là cần
thiết cho tính toàn vẹn của dữ liệu, ngược lại với SRAM. Cấu trúc mạch cơ bản của bộ
nhớ DRAM, SRAM và Flash được thể hiện trong Hình 1. DRAM, SRAM và Flash là

những công nghệ bộ nhớ trạng thái rắn thống trị hiện nay đã có từ lâu, trong đó Flash mới
nhất là 25 năm. DRAM được chế tạo chỉ sfí dụng một bóng bán dẫn và một thành phần tụ
điện, và SRAM thường được chế tạo theo công nghệ CMOS với sáu bóng bán dẫn. Hai
biến tần ghép chéo được sfí dụng để lưu trữ thông tin giống như trong một Flip-Flop. Để
kiểm sốt truy cập, cần thêm hai bóng bán dẫn. Nếu dịng ghi được bật, thì dữ liệu có thể
được đọc và thiết lập với các dòng bit. Mạch bộ nhớ Flash hoạt động với thành phần
FG. FG nằm giữa cổng và khu vực xả nguồn và được cách ly bởi một lớp oxit. Nếu FG
khơng được sạc, thì cổng có thể kiểm sốt dịng xả nguồn. FG được ghi (hiệu fíng đường
hầm) với các electron khi điện áp cao ở cổng được cung cấp, và điện thế âm trên FG hoạt
động chống lại cổng và khơng có dịng điện nào có thể xảy ra. FG có thể xóa bằng điện
áp cao theo hướng ngược lại của cổng. DRAM có lợi thế hơn SRAM và Flash là chỉ cần
một MOSFET với tụ điện. Nó cũng có lợi thế là sản xuất rẻ cũng như tiêu thụ điện năng
thấp hơn so với SRAM nhưng chậm hơn SRAM. Mặt khác, SRAM thường được xây
dựng trong cơng nghệ CMOS với sáu bóng bán dẫn và hai bộ biến tần ghép chéo, và để
kiểm sốt truy cập, cần thêm hai bóng bán dẫn nữa. SRAM có ưu điểm là nhanh chóng,
dễ điều khiển, được tích hợp trong chip, cũng như nhanh chóng vì khơng cần bus như
trong DRAM. Nhưng SRAM có nhược điểm là cần nhiều bóng bán dẫn và do đó tốn
kém, tiêu thụ điện năng cao hơn DRAM. So với DRAM và SRAM, Bộ nhớ flash có FG
giữa cổng và khu vực thoát nguồn và được cách ly bằng một lớp oxit. Bộ nhớ flash
không yêu cầu nguồn điện để lưu trữ thơng tin nhưng chậm hơn SRAM và DRAM.
Hình 1
4


Cấu trúc mạch của bộ nhớ DRAM, SRAM và Flash.
Cả hai loại bộ nhớ có thể được phân loại sâu hơn dựa trên cơng nghệ bộ nhớ mà chúng
sfí dụng và dựa trên sự biến động của dữ liệu như được thể hiện trong sơ đồ phân loại
được mô tả trong Hình 2. Bộ nhớ biến động chủ yếu bao gồm DRAM, có thể được phân
loại thêm thành SDRAM và RAM di động chỉ lưu giữ thơng tin khi dịng điện được cung
cấp liên tục cho thiết bị. Một thiết bị nhớ nhỏ nhưng rất quan trọng khác là SRAM.

Thị trường thiết bị DRAM vượt xa thị trường thiết bị SRAM, mặc dù một lượng nhỏ thiết
bị SRAM được sfí dụng trong hầu hết tất cả các chip logic và bộ nhớ. Tuy nhiên,
DRAM chỉ sfí dụng một bóng bán dẫn và một tụ điện trên mỗi bit, cho phép nó đạt được
mật độ cao hơn nhiều và với nhiều bit hơn trên chip nhớ, mỗi bit sẽ rẻ hơn nhiều. SRAM
không đáng giá đối với bộ nhớ hệ thống máy tính để bàn, nơi DRAM chiếm ưu thế,
nhưng được sfí dụng cho bộ nhớ đệm của nó. SRAM phổ biến trong các hệ thống nhúng
nhỏ, có thể chỉ cần hàng chục kilobyte hoặc ít hơn. Các cơng nghệ bộ nhớ điện động sắp
ra mắt được hy vọng sẽ thay thế hoặc cạnh tranh với SRAM và DRAM bao gồm Z-RAM,
TTRAM, A-RAM và ETA RAM. Trong ngành công nghiệp, các công nghệ bộ nhớ phổ
thông và ổn định mới sẽ xuất hiện như những đối thủ thực sự để thay thế một trong hai
hoặc cả NAND Flash và DRAM. Bộ nhớ flash hiện là sự lựa chọn phù hợp nhất cho
các fíng dụng điện tĩnh vì những lý do sau: Bộ nhớ điện tĩnh bán dẫn bao gồm hầu hết
các thiết bị được gọi là 'Flash' và lưu giữ thông tin của chúng ngay cả khi tắt nguồn. Các
bộ nhớ bán dẫn điện tĩnh khác bao gồm bộ nhớ chỉ đọc mặt nạ (MROM), bộ nhớ có thể
lập trình một lần (OTP) chống sfí dụng và bộ nhớ chỉ đọc có thể xóa bằng điện
(EEPROM). Flash được chia thành hai loại: NOR, được đặc trưng bởi tính năng ghi trực
tiếp và kích thước ơ nhớ lớn, và NAND, được đặc trưng bởi tính năng ghi trang và kích
thước ơ nhớ nhỏ.

5


Các bộ nhớ bán dẫn điện tĩnh thường được phân loại theo các đặc tính chfíc năng
của chúng đối với các hoạt động lập trình và xóa, như được thể hiện trong sơ đồ mơ tả
trong Hình 2. Đây là trơi, nitride, ROM và cầu chì, Flash, các cơng nghệ bộ nhớ mới và
thế hệ mới khác. Ngày nay, những bộ nhớ điện tĩnh này có độ tin cậy cao và có thể được
lập trình đơn giản bằng cách sfí dụng một máy vi tính với hầu như trong mọi thiết bị điện
tfí hiện đại, được kỳ vọng sẽ thay thế những bộ nhớ hiện có.
Hình 2

Lưu đồ phân loại bộ nhớ bán dẫn theo tiêu chí chfíc năng của chúng.
Trong số đó, những bộ nhớ điện tĩnh mới nổi đang rất hấp dẫn. Thị trường bộ nhớ thế
hệ tiếp theo sẽ bao gồm những công nghệ bộ nhớ mới nổi này. Chủ yếu có năm loại cơng
nghệ bộ nhớ điện tĩnh: 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. Bộ
nhớ không linh hoạt, cụ thể là bộ nhớ Flash, được đặc trưng bởi cơ chế xóa khối lớn
(hoặc 'khu vực'), là phân khúc phát triển nhanh nhất của ngành kinh doanh chất bán dẫn
trong 10 năm qua. Một số công nghệ mới nổi hơn này bao gồm MRAM, FeRAM, PCM,
bộ nhớ truy cập ngẫu nhiên đảo từ bằng dòng spin (STT-RAM), RRAM và
memristor. MRAM là một bộ nhớ bộ nhớ truy cập ngẫu nhiên từ điện trở. Không giống
như DRAM, dữ liệu khơng được lưu trữ trong dịng điện tích mà bởi các phần tfí lưu trữ
từ tính. Các phần tfí lưu trữ được hình thành bởi hai tấm sắt từ, mỗi tấm có thể giữ một từ
trường, được ngăn cách bởi một lớp cách điện mỏng. Một trong hai tấm là nam châm
vĩnh cfíu được đặt ở một cực; trường kia có thể được thay đổi để phù hợp với trường bên
ngoài để lưu trữ bộ nhớ. STT-RAM là một MRAM (điện tĩnh) nhưng có khả năng mở
rộng tốt hơn MRAM truyền thống. STT là một hiệu fíng trong đó định hướng của lớp từ
tính trong đường giao nhau của đường hầm từ tính hoặc van quay có thể được sfía đổi
bằng cách sfí dụng dịng điện phân cực spin. Cơng nghệ đảo từ bằng dịng spin có tiềm
năng tạo ra các thiết bị MRAM kết hợp các u cầu hiện tại thấp và giảm chi phí có
thể. Tuy nhiên, hiện tại lượng dòng điện cần thiết để định hướng lại từ hóa là quá cao đối
với hầu hết các fíng dụng thương mại. PCM là một bộ nhớ truy cập ngẫu nhiên không
6


thay đổi, còn được gọi là bộ nhớ hợp nhất ovonic (OUM), dựa trên sự chuyển đổi pha
thuận nghịch giữa trạng thái vơ định hình và tinh thể của thủy tinh chalcogenide, được
thực hiện bằng cách làm nóng và làm mát thủy tinh. Nó sfí dụng đặc tính độc đáo của
chalcogenide (một vật liệu đã được sfí dụng để sản xuất đĩa CD), theo đó nhiệt sinh ra do
dịng điện đi qua sẽ chuyển vật liệu này giữa hai trạng thái. Các trạng thái khác nhau có
điện trở khác nhau có thể được sfí dụng để lưu trữ dữ liệu. Bộ nhớ lý tưởng hay còn gọi

là bộ nhớ hợp nhất sẽ đáp fíng đồng thời ba yêu cầu: tốc độ cao, mật độ cao và không
thay đổi (lưu giữ). Tại thời điểm hiện tại, bộ nhớ như vậy đã không được phát triển. Bộ
nhớ bán dẫn điện tĩnh cổng nổi (NVSM) có mật độ và khả năng lưu giữ cao, nhưng tốc
độ xóa chương trình thấp. DRAM có tốc độ cao (khoảng 10 ns) và mật độ cao, nhưng
không có khả năng lưu giữ. Mặt khác, SRAM có tốc độ rất cao (khoảng 5 ns) nhưng bị
hạn chế bởi mật độ và khả năng lưu giữ. Dự kiến PCM sẽ có khả năng mở rộng tốt hơn
so với các công nghệ mới nổi khác. RRAM là một bộ nhớ điện tĩnh tương tự như PCM.
Khái niệm RRAM là chất điện mơi, thường có tính cách điện, có thể được tạo ra để dẫn
điện qua dây tóc hoặc đường dẫn được hình thành sau khi đặt một điện áp đủ cao. Có thể
cho rằng, đây là một cơng nghệ bộ nhớ và nên được coi là một fíng cfí viên tiềm năng để
thách thfíc NAND Flash. Hiện tại, FRAM, MRAM, và PCM đang được sản xuất thương
mại nhưng so với DRAM và NAND Flash, vẫn bị giới hạn trong các fíng dụng thích hợp.
Có quan điểm cho rằng MRAM, STT-RAM và RRAM là những cơng nghệ mới nổi hfía
hẹn nhất, nhưng chúng vẫn cịn nhiều năm nữa mới có thể cạnh tranh để được áp
dụng trong ngành. Bất kỳ công nghệ mới nào cũng phải có khả năng cung cấp hầu hết
các thuộc tính sau đây để thúc đẩy sự chấp nhận của ngành trên quy mô đại chúng: khả
năng mở rộng của công nghệ, tốc độ của thiết bị và mfíc tiêu thụ điện năng tốt hơn so với
các bộ nhớ hiện có. NVSM là nguồn cảm hfíng tìm kiếm những bộ nhớ điện tĩnh mới lạ,
điều này sẽ dẫn đến thành cơng việc hiện thực hóa và thương mại hóa bộ nhớ thống nhất.
Hiện đang trong q trình phát triển, một lớp công nghệ bộ nhớ điện tĩnh mới sẽ cung
cấp một sự phát triển lớn về tính linh hoạt so với đĩa CD, đặc biệt là khả năng thực hiện
các truy cập ngẫu nhiên, nhanh chóng. Khơng giống như bộ nhớ Flash, những công nghệ
mới này sẽ hỗ trợ cập nhật tại chỗ, tránh tốn thêm chi phí. Hơn nữa, những bộ nhớ điện
tĩnh mới này dựa trên chất tạo màng sinh học axit deoxyribonucleic (DNA) và các vật
liệu hữu cơ và polymer là một trong những thiết bị quan trọng cho công nghệ bộ nhớ thế
hệ tiếp theo với chi phí thấp. Bộ nhớ đóng một vai trị to lớn trong tất cả các cơng nghệ
mới phát triển. Do đó, nỗ lực tạo ra các bộ nhớ hữu cơ mới để sfí dụng trong các thiết bị
điện tfí linh hoạt là điều cần thiết. Tính linh hoạt đặc biệt quan trọng đối với các fíng
dụng điện tfí trong tương lai như thiết bị điện tfí đeo được và giá cả phải chăng. Nhiều
nghiên cfíu đã được thực hiện để áp dụng cơng nghệ điện tfí linh hoạt vào các lĩnh vực

thiết bị thực tế như pin mặt trời, bóng bán dẫn màng mỏng, điốt quang, điốt phát quang
và màn hình. Nghiên cfíu về bộ nhớ linh hoạt cũng được khởi xướng cho các fíng dụng
điện tfí trong tương lai. Đặc biệt, bộ nhớ linh hoạt dựa trên chất hữu cơ có những ưu
điểm như quy trình sản xuất đơn giản, nhiệt độ thấp và chi phí thấp. Ngoài ra, với nhu
cầu ngày càng tăng về lưu trữ thông tin kỹ thuật số mật độ cao, mật độ bộ nhớ NAND
Flash đã tăng lên đáng kể trong vài thập kỷ qua. Mặt khác, việc mở rộng kích thước
thiết bị để
7


tăng mật độ bộ nhớ được cho là ngày càng khó khăn hơn theo cách có thể mở rộng với
chi phí bit do các hạn chế về điện và vật lý khác nhau. Như một giải pháp cho các vấn đề,
bộ nhớ NAND Flash có các lớp xếp chồng lên nhau đang được phát triển các phần mở
rộng. Trong bộ nhớ 3-D, có thể giảm chi phí bằng cách xây dựng nhiều ô nhớ xếp chồng
lên nhau theo hướng dọc mà khơng cần chia tỷ lệ kích thước thiết bị. Đây là một bước đột
phá cho những hạn chế về tỷ lệ, các kiến trúc bộ nhớ xếp chồng 3-D khác nhau đang
được phát triển và kỳ vọng vào thị trường khổng lồ của bộ nhớ 3-D trong tương lai
gần. Với rất nhiều kỳ vọng, bộ nhớ thế hệ tương lai có tiềm năng thay thế hầu hết các
cơng nghệ bộ nhớ hiện có. Các cơng nghệ bộ nhớ mới và đang phát triển cũng được đặt
tên là bộ nhớ chung; điều này có thể làm phát sinh một thị trường khổng lồ cho các fíng
dụng máy tính cho tất cả các sản phẩm điện tfí tiêu dùng.

II. Bộ nhớ điện trở truy cập ngẫu nhiên (Resistance random access memory
– RRAM)
Bộ nhớ khơng khả biến (NVM) sẽ đóng một vai trò quyết định trong sự phát triển của
thế hệ tiếp theo của sản phẩm điện tfí. Do đó, việc phát triển NVM thế hệ tiếp theo là cấp
thiết khi bộ nhớ flash đang đối mặt với giới hạn vật lý của nó. Trong số các NVM thế hệ
tiếp theo khác nhau, bộ nhớ điện trở truy cập ngẫu nhiên (RRAM) là một fíng cfí viên
đầy hfía hẹn cho bộ nhớ trong tương lai do đặc tính hiệu quả cao, tốc độ cao và tiết kiệm
năng lượng. Trong những năm gần đây, sự cải tiến liên tục và có chiều sâu điều tra về cả

vật liệu và cơ chế chuyển mạch điện không chỉ dẫn đến đột phá về hiệu suất của NVM ,
mà còn dẫn đến đột phá ở các chfíc năng khác của bộ nhớ như cấu trúc vật liệu, cơ chế
chuyển mạch...
Trong thế hệ tiếp theo của công nghệ kỹ thuật số - bao gồm điện tfí tiêu dùng hướng
tới tương lai và Internet vạn vật (IoT) - bộ nhớ khơng thay đổi (NVM) sẽ đóng một vai
trị quyết định. Hiện nay, bộ nhớ flash không bay hơi đã được áp dụng rộng rãi trong các
thiết bị điện tfí. Tuy nhiên, bộ nhớ flash khơng thể theo kịp tốc độ với kích thước linh
kiện giảm liên tục và dung lượng lưu trữ ngày càng tăng do giới hạn vật lý của các cổng
oxit. ReRAM là một hướng đi tốt cho sự phát triển công nghệ bộ nhớ trong tương lai.
Trong những năm gần đây, những cải tiến liên tục vật liệu và cơ chế chuyển mạch đã
chfíng tỏ một bước đột phá trong hiệu suất của RRAM. Dựa trên sự so sánh của các bộ
nhớ kỹ thuật số được hiển thị trong bảng 1, RRAM là hfía hẹn nhất fíng cfí viên cho bộ
nhớ thế hệ tiếp theo do những ưu điểm của nó trong cả bộ nhớ làm việc và bộ nhớ chính.
RRAM có điện áp và công suất hoạt động rất thấp, tốc độ ghi / xóa cực nhanh và độ tin
cậy cao. RRAM khơng thay đổi và có dung lượng lưu trữ lớn. Hơn nữa, do khả năng
tương thích tuyệt vời với tích hợp quy trình mạch (IC) và khả năng mở rộng, RRAM có
tiềm năng thương mại hóa và sản xuất.

8


Hiện nay, các bộ nhớ được nghiên cfíu và phát triển dựa trên những đặc tính ưu điểm
các bộ nhớ hiện hành. Các công nghệ bộ nhớ mới nổi này nhằm mục đích tích hợp tốc độ
chuyển mạch như SRAM, mật độ lưu trữ tương đương như DRAM và tính khơng biến
động của bộ nhớ Flash, do đó trở thành những lựa chọn thay thế rất hấp dẫn cho hệ thống
bộ nhớ trong tương lai.
Để phân loại thiết bị nhớ là thiết bị lý tưởng, thiết bị đó phải có các đặc điểm sau: điện
áp hoạt động thấp (< 1 V), độ bền chu kỳ dài (> 10 17 chu kỳ), nâng cao thời gian lưu giữ
dữ liệu (> 10 năm), tiêu thụ năng lượng thấp ( fJ / bit), và khả năng mở rộng vượt trội
(<10 nm) . Tuy nhiên, khơng có bộ nhớ duy nhất nào cho đến nay đáp fíng được những

đặc điểm lý tưởng này. Nhiều công nghệ bộ nhớ mới nổi khác nhau đang được tích cực
nghiên cfíu để đáp fíng một phần của các đặc điểm bộ nhớ lý tưởng này. Các công nghệ
bộ nhớ này phụ thuộc vào sự thay đổi của điện trở thay vì điện tích để lưu trữ thơng tin:
bộ nhớ thay đổi pha (PCM), bộ nhớ truy cập ngẫu nhiên từ tính mơ men xoắn truyền spin
(STT-MRAM) và bộ nhớ truy cập ngẫu nhiên điện trở (RRAM). Nổi bật hơn hết là cơng
nghệ RRAM vì lợi thế chế tạo như cấu trúc kim loại- cách điện- kim loại (MIM), khả
năng mở rộng tuyệt vời, tốc độ nano giây, lưu giữ dữ liệu lâu và khả năng tương thích với
cơng nghệ CMOS hiện tại.

9


II.1. Vật liệu chuyển mạch điện trở (Resistance Switching Materials)

Cấu trúc của một RRAM đơn giản gồm kim loại – cách điện – kim loại (MIM).
Ở lớp cách điện, dưới tác dụng điện trường mà điện trở lớp cách điện thay đổi. Vật
liệu cách điện thường là các oxit kim loại do khả năng tương thích tiến trình CMOS. Nổi
bật các vật liệu cách điện nghiên cfíu gần đây như oxit hafnium (HfO x ), oxit titan
(TiOx), oxit tantali (TaOx ) , oxit niken (NiO), oxit kẽm (ZnO), kẽm titanat (Zn 2TiO4),
mangan oxit (MnOx), magie oxit (MgO) , nhôm oxit (AlOx) và zirconium dioxide (ZrO2).
Ở lớp điện cực trên, các vật liệu được chia thành năm loại cơ bản dựa trên cơ sở thành
phần của chúng: điện cực chất cơ bản, điện cực dựa trên silicon, điện cực hợp kim, điện
cực oxit và điện cực dựa trên nitrit. Các điện cực phổ biến nhất và thường được sfí dụng
là các điện cực chất cơ bản bao gồm Al, Ti, Cu, graphene, ống nano cacbon, Ag, W, và
Pt. Đối với điện cực dựa trên silicon, Si loại p và Si loại n là các loại điện cực duy nhất
được sfí dụng. Điện cực hợp kim thường ổn định hành vi chuyển đổi điện trở và chủ yếu
bao gồm Cu-Ti, Cu-Te, và Pt-Al. Các điện cực dựa trên nitride phổ biến nhất là TiN và
TaN. Các điện cực dựa trên oxit tương đối nhiều, bao gồm ZnO pha tạp Al, ZnO pha tạp
Ga và ITO.
Vật liệu điện cực dưới cùng trong RRAM thường là bạch kim, hơi khó khắc.

Điện cực trên cùng và lớp cách điện được lắng đọng bằng cách sfí dụng lắng đọng lớp
nguyên tfí (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
12 năm trở lại đây.

10


11


II.2. Chế độ chuyển mạch điện trở

12


Việc áp dụng xung điện áp bên ngồi qua ơ RRAM cho phép chuyển đổi thiết bị từ
trạng thái điện trở cao (HRS), hoặc trạng thái TẮT thường được gọi là giá trị logic '0'
sang trạng thái điện trở thấp (LRS), hoặc trạng thái BẬT nói chung được gọi là giá trị
logic '1' và ngược lại. Hiện tượng chuyển mạch điện trở (RS) được coi là lý do đằng sau
sự thay đổi giá trị điện trở này trong ô RRAM. RRAM chuẩn bị ban đầu ở trạng thái điện
trở cao (HRS), để chuyển thiết bị từ HRS sang LRS, việc áp dụng xung điện áp cao cho
phép hình thành các đường dẫn trong lớp chuyển mạch và ô RRAM được chuyển trạng
thái LRS. Quá trình này xảy ra do sự phân hủy mềm của cấu trúc kim loại - cách điện kim loại (MIM) thường được gọi là 'quá trình tạo điện' và điện áp mà quá trình này xảy ra
được gọi là điện áp hình thành (V f ). Cần phải lưu ý rằng điện thế hình thành phụ thuộc
vào diện tích tế bào và độ dày lớp oxit. Bây giờ, để chuyển ô RRAM từ LRS sang HRS,
xung điện áp được gọi là điện áp ‘ĐẶT LẠI’ (V RESET) và quá trình này gọi là quá trình
‘ĐẶT LẠI’. HRS của RRAM có thể được thay đổi thành LRS khi áp dụng xung điện áp.
Điện áp tại đó xảy ra quá trình chuyển đổi từ HRS sang LRS được gọi là điện áp ‘ĐẶT’
(VSET) và quá trình này được gọi là quá trình 'ĐẶT'. Để đọc dữ liệu từ ô RRAM một cách

hiệu quả, một điện áp nhỏ sẽ không làm ảnh hưởng đến trạng thái hiện tại của ô được áp
dụng để xác định xem ô đang ở trạng thái logic 0 (HRS) hay trạng thái logic 1 (LRS). Vì
cả LRS và HRS vẫn giữ nguyên các giá trị tương fíng của chúng ngay cả sau khi loại bỏ
điện áp đặt vào, RRAM là một bộ nhớ không thay đổi. Tùy thuộc vào cực tính của điện
áp đặt vào, RRAM có thể được phân loại thành hai loại chế độ chuyển mạch: chuyển
mạch đơn cực và chuyển mạch lưỡng cực. Trong chuyển mạch đơn cực, việc chuyển đổi
(quá trình đặt và đặt lại) của thiết bị giữa các trạng thái điện trở khác nhau không phụ
thuộc vào cực của điện áp đặt vào, tfíc là chuyển đổi có thể xảy ra khi đặt một điện áp có
cùng cực nhưng độ lớn khác nhau như trong Hình 4a. Mặt khác, trong chuyển mạch
lưỡng cực, việc chuyển đổi (quá trình đặt và đặt lại) của thiết bị giữa các trạng thái điện
trở khác nhau phụ thuộc vào cực của điện áp đặt vào, tfíc là sự chuyển đổi từ HRS sang
LRS, xảy ra ở một cực (dương hoặc âm) và cực ngược lại chuyển ô RRAM trở lại HRS
như được mơ tả trong Hình 4b. Ngồi ra, hiệu fíng nhiệt Joule tồn tại trong q trình
chuyển mạch có thể làm làm đường dẫn điện. Vì thế để giảm thiểu sự cố trong quá trình
thiết kế cần lưu ý chỉ số dòng điện tuân thủ (ICC).

13


II.3. Cơ chế chuyển mạch điện trở

Việc chuyển mạch của RRAM dựa trên dây tóc dẫn điện (conductive filament - CF)
bên trong chất điện mơi. CF là một kênh có đường kính rất nhỏ cỡ vài nanomet nối các
điện cực trên cùng và dưới cùng của ô nhớ. Khi kết nối dây tóc thì ơ nhớ ở trạng thái điện
trở thấp (LRS) với độ dẫn điện cao và khi dây tóc bị ngắt kết nối ơ nhớ ở trạng thái điện
trở cao (HRS) với độ dẫn điện thấp. Dựa trên thành phần của dây tóc dẫn điện, RRAM có
thể được phân loại thành hai loại sau: RRAM dựa trên sự di chuyển của ion kim loại còn
được gọi là bộ nhớ truy cập ngẫu nhiên cầu dẫn điện (CBRAM) và RRAM dựa trên sự
dịch chuyển của ion oxy gọi tắt thành OxRRAM.

II.3.1. Phản fíng oxy hóa khfí và sự di chuyển của các ion cation (CBRAM)

14


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 ơ nhớ CBRAM được mơ tả trong Hình 5a. Điện cực trên cùng Ag là thành
phần tích cực trong q 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, q 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
fíng khfí (Ag+ + e- → Ag) xảy ra ở điện cực đáy. Do đó, các cation Ag + bị khfí thành
ngun tfí Ag và tích lũy cho đến khi cầu dẫn được hình thành. Q trình 'ĐẶT' này
được mơ 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 mơ tả trong hình
5e.

II.3.2. Phản fíng oxy hóa khfí và sự di chuyển của các ion anion (OxRRAM)
Phản fíng oxy hóa khfí và sự di chuyển của các ion anion thường liên quan đến việc
tạo ra chỗ trống oxy (V 2+¿¿
) và sự di dời các ion oxy sau đó (O 2-), do đó cho phép hình
o
thành dây tóc dẫn điện giữa các điện cực trên và dưới của tế bào RRAM. Khi tác dụng
điện trường các ion ôxy (O 2-) sẽ đi về phía mặt phân cách cực dương. Các ion ơxy (O 2-)
phản fíng với các vật liệu làm anốt sẽ tạo ra các phân tfí oxi, nếu các kim loại quý được
sfí dụng làm vật liệu cho anơt để tạo thành một lớp ơxít bề mặt. Tiếp theo, sự tích tụ của
các chỗ trống oxy (V 2+¿¿
) trong ơxít khối lượng lớn sẽ chuyển ơ RRAM sang trạng thái

o
điện trở thấp (LRS) khi dây tóc dẫn điện (CF) được hình thành và dịng điện đáng kể
chạy trong thiết bị. Để chuyển mạch về trạng thái điện trở cao (HRS), q trình thiết lập
lại xảy ra trong đó các ion oxy (O 2-) di chuyển trở lại và kết hợp với ô trống ôxy ( V 2+¿¿
)
o
hoặc để ôxy hoá các kết tủa kim loại CF và do đó làm đfít một phần dây tóc. Đối với các
tế bào RRAM biểu hiện cơ chế chuyển mạch đơn cực, sự khuếch tán của các ion oxy
(O2-) được kích hoạt nhiệt bởi dịng điện gia nhiệt Joule và do đó các ion oxy khuếch tán
khỏi bề mặt phân cách hoặc vùng xung quanh CF do gradient nồng độ. Ngoài ra, cần lưu
ý rằng cần phải có dịng đặt lại tương đối cao hơn trong RRAM chuyển mạch đơn cực để
tăng nhiệt độ cục bộ xung quanh CF. Mặt khác, trong RRAM chuyển mạch lưỡng cực,
các ion oxy (O2-) cần được hỗ trợ bởi điện trường ngược vì lớp mặt phân cách có thể tạo
ra một rào cản khuếch tán đáng kể và sự khuếch tán nhiệt thuần túy là không đủ. Cần lưu
ý rằng sự vỡ một phần của CF diễn ra trong cả hai trường hợp, chuyển tế bào RRAM
sang trạng thái kháng cao (HRS). Điều này chủ yếu là do sự hình thành các khoảng trống
oxy (Vo 2+¿¿) và vùng nghèo dẫn đến khoảng trống đường hầm cho các electron. Để
chuyển thiết bị trở lại quy trình LRS (SET), CF kết nối lại các điện cực do sự cố đfít
mềm trong vùng khe hở. Một q trình thiết lập/ đặt lại tương tự có thể lặp lại trong
nhiều chu kỳ.
15


II.4. Đặc tính của bộ nhớ điện trở truy cập ngẫu nhiên (RRAM)

II.4.1. Độ bền
Việc chuyển đổi giữa các trạng thái điện trở có thể gây suy giảm hiệu suất RRAM. Do
đó, độ bền được định nghĩa là số lần một thiết bị RRAM có thể được chuyển đổi giữa
HRS và LRS và đảm bảo được một tỉ lệ tin cậy.
Số lượng các ion bị giảm trong vùng hoạt động trong các lần chuyển tiếp dẫn đến sự

suy giảm độ bền.

II.4.2. Sự lưu trữ
Việc lưu giữ dữ liệu của thiết bị RRAM liên quan đến tính ổn định trong một khoảng
thời gian đối với cả LRS và HRS sau khi trải qua q trình chuyển đổi SET và RESET.
Nói cách khác, khoảng thời gian mà ơ nhớ sẽ duy trì ở một trạng thái cụ thể sau khi hoạt
động SET/ RESET xác định khả năng lưu trữ của ô nhớ. Việc áp dụng fíng suất điện áp
khơng đổi (CVS) theo thời gian bằng cách sfí dụng điện áp đọc thấp (0,1 V) và phép đo
đường cong dòng điện so với thời gian (It) cho cả LRS cũng như HRS cho phép đo duy
trì trạng thái. Do tính chất phân tán nguyên tfí gây ra trong RRAM khi đặt điện áp, khó
có được thời gian lưu lâu trong LRS, trong khi đó. Trong HRS, việc lưu giữ khơng phải
là vấn đề đáng lo ngại vì nó thường là trạng thái tự nhiên của RRAM sẽ tiếp tục để duy
trì trạng thái này nếu khơng có độ chệch (hoặc độ chệch thấp) được áp dụng. Việc lưu giữ
trong LRS phụ thuộc vào giới hạn tuân thủ trong quá trình chuyển đổi SET, ví dụ như
trong RRAM dựa trên cơ chế chuyển mạch dây dẫn điện, dòng điện tuân thủ lớn hơn tạo
ra dây tóc dẫn điện mạnh hơn, lâu hơn so với dòng điện tuân thủ nhỏ hơn.

16


Các đặc tính thiết bị của RRAM dựa trên HfO X được phát triển tại Viện Nghiên cfíu
Cơng nghệ Cơng nghiệp, Đài Loan, được chfíng minh để hiểu sâu hơn về hoạt động của
thiết bị RRAM. Hình ảnh điện tfí hiển vi truyền qua (TEM) TiN/ Ti/ HfO X/ TiN RRAM
với kích thước tế bào 30 nm được thể hiện trong Hình 7a. Thiết bị thể hiện các đặc tính
chuyển mạch lưỡng cực và đường cong IV thu được ở dòng điện tuân thủ đặt 200 μA
được thể hiện trong Hình 7b. Thiết bị thể hiện độ bền 10 6 chu kỳ chuyển mạch với tỷ lệ
bật/tắt điện trở lớn hơn 100 ở điều kiện lập trình SET/ RESET của xung + 1,5 V / - 1,4 V
với độ rộng xung 500 μs và tương tự được mô tả trong Hình 7c.

II.4.3. Tính đồng nhất

Trong ơ RRAM, tính đồng nhất kém của các đặc tính thiết bị khác nhau là một trong
những yếu tố quan trọng hạn chế việc sản xuất trên quy mô rộng hơn. Các điện áp
chuyển mạch, cũng như cả HRS và LRS điện trở, là một trong những thơng số biểu hiện
một mfíc độ cao của sự thay đổi. Các biến thể của chuyển mạch điện trở bao gồm dao
động theo thời gian (chu kỳ này sang chu kỳ khác) và dao động không gian (thiết bị này
sang thiết bị khác). Bản chất ngẫu nhiên của sự hình thành và vỡ sợi dẫn điện được cho
là nguyên nhân chính cho các biến thể. Sự biến đổi của chu kỳ là một trở ngại lớn cho
việc lưu trữ
17


thông tin trong các thiết bị RRAM. Sự biến thiên theo chu kỳ và sự biến đổi thiết bị ảnh
hưởng bởi sự thay đổi số lượng khuyết tật ôxy trống phát sinh trong CF do bản chất ngẫu
nhiên của nó hình thành và đfít gãy trong q trình chuyển mạch. Do tính chất ngẫu
nhiên này của CF, việc dự đốn và kiểm sốt chính xác hình dạng của CF trở nên vơ cùng
khó khăn.

II.5. Khả năng lưu trữ đa mfíc trên RRAM

Do kích thước vật lý nhỏ và tiêu thụ điện năng thấp, các thiết bị RRAM có tiềm năng
cho các fíng dụng bộ nhớ và logic trong tương lai. Mật độ lưu trữ tăng là một trong
những khía cạnh quan trọng nhất của công nghệ bộ nhớ để cho phép thiết kế dung lượng
đa bit ô nhớ. Nhiều trạng thái điện trở có thể đạt được trong các ơ RRAM mang lại lợi
ích của các giải pháp lưu trữ dữ liệu không bay hơi mật độ cao và chi phí thấp. Lưu trữ
đa mfíc trên mỗi ơ nhớ (MLC) là một trong những đặc tính hfía hẹn nhất của RRAM có
thể làm tăng đáng kể mật độ lưu trữ của bộ nhớ. Do đó, thay vì một trạng thái chuyển
mạch điện trở cao và thấp duy nhất (HRS và LRS), chúng ta có thể đạt được nhiều HRS
và LRS mà khơng cần thay đổi kích thước thiết bị. Tuy nhiên, để đạt được hoạt động
MLC đáng tin cậy, cần đảm bảo việc kiểm sốt chính xác điện trở của các mfíc điện trở
khác nhau của RRAM. Nếu khơng, thiết bị sẽ gặp phải các vấn đề về biến đổi điện trở do

bản chất ngẫu nhiên của sự hình thành dây dẫn điện trong q trình chuyển mạch.
Có ba phương pháp lưu trữ đa mfíc trên mỗi ơ nhớ: thay đổi dòng điện tuân thủ; điều
khiển điện áp đặt lại; thay đổi độ rộng xung của chương trình / hoạt động xóa.

II.5.1. Phương pháp thay đổi dịng điện tn thủ
Thiết bị RRAM thường được vận hành với cấu hình ơ 1-RRAM (1R) hoặc trong cấu
hình ơ 1 bóng bán dẫn 1-RRAM (1T-1R). Các đặc tính MLC trong cấu hình 1R có thể
thu được bằng cách thay đổi sự tuân thủ dịng điện (I CC) trong q trình hoạt động 'SET'
trong khi các đặc tính MLC trong cấu trúc tế bào 1-Transistor 1-RRAM (1T-1R) được
điều khiển bằng cách thay đổi điện áp tại cổng của bóng bán dẫn, cho phép kiểm sốt
dịng điện tn thủ (ICC) trong q trình hoạt động thiết lập của ô RRAM. Các đường
cong đặc tuyến I-V của MLC dựa trên Ti /Ta 2O5/Pt được thể hiện trong hình 11. Khi tăng
ICC từ 150 μA lên 1 mA, sáu LRS khác nhau thu được ở ICC = 150 μA, ICC = 200 μA, ICC =
300 μA, ICC = 500 μA và ICC = 700 μA, ICC = 1 mA do sự gia tăng dịng điện tương fíng
của LRS (ILRS) trong khi HRS được duy trì khơng đổi và dịng điện HRS (I HRS) khơng đổi
đối với tất cả các mfíc LRS. Đối với RRAM Ti /Ta 2O5/Pt, với việc tăng ICC, dòng đặt lại
tối đa (IRESET) cũng tăng trong khi điện áp đặt gần như được duy trì khơng đổi. Ngồi ra,

18


người ta quan sát thấy rằng điện trở của LRS (RLRS) giảm trong khi (IRESET) tăng lên do sự
hình thành dây tóc mạnh hơn với sự gia tăng ICC.

Việc gia tăng ICC dẫn đến sự gia tăng đường kính CF và do đó dẫn đến nhiều mfíc LRS.
Tuy nhiên để trở về trạng thái chuyển mạch cao (HRS), đối với đường kính lớn thì địi
hỏi cơng suất để phá vỡ đường dẫn này. Do đó thời gian chuyển mạch sẽ lâu hơn.

19

II.5.2. Phương pháp điều khiển điện áp đặt lại
Các đặc tính MLC trong ơ RRAM cũng có thể đạt được bằng cách điều khiển điện áp
đặt lại (VRESET) trong khi (ICC) được duy trì khơng đổi. Trong trường hợp này, các đường
cong đặc tính I-V (MLC) dựa trên TiN/HfO X/AlOX/Pt bằng cách áp dụng (V RESET) khác
nhau ( -2.1 V, -2.7 V và -3.3 V) được thể hiện trong Hình 13. Quan sát thấy rằng với sự
gia tăng VRESET thì dịng điện HRS (IHRS) giảm, do đó thu được nhiều mfíc HRS.

20


Sự giảm IHRS cùng với sự gia tăng V RESET chủ yếu là do sự gia tăng khoảng cách giữa
điện cực kim loại và đầu dây tóc dẫn điện (CF) như được mơ tả trong Hình 14 . Độ lớn
của VRESET càng nhiều, khoảng cách càng lớn và do đó giá trị của điện trở càng cao. Do
đó, sự gia tăng khoảng cách giữa đầu CF và điện cực dưới cùng (BE) cùng với việc tăng
điện áp đặt lại dẫn đến nhiều mfíc điện trở của HRS.

II.5.3. Phương pháp thay đổi độ rộng xung của chương trình / hoạt động xóa
Đặc tính MLC cũng có thể thu được bằng cách thay đổi chương trình / độ rộng xung
xóa trong khi biên độ của xung được duy trì khơng đổi. Phương pháp này thu được các
đặc tính MLC trong RRAM tương đối dễ dàng hơn. Tuy nhiên, chương trình này khơng
hiệu quả về mặt năng lượng. Phần năng lượng tiêu tán cao hơn phần năng lượng nhiệt
chuyển mạch điện trở.

II.6. Các fíng dụng của RRAM

II.6.1. Các cổng logic khơng khả biến
Các mã lệnh và dữ liệu được truyền bằng cách sfí dụng các bus giữa các đơn vị khác
nhau trong một hệ thống máy tính có kiến trúc von Neumann có đơn vị bộ nhớ và đơn vị
tính tốn riêng biệt. Q trình truyền dữ liệu này làm tăng mfíc tiêu thụ năng lượng và độ

trễ thời gian, thường được gọi là 'nút cổ chai von Neumann'. Để giảm tác động của nút
thắt cổ chai von Neumann, quy trình tính tốn sfí dụng RRAM để thay đổi bộ nhớ và các
hoạt động tính tốn trong cùng một lõi. Ngồi ra, để có được mật độ tích hợp cao và chi
phí thấp, kiến trúc mảng của RRAM rát có lợi. Ví dụ, để có được các hàm logic Boolean
đơn giản như 'logic NOT', 'logic AND' và 'logic OR', yêu cầu cần nhiều bóng bán dẫn và
mỗi bóng bán dẫn đơn có diện tích 8−10 F2 . Các hàm logic này có thể được thực hiện
21


bằng cách sfí dụng hai hoặc ba ơ RRAM, dẫn đến tổng diện tích gần đúng chỉ khoảng 10
F2.

II.6.2. Điện toán nơ-ron
Để vượt qua 'nút thắt cổ chai von Neumann', một trong những cách hiệu quả là tính
tốn lấy cảm hfíng từ nhận thfíc con người như nhận dạng hình ảnh / âm thanh, tự lái xe
và phân tích xfí lí dữ liệu. So với mạng nơ-ron dựa trên CMOS, tính tốn nơ- ron dựa
trên mảng RRAM mang lại lợi thế về lưu trữ dữ liệu lớn, huấn luyện dữ liệu và khả năng
mở rộng kích thước mảng. Ngồi ra, tốc độ xfí lý của RRAM tăng gấp 3 lần, trong khi tỷ
lệ tiêu thụ điện năng giảm đi bốn lần so với công nghệ CMOS.

II.6.3. Ứng dụng trong bảo mật
Khía cạnh bảo mật trở nên nổi bật hơn với sự phát triển nhanh chóng trong lĩnh vực
cơng nghệ thơng tin, do đó cần có các mạch tích hợp bảo mật dựa trên phần cfíng. Trái
ngược với các mạch bảo mật dựa trên logic CMOS khai thác tính chất ngẫu nhiên của
quá trình sản xuất chất bán dẫn, các mạch bảo mật dựa trên RRAM mạnh mẽ hơn trước
các cuộc tấn công ở nhiều dạng khác nhau do cơ chế chuyển mạch hồn tồn ngẫu nhiên
của nó. Cần phải lưu ý rằng đối với các fíng dụng bảo mật, cần có sự thay đổi lớn hơn
của các thơng số thiết bị RRAM như nhiễu điện báo ngẫu nhiên (RTN), các biến thể điện
trở và chuyển mạch xác suất, điều này hồn tồn khác với các bộ nhớ có u cầu thay đổi
mfíc độ nhỏ giữa nhiều thơng số.

II.6.4. SRAM khơng khả biến
Các công nghệ bộ nhớ khả biến như SRAM và DRAM có thể tiêu thụ hơn một nfía
cơng suất tĩnh trong các chip SoC di động hiện tại. Do đó, để giảm diện tích và tiêu thụ
năng lượng thấp, SRAM được thiết kế tích hợp trên RRAM (nvSRAM) ví dụ như hai ô
RRAM được xếp chồng lên nhau trên tám bóng bán dẫn, tạo thành cấu trúc 8T2R. Ngồi
ra cịn có bộ nhớ truy cập nội dung địa chỉ không khả biến kiến trúc 4T2R, Flipflop
không khả biến... nhằm giảm thời gian truy xuất dữ liệu.

22