随着行动数位生活的到来,在智慧型手机、数位相机和行动装置对於非挥发性记忆体的需求急遽上升。非挥发性记忆体在技术上已经发展到可以兼具高速,高密度和低功耗的功能。但是随着持续不断的微缩,快闪记忆体将会面临到的挑战是薄穿穿隧化层所带来的持久度下降。在长时间的操作下,厚度在10奈米以下的穿隧氧化层会使电子直接穿隧或藉由缺陷穿隧而造成在浮栅的电荷损失。因此,数种非挥发性记忆体如铁电随机存取记忆体、磁性随机存取记忆体和电阻式随机存取记忆体被广泛的研究。在电阻式随机存取记忆体方面有许多具有发展潜力的候选人,包含属於多元钙钛矿种类的PCMO、PZT、SZO、STO和二元金属氧化物的氧化镍、二氧化钛、二氧化铪、氧化铝和氮氧化铪。要达到可以应用的记忆体必须符合低功率损耗、与目前的互补型金属氧化物半导体的相容性、高速操作、能持续微缩和简单的金属-绝缘层-金属的三层结构。而电阻性操作机制是归因於导电细丝的形成与断裂,并且与诱捕/去诱捕、再氧化/还原和氧离子的Mott转换的迁移有关系。另外,随机细丝的形成与破裂会导致操作电压与记忆体在连续操作下的状态产生波动,并且可能会导致严重的控制和读取的问题。 首先,我们制作了Ni/GeOx/PbZr0.5Ti0.5O3/TaN电阻式操作记忆体,在单极操作模式下,双层的Ni/GeOx/PZT/TaN电阻式随机存取记忆体拥有着与缺乏共价键介电质GeOx的Ni/PZT/TaN RRAM相比超过100倍的阻值视窗、85度的高温持久度和高达2000次的直流操作次数。 接下来为了改善分布特性,我们利用氧化锗(GeOx)与二氧化钛(TiO2)来形成Ni/GeOx/TiOx/TaN电阻式操作记忆体来得到更好的元件到元件之间 (device-to-device)的分布特性与持久性。此电阻式记忆体表现出30 毫瓦的操作功率、10万次操作特性与高温85度的持久度。 为了比较不同的共价键绝缘层,我们比较了室温下制作氧化铝(AlOx)和氧化锗(GeOx)在二氧化钛上的差异。虽然氧化铝/二氧化钛与氧化锗/二氧化钛在操作电流与开/关特性上有着诸多的相似,但是氧化铝/二氧化钛电阻式记忆体与氧化锗/二氧化钛相比之下表现出较差的持久度与操作一致性。在持久度方面,氧化铝/二氧化钛电阻式记忆体由於较高的高阻态电流和与氧化锗/二氧化钛相比较低的0.4电子伏特的活化能,因此只能达到60度的持久度。 最後,为了避免氧化锗受到大气中水气的影响而退化,我们制作了锗掺杂二氧化矽的电阻式记忆体来达到单层的简单结构、一万次的60毫秒高速操作和高温85度的良好持久度。