非揮發性記憶體的運作原理 — 依記憶體種類介紹

非揮發性記憶體的運作原理 — 依記憶體種類介紹

非揮發性記憶體是一種即使電源關閉資料也不會消失的記憶體。非揮發性記憶體有多種類型，而電源關閉後資料不消失的機制則因記憶體種類而異。本文將解說各種非揮發性記憶體的運作原理。

本頁面介紹FeRAM以外的非揮發性記憶體運作原理。 關於FeRAM的運作原理，請參閱以下頁面。

FeRAM 原理全解析：從基本結構到非揮発性記憶體的優勢比較

ReRAM的運作原理

圖1 ReRAM的概念圖

利用置於兩個電極之間的金屬氧化物等絕緣體（常用鉭、鉿等金屬氧化物）的電阻變化來記憶資訊（圖1）[2]。

在兩個電極之間施加電壓時，處於高電阻狀態（HR）的絕緣體在特定電壓下會形成稱為「細絲（Filament）」的電流路徑，進而轉變為低電阻狀態（LR）。

當電壓進一步提高時，這個細絲會消失，使原本處於LR的絕緣體回到HR狀態（類似於過電流使細絲因熱熔化而無法導電的現象）。

要恢復到原始的HR狀態，目前主流方法是反轉電極極性，利用細絲的氧化還原反應來進行改寫。

讀取資訊時，在兩個電極施加比寫入電壓更低的電壓，然後讀取電流值。

由於必須施加高電壓並流通大電流才能改寫記憶，因此成為非揮發性記憶體。

除了這種運作機制的ReRAM之外，也有利用電極與絕緣體之間的蕭特基能障（Schottky Barrier）高度變化或氧化還原反應來產生HR和LR狀態並運作的ReRAM。

PCRAM的運作原理

圖2 PCRAM的概念圖

利用置於兩個電極之間的硫屬化物（Chalcogenide）絕緣體（常用Ge₂Sb₂Te₅）等的電阻變化來記憶資訊（圖2）[3]。

這類絕緣體在非晶態（構成元素如玻璃般無序排列的狀態）時為高電阻狀態（HR），在結晶態時為低電阻狀態（LR）。

透過在夾著硫屬化物的電極間施加電壓並流通電流，可以加熱硫屬化物。緩慢切斷電流可形成結晶態，快速切斷電流急速冷卻則可形成非晶態，藉此完成資訊寫入。

讀取資訊時，在兩個電極施加比寫入電壓更低的電壓，然後讀取電流值。只要不流通會提高溫度的電流，記憶就能非揮發性保持。

PRAM除了使用硫屬化物外，也會使用將薄GeTe層與Sb₂Te₃層多層反覆堆疊（超晶格結構）的材料。

PRAM因為利用熱能，存在功耗較高的問題，且高密度封裝時相鄰記憶單元可能因熱影響而產生錯誤等課題。

MRAM的運作原理

圖3 MRAM的概念圖

在用薄絕緣體（常用MgO）夾於兩個磁體之間的結構中，穿透絕緣體在兩個磁體間流動的電流（穿隧電流）會隨著磁體相對磁化方向而變化（穿隧磁阻效應，TMR效應）。

MRAM是利用此特性的非揮發性記憶體（圖3）[4]。

兩個磁體的磁化方向相同時（平行狀態），可流通較大電流（低電阻狀態：LR）；方向相反時（反平行狀態），只能流通較小電流（高電阻狀態：HR）。

記憶的寫入是透過改變其中一個磁體的磁化方向來進行。

主要有兩種方式：一種是利用在鄰近配線流通電流產生的磁場的切換方式（Toggle MRAM或簡稱MRAM），另一種是利用在兩個磁體間流動的電流的自旋轉移力矩方式（STT-MRAM）。

後者利用了電子帶有的磁性（自旋）在磁化方向與通過的磁體相同時較容易通過的特性。

從下方注入電子時（左圖），只有自旋方向與磁體相同的電子能穿透絕緣體，並使對側磁體的磁化方向翻轉至與自旋相同的方向（自旋轉移力矩）。

相反地，從上方注入電子時（右圖），無法通過下方磁體的電子的自旋會使上方磁體的磁化方向翻轉，完成資訊改寫。

讀取資訊時，在兩個電極施加比寫入電壓更低的電壓，然後測量電流。只要不進行改寫資訊的操作，記憶就能非揮發性保持。

一般而言，MRAM存在以下課題：外部磁場可能導致保持的資訊被改寫；力矩型MRAM需要較大電流來翻轉磁體，導致功耗增加；STT-MRAM在電子自旋翻轉磁體磁化方向時，因熱影響有一定機率無法翻轉，因此資訊改寫時需要特殊設計等。

快閃記憶體、EEPROM的運作原理

圖4 MOSFET、快閃記憶體、EEPROM的概念圖

這是在金屬氧化物半導體場效電晶體（MOSFET）的閘極部分蓄積電荷，藉此具備非揮發性記憶資訊功能的記憶體。

目前半導體電晶體的主流MOSFET（圖4(a)）是在閘極部分施加電壓來控制稱為通道部分的電阻，藉此控制源極與汲極間流動的電流，發揮電晶體的功能。

假設在閘極施加正電壓時，源極與汲極間開始流通電流的MOSFET類型。源極與汲極間開始流通電流時的閘極電壓稱為「臨界電壓（閾值電壓）」。

圖4(b)和(c)是快閃記憶體、EEPROM記憶元件的範例。

在閘極電極（控制閘極）下方，透過絕緣膜配置了蓄積電荷的層（電荷儲存層）。當電荷儲存層蓄積電子的狀態（圖4(b)）時，MOSFET的臨界電壓升高，必須施加較高的閘極電壓才能使源極與汲極間流通電流。

當電荷儲存層沒有電子的狀態（圖4(c)）時，臨界電壓降低，即使施加較低的閘極電壓也能使源極與汲極間流通電流。

快閃記憶體、EEPROM利用這種臨界電壓的差異來記憶資訊。

在控制閘極與源極間或汲極間施加高電壓，透過絕緣膜蓄積或抽出電子，完成資訊改寫。

只要不施加高電壓進行電荷儲存層的電子蓄積或抽出，記憶就能非揮發性保持。

資訊讀取是在控制閘極施加電壓，測量源極與汲極間流動的電流，檢測處於高臨界電壓狀態或低臨界電壓狀態來進行。

EEPROM是將這類元件與一般MOSFET連接構成一個記憶單元。

快閃記憶體則採用僅將記憶部分的元件串聯連接數個，對連接的記憶元件以群組為單位進行寫入或抹除的方法，實現了高集積化。

以前主流是記憶高電阻和低電阻兩個值的類型，但現在透過分多階段調整電荷儲存層的電子蓄積量，一個記憶元件可以保持多個記憶。

此外，以前在矽晶圓平面上製作的記憶元件，現在透過立體配置，實現了更高的記憶容量。

平面配置的記憶元件中，電荷儲存層主流使用導電性材料（浮動閘極方式），但立體配置的記憶元件則多使用絕緣膜。[1,5]

快閃記憶體和EEPROM在資訊改寫時，因電子穿透絕緣膜導致絕緣膜的絕緣耐性劣化，因此改寫次數約為10萬次；且因為使用高電壓改寫，必須設置升壓電路，導致功耗增加等課題。

參考文獻

[1] C. Zhao, et al., Materials 7, pp. 5117-5145 (2014).
[2] ReRAM相關：Y. Chen, IEEE T. Electron Dev. 67, pp. 420–433 (2020).
[3] PCRAM相關：M. L. Gallo and A. Sebastian J. Phys. D53, p. 213002 (2020).
[4] MRAM相關：S. Ikegawa et al., IEEE T. Electron Dev. 67, pp.1407-1419 (2020)
[5] 快閃記憶體相關：A. Goda, Electronics 10, p.3156 (2021).