Резистивная оперативная память (ReRAM): материалы, коммутация, производительность, MLC-хранение, моделирование и реальные применения

Аннотация

В данной рукописи комплексно обзорено недавнее прогрессирование в области технологии резистивной оперативной памяти (ReRAM), которая считается одной из наиболее выдающихся новых технологий памяти благодаря высокой скорости, низкой стоимости, повышенной плотности хранения, потенциальным применениям в различных областях и отличной масштабируемости. Во-первых, дается краткий обзор области новых технологий памяти. Обсуждаются материальные свойства, механизм резистивной коммутации и электрические характеристики ReRAM. Также подробно рассматриваются такие вопросы, как выносливость, удержание, однородность, влияние рабочей температуры и случайный телеграфный шум (RTN). Представлено обсуждение способности ReRAM к многоуровневому хранению (MLC), привлекательной для достижения повышенной плотности хранения и низкой стоимости. Описаны различные режимы работы для надежной MLC-операции вместе с их физическими механизмами. Кроме того, подробно описаны методологии коммутации и зависимости тока от напряжения для различных популярных моделей ReRAM. Кратко затронуты перспективные применения ReRAM в таких областях, как безопасность, нейроморфные вычисления и невидимая логика. Обзор завершается обсуждением вызовов и будущих перспектив ReRAM.

Введение

Оперативная память (RAM) может быть летучей или нелетучей. Летучая память теряет ранее сохраненные данные при отключении питания, как в случае с динамической оперативной памятью (DRAM) и статической оперативной памятью (SRAM). Для нелетучей памяти содержимое, сохраненное ранее, продолжает удерживаться даже после снятия питания. Flash-память — типичный пример нелетучей памяти. Технологии памяти объединяют преимущества и недостатки для достижения более высокой производительности: например, DRAM, используемые в компьютерных системах, имеют высокую емкость и плотность, но они летучи, что требует обновления каждые несколько миллисекунд. Из-за этого обновления энергопотребление устройства возрастает, что нежелательно. SRAM, с другой стороны, быстра, но также летуча, как и DRAM; кроме того, ячейки SRAM имеют больший размер, что препятствует их масштабному внедрению. Flash-память, по сути состоящая из металл-оксид-полупроводникового полевого транзистора (MOSFET) с плавающим затвором в каждой ячейке памяти, в настоящее время широко используется, особенно для встроенных приложений, благодаря низкой стоимости и высокой плотности. В зависимости от организации ячеек памяти Flash-память классифицируется как NOR Flash и NAND Flash. В NOR Flash ячейки считываются и программируются индивидуально, так как они подключены параллельно к битовым линиям. Это напоминает параллельное соединение транзисторов в архитектуре CMOS NOR-вентиля. В случае NAND Flash архитектура напоминает CMOS NAND-вентиль, так как ячейки подключены последовательно к битовым линиям. Следует отметить, что последовательное соединение потребляет меньше места по сравнению с параллельным, что приводит к снижению стоимости NAND Flash. Однако оба типа Flash-памяти страдают от нескольких недостатков: низкая скорость работы (время записи/стирания: 1 мс/0,1 мс), ограниченная выносливость (10⁶ циклов записи/стирания) и высокое напряжение записи (> 10 В).

Упомянутые выше технологии памяти — DRAM, SRAM и Flash — являются памятью на основе зарядного хранения. DRAM хранит информацию в виде заряда на конденсаторе, SRAM основана на хранении заряда на узлах перекрестно-связанных инверторов, тогда как Flash-память использует плавающий затвор транзистора для хранения заряда. Все эти существующие технологии памяти на основе заряда в настоящее время сталкиваются с вызовами при масштабировании до 10 нм и ниже. Это обусловлено потерей накопленного заряда в наномасштабе, что приводит к деградации производительности, надежности и шумового запаса. Кроме того, требования большого динамического питания обновления для DRAM и утечки питания для SRAM и DRAM создают серьезные проблемы для проектирования будущей иерархии памяти.

Поэтому новый класс памяти, обычно называемый новые технологии памяти, в настоящее время проходит разработку и активно исследуется преимущественно в промышленности с целью революции существующей иерархии памяти. Эти новые технологии памяти стремятся объединить скорость коммутации SRAM, плотность хранения, сопоставимую с DRAM, и нелетучесть Flash-памяти, тем самым становясь очень привлекательными альтернативами для будущей иерархии памяти.

Для классификации устройства памяти как идеального оно должно иметь следующие характеристики: низкое рабочее напряжение (<1 В), долгая циклическая выносливость (>10¹⁷ циклов), улучшенное время удержания данных (>10 лет), низкое энергопотребление (фДж/бит) и превосходная масштабируемость (<10 нм). Однако ни одна память до сих пор не удовлетворяет этим идеальным характеристикам. Различные новые технологии памяти активно исследуются для выполнения части этих идеальных характеристик. Эти технологии памяти, зависящие от изменения сопротивления, а не заряда, для хранения информации, следующие: (i) фазовая память (PCM), (ii) спин-орбитальная магниторезистивная оперативная память (STT-MRAM) и (iii) резистивная оперативная память (ReRAM). В фазовой памяти коммутирующая среда состоит из халькогенидного материала (обычно Ge₂-Sb₂-Te₅, GST). PCM опирается на разницу в сопротивлении между кристаллической и аморфной фазами для эффективного хранения данных. Кристаллическая фаза обозначает состояние низкого сопротивления (LRS) или состояние ВКЛ устройства, тогда как аморфная фаза обозначает состояние высокого сопротивления (HRS) или состояние ВЫКЛ. Операция SET соответствует LRS, обычно называемой сохранением логического значения «1», тогда как операция RESET соответствует HRS, сохраняющей логическое значение «0» в устройстве. Для операции SET PCM нагревается выше температуры кристаллизации при приложении импульса напряжения, а для операции RESET через ячейку пропускается больший электрический ток, который затем внезапно отключается, чтобы расплавить и затем закалить материал для достижения аморфного состояния.

В спин-орбитальной магниторезистивной оперативной памяти способность к хранению обусловлена магнитным туннельным переходом (MTJ), состоящим из двух ферромагнитных слоев и туннельного диэлектрика между ними. Магнитное направление опорного слоя фиксировано, в то время как приложение внешнего электромагнитного поля может изменить магнитное направление свободного ферромагнитного слоя. Если опорный слой и свободный слой имеют одинаковое направление намагниченности, MTJ называется находящимся в LRS. Для MTJ, чтобы быть в HRS, направление намагниченности двух ферромагнитных слоев антипараллельно. ReRAM состоит из изолирующего слоя (I), помещенного между двумя металлическими (M) электродами. ReRAM опирается на формирование и разрыв проводимых нитей, соответствующих LRS и HRS соответственно, в изоляторе между двумя электродами.

Подробное сравнение существующих и новых технологий памяти показано в таблице 1. Как видно из таблицы, STT-MRAM и PCM имеют преимущества меньшей площади по сравнению с SRAM. В то время как STT-MRAM предлагает быструю скорость записи/чтения, долгую выносливость и низкое напряжение программирования, с другой стороны, PCM имеет недостаток в виде значительной задержки записи. ReRAM имеет более низкое напряжение программирования и более быструю скорость записи/чтения по сравнению с Flash и рассматривается как потенциальная замена Flash-памяти. Среди всех кандидатов в новые технологии памяти ReRAM имеет значительные преимущества: легкая фабрикация, простая металл-изолятор-металл (MIM) структура, отличная масштабируемость, наносекундная скорость, долгое удержание данных и совместимость с текущей CMOS-технологией, тем самым предлагая конкурентоспособное решение для будущей цифровой памяти. Наиболее значительные преимущества ReRAM изображены на рис. 1.

В данной работе представлены недавний прогресс и подробный обзор технологии ReRAM. Обзор коммутирующих материалов вместе с классификацией режимов коммутации и деталями механизма коммутации обсуждается в разделе «Резистивная оперативная память (ReRAM)». Раздел «Показатели производительности резистивной оперативной памяти (ReRAM)» выделяет различные показатели производительности ReRAM. Многоуровневые ячейки (MLC) характеристики ReRAM вместе с различными схемами MLC-операции и их физическими механизмами анализируются в разделе «Многоуровневая резистивная оперативная память (ReRAM)». Подробное обсуждение моделирования устройств ReRAM представлено в разделе «Моделирование устройств ReRAM». В разделе «Применения ReRAM» обсуждаются различные применения ReRAM. Наконец, вызовы и будущие перспективы ReRAM представлены в разделе «Вызовы и будущие перспективы». Категориальное распределение статей, консультированных при подготовке этого обзорного рукописи, представлено на рис. 2.

Резистивная оперативная память (ReRAM)

Материалы резистивной коммутации

Наблюдалось, что в некоторых изоляторах изменение сопротивления происходит под действием приложенного электрического поля. Это свойство изменения сопротивления недавно изучалось для разработки будущих нелетучих памяти. Феномен резистивной коммутации наблюдался в различных оксидах, но бинарные металлические оксиды были широко изучены как предпочтительные коммутирующие материалы для будущих нелетучих применений преимущественно благодаря их совместимости с CMOS BEOL обработкой. Различные металл-оксидные материалы, демонстрирующие нелетучую резистивную коммутацию, такие как оксид гафния (HfO_x), оксид титана (TiO_x), оксид тантала (TaO_x), оксид никеля (NiO), оксид цинка (ZnO), цинкотитанат (Zn₂TiO₄), оксид марганца (MnO_x), оксид магния (MgO), оксид алюминия (AlO_x) и диоксид циркония (ZrO₂) привлекли больше всего внимания и были широко изучены в последние несколько лет. Эти металлические оксиды обычно осаждают импульсным лазерным осаждением (PLD), атомно-слойным осаждением (ALD) и реактивным спуттерингом. Однако ALD является широко предпочтительным методом благодаря своей способности точно контролировать толщину и однородность тонкой пленки.

В обычных электронных устройствах выбор материала электрода важен, так как они выступают путями переноса зарядников. Для ReRAM выбор материала электрода сильно влияет на коммутационное поведение устройства. Например, в структуре меди/поли(3-гексилтиофен):[6,6]-фенил-C61-бутириновый метиловый эфир/индиевый-оловоокись (Cu/P3HT:PCBM/ITO) наблюдалось стабильное резистивное коммутационное поведение; однако оно исчезло после замены Cu электрода на Pt. Широкое разнообразие материалов использовалось в качестве электродов для ReRAM. Материалы электродов можно сгруппировать в пять категорий по их составу: элементные электроды, кремниевые электроды, легированные электроды, оксидные электроды и нитридные электроды. Наиболее распространенные и часто используемые электроды — элементные, включающие Al, Ti, Cu, графен, углеродные нанотрубки, Ag, W, Pt. Для кремниевых электродов p-тип Si и n-тип Si — единственные типы используемых электродов. Легированные электроды обычно стабилизируют резистивное коммутационное поведение и в основном включают Cu-Ti, Cu-Te, Pt-Al. Наиболее распространенные нитридные электроды — TiN и TaN. Оксидные электроды относительно многочисленны, включая Al-донированный ZnO, Ga-донированный ZnO и ITO.

Список металл-оксидных материалов, использованных недавно в фабрикации устройств ReRAM, вместе с различными комбинациями материалов для верхнего и нижнего электродов показан в таблице 2. Также представлено детальное сравнение различных параметров. Из широкого разнообразия используемых материалов можно предсказать, что нелетучая резистивная коммутация широко наблюдается в различных типах оксидов. Выбор материала для фабрикации ReRAM дает ему преимущество, так как металл-оксид-металл (MOM) структуры могут быть легко изготовлены с использованием оксидов, применяемых в полупроводниковой технологии. Нижний электрод в ReRAM обычно платина, которая трудно этравить. Для структуры одиночного устройства ReRAM может использовать общий нижний электрод, тогда как для крестообразной архитектуры отдельные нижние электроды используются для каждого устройства. Их можно получить последовательным физическим осаждением из паровой фазы и лифт-офф. Верхний электрод и коммутирующий резистивный слой осаждаются либо атомно-слойным осаждением (ALD), либо физическим осаждением из паровой фазы (PVD).

Режимы резистивной коммутации

Резистивная оперативная память (ReRAM) состоит из резистивной коммутирующей ячейки памяти, имеющей металл-изолятор-металл структуру, обычно называемую MIM структурой. Структура состоит из изолирующего слоя (I), помещенного между двумя металлическими (M) электродами. Схематическое представление и поперечное сечение ячейки ReRAM показаны на рис. 3a и b соответственно.

Приложение внешнего импульса напряжения через ячейку ReRAM обеспечивает переход устройства из состояния высокого сопротивления (HRS) или состояния ВЫКЛ, обычно называемого логическим значением «0», в состояние низкого сопротивления (LRS) или состояние ВКЛ, обычно называемое логическим значением «1» и наоборот. Феномен резистивной коммутации (RS) считается причиной этого изменения значений сопротивления в ячейке ReRAM. Как приготовленная ReRAM изначально находится в состоянии высокого сопротивления (HRS), для переключения устройства из HRS в LRS применяется импульс высокого напряжения, обеспечивающий формирование проводящих путей в коммутирующем слое, и ячейка ReRAM переключается в LRS. Этот процесс, происходящий из-за мягкого пробоя металл-изолятор-металл (MIM) структуры, обычно называется «электроформированием», а напряжение, при котором происходит этот процесс, называется формирующим напряжением (V_f). Следует отметить, что формирующее напряжение зависит от площади ячейки и толщины оксида. Теперь, для переключения ячейки ReRAM из LRS в HRS, применяется импульс напряжения, называемый напряжением RESET (V_reset), обеспечивающий этот переход коммутации, и процесс называется процессом «RESET». HRS ReRAM может быть изменен в LRS при приложении импульса напряжения. Напряжение, при котором происходит переход из HRS в LRS, называется напряжением SET (V_set), а процесс называется процессом «SET». Для эффективного чтения данных из ячейки ReRAM применяется небольшое напряжение чтения, которое не нарушит текущее состояние ячейки, чтобы определить, находится ли ячейка в логическом 0 (HRS) или логическом 1 (LRS) состоянии. Поскольку и LRS, и HRS сохраняют свои значения даже после снятия приложенного напряжения, ReRAM является нелетучей памятью. В зависимости от полярности приложенного напряжения ReRAM можно классифицировать на два типа режимов коммутации: (i) униполярная коммутация и (ii) биполярная коммутация. В униполярной коммутации коммутация (процессы set и reset) устройства между различными состояниями сопротивления не зависит от полярности приложенного напряжения, то есть коммутация может произойти при приложении напряжения одной полярности, но разной величины, как показано на рис. 4a. В биполярной коммутации, с другой стороны, коммутация устройства между различными состояниями сопротивления зависит от полярности приложенного напряжения, то есть переход из HRS в LRS происходит при одной полярности (положительной или отрицательной), а обратная полярность переключает ячейку ReRAM обратно в HRS, как изображено на рис. 4b. В униполярной коммутации Джоулево нагревание интерпретируется как физический механизм, ответственный за разрыв проводящей нити во время операции reset. В биполярной коммутации, с другой стороны, миграция заряженных видов является главной движущей силой для растворения проводящей нити, хотя Джоулево нагревание все еще способствует ускорению миграции. Чтобы обеспечить отсутствие постоянного пробоя диэлектрического коммутирующего слоя во время процесса формирования/set ReRAM, для устройства ReRAM принудительно устанавливается ток комплаенса (I_cc). Ток комплаенса (I_cc) обычно обеспечивается устройством выбора ячейки (транзистор, диод, резистор) или полупроводниковым параметрическим анализатором при внештатном тестировании.

Механизм резистивной коммутации

Коммутация ячейки ReRAM основана на росте проводящей нити (CF) внутри диэлектрика. CF — это канал с очень малым диаметром порядка нанометров, соединяющий верхний и нижний электроды ячейки памяти. Состояние низкого сопротивления (LRS) с высокой проводимостью получается, когда нить соединена, а высокое сопротивление (HRS) возникает, когда нить разорвана с зазором между электродами. Исходя из состава проводящей нити, ReRAM можно классифицировать на два типа: (i) металло-ионная ReRAM, также называемая резистивной оперативной памятью с проводящим мостом (CBRAM) и (ii) ReRAM на основе нити из кислородных вакансий, называемая «OxRRAM». Следует отметить, что CBRAM иногда называют электрохимической металлизационной памятью (ECM), тогда как «OxRRAM» иногда также известна как память с изменением валентности (VCM).

В металло-ионной ReRAM, также называемой «CBRAM», физический механизм, ответственный за резистивную коммутацию, основан на миграции металлических ионов и последующих реакциях восстановления/окисления (редокс). Структура CBRAM состоит из окисляемого верхнего электрода (анода), такого как Ag, Cu, Ni, относительно инертного нижнего электрода (катода), например W, Pt, и металл-оксидного слоя между двумя электродами. Формирование нити в таких ячейках памяти происходит из-за растворения активных металлических электродов (чаще всего Ag или Cu), переноса катионов (Cu⁺ или Ag⁺) и их последующего осаждения или восстановления на инертном нижнем электроде. Таким образом, резистивное коммутационное поведение этого типа ReRAM доминирует формированием и растворением металлических нитей.

Для лучшего понимания механизма коммутации металло-ионной CBRAM рассмотрим пример Ag/a-ZnO/Pt ReRAM ячеек. Общая схематичная иллюстрация процесса коммутации ячейки резистивной памяти с проводящим мостом показана на рис. 5. Необработанное состояние ячейки CBRAM изображено на рис. 5a. Верхний электрод Ag (TE) является активным компонентом в формировании нити, в то время как нижний Pt электрод инертен. При приложении положительного смещения напряжения к верхнему электроду Ag происходит окисление (Ag → Ag⁺ + e⁻) на верхнем электроде, из-за чего генерируются катионы Ag⁺, которые осаждаются в диэлектрический слой (a-ZnO) от Ag электрода. Отрицательное смещение на нижнем Pt электроде (BE) притягивает катионы Ag⁺, и, таким образом, происходит реакция восстановления (Ag⁺ + e⁻ → Ag) на нижнем электроде. Таким образом, катионы Ag⁺ восстанавливаются до атомов Ag и накапливаются до формирования проводящего моста (рис. 5b–d), и устройство ReRAM считается демонстрирующим LRS. Этот процесс называется «SET». Когда полярность приложенного напряжения меняется на обратную, высокопроводящая нить растворяется почти полностью, и устройство находится в состоянии высокого сопротивления (HRS). Этот процесс называется «RESET» и изображен на рис. 5e.

В ReRAM на основе кислородных вакансий (OxRRAM) физический механизм, ответственный за резистивную коммутацию, обычно ассоциируется с генерацией кислородных вакансий (V_o²⁺) и последующей релокацией кислородных ионов (O²⁻), обеспечивающим формирование проводящей нити между верхним и нижним электродами ячейки ReRAM. Изначально для как приготовленной ячейки ReRAM процесс формирования, то есть мягкий пробой диэлектрика, является необходимым. После мягкого пробоя диэлектрика атомы кислорода выбиваются из решетки при приложении высокого электрического поля в сторону интерфейса анода и становятся кислородными ионами (O²⁻), тогда как кислородные вакансии (V_o²⁺) остаются в оксидном слое. Кислородные ионы (O²⁻) реагируют с материалами анода или разряжаются как нейтральный нерешетчатый кислород, если благородные металлы используются как материалы анода для формирования интерфейсного оксидного слоя. Таким образом, интерфейс электрод/оксид ведет себя как «кислородный резервуар». Далее, накопление кислородных вакансий (V_o²⁺) в объемном оксиде переключает ячейку ReRAM в состояние низкого сопротивления (LRS), так как формируется проводящая нить (CF) и в устройстве течет заметный ток. Для переключения устройства обратно в состояние высокого сопротивления (HRS) происходит процесс reset, в течение которого кислородные ионы (O²⁻) мигрируют обратно в объемный оксид от интерфейса анода и либо объединяются с кислородными вакансиями (V_o²⁺), либо окисляют металлические осадки CF и тем самым частично разрывают нить, переключая ячейку ReRAM обратно в HRS. Для ячеек ReRAM, демонстрирующих униполярный механизм коммутации, диффузия кислородных ионов (O²⁻) активируется термически током Джоулевого нагрева, и как таковые кислородные ионы диффундируют от интерфейса или области вокруг CF из-за градиента концентрации. Также следует отметить, что для униполярной коммутации ReRAM требуется относительно более высокий ток reset для повышения локальной температуры вокруг CF. В биполярной коммутации ReRAM, с другой стороны, кислородные ионы (O²⁻) должны быть поддержаны обратным электрическим полем, так как интерфейсный слой может представлять значительный барьер диффузии, и чистая термическая диффузия недостаточна. Следует отметить, что частичный разрыв CF происходит в обоих случаях, переключая ячейку ReRAM в состояние высокого сопротивления (HRS). Это в первую очередь обусловлено формированием кислородных вакансий (V_o²⁺) и бедных областей, приводящими к туннельному зазору для электронов. Для переключения устройства обратно в LRS (процесс SET) CF снова соединяет электроды в результате мягкого пробоя в области зазора. Подобный процесс set/reset может повторяться на протяжении многих циклов.

Основываясь на вышеизложенном, CBRAM, также известная как электрохимическая металлизационная память (ECM), опирается на электрохимически активный металлический электрод, такой как Ag, Cu или Ni, для формирования металл-катионной CF. CF в OxRRAM на основе нити из кислородных вакансий, также известной как память с изменением валентности (VCM), состоит из дефектов кислородных вакансий вместо металлических атомов, из-за миграции anions внутри самого материал хранения. Хотя механизмы коммутации обоих типов «OxRRAM» и «CBRAM» обсуждаются подробно, все еще существуют споры о механизмах коммутации обоих типов ReRAM. Например, где CF начинает расти в процессе set и где разрывается в процессе reset, и как эти кислородные вакансии/металлические атомы собираются для формирования CF. Исследовались вольт-амперные характеристики (I-V) 20 последовательных циклов коммутации структуры Ta/TaO_x/Pt на базе ReRAM, и наблюдалось явное изменение как LRS, так и HRS для последовательных циклов коммутации. В результате общий окно памяти уменьшается, деградируя общую производительность ReRAM. Эта вариативность сопротивления цикл-в-цикл в основном атрибутируется случайному формированию CF и его разрыву во время операций set и reset соответственно.

Сравнение OxRRAM с CBRAM по различным операционным параметрам показано в таблице 3. Это сравнение раскрывает удивительную разницу в терминах характеристик выносливости этих типов памяти ReRAM. Эта непохожесть обусловлена тем, что проводящие нити CBRAM состоят в основном из металлических атомов, которые относительно легче дрейфуют и диффундируют по сравнению с кислородными вакансиями, тем самым вызывая деградацию времени удержания и характеристик выносливости CBRAM по сравнению с OxRRAM. Хотя механизмы коммутации обоих типов ReRAM различаются, между ними есть много общих характеристик. Единственная существенная разница заключается в том, что выносливость для OxRRAM значительно выше, чем у CBRAM.

Показатели производительности резистивной оперативной памяти (ReRAM)

Выносливость

Резистивная оперативная память включает частые переходы между состоянием высокого сопротивления (HRS) и состоянием низкого сопротивления (LRS). Каждое коммутационное событие между резистивными состояниями может вводить постоянное повреждение и вызывать деградацию производительности ReRAM. Выносливость определяется как количество раз, которое устройство ReRAM может быть переключено между HRS и LRS, обеспечивая надежно различимое отношение между ними. Таким образом, тест выносливости определяет максимальное количество циклов set/reset, которые могут быть эффективно переключены до того, как HRS и LRS перестанут быть различимыми. Характеристики выносливости ReRAM получаются путем выполнения последовательности I-V замеров в резистивной коммутирующей ячейке и последующего извлечения R_HRS и R_LRS при приложении напряжения чтения (обычно 0,1 В). Этот метод надежен, так как можно получить корректную коммутацию устройства в каждом цикле; однако этот метод очень медленный, потому что время, необходимое для получения I-V замеров, может быть очень высоким, особенно если задействованы низкие токи.

Циклы выносливости в ячейке ReRAM на основе HfO_x показывают сильную зависимость от размера ячейки, как изображено на рис. 6a, где сообщается о лучшей выносливости в устройстве ReRAM с большим размером ячейки. Кроме того, вертикальное уменьшение толщины слоя приводит к деградации производительности выносливости для SET напряжения 2,5 В, как показано на рис. 6b. Эта деградация выносливости при уменьшении коммутирующего слоя является результатом уменьшенного числа ионов в активной области. ReRAM на основе HfO_x демонстрирует отличную выносливость 10⁶ циклов на массиве 1 кб с размером ячейки 30 нм под 0,18 мкм технологией, как показано на рис. 6c. Добавлением дополнительного слоя AlO_x над нижним электродом (BE) стабильность массива может быть улучшена дальше, так как иммунитет к помехам чтения для HRS увеличивается. Для ReRAM на основе TaO_x наблюдалась деградация выносливости с увеличением ширины импульса и амплитуды напряжения RESET в структуре Ta/Ta₂O₅/TiN ReRAM. Сравнение нижних электродов TiN и Ru в Ta/Ta₂O₅/TiN ReRAM показывает, что главная причина деградации выносливости — реакция кислородных ионов с электродом TiN. Более того, улучшенная выносливость 10⁹ циклов коммутации была получена без верификации в аналогичной структуре ReRAM путем уменьшения слоя Ta₂O₅ до 3 нм и использования треугольного импульса с шириной < 5 нс. Для производительности крупномасштабных массивов сравнение 2-Мб Ta₂O₅ памяти до и после 10⁵ циклов теста выносливости показано на рис. 6d. Распределения тока ячеек показывают небольшую вариацию для начальных и конечных циклов. Также ток ячейки для LRS падает ниже 50 мкА, указывая на низкое энергопотребление массива. Резистивные коммутирующие устройства с выносливостью выше 10¹² циклов были сообщены в разных типах ячеек ReRAM с коммутирующими средами на основе оксида тантала (TaO_x). Таким образом, ReRAM устройства на основе оксида тантала, кажется, демонстрируют наивысшую выносливость.

Удержание

Удержание данных устройства ReRAM включает исследование стабильности за период времени для LRS и HRS после прохождения переходов set и reset. Иными словами, период времени, в течение которого ячейка памяти останется в определенном состоянии после операции set/reset, определяет способность ячейки памяти удерживать свое содержимое. Приложение постоянного напряжения (CVS) во времени с использованием низкого напряжения чтения (0,1 В) и измерение кривой тока во времени (I-t) для LRS и HRS позволяет измерить удержание состояния. Из-за разбрасывающей природы атомных перегруппировок, индуцированных в ReRAM напряжением set, длительное удержание в LRS трудно достичь, тогда как в HRS удержание не является проблемой, так как это обычно естественное состояние устройства, и ReRAM продолжит оставаться в этом состоянии, если не приложено смещение (или низкое смещение). Удержание в LRS зависит от предела комплаенса во время перехода SET, например, в ReRAM на основе механизма коммутации проводящей нити, больший ток комплаенса производит более сильную проводящую нить, которая более стабильна во времени, по сравнению с меньшим током комплаенса. Проецируемая выносливость 10 лет при 85°C продемонстрирована в Ti/HfO₂/TiN. Обычно используемый метод получения выносливости устройства — приложение импульса чтения при высокой температуре через определенные интервалы времени (например, каждую 1 с) и экстраполяция сопротивления к 10-летнему периоду. Хотя этот метод легко реализуем, он имеет определенные ограничения, преимущественно из-за напряжения чтения, приложенного к ячейке. Альтернативный метод — изменение температуры и запись времени до отказа устройства. Активационная энергия извлекается путем построения графика Аррениуса и экстраполяции до рабочей температуры. Однако ограничение этого метода в том, что необходимо ждать до отказа в ячейке ReRAM, и поэтому этот метод более трудоемкий и дорогой.

Характеристики устройства ReRAM на основе HfO_x, разработанного в Институте промышленных технологий Тайваня, демонстрируются для дальнейшего понимания работы устройства ReRAM. Изображение проходной электронной микроскопии (TEM) устройства TiN/Ti/HfO_x/TiN ReRAM с размером ячейки 30 нм показано на рис. 7a. Устройство демонстрирует биполярные коммутационные характеристики и I-V кривую, полученную при токе комплаенса set 200 мкА, показана на рис. 7b. Устройство демонстрирует выносливость 10⁶ циклов коммутации с отношением сопротивлений вкл/выкл больше 100 при условиях программирования set/reset +1,5 В/–1,4 В импульсом шириной 500 мкс, как изображено на рис. 7c.

Однородность

В ячейке ReRAM плохая однородность различных характеристик устройства является одним из значительных факторов, ограничивающих производство в более широком масштабе. Коммутационные напряжения, а также сопротивления HRS и LRS, относятся к параметрам, демонстрирующим высокую степень вариации. Вариации резистивной коммутации включают временные флуктуации (цикл-в-цикл) и пространственные флуктуации (устройство-устройство). Стохастическая природа формирования и разрыва проводящей нити считается основной причиной этих вариаций. Цикл-в-цикл и устройство-устройство вариативность является серьезным препятствием для хранения информации в устройствах ReRAM. Наблюдение цикл-в-цикл вариативности влияет изменение числа дефектов кислородных вакансий, возникающих в CF из-за стохастической природы его формирования и разрыва во время коммутационного события. Из-за этой случайной природы CF предсказание и точный контроль формы CF становится крайне сложным. Эта вариативность ухудшается по мере уменьшения предела комплаенса (т.е. тока комплаенса I_cc). С другой стороны, для более высокого значения I_cc отношение стандартного отклонения (σ) и среднего сопротивления (μ) низко, что приводит к меньшему разбросу сопротивления LRS. Это атрибутируется более высоким дефектам в CF, тем самым формируя хорошо определенный путь для тока проводимости.

ReRAM также демонстрирует устройство-устройство (ячейка-ячейка) неоднородность, которая также деградирует производительность памяти, уменьшая памятьный запас между двумя состояниями. Происхождение этой вариативности атрибутируется неоднородностям в процессе фабрикации, таким как толщина коммутирующей пленки, повреждения при этравировании и шероховатость поверхности электродов. Много исследований проводилось для улучшения однородности ReRAM и исследовалось несколько методов. Один из методов использует концепцию вставки нанокристаллических семян, которые ограничивают пути проводящей нити, усиливая эффект локального электрического поля. В ReRAM на основе Ti/TiO_2-x/Au индукция платины (Pt) нанокристаллов в тонком TiO_2-x приводит к улучшенной однородности ячейки ReRAM. Pt нанокристаллы ограничивают коммутационный эффект в области с высокой вероятностью генерации кислородных вакансий, что приводит к улучшению однородности. В другом подходе инженерия интерфейса электрод/оксид путем встраивания соответствующих буферных слоев очень полезна для достижения однородной работы ReRAM. В ReRAM на основе HfO_x тонкий Al буферный слой вставляется между TiN электродом и HfO_x оксидным слоем. Это приводит к значительному улучшению распределения напряжения set и распределения сопротивления, тем самым улучшая однородность устройства. Улучшение распределения напряжения SET и сопротивления устройства ReRAM после вставки тонкого Al буферного слоя между TiN электродом и объемным оксидом HfO_x изображено на рис. 8. Атомы Al предполагают диффундировать в тонкие пленки HfO₂ и имеют тенденцию локализовывать кислородные вакансии из-за уменьшенной энергии формирования кислородных вакансий, тем самым стабилизируя генерацию проводящих нитей, что помогает улучшить однородность резистивной коммутации.

Помимо подхода материальной инженерии, также предложен новый метод программирования для уменьшения флуктуаций. Многоступенчатая техника формирования была реализована в ReRAM на основе W/HfO₂/Zr/TiN для минимизации тока перехоха из-за паразитных эффектов. Многоступенчатая техника формирования приводит к постепенному формированию нити; таким образом, достигается низкий ток set/reset, улучшая коммутационные характеристики устройства. Различные другие методы, такие как формирование постоянным напряжением и горячее формирование (обычно называемое формированием при более высокой температуре) также исследовались для эффективного уменьшения вариаций сопротивления. Другой метод достижения высокой однородности — приложение поезда импульсов вместо одного импульса к ячейке ReRAM. Этот подход не только приводит к улучшению однородности, но и улучшает многоуровневую способность ячейки ReRAM.

Влияние рабочей температуры и случайного телеграфного шума

Для достижения надежной производительности устройства ReRAM исследуется влияние рабочей температуры и случайного телеграфного шума (RTN). Наблюдается, что сопротивление как LRS, так и HRS состояний подвергается вариациям из-за изменения рабочей температуры. Исследование температуры TiN/HfO₂/Ti/TiN было проведено. Положительный замер напряжения < 3 В и ток комплаенса 1 мкА применялись для электроформирования. После формирования напряжение сброса (V_reset) < –1 В переключает устройство обратно в HRS (состояние ВЫКЛ). Для переключения устройства обратно в LRS (состояние ВКЛ) применяется напряжение установки (V_set) < 1 В.

Операция reset в устройстве ReRAM склонна демонстрировать управляемое напряжением отрицательное дифференциальное сопротивление (NDR). Операция reset происходит внезапно при низких температурах, в то время как для температур выше комнатной, процесс reset происходит более постепенно. Сопротивление устройства ReRAM в необработанном состоянии, а также состояния ВКЛ и ВЫКЛ в зависимости от температуры изображено на рис. 9a. Полупроводниковое поведение наблюдается для необработанного состояния и состояния ВЫКЛ, то есть сопротивление уменьшается с повышением температуры. Для состояния ВКЛ наблюдается металлическая характеристика, то есть сопротивление увеличивается с повышением температуры. Из-за вариации сопротивления с изменением температуры R_OFF/R_ON также уменьшается от значения 20 до примерно 5 в диапазоне температур 213–413 К. В устройствах Ti/HfO_x/Pt наблюдалось уменьшение R_OFF/R_ON с температурно-зависимым циклированием. Это уменьшение отношения сопротивлений атрибутировалось накоплению ловушек, связанных с кислородными вакансиями, внутри оксидного слоя HfO₂. Кроме того, температурно-зависимые измерения без операций set/reset проводились для оценки влияния I-V циклирования на отношение R_OFF/R_ON. Напряжение замера через устройство ReRAM останавливалось до достижения значений V_set и V_reset. Для сопротивления состояния ВЫКЛ (зеленые прямоугольники) наблюдалась более слабая температурная зависимость в противовес сопротивлению состояния ВКЛ (зеленые круги), которое демонстрировало похожие характеристики по сравнению с случаем циклирования. Из этих наблюдений мы заключаем, что I-V циклирование индуцирует более сильную температурную зависимость, уменьшающую отношение R_OFF/R_ON. Влияние температурной вариации на коммутационные напряжения V_set и V_reset изображено на рис. 9b. Незначительная вариация V_set с изменением температуры указывает на отсутствие значительной температурной разницы. Для случая V_reset общая тенденция такова, что уменьшение значения напряжения примерно на 0,2 В наблюдается при повышении температуры в диапазоне 233–333 К. Также замедленный рост V_reset наблюдается для диапазона температур 353–413 К.

Случайный телеграфный шум (RTN) — еще один фактор, влияющий на производительность ReRAM. RTN долгое время использовался как индикатор производительности и надежности устройства. RTN уменьшает памятьный запас между HRS и LRS из-за обширных флуктуаций тока чтения во время операции чтения. Из-за эффекта RTN запас чтения, потенциал масштабирования и способность многоуровневой ячейки ReRAM сильно влияются; таким образом, его нужно исследовать для достижения надежной производительности. Для исследования влияния нижнего электрода на RTN проведен анализ ReRAM на основе Ta₂O₅/TiO₂. Примеры сложных RTN сигналов в LRS и HRS изображены на рис. 10. RTN вызывает нестабильность чтения в устройстве ReRAM, тем самым уменьшая запас чтения, реализацию многоразрядного хранения и препятствуя масштабированию устройства. RTN атрибутируется захвату и освобождению электронов вблизи CF в LRS, тогда как в состоянии HRS он происходит в туннельном зазоре. Хотя физика RTN все еще неясна и активно обсуждается, захват и освобождение электронов, временно ингибирующее перенос заряда, широко принимается как механизм, ответственный за флуктуации из-за RTN. Наблюдается, что с уменьшением рабочего тока амплитуда RTN увеличивается, тем самым сильно влияя на уровень HRS. Поэтому необходимо обеспечить дополнительный запас сопротивления для достижения надежной производительности. RTN в ReRAM исследуется широко, хотя физический механизм RTN все еще не определен явно. RTN может использоваться как инструмент для отображения движений активных вакансий в ReRAM из-за его времени-зависимой вариации. Это может быть весьма полезно для понимания механизмов отказа других проблем надежности.

Многоуровневая резистивная оперативная память (ReRAM)

Многоуровневое хранение на ячейку (MLC)

Благодаря их малому физическому размеру и низкому энергопотреблению устройства ReRAM перспективны для будущих памяти и логических применений. Повышенная плотность хранения является одним из наиболее критических аспектов технологии памяти для обеспечения проектирования ячеек памяти с многоразрядной емкостью. Множественные резистивные состояния могут быть достигнуты в ячейках ReRAM, что дает преимущества низкой стоимости и высокой плотности нелетучих решений хранения данных. В настоящее время много исследований проводится в области ReRAM для уменьшения размеров устройств и увеличения структурной плотности массивов памяти. Ранее плотность хранения ReRAM увеличивалась за счет уменьшения размера устройства; однако сложность экспериментальных процедур ограничивает ее успешную реализацию. Другой предложенный метод — использование трехмерных (3D) крестообразных архитектур. Два типа архитектур «вертикальной» и «крестообразной ReRAM» были предложены; однако оба эти типа архитектур требуют продвинутых процедур фабрикации, что нежелательно. Значительно более простая альтернатива для увеличения плотности хранения в устройствах ReRAM — использование технологии многоуровневого хранения (MLC), позволяющей хранить более одного бита на ячейку без уменьшения физических размеров устройства. Это MLC является одним из наиболее перспективных свойств ReRAM, которое может значительно увеличить плотность хранения памяти. Таким образом, вместо единственного состояния высокого и низкого сопротивления (HRS и LRS) мы можем достичь множественных HRS и LRS без изменения размеров устройства. Однако для достижения надежной MLC-операции должен быть обеспечен точный контроль над сопротивлением различных уровней сопротивления ReRAM; иначе устройство будет страдать от вариативности сопротивления и проблем надежности, преимущественно из-за случайной природы формирования проводящей нити во время процесса коммутации.

Методы получения многоуровневых режимов на ячейку (MLC) в ReRAM

MLC поведение в ReRAM делает его очень полезным для высокоплотных применений. Для получения MLC поведения в ReRAM используются следующие три метода: (i) изменение тока комплаенса, (ii) контроль напряжения сброса и (iii) изменение ширины импульса программирования/стирания.

MLC путем изменения тока комплаенса

Устройство ReRAM обычно работает в конфигурации 1-ReRAM (1R) ячейки или в конфигурации 1-Транзистор-1-ReRAM (1T-1R) ячейки. MLC характеристики в 1R конфигурации могут быть получены изменением тока комплаенса (I_cc) во время операции «set», тогда как MLC характеристики в структуре ячейки 1-Транзистор-1-ReRAM (1T-1R) контролируются изменением напряжения на затворе транзистора, что позволяет контролировать ток комплаенса (I_cc) во время операции set ячейки ReRAM. Типичные MLC I-V кривые ячейки ReRAM на основе Ti/Ta₂O₅/Pt показаны на рис. 11. По мере увеличения тока комплаенса (I_cc) от 150 мкА до 1 мА получаются шесть разных LRS при I_cc = 150 мкА, I_cc = 200 мкА, I_cc = 300 мкА, I_cc = 500 мкА, I_cc = 700 мкА, I_cc = 1 мА из-за увеличения соответствующего тока LRS (I_LRS), в то время как HRS поддерживается постоянным, и ток HRS (I_HRS) остается одинаковым для всех уровней LRS. Для ReRAM Ti/Ta₂O₅/Pt с увеличением I_cc максимальный ток сброса (I_reset) также увеличивается, в то время как напряжение set почти остается постоянным. Также наблюдалось, что сопротивление LRS (R_LRS) уменьшается, в то время как (I_reset) увеличивается благодаря более сильному формированию нити с увеличением I_cc.

Формирование CF и соответствующее его расширение с увеличением I_cc является атрибутированным механизмом многоуровневости на ячейку (MLC) в режиме тока комплаенса (I_cc), как изображено схематично на рис. 12. С увеличением размера CF из-за увеличения I_cc сопротивление CF уменьшается и, следовательно, приводит к множественным уровням LRS для разных значений I_cc. Также наблюдается, что I_reset увеличивается с увеличением I_cc, так как для разрыва CF с большим диаметром требуется более высокая мощность.

MLC путем контроля напряжения сброса

MLC характеристики в ячейке ReRAM также могут быть получены путем контроля напряжения сброса (V_reset), в то время как (I_cc) поддерживается постоянным. В этом случае типичные MLC I-V кривые ячейки ReRAM на основе TiN/HfO_x/AlO_x/Pt при приложении разных (V_reset) −2,1 В, −2,7 В и −3,3 В показаны на рис. 13.

Наблюдается, что с увеличением (V_reset) ток HRS (I_HRS) уменьшается; таким образом, получаются множественные уровни HRS с одинаковым сопротивлением LRS. Кроме того, напряжение set (V_set) также увеличивается по мере увеличения V_reset, в то время как I_reset остается почти постоянным.

Уменьшение I_HRS с увеличением напряжения сброса в основном обусловлено увеличением зазора между металлическим электродом и кончиком CF, как изображено на рис. 14. Чем больше величина V_reset, тем больше зазор и, следовательно, выше значение сопротивления. Поэтому увеличение зазора между кончиком CF и нижним электродом (BE) с увеличением напряжения сброса приводит к множественным уровням сопротивления HRS. Наблюдается, что в устройствах, в которых I_reset показывает постепенное изменение тока вместо внезапного изменения во время операции «reset», изменение сопротивления HRS в таких устройствах может быть обусловлено уменьшением размера проводящей нити (CF) по мере увеличения V_reset. Этот подход более применим практически для крестообразных архитектур, так как он требует относительно менее сложной схемы.

MLC путем изменения ширины импульса программирования/стирания

MLC характеристики также могут быть получены путем изменения ширины импульса программирования/стирания, в то время как амплитуда импульса поддерживается постоянной. В ReRAM на основе HfO_x демонстрировались три уровня HRS путем изменения ширины импульса сброса от 50 нс до 5 мкс. Этот метод получения MLC характеристик в ReRAM относительно проще; однако эта схема энергонеэффективна. Этот недостаток ограничивает применение этого метода для получения надежных характеристик в ячейке ReRAM. Более высокое энергопотребление устройства ReRAM было подтверждено при сравнении переходных ответов между контролем амплитуды импульса сброса и ширины импульса. Это особенно обусловлено более высокой нежелательной диссипацией энергии в виде тепловой энергии в коммутирующем резистивном материале.

Сводка устройств ReRAM, демонстрирующих множественные резистивные состояния, показана в таблице 4. Как видно из таблицы, сообщалось о различных устройствах ReRAM с множественными резистивными состояниях. До сих пор, однако, только 8 резистивных состояний были продемонстрированы в одной ячейке ReRAM либо путем изменения I_cc, либо V_reset. Поэтому существует огромная возможность для увеличения числа резистивных состояний в ячейке ReRAM, тем самым повышая ее плотность хранения.

Моделирование устройств ReRAM

Моделирование играет очень критическую роль в разработке устройств, использующих полупроводниковые технологии. Для полного понимания работы устройства и оптимизации производительности точная модель имеет большое значение. Было предложено несколько моделей ReRAM с разными особенностями и точностью. Этот раздел обсуждает характеристики и атрибуты различных широко используемых популярных моделей ReRAM.

Стенфорд/ASU модель

Одна из самых популярных физических моделей ReRAM — модель Стэнфорд/ASU ReRAM, предложенная Гуаном и др. и Ченом и др. Эта модель применялась для валидации I-V коммутационных характеристик ReRAM на основе HfO₂ и включает эффект Джоулевого нагрева и изменения температуры на коммутации устройств ReRAM.

Эта модель зависит от роста CF внутри диэлектрического коммутирующего слоя. Зазор нити, то есть зазор между кончиком CF и верхним электродом, является внутренней переменной состояния для этой модели. Рост CF внутри диэлектрика атрибутируется движению кислородных ионов и регенерации и рекомбинации кислородных вакансий. Таким образом, скорость изменения зазора нити (g) задается как:

$$ \frac{dg}{dt} = V_0 \exp\left(\frac{-E_{a,m}}{k_b T}\right) \sinh\left(\frac{q a_h \gamma V}{L k_b T}\right) $$ (1)

где E_a — энергия активации, V — величина напряжения, приложенного через устройство, L — толщина коммутирующего материала, a_h — расстояние прыжка, γ — коэффициент локального усиления поля, V₀ — скорость, содержащая частоту попыток побега, k_b — постоянная Больцмана, q — элементарный заряд и T — температура проводящей нити.

Пространственная вариация размера зазора учитывается в этой модели, помимо вариаций, возникающих из-за стохастического свойства ионного процесса. Шумовой сигнал добавляется к расстоянию зазора для учета этих вариаций как:

$$ g_{|t+\Delta t} = F \left[ g_{|t}, \frac{dg}{dt} \right] + \delta_g \times \tilde{X}(n) \Delta t, n = \frac{t}{T_{GN}} $$ (2)

где Δt — шаг времени моделирования, функция F представляет временную эволюцию размера зазора от t до Δt. \(\tilde{X}\)(n) — последовательность гауссовского шума с нулевым средним. T_GN — интервал времени, после которого \(\tilde{X}\)(n) меняется на следующее случайное значение.

Вариация размера зазора δ_g зависит от кинетической энергии ионов и температуры нити как:

$$ \delta_g(T) = \frac{\delta^0_g}{\left\{ 1 + \exp \left( \frac{T_{\text{crit}} - T}{T_{\text{smith}}} \right) \right\}} $$ (3)

где \(\delta^0_g\) и T_smith — коэффициенты подгонки для соответствия кривым распределения сопротивления экспериментам, а T_crit — пороговая температура, выше которой размер зазора меняется значительно.

Эта модель показывает сильную зависимость от температуры; таким образом, необходимо учитывать изменение «T». С изменением характеристик ячейки динамическая внутренняя температура T меняется значительно, в то время как внешний домен, предполагаемый равномерным и стабильным (T_bath), связан как:

$$ c_p \frac{dT}{dt} = V(t)I(t) - k(T - T_{\text{bath}}) $$ (4)

где C_p — эффективная теплоемкость внутреннего домена, V(t)I(t) представляет Джоулево нагревание, а k — эффективная теплопроводность.

Используя обобщенный механизм проводимости, ток проводимости определяется как:

$$ I(g,v) = I_0 \exp\left(\frac{-g}{g_0}\right) \sinh\left(\frac{V}{V_0}\right) $$ (5)

где I₀, g₀ и V₀ — параметры подгонки для соответствия экспериментальным результатам.

Одной из значительных особенностей этой модели является ее реализация в нейроморфных приложениях и проектировании синаптических устройств ReRAM, придавая модели большую степень гибкости и дополнительную область реализации в различных нейроморфных системах.

Физическая электротермическая модель

Физическая электротермическая модель была разработана Кимом и др. и реализована с двухслойной ReRAM на основе оксида тантала (Ta₂O₅). Эта физическая модель решает дифференциальные уравнения на основе метода конечных элементов. Эта модель также использует подход электротермического физического феномена для моделирования, тем самым давая ей преимущество в терминах гибкости для включения решателя метода конечных элементов (FEM) для очень точной симуляции системы. Однако недостаток этого подхода — его сложность в реализации для SPICE и Verilog решателей схем.

Эта модель описывает CF как легированную область, имеющую кислородные вакансии как легирующие примеси, с CF, простирающейся от верхнего к нижнему электроду устройства. Для описания дрейф-диффузии миграции вакансий эта модель предполагает, что то же уравнение может использоваться для описания процессов и кислородных ионов, и вакансий. Ионная модель Мотта и Гурни используется здесь для описания процесса как:

$$ \frac{dn_D}{dt} = \Delta \times \left( D_s \Delta_{n_D} - \mu v n_D \right) + G $$ (6)

где D_s описывает процесс диффузии, v дает скорость дрейфа вакансий, а G — скорость роста CF, которая на самом деле описывает процесс SET. Параметры определяются как:

$$ D_s = \frac{1}{2} a^2 f_e \exp\left(\frac{-E_a}{k_B T}\right) $$ (7)

$$ v = a_h f \exp\left(\frac{-E_a}{k_B T}\right) \sinh\left(\frac{q a_h E}{k_B T}\right) $$ (8)

$$ G = A \exp\left(\frac{-(E_a - q l_m E)}{k_B T}\right) $$ (9)

где l_m — размер ячейки сетки.

Эти уравнения управляют физическим преобразованием устройства во время переходов SET и RESET, тем самым по существу контролируя рост и разрыв CF.

Физическая модель Хуанга

Физическая модель Хуанга, разработанная Хуангом и др., является очень комплексной физической моделью для устройства ReRAM, так как она учитывает как ширину CF, так и зазор нити к электроду как факторы, влияющие на динамику переменных состояния. Кроме того, распределение температуры также учитывается в этой модели.

Процесс SET/RESET рассматривается как результат генерации/рекомбинации процесса кислородных ионов (O²⁻) и кислородных вакансий (V₀). Во время процесса SET CF начинает развиваться от кончика верхнего электрода (T.E) и удлиняется в радиусе с увеличением напряжения, результатом в конечной ширине «W» CF. Эта модель предполагает симметричную цилиндрическую форму CF. Во время процесса RESET CF разрывается, начиная от T.E до полного растворения с увеличением напряжения. Расстояние зазора нити «x» определяется как зазор между активным электродным слоем (T.E) и кончиком CF.

Таким образом, для процесса SET параметр «W» выступает переменной состояния, в то время как для RESET параметр «x» выступает переменной состояния. Поэтому dx/dt и dw/dt определяют динамику устройства во время перехода SET/RESET.

Во время первого процесса reset скорость редукции CF, то есть высвобождение O²⁻ электродом, выражается как:

$$ \frac{dx}{dt} = a \times f \times \exp\left(\frac{-E_i - \gamma Z_e V}{k_B T}\right) $$ (10)

Для прыжка O²⁻ внутри оксидного слоя скорость редукции CF с «a» как расстоянием между двумя V₀ дается как:

$$ \frac{dx}{dt} = a \times f \times \exp\left(\frac{-E_h}{k_B T}\right) \sinh\left(\frac{a_h Z_e E}{k_B T}\right) $$ (11)

Для случая процесса RESET, когда он доминирует рекомбинацией между O²⁻ и V₀, выражается как:

$$ \frac{dx}{dt} = a \times f \times \exp\left(\frac{-\Delta E_r}{k_B T}\right) $$ (12)

В начальном шаге процесса SET, доминируемом рекомбинацией кислородных вакансий с тонкой первоначально выросшей CF, дается как:

$$ \frac{dx}{dt} = -a \times f_e \times \exp\left(\frac{-E_a - \alpha_a Z_e E}{k_B T}\right) $$ (13)

Здесь Z и α_g — параметры подгонки.

Для второго шага CF растет вдоль радиального направления и определяется как:

$$ \frac{dw}{dt} = \left(\Delta w + \frac{\Delta w^2}{2w}\right) \times f_e \times \exp\left(\frac{-E_a - \gamma Z_e v}{k_B T}\right) $$ (14)

Ток, текущий через устройство, моделируется как корреляция туннельного тока с напряжением и расстоянием зазора, выраженная как:

$$ i = i_0 \exp\left(\frac{-x}{x_T}\right) \sinh\left(\frac{v}{v_T}\right) $$ (15)

Эта модель валидирована в системе HfO_x/TiO_x, и получено довольно точное соответствие между экспериментальными и симуляционными результатами. Хотя эта модель учитывает значительные процессы, влияющие на работу ReRAM, однако у нее есть некоторые ограничения. Наиболее критическое — несовместимость с SPICE и Verilog-A.

Модель растворения нити

Эта модель была разработана исключительно для униполярных устройств ReRAM Руссо и др., однако позже была модифицирована для биполярных устройств ReRAM также. Модель растворения нити основана на разрыве CF под действием значительного изменения температуры, вызванного Джоулевым нагреванием.

Одним из значительных преимуществ этой модели является использование простых уравнений в частных производных для учета тока устройства и изменений температуры из-за Джоулевого нагрева, а также скорости растворения. Проводимость тока внутри устройства описывается уравнением Пуассона как:

$$ \nabla \times \left(\frac{1}{\varphi} \nabla_v \right) = 0 $$ (16)

где φ — удельное сопротивление оксида, v — электрический потенциал из-за приложения внешнего смещения напряжения к одному из электродов, в то время как другой электрод соединен с землей.

CF делится на число ячеек сетки и в каждой точке сетки температура рассчитывается для описания разрыва CF. Уравнение Фурье для стационарного тепла описывает этот эффект как:

$$ -\nabla \times (k \nabla T) = \varphi J^2 $$ (17)

где k — теплопроводность оксидного слоя, J — плотность тока, T — температура устройства.

Температура «T» устройства повышается до критической температуры, после чего устройство сбрасывается и происходит растворение CF. Фактор растворения моделируется как:

$$ V_{\text{DIS}} = V_{\text{DIS-F}} \exp\left(\frac{-E_a}{k_B T}\right) $$ (18)

где E_a — энергия активации, k_b — постоянная Больцмана, V_DIS-F — параметр подгонки, V_DIS — скорость границы CF к оси симметрии.

Удельное сопротивление CF температурно-зависимо и описывается как:

$$ \varphi_{\text{CF}}(T) = \varphi_{\text{CF-RT}} \left[ 1 + C (T - T_0) \right] $$ (19)

где C — экспериментально рассчитанный температурный коэффициент удельного сопротивления, φ_CF-RT — стандартное удельное сопротивление CF при комнатной температуре.

Программное обеспечение COMSOL Multiphysics используется для решения связанных уравнений для этой модели ReRAM благодаря ее мультифизическим возможностям и способности обрабатывать такие симуляции.

Биполярная модель Боке

Биполярная модель Боке описывает биполярные оксидные резистивные коммутирующие памяти с использованием физического подхода к моделированию. Биполярная модель Боке описывает процесс электроформирования устройства ReRAM, помимо использования некоторых характеристик из униполярной модели Боке и существенной их модификации согласно биполярным коммутационным характеристикам. В этой модели радиус CF является внутренней переменной состояния, которая эффективно управляет скоростью коммутации.

Для моделирования стадии электроформирования биполярная модель Боке использует скорость электроформирования (τ_Form), детализирующую механизм преобразования в коммутируемый суб-оксид из первозданного оксида. Стадия электроформирования моделируется как:

$$ \tau_{\text{form}} = \tau_{\text{form}0} \exp\left(\frac{E_{a\text{Form}} - q \alpha_s V_{\text{cell}}}{k_B T}\right) $$ (20)

$$ \frac{dr_{\text{CFmax}}}{dx} = \frac{r_{\text{work}} - r_{\text{CFmax}}}{\tau_{\text{form}}} $$ (21)

где E_aForm — энергия активации для электроформирования, τ_form0 — номинальная скорость формирования, α_s — коэффициент переноса заряда, V_cell — напряжение, приложенное между верхним и нижним электродами, r_CF — радиус CF, варьирующийся от 0 до r_CFmax, q — элементарный заряд электрона, T — температура устройства, k_B — постоянная Больцмана.

Электрохимическая редокс-реакция, выведенная из уравнения Бутлера-Вольмера, используется для описания операций SET/RESET как:

$$ \tau_{\text{Red}} = \tau_{\text{Redox}} \exp\left(\frac{E_a - q \alpha_s V_{\text{cell}}}{k_B T}\right) $$ (22)

$$ \tau_{\text{Ox}} = \tau_{\text{Redox}} \exp\left(\frac{E_a + q (1 - \alpha_s) V_{\text{cell}}}{k_B T}\right) $$ (23)

Здесь τ_Red и τ_Ox — скорости восстановления и окисления соответственно. τ_Redox — эффективная скорость реакции, учитывающая и восстановление, и окисление.

Скорость коммутации получается путем связывания вышеуказанных двух уравнений как:

$$ \frac{dr_{CF}}{dt} = \frac{r_{\text{CFmax}} - r_{CF}}{\tau_{\text{red}}} - \frac{r_{CF}}{\tau_{\text{Ox}}} $$ (24)

Биполярная модель Боке является довольно комплексной моделью, так как она включает температурные эффекты. Локальная температура нити связывается уравнением теплы и дается в уравнении (25), температура с учетом цилиндрической формы нити дается в уравнении (26). Максимальная температура, достигнутая в CF при x = 0, середине нити, дается в уравнении (27), а эквивалентная электрическая проводимость в рабочей области (σ_eq) дается в уравнении (28).

$$ \sigma_x F(x)^2 = -k_{th} \frac{d^2T(x)}{dx^2} $$ (25)

$$ T(x) = T_{\text{amb}} + \frac{V_{\text{cell}}^2}{2 L_x^2 k_{th}} \left( \frac{L_x^2}{4} - x^2 \right) \sigma_{eq} $$ (26)

$$ T = T_{\text{amb}} + \frac{V_{\text{cell}}^2}{8 k_{th}} \sigma_{eq} $$ (27)

$$ \sigma_{eq} = \sigma_{CF} \frac{r_{CF}^2}{r_{\text{work}}^2} - \sigma_{Ox} \frac{r_{\text{CFmax}}^2 - r_{CF}^2}{r_{\text{work}}^2} $$ (28)

где (σ_x) — локальная электрическая проводимость, F(x) — локальное электрическое поле, σ_CF — электрическая проводимость проводящей нити, k_th — теплопроводность, T_amb — окружающая температура.

Следует упомянуть, что температура повышается с увеличением радиуса CF, что приводит к самоускоряющейся реакции из-за положительного цикла обратной связи. Самоограниченная реакция, также называемая МЯГКИЙ reset, с другой стороны, происходит из-за уменьшения температуры и радиуса CF во время операции RESET.

Общий ток, текущий в OxRRAM, является суммой токов, текущих в проводящей области (I_CF), проводимости через коммутируемый суб-оксид (I_sub-oxide) и проводимости через не коммутированный первозданный оксид (I_pristine). Общий ток:

$$ I_{\text{cell}} = I_{\text{sub-oxide}} + I_{CF} + I_{\text{Pristine}} $$ (29)

$$ I_{CF} = F \pi \sigma_{CF} r_{CF}^2 $$ (30)

$$ I_{\text{sub-oxide}} = F \pi \sigma_{Ox} (r_{\text{CFmax}}^2 - r_{CF}^2) $$ (31)

$$ I_{\text{Pristine}} = S_{\text{cell}} A F^2 \exp \frac{-B}{F} $$ (32)

$$ A = \frac{m_e q^3}{8 \pi h m_e^{ox} \phi_b} $$ (33)

Параметр B_e зависит от высоты барьера металл-оксид (φ_b) и дается как:

$$ \text{if } \phi_b \geq q L_x F: B_e = \frac{8 \pi \sqrt{2 m_e^{ox}}}{3 h q} \left[ \phi_b^{3/2} - (\phi_b - q L_x E)^{3/2} \right] $$

$$ \text{otherwise}, B_e = \frac{8 \pi \sqrt{2 m_e^{ox}}}{3 h q} \phi_b^{3/2} $$ (34)

где m_e и m_e^ox — эффективные массы электронов в катоде и оксиде соответственно, F = V_cell/L_x — электрическое поле через активный слой, h — постоянная Планка, S_cell — сечение ячейки ReRAM.

Дискретные решения требуются для реализации модели в электрическом симуляторе. Эта модель хорошо учитывает этот аспект, делая ее подходящей для симуляций, вовлекающих электрические цепи. Эта модель реализует уравнения в симуляторе схем Eldo. Дискретные решения даны как:

$$ r_{\text{CFmax}_{i+1}} = (r_{\text{CFmax}_i} - r_{\text{work}}) e^{-\Delta t / \tau_{\text{form}}} + r_{\text{work}} $$ (35)

$$ r_{CF_{i+1}} = \left( r_{CF_i} - r_{\text{CFmax}_i} \frac{\tau_{eq}}{\tau_{\text{Red}}} \right) e^{-\Delta t / \tau_{eq}} + r_{\text{CFmax}_i} \frac{\tau_{eq}}{\tau_{\text{Red}}} $$ (36)

$$ \text{where } \tau_{eq} = \frac{\tau_{\text{Red}} \times \tau_{\text{Ox}}}{\tau_{\text{Red}} + \tau_{\text{Ox}}} $$ (37)

Эта модель верифицирована против электрической характеристики из системы на основе HfO₂. Важной особенностью этой модели является то, что она может эффективно учитывать вариативность устройство-устройство. Одним из основных ограничений этой модели является отсутствие порога тока или напряжения.

Этот раздел подробно представляет различные характеристики и особенности моделей ReRAM. Сравнительный анализ моделей ReRAM, обсужденных в этой работе, представлен в таблице 5.

Применения ReRAM

ReRAM рассматривается как один из выдающихся кандидатов среди новых технологий памяти, имеющий потенциал для реформирования иерархии памяти преимущественно благодаря высокой скорости, способности нелетучего хранения данных, повышенной плотности хранения и функции логических вычислений. Различные новые применения ReRAM обсуждаются в этом разделе.

>Невидимая логика

Инструкции и данные передаются с помощью шин между различными блоками в компьютерной системе с архитектурой фон Неймана из-за отдельных вычислительных и памятьных блоков. Этот процесс передачи данных приводит к увеличению энергопотребления и временной задержки, что обычно называется «узким местом фон Неймана». Для уменьшения влияния узкого места фон Неймана предлагается процесс вычислений, использующий крестообразный массив ReRAM, который изменяет память и вычислительные операции в одном ядре. Кроме того, для достижения высокой плотности интеграции и низкой стоимости двухконтактная компактная структура устройства ReRAM и ее 4F² массивная архитектура очень полезны. Например, для получения простых булевых логических функций, таких как «логическое НЕ», «логическое И» и «логическое ИЛИ», требуются множественные транзисторы, и каждый отдельный транзистор занимает площадь 8–10 F². Эти логические функции могут быть реализованы с использованием двух или трех ячеек ReRAM, что приводит к общей площади около 10 F² только.

На данный момент предложено несколько методов для реализации булевых логических функций. Булевы вычисления значительно более установлены по сравнению с существующими небулевыми вычислительными парадигмами, такими как нейроморфные вычисления и квантовые вычисления. Следовательно, энерго- и стоимостная эффективность CPU или MCU может быть улучшена без необходимости разработки новых алгоритмов или программного обеспечения, хотя все еще отсутствует техническое решение о том, как реализовать сложные вычислительные задачи в крестообразном массиве. Таким образом, большинство исследований на данный момент фокусируется только на демонстрации базового логического уровня, так как становится довольно сложно реализовать целый вычислительный блок с использованием массива ReRAM.

Нейроморфные вычисления

Для преодоления «узкого места фон Неймана» одним из эффективных путей является мозг-вдохновленные нейроморфные вычисления, которые показали перспективный потенциал в широком спектре сложных и когнитивных задач, таких как визуальное/аудиальное распознавание, автономное вождение и анализ больших данных в реальном времени. По сравнению с CMOS-базированными нейроморфными сетями, нейроморфные вычисления на основе массива ReRAM предлагают преимущества в терминах накристаллического хранения весов, онлайн-обучения и масштабирования до гораздо больших размеров массивов. Кроме того, скорость обработки ReRAM улучшается на три порядка, тогда как уровень потребления энергии снижается на четыре порядка.

Для реализации аппаратных нейроморфных вычислительных парадигм предлагаются два метода: один из стратегий имитирует структуру и механизм работы биологических нейронных сетей, в то время как другой метод работает на ускорении существующих алгоритмов искусственных нейронных сетей (ANN). В нейронной сети синапс используется для передачи спайков между различными нейронами в дополнение к хранению информации о передаваемых весах. Информация о весах может быть получена через определенные правила обучения, такие как пластичность, зависящая от времени спайка (STDP) и пластичность, зависящая от частоты спайка (SRDP). Хотя некоторые работы в литературе пытались эмулировать такие правила обучения на устройствах ReRAM, однако довольно сложно расширить такие био-вдохновленные правила обучения на сложную задачу, так как теоретический алгоритм все еще недостает.

Практически применимый подход — отображение ANN на нейроморфную сеть на базе ReRAM напрямую. Некоторые продвинутые задачи, такие как распознавание образов и речи, были продемонстрированы на основе этого метода. Хотя очень многообещающе, ReRAM-базированный синапс все еще далеко от применения, так как различные вопросы, такие как оптимизация материалов, подавление вариаций, проектирование управляющих схем, архитектура и алгоритмы для аналоговых вычислений, должны быть эффективно решены.

Применения в безопасности

Аспект безопасности стал более заметным с быстрым развитием в области информационных технологий; таким образом, существует потребность в аппаратных схемах безопасности. В отличие от схем безопасности на основе CMOS логики, которые используют случайную природу процесса полупроводникового производства, схемы безопасности на основе ReRAM более устойчивы к атакам различных типов благодаря своим полностью случайным механизмам коммутации. Следует отметить, что для применений в безопасности большая вариация параметров устройства ReRAM, такая как случайный телеграфный шум (RTN), вариации сопротивления и вероятностная коммутация, желательны, что довольно отличается от применений памяти, требующих меньшей степени вариации среди многочисленных параметров.

Новая функция безопасности, обычно называемая физически неклонируемой функцией (PUF), основанная на ReRAM, предлагается для аутентификации устройств (сильный PUF) и генерации ключей (слабый PUF). Значительно большее число пар ввод-вывод [также называемых парой вызов-ответ (CRP)] требуется для сильного PUF, в то время как только небольшое количество CRP экстремально высокой надежности требуется для слабого PUF. Хотя PUF на основе ReRAM продемонстрировали замечательную производительность; однако все еще требуются более практические демонстрации и дальнейшие оценки для выработки зрелости этого нового примитива в области аппаратной безопасности.

Невидимая SRAM

Летучие технологии памяти, такие как SRAM и DRAM, могут потреблять более половины статической мощности в современных мобильных SoC чипах. Таким образом, для достижения быстрых параллельных операций памяти, уменьшенной площади и низкого энергопотребления была предложена нелетучая SRAM (nvSRAM) на базе ReRAM, в которой две ячейки ReRAM стоплены на восемь транзисторов, образуя структуру 8T2R. Также недавно продемонстрированы нелетучая тернарная адресуемая по содержанию память (TCAM) с 4T2R структурой ячейки и нелетучие триггеры с уменьшенным временем стресса и мощностью записи на базе ReRAM.

Вызовы и будущие перспективы

В течение последних нескольких лет исследования в области новых технологий памяти значительно выросли, и разработано несколько прототипов продуктов ReRAM, демонстрирующих потенциал для высокоскоростных и низкоэнергопотребляющих встроенных применений памяти. ReRAM является одной из самых перспективных технологий памяти благодаря преимуществам простой структуры, совместимости с существующей CMOS технологией, хорошей скорости коммутации и способности масштабироваться до наименьших размеров. На самом деле, в настоящее время технология Flash-памяти сталкивается с трудностями при уменьшении до более низких размеров, и как таковые ReRAM возникает как потенциальная замена, особенно для быстрых операций и средней плотности хранения применений памяти.

Одним из наиболее критических аспектов, которые необходимо тщательно исследовать, является надежность ReRAM. Должен быть разработан механизм для обеспечения обнаружения операционного отказа устройства. Также проектирование схем, например, дизайн тестовой группы элементов (TEG) для надежного сенсирования сигналов, является одним из критических вызовов для появления устройств ReRAM. Для достижения высокоплотной операции памяти в ReRAM, операция 1D1R является существенной. Это может быть реализовано путем работы устройства ReRAM в униполярном режиме. Однако в униполярной операции для процесса reset требуется более высокий ток по сравнению с биполярной операцией. Это обусловлено тем, что термический эффект играет значительную роль в униполярном процессе reset. Таким образом, для реализации высокоплотного 1D1R массива ReRAM, термические эффекты как внутри, так и вне памяти элемента должны быть учтены. Также отметим, что до сих пор в одном устройстве ReRAM никакая технология не одновременно сообщила о быстрой коммутации, низком питании и стабильной операции. Хотя выносливость ReRAM сообщалась высокой как 10¹², это все еще недостаточно, чтобы заменить DRAM. ReRAM обладает скоростью коммутации, достаточно быстрой для замены DRAM, и материалы, используемые в фабрикации для ReRAM, очень похожи на те, что для DRAM, поэтому становится критической задачей улучшить характеристики выносливости ReRAM. Для улучшения характеристик выносливости необходимо контролировать движение кислорода между электродом и оксидным слоем на интерфейсе. Предлагается вставку второго металлического слоя на интерфейсе, который может быть легко окислен и действует как кислородный резервуар для предотвращения проникновения кислорода в электрод во время резистивной коммутации. Наиболее критический вызов, препятствующий разработке ReRAM до сих пор, — правильное понимание механизма коммутации устройства, которое давно обсуждается исследователями по всему миру. Непоследовательный механизм коммутации различных сообщенных устройств ReRAM считается обусловленным вариацией в процессе фабрикации, и поэтому в будущем необходим более строгий анализ для получения лучшего понимания механизма коммутации устройств ReRAM. Упомянутые выше вопросы должны быть эффективно обработаны перед внедрением ReRAM в будущие применения памяти. Хотя ReRAM высоко привлекателен для использования в нейроморфных вычислениях, крупнейший вызов для индустриализации ReRAM заключается в его способности решать проблемы вариативности, не только при номинальных операционных условиях, но и при высоких температурах, прежде чем они могут быть использованы в широком спектре применений.

Заключение

Эта обзорная статья дает краткое введение в продвижение архитектуры памяти, текущие тенденции и ограничения, предоставляя ценное понимание области новых технологий памяти. Подробное обсуждение, подчеркивающее важность ReRAM, ее структуру, механизм работы и классификацию, представлено. Ключевые параметры производительности и их влияние на операцию ReRAM также детально описаны в настоящей рукописи. Подробное исследование способности MLC ReRAM вместе с методологией представлено. Рукопись также обсуждает важные особенности широко принятых моделей ReRAM. Реализация ReRAM для различных важных применений, таких как невидимая логика, нейроморфные вычисления, безопасность и невидимая SRAM, подчеркнута. Хотя значительный успех достигнут в технологии ReRAM; однако требуется больше работы, так как ReRAM все еще страдает от различных вызовов в терминах высокого рабочего тока, более низких отношений сопротивлений и проблем надежности. Больше усилий в исследованиях должно направляться на разработку методов для достижения более быстрого программирования/стирания, более низкого энергопотребления, повышения плотности хранения путем реализации многоуровневой способности хранения и улучшения процесса фабрикации для улучшенной однородности. Кроме того, обновленный фокус должен быть направлен на использование ReRAM во встроенной памяти и применениях невидимой логики, так как прорывы в этих областях гораздо более захватывающие и значительные. С продолжающейся работой и улучшениями неизбежно, что устройства ReRAM станут выдающейся технологией для будущих нелетучих применений памяти.