Weerstands-geheugen (RRAM): Materialen, Schakeling, Prestaties, MLC-opslag, Modelleren en Praktische Toepassingen

Samenvatting

In dit manuscript wordt de recente vooruitgang in het gebied van weerstands-geheugen (RRAM) technologie, dat gezien wordt als een van de meest opvallende opkomende geheugentechnologieën vanwege zijn hoge snelheid, lage kosten, verbeterde opslagdichtheid, potentiële toepassingen in diverse velden en uitstekende schaalbaarheid, uitgebreid besproken. Allereerst wordt een kort overzicht gegeven van het veld van opkomende geheugentechnologieën. De materiaaleigenschappen, weerstandsschakelmechanisme en elektrische kenmerken van RRAM worden bediscussieerd. Ook worden verschillende kwesties zoals uithoudingsvermogen, retentie, uniformiteit en de invloed van bedrijfstemperatuur en willekeurige telegraafruis (RTN) uitgebreid behandeld. Een discussie over de multilevel cell (MLC) opslagcapaciteit van RRAM, die aantrekkelijk is voor het bereiken van verhoogde opslagdichtheid en lage kosten, wordt gepresenteerd. Verschillende bedieningsschema's om betrouwbare MLC-bewerking te bereiken, samen met hun fysieke mechanismen, zijn verstrekt. Daarnaast wordt een gedetailleerde beschrijving van schakelmethoden en stroom-spanning relaties voor verschillende populaire RRAM-modellen in dit werk behandeld. De vooruitzichten van toepassingen van RRAM in diverse velden zoals beveiliging, neuromorf computing en niet-vlatile logicasystemen worden kort aangesneden. Dit overzichtsartikel concludeert met een discussie over de uitdagingen en toekomstperspectieven van RRAM.

Inleiding

Willekeurig-toegankelijk geheugen (RAM) kan ofwel vluchtig of niet-vluchtig zijn. Een vluchtig geheugen verliest zijn eerdere opgeslagen gegevens bij verwijdering van de voeding, zoals het geval is bij dynamisch willekeurig-toegankelijk geheugen (DRAM) en statisch willekeurig-toegankelijk geheugen (SRAM). Voor niet-vluchtig geheugen blijft de inhoud die eerder was opgeslagen behouden zelfs na verwijdering van de voeding. Flash-geheugen is een typisch voorbeeld van niet-vluchtig geheugen. Geheugentechnologieën combineren voor- en nadelen om hogere prestaties te bereiken; bijv. DRAM's die in een computersysteem worden gebruikt, hebben hoge capaciteit en dichtheid, maar ze zijn vluchtig, wat betekent dat er elke paar milliseconden ververst moet worden. Door deze verfrissing neemt het energieverbruik van het apparaat toe, wat niet wenselijk is. SRAM is daarentegen snel, maar ook net als DRAM vluchtig; bovazen zijn SRAM-cellen groter, wat de implementatie op grote schaal belemmert. Flash-geheugen, dat essentieel bestaat uit een metal-oxide-halfgeleider veld-effect-transistor (MOSFET) met een drijvende gate in elk geheugencel, wordt momenteel uitgebreid gebruikt, met name voor ingesloten toepassingen, vanwege de lage kosten en hoge dichtheid. Afhankelijk van hoe geheugencellen georganiseerd zijn, wordt Flash-geheugen geclassificeerd als NOR Flash en NAND Flash. In NOR Flash worden cellen individueel gelezen en geprogrammeerd omdat ze parallel aan bitlijnen zijn verbonden. Dit lijkt op de parallelle verbinding van transistors in een CMOS NOR-poortarchitectuur. Bij NAND Flash lijkt de architectuur op die van een CMOS NAND-poort, omdat de cellen in serie aan de bitlijnen zijn verbonden. Het moet opgemerkt worden dat de serieverbinding minder ruimte verbruikt dan de parallelle, wat resulteert in lagere kosten voor NAND Flash. Echter, beide typen Flash-geheugen lijden onder verschillende nadelen zoals lage bedieningssnelheid (schrijf/wis-tijd: 1 ms/0,1 ms), beperkte uithouding (10⁶ schrijf/wis-cycli) en hoge schrijfspanning (> 10 V).

De bovengenoemde geheugentechnologieën, DRAM, SRAM en Flash, zijn lading-opslag-gebaseerde geheugens. DRAM slaat informatie op in de vorm van lading in de condensator, SRAM is gebaseerd op opslag van lading in de knopen van de gekoppelde inverters, terwijl Flash-geheugentechnologie de drijvende gate van de transistor gebruikt om de lading op te slaan. Al deze bestaande lading-opslag-gebaseerde geheugentechnologieën worstelen momenteel met het schalen naar de 10 nm-knoop of verder. Dit wordt toegeschreven aan het verlies van opgeslagen lading op nanoschaal, wat resulteert in degradatie van prestaties, betrouwbaarheid en ruismarge. Bovendien stellen de vereisten van grote verfrissingsdynamische stroom voor DRAM en lekkagestroom voor zowel SRAM als DRAM serieuze uitdagingen voor het ontwerp van toekomstige geheugenhiërarchieën.

Daarom wordt een nieuwe klasse geheugens, meestal aangeduid als opkomende geheugentechnologieën, momenteel ontwikkeld en actief onderzocht, voornamelijk in de industrie, met als doel de bestaande geheugenhiërarchie te revolutioneren. Deze opkomende geheugentechnologieën hebben als doel de schakelsnelheid van SRAM, opslagdichtheid vergelijkbaar met DRAM en de niet-vluchtigheid van Flash-geheugen te integreren, waardoor ze zeer aantrekkelijke alternatieven worden voor toekomstige geheugenhiërarchieën.

Om een geheugenapparaat als ideaal te classificeren, zou het de volgende kenmerken moeten hebben: lage bedrijfsspanning (<1 V), lange cyclusstabiliteit (>10¹⁷ cycli), verbeterde gegevensretentietijd (>10 jaar), laag energieverbruik (fJ/bit) en superieure schaalbaarheid (<10 nm). Tot nu toe voldoet geen enkel geheugen aan deze ideale kenmerken. Verschillende opkomende geheugentechnologieën worden actief onderzocht om aan een deel van deze ideale geheugenkenmerken te voldoen. Deze geheugentechnologieën die afhangen van de verandering van weerstand in plaats van lading om informatie op te slaan, zijn: (i) faseveranderingsgeheugen (PCM), (ii) spin-transfer torque magnetoresistief willekeurig-toegankelijk geheugen (STT-MRAM), en (iii) weerstands-geheugen (RRAM). In faseveranderingsgeheugen bestaat het schakelmedium uit een chalcogenide-materiaal (vaak Ge₂-Sb₂-Te₅, GST). PCM steunt op het verschil in weerstand tussen de kristallijne fase en amorfe fase voor efficiënte gegevensopslag. De kristallijne fase duidt de lage-weerstandstoestand (LRS) of AAN-toestand van het apparaat aan, terwijl de amorfe fase de hoge-weerstandstoestand (HRS) of UIT-toestand aanduidt. De SET-bewerking correspondeert met LRS, doorgaans aangeduid als het opslaan van logische waarde '1', terwijl de RESET-bewerking correspondeert met HRS, logische waarde '0' opslagend in het apparaat. Voor de SET-bewerking wordt PCM boven zijn kristallisatietemperatuur verhit door toepassing van een spanningsspuls, terwijl voor de RESET-bewerking een grotere elektrische stroom door de cel wordt geleid en vervolgens abrupt onderbroken om het materiaal te smelten en dan te kwetsen om de amorfe toestand te bereiken.

In spin-transfer torque magnetoresistief willekeurig-toegankelijk geheugen is de opslagcapaciteit te danken aan de magnetische tunneljunctie (MTJ), die bestaat uit twee ferromagnetische lagen en een tunneldielektrik ertussen. De magnetische richting van de referentielaag is vast, terwijl de toepassing van een extern elektromagnetisch veld de magnetische richting van de vrije ferromagnetische laag kan veranderen. Als de referentielaag en de vrije laag dezelfde magnetiseringsrichting hebben, wordt de MTJ aangeduid als in de LRS. Voor de MTJ in de HRS is de magnetiseringsrichting van de twee ferromagnetische lagen anti-parallel. RRAM bestaat uit een isolerende laag (I) tussen twee metaal (M) elektrodes. RRAM steunt op de vorming en breuk van geleidende filamenten die respectievelijk overeenkomen met LRS en HRS, in de isolator tussen de twee elektrodes.

Een gedetailleerde vergelijking van bestaande en opkomende geheugentechnologieën wordt getoond in Tabel 1. Zoals uit de tabel blijkt, hebben STT-MRAM en PCM het voordeel van een kleiner oppervlak vergeleken met SRAM. Terwijl STT-MRAM snelle schrijf/leessnelheid, lange uithouding en lage programmeerspanning biedt, heeft PCM het nadeel van uitgebreide schrijflatentie. RRAM heeft een lagere programmeerspanning en snellere schrijf/leessnelheid vergeleken met Flash en wordt gezien als potentiële vervanger van Flash-geheugen. Onder alle kandidaten opkomende geheugentechnologieën heeft RRAM significante voordelen zoals eenvoudige fabricage, simpele metal-isolator-metal (MIM) structuur, uitstekende schaalbaarheid, nanosecondensnelheid, lange gegevensretentie en compatibiliteit met de huidige CMOS-technologie, wat een competitieve oplossing biedt voor toekomstige digitale geheugens. De meest significante voordelen van RRAM worden weergegeven in Fig. 1.

In dit werk worden de recente vooruitgang en een gedetailleerd overzicht van RRAM-technologie gepresenteerd. Een overzicht van schakelmaterialen samen met de classificatie van schakelmodi en details van het schakelmechanisme wordt besproken in de sectie "Weerstands-geheugen (RRAM)". De sectie "Prestatiemetricen van Weerstands-geheugen (RRAM)" belicht verschillende prestatiemetricen van RRAM. Multilevel cell (MLC) kenmerken van RRAM samen met verschillende MLC-bedieningsschema's en hun fysieke mechanismen worden geanalyseerd in de sectie "Multilevel Weerstands-geheugen (RRAM)". Een gedetailleerde discussie over modellering van RRAM-apparaten wordt gepresenteerd in de sectie "Modellering van RRAM-apparaten". In de sectie "Toepassingen van RRAM" worden verschillende toepassingen van RRAM besproken. Ten slotte worden uitdagingen en toekomstverwachtingen van RRAM gepresenteerd in de sectie "Uitdagingen en Toekomstperspectieven". De categoriegewijze verdeling van geraadpleegde papers bij de voorbereiding van dit overzichtsmanuscript worden gepresenteerd in Fig. 2.

Weerstands-geheugen (RRAM)

Weerstandsschakelmaterialen

Er is waargenomen dat in sommige isolatoren de verandering van weerstand optreedt onder toepassing van een toegepast elektrisch veld. Deze eigenschap van weerstandsverandering is recent onderzocht voor de ontwikkeling van toekomstige niet-vluchtige geheugens. Het weerstandsschakelfenomeen is waargenomen in een verscheidenheid aan oxiden, maar binaire metaaloxiden zijn uitgebreid bestudeerd als voorkeurs schakelmateriaal voor toekomstige niet-vluchtige geheugentoepassingen, primair vanwege hun compatibiliteit met CMOS BEOL-verwerking. Verschillende metaaloxide-gebaseerde materialen die het niet-vluchtige weerstandsschakelen vertonen, zoals hafniumoxide (HfOₓ), titaniumoxide (TiOₓ), tantalumoxide (TaOₓ), nickeloxide (NiO), zinkoxide (ZnO), zinktitaan (Zn₂TiO₄), mangaanoxide (MnOₓ), magnesiumoxide (MgO), aluminiumoxide (AlOₓ) en zirconiumdioxide (ZrO₂), hebben de meeste aandacht getrokken en zijn de afgelopen jaren uitgebreid bestudeerd. Deze metaaloxiden worden meestal afgeschieden door gepulste laserdepositie (PLD), atoomlaagdepositie (ALD) en reactieve sputtering. ALD is echter een breed voorkeurmethode vanwege de mogelijkheid om de dikte en uniformiteit van de dunne laag precies te controleren.

In conventionele elektronische apparaten is de keuze van elektrodemateriaal belangrijk omdat ze fungeren als transportpaden voor ladingsdragers. Voor RRAM beïnvloedt de keuze van elektrodemateriaal het schakelgedrag van het apparaat sterk. Bijvoorbeeld, in een koper/poly(3-hexylthiofeen):[6,6]-fenyl-C61-buterzuur methylester/indium-tin-oxide (Cu/P3HT:PCBM/ITO) structuur, werd een stabiel weerstandsschakelgedrag waargenomen; dit verdween echter nadat de Cu-elektrode werd vervangen door een Pt-elektrode. Een grote verscheidenheid aan materialen is gebruikt als elektroden voor RRAM. De elektrodematerialen kunnen in vijf categorieën worden ingedeeld op basis van hun samenstelling, waaronder elementaire elektrodematerialen, silicium-gebaseerde elektroden, legeringselektroden, oxide-elektroden en nitriet-gebaseerde elektroden. De meest voorkomende en veelgebruikte elektroden zijn elementaire stof elektroden, waaronder Al, Ti, Cu, grafeen, koolstofnanobuizen, Ag, W en Pt. Voor silicium-gebaseerde elektroden zijn p-type Si en n-type Si de enige typen elektroden die gebruikt worden. Legeringselektroden stabiliseren meestal het weerstandsschakelgedrag en omvatten voornamelijk Cu-Ti, Cu-Te en Pt-Al. De meest voorkomende nitriet-gebaseerde elektroden zijn TiN en TaN. De oxide-gebaseerde elektroden zijn relatief veelvuldig, waaronder Al-gedopeerd ZnO, Ga-gedopeerd ZnO en ITO.

De lijst van metaaloxide-materialen die recent in de fabricage van RRAM-apparaten zijn gebruikt, samen met verschillende combinaties van materialen voor de boven- enonderelektrode, worden getoond in Tabel 2. Een gedetailleerde vergelijking van de verschillende parameters wordt ook gepresenteerd. Uit de grote verscheidenheid aan gebruikte materialen kan voorspeld worden dat niet-vluchtig weerstandsschakelen breed wordt waargenomen in diverse typen oxiden. De materiaalkeuze voor de fabricage van RRAM geeft het een voordeel omdat metaal-oxide-metaal (MOM) structuren gemakkelijk geproduceerd kunnen worden door gebruik te maken van oxiden die momenteel in de halfgeleidertechnologie worden gebruikt. Het onderlektrodemateriaal in RRAM is meestal platina, wat wat moeilijk te etsen is. Voor een enkel apparaatstructuur kan RRAM dezelfde onderlektrode delen, terwijl voor de kruisstangarchitectuur afzonderlijke onderlektroden voor elk apparaat worden gebruikt. Deze kunnen verkregen worden door fysieke dampdepositie en lift-off achtereenvolgens. De bovenlektrode en de weerstandsschakellaag worden afgeschieden met behulp van atoomlaagdepositie (ALD) of fysieke dampdepositie (PVD).

Weerstandsschakelmodi

Een weerstands-geheugen (RRAM) bestaat uit een weerstandsschakelgeheugencel met een metal-isolator-metal structuur, meestal aangeduid als MIM-structuur. De structuur omvat een isolerende laag (I) tussen twee metaal (M) elektroden. Het schematische en het doorsnedeweergave van een RRAM-cel worden getoond in Fig. 3a en b, respectievelijk.

De toepassing van een externe spanningsspuls over de RRAM-cel stelt een overgang van het apparaat van een hoge-weerstandstoestand (HRS), of UIT-toestand, doorgaans aangeduid als logische waarde '0', naar een lage-weerstandstoestand (LRS), of AAN-toestand, doorgaans aangeduid als logische waarde '1' en vice versa in staat. Het weerstandsschakelfenomeen (RS) wordt beschouwd als de reden achter deze verandering van weerstandswaarden in een RRAM-cel. Een as-prepared RRAM is initieel in de hoge-weerstandstoestand (HRS); om het apparaat van HRS naar LRS te schakelen, stelt de toepassing van een hoge spanningsspuls de vorming van geleidende paden in de schakellaag in staat en wordt de RRAM-cel in een LRS geschakeld. Dit proces, dat optreedt door de zachte doorbraak van de metal-isolator-metal (MIM) structuur, wordt meestal aangeduid als 'electrovorming' en de spanning waarbij dit proces optreedt, wordt aangeduid als vormingsspanning (V_f). Het moet opgemerkt worden dat de vormingsspanning afhankelijk is van het celoppervlak en de oxidedikte. Nu, om de RRAM-cel van LRS naar HRS te schakelen, wordt de spanningsspuls, aangeduid als RESET-spanning (V_reset), toegepast, wat deze schakelovergang mogelijk maakt en het proces wordt aangeduid als 'RESET'-proces. De HRS van de RRAM kan veranderd worden in LRS door toepassing van de spanningsspuls. De spanning waarbij de overgang van HRS naar LRS plaatsvindt, wordt aangeduid als SET-spanning (V_set) en het proces wordt aangeduid als 'SET'-proces. Om gegevens efficiënt uit een RRAM-cel te lezen, wordt een kleine leesspanning toegepast die de huidige toestand van de cel niet stoort, om te bepalen of de cel in logica 0 (HRS) of logica 1 (LRS) toestand is. Aangezien zowel LRS als HRS hun respectieve waarden behouden zelfs na verwijdering van de toegepaste spanning, is RRAM een niet-vluchtig geheugen. Afhankelijk van de polariteit van de toegepaste spanning, kan RRAM in twee typen schakelmodi worden geclassificeerd: (i) unipolaire schakeling en (ii) bipolaire schakeling. In unipolaire schakeling hangt de schakeling (set en reset proces) van het apparaat tussen verschillende weerstandstoestanden niet af van de polariteit van de toegepaste spanning, d.w.z. schakeling kan optreden door toepassing van een spanning van dezelfde polariteit maar verschillende grootte, zoals getoond in Fig. 4a. In bipolaire schakeling hangt de schakeling (set en reset proces) van het apparaat tussen verschillende weerstandstoestanden af van de polariteit van de toegepaste spanning, d.w.z. een overgang van HRS naar LRS treedt op bij één polariteit (zowel positief als negatief) en de tegengestelde polariteit schakelt de RRAM-cel terug naar HRS, zoals afgebeeld in Fig. 4b. In unipolaire schakeling wordt Joule-warmte geïnterpreteerd als het fysieke mechanisme dat verantwoordelijk is voor het breken van een geleidend filament tijdens de reset-bewerking. In bipolaire schakeling is de migratie van geladen deeltjes de belangrijkste dryvende kracht voor de ontbinding van het geleidende filament, hoewel Joule-warmte nog steeds bijdraagt aan het versnellen van de migratie. Om te garanderen dat er geen permanente doorbraak van de dielektrische schakellaag optreedt tijdens het vormings-/set-proces van RRAM, wordt een compliance-stroom (I_cc) afgedwongen voor het RRAM-apparaat. De compliance-stroom (I_cc) wordt meestal gewaarborgd door een celselectie-apparaat (transistor, diode, weerstand) of door een halfgeleider-parameteranalysator tijdens off-chip testen.

Weerstandsschakelmechanisme

De schakeling van de RRAM-cel is gebaseerd op de groei van een geleidend filament (CF) binnen een dielektricum. Het CF is een kanaal met een zeer kleine diameter in de orde van nanometers dat de boven- enonderelektroden van het geheugencel verbindt. Een lage-weerstandstoestand (LRS) met hoge geleidbaarheid wordt verkregen wanneer het filament verbonden is, en de hoge weerstand (HRS) resulteert wanneer het filament verbroken is met een gat tussen de elektrodes. Gebaseerd op de samenstelling van het geleidende filament, kan RRAM in de volgende twee typen worden geclassificeerd: (i) metaalion-gebaseerd RRAM, ook aangeduid als geleidende-brug willekeurig-toegankelijk geheugen (CBRAM) en (ii) zuurstofvacantie-filament-gebaseerd RRAM, aangeduid als 'OxRRAM'. Het moet hier opgemerkt worden dat CBRAM soms wordt aangeduid als electrochemische metallisatiegeheugen (ECM), terwijl 'OxRRAM' soms ook bekend is als valentieveranderingsgeheugen (VCM).

In metaalion-gebaseerd RRAM, ook aangeduid als 'CBRAM', is het fysieke mechanisme dat verantwoordelijk is voor weerstandsschakeling gebaseerd op de migratie van metaalionen en daaropvolgende reductie/oxidatie (redox) reacties. De CBRAM-structuur bestaat uit een oxideerbare bovenlektrode (anode) zoals Ag, Cu en Ni, een relatief inerte onderlektrode (kathode), bijv. W, Pt, en een tussenliggende metaaloxidelage tussen de twee elektroden. De filamentvorming in dergelijke geheugencellen treedt op door de oplossing van de actieve metaalelektroden (meest voorkomend Ag of Cu), het transport van kationen (Cu⁺ of Ag⁺) en hun daaropvolgende depositie of reductie aan de inerte onderlektrode. Dus wordt het weerstandsschakelgedrag van dit type RRAM gedomineerd door de vorming en ontbinding van de metaalfilamenten.

Om een beter begrip van het schakelmechanisme van metaalion-gebaseerd CBRAM te krijgen, laten we een voorbeeld bekijken van Ag/a-ZnO/Pt RRAM-cellen. Een algemeen schematische illustratie van het schakelproces van een geleidende-brug willekeurig-toegankelijk geheugencel wordt getoond in Fig. 5. De onberoorde toestand van het CBRAM-geheugencel wordt afgebeeld in Fig. 5a. De Ag-bovenlektrode (TE) is een actief component in de filamentvorming, terwijl de onderlektrode Pt inert is. Bij toepassing van een positieve spanningsspreiding op de Ag-bovenlektrode treedt oxidatie (Ag → Ag⁺ + e⁻) op aan de bovenlektrode, waardoor Ag⁺ kationen gegenereerd worden en in de dielektrische laag (a-ZnO) van de Ag-elektrode gedeponeerd worden. De negatieve bias op de Pt-onderlektrode (BE) trekt de Ag⁺ kationen aan, en als zodanig treedt de reductiereactie (Ag⁺ + e⁻ → Ag) op aan de onderlektrode. Dus worden de Ag⁺ kationen gereduceerd tot Ag-atomen en accumuleren totdat de geleidende brug gevormd is (Fig. 5b–d) en het RRAM-apparaat LRS vertoont. Dit proces wordt aangeduid als 'SET'. Wanneer de polariteit van de toegepaste spanning wordt omgekeerd, lost het hoog geleidende filament bijna volledig op en het apparaat vertoont de hoge-weerstandstoestand (HRS). Dit proces wordt aangeduid als 'RESET' en wordt afgebeeld in Fig. 5e.

In zuurstofvacantie-gebaseerd RRAM (OxRRAM) is het fysieke mechanisme dat verantwoordelijk is voor weerstandsschakeling over het algemeen geassocieerd met de generatie van zuurstofvacatures (Vₒ²⁺) en de daaropvolgende herplaatsing van zuurstofionen (O²⁻), wat de vorming van een geleidend filament tussen de boven- enonderelektroden van de RRAM-cel mogelijk maakt. Initieel is voor de as-gefabriceerde RRAM-cel het vormingsproces, d.w.z. zachte doorbraak van het dielektricum, essentieel. Eenmaal de zachte dielektrische doorbraak plaatsvindt, worden de zuurstofatomen uit het rooster uitgeklopt door toepassing van een hoog elektrisch veld naar de anode-interface en worden ze zuurstofionen (O²⁻), terwijl zuurstofvacatures (Vₒ²⁺) in de oxidelag achterblijven. De zuurstofionen (O²⁻) reageren met anodematerialen of worden ontladen als neutrale niet-rooster zuurstof, als edele metalen als materialen voor de anode worden gebruikt om een interfaciale oxidelag te vormen. Dus gedraagt de elektrode/oxide-interface zich als een 'zuurstofreservoir'. Vervolgens schakelt de accumulatie van zuurstofvacatures (Vₒ²⁺) in de bulk oxide de RRAM-cel naar de lage-weerstandstoestand (LRS) omdat het geleidende filament (CF) gevormd wordt en een waarneembare stroom door het apparaat vloeit. Om het apparaat terug te schakelen naar de hoge-weerstandstoestand (HRS), treedt het reset-proces op, waarbij de zuurstofionen (O²⁻) terug migreren naar de bulk oxide van de anode-interface en zich combineren met de zuurstofvacatures (Vₒ²⁺) of het metalen CF-precipitaat oxideren en dus het filament deels breken, waardoor de RRAM-cel teruggeschakeld wordt naar HRS. Voor RRAM-cellen die unipolaire schakeling vertonen, wordt de diffusie van zuurstofionen (O²⁻) thermisch geactiveerd door Joule-warmtestroom en diffuseren de zuurstofionen van de interface of het gebied rond het CF door de concentratiegradiënt. Ook moet opgemerkt worden dat een relatief hogere reset-stroom vereist is in unipolaire schakeling RRAM om de lokale temperatuur rond het CF te verhogen. In bipolaire schakeling RRAM, daarentegen, moeten de zuurstofionen (O²⁻) geholpen worden door het omgekeerde elektrisch veld, omdat de interfaciale laag een significante diffusiebarrière kan presenteren en zuivere thermische diffusie niet voldoende is. Het moet opgemerkt worden dat de deeltijdige breuk van het CF in beide gevallen plaatsvindt, de RRAM-cel schakelend naar de hoge-weerstandstoestand (HRS). Dit is primair te wijten aan de vorming van zuurstofvacatures (Vₒ²⁺) en arme regio's die resulteren in de tunnelspeling voor elektronen. Om het apparaat terug te schakelen naar LRS (SET-proces), verbindt het CF de elektrodes opnieuw als gevolg van de zachte doorbraak in de gatregio. Een vergelijkbaar set/reset-proces kan zich voor veel cycli herhalen.

Gebaseerd op de bovenstaande discussie, steunt CBRAM, ook bekend als electrochemische metallisatiegeheugen (ECM), op een electrochemisch actieve metalelektrode zoals Ag, Cu of Ni om metaalkation-gebaseerd CF te vormen. Het CF in zuurstofvacantie-filament-gebaseerd RRAM 'OxRRAM', ook bekend als valentieveranderingsgeheugen (VCM), bestaat uit zuurstofvacaturedefecten, in plaats van metaalatomen, door anionmigratie binnen het opslagmateriaal zelf. Hoewel het schakelmechanisme van zowel 'OxRRAM' als 'CBRAM' in detail wordt besproken, is er nog steeds enige discussie over de schakelmechanismen van beide RRAM-typen. Bijvoorbeeld, waar het CF begint te groeien in het set-proces en waar het breekt in het reset-proces, en hoe deze zuurstofvacatures/metaalatomen bijeenkomen om het CF te vormen. De stroom-spanning (I-V) kenmerken van 20 opeenvolgende schakelcycli van Ta/TaOₓ/Pt-gebaseerde RRAM-structuur werden onderzocht, en duidelijke variatie van zowel LRS als HRS voor opeenvolgende schakelcycli werd waargenomen. Als gevolg daalt het geheugenvenster, wat de algehele RRAM-prestaties degradeert. Deze cyclustotcyclus weerstandsvariabiliteit wordt primair toegeschreven aan de willekeurige vorming van CF en de breuk ervan tijdens de set- en reset-bewerking respectievelijk.

Een vergelijking van OxRRAM met CBRAM op basis van verschillende operationele parameters wordt getoond in Tabel 3. Deze vergelijking onthult het opvallende verschil in termen van de uithoudingskenmerken van deze RRAM-geheugentypen. Deze ongelijkheid is omdat de geleidende filamenten van CBRAM voornamelijk samengesteld zijn uit metaalatomen, die relatief makkelijker driften en diffunderen vergeleken met zuurstofvacatures, wat de degradatie van de retentietijd en uithoudingskenmerken van CBRAM ten opzichte van OxRRAM veroorzaakt. Hoewel het schakelmechanisme van beide RRAM-typen verschillend is, zijn er veel gemeenschappelijke kenmerken tussen de twee. Het enige significante verschil is dat de uithouding voor OxRRAM aanzienlijk hoger is dan die van CBRAM.

Prestatiemetricen van Weerstands-geheugen (RRAM)

Uithouding

Weerstands-geheugen omvat frequente overgangen tussen een hoge-weerstandstoestand (HRS) en lage-weerstandstoestand (LRS). Elke schakelgebeurtenis tussen de weerstandstoestanden kan permanente schade introduceren en degradatie van RRAM-prestaties veroorzaken. Uithouding wordt dus gedefinieerd als het aantal keren dat een RRAM-apparaat tussen HRS en LRS kan schakelen terwijl een betrouwbaar onderscheidbaar verhouding tussen hen gewaarborgd blijft. Dus bepaalt een uithoudingstest het maximum aantal set/reset-cycli dat effectief kan worden geschakeld voordat HRS en LRS niet meer onderscheidbaar zijn. De uithoudingskenmerken van RRAM worden verkregen door een reeks I-V-sweeps uit te voeren in een weerstandsschakelcel en de daaropvolgende extractie van R_HRS en R_LRS bij toepassing van een leesspanning (typisch 0,1 V). Deze methode is betrouwbaar omdat men de juiste schakeling van het apparaat in elke cyclus kan verkrijgen; deze methode is echter erg traag omdat de tijd die nodig is voor het verkrijgen van een I-V-sweep erg hoog kan zijn, met name als lagere stromen betrokken zijn.

De uithoudingscycli in een HfOₓ RRAM-cel tonen een sterke afhankelijkheid van de celgrootte, zoals afgebeeld in Fig. 6a, waarin betere uithouding in RRAM-apparaat met grotere celgrootte wordt gerapporteerd. Daarnaast resulteert verticale vermindering van de laagdikte in degradatie van uithoudingsprestaties voor SET-spanning bij 2,5 V, zoals getoond in Fig. 6b. Deze degradatie in uithoudingsprestaties met downscaling van de schakellaag is het resultaat van het verminderde aantal ionen in het actieve gebied. HfOₓ-gebaseerd RRAM vertoont een uitstekende uithoudingsprestatie van 10⁶ cycli op een 1-kb array met 30-nm celgrootte onder 0,18 μm technologie, zoals getoond in Fig. 6c. Door een extra laag AlOₓ boven de onderlektrode (BE) toe te voegen, kan de arraystabiliteit verder verbeterd worden, omdat de read-disturb-immuniteit voor HRS toeneemt. Voor TaOₓ-gebaseerd RRAM werd een degradatie in uithoudingsprestaties waargenomen met toenemende pulsbreedte en amplitude van RESET-spanning in Ta/Ta₂O₅/TiN RRAM-structuur. Een vergelijking van TiN en Ru onderlektrode in de Ta/Ta₂O₅/TiN RRAM toont aan dat de hoofdoorzaak van uithoudingsdegradatie te wijten is aan de reactie van zuurstofionen met TiN-elektrode. Verder werd een verbeterde uithouding van 10⁹ schakelcycli zonder verificatie verkregen in een vergelijkbare RRAM-structuur door de Ta₂O₅-laag te verminderen tot 3 nm en gebruik van een driehoekspuls met < 5 ns breedte. Voor grootschalige array-prestaties wordt een vergelijking van 2-Mb Ta₂O₅-geheugen voor en na 10⁵ cycli uithoudingstest getoond in Fig. 6d. De celstroomverdelingen tonen een kleine variatie voor initiële en finale cycli. Ook daalt de celstroom voor LRS onder 50 μA, wat de lage stroomverbruik van de array aangeeft. Weerstandsschakelapparaten met uithouding hoger dan 10¹² cycli zijn gerapporteerd in verschillende typen RRAM-cellen met tantalumoxide (TaOₓ)-gebaseerde schakelmedia. Dus lijken tantalumoxide-gebaseerde RRAM-apparaten de hoogste uithouding te vertonen.

Retentie

De gegevensretentie van een RRAM-apparaat omvat het onderzoeken van stabiliteit over een periode voor zowel LRS als HRS na het ondergaan van set- en reset-overgangen. Met andere woorden, de tijdsperiode waarin een geheugencel in een bepaalde toestand blijft na de set/reset-bewerking, bepaalt de capaciteit van een geheugencel om zijn inhoud te behouden. De toepassing van constante spanningsspanning (CVS) over tijd met een lage leesspanning (0,1 V) en de meting van de stroom versus tijd (I-t) kromme voor zowel LRS als HRS stelt de meting van toestandsretentie in staat. Vanwege de disperserende aard van atoomherrangschikkingen geïnduceerd in RRAM door set-spanning, is lange retentietijd in LRS moeilijk te verkrijgen, terwijl in HRS retentie geen probleem is, omdat het meestal de natuurlijke toestand van het apparaat is en RRAM in deze toestand blijft als geen bias (of lage bias) wordt toegepast. De retentie in de LRS hangt af van de compliance-limiet tijdens de SET-overgang, bijv. in RRAM's gebaseerd op geleidend filament schakelmechanisme, produceert een grotere compliance-stroom een sterker geleidend filament dat stabieler is over tijd, vergeleken met een kleinere compliance-stroom. Een geprojecteerde uithouding van 10 jaar bij 85°C is gedemonstreerd in Ti/HfO₂/TiN. Een veelgebruikte methode om apparaatuithouding te verkrijgen is door leespuls bij hoge temperatuur toe te passen na bepaalde tijdsintervallen (bijv. elke 1 s) en de weerstand te extrapoleren naar een 10-jaarsperiode. Hoewel deze methode makkelijk te implementeren is, heeft het bepaalde beperkingen, primair door de leesspanningsspanning die op de cel wordt toegepast. Een alternatieve methode is om de temperatuur te veranderen en de tijd tot het apparaat faalt te registreren. Activeringsenergie wordt geëxtraheerd door het Arrhenius-plot te tekenen en naar de bedrijfstemperatuur te extrapoleren. Echter, de beperking van deze methode is dat men moet wachten tot de fout optreedt in de RRAM-cel, en dus is deze methode tijdrovender en duurder.

De apparaatkenmerken van HfOₓ-gebaseerd RRAM ontwikkeld bij het Industrial Technology Research Institute, Taiwan, worden gedemonstreerd om het functioneren van RRAM-apparaat beter te begrijpen. De transmissie-elektronenmicroscopie (TEM) afbeelding van de TiN/Ti/HfOₓ/TiN RRAM-apparaat met 30-nm celgrootte wordt getoond in Fig. 7a. Het apparaat vertoont bipolaire schakelkenmerken en de I-V-kromme verkregen bij 200 μA set compliance-stroom wordt getoond in Fig. 7b. Het apparaat presenteert uithouding van 10⁶ schakelcycli met weerstand aan/uit verhouding groter dan 100 bij set/reset programmeercondities van +1,5 V/–1,4 V puls met 500 μs pulsbreedte, zoals afgebeeld in Fig. 7c.

Uniformiteit

In RRAM-cel is slechte uniformiteit van verschillende apparaatkenmerken een van de significante factoren die de productie op bredere schaal beperkt. De schakelspanningen, evenals zowel de HRS als de LRS weerstanden, zijn onder de parameters die een hoge mate van variatie vertonen. De variaties van het weerstandsschakelen omvatten temporele fluctuaties (cyclus-tot-cyclus) en ruimtelijke fluctuaties (apparaat-tot-apparaat). De stochastische aard van de vorming en breuk van het geleidende filament wordt beschouwd als de hoofdoorzaak voor deze variaties. Cyclus-tot-cyclus en apparaat-tot-apparaat variabiliteit is een grote hindering voor informatieopslag in RRAM-apparaten. De waarneming van cyclus-tot-cyclus variabiliteit wordt beïnvloed door de verandering in het aantal zuurstofvacaturedefecten die in het CF ontstaan door de stochastische aard van de vorming en breuk tijdens de schakelgebeurtenis. Vanwege deze willekeurige aard van het CF, wordt de voorspelling en nauwkeurige controle van de vorm van het CF extremelijk uitdagend. Deze variabiliteit wordt erger naarmate de compliance-limiet (d.w.z. compliance-stroom 'I_cc') wordt verlaagd. Aan de andere kant, voor hogere waarde van 'I_cc', is de verhouding van standaarddeviatie (σ) en gemiddelde weerstand (μ) laag, wat resulteert in een kleinere LRS-weerstandsspreiding. Dit wordt toegeschreven aan de hogere defecten in het CF, waardoor een goed gedefinieerd pad voor stroomgeleiding ontstaat.

RRAM vertoont ook apparaat-tot-apparaat (cel-tot-cel) non-uniformiteit, wat ook de geheugenprestaties degradeert door de geheugenmarge tussen twee toestanden te verkleinen. De oorsprong van deze variabiliteit wordt toegeschreven aan non-uniformiteiten in het fabricageproces zoals de dikte van de schakelfilm, etsschade en oppervlakteruughoud van de elektroden. Er is veel onderzoek gedaan om de uniformiteit van RRAM te verbeteren en er zijn verschillende methoden verkend. Een van de methoden gebruikt het concept van het invoegen van nano-kristalzaadjes die de paden van het geleidende filament beperken door het versterken van het effect van het lokale elektrisch veld. In Ti/TiO₂₋ₓ/Au-gebaseerd RRAM, resulteert de inductie van platina (Pt) nano-kristallen binnen de dunne TiO₂₋ₓ in een verbeterde uniformiteit van de RRAM-cel. De Pt nano-kristallen beperken het schakel effect tot gebieden met hoge zuurstofvacature generatie-kans, wat resulteert in verbeterde uniformiteit. In een andere benadering is het ontwerpen van de elektrode/oxide-interface door het insluiten van geschikte bufferlagen zeer nuttig om uniforme RRAM-bewerking te bereiken. In HfOₓ-gebaseerd RRAM, wordt een dunne Al-bufferlaag tussen de TiN-elektrode en HfOₓ-oxidelag ingebracht. Dit resulteert in een significante verbetering van de set-spanningsverdeling en de weerstandsverdeling, wat de uniformiteit van het apparaat verbetert. De verbetering in de SET-spanning en de weerstandsverdeling van het RRAM-apparaat na het invoegen van een dunne Al-bufferlaag tussen TiN-elektrode en HfOₓ-bulk oxide wordt afgebeeld in Fig. 8. Al-atomen worden verondersteld in HfO₂ dunne films te diffunderen, en ze neigen ertoe zuurstofvacatures te lokaliseren door de verminderde zuurstofvacaturevormingsenergie, wat de generatie van geleidende filamenten stabiliseert, wat helpt om de weerstandsschakeluniformiteit te verbeteren.

Naast de materialen-ingenieursbenadering, is ook een nieuwe programmeermethode voorgesteld om fluctuaties te verminderen. Een meervoudige vormingstechniek werd geïmplementeerd in W/HfO₂/Zr/TiN-gebaseerd RRAM om de overschotstroom te minimaliseren door parasitaire effecten. Een meervoudige vormingstechniek resulteert in de geleidelijke vorming van het filament; dus wordt een lage set/reset-stroom bereikt, wat de schakelkenmerken van het apparaat verbetert. Verschillende andere methoden zoals constante spanning vorming en hete vorming (meestal aangeduid als vorming bij hogere temperatuur) zijn ook onderzocht om de weerstandsvariaties effectief te verminderen. Een andere methode om hoge uniformiteit te bereiken is door een pulsreeks toe te passen in plaats van een enkele puls aan een RRAM-cel. Deze benadering resulteert niet alleen in verbeterde uniformiteit, maar verbetert ook de multilevel capaciteit van een RRAM-cel.

Effect van bedrijfstemperatuur en willekeurige telegraafruis

Om een betrouwbare prestatie van het RRAM-apparaat te bereiken, wordt het effect van bedrijfstemperatuur en willekeurige telegraafruis (RTN) onderzocht. Er wordt waargenomen dat de weerstand van zowel de LRS als HRS toestanden variaties ondergaan vanwege de verandering van bedrijfstemperatuur. De temperatuurstudie van TiN/HfO₂/Ti/TiN werd uitgevoerd. Een positieve sweep-spanning van < 3 V en compliance-stroom van 1 μA werd toegepast voor de electrovorming. Eenmaal vorming plaatsvindt, schakelt een reset-spanning (V_reset) < –1 V het apparaat terug naar HRS (UIT-toestand). Om het apparaat terug te schakelen naar LRS (AAN-toestand), wordt set-spanning (V_set) < 1 V toegepast.

De reset-bewerking in RRAM-apparaat neigt spanningsgecontroleerde negatieve differentiële weerstand (NDR) te vertonen. De reset-bewerking treedt abrupt op bij lage temperaturen, terwijl voor temperaturen boven kamertemperatuur het reset-proces geleidelijker plaatsvindt. De weerstand van het RRAM-apparaat in de onberoorde toestand, evenals de AAN-toestand en UIT-toestand als functie van temperatuur, wordt afgebeeld in Fig. 9a. Halfgeleidergedrag wordt waargenomen voor de onberoorde toestand en de UIT-toestand, d.w.z. weerstand daalt met toename van temperatuur. Voor de AAN-toestand wordt metallisch gedrag waargenomen, d.w.z. weerstand stijgt met toename van temperatuur. Vanwege de variatie van weerstand met temperatuurverandering, daalt R_OFF/R_ON ook van een waarde van 20 tot ongeveer 5 over het temperatuurbereik van 213–413 K. In Ti/HfOₓ/Pt apparaten werd een daling in R_OFF/R_ON waargenomen met temperatuurafhankelijke cycli. Deze daling in weerstandsverhouding werd toegeschreven aan de opbouw van zuurstofvacature-gerelateerde vallen binnen de HfO₂ metaaloxidelage. Daarnaast werden temperatuurafhankelijke metingen zonder set/reset-bewerking uitgevoerd om de impact van I-V cycli op de R_OFF/R_ON verhouding te evalueren. De sweep-spanning over het RRAM-apparaat werd gestopt voordat V_set en V_reset waarden bereikt werden. Voor UIT-toestand weerstand (groene rechthoeken), werd een zwakkere temperatuurafhankelijkheid waargenomen in tegenstelling tot de AAN-toestand weerstand (groene cirkels) die vergelijkbare kenmerken vertoonde, vergeleken met het cyclisch geval. Uit deze waarnemingen concluderen we dat I-V cycli sterkere temperatuurafhankelijkheid induceren, wat de R_OFF/R_ON verhouding verlaagt. Het effect van temperatuursvariatie op de schakelspanningen V_set en V_reset wordt afgebeeld in Fig. 9b. De lichte variatie in V_set met veranderende temperatuur duidt erop dat er geen significante temperatuurverschil is. Voor het geval van V_reset, is de algemene trend een daling in spanningwaarde van ongeveer 0,2 V met temperatuurstijging in het bereik van 233–333 K. Ook wordt een langzame stijging van V_reset waargenomen voor 353–413 K temperatuurbereik.

Willekeurige telegraafruis (RTN) is een andere factor die de prestaties van RRAM beïnvloedt. RTN is al lang gebruikt als indicator van apparaatprestaties en betrouwbaarheid. RTN verlaagt de geheugenmarge tussen HRS en LRS vanwege de uitgebreide fluctuaties in de leestroom tijdens de leesbewerking. Vanwege het effect van RTN, worden de leesmarge, schaalbaarheidspotentieel en de multilevel cel capaciteit van een RRAM-cel sterk beïnvloed; dus moet het onderzocht worden om betrouwbare prestaties te bereiken. Om het effect van de onderlektrode op RTN te onderzoeken, werd een analyse van Ta₂O₅/TiO₂ RRAM uitgevoerd. Voorbeelden van complexe RTN signalen in LRS en HRS worden afgebeeld in Fig. 10. RTN veroorzaakt leesinstabiliteit in het RRAM-apparaat, wat de leesmarge, multibit opslagimplementatie en apparatschaling belemmert. RTN wordt toegeschreven aan het vangen en loslaten van elektronen in de nabijheid van het CF in LRS, terwijl het in de tunnelspeling in de HRS-toestand optreedt. Hoewel de fysica van RTN nog niet duidelijk is en nog steeds heftig wordt gedebatteerd, wordt het vangen en loslaten van elektronen dat tijdelijk de ladingstransport belemmert, breed geaccepteerd als het mechanisme verantwoordelijk voor fluctuatie door RTN. Er wordt waargenomen dat met de afname van de bedrijfsstroom, de amplitude van RTN toeneemt, wat de HRS-niveau sterk beïnvloedt. Daarom is het noodzakelijk om de additionele weerstandsmarge te garanderen om betrouwbare prestaties te bereiken. RTN in RRAM is uitgebreid onderzocht, hoewel het fysieke mechanisme van RTN nog steeds niet expliciet gedefinieerd is. RTN kan gebruikt worden als hulpmiddel om de bewegingen van actieve vacatures in RRAM te karteren vanwege de tijdsafhankelijke variatie. Dit kan nogal nuttig zijn om de falenmechanismen van andere betrouwbaarheidskwesties te begrijpen.

Multilevel Weerstands-geheugen (RRAM)

Multilevel Per Cel (MLC) Opslag

Vanwege hun kleine fysieke afmetingen en lage stroomverbruik, zijn RRAM-apparaten potentieel voor toekomstige geheugen- en logica-toepassingen. Verhoogde opslagdichtheid is een van de meest kritieke aspecten van geheugentechnologie om het ontwerp van multibit-capaciteit geheugencellen mogelijk te maken. Meerdere weerstandstoestanden kunnen in RRAM-cellen bereikt worden, wat voordelen biedt van lage-kosten en hoge-dichtheid niet-vluchtige gegevensopslagoplossingen. Momenteel wordt veel onderzoek gedaan in het gebied van RRAM om de afmetingen te verkleinen en de structurele dichtheid van geheugenarrays te vergroten. Eerder is de opslagdichtheid van RRAM verhoogd door de verkleining van de apparaatafmetingen; de complexiteit van de experimentele procedures beperkt echter de succesvolle implementatie. Een andere voorgestelde methode is het gebruik van driedimensionale (3D) kruisstangarchitecturen. Twee typen architecturen van 'verticaal' en 'kruisstang RRAM' zijn voorgesteld; echter, beide architectuurtypen vereisen geavanceerde fabricageprocedures, wat niet wenselijk is. Een veel eenvoudigere alternatief om de opslagdichtheid in RRAM-apparaten te verhogen is door gebruik te maken van multilevel cel (MLC) opslagtechnologie, die het opslaan van meer dan één bit per cel mogelijk maakt zonder de fysieke apparaatafmetingen te verkleinen. Deze MLC is een van de meest belovende eigenschappen van RRAM die de geheugenopslagdichtheid aanzienlijk kan verhogen. Dus, in plaats van een enkele hoge en lage weerstandstoestand (HRS en LRS), kunnen we meerdere HRS en LRS bereiken, zonder de apparaatafmetingen te veranderen. Echter, om betrouwbare MLC-bewerking te bereiken, moet nauwkeurige controle over de weerstand van de verschillende weerstandsniveaus van RRAM gewaarborgd worden; anders zal het apparaat lijden onder weerstandsvariabiliteit en betrouwbaarheidskwesties, hoofdzakelijk door de willekeurige aard van de geleidende filamentvorming tijdens het schakelproces.

Methoden om Multilevel Per Cel (MLC) Modi in RRAM te Verkrijgen

Het MLC-gedrag in RRAM maakt het zeer nuttig voor hoge-dichtheidstoepassingen. Om MLC-gedrag in RRAM te verkrijgen, worden de volgende drie methoden toegepast: (i) compliance-stroom wijzigen, (ii) reset-spanning controleren en (iii) programmeer/wis-pulsbreedte variëren.

MLC door Compliance-stroom te Wijzigen

Het RRAM-apparaat wordt meestal bediend met 1-RRAM (1R) celconfiguratie of in 1-Transistor 1-RRAM (1T-1R) celconfiguratie. De MLC-kenmerken in 1R-configuratie kunnen verkregen worden door de compliance-stroom (I_cc) tijdens de 'set'-bewerking te wijzigen, terwijl de MLC-kenmerken in 1-Transistor 1-RRAM (1T-1R) celstructuur worden gecontroleerd door de spanning aan de gate van de transistor te variëren, wat de controle van compliance-stroom (I_cc) tijdens de set-bewerking van een RRAM-cel mogelijk maakt. De typische MLC I-V-krommen van Ti/Ta₂O₅/Pt-gebaseerd RRAM-cel worden getoond in Fig. 11. Naarmate de compliance-stroom (I_cc) toeneemt van 150 μA tot 1 mA, worden zes verschillende LRS verkregen bij I_cc = 150 μA, I_cc = 200 μA, I_cc = 300 μA, I_cc = 500 μA, I_cc = 700 μA, I_cc = 1 mA door de toename in de respectievelijke stroom van LRS (I_LRS), terwijl de HRS constant blijft en de HRS-stroom (I_HRS) hetzelfde blijft voor alle LRS-niveaus. Voor Ti/Ta₂O₅/Pt RRAM, met de toename in I_cc, neemt de maximale reset-stroom (I_reset) ook toe, terwijl de set-spanning bijna constant blijft. Ook werd waargenomen dat de weerstand van de LRS (R_LRS) daalt terwijl de (I_reset) toeneemt door de sterkere filamentvorming met de toename in I_cc.

De vorming van het CF en de bijbehorende verbreiding met toename in I_cc is het toegeschreven mechanisme van multilevel per cel (MLC) in compliance-stroom (I_cc) modus, zoals schematisch afgebeeld in Fig. 12. Met toename in de grootte van CF door toename van I_cc, daalt de weerstand van het CF en resulteert dus in meerdere LRS-niveaus voor verschillende waarden van I_cc. Het wordt ook waargenomen dat I_reset toeneemt met toenemende I_cc, aangezien hogere vermogen nodig is om het CF met grotere diameter te breken.

MLC door Reset-spanning te Controleren

De MLC-kenmerken in een RRAM-cel kunnen ook verkregen worden door de reset-spanning (V_reset) te controleren terwijl (I_cc) constant blijft. In dit geval worden de typische MLC I-V-krommen van TiN/HfOₓ/AlOₓ/Pt-gebaseerd RRAM-cel door toepassing van verschillende (V_reset) van –2,1 V, –2,7 V en –3,3 V getoond in Fig. 13.

Er wordt waargenomen dat met toename in (V_reset), de HRS-stroom (I_HRS) daalt; dus worden meerdere HRS-niveaus met dezelfde LRS-weerstand verkregen. Daarnaast neemt de set-spanning (V_set) ook toe als V_reset toeneemt, terwijl de I_reset bijna constant blijft.

De daling in I_HRS met de toename in reset-spanning is primair te wijten aan de toename in de ruimte tussen de metalelektrode en de top van het CF, zoals afgebeeld in Fig. 14. Hoe groter de grootte van de V_reset, hoe groter de ruimte en dus hoe hogere de weerstandswaarde. Daarom resulteert een toename in de ruimte tussen de CF-top en de onderlektrode (BE) met toenemende reset-spanning in meerdere weerstandsniveaus van HRS. Er wordt waargenomen dat in apparaten waarin de I_reset een geleidelijke verandering in stroom vertoont in plaats van de abrupte verandering tijdens de 'reset'-bewerking, de verandering in HRS-weerstand in dergelijke apparaten kan te wijten zijn aan de afname in de grootte van het geleidende filament (CF) als V_reset toeneemt. Deze benadering is praktischer voor kruispuntarchitecturen omdat het relatief minder complexe schakelingen vereist.

MLC door Programmeer/Wis Pulsbreedte te Variëren

MLC-kenmerken kunnen ook verkregen worden door de programmeer/wis-pulsbreedte te variëren terwijl de amplitude van de puls constant blijft. In HfOₓ-gebaseerd RRAM werden drie HRS-niveaus gedemonstreerd door de breedte van de reset-puls te variëren van 50 ns tot 5 μs. Deze methode om MLC-kenmerken in RRAM te verkrijgen is relatief eenvoudig; echter, dit schema is energie-onzuinig. Dit nadeel beperkt de toepassing van deze methode om betrouwbare kenmerken in de RRAM-cel te verkrijgen. Het hogere energieverbruik van het RRAM-apparaat werd bevestigd door de vergelijking van de transeerreacties tussen de reset-pulsamplitude en pulsbreedtecontrole. Dit is met name te wijten aan de hogere ongewenste energiedissipatie als thermische energie in het weerstandsschakelmateriaal.

Een samenvatting van RRAM-apparaten die meerdere weerstandstoestanden vertonen, wordt getoond in Tabel 4. Zoals uit de tabel blijkt, zijn verschillende RRAM-apparaten met meerdere weerstandstoestanden gerapporteerd. Tot nu toe zijn er echter slechts 8 weerstandstoestanden gedemonstreerd in een enkele RRAM-cel, ofwel door I_cc of V_reset te variëren. Daarom is er een enorme ruimte voor het verhogen van het aantal weerstandstoestanden in de RRAM-cel, wat de opslagdichtheid verbetert.

Modellering van RRAM-apparaten

Modellering speelt een zeer kritieke rol in de ontwikkeling van apparaten die halfgeleidertechnologieën gebruiken. Om de apparaatbewerking volledig te begrijpen en de prestaties te optimaliseren, is een accuraat model van groot belang. Een aantal RRAM-modellen met variërende kenmerken en nauwkeurigheid zijn voorgesteld. Deze sectie bespreekt de kenmerken en attributen van de verschillende veelgebruikte RRAM-modellen.

Stanford/ASU Model

Een van de meest populaire fysica-gebaseerde RRAM-modellen is het Stanford/ASU RRAM-model, voorgesteld door Guan et al. en Chen et al. Dit model werd toegepast om de I-V schakelkenmerken van HfO₂ RRAM te valideren en omvat het effect van Joule-warmte en temperatuurverandering op de schakeling van RRAM-apparaten.

Dit model is afhankelijk van de CF-groei binnen een dielektrische schakellaag. De filamentkloof, d.w.z. de kloof tussen de top van het CF en de bovenlektrode, is de interne staatvariabele voor dit model. De groei van CF binnen een dielektricum wordt toegeschreven aan de zuurstofionenbeweging en regeneratie en recombinatie van zuurstofvacatures. Dus is de veranderingssnelheid van de filamentkloof (g) gegeven als:

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

waarbij E_a de activeringsenergie is, V de grootte van de spanning over het apparaat, L de dikte van het schakelmateriaal, a_h de hopsafstand, γ de lokale veldversterkingsfactor, V_0 de snelheid met pogingsfrequentie, K_b de Boltzmann-constante, q de elementaire lading en T de temperatuur van het geleidende filament.

De ruimtelijke variatie in de kloofgrootte wordt in dit model in rekening gebracht, naast de variaties die ontstaan door de stochastische eigenschap van het ionproces. Een ruissignaal wordt toegevoegd aan de kloofafstand om deze variaties te verantwoorden als:

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

waarbij Δt de simulatiettijdstap is, de functie F de tijdsevolutie van de kloofgrootte van t tot Δt vertegenwoordigt. \(\tilde{X}\)(n) is een nul-gemiddelde Gaussiaanse ruissequentie. T_GN is het tijdsinterval waarna \(\tilde{X}\)(n) verandert naar de volgende willekeurige waarde.

De variatie in de kloofgrootte δ_g hangt af van de kinetische energie van ionen en filamenttemperatuur als:

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

waarbij δ⁰_g en T_smith aanpassingscoëfficiënten zijn om de weerstandsverdelingscurven aan experimenten aan te passen en T_crit een drempeltemperatuur is boven welke de kloofgrootte significant verandert.

Dit model toont een sterke afhankelijkheid van temperatuur; dus is er behoefte om rekening te houden met de verandering van 'T'. Met verandering in celkenmerken, verandert de dynamische binnen-domein temperatuur T significant, terwijl het buiten-domein verondersteld wordt uniform en stabiel (T_bad), en gerelateerd als:

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

waarbij C_p de effectieve warmtecapaciteit van het binnen-domein is, V(t)I(t) de Joule-warmte vertegenwoordigt en k de effectieve thermische geleidbaarheid is.

Met een gegeneraliseerd geleidingsmechanisme wordt de stroomgeleiding gedefinieerd als:

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

waarbij I_0, g_0 en V_0 aanpassingsparameters zijn om experimentele resultaten te matchen.

Een van de significante kenmerken van dit model is de implementatie in neuromorfische toepassingen en RRAM-synaptisch apparaatontwerp, wat het model een grote mate van flexibiliteit en verder bereik voor implementatie in diverse neuromorfische systemen geeft.

Fysiek Elektro-thermisch Model

Fysiek elektro-thermisch model werd ontwikkeld door Kim et al. en geïmplementeerd met tantalum-pentoxide (Ta₂O₅)-gebaseerde bilayer RRAM. Dit fysieke model lost de differentiaalvergelijkingen op gebaseerd op de eindige-elementen oplossingsmethode. Dit model maakt ook gebruik van de elektrothermische fysica fenomeen benadering voor modellering, wat het voordeel geeft in termen van flexibiliteit om de eindige-elementen methode (FEM) solver te incorporeren om het systeem zeer nauwkeurig te simuleren. Echter, het nadeel van deze benadering is de moeilijkheid in implementatie voor SPICE en Verilog schakeloplossers.

Dit model beschrijft CF als een gedoopt gebied met zuurstofvacatures als dopanten met CF die zich uitstrekt van de boven- tot de onderlektrode van het apparaat. Om de drift-diffusie van vacantiemigratie te beschrijven, veronderstelt dit model dat dezelfde vergelijking gebruikt kan worden om zowel de processen van zuurstofionen als vacatures te beschrijven. Het ionenmodel van Mott en Gurney wordt hier gebruikt om het proces te beschrijven als:

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

waarbij D_s het diffusieproces beschrijft, v de driftsnelheid van vacatures geeft en G de CF-groeisnelheid is die eigenlijk het SET-proces beschrijft. De parameters worden gedefinieerd als:

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

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

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

waarbij l_m de maasgrootte is.

Deze vergelijkingen regeren de fysieke transformatie van het apparaat tijdens SET- en RESET-overgang, wat essentieel de CF-groei en -breuk controleert.

Huang's Fysiek Model

Huang's fysieke model, ontwikkeld door Huang et al., is een heel uitgebreid fysiek model voor RRAM-apparaat, omdat het rekening houdt met zowel de CF-breedte als de kloof van filament naar elektrode als factoren die de staatvariabele dynamiek beïnvloeden. Daarnaast wordt temperatuursverdeling ook in rekening gebracht in dit model.

SET/RESET-proces wordt beschouwd als resultaat van generatie/recombinatieproces van zuurstofionen (O²⁻) en zuurstofvacatures (V₀). Tijdens het SET-proces begint CF te evolueren vanaf de top van de bovenlektrode (T.E) en verlengt in straal met toename in spanning, wat resulteert in de uiteindelijke breedte 'W' van de C.F. Dit model veronderstelt een symmetrische cilindrische vorm van de C.F. Tijdens RESET-proces breekt CF, beginnend bij T.E. tot het volledig ontbonden is met toename in spanning. De filamentkloofafstand 'x' wordt gedefinieerd als de kloof tussen de actieve elektrodelaag (T.E.) en de top van de C.F.

Dus, voor het SET-proces fungeert parameter 'W' als staatvariabele, terwijl voor RESET parameter 'x' fungeert als staatvariabele. Daarom definiëren dx/dt en dw/dt de dynamiek van het apparaat tijdens de SET/RESET-overgang.

Tijdens het eerste reset-proces wordt de CF-reductiesnelheid, d.w.z. vrijgave van O²⁻, door de elektrode uitgedrukt als:

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

Voor O²⁻ hops binnen de oxidelage, de CF-reductiesnelheid met 'a' als de afstand tussen twee V₀ wordt gegeven als:

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

Voor het geval van RESET-proces gedomineerd door recombinatie tussen O²⁻ en V₀ wordt uitgedrukt als:

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

In de initiële stap van het SET-proces gedomineerd door recombinatie van zuurstofvacatures met dun CF initieel gegroeid wordt gegeven door:

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

Hierbij zijn Z en α_g aanpassingsparameters.

Voor de tweede stap groeit CF langs zijn radiale richting en wordt gedefinieerd als:

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

De stroom die door het apparaat vloeit, wordt gemodelleerd als een correlatie van hopsstroom met spanning en kloofafstand uitgedrukt door:

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

Dit model is gevalideerd in HfOₓ/TiOₓ systeem, en een redelijk nauwkeurige overeenkomst tussen experimentele en simulatieresultaten is verkregen. Hoewel dit model rekening houdt met de significante processen die RRAM-bewerking beïnvloeden, heeft het enkele beperkingen. De meest kritieke is de incompatibiliteit met SPICE en Verilog-A.

Filament Ontbindingsmodel

Dit model werd exclusief ontwikkeld voor unipolaire RRAM-apparaten door Russo et al., maar later gewijzigd voor bipolaire RRAM-apparaten ook. Filament ontbindingsmodel is gebaseerd op breuk van CF onder het effect van significante temperatuurverandering veroorzaakt door Joule-warmte.

Een van de significante voordelen van dit model is dat het de eenvoudige partiële differentiaalvergelijkingen gebruikt om rekening te houden met de apparaatstroom en temperatuurveranderingen door Joule-warmte alsook de ontbindingssnelheid. De geleiding van stroom binnen het apparaat wordt beschreven door de vergelijking van Poisson als:

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

Hierbij is φ de oxideresistiviteit en v definieert het elektrisch potentieel door de toepassing van externe biasspanning op een van de elektroden terwijl de andere elektrode geaard is.

Het CF wordt verdeeld in een aantal maasroosters en op elk punt van het maasrooster wordt de temperatuur berekend om de breuk van CF te beschrijven. De Fourier stationaire warmtevergelijking beschrijft dit effect als:

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

waarbij k de thermische geleidbaarheid van de oxidelage vertegenwoordigt, J de stroomdichtheid is en T de apparaattemperatuur.

De temperatuur 'T' van het apparaat stijgt tot de kritieke temperatuur, waarna het apparaat wordt gereset en de CF-ontbinding plaatsvindt. De ontbindingsfactor wordt gemodelleerd als:

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

waarbij E_a de activeringsenergie is, k_b de Boltzmann-constante, V_DIS-F een aanpassingsparameter en V_DIS de snelheid van CF-grens naar symmetrie-as.

De resistiviteit van CF is temperatuurafhankelijk en wordt beschreven als:

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

waarbij C de experimenteel berekende temperatuurcoëfficiënt van resistiviteit is en φ_CF-RT de standaard CF-resistiviteit bij kamertemperatuur.

COMSOL Multiphysics Software wordt gebruikt voor het oplossen van de gekoppelde vergelijkingen voor dit RRAM-model vanwege de multiphysics mogelijkheden en het vermogen om dergelijke simulaties te hanteren.

Bocquet Bipolair Model

Bocquet bipolair model beschrijft de bipolaire oxide-gebaseerde weerstandsschakelgeheugens met behulp van een fysica-gebaseerde modellering benadering. Bocquet bipolair model beschrijft het electrovormingsproces van RRAM-apparaat, naast het gebruik van enkele kenmerken van Bocquet unipolair model en het aanzienlijk wijzigen ervan volgens de bipolaire schakelkenmerken. In dit model is de straal van het CF de interne staatvariabele die de schakelsnelheid effectief regeert.

Om de electrovormingsfase te modelleren, gebruikt Bocquet bipolair model de electrovormingssnelheid (τ_Vorm) die het mechanisme van conversie naar schakelbaar sub-oxide van onberoorde oxide detail. De electrovormingsfase wordt gemodelleerd als:

$$ \tau_{\text{vorm}} = \tau_{\text{vorm}0} \times \exp\left(\frac{E_{a\text{Vorm}} - q \times \alpha_s \times V_{\text{cel}}}{k_B \times T}\right) $$ (20)

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

waarbij E_aVorm de activeringsenergie voor electrovorming is, τ_vorm0 de nominale vormingssnelheid, α_s de ladingsoverdrachtscoëfficiënt, V_cel de spanning tussen de boven- enonderelektrode, r_CF de straal van CF die varieert van 0 tot r_CFmax, q de elementaire lading van elektron, T de temperatuur van het apparaat en k_B de Boltzmann-constante.

De electrochemische redoxreactie afgeleid van de Butler-Volmer vergelijking wordt gebruikt om de SET/RESET-bewerking te beschrijven als:

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

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

Hierbij zijn τ_Red en τ_Ox de reductie- en oxidatiesnelheden, respectievelijk. τ_Redox is de effectieve reactiesnelheid rekening houdend met zowel reductie- als oxidatiereacties.

De schakelsnelheid wordt verkregen door de bovenstaande twee vergelijkingen te koppelen als:

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

Bocquet bipolair model is een redelijk uitgebreid model omdat het temperatuureffecten omvat. De lokale filamente temperatuur wordt gekoppeld met behulp van de warmtevergelijking en gegeven in Verg. (25), de temperatuur rekening houdend met een cilindrische filamentvorm wordt gegeven in Verg. (26). De maximum temperatuur bereikt in CF bij x = 0, het midden van het filament, wordt gegeven in Verg. (27) en de equivalente elektrische geleidbaarheid in het werkgebied (σ_eq) wordt gegeven in Verg. (28).

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

$$ T(x) = T_{\text{amb}} + \frac{V^2_{\text{cel}}}{2 L^2_x k_{\text{th}}} \left( \frac{L^2_x}{4} - x^2 \right) \sigma_{\text{eq}} $$ (26)

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

$$ \sigma_{\text{eq}} = \sigma_{\text{CF}} \cdot \frac{r^2_{\text{CF}}}{r^2_{\text{werk}}} - \sigma_{\text{Ox}} \cdot \frac{r^2_{\text{CFmax}} - r^2_{\text{CF}}}{r^2_{\text{werk}}} $$ (28)

waarbij (σ_x) de lokale elektrische geleidbaarheid is, F(x) het lokale elektrisch veld, σ_CF de elektrische geleidbaarheid van het geleidende filament, k_th de thermische geleidbaarheid en T_amb de omgevingstemperatuur.

Het moet hier vermeld worden dat de temperatuur stijgt met toename van de straal van het CF, wat resulteert in zelf-versnelde reactie door een positieve feedbacklus. De zelf-beperkte reactie, ook aangeduid als SOFT reset, treedt daarentegen op door de afname van temperatuur en straal van het CF tijdens RESET-bewerking.

De totale stroom die in OxRRAM vloeit, is de som van stromen die vloeien in het geleidende gebied (I_CF), de geleiding door schakelbaar sub-oxide (I_sub-oxide) en geleiding door ongeschakelde onberoorde oxide (I_pristine). De totale stroom is als:

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

$$ I_{\text{CF}} = F \cdot \pi \cdot \sigma_{\text{CF}} \cdot r^2_{\text{CF}} $$ (30)

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

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

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

De parameter B_e is afhankelijk van de metaal-oxide barrièrehoogte (ϕ_b) en wordt gegeven als:

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

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

waarbij m_e en m^ox_e de effectieve elektronenmassa's in de kathode en oxide respectievelijk zijn, F = V_cel / L_x het elektrisch veld over de actieve laag, h de constante van Planck en S_cel de doorsnede van de RRAM-cel.

Discrete oplossingen zijn vereist om het model in een elektrische simulator te implementeren. Dit model rekening goed in dat aspect, wat het geschikt maakt voor simulatie met elektrische schakelingen. Dit model implementeert vergelijkingen in Eldo schakelsimulator. De discrete oplossingen worden gegeven als:

$$ r_{\text{CFmax}_{i+1}} = \left( r_{\text{CFmax}_i} - r_{\text{werk}} \right) \times e^{\frac{-\Delta t}{\tau_{\text{vorm}}}} + r_{\text{werk}} $$ (35)

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

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

Dit model is geverifieerd tegen elektrische karakterisering van een HfO₂-gebaseerd systeem. Een belangrijk kenmerk van dit model is dat het effectief rekening kan houden met apparaat-tot-apparaat variabiliteit. Een van de grote beperkingen van dit model is het gebrek aan stroom- of spanningsdrempel.

Deze sectie presenteert in detail verschillende kenmerken en eigenschappen van de RRAM-modellen. Een vergelijkende analyse van de RRAM-modellen die in dit werk worden besproken, wordt gepresenteerd in Tabel 5.

Toepassingen van RRAM

RRAM wordt gezien als een van de opvallende kandidaten onder de opkomende geheugentechnologieën die het potentieel heeft om de geheugenhiërarchie te hervormen, primair vanwege de hoge snelheid, de capaciteit van niet-vluchtige gegevensopslag, verbeterde opslagdichtheid en logica-rekenfunctie. De diverse nieuwe toepassingen van RRAM worden in deze sectie besproken.

Niet-vluchtige Logica

De instructiecodes en de gegevens worden overgedragen door gebruik te maken van bussen tussen verschillende eenheden in een computersysteem met Von Neumann-architectuur vanwege de gescheiden reken- en geheugeneenheid. Dit gegevensoverdrachtsproces resulteert in verhoogd energieverbruik en tijdsvertraging, wat algemeen aangeduid wordt als 'Von Neumann-knoop'. Voor het verminderen van de impact van Von Neumann-knoop, wordt het rekenproces dat RRAM-kruisstangarray gebruikt voorgesteld, wat de geheugen- en rekenbewerkingen in dezelfde kern combineert. Daarnaast, om hoge integratiedichtheid en lage kosten te bereiken, zijn de twee-terminal compacte apparaatstructuur van RRAM en de 4F² array-architectuur zeer voordelig. Bijvoorbeeld, om eenvoudige Booleaanse logicafuncties zoals 'logica NIET', 'logica EN' en 'logica OF' te realiseren, hebben we meerdere transistors nodig en elke enkele transistor neemt 8–10F² oppervlakte in beslag. Deze logicafuncties kunnen gerealiseerd worden door gebruik te maken van twee of drie RRAM-cellen, wat resulteert in een totaal benaderd oppervlak van ongeveer 10F².

Tot nu toe zijn verschillende methoden voorgesteld voor het realiseren van Booleaanse logicafuncties. Booleaanse computing is aanzienlijk meer gevestigd vergeleken met bestaande niet-Booleaanse computing paradigma's zoals neuromorf computing en kwantumcomputing. Daarom kan de energie- en kostenefficiëntie van CPU of MCU verbeterd worden zonder de noodzaak om nieuwe algoritmen of software te ontwikkelen, hoewel er nog steeds een tekort is aan technische oplossing over hoe complexe rekenopdrachten in een kruisstangarray te implementeren. Dus richt zich het meeste onderzoek tot nu toe op alleen basislogica demonstratie, omdat het redelijk complex wordt om een heel rekeneenheid met RRAM-array te implementeren.

Neuromorf Computing

Om de 'Von Neumann-knoop' te overwinnen, is een van de effectieve manieren hersen-geïnspireerd neuromorf computing, dat veelbelovend potentieel heeft getoond in een breed scala aan complexe en cognitieve taken zoals visuele/audio herkenning, zelfrijdend en real-time big-data analytics. Vergeleken met CMOS-gebaseerd neuromorf netwerk, biedt neuromorf computing gebaseerd op RRAM-array voordelen in termen van on-chip gewichtsopslag, online training en opschaling tot veel grotere array-grootte. Daarnaast verbetert de verwerkingssnelheid van RRAM met drie orders van grootte, terwijl het stroomverbruik met vier orders van grootte wordt verminderd.

Voor het realiseren van hardware-geïmplementeerde neuromorf computing paradigma's, worden twee methoden voorgesteld: een van de strategieën imiteert de structuur en werking van biologische neurale netwerken, terwijl de andere methode werkt aan het versnellen van bestaande kunstmatige neurale netwerk (ANN) algoritmen. In een neuraal netwerk wordt een synapse gebruikt om pulsen over te dragen tussen verschillende neuronen naast het opslaan van informatie over de overdrachtsgewichten. De informatie over gewichten kan verkregen worden via bepaalde leerregels zoals spike-tijd-afhankelijke plasticiteit (STDP) en spike-frequentie-afhankelijke plasticiteit (SRDP). Hoewel sommige werken in de literatuur hebben geprobeerd dergelijke leerregels op RRAM-apparaten na te bootsen, is het echter vrij complex om dergelijke bio-geïnspireerde leerregels uit te breiden naar een complexe taak, aangezien het theoretische algoritme nog ontbreekt.

Een praktisch haalbare benadering is om een ANN direct af te beelden op een RRAM-gebaseerd neuromorf netwerk. Sommige geavanceerde taken zoals patroon- en spraakherkenning zijn gedemonstreerd op basis van deze methode. Hoewel veelbelovend, is RRAM-gebaseerde synapse nog ver verwijderd van toepassing, aangezien verschillende kwesties zoals materiaaloptimalisatie, variatie-onderdrukking, besturingsschakelingontwerp, architectuur en algoritmeontwerp voor analoge computing effectief aangepakt moeten worden.

Beveiligingstoepassing

Het beveiligingsaspect is prominenter geworden met de snelle ontwikkelingen in het veld van informatietechnologie; dus is er behoefte aan hardware-gebaseerde beveiligingsgeïntegreerde schakelingen. In tegenstelling tot beveiligingsschakelingen gebaseerd op CMOS-logica die de willekeurige aard van het halfgeleiderfabricageproces benutten, zijn beveiligingsschakelingen gebaseerd op RRAM robuuster tegen aanvallen van diverse typen vanwege de volledig willekeurige schakelmechanismen. Het moet opgemerkt worden dat voor beveiligingstoepassingen, grotere variatie van RRAM-apparaatparameters zoals willekeurige telegraafruis (RTN), weerstandsvariaties en probabilistische schakeling wenselijk is, wat heel anders is dan geheugentoepassingen die een kleinere mate van variatie tussen talrijke parameters vereisen.

Een nieuwe beveiligingsfunctie, veelal aangeduid als fysieke onkloneerbare functie (PUF), gebaseerd op RRAM, wordt voorgesteld voor apparaatauthenticatie (sterke PUF) en sleutelgeneratie (zwakke PUF) toepassingen. Significant groter aantal input-output paren [ook wel uitdaging-reactie paar (CRP) genoemd] zijn vereist voor sterke PUF, terwijl slechts een kleine hoeveelheid CRP's van extrem hoge betrouwbaarheid vereist zijn voor zwakke PUF. Hoewel PUFs gebaseerd op RRAM opmerkelijke prestaties hebben gedemonstreerd; zijn nog steeds meer praktische demonstraties en verdere evaluaties vereist om de volwassenheid van deze nieuwe primitief op het gebied van hardwarebeveiliging uit te werken.

Niet-vluchtige SRAM

Vluchtige geheugentechnologieën zoals SRAM en DRAM kunnen meer dan de helft van de statische stroom binnen de huidige mobiele SoC-chips verbruiken. Om snelle parallele geheugenbewerkingen, verminderd oppervlak en laag-energieverbruik te bereiken, werd RRAM-gebaseerde niet-vluchtige SRAM (nvSRAM) voorgesteld, waarin twee RRAM-cellen op acht transistors gestapeld zijn, wat een 8T2R structuur vormt. Ook niet-vluchtige ternary content-addressable memory (TCAM) met 4T2R celstructuur en niet-vluchtige flip-flops met verminderde stresstijd en schrijfvermogen gebaseerd op RRAM zijn recent gedemonstreerd.

Uitdagingen en Toekomstperspectieven

Gedurende de afgelopen jaren is het onderzoek op het gebied van opkomende geheugentechnologieën aanzienlijk gegroeid en zijn verschillende prototype RRAM-producten ontwikkeld die het potentieel demonstreren voor hoge-snelheid en lage-stroom ingesloten geheugentoepassingen. RRAM is een van de meest veelbelovende geheugentechnologieën vanwege de voordelen van eenvoudige structuur, compatibiliteit met de bestaande CMOS-technologie, goede schakelsnelheid en vermogen om te schalen tot de kleinste afmetingen. Feitelijk is de Flash-geheugentechnologie momenteel geconfronteerd met moeilijkheden om tot lagere afmetingen te reduceren, en als zodanig duikt RRAM op als potentiële vervanger, met name voor snelle bediening en medium opslagdichtheid geheugentoepassingen.

Een van de meest kritieke aspecten die grondig onderzocht moet worden, is de betrouwbaarheid van RRAM. Een mechanisme moet ontwikkeld worden om de detectie van de bedieningsfout van het apparaat te garanderen. Ook het ontwerpen van schakelingen, bijv. een test element groep (TEG) ontwerp voor robuuste signaaldetectie, is een van de kritieke uitdagingen voor de opkomst van RRAM-apparaten. Om hoge-dichtheid geheugenbewerking in RRAM te bereiken, is de 1D1R-bewerking essentieel. Dit kan gerealiseerd worden door het RRAM-apparaat in de unipolaire modus te laten functioneren. Echter, in de unipolaire bediening is hogere stroom nodig voor het reset-proces vergeleken met die van de bipolaire bediening. Dit is te wijten aan het feit dat thermisch effect een significante rol speelt in het unipolaire reset-proces. Dus, om een hoge-dichtheid 1D1R RRAM-array te realiseren, moeten de thermische effecten zowel binnen als buiten een geheugenelement overwogen worden. Ook moet opgemerkt worden dat tot nu toe, in een enkel RRAM-apparaat, geen technologie gelijktijdig snelle schakeling, lage stroom en stabiele bediening heeft gerapporteerd. Hoewel de uithouding van RRAM gerapporteerd is als hoog als 10¹², is het nog steeds niet voldoende om DRAM te kunnen vervangen. RRAM bezit de schakelsnelheid die snel genoeg is voor DRAM-vervanging en de materialen die in de fabricage voor RRAM worden gebruikt, zijn zeer vergelijkbaar met die van DRAM, het wordt een kritieke uitdaging om de uithoudingskenmerken van RRAM te verbeteren. Om de uithoudingskenmerken te verbeteren, is het nodig om de zuurstofbeweging tussen de elektrode en de oxidelage aan de interface te controleren. Het wordt voorgesteld om de tweede metaallaag aan de interface in te voegen, die gemakkelijk geoxideerd kan worden en fungeert als zuurstofreservoir om zuurstof te voorkomen dat het in de elektrode penetreert tijdens het weerstandsschakelen. De meest kritieke uitdaging die RRAM-ontwikkeling tot nu toe belemmert, is het correcte begrip van het apparaatschakelmechanisme, wat al lang wordt gedebatteerd door onderzoekers over de hele wereld. Het inconsistente schakelmechanisme van verschillende gerapporteerde RRAM-apparaten wordt veroorzaakt door variatie in het fabricageproces, en dus is meer rigorese analyse in de toekomst nodig voor een beter begrip van het schakelmechanisme van RRAM-apparaten. De bovengenoemde kwesties moeten effectief aangepakt worden voordat RRAM geïmplementeerd kan worden in toekomstige geheugentoepassingen. Hoewel RRAM zeer aantrekkelijk is voor gebruik in neuromorfische berekeningen, ligt de grootste uitdaging om RRAM te industrialiseren in het vermogen om variabiliteitskwesties aan te pakken, niet alleen bij nominale bedrijfsomstandigheden, maar ook bij hoge temperaturen, voordat ze in een breed scala aan toepassingen gebruikt kunnen worden.

Conclusie

Dit overzichtsartikel biedt een korte inleiding in de vooruitgang van de geheugenarchitectuur, de huidige trends en de beperkingen, terwijl het een waardevolle inzicht geeft in het veld van opkomende geheugentechnologieën. Een gedetailleerde discussie, die het belang van RRAM, zijn structuur, werkingmechanisme en classificatie benadrukt, is gepresenteerd. De belangrijkste prestatieparameters en hun effect op de RRAM-bewerking zijn ook gedetailleerd in het huidige manuscript. Een uitgebreide studie over de MLC-capaciteit van RRAM, samen met de methodologie, is gepresenteerd. Het manuscript bespreekt ook de belangrijke kenmerken van de breed geaccepteerde RRAM-modellen. De implementatie van RRAM voor verschillende belangrijke toepassingen zoals niet-vluchtige logica, neuromorf computing, beveiliging en niet-vluchtige SRAM zijn benadrukt. Hoewel significante succes is behaald in RRAM-technologie; is er nog meer werk nodig, aangezien RRAM nog steeds lijdt onder verschillende uitdagingen in termen van hoge bedrijfsstroom, lagere weerstandsverhoudingen en betrouwbaarheidskwesties. Meer inspanningen in onderzoek moeten gericht zijn op het ontwikkelen van methoden om snellere programmeren/wissen, lager stroomverbruik, verbetering van de opslagdichtheid door implementatie van multilevel opslagcapaciteit en verbetering in het fabricageproces voor verbeterde uniformiteit te bereiken. Daarnaast moet de hernieuwde focus liggen op het gebruik van RRAM in ingesloten geheugen en niet-vluchtige logica toepassingen, aangezien doorbraken in deze velden veel meer opwindend en significant zijn. Met voortgezet werk en verbeteringen is het imperatief dat RRAM-apparaten een uitblinkende technologie zullen zijn voor toekomstige niet-vluchtige geheugentoepassingen.