La memoria resistiva de acceso aleatorio ( ReRAM o RRAM ) es un tipo de memoria de computadora de acceso aleatorio (RAM) no volátil (NV) que funciona cambiando la resistencia a través de un material dieléctrico de estado sólido, a menudo denominado memristor .
ReRAM tiene algunas similitudes con la RAM de puente conductor (CBRAM) y la memoria de cambio de fase (PCM). CBRAM implica un electrodo que proporciona iones que se disuelven fácilmente en un material electrolítico, mientras que PCM implica generar suficiente calentamiento Joule para efectuar cambios de fase de amorfo a cristalino o de cristalino a amorfo. Por el contrario, ReRAM implica generar defectos en una fina capa de óxido, conocidos como vacantes de oxígeno (ubicaciones de enlaces de óxido donde se ha eliminado el oxígeno), que posteriormente pueden cargarse y desplazarse bajo un campo eléctrico. El movimiento de los iones de oxígeno y las vacantes en el óxido sería análogo al movimiento de los electrones y los huecos en un semiconductor.
Aunque ReRAM se consideró inicialmente como una tecnología de reemplazo para la memoria flash , los beneficios de costo y rendimiento de ReRAM no han sido suficientes para que las empresas continúen con el reemplazo. Aparentemente, se puede utilizar una amplia gama de materiales para ReRAM. Sin embargo, el descubrimiento [1] de que el popular dieléctrico de puerta de alta κ HfO 2 se puede utilizar como ReRAM de bajo voltaje ha animado a los investigadores a investigar más posibilidades.
RRAM® es el nombre comercial registrado de Sharp Corporation , un fabricante japonés de componentes electrónicos, en algunos países, incluidos los miembros de la Unión Europea . [2]
Historia
A principios de la década de 2000, varias empresas estaban desarrollando ReRAM, algunas de las cuales presentaron solicitudes de patente reclamando diversas implementaciones de esta tecnología. [3] [4] [5] ReRAM ha entrado en comercialización en una escala de capacidad de KB inicialmente limitada. [ cita requerida ]
En febrero de 2012, Rambus compró una empresa de ReRAM llamada Unity Semiconductor por 35 millones de dólares. [6] Panasonic lanzó un kit de evaluación ReRAM en mayo de 2012, basado en una arquitectura de celda de memoria de óxido de tantalio 1T1R (1 transistor - 1 resistencia). [7]
En 2013, Crossbar presentó un prototipo de ReRAM como un chip del tamaño de un sello postal que podía almacenar 1 TB de datos. En agosto de 2013, la compañía afirmó que la producción a gran escala de sus chips ReRAM estaba programada para 2015. [8] La estructura de la memoria (Ag / a-Si / Si) se parece mucho a un CBRAM basado en plata.
También en 2013, Hewlett-Packard demostró una oblea ReRAM basada en memristor y predijo que SSD de 100 TB basados en la tecnología podrían estar disponibles en 2018 con capacidades de 1,5 PB disponibles en 2020, justo a tiempo para detener el crecimiento de las capacidades flash NAND. . [9]
Se han descrito diferentes formas de ReRAM, basadas en diferentes materiales dieléctricos, que van desde perovskitas hasta óxidos de metales de transición y calcogenuros . Se demostró que el dióxido de silicio exhibía conmutación resistiva ya en mayo de 1966, [10] y recientemente se ha revisado. [11] [12]
En 1963 y 1964, miembros de la Universidad de Nebraska – Lincoln propusieron por primera vez una matriz de memoria resistiva de película delgada . [13] [14] JG Simmons informó sobre más trabajos sobre esta nueva memoria resistiva de película delgada en 1967. [15] [16] En 1970, miembros del Atomic Energy Research Establishment y la Universidad de Leeds intentaron explicar teóricamente el mecanismo. . [17] : 1180 En mayo de 1997, un equipo de investigación de la Universidad de Florida y Honeywell informó sobre un método de fabricación de "memoria de acceso aleatorio magneto-resistiva" mediante el grabado con plasma de resonancia ciclotrónica de electrones. [18]
Leon Chua argumentó que todos los dispositivos de memoria no volátil de dos terminales, incluido ReRAM, deben considerarse memristores . [19] Stan Williams de HP Labs también argumentó que ReRAM era un memristor . [20] Sin embargo, otros desafiaron esta terminología y la aplicabilidad de la teoría del memristor a cualquier dispositivo físicamente realizable está abierta a cuestionamientos. [21] [22] [23] Se discute si los elementos de conmutación resistivos basados en redox (ReRAM) están cubiertos por la teoría actual de memristor. [24]
El óxido de silicio presenta un caso interesante de conmutación por resistencia. Se han informado dos modos distintos de conmutación intrínseca: basado en la superficie, en el que se generan filamentos de silicio conductores en los bordes expuestos (que pueden ser internos, dentro de los poros, o externos, en la superficie de las estructuras de mesa), y conmutación masiva, en la que Los filamentos vacantes de oxígeno se generan dentro de la mayor parte del óxido. El primer modo sufre de oxidación de los filamentos en el aire, lo que requiere un sellado hermético para permitir la conmutación. Este último no requiere sellado. En 2014, investigadores de la Universidad de Rice anunciaron un dispositivo basado en filamentos de silicio que utilizaba un dieléctrico de óxido de silicio poroso sin estructura de borde externo; más bien, los filamentos se formaban en los bordes internos dentro de los poros. Los dispositivos se pueden fabricar a temperatura ambiente y tienen un voltaje de formación inferior a 2 V, una alta relación de encendido y apagado, bajo consumo de energía, capacidad de nueve bits por celda, altas velocidades de conmutación y buena resistencia. Los problemas con su inoperabilidad en el aire pueden superarse mediante el sellado hermético de los dispositivos. [25] Conmutación masiva en óxido de silicio, iniciada por investigadores de UCL ( University College London ) desde 2012, [12] ofrece bajos voltajes de electroformado (2.5V), voltajes de conmutación alrededor de 1V, tiempos de conmutación en el régimen de nanosegundos y más de 10,000,000 ciclos sin falla del dispositivo, todo en condiciones ambientales. [26]
Formando
La idea básica es que se puede hacer que un dieléctrico , que normalmente es aislante, conduzca a través de un filamento o camino de conducción formado después de la aplicación de un voltaje suficientemente alto. [27] La vía de conducción puede surgir de diferentes mecanismos, incluida la vacancia o la migración de defectos metálicos. Una vez que se forma el filamento, se puede reiniciar (romper, lo que da como resultado una alta resistencia) o fraguar (volver a formar, lo que resulta en una resistencia más baja) por otro voltaje. Es posible que estén involucradas muchas vías de corriente, en lugar de un solo filamento. [28] La presencia de estos caminos de corriente en el dieléctrico puede demostrarse in situ mediante microscopía de fuerza atómica conductiva . [27] [29] [30] [31]
La ruta de baja resistencia puede ser localizada (filamentosa) u homogénea. Ambos efectos pueden ocurrir a lo largo de toda la distancia entre los electrodos o solo en la proximidad de uno de los electrodos. Los efectos de conmutación filamentosos y homogéneos se pueden distinguir midiendo la dependencia del área del estado de baja resistencia. [32]
En determinadas condiciones, la operación de formación puede omitirse. [33] Se espera que en estas condiciones, la corriente inicial ya sea bastante alta en comparación con las capas de óxido aislante.
Las celdas CBRAM generalmente no requerirían formación si los iones de Cu ya están presentes en el electrolito, después de haber sido introducidos por un proceso diseñado de fotodifusión o recocido; estas células también pueden volver fácilmente a su estado inicial. [34] En ausencia de tal Cu inicialmente en el electrolito, el voltaje todavía se aplicaría directamente al electrolito, y la formación sería una gran posibilidad. [35]
Estilos de operación
Para las memorias de tipo de acceso aleatorio, se prefiere una arquitectura 1T1R (un transistor, una resistencia) porque el transistor aísla la corriente a las celdas que se seleccionan de las celdas que no lo son. Por otro lado, una arquitectura de puntos cruzados es más compacta y puede permitir el apilamiento vertical de capas de memoria, ideal para dispositivos de almacenamiento masivo. Sin embargo, en ausencia de transistores, el aislamiento debe ser proporcionado por un dispositivo "selector", como un diodo , en serie con el elemento de memoria o por el propio elemento de memoria. Dichas capacidades de aislamiento son inferiores al uso de transistores si la relación de encendido / apagado del selector no es suficiente, lo que limita la capacidad de operar arreglos muy grandes en esta arquitectura. El interruptor de umbral basado en película delgada puede funcionar como selector para ReRAM bipolar y unipolar. Se demostró un selector basado en conmutador de umbral para una matriz de 64 Mb. [36] La arquitectura de punto de cruce requiere selectores de dos terminales compatibles con BEOL , como diodo de paso para ReRAM bipolar [37] o diodo PIN para ReRAM unipolar. [38]
La polaridad puede ser binaria o unaria. Los efectos bipolares hacen que la polaridad se invierta cuando se cambia de resistencia baja a alta (operación de reinicio) en comparación con el cambio de alta a baja (operación de configuración). La conmutación unipolar no afecta la polaridad, pero utiliza diferentes voltajes.
Sistemas de materiales para celdas de memoria resistivas
Múltiples sistemas de material orgánico e inorgánico exhiben efectos de conmutación resistiva iónica o térmica. Pueden agruparse en las siguientes categorías: [32]
- calcogenuros de cambio de fase como Ge
2Sb
2Te
5 o AgInSbTe - óxidos de metales de transición binarios como NiO o TiO
2 - perovskitas como Sr (Zr) TiO
3[39] o PCMO - electrolitos de estado sólido como GeS, GeSe, SiO
Xo Cu
2S - complejos orgánicos de transferencia de carga como CuTCNQ
- sistemas de donantes-aceptores orgánicos como Al AIDCN
- materiales aislantes bidimensionales (en capas) como nitruro de boro hexagonal [40] [41]
Demostraciones
Los artículos de la Conferencia IEDM en 2007 sugirieron por primera vez que ReRAM exhibe corrientes de programación más bajas que PRAM o MRAM sin sacrificar el rendimiento, la retención o la resistencia de la programación. [42] Algunos sistemas ReRAM comúnmente citados se describen más adelante.
ReRAM basado en HfO 2
En IEDM 2008, ITRI demostró la tecnología ReRAM de mayor rendimiento hasta la fecha utilizando HfO2 con una capa tampón de Ti, que muestra tiempos de conmutación inferiores a 10 ns y corrientes inferiores a 30 μA. En IEDM 2010, ITRI volvió a batir el récord de velocidad, mostrando un tiempo de conmutación de <0,3 ns, al tiempo que mostró mejoras en el proceso y la operación para permitir un rendimiento de hasta el 100% y una resistencia de hasta 10 mil millones de ciclos. [43] El IMEC presentó actualizaciones de su programa ReRAM en los Simposios de tecnología y circuitos VLSI de 2012, incluida una solución con una corriente de funcionamiento de 500 nA. [44]
ITRI se había centrado en el sistema Ti / HfO 2 desde su primera publicación en 2008. Desde entonces, la patente de ITRI 8362454 se ha vendido a TSMC; [45] se desconoce el número de licenciatarios anteriores. Por otro lado, el IMEC se centró principalmente en Hf / HfO 2 . [46] Winbond había realizado un trabajo más reciente para avanzar y comercializar el ReRAM basado en HfO 2 . [47]
Panasonic
Panasonic reveló su ReRAM basado en TaO x en IEDM 2008. [48] Un requisito clave fue la necesidad de un metal de alta función de trabajo como Pt o Ir para interactuar con la capa TaO x . El cambio del contenido de O da como resultado un cambio de resistencia así como un cambio de barrera de Schottky. Más recientemente, se implementó una capa de Ta 2 O 5 / TaO x , que todavía requiere que el metal de alta función de trabajo interactúe con Ta 2 O 5 . [49] Este sistema se ha asociado con demostraciones de alta resistencia (billones de ciclos), [50] pero los productos se especifican en 100K ciclos. [51] Se han observado diámetros de filamentos de hasta ~ 100 nm. [52] Panasonic lanzó una pieza de 4Mb con Fujitsu, [53] y está desarrollando una memoria integrada de 40 nm con UMC. [54]
Memristor HP
El 30 de abril de 2008, HP anunció que habían descubierto el memristor, originalmente previsto como un cuarto elemento fundamental del circuito faltante por Chua en 1971. El 8 de julio anunciaron que comenzarían a crear prototipos de ReRAM usando sus memristors. [55] HP primero demostró su memristor usando TiO x , [56] pero luego migró a TaO x , [57] posiblemente debido a una estabilidad mejorada. [58] El dispositivo basado en TaO x tiene cierta similitud material con el ReRAM de Panasonic, pero las características de funcionamiento son diferentes. El sistema Hf / HfOx se estudió de manera similar. [59]
Tecnologías Adesto
El ReRAM de Adesto Technologies se basa en filamentos generados a partir del metal del electrodo en lugar de vacantes de oxígeno. El sistema de material original era Ag / GeS 2 [60] pero finalmente migró a ZrTe / Al 2 O 3 . [61] El filamento de telurio logró una mejor estabilidad en comparación con la plata. Adesto se ha centrado en la memoria de potencia ultrabaja para aplicaciones de Internet de las cosas (IoT). Adesto ha lanzado productos fabricados en la fundición Altis [62] y ha firmado un acuerdo de fundición de 45 nm con TowerJazz / Panasonic . [62]
Travesaño
Crossbar implementa un filamento de Ag en Si amorfo junto con un sistema de conmutación de umbral para lograr un diodo + ReRAM. [63] [64] Su sistema incluye el uso de un transistor en la arquitectura 1T1R o 1TNR. Crossbar comenzó a producir muestras en SMIC en el proceso de 40 nm en 2017. [65] El diámetro del filamento Ag se ha visualizado en la escala de decenas de nanómetros. [66]
Celda de metalización programable
Infineon Technologies lo llama RAM de puente conductor (CBRAM), NEC tiene una variante llamada "Nanobridge" y Sony llama a su versión "memoria electrolítica". Una nueva investigación sugiere que CBRAM se puede imprimir en 3D . [67] [68]
Tableros de prueba ReRam
- Panasonic AM13L-STK2: MCU MN101LR05D de 8 bits con ReRAM integrado para evaluación, conector USB 2.0
Aplicaciones futuras
Comparado con PRAM, ReRAM opera a una escala de tiempo más rápida (el tiempo de conmutación puede ser menor de 10 ns), mientras que comparado con MRAM, tiene una estructura de celda más simple y más pequeña (menos de 8F² pila MIM). Se puede utilizar una integración vertical 1D1R (un diodo, un dispositivo de conmutación resistivo) para la estructura de memoria de barra transversal para reducir el tamaño de la celda unitaria a 4F² (F es la dimensión de la característica). [69] En comparación con la memoria flash y la memoria de circuito, un voltaje más bajo es suficiente y, por lo tanto, se puede usar en aplicaciones de baja potencia.
ITRI ha demostrado que ReRAM es escalable por debajo de 30 nm. [70] El movimiento de los átomos de oxígeno es un fenómeno clave para la ReRAM basada en óxido; [71] un estudio indicó que el movimiento del oxígeno puede tener lugar en regiones tan pequeñas como 2 nm. [72] Se cree que si un filamento es el responsable, no presentaría escalado directo con el tamaño de la celda. [73] En cambio, el límite de cumplimiento actual (establecido por una resistencia externa, por ejemplo) podría definir la capacidad de transporte de corriente del filamento. [74]
Un obstáculo importante para darse cuenta del potencial de ReRAM es el problema de la ruta furtiva que ocurre en arreglos pasivos más grandes. En 2010, se introdujo la conmutación resistiva complementaria (CRS) como una posible solución a la interferencia de la corriente de fuga. [75] En el enfoque CRS, los estados de almacenamiento de información son pares de estados de alta y baja resistencia (HRS / LRS y LRS / HRS) de modo que la resistencia general es siempre alta, lo que permite matrices de barras transversales pasivas más grandes.
Un inconveniente de la solución CRS inicial es el requisito de resistencia de conmutación causada por la lectura destructiva convencional basada en mediciones de corriente. Un nuevo enfoque para una lectura no destructiva basada en la medición de la capacidad reduce potencialmente los requisitos tanto para la resistencia del material como para el consumo de energía. [76] La estructura de dos capas se utiliza para producir la no linealidad en LRS para evitar el problema de la trayectoria furtiva. [77] Se informó sobre un dispositivo de una sola capa que presenta una fuerte conducción no lineal en LRS. [78] Se introdujo otra estructura de dos capas para ReRAM bipolar para mejorar el HRS y la estabilidad. [79]
Otra solución al problema de las corrientes furtivas es realizar operaciones de lectura y restablecimiento en paralelo en una fila completa de celdas, mientras se usa el conjunto en celdas seleccionadas. [80] En este caso, para una matriz 3D-ReRAM 1TNR, con una columna de N celdas ReRAM situadas encima de un transistor seleccionado, solo se requiere que la no linealidad intrínseca del HRS sea suficientemente grande, ya que el número de niveles verticales N es limitado (por ejemplo, N = 8–32), y esto se ha demostrado posible para un sistema ReRAM de baja corriente. [81]
El modelado de cachés 2D y 3D diseñados con ReRAM y otras memorias de acceso aleatorio no volátiles como MRAM y PCM se puede realizar utilizando la herramienta DESTINY [82] .
Papel propuesto en aplicaciones de inteligencia artificial
Las crecientes demandas computacionales necesarias para muchas mejoras en la inteligencia artificial han llevado a muchos a especular que las implementaciones de ReRAM podrían ser un hardware extremadamente útil para ejecutar aplicaciones de inteligencia artificial y aprendizaje automático . [83]
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[pag. 1180] Una matriz de memoria resistiva de película delgada basada en la resistencia negativa controlada por voltaje en SiO, fue propuesta por primera vez por Nielsen y Bashara (1964) y tal dispositivo ha sido descrito por Simmons y Verderber (1968).
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