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下一代内存性能工程

RRAM正在取得进展,但还没有准备好进入黄金时段。

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当只有几个电子意味着开和关状态之间的差异时,它是很难制造的内存元件具有一致、可靠的性能。这就是传统的基于电容的存储器所面临的情况,因为临界尺寸下降到只有几纳米。

因此,设备设计人员正在考虑广泛的替代存储器元件。其中最简单的一个是电阻随机存取存储器(RRAM),也称为交叉点内存。在rram中,金属-绝缘体-金属结构在OFF状态下电阻高,但在ON状态下电阻低。对于这些装置,有许多建议的材料系统;被研究最多的地方之一是HfO层2在两个TiN电极之间。在交叉点体系结构中,顶部和底部导线层呈直角,创建网格。内存元素位于网格的角落。

作为SEMATECH的研究人员报道2011年HfO中出现了氧空位2层分离到晶界。当施加足够大的电流时,晶界形成了一个渗透路径,允许电子通过陷阱诱导的隧道通过材料传播。Hf-O键沿着这条路径断裂,形成Hf-Hf键,最终在顶部和底部电极之间形成金属导电丝。这是ON状态。因为它不依赖于储存的电荷,所以它非常稳定。

为了将存储器重置为OFF状态,系统施加电流,增加铪丝的温度并使其重新氧化。最终,完整的导电路径丢失,电介质再次表现为绝缘体。

RRAM实现一直在与高可变性和不一致的性能作斗争。材料中晶界的分布在纳米尺度很难控制。此外,介电击穿机制本身是可变的,取决于缺陷之间电子的随机运动。

在今年旧金山举行的材料研究学会春季会议上,研究人员提供减少RRAM设备变异性的几个建议。一个更有趣的想法来自惠普实验室的Joshua Yang。他观察到铪离子和氧离子在HfO中的迁移2材料是复杂的,包括漂移、电迁移、扩散和其他传输机制。相反,他建议所述绝缘层由富铪导电相和富氧绝缘相组成。通过创建复合在HfO中嵌入了富铪纳米簇“种子”2矩阵,应用电流可以驱动相变从一个到另一个。

或者,SEMATECH的Gennadi Bersuker观察到的它是一种缺氧HfO2层提供了一个预先存在的氧空位供应,因此一个预先存在的悬浮铪键的来源。如果氧空位浓度已知,则更容易预测器件的开关特性。

rram在简单性、可伸缩性和稳定性方面具有明显的优势。不过,稳定的性能对于商用设备来说是必不可少的。这些结果表明正在取得进展,但仍有许多工作要做。



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