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ReRAM 是什么?

2017-10-12 14:17:37

ReRAM是一種難以掌握的技術(shù),但對(duì)晶圓廠的生產(chǎn)來(lái)說(shuō),它卻是一種相對(duì)比較簡(jiǎn)單直接的工藝。ReRAM 和 STT-MRAM 都只需要少量幾個(gè)掩模步驟,并且可在晶圓廠中所謂的生產(chǎn)線后道工序(BEOL)制造生成。而且 STT-MRAM 和 ReRAM 都構(gòu)建在芯片的金屬層的觸點(diǎn)或通孔之上。

制造 ReRAM 是一回事,但要使其工作又是另一回事。一般來(lái)說(shuō),ReRAM 有兩種主要類(lèi)型——氧空缺(oxygen-vacancy)ReRAM 和 CBRAM。氧空缺 ReRAM 也被稱(chēng)為基于氧化物的 ReRAM(oxide-based ReRAM),簡(jiǎn)稱(chēng) OxRAM。

OxRAM 和 CBRAM 都是二端器件——由一個(gè)頂部電極和一個(gè)底部電極組成。在兩個(gè)電極之間是開(kāi)關(guān)介質(zhì)。

                                                            
                                                                          圖 1:Filamentary ReRAM 技術(shù),來(lái)自 Crossbar

在 OxRAM 中,兩個(gè)電極之間夾著一種金屬氧化物材料。當(dāng)將正電壓施加到頂部電極上時(shí),在兩個(gè)電極之間會(huì)形成導(dǎo)電細(xì)絲。這些細(xì)絲由離子原子組成。
當(dāng)將負(fù)電壓施加到底部電極上時(shí),這些導(dǎo)電細(xì)絲會(huì)斷裂。從而在效果上實(shí)現(xiàn)了 ReRAM 在高低電阻之間的切換。在內(nèi)存中,電阻的變化就表示成 0 和 1。

                                                                 

                                                                            圖 2:工作中的 ReRAM,來(lái)自 Adesto
 
和 OxRAM 類(lèi)似,CBRAM 也是通過(guò)構(gòu)建和摧毀細(xì)絲來(lái)創(chuàng)造電阻狀態(tài)。但 CBRAM 是將銅或銀金屬注入到硅中,從而在兩個(gè)電極之間形成導(dǎo)電橋或細(xì)絲。
 
其他也有一些人在研究非細(xì)絲的方法。與形成細(xì)絲不同,這種技術(shù)是使用自整流技術(shù)來(lái)形成開(kāi)關(guān)效應(yīng)。有的人將這種技術(shù)歸類(lèi)為 OxRAM。
 
不管怎樣,ReRAM 技術(shù)都很艱難。Lam Research 副總裁 Thorsten Lill 表示:“如果能開(kāi)發(fā)出來(lái),ReRAM 確實(shí)能帶來(lái)讀/寫(xiě)延遲方面的改善,但它卻有可靠性方面的限制。它的單元開(kāi)關(guān)幾萬(wàn)次之后性質(zhì)就會(huì)改變。這似乎與構(gòu)建細(xì)絲的物理化學(xué)效應(yīng)有關(guān)。我們對(duì)此知之甚少。”
 
DRAM 和閃存處理的是電子。而 OxRAM 和CBRAM 則涉及控制離子原子形成細(xì)絲的復(fù)雜過(guò)程。電子更輕,而原子更重。
 
“ReRAM 在紙面上看起來(lái)很簡(jiǎn)單,但實(shí)際情況卻并非如此。”Applied 的 Ping 說(shuō),“當(dāng)你讓離子在材料之中移動(dòng)時(shí),不只會(huì)形成電流,而且還有響應(yīng)它的電場(chǎng)。其互擴(kuò)散、溫度行為和電行為全都要一起考慮。這必然涉及到處理很多自然參數(shù)。所以非常復(fù)雜。”
 
Ping 繼續(xù)說(shuō):“比如,當(dāng)你向任何一種 ReRAM 輸入一個(gè)電脈沖時(shí),都會(huì)出現(xiàn) RC 相互作用。根據(jù) RC 相互作用的不同,局部產(chǎn)生的熱也有所不同而且不會(huì)保持不變。如果這有所不同,那氧的擴(kuò)散速度也會(huì)不同。這是一個(gè)困境。一方面,電子可能太輕了。然后會(huì)導(dǎo)致很高的噪聲。另一方面,原子又太重了。這不是簡(jiǎn)單用電就能解決的。”

本文關(guān)鍵詞:ReRAM   MRAM

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