Nowa technologia pamięci RRAM

Pamięci dzieli się na ulotne i nieulotne. Pierwsze po odłączeniu zasilania tracą wcześniej zapisane dane. Przykładami są pamięci DRAM i SRAM. Zawartość pamięci nieulotnych zostaje zachowana nawet po odłączeniu zasilania. Przykładem są pamięci Flash.

Poszczególne typy pamięci mają zalety i wady, które ograniczają ich zastosowanie. Pamięci DRAM wyróżnia duża gęstość komórek oraz pojemność, ale konieczne jest ich okresowe odświeżanie. To zwiększa zużycie energii. Pamięci SRAM są szybkie, ale mają duże komórki, co zmniejsza gęstość upakowania danych i pojemność. Pamięci Flash są tanie i mają dużą gęstość upakowania danych. Zależnie od sposobu organizacji komórek pamięci te dzielą się na Flash NOR i NAND. W pierwszych możliwy jest bezpośredni dostęp do każdej komórki pamięci. W pamięciach NAND jest on sekwencyjny. Są dzięki temu tańsze. Generalnie jednak zakres zastosowań pamięci obu typów zawężają: wolne działanie (czas zapisu/kasowania: 1 ms/0,1 ms), ograniczona trwałość (1 mln cykli zapisu/kasowania) i wysokie napięcie zapisu (>10 V).

Pamięć idealna

W wymienionych typach pamięci nośnikiem informacji jest ładunek, gromadzony na przykład w pamięciach DRAM w kondensatorach, a we Flash w bramkach pływających. W nanoskali trudniej go utrzymać, co komplikuje realizację tego typu pamięci w technologiach poniżej 10 nm.

W nowych zastosowaniach, jak trenowanie modeli sztucznej inteligencji i przetwarzanie wideo 8K UHD, problemem są także duże straty mocy na odświeżanie pamięci DRAM i duże straty upływu pamięci SRAM. Te ostatnie, zwykle wykorzystywane jako pamięci podręczne procesorów (cache), nie spełniają również wymagań w zakresie przepustowości dostępu do pamięci i pojemności, które na przykład w aplikacjach sztucznej inteligencji wynosić powinny nawet odpowiednio 10 terabajtów/s i powyżej 1 terabajta.

Idealna pamięć powinna mieć następujące parametry: małe napięcie robocze (<1 V), dużą liczbę cykli zapisu/kasowania (>1017), dużą trwałość przechowywania danych (>10 lat), małe zużycie energii (fJ/bit) i być technologicznie skalowaną (<10 nm). Jak dotąd żadna z technologii pamięci nie spełnia tych wymagań. Dlatego rozwija się wciąż nowe, z nadzieją na opracowanie tej, która co najmniej będzie łączyć w sobie szybkość pamięci SRAM, gęstość upakowania porównywalną z tą cechą pamięci DRAM oraz nieulotność pamięci Flash.

Za najbardziej perspektywiczne uznawane są technologie, w których zapis informacji opiera się na zmianie rezystancji. Do takich zaliczane są: PCM (Phase Change Memory), STT- MRAM (Spin- Transfer Torque Magnetoresistive RAM) oraz tytułowe RRAM.

Nowe technologie pamięci

W pamięciach PCM wykorzystuje się materiały zmiennofazowe, zwykle chalkogenkowe, jak GST (german-antymon-tellur). Wyróżnia je to, że mogą istnieć w dwóch stanach: uporządkowanej fazie krystalicznej i nieuporządkowanej fazie amorficznej, które różnią się rezystancją. Faza krystaliczna odpowiada małej rezystancji (Low Resistance State, LRS) i stanowi wysokiemu (logicznej 1), zaś faza amorficzna dużej rezystancji (High Resistance State, HRS) i stanowi niskiemu (logicznemu 0). Zapis do komórki pamięci polega na przejściu w stan LRS, a reset jej zawartości – w stan HRS. W celu obniżenia rezystancji do materiału czynnego komórki przykładany jest impuls napięcia, który powoduje podgrzanie do temperatury o wartości powyżej temperatury krystalizacji. Podczas resetu najpierw znacząco zwiększa się natężenie prądu płynącego przez komórkę, a następnie nagle odcina jego dopływ. Powoduje to stopienie i szybkie schłodzenie materiału czynnego, które skutkuje jego przejściem w stan amorficzny (bezpostaciowy).

W pamięciach STT-MRAM jako komórki wykorzystuje się magnetyczne złącza tunelowe, które są zbudowane z dwóch warstw ferromagnetyka i umieszczonego między nimi izolatora. W zależności od przyłożonego do nich zewnętrznego pola magnetycznego zmienia się kierunek namagnesowania ferromagnetyków, od którego zależy swoboda przepływu elektronów przez warstwę dielektryka. Pozwala to na przełączanie między dwoma stanami: małej i bardzo dużej rezystancji.

Rozmiar komórek pamięci PCM i STT-MRAM jest mniejszy niż SRAM. Mają też napięcie zapisu i opóźnienia zapisu/odczytu mniejsze niż pamięci Flash. Pamięci RRAM natomiast w porównaniu do pamięci Flash wyróżnia mniejsze napięcie zapisu, mniejsze opóźnienia zapisu/odczytu, większa liczba cykli zapisu/odczytu danych. Przemawia także za nimi prosta konstrukcja i kompatybilność z technologią CMOS, co w konsekwencji ułatwia ich produkcję.

Pamięci RRAM

Komórka pamięci RRAM zbudowana jest z warstwy dielektryka (tlenku metalu) umieszczonej między dwoma metalowymi elektrodami. Domyślnie znajduje się ona w stanie wysokiej rezystancji HRS (logiczne 0). W celu przełączenia w stan niskiej rezystancji LRS (logiczne 1) należy przyłożyć impuls napięcia, który spowoduje przebicie izolatora.

Proces powstawania ścieżek przewodzących w dielektryku określa się jako elektroformowanie, zaś napięcie, przy którym zachodzi, jako napięcie formujące. Jego wartość zależy od rozmiaru komórki pamięci i grubości warstwy izolatora. Przełączenie odwrotne, czyli ze stanu LRS na HRS, również zachodzi po przyłożeniu napięcia o odpowiedniej wartości. Aby nie dopuścić do tego, by w procesie elektroformowania doszło do trwałego przebicia warstwy izolatora, nie może zostać przekroczona graniczna wartość prądu.

Pamięci RRAM zaliczane są do grupy nieulotnych. W celu odczytania stanu komórki napięcie musi być odpowiednio małe, żeby nie spowodowało przełączenia. W zależności od polaryzacji napięcia formującego wyróżnia się dwa tryby przełączania: jedno- oraz dwubiegunowe. W pierwszym przypadku przełączanie komórki pamięci między stanami różniącymi się rezystancją nie zależy od polaryzacji przyłożonego napięcia, ale od jego wartości. W drugim trybie przełączenie z HRS na LRS zachodzi przy określonej polaryzacji, a przy odwrotnej następuje przejście z LRS na HRS.

Pamięci RRAM klasyfikuje się ze względu na rodzaj ścieżki przewodzącej w dielektryku na te z mostkiem przewodzącym CBRAM (Conductive Bridge RAM) i z wakatami tlenowymi OxRRAM. Pierwsze są też nazywane pamięciami metalizacji elektrochemicznej (Electrochemical Metallization Memory, ECM), a drugie pamięciami zmiany wartościowości (Valence Change Memory, VCM). W pamięciach CBRAM mechanizm przełączania rezystancji opiera się na migrowaniu jonów metali i później zachodzących reakcjach redukcji/utleniania, a w pamięciach OxRRAM na generowaniu wakatów tlenowych i późniejszej relokacji jonów tlenu.

Materiały do produkcji pamięci

W pamięciach RRAM wykorzystywane jest zjawisko zmiany rezystancji izolatorów pod wpływem przyłożonego pola elektrycznego. Pod kątem jego wykorzystania w pamięciach nieulotnych zostały zbadane różne materiały. Za najbardziej obiecujące, głównie ze względu na możliwość produkcji w technologii CMOS, uważa się m.in. tlenki hafnu, tytanu, tantalu, niklu, cynku, manganu, magnezu, glinu i dwutlenek cyrkonu. Osadza się je, korzystając z technologii PLD (Pulse Laser Deposition), ALD (Atomic Layer Deposition) albo reaktywnego napylania katodowego. Najpopularniejsza jest metoda ALD ze względu na możliwość precyzyjnej kontroli grubości i jednorodności wykonania osadzanych warstw.

Ważny jest też wybór materiału elektrod, który ma wpływ na proces przełączania. Wykonuje się je z materiałów podstawowych, tych na bazie krzemu, stopów, tlenków i materiałów na bazie azotynów. Pierwsze to m.in. glin, tytan, miedź, grafen, złoto, wolfram, platyna oraz nanorurki węglowe. Jeżeli chodzi o stopy, popularne są te cyny z tytanem, miedzi z tellurem i platyny ze złotem. Przykłady elektrod azotkowych to azotek tytanu i azotek tantalu. Elektrody krzemowe wykonuje się z kolei z domieszkowanego półprzewodnika typów p i n. Wśród elektrod tlenkowych popularne materiały to tlenek cynku domieszkowany złotem i tlenek cynku domieszkowany galem.

Perspektywy rozwoju technologii pamięci

W ostatnich latach nastąpił duży postęp w dziedzinie technologii pamięci RAM – opracowano m.in. kilka prototypów demonstrujących ich potencjał. Uważa się je za jedną z bardziej obiecujących technologii pamięci ze względu prostą konstrukcję, kompatybilność z technologią CMOS, szybkość przełączania i możliwość skalowania do mniejszych wymiarów. Z tego ostatniego powodu panuje przekonanie, że pamięci RRAM są najpoważniejszym kandydatem na zamiennik pamięci Flash. Ponadto zapewniają szybkość przełączania wystarczającą do wyparcia z rynku pamięci DRAM, zwłaszcza że oba typy pamięci wykonuje się z podobnych materiałów.

Wyzwaniem jest poprawa właściwości wytrzymałościowych pamięci RRAM. Należy też dokładnie zbadać niezawodność pamięci tego typu i opracować mechanizm wykrywania nieprawidłowości w ich działaniu. Nie do końca zbadany jest także proces przełączania stanu komórek pamięci RRAM. Uważa się, że niespójności w tym zakresie wynikają z różnic w procesie produkcyjnym. Aby było możliwe rozpoczęcie produkcji na masową skalę, trzeba je zniwelować.

Problemem jest też niestałość parametrów, przede wszystkim napięcia przełączania i rezystancji w stanie niskim i wysokim. Zmieniają się one zarówno w czasie, wraz z każdym cyklem zapisu/resetu, jak i w przestrzeni, ponieważ nie pozostają stałe dla różnych komórek. Przyczyną tego ostatniego są niedoskonałości w procesie produkcyjnym, skutkujące różnicami grubości warstwy przełączającej, uszkodzeniami podczas trawienia i chropowatością powierzchni elektrod. Zmienność parametrów w czasie wynika z kolei z losowego charakteru procesu tworzenia się ścieżek przewodzących w dielektryku w wyniku jego przebicia. Bez rozwiązania powyższych kwestii nie można oczekiwać, że pamięci RRAM znajdą się w powszechnym użytku.

Monika Jaworowska