Cellule de métallisation programmable

La cellule de métallisation programmable , ou PMC , est une mémoire informatique non volatile développée à l'Université d'État de l'Arizona . La PMC, une technologie développée pour remplacer la mémoire flash largement utilisée , offre une combinaison de durée de vie plus longue, de consommation d'énergie plus faible et d'une meilleure densité de mémoire. Infineon Technologies , qui a obtenu la licence de la technologie en 2004, la désigne sous le nom de RAM à pontage conducteur , ou CBRAM . CBRAM est devenue une marque déposée d' Adesto Technologies en 2011. NEC a une variante appelée « Nanobridge » et Sony appelle sa version « mémoire électrolytique ».

Le PMC est une technologie de mémoire résistive à deux bornes développée à l'Arizona State University . Le PMC est une mémoire à métallisation électrochimique qui repose sur des réactions redox pour former et dissoudre un filament conducteur. L'état du dispositif est déterminé par la résistance entre les deux bornes. L'existence d'un filament entre les bornes produit un état de faible résistance (LRS) tandis que l'absence de filament entraîne un état de haute résistance (HRS). Un dispositif PMC est constitué de deux électrodes métalliques solides, l'une relativement inerte (par exemple, le tungstène ou le nickel ) l'autre électrochimiquement active (par exemple, l'argent ou le cuivre ), avec un mince film d' électrolyte solide entre elles.

L'état de résistance d'une cellule PMC est contrôlé par la formation (programmation) ou la dissolution (effacement) d'un filament conducteur métallique entre les deux bornes de la cellule. Un filament formé est une structure fractale en forme d'arbre .

Les PMC reposent sur la formation d'un filament conducteur métallique pour passer à un état de faible résistance (LRS). Le filament est créé en appliquant une tension de polarisation positive ( V ) au contact de l'anode (métal actif) tout en mettant à la terre le contact de la cathode (métal inerte). La polarisation positive oxyde le métal actif (M) :

M → M ⁺ + e ⁻

La polarisation appliquée génère un champ électrique entre les deux contacts métalliques. Les ions métalliques ionisés (oxydés) migrent le long du champ électrique vers le contact cathodique. Au niveau du contact cathodique, les ions métalliques sont réduits :

M ⁺ + e ⁻ → M

Au fur et à mesure que le métal actif se dépose sur la cathode, le champ électrique augmente entre l'anode et le dépôt. L'évolution du champ électrique local ( E ) entre le filament en croissance et l'anode peut être simplement reliée à ce qui suit :

où d est la distance entre l'anode et le sommet du filament en croissance. Le filament va grandir pour se connecter à l'anode en quelques nanosecondes. Les ions métalliques continueront à être réduits au niveau du filament jusqu'à ce que la tension soit supprimée, élargissant le filament conducteur et diminuant la résistance de la connexion au fil du temps. Une fois la tension supprimée, le filament conducteur restera, laissant l'appareil dans un LRS.

Le filament conducteur peut ne pas être continu, mais une chaîne d'îlots d'électrodéposition ou de nanocristaux. Cela est susceptible de prévaloir à des courants de programmation faibles (moins de 1 μ A ) alors qu'un courant de programmation plus élevé conduira à un conducteur principalement métallique.

Un PMC peut être « effacé » dans un état de résistance élevée (HRS) en appliquant une tension de polarisation négative à l'anode. Le processus redox utilisé pour créer le filament conducteur est inversé et les ions métalliques migrent le long du champ électrique inversé pour se réduire au niveau du contact de l'anode. Une fois le filament retiré, le PMC est analogue à un condensateur à plaques parallèles avec une résistance élevée de plusieurs M Ω à G Ω entre les contacts.

Il est possible de lire une PMC individuelle en appliquant une faible tension aux bornes de la cellule. Tant que la tension de lecture appliquée est inférieure au seuil de tension de programmation et d'effacement, la direction de la polarisation n'est pas significative.

La CBRAM diffère de la ReRAM à oxyde métallique en ce sens que pour la CBRAM, les ions métalliques se dissolvent facilement dans le matériau entre les deux électrodes, tandis que pour les oxydes métalliques, le matériau entre les électrodes nécessite un champ électrique élevé provoquant des dommages locaux apparentés à une panne diélectrique , produisant une traînée de défauts conducteurs (parfois appelés « filaments »). Ainsi, pour la CBRAM, une électrode doit fournir les ions de dissolution, tandis que pour la RRAM à oxyde métallique, une étape de « formation » unique est nécessaire pour générer les dommages locaux.

La principale forme de mémoire non volatile à semi-conducteurs actuellement utilisée est la mémoire flash , qui trouve une application dans la plupart des rôles autrefois remplis par les disques durs . Cependant, la mémoire flash présente des problèmes qui ont conduit à de nombreux efforts pour introduire des produits destinés à la remplacer.

Le transistor Flash est basé sur le concept de grille flottante , essentiellement un transistor modifié. Les transistors Flash conventionnels ont trois connexions, la source, le drain et la grille. La grille est le composant essentiel du transistor, contrôlant la résistance entre la source et le drain, et agissant ainsi comme un interrupteur. Dans le transistor à grille flottante , la grille est fixée à une couche qui piège les électrons, la laissant allumée (ou éteinte) pendant des périodes prolongées. La grille flottante peut être réécrite en faisant passer un courant important à travers le circuit émetteur-collecteur.

C'est ce courant important qui constitue le principal inconvénient de la mémoire flash, et ce pour plusieurs raisons. Tout d'abord, chaque application du courant dégrade physiquement la cellule, de sorte qu'elle devient finalement non inscriptible. Les cycles d'écriture de l'ordre de 105 ^à 106 ^sont typiques, limitant les applications flash aux rôles où l'écriture constante n'est pas courante. Le courant nécessite également un circuit externe pour le générer, utilisant un système connu sous le nom de pompe de charge . La pompe nécessite un processus de charge assez long, de sorte que l'écriture est beaucoup plus lente que la lecture ; la pompe nécessite également beaucoup plus d'énergie. La mémoire flash est donc un système « asymétrique », bien plus que la RAM ou les disques durs classiques.

Un autre problème avec la mémoire flash est que la grille flottante subit des fuites qui libèrent lentement la charge. On remédie à ce problème en utilisant de puissants isolants environnants, mais ceux-ci nécessitent une certaine taille physique pour être utiles et nécessitent également une configuration physique spécifique , différente des configurations CMOS plus typiques , qui ont nécessité l'introduction de plusieurs nouvelles techniques de fabrication. À mesure que la taille de la mémoire flash diminue rapidement, la fuite de charge devient de plus en plus un problème, ce qui a conduit à des prédictions de sa disparition. Cependant, des investissements massifs du marché ont permis le développement de la mémoire flash à des taux dépassant la loi de Moore , et des usines de fabrication de semi-conducteurs utilisant des processus de 30 nm ont été mises en service fin 2007.

Contrairement à la mémoire flash, la mémoire PMC écrit avec une puissance relativement faible et à une vitesse élevée. La vitesse est inversement proportionnelle à la puissance appliquée (jusqu'à un certain point, il existe des limites mécaniques), de sorte que les performances peuvent être ajustées.

En théorie, le PMC peut atteindre des tailles bien plus petites que le flash, théoriquement aussi petites que quelques largeurs d'ions. Les ions de cuivre mesurent environ 0,75 angströms, donc des largeurs de ligne de l'ordre du nanomètre semblent possibles. Le PMC a été présenté comme étant plus simple dans sa conception que le flash.

La technologie PMC a été développée par Michael Kozicki, professeur de génie électrique à l'Université d'État de l'Arizona dans les années 1990. Les premiers systèmes PMC expérimentaux étaient basés sur des verres de séléniure de germanium dopés à l'argent . Les travaux se sont tournés vers les électrolytes au sulfure de germanium dopés à l'argent, puis vers les électrolytes au sulfure de germanium dopés au cuivre. Les dispositifs au séléniure de germanium dopés à l'argent ont suscité un regain d'intérêt en raison de leur état de résistance très élevé. Le PMC en verre de dioxyde de silicium dopé au cuivre serait compatible avec le processus de fabrication du CMOS .

En 1996, Axon Technologies a été fondée pour commercialiser la technologie PMC. Micron Technology a annoncé son partenariat avec PMC en 2002. Infineon a suivi en 2004. La technologie PMC a été concédée sous licence à Adesto Technologies en 2007. Infineon a cédé son activité mémoire à sa société Qimonda , qui l'a ensuite vendue à Adesto Technologies. Une subvention de la DARPA a été accordée en 2010 pour des recherches plus poussées.

En 2011, Adesto Technologies s'est alliée à la société française Altis Semiconductor pour le développement et la fabrication de CBRAM. En 2013, Adesto a présenté un échantillon de produit CBRAM dans lequel une partie de 1 mégabit a été promue pour remplacer l'EEPROM .

NEC a développé la technologie dite du nanopont, utilisant du Cu2S _ou du tantalumpentoxide comme matériau diélectrique. Ainsi, le cuivre (compatible avec la métallisation du cuivre du circuit intégré) permet au cuivre de migrer à travers le Cu2S _ou le _{Ta2O5 ,} créant ou rompant des courts-circuits entre les électrodes de cuivre et de ruthénium.

L'utilisation dominante de ce type de mémoire est les applications spatiales, car ce type de mémoire est intrinsèquement résistant aux radiations.