Mémoire vive résistive

La mémoire vive résistive ( ReRAM ou RRAM ) est un type de mémoire vive non volatile (NV) qui fonctionne en modifiant la résistance à travers un matériau solide diélectrique , souvent appelé memristor . L'un des principaux avantages de la ReRAM par rapport aux autres technologies NVRAM est la possibilité de passer à une taille inférieure à 10 nm.

La mémoire ReRAM présente certaines similitudes avec la mémoire RAM à pont conducteur (CBRAM) et la mémoire à changement de phase (PCM) dans la mesure où elles modifient les propriétés des matériaux diélectriques. La CBRAM implique une électrode fournissant des ions qui se dissolvent facilement dans un matériau électrolyte, tandis que la PCM implique la génération d'un chauffage Joule suffisant pour effectuer des changements de phase d'amorphe à cristallin ou de cristallin à amorphe. En revanche, la ReRAM implique la génération de défauts dans une fine couche d'oxyde, appelés lacunes d'oxygène (emplacements de liaison d'oxyde où l'oxygène a été éliminé), qui peuvent ensuite se charger et dériver sous l'effet d'un champ électrique. Le mouvement des ions oxygène et des lacunes dans l'oxyde serait analogue au mouvement des électrons et des trous dans un semi-conducteur.

Bien que la ReRAM ait été initialement considérée comme une technologie de remplacement de la mémoire flash , les avantages en termes de coût et de performances de la ReRAM n'ont pas été suffisants pour que les entreprises procèdent à son remplacement. Apparemment, une large gamme de matériaux peut être utilisée pour la ReRAM. Cependant, la découverte selon laquelle le diélectrique de grille à haut κ HfO ₂ peut être utilisé comme une ReRAM basse tension a encouragé les chercheurs à étudier davantage de possibilités.

RRAM est la marque déposée de Sharp Corporation , un fabricant japonais de composants électroniques, dans certains pays, y compris les membres de l' Union européenne .

Une puce à faible consommation d'énergie appelée NeuRRAM corrige un vieux défaut de conception pour exécuter des algorithmes d'IA à grande échelle sur des appareils plus petits, atteignant la même précision que les ordinateurs numériques, au moins pour les applications ne nécessitant que quelques millions de bits d'état neuronal. Comme NeuRRAM est une technologie analogique, elle souffre des mêmes problèmes de bruit analogique que d'autres semi-conducteurs analogiques. Bien que cela constitue un handicap, de nombreux processeurs neuronaux n'ont pas besoin d'un stockage d'état parfait au bit près pour effectuer un travail utile.

Au début des années 2000, les ReRAM étaient en cours de développement par un certain nombre d'entreprises, dont certaines ont déposé des demandes de brevet revendiquant diverses implémentations de cette technologie. La ReRAM est entrée dans la commercialisation sur une échelle de capacité initialement limitée à quelques Ko.

En février 2012, Rambus a acheté une société de ReRAM appelée Unity Semiconductor pour 35 millions de dollars. Panasonic a lancé un kit d'évaluation ReRAM en mai 2012, basé sur une architecture de cellule mémoire à oxyde de tantale 1T1R (1 transistor – 1 résistance).

En 2013, Crossbar a présenté un prototype de ReRAM sous la forme d'une puce de la taille d'un timbre-poste pouvant stocker 1 To de données. En août 2013, la société a annoncé que la production à grande échelle de ses puces ReRAM était prévue pour 2015. La structure de la mémoire (Ag/a-Si/Si) ressemble beaucoup à une CBRAM à base d'argent.

En 2013 également, Hewlett-Packard a présenté une plaquette ReRAM à base de memristor et a prédit que des SSD de 100 To basés sur cette technologie pourraient être disponibles en 2018 avec des capacités de 1,5 Po disponibles en 2020, juste à temps pour l'arrêt de la croissance des capacités flash NAND.

Différentes formes de ReRAM ont été décrites, basées sur différents matériaux diélectriques, allant des perovskites aux oxydes de métaux de transition en passant par les chalcogénures . Le dioxyde de silicium s'est avéré capable de commuter de manière résistive dès mai 1966, et a récemment été réexaminé.

En 1963 et 1964, une matrice de mémoire résistive à couche mince a été proposée pour la première fois par des membres de l' Université du Nebraska-Lincoln . D'autres travaux sur cette nouvelle mémoire résistive à couche mince ont été rapportés par JG Simmons en 1967. En 1970, des membres de l' Atomic Energy Research Establishment et de l'Université de Leeds ont tenté d'expliquer le mécanisme théoriquement. En mai 1997, une équipe de recherche de l' Université de Floride et de Honeywell a rapporté une méthode de fabrication de « mémoire vive magnétorésistive » en utilisant la gravure au plasma par résonance cyclotron électronique.

Leon Chua a soutenu que tous les dispositifs de mémoire non volatile à deux bornes, y compris la ReRAM, devraient être considérés comme des memristors . Stan Williams de HP Labs a également soutenu que la ReRAM était un memristor . Cependant, d'autres ont contesté cette terminologie et l'applicabilité de la théorie des memristors à tout dispositif physiquement réalisable est sujette à caution. La question de savoir si les éléments de commutation résistive à base de redox (ReRAM) sont couverts par la théorie actuelle des memristors est contestée.

L'oxyde de silicium présente un cas intéressant de commutation de résistance. Deux modes distincts de commutation intrinsèque ont été décrits : la commutation en surface, dans laquelle des filaments de silicium conducteurs sont générés sur les bords exposés (qui peuvent être internes - dans les pores - ou externes - sur la surface des structures de mesa), et la commutation en masse, dans laquelle des filaments de lacunes d'oxygène sont générés dans la masse de l'oxyde. Le premier mode souffre de l'oxydation des filaments dans l'air, nécessitant une fermeture hermétique pour permettre la commutation. Le second ne nécessite aucune fermeture hermétique. En 2014, des chercheurs de l'Université Rice ont annoncé un dispositif à base de filaments de silicium qui utilisait un diélectrique en oxyde de silicium poreux sans structure de bord externe - au lieu de cela, des filaments étaient formés sur les bords internes dans les pores. Les dispositifs peuvent être fabriqués à température ambiante et ont une tension de formation inférieure à 2 V, un rapport marche/arrêt élevé, une faible consommation d'énergie, une capacité de neuf bits par cellule, des vitesses de commutation élevées et une bonne endurance. Les problèmes liés à leur inopérabilité dans l'air peuvent être surmontés par une fermeture hermétique des dispositifs. La ​​commutation en masse dans l'oxyde de silicium, mise au point par des chercheurs de l'UCL ( University College London ) depuis 2012, offre de faibles tensions d'électroformage (2,5 V), des tensions de commutation d'environ 1 V, des temps de commutation de l'ordre de la nanoseconde et plus de 10 000 000 de cycles sans défaillance de l'appareil, le tout dans des conditions ambiantes.

L'idée de base est qu'un diélectrique , qui est normalement isolant, peut former un chemin de conduction après l'application d'une tension suffisamment élevée. Le chemin de conduction peut résulter de différents mécanismes, notamment d'une lacune ou d'une migration de défauts métalliques. Une fois le chemin de conduction formé, il peut être réinitialisé (rompu, entraînant une résistance élevée) ou défini (reformé, entraînant une résistance plus faible) par une autre tension plus faible. De nombreux chemins de courant, plutôt qu'un seul filament, sont peut-être impliqués. La présence de ces chemins de courant dans le diélectrique peut être démontrée in situ par microscopie à force atomique conductrice .

Le chemin de faible résistance peut être localisé (filamentaire) ou homogène. Les deux effets peuvent se produire soit sur toute la distance entre les électrodes, soit seulement à proximité d'une des électrodes. Les effets de commutation du chemin de conduction filamentaire et homogène peuvent être distingués en mesurant la dépendance de la surface de l'état de faible résistance.

Dans certaines conditions, l'opération de formation peut être contournée. On s'attend à ce que dans ces conditions, le courant initial soit déjà assez élevé par rapport aux couches d'oxyde isolantes. Les cellules ReRAM ne nécessitent généralement pas de formation à haute tension si les ions Cu sont déjà présents dans le diélectrique, ayant déjà été entraînés par un processus de photodiffusion ou de recuit conçu ; ces cellules peuvent également revenir facilement à leur état initial. En l'absence de ce Cu initialement présent dans le diélectrique, la tension appliquée directement à l'électrolyte a une forte possibilité de formation.

Pour les mémoires à accès aléatoire, une architecture 1T1R (un transistor, une résistance) est préférée car le transistor isole le courant vers les cellules sélectionnées des cellules qui ne le sont pas. D'autre part, une architecture à point de croisement est plus compacte et peut permettre l'empilement vertical de couches de mémoire, idéale pour les dispositifs de stockage de masse. Cependant, en l'absence de transistors, l'isolation doit être fournie par un dispositif « sélecteur », tel qu'une diode , en série avec l'élément mémoire ou par l'élément mémoire lui-même. De telles capacités d'isolation sont inférieures à l'utilisation de transistors si le rapport marche/arrêt du sélecteur n'est pas suffisant, ce qui limite la capacité à faire fonctionner de très grandes matrices dans cette architecture. Un commutateur de seuil à base de film mince peut fonctionner comme un sélecteur pour la ReRAM bipolaire et unipolaire. Un sélecteur basé sur un commutateur de seuil a été démontré pour une matrice de 64 Mo. L'architecture à point de croisement nécessite deux sélecteurs de terminaux compatibles BEOL comme une diode de perforation pour la ReRAM bipolaire ou une diode PIN pour la ReRAM unipolaire.

La polarité peut être binaire ou unaire. Les effets bipolaires provoquent une inversion de polarité lors du passage d'une résistance faible à une résistance élevée (opération de réinitialisation) par rapport au passage d'une résistance élevée à une résistance faible (opération de réglage). La commutation unipolaire laisse la polarité inchangée, mais utilise des tensions différentes.

Plusieurs systèmes de matériaux inorganiques et organiques présentent des effets de commutation résistive thermique ou ionique. Ceux-ci peuvent être regroupés dans les catégories suivantes :

• chalcogénures à changement de phase tels que Ge
  ₂Sb
  ₂Te
  ₅ou AgInSbTe
• oxydes de métaux de transition binaires tels que NiO, Ta ₂ O ₅ ou TiO
  ₂
• pérovskites telles que Sr (Zr) TiO
  ₃ ou PCMO
• électrolytes solides tels que GeS, GeSe, SiO
  _xou Cu
  ₂S
• complexes de transfert de charge organiques tels que CuTCNQ
• systèmes donneurs-accepteurs organiques tels que Al AIDCN
• matériaux isolants bidimensionnels (en couches) comme le nitrure de bore hexagonal

Les matériaux perovskites inorganiques de type ABO3 tels que BaTiO3, SrRuO3, SrZrO3 et SrTiO3 ont suscité un intérêt considérable en tant que supports de stockage dans les memristors en raison de leurs remarquables effets de commutation de résistance et de diverses fonctionnalités telles que les caractéristiques physiques ferroélectriques, diélectriques et semi-conductrices. Cependant, la nature fragile et le coût élevé du processus de fabrication limitent les larges applications de ces matériaux perovskites inorganiques de type ABO3 pour les memristors. Récemment, les perovskites au trihalogénure de plomb de type ABX3 ont suscité un intérêt considérable en matière de recherche pour leur utilisation dans des dispositifs optoélectroniques tels que les photovoltaïques, les photodétecteurs et les diodes électroluminescentes (LED). Dans ces structures, A est un monovalent organique ou inorganique (MA:CH3NH3+, FA: CH(NH2)2+, Cs+, Rb+), B est un cation métallique divalent (Pb2+, Sn2+) et X est un anion halogénure (Cl, Br, I). Le cation A réside aux huit coins de l'unité cubique et le cation B se situe au centre du groupe octaédrique [BX6]4 pour former la structure pérovskite 3D. Selon les différents cations du site A, ces structures peuvent être classées en pérovskites hybrides organiques-inorganiques et en pérovskites entièrement inorganiques. De plus, ce type de pérovskite peut être obtenu facilement par des méthodes de traitement en solution à faible coût.[16] Néanmoins, en raison de l'inclusion de cations organiques, il a été communément constaté que l'instabilité thermique intrinsèque des pérovskites à base de trihalogénure de plomb de méthylammonium (MA) et de formamidinium (FA) était en réalité un goulot d'étranglement pour le développement de dispositifs électroniques hybrides à base de pérovskite. Par conséquent, pour résoudre ce problème, les cations organiques doivent être remplacés par d'autres ions tels que les cations césium (Cs). Il est intéressant de noter que certains rapports sur les cellules solaires à hybridation césium/césium nous donnent de nombreux nouveaux indices sur la stabilité améliorée des dispositifs électroniques entièrement inorganiques à base de pérovskite. De plus en plus de publications démontrent que les pérovskites entièrement inorganiques à base de cations Cs inorganiques pourraient être à la fois structurellement et thermiquement stables au-dessus de 100 °C, tandis que les pérovskites hybrides se dégradent thermiquement en iodure de plomb au-dessus de 85 °C. ​​Par conséquent, il a été suggéré que les perovskites entièrement inorganiques pourraient être d'excellents candidats pour la fabrication de dispositifs de mémoire à commutation résistive stables et hautement efficaces à l'aide d'un procédé à faible coût. Étant donné que les perovskites CsPbX3 sont généralement préparées par la méthode de la solution, des défauts ponctuels tels que des lacunes, des interstitiels et des antisites sont possibles dans les cristaux. Ces défauts sont essentiels pour la mémoire à commutation résistive dominée par la dérive des défauts. Ainsi, ces perovskites CsPbX3 ont un grand potentiel d'application dans les dispositifs de mémoire. Étant donné que la commutation de résistance dans les RRAM à base de pérovskite halogénée est provoquée par la migration d'atomes d'halogénure à travers les lacunes, les caractéristiques de migration d'une lacune dans la RRAM sont l'une des propriétés matérielles les plus importantes de la RRAM, déterminant ses caractéristiques clés. Cependant, malgré son importance, l'énergie d'activation de la lacune d'halogénure dans les RRAM n'a pas fait l'objet d'une étude sérieuse. De toute évidence, une petite barrière d'activation de la lacune d'halogénure attendue dans les RRAM à base de pérovskite halogénée joue un rôle central en permettant à cette RRAM de fonctionner à basse tension et donc en mode de faible consommation d'énergie.

Des articles présentés à la conférence IEDM en 2007 ont suggéré pour la première fois que la ReRAM présente des courants de programmation inférieurs à ceux de la PRAM ou de la MRAM sans sacrifier les performances de programmation, la rétention ou l'endurance. Certains systèmes ReRAM fréquemment cités sont décrits plus en détail ci-dessous.

Une ReRAM 24 nm de 32 Go a été publiée par SanDisk en 2013 sans beaucoup de détails autres qu'un dispositif d'accès sans transistor et une composition RRAM en oxyde métallique.

Une ReRAM 16 Go 27 nm (en fait CBRAM) a été publiée par Micron et Sony en 2014. Au lieu d'une structure 1T1R pour un bit, deux bits ont été répartis entre deux transistors et des électrodes inférieures tout en partageant les parties supérieures (électrolyte, réservoir en cuivre et électrode supérieure).

Lors de l'IEDM 2008, l'ITRI a présenté la première technologie ReRAM haute performance en utilisant du HfO ₂ avec une couche tampon en Ti, montrant des temps de commutation inférieurs à 10 ns et des courants inférieurs à 30 μA. Lors de l'IEDM 2010, l'ITRI a de nouveau battu le record de vitesse, montrant un temps de commutation inférieur à 0,3 ns, tout en montrant des améliorations de processus et de fonctionnement pour permettre un rendement jusqu'à 100 % et une endurance jusqu'à 10 milliards de cycles. L'IMEC a présenté des mises à jour de son programme ReRAM lors des symposiums 2012 sur la technologie et les circuits VLSI, y compris une solution avec un courant de fonctionnement de 500 nA.

L'ITRI s'est concentré sur le système Ti/HfO2 _depuis sa première publication en 2008. Le brevet 8362454 de l'ITRI a depuis été vendu à TSMC ; le nombre de licenciés antérieurs est inconnu. D'autre part, l'IMEC s'est principalement concentré sur le Hf/HfO2 _. [ Winbond a effectué des travaux plus récents pour faire progresser et commercialiser la ReRAM à base de HfO2 _. [

Un groupe chinois a présenté la plus grande RRAM 1T1R à ce jour, une puce de 64 Mo sur un procédé 130 nm. 10 millions de cycles ont été atteints, ainsi qu'une rétention extrapolée de 10 ans à 75 C.

Panasonic a dévoilé sa ReRAM à base de TaO _{x à l'IEDM 2008.} Une exigence clé était la nécessité d'un métal à fonction de travail élevée tel que Pt ou Ir pour s'interfacer avec la couche TaO x _. Le changement de teneur en O entraîne un changement de résistance ainsi qu'un changement de barrière Schottky. Plus récemment, une couche _{Ta2O5 /} TaO _x a été mise en œuvre, ce qui nécessite toujours que le métal à fonction de travail élevée s'interface avec Ta2O5 _{. [} Ce système a été associé à une démonstration d'endurance élevée (des milliards de cycles), [ mais les produits sont spécifiés à 100 000 cycles. [ Des diamètres de filament aussi grands que ~100 nm ont été observés. Panasonic a sorti une pièce de 4 Mo avec Fujitsu, et développe une mémoire embarquée de 40 nm avec UMC.

Le 30 avril 2008, HP a annoncé avoir découvert le memristor, initialement envisagé comme un quatrième élément fondamental manquant du circuit par Chua en 1971. Le 8 juillet, ils ont annoncé qu'ils commenceraient à prototyper la ReRAM en utilisant leurs memristors. HP a d'abord démontré son memristor en utilisant TiO _x , mais a ensuite migré vers TaO _x , probablement en raison d'une stabilité améliorée. Le dispositif à base de TaO _x présente une certaine similitude matérielle avec la ReRAM de Panasonic, mais les caractéristiques de fonctionnement sont différentes. Le système Hf/HfOx a été étudié de manière similaire.

La CBRAM d'Adesto Technologies est basée sur des filaments générés à partir du métal de l'électrode plutôt que des lacunes d'oxygène. Le système de matériaux d'origine était Ag/GeS ₂ mais a finalement migré vers ZrTe/Al ₂ O ₃ . Le filament de tellure a obtenu une meilleure stabilité par rapport à l'argent. Adesto a ciblé la mémoire à très faible consommation d'énergie pour les applications Internet des objets (IoT). Adesto a commercialisé des produits fabriqués à la fonderie Altis et a conclu un accord de fonderie 45 nm avec TowerJazz / Panasonic .

Weebit Nano a travaillé avec le CEA-Leti , l'un des plus grands instituts de recherche en nanotechnologie d'Europe, pour faire progresser la technologie ReRAM. À partir de novembre 2017, la société a démontré la fabricabilité de cellules ReRAM SiOx de 40 nm, suivie de démonstrations de matrices fonctionnelles en 2018 et de composants discrets en 2020. En juillet 2021, la société a mis en production ses premiers modules ReRAM intégrés. En septembre 2021, Weebit, en collaboration avec le Leti, a produit, testé et caractérisé une matrice ReRAM de 1 Mo, en utilisant un processus FDSOI de 28 nm sur des plaquettes de 300 mm.

Crossbar implémente un filament d'Ag dans du Si amorphe ainsi qu'un système de commutation de seuil pour réaliser une diode + ReRAM. Leur système comprend l'utilisation d'un transistor dans une architecture 1T1R ou 1TNR. Crossbar a commencé à produire des échantillons au SMIC sur le processus 40 nm en 2017. Le diamètre du filament d'Ag a été visualisé à l'échelle de dizaines de nanomètres.

Une société basée au Royaume-Uni prévoit de créer des cellules en utilisant de l'oxyde de silicium commun.

Infineon Technologies l'appelle RAM à pontage conducteur (CBRAM), NEC propose une variante appelée « Nanobridge » et Sony appelle sa version « mémoire électrolytique ». De nouvelles recherches suggèrent que la CBRAM peut être imprimée en 3D .

Dispositif de mémoire résistive à points quantiques

Dispositif de mémoire résistive non volatile à base de points quantiques avec une vitesse de commutation de 10 ns et un rapport ON/OFF de 10 000. Le dispositif a montré d'excellentes caractéristiques d'endurance pour 100 000 cycles de commutation. Les tests de rétention ont montré une bonne stabilité et les dispositifs sont reproductibles. Un mécanisme de fonctionnement de la mémoire est proposé basé sur le piégeage de charge dans des points quantiques avec AlOx agissant comme barrière. Ce mécanisme est soutenu par une variation marquée de la valeur de capacité dans les états ON et OFF.

• Panasonic AM13L-STK2 : MCU 8 bits MN101LR05D avec ReRAM intégrée pour l'évaluation, connecteur USB 2.0

Par rapport à la PRAM, la ReRAM fonctionne à une échelle de temps plus rapide (le temps de commutation peut être inférieur à 10 ns), tandis que par rapport à la MRAM, elle a une structure de cellule plus simple et plus petite (moins de 8F² de pile MIM). Une intégration verticale 1D1R (une diode, un dispositif de commutation résistif) peut être utilisée pour la structure de mémoire crossbar afin de réduire la taille de la cellule unitaire à 4F² (F est la dimension caractéristique). Par rapport à la mémoire flash et à la mémoire racetrack, une tension plus faible est suffisante et peut donc être utilisée dans des applications à faible consommation.

L'ITRI a montré que la ReRAM est évolutive en dessous de 30 nm. Le mouvement des atomes d'oxygène est un phénomène clé pour la ReRAM à base d'oxyde ; une étude a indiqué que le mouvement de l'oxygène peut avoir lieu dans des régions aussi petites que 2 nm. On pense que si un filament est responsable, il ne présenterait pas de mise à l'échelle directe avec la taille de la cellule. Au lieu de cela, la limite de conformité du courant (fixée par une résistance externe, par exemple) pourrait définir la capacité de transport de courant du filament.

Un obstacle important à la réalisation du potentiel de la ReRAM est le problème de chemin de fuite qui se produit dans les réseaux passifs de plus grande taille. En 2010, la commutation résistive complémentaire (CRS) a été introduite comme une solution possible aux interférences de courant de chemin de fuite. Dans l'approche CRS, les états de stockage des informations sont des paires d'états à haute et basse résistance (HRS/LRS et LRS/HRS) de sorte que la résistance globale est toujours élevée, ce qui permet des réseaux de barres croisées passives plus grands.

L'inconvénient de la solution CRS initiale est l'exigence d'endurance de commutation causée par la lecture destructive conventionnelle basée sur des mesures de courant. Une nouvelle approche pour une lecture non destructive basée sur la mesure de la capacité réduit potentiellement les exigences en matière d'endurance du matériau et de consommation d'énergie. Une structure bicouche est utilisée pour produire la non-linéarité dans LRS afin d'éviter le problème du chemin furtif. Un dispositif monocouche présentant une forte conduction non linéaire dans LRS a été décrit. Une autre structure bicouche a été introduite pour la ReRAM bipolaire afin d'améliorer le HRS et la stabilité.

Une autre solution au problème du courant de fuite consiste à effectuer des opérations de lecture et de réinitialisation en parallèle sur une rangée entière de cellules, tout en utilisant set sur les cellules sélectionnées. Dans ce cas, pour une matrice 3D-ReRAM 1TNR, avec une colonne de N cellules ReRAM située au-dessus d'un transistor de sélection, seule la non-linéarité intrinsèque du HRS doit être suffisamment grande, car le nombre de niveaux verticaux N est limité (par exemple, N = 8–32), et cela s'est avéré possible pour un système ReRAM à faible courant.

La modélisation de caches 2D et 3D conçues avec ReRAM et d'autres mémoires à accès aléatoire non volatiles telles que MRAM et PCM peut être réalisée à l'aide de l'outil DESTINY .

Les exigences de calcul croissantes nécessaires à de nombreuses améliorations de l'intelligence artificielle ont conduit de nombreuses personnes à spéculer que les implémentations ReRAM pourraient être du matériel extrêmement utile pour exécuter des applications d'intelligence artificielle et d'apprentissage automatique .

Des chercheurs de l'École d'ingénierie de l'Université de Stanford ont mis au point une mémoire RRAM qui « effectue le traitement de l'IA au sein même de la mémoire, éliminant ainsi la séparation entre les unités de calcul et de mémoire ». Elle est deux fois plus économe en énergie que les mémoires de pointe.