eng
Выпуск #9/2018
Лебедев Антон Олегович, Иванов Сергей Владимирович, Воронов Даниил Дмитриевич, Орлов Олег Михайлович
Исследование проблем повторяемости и воспроизводимости характеристик ячейки резистивной памяти на основе оксида гафния
Исследование проблем повторяемости и воспроизводимости характеристик ячейки резистивной памяти на основе оксида гафния
Просмотры: 1970
В работе будут представлены экспериментальные данные, демонстрирующие наличие проблемы с повторяемостью и воспроизводимостью электрофизических характеристик ячеек ReRAM. Также будет представлен обзор методов улучшения стабильности характеристик, произведен анализ их применимости к имеющимся образцам памяти. Будут предложены различные схемотехниченские и структурные изменения ячеек для повышения стабильности характеристик.
УДК 004.076.4
DOI: 10.22184/1993-8578.2018.82.234.235
УДК 004.076.4
DOI: 10.22184/1993-8578.2018.82.234.235
Теги: hafnium oxide non-volatile memory reram resistive memory оксид гафния резистивная память энергонезависимая память
ВВЕДЕНИЕ
Данная работа посвящена исследованию стабильности электрофизических характеристик резистивной памяти от цикла к циклу и от ячейки к ячейке. В связи с тем что разработка энергонезависимой памяти является важнейшей задачей современной микроэлектроники [1], а резистивная память является одним из основных кандидатов на роль «универсальной» памяти [2], данная тема имеет значительную актуальность. Несмотря на существование работоспособных прототипов ячеек памяти ReRAM, создание интегральных схем на их основе затруднено в значительной мере из-за низкой повторяемости электрофизических характеристик, таких как напряжения формовки, записи, стирания и сопротивления в записанном и стертом состояниях.
В работе представлены результаты экспериментальных исследований характеристик 168 ячеек памяти ReRAM на основе стека Pt / HfO2 (6 нм) / TiN с p- и n-канальными транзисторами. Получены статистические данные, показавшие большой разброс характеристик эквивалентных ячеек: напряжение формовки Vform = 3,0–5,0 В, напряжение записи Vset = 1,0–3,0 В, напряжение стирания Vreset = −1,0…−3,5 В. Для большинства ячеек окно памяти Roff/Ron = 10–80, однако величины сопротивлений Roff и Ron имеют большой разброс.
Также для двух ячеек памяти получены результаты изменений характеристик в ходе двухсот циклов переключения путем подачи развертки напряжения. Данные эксперименты показали большой разброс напряжения записи Vset и сопротивления в стертом состоянии Roff, а также малый разброс напряжения стирания Vreset и сопротивления в записанном состоянии Ron. В работе была выдвинута феноменологическая модель, объясняющая этот эффект как с точки зрения физики образования филамента, так и со схемотехнической точки зрения.
В работе представлен обзор возможных путей решения проблем со стабильностью характеристик. Существуют два пути решения обозначенных проблем: схемотехнический [3] и технологический [4]. Первый предполагает усовершенствование методов программирования и проверки состояния ячейки, второй — изменения в структуре функционального слоя и электродов ячейки.
ЛИТЕРАТУРА
1. Красников Г. Я., Шелепин Н. А. Состояние и перспективы развития технологий и элементной базы СБИС с энергонезависимой памятью // Проектирование систем на кристалле: тенденции развития и проблемы. Сборник тезисов. — С. 55, 2010.
2. Meena J. S. et al. Overview of Emerging Nonvolatile Memory Technologies // Nanoscale Research Letters, 9:526, 2014.
3. Shimeng Yu, Ximeng Guan, H.-S. Philip Wong // On the Stochastic Nature of Resistive Switching in Metal Oxide RRAM: Physical Modeling, Monte Carlo Simulation and Experimental Characterization.
4. Gao B., Zhang H. W. et al. // Oxide-Based RRAM: Uniformity Improvement Using a New Material-Oriented Methodology.
Данная работа посвящена исследованию стабильности электрофизических характеристик резистивной памяти от цикла к циклу и от ячейки к ячейке. В связи с тем что разработка энергонезависимой памяти является важнейшей задачей современной микроэлектроники [1], а резистивная память является одним из основных кандидатов на роль «универсальной» памяти [2], данная тема имеет значительную актуальность. Несмотря на существование работоспособных прототипов ячеек памяти ReRAM, создание интегральных схем на их основе затруднено в значительной мере из-за низкой повторяемости электрофизических характеристик, таких как напряжения формовки, записи, стирания и сопротивления в записанном и стертом состояниях.
В работе представлены результаты экспериментальных исследований характеристик 168 ячеек памяти ReRAM на основе стека Pt / HfO2 (6 нм) / TiN с p- и n-канальными транзисторами. Получены статистические данные, показавшие большой разброс характеристик эквивалентных ячеек: напряжение формовки Vform = 3,0–5,0 В, напряжение записи Vset = 1,0–3,0 В, напряжение стирания Vreset = −1,0…−3,5 В. Для большинства ячеек окно памяти Roff/Ron = 10–80, однако величины сопротивлений Roff и Ron имеют большой разброс.
Также для двух ячеек памяти получены результаты изменений характеристик в ходе двухсот циклов переключения путем подачи развертки напряжения. Данные эксперименты показали большой разброс напряжения записи Vset и сопротивления в стертом состоянии Roff, а также малый разброс напряжения стирания Vreset и сопротивления в записанном состоянии Ron. В работе была выдвинута феноменологическая модель, объясняющая этот эффект как с точки зрения физики образования филамента, так и со схемотехнической точки зрения.
В работе представлен обзор возможных путей решения проблем со стабильностью характеристик. Существуют два пути решения обозначенных проблем: схемотехнический [3] и технологический [4]. Первый предполагает усовершенствование методов программирования и проверки состояния ячейки, второй — изменения в структуре функционального слоя и электродов ячейки.
ЛИТЕРАТУРА
1. Красников Г. Я., Шелепин Н. А. Состояние и перспективы развития технологий и элементной базы СБИС с энергонезависимой памятью // Проектирование систем на кристалле: тенденции развития и проблемы. Сборник тезисов. — С. 55, 2010.
2. Meena J. S. et al. Overview of Emerging Nonvolatile Memory Technologies // Nanoscale Research Letters, 9:526, 2014.
3. Shimeng Yu, Ximeng Guan, H.-S. Philip Wong // On the Stochastic Nature of Resistive Switching in Metal Oxide RRAM: Physical Modeling, Monte Carlo Simulation and Experimental Characterization.
4. Gao B., Zhang H. W. et al. // Oxide-Based RRAM: Uniformity Improvement Using a New Material-Oriented Methodology.
Отзывы читателей
