Mémoire RRAM : Matériaux, Commutation, Performance, Stockage MLC, Modélisation et Applications Réelles

Introduction

La mémoire à accès aléatoire, appelée RAM, peut être soit volatile, soit non volatile. Une mémoire volatile perd ses données stockées précédemment lors de la coupure de l'alimentation, comme c'est le cas pour la mémoire à accès aléatoire dynamique (DRAM) et la mémoire à accès aléatoire statique (SRAM). Pour la mémoire non volatile, le contenu stocké précédemment continue d'être retenu même après la suppression de l'alimentation. La mémoire Flash est un exemple typique de mémoire non volatile. Les technologies de mémoire combinent les avantages et les inconvénients pour atteindre des performances plus élevées, par exemple les DRAM employées dans un système informatique ont une capacité et une densité élevées, mais elles sont volatiles, ce qui signifie qu'il y a un besoin de rafraîchissement toutes les quelques millisecondes. En raison de ce rafraîchissement, la consommation d'énergie de l'appareil augmente, ce qui n'est pas souhaitable. La SRAM, d'autre part, est rapide mais elle est également volatile comme la DRAM ; en outre, les cellules SRAM sont de plus grande taille ce qui entrave leur mise en œuvre à grande échelle. La mémoire Flash, qui consiste essentiellement en un transistor à effet de champ à grille métallique-oxyde-semiconducteur (MOSFET) en plus d'une grille flottante dans chaque cellule de mémoire, est actuellement largement utilisée, particulièrement pour les applications embarquées en raison de son faible coût et de sa haute densité. Selon la façon dont les cellules de mémoire sont organisées, la mémoire Flash est classée en Flash NOR et Flash NAND [1]. Dans la Flash NOR, les cellules sont lues et programmées individuellement car elles sont connectées en parallèle aux lignes de bits. Cela ressemble à la connexion parallèle des transistors dans une architecture de porte CMOS NOR. Pour le cas de la Flash NAND, l'architecture ressemble à celle d'une porte CMOS NAND car les cellules sont connectées en série aux lignes de bits. Il faut noter que moins d'espace est consommé par la connexion en série par rapport à la parallèle, ce qui entraîne un coût réduit de la Flash NAND. Cependant, les deux types de mémoires Flash souffrent de plusieurs inconvénients tels que la faible vitesse d'opération (temps d'écriture/effacement : 1 ms/0,1 ms), l'endurance limitée (10⁶ cycles d'écriture/effacement) et la haute tension d'écriture (> 10 V) [2].

Les technologies de mémoire mentionnées ci-dessus, c'est-à-dire DRAM, SRAM et Flash, sont des mémoires basées sur le stockage de charge. La DRAM stocke l'information sous forme de charge au condensateur, et la SRAM est basée sur le stockage de charge aux nœuds des inverseurs croisés, tandis que la technologie de mémoire Flash utilise la grille flottante du transistor pour stocker la charge. Toutes ces technologies de mémoire existantes basées sur le stockage de charge sont actuellement confrontées à des défis pour réduire l'échelle au nœud 10 nm ou au-delà. Cela est attribué à la perte de charge stockée à l'échelle nanométrique, ce qui entraîne une dégradation des performances, de la fiabilité et de la marge de bruit. En outre, les exigences de grande puissance dynamique de rafraîchissement pour la DRAM et de puissance de fuite pour la SRAM et la DRAM posent de sérieux défis pour la conception de la hiérarchie de mémoire future.

Par conséquent, une nouvelle classe de mémoires généralement appelées technologies de mémoire émergentes sont actuellement en développement et font l'objet de recherches actives principalement dans l'industrie dans le but de révolutionner la hiérarchie de mémoire existante [3]. Ces technologies de mémoire émergentes visent à intégrer la vitesse de commutation de la SRAM, une densité de stockage comparable à celle de la DRAM, et la non-volatilité de la mémoire Flash, devenant ainsi des alternatives très attractives pour la hiérarchie de mémoire future.

Pour classer un dispositif de mémoire comme idéal, il devrait avoir les caractéristiques suivantes : faible tension de fonctionnement (<1 V), longue endurance de cyclage (>10¹⁷ cycles), temps de rétention de données amélioré (>10 ans), faible consommation d'énergie (fJ/bit) et évolutivité supérieure (<10 nm) [4]. Cependant, aucune mémoire unique à ce jour ne satisfait ces caractéristiques idéales. Diverses technologies de mémoire émergentes sont activement étudiées pour répondre à une partie de ces caractéristiques de mémoire idéales. Ces technologies de mémoire qui dépendent du changement de résistance plutôt que de la charge pour stocker l'information sont les suivantes : (i) mémoire à changement de phase (PCM), (ii) mémoire à accès aléatoire magnétorésistive à transfert de spin (STT-MRAM), et (iii) mémoire à accès aléatoire résistive (RRAM). Dans la mémoire à changement de phase, le milieu de commutation consiste en un matériau chalcogénure (communément Ge₂-Sb₂-Te₅, GST) [5–7]. La PCM repose sur la différence de résistance entre la phase cristalline et la phase amorphe pour une capacité de stockage de données efficace. La phase cristalline désigne l'état de faible résistance (LRS) ou état ON du dispositif, tandis que la phase amorphe désigne l'état de haute résistance (HRS) ou état OFF. L'opération SET correspond au LRS généralement appelé stockage de la valeur logique '1', tandis que l'opération RESET correspond au HRS stockant la valeur logique '0' dans le dispositif. Pour l'opération SET, la PCM est chauffée au-dessus de sa température de cristallisation par l'application d'une impulsion de tension, tandis que pour l'opération RESET, un courant électrique plus important est passé à travers la cellule puis coupé brusquement afin de fondre puis de tremper le matériau pour atteindre l'état amorphe.

Dans la mémoire à accès aléatoire magnétorésistive à transfert de spin, la capacité de stockage est due à la jonction tunnel magnétique (MJT) [8–10], qui consiste en deux couches ferromagnétiques et un diélectrique tunnel intercalé entre elles. La direction magnétique de la couche de référence est fixe, tandis que l'application d'un champ électromagnétique externe peut changer la direction magnétique de la couche ferromagnétique libre. Si la couche de référence et la couche libre ont la même direction d'aimantation, le MJT est dit être dans le LRS. Pour que le MJT soit dans le HRS, la direction de l'aimantation des deux couches ferromagnétiques est anti-parallèle. La RRAM consiste en une couche isolante (I) intercalée entre deux électrodes métalliques (M) [11, 12]. La RRAM repose sur la formation et la rupture de filaments conducteurs correspondant au LRS et au HRS, respectivement, dans l'isolant entre deux électrodes [13–15].

Une comparaison détaillée des technologies de mémoire existantes et émergentes est montrée dans le Tableau 1. Comme il est évident du tableau, la STT-MRAM et la PCM ont des avantages d'une surface plus petite comparée à celle de la SRAM. Alors que la STT-MRAM offre une vitesse d'écriture/lecture rapide, une longue endurance et une faible tension de programmation, d'autre part, la PCM a l'inconvénient d'une latence d'écriture importante. La RRAM a une tension de programmation plus faible et une vitesse d'écriture/lecture plus rapide comparée à la Flash et est vue comme un remplacement potentiel de la mémoire Flash. Parmi tous les candidats de technologies de mémoire émergentes, la RRAM a des avantages significatifs tels que la fabrication facile, une structure simple métal-isolant-métal (MIM), une excellente évolutivité, une vitesse de l'ordre de la nanoseconde, une longue rétention de données et une compatibilité avec la technologie CMOS actuelle, offrant ainsi une solution compétitive pour la mémoire numérique future [16]. Les avantages les plus significatifs de la RRAM sont représentés dans la Fig. 1.

Avantages de la RRAM

Dans ce travail, les progrès récents et une vue d'ensemble détaillée de la technologie RRAM sont présentés. Une revue des matériaux de commutation ainsi que la classification des modes de commutation et les détails du mécanisme de commutation sont discutés dans la section « Mémoire à accès aléatoire résistive (RRAM) ». La section « Métriques de performance de la mémoire à accès aléatoire résistive (RRAM) » met en évidence diverses métriques de performance de la RRAM. Les caractéristiques de cellule multiniveau (MLC) de la RRAM ainsi que divers schémas d'opération MLC et leurs mécanismes physiques sont analysés dans la section « Mémoire à accès aléatoire résistive multiniveau (RRAM) ». Une discussion détaillée sur la modélisation des dispositifs RRAM est présentée dans la section « Modélisation des dispositifs RRAM ». Dans la section « Applications de la RRAM », diverses applications de la RRAM sont discutées. Enfin, les défis et les perspectives futures de la RRAM sont présentés dans la section « Défis et perspectives futures ». La distribution par catégorie des articles consultés dans la préparation de ce manuscrit de revue est présentée dans la Fig. 2.

Distribution par catégorie des articles consultés pour la préparation de la revue sur la RRAM

Mémoire à accès aléatoire résistive (RRAM)

Matériaux de commutation de résistance

Il a été observé que dans certains isolants, le changement de résistance se produit sous l'application d'un champ électrique appliqué. Cette propriété de changement de résistance a été récemment étudiée pour le développement de futures mémoires non volatiles [17]. Le phénomène de commutation de résistance a été observé dans une variété d'oxydes, mais les oxydes métalliques binaires ont été largement étudiés comme matériau de commutation privilégié pour les futures applications de mémoire non volatile principalement en raison de leur compatibilité avec le traitement CMOS BEOL. Divers matériaux à base d'oxydes métalliques présentant la commutation de résistance non volatile tels que l'oxyde d'hafnium (HfO _x) [18–23], l'oxyde de titane (TiO _x) [24–31], l'oxyde de tantale (TaO _x) [32–36], l'oxyde de nickel (NiO) [37–40], l'oxyde de zinc (ZnO) [41–46], le titanate de zinc (Zn₂TiO₄) [47], l'oxyde de manganèse (MnO _x) [48, 49], l'oxyde de magnésium (MgO) [50], l'oxyde d'aluminium (AlO _x) [51–53] et le dioxyde de zirconium (ZrO₂) [54–58] ont attiré le plus d'attention et ont été largement étudiés au cours des dernières années. Ces oxydes métalliques sont généralement déposés par dépôt laser pulsé (PLD), dépôt par couches atomiques (ALD) et pulvérisation réactive. Cependant, l'ALD est une méthode largement préférée en raison de sa capacité à contrôler précisément l'épaisseur et l'uniformité du film mince [59].

Dans les dispositifs électroniques conventionnels, le choix du matériau d'électrode est important car ils agissent comme des chemins de transport pour les porteurs. Pour la RRAM, le choix du matériau d'électrode affecte grandement le comportement de commutation du dispositif. Par exemple, dans la structure cuivre/poly(3-hexylthiophène): [6,6]-phényl-C61-acide butyrique ester de méthyle/oxyde d'indium-étain (Cu/P3HT: PCBM/ITO), un comportement de commutation résistive stable a été observé ; cependant, il a disparu après le remplacement de l'électrode Cu par une électrode Pt [60]. Une grande variété de matériaux ont été utilisés comme électrodes pour la RRAM. Les matériaux d'électrode peuvent être regroupés en cinq catégories sur la base de leur composition, incluant les électrodes de substance élémentaire, les électrodes à base de silicium, les électrodes d'alliage, les électrodes d'oxyde et les électrodes à base de nitrite. Les plus abondants et les plus couramment utilisés sont les électrodes de substance élémentaire qui incluent Al [51], Ti[49], Cu[30], graphène [61], nanotubes de carbone [62], Ag [41], W [36] et Pt [44]. Pour les électrodes à base de silicium, le Si de type p et le Si de type n [63] sont les seuls types d'électrodes utilisés. Les électrodes d'alliage stabilisent généralement le comportement de commutation résistive et incluent principalement Cu-Ti [64], Cu-Te[65] et Pt-Al [66]. Les électrodes à base de nitrure les plus courantes sont le TiN et le TaN [67, 68]. Les électrodes à base d'oxyde sont relativement abondantes, incluant ZnO dopé Al [69], ZnO dopé Ga [70] et ITO [71].

La liste des matériaux d'oxyde métallique qui ont été utilisés récemment dans la fabrication du dispositif RRAM ainsi que diverses combinaisons de matériaux utilisés pour l'électrode supérieure et l'électrode inférieure sont montrées dans le Tableau 2. Une comparaison détaillée des divers paramètres est également présentée. De la grande variété de matériaux utilisés, on peut prédire que la commutation de résistance non volatile est largement observée dans divers types d'oxydes. Le choix du matériau pour la fabrication de la RRAM lui donne un avantage car les structures métal-oxyde-métal (MOM) peuvent être facilement fabriquées en utilisant des oxydes actuellement utilisés dans la technologie des semi-conducteurs. Le matériau de l'électrode inférieure dans la RRAM est généralement le platine, qui est un peu difficile à graver. Pour une structure de dispositif unique, la RRAM peut partager la même électrode inférieure alors que pour l'architecture en barrette croisée, des électrodes inférieures séparées sont utilisées pour chaque dispositif. Elles peuvent être obtenues par dépôt physique en phase vapeur et lift-off successivement. L'électrode supérieure et la couche de commutation résistive sont déposées soit en utilisant le dépôt par couches atomiques (ALD) soit le dépôt physique en phase vapeur (PVD).

Modes de commutation de résistance

Une mémoire à accès aléatoire résistive (RRAM) consiste en une cellule de mémoire à commutation résistive ayant une structure métal-isolant-métal généralement appelée structure MIM. La structure comprend une couche isolante (I) intercalée entre deux électrodes métalliques (M). Le schéma et la vue en coupe transversale d'une cellule RRAM sont montrés dans la Fig. 3a et b, respectivement.

a Schéma de la structure métal-isolant-métal pour la RRAM. b Vue en coupe transversale de la RRAM

L'application d'une impulsion de tension externe à travers la cellule RRAM permet une transition du dispositif d'un état de haute résistance (HRS), ou état OFF généralement appelé valeur logique '0', vers un état de faible résistance (LRS), ou état ON généralement appelé valeur logique '1' et vice versa. Le phénomène de commutation résistive (RS) est considéré comme la raison derrière ce changement de valeurs de résistance dans une cellule RRAM. Une RRAM telle que préparée est initialement dans l'état de haute résistance (HRS), pour commuter le dispositif du HRS au LRS, l'application d'une impulsion de haute tension permet la formation de chemins conducteurs dans la couche de commutation et la cellule RRAM est commutée en LRS [72]. Ce processus qui se produit en raison de la rupture douce de la structure métal-isolant-métal (MIM) est généralement appelé « électroformation » et la tension à laquelle ce processus se produit est appelée tension de formation (V_f). Il faut noter que la tension de formation dépend de la surface de la cellule [73] et de l'épaisseur de l'oxyde [74]. Maintenant, pour commuter la cellule RRAM du LRS au HRS, l'impulsion de tension appelée tension RESET (V_reset) est appliquée, ce qui permet cette transition de commutation et le processus est appelé processus « RESET » [75–78]. Le HRS de la RRAM peut être changé en LRS par l'application d'une impulsion de tension. La tension à laquelle la transition se produit du HRS au LRS est appelée tension SET (V_set) et le processus est appelé processus « SET » [79]. Pour lire efficacement les données de la cellule RRAM, une petite tension de lecture qui ne perturbera pas l'état actuel de la cellule est appliquée pour déterminer si la cellule est dans l'état logique 0 (HRS) ou logique 1 (LRS). Puisque le LRS et le HRS conservent leurs valeurs respectives même après la suppression de la tension appliquée, la RRAM est une mémoire non volatile. Selon la polarité de la tension appliquée, la RRAM peut être classée en deux types de modes de commutation : (i) commutation unipolaire et (ii) commutation bipolaire [80]. Dans la commutation unipolaire, la commutation (processus set et reset) du dispositif entre divers états de résistance ne dépend pas de la polarité de la tension appliquée, c'est-à-dire que la commutation peut se produire en appliquant une tension de même polarité mais de magnitude différente comme montré dans la Fig. 4a. Dans la commutation bipolaire, d'autre part, la commutation (processus set et reset) du dispositif entre divers états de résistance dépend de la polarité de la tension appliquée, c'est-à-dire qu'une transition d'un HRS à un LRS se produit à une polarité (soit positive, soit négative) et la polarité opposée ramène la cellule RRAM dans le HRS comme représenté dans la Fig. 4b. Dans la commutation unipolaire, le chauffage Joule est interprété comme le mécanisme physique responsable de la rupture d'un filament conducteur pendant l'opération de reset. Dans la commutation bipolaire, d'autre part, la migration d'espèces chargées est la force motrice principale pour la dissolution du filament conducteur, bien que le chauffage Joule contribue encore à accélérer la migration. Afin de s'assurer qu'il n'y a pas de rupture permanente de la couche diélectrique de commutation pendant le processus de formation/set de la RRAM, un courant de conformité (I_cc) est imposé pour le dispositif RRAM. Le courant de conformité (I_cc) est généralement assuré par un dispositif de sélection de cellule (transistor, diode, résistance) ou par un analyseur de paramètres semi-conducteurs pendant les tests hors puce.

Courbes I-V pour la RRAM. a Commutation unipolaire et b commutation bipolaire [4]

Mécanisme de commutation résistive

La commutation de la cellule RRAM est basée sur la croissance de filament conducteur (CF) à l'intérieur d'un diélectrique. Le CF est un canal ayant un diamètre très petit de l'ordre des nanomètres qui relie les électrodes supérieure et inférieure de la cellule de mémoire. Un état de faible résistance (LRS) avec une conductivité élevée est obtenu lorsque le filament est connecté et la haute résistance (HRS) résulte lorsque le filament est déconnecté avec un espace entre les électrodes [91]. Basé sur la composition du filament conducteur, la RRAM peut être classée en deux types : (i) RRAM à base d'ions métalliques aussi appelée mémoire à accès aléatoire à pont conducteur (CBRAM) et (ii) RRAM à base de filament de lacunes d'oxygène appelée « OxRRAM ». Il faut noter ici que la CBRAM est parfois appelée mémoire de métallisation électrochimique (ECM), tandis que « OxRRAM » est aussi parfois connue sous le nom de mémoire à changement de valence (VCM).

Dans la RRAM à base d'ions métalliques aussi appelée « CBRAM », le mécanisme physique responsable de la commutation résistive est basé sur la migration d'ions métalliques et les réactions d'oxydo-réduction (redox) subséquentes [92, 93]. La structure CBRAM consiste en une électrode supérieure oxydable (anode) telle que Ag, Cu et Ni, une électrode inférieure relativement inerte (cathode), par exemple W, Pt, et une couche d'oxyde métallique intercalée entre les deux électrodes. La formation du filament dans de telles cellules de mémoire se produit en raison de la dissolution des électrodes métalliques actives (le plus souvent Ag ou Cu), du transport de cations (Cu⁺ ou Ag⁺) et de leur dépôt ou réduction subséquent à l'électrode inférieure inerte [94]. Ainsi, le comportement de commutation résistive de ce type de RRAM est dominé par la formation et la dissolution des filaments métalliques.

Pour obtenir une meilleure compréhension du mécanisme de commutation de la CBRAM à base d'ions métalliques, considérons un exemple de cellules RRAM Ag/a-ZnO/Pt [41]. Une illustration schématique générale représentant le processus de commutation de la mémoire à pont conducteur est montrée dans la Fig. 5. L'état primitif de la cellule de mémoire CBRAM est représenté dans la Fig. 5a. L'électrode supérieure Ag (TE) est un composant actif dans la formation du filament tandis que l'électrode inférieure Pt est inerte. Lors de l'application d'un biais de tension positive à l'électrode supérieure Ag, l'oxydation (Ag → Ag⁺ + e⁻) se produit à l'électrode supérieure, ce qui génère des cations Ag⁺ qui se déposent dans la couche diélectrique (a-ZnO) à partir de l'électrode Ag. Le biais négatif sur l'électrode inférieure Pt (BE) attire les cations Ag⁺, et comme tel, la réaction de réduction (Ag⁺ + e⁻ → Ag) se produit à l'électrode inférieure. Ainsi, les cations Ag⁺ sont réduits en atomes Ag et s'accumulent jusqu'à ce que le pont conducteur soit formé (Fig. 5b–d) et le dispositif RRAM est dit exhiber un LRS. Ce processus est appelé « SET ». Lorsque la polarité de la tension appliquée est inversée, le filament hautement conducteur se dissout presque complètement et le dispositif est dit être dans l'état de haute résistance (HRS). Ce processus est appelé « RESET » et est représenté dans la Fig. 5e.

Schéma du mécanisme de commutation de la RRAM à pont conducteur. a État primitif du dispositif RRAM. b, c Oxydation de l'Ag et migration des cations Ag⁺ vers la cathode et leur réduction. d Accumulation d'atomes Ag et électrode Pt conduisant à la croissance d'un filament hautement conducteur. e Dissolution du filament lors de l'application d'une tension de polarité opposée [41]

Dans la RRAM à base de lacunes d'oxygène (OxRRAM), le mécanisme physique responsable de la commutation résistive est généralement associé à la génération de lacunes d'oxygène (V\(_{o}^{2+}\)) et au déplacement subséquent d'ions oxygène (O²⁻), permettant ainsi la formation de filament conducteur entre les électrodes supérieure et inférieure de la cellule RRAM [59]. Initialement, pour la cellule RRAM telle que fabriquée, le processus de formation, c'est-à-dire la rupture douce du diélectrique, est essentiel. Une fois que la rupture douce du diélectrique se produit, les atomes d'oxygène sont éjectés du réseau sous l'application d'un champ électrique élevé vers l'interface anode et deviennent des ions oxygène (O²⁻) tandis que les lacunes d'oxygène (V\(_{o}^{2+}\)) restent dans la couche d'oxyde. Les ions oxygène (O²⁻) réagissent avec les matériaux de l'anode ou sont déchargés comme oxygène non réticulaire neutre, si des métaux nobles sont utilisés comme matériaux pour l'anode pour former une couche d'oxyde interfaciale. Ainsi, l'interface électrode/oxyde se comporte comme un « réservoir d'oxygène » [85]. Ensuite, l'accumulation des lacunes d'oxygène (V\(_{o}^{2+}\)) dans l'oxyde massif commute la cellule RRAM vers l'état de faible résistance (LRS) car le filament conducteur (CF) est formé et un courant appréciable circule dans le dispositif. Pour ramener le dispositif à l'état de haute résistance (HRS), le processus de reset se produit pendant lequel les ions oxygène (O²⁻) migrent de retour vers l'oxyde massif depuis l'interface anode et se combinent soit avec les lacunes d'oxygène (V\(_{o}^{2+}\)) soit pour oxyder les précipités métalliques du CF et ainsi rompre partiellement le filament, commutant ainsi la cellule RRAM en HRS. Pour les cellules RRAM présentant un mécanisme de commutation unipolaire, la diffusion des ions oxygène (O²⁻) est activée thermiquement par le courant de chauffage Joule et comme tel, les ions oxygène diffusent de l'interface ou de la région autour du CF en raison du gradient de concentration. Aussi, il faut noter qu'un courant de reset relativement plus élevé est requis dans la RRAM à commutation unipolaire pour élever la température locale autour du CF. Dans la RRAM à commutation bipolaire, d'autre part, les ions oxygène (O²⁻) doivent être aidés par le champ électrique inverse car la couche interfaciale peut présenter une barrière de diffusion significative et la diffusion thermique pure n'est pas suffisante. Il faut noter que la rupture partielle du CF se produit dans les deux cas, commutant la cellule RRAM dans l'état de haute résistance (HRS). Cela est principalement dû à la formation de lacunes d'oxygène (V\(_{o}^{2+}\)) et de région pauvre résultant dans l'espace de tunnel pour les électrons. Pour ramener le dispositif au LRS (processus SET), le CF reconnecte les électrodes suite à la rupture douce dans la région de l'espace. Un processus set/reset similaire peut se répéter pendant de nombreux cycles.

Basé sur la discussion ci-dessus, la CBRAM aussi connue sous le nom de mémoire de métallisation électrochimique (ECM) repose sur une électrode métallique électrochimiquement active telle que Ag, Cu ou Ni pour former un CF à base de cations métalliques [95]. Le CF dans la RRAM à base de filament de lacunes d'oxygène « OxRRAM » aussi connue sous le nom de mémoire à changement de valence (VCM) est composé de défauts de lacunes d'oxygène, au lieu d'atomes métalliques, en raison de la migration d'anions dans le matériau de stockage lui-même [96]. Bien que le mécanisme de commutation des deux types « OxRRAM » et « CBRAM » soit discuté en détail, il y a encore un certain débat sur les mécanismes de commutation des deux types de RRAM [97]. Par exemple, où le CF commence à croître dans le processus set et où se briser dans le processus reset, et comment ces lacunes d'oxygène/atomes métalliques se rassemblent pour former le CF. Les caractéristiques courant-tension (I-V) de 20 cycles de commutation consécutifs de la structure RRAM Ta/TaO_x/Pt [98] ont été étudiées, et la variation claire du LRS et du HRS pour les cycles de commutation consécutifs a été observée. En conséquence, la fenêtre de mémoire globale diminue, dégradant la performance globale de la RRAM. Cette variabilité de résistance cycle-à-cycle est principalement attribuée à la formation aléatoire du CF ainsi qu'à sa rupture pendant les opérations set et reset respectivement.

Une comparaison de l'OxRRAM avec la CBRAM basée sur divers paramètres opérationnels est montrée dans le Tableau 3 [81, 84, 86–88, 99, 100]. Cette comparaison révèle la différence frappante en termes de caractéristiques d'endurance de ces types de mémoire RRAM. Cette dissemblance est due au fait que les filaments conducteurs de la CBRAM sont composés principalement d'atomes métalliques qui sont relativement plus faciles à dériver et diffuser comparés aux lacunes d'oxygène, causant ainsi la dégradation du temps de rétention et des caractéristiques d'endurance de la CBRAM comparée à l'OxRRAM. Bien que le mécanisme de commutation des deux types de RRAM soit différent, il y a de nombreuses caractéristiques communes entre les deux. La seule différence significative est que l'endurance pour l'OxRRAM est significativement plus élevée que celle de la CBRAM.

Métriques de performance de la mémoire à accès aléatoire résistive (RRAM)

Endurance

La mémoire à accès aléatoire résistive implique des transitions fréquentes entre un état de haute résistance (HRS) et un état de faible résistance (LRS). Chaque événement de commutation entre les états résistifs peut introduire des dommages permanents et causer une dégradation de la performance de la RRAM. L'endurance est ainsi définie comme le nombre de fois qu'un dispositif RRAM peut être commuté entre le HRS et le LRS tout en assurant un rapport fiablement distinguable entre eux [101]. Ainsi, un test d'endurance détermine le nombre maximum de cycles set/reset qui peuvent être commutés efficacement avant que le HRS et le LRS ne soient plus distinguables. Les caractéristiques d'endurance de la RRAM sont obtenues en effectuant une séquence de balayages I-V dans une cellule de commutation résistive et l'extraction subséquente de R_HRS et R_LRS lors de l'application d'une tension de lecture (typiquement 0,1 V) [41]. Cette méthode est fiable car on peut obtenir la commutation correcte du dispositif à chaque cycle ; cependant, cette méthode est très lente car le temps requis pour obtenir un balayage I-V peut être très élevé, particulièrement si les courants plus faibles sont impliqués.

Les cycles d'endurance dans une cellule RRAM HfO_x montrent une forte dépendance à la taille de la cellule, comme représenté dans la Fig. 6a, où une meilleure endurance dans le dispositif RRAM avec une taille de cellule plus grande est rapportée. En outre, la réduction verticale de l'épaisseur de la couche entraîne une dégradation de la performance d'endurance pour la tension SET à 2,5 V comme montré dans la Fig. 6b [102]. Cette dégradation de la performance d'endurance avec la réduction de l'échelle de la couche de commutation est un résultat du nombre réduit d'ions dans la région active. La RRAM à base de HfO_x exhibe une excellente performance d'endurance de 10⁶ cycles sur un réseau de 1 kb avec une taille de cellule de 30 nm sous une technologie de 0,18 μm et la même est montrée dans la Fig. 6c [103]. En ajoutant une couche supplémentaire de AlO_x au-dessus de l'électrode inférieure (BE), la stabilité du réseau peut être encore améliorée car l'immunité aux perturbations de lecture pour le HRS est augmentée. Pour la RRAM à base de TaO_x, une dégradation de la performance d'endurance avec l'augmentation de la largeur d'impulsion et de l'amplitude de la tension RESET a été observée dans la structure RRAM Ta/Ta₂O₅/TiN [105]. Une comparaison de l'électrode inférieure TiN et Ru dans la RRAM Ta/Ta₂O₅/TiN montre que la cause principale de la dégradation d'endurance est due à la réaction des ions oxygène avec l'électrode TiN. De plus, une endurance améliorée de 10⁹ cycles de commutation a été obtenue sans vérification dans une structure RRAM similaire en réduisant la couche Ta₂O₅ jusqu'à 3 nm [106] et l'utilisation d'une impulsion triangulaire ayant < 5 ns de largeur. Pour la performance de réseau à grande échelle, une comparaison de la mémoire Ta₂O₅ de 2 Mb avant et après 10⁵ cycles de test d'endurance est montrée dans la Fig. 6d [104]. Les distributions de courant de cellule montrent une petite variation pour les cycles initiaux et finaux. Aussi, le courant de cellule pour le LRS tombe en dessous de 50 μA, indiquant une faible consommation d'énergie du réseau. Des dispositifs de commutation résistive avec une endurance supérieure à 10¹² cycles ont été rapportés dans différents types de cellules RRAM impliquant des milieux de commutation à base d'oxyde de tantale (TaO_x) [32, 36, 59]. Ainsi, les dispositifs RRAM à base d'oxyde de tantale semblent exhibier l'endurance la plus élevée.

a Cycles d'endurance de la RRAM à base de HfO_x à différentes tensions SET et tailles de cellule b avec différentes épaisseurs (T5= 2 nm, T20= 10 nm) à 2,5 V de tension SET. c Distribution de résistance de réseau 1 kb obtenue à partir de graphiques de Weibull sous différents cycles d'endurance. d Endurance 100 k cycles de réseau 2 Mb à base de Ta₂O₅ ; Reproduit des refs [102–104]

Rétention

La rétention de données d'un dispositif RRAM implique l'investigation de la stabilité sur une période de temps pour le LRS et le HRS après avoir subi des transitions set et reset. En d'autres termes, la période pendant laquelle une cellule de mémoire restera dans un état particulier après l'opération set/reset détermine la capacité d'une cellule de mémoire à retenir son contenu [11]. L'application d'une contrainte de tension constante (CVS) sur le temps en utilisant une faible tension de lecture (0,1 V) et la mesure de la courbe courant versus temps (I-t) pour le LRS ainsi que le HRS permet la mesure de la rétention d'état. En raison de la nature dispersive des réarrangements atomiques induits dans la RRAM à cause de la tension de set, le temps de rétention long dans le LRS est difficile à obtenir alors que, dans le HRS, la rétention n'est pas une préoccupation car c'est généralement l'état naturel du dispositif et la RRAM continuera à rester dans cet état si aucun biais (ou faible biais) n'est appliqué. La rétention dans le LRS dépend de la limite de conformité pendant la transition SET, par exemple dans les RRAM basées sur le mécanisme de commutation par filament conducteur, un courant de conformité plus grand produit un filament conducteur plus fort qui est plus stable dans le temps [28, 41], comparé à un courant de conformité plus petit. Une endurance projetée de 10 ans à 85^∘ C a été démontrée dans Ti/HfO₂/TiN [18]. Une méthode couramment utilisée pour obtenir l'endurance du dispositif est d'appliquer une impulsion de lecture à haute température après certains intervalles de temps (par exemple toutes les 1 s) et d'extrapoler la résistance à une période de 10 ans. Bien que cette méthode soit facile à mettre en œuvre, elle a certaines limitations principalement dues à la contrainte de tension de lecture appliquée à la cellule. Une méthode alternative consiste à changer la température et à enregistrer le temps jusqu'à ce que le dispositif échoue. L'énergie d'activation est extraite en traçant le graphique d'Arrhenius et en extrapolant jusqu'à la température de fonctionnement. Cependant, la limitation de cette méthode est qu'il est nécessaire d'attendre jusqu'à ce que la défaillance se produise dans la cellule RRAM, et ainsi, cette méthode est plus consommatrice de temps et coûteuse.

Les caractéristiques du dispositif de la RRAM à base de HfO_x [81, 103] développée à l'Institut de recherche en technologie industrielle, Taiwan, sont démontrées pour mieux comprendre le fonctionnement du dispositif RRAM. L'image de microscopie électronique à transmission (MET) du dispositif RRAM TiN/Ti/HfO_x/TiN avec une taille de cellule de 30 nm est montrée dans la Fig. 7a. Le dispositif exhibe des caractéristiques de commutation bipolaire et la courbe I-V obtenue à 200 μA de courant de conformité set est montrée dans la Fig. 7b. Le dispositif présente une endurance de 10⁶ cycles de commutation avec un rapport de résistance on/off supérieur à 100 aux conditions de programmation set/reset de +1,5 V/–1,4 V d'impulsion avec une largeur d'impulsion de 500 μs et la même est représentée dans la Fig. 7c.

a Image de microscopie électronique à transmission (MET) du dispositif RRAM TiN/Ti/HfO_x/TiN. b Caractéristiques courant-tension (I-V) typiques du dispositif avec une taille de cellule de 30 nm. c 10⁶ cycles de commutation d'endurance obtenus à partir d'une impulsion de 500 μs. d Une durée de vie de rétention de 10 ans est attendue par test à 150^∘C ; reproduit des refs. [81, 103]

Uniformité

Dans la cellule RRAM, la mauvaise uniformité de diverses caractéristiques du dispositif est l'un des facteurs significatifs limitant la fabrication à plus grande échelle. Les tensions de commutation, ainsi que les résistances HRS et LRS, sont parmi les paramètres exhibant un haut degré de variation. Les variations de la commutation de résistance incluent les fluctuations temporelles (cycle-à-cycle) et les fluctuations spatiales (dispositif-à-dispositif). La nature stochastique de la formation et de la rupture du filament conducteur est considérée comme la raison principale de ces variations. La variabilité cycle-à-cycle et dispositif-à-dispositif est un obstacle majeur pour le stockage d'information dans les dispositifs RRAM [59]. L'observation de la variabilité cycle-à-cycle est influencée par le changement dans le nombre de défauts de lacunes d'oxygène qui surgissent dans le CF en raison de sa nature stochastique de formation et de rupture pendant l'événement de commutation [107]. En raison de cette nature aléatoire du CF, la prédiction et le contrôle précis de la forme du CF deviennent extrêmement difficiles. Cette variabilité s'aggrave lorsque la limite de conformité (c'est-à-dire le courant de conformité « I_cc ») est réduite. D'autre part, pour une valeur plus élevée de « I_cc », le rapport de l'écart-type (σ) et de la résistance moyenne (μ) est faible, résultant dans une dispersion de résistance LRS plus petite. Cela est attribué aux défauts plus nombreux dans le CF, formant ainsi un chemin bien défini pour la conduction de courant.

La RRAM exhibe également une non-uniformité dispositif-à-dispositif (cellule-à-cellule) qui dégrade également la performance de la mémoire en réduisant la marge de mémoire entre les deux états. L'origine de cette variabilité est attribuée aux non-uniformités dans le processus de fabrication telles que l'épaisseur du film de commutation, les dommages de gravure et la rugosité de surface des électrodes. Beaucoup de recherches ont été menées pour améliorer l'uniformité de la RRAM et plusieurs méthodes ont été explorées pour cela. L'une des méthodes utilise le concept d'insertion de graines nano-cristallines qui confinent les chemins du filament conducteur en améliorant l'effet du champ électrique local [82, 90, 108]. Dans la RRAM Ti/TiO_2−x/Au [28], l'induction de nano-cristaux de platine (Pt) dans le TiO_2−x mince résulte en une uniformité améliorée de la cellule RRAM. Les nano-cristaux Pt limitent l'effet de commutation dans les régions avec une probabilité élevée de génération de lacunes d'oxygène, ce qui résulte en une uniformité améliorée. Dans une autre approche, l'ingénierie de l'interface électrode/oxyde en incorporant des couches tampons appropriées est très utile pour atteindre une opération RRAM uniforme. Dans la RRAM à base de HfO_x [109], une fine couche tampon Al est insérée entre l'électrode TiN et la couche d'oxyde HfO_x. Cela résulte en une amélioration significative de la distribution de la tension de set ainsi que de la distribution de résistance, améliorant ainsi l'uniformité du dispositif. L'amélioration de la tension SET et de la distribution de résistance du dispositif RRAM après l'insertion d'une fine couche tampon Al entre l'électrode TiN et l'oxyde massif HfO_x et la même est représentée dans la Fig. 8 [59]. Les atomes Al sont supposés diffuser dans les films minces HfO₂, et ils ont tendance à localiser les lacunes d'oxygène en raison de l'énergie de formation de lacunes d'oxygène réduite, stabilisant ainsi la génération de filaments conducteurs, ce qui aide à améliorer l'uniformité de la commutation de résistance.

Amélioration de l'uniformité de la RRAM HfO_x tamponnée Al comparée à la RRAM à base de HfO_x. a Distribution statistique de la tension SET (V_set) obtenue à partir de 100 cycles de balayage DC. b Distribution statistique HRS et LRS pour 100 cycles de balayage d'impulsion ; reproduit de la ref. [59]

En plus de l'approche d'ingénierie des matériaux, une nouvelle méthode de programmation a également été suggérée pour réduire les fluctuations. Une technique de formation multi-étapes a été mise en œuvre dans la RRAM W/HfO₂/Zr/TiN [22] pour minimiser le courant de dépassement dû aux effets parasites. Une technique de formation multi-étapes résulte dans la formation progressive du filament ; ainsi, un courant set/reset faible est atteint, améliorant les caractéristiques de commutation du dispositif. Diverses autres méthodes telles que la formation à tension constante et la formation à chaud (généralement appelée formation à une température plus élevée) ont également été étudiées pour réduire efficacement les variations de résistance [110]. Une autre méthode pour atteindre une haute uniformité consiste à appliquer une série d'impulsions plutôt qu'une seule impulsion à une cellule RRAM [23]. Cette approche non seulement résulte en une uniformité améliorée mais améliore également la capacité multiniveau d'une cellule RRAM.

Effet de la température de fonctionnement et du bruit télégraphique aléatoire

Pour atteindre une performance fiable du dispositif RRAM, l'effet de la température de fonctionnement et du bruit télégraphique aléatoire (RTN) est étudié. Il est observé que la résistance des états LRS et HRS subit des variations en raison du changement de température de fonctionnement. L'étude de température de TiN/HfO₂/Ti/TiN [111] a été réalisée. Une tension de balayage positive de < 3 V de magnitude et un courant de conformité de 1 μA ont été appliqués pour l'électroformation. Une fois la formation effectuée, une tension de reset (V_reset) < –1 V ramène le dispositif au HRS (état OFF). Pour ramener le dispositif au LRS (état ON), une tension de set (V_set) <1 V est appliquée.

L'opération de reset dans le dispositif RRAM tend à montrer une résistance différentielle négative contrôlée par tension (NDR). L'opération de reset se produit abruptement à basses températures, tandis que pour les températures supérieures à la température ambiante, le processus de reset se produit plus progressivement. La résistance du dispositif RRAM dans l'état primitif, ainsi que l'état ON et l'état OFF en fonction de la température est représentée dans la Fig. 9a. Un comportement semi-conducteur est observé pour l'état primitif ainsi que l'état OFF, c'est-à-dire que la résistance diminue avec l'augmentation de la température. Pour l'état ON, une caractéristique métallique est observée, c'est-à-dire que la résistance augmente avec l'augmentation de la température. En raison de la variation de la résistance avec le changement de température, R_OFF/R_ON diminue également d'une valeur de 20 à environ 5 sur la plage de température de 213–413K. Dans les dispositifs Ti/HfO_x/Pt, une diminution de R_OFF/R_ON a été observée avec le cyclage dépendant de la température. Cette diminution du rapport de résistance a été attribuée à l'accumulation de pièges liés aux lacunes d'oxygène à l'intérieur de la couche d'oxyde métallique HfO₂ [112, 113]. De plus, des mesures dépendantes de la température sans opération set/reset ont été effectuées pour évaluer l'impact du cyclage I-V sur le rapport R_OFF/R_ON. La tension de balayage à travers le dispositif RRAM a été arrêtée avant d'atteindre les valeurs V_set et V_reset. Pour la résistance d'état OFF (rectangles verts), une dépendance plus faible à la température a été observée en contraste avec la résistance d'état ON (cercles verts) qui exhibait des caractéristiques similaires, comparé au cas de cyclage. De ces observations, nous déduisons que le cyclage I-V induit une dépendance plus forte à la température, ce qui diminue le rapport R_OFF/R_ON. L'effet de la variation de température sur les tensions de commutation V_set et V_reset est représenté dans la Fig. 9b. La légère variation de V_set avec le changement de température indique qu'il n'y a pas de différence de température significative. Pour le cas de V_reset, la tendance générale est une diminution de la valeur de tension d'environ 0,2 V avec l'augmentation de la température dans la plage de 233–333K. Aussi, une lente augmentation de V_reset est observée pour la plage de température 353–413K.

Effet de la variation de température sur a résistance vierge (axe gauche) et les résistances d'état OFF ainsi que d'état ON (axe droit) à la plage de température 213–413K et b tensions de commutation V_set et V_reset ; reproduit de la ref. [111]

Le bruit télégraphique aléatoire (RTN) est un autre facteur qui affecte la performance de la RRAM. Le RTN a longtemps été utilisé comme indicateur de performance et de fiabilité du dispositif. Le RTN diminue la marge de mémoire entre le HRS et le LRS en raison des fluctuations extensives dans le courant de lecture pendant l'opération de lecture. En raison de l'effet du RTN, la marge de lecture, le potentiel d'évolutivité et la capacité de cellule multiniveau d'une cellule RRAM sont grandement affectés [114] ; ainsi, il doit être étudié pour atteindre une performance fiable. Pour étudier l'effet de l'électrode inférieure sur le RTN, une analyse de la RRAM Ta₂O₅/TiO₂ [115] a été réalisée. Les exemples de signaux RTN complexes dans le LRS et le HRS sont représentés dans la Fig. 10. Le RTN cause une instabilité de lecture dans le dispositif RRAM, réduisant ainsi la marge de lecture, l'implémentation de stockage multibit et entravant l'évolutivité du dispositif. Le RTN est attribué au piégeage et dépiégeage d'électrons dans la proximité du CF dans le LRS alors qu'il se produit dans l'espace de tunnel dans l'état HRS. Bien que la physique du RTN ne soit toujours pas claire et soit hautement débattue, le piégeage et dépiégeage d'électrons qui inhibe temporairement le transport de charge est largement accepté comme le mécanisme responsable de la fluctuation due au RTN. Il est observé qu'avec la diminution du courant de fonctionnement, l'amplitude du RTN augmente, affectant ainsi fortement le niveau HRS. Par conséquent, il est nécessaire d'assurer une marge de résistance supplémentaire pour atteindre une performance fiable. Le RTN dans la RRAM a été largement recherché, bien que le mécanisme physique du RTN ne soit toujours pas explicitement défini. Le RTN peut être utilisé comme un outil pour cartographier les mouvements de lacunes actives dans la RRAM en raison de sa variation dépendante du temps. Cela pourrait être assez utile pour comprendre les mécanismes de défaillance d'autres problèmes de fiabilité.

Signaux RTN complexes dans le LRS et le HRS de la RRAM à base de Ta₂O₅/TiO₂ représentant l'amplitude de bruit normalisée et le courant moyen ; reproduit de la ref. [114]

Mémoire à accès aléatoire résistive multiniveau (RRAM)

Stockage multiniveau par cellule (MLC)

En raison de leur petite taille physique et de leur faible consommation d'énergie, les dispositifs RRAM sont potentiels pour les futures applications de mémoire et de logique. L'augmentation de la densité de stockage est parmi les aspects les plus critiques de la technologie de mémoire pour permettre la conception de cellules de mémoire à capacité multibit [89]. Les multiples états résistifs peuvent être atteints dans les cellules RRAM, ce qui offre les avantages de solutions de stockage de données non volatiles à faible coût et haute densité. Actuellement, beaucoup de recherches sont menées dans le domaine de la RRAM pour réduire les dimensions et augmenter la densité structurale des réseaux de mémoire. Précédemment, la densité de stockage de la RRAM a été augmentée par la réduction de la taille du dispositif ; cependant, la complexité impliquée dans les procédures expérimentales limite sa mise en œuvre réussie. Une autre méthode suggérée est l'emploi d'architectures en barrette croisée tridimensionnelles (3D). Deux types d'architectures de RRAM « verticale » et « barrette croisée » ont été proposés [116, 117] ; cependant, ces deux types d'architectures nécessitent des procédures de fabrication avancées ce qui n'est pas souhaitable. Une alternative beaucoup plus simple pour augmenter la densité de stockage dans les dispositifs RRAM est l'utilisation de la technologie de stockage par cellule multiniveau (MLC) qui permet de stocker plus d'un bit par cellule sans réduire les dimensions physiques du dispositif. Ce MLC est l'une des propriétés les plus prometteuses de la RRAM qui peut augmenter significativement la densité de stockage de mémoire [83, 118–125]. Ainsi, au lieu d'un seul état de haute et faible résistance (HRS et LRS), nous pouvons atteindre plusieurs HRS et LRS, sans changer les dimensions du dispositif. Cependant, pour atteindre une opération MLC fiable, le contrôle précis sur la résistance des différents niveaux de résistance de la RRAM doit être assuré ; sinon, le dispositif souffrira de variabilité de résistance et de problèmes de fiabilité principalement dus à la nature aléatoire de la formation du filament conducteur pendant le processus de commutation [126].

Méthodes pour obtenir les modes multiniveau par cellule (MLC) dans la RRAM

Le comportement MLC dans la RRAM la rend très utile pour les applications à haute densité. Pour obtenir le comportement MLC dans la RRAM, les trois méthodes suivantes sont employées : (i) changer le courant de conformité, (ii) contrôler la tension de reset et (iii) varier la largeur d'impulsion de l'opération de programmation/effacement.

MLC en changeant le courant de conformité

Le dispositif RRAM est généralement opéré avec une configuration de cellule 1-RRAM (1R) [41] ou en configuration de cellule 1-Transistor 1-RRAM (1T-1R) [18]. Les caractéristiques MLC dans la configuration 1R peuvent être obtenues en changeant le courant de conformité (I_cc) pendant l'opération « set » alors que les caractéristiques MLC dans la structure de cellule 1-Transistor 1-RRAM (1T-1R) sont contrôlées en variant la tension à la grille du transistor, ce qui permet le contrôle du courant de conformité (I_cc) pendant l'opération set d'une cellule RRAM. Les courbes I-V MLC typiques de la RRAM à base de Ti/Ta₂O₅/Pt [127] sont montrées dans la Fig. 11. Alors que le courant de conformité (I_cc) est augmenté de 150 μA à 1 mA, six LRS différents sont obtenus à I_cc = 150 μA, I_cc = 200 μA, I_cc = 300 μA, I_cc = 500 μA et I_cc = 700 μA, I_cc = 1 mA en raison de l'augmentation du courant respectif du LRS (I_LRS) tandis que le HRS est maintenu constant et le courant HRS (I_HRS) reste le même pour tous les niveaux LRS. Pour la RRAM Ti/Ta₂O₅/Pt, avec l'augmentation de I_cc, le courant de reset maximum (I_reset) augmente également tandis que la tension de set est presque maintenue constante. Aussi, il a été observé que la résistance du LRS (R_LRS) diminue tandis que (I_reset) augmente en raison de la formation de filament plus fort avec l'augmentation de I_cc.

Caractéristiques multiniveaux de la RRAM Ti/Ta₂O₅/Pt obtenues en contrôlant le courant de conformité. « Reproduit de [127], avec la permission de AIP Publishing »

La formation du CF et son élargissement correspondant avec une augmentation de I_cc est le mécanisme attribué du multiniveau par cellule (MLC) en mode courant de conformité (I_cc) comme représenté schématiquement dans la Fig. 12. Avec une augmentation de la taille du CF due à une augmentation de I_cc, la résistance du CF diminue et résulte donc en plusieurs niveaux LRS pour différentes valeurs de I_cc. Il est également observé que I_reset augmente avec l'augmentation de I_cc car une puissance plus élevée est requise pour rompre le CF ayant un diamètre plus grand.

Illustration schématique des multiples états de résistance dans la cellule RRAM obtenus en variant le courant de conformité « I_cc » [98]

MLC en contrôlant la tension de reset

Les caractéristiques MLC dans une cellule RRAM peuvent également être obtenues en contrôlant la tension de reset (V_reset) tandis que (I_cc) est maintenu constant. Dans ce cas, les courbes I-V MLC typiques de la cellule RRAM à base de TiN/HfO_x/AlO_x/Pt [128] en appliquant différents (V_reset) de −2,1 V, −2,7 V et −3,3 V sont montrées dans la Fig. 13.

Caractéristiques multiniveaux de la RRAM TiN/HfO_x/AlO_x/Pt obtenues en contrôlant la tension de reset. « Reproduit de [128], avec la permission de AIP Publishing »

Il est observé qu'avec une augmentation de (V_reset), le courant HRS (I_HRS) diminue ; ainsi, plusieurs niveaux HRS avec la même résistance LRS sont obtenus. En outre, la tension de set (V_set) augmente également alors que V_reset est augmentée tandis que I_reset reste presque constant.

La diminution de I_HRS avec l'augmentation de la tension de reset est principalement due à l'augmentation de l'espace entre l'électrode métallique et la pointe du CF comme représenté dans la Fig. 14. Plus la magnitude de V_reset est grande, plus l'espace est grand et donc plus la valeur de résistance est élevée. Par conséquent, une augmentation de l'espace entre la pointe du CF et l'électrode inférieure (BE) avec l'augmentation de la tension de reset résulte en plusieurs niveaux de résistance du HRS. Il est observé que les dispositifs dans lesquels I_reset montre un changement progressif du courant au lieu du changement abrupt pendant l'opération « reset », le changement de résistance HRS dans de tels dispositifs peut être dû à la diminution de la taille du filament conducteur (CF) alors que V_reset est augmentée. Cette approche est plus viable pratiquement pour les architectures en point croisé car elle nécessite une circuitry relativement moins complexe.

Illustration schématique des multiples états de résistance dans la cellule RRAM obtenus en variant la tension de reset « V_reset » [98]

MLC en variant la largeur d'impulsion de programmation/effacement

Les caractéristiques MLC peuvent également être obtenues en variant la largeur d'impulsion de programmation/effacement tandis que l'amplitude de l'impulsion est maintenue constante [23]. Dans la RRAM à base de HfO_x [128], trois niveaux HRS ont été démontrés en variant la largeur de l'impulsion de reset de 50 ns à 5 μs. Cette méthode d'obtention des caractéristiques MLC dans la RRAM est relativement plus facile ; cependant, ce schéma est inefficace énergétiquement. Cet inconvénient limite l'application de cette méthode pour obtenir des caractéristiques fiables dans la cellule RRAM. La consommation d'énergie plus élevée du dispositif RRAM a été confirmée par la comparaison des réponses transitoires entre le contrôle de l'amplitude d'impulsion de reset et le contrôle de la largeur d'impulsion. Cela est particulièrement dû à la dissipation d'énergie non désirée plus élevée sous forme d'énergie thermique dans le matériau de commutation résistive.

Un résumé des dispositifs RRAM exhibant plusieurs états de résistance est montré dans le Tableau 4. Comme il est évident du tableau, divers dispositifs RRAM avec plusieurs états de résistance ont été rapportés. À ce jour, cependant, seulement 8 états de résistance ont été démontrés dans une seule cellule RRAM soit en variant I_cc soit V_reset. Par conséquent, il y a une énorme marge pour augmenter le nombre d'états de résistance dans la cellule RRAM, augmentant ainsi sa densité de stockage.

Modélisation des dispositifs RRAM

La modélisation joue un rôle très critique dans le développement des dispositifs utilisant les technologies des semi-conducteurs. Pour comprendre pleinement le fonctionnement du dispositif et optimiser la performance, un modèle précis est d'une grande importance. Un certain nombre de modèles RRAM avec des caractéristiques et une précision variables ont été proposés [129]. Cette section discute les caractéristiques et attributs des divers modèles RRAM couramment utilisés populaires.

Modèle Stanford/ASU

L'un des modèles RRAM basés sur la physique les plus populaires est le modèle RRAM Stanford/ASU [130–132], proposé par Guan et al. et Chen et al. Ce modèle a été appliqué pour valider les caractéristiques de commutation I-V de la RRAM HfO₂ [128] et inclut l'effet du chauffage Joule et du changement de température sur la commutation des dispositifs RRAM.

Ce modèle dépend de la croissance du CF à l'intérieur d'une couche de commutation diélectrique. L'espace du filament, c'est-à-dire l'espace entre la pointe du CF et l'électrode supérieure, est la variable d'état interne pour ce modèle. La croissance du CF à l'intérieur d'un diélectrique est attribuée au mouvement des ions oxygène et à la régénération et recombinaison des lacunes d'oxygène [133]. Ainsi, le taux de changement de l'espace du filament (g) est donné comme [130] :

où E_a est l'énergie d'activation, V est la magnitude de la tension appliquée à travers le dispositif, L est l'épaisseur du matériau de commutation, a_h est la distance de saut, γ est le facteur d'amplification du champ local, V₀ est la vitesse contenant la fréquence de tentative d'échappement, K_b est la constante de Boltzmann, q est la charge élémentaire unitaire et T est la température du filament conducteur.

La variation spatiale de la taille de l'espace est prise en compte dans ce modèle, en plus des variations qui surgissent en raison de la propriété stochastique du processus ionique. Un signal de bruit est ajouté à la distance de l'espace pour tenir compte de ces variations comme [130] :

où Δt est le pas de temps de simulation, la fonction F représente l'évolution temporelle de la taille de l'espace de t à Δt. \(\tilde {X}\)(n) est une séquence de bruit gaussien de moyenne nulle. T_GN est l'intervalle de temps après lequel \(\tilde {X}\)(n) change pour la prochaine valeur aléatoire.

La variation de la taille de l'espace δ_g dépend de l'énergie cinétique des ions et de la température du filament comme [130] :

où \(\delta ^{0}_{g}\) et T_smith sont des coefficients d'ajustement pour faire correspondre les courbes de distribution de résistance aux expériences et T_crit est une température seuil au-dessus de laquelle la taille de l'espace change significativement.

Ce modèle montre une forte dépendance à la température ; ainsi, il y a un besoin de tenir compte du changement de « T ». Avec le changement des caractéristiques de la cellule, la température du domaine interne dynamique T change significativement, tandis que le domaine externe supposé être à une température uniforme et stable (T_bath), est lié comme [130] :

où C_p est la capacitance thermique effective du domaine interne, V(t) I(t) représente le chauffage Joule et k est la conductivité thermique effective.

En utilisant un mécanisme de conduction généralisé, la conduction de courant est définie comme [130] :

où I₀, g₀ et V₀ sont les paramètres d'ajustement pour faire correspondre les résultats expérimentaux.

L'une des caractéristiques significatives de ce modèle est son implémentation dans les applications neuromorphiques et la conception de dispositif synaptique RRAM [134], donnant au modèle un grand degré de flexibilité et une plus grande portée pour l'implémentation dans divers systèmes neuromorphiques.

Modèle Physique Électro-thermique

Le modèle physique électro-thermique a été développé par Kim et al. [135] et implémenté avec la RRAM bicouche à base de pentoxyde de tantale (Ta₂O₅) [136–138]. Ce modèle physique résout les équations différentielles basées sur la méthode de résolution par éléments finis. Ce modèle utilise également l'approche du phénomène de physique électrothermique pour la modélisation [139], lui donnant un avantage en termes de flexibilité pour incorporer le solveur par éléments finis (FEM) pour simuler le système très précisément. Cependant, l'inconvénient de cette approche est sa difficulté d'implémentation pour les solveurs de circuits SPICE et Verilog.

Ce modèle décrit le CF comme une région dopée ayant des lacunes d'oxygène comme dopants avec le CF s'étendant de l'électrode supérieure à l'électrode inférieure du dispositif. Pour décrire la dérive-diffusion de la migration des lacunes, ce modèle suppose que la même équation peut être utilisée pour décrire à la fois les processus d'ions oxygène et de lacunes. Le modèle d'ions par Mott et Gurney [140] est employé ici pour décrire le processus donné comme [135] :

où D_s décrit le processus de diffusion, v donne la vitesse de dérive des lacunes et G est le taux de croissance du CF qui décrit en fait le processus SET. Les paramètres sont définis comme [135] :

où l_m est la taille du maillage.

Ces équations gouvernent la transformation physique du dispositif pendant la transition SET et RESET, contrôlant ainsi essentiellement la croissance et la rupture du CF.

Modèle Physique de Huang

Le modèle physique de Huang développé par Huang et al. [141, 142] est un modèle physique très complet pour le dispositif RRAM car il prend en compte à la fois la largeur du CF et l'espace du filament à l'électrode comme facteurs affectant la dynamique des variables d'état. En outre, la distribution de température est également prise en compte dans ce modèle.

Le processus SET/RESET est considéré comme un résultat du processus de génération/recombinaison d'ions oxygène (O²⁻) et de lacunes d'oxygène (V₀). Pendant le processus SET, le CF commence à évoluer à partir de la pointe de l'électrode supérieure (T.E) et s'allonge en rayon avec l'augmentation de la tension, résultant en une largeur finale « W » du CF. Ce modèle suppose une forme cylindrique symétrique du CF. Pendant le processus RESET, le CF se rompt en partant de T.E jusqu'à ce qu'il se dissolve complètement avec l'augmentation de la tension. La distance d'espace du filament « x » est définie comme l'espace entre la couche d'électrode active (T.E) et la pointe du CF.

Ainsi, pour le processus SET, le paramètre « W » agit comme variable d'état, tandis que pour RESET, le paramètre « x » agit comme variable d'état. Par conséquent, \(\frac {dx}{dt}\) et \(\frac {dw}{dt}\) définissent la dynamique du dispositif pendant la transition SET/RESET.

Pendant le premier processus de reset, le taux de réduction du CF, c'est-à-dire la libération d'O²⁻, par l'électrode est exprimé comme [142] :

Pour le saut d'O²⁻ dans la couche d'oxyde, le taux de réduction du CF avec « a » étant la distance entre deux V₀ est donné comme [142] :

Pour le cas du processus RESET dominé par la recombinaison entre O²⁻ et V₀ est exprimé comme [142] :

Dans l'étape initiale du processus SET dominé par la recombinaison des lacunes d'oxygène avec un CF mince initialement développé est donné par [142] :

Ici, Z et α_g sont les paramètres d'ajustement.

Pour la deuxième étape, le CF croît le long de sa direction radiale et est défini comme [142] :

Le courant circulant à travers le dispositif est modélisé comme une corrélation du courant de saut avec la tension et la distance d'espace exprimée par [134] comme :

Ce modèle est validé dans le système HfO_x/TiO_x [141, 142], et une correspondance assez précise entre les résultats expérimentaux et de simulation est obtenue. Bien que ce modèle prenne en compte les processus significatifs qui affectent l'opération RRAM, cependant, il a certaines limitations. La plus critique est d'être incompatible avec SPICE et Verilog-A.

Modèle de Dissolution de Filament

Ce modèle a été développé exclusivement pour les dispositifs RRAM unipolaires par Russo et al. [143–145], mais a été modifié plus tard pour les dispositifs RRAM bipolaires [139, 146] aussi. Le modèle de dissolution de filament est basé sur la rupture du CF sous l'effet d'un changement de température significatif causé par le chauffage Joule.

L'un des avantages significatifs de ce modèle est qu'il utilise des équations aux dérivées partielles simples pour tenir compte du courant du dispositif et des changements de température dus au chauffage Joule ainsi que de la vitesse de dissolution. La conduction de courant à l'intérieur du dispositif est décrite par l'équation de Poisson [144] comme :

Ici, φ est la résistivité de l'oxyde et v définit le potentiel électrique dû à l'application de la tension de biais externe à l'une des électrodes tandis que l'autre électrode est connectée à la terre.

Le CF est divisé en un certain nombre de grilles de maillage et à chaque point de la grille de maillage, la température est calculée pour décrire la rupture du CF. L'équation de chaleur de Fourier à l'état stationnaire décrit cet effet comme [144] :

où k représente la conductivité thermique de la couche d'oxyde, J est la densité de courant et T est la température du dispositif.

La température « T » du dispositif augmente jusqu'à la température critique, après laquelle le dispositif est reset et la dissolution du CF a lieu. Le facteur de dissolution est modélisé comme [144] :

où E_a est l'énergie d'activation, k_b est la constante de Boltzmann, V_DIS−F est un paramètre d'ajustement et V_DIS est la vitesse de la frontière du CF vers l'axe de symétrie.

La résistivité du CF est dépendante de la température et est décrite comme [144] :

où C est le coefficient de température de résistivité calculé expérimentalement et φ_CF−RT est la résistivité standard du CF à température ambiante.

Le logiciel COMSOL Multiphysics [147] est utilisé pour résoudre les équations couplées pour ce modèle RRAM en raison de ses capacités multiphysiques et de sa capacité à gérer de telles simulations.

Modèle Bipolaire de Bocquet

Le modèle bipolaire de Bocquet [148] décrit les mémoires à commutation résistive à base d'oxyde bipolaire en utilisant une approche de modélisation basée sur la physique. Le modèle bipolaire de Bocquet décrit le processus d'électroformation du dispositif RRAM, en plus d'utiliser certaines des caractéristiques du modèle unipolaire de Bocquet [149] et de les modifier significativement selon les caractéristiques de commutation bipolaire. Dans ce modèle, le rayon du CF est la variable d'état interne qui gouverne efficacement le taux de commutation.

Pour modéliser l'étape d'électroformation, le modèle bipolaire de Bocquet utilise le taux d'électroformation (τ_Form) qui détaille le mécanisme de conversion pour passer à l'sous-oxide commutable à partir de l'oxyde primitif. L'étape d'électroformation est modélisée comme [148] :

où E_aForm est l'énergie d'activation pour l'électroformation, τ_form0 est le taux de formation nominal, α_s est le coefficient de transfert de charge, V_cell est la tension appliquée entre les électrodes supérieure et inférieure, r_CF est le rayon du CF qui varie de 0 à r_CFmax, q est la charge élémentaire de l'électron, T est la température du dispositif et k_B est la constante de Boltzmann.

La réaction électrochimique redox dérivée de l'équation de Butler-Volmer [150] est utilisée pour décrire l'opération SET/RESET comme [148] :

Ici, τ_Red et τ_Ox sont les taux de réduction et d'oxydation, respectivement. τ_Redox est le taux de réaction effectif considérant à la fois les réactions de réduction et d'oxydation.

Le taux de commutation est obtenu en couplant les deux équations ci-dessus comme [148] :

Le modèle bipolaire de Bocquet est un modèle assez complet car il inclut également les effets de température. La température locale du filament est couplée en utilisant l'équation de chaleur et est donnée dans l'Éq.(25), la température considérant un filament de forme cylindrique est donnée dans l'Éq. (26). La température maximale atteinte dans le CF à x = 0, le milieu du filament est donnée dans l'Éq. (27) et la conductivité électrique équivalente dans la zone de travail (σ_eq) est donnée dans l'Éq. (28).

où (σ_x) est la conductivité électrique locale, F(x) est le champ électrique local, σ_CF est la conductivité électrique du filament conducteur, k_th est la conductivité thermique et T_amb est la température ambiante.

Il faut mentionner ici que la température augmente avec l'augmentation du rayon du CF, résultant en une réaction auto-accélérée en raison d'une boucle de rétroaction positive. La réaction auto-limitée aussi appelée SOFT reset [151], d'autre part, se produit en raison de la diminution de la température et du rayon du CF pendant l'opération RESET.

Le courant total circulant dans l'OxRRAM est la somme des courants circulant dans la zone conductrice (I_CF), la conduction à travers le sous-oxide commutable (I_sub−oxide) et la conduction à travers l'oxyde primitif non commuté (I_pristine). Le courant total est comme [148] :

Le paramètre B_e est dépendant de la hauteur de barrière métal-oxyde (ϕ_b) et est donné comme [148] :

où m_e et \(m^{ox}_{e}\) sont les masses effectives d'électrons dans la cathode et l'oxyde respectivement, F = \(\frac {V_{\text {cell}} }{L_{x}}\) est le champ électrique à travers la couche active, h est la constante de Planck et S_cell est la section de la cellule RRAM.

Des solutions discrètes sont requises pour implémenter le modèle dans un simulateur électrique. Ce modèle prend bien en compte cet aspect, le rendant approprié pour la simulation impliquant des circuits électriques. Ce modèle implémente les équations dans le simulateur de circuit Eldo [152]. Les solutions discrètes sont données comme [148] :

Ce modèle a été vérifié contre la caractérisation électrique d'un système à base de HfO₂ [153]. Une caractéristique importante de ce modèle est qu'il peut efficacement prendre en compte la variabilité dispositif à dispositif [154, 155]. L'une des limitations majeures de ce modèle est l'absence de seuil de courant ou de tension.

Cette section présente en détail diverses caractéristiques et fonctionnalités des modèles RRAM. Une analyse comparative des modèles RRAM discutés dans ce travail est présentée dans le Tableau 5.

Applications de la RRAM

La RRAM est considérée comme l'un des candidats remarquables parmi les technologies de mémoire émergentes qui a le potentiel de réformer la hiérarchie de mémoire principalement en raison de sa haute vitesse, de la capacité de stockage de données non volatile, de la densité de stockage améliorée et de la fonction de calcul logique. Les diverses applications novatrices de la RRAM sont discutées dans cette section.

>Logique Non Volatile

Les codes d'instruction et les données sont transférés en utilisant des bus entre diverses unités dans un système informatique ayant une architecture von Neumann en raison des unités de calcul et de mémoire séparées. Ce processus de transfert de données entraîne une consommation d'énergie accrue et un délai temporel, communément appelé « goulot d'étranglement de von Neumann ». Pour réduire l'impact du goulot d'étranglement de von Neumann [156], le processus de calcul qui utilise le réseau en barrette croisée RRAM est suggéré, ce qui modifie les opérations de mémoire et de calcul dans le même cœur. En outre, pour obtenir une haute densité d'intégration et un faible coût [157], la structure de dispositif compacte à deux bornes de la RRAM et son architecture de réseau 4F² sont hautement bénéfiques. Par exemple, pour obtenir des fonctions logiques booléennes simples telles que « NON logique », « ET logique » et « OU logique », nous avons besoin de plusieurs transistors et chaque transistor unique prend une zone de 8−10F². Ces fonctions logiques peuvent être réalisées en utilisant deux ou trois cellules RRAM, résultant en une zone totale approximative d'environ 10F² seulement [158].

À ce jour, plusieurs méthodes ont été suggérées pour réaliser des fonctions logiques booléennes [159, 160]. Le calcul booléen est significativement plus établi comparé aux paradigmes de calcul non booléens existants tels que l'informatique neuromorphique et l'informatique quantique. Par conséquent, l'efficacité énergétique et coûts du CPU ou MCU peut être améliorée sans avoir besoin de développer de nouveaux algorithmes ou logiciels, bien qu'il y ait encore un manque de solution technique sur la façon d'implémenter des tâches de calcul complexes dans un réseau en barrette croisée. Ainsi, la plupart des recherches à ce jour se concentrent seulement sur la démonstration de niveau logique de base car il devient assez complexe d'implémenter une unité de calcul complète en utilisant un réseau RRAM.

Informatique Neuromorphique

Pour surmonter le « goulot d'étranglement de von Neumann », l'une des méthodes efficaces est l'informatique neuromorphique inspirée du cerveau qui a montré un potentiel prometteur dans une large gamme de tâches complexes et cognitives comme la reconnaissance visuelle/audio, la conduite autonome et l'analyse de big data en temps réel. Comparé au réseau neuromorphique basé sur CMOS, l'informatique neuromorphique basée sur le réseau RRAM offre des avantages en termes de stockage de poids sur puce, d'entraînement en ligne et d'évolutivité vers des tailles de réseau beaucoup plus grandes [161–163]. En outre, la vitesse de traitement de la RRAM s'améliore de trois ordres de grandeur, tandis que le taux de consommation d'énergie est réduit de quatre ordres de grandeur [164].

Pour réaliser des paradigmes d'informatique neuromorphique implémentés en matériel, deux méthodes sont suggérées : l'une des stratégies imite la structure et le mécanisme de fonctionnement des réseaux neuronaux biologiques tandis que l'autre méthode travaille sur l'accélération des algorithmes de réseau neuronal artificiel (ANN) existants. Dans un réseau neuronal, une synapse est utilisée pour transférer des pointes entre différents neurones en plus de stocker des informations sur les poids de transfert. L'information concernant les poids peut être acquise à travers certaines règles d'apprentissage telles que la plasticité dépendante du temps de pointe (STDP) et la plasticité dépendante du taux de pointe (SRDP) [165–167]. Bien que certains des travaux rapportés dans la littérature aient essayé d'émuler de telles règles d'apprentissage bio-inspirées sur des dispositifs RRAM, il est cependant assez compliqué d'étendre de tels types de règles d'apprentissage bio-inspirées à une tâche complexe car l'algorithme théorique fait encore défaut.

Une approche pratiquement viable est de mapper un ANN directement sur un réseau neuromorphique basé sur RRAM. Certaines tâches avancées telles que la reconnaissance de motifs et de la parole ont été démontrées sur la base de cette méthode [166–169]. Bien que très prometteuse, la synapse basée sur RRAM est encore loin d'être appliquée car divers problèmes tels que l'optimisation des matériaux, la suppression des variations, la conception de circuits de contrôle, l'architecture et la conception d'algorithmes pour le calcul analogique doivent être abordés efficacement.

Application de Sécurité

L'aspect sécurité est devenu plus important avec les développements rapides dans le domaine des technologies de l'information ; ainsi, il y a un besoin de circuits intégrés de sécurité basés sur le matériel. En contraste avec les circuits de sécurité basés sur la logique CMOS qui exploitent la nature aléatoire du processus de fabrication des semi-conducteurs, les circuits de sécurité basés sur la RRAM sont plus robustes aux attaques de divers types en raison de ses mécanismes de commutation complètement aléatoires [170, 171]. Il faut noter que pour les applications de sécurité, une variation plus grande des paramètres du dispositif RRAM tels que le bruit télégraphique aléatoire (RTN), les variations de résistance et la commutation probabiliste est souhaitable, ce qui est assez différent des applications de mémoire qui nécessitent un degré de variation plus petit parmi de nombreux paramètres.

Une nouvelle fonctionnalité de sécurité communément appelée fonction physique non clonable (PUF) [172], basée sur la RRAM est proposée pour l'authentification de dispositif (PUF fort) et la génération de clé (PUF faible) applications. Un nombre significativement plus grand de paires entrée-sortie [aussi appelé paire défi-réponse (CRP)] est requis pour le PUF fort, tandis qu'une petite quantité de CRP d'une fiabilité extrêmement élevée est requise pour le PUF faible [173]. Bien que les PUF basés sur la RRAM aient démontré une performance remarquable ; cependant, davantage de démonstrations pratiques et d'évaluations supplémentaires sont requises pour travailler la maturité de cette nouvelle primitive dans le domaine de la sécurité matérielle.

SRAM Non Volatile

Les technologies de mémoire volatiles comme la SRAM et la DRAM peuvent consommer plus de la moitié de la puissance statique dans les puces SoC mobiles actuelles. Ainsi, pour atteindre des opérations de mémoire parallèles rapides, une surface réduite et une faible consommation d'énergie, la SRAM non volatile basée sur RRAM (nvSRAM) a été proposée [174] dans laquelle deux cellules RRAM sont empilées sur huit transistors, formant une structure 8T2R. Aussi, la mémoire non volatile adressable par contenu ternaire (TCAM) ayant une structure de cellule 4T2R [175] et les bascules non volatiles ayant un temps de stress réduit et une puissance d'écriture basée sur la RRAM ont été démontrées récemment [176].

Défis et Perspectives Futures

Au cours des dernières années, la recherche dans le domaine des technologies de mémoire émergentes a considérablement augmenté et plusieurs produits prototypes RRAM ont été développés démontrant le potentiel pour les applications de mémoire embarquée haute vitesse et basse consommation. La RRAM est l'une des technologies de mémoire les plus prometteuses en raison des avantages de structure simple, compatibilité avec la technologie CMOS existante, bonne vitesse de commutation et capacité à réduire l'échelle aux dimensions les plus petites. En fait, actuellement la technologie de mémoire Flash fait face à des difficultés pour réduire aux dimensions inférieures et comme tel, la RRAM émerge comme un remplacement potentiel, surtout pour les applications de mémoire à opération rapide et densité de stockage moyenne.

L'un des aspects les plus critiques qui doit être étudié en profondeur est celui de la fiabilité de la RRAM. Un mécanisme doit être développé pour assurer la détection de la défaillance d'opération du dispositif. Aussi la conception de circuits, par exemple une conception de groupe d'éléments de test (TEG) pour la détection robuste de signal, est l'un des défis critiques pour l'émergence des dispositifs RRAM. Pour atteindre une opération de mémoire haute densité dans la RRAM, l'opération 1D1R est essentielle. Cela peut être réalisé en opérant le dispositif RRAM en mode unipolaire. Cependant, dans l'opération unipolaire, un courant plus élevé est nécessaire pour le processus de reset comparé à celui de l'opération bipolaire. Cela est dû au fait que l'effet thermique joue un rôle significatif dans le processus de reset unipolaire. Ainsi, pour réaliser un réseau RRAM 1D1R haute densité, les effets thermiques à l'intérieur et à l'extérieur d'un élément de mémoire doivent être considérés. Notez également qu'à ce jour, dans un seul dispositif RRAM, aucune technologie n'a simultanément rapporté une commutation rapide, une faible puissance et une opération stable. Bien que l'endurance de la RRAM ait été rapportée aussi élevée que 10¹² [59], elle n'est toujours pas suffisante pour pouvoir remplacer la DRAM. La RRAM possède une vitesse de commutation assez rapide pour le remplacement de la DRAM et les matériaux utilisés dans la fabrication pour la RRAM sont très similaires à ceux de la DRAM, il devient un défi critique d'améliorer les caractéristiques d'endurance de la RRAM. Pour améliorer les caractéristiques d'endurance, il est nécessaire de contrôler le mouvement de l'oxygène entre l'électrode et la couche d'oxyde à l'interface. Il est suggéré d'insérer une seconde couche métallique à l'interface qui peut être facilement oxydée et agit comme un réservoir d'oxygène pour empêcher l'oxygène de pénétrer dans l'électrode pendant la commutation de résistance. Le défi le plus critique entravant le développement de la RRAM à ce jour est la compréhension appropriée du mécanisme de commutation du dispositif qui est débattu depuis longtemps par les chercheurs à travers le monde. Le mécanisme de commutation incohérent de divers dispositifs RRAM rapportés est cru être dû à la variation dans le processus de fabrication, et ainsi, une analyse plus rigoureuse est nécessaire à l'avenir pour obtenir une meilleure compréhension du mécanisme de commutation des dispositifs RRAM. Les problèmes susmentionnés doivent être gérés efficacement avant d'implémenter la RRAM dans les futures applications de mémoire. Bien que la RRAM soit très attractive pour l'utilisation dans les calculs neuromorphiques, le plus grand défi pour industrialiser la RRAM réside dans sa capacité à résoudre les problèmes de variabilité, non seulement aux conditions de fonctionnement nominales mais aussi à hautes températures avant qu'ils puissent être utilisés dans une grande variété d'applications.

Conclusion

Cet article de revue fournit une brève introduction à l'avancement de l'architecture de mémoire, les tendances actuelles et les limitations tout en fournissant un aperçu précieux dans le domaine des technologies de mémoire émergentes. Une discussion détaillée, soulignant l'importance de la RRAM, sa structure, son mécanisme de fonctionnement et sa classification, a été présentée. Les paramètres de performance clés et leur effet sur l'opération RRAM ont également été détaillés dans le manuscrit actuel. Une étude élaborée sur la capacité MLC de la RRAM, ainsi que la méthodologie, a été présentée. Le manuscrit discute également les caractéristiques importantes des modèles RRAM largement acceptés. L'implémentation de la RRAM pour diverses applications importantes telles que la logique non volatile, l'informatique neuromorphique, la sécurité et la SRAM non volatile a été mise en évidence. Bien que des succès significatifs aient été atteints dans la technologie RRAM ; cependant, plus de travail est nécessaire car la RRAM souffre encore de divers défis en termes de courant de fonctionnement élevé, de rapports de résistance plus faibles et de problèmes de fiabilité. Plus d'efforts dans la recherche devraient viser à développer des méthodes pour atteindre une programmation/effacement plus rapide, une consommation d'énergie plus faible, l'amélioration de la densité de stockage en implémentant la capacité de stockage multiniveau et l'amélioration du processus de fabrication pour une uniformité améliorée. En outre, un focus renouvelé devrait être porté sur l'utilisation de la RRAM dans les applications de mémoire embarquée et de logique non volatile car les percées dans ces domaines sont beaucoup plus excitantes et significatives. Avec un travail continu et des améliorations, il est impératif que les dispositifs RRAM seront une technologie remarquable pour les futures applications de mémoire non volatile.

Disponibilité des données et matériaux

Non applicable.

Abréviations

RRAM:

Mémoire à accès aléatoire résistive

MLC:

Cellule multiniveau

RTN:

Bruit télégraphique aléatoire

DRAM:

Mémoire à accès aléatoire dynamique

SRAM:

Mémoire à accès aléatoire statique

PCM:

Mémoire à changement de phase

STT-MRAM:

Mémoire à accès aléatoire magnétorésistive à transfert de spin

LRS:

État de faible résistance

HRS:

État de haute résistance

MTJ:

Jonction tunnel magnétique

MIM:

Métal-isolant-métal

MoM:

Métal-oxyde-métal

PLD:

Dépôt laser pulsé

ALD:

Dépôt par couches atomiques

V _set :

Tension de set

V _reset :

Tension de reset

V _f :

Tension de formation

I _CC :

Courant de conformité

CBRRAM:

Mémoire à accès aléatoire résistive à pont conducteur

OxRRAM:

Mémoire à accès aléatoire résistive à lacunes d'oxygène

ECM:

Mémoire de métallisation électrochimique

VCM:

Mémoire à changement de valence

CF:

Filament conducteur

BE:

Électrode inférieure

TEM:

Microscopie électronique à transmission

I-V:

Courant-tension

1T-1R:

1-Transistor 1-RRAM

ANN:

Réseau neuronal artificiel

STDP:

Plasticité dépendante du temps de pointe

SRDP:

Plasticité dépendante du taux de pointe

PUF:

Fonction physique non clonable

CRP:

Paire défi-réponse

nvSRAM:

SRAM non volatile

TCAM:

Mémoire adressable par contenu ternaire

TEG:

Groupe d'éléments de test