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抵抗性ランダムアクセスメモリ( ReRAMまたはRRAM ) は、メモリスタとも呼ばれる誘電体固体材料の抵抗を変化させることで動作する、不揮発性(NV)ランダムアクセス(RAM) コンピュータメモリの一種です。他の NVRAM テクノロジと比較した ReRAM の大きな利点の 1 つは、10 nm 未満に縮小できることです。
ReRAM は、誘電材料の特性を変えるという点で、導電性ブリッジ RAM (CBRAM) や相変化メモリ(PCM) と類似点があります。CBRAM では、電解質材料に容易に溶解するイオンを 1 つの電極から供給し、PCM では、アモルファスから結晶、または結晶からアモルファスへの相変化を起こすのに十分なジュール熱を生成します。対照的に、ReRAM では、薄い酸化物層に酸素空孔 (酸素が除去された酸化物結合位置) と呼ばれる欠陥を生成します。この欠陥は、その後、電界下で帯電してドリフトします。酸化物内の酸素イオンと空孔の動きは、半導体内の電子と正孔の動きに似ています。
ReRAMは当初、フラッシュメモリの代替技術として注目されていましたが、コストと性能面でのReRAMの利点は、企業が代替を進めるには不十分でした。明らかに、ReRAMには幅広い材料を使用できます。しかし、一般的な高κゲート誘電体HfO 2が低電圧ReRAMとして使用できるという発見[1]により、研究者はさらなる可能性を調査するようになりました。
RRAMは、日本の電子部品メーカーであるシャープ株式会社の登録商標であり、欧州連合加盟国を含む一部の国で登録されている。[2]
NeuRRAMと呼ばれるエネルギー効率の高いチップは、古い設計上の欠陥を修正し、大規模なAIアルゴリズムをより小型のデバイスで実行し、少なくとも数百万ビットのニューラル状態しか必要としないアプリケーションでは、デジタルコンピュータと同じ精度を達成します。NeuRRAMはアナログ技術であるため、他のアナログ半導体を悩ませているのと同じアナログノイズの問題を抱えています。これはハンディキャップですが、多くのニューラルプロセッサは、有用な作業を行うためにビットパーフェクトな状態ストレージを必要としません。[3]
歴史
2000年代初頭、ReRAMは多くの企業によって開発されており、そのうちのいくつかはこの技術のさまざまな実装を主張する特許出願を提出しました。[4] [5] [6] ReRAMは、当初は限られたKB容量規模で商業化に入りました。[要出典]
2012年2月、ラムバスはUnity SemiconductorというReRAM企業を3,500万ドルで買収した。[7] パナソニックは2012年5月にタンタル酸化物1T1R（1トランジスタ-1抵抗）メモリセルアーキテクチャに基づくReRAM評価キットを発売した。[8]
2013年、クロスバーは1TBのデータを格納できる切手サイズのチップとしてReRAMプロトタイプを発表しました。2013年8月、同社はReRAMチップの大規模生産が2015年に予定されていると主張しました。[9]メモリ構造（Ag / a-Si / Si）は銀ベースのCBRAMによく似ています。
また、2013年にヒューレット・パッカードはメモリスタベースのReRAMウェハを実証し、この技術をベースにした100TBのSSDが2018年に発売され、1.5PBの容量のSSDが2020年に発売されると予測しました。これはNANDフラッシュの容量成長が止まる時期とちょうど同じでした。[10]
ペロブスカイトから遷移金属酸化物、カルコゲニドに至るまで、さまざまな誘電体材料をベースにしたさまざまな形態のReRAMが公開されています。二酸化ケイ素は1966年5月にはすでに抵抗スイッチングを示すことが示されており、[11]最近再検討されています。[12] [13]
1963年と1964年に、薄膜抵抗メモリアレイがネブラスカ大学リンカーン校のメンバーによって初めて提案されました。[14] [15]この新しい薄膜抵抗メモリに関するさらなる研究は、1967年にJGシモンズによって報告されました。[16] [17] 1970年に、原子力研究所とリーズ大学のメンバーは、そのメカニズムを理論的に説明しようとしました。[18] : 1180 1997年5月、フロリダ大学とハネウェルの研究チームは、電子サイクロトロン共鳴プラズマエッチングを利用した「磁気抵抗ランダムアクセスメモリ」の製造方法を報告しました。[19]
レオン・チュアは、ReRAMを含むすべての2端子不揮発性メモリデバイスはメモリスタとみなされるべきだと主張した。[20] HPラボのスタン・ウィリアムズも、ReRAMはメモリスタであると主張した。[21]しかし、この用語に異議を唱える者もおり、物理的に実現可能なデバイスへのメモリスタ理論の適用性は疑問視されている。[22] [23] [24]酸化還元ベースの抵抗スイッチング素子（ReRAM）が現在のメモリスタ理論の対象となっているかどうかは議論の余地がある。[25]
シリコン酸化物は、抵抗スイッチングの興味深い例である。[26]固有のスイッチングには、2つの異なるモードが報告されている。表面ベースでは、導電性シリコンフィラメントが露出エッジ（内部（細孔内）または外部（メサ構造の表面））に生成される。バルクスイッチングでは、酸素空孔フィラメントが酸化物のバルク内に生成される。前者のモードでは、空気中でフィラメントが酸化されるため、スイッチングを可能にするために気密封止が必要となる。後者では封止は不要である。2014年にライス大学の研究者らは、外部エッジ構造のない多孔質シリコン酸化物誘電体を使用したシリコンフィラメントベースのデバイスを発表した。フィラメントは細孔内の内部エッジに形成された。デバイスは室温で製造でき、形成電圧は2V未満、オンオフ比は高く、消費電力は低く、セルあたり9ビットの容量、スイッチング速度は速く、耐久性は良好である。空気中で動作しないという問題は、デバイスの気密封止によって克服できる。[27] 2012年からUCL（ロンドン大学ユニバーシティ・カレッジ）の研究者らが開発したシリコン酸化物のバルクスイッチング[13]は、低い電気形成電圧（2.5V）、約1Vのスイッチング電圧、ナノ秒単位のスイッチング時間、およびデバイス故障なしで10,000,000サイクル以上（すべて常温）を実現します。[28]
形にする
基本的な考え方は、通常は絶縁体である誘電体に、十分に高い電圧を印加すると伝導経路を形成できるというものである。[29]伝導経路は、空孔や金属欠陥の移動など、さまざまなメカニズムから発生する可能性がある。伝導経路が形成されると、別の低電圧によってリセット（破壊され、高抵抗になる）またはセット（再形成され、低抵抗になる）される可能性がある。単一のフィラメントではなく、多くの電流経路が関与している可能性がある。[30]誘電体内のこれらの電流経路の存在は、導電性原子間力顕微鏡によってその場で実証できる。[29] [31] [32] [33]
低抵抗経路は局所的（フィラメント状）または均質的のいずれかになります。両方の効果は、電極間の全距離にわたって発生する場合もあれば、電極の1つの近くでのみ発生する場合もあります。フィラメント状および均質伝導経路のスイッチング効果は、低抵抗状態の面積依存性を測定することで区別できます。[34]
特定の条件下では、形成操作を省略できる。[35]これらの条件下では、絶縁酸化物層と比較して、初期電流がすでにかなり高いことが予想される。ReRAMセルは、設計された光拡散またはアニールプロセスによってすでにCuイオンが誘電体内に存在している場合、高電圧形成を必要としない。このようなセルは、初期状態に容易に戻ることもできる。[36]誘電体内に最初からこのようなCuが存在しない場合、電解質に直接印加される電圧は、形成される可能性が高い。[37]
操作スタイル
ランダムアクセス型メモリの場合、トランジスタが選択されたセルへの電流を、選択されていないセルから分離するため、1T1R（1つのトランジスタ、1つの抵抗）アーキテクチャが好まれます。一方、クロスポイントアーキテクチャはよりコンパクトで、メモリ層を垂直に積み重ねることができるため、大容量ストレージデバイスに最適です。ただし、トランジスタがない場合、メモリ要素と直列に接続されたダイオードなどの「セレクタ」デバイス、またはメモリ要素自体によって分離を提供する必要があります。セレクタのオン/オフ比が十分でない場合、このような分離機能はトランジスタの使用よりも劣り、このアーキテクチャで非常に大きなアレイを操作する能力が制限されます。薄膜ベースのしきい値スイッチは、バイポーラおよびユニポーラReRAMのセレクタとして機能します。しきい値スイッチベースのセレクタは、64 Mbアレイで実証されました。[38]クロスポイントアーキテクチャでは、バイポーラReRAM用のパンチスルーダイオード[39]またはユニポーラReRAM用のPINダイオードなどのBEOL互換の2端子セレクタが必要です。[40]
極性は、バイナリまたはユニアリーのいずれかになります。バイポーラ効果により、低抵抗から高抵抗への切り替え (リセット操作) と高抵抗から低抵抗への切り替え (セット操作) では極性が反転します。ユニポーラ スイッチングでは極性は影響を受けませんが、異なる電圧を使用します。
抵抗メモリセルの材料システム
無機および有機材料系の多くは、熱またはイオン抵抗スイッチング効果を示す。これらは以下のカテゴリーに分類できる。[34]
- Geなどの相変化カルコゲニド
2SB
2テ
5またはAgInSbTe - NiO、Ta 2 O 5、TiOなどの二元遷移金属酸化物
2 - Sr(Zr) TiOなどのペロブスカイト
3[41]またはPCMO - GeS、GeSe、 SiOなどの固体電解質
xまたはCu
2S - CuTCNQなどの有機電荷移動錯体
- Al AIDCNなどの有機ドナー-アクセプターシステム
- 六方晶窒化ホウ素のような二次元（層状）絶縁材料[42] [43]
ペロブスカイトベースのRRAM
BaTiO3、SrRuO3、SrZrO3、SrTiO3などのABO3型無機ペロブスカイト材料は、その顕著な抵抗スイッチング効果と、強誘電体、誘電体、半導体の物理的特性などのさまざまな機能により、メモリスタの記憶媒体として幅広い研究の関心を集めています。[44]しかし、製造プロセスの脆弱さと高コストにより、これらのABO3型無機ペロブスカイト材料のメモリスタへの幅広い応用が制限されています。最近、ABX3型鉛トリハライドペロブスカイトは、太陽光発電、光検出器、発光ダイオード（LED）などの光電子デバイスでの使用について幅広い研究の関心を集めています。[45]これらの構造において、Aは一価の有機または無機（MA:CH3NH3+、FA:CH(NH2)2+、Cs+、Rb+）、Bは二価の金属カチオン（Pb2+、Sn2+）、Xはハロゲン化物アニオン（Cl、Br、I）である。Aカチオンは立方単位の8つの角に位置し、Bカチオンは八面体クラスター[BX6]4の中心に位置し、3Dペロブスカイト構造を形成する。異なるAサイトカチオンに応じて、これらの構造は有機無機ハイブリッドペロブスカイトと全無機ペロブスカイトに分類できる。[46]さらに、このタイプのペロブスカイトは、低コストで溶液処理可能な方法によって容易に得ることができる。[16]しかしながら、有機カチオンが含まれているため、メチルアンモニウム（MA）およびホルムアミジニウム（FA）三ハロゲン化鉛ペロブスカイトの固有の熱不安定性が、ハイブリッドペロブスカイトベースの電子デバイスの開発におけるボトルネックであることが一般的に分かっています。[47]したがって、この問題を解決するには、有機カチオンをセシウム（Cs）カチオンなどの他のイオンに置き換える必要があります。興味深いことに、セシウム/セシウムハイブリッド化太陽電池に関するいくつかの報告があり、全無機ペロブスカイトベースの電子デバイスの安定性向上に関する多くの新しい手がかりを与えてくれます。ますます多くの出版物が、無機Csカチオンベースの全無機ペロブスカイトは100℃以上で構造的にも熱的にも安定している可能性があるのに対し、ハイブリッドペロブスカイトは85℃以上で熱分解してヨウ化鉛になることを実証しています。[48]したがって、全無機ペロブスカイトは、低コストのプロセスを使用して、安定した高効率の抵抗スイッチングメモリデバイスを製造するための優れた候補となる可能性があることが示唆されている。CsPbX3ペロブスカイトは通常、溶液法で製造されるため、結晶中に空孔、格子間原子、反サイトなどの点欠陥が存在する可能性がある。これらの欠陥は、欠陥ドリフトが支配的な抵抗スイッチングメモリにとって不可欠である。したがって、これらのCsPbX3ペロブスカイトは、メモリデバイスへの応用に大きな可能性を秘めている。[49]ハロゲン化物ペロブスカイトベースのRRAMにおける抵抗スイッチングは、ハロゲン化物原子が空孔を移動することによって起こるという事実を考えると、RRAM内の空孔の移動特性は、RRAMの主要な特徴を決定する最も重要な材料特性の1つです。しかし、その重要性にもかかわらず、RRAMにおけるハロゲン化物空孔の活性化エネルギーはまったく真剣に研究されていません。明らかに、ハロゲン化物ペロブスカイトベースのRRAMで予想されるハロゲン化物空孔の小さな活性化障壁は、このRRAMが低電圧で動作し、したがって低消費電力モードで動作することを可能にする上で中心的な役割を果たしています。[50]
デモ
2007年のIEDMカンファレンスの論文では、ReRAMはプログラミング性能、保持力、耐久性を犠牲にすることなく、PRAMやMRAMよりもプログラミング電流が低いことが初めて示唆されました。 [51]よく引用されるReRAMシステムのいくつかについては、以下でさらに説明します。
GbスケールReRAM
32Gb 24nm ReRAMは、2013年にサンディスクによって公開されましたが、非トランジスタアクセスデバイスと金属酸化物RRAMの構成以外の詳細は明らかにされていませんでした。[52]
16Gb 27nm ReRAM（実際はCBRAM）は、2014年にMicronとSonyによって発表されました。1ビットの1T1R構造の代わりに、2つのビットが2つのトランジスタと下部電極に分割され、上部部分（電解質、銅リザーバー、上部電極）が共有されました。[53]
二酸化フッ化水素2ベースのReRAM
IEDM 2008では、 ITRIがHfO 2とTiバッファ層を使用して、スイッチング時間10ns未満、電流30μA未満の高性能ReRAM技術を初めて実証しました。IEDM 2010では、ITRIは再び速度記録を更新し、スイッチング時間0.3ns未満を示しました。また、プロセスと動作の改善により、最大100%の歩留まりと最大100億サイクルの耐久性を実現しました。[54] IMECは、2012年のVLSI技術と回路に関するシンポジウムで、動作電流500nAのソリューションを含むReRAMプログラムの最新情報を発表しました。[55]
ITRIは2008年に初めて公開されて以来、Ti/HfO 2システムに焦点を当ててきました。ITRIの特許8362454はその後TSMCに売却されました。[56]以前のライセンシーの数は不明です。一方、IMECは主にHf/HfO 2に焦点を当てていました。[57] Winbondは最近、HfO 2ベースのReRAMの開発と商業化に向けた取り組みを行っていました。[58]
中国のグループは、これまでで最大の1T1R RRAM、130nmプロセスによる64Mbチップを発表しました。[59] 1000万サイクルが達成され、75℃で10年間の外挿保持も達成されました 。
パナソニック
パナソニックはIEDM 2008でTaO xベースのReRAMを発表しました。 [60]重要な要件は、TaO x層とインターフェースするためにPtやIrなどの高仕事関数金属が必要であることでした。O含有量の変化は、抵抗の変化とショットキーバリアの変化をもたらします。最近では、Ta 2 O 5 /TaO x層が実装されましたが、それでもTa 2 O 5とインターフェースするために高仕事関数金属が必要です。[61]このシステムは、高耐久性の実証（兆サイクル）に関連付けられていますが、[62]製品は100Kサイクルで仕様化されています。[63]フィラメント直径は最大で約100 nmであることが観察されています。[64]パナソニックは富士通と共同で4Mbの部品をリリースし、[65] UMCと共同で40 nmの組み込みメモリを開発しています。[66]
HPメモリスタ
2008年4月30日、HPは、1971年にチュアが欠落している4番目の基本回路素子として構想していたメモリスタを発見したと発表した。7月8日、同社はメモリスタを使用してReRAMの試作を開始すると発表した。[67] HPは最初にTiO x を使用したメモリスタを実証したが、[68]その後、安定性が向上したためと思われるTaO x に移行した。[ 69 ] TaO xベースのデバイスは、パナソニックのReRAMと材料的に類似しているが、動作特性は異なる。Hf/HfOxシステムも同様に研究された。[71]
アデストテクノロジーズ
Adesto Technologies CBRAMは、酸素空孔ではなく電極金属から生成されるフィラメントに基づいています。元の材料システムはAg/GeS 2 [72]でしたが、最終的にはZrTe/Al 2 O 3に移行しました。[73]テルルフィラメントは銀に比べて優れた安定性を実現しました。Adestoは、モノのインターネット（IoT）アプリケーション向けの超低電力メモリをターゲットにしています。Adestoは、Altisファウンドリで製造された製品をリリースし、 [74] TowerJazz / Panasonicと45 nmファウンドリ契約を締結しました。[74]
ウィービットナノ
Weebit Nanoは、ReRAM技術のさらなる発展のため、欧州最大のナノテクノロジー研究機関の1つであるCEA-Letiと協力してきました。2017年11月から、同社は40nmのSiOx ReRAMセルの製造可能性を実証し、 [75] 2018年には実用的なアレイの実証を行い、 [76] 2020年にはディスクリートコンポーネントの実証を行いました。 [77] 2021年7月、同社は初の組み込みReRAMモジュールをテープアウトしました。[78] 2021年9月、WeebitはLetiと共同で、300mmウェーハ上で28nmのFDSOIプロセスを使用して、1MbのReRAMアレイを製造、テスト、特性評価しました。[79]
クロスバー
クロスバーは、ダイオード+ReRAMを実現するために、アモルファスSiにAgフィラメントと閾値スイッチングシステムを実装しています。[80] [81]彼らのシステムには、1T1Rまたは1TNRアーキテクチャのトランジスタの使用が含まれています。クロスバーは2017年にSMICで40nmプロセスのサンプル生産を開始しました。 [82] Agフィラメントの直径は数十ナノメートルのスケールで視覚化されています。[83]
本質的な
英国に拠点を置く同社は、一般的な酸化ケイ素を使用したセルの製造を計画している。[84] [85]
プログラム可能なメタライゼーションセル
インフィニオンテクノロジーズはこれを導電性ブリッジRAM(CBRAM)と呼び、NECは「ナノブリッジ」と呼ばれる変種を持ち、ソニーは自社のバージョンを「電解メモリ」と呼んでいる。新たな研究によると、CBRAMは3Dプリント可能であることが示唆されている。[86] [87]
量子ドット抵抗メモリデバイス
スイッチング速度10ns、オン/オフ比10000の量子ドットベースの不揮発性抵抗メモリデバイス。このデバイスは100000回のスイッチングサイクルで優れた耐久性を示した。保持テストでは良好な安定性が示され、デバイスは再現性がある。メモリの動作メカニズムは、AlOxをバリアとして量子ドットに電荷を閉じ込めることに基づいて提案されている。このメカニズムは、オン状態とオフ状態の静電容量値の顕著な変化によってサポートされています。 [88]
ReRam テストボード
- パナソニック AM13L-STK2 : 評価用 ReRAM 内蔵 MN101LR05D 8 ビット MCU、USB 2.0コネクタ
将来の応用
PRAMと比較すると、ReRAMはより高速なタイムスケールで動作します（スイッチング時間は10ns未満）が、MRAMと比較すると、よりシンプルで小さなセル構造（8F²未満のMIMスタック）を備えています。クロスバーメモリ構造に垂直1D1R（1つのダイオード、1つの抵抗スイッチングデバイス）統合を使用すると、ユニットセルサイズを4F²（Fはフィーチャ寸法）に縮小できます。[89]フラッシュメモリやレーストラックメモリと比較すると、低い電圧で十分なので、低電力アプリケーションで使用できます。
ITRIはReRAMが30nm以下で拡張可能であることを示した。[90]酸素原子の動きは酸化物ベースのReRAMにとって重要な現象である。[91]ある研究では、酸素の動きが2nmほどの小さな領域で起こる可能性があることが示唆されている。[92]フィラメントが原因である場合、セルサイズと直接スケーリングすることはないと考えられている。[93]代わりに、電流コンプライアンス制限（たとえば外部抵抗器によって設定される）がフィラメントの電流容量を定義する可能性がある。[94]
ReRAMの可能性を実現する上での大きなハードルは、より大きなパッシブアレイで発生するスニークパス問題です。2010年に、スニークパス電流干渉の解決策として相補抵抗スイッチング（CRS）が導入されました。[95] CRSアプローチでは、情報を格納する状態は高抵抗状態と低抵抗状態（HRS/LRSとLRS/HRS）のペアであるため、全体の抵抗は常に高く、より大きなパッシブクロスバーアレイが可能になります。
初期のCRSソリューションの欠点は、従来の電流測定に基づく破壊的な読み出しによって生じるスイッチング耐久性の要件です。容量測定に基づく非破壊読み出しの新しいアプローチは、材料の耐久性と消費電力の両方の要件を下げる可能性があります。[96]スニークパスの問題を回避するために、LRSで非線形性を生成するために2層構造が使用されます。[97] LRSで強力な非線形伝導を示す単層デバイスが報告されました。[98] HRSと安定性を改善するために、バイポーラReRAMに別の2層構造が導入されました。[99]
スニークカレントの問題に対する別の解決策は、選択されたセルにセットを使用しながら、セルの行全体にわたって読み取りとリセットの操作を並行して実行することです。 [100]この場合、選択トランジスタの上にN個のReRAMセルの列が配置された3D-ReRAM 1TNRアレイの場合、垂直レベル数Nが制限されているため（たとえば、N = 8〜32）、HRSの固有の非線形性のみが十分に大きくなければならず、これは低電流ReRAMシステムでは可能であることが示されています。[101]
ReRAMやMRAM、PCMなどの他の不揮発性ランダムアクセスメモリを使用して設計された2Dおよび3Dキャッシュのモデリングは、 DESTINY [102]ツールを使用して行うことができます。
人工知能アプリケーションにおける提案された役割
人工知能の多くの改善に必要な計算需要の増加により、 ReRAMの実装は人工知能や機械学習アプリケーションを実行するための非常に有用なハードウェアになる可能性があると多くの人が推測しています。[103]
スタンフォード大学工学部の研究者らは、「AI処理をメモリ内で実行し、コンピューティングユニットとメモリユニットの分離を排除する」RRAMを開発しました。これは最先端の2倍のエネルギー効率を誇ります。[104]
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