小型，晶圆友好的ReRAM选择器- EEJournal - 亚博首页官网手机登录,亚博yabovip2019进入

我们仍在寻找新的存储器——尤其是非易失性存储器，至少在某种程度上可以与DRAM和SRAM竞争，或者作为长期存储器。电阻性记忆(RRAM或者ReRAM)在过去的几年里作为一种潜在的解决方案(如果不是唯一的解决方案的话)得到了相当多的发挥，特别是针对后者。

尝试在交叉点配置中使用这样的内存是特别有吸引力的。例如，与复杂得多的flash解决方案相比，这使得它们更简单、更小。但是，像往常一样，这里有一个问题:所谓的“潜行路径”:电流可以流过的地方，而不是主要的预定路径。

偷偷摸摸

让我们首先回顾一下电阻性记忆是如何工作的。事实上，我们稍后会看到一些讽刺。电阻式存储器的工作原理是找到一种方法，取一些材料，并可控地使其具有高电阻或低电阻。然后测量通过电阻器的电流以确定存储单元的状态。

有几种不同的具体技术，但总的来说，其思想是通过对准离子或其他导电材料，使它们在绝缘体或高阻导体两侧的两个电极之间形成灯丝，从而在一种状态下产生电流路径。使用灯丝，你现在有一个更好的传导路径，所以电阻下降。当然，这必须是可逆的，这样灯丝也可以拆卸。

下面显示的是一个典型的交叉点场景:行和列，由存储单元连接。这个矩形只是这些ReRAM单元格中的一个。同时也展示了你如何访问一个单元格，在这个例子中，就是右上方的单元格。为此，通过施加满电压V来选择行，通过施加0 V来选择列，然后得到读取电流(绿色箭头)。

通过在未选中的行和列上放置V/2来取消大多数其他单元格的选择。这意味着，通过连接那些被取消选择的行和列的存储单元，你得到零电流，因为电阻的两端都是V/2伏。

但还有一个问题。我们已经说明了连接所选行和列的单元格——这是所选单元格(下面粗体线条)。我们已经解释了连接未选择的行和列的单元格(下面浅灰色)。但是连接已选行和未选列的单元格呢?或者取消选择的行与选定的列?下面有细黑线。

这些单元在电阻上有V/2，要么在V和V/2之间(选定行)，要么在V/2和0之间(选定列)。因此会有电流通过这些单元格(红色箭头)-尽管是所选单元格电流的一半(假设是线性电阻)。这些细胞形成了潜行路径。通过它们的电流与访问所选单元格无关。

实际上，情况比这更糟。所有这些潜流提高了存储器的整体能量消耗。但是，另外，签出所选列。它将有来自选定单元格的电流，也有来自取消选定的行。理论上，两个非选择行将使读取电流加倍——来自所选单元的完整读取电流和来自两个非选择行的半电流的两倍。(同样，假设是线性电阻。)由于有大量的取消选择的行，来自选定单元格的电流会被淹没。

我不想对电流的大小进行过多的描述，但重点是，额外的电流使读取选定单元格的工作变得更加困难。如果有一种方法可以隔离或选择一个特定的电池，使它提供电流，而其他电池不提供电流，那就更好了。这个额外的元素称为选择器。

选择选择器

怎么做呢?SK-Hynix的一个团队在去年12月的IEDM会议上发表了一篇论文，讨论了这个话题。理论上，你可以把一个晶体管与电阻元件串联起来，只对选定的单元打开晶体管。如果没有晶体管，行电压和列电压既提供电流又提供选择。有了晶体管，晶体管进行选择，而行电压和列电压仍然提供感应电流或写入电流。

但这是一个昂贵的解决方案。你有那么多晶体管，除了选择行和列的解码之外，你还需要单独的解码来打开它们。大量的扩散，大量的导线。不是很好。这就是寻找选择器的挑战所在。它必须具有成本效益。

研究小组考虑了所谓的Ovonic阈值开关．它们利用相变来允许或禁止电流——就像CD一样。但他们说这种技术在温度下不稳定，而且开关阈值随着年龄的变化而变化。(在我看来，写作也会很慢，但我不确定。)

然后他们研究所谓的可编程金属化电池．它们是由夹在两个电极之间的固体电解质构成的。这些电极提供的材料可以在电解液中可逆地形成灯丝。听起来是不是很熟悉?是的，它确实感觉很像ReRAM单元本身。前面提到的讽刺。

在这项工作中，他们使用了介电——二氧化硅(听说过吗?)——而不是电解质。这意味着我们讨论的不是灯丝;我们一会儿再回到这个问题。

对于金属，他们尝试了铜和银，这些金属在原则上都很好，但有两个关键问题。首先，他们的门槛太低(我们将回到为什么这很重要)。其次，这些金属并不是晶圆厂经理们疯狂追捧的金属。污染的可能性太大。所以，他们改用了砷。

这一工作的关键——以及为什么Cu和Ag有阈值问题——是你希望这个开关只对一个完全选定的细胞打开。换句话说，它需要有大于V/2的东西穿过它才能导电。换句话说，阈值必须大于V/2。这样，对于部分选择的电池，开关保持关闭状态，抑制电流。电流只流向选定的单元，解决了潜路径问题。

这个选择器也非常小，解决了成本问题。

现在让我们回到灯丝的问题。在标准的pmc中，电极提供形成灯丝的载流子，溶解在电解质中。但是，直觉和实验都证实，As原子——以及它们形成的纳米颗粒——在介电矩阵中是不可移动的。所以它们不能聚在一起形成细丝。这说明还有其他因素在起作用。

该团队努力计算出As植入物的剂量和深度，以便原子或纳米颗粒能够均匀地分布在整个电介质中。他们不希望大量的粒子最终相互接触，形成无法被拉开的细丝。

如果没有灯丝，它是如何导电的?正如第一作者Soo Gil Kim通过电子邮件解释的那样，他们的想法是，散布在SiO2之间的as有效地形成了一系列带:SiO2/ as /SiO2/ as /…当施加一个场时，而不是a四处移动，这些带被扭曲了，超过阈值，它们就能传导。

要让它工作，还需要一个步骤。顶部和底部电极与电介质之间的接口本身是绝缘的。所以一个形成步骤是用来打破界面，允许传导。

《速度》呢?

性能是为该内存建立预期应用程序的特性。他们发现打开开关需要23纳秒，关闭开关需要52纳秒。这意味着如果必须首先取消先前的单元格，那么任何内存访问至少需要23 ns - 52 ns。再加上实际的解码时间、单元时间和传感时间，你得到的东西肯定无法与sram竞争。

而且情况可能会变得更糟。如果可以在选择一个单元格的同时取消选择另一个单元格，则可以将选择时间隐藏在取消选择时间之后。23 ns的选择时间将隐藏在52 ns的同时取消选择时间后面，使整个切换花费52 ns(加上所有其他延迟)。但是如果你必须在选择之前取消选择(也许在过渡中间会有类似于撬杠电流的东西，也许这将是一个问题)，那么你首先有52纳秒，然后是23纳秒，总共有75纳秒的过渡(加上所有其他延迟)。

我问了金先生这个问题，他的回答是，这种内存并不与MRAM、DRAM或SRAM竞争。它的目标是所谓的存储级内存，其性能要求较低。

至于同时选择/取消选择的问题，他说你不能同时选择一个以上的单元格，因为没有足够的写驱动电流来支持两个单元格，而且传感放大器的复杂性也使这变得困难。他说，虽然他们还没有尝试过，但在“理论上”，某种程度的重叠可能是可能的，如下图所示。