[반도체] ReRAM 알아보기 (RRAM)

What is ReRAM?

DRAM은 capacitor을 이용해서 , SRAM은 cross-coupled inverters의 노드 charge를 이용해서, FLASH는 transistor의 floating gate를 이용해서 information을 저장합니다. (이전 포스팅들 참고)

이런 charge-based 저장소들은 스케일이 '<10nm'로 가면서 여러가지 한계점에 부딪히게 됩니다. Nanoscale에서의 data 손실은 performance, reliability 그리고 noise margin에서 degradation(성능 감소)을 가져옵니다. DRAM에서 refresh를 위한 전력소비, DRAM/SRAM의 leakage current를 생각해보면 미래의 메모리 디자인에 많은 한계를 가져옵니다.

 

이런 현실속에서 여러가지 메모리 기술들을 개발하게 되었는데,

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원하는 목표는

1. SRAM의 switching speed
2. DRAM의 storage density
3. FLASH의 non-volatility

더 세부적으로 원하는 특성들을 나열해보면 아래와 같습니다.

1. low operating power (< 1V)
2. long cycling endurance (> 10^7 cycles)
3. enhanced retention time (> 10 years) **data 보유 기간
4. low energy consumption
5. superior scalability (< 10nm)

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이런 aim들을 만족하기 위해서 크게 3가지 기술들이 부상하게 되었는데

• Phase Change Memory(PCM)
• Spin-Transfer Torque Magnetoresistive RAM(SST-MRAM)
• Resistive RAM(RRAM)

오늘의 포스팅은 ReRAM 관련에 대해서 이므로 다른 친구들은 다음 기회에 다루겠습니다. (논문에서도 간단히 소개되어있음)(그림은 간단하게 비교)

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RRAM은 Metal(M) 2개 사이에 Insulator(I)가 샌드위치처럼 끼어있는 모양으로 구성되어 있습니다. 여기서 사용되는 insulator들은 E field를 가했을때 저항에 변화가 생기는 특성이 있는데 이를 이용해서 오늘날 non-volatile memory들이 개발되고 있습니다. 저항 변화 현상은 다양한 oxide에서 발생하는데, 그 중 binary metal oxide가 CMOS BEOL 프로세스와 호환이 되기 때문에 중점적으로 연구되고 있습니다.

*BEOL = Back End Of Line

이런 metal oxide들은 다양한 방법으로 증착(decomposition)되는데, 주로 ALD(Atomic Layer Decomposition)을 사용합니다. 그 이유로는 두께와 균일성을 정확하게 컨트롤 하는 ALD의 특성때문입니다.

 

지금까지 쓰던 electric device들은 electrode가 carrier들의 교통로로 사용로로 중요한 역할을 해왔는데, RRAM에서의 electrode는 스위칭 행동에 큰 영향을 줍니다.

 

<Resistance Switching Modes>

RRAM cell에 외부 전압을 걸어주면 HRS(High Resistance State) 또는 LRS(Low Resistance State)로 변환이 가능해진다.

HRS는 보통 OFF state를 의미하는 것으로 logic value '0'으로 볼 수 있다.

LRS는 보통 ON state를 의미하는 것으로 logic value '1'로 볼 수 있다.

 

RRAM이 초기에 HRS로 준비되어 있다면

i) HRS -> LRS 로 변환

을 위해서는 high voltage pulse를 가해서 conductive path 형성 시켜주고 RRAM이 LRS로 바뀌게 됩니다. 이런 변환은 MIM(Metal Insulator Metal) 구조에 soft breakdown으로 인해 생깁니다. 이런 과정은 'electroforming'이라고 불리고 이런 프로세스가 일어나게 하는 전압을 forming voltage(Vf)라고 합니다.

ii) LRS -> HRS 로 변환

을 하기 위해서는 RESET voltage(Vreset)이 가해집니다. 이는 'RESET' Process 라고 불립니다.

iii) HRS -> LRS 로 변환 (다시)

하기 위해서는 SET voltage(Vset)가 가해집니다. 이는 'SET' Process라고 불립니다.

 

여기서 RRAM cell의 data를 효율적으로 read하기 위해서, 아주 작은 voltage를 이용해 logic 0(HRS) or 1(LRS)을 읽습니다. 여기서 작은 voltage는 현재 cell의 상태에 영향을 주지 않을 정도록 작은 전압입니다. LRS와 HRS가 전압을 주더라도 고유의 값을 가지고 있기 때문에 RRAM은 non-volatile memory라고 할 수 있습니다.

 

applied되는 전압의 polarity(극)에 따라서 두가지 type의 스위칭으로 나뉘게 되는데,

① unipolar switching

 - Unipolar의 경우 switching(Set & Reset)이 전압의 극에 따라서 정해지는 것이 아니라 magnitude에 따라서 정해집니다. (위 그림에서와 같이)

② bipolar switching

- Bipolar의 경우 switching(Set & Reset)이 전압의 극에 따라서 정해지게 됩니다. 예를들어 [HRS -> LRS] 상황이 특정 극성에서 발생하다면, 반대되는 극성을 가했을시 HRS로 돌아가는 상황이 발생됩니다. (위 그림에서와 같이)

 

<Resistance Switching Mechanism>

RRAM cell의 switching은 dielectirc안의 CF(Conductive Filament)의 성장에 따라 정해집니다.

*여기서 CF는 굉장히 작은 반지름을 갖는(nano-scale) channel로서 memory cell의 top~bottom electorde들을 연결해주는 역할을 합니다. 

LRS(low resistance state) with high conductivity는 filament가 연결되었을 때

HRS(high resistance state) with low conductivity는 filament가 끊어져있을 때

주어집니다. (위 그림 참고)

 

<Performance>

논문의 뒤에서는 RRAM의 성능에 대한 평가가 나열되는데 주요 부분만 살펴보자면 (아래 그림)

o RRAM은 cell size에 높은 의존도를 보이고 cell size가 클수록 endurance가 좋은 것을 확인할 수 있습니다.

o수직으로 layer thickness를 줄이는 것은 endurance 성능 저하를 일으키는 것을 확인할 수 있습니다.

o 더 큰 scale로의 제조를 방해하는 가장 큰 요소는 poor uniformity 때문입니다. CF(conductive filament)의 확률론적인(stochastic nature) 형성과 파괴가 주 원인으로 파악됩니다.

확률적으로 형성/파괴가 CF에서 발생해서 oxygen vacancy defect들의 숫자에 변화가 생기는데 이는 cycle-to-cycle 가변성 측정에 영향을 줍니다. CF의 ramdom nature에 의해 CF의 모양 측정을 정확하게 제어/예측하는 것은 극단적으로 어렵습니다.

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여기까지 간단하게 논문 리뷰를 통해 ReRAM에 대해 알아보았고,

혹시 내용 오류/오탈자/수정할 부분이 있다면 댓글로 알려주시면 감사합니다.

 

 

 

o Reference : 

nanoscalereslett.springeropen.com/articles/10.1186/s11671-020-03299-9

Resistive Random Access Memory (RRAM): an Overview of Materials, Switching Mechanism, Performance, Multilevel Cell (mlc) Storage

www.researchgate.net/publication/257598328_TaOx-based_resistive_switching_memories_Prospective_and_challenges

(PDF) TaOx-based resistive switching memories: Prospective and challenges

www.iue.tuwien.ac.at/phd/makarov/dissertationch2.html

2 Resistive Change Based Memory