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3D堆疊RRAM實現20GB陣列

上網時間: 2015年08月17日     打印版  Bookmark and Share  字型大小:  

關鍵字:3D  記憶體  RRAM  電阻式隨機存取記憶體  石墨烯 

美國萊斯大學(Rice University)教授James Tour及其研究團隊日前結合新穎的記憶體架構、室溫處理以及高密度電阻材料堆疊,製作出一種三維(3D)堆疊的非揮發性電阻式隨機存取記憶體(RRAM),可在速度與每交錯位元(bits-per-crossbar)方面超越競爭設計。

這種RRAM的關鍵在於採用了一種具有每位元內建蕭特基(Schottky)觸點的材料堆疊,從而取代了目前大部份高效率設計所需的二極體;James Tour並宣稱這種材料支援超低漏電流(潛行電流),因而可實現高達162Gigabit (20GB)的交錯陣列。

透過上面的視訊,從萊斯大學開發基於氧化鉭的記憶體切片中,清楚地顯示了材料中的部份互連以及隨機分佈的內部孔隙。

「我們所開發的超高密度非揮發性電阻式記憶體使用了一種可在室溫下製造的3D材料,」Tour表示:「每個元件都表現出優異的無選擇器(selector-less)記憶體開關比——在3.6V時高於10。」

Tour主導的萊斯大學團隊多年來一直致力於RRAM的研究,先前的研究成果已經授權製造了。根據Tour表示,上一代的RRAM設計利用氧化矽作為主動材料,已經授權給臺拉維夫(Tel Aviv)業者Weebit Nano Ltd.。


氧化鉭的層疊結構、多層的石墨烯與鉑共同實現新型RRAM
(來源:Rice University)

「以色列的Weebit授權了我們先前的電阻式記憶體研究成果,在該記憶體中的許多原則也套用在我們最新的設計中,」Tour表示。

目前的材料堆疊中有許多都來自原始設計的進一步改善。例如雙端電阻材料夾層於金屬交錯之間,形成決定記憶體陣列的密度;相較於通過相鄰記憶體單元的漏電流(潛行電流)造成無法解決的串擾,現有的材料在記憶體的陣列密度方面受限於「導通」電阻與「關閉」電阻之間的比值——10:1。

在處理x與y交錯線之間的雙端位元單元時,Tour目前所使用的材料堆疊具有較少的「潛行電流」串擾,從而可在單一交錯中實現高達162Gbits (20GB)的記憶體。


位元單元的電子顯微鏡影像(上圖矩形區域)顯示氧化鉭的層疊結構、多層石墨烯與鉑,可克服導致其他設計中導致讀取錯誤的串擾問題。
(來源:James Tour研究團隊;Rice University)

這種材料從底部的金屬觸點(該研究採用鉑,但任何金屬均可)開始,在標準矽晶圓上的氧化矽絕緣層上進行堆疊。在金屬觸點頂部的是純鉭以及純鉭上的氧化鉭奈米多孔層。石墨烯的10個原子層(多層石墨烯或圖中的MLG)先封頂氧化鉭,接著是頂層金屬電極(圖中的鉑或任何金屬)。

該記憶體單元的切換由零開始,而非直接連接不同的交錯電極。然而,當編程電壓施加在兩垂直交錯時,導致氧向上遷移,使所有的鉭絲跨越多孔氧化鉭朝上部電極成形。當達到石墨烯阻障層時,電流較一開始更高10倍,從而在位元單元中產生“1”。

萊斯大學開發基於氧化鉭的記憶體,透過結構圖可發現部份互連與隨機分佈的內部孔隙。為了重新以零進行編程,從鉭絲敲開幾個鉭原子傳送高電壓訊號,即可消除單元。也可以稍後重新施加低編程電壓與重新連接鉭絲。

據Tour表示,這一過程十分迅速,而且可以無限期地重複,但最重要的是能夠比最接近的競爭設計消耗更低100倍的能量。該研究結果已發表於美國化學學會期刊《奈米通訊》(Nano Letters)中。

在該報告中並解釋許多有關如何控制電壓以便在歐姆與蕭特基行為之間切換、氧空如何遷移、鉭/氧化鉭以及氧化鉭/石墨烯的比較、以及帶負電荷的氧離子如何製作二極體狀的阻障以消除串擾等細節。

不過,該研究成果的商用化還面臨兩大障礙——研究人員還必須找到一種可控制奈米孔隙尺寸的方式,以及製造足夠密集的交錯結構,從而證明尋址超密集個別位元的概念。

編譯:Susan Hong

(參考原文:RRAM Breaks Records with Graphene,by R. Colin Johnson)





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