RRAM機(jī)制、材料及其在神經(jīng)形態(tài)計(jì)算中的應(yīng)用

近年來，RRAM 因其結(jié)構(gòu)簡單、保持時(shí)間長、運(yùn)行速度快、超低功耗運(yùn)行能力、能夠在不影響器件性能的情況下擴(kuò)展到更低的尺寸以及可進(jìn)行三維集成的可能性而日益受到重視。過去幾年的研究表明，RRAM 是后 CMOS 時(shí)代設(shè)計(jì)高效、智能和安全計(jì)算系統(tǒng)的最合適候選者之一。

半導(dǎo)體電子學(xué)領(lǐng)域在過去十年中迅速增長，對人類社會產(chǎn)生重大影響。這歸因于信息通信技術(shù)領(lǐng)域的空前增長，以及工程技術(shù)領(lǐng)域的各個(gè)領(lǐng)域?qū)Ω咝畔⑻幚硐到y(tǒng)需求的增加。信息技術(shù)系統(tǒng)的快速發(fā)展徹底改變了智能手機(jī)、微型計(jì)算機(jī)和物聯(lián)網(wǎng)（IoT）設(shè)備等產(chǎn)品，這些產(chǎn)品需要高性能計(jì)算技術(shù)。現(xiàn)代產(chǎn)品由電氣和機(jī)械組件組成，成為了將硬件、數(shù)據(jù)存儲、傳感器、軟件、微處理器和多種連接方式多種方式組合在一起的復(fù)雜系統(tǒng)。傳統(tǒng)計(jì)算系統(tǒng)利用馮·諾依曼體系結(jié)構(gòu)執(zhí)行計(jì)算任務(wù)，但由于CPU和內(nèi)存之間的差距不斷增大，物理上分離的內(nèi)存和計(jì)算單元產(chǎn)生了大量延遲和高能耗，即“馮·諾依曼瓶頸”。自20世紀(jì)60年代以來，通過縮小電子器件尺寸和降低集成電路（ICs）的制造成本來增強(qiáng)設(shè)備的計(jì)算能力。然而，馮·諾依曼體系結(jié)構(gòu)的固有缺陷限制了計(jì)算能力的提升。因此，研究人員將注意力轉(zhuǎn)向了阻性隨機(jī)存取存儲器（RRAM）等新型數(shù)據(jù)處理技術(shù)，以解決內(nèi)存不足的問題。RRAM被視為現(xiàn)有CMOS設(shè)備的有希望的替代品，具有諸多優(yōu)勢，如可擴(kuò)展性、高數(shù)據(jù)保留性、低功耗和相對較高的速度。RRAM采用電阻切換存儲器技術(shù)，可實(shí)現(xiàn)多位信息存儲，并通過控制絲形體的形成和切換來提高均勻性和穩(wěn)定性。由于其現(xiàn)代化的需求，RRAM技術(shù)正朝著全面商業(yè)化邁進(jìn)，其在未來幾年內(nèi)的發(fā)展前景廣闊。

阻變存儲器的優(yōu)點(diǎn)

RRAM的歷史發(fā)展

RRAM設(shè)備的研究最初始于20世紀(jì)60年代初，將電阻性切換歸功于Hickmott。當(dāng)時(shí)，電阻性切換現(xiàn)象在多種氧化物材料中得到報(bào)告。然而，隨后幾年對電阻性切換現(xiàn)象的研究并沒有取得突破。直到2000年，休斯頓大學(xué)的研究人員觀察到了磁電阻薄膜中的電阻性切換現(xiàn)象，重新點(diǎn)燃了對RRAM研究的熱情。2002年，Zhuang等人報(bào)道了基于Pr0.7Ca0.3MnO3的64位RRAM陣列。在2004年至2007年期間，英飛凌和三星的研究團(tuán)隊(duì)取得了顯著的研究成果，首次展示了3D RRAM陣列。在2004年，三星展示了一個(gè)基于二元過渡金屬氧化物的簡單RRAM，完全集成了0.18微米CMOS技術(shù)。2008年，惠普的Strukov等人發(fā)表了《自然》雜志上的論文，擴(kuò)展了RRAM的用途，被認(rèn)為是RRAM發(fā)展的轉(zhuǎn)折點(diǎn)。2010年，unity半導(dǎo)體成功展示了64MB的RRAM原型測試芯片。接下來的幾年里，SanDisk/東芝展示了24納米技術(shù)的32Gb RRAM存儲器設(shè)備，而Micron/索尼展示了27納米技術(shù)的16Gb RRAM原型。2016年，中國科學(xué)院微電子研究所的Qing等人報(bào)告了超低功耗的三維垂直十字形RRAM陣列。2020年，TSMC宣布在40納米和22納米節(jié)點(diǎn)上生產(chǎn)RRAM。2021年9月，Weebit Nano與美國Skywater達(dá)成協(xié)議，將RRAM技術(shù)投入量產(chǎn)。Weebit Nano生產(chǎn)的ReRAM被稱為成本效益高、在高溫范圍內(nèi)具有增強(qiáng)的耐久性和保留性、對輻射和電磁場具有容忍性，并且不會對前端模擬組件造成干擾。RRAM發(fā)展歷史上最重要的事件詳細(xì)列在圖2所示的時(shí)間軸圖中。

1962年至2021年RRAM的發(fā)展史

2022 年 2 月，《電子周刊》發(fā)表的文章提到，IMEC 與 Intrinsic Semiconductor Technologies 合作，成功擴(kuò)展了其基于氧化硅的 RRAM，并展示了理想的特性，從而為邏輯器件中非易失性存儲器的成本效益和增強(qiáng)性能鋪平了道路。用于邊緣人工智能和物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的先進(jìn)處理節(jié)點(diǎn)。最近，2022 年 8 月，斯坦福大學(xué)工程師推出了一款名為“NeuRRAM”的新型 RRAM 芯片，該芯片在內(nèi)存中具有 AI 處理能力，從而無需單獨(dú)的計(jì)算和內(nèi)存單元。這篇發(fā)表在 Nature 上的文章聲稱該芯片只有指尖大小，比當(dāng)前最先進(jìn)的芯片具有更多的處理能力和更少的電池消耗。

RRAM設(shè)計(jì)和物理機(jī)制

RRAM的器件結(jié)構(gòu)是簡單的金屬-絕緣體-金屬（MIM）結(jié)構(gòu)，類似電容器，其中的切換層夾在兩個(gè)金屬電極之間。RRAM細(xì)胞的示意圖如圖3所示。MIM結(jié)構(gòu)的電阻可以通過施加適當(dāng)?shù)碾?a target="_blank">信號而改變，并且設(shè)備會保持當(dāng)前的電阻狀態(tài)，直到施加適當(dāng)?shù)男盘栆愿淖兤潆娮?，代表了器件的非易失性質(zhì)[37, 38]。由于RRAM器件的簡單結(jié)構(gòu)，它可以輕松集成在帶有4F2（F是最小特征尺寸）的無源十字陣列中，并且可以在垂直堆疊的三維（3D）架構(gòu)內(nèi)將尺寸進(jìn)一步減小至4F2/n（n是十字陣列的堆疊層數(shù)）。

RRAM 金屬-絕緣體-金屬結(jié)構(gòu)示意圖

在RRAM中，通過在電極之間施加外部電壓脈沖來改變器件的電阻。RRAM背后的固有物理現(xiàn)象是電阻性轉(zhuǎn)換（RS），這意味著在外部電刺激下，設(shè)備可以自由地編程為高電阻狀態(tài)（HRS，或關(guān)斷狀態(tài)）或低電阻狀態(tài)（LRS，或通斷狀態(tài)）。傳統(tǒng)的存儲器件以二進(jìn)制形式存儲數(shù)據(jù)，“0”代表未存儲的數(shù)據(jù)，“1”代表已存儲的數(shù)據(jù)。RRAM設(shè)備利用氧化和還原等氧化還原反應(yīng)來進(jìn)行有效的數(shù)據(jù)存儲，在這種反應(yīng)中，氧化還原反應(yīng)在絕緣體內(nèi)形成導(dǎo)電絲（CF）在兩個(gè)金屬電極之間。由于外部電脈沖的作用，導(dǎo)電絲在RRAM的兩個(gè)金屬電極之間形成，設(shè)備被認(rèn)為處于低電阻狀態(tài)（LRS），通常稱為邏輯狀態(tài)“1”。當(dāng)導(dǎo)電絲破裂時(shí)，設(shè)備被認(rèn)為處于高電阻狀態(tài)（HRS），通常稱為邏輯狀態(tài)“0”。圖4顯示了RRAM的操作機(jī)制的示意流程圖。

RRAM 的電流-電壓圖。b包含成型階段的典型 I-V 特性

RRAM 的三維 (3D) 集成
3D計(jì)算結(jié)構(gòu)排列顯著提高了存儲器的能耗和帶寬訪問。近年來，已經(jīng)在單個(gè)器件級別對許多垂直RRAM架構(gòu)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，它們似乎是很有前途的。然而，要完全實(shí)現(xiàn)3D存儲系統(tǒng)，需要解決許多基本技術(shù)問題，其中一些包括低電阻銅互連與低介電層之間的問題，由于晶體管互連導(dǎo)致的熱預(yù)算不兼容。因此，需要評估3D RRAM系統(tǒng)在陣列級別的性能。已經(jīng)提出了幾種建模方法來研究基于寫入/讀取方案設(shè)計(jì)、幾何縮放趨勢以及器件參數(shù)等的3D RRAM結(jié)構(gòu)。

圖a顯示了3D水平RRAM陣列。3D垂直RRAM陣列被視為一組垂直排列的2D平面，通常由選擇線（SL）選擇，如圖b所示。解碼通常由SL、位線（BL）和字線（WL）完成。每個(gè)垂直電極的邊緣與一個(gè)WL相連。柱體與陣列底部的BL連接。用于操作與柱體電極串聯(lián)的垂直晶體管的SL。然而，對于特定蝕刻橫徑比（AR）的3D排列，最大高度限制可在已知特征尺寸（F）時(shí)計(jì)算；當(dāng)柱體電極的直徑（d）加上兩倍的RRAM絕緣氧化物厚度（tox）時(shí)，可以確定F；此外，F(xiàn)被視為相鄰柱體電極中心之間距離的一半。因此，每個(gè)層由一個(gè)厚度為（tm）的平面電極和一個(gè)厚度為（ti）的分離層組成。利用電阻率和這些幾何因素，可以計(jì)算平面和柱狀互連的電阻。利用位成本可擴(kuò)展（BICS）技術(shù)，將3D垂直RRAM架構(gòu)用于將存儲單元放置在平面電極和垂直柱體之間作為3D NAND閃存的替代方案。

基于RRAM的神經(jīng)形態(tài)計(jì)算的原型
傳統(tǒng)上，RRAM可以實(shí)現(xiàn)存儲和存儲器設(shè)備的目標(biāo)。在RRAM中發(fā)生模擬或突變的切換。這種類型的切換在需要準(zhǔn)確的導(dǎo)電變化的神經(jīng)形態(tài)學(xué)應(yīng)用中非常重要。為了解決與人工智能相關(guān)的問題，將RRAM與CMOS技術(shù)集成可以被證明非常有效。神經(jīng)形態(tài)計(jì)算架構(gòu)需要低功耗和高密度的結(jié)構(gòu)，每個(gè)單元至少具有5位/單元的存儲?；赗RAM的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的原型，采用Ag摻雜SiO

審核編輯 黃宇