Νανοηλεκτρονικές διατάξεις μνήμης
Authors: Μπούσουλας Παναγιώτης 
Published: September 2021

Η ολοένα και αυξανόμενη αγορά διατάξεων μνήμης λόγω της ταχύτατης διάδοσης φορητών ηλεκτρονικών συσκευών (smartphones, tablets κ.α.), έχει οδηγήσει σε ραγδαία ανάπτυξη της τεχνολογίας των μη-πτητικών μνημών, δηλαδή των μνημών που διατηρούν την αποθηκευμένη πληροφορία ακόμα και με απώλεια τροφοδοσίας ισχύος. Οι μνήμες FLASH αποτελούν μέχρι σήμερα τον κυρίαρχο εκπρόσωπο των μη-πτητικών μνημών, και έχουν καταφέρει να επιβιώσουν μέχρι τον τεχνολογικό κόμβο των 16 nm. Ωστόσο οι μνήμες FLASH φτάνουν τα φυσικά όρια σμίκρυνσής τους, λόγω κυρίως των μεγάλων ρευμάτων διαρροής που παρουσιάζουν σε μικρά πάχη οξειδίων και τα οποία καθιστούν τις καταστάσεις εγγραφής/διαγραφής μη διακρίσιμες. Επίσης, είναι επιβεβλημένο να εξερευνηθούν νέα σενάρια διατάξεων μνήμης ώστε να καλυφθεί το κενό που υπάρχει ανάμεσα στης υψηλής απόδοσης, χαμηλής πυκνότητας ολοκλήρωσης και δαπανηρές SRAM και DRAM, και στις χαμηλού κόστους, υψηλής πυκνότητας και χαμηλής απόδοσης HDD.Για αυτό το λόγο τα τελευταία χρόνια βρίσκεται σε εξέλιξη μια εντατική προσπάθεια, τόσο σε ακαδημαϊκό όσο και σε βιομηχανικό επίπεδο, ούτω ώστε να ξεπεραστούν τα θέματα σμίκρυνσης των διατάξεων μνήμης, εξετάζοντας νέα υλικά και φυσικούς μηχανισμούς, με αυξημένη ικανότητα σμίκρυνσης. Ο κύριος σκοπός είναι η δημιουργία καινοτόμων διατάξεων, οι οποίες θα συνδυάζουν την υψηλή απόδοση και ηλεκτρική αντοχή των SRAM και DRAM, μαζί με την υψηλή πυκνότητα ολοκλήρωσης και σταθερότητα των συμβατικών μνημών HDD. Αυτό το καινούργιο σενάριο μνήμης μπορεί να οριστεί ως Storage Class Memory. Εάν και φαίνεται δύσκολο ώστε να βρεθεί μια τεχνολογία που να μπορεί να ενσωματώσει όλα τα παραπάνω προαπαιτούμενα, ορισμένες καινοτόμες διατάξεις φαίνονται υποσχόμενες για μελλοντικές εφαρμογές μη-πτητικών μνημών.Επιπροσθέτως, η ανάπτυξη νέων διατάξεων μη-πτητικών μνημών δε λαμβάνει χώρα μόνο για να ικανοποιηθούν οι ακόρεστες ανάγκες της τεχνολογίας για αυξημένη χωρητικότητα, αλλά αποτελούν αντικείμενο εντατικής έρευνας στο χώρο των λογικών κυκλωμάτων και των νευρομορφικών (neuromorphic) ιδιοτήτων. Ορισμένες διεργασίες, όπως η εκμάθηση πραγματικών εικόνων, η αναγνώριση προτύπων και η λήψη αποφάσεων είναι εξαιρετικά δαπανηρές για τους συμβατικούς επεξεργαστές που στηρίζονται στη Boolean λογική, εν αντίθεση με τον ανθρώπινο εγκέφαλο, όπου οι παραπάνω διεργασίες λαμβάνουν χώρα αρκετά εύκολα. Κάτω από αυτό το πλαίσιο, οι νέες διατάξεις μνήμης θα μπορούσαν να εκτελούν σύνθετες διεργασίες χαμηλής ισχύος, μιμούμενες τις αντίστοιχες διεργασίες του εγκεφάλου, με στόχο την τεχνητή εκμάθηση και την αναγνώριση προτύπων.Μια από τις πιο υποσχόμενες τεχνολογίες για μη-πτητικές μνήμες και νευρομορφικές εφαρμογές, είναι οι μνήμες εναλλαγής αντίστασης βασισμένες σε οξείδια μετάλλων ή RRAM. Οι συγκεκριμένες διατάξεις αποτελούν ένα από τους ποιο πιθανούς υποψήφιους για τις μελλοντικές διατάξεις μνήμης, λόγω κυρίως της απλής δομής τους και της εύκολης ενσωμάτωσης τους στις CMOS διεργασίες, της χαμηλής κατανάλωσης ισχύος, των γρήγορων ταχυτήτων λειτουργίας και της υψηλής ηλεκτρικής αντοχής σε διαδοχικούς κύκλους εγγραφής/διαγραφής. Όλες αυτές οι ιδιότητες καθιστούν τις μνήμες RRAM κατάλληλες για μελλοντικές Storage Class Memory εφαρμογές. Επίσης, η εγγενής ανομοιομορφία των ηλεκτρικών τους χαρακτηριστικών, οι οποίες φαίνεται να αποτελούν μέχρι στιγμής το σημαντικότερο εμπόδιο για ευρεία βιομηχανική παραγωγή, μπορεί να αναδειχθεί ως ένας απρόσμενος σύμμαχος για τη μοντελοποίηση των ηλεκτρικών ιδιοτήτων των δικτύων των συνάψεων (synapses networks).Αυτή η διατριβή έχει ως στόχο τη μελέτη του φαινομένου εναλλαγής της αντίστασης, τόσο σε θεωρητικό όσο και σε πειραματικό επίπεδο. Για το λόγο χρησιμοποιήθηκαν μια σειρά από υλικά με σκοπό να εξερευνηθεί η επίδραση των πολυδιάστατων κατασκευαστικών παραμέτρων στην ηλεκτρική συμπεριφορά των κυττάρων μνήμης, με τη μεγαλύτερη έμφαση να δίνεται στο οξείδιο του τιτανίου (TiOx), στο οξείδιο του χαφνίου (HfOx) και στο οξείδιο του ταντάλου (TaOx). Τα παραπάνω υλικά έχουν παρουσιάσει στη διεθνή βιβλιογραφία εντυπωσιακές ιδιότητες, ενώ τα δύο τελευταία έχουν επιτυχώς ενσωματωθεί στη CMOS γραμμή παραγωγής. Έτσι, θεωρήθηκε επιβεβλημένο να μελετηθεί η συμπεριφορά τους ως διατάξεις μη-πτητικών μνημών, δίνοντας έμφαση σε όλο το εύρος των ηλεκτρικών τους ιδιοτήτων. Παράλληλα, με τη βοήθεια θεωρητικών υπολογισμών βασισμένοι στη Density Functional Theory (DFT), διερευνήθηκαν οι αναγκαίες συνθήκες που πρέπει να επικρατούν σε ατομικό επίπεδο ώστε να πραγματοποιηθεί το φαινόμενο εναλλαγής της αντίστασης.Με βάση τη θεωρία πεπερασμένων στοιχείων πραγματοποιήθηκε επίλυση τριών διαφορικών εξισώσεων σε 3D γεωμετρία, λαμβάνοντας σημαντικές πληροφορίες ως αναφορά την τοπική συγκέντρωση των κενών θέσεων οξυγόνου, της θερμοκρασίας και του ηλεκτρικού δυναμικού. Μελετήθηκε επιπλέον η επίδραση του φράγματος διάχυσης καθώς και του μήκους άλματος ιόντων στις χαρακτηριστικές ρεύματος-τάσης, εξακριβώνοντας τη φύση της απότομης/βαθμιαίας αλλαγής της αντίστασης. Παράλληλα, για την κατανόηση της ανομοιομορφίας των ηλεκτρικών χαρακτηριστικών των διατάξεων RRAM, αναπτύχθηκε ένας αλγόριθμος με βάση τη προσέγγιση Monte-Carlo και πραγματοποιήθηκε συστηματική μελέτη της επίδρασης διαφόρων φυσικών παραμέτρων στις συναρτήσεις αθροιστικής κατανομής των μνημών RRAM.Η εισαγωγή μεταλλικών νανοσωματιδίων εντός διηλεκτρικής μήτρας TiO2-x αποδείχθηκε μια απλή και πολλά υποσχόμενη τεχνική, ως αναφορά τη βελτίωση της στατιστικής κατανομής των μνημών RRAM, του παράθυρου μνήμης και της εξωτερικής τάσης λειτουργίας. Η ύπαρξη ενός μεγάλου παράθυρου μνήμης είναι επίσης ιδιαιτέρως σημαντική για multilevel εφαρμογές. Ο κύριος λόγος για τη βελτιωμένη ηλεκτρική συμπεριφορά, είναι η τοπική ενίσχυση του ηλεκτρικού πεδίου λόγω της παρουσίας των νανοσωματιδίων και ο περιορισμός των διαθέσιμων αγώγιμων μονοπατιών όπου το φαινόμενο εναλλαγής της αντίστασης θα λάβει χώρα.Μελετήθηκε επίσης η ενσωμάτωση δύο, τριών και πολλαπλών στρωμάτων ως ενεργό υλικό στο κύτταρο μνήμης RRAM, με σκοπό τη μείωση του ρεύματος λειτουργίας. Το τελευταίο επιτυγχάνεται με εναπόθεση στρωμάτων διηλεκτρικού με χαμηλό ποσοστό οξυγόνου, ούτως ώστε να λειτουργούν στη πράξη ως σειριακές αντιστάσεις, με αποτέλεσμα η μεγαλύτερη πτώση τάσης να γίνεται στο αντίστοιχο στρώμα με υψηλό ποσοστό οξυγόνου. Το αποτέλεσμα είναι ο περιορισμός του φαινομένου εναλλαγής της αντίστασης σε ένα μικρό μέρος του ενεργού υλικού και ως συνέπεια η βελτίωση της στατιστικής ανομοιομορφίας. Πραγματοποιήθηκαν επίσης μετρήσεις για νευρομορφικές εφαρμογές με στόχο να εξερευνηθεί η χρήση των κυττάρων μνήμης για τεχνητή εκμάθηση και αναγνώριση προτύπων. Η απλή δομή των μνημών RRAM επιτρέπει επίσης την ολοκλήρωσή τους σε αλληλοδιασταυρώμενες δομές, με στόχο την αύξηση της πυκνότητας ολοκλήρωσης.