RRAM

Ajalugu

Takistuslülituse fenomeni oksiidide hulgas on intensiivselt uuritud juba mitu aastat. Esimesed sammud tehti Stanfordis 1964. aastal, kui tuvastati NiO (nikkeloksiidi) ja muudegi metallioksiidide ebastabiilsus volt/amper rakendustes.
2000. aastal avastas Houstoni ülikool PrCaMnO negatiivse takistuse.
2002 Sharp ja IEDM nimetasid RRAM-i ja valmistavad esimese 1D1R-arhitektuuriga mäluraku massiivi .
2004. aastal Samsung ja IEDM mälurakk ReRAM, mis põhines NiO-l.
2008 ITRI/NTHU valmistasid esimese dioksiidtakistusmälu (ik binary oxide), kus ITRI kasutas oksiidina HfO₂.
RRAM-mälu tehnoloogia kohta on rohkesti artikleid ilmunud ja uurimusi tehtud alates 2010. aastast. Sellest ajast on valdkonda uurinud ka eesti teadlased.
2012. aastal ostis Rambus 35 miljoni dollari eest RRAM-i tehase Unity Semiconductor. 2012. aasta mais avaldas Panasonic tantaaloksiidipõhise RRAM-mäluraku tootmiskulude aruande.
2014. aastast tegeldakse Tartu Ülikooli Kiletehnoloogia laboris HfO₂, TiO₂ ja ZrO₂ uurimisega.

RRAM-i struktuur

Ehituselt näeb RRAM-mäluraku struktuur välja võileivalaadne, kus paar eraldavat kihti koos oksiidiga on kahe elektroodi vahel. Selliste struktuuride puhul on oluline, et kihid oleksid ühtlase struktuuriga ja täpselt kontrollitud paksusega . Kõik kihid saadakse kiletehnoloogiliste võimalustega. Kõige täpsemini võimaldab sellist struktuuri valmistada aatomkihtsadestamise meetod. Takistuslülitus on jälgitav mitmete funktsioonidega materjalides, dielektrikes, ferroelektrikes, ferromagneetikutes ja pooljuhtmaterjalides, mis on tavaliselt oksiidid. Enamikus materjalides esineb filamentide teke, kuid on ka esinenud materjale, kus filamente ei teki. Dielektrik oksiididena on kõige põhjalikumalt uuritud näiteks NiO, TiO₂, ZrO₂, HfO₂.

Takistuslülitus

Takistuslik lülitumine on protsess, mis on avastatud mõningate ühendite kombinatsioonides. Üldjuhul on tegemist kiletehnoloogiliste võtetega valmistatud struktuurides, kus mälurakk moodustub kolmekihilisest paketist. Enim uuritud on metall-oksiid-metall struktuurid. Takistuslik lülitumine avaldub sellise paketi elektrilisel mõjutamisel, kas voolu või pingega, mistõttu mäluraku takistus muutub. See muutus takistuses, sõltuvalt struktuurist, säilib kuni järgmise mõjutuseni. Takistuslikku lülitumist oleks seetõttu võimalik rakendada nii püsi- kui muutmälude valmistamisel. Takistuslikul lülitumisel eristatakse kahte faasi: madaltakistuslikku ehk hästi juhtivat olekut ja kõrgtakistuslikku ehk halvasti juhtivat olekut. Neid erinevaid faase võiks vaadelda kui biti kõrge ja madal olek arvutitehnikas. Otstarbekas oleks kasutada tähiseid RSET ja RRESET vastavalt madaltakistusliku ja kõrgtakistusliku olukorra eristamiseks. 
Selleks et takistusmälurakk oleks võimeline võistlema käibel olevate mälutehnoloogiatega nagu välkmälu, peab suhe RRESET/RSET olema suurem kui 10. Selleks et takistusmälu säilitaks oma oleku, peab lugemispinge UL olema väiksem kui kirjutamispinge UK. Arvestades elektroonika optimaalseid töötingimusi, ei saa lugemisel kulgev vool olla väiksem kui 1 µA.
Eristatakse samal pinge polaarsusel toimuvat lülitumist ehk unipolaarset lülitumist (UP) ja erinevate polaarsuste vahelist lülitumist ehk bipolaarset lülitumist (BP). Unipolaarsel lülitumisel toimub mäluraku kõrge ja madala seisundi saavutamine samal pinge polaarsusel. Bipolaarse lülitumiste korral on mäluraku oleku muutmiseks vaja rakendada uue oleku saavutamiseks kasutatud pingele vastasmärgilist pinget. Mittepolaarse lülitumise korral on juhtimiseks kasutatavad voolud suuremad kui polaarse lülitumise korral. Suuremad voolud kipuvad põhjustama mitte-taastuvaid läbilööke struktuuris, mis sisuliselt tähendab raku hävimist. Sellest tingituna peab mittepolaarse lülitumise korral alati piirama voolu. Polaarse lülitumise korral üldjuhul piiratakse voolu madala juhtivuse saavutamisel, kõrgjuhtivuse saavutamiseks pole voolu piiramine vajalik, kuna voolu piirab raku enda takistus.
Polaarse lülitumise korral saab eristada mälurakkude omadusi vastavalt volt-amper karakteristiku liikumisele. Eristatakse "vastukaheksa-" ja "kaheksa-"suunalisi mälurakke. "Vastukaheksa-" suunalise karakteristikuga mälurakul moodustuvad juhtivad filamendid ühtlaselt üle struktuuri. Seetõttu pole sellise raku korral oluline elektroodide suurus. "Kaheksa-" suunalise karakteristikuga mälurakus moodustuvad filamendid ühtlaselt ainult elektroodide vahelisel alal.
RRAM-mäluraku eelis muutmäluna oleks vähene energia tarve. Erinevalt DRAM-rakust ei pea raku väärtust pidevalt värskendama. Muutmäluna kasutamisel on oluline saavutada väga suur (piiramatu) lülitumiste arv. Püsimäluna on suur kirjutamiste arv boonus, aga olulisem on raku võime säilitada oma olekut piisavalt kaua.

Takistuslülituse mehhanismid

Takistuslülituste mehhanism pole päris lõplikult teada, aga siiski on teadlased nõustunud mõningate üldiste põhimõtete ja mehhanismide osas. Alljärgnevalt on välja toodud kolm kõige levinumat mehhanismi, kuid tuleb silmas pidada, et ka nende mehhanismide toimumine pole lõplikult selge. Peamiselt on takistuslülitus seotud elektrivälja põhjustatud struktuuriliste muutustega.

Elektrokeemiline metalliseerumine

Üldjuhul kannab üks elektrood suuremat rolli lülitumises, seda nimetatakse ka aktiivseks elektroodiks. Teine elektrood on üldjuhul inertne. Toimuvat protsessi võib võrrelda elektrolüüsi anoodilise reaktsiooniga [3]. Anoodiks on aktiivne elektrood, millelt eralduvad positiivse laenguga metalli katioonid liiguvad katoodile. Kui katioonid saavad katoodilt elektroni, hakkavad nad kuhjuma ja moodustama filamenti. Moodustuv filament kasvab anoodi poole. Kui filament puutub anoodi, siis on moodustunud nn juhtiv filament ja rakk on kõrges olekus (RSET). Ümber lülitumiseks ehk raku madalasse olekusse viimiseks (RRESET) vahetatakse elektrivälja polaarsus elektroodide vahel. Polaarsuse muutumisel vabanevad filamenti moodustunud metalli katioonid ja suunduvad tagasi aktiivsele elektroodile. On oluline märkida, et see protsess algab aktiivse elektroodi lähedal ja metalli katioonide tagasi rändega katkeb filament aktiivse elektroodi juures. Allesjäänud filament säilib ja edaspidine lülitumine toimubki filamendi tipu ja aktiivse elektroodi vahel. Esimest filamendi moodustumist nimetatakse formeerimiseks.See protsess on vajalik, et edasised lülitumised saaksid toimuda. Kirjeldatud mehhanismi on täheldatud enamasti bipolaarse takistuslülitusega rakkude puhul.

Valentsi muutusel põhinev mäluefekt

Oksiidides on kõige levinumad defektid hapniku vakantsid. Hapniku vakantse peetakse ühtedeks peamisteks takistuslülituse nähtuse põhjustajateks. Nende paigutus ja kontsentratsioon mõjutab oluliselt oksiidi takistust ja juhtivust. Hapniku vakantsid töötavad paljudes pooljuhtides doonoritena, ehk võimaldavad elektronide rännet. Takistusjuhtivates mälurakkudes on täheldatud hapniku vakanstide grupeerumist ja filamendi kujuliste moodustiste tekkimist elektrivälja toimel. Moodustunud filamentide piirkonnas on oksiidi takistus madalam kui kõrvalistes piirkondades, kus filamente ei ole. Hapniku vakantsid mõjutavad siirdemetalli oksiidis metalli katioonide valentsolekut. Kui metalli katioonid ühinevad hapniku vakantsidega, siis nende laengud neutraliseeruvad ja juhtivusvööndi elektronide arv suureneb. See omakorda põhjustab juhtivuse suurenemist selles piirkonnas. Kuna oksiidi ja metalli elektronide väljumistöö on erinev, saab moodustuda Schottky barjäär. Hapniku vakantsid ja juhtivad ühendid mõjutavad Schottky barjääri moodustumist. Nende jaotumine ja tihedus muutub elektrivälja rakendumisel ning muutub ka Schottky barjääri kõrgus ja laius. Need muutused põhjustavad erinevat takistust struktuuris. Valentsi muutumise mehhanismil kirjeldatud lülitumised on valdavad bipolaarse lülitumisega rakkude puhul.

Termokeemiline mäluefekt

Termokeemiline mehhanism esineb rakkudes, kus dielektrikuks on siirdemetalli oksiid. See mehhanism on valdav unipolaarse lülitumisega rakkudes. Sarnaselt valentsi muutumise mehhanismiga põhineb ka termokeemiline mehhanism siirdemetalli katioonide valentsoleku muutusel. Erinevuseks on see, et termokeemiline mehhanism on põhjustatud temperatuuri poolt. Siirdemetallides, millel puuduvad stabiilsed faasid, põhjustab temperatuur metalli katioonide vähenemist ja metalli filamentide moodustumist. Selliste dielektrikute takistuse muutumine on temperatuuritundlikum kui puhaste metallide puhul, mida omakorda võivad põhjustada defektid struktuuri juhtivas faasis.
Nende mehhanismide tegelik toimimine pole täielikult selge ja seega võib lülitumine toimida ka mitme mehhanismi koostoimel. Näiteks võivad aktiivselt elektroodilt eralduvad metalli katioonid moodustada oksiidi hapnikuvakantsidega omakorda ühendeid. Aktiivse elektroodi materjal valitakse nii, et moodustunud oksiid oleks juhtiv.

Mäluraku formeerimine

Takistuslülituse toimumiseks peab enamasti viima mäluraku vastavasse seisundisse. Seda protseduuri nimetatakse formeerimiseks. Formeerimise käigus muudetakse mäluraku algset struktuuri. Selleks pingestatakse rakk ja muudetakse kas pinge väärtust või voolu tugevust lineaarselt, kuni formeerumine juhtub. Üldjuhul on formeerumiseks vajalik pinge ja vool suuremad kui hiljem lülitamiseks tarvilik. Formeerumisel võib toimuda läbilöök, mis tavalise dielektriku korral nagu DRAM kondensaatoris on ebasoovitav, kuna see põhjustab kondensaatori hävimise [5]. RRAM-raku puhul on selline läbilöök üldjuhul taastuv. Formeerimisel on siiski oht objekti kahjustada, kuna juhtivuse järsul suurenemisel suureneb hüppeliselt ka vool. Seega on eelistatum, et formeerimine toimuks üle voolu ette andmise. Sel juhul on vool kindlalt piiritletud nii, et rakk ei hävineks. Mõndade materjalide korral toimub formeerumine lülitamisega samadel pingetel ja vooludel. Selliseid mälurakke nimetatakse ka formeerimisvabadeks ja nende kasutamine pakub mälutööstusele suuremat huvi. Vastavalt mäluraku omadustele ja formeerimise viisile on võimalik rakk viia kas madal- või kõrgtakistuslikku seisundisse. Formeerimisel luuakse esmased juhtivad filamendid, mis on tarvilikud järgnevateks lülitumisteks. Formeerumise mehhanism on erinevate takistusmälu rakkude puhul erinev. Näiteks bipolaarsele lülitumisele on iseloomulik ioonide ja hapniku vakantside liikumine elektrivälja toimel. Samas unipolaarse lülitumise korral toimub formeerumine enamasti termilise olukorra muutumise tõttu.

Kokkuvõte ja tuleviku väljavaated

RRAM-tehnoloogia võimaldab realiseerida väga suuri mälumassiive, saavutamaks suurt andmete mahutamist. RRAM vajab 1D1R arhitektuuri korral vaid kahte ühendust, tänu millele võib teoreetiliselt luua suurel hulgal kihte. Selle tehnoloogia eeliseks on madal juhtimise pinge, mis aitab vältida tootmisvigu ja saavutada tunduvalt suuremaid kirjutamise ja lugemise kordi kui varasematel püsimäludel. DRAM-hävimälu asendamine RRAM-säilmäluga võimaldaks väga suurt energia kokkuhoidu. Takistusmälu on võimalik toota toatemperatuuridel, mis võiks muuta lihtsaks selle komponendi integreerimise erinevatesse elektroonilistesse seadmetesse. Usutakse, et RRAM loob mäluseadmete uue generatsiooni, mis võimaldab suurt mahutavust ja odavamat tootmist.