RRAM

Takistusmälu (Resistive Random-Access Memory, RRAM või ReRAM) on arvuti püsimälutüüp, mis on võrreldav flash- ehk välkmäluga, kuid takistusmälu eripäraks on bittide säilitamine kasutades takistust. Takistusmälu põhineb takistuslülitusnähtusel (ik Resistive Switching RS) oksiidides, kus aine takistuslikud omadused muutuvad, objektile rakendatud pinge/voolu lähenedes kindlatele väärtustele, mille määravad oksiidi omadused. Olenevalt takistuslikest omadustest võiks seda mälu eesti keeles nimetada takistusmäluks. Takistusmälu säilitab info ilma pideva toiteta ja on tehnoloogialt võrreldav CBRAM- ja faasimuutmäludega. Erinevalt varasemast ei üritata mäluelemendis säilitada laengut, vaid elektriliselt mõjutades muuta dielektrikust oksiidikihi takistust madala ja kõrge takistuse vahel, saavutamaks mäluraku kõrge või madala oleku. Takistusmälu olemuslikeks eelisteks on väike pinnakasutus suure andmemahutavuse juures, kiire ümberlülitus- ja lugemisaeg (mõni ns) ja pikk kestus (andmete säilitusaeg, u 10 aastat). Takistusmäluraku üks eeliseid on, et selle füüsiline suurus saab olla väga väike. Põhimõtteliselt juba mõnest metalliaatomist koosnev ahel võib omada kΩ suurusjärgus takistust. Võrreldes DRAM kondensaatoriga, mille pindala saab minimaalselt olla 40 000 nm2(omamaks eristatavat mahutavust), võib eelnevalt kirjeldatud mõne metalliaatomiline mälurakk olla ristlõike pindalaga < 1 nm2. Sellest tulenevalt väheneb ka takistusmäluraku energiatarve. Kui võrrelda takistusmälu välkmäluga, siis saab takistusmälu rakku valmistada teoreetiliselt tunduvalt väiksemana, kuna takistusmälu puhul elektronide tunneleerumist füüsikalise piiranguna ei esine. Välkmälu puhul toimub andmete säilitamine sisuliselt elektronide lõksustamisena. Tulenevalt elektronide väikesest massist(võrreldes aatomitega) siis elektronide paigal hoidmiseks on vaja mitmekihilises materjalis säilitada piisavalt kõrge ja lai energeetiline barjäär vältimaks tunneleerumist. Kuna takistuslülitus toimub aatomite paigutuse(struktuurilise) muutusena ja aatomite mass on kümneid või isegi sadu tuhandeid kordi suurem elektronide omast siis puudub vajadus tunneleerumist arvestada, mis omakorda võimaldab tunduvalt suuremat mõõtmete vähendamist. Lisaks eelnevalt mainitule on näidatud, et takistusmälu saab lülitada ka enam kui kahe takistusliku oleku vahel, mis võimaldab kasutusele binaarsüsteemist kõrgemat süsteemi ja tagab suurema andmete pakkimise tiheduse. Takistusmälu-tehnoloogia arendamine ja uurimine toimub paljudes rahvusvahelistes firmades ja ülikoolides, sealhulgas ka Tartu Ülikoolis. Ehituselt näeb takistusmäluraku struktuur välja võileivalaadne, kus takistuslülituv materjal on kahe elektroodi vahel. Selliste struktuuride puhul on oluline, et kihid (eriti funktsionaalsed kihid) oleksid ühtlase struktuuriga ja täpselt kontrollitud paksusega . Kõik kihid saadakse kiletehnoloogiliste meetoditega. 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. Dielektrikoksiididest on suhteliselt põhjalikult uuritud näiteks NiO, TiO2, ZrO2, HfO2. Vastupidavus ehk maksimaalne kirjutuskordade arv on arvutimälude üks olulisemaid parameetreid nii vanade tehnoloogiate edasiarendamisel kui uute tehnoloogiate väljaarendamisel. Tavaliselt mõõdetakse sellise tahkismaterjalikihi puhul, milles on tuvastatud takistuslülituslik käitumine, takistuste või voolude väärtuste suhet madala takistusega oleku (Low Resistivity State, LRS) ja kõrge takistusega oleku (High Resistivity State, HRS) vahel (LRS/HRS, või Ron/Roff ). Selle eesmärk on esialgselt evalueerida bitiväärtuste võimalikku eraldatavust. Samuti on juba algselt tähtis hinnata tööpinge väärtusi ehk saavutada lülitumine HRS ja LRS vahel võimalikult väikestel ümberlülituspingetel. Optimeeritud pinge-voolu tööpiirkonnaga takistusmälurakkude puhul on oluline mõõta vastupidavust (endurance), ehk seda kui mitu korda saab ühe mäluelemendi takistust muuta kahe seisundi vahel ilma, et materjal „väsiks“ ja suhe LRS/HRS märgatavalt vähenema hakkaks. Vastupidavus on takistusmälude arendamisel kriitilise tähtsusega ning samas ka problemaatiline, kuna takistuslülitusnähtus põhjustab materjali struktuurisiseseid muutusi, mis mingi arvu lülituskordade järel võivad kergesti osutuda pöördumatuks. Pöördumatud struktuurimuutused ei pruugi toimuda järsku ehk ühe konkreetse lülitumise tulemusel, vaid need muutuse võivad aja jooksul olla progresseeruvad. Sisuliselt tähendab selline progresseeruv „kulumine“ (Ron/Roff vähenemine) seda, et suure takistusega oleku ja madala takistusega oleku väärtuste arvuline vahe (delta) väheneb. Mäluelement loetakse riknenuks siis, kui takistuslike olekute erinevus on väiksem kui mälukontrollerelektroonika tundlikkuse ja lahutusvõimega määratud minimaalselt eristatav takistuslike olekute arvuline vahe. Elektroonikatööstuse standardite järgi peavad erinevad takistuslikud olekud üksteisest erinema vähemalt 10 korda. Vastupidavust takistuslike mälurakkude puhul saab uurida mitme mõõtmis- ja lülitustehnikaga. Kõige detailsema ülevaate igast lülitumistsüklist annab pingega skaneerimine ja voolu mõõtmine (sweep, järjestikmõõtmine, pinge-/voolusamm-voolu-/pingemõõtmine), kuid sellisel viisil maksimaalse lülituskordade arvu mõõtmine on aeganõudev eriti siis, kui voolud, millega seade töötab, on väikesed (≤ nA). Lisaks sellele, et niisugune mõõtemetoodika on aeganõudev, ei vasta mälurakule sel ajal mõjuv koormus rakenduslikule koormusele. Tuleb pidada meeles, et mälurakenduses lülitatakse mälurakke ühest bitiolekust teise ja seda vaheldumisi võimalikult lühikeste, kuid siiski tarvilikult pikkade (mõne ns suurusjärgus) pingeimpulssidega. Kõige täpsemalt vastab rakenduspärastele tingimustele pingeimpulss-mõõtmisrežiim (Pulss Voltage Stress, PVS). Sel juhul rakendatakse objektile mõõtja poolt määratud kestuse ja pingega impulsid, milliste jadas igale lülituspinge impulsile järgneb lugemispinge impulss. Iga pingeimpulsi rakendamise ajal mõõdetakse voolu tahkises. Sellisel viisil on võimalik võrdlemisi kiiresti, mõne minuti jooksul, rakendada ja mõõta ligi 1 miljon lülitustsüklit. Kuna pulseeriva signaaliga kaasneb müra ja ajaliselt suhteliselt lühike mõõtmisaken, on kirjeldatud meetodil mõõtmiste tegemiseks on tarvis vastava võimekusega mõõteaparatuuri, mis on kommertsiaalse lahendusena küllaltki kallis. Kolmanda lahendusena saab rakendada mälurakule, sarnaselt eespool kirjeldatud meetodiga, ajaliselt ja pinge suuruselt määratud lülitus- ja lugemis-pingeimpulsside jada signaaligeneraatoriga. Sel juhul iga impulsi korral voolu ei mõõdeta, vaid rakendatakse teatav arv lülitus-lugemistsükleid ning seejärel mõõdetakse pingega skaneerides takistuslülituse volt-amper karakteristik. Kuigi meetodi eeliseks on see, et uurimist on võimalik läbi viia lihtsama aparatuuriga, ei ole võimalik teada saada, kas ka iga lülitusimpulsi järel tõesti ka lülitumine toimus. Mälubiti säilivus ajas on oluline püsimälu iseloomustav parameeter. Uudsete püsimälude puhul peaks mälubitt säilima ligikaudu 10 aastat. Siinkohal on paslik mainida, et sellist parameetrit uurides on suuresti tegu ennustusliku protsessiga, sest antud katseid ei viida läbi reaalajas (nt 10 aasta jooksul). Selleks, et siiski saaks teatava täpsusega antud parameetrit uurida, on vaja luua tingimused, mis võimaldavad protsessi kiirendada ja samal ajal saadud tulemusi teatava usutavusega ajas ekstrapoleerida (seoste ja sõltuvuste baasil). Analoogilise probleemiga puututakse kokku ka isoleerivate dielektrikute vastupidavuse uurimisel, kus sageli viiakse dielektrikstruktuure raskendatud tingimustesse ja tekitatakse materjalis suuremaid pingeid (stress) võrreldes töörežiimiga. Nii võib rakendada uuritavale materjalile tavapärasest kõrgemat pinget ning teostada voolumõõtmisi, kogudes tulemusi selleks kulunud aja jooksul, aga ekstrapoleerides omaduste kestust minevikus. Takistusmälu takistuslike olekute säilimise puhul on üldjuhul kõige olulisem uurida madala takistusega oleku säilimist, sest takistuslülituse tõttu tekitatud struktuuridefektid, mis põhjustavad juhtivamat olekut, võivad hakata aja jooksul kaduma. Sel juhul tähendab see seda, et normaaltingimustes ehk vähemalt toatemperatuuril säilitatava mälumaterjali võre struktuur võib muutuda aja jooksul ise uuesti korrastatumaks ehk defektidest (peamiselt hapnikuvakantsidest) vabamaks võrevõnkumiste ja sisemise difusiooni tõttu. Paljud takistuslülituvad materjalid on madalatel temperatuuridel kristalliseeruvad ioonilise võrega metalloksiiddielektrikud, ehk materjalid, mille struktuur korrastub üsna kergesti. Takistuslülituva seadme puhul lülitumisel suure takistusega olekusse hakkab mäluelement ise piirama voolu kuna takistus muutub suuremaks. Lülitades takistusmälurakku väikese takistusega olekusse on üldjuhul tarvis voolu piirata, sest takistuse vähenedes suureneb vool küllaltki järsult. Voolu piiramiseks kasutatakse takistusmälurakuga järjestikku ühendatud transistori või takistit. Sellest lähtuvalt koosnevad kaks põhilist takistusmäluelemendi rakendusskeemi ühest transistorist ja ühest takistusmälurakust (1T1R) või ühest fikseeritud väärusega voolu piiravast takistist ja takistusmälurakust (2R). Kuna transistori puhul pole lätte ja neelu voolu ning pinge suhe lineaarne, siis on takistusmälu lülituskiiruse ja energiatarbe mõõtmiseks optimaalsem kasutada voolupiiramiseks takistit (2R skeemi). Mäluna kasutatavate takistusmälu rakkude lülitumine toimub üldjuhul mõne nanosekundi jooksul. Konkreetse takistusmäluraku lülitumiskiiruse uurimiseks on tarvis suure lahutusega ostsilloskoopi ja signaaligeneraatorit. Rakendades 2R-struktuurile nelinurk- või kolmnurksignaali, saab ostsilloskoobi kahte kanalit kasutades mõõta ühe kanaliga struktuurile langevat pinget ja teise kanaliga objekti läbivat voolu. Kasutades ostsilloskoobi integreerimisfunktsiooni mõõdetud elektrivoolu ja pinge väärtustest üle aja saab leida uuritava mäluelemendi energiatarbe. Ajaliste mõõtmiste puhul tuleb arvestada, et mõõteskeemi aeglasim komponent määrab vähima eristatava ajaühiku. Lisaks tuleb arvesse võtta ühenduskohtade ja mälustruktuuri parasiitsetest takistustest ja mahtuvustest moodustuvate RC-ahelate tekitatud viivised. F (minimum feature size) – minimaalne elemendi mõõde integraalskeemides, mille arvväärtus sõltub valitud tehnoloogiast (nt 90 nm, 60 nm, 20 nm) Peamised probleemid takistusmälu arendamisel tulenevad asjaolust, et takistuslülitusnähtus põhineb materjali struktuursetel muutustel. Näiteks takistusmälu kirjutamiseks kuluv aeg sõltub otseselt vastava struktuurse muutuse toimumise kiirusest. Samuti sõltub andmete pikaajaline säilimine materjalist ja selles toimuvatest iseeneslikest struktuursetest muutusest. Need struktuursed muutused võivad muutuda mitte taastuvateks ehk ajas võib väheneda näiteks lülituvate takistuslike olekute erinevus, lülitumiskiirus või siis takistusliklülitumine lakkab toimimast. Selleks, et saavutada arvutimäluks sobivate parameetrite vastavus, tuleb materjaliteadlastel leida sobivaimate materjalide kombinatsioonid. Kuna takistuslülituvate materjalide hulk on suhteliselt suur ja nende kombineerimine (ka teiste mitte takistuslülituvate materjalidega) loob palju täiendavaid võimalusi omadusi muuta ja parandada, on selles valdkonnas jäänud teha palju arendamis- ja uurimistööd. Lisaks eespool mainitud põhiparameetrite optimeerimisele on omaette probleemina täheldatud ühesuguse struktuuriga elementide omavahelist erinevust. Näiteks võib varieeruda erinevate takistuslike olekute suhte väärtus. Järgmine kriitiline probleem tekib takistusmälu skaleerimisel. Kuna takistusmälu elemente on võimalik valmistada vaid mõne nanomeetri läbimõõduga kontaktide vahele, tuleb leida viis erinevate mälurakkude üksteisest isoleerimiseks. Selleks tuleb välja töötada sobiv valmistamistehnoloogia ja leida isolaatormaterjalid, mis ei mõjutaks mälurakkude toimimist. Kõige selle juures muutuvad oluliseks parasiitsete mahtuvuste ja takistuste tekkimine ja nende arvestamine mälurakkude opereerimisel. Takistusmälu-tehnoloogia võimaldab realiseerida väga suuri mälumassiive, saavutamaks suurt andmetihedust. Takistusmälurakk vajab 2R-arhitektuuri korral vaid kahte jadamisi ühendatud lihtsa struktuuriga komponenti, tänu millele võib teoreetiliselt luua suurel hulgal kihte väga väikeseks skaleeritavatest elementidest. Selle tehnoloogia eeliseks on madal juhtimise pinge, mis aitab oluliselt vähendada energiatarvet võrreldes varasemate pooljuhttehnoloogial põhinevate püsimäludega. Võttes arvesse näidatud kiireid lugemise ja kirjutamise aegu saaks DRAM-muutmälu asendamisel RRAM-püsimäluga vähendada arvutisüsteemide energiatarvet ning ka töötamisomadusi(andmed säilivad ka toitevoolu katkemisel). Kasutades takistusmälutehnoloogiat andmekandjates on võimalik valistada tunduvalt suurema andmemahuga, kuid samal ajal väiksemate mõõtmetega ja kasutusel olevatest andmesiinidest kiiremini toimivaid seadmeid. Töökiirustest lähtuvalt on takistusmälu tehnoloogial väga suur potentsiaal leida rakendust reaalajas toimivatel masinõppe ja tehisintellekti süsteemides. Takistusmälu on võimalik toota CMOS-tehnoloogiaga sarnastel tingimustel, mis võiks muuta lihtsaks selle komponendi integreerimise elektroonilistesse seadmetesse. Usutakse, et takistusmälutehnoloogia paneb aluse mäluseadmete uuele generatsioonile, millega kaasneb suur andmemahutavus ja odavam tootmine. FeRAM MRAM NRAM muutmälu (RAM) protsessori vahemälu vahemälu välismälu K. Bullis,Super-Dense Computer Memory, 2014, https://web.archive.org/web/20141207235216/http://www.technologyreview.com/news/529386/super-dense-computer-memory/ B. Hudec, M.Hranai, K.Hušekova, J.Aarik, A.Tarre, K.Fröhlich, Resistive switching in RuO2/TiO2/RuO2MIM structures for non-volatile memory application,2010, IEEE, Piscataway,NJ,USA R. Waser, M. Wuttig, Memristive Phenomena - From fundamental physics to neuromorphic computing, 2016, Forschungszentrum Jülich GmbH . I. Kärkkänen Resistive swiching in ZrO2 based metal-oxide-metal structures, 2014, Forschungszentrum Jülich GmbH,Jülich K. Fröhlich TiO2-based structures for nanoscale memory applications, 2013, Mat. Sci. in Sem. Proc. vol 16 Doo Seok Jeong, Reji Thomas, R S Katiyar, J F Scott, H Kohlstedt, A Petraru and Cheol Seong Hwang, Emerging memories: resistive switching mechanisms and current status,2012, Rep. Prog. Phys. vol 75, 076502 J.Merisalu Takistuslülitused titaanalumiiniumoksiid-kiledes, 2018, Tartu Ülikool M. Lanza, H.-S. P. Wong, E. Pop et al, 2019, Adv. Electron. Mater. vol 5, 1800143