CeRAM — перспективный претендент на роль энергонезависимой памяти

В последние годы во многих лабораториях мира ведется поиск материалов, которые могли бы стать основой для создания энергонезависимой памяти, более масштабируемой и более производительной, чем широко используемая сегодня флэш-память, базированная на кремнии.

Резистивная память с произвольным доступом (ReRAM) рассматривается как один из наиболее обещающих претендентов на высокоплотном рынке памяти. Ранние образцы ReRAM использовали гигантский магниторезистивный эффект (CRM) в тонких пленках, служащих в качестве среды переключения сопротивления. Однако CRM-материалы плохо совместимы с существующей полупроводниковой технологией, поскольку они содержат различные металлические элементы и обладают сложной структурой.

Хотя при создании ReRAM используются различные подходы, большинство из них базируется на формировании и разрыве внутри слоя изолятора проводящих нитей с низким сопротивлением. Эти проводящие нити могут возникать с помощью разных механизмов. Прилагая к слою изолятора соответствующие значения напряжения, проводящие нити могут быть как сформированы (electroforming), так и разрушены. Понимание физических процессов, которые управляют формированием и разрушением таких нитей довольно затруднительно.

В последнее время внимание разработчиков привлекают некоторые окислы переходных металлов, которые также демонстрируют эффект надежного переключения сопротивления. Было показано, что NiO имеет наименьший операционный ток. Кроме этого, NiO проявляет стабильные униполярные свойства при переключении из состояния «установка» (set) в состояние «сброс» (reset).

Напомним, что механизм переключения классифицируется как биполярный или униполярный. Первый характеризуется тем, что полярности напряжения переключения между низким и высоким сопротивлением и обратно противоположны. Во втором случае обе операции установка/сброс выполняются при одинаковой полярности напряжения, но при разном его значении.

С учетом всех этих свойств, NiO рассматривается как отличный кандидат для создания ReRAM.

Глубокое исследование физических процессов эффекта переключения сопротивления в NiO предприняла группа ученых из Колорадского университета (Колорадо-Спрингс), возглавляемая д-ром Карлосом Пас де Араухо (Carlos Paz de Araujo). В мае 2011 г. в JOURNAL OF APPLIED PHYSICS 109, 091602 была опубликована статья (д-р Пас де Араухо — второй автор), название которой можно перевести как «Ненитевидная модель резистивной памяти с произвольным доступом на основе окислов переходных металлов с униполярным переключением», где был предложен другой физический механизм образования проводящего и непроводящего состояний. В февральском выпуске eetimes на эту тему появился достаточно подробный блог независимого автора Рона Нила (Ron Neale). Собственно, эти две публикации и легли в основу данной статьи.

Преимущественной моделью для описания NiO ReRAM является модель проводящих нитей. Согласно этой модели тонкие пленки NiO, полученные в результате осаждения, являются изоляторами. Импульс высокого напряжения Vset, приложенный к пленке, вызывает формирование нитей (electroforming). После этого, NiO становится металлом, проводящим ток через эти нити. Затем, при приложении напряжения, достигающего определенного уровня Vreset, нити разрушаются джоулевым теплом, вызванным большим током, и NiO снова становится изолятором.

Процесс электроформинга необходим для обоснования нитевидной модели. Однако предыдущая работа группы д-ра Пас де Араухо показала, что NiO может быть изготовлен в первичном состоянии как металл, что достигается посредством легирования лигандами карбонила никеля. При этом для достижения состояния проводимости электроформинг не требуется. Такие тонкие пленки NiO демонстрируют надежные бистабильные резистивные состояния и подходят для изготовления ReRAM. Однако при отсутствии электроформинга, необходима новая модель для теоретического описания.

В своей работе д-р Пас де Араухо с коллегами предложил ненитевидную модель, основанную на картине Мотта-Хаббарда (Mott-Hubbard). Опишем основные ее положения.

Среди кристаллических диэлектриков существуют так называемые изоляторы Мотта, которые не проводят электричество вопреки предсказаниям зонной теории твердого тела. Так, например, соединение NiO имеет один внешний электрон на атоме Ni, однако является изолятором. В модели, предложенной сэром Невиллом Моттом в 1937 г., это объясняется скоррелированным расположением электронов в узлах кристаллической решетки. Некоторые изоляторы Мотта при повышении температуры становятся электропроводными. Это явление называется переходом Мотта.

Простейшее теоретическое обоснование поведения изоляторов Мотта и перехода Мотта дал в 1963 г. Джон Хаббард. Оно рассматривает два механизма, определяющих поведение электронов. Первый — это туннельный переход электрона с орбитали одного атома на орбиталь другого, так называемый перескок. Электропроводность в кристалле обязана именно этому механизму. Второй, который препятствует электрическому току, это кулоновское отталкивание электронов, которое называется внутриузловым отталкиванием. В зависимости от внешних условий, превалирует либо тот, либо другой механизм, что и обеспечивает переходы проводник-изолятор-проводник.

Более общие зонные теории твердого тела не принимали во внимание взаимодействие между электронами, другими словами, предполагалось, что электроны не коррелируют. Тип новой резистивной памяти — correlated electron random access memory (CeRAM) — содержит слово «correlated», которое и описывает ее отличие от традиционной однокристальной электроники, основанной на кремнии. Взаимодействие электронов требует отказа от уверенности, что рассмотрение транспорта носителей заряда может базироваться только на свойствах периодичности кристаллической решетки. Сторонники новой памяти говорят, что хотя понимание традиционной электроники опирается на постоянство плотности состояний, обозначающее, что действие присадок не изменяет плотности состояний раствора (то есть, кремния в сегодняшней электронике), для CeRAM плотность состояний не постоянна. Наоборот, ее изменения являются ключом к объяснению двух состояний сопротивления при новом подходе.

Одна из уникальных особенностей работы CeRAM — это возможность протекания реакций окисления и восстановления (потери и приобретения электрона) на одном узле решетки. Это происходит благодаря туннельному эффекту. Отталкиваясь от этого явления, дальнейшая теория становится крайне сложной и опирается на эффекты, которые отличаются от лежащих в основе однокристальной электроники.

Для понимания работы CeRAM полезно рассмотреть ее вольт-амперную характеристику (рис. 1), на которой показан цикл установка/сброс.

Рис. 1. Вольт-амперная характеристика

Работа начинается с состояния проводимости: начальная часть зеленой кривой состояния «установка» (set) отмечена синим цветом, чтобы указать изменение напряжения при типичном доступе для чтения. Если напряжение увеличивается (изменение тока показано зеленой кривой) до приблизительно 0,8 В, характеристика делает мгновенный скачок к состоянию изолятора с высоким сопротивлением («сброс», reset). В состоянии изолятора (красная кривая) от напряжения перехода 0,8 В ток может быть уменьшен до нуля, и может быть выполнен цикл чтения (синяя кривая от 0 В до 0,2 В), или напряжение может быть увеличено вместе с током (красная часть характеристики). При повышении напряжения, начиная, примерно, с 1,6 В, ток начинает резко расти с увеличением напряжения до значения, в котором происходит переход в проводящее состояние.

В своей простейшей форме структура CeRAM (рис. 2) содержит три тонких слоя Ni(CO)4 легированной окиси никеля NiO, размещенных между двумя внешними металлическими проводниками.

Рис. 2. Структура CeRAM в простейшей форме (Источник: Рон Нил)

Активный материал заключен между двумя пленками NiO, которые служат в качестве буферных электродов. Две буферные пленки сильно легированы для получения очень высокой проводимости и действуют как согласующие электроды, тогда как активной пленкой центрального ядра служит окись никеля с более низким уровнем такого же легирования.

Барьерные слои выполняют много важных функций. Они обеспечивают омический контакт с активным материалом и, что более важно, они удаляют любые барьеры, связанные с эффектами Шотки, вызываемыми внешними электродами, и любые нежелательные поверхностные состояния с границы активный материал—электроды. Переход металл—изолятор осуществляется в центральной области, при этом любое из состояний может длиться столько, сколько необходимо. Эта особенность является основной при рассмотрении CeRAM в качестве претендента на роль энергонезависимой памяти.

Тонкие детали физического описания работы CeRAM достаточно сложны. Некоторую помощь в понимании могут обеспечить рис. 3 и рис. 4, дающие упрощенную концептуальную картину функционирования устройства.

Рис. 3. Обратимое расщепление зоны

На рис. 3 представлены две области тонкопленочной структуры CeRAM: буферный слой (желтый) и центральный активный слой (оранжевый). В этих пленках каждый ион никеля может рассматриваться как часть небольшого локального переключателя «вкл.» или «выкл.». Вторая расширенная вставка иллюстрирует обратимое расщепление зоны перехода металл—изолятор, что и обеспечивает работу CeRAM. (В данном случае зонная структура является локализованным эффектом и не должна быть спутана с зонной структурой однокристального кремния, определяемой периодической структурой кристаллической решетки, плотностью состояний которой нельзя манипулировать).

Основой этих изменений является расщепление зоны 3d8 состояния проводимости (здесь 3 — номер атомной оболочки, а d8 — относится к d-орбитали (l=2), содержащей вплоть до 8 электронов) на зоны 3d7 и 3d9 состояния изолятора.

Рис. 4 представляет концептуальный взгляд на различие между состояниями проводника и изолятора на уровне ионов никеля.

Рис. 4. Различие между состояниями проводник и изолятор на уровне ионов никеля

На верхней части рисунка материал находится в проводящем состоянии, и носители заряда могут двигаться свободно в локальной проводящей зоне материала. Когда носители становятся локализованными, кулоновское отталкивание подавляет движение носителей, и материал становится изолятором. Разрушение состояния локализации в течение процесса установки переводит материал обратно в состояние проводника без эффекта отталкивания, вызываемого локализованными электронами.

В заключение отметим, что остается неясным, как скоро устройства на базе CeRAM смогут выйти на рынок. Однако, по словам проф. Араухо, технология привлекла внимание холдинга ARM, известного лицензиара процессоров. Компания намерена оказать поддержку в исследованиях в области технологий ненитевидной энергонезависимой памяти, базированной на переходе Мотта металл—изолятор в окиси никеля и других окисях переходных металлов.

Ready, set, buy! Посібник для початківців - як придбати Copilot для Microsoft 365