산업 제조
산업용 사물 인터넷 | 산업자재 | 장비 유지 보수 및 수리 | 산업 프로그래밍 |
home  MfgRobots >> 산업 제조 >  >> Industrial materials >> 나노물질

저항성 랜덤 액세스 메모리(RRAM):재료, 스위칭 메커니즘, 성능, 다중 레벨 셀(mlc) 저장, 모델링 및 애플리케이션의 개요

초록

이 원고에서는 고속, 저비용, 향상된 저장 밀도, 다양한 분야의 잠재적 응용 및 우수한 성능으로 인해 가장 눈에 띄는 신흥 메모리 기술 중 하나로 간주되는 저항성 랜덤 액세스 메모리(RRAM) 기술 분야의 최근 진행 상황을 설명합니다. 확장성을 종합적으로 검토합니다. 먼저 떠오르는 메모리 기술 분야에 대한 간략한 개요가 제공됩니다. RRAM의 재료 특성, 저항 전환 메커니즘 및 전기적 특성에 대해 설명합니다. 또한 내구성, 유지력, 균일성, 작동 온도 및 RTN(Random Telegraph Noise)의 영향과 같은 다양한 문제가 정교화됩니다. 증가된 저장 밀도와 낮은 비용을 달성하는 데 매력적인 RRAM의 다중 레벨 셀(MLC) 저장 기능에 대한 논의가 제공됩니다. 물리적 메커니즘과 함께 안정적인 MLC 작동을 달성하기 위한 다양한 작동 방식이 제공되었습니다. 또한 이 작업에서는 널리 사용되는 다양한 RRAM 모델에 대한 스위칭 방법론 및 전류 전압 관계에 대한 자세한 설명을 다룹니다. 보안, 뉴로모픽 컴퓨팅 및 비휘발성 논리 시스템과 같은 다양한 분야에 대한 RRAM의 잠재적 응용에 대해 간략하게 설명합니다. 현재 검토 기사는 RRAM의 과제와 미래 전망에 대한 논의로 마무리됩니다.

소개

RAM이라고 하는 랜덤 액세스 메모리는 휘발성 또는 비휘발성일 수 있습니다. 휘발성 메모리는 동적 랜덤 액세스 메모리(DRAM) 및 정적 랜덤 액세스 메모리(SRAM)의 경우와 같이 전원 공급 장치를 제거하면 이전에 저장된 데이터를 잃게 됩니다. 비휘발성 메모리의 경우 이전에 저장된 내용은 전원을 제거한 후에도 계속 유지됩니다. 플래시 메모리는 비휘발성 메모리의 대표적인 예이다. 메모리 기술은 장점과 단점을 결합하여 더 높은 성능을 달성합니다. 컴퓨터 시스템에 사용되는 DRAM은 용량과 밀도가 높지만 휘발성이 있어 몇 밀리초마다 새로 고쳐야 합니다. 이러한 리프레싱으로 인해 장치의 에너지 소비가 증가하여 바람직하지 않습니다. 반면 SRAM은 빠르지만 DRAM과 마찬가지로 변동성이 있습니다. 또한 SRAM 셀은 크기가 커서 대규모 구현을 방해합니다. 기본적으로 각 메모리 셀의 플로팅 게이트와 함께 금속 산화물 반도체 전계 효과 트랜지스터(MOSFET)로 구성된 플래시 메모리는 저렴한 비용과 높은 밀도로 인해 현재 특히 임베디드 애플리케이션에 광범위하게 사용되고 있습니다. . 플래시 메모리는 메모리 셀을 구성하는 방식에 따라 NOR 플래시와 낸드 플래시로 분류됩니다[1]. NOR 플래시에서 셀은 비트 라인에 병렬로 연결되어 개별적으로 읽고 프로그래밍됩니다. 이것은 CMOS NOR 게이트 아키텍처에서 트랜지스터의 병렬 연결과 유사합니다. NAND 플래시의 경우 구조는 셀이 비트 라인에 직렬로 연결되어 있으므로 CMOS NAND 게이트의 아키텍처와 유사합니다. 병렬 연결에 비해 직렬 연결이 차지하는 공간이 적어서 NAND 플래시 비용이 절감된다는 점에 유의해야 합니다. 그러나 두 유형의 플래시 메모리는 낮은 작동 속도(쓰기/지우기 시간:1ms/0.1ms), 제한된 내구성(10 6 쓰기/삭제 주기) 및 높은 쓰기 전압(> 10V) [2].

위에서 언급한 메모리 기술, 즉 DRAM, SRAM 및 플래시는 전하 저장 기반 메모리입니다. DRAM은 커패시터에 전하의 형태로 정보를 저장하고, SRAM은 교차 결합 인버터의 노드에서 전하를 저장하는 것을 기반으로 하는 반면, 플래시 메모리 기술은 트랜지스터의 플로팅 게이트를 사용하여 전하를 저장합니다. 이러한 기존의 모든 전하 저장 기반 메모리 기술은 현재 10nm 노드 이상으로 축소해야 하는 문제에 직면해 있습니다. 이것은 나노스케일에서 저장된 전하의 손실에 기인하며, 그 결과 성능, 신뢰성 및 잡음 마진이 저하됩니다. 또한 DRAM에 대한 큰 리프레시 동적 전력과 SRAM과 DRAM 모두에 대한 누설 전력 요구 사항은 미래 메모리 계층 구조 설계에 심각한 문제를 제기합니다.

따라서 일반적으로 신흥 메모리 기술이라고 하는 새로운 종류의 메모리가 현재 개발 중이며 기존 메모리 계층 구조를 혁신할 목적으로 주로 업계에서 활발히 연구되고 있습니다[3]. 이러한 새로운 메모리 기술은 SRAM의 스위칭 속도, DRAM에 필적하는 저장 밀도, 플래시 메모리의 비휘발성을 통합하는 것을 목표로 하여 미래 메모리 계층 구조에 대한 매우 매력적인 대안이 될 것입니다.

메모리 장치를 이상적인 것으로 분류하려면 낮은 작동 전압(<1V), 긴 사이클링 내구성(>10 17 ) 특성을 가져야 합니다. 사이클), 향상된 데이터 보존 시간(>10년), 낮은 에너지 소비(fJ/bit), 우수한 확장성(<10nm) [4]. 그러나 현재까지 이러한 이상적인 특성을 만족하는 단일 메모리는 없습니다. 이러한 이상적인 메모리 특성의 일부를 충족시키기 위해 다양한 새로운 메모리 기술이 활발히 연구되고 있습니다. 정보를 저장하기 위해 전하가 아닌 저항의 변화에 ​​의존하는 이러한 메모리 기술은 (i) 상변화 메모리(PCM), (ii) 스핀-전달 토크 자기저항 랜덤 액세스 메모리(STT-MRAM) iii) 저항성 랜덤 액세스 메모리(RRAM). 상 변화 메모리에서 스위칭 매체는 칼코겐화물 물질(일반적으로 Ge2 -Sb2 -테5 , GST) [5–7]. PCM은 효율적인 데이터 저장 기능을 위해 결정상과 비정질 상 사이의 저항 차이에 의존합니다. 결정질상은 소자의 저저항 상태(LRS) 또는 ON 상태를 나타내는 반면, 비정질상은 고저항 상태(HRS) 또는 OFF 상태를 나타낸다. SET 연산은 일반적으로 논리값 '1'을 저장하는 LRS에 해당하는 반면, RESET 연산은 장치에 논리값 '0'을 저장하는 HRS에 해당합니다. SET 작동의 경우 PCM은 전압 펄스 인가 시 결정화 온도 이상으로 가열되는 반면 RESET 작동의 경우 더 큰 전류가 셀을 통과한 다음 갑자기 차단되어 재료가 녹았다가 급냉됩니다. 무정형 상태를 달성합니다.

스핀 전달 토크 자기 저항 랜덤 액세스 메모리에서 저장 기능은 두 개의 강자성 층과 그 사이에 샌드위치된 터널링 유전체로 구성된 자기 터널링 접합(MJT)[8-10]에 기인합니다. 기준층의 자기 방향은 고정되어 있지만 외부 전자기장의 적용은 자유 강자성층의 자기 방향을 변경할 수 있습니다. 기준층과 자유층의 자화 방향이 같으면 LRS에서 MTJ를 참조합니다. MTJ의 경우 HRS에 있으려면 두 강자성층의 자화 방향이 역평행입니다. RRAM은 두 개의 금속(M) 전극[11, 12] 사이에 끼워진 절연층(I)으로 구성됩니다. RRAM은 두 전극 사이의 절연체에서 각각 LRS와 HRS에 해당하는 전도성 필라멘트의 형성과 파열에 의존합니다[13-15].

표 1은 기존 메모리 기술과 새로운 메모리 기술을 자세히 비교한 것이다. 표 1에서 알 수 있듯이 STT-MRAM과 PCM은 SRAM에 비해 면적이 작은 장점이 있다. STT-MRAM은 빠른 쓰기/읽기 속도, 긴 내구성, 낮은 프로그래밍 전압을 제공하는 반면 PCM은 쓰기 대기 시간이 길다는 단점이 있습니다. RRAM은 플래시에 비해 프로그래밍 전압이 낮고 쓰기/읽기 속도가 더 빠르며 플래시 메모리의 잠재적인 대체품으로 간주됩니다. 떠오르는 모든 메모리 기술 후보 중에서 RRAM은 손쉬운 제작, 단순한 MIM(metal-insulator-metal) 구조, 뛰어난 확장성, 나노초 속도, 긴 데이터 보존 및 현재 CMOS 기술과의 호환성과 같은 상당한 이점을 가지고 있어 경쟁력을 제공합니다. 미래 디지털 메모리에 대한 솔루션 [16]. RRAM의 가장 중요한 장점은 그림 1에 나와 있습니다.

<그림>

RRAM의 장점

이 작업에서는 RRAM 기술의 최근 진행 상황과 자세한 개요가 제공됩니다. 스위칭 모드의 분류 및 스위칭 메커니즘의 세부 사항과 함께 스위칭 재료에 대한 검토는 "RRAM(Resistive Random Access Memory)" 섹션에서 설명합니다. "RRAM(Resistive Random Access Memory)의 성능 메트릭" 섹션에서는 RRAM의 다양한 성능 메트릭을 강조 표시합니다. RRAM의 MLC(Multilevel Cell) 특성과 다양한 MLC 운영 방식 및 물리적 메커니즘은 "다중 RRAM(Resistive Random Access Memory)" 섹션에서 분석됩니다. RRAM 장치 모델링에 대한 자세한 설명은 "RRAM 장치 모델링" 섹션에 나와 있습니다. "RRAM의 응용" 섹션에서는 RRAM의 다양한 응용에 대해 설명합니다. 마지막으로 RRAM의 도전과제와 미래 전망은 "도전과 미래 전망" 섹션에서 제시된다. 이 리뷰 원고의 작성에 참고된 논문의 범주별 분포는 그림 2에 나와 있습니다.

<그림>

RRAM에 대한 검토 준비를 위해 참조된 논문의 범주별 배포

저항성 랜덤 액세스 메모리(RRAM)

저항 스위칭 재료

일부 절연체에서는 인가된 전기장의 인가에 따라 저항의 변화가 발생하는 것이 관찰되었습니다. 이러한 저항 변화 특성은 미래의 비휘발성 메모리 개발을 위해 최근에 조사되었습니다[17]. 저항 스위칭 현상은 다양한 산화물에서 관찰되었지만 이원 금속 산화물은 주로 CMOS BEOL 처리와의 호환성으로 인해 미래의 비휘발성 메모리 응용 분야에서 선호되는 스위칭 재료로 광범위하게 연구되었습니다. 하프늄 산화물(HfO x)과 같은 비휘발성 저항 스위칭을 나타내는 다양한 금속 산화물 기반 재료 ) [18–23], 산화티타늄(TiO x ) [24–31], 탄탈륨 산화물(TaO x ) [32–36], 산화니켈(NiO)[37–40], 산화아연(ZnO)[41–46], 티탄산아연(Zn2 TiO4 ) [47], 산화망간(MnO x ) [48, 49], 산화마그네슘(MgO) [50], 산화알루미늄(AlO x ) [51–53], 그리고 이산화지르코늄(ZrO2 ) [54-58]이 가장 주목받고 있으며 지난 몇 년 동안 광범위하게 연구되었습니다. 이러한 금속 산화물은 일반적으로 펄스 레이저 증착(PLD), 원자층 증착(ALD) 및 반응성 스퍼터링에 의해 증착됩니다. 그러나 ALD는 박막의 두께와 균일성을 정밀하게 제어할 수 있는 능력 때문에 널리 선호되는 방법이다[59].

기존의 전자 장치에서 전극 물질의 선택은 캐리어의 이동 경로 역할을 하기 때문에 중요합니다. RRAM의 경우 전극 재료의 선택은 장치의 스위칭 동작에 큰 영향을 미칩니다. 예를 들어, 구리/폴리(3-헥실티오펜):[6,6]-페닐-C61-부티르산 메틸 에스테르/인듐-주석 산화물(Cu/P3HT:PCBM/ITO) 구조에서 안정적인 저항성 스위칭 거동이 관찰되었습니다.; 그러나 Cu 전극이 Pt 전극으로 교체된 후 사라졌다[60]. RRAM의 전극으로 다양한 재료가 사용되었습니다. 전극 재료는 구성에 따라 기본 물질 전극, 실리콘계 전극, 합금 전극, 산화물 전극, 아질산염계 전극의 5가지 범주로 분류할 수 있습니다. 가장 풍부하고 일반적으로 사용되는 전극은 Al[51], Ti[49], Cu[30], 그래핀[61], 탄소나노튜브[62], Ag[41], W[36], 및 Pt [44]. 실리콘 기반 전극의 경우 p형 Si와 n형 Si[63]만이 사용되는 전극 유형입니다. 합금 전극은 일반적으로 저항성 스위칭 동작을 안정화하며 주로 Cu-Ti[64], Cu-Te[65] 및 Pt-Al[66]을 포함합니다. 가장 일반적인 질화물 기반 전극은 TiN과 TaN이다[67, 68]. 산화물 기반 전극은 Al-도핑된 ZnO[69], Ga-도핑된 ZnO[70] 및 ITO[71]를 포함하여 비교적 풍부합니다.

상단 전극과 하단 전극에 사용되는 다양한 재료 조합과 함께 최근 RRAM 장치 제조에 사용된 금속 산화물 재료 목록이 표 2에 나와 있습니다. 다양한 매개변수에 대한 자세한 비교도 제공됩니다. 사용된 다양한 재료로부터 다양한 유형의 산화물에서 비휘발성 저항 스위칭이 널리 관찰됨을 예측할 수 있습니다. RRAM 제조를 위한 재료 선택은 현재 반도체 기술에서 사용되는 산화물을 사용하여 금속 산화물 금속(MOM) 구조를 쉽게 제조할 수 있기 때문에 이점을 제공합니다. RRAM의 하단 전극 재료는 일반적으로 에칭하기 어려운 백금입니다. 단일 장치 구조의 경우 RRAM은 동일한 하단 전극을 공유할 수 있는 반면 크로스바 아키텍처의 경우 각 장치에 별도의 하단 전극이 사용됩니다. 물리적 기상 증착 및 리프트 오프에 의해 연속적으로 얻을 수 있습니다. 상부 전극과 저항성 스위칭 층은 ALD(Atomic Layer Deposition) 또는 PVD(Physical Vapor Deposition)를 사용하여 증착됩니다.

저항 전환 모드

저항성 랜덤 액세스 메모리(RRAM)는 일반적으로 MIM 구조라고 하는 금속-절연체-금속 구조를 갖는 저항성 스위칭 메모리 셀로 구성됩니다. 이 구조는 두 개의 금속(M) 전극 사이에 끼워진 절연층(I)으로 구성됩니다. RRAM 셀의 개략도와 단면도는 각각 그림 3a와 b에 나와 있습니다.

<그림>

RRAM용 금속-절연체-금속 구조의 개략도. RRAM의 단면도

RRAM 셀에 외부 전압 펄스를 인가하면 장치를 고저항 상태(HRS) 또는 일반적으로 논리 값 '0'이라고 하는 OFF 상태에서 LRS(저저항 상태) 또는 일반적으로 ON 상태로 전환할 수 있습니다. 논리 값 '1'이라고 하며 그 반대의 경우도 마찬가지입니다. 저항 스위칭(RS) 현상은 이러한 RRAM 셀의 저항 값 변화의 원인으로 간주됩니다. 준비된 RRAM은 초기에 고저항 상태(HRS)에 있으며, 장치를 HRS에서 LRS로 전환하기 위해 고전압 펄스를 인가하면 스위칭 레이어에 전도성 경로가 형성되고 RRAM 셀이 전환됩니다. LRS로 [72]. MIM(Metal Insulator Metal) 구조의 연성 파괴로 인해 발생하는 이 과정을 일반적으로 '전기 주조'라고 하며 이 과정이 발생하는 전압을 성형 전압(V f ). 형성 전압은 셀 면적[73]과 산화물 두께[74]에 의존하는 것으로 밝혀졌습니다. 이제 RRAM 셀을 LRS에서 HRS로 전환하기 위해 RESET 전압(V 재설정 )이 전환 전환을 가능하게 하는 적용되며 프로세스는 'RESET' 프로세스[75-78]로 참조됩니다. RRAM의 HRS는 전압 펄스의 인가에 따라 LRS로 변경될 수 있다. HRS에서 LRS로의 전환이 발생하는 전압을 SET 전압(V 설정 ) 이 과정을 'SET' 과정이라고 한다[79]. RRAM 셀에서 데이터를 효율적으로 읽기 위해 셀의 현재 상태를 방해하지 않는 작은 읽기 전압을 인가하여 셀이 로직 0(HRS) 또는 로직 1(LRS) 상태인지 여부를 결정합니다. LRS와 HRS는 인가된 전압이 제거된 후에도 각각의 값을 유지하므로 RRAM은 비휘발성 메모리입니다. 인가된 전압의 극성에 따라 RRAM은 (i) 단극 스위칭과 (ii) 바이폴라 스위칭의 두 가지 유형의 스위칭 모드로 분류될 수 있다[80]. 유니폴라 스위칭에서 다양한 저항 상태 사이의 디바이스 스위칭(설정 및 리셋 프로세스)은 인가된 전압의 극성에 의존하지 않습니다. 즉, 스위칭은 그림 5와 같이 극성은 같지만 크기가 다른 전압을 인가할 때 발생할 수 있습니다. 4a. 반면에 바이폴라 스위칭에서 다양한 저항 상태 사이의 장치 스위칭(설정 및 리셋 프로세스)은 인가된 전압의 극성에 따라 달라집니다. 즉, HRS에서 LRS로의 전환은 한 극성(양 또는 음)이고 반대 극성은 그림 4b에 표시된 것처럼 RRAM 셀을 다시 HRS로 전환합니다. 단극 스위칭에서 줄 가열은 재설정 작동 중에 전도성 필라멘트를 파열시키는 물리적 메커니즘으로 해석됩니다. 반면에 바이폴라 스위칭에서는 줄 가열이 여전히 마이그레이션을 가속화하는 데 기여하지만 하전된 종의 마이그레이션이 전도성 필라멘트 용해의 주요 원동력입니다. 보장하기 위해 RRAM의 형성/설정 프로세스 동안 유전체 스위칭 레이어의 영구적인 파괴가 없도록 하기 위해, 컴플라이언스 전류(I 참조 ) RRAM 장치에 적용됩니다. 규정 준수 전류(I 참조 ) 일반적으로 셀 선택 장치(트랜지스터, 다이오드, 저항기) 또는 오프칩 테스트 동안 반도체 매개변수 분석기에 의해 보장됩니다.

<그림>

RRAM에 대한 I-V 곡선. 단극 스위칭 및 b 바이폴라 스위칭 [4]

저항 스위칭 메커니즘

RRAM 셀의 스위칭은 유전체 내부의 전도성 필라멘트(CF) 성장을 기반으로 합니다. CF는 메모리 셀의 상부 전극과 하부 전극을 연결하는 나노미터 정도의 매우 작은 직경을 갖는 채널이다. 필라멘트가 연결되면 높은 전도성을 갖는 저저항 상태(LRS)가 되고 전극 사이의 간격으로 필라멘트가 분리될 때 높은 저항(HRS)이 발생합니다[91]. 전도성 필라멘트의 구성에 따라 RRAM은 (i) 전도성 브리지 랜덤 액세스 메모리(CBRAM)라고도 하는 금속 이온 기반 RRAM 및 (ii) 산소 결손 필라멘트 기반 RRAM이라고 하는 두 가지 유형으로 분류할 수 있습니다. 'OxRRAM'으로. 여기서 CBRAM은 ECM(전기화학적 금속화 메모리)이라고도 하는 반면 'OxRRAM'은 VCM(가전자 변화 메모리)이라고도 합니다.

'CBRAM'이라고도 하는 금속 이온 기반 RRAM에서 저항성 스위칭을 담당하는 물리적 메커니즘은 금속 이온의 이동 및 후속적인 환원/산화(산화환원) 반응을 기반으로 합니다[92, 93]. CBRAM 구조는 Ag, Cu 및 Ni와 같은 산화 가능한 상부 전극(양극), 상대적으로 불활성인 하부 전극(음극), 예를 들어 W, Pt, 그리고 두 전극 사이에 끼워진 금속 산화물 층. 이러한 메모리 셀에서 필라멘트 형성은 활성 금속 전극(가장 일반적으로 Ag 또는 Cu)의 용해, 양이온(Cu + 또는 Ag + ) 및 불활성 바닥 전극에서의 후속 증착 또는 환원 [94]. 따라서 이러한 유형의 RRAM의 저항성 스위칭 동작은 금속 필라멘트의 형성 및 용해에 의해 지배됩니다.

금속 이온 기반 CBRAM의 스위칭 메커니즘을 더 잘 이해하기 위해 Ag/a-ZnO/Pt RRAM 셀의 예를 살펴보겠습니다[41]. 전도성 브리지 랜덤 액세스 메모리 셀의 스위칭 프로세스를 나타내는 일반적인 개략도가 그림 5에 나와 있습니다. CBRAM 메모리 셀의 원래 상태가 그림 5a에 나와 있습니다. Ag 상단 전극(TE)은 필라멘트 형성의 활성 구성요소인 반면 하단 Pt 전극은 불활성입니다. Ag 상부 전극에 양의 전압 바이어스를 인가하면 산화(Ag → Ag + + e ) Ag + 때문에 상단 전극에서 발생 양이온이 생성되어 Ag 전극에서 유전층(a-ZnO)으로 증착됩니다. Pt 하단 전극(BE)의 음의 바이어스는 Ag + 를 끌어당깁니다. 양이온, 그리고 그 자체로 환원 반응(Ag + + e → Ag)는 하부전극에서 발생한다. 따라서 Ag + 양이온은 Ag 원자로 환원되고 전도성 브리지가 형성되고(그림 5b-d) RRAM 장치가 LRS를 나타낼 때까지 축적됩니다. 이 과정을 'SET'이라고 합니다. 인가된 전압의 극성이 바뀌면 전도성이 높은 필라멘트가 거의 완전히 용해되어 소자가 고저항 상태(HRS)에 있다고 합니다. 이 과정을 'RESET'이라고 하며 그림 5e에 나와 있습니다.

<그림>

전도성 브리지 RRAM의 스위칭 메커니즘 개략도. RRAM 장치의 원시 상태입니다. , Ag 산화 및 Ag 이동 + 음극에 대한 양이온과 그 환원. d Ag 원자와 Pt 전극이 축적되면 전도성이 높은 필라멘트가 성장합니다. 반대 극성의 전압을 인가하면 필라멘트 용해가 일어난다 [41]

산소 결손 기반 RRAM(OxRRAM)에서 저항성 스위칭을 담당하는 물리적 메커니즘은 일반적으로 산소 결손(V \(_{o}^{2+}\)) 및 후속 산소 이온 재배치(O 2− ), 따라서 RRAM 셀의 상부 전극과 하부 전극 사이에 전도성 필라멘트의 형성을 가능하게 한다[59]. 초기에 제조된 RRAM 셀의 경우 형성 공정, 즉 유전체의 소프트 브레이크다운이 필수적입니다. 연성 절연 파괴가 발생하면 양극 계면에 높은 전기장을 가하면 산소 원자가 격자에서 떨어져 나와 산소 이온이 됩니다(O 2- ) 반면 산소 결손(V \(_{o}^{2+}\)) 가 산화층에 남습니다. 산소 이온(O 2− ) 귀금속이 계면 산화물 층을 형성하기 위한 양극의 물질로 사용되는 경우 양극 물질과 반응하거나 중성 비격자 산소로 방전된다. 따라서 전극/산화물 계면은 '산소 저장소'처럼 행동합니다[85]. 다음으로, 산소 결손의 축적(V 벌크 산화물의 \(_{o}^{2+}\))는 전도성 필라멘트(CF)가 형성되고 장치에 상당한 전류가 흐를 때 RRAM 셀을 저저항 상태(LRS)로 전환합니다. 장치를 다시 고저항 상태(HRS)로 전환하려면 산소 이온(O 2- ) 양극 인터페이스에서 벌크 산화물로 다시 이동하고 산소 결손과 결합(V \(_{o}^{2+}\)) 또는 금속 CF 침전물을 산화시켜 필라멘트를 부분적으로 파열시켜 RRAM 셀을 HRS로 다시 전환합니다. 단극 스위칭 메커니즘을 나타내는 RRAM 셀의 경우, 산소 이온의 확산(O 2- )은 줄 가열 전류에 의해 열적으로 활성화되고 산소 이온은 농도 구배로 인해 계면 또는 CF 주변 영역에서 확산됩니다. 또한 유니폴라 스위칭 RRAM에서 CF 주변의 국부 온도를 올리기 위해서는 상대적으로 더 높은 리셋 전류가 필요하다는 점에 유의해야 합니다. 반면에 바이폴라 스위칭 RRAM에서는 산소 이온(O 2- ) 계면 층이 상당한 확산 장벽을 나타낼 수 있고 순수한 열 확산으로는 충분하지 않기 때문에 역전계의 도움이 필요합니다. 두 경우 모두 CF의 부분적 파열이 발생하여 RRAM 셀을 HRS(고저항 상태)로 전환한다는 점에 유의해야 합니다. 이것은 주로 산소 결손(V \(_{o}^{2+}\)) 및 열악한 영역으로 인해 전자에 대한 터널링 갭이 발생합니다. 장치를 다시 LRS(SET 프로세스)로 전환하기 위해 CF는 갭 영역의 소프트 브레이크다운 결과로 전극을 다시 연결합니다. 유사한 설정/재설정 프로세스가 여러 주기 동안 반복될 수 있습니다.

위의 논의를 바탕으로 전기화학적 금속화 메모리(ECM)라고도 알려진 CBRAM은 Ag, Cu 또는 Ni와 같은 전기화학적 활성 금속 전극에 의존하여 금속 양이온 기반 CF를 형성합니다[95]. 산소 결손의 CF는 원자가 변화 메모리(VCM)라고도 알려진 필라멘트 기반 RRAM 'OxRRAM'은 저장 물질 자체 내의 음이온 이동으로 인해 금속 원자 대신 산소 결손으로 구성됩니다[96]. 'OxRRAM'과 'CBRAM'의 스위칭 메커니즘이 자세히 논의되지만 두 RRAM 유형의 스위칭 메커니즘에 대해서는 여전히 논쟁이 있습니다[97]. 예를 들어, CF가 세트 프로세스에서 성장하기 시작하는 위치와 재설정 프로세스에서 파손되는 위치, 이러한 산소 결손/금속 원자가 모여 CF를 형성하는 방법. Ta/TaO x의 20회 연속 스위칭 사이클의 전류-전압(I-V) 특성 /Pt [98] 기반 RRAM 구조를 조사한 결과, 연속적인 스위칭 주기에 대한 LRS와 HRS의 명확한 변화가 관찰되었습니다. 결과적으로 전체 메모리 창이 감소하여 전체 RRAM 성능이 저하됩니다. 이 주기 간 저항 변동성은 주로 CF의 무작위 형성과 각각 설정 및 재설정 작업 중 파열에 기인합니다.

다양한 작동 매개변수를 기반으로 한 OxRRAM과 CBRAM의 비교가 표 3에 나와 있습니다[81, 84, 86–88, 99, 100]. 이 비교는 이러한 RRAM 메모리 유형의 내구성 특성 측면에서 현저한 차이를 보여줍니다. 이러한 차이는 CBRAM의 전도성 필라멘트가 산소 결손에 비해 상대적으로 드리프트 및 확산이 쉬운 금속 원자로 주로 구성되어 OxRRAM에 비해 CBRAM의 체류 시간 및 내구성 특성이 저하되기 때문입니다. 두 RRAM 유형의 스위칭 메커니즘은 다르지만 둘 사이에는 많은 공통 특성이 있습니다. 유일한 중요한 차이점은 OxRRAM의 내구성이 CBRAM보다 훨씬 높다는 것입니다.

저항성 랜덤 액세스 메모리(RRAM)의 성능 지표

내구성

저항성 랜덤 액세스 메모리는 높은 저항 상태(HRS)와 낮은 저항 상태(LRS) 사이의 빈번한 전환을 포함합니다. 저항성 상태 사이의 각 전환 이벤트는 영구적인 손상을 야기하고 RRAM 성능을 저하시킬 수 있습니다. 따라서 내구성은 RRAM 장치가 HRS와 LRS 사이를 확실하게 구별할 수 있는 비율을 보장하면서 전환할 수 있는 횟수로 정의됩니다[101]. 따라서 내구성 테스트는 HRS와 LRS를 더 이상 구별할 수 없게 되기 전에 효과적으로 전환할 수 있는 최대 설정/리셋 주기 수를 결정합니다. RRAM의 내구성 특성은 저항성 스위칭 셀에서 일련의 I-V 스윕을 수행한 후 R을 추출하여 얻습니다. HRSR LRS 읽기 전압(일반적으로 0.1V) 적용 시 [41]. 이 방법은 각 주기에서 장치의 올바른 전환을 얻을 수 있으므로 신뢰할 수 있습니다. 그러나 이 방법은 I-V 스윕을 얻는 데 필요한 시간이 특히 더 낮은 전류가 관련된 경우 매우 높을 수 있기 때문에 매우 느립니다.

H의 내구성 주기 f x RRAM 셀은 도 6a에 도시된 바와 같이 셀 크기에 대한 강한 의존성을 나타내며, 여기서 더 큰 셀 크기를 갖는 RRAM 장치에서 더 나은 내구성이 보고된다. 또한, 층 두께를 수직으로 줄이면 그림 6b와 같이 2.5V에서 SET 전압에 대한 내구성 성능이 저하된다[102]. 스위칭 레이어의 축소로 인한 내구성 성능의 이러한 열화는 활성 영역의 이온 수가 감소한 결과입니다. f x 기반 RRAM은 10 6 의 우수한 내구성 성능을 나타냅니다. 30nm 셀 크기가 0.18 μ 미만인 1kb 어레이에서 사이클 m 기술과 동일한 것이 그림 6c에 나와 있습니다[103]. A 레이어를 추가하여 x 하단 전극(BE) 위에서 HRS에 대한 읽기 방해 내성이 증가함에 따라 어레이 안정성이 더욱 향상될 수 있습니다. T를 위해 x - 기반 RRAM, 펄스 폭 및 RESET 전압 진폭 증가에 따른 내구성 성능 저하가 Ta/Ta2에서 관찰되었습니다. O5 /TiN RRAM 구조 [105]. Ta/Ta2에서 TiN과 Ru 바닥 전극의 비교 O5 /TiN RRAM은 내구성 저하의 주요 원인이 TiN 전극과 산소 이온의 반응 때문임을 보여줍니다. 또한 10 9 의 향상된 내구성 Ta2를 줄임으로써 유사한 RRAM 구조에서 검증 없이 스위칭 사이클을 얻었습니다. O5 3nm 이하의 층 [106] 및 <5ns 너비의 삼각 펄스 사용. 대규모 어레이 성능의 경우 2Mb Ta2 비교 O5 10 5 전후의 메모리 내구 시험의 주기는 그림 6d에 나와 있습니다[104]. 셀 전류 분포는 초기 및 최종 주기에 대해 작은 변화를 보여줍니다. Also, the cell current for LRS falls below 50 μ A, indicating low power consumption of the array. The resistive switching devices with endurance higher than 10 12 cycles have been reported in different types of RRAM cells involving tantalum oxide (TaO x )-based switching mediums [32, 36, 59]. Thus, tantalum oxide-based RRAM devices seem to be exhibiting the highest endurance.

Endurance cycles of H f O x -based RRAM at different SET voltage and cell size b with different thickness (T5=2 nm, T20=10 nm) at 2.5 V set voltage. Resistance distribution of 1-kb array obtained from Weibull plots under different endurance cycles. d 100 k cycles endurance of 2-Mb-Ta2 O5 -based array; Reprinted from refs [102–104]

Retention

The data retention of a RRAM device involves investigating stability over a period of time for both LRS and HRS after undergoing set and reset transitions. In other words, the time period for which a memory cell will remain in a particular state after the set/reset operation determines the capability of a memory cell to retain its content [11]. The application of the constant voltage stress (CVS) over time using a low read voltage (0.1 V) and the measurement of the current versus time (I-t) curve for both LRS as well as the HRS enables the measurement of state retention. Due to the dispersing nature of atomic rearrangements induced in RRAM because of set voltage, the long retention time in LRS is difficult to obtain whereas, in HRS, retention is not a concern as it is usually the natural state of the device and RRAM will continue to remain in this state if no bias (or low bias) is applied. The retention in the LRS depends on the compliance limit during the SET transition, e.g. in RRAMs based on conductive filament switching mechanism, the larger compliance current produces a stronger conducting filament which is more stable over time [28, 41], as compared to a smaller compliance current. A projected endurance of 10 years at 85 C has been demonstrated in Ti/HfO2 /TiN [18]. A commonly used method to obtain device endurance is by applying read pulse at high temperature after certain time intervals (e.g. every 1 s) and extrapolate the resistance to a 10-year period. Although this method is easy to implement, it has certain limitations primarily due to the read voltage stress applied to the cell. An alternative method is to change the temperature and record the time until the device fails. Activation energy is extracted by plotting the Arrhenius plot and extrapolate down to the operating temperature. However, the limitation of this method is that waiting is necessary until the failure occurs in the RRAM cell, and thus, this method is more time-consuming and expensive.

The device characteristics of H f O x -based RRAM [81, 103] developed at the Industrial Technology Research Institute, Taiwan, are demonstrated to further understand the working of RRAM device. The transmission electron microscopy (TEM) image of the TiN/Ti/ H f O x /TiN RRAM device with 30-nm cell size is shown in Fig. 7a. The device exhibits bipolar switching characteristics and the I-V curve obtained at 200 μ A set compliance current is shown in Fig. 7b. The device presents endurance of 10 6 switching cycles with the resistance on/off ratio greater than 100 at set/reset programming conditions of + 1.5 V/– 1.4 V pulse with 500 μ s pulse width and the same is depicted in Fig. 7c.

Transmission electron microscopy (TEM) image of TiN/Ti/HfO x /TiN RRAM device. Typical current-voltage (I-V) characteristics of the device with 30-nm cell size. 10 6 endurance switching cycles obtained from 500 μ s pulse. d A retention lifetime of 10 years is expected by testing at 150 C; reprinted from refs. [81, 103]

Uniformity

In RRAM cell, poor uniformity of various device characteristics is one of the significant factors limiting the manufacturing on a wider scale. The switching voltages, as well as both the HRS and the LRS resistances, are among the parameters exhibiting a high degree of variation. The variations of the resistance switching include temporal fluctuations (cycle-to-cycle) and spatial fluctuations (device-to-device). The stochastic nature of the formation and rupture of conductive filament is believed to be the main reason for these variations. Cycle-to-cycle and device-to-device variability is a major hindrance for information storage in RRAM devices [59]. The observation of cycle-to-cycle variability is influenced by the change in the number of oxygen vacancy defects that arise in the CF due to its stochastic nature of formation and rupture during the switching event [107]. Due to this random nature of the CF, the prediction and the precise control of the shape of the CF becomes extremely challenging. This variability becomes worse as the compliance limit (i.e. compliance current ‘I cc ’) is reduced. On the other hand, for the higher value of ‘I cc ’, the ratio of standard deviation (σ ) and average resistance (μ ) is low, resulting in a smaller LRS resistance spread. This is attributed to the higher defects in the CF, thus forming a well-defined path for current conduction.

RRAM also exhibits device-to-device (cell-to-cell) non-uniformity which also degrades the memory performance by reducing the memory margin between two states. The origin of this variability is attributed to the non-uniformities in the fabrication process such as the thickness of the switching film, etching damages and surface roughness of the electrodes. A lot of research has been conducted to improve the uniformity of RRAM and several methods have been explored for the same. One of the methods utilizes the concept of inserting nano-crystal seeds which confine the paths of the conductive filament by enhancing the effect of local electric field [82, 90, 108]. In Ti/TiO 2−x /Au-based RRAM [28], the induction of platinum (Pt) nano-crystals within the thin TiO 2−x results in an enhanced uniformity of the RRAM cell. The Pt nano-crystals limit the switching effect into regions with high oxygen vacancy generation probability which results in improved uniformity. In another approach, engineering the electrode/oxide interface by embedding appropriate buffer layers is very useful in achieving uniform RRAM operation. In HfO x -based RRAM [109], a thin Al buffer layer is inserted between the TiN electrode and HfO x oxide layer. This results in significant improvement of set voltage distribution as well as the resistance distribution, thus enhancing the uniformity of the device. The improvement in the SET voltage and the resistance distribution of the RRAM device after inserting a thin Al buffer layer between TiN electrode and HfO x bulk oxide and the same is depicted in Fig. 8 [59]. Al atoms are assumed to diffuse into HfO2 thin films, and they tend to localize oxygen vacancies due to the reduced oxygen vacancy formation energy, thus stabilizing the generation of conductive filaments, which helps to improve the resistance switching uniformity.

Uniformity improvement of Al buffered HfO x RRAM compared to HfO x -based RRAM array. Statistical distribution of SET voltage (V set ) obtained from 100 DC sweep cycles. HRS and LRS statistical distribution for 100 pulse sweep cycles; reprinted from ref. [59]

In addition to the materials engineering approach, a novel programming method has also been suggested to reduce fluctuations. A multistep forming technique was implemented in W/HfO2 /Zr/TiN [22]-based RRAM to minimize the overshoot current due to the parasitic effects. A multi-step forming technique results in the gradual formation of the filament; thus, a low set/reset current is achieved improving the switching characteristics of the device. Various other methods such as constant voltage forming and hot forming (usually referred to as forming at a higher temperature) have also been investigated to effectively reduce the resistance variations [110]. Another method of achieving high uniformity is by applying a pulse train rather than a single pulse to a RRAM cell [23]. This approach not only results in improved uniformity but also enhances the multilevel capability of a RRAM cell.

Effect of Operating Temperature and Random Telegraph Noise

To achieve a reliable performance of the RRAM device, the effect of operating temperature and random telegraph noise (RTN) is investigated. It is observed that the resistance of both the LRS and HRS states undergoes variations because of the change of operating temperature. The temperature study of TiN/HfO2 /Ti/TiN [111] was carried out. A positive sweep voltage of <3 V magnitude and compliance current of 1 μ A was applied for the electroforming. Once forming takes place, a reset voltage (V reset ) <–1 V switches the device back to the HRS (OFF state). To switch the device back to the LRS (ON state), set voltage (V set ) <1 V is applied.

The reset operation in RRAM device tends to show voltage-controlled negative differential resistance (NDR). The reset operation occurs abruptly at low temperatures, while for temperatures above room temperature, the reset process takes place more gradually. The resistance of the RRAM device in the pristine state, as well as the ON state and OFF state as a function of temperature is depicted in Fig. 9a. The semiconducting behavior is observed for the pristine state as well as the OFF state, i.e. resistance decreases with increase of temperature. For the ON state, a metallic characteristic is observed, i.e. resistance increases with increase of temperature. Due to the variation of resistance with change in temperature, R OFF /R ON also decreases from a value of 20 to approximately 5 over the temperature range of 213–413K. In Ti/HfO x /Pt devices, decrease in R OFF /R ON was observed with temperature-dependent cycling. This decrease in resistance ratio was attributed to the built-up of oxygen-vacancy-related traps inside the HfO2 metal oxide layer [112, 113]. Additionally, temperature-dependent measurements without set/reset operation were carried out to evaluate the impact of I-V cycling on the R OFF /R ON 비율. The sweep voltage across the RRAM device was stopped before reaching V setV reset values. For OFF state resistance (green rectangles), a weaker temperature dependence was observed in contrast to the ON state resistance (green circles) which exhibited similar characteristics, compared to the cycling case. From these observations, we infer that I-V cycling induces stronger temperature dependence, which decreases the R OFF /R ON 비율. The effect of temperature variation on the switching voltages V setV reset is depicted in Fig. 9b. The slight variation in V set with changing temperature indicates that there is no significant temperature difference. For the case of V reset , the general trend is that a decrease in voltage value of about 0.2 V with temperature increase in the range of 233–333K is observed. Also, a slow increase of V reset is observed for 353–413K temperature range.

The effect of varying temperature on a virgin resistance (left axis) and the OFF-state as well as the ON-state resistances (right axis) at 213–413K temperature range and b switching voltages V setV reset; reprinted from ref. [111]

Random telegraph noise (RTN) is another factor that affects the performance of RRAM. RTN has for long been used as an indicator of device performance and reliability. RTN decreases the memory margin between the HRS and LRS because of the extensive fluctuations in the read current during the read operation. Due to the effect of RTN, the read margin, scaling potential and the multilevel cell capability of a RRAM cell are greatly affected [114]; thus, it needs to be investigated to achieve reliable performance. To investigate the effect of bottom electrode on RTN, an analysis of Ta2 O5 /TiO2 RRAM [115] was carried out. The examples of complex RTN signals in LRS and HRS are depicted in Fig. 10. RTN causes read instability in the RRAM device, thus reducing the read margin, multibit storage implementation and hindering device scaling. The RTN is attributed to the trapping and de-trapping of electrons in the proximity of the CF in LRS whereas it occurs in the tunneling gap in the HRS state. Although the physics of RTN is still not clear and is being highly debated, the electron trapping and de-trapping which temporarily inhibits the charge transport is widely accepted as the mechanism responsible for fluctuation due to RTN. It is observed that with the decrease in operation current, the amplitude of RTN increases, thus highly affecting the HRS level. Therefore, it is necessary to ensure the additional resistance margin to achieve reliable performance. RTN in RRAM has been researched extensively, although the physical mechanism of RTN is still not explicitly defined. RTN can be utilized as a tool to map the movements of active vacancies in RRAM due to its time-dependent variation. This might be quite useful to understand the failure mechanisms of other reliability issues.

Complex RTN signals in LRS and HRS of Ta2 O5 /TiO2 -based RRAM depicting normalized noise amplitude and average current; reprinted from ref. [114]

Multilevel Resistive Random Access Memory (RRAM)

Multilevel Per Cell (mlc) Storage

Owing to their small physical size and low power consumption, RRAM devices are potential for future memory and logic applications. Increased storage density is among the most critical aspects of memory technology to enable the design of multibit capacity [89] memory cells. The multiple resistive states can be achieved in RRAM cells which provide benefits of low-cost and high-density non-volatile data storage solutions. Currently, a lot of research is being conducted in the area of RRAM to scale down the dimensions and increase the structural density of memory arrays. Previously, the storage density of RRAM has been increased by the reduction of device size; however, the complexity involved in the experimental procedures limits its successful implementation. Another suggested method is employing three-dimensional (3D) crossbar architectures. Two types of architectures of ‘vertical’ and ‘crossbar RRAM’ have been proposed [116, 117]; however, both these architecture types require advanced fabrication procedures which is not desirable. A much simpler alternative to increase storage density in RRAM devices is by making use of multilevel cell (MLC) storage technology which enables storing more than one bit per cell without reducing the physical device dimensions. This MLC is one of the most promising properties of RRAM which can significantly increase the memory storage density [83, 118–125]. Thus, instead of a single high and low resistance state (HRS and LRS), we can achieve multiple HRS and LRS, without changing the device dimensions. However, to achieve reliable MLC operation, the precise control over the resistance of the different resistance levels of RRAM should be ensured; otherwise, the device will suffer from resistance variability and reliability issues mainly due to the random nature of the conductive filament formation during the switching process [126].

Methods to Obtain Multilevel Per Cell (mlc) Modes in RRAM

The MLC behavior in RRAM makes it very useful for high-density applications. To obtain MLC behavior in RRAM, the following three methods are employed:(i) changing compliance current, (ii) controlling reset voltage and (iii) varying pulse width of program/erase operation.

MLC by Changing Compliance Current

The RRAM device is usually operated with 1-RRAM (1R) cell configuration [41] or in 1-Transistor 1-RRAM (1T-1R) cell configuration [18]. The MLC characteristics in 1R configuration can be obtained by changing the current compliance (I cc ) during ‘set’ operation whereas the MLC characteristics in 1-Transistor 1-RRAM (1T-1R) cell structure are controlled by varying the voltage at the gate of the transistor, which enables the control of compliance current (I cc ) during the set operation of a RRAM cell. The typical MLC I-V curves of Ti/Ta2 O5 /Pt [127] based RRAM cell are shown in Fig. 11. As the compliance current (I cc ) is increased from 150 μ A to 1 mA, six different LRS are obtained at I cc =150 μ A, I cc =200 μ A, I cc =300 μ A, I cc =500 μ A and I cc =700 μ A, I cc =1 mA due to the increase in the respective current of LRS (I LRS ) while the HRS is maintained constant and the HRS current (I HRS ) remains same for all the LRS levels. For Ti/Ta2 O5 /Pt RRAM, with the increase in I cc , the maximum reset current (I reset ) also increases while the set voltage is almost maintained constant. Also, it was observed that the resistance of the LRS (R LRS ) decreases while the (I reset ) increases owing to the stronger filament formation with the increase in I cc .

Multilevel characteristics of Ti/Ta2 O5 /Pt RRAM obtained by controlling the compliance current. ‘Reproduced from [127], with the permission of AIP Publishing’

The formation of the CF and its corresponding widening with an increase in I cc is the attributed mechanism of multilevel per cell (MLC) in compliance current (I cc ) mode as depicted schematically in Fig. 12. With an increase in the size of CF because of an increase of I cc , the resistance of the CF decreases and hence results in multiple LRS levels for different values of I cc . It is also observed that I reset increases with increasing I cc as higher power is required to rupture the CF having larger diameter.

Schematic illustration of multiple resistance states in RRAM cell obtained by varying compliance current ‘I cc ’ [98]

MLC by Controlling Reset Voltage

The MLC characteristics in a RRAM cell can also be obtained by controlling the reset voltage (V reset ) while (I cc ) is maintained constant. In this case, the typical MLC I-V curves of TiN/HfO x /AlO x /Pt-based RRAM cell [128] by applying different (V reset ) of − 2.1 V, − 2.7 V and − 3.3 V are shown in Fig. 13.

Multilevel characteristics of TiN/HfO x /AlO x /Pt RRAM obtained by controlling the reset voltage. ‘Reproduced from [128], with the permission of AIP Publishing’

It is observed that with an increase in (V reset ), the HRS current (I HRS ) decreases; thus, multiple HRS levels with the same LRS resistance are obtained. In addition, the set voltage (V set ) also increases as V reset is increased while as the I reset remains almost constant.

The decrease in I HRS with the increase in reset voltage is primarily due to the increase in the gap between the metal electrode and tip of the CF as depicted in Fig. 14. The more the magnitude of the V reset , the larger the gap and thus the higher the value of resistance. Therefore, an increase in the gap between the CF tip and bottom electrode (BE) with increasing reset voltage results in multiple resistance levels of HRS. It is observed that the devices in which the I reset shows a gradual change in current instead of the abrupt change during the ‘reset’ operation, the change in HRS resistance in such devices can be due to decrease in the size of the conductive filament (CF) as V reset is increased. This approach is more viable practically for cross-point architectures as it requires relatively lower complex circuitry.

Schematic illustration of multiple resistance states in RRAM cell obtained by varying reset voltage ‘V reset ’ [98]

MLC by Varying Program/erase Pulse Width

MLC characteristics can also be obtained by varying the program/erase pulse width while the amplitude of the pulse is maintained constant [23]. In HfO x -based RRAM [128], three HRS levels were demonstrated by varying the width of the reset pulse from 50 ns to 5 μ 에스. This method of obtaining MLC characteristics in RRAM is relatively easier; however, this scheme is energy inefficient. This drawback limits the application of this method to obtain reliable characteristics in the RRAM cell. The higher energy consumption of the RRAM device was confirmed on the comparison of the transient responses between the reset pulse amplitude and pulse width control. This is particularly due to the higher unwanted energy dissipation as the thermal energy in the resistive switching material.

A summary of RRAM devices exhibiting multiple resistance states is shown in Table 4. As is evident from the table, various RRAM devices with multiple resistance states have been reported. Till date, however, only 8 resistance states have been demonstrated in a single RRAM cell either by varying I cc or V reset . Therefore, there is a huge scope for increasing the number of resistance states in the RRAM cell, thus enhancing its storage density.

Modeling of RRAM Devices

Modeling plays a very critical role in development of devices utilizing semiconductor technologies. To fully understand device operation and to optimize the performance, an accurate model is of great importance. A number of RRAM models with varying features and accuracy have been proposed [129]. This section discusses the characteristics and attributes of the various commonly used RRAM models popular.

Stanford/ASU Model

One of the most popular physics-based RRAM models is the Stanford/ASU RRAM model [130–132], proposed by Guan et al. and Chen et al. This model was applied to validate the I-V switching characteristics of HfO2 RRAM [128] and includes the effect of Joule heating and temperature change on the switching of RRAM devices.

This model is dependent on the CF growth inside a dielectric switching layer. The filament gap, i.e. the gap between the tip of the CF and top electrode, is the internal state variable for this model. The growth of CF inside a dielectric is attributed to the oxygen ion movement and regeneration and recombination of oxygen vacancies [133]. Thus, the rate of change of filament gap (g) is given as [130]:

$$ {\frac{dg}{dt}} =V_{\tiny{0}}.\exp\bigg({{\frac{-E_{a},m}{k_{b}.T}} }\bigg). {\text{Sinh}} \bigg({\frac{qa_{h}\gamma V}{L.k_{b}.T}}\bigg) $$ (1)

여기서 E a is the activation energy, V is the magnitude of the voltage applied across the device, L is the switching material thickness, a h is the hopping distance, γ is the local field enhancement factor, V 0 is the velocity containing attempt to escape frequency, K b is the Boltzmann constant, q is the elementary unit charge and T is the temperature of the conductive filament.

The spatial variation in the gap size is accounted for in this model, in addition to the variations which arise due to the stochastic property of the ion process. A noise signal is added to the gap distance to account for these variations as [130]:

$$ g_{|t+\Delta t} =F \Big[ g_{|t}, {\frac{dg}{dt}} \Big] + \delta_{g}\times\tilde{X}(n)\Delta t, n ={\frac{t}{T_{GN}}} $$ (2)

여기서 Δ t is the simulation time step, the function F represents time evolution of gap size fromt to Δ 티. \(\tilde {X}\)(n) is a zero mean Gaussian noise sequence. GN is the time interval after which \(\tilde {X}\)(n ) changes to next random value.

The variation in the gap size δ g depends on kinetic energy of ions and filament temperature as [130]:

$$ \delta_{g} (T) ={\frac{\delta^{\tiny{0}}_{g}}{\bigg\{ 1+\exp \Big({\frac{T_{\text{crit}}- T}{T_{\text{smith}}}} \Big) \bigg\}}} $$ (3)

where \(\delta ^{0}_{g}\) and T smith are fitting coefficients to match the resistance distribution curves to experiments and T crit is a threshold temperature above which the gap size changes significantly.

This model shows strong dependence on temperature; thus, there is a need to account for the change of ‘T’ . With change in cell characteristics, the dynamic inner domain temperature T changes significantly, while the outer domain assumed to be at uniform and stable temperature (T bath ), is related as [130]:

$$ c_{p} {\frac{dT}{dt}} =V(t).I(t) - k(T-T_{\text{bath}}) $$ (4)

where C p is the effective heat capacitance of inner domain, V (t) I (t) represents the Joule heating and k is the effective thermal conductivity.

Using a generalized conduction mechanism, the current conduction is defined as [130]:

$$ I(g,v) =I_{\tiny{0}}.\exp\bigg({{\frac{-g}{g_{\tiny{0}}}} }\bigg){\text{Sinh}} \bigg({\frac{V}{V_{\tiny{0}}}}\bigg) $$ (5)

0 , g 0V 0 are the fitting parameters to match experimental results.

One of the significant features of this model is its implementation in neuromorphic applications and RRAM synaptic device design [134], giving the model a great degree of flexibility and further scope for implementation in various neuromorphic systems.

Physical Electro-thermal Model

Physical electro-thermal model was developed by Kim et al. [135] and implemented with tantalum pentoxide (Ta2 O5 ) -based bilayer RRAM [136–138]. This physical model solves the differential equations based on finite element solving method. This model also makes use of electrothermal physics phenomenon approach for modeling [139], thus giving it advantage in terms of flexibility to incorporate finite element method (FEM) solver to simulate the system very accurately. However, the drawback of this approach is its difficulty in implementation for SPICE and Verilog circuit solvers.

This model describes CF as a doped region having oxygen vacancies as dopants with CF extending from the top to the bottom electrode of the device. To describe the drift-diffusion of vacancy migration, this model assumes the same equation can be used to describe both the processes of oxygen ions and vacancies. The ion model by Mott and Gurney [140] is employed here to describe the process given as [135]:

$$ {\frac{dn_{D}}{dt}} =\Delta \times \bigg(D_{s}.\Delta_{n\tiny{D}}- \mu v n_{D} \bigg) + G $$ (6)

where D s describes the diffusion process, v gives the drift velocity of vacancies and G is the CF growth rate which actually describes the SET process. The parameters are defined as [135]:

$$ D_{s} ={\frac{1}{2}} \times a^{2} \times f_{e} \times \exp \bigg({\frac{- E_{a}}{k_{B}T}} \bigg) $$ (7) $$ v =a_{h} \times f \times \exp \bigg({\frac{- E_{a}}{k_{B}T}} \bigg) \times {\text{Sinh}} \bigg({\frac{q a_{h}E}{k_{B}T}} \bigg) $$ (8) $$ G =A \times \exp \bigg({\frac{- (E_{a}-ql_{m}E)}{k_{B}T}} \bigg) $$ (9)

where l m is the mesh size.

These equations govern the physical transformation of the device during SET and RESET transition, thus essentially controlling the CF growth and rupture.

Huang’s Physical Model

Huang’s physical model developed by Huang et al. [141, 142] is a very comprehensive physical model for RRAM device as it takes into account both the CF width and the gap of filament to electrode as the factors affecting the state variable dynamics. In addition, temperature distribution is also accounted for in this model.

SET/RESET process is considered as a result of generation/recombination process of oxygen ions (O 2− ) and oxygen vacancies (V 0 ). During the SET process, CF starts to evolve from the tip of the top electrode (T.E) and elongates in radius with increase in voltage, resulting in final width ‘W’ of the C.F. This model assumes symmetrical cylindrical shape of the C.F. During RESET process, CF ruptures starting from TE till it dissolves completely with increase in voltage. The filament gap distance ‘x’ is defined as the gap between active electrode layer (T.E) and the tip of the C.F.

Thus, for the SET process, parameter ‘W’ acts as state variable, while for RESET, parameter ‘x’ acts as state variable. Therefore, \(\frac {dx}{dt}\) and \(\frac {dw}{dt}\) define the dynamics of the device during the SET/RESET transition.

During the first reset process, CF reduction rate, i.e. release of O 2− , is by the electrode is expressed as [142]:

$$ {\frac{dx}{dt}} =a \times f\times \exp \bigg({\frac{- E_{i}-\gamma Z_{e}V}{k_{B}T}} \bigg) $$ (10)

For O 2− hopping within the oxide layer, the CF reduction rate with ‘a’ being the distance between two V0 is given as [142]:

$$ {\frac{dx}{dt}} =a \times f\times \exp \bigg({\frac{- E_{h}}{k_{B}T}} \bigg) {\text{Sinh}} \bigg({\frac{ a_{h}Z_{e}E}{k_{B}T}} \bigg) $$ (11)

For the case of RESET process when dominated by recombination between O 2− and V0 is expressed as [142]:

$$ {\frac{dx}{dt}} =a \times f\times \exp \bigg({\frac{- \Delta E_{r}}{k_{B}T}} \bigg) $$ (12)

In the initial step of the SET process dominated by recombination of oxygen vacancies with thin CF initially grown is given by [142]:

$$ {\frac{dx}{dt}} =-a \times f_{e}\times \exp \bigg({\frac{- E_{a}-\alpha_{a} Z_{e}E}{k_{B}T}} \bigg) $$ (13)

Here, Z and α g are the fitting parameters.

For the second step, CF grows along its radial direction and is defined as [142]:

$$ {\frac{dw}{dt}} =\bigg(\Delta w + {\frac{\Delta w^{2}}{2w}} \bigg) \times f_{e}\times \exp \bigg({\frac{- E_{a}-\gamma Z_{e}v}{k_{B}T}} \bigg) $$ (14)

The current flowing through the device is modeled as a correlation of hopping current with voltage and gap distance expressed by [134] as:

$$ i =i_{0}. \exp \bigg({\frac{-x}{x_{T}}} \bigg) {\text{Sinh}} \bigg({\frac{v}{v_{T}}} \bigg) $$ (15)

This model is validated in HfO x /TiO x system [141, 142], and a pretty accurate match between the experimental and simulation results is obtained. Although this model accounts for the significant processes which affect the RRAM operation, however, it has some limitations. The most critical one is being incompatible with the SPICE and Verilog-A.

Filament Dissolution Model

This model was developed exclusively for unipolar RRAM devices by Russo et al. [143–145], however was later modified for bipolar RRAM devices [139, 146] also. Filament dissolution model is based on rupture of CF under the effect of significant temperature change caused due to Joule heating.

One of the significant advantages of this model is that it utilizes the simple partial differential equations to account for the device current and temperature changes due to Joule heating as well as the dissolution velocity. The conduction of current within the device is described by Poisson’s equation [144] as:

$$ \triangledown \times \bigg({\frac{1}{\varphi}\triangledown_{v}} \bigg) =0 $$ (16)

Here, φ is the oxide resistivity and v defines the electric potential due to the application of external bias voltage to one of the electrodes while the other electrode is connected to ground.

The CF is divided into a number of mesh grids and at each point of the mesh grid the temperature is calculated to describe the rupture of CF. The Fourier steady-state heat equation describes this effect as [144]:

$$ -\triangledown \times \bigg(k \triangledown T \bigg) =\varphi J^{2} $$ (17)

여기서 k represents the oxide layer thermal conductivity, J is the current density and T is the device temperature.

The temperature ‘T’ of the device increases to the critical temperature, after which the device is reset and the CF dissolution takes place. The dissolution factor is modeled as [144]:

$$ V_{\text{DIS}} =V_{\text{DIS}-F}. \exp \bigg({\frac{- E_{a}}{k_{B}T}} \bigg) $$ (18)

여기서 E a is the activation energy, k b is the Boltzmann constant, V DIS−F is a fitting parameter and V DIS is velocity of CF boundary towards symmetry axis.

The resistivity of CF is temperature-dependent and is described as [144]:

$$ \varphi_{\text{CF}} (T) =\varphi_{\mathrm{CF-RT}} \Big[ 1 + C (T-T_{0}) \Big] $$ (19)

여기서 C is the experimentally calculated temperature coefficient of resistivity and φ C FR is the standard CF resistivity at room temperature.

COMSOL Multiphysics Software [147] is used for solving the coupled equations for this RRAM model due to its multiphysics capabities and ability to handle such simulations.

Bocquet Bipolar Model

Bocquet bipolar model [148] describes the bipolar oxide-based resistive switching memories utilizing a physics-based modeling approach. Bocquet bipolar model describes the electroforming process of RRAM device, inaddition to utilizing some of the characteristics from Bocquet unipolar model [149] and modifies them significantly according to the bipolar switching characteristics. In this model, the radius of the CF is the internal state variable which effectively governs the switching rate.

To model the electroforming stage, Bocquet bipolar model utilizes electroforming rate (τ Form ) which details the mechanism of conversion to switchable sub-oxide from pristine oxide. The electroforming stage is modeled as [148]:

$$ \tau_{\text{form}} =\tau_{\text{form}0} \times \exp \bigg({\frac{E_{a\text{Form}}-q \times \alpha_{s} \times V_{\text{cell}}}{k_{B}\times T}} \bigg) $$ (20) $$ {\frac{dr_{\text{CFmax}}}{dx}} ={\frac{r_{\text{work}}-r_{\text{CFmax}}}{\tau_{\text{form}}}} $$ (21)

여기서 E a Form is the activation energy for electroforming, τ form0 is the nominal forming rate, α s is the charge transfer coefficient, V cell is the voltage applied between the top and bottom electrodes, r CF is the radius of CF which varies from 0 to r CFmax , q is the elementary charge of electron, T is the temperature of the device and k is the Boltzmann constant.

The electrochemical redox reaction derived from Butler-Volmer equation [150] is used to describe the SET/RESET operation as [148]:

$$ \tau_{\text{Red}} =\tau_{\text{Redox}} \times \exp \bigg({\frac{E_{a}-q \times \alpha_{s} \times V_{\text{cell}}}{k_{B} \times T}} \bigg) $$ (22) $$ \tau_{Ox} =\tau_{\text{Redox}} \times \exp \bigg({\frac{E_{a}+q \times (1 - \alpha_{s}) \times V_{\text{cell}}}{k_{B} \times T}} \bigg) $$ (23)

Here, τ Red and τ Ox are the reduction and oxidation rates, respectively. τ Redox is the effective reaction rate considering both reduction and oxidation reactions.

The switching rate is obtained by coupling the above two equations as [148]:

$$ {\frac{dr_{CF}}{dt}} ={\frac{r_{\text{CFmax}}-r_{\text{CF}}}{\tau_{\text{red}}}} - {\frac{r_{\text{CF}}}{\tau_{\text{Ox}}}} $$ (24)

Bocquet bipolar model is a quite comprehensive model as it includes the temperature effects as well. The local filament temperature is coupled using heat equation and is given in Eq.(25), the temperature considering a cylindrical-shaped filament is given in Eq. (26). The maximum temperature reached into CF at x =0, the middle of the filament is given in Eq. (27) and the equivalent electrical conductivity in the work area (σ eq ) is given in Eq. (28).

$$ \sigma_{x} \times F(x)^{2} =- k_{th}.{\frac{d^{2}T(x)}{dx^{2}}} $$ (25) $$ T(x) =T_{\text{amb}}+{\frac{V^{2}_{\text{cell}}}{2. L^{2}_{x}.k_{th}}} \bigg({\frac{L^{2}_{x}}{4}- x^{2}} \bigg) \sigma_{eq} $$ (26) $$ T =T_{\text{amb}}+{\frac{V^{2}_{\text{cell}}}{8. k_{th}}} \sigma_{eq} $$ (27) $$ \sigma_{eq} =\sigma_{CF}.{\frac{r^{2}_{\text{CF}}}{r^{2}_{\text{work}}}} - \sigma_{Ox}. {\frac{r^{2}_{\text{CFmax}}-r^{2}_{\text{CF}}}{r^{2}_{\text{work}}}} $$ (28)

where (σ x ) is the local electrical conductivity, F (x ) is the local electric field, σ CF is the electrical conductivity of the conductive filament, k th is the thermal conductivity and T amb is the ambient temperature.

It must be mentioned here that temperature increases with increase in radius of the CF, resulting in self-accelerated reaction due to a positive feedback loop. The self-limited reaction also referred to as SOFT reset [151], on the other hand, occurs due to the decrease in temperature and radius of the CF during RESET operation.

The total current flowing in OxRRAM is the sum of currents flowing in the conductive area (I CF ), the conduction through switchable sub-oxide (I sub−oxide ) and conduction through unswitched pristine oxide (I pristine ). The total current is as [148]:

$$ I_{\text{cell}} =I_{\mathrm{sub-oxide}} + I_{\text{CF}} + I_{\text{Pristine}} $$ (29) $$ I_{\text{CF}} =F.\pi. \sigma_{CF}.r^{2}_{CF} $$ (30) $$ I_{\mathrm{sub-oxide}} =F.\pi. \sigma_{Ox}. \big(r^{2}_{\text{CFmax}}- r^{2}_{CF}\big) $$ (31) $$ I_{\text{Pristine}} =S_{cell}.A.F^{2}. \exp {\frac{-B}{F}} $$ (32) $$ A ={\frac{m_{e}.q^{3} }{8\pi.h.m^{ox}_{e}.\phi_{b} }} $$ (33)

The parameter B e is the metal-oxide barrier height (ϕ b )-dependent and is given as [148]:

$$ if \phi_{b}\geq qL_{x}F:B_{e} ={\frac{8 \pi \sqrt{2m^{ox}_{e} }}{3\times h\times q}} \Big[ \phi^{{\frac{3}{2}}}_{b}- (\phi_{b}-qL_{x}E)^{{\frac{3}{2}}} \Big] $$ $$ \text{otherwise}, B_{e} ={\frac{8 \pi \sqrt{2m^{ox}_{e} }}{3\times h\times q}} \times \phi^{{\frac{3}{2}}}_{b} $$ (34)

where m e and \(m^{ox}_{e}\) are the effective electron masses into the cathode and oxide respectively, F =\(\frac {V_{\text {cell}} }{L_{x}}\) is the electric field across the active layer, h is the Planck constant and S cell is the section of the RRAM cell.

Discrete solutions are required to implement the model in an electrical simulator. This model accounts well in that aspect, making it suitable for simulation involving electrical circuits. This model implements equations in Eldo circuit simulator [152]. The discrete solutions are given as [148]:

$$ r_{\text{CFmax}_{i+1}} =\big(r_{\text{CFmax}_{i}}- r_{\text{work}} \big) \times e^{ {\frac{-\Delta t}{{\tau}_{\text{form}}}} } + r_{\text{work}} $$ (35) $$ r_{CF_{i+1}} =\bigg(r_{CF_{i}}- r_{\text{CFmax}_{i}} \times {\frac{\tau_{eq}}{\tau_{\text{Red}}}} \bigg) \times e^{ {\frac{-\Delta t}{{\tau}_{eq}}} } + r_{\text{CFmax}_{i}} \times {\frac{\tau_{eq}}{\tau_{\text{Red}}}} $$ (36) $$ \text{where} { \tau_{eq}} =\frac{\tau_{\text{Red}}\times \tau_{\text{Ox}} }{\tau_{\text{Red}}+\tau_{\text{Ox}}} $$ (37)

This model has been verified against electrical characterization from an HfO2 -based system [153]. An important feature of this model is that it can account effectively for device to device variability [154, 155]. One of the major limitations of this model is the lack of current or voltage threshold.

This section presents in detail various characteristics and features of the RRAM models. A comparative analysis of the RRAM models discussed in this work is presented in Table 5.

Applications of RRAM

RRAM is seen as one of the standout candidates among the emerging memory technologies that has the potential for reforming the memory hierarchy primarily due to its high speed, the capability of non-volatile data storage, enhanced storage density and logic computing function. The various novel applications of RRAM are discussed in this section.

>Non-volatile Logic

The instruction codes and the data are transferred by making use of buses between various units in a computer system having von Neumann architecture because of the separate computing and memory unit. This data transferring process results increased energy consumption and time delay, which is commonly referred to as ‘von Neumann bottleneck’. For reducing the impact of von Neumann bottleneck [156], the computing process which utilizes RRAM crossbar array is suggested which alters the memory and computing operations in the same core. In addition, to obtain high integration density and low cost [157], two-terminal compact device structure of RRAM and its 4F 2 array architecture are highly beneficial. For example, to obtain simple Boolean logic functions such as ‘logic NOT’, ‘logic AND’, and ‘logic OR’, we require multiple transistors and each single transistor takes 8−10F 2 area. These logic functions can be realized by making use of two or three RRAM cells, resulting in total approximate area of around 10F 2 only [158].

Till date, several methods have been suggested for realizing Boolean logic functions [159, 160]. Boolean computing is significantly more established compared to existing non-Boolean computing paradigms such as neuromorphic computing and quantum computing. Therefore, energy and cost-efficiency of CPU or MCU can be enhanced without the need to develop new algorithms or software, although there is still a lack of technical solution on how to implement complex computing tasks in a crossbar array. Thus, most of research to date focusses on only basic logic level demonstration as it becomes quite complex to implement a whole computing unit using RRAM array.

Neuromorphic Computing

To overcome ‘von Neumann bottleneck’, one of the effective ways is brain-inspired neuromorphic computing which has shown promising potential in a wide range of complex and cognitive tasks like visual/audio recognition, self-driving, and real-time big-data analytics. Compared to CMOS-based neuromorphic network, neuromorphic computing based on RRAM-array offers advantages in terms of on-chip weight storage, online training, and scaling up to much larger array size [161–163]. In addition, the processing speed of RRAM improves by three orders of magnitude, whereas the power consumption rate is reduced by four orders of magnitude [164].

For realizing hardware-implemented neuromorphic computing paradigms, two methods are suggested:one among the strategies mimics the structure and working mechanism of biological neural networks while the other method works on accelerating the existing artificial neural network (ANN) algorithms. In a neural network, a synapse is used to transfer spikes between different neurons in addition to storing information about the transferring weights. The information regarding weights can be acquired through certain learning rules such as spike-time-dependent plasticity (STDP) and spike-rate-dependent plasticity (SRDP) [165–167]. Although some of the works reported in the literature have tried to emulate such learning rules on RRAM devices, it is however quite complicated to extend such types of bioinspired learning rules to a complex task as the theoretical algorithm is still lacking.

A practically viable approach is to map an ANN to a RRAM-based neuromorphic network directly. Some advanced tasks such as pattern and speech recognition have been demonstrated based on this method [166–169]. Although very promising, RRAM-based synapse is still far from being applied as various issues such as material optimization, variation suppressing, control circuit design, architecture, and algorithms design for analog computing need to be addressed effectively.

Security Application

The security aspect has become more prominent with rapid developments in the field of information technology; thus, there is a need for hardware-based security-integrated circuits. In contrast to security circuits based on CMOS logic which exploits the random nature of the semiconductor manufacturing process, security circuits based on RRAM are more robust to attacks of various types due to its completely random switching mechanisms [170, 171]. It must be noted that for security applications, larger variation of RRAM device parameters such as random telegraph noise (RTN), resistance variations and probabilistic switching is desirable, which is quite different from memory applications that require a smaller degree of variation among numerous parameters.

A novel security feature commonly referred to as physical unclonable function (PUF) [172], based on RRAM is proposed for device authentication (strong PUF) and key generation (weak PUF) applications. Significantly larger number of input-output pairs [also called challenge-response pair (CRP) are required for strong PUF, while only a small amount of CRPs of extremely higher reliability are required for weak PUF [173]. Although, PUFs based on RRAM have demonstrated remarkable performance; however, still more practical demonstrations and further evaluations are required to work out the maturity of this new primitive within the field of hardware security.

Non-volatile SRAM

Volatile memory technologies like SRAM and DRAM may consume over half of the static power within the current mobile SoC chips. Thus, to attain fast parallel memory operations, reduced area and low-energy consumption, RRAM-based non-volatile SRAM (nvSRAM) was proposed [174] in which two RRAM cells are stacked on eight transistors, forming an 8T2R structure. Also, non-volatile ternary content-addressable memory (TCAM) having 4T2R cell structure [175] and non-volatile flip flops having reduced stress time and write power based on RRAM have been demonstrated recently [176].

Challenges and Future Outlook

During the past several years, research in the field of emerging memory technologies has grown significantly and several prototype RRAM products have been developed demonstrating the potential for high-speed and low-power embedded memory applications. RRAM is one of the most promising memory technologies because of the advantages of simple structure, compatibility with the existing CMOS technology, good switching speed and ability to scale to the smallest dimensions. As a matter of fact, currently the Flash memory technology is facing difficulties to reduce to lower dimensions and as such RRAM is emerging as a potential replacement especially for fast operation and medium size storage density memory applications.

One of the most critical aspects that needs to be thoroughly investigated is that of the reliability of RRAM. A mechanism must be developed to ensure the detection of the operation failure of the device. Also designing circuits, e.g. a test element group (TEG) design for robust signal sensing, is one of the critical challenges for the emergence of RRAM devices. To achieve high-density memory operation in RRAM, the 1D1R operation is essential. This can be realized by operating the RRAM device in the unipolar mode. However, in the unipolar operation, higher current is needed for the reset process as compared to that of the bipolar operation. This is due to the fact that thermal effect plays a significant role in the unipolar reset process. Thus, to realize a high-density 1D1R RRAM array, the thermal effects both inside and outside a memory element needs to be considered. Also note that till date, in a single RRAM device, no technology has simultaneously reported fast switching, low power, and stable operation. Although, the endurance of RRAM has been reported as high as 10 12 [59], it is still not enough to be able to replace DRAM. The RRAM possesses the switching speed fast enough for DRAM replacement and the materials used in the fabrication for RRAM are very similar to that of DRAM, it becomes a critical challenge to improve the endurance characteristics of RRAM. To improve the endurance characteristics, it is necessary to control the oxygen movement between the electrode and the oxide layer at the interface. It is suggested to insert the second metal layer at the interface which can be easily oxidized and acts as an oxygen reservoir to prevent oxygen from penetrating into the electrode during the resistance switching. The most critical challenge hindering RRAM development till date is the proper understanding of the device switching mechanism which is since long being debated by researchers across the globe. The inconsistent switching mechanism of various reported RRAM devices is believed to be because of variation in the fabrication process, and thus, more rigorous analysis is needed in the future for obtaining a better understanding of the switching mechanism of RRAM devices. The aforesaid issues need to be handled effectively before implementing RRAM in future memory applications. Although, RRAM is highly attractive for use in neuromorphic computations, the biggest challenge to industrialize RRAM lies in its ability to tackle the variability issues, not only at nominal operating conditions but also at high temperatures before they can be used in a wide variety of applications.

Conclusion

This review article provides a brief introduction into the advancement of the memory architecture, the current trends and the limitations while providing a valuable insight into the field of emerging memory technologies. A detailed discussion, highlighting the importance of RRAM, its structure, working mechanism, and classification, has been presented. The key performance parameters and their effect on the RRAM operation has also been detailed within the current manuscript. An elaborate study on the MLC capability of RRAM, along with the methodology have been presented. The manuscript also discusses the important features of the widely accepted RRAM models. The implementation of RRAM for various important applications such as non-volatile logic, neuromorphic computing, security, and non-volatile SRAM have been highlighted. Although, significant success has been achieved in RRAM technology; however, more work is needed as RRAM still suffers from various challenges in terms in terms of high operation current, lower resistance ratios, and reliability issues. More efforts in research should aim to develop methods to achieve faster programming/erasing, lower power consumption, enhancing the storage density by implementing multilevel storage capability and improvement in the fabrication process for enhanced uniformity. In addition, renewed focus should be towards use of RRAM in embedded memory and non-volatile logic applications as breakthroughs in these fields are much more exciting and significant. With continued work and improvements, it is imperative that RRAM devices will be a standout technology for future non-volatile memory applications.

데이터 및 자료의 가용성

Not applicable.

약어

RRAM:

Resistive random access memory

MLC:

Multilevel cell

RTN:

Random telegraph noise

DRAM:

Dynamic random access memory

SRAM:

Static random access memory

PCM:

Phase change memory

STT-MRAM:

Spin-transfer torque resistive random access memory

LRS:

Low resistance state

HRS:

High resistance state

MTJ:

Magnetic tunneling junction

MIM:

금속 절연체 금속

MoM:

Metal-oxide-metal

PLD:

Pulse laser deposition

ALD:

원자층 증착

V set :

Set voltage

V reset :

Reset voltage

V f :

Forming voltage

I CC :

Compliance current

CBRRAM:

Conductive bridge resistive random access memory

OxRRAM:

Oxygen vacancies resistive random access memory

ECM:

Electrochemical metallization memory

VCM:

Valence change memory

CF:

Conductive filament

BE:

Bottom electrode

TEM:

투과전자현미경

I-V:

전류-전압

1T-1R:

1-Transistor 1-RRAM

ANN:

Artificial neural network

STDP:

Spike-time-dependent plasticity

SRDP:

Spike-rate-dependent plasticity

PUF:

Physical unclonable function

CRP:

Challenge-response-pair

nvSRAM:

Non-volatile SRAM

TCAM:

Ternary content addressable memory

TEG:

Test element group


나노물질

  1. 13가지 내화재료의 종류와 응용
  2. IoT 웨어러블의 성능 및 보안 개선
  3. Cervoz:산업용 애플리케이션에 적합한 플래시 스토리지 선택
  4. 원자층 증착에 의해 제조된 Pt 및 TiN 코팅 기판 상의 HfO2/TiO2/HfO2 삼중층 구조 RRAM 장치의 양극성 저항 스위칭 특성
  5. 무적합 ZrO2/ZrO2 − x /ZrO2 저항 메모리(제어 가능한 인터페이스 다중 상태 스위칭 동작 포함)
  6. 순수 CMOS 논리 프로세스에 의한 자체 억제 저항 스위칭 부하가 있는 RRAM 통합 4T SRAM
  7. 질화 처리된 HfO2 기반 RRAM의 전도 메커니즘 및 향상된 내구성
  8. 저항성 랜덤 액세스 메모리의 모델링 및 시뮬레이션에 대한 종합 연구
  9. 매우 빠르고 안정적인 전하 저장 성능을 나타내는 계층적 거대다공성 흑연 나노웹
  10. 폴리아닐린/질소 도핑 정렬된 메조포러스 탄소 합성물의 합성 및 슈퍼커패시터 성능