Najmniejsza rezystywna komórka pamięci RAM bazująca na strukturze HfO2

Europejski instytut badawczy IMEC zaprezentował najmniejszą na świecie, w pełni funkcjonalną, rezystywną komórkę pamięci RAM (RRAM), bazującą na strukturze HfO2, o powierzchni mniejszej niż 10 x 10 nm?. Nowa komórka ma cechy umożliwiające spełnienie większości wymagań stawianych przyszłościowym urządzeniom pamięci nieulotnej. RRAM to nowa, rozwijająca się technologia pamięci nieulotnej, będąca potencjalnym kandydatem do zastąpienia obecnej technologii NAND Flash w wyścigu do zmniejszenia wymiarów pamięci poniżej 10 nm.

W obecnie stosowanych technologiach pamięci Flash, w których dane są przechowywane w postaci ładunków, występuje problem przeskalowania poniżej 18 nm. Aby te ograniczenie przezwyciężyć, na całym świecie badanych jest wiele innowacyjnych koncepcji budowy komórek i pamięci. Jedną z najbardziej obiecujących koncepcji pamięci jest rezystywna nieulotna pamięć RAM. Opiera się ona na elektronicznym przełączaniu elementu rezystywnego pomiędzy dwoma stabilnymi stanami oporności (małej i dużej). Głównymi zaletami technologii RRAM są potencjalnie duża gęstość upakowania i duże szybkości przełączania.

Komórki RRAM opracowane przez IMEC zawierają element rezystywny wykonany z hafnu i tlenku hafnowego (Hf/HfOx). Pracuje on w obszarze komórki mniejszym niż 10 x10 nm? z dużą niezawodnością (wytrzymuje powyżej 109 cykli). Komórka cechuje się szybkim przełączaniem rzędu nanosekund przy niskich napięciach i dużym stosunkiem rezystancji w stanie włączenia do rezystancji w stanie wyłączenia (powyżej 50), który nie zmienia się po 30 godzinach pracy w temperaturze 200 °C. Praca pamięci pozostaje bezawaryjna nawet w ciągu 30 godzin w temperaturze 250 °C. Energia przełączania przypadająca na jeden bit wynosi poniżej 0.1 pJ, a zmienne napięcia pracy są znacznie niższe od 3V. Dzięki tym cechom, komórki IMEC spełniają większość wymagań stawianych urządzeniom pamięci nieulotnej.

Ponadto, IMEC sprecyzował także wpływ krystalizacji powłoki na działanie komórek RRAM, zwłaszcza z perspektywy na dalsze zmniejszanie wymiarów. To również rzuca światło na rolę warstwy przykrywającej (cap layer) i mechanizmy przełączania. Wyniki te uzyskano we współpracy z kluczowymi partnerami IMEC w głównych programach opracowania technologii CMOS: Globalfoundries, Intel, Micron, Panasonic, Samsung, TSMC, Elpida, Hynix, Fujitsu oraz Sony.