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Imec: OxRRAM-Speicherbausteine

OxRRAM: Gut skalierbar und einfach zu fertigen

4. August 2017, 10:30 Uhr | Von Gouri Sankar Kar, Distinguished Member of Technical Staff

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Fortsetzung des Artikels von Teil 1

Einfluss der Programmierzyklen und der Metall-Oxid-Grenzfläche

OxRRAM-Crossbar-Zellen wurden auf einem Transistor in der sogenannten 1-Transistor-1-Resistor-Konfiguration (1T1R) integriert. Eine 5 nm dicke HfO2-Layer dient als Dielektrikum zwischen einer 30 nm dicken unteren TiN-Elektrode und der oberen Hf-(10 nm)/TiN-Elektrode. Die Abmessungen des Aufbaus betragen 40 nm × 40 nm. Mit diesem TiN/HfO2/Hf-Stack wird der Einfluss der Programmierbedingungen evaluiert. Dazu wurden mehrere unterschiedliche Stacks hergestellt, um Lösungen für die Materialentwicklung zu untersuchen, insbesondere für die Ausbildung der Oxid-Metall-Grenzfläche.

Einfluss der Programmierzyklen und der Metall-Oxid-Grenzfläche

Die Imec-Forscher konnten erstmals belegen, dass der Datenerhalt im LRS-Status im Wesentlichen vom Verlauf der Programmierzyklen der Speicherzelle abhängt. So kann der Einsatz eines kurzen Reset-Impulses mit hoher Amplitude in Verbindung mit einem langen Set-Impuls den LRS-Datenerhalt stark verbessern. Sie konnten außerdem zeigen, dass es möglich ist, überschüssige O-Ionen durch wiederholte kurze Set/Reset-Zyklen zu beseitigen. Auch die Verzögerungszeit zwischen den Set- und Reset-Impulsen spielt eine bedeutende Rolle. Wenn die Set-Programmierung unmittelbar auf den Reset folgt, verschlechtert sich der Datenerhalt im Vergleich zu Fällen mit einer gewissen Verzögerung.

In der Praxis bedeutet dies, dass smarte Algorithmen für den Schreibvorgang notwendig sind. Sie sollen verhindern, dass dasselbe Bit in kurzer Zeit wiederholt geschrieben wird. Für den HRS-Status in einem HfO2/Hf-Stack deuten die Experimente darauf hin, dass der Ausfall der HRS-Retention nicht von der Konzentration der verbleibenden O-Ionen im leitfähigen Filament abhängt. Die Ergebnisse wurden durch Modellierungen (hourglass retention simulation) bestätigt.

Außerdem haben die Imec-Forscher geeignete Lösungen zur Materialentwicklung konzipiert, um den Datenerhalt zu verbessern. Die dazu unternommenen Experimente gingen von einer früheren Annahme aus, dass der Datenerhalt stark vom chemischen Potenzialprofil des Sauerstoffs (genauer: von der Asymmetrie des Profils) über der Länge des Filaments abhängt. Um dies nachzuweisen, wurde ein OxRRAM-Stack hergestellt, bei dem die Hf-Elektrode durch ein Ti-Capping ersetzt wurde. Dies führte zu einer stärkeren Asymmetrie des chemischen Profils. Dabei zeigte sich, dass Ti-Capping definitiv zu einem schlechteren Datenerhalt führt. Deshalb wird ein Stack mit optimiertem chemischem Potenzial angestrebt.

Verbesserter OxRRAM-Stack für Embedded-Applikationen

Die genannten Experimente und Modellierungen haben erheblich zum besseren Verständnis der Ausfallmechanismen beim Datenerhalt des OxRRAM beigetragen. Anhand dieser Ergebnisse schlagen die Imec-Forscher einen optimierten OxRRAM-Stack auf der Basis eines TaOx/Ta-Systems mit idealem chemischem Potenzialprofil vor. Der neue Stack zeigt in Verbindung mit einer optimierten Programmiersequenz einen sehr viel besseren Datenerhalt im Vergleich mit der HfOx-basierten OxRRAM-Zelle. Das gilt sowohl für den LRS- als auch für den HRS-Status. Die Ergebnisse wurden durch konventionelle Tests des Datenerhalts an einzelnen Bausteinen bestätigt. Die neue Zelle ist außerdem kompatibel mit dem thermischen Stress beim BEOL-Prozess.