Intel 3D Crosspoint(XPoint)Memory关键技术点及意义

Intel3DCrosspoint（XPoint）Memory关键技术点及意义张贵福学号：P15104038单位：中物院研究生院报告提纲1.Intel发布的RRAM2.RRAM简介3.RRAM材料及机理4.关键技术点猜测与展望5.小结（意义）6.参考文献7.附图Intel发布的RRAM3DXpoint的基本特点由横竖交叉的位线(BL)、字线(WL)、选择门(selector)、记忆单元(memorycell)等组成工作原理：通过纵横的字线位线之间的电阻值作为01二进制信息，绿色块的电阻(memorycell)用来储存信息;灰色块(selector)可以控制改变绿色块电阻，选择读或写。核心问题并没有公布：1.Selector的工作原理和制作材料2.MemoryCell的工作原理和制作材料•RRAM--ResistiveRandomAccessMemory阻变随机存储器无源1D1R（1S1R）有源1T1R单极型双极型RRAM简介来自讲义RRAM存储单元其他已有的存储单元1.写（Write）操作参数Vwr，twrVwr为写入电压。一般在几百mV至几V之间；twr为写入数据时间。传统器件中，DRAM、SRAM和Flash的twr分别为100ns、10ns和10us数量级。为了与传统器件相比显示出优势，RRAM的twr期望可以达到100ns数量级甚至更小。2.读（Read）操作参数Vrd，Ird，trdVrd为读取电压。一般Vrd值要明显小于Vwr，而由于器件原理限制，Vrd亦不能低于Vwr的1/10。Ird为读操作所需电流。一般不能低于1uA。trd为读操作时间，与twr同等数量级甚至更小。3.开关电阻比值ROFF/RONROFF和RON分别为器件处于关态与开态时的元件阻值。尽管在MRAM中，大小仅为1.2~1.3的ROFF/RON亦可以被应用，对RRAM的ROFF/RON一般要求至少达到10以上，以减小外围放大器的负担，简化放大电路。4.器件寿命指器件能够正常维持工作状态的周期数目。一般，NVM器件的工作寿命希望达到1012周期。5.保持时间tret保存数据信息的时间。一般需要保持10年甚至更久。RRAM的几个主要性能参数之间，存在制约的关系，如Vrd与Vwr的比值受到tret和trd限制。故而寻求高密度、低功耗的理想RRAM器件，需要从各个性能参数的角度共同考虑，寻求最佳的平衡点。RRAM简介主要器件参数RRAM简介比较供选材料摘自博士论文《新型阻变存储器材料及其电阻转变机理研究_陈超》RRAM材料和机理RRAM阻变材料主要关心的导电类型（目前物理意义明确）单极型材料：金属导电细丝熔断/连接——ECM双极型材料：氧空位致导电细丝通断——VCM（局域效应类）摘自：R.Waser,R.Dittmann,G.Staikov,et.al,Redox-basedresistiveswitchingmemories——nanoionicmechanisms,prospects,andchallenges,Adv.Mater.,2009,21,2632-2663最新机理文章”ThermometryofFilamentaryRRAMDevices”IEEETRANSACTIONSONELECTRONDEVICES,VOL.62,NO.9,SEPTEMBER2015.以HfOx为研究对象单纯电阻构成的crossbar结构，存在大量的窜扰。根据材料不同形成了几种结构：1T1R、1D1R、1S1R、1R单极型材料1D1R双极型材料具备自整流1R一般的双极型材料1S1R阻变材料及机理VOx、NbQx、TiOx、TaOx等；正负偏压下电流对称，交叉阵列中常用的1/2VRead电压读法《Co-OccurrenceofThresholdSwitchingandMemorySwitchinginPt/NbCVPtCellsforCrosspointMemoryApplications[J]》ElectronDeviceLetters,IEEE.2012，33(2):236-238Selector供选材料RRAM材料和机理•不对称的情况（Si加氧化物）〈EpitaxialSiPunch-ThroughbasedSelectorforBipolarRRAM〉自整流的情况，Al/ZnO/Si，也可单独使用《新型阻变存储器材料及其电阻转变机理研究_陈超导电类型：蒲尔-弗朗克效应，反应时间慢！阈值转变特性（TS）材料——一种非线性电阻导电类型：未知，反应时间未知制作在硅外延层上，估计不适合crossbar结构猜测与展望根据国际上其他研究机构和intel公司2012年以来发表的文章，阻变材料集中在HfOx上，尤其是2015年文献特别集中；HfO2用作CMOS栅极绝缘材料已久，工艺成熟。阻变材料的选择初步判断INTEL采用了HfOx“Real-TimeStudyofSwitchingKineticsinIntegrated1T/HfOx1RRRAM:IntrinsicTunabilityofSet/ResetVoltageandTrade-offwithSwitchingTime”，1SEMATECHAustin,TX78741andAlbany,NY12203,USA;2IntelCorporation,2200MissionCollegeBlvd.,SantaClara,CA95054.这篇intel参与的文章，发表于2012年，是目前对一种阻变材料研究最为全面的文章，测试图见附图A。国内一个引人注意的材料是Ta2Ox，清华和北大均有多个单位研究，其中最新且比较全面的见文章：KunWang,HuaqiangWu*,XinyuanWang,XinyiLi,HeQian,”StudyofdopingeffectsonTa20s-xlTaOybasedbilayerRRAMdevices”,InstituteofMicroelectronics,TsinghuaUniversity.测试图见附图B。猜测与展望selector的选择字线和位线形成闭合回路，且存储cell规模很大，是不可能的。不管什么selector！非对称与此类似读取过程压差较小，每个泄漏点电流小写入过程压差较大，每个泄漏点电流大非对称时，泄漏逐渐由一维转为二维Selector的I/V特性需要与电阻读写I/V特性匹配，阈值要远大于Vwr一维泄漏二维泄漏读取过程压差较小，每个泄漏点电流小写入过程压差较大，每个泄漏点电流大Selector的I/V特性需要与电阻读写I/V特性匹配猜测：小Cell+T（晶体管），合适的selector配合，即1TnR（1S1R）。——Crossbar结构需要尚需进一步探索。猜测与展望selector的选择Kai-ShinLi1etal.,“StudyofSub-5nmRRAM,TunnelingSelectorandSelectorLessDevice”,1NDL/NARLabs,Hsinchu,Taiwan,2015TiO2selectiondevice(1×5nm2)andHfO2basedRRAMdevice(1×3nm2),叠层制造过程IVcurvestunnelingselectiondeviceswith60,90,120and150secoxidationtime这个来自台湾最新文章，给出了一个selector的指标，应该可信Selector底电极是ALDTiN，上电极是/PVDTiN，结构对称复旦大学将这种对称结构取名2D1RYinyinLinetal.,“3DVerticalRRAMArchitectureandOperationAlgorithmswithEffectiveIR-DropSuppressingandAnti-Disturbance”,ASICandSystemStateKeyLaboratory,FudanUniversity,2015,supportedbySamsungGROproject猜测与展望selector的选择V.S.SenthilSrinivasan1,B.Das2,V.Sangwan2,C.PintoG6mez1,M.Oehmel,U.Ganguly2andJ.Schulze1,“LowTemperatureEpitaxialGermaniumP+IN+IP+SelectorforRRAM”,DeviceResearchConference(DRC),201573rdAnnual,2015.FASTselector.(a)TransmissionelectronmicroscopyimageofafabricatedFASTselector.(b)DCI–VcharacteristicsofFASTselectors.ThethresholdvoltageofaselectorcanbetunedbycontrollingthethicknessofanSLTmedium.Devicesize:100nm×100nm.Allelectricalmeasurementwasdoneinsinglesweeps(e.g.,0V→2Vand0V→−2V)withcurrentcomplianceof100μA.SungHyunJoetal.,“Cross-PointResistiveRAMBasedonField-AssistedSuperlinearThresholdSelector”,IEEETRANSACTIONSONELECTRONDEVICES,2015本文在架构的意见：Fromanarchitecturalpointofview,RRAMintegrationcanbeclassifiedaseither1T1Ror1TnR(1S1R)1.现有材料体系应该还有挖掘空间；2.Selector能否不局限于电？3.能否引入量子器件解决问题？展望猜测与展望1.根据文献，估计RRAM采用的架构是1TnR或者1Tn(1S1R)，可以和NAND相比较；2.根据文献，估计selector采用的是氧化物实现，一定电压(较大)下导通，满足双极型材料的读写要求。WL与BL形成回路方式（基于intel发布产品图片表现）WL与BL不形成回路方式（也许intel故意误导）不需要特别的选通器（selector），1T1R结构；也许可以借鉴NAND的层叠方案；最新的架构方面分析文章：MananSurietal.,“ExploitingIntrinsicVariabilityofFilamentaryResistiveMemoryforExtremeLearningMachineArchitectures”,IEEETransactionsonNanotechnology,2015.1.RRAM的特点是高密度、高度、非易失、低功耗。采用RRAM，未来电子系统将具有体积更小、功耗更低、性能更强大。2.会改变处理器设计和生产的格局。小结(意义)参考文献（因篇幅所限，只列2015年HfOx方面的文献名）1.Real-TimeStudyofSwitchingKineticsinIntegrated1T/HfOx1RRRAM:IntrinsicTunabilityofSet/ResetVoltageandTrade-offwithSwitchingTime,20122.InvestigationofSingle-BitandMultiple-BitUpsetsinOxideRRAM-Based1T1RandCrossbarMemoryArrays3.ReliabilityoflowcurrentfilamentaryHfO2RRAMdiscussedintheframeworkofthehourglassSET/RESETmodel4.Relationshipamongcurrentfluctuationsduringforming,cell-to-ce