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

1、Intel 3D CrosspointIntel 3D Crosspoint（XPointXPoint）MemoryMemory关键技术点关键技术点及意义及意义张贵福张贵福 学号：学号：P15104038单位：中物院研究生院单位：中物院研究生院报告提纲1.1. IntelIntel发布的发布的RRAMRRAM2.2. RRAMRRAM简介简介3.3. RRAMRRAM材料及机理材料及机理4.4. 关键技术点猜测与展望关键技术点猜测与展望5.5. 小结（意义）小结（意义）6.6. 参考文献参考文献7.7. 附图附图IntelIntel发布的发布的RRAMRRAM3DXpoint的基本特点的基本特

2、点 由横竖交叉的位线(BL)、字线(WL)、选择门(selector)、记忆单元(memory cell)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(memory cell)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：1.1. SelectorSelector的工作原理和制作材料的工作原理和制作材料2.2. MemoryCell MemoryCell 的工作原理和制作材料的工作原理和制作材料RRAM-RRAM-Resistive Random Access Memory 阻变随机存储器 无源1D1R（1S

3、1R） 有源1T1R 单极型 双极型RRAMRRAM简介简介来自讲义来自讲义RRAMRRAM存储单元存储单元其他已有的其他已有的存储单元存储单元1. 写（Write）操作参数Vwr，twr Vwr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，trd Vrd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

4、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/RON ROFF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1.21.3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

5、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。RRAMRRAM简介简介主要器件参数RRAMRRAM简介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-based resistive switching memories nanoionic mechan

6、isms, prospects, and challenges, Adv. Mater., 2009, 21, 2632-2663最新机理文章”Thermometry of Filamentary RRAM Devices”IEEE TRANSACTIONS ON ELECTRON DEVICES, VOL. 62, NO. 9, SEPTEMBER 2015. 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：1T1R1T1R 、1D1R1D1R、1S1R1S1R、1R1R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

7、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-Occurrence of Threshold Switching and Memory Switching in Pt/NbCVPt Cells for Crosspoint Memory ApplicationsJ Electron Device Letters, IEEE. 2012，33(2): 236-238 Selector供选材料RRAM材料和机理不对称的情况（Si加氧化物） Epitaxial Si Punch-Through based Selector fo

8、r Bipolar RRAM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初步判断INTELINTEL采用了采用了HfOxHfOx“Real-Time Study of Switching

9、Kinetics in Integrated 1T/ HfOx 1R RRAM: Intrinsic Tunability of Set/Reset Voltage and Trade-off with Switching Time”， 1SEMATECH Austin, TX 78741 and Albany, NY 12203, USA; 2Intel Corporation, 2200 Mission College Blvd., Santa Clara, 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，测试图见附图附图A A。国内

10、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： Kun Wang, Huaqiang Wu *, Xinyuan Wang, Xinyi Li, He Qian,” Study of doping effects on Ta20s-xl TaOy based bilayer RRAM devices”, Institute of Microelectronics, Tsinghua University.测试图见附图附图B B。猜测与展望猜测与展望selector的选择字线和位线形成闭合回路，且存储字线和位线形成闭合回路，且存储cell规模很大，是不可

11、能的。不管什么规模很大，是不可能的。不管什么selector！非对称与此类似非对称与此类似读取过程压差较小，每个泄漏点电流小读取过程压差较小，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，泄漏逐渐由非对称时，泄漏逐渐由一维转为二维一维转为二维Selector的的I/V特性需要特性需要与电阻读写与电阻读写I/V特性匹特性匹配，阈值要远大于配，阈值要远大于Vwr一维泄漏一维泄漏二维泄漏二维泄漏读取过程压差较小，每个泄漏点电流小读取过程压差较小，每个泄漏点电流小写入过程压差较大，每个泄漏点电流大写入过程压差较大，每个泄漏点电流大Selector的的I/

12、V特性需要特性需要与电阻读写与电阻读写I/V特性匹特性匹配配猜测：小猜测：小Cell+T（晶体管），合适的（晶体管），合适的selector配合，即配合，即1TnR（1S1R）。）。 Crossbar结构需要尚需进一步探索。猜测与展望猜测与展望selector的选择Kai-Shin Li1 et al. , “Study of Sub-5 nm RRAM, Tunneling Selector and Selector Less Device”, 1NDL /NARLabs, Hsinchu, Taiwan, 2015 TiO2 selection device (1 5 nm2) and H

13、fO2 based RRAM device (1 3 nm2), 叠层制造过程叠层制造过程IV curves tunneling selection devices with 60, 90, 120 and 150 sec oxidation time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ALD TiN，上电极是/PVD TiN ，结构对称复旦大学将这种对称结构取名2D1RYinyin Lin et al., “3D Vertical RRAM Architecture and Operation Algorithms with Effect

14、ive IR-Drop Suppressing and Anti-Disturbance”, ASIC and System State Key Laboratory, Fudan University,2015, supported by Samsung GRO project猜测与展望猜测与展望selectorselector的选择的选择V. S. Senthil Srinivasan1, B. Das2, V. Sangwan2, C. Pinto G6mez1, M. Oehmel, U. Ganguly2 and J. Schulze1, “Low Temperature Epita

15、xial Germanium P+IN+IP+ Selector for RRAM”, Device Research Conference (DRC), 2015 73rd Annual, 2015.FAST selector. (a) Transmission electron microscopy image of a fabricated FAST selector. (b) DC IV characteristics of FAST selectors. The threshold voltage of a selector can be tuned by controlling t

16、he thickness of an SLT medium. Device size: 100 nm 100 nm. All electrical measurement was done in single sweeps (e.g., 0 V 2 V and 0 V 2 V) with current compliance of 100 A.Sung Hyun Jo et al., “Cross-Point Resistive RAM Based on Field-Assisted Superlinear Threshold Selector”, IEEE TRANSACTIONS ON E

17、LECTRON DEVICES,2015本文在架构的意见：From an architectural point of view, RRAM integration can be classified as either 1T1R or 1TnR (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？展望猜测与展望猜测与展望1.根据文献，估计RRAM采用的架构是1TnR或者1 T n(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。WLWL与与BL

18、BL形成回路方式（基于形成回路方式（基于intelintel发布产品图片表现）发布产品图片表现）WLWL与与BLBL不形成回路方式（也许不形成回路方式（也许intelintel故意误导）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：最新的架构方面分析文章：Manan Suri et al., “Exploiting Intrinsic Variability of Filamentary Resistive Memory for Extreme Learning Machine Architectures”, IEEE

19、Transactions on Nanotechnology,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-Time Study of Switching Kinetics in Integrated 1T/ HfOx 1R RRAM: Intrinsic Tunability of Set/Reset Voltage and Trade-off with Switching Time,20122

20、.Investigation of Single-Bit and Multiple-Bit Upsets in Oxide RRAM-Based 1T1R and Crossbar Memory Arrays3.Reliability of low current filamentary HfO2 RRAM discussed in the framework of the hourglass SET/RESET model 4.Relationship among current fluctuations during forming, cell-to-cell variability an

21、d reliability in RRAM arrays5.Study of Multilevel High-Resistance States in HfOx-Based Resistive Switching Random Access Memory by Impedance Spectroscopy6.Understanding the influence of Ea and band-offset toward the conductance modulation in Ah03 and Hf02 synaptic RRAM7.Ultra-Low Power Ni/HfO2/TiOx/

22、TiN Resistive Random Access Memory With Sub-30-nA Reset Current8.Study of Sub-5 nm RRAM, Tunneling Selector and Selector Less Device9.Voltage-Controlled Cycling Endurance of HfOx-Based Resistive-Switching Memory10.A Novel Program-Verify Algorithm for Multi-Bit Operation in HfO2 RRAM11.Improving the

23、Resistive Switching Reliability via Controlling the Resistance States of RRAM 12.Validation and Extension of Local Temperature Evaluation of Conductive Filaments in RRAM Devices13.Mechanism of Nonlinear Switching in HfO2-Based Crossbar RRAM With Inserting Large Bandgap Tunneling Barrier Layer14.RRAM

24、-based 7T1R Nonvolatile SRAM with 2x Reduction in Store Energy and 94x Reduction in Restore Energy for Frequent-Off Instant-On Applications15.Quantitative endurance failure model for filamentary RRAM16.Thermometry of Filamentary RRAM Devices17.IMPROVEMENT ON SWITCHING UNIFORMITY OF HFOx-BASED RRAM D

25、EVICE FABRICATED BY CMP18.A Novel Approach to Identify the Carrier Transport Path and Its Correlation to the Current Variation in RRAM19.Multi-state resistance switching and variability analysis of HfOx Based RRAM for ultra-high density memory applications20.Impact of Intercell and Intracell Variability on Forming and Switching Parameters in RRAM Arrays21.Investigation of the Resistive Switching Behavior in Ni/HfO2-based RRAM Devices22.Monte Carlo Model of Res