RRAM_ECM & VCM 원리
2.2 Neuromorphic device (Memristor-ECM)
메모리 장치의 추가 통합을 향한 과정에서 첨단 플래시 기술은 향후 몇 년 내에 확장 한계에 도달할 것입니다. ReRAM은 빠른 스위칭과 고밀도 패시브 크로스바 어레이 제작 가능성으로 인해 기존 메모리 기술에 대한 유망한 대안으로 검토되고 있습니다. 최근에는 저항성 스위치를 기반으로 한 새로운 신경형 애플리케이션이 제안되었습니다. ReRAM 시스템 중에서 전기화학적 금속화 메모리(ECM) 셀은 낮은 전력 소비량, 8가지 멀티비트 스토리지 잠재력 및 원자 수준까지의 확장성 때문에 미래의 메모리 장치에 매우 적합합니다. ECM 셀의 구조는 능동형 전극, 이온 전도층 그리고 카운터 전극으로 구성되어 있습니다. 능동형 전극은 Ag나 Cu와 같이 전기적으로 쉽게 용해되고 이온 전도 층을 통해 전도될 수 있는 금속으로 구성되는 반면 카운터 전극은 Pt와 같은 불활성 카운터 전극으로 이루어져 있습니다.
ECM 셀의 기능을 결정하는 주요 요인은 전극 반응과 전달 동력학입니다. 전극 및 전해질 재료 전자 전달에 따라 전기 결정화 또는 강한 전기장 하에서의 느린 확산이 속도를 결정할 수 있습니다. ECM의 전기화학적 역학은 전극과 금속 양이온 운반이 이루어지는 박막의 계면, 필라멘트의 성장 그리고 양자 크기 효과를 집중적으로 분석됩니다. ECM 셀은 매우 좁은 필라멘트에 의해 ON 상태의 전류가 전달되는 것으로 추정되기 때문에 확장성이 높은 장치로 간주됩니다. 확장성이 ECM 메모리의 주요 특성이지만 그 성능도 마찬가지로 중요합니다. NAND 플래시의 ~1us 쓰기 속도와 NOR 플래시의 ~10us 쓰기 속도에 비해, ECM 메모리가 분명한 이점을 가지고 있다는 것이 입증되어 왔습니다. 그리고 많은 연구들은 ECM 장치의 ON 상태 저항을 가진 장치를 통해 흐를 수 있는 최대 전류로 단조롭게 감소한다는 것을 보여왔습니다. OFF 상태 저항은 ON 상태 저항과 대조적으로 MIM 커패시터의 경우와 같이 면적에 반비례합니다. ECM 이 지니는 ON 저항과 OFF 저항의 큰 차이는 멀티 레벨 오퍼레이션에 사용 될 수 있기에 이목을 끌고 있습니다. ECM 셀에 저장된 정보(예: ‘0’또는 ‘1’ 상태)는 전압을 인가하여 셀 저항을 측정하여 읽습니다. 이로 인해 읽기 작업 중에 셀의 저항 수준이 흐트러져서 정보가 손실되거나 적어도 읽기 작업이 완료된 후 셀을 다시 작성해야 할 수 있습니다. ECM 장치에 대한 대부분의 연구에서는 SET 전압과 동일한 극성의 읽기 전압(즉, 양극 AE 및 접지 또는 음극 CE)을 사용하여 OFF 상태에서 ON 상태로 관련 문제가 발생했습니다.
놀랍게도 ECM은 이러한 장애에 대해 매우 안정적입니다. 읽기 속도와 마찬가지로 ECM 기술에 필요한 내구성은 용도에 따라 크게 달라지며, DRAM 교체용으로 약 1015 사이클이 필요하고 플래시 메모리의 교체용으로도 103 사이클이 필요합니다. ECM 장치의 내구성은 채택된 사이클링 알고리즘(즉, 단일 펄스 대 멀티 펄스, SET 펄스 폭, 전류 준수 등)에 민감하므로 ECM 문헌에 나와 있는 여러 재료 시스템의 상대 내구성을 비교하기가 어렵습니다. 그러나 대학교 및 산업 수준에서 많은 연구들이 이 기술이 다양한 애플리케이션에서 플래시 메모리를 대체할 만큼 내구성이 충분하다고 보고했습니다. 마지막으로, ECM의 경우 온도가 상승하더라도 장시간 동안 OFF 상태가 매우 안정적이므로 ON 상태를 유지하는 것이 중요한 문제라고 보고되었습니다. 결론적으로 전기화학적 금속화 메모리 셀(ECM)은 원자 수준까지 확장성이 높고 저전압 및 작동 전류에서 읽기/쓰기/삭제 속도가 빠르기 때문에 ReRAM 기반 비휘발성 메모리의 가장 유망한 후보 중 하나입니다. 기존 ECM 기술의 개선과 관련하여 재료 선택 및 셀 지오메트리의 최적화에 상당한 노력을 기울여 기존 전하 저장 기술을 대체할 수 있어야 합니다.
2.3 Neuromorphic device (Memristor-VCM)
RRAM에는 크게 VCM(valence change mechanism)과 ECM(electrochemical metallization)으로 나뉘는데, 그중 VCM은 ECM과 달리 conductive path가 anode에서 생기는 방식을 말합니다. 또한 ECM에서는 양이온이 필라멘트를 형성하지만 VCM에서는 보통 산소 공공(oxygen vacancy, Vo)의 생성과 소멸이 RRAM의 저항의 변화를 결정합니다.
공통적인 구조는 metal-insulator-metal(MIM) 구조로 이루어져있으며, 초기 상태는 금속산화물에는 Vo가 적은 고저항 상태입니다. 하지만 한쪽 전극에 일정 이상의 전압(forming voltage)을 가해주면 산화물안에서 breakdown이 일어나면서 Vo가 생기고 두 전극 사이에 전류가 흐르는 통로(filament)가 생깁니다. 이 과정을 electroforming이라고 하며 소자에 가해지는 전압과 내부 온도가 크게 관여합니다.
여기서 G는 defect(Vo) 생성 확률, G0는 상수, EA는 activation energy, b는 bond polarization factor이며, kB는 볼츠만 상수, E는 전기장, T는 온도를 의미합니다. Forming voltage를 가하면 전기장과 온도가 같이 올라가서 Vo가 한번에 많이 생기는 positive feedback이 일어나고 그로 인해 대체로 급격하게 저항변화가 발생합니다. Forming 과정 이후, 반대로 전압을 가해주면 산소 이온이 다시 필라멘트와 결합하여 저항이 높아지는데(high resistance state, HRS) 이를 Reset 과정이라고 합니다. Oxygen vacancy가 filament를 형성하는 VCM 방식에서 Reset은 forming보다 저항 변화가 점진적으로 이루어집니다.
Reset 이후 oxide 내의 필라멘트는 끊어지지만 Vo가 완전히 사라지지 않고 layer 사이의 경계면 주변에서만 끊어지기 때문에 소자의 초기 상태(virgin state)보다는 낮은 저항을 가집니다. 그래서 다시 필라멘트를 연결하여 저항을 낮추는 Set 과정에서는 Forming voltage보다 낮은 전압에서도 필라멘트가 연결됩니다. Oxide based RRAM은 이러한 Forming 이후에 Reset과 Set을 반복해줌으로써 소자의 저항을 조절할 수 있습니다.
하지만 필라멘트 방식으로 작동하는 RRAM은 필라멘트가 연결되거나 끊어지는 순간에 급격하게 저항이 변하기 때문에 점진적인 변화가 필요한 뉴로모픽 소자로 사용하기는 적합하지 않습니다. 그래서 최근 RRAM의 analogue한 특성을 강화하기 위해 다양한 방법들이 모색되고 있습니다. 그 중에서 특히 다층구조(multi-layer device), 도핑(doping) 방식이 대표적으로 사용되고 있습니다.