Ontwikkeling van innovatieve twee-terminal selector componenten om kruispunt geheugen matrix met hoge dichtheid en laag vermogen mogelijk te maken

De laatste jaren is de vraag naar niet-vluchtige geheugens met een hoge dichtheid en snelle toegang gestaag toegenomen. Er is echter geen bestaand product dat vandaag aan deze behoefte voldoet, tussen de snelle maar vluchtige DRAM-technologie en de hoge dichtheid maar trage access 3D Flash-technologie. Daarom is het ‘Storage Class Memory’ (SCM) ontstaan om deze kloof in snelheid en dichtheid in de geheugenhiërarchie op te vullen, waardoor de ontwikkeling van toekomstige computer- en / of opslagsystemen mogelijk wordt gemaakt door een snel en goedkoop alternatief voor geheugen te bieden. Verschillende opkomende geheugenconcepten, zoals Resistive Random-Access-Memory (RRAM), Phase-Change RAM (PCRAM), of Magnetic RAM (MRAM) concepten houden de belofte in om zowel snelheid- als dichtheidsspecificaties van SCM te halen. Aan de andere kant, in de hedendaagse cross-point-architectuur van de geheugenarray, is de belangrijkste factor die integratie met een hoge dichtheid beperkt, de zogenaamde 'sneak path'-stroom of capacitieve probleem tijdens het lezen en schrijven van het geheugenapparaat. Om dit probleem te verhelpen, is een access device met twee terminals (selector) in serie met het geheugenelement vereist om afzonderlijke geheugencellen in een array te kunnen adresseren zonder de andere te storen. Dit selector device moet schaalbaar zijn, een hoog rectificatievermogen hebben, de werkingsmodus van de geheugencel volgen (meestal bipolair) en hoge aandrijfstroomdichtheden toestaan, vereist om het geheugenelement te schakelen. Om aan deze vereisten te voldoen, worden momenteel veel selector concepten onderzocht. Er is onder meer de op chalcogenide gebaseerde Ovonic Threshold Switch (OTS) technologie. Voor voldoende hoge spanningen steunt de OTS-technologie op het voorkomen van een gebied van negatieve differentiaalweerstand (NDR) in de I-V-karakteristiek van de selector wat leidt tot een grote drive stroom en grote niet-lineariteit. Deze prestaties gaan ten koste van de nood aan relatief hoge spanningen en spanningspieken over het geheugenelement. Hoewel een uitstekend potentieel werd aangetoond voor deze technologie, is het schakelmechanisme niet goed begrepen. Alternatieve selector concepten, meestal gebaseerd op het rectificatiegedrag van Schottky-contacten, zullen ook worden onderzocht met het oog op nauwe integratie met MRAM-technologie. Inderdaad, dergelijke selectors, gekenmerkt door een diode-achtig gedrag, vermijden in het algemeen de hoge spanningen van de OTS-selector, wat kritisch is voor een laagspannings-, laagvermogenstechnologie zoals MRAM. Naast deze twee technologieën beoogt dit doctoraat ook een brede onderzoeksactiviteit in andere onderwerpen zoals het verkennen van Mixed Ionic Electronic Conductors (MIEC), Metal-Semiconductor-Metal diode, nieuwe verticale IGZO-gebaseerde diode etc. Het doel van dit doctoraat is om grondig onderzoek te doen naar de elektrische prestaties en betrouwbaarheidseigenschappen van de bovengenoemde selectoren en de rol van het device concept, materiaalvariaties en integratieprocessen te bestuderen. Dit moet leiden naar de identificatie van de belangrijkste strategieën om het selector device te optimaliseren. Bovendien zal een groot deel van het doctoraatswerk gericht zijn op de ontwikkeling van fysica-gebaseerde schakelmodellen die moeten leiden tot compacte, parametrische modellen die op circuit-simulatieniveau worden gebruikt, om beoordeling van de geheugen array prestaties mogelijk te maken. Een belangrijke output van het doctoraat zal zijn om de intrinsieke beperkingen en mogelijkheden van de technologie vast te stellen.