Fabrication and Pseudo-Analog Characteristics of Ta2O5 -Based ReRAM Cell

Memristori on yksi elektroniikan peruskomponenteista vastuksen, kondensaattorin ja kelan lisäksi. Se on passiivinen komponentti, jonka teorian kehitti Leon Chua vuonna 1971. Kesti kuitenkin yli kolmekymmentä vuotta ennen kuin teoria pystyttiin yhdistämään kokeellisiin tuloksiin. Vuonna 2008 Hewlett Packard julkaisi artikkelin, jossa he väittivät valmistaneensa ensimmäisen toimivan memristorin. Memristori eli muistivastus on resistiivinen komponentti, jonka vastusarvoa pystytään muuttamaan. Nimens mukaisesti memristori kykenee myös säilyttämään vastusarvonsa ilman jatkuvaa virtaa ja jännitettä. Tyypillisesti memristorilla on vähintään kaksi vastusarvoa, joista kumpikin pystytään valitsemaan syöttämällä komponentille jännitettä tai virtaa. Tämän vuoksi memristoreita kutsutaankin usein resistiivisiksi kytkimiksi. Resistiivisiä kytkimiä tutkitaan nykyään paljon erityisesti niiden mahdollistaman muistiteknologian takia. Resistiivisistä kytkimistä rakennettua muistia kutsutaan ReRAM-muistiksi (lyhenne sanoista resistive random access memory). ReRAM-muisti on Flash-muistin tapaan haihtumaton muisti, jota voidaan sähköisesti ohjelmoida tai tyhjentää. Flash-muistia käytetään tällä hetkellä esimerkiksi muistitikuissa. ReRAM-muisti mahdollistaa kuitenkin nopeamman ja vähävirtaiseman toiminnan Flashiin verrattuna, joten se on tulevaisuudessa varteenotettava kilpailija markkinoilla. ReRAM-muisti mahdollistaa myös useammin bitin tallentamisen yhteen muistisoluun binäärisen (”0” tai ”1”) toiminnan sijaan. Tyypillisesti ReRAM-muistisolulla on kaksi rajoittavaa vastusarvoa, mutta näiden kahden tilan välille pystytään mahdollisesti ohjelmoimaan useampia tiloja. Muistisoluja voidaan kutsua analogisiksi, jos tilojen määrää ei ole rajoitettu. Analogisilla muistisoluilla olisi mahdollista rakentaa tehokkaasti esimerkiksi neuroverkkoja. Neuroverkoilla pyritään mallintamaan aivojen toimintaa ja suorittamaan tehtäviä, jotka ovat tyypillisesti vaikeita perinteisille tietokoneohjelmille. Neuroverkkoja käytetään esimerkiksi puheentunnistuksessa tai tekoälytoteutuksissa. Tässä diplomityössä tarkastellaan Ta2O5 -perustuvan ReRAM-muistisolun analogista toimintaa pitäen mielessä soveltuvuus neuroverkkoihin. ReRAM-muistisolun valmistus ja mittaustulokset käydään läpi. Muistisolun toiminta on harvoin täysin analogista, koska kahden rajoittavan vastusarvon välillä on usein rajattu määrä tiloja. Tämän vuoksi toimintaa kutsutaan pseudoanalogiseksi. Mittaustulokset osoittavat, että yksittäinen ReRAM-muistisolu kykenee binääriseen toimintaan hyvin. Joiltain osin yksittäinen solu kykenee tallentamaan useampia tiloja, mutta vastusarvoissa on peräkkäisten ohjelmointisyklien välillä suurta vaihtelevuutta, joka hankaloittaa tulkintaa. Valmistettu ReRAM-muistisolu ei sellaisenaan kykene toimimaan pseudoanalogisena muistina, vaan se vaati rinnalleen virtaa rajoittavan komponentin. Myös valmistusprosessin kehittäminen vähentäisi yksittäisen solun toiminnassa esiintyvää varianssia, jolloin sen toiminta muistuttaisi enemmän pseudoanalogista muistia.

The memristor is one of the fundamental circuit elements in addition to a resistor, capacitor and an inductor. It is a passive component whose theory was postulated by Leon Chua in 1971. It took over 30 years before any known physical examples were discovered. In 2008 Hewlett Packard published an article where they manufactured a device which they claimed to be the first memristor found. The memristor, which is a concatenation of memory resistor, is a resistive component that has an ability to change its resistance. It can also remember its resistance value without continuous current or voltage. Typically, a memristor has at least two resistance states that can be altered. This is the reason why memristors are also called resistive switches. Resistive switches can be used in memory technologies. A memory array that has been built using resistive switches is called ReRAM (resistive random access memory). ReRAM, like Flash memory, is a non-volatile memory that can be programmed or erased electrically. Flash memories are currently used e.g. in memory sticks. However, compared to Flash, ReRAM has faster operating speed and lower power consumption, for instance. It could potentially replace current memory standards in future. A ReRAM memory cell can also store multiple bits instead of binary operation (”0” or ”1”). Typically there exists multiple intermediate resistance states between ReRAM’s limiting resistances that could be utilized. Such memory could be called analog, if the amount of intermediate states is not limited to discrete levels. Analog memories make it possible to build artificial neural networks (ANN) efficiently, for instance. ANNs try to model the behaviour of brain and to perform tasks that are difficult for traditional computer programs such as speech recognition or artificial intelligence. This thesis studies the analog behaviour of Ta 2 O 5 -based ReRAM cell. Manufacturing process and measurement results are presented. The operation of ReRAM cell is rarely fully analog as there exists limited amount of intermediate resistance states. This is the reason why operation is called pseudo-analog. Measurement results show that a single ReRAM cell is suitable for binary operation. In some cases, a single cell can store multiple resistance values but there exists significant variance in resistance states between subsequent programming cycles. The proposed ReRAM cell cannot operate as pseudo-analog ReRAM cell in itself as it needs an external current limiting component. Improving the manufacturing process should reduce the variability such that the operation would be more like a pseudo-analog memory.