Entwicklung einer Nanotechnologie-Plattform für die ... - JuSER

3 RESISTIVES SCHALTEN
Zwischen Bottom- und Top-Elektroden wird das resistive Material integriert, sodass bei
mehreren, parallel laufenden Leitungselektroden jeder Kreuzungspunkt einer MIM-
Speicherzelle entspricht. Die einzelnen Zellen können durch unterschiedliche Potentiale
auf Top- und Bottom-Elektrode sowohl unipolar als auch bipolar geschaltet werden.
Das Crossbar-Array bietet somit eine Integrationsplattform für diverse resistiv
schaltende Materialien.
Einen großen Vorteil schafft diese Architektur aufgrund ihres Potentials für hohe
Speicherdichten. Die einzelne Speicherzelle kann mit einer Minimalfläche von 4 F 2
realisiert werden, da kein Auswahltransistor benötigt wird. F ist als kleinstmögliche
Strukturauflösung (MFS) der verwendeten Herstellungstechnologie definiert. Werden
die Crossbars zusätzlich vertikal gestapelt, so erhöht sich die Integrationsdichte um
4/n · F 2 , mit der Anzahl der vertikal gestapelten Zellen n.
Forschungsgruppen wie die von Hewlett Packard realisierten bereits erste Crossbar-
Strukturen, an denen das große Skalierungspotential gezeigt werden konnte [80 - 83].
Dabei wurden Elektroden mit einer Linienbreite von bis zu 5 nm mittels Nanoimprint-
Lithographie hergestellt.
Konzepte, welche gänzlich ohne CMOS-Peripherie auskommen, da z.B. Logik-
Bausteine oder Demultiplexer mit Crossbars realisiert werden, sind bei der Entwicklung
von Crossbar-Architkturen als Zukunftsziel definiert. Bis zur Herstellung dieser müssen
jedoch noch einige Problematiken bewältigt werden [84 - 88].
Beispielsweise sind die Widerstände der Nanoelektroden nicht zu vernachlässigen,
wenn diese sehr flach (z.B. 10 nm) und lang (z.B. mehrere Mikrometer) dimensioniert
werden. Durch sehr hohe Leitungswiderstände fällt zum einen ein Großteil der
benötigten Schaltspannung über die Elektroden ab. Zum anderen kann der zu
detektierende Widerstandswert der Speicherzelle aufgrund des hohen
Leiterwiderstandes teils nicht mehr adäquat aufgelöst werden [79]. Somit werden die
Schreib- und Leseoperationen bei sehr großen Crossbar-Arrays zu einer
Herausforderung, welche durch spezielle Schreib- und Leseschemata gelöst werden
können [89, 90].
Eine weitere Problematik stellen die zu integrierenden, resistiven Materialien dar, deren
Schaltspannungen und Widerstände durch statistische Streuung (je nach Material) nicht
beliebig eindeutig definiert sind. Diese Streuungen können durch verschiedene
Spannungsmuster an den Top- und Bottom-Elektroden des gesamten Arrays
kompensiert werden [79, 91].
Die wohl größte Herausforderung bei der Umsetzung von passiven Crossbar-Array-
Speichern ist die Vermeidung parasitärer Spannungspfade. Da alle Speicherzellen des
Arrays in einem großen Netzwerk über die Bottom- und Top-Elektroden physikalisch
miteinander verknüpft sind, fallen die angelegten Spannungen nicht nur über eine
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