Modelli di switching e statistica di rumore in dispositivi a switching resistivo

A bipolar Resistive Random Access Memory cell (RRAM) is made up by a Metal-Insulator-Metal (MIM) structure. The voltage Vcell applied across it is both positive and negative.Bipolar RRAM devices here discussed are connected with a NMOS in a 1T1R circuit configuration. If Vcell>0 the memory cell makes a SET transition, in which a Low Resistance State (LRS) is reached; at the opposite, if Vcell<0 the device performs a RESET transition, when it reaches a High Resistance State (HRS). During SET transition a low resistance path between Top Electrode (TE) and Bottom Electrode (BE) is created. This path is due to the formation of a Conductive Filament (CF)of metallic ions driven by the electric field across the oxide insulator layer. During RESET transitionthe CF is interrupted and it is divided into two pieces connected to the TE and BE, respectively. These two portions are separated by a gap. SET/RESET processes are modeled with thermal-activatedArrheniusequations.In a bipolar RRAM device there are three main noise sources: 1/f noise, Random Walk (RW) and RTN (Random Telegraph Noise) contributions. RW dominates in the first times of the measure, and RTN is more intense for long times. RTN noise is caused by the electrostatic interaction between negatively-charged defects in the oxide and the negative carriers within the CF. Resistive fluctuations are been quantified by the jump X. A RW and RTN statistical analysis is been performed on 256 kb arrays of bipolar RRAM memory devices. As a result, it can be demonstrated that noise increases with the median resistance value of the array. This analysis has shown that smaller resistive fluctuations (X>2) are thermally-activated, while on the contrary biggest fluctuations (X>3,4,5) don't have a clear behavior with the temperature.Last chapter is dedicated to the STDP (Spike Timing Dependent Plasticity) characterization of a 1T1R synapse for neuromorphic applications.

Una cella di memoria bipolare RRAM (Resistive Random Access Memory) è realizzata con una struttura MIM (Metallo-Isolante-Metallo) a cui è applicata una tensione Vcell>/<0.I dispositivi RRAM bipolari qui trattati sono inseriti in configurazione 1T1R. Essi operano una fase di SET verso uno stato basso-resistivo LRS (Low Resistance State) se Vcell>0; effettuano un RESET verso uno stato alto-resistivo HRS (High Resistance State) se Vcell<0.Durante il SET si crea un cammino a bassa resistenza tra il Top Electrode (TE) e il BottomElectrode (BE) costituito da un filamento conduttivo (CF, Conductive Filament) di ioni metallici la cui migrazione è guidata dal campo elettrico ai capi dell'ossido isolante. Durante il RESET si ha l'interruzione del CF e l'apertura di un gap che lo divide in due porzioni afferenti al TE e al BE. Durante il SET e il RESET si verifica rispettivamente la crescita del diametro filamentare e l'aumento del gap. Il SET e il RESET sono stati modellati tramite relazioni termicamente attivate alla Arrhenius. Esistono tre principali contributi di rumore in un dispositivo RRAM bipolare: il rumore 1/f,il rumore Random Walk (RW) e il rumore RTN (Random Telegraph Noise). Il Random Walk domina negli istanti iniziali, mentre per tempi maggiori prevale l'RTN, quest'ultimo dovuto all'interazione elettrostatica dei difetti dell'ossido con gli elettroni del CF. Le fluttuazioni resistive sono state quantificate tramite il salto X.Si è quindi svolta un'analisi statistica del rumore RW e RTN su matrici di celle RRAM da256 kb. Tale analisi ha evidenziato che il rumore aumenta con la resistenza mediana dell'array. Inoltre, i salti resistivi di piccola entità (X>2) sono termicamente attivati, mentre ancora non è chiaro il comportamento delle ampie fluttuazioni (X>3,4,5)con la temperatura.Infine si è ricavata la curva STDP (Spike Timing Dependent Plasticity) di una sinapsi artificiale 1T1R, nell'ambito delle reti neuronali.