Characterization and modeling of innovative solid-state memory technologies

Over the past decade, both volatile and non-volatile solid-state memory devices have seen their physical size aggressively shrunk in order to meet the scaling process requirements. Although this led to a remarkable increase in device integration density, and consequently, to a reduction of the cost per bit, it pushed the respective technologies to their physical limits. On the one hand, Dynamic Random Access Memory (DRAM), as the most densely integrated volatile memory, is faced with ever increasing leakage currents, while the integration of the storage capacitor became the main issue for the ultra-scaled devices. On the other hand, Flash memory, today’s leading solid-state non-volatile memory technology, is approaching the point where the discreteness of the matter and of the charge flows is severely impacting its performance. The goal of this thesis is to investigate two innovative memory devices, one of volatile and the other of non-volatile nature, which appear to be promising candidates for the future replacement of DRAM and Flash technologies, respectively. The former exploits the bistability of gated-thyristors to store the volatile data in a simple and reliable fashion and is called Thyristor-based RAM (T-RAM) cell. The latter one relies, instead, on the permanent polarization reversal within the gate stack of a Hafnium oxide-based Ferroelectric Field Effect Transistor (FeFET) to encode the two binary states. Not only are the two devices fully CMOS compatible, which would facilitate their path towards the semiconductor industry, but they also exhibit simple working principles and excellent performance features in view of their future memory applications.

Nel corso dell’ultimo decennio, sia dispositivi di memoria volatile che di memoria non volatile hanno subito un’aggressiva riduzione delle rispettive dimensioni a causa del processo di scaling. Sebbene tale processo li abbia portati ad avere una straordinaria densità di integrazione, e di conseguenza, alla riduzione del costo per bit, li ha pure spinti ai propri limiti fisici. Da un lato, la memoria ad accesso casuale dinamica (DRAM), attualmente la memoria volatile a più alta densità di integrazione, è afflitta da correnti di leakage sempre più crescenti, mentre l’integrazione del condensatore di immagazzinamento rappresenta il maggior ostacolo per i dispositivi ultra-scalati. Dall’altro lato, le memorie flash, oggi la principale tecnologia di memoria non volatile a stato solido, si stanno avvicinando al punto in cui la granularità della materia e della carica severamente influenza le loro prestazioni. Lo scopo di questa tesi è lo studio di due innovativi dispositivi di memoria, uno di tipo volatile e l’altro di tipo non volatile, che risultano ottimi candidati per sostituire le attuali DRAM e Flash, rispettivamente. Il primo tipo sfrutta la bistabilità dei gated-thyristors per immagazzinare in maniera semplice e affidabile il dato volatile e viene chiamato T-RAM (Thyristor-based RAM). Il secondo tipo, invece, codifica i due stati binari grazie all’inversione permanente della polarizzazione all’interno del gate-stack di un transistore a effetto di campo ferroelettrico (FeFET), basato sull’ossido di afnio. I due dispositivi risultano non solo interamente CMOS compatibili, ma esibiscono anche semplici principi di funzionamento e ottime prestazioni in vista di future applicazioni nel campo delle memorie.