Fabrication and characterization of HfOx-based RRAMs and MoS2-based mem-transistors

For many years the performances of computing systems have benefitted from the scaling of electron devices driven by Moore's law, which dictated the pace of semiconductor industry since its postulation in 1965. However, the continuous increase of the performance gap between CPU (i.e. the logic unit) and memory in the last decades seriously affected the overall performance of modern computing systems. Indeed, the physical separation between logic and memory typical of the von Neumann architecture, along with the discrepancy between computing speed and memory's latency times, represents a limit (usually referred to as von Neumann bottleneck or memory wall) especially for those tasks that require processing large amounts of data. In order to mitigate the performance issue, a memory hierarchy is typically used in modern computers, with volatile and fast memory layers (SRAM, DRAM) implemented closer to the CPU and slower non-volatile technologies (HDD, NAND Flash) used as storage devices. However, a large performance gap still exists between those two kind of technologies; moreover, the continuous exchange of data between the CPU and the many memory layers makes the analysis of large amounts of information a dramatically power-consuming task. In order to address these issues, a novel memory concept called storage class memory (SCM) was introduced in the last years. This new memory solution needs to be characterized by high integration densities (which involve low cost per bit), non-volatility, low power consumption, low latency times and extended endurance. At the moment, the most promising technologies for the implementation of SCM are the so-called resistive memory devices, also referred to as emerging memories, in which the logic value of the cell (0 or 1) is encoded by its resistance state. Emerging memories such as phase-change memories (PCM), spin-transfer torque magnetic memories (STT-MRAM) and filamentary resistive memories (RRAM) have been extensively studied in the last 20 years, as their simple two-terminals configuration makes them suitable for the implementation of dense cross-point memory arrays. Along with SCM, also novel architectures based on non-von Neumann paradigms (such as in-memory computing and neuromorphic computing) are attracting a lot of attentions. These architectures would in principle allow to overcome the fundamental separation between logic and memory: in neuromorphic computing, also called brain-inspired computing, the computing units are represented by neurons and synapses, and operate similarly to the way their biological counterparts do in the human brain; in-memory computing, on the other hand, aims at implementing logic operations inside the memory array directly, thus allowing to eliminate the need to transfer data between the memory and the CPU. Both paradigms can be implemented using cross-point arrays of resistive memories, which makes these technologies also interesting for future non-von Neumann computing applications. The development of more efficient systems also requires a careful study of novel materials and devices. Along with emerging memories, devices based on 2D materials have also attracted a lot of attentions, since graphene was first discovered in 2004. However, despite of its extraordinary properties, graphene resulted to be not suitable for the implementation of electron devices, because of the absence of an energy gap in its band structure. For this reason, researchers focused their attention also on other stratified materials, such as semiconducting transition metal dichalcogenides (TMDs), which can be employed for the integration of ultra-thin electron devices. The experimental activity of this thesis work focused on the fabrication of emerging resistive memory devices and novel mem-transistor devices based on 2D materials, followed by their electrical characterization in order to characterize their behavior and their figures of merit. The fabrication processes and the topographical characterization were carried out in the clean room of PoliFab (the micro and nano technology center of Politecnico di Milano), while the electrical measurements were performed inside the Electron Devices Lab of the Dipartimento di Elettronica, Informazione e Bioingegneria. Chapter 1 gives an overview on the current memory technology and the future perspectives, in particular the principles of the main emerging memories will be discussed, along with their implementation for SCM and non-von Neumann architectures. Moreover, an introduction to 2D TMDs and their employment for the realization of ultra-thin electron devices will be given. Chapter 2 describes the techniques employed for the fabrication phase carried out inside the clean room of PoliFab, including the mechanical exfoliation of 2D materials and the description of micro and nano fabrication tools such as electron lithography, reactive ion etching and evaporation for thin films deposition. In chapter 3 a description of the employed characterization techniques will be given. These include electrical measuring and microscopy tools for topographical characterization, such as scanning electron microscopy and atomic force microscopy. Chapter 4 is dedicated to the description of the process for the fabrication of HfOx-based filamentary resistive random access memories (RRAMs), followed then by a presentation of the results of their electrical characterization. Moreover, the study of the impact of design and fabrication parameters on some electrical features will be addressed, along with some open issues and possible solutions to overcome them. Finally, chapter 5 describes the fabrication process and the electrical behavior of a novel three-terminals electron device, namely the mem-transistor. This new device concept is based on the employement of an ultra-thin semiconducting MoS2 flake and on the possibility to induce a memristive behavior between two of the three electrodes. The obtained results will be presented along with a qualitative physical interpretation and a look to the possible applications.

Per molti anni le performance dei sistemi di calcolo hanno beneficiato dal continuo scaling dei dispositivi elettronici guidato dalla legge di Moore, la quale detta il ritmo dell'industria dei semiconduttori fin dalla sua postulazione nel 1965. In ogni caso negli ultimi decenni il continuo allargamento della gap di performance tra l'unità logica (CPU) e il sistema di memoria ha seriamente influenzato la performance complessiva dei moderni sistemi di calcolo. Infatti la separazione fisica tra logica e memoria tipica dell'architettura von Neumann, insieme alla discrepanza tra la velocità di computazione e i lunghi tempi di latenza delle memorie, rappresenta un limite (spesso chiamato von Neumann bottleneck o memory wall) specialmente per le operazioni che richiedono il trattamento di grandi quantità di dati. Al fine di mitigare tale probelma di performance, i computer moderni si basano tipicamente su una gerachia di memorie, con strati di memorie veloci e volatili (SRAM, DRAM) implementate in prossimità della CPU e tecnologie non volatili più lente (HDD, NAND Flash) usate come dispositivi di storage. In ogni modo, esiste comunque un ampio gap di performance tra questi due tipi di tecnologie; inoltre, il continuo scambio di dati tra la CPU e i diversi strati di memoria rende l'analisi di grandi quantità di informazioni estremamente critica in termini di consumo di potenza. Al fine di superare tale restrizione riducendo sia la gap dei tempi di latenza che la stratificazione dell'odierna gerarchia delle memorie, un nuovo concetto di memoria chiamato storage class memory (SCM) è stato introdotto negli ultimi anni. Tale tecnologia deve essere non volatile, oltre ad avere un'elevata densità di integrazione (la quale comporta un minore costo per bit), bassi consumi in termini di potenza, bassi tempi di latenza e un'elevata endurance (intesa come il numero massimo di cicli di scrittura e cancellazione). Al momento, le tecnologie SCM più promettenti risultano essere le memorie resistive, conosciute anche come memorie emergenti, nelle quali il valore logico della cella (0 o 1) è codificato dal suo stato resistivo. Memorie emergenti come le memorie a cambiamento di fase (PCM), le memorie magnetiche a effetto spin-transfer torque (STT-MRAM) e le memorie resistive a comportamento filamentare (RRAM) sono state oggetto di molti studi negli ultimi 20 anni, dato che la loro semplice configurazione a due terminali le rende particolarmente adatte per essere integrate in architetture cross-point, le quali possono raggiungere elevate densità di integrazione. Inisieme alle memorie SCM, anche alcune nuove architetture basate su paradigmi di tipo non-von Neumann (come la computazione in-memory e la computazione neuromorfica) stanno risultando essere molto interessanti. Tali architetture potrebbero permettere di superare la separazione tra logica e memoria: nel computing neuromorfico le unità computazionali sono rappresentate da neuroni e sinapsi, ed operano in maniera analoga a quanto avviene a livello biologico nel cervello umano; la computazione in-memory invece punta ad implementare le operazioni logiche direttamente all'interno dell'array di memoria, permettendo così di eliminare il bisogno di un continuo trasferimento di dati tra la memoria e la CPU. Entrambi i paradigmi possono essere implementati tramite array cross-point di memorie resistive, rendendo tali tecnologie interessanti anche per future applicazioni di computing di tipo non-von Neumann. Lo sviluppo di sistemi più efficienti richiede anche uno studio attento di nuovi materiali e dispositivi. Insieme alle memorie emergenti, dispositivi elettronici basati su materiali 2D sono stati largamente studiati a partire dalla scoperta del grafene nel 2004. D'altra parte, nonostante le sue straordinarie proprietà, il grafene è risultato essere non adatto per la realizzazione di dispositivi elettronici, data l'assenza di una gap energetica nella sua struttura a bande. Per questo motivo la ricerca si è indirizzata anche su altri materiali stratificati, come i semiconduttori della famiglia dei dicalcogenuri di metalli di transizione (TMD), i quali possono essere utilizzati per l'integrazione di dispositivi elettronici ultra sottili. L'attività sperimentale di questo lavoro di tesi si è focalizzata sulla fabbricazione di memorie resistive emergenti e dispositivi mem-transistor basati su materiali 2D, seguita dalla loro caratterizzazione elettrica con l'obiettivo di caratterizzare il loro comportamento e i loro fattori di merito. I processi di fabbricazione e la caratterizzazione topografica sono stati effettuati all'interno della clean room di PoliFab (il centro di micro e nano-tecnologie del Politecnico di Milano), mentre la fase di misurazione elettrica è stata svolta nel Laboratorio di Dispositivi Elettronici del Dipartimento di Elettronica, Informazione e Bioingegneria. Il capitolo 1 dà una panoramica delle attuali tecnologie di memoria e delle prospettive future, descrivendo in particolare i principi delle principali memorie emergenti, insieme alla loro implementazione nell'ambito SCM e in architetture di tipo non-von Neumann. Inoltre verrà presentata un'introduzione ai materiali TMD bidimensionali e al loro utilizzo per la realizzazione di dispositivi elettronici ultra sottili. Il capitolo 2 descrive le tecniche utilizzate durante la fase di fabbricazione effettuata all'interno della clean room di PoliFab, includendo l'esfoliazione meccanica dei materiali 2D e la descrizione di tecniche come la litografia elettronica, l'etching reattivo ionico e l'evaporazione per la deposizione di film sottili. Nel capitolo 3 viene fornita una descrizione delle tecniche di caratterizzazione impiegate. Queste comprendono sia misurazioni elettriche che tecniche di microscopia come la microscopia a scansione elettronica e la microscopia a forza atomica. Il capitolo 4 si occuperà del processo di fabbricazione di memorie resistive a comportamento filamentare (RRAM) basate sull'utilizzo di HfOx come materiale attivo, seguita dalla presentazione dei risultati della loro caratterizzazione elettrica. Inoltre verrà riportato uno studio dell'impatto su alcune caratteristiche elettriche da parte di certi parametri di progettazione e fabbricazione, oltre a questioni ancora aperte e a possibili soluzioni future per queste. Infine, il capitolo 5 descrive il processo di fabbricazione e il comportamento elettrico di un nuovo dispositivo elettronico a tre terminali, il mem-transistor. L'idea principale è quella di utilizzare il comportamento semiconduttivo di una flake ultra sottile di MoS2 e di sfruttare la possibilità di indurre un comportamento memristivo tra due dei tre elettrodi. I risultati osservati verranno presentati insieme ad una interpretazione fisica qualitativa e ad una presentazione delle possibili applicazioni.