Endurance analysis of ferroelectric silicon-doped hafnium oxide for storage class memory applications

In the last decades, the gap between physical memories and storage memories has widened in terms of both costs and latency. At the same time, the necessity for a memory which can stay in between them has also grown. This new type of memory has been labelled as storage class memories (SCM). A memory, to comply with the SCM specifications, needs to have a latency lower than a Flash-NAND and a cost lower than a DRAM, as well as a higher endurance than Flash-NAND and an improved scalability. Among all the different types of memories currently under study, this thesis focuses on ferroelectric memories. In particular, the endurance of ferroelectric silicon-doped hafnium oxide based capacitors is presented. The analysis shows an exponential dependence of the endurance on the applied voltage, as well as a strong dependence on the frequency of the cycling waveform: the endurance improves for a lower voltage and for a faster waveform. However, for higher frequencies the PV loops experience distortion. The evaluations is carried out cycling the devices both with a rectangular and a triangular wave. An assessment of the permittivity of the hafnium oxide confirms the transition of the domains from a mixed-phase pristine state to a prevalently orthorhombic phase.

Nell’era dell’industria 4.0, il crescente numero di dispositivi elettronici in circolazione si rispecchia in una crescente domanda di memorie e di nuovi tipi di memorie. In particolare, negli ultimi anni il gap tra memorie RAM e memorie d’archiviazione (storage) si è allargato in termini di costi e di latenza. Per esempio, una DRAM è molto più veloce di un SSD, ma il costo per bit è anch’esso più elevato. Si sente quindi la necessità di un tipo di memoria non volatile che stia a metà strada tra le due, la cosiddetta Storage Class Memory SCM. Una SCM, per essere definita tale, deve soddisfare i seguenti requisiti: i) latenza inferiore ad una Flash-NAND, ii) costo inferiore ad una DRAM. Altri requisiti consistono in una maggiore resistenza nel tempo ai cicli di lettura e scrittura rispetto alle Flash-NAND e la possibilità di scalare la loro dimensione oltre il limite delle stesse. Attualmente, diversi dispositivi sono studiati con l’obiettivo di identificare il miglior candidato a ricoprire il ruolo di SCM. I principali sono i seguenti: • Phase change memory (PCM): i bit 1 e 0 sono memorizzati come stato amorfo o stato cristallino del materiale utilizzato. • Resistive RAM (ReRAM): i bit 1 e 0 sono codificati in un’alta o bassa resistenza di un materiale dielettrico, all’interno del quale è creato o distrutto un cammino resistivo. • Spin Transfer Torque RAM (STT-RAM): si ha uno strato di materiale magnetico con polarizzazione fissa e uno strato con polarizzazione libera. Polarizzando lo strato libero parallelamente al magnete di riferimento o anti-parallelamente ad esso si memorizzano i due bit 1 e 0. • Spin Orbit Torque RAM (SOT-RAM): il principio di funzionamento è molto simile a quello di una memoria STT. La differenza principale è che la lettura e la scrittura sono effettuati su due terminali differenti, portando ad un incremento di velocità e di affidabilità della memoria ma ad una in-feriore densità di integrazione. • Ferroelectric RAM (FeRAM): i bit 1 e 0 sono codificati nelle polarizzazioni “up” e “down” dei dipoli in uno strato di dielettrico con proprietà ferroelettriche. In questa tesi il focus è sulle memorie ferroelettriche. In particolare, mi sono occupato della caratterizzazione elettrica di condensatori con dielettrico ferroelettrico con l’obiettivo di analizzare l’endurance di questi dispositivi, cioè quanti cicli di lettura e scrittura riescono a sostenere prima di rompersi. Questo lavoro di tesi è stato svolto in imec, che è l’acronimo di Centro Interuniversitario per la Micro-Elettronica. L’attività è stata supervisionata nella sua totalità da Nicolò Ronchi, ingegnere R&S del team di progetto dei dispositivi di memoria, e supportato da Marco Sampietro, professore al Politecnico di Milano. Il Capitolo 2 introduce le fondamenta teoriche utili alla comprensione dei risultati riportati in questa tesi. In primo luogo, la definizione di ferroelettricità è riportata e analizzata. Si spiega poi l’importanza della scoperta delle proprietà ferroelettriche nei film di ossido di afnio drogato con silicio, cioè della possibilità di integrare questo materiale con i processi tecnologici già esistenti. Successivamente è riportata una descrizione del meccanismo di rottura dell’ossido di afnio, dato da difetti che muovendosi lungo i bordi di grano possono creare dei percorsi conduttivi tra le due armature del condensatore. Infine, l’ultimo paragrafo di questo capitolo introduce gli strumenti statistici utilizzati per l’analisi dell’endurance. In particolare, la distribuzione di Weibull è descritta in dettaglio. Nel Capitolo 3 i metodi e la strumentazione usata sono presentati. Si spiega perché lo stato di un condensatore è misurato con un’onda triangolare e qual è la forma d’onda della corrente che ci si aspetta di avere. Integrando la corrente si può ottenere il grafico Polarizzazione-Voltaggio, dal quale si estraggono importanti parametri come la 2Pr e la 2Vc. Infine, la strumentazione di laboratorio, il layout del wafer e del die e il processo di fabbricazione del dispositivo sono riportarti. Il Capitolo 4 inizialmente riporta il procedimento più diffuso per la misura dell’endurance, per poi passare ai risultati sperimentali. Una chiara dipendenza esponenziale dell’endurance dal voltaggio della forma d’onda usata per ciclare il dispositivo emerge da diversi esperimenti. Un altro importante risultato è una maggiore endurance usando una maggiore frequenza di ciclaggio, che però porta ad avere dei PV loop distorti. Infine, l’estrazione della permittività dell’ossido di afnio mostra la transizione da un mix di fasi nello stato iniziale ad un valore costante dopo un certo numero di cicli, dato dalla prevalenza di domini con fase ortorombica. Nel Capitolo 5 sono portate le conclusioni e le prospettive future. La tesi si conclude con una raccolta degli script principali utilizzati per ottenere i grafici e i risultati riportati nel quarto capitolo.