Caratterizzazione sperimentale di celle di memoria FTJ

In recent years, the advent of “Big Data” and related analytics has boosted the demand for memories with high read/write throughput and higher-than-ever storage capacity. To satisfy this demand, the 1T-1C DRAM technology and the NAND Flash technology, which are the dominant solid-state solutions for, respectively, volatile and non-volatile data storage, have been subjected to a relentless evolution. On one hand, high aspect ratio vertical cylindrical capacitors have been used in the DRAM technology to continue shrinking the cell size down to the 20nm node. On the other hand, after the development of the 15nm node, the NAND Flash technology underwent a paradigm shift in its integration scheme, with the stacking of many layers of memory cells in 3D arrays replacing miniaturization of cell dimensions in planar arrays in the attempt to increase the bit storage density of the chip. However, the possibility to keep increasing the aspect ratio of the capacitor to reduce the area of the DRAM cell and the possibility to keep stacking an increasing number of cells in the vertical direction in 3D NAND Flash arrays appear limited by many physical constraints. So, alternative solutions able to prolong the success of solid-state memory technologies in the years to come are currently under investigation. Among them, thanks to the recent discovery of ferroelectricity in a CMOS compatible material such as HfO2, a renewed interest has been devoted to all the cell structures exploiting the switching of the electrical polarization of ferroelectric materials to store information. These structures include: Ferroelectric Random Access Memories (FeRAM), Ferroelectric Field-Effect Transistors (FeFET) and Ferroelectric Tunnel Junctions (FTJ). All of these three cell structures have pros and cons and are studied for different target applications. In particular, while FeRAM and FTJs are considered viable solutions for the post-DRAM scenario, FeFETs are most suitable as NAND Flash replacement. Although the basic structure of an FTJ was proposed a long time ago, the successful fabrication and application of such device have long been hindered by the loss of pronounced ferroelectricity in materials that are just a few unit-cell thick. In its simplest form, in fact, an FTJ is made of a thin ferroelectric layer sandwiched in-between two electrodes, which can be either metals or highly-doped semiconductors. The operation of the device relies on the modulation by the electrical polarization of the ferroelectric layer of the tunneling current between the electrodes. As a consequence, process solutions able to preserve the ferroelectric properties of the insulator when its thickness is reduced to values where tunneling is relevant, i.e., to few nm, are needed. Since it was only in the last 15 years that such possibility was demonstrated, there is a lot that still needs to be investigated in the basic physics and in the operation of FTJs, considering also that in the meantime ferroelectricity in HfO2 has boosted the interest in the field and has expanded the range of ferroelectric materials explored. In this context, the goal of this thesis is the experimental characterization of memory cells based on FTJ with Pt/BTO/Nb:STO structure and the modeling of the electrostatics and the 1-D electron transport calibrated on the results obtained.

Negli ultimi anni, l’avvento dei "Big Data" e della relativa analisi ha incremento la richiesta di memorie con alte velocità di scrittura/lettura e grandi capacità di archiviazione. Per soddisfare questa richiesta, la tecnologia DRAM 1T-1C e la tecnologia Flash NAND, rispettivamente le soluzioni a stato solido più implementate nel caso di memorie volatili e non volatili, hanno subito un’inarrestabile evoluzione. Da un lato, per continuare a ridurre le dimensioni della cella DRAM fino al nodo a 20nm sono stati usati condensatori cilindrici ad alto aspect ratio. Dall’altro lato, dopo lo sviluppo del nodo a 15nm, la tecnologia Flash NAND ha subito un cambiamento nel suo processo di integrazione sostituendo la miniaturizzazione delle dimensioni della cella nella stringa planare con la sovrapposizione di molti strati di celle di memoria in una stringa 3D per aumentare la densità di archiviazione del chip. Tuttavia, la possibilità di continuare ad aumentare l’aspect ratio del condensatore per ridurre l’area della cella DRAM e la possibilità di continuare a sovrapporre un numero sempre crescente di celle in verticale nella stringa Flash NAND sembra vincolato da molti limiti fisici. In questo contesto, sono tuttora investigate soluzioni alternative in grado di prolungare il successo delle tecnologie di memoria a stato solido negli anni a venire. Tra queste, grazie alla scoperta recente della ferroelettricità in un materiale compatibile con il processo CMOS come l’HfO2, è stato dato un rinnovato interesse verso le celle che sfruttano la commutazione della polarizzazione elettrica dei materiali ferroelettrici per immagazzinare le informazioni. Queste strutture includono: Ferroelectric Random Access Memories (FeRAM), Ferroelectric Field-Effect Transistors (FeFET) e Ferroelectric Tunnel Junctions (FTJ). Tutte queste tre celle hanno pro e contro e sono studiate per diverse applicazioni. In particolare, mentre FeRAM e FTJ sono considerate possibili soluzioni per lo scenario post-DRAM, i FeFET sono più adatti per rimpiazzare le Flash NAND. Sebbene la struttura di base di una cella FTJ sia stata proposta molto tempo fa, il successo nella fabbricazione e nell’applicazione di questi dispositivi è stato a lungo ostacolato dalla mancanza di una pronunciata ferroelettricità in materiali spessi solo poche celle unitarie. Nella sua forma più semplice infatti una FTJ è composta da uno strato sottile di ferroelettrico racchiuso tra due elettrodi, che possono essere metalli o semiconduttori. L’operazione di questi dispositivi si basa sulla modulazione della corrente di tunneling tra gli elettrodi dovuta alla polarizzazione elettrica dello strato ferroelettrico. Come conseguenza, sono richieste soluzioni di processo capaci di preservare le proprietà ferroelettriche dell’isolante quando lo spessore è ridotto a valori dove il tunneling è rilevante, ossia a pochi nm. Poiché è solo negli ultimi 15 anni che tale possibilità è stata dimostrata, c’è ancora molto che deve ancora essere studiato sulla fisica di base e sui principi di funzionamento delle FTJ, considerando anche che nel frattempo la ferroelettricità nell’HfO2 ha incoraggiato l’interesse nel campo e ha ampliato il range di materiali ferroelettrici esplorato. In questo contesto, questo lavoro di tesi si pone l’obiettivo di caratterizzare sperimentalmente celle di memoria FTJ basate sulla struttura Pt/BTO/Nb:STO e di fare uno studio modellistico dell’elettrostatica e del trasporto elettronico 1-D calibrato sui risultati ottenuti.