Experimental study of volatile and non-volatile RRAM devices for in-memory computing

In the last decades, the semiconductor industry benefited from the scaling of the electron devices, which was driven by Moore's law, and led to an incredible growth of the electronics performances and usage in the every-day life. This trend seems to be near to its end in the next years due to important issues about the physical limits of excessive scaling and the huge power dissipation derived from the high density integration combined with an important computational effort. Another relevant threat is caused at system level by the different speed growth rates of computational and memory units, with the former far faster than the latter, in the most diffused architecture, the Von Neumann one. In this case the two units are physically separated and the data should be shuttled back and forth from the memory to be used for computation, leading to an intrinsic bottleneck of the whole system, independent from the effective computational speed. To address these problems, several structures were proposed at device level as emerging memories like RRAM (resistive random access memories), PCM (phase change memories) and STT-MRAM (spin-transfer torque magnetic random access memories). Instead, at architectural level, new computing paradigms have been investigated like in-memory computing and neuromorphic computing, that overcome the need for the data to be shuttled and, instead, process them wherever they are stored or imitate efficient biological processes. In this context, RRAM devices stand out for their features like excellent scalability, easy fabrication process and notable endurance. These devices can be used as artificial synapses for neuromorphic computing or arranged in a matrix called crosspoint array, a structure characterized by the ability to implement in-memory computing with a high level of integration and fast access. Crosspoint arrays are promising candidates to fill the gaps in the so-called memory hierarchy as storage-class memories (SCM), being a compromise in integration, speed and fabrication cost. This experimental thesis has the purpose of investigating the main properties of two different types of RRAM, the ones with silver as top electrode (CBRAM) and the ones with titanium as top electode (OxRRAM), from which is expected, respectively, a volatile and non-volatile behaviour. The devices studied in this thesis were manufactured in the clean room of PoliFAB, the micro and nano technology facility of Politecnico di Milano and were characterized in the Nanoelectronic Devices and Emerging Technologies Laboratory of the Department of Electronics, Information and Bioengineering (DEIB). The thesis is organized as follows: Chapter 1 gives an overview of the scenario in which this research activity took place and its evolution in the last years, explaining the the current issues both at device and architectural level. Moreover, possible computing paradigms that overcome to the Von Neumann bottleneck are described, along with the most important candidates as emerging memory devices. Finally, a brief examination of crosspoint array structure and its need for selector devices is provided. Chapter 2 describes the fabrication and characterization techniques that were used to manufacture and test the RRAM devices in this thesis. A separate analysis for quasi-static and pulsed measurement is presented, with a final insight on the set-up limits and noise lowering procedures. Chapter 3 provides a description of the working principle of the silver top electrode RRAM devices and presents the results of the DC characterization performed on four different oxides. Then, a study of the AC retention measurements for SiO2 is reported with a presentation of the two main applications for volatile devices, i.e synapses for neuromorphic computing and selectors for crossbar array. Chapter 4 introduces the working principle of the titanium top electrode RRAM devices alongside the outcome of the quasi-static characterization on a set of six oxide materials and the comparison between them in terms of voltage and resistive figures of merit. Moreover, a study on the aging on these DC parameters in the span of three months is provided and, lastly, the possibility of pulsed programmability of the conductance value is exploited and discussed in terms of conductance range and relative standard deviation. Finally, considerations about all the experimental work of this thesis will be presented in the conclusions.

Negli ultimi decenni, l'industria dei semiconduttori ha tratto beneficio dalla miniaturizzazione dei dispositivi elettronici, guidata dalla legge di Moore, che ha portato ad una incredibile crescita delle prestazioni dell'elettronica e alla sua diffusione nella vita di tutti i giorni. Questa tendenza sembra essere vicina alla sua fine nell'arco dei prossimi anni, a causa di importanti problemi riguardanti i limiti fisici di una eccessiva miniaturizzazione e l'enorme dissipazione di potenza causata da un'alta densità di integrazione, combinata con un importante sforzo computazionale. Un' altra importante minaccia è causata a livello di sistema dalla differente crescita in velocità delle unità di elaborazione e memoria, con la prima molto più veloce della seconda, nell'ambito dell' architettura più diffusa, quella di Von Neumann. In questo caso, le due unità sono fisicamente separate e i dati devono essere spostati avanti ed indietro dalla memoria per poter essere usati per il calcolo, portando così ad un intrinseco collo di bottiglia del sistema, indipendente dall' effettiva velocità di calcolo. Per rispondere a questi problemi, numerose strutture di memoria emergenti sono state proposte a livello del dispositivo come le RRAM (resistive random access memories), PCM (phase change memories) e STT-MRAM (spin-transfer torque magnetic random access memories). Invece, a livello di architettura, nuove soluzioni di elaborazione sono state studiate come l'in-memory computing e il neuromorphic computing, le quali superano il bisogno dello spostamento dei dati e, invece, li processano nello stesso luogo dove sono conservati o imitano efficienti processi biologici. In questo contesto, le memorie resistive ad accesso causale (RRAM) spiccano per le loro proprietà quali eccellente scalabilità, facilità di fabbricazione e notevole resistenza. Questi dispositivi posso essere usati come sinapsi artificiali per il neuromorphic computing o organizzate in una matrice chiamata crosspoint array, struttura caratterizzata dall'abilità di implementare l'in-memory computing con un alto livello di integrazione ed accesso rapido. I crosspoint array sono candidati promettenti per coprire, come storage-class memories (SCM), i vuoti presenti nella gerarchia delle memorie, essendo un compromesso in integrazione, velocità e costo di fabbricazione. Questa tesi sperimentale ha lo scopo di studiare le principali proprietà di due differenti tipi di RRAM, quelle con l'elettrodo superiore in argento (CBRAM) e quelle con l'elettrodo superiore in titanio (OxRRAM), dalle quali è previsto, rispettivamente, comportamento volatile e non volatile. I dispositivi studiati in questa tesi sono stati fabbricati nella clean room del PoliFAB, la struttura per micro- e nanotecnologie del Politecnico di Milano, e sono stati caratterizzati elettricamente nel laboratorio di Dispositivi Nanoelettronici e Tecnologie Emergenti del Dipartimento di Elettronica, Informazione e Bioingegneria (DEIB). La tesi è strutturata come segue: Il capitolo 1 fornisce una panoramica sullo scenario in cui si è svolta questa attività di ricerca e la sua evoluzione negli ultimi anni, spiegando i problemi attuali sia a livello di dispositivo che di architettura. Inoltre, sono descritti possibili paradigmi computazionali che superano la limitazione dell'architettura Von Neumann, insieme ai candidati più importanti come dispositivi emergenti di memoria. Infine, è fornita una breve presa in esame della struttura crosspoint e la relativa necessità di selettori. Il capitolo 2 descrive le tecniche di fabbricazione e caratterizzazione utilizzate per realizzare e testare i dispositivi RRAM in questa tesi. È presentata una analisi separata per le misure in DC ed in AC, con un approfondimento finale sui limiti del set-up le procedure per ridurre il rumore. Il capitolo 3 fornisce una descrizione del principio di funzionamento dei dispositivi con l'elettrodo superiore in argento e presenta i risultati della caratterizzazione in continua effettuata su quattro diversi ossidi. In seguito, è riportato uno studio delle misure di ritenzione in AC per il SiO2, con una presentazione delle due applicazioni principali per i dispositivi volatili, cioè come sinapsi per neuromorphic computing e come selettori per crossbar array. Il capitolo 4 introduce il principio di funzionamento delle RRAM con l'elettrodo superiore in titanio, i risultati della caratterizzazione quasi-statica di un set di sei materiali come ossidi ed un confronto tra essi in termini di figure di merito di tensione e stati resistivi. Inoltre, è presentato uno studio sull'invecchiamento di questi parametri nel periodo di tre mesi ed, in ultima analisi, è approfondita la possibilità di programmazione della conduttanza tramite impulsi e discussa in termini di intervallo di conduttanze e relativa dispersione dei valori. Infine, nella conclusione sono presentate le considerazioni d'insieme sul lavoro sperimentale svolto in questa tesi.