Characterization and modeling of electro-chemical random access memory (ECRAM) devices

The last decades saw an unprecedented diffusion of electronic application in all areas of life, from industrial to mass produced hand-held personal devices. This trend has been made possible by the relentless improvement of microelectronic fabrication processes, that, following Moore’s law, kept introducing new technologies for the continuous miniaturization of the components of integrated circuits. In particular, the improvement of electronic memories, that have a fundamental role in every computer architecture, fol- lowed the same trend, and the downscaling allowed their integration density to increase exponentially, thus lowering the cost-per-bit while simultaneously increasing their storage capacity and operating speed. In the recent years this scaling seems to have reached a plateau, as the features of the electronic cell elements push the nanometer scale, physical phenomena that were neglected at first now play major roles in the operation of the devices, worsening their performances. Moreover, the increasing need for data centric application that require enormous computing efforts, such as the training of artificial neural networks, made evident the limit of the Von Neumann architecture of modern computers. The physical separation between CPU and memory units, and their ever diverging speed performance stalled the progress, as the energy consuption for the constant data transfer became unsustainable. In an effort to find solution to these problematics, new paradigms such as the "in memory computing" were proposed, and got the attention of the research community. The implementation of these novel architectures is made possible by a new family of emerging non-volatile memory devices, that are being used in highly parallel hardware solutions. Among the many proposed devices, the electro-chemical random access memory (ECRAM), is a three-terminal cell that could overcome the fundamental limits of more established technologies such as RRAM and PCM, and decouple the programming operation from the reading path to avoid stochasticity problems. The device, with a transitor like structure, uses solid state electrolytes in the gate stack to intercalate ionic species into the channel, modifying its conductance. The linearity and symmetry of its resistive update characteristic, coupled with its low-power and high speed capabilities, make the ECRAM an interesting candidate in developing hardware neuromorphic applications. Recently, metal oxide based ECRAMs have become the most promising technology due to their compatibility with the CMOS process, making them ideal for back end of the line (BEOL) integration. In this thesis project, an experimental material study involving fabrication of thin film tungsten oxide devices for ECRAM applications will be presented. An analytical modeling of the novel device will be introduced, with the derivation of a compact formula to describe device operation. Lastly a FEM 2D model will be built using the physics described, and used to simulate complex programming sequences. The thesis work is structured as follows: • Chapter 1 presents the main memory technologies employed in modern computers, with detailed description of the flash memory cell. It then highlights the limitations of the present computing architectures and introduces emerging memory devices as the key element to overcome them. PCM, RRAM and ECRAM technology are then introduced as examples of novel resistive switching devices. • Chapter 2 illustrates in detail the ECRAM memory cell architecture. It describes the main operating mechanism, and characteristics of the device. The two main technologies, lithium ions and oxygen ions are presented, and the existing modeling for the devices is briefly introduced. • Chapter 3 deals with the experimental activities performed in Polifab cleanroom regarding the study of a tungsten oxide based thin film channel for ECRAM application. First, microfabrication techniques used in device fabrication are explained, then the complete process flow for the device is presented. Lastly the characterization results of the experimenting campaign are presented and commented. • Chapter 4 focuses on the physical description of the metal oxide based ECRAM cell. An equation of motion for oxygen vacancies accounting ion-hopping phenomena is presented, and the complete derivation of a compact analytical model for conductance update is illustrated. Lastly the model will be tuned on experimental data. • Chapter 5 concentrates on the implementation of the physics of the device in a numerical finite element model, that will numerically simulate complex programming sequences, demonstrating synaptic characteristics of the device. Lastly, the FEM model will be compared with the analytical formula, highlighting the similarities.

Negli ultimi decenni si è vista una diffusione senza precedenti dell’elettronica in tutti gli ambiti della vita, dall’industria ai dispositivi elettronici tascabili. Questo trend è stato reso possibile dal miglioramento senza sosta dei processi di fabbricazione microelettronica, che, seguendo la legge di Moore, hanno continuato a introdurre nuove tecnologie per la continua miniaturizzazione dei componenti dei circuiti integrati. In particolare, l’avanzamento delle memorie elettroniche, le quali hanno un ruolo fondamentale in ogni architettura dei calcolatori, ha seguito lo stesso andamento, e il rimpicciolimento ha permesso di far aumentare esponenzialmente la loro densità di integrazione, abbassando così il costo per bit e simultaneamente incrementando la loro capacità di archiviazione e la loro velocità. Negli ultimi anni questo scaling sembra aver raggiunt un plateau, e man mano che le dimensioni delle celle di memoria raggiungono scala nanometrica, fenomeni fisici che vennero trascurati in principio ora ricoprono ruoli fondamentali nel funzionamento dei dispositivi, peggiorandone le prestazioni. Oltretutto, il bisogno sempre crescente di applicazioni datacentriche che richiedono enormi sforzi computazionali, come il training di reti neurali artificiali, ha reso evidente i limiti dell’architettura di Von Neumann dei computer odierni. La separazione fisica tra CPU e unità di memoria, e la loro velocità sempre più divergente, hanno bloccato il progresso, dato che il consumo energetico per il costante trasporto di dati è divenuto insostenibile. Nel tentativo di trovare una soluzione a queste problematiche, nuovi paradigmi come quello di "in memory computing" sono stati proposti, e hanno attirato l’attenzione della comunità scientifica. L’implementazione di queste nuove architetture è resa possibile da una nuova famiglia di memorie non volatili emergenti, che sono utilizzate in soluzioni hardware ad alto parallelismo. Tra i molti device proposti, la electro-chemical random access memory (ECRAM), è una cella a tre terminali che potrebbe superare i limiti fondamentali di tecnologie più affermate come le RRAM e le PCM, e disaccoppiare il processo di lettura da quello di scrittura per evitare problemi stocastici. Il dispositivo, con una struttura a transistor, figura elettroliti in fase solida nello stack di gate che usa per intercalare specie ioniche nel canale, modificandone conduttanza. La linearità e la simmetria della sua caratteristica di update resistivo, assieme alle sua potenzialità di alta velocità e bassa potenza dissipata, rendono l’ECRAM un candidato interessante nello sviluppare applicazioni neuromorfiche hardware. Recen- temente, ECRAM basate su ossidi metallici sono diventate la tecnologia più promettente, grazie alla loro compatibilità con il processo CMOS, rendendole ideali per l’integrazione nella fase di back end of the line (BEOL). In questo progetto di tesi, sarà uno studio sper- imentale di materiali, avente come oggetto la fabbricazione di dispositivi a film sottile di ossido di tungsteno per applicazioni sulle ECRAM. Sarà introdotto un modello analitico del device emergente, con la dimostrazione di una formula compatta per descrivere il funzionamento del dispositivo. Infine, un modello 2D FEM sarà costruito utilizzando la fisica descritta, e sarà usato per simulare complesse sequenze di programmazione. Il lavoro di tesi è strutturato come segue: • Il capitolo 1 presenta le principali tecnologie di memoria utilizzate nei moderni computer, con una dettagliata descrizione della cella di memoria flash. Sottolinea poi i limiti delle odierne architetture computazionali e introduce le memorie emergenti come elementi chiave per superarli. Infine le tecnologie PCM, RRAM e ECRAM saranno introdotte come esempi di nuovi device emergenti a switching resistivo. • Il capitolo 2 illustra nel dettaglio l’architettura della cella di memoria ECRAM. Descrive i principali meccanismi di funzionamento e le caratteristiche del dispositivo. Sono presentate le due tecnologie principali, ad ioni di litio e vacanze di ossigeno, e le modellizzazioni esistenti per questi dispositivi sono brevemente introdotte. • Il capitolo 3 tratta delle attività sperimentali condotte nella cleanroom in Polifab riguardo allo studio di dispositivi a film sottile base di ossido di tungsteno per applicazioni nelle ECRAM. Prima sono presentate le tecniche di microfabbricazione usate nella produzione del dispositivo, poi è presentato il process flow completo per la costruzione del device. Infine sono presentati e commentati i risultati della caratterizzazione della campagna sperimentale. • Il capitolo 4 si concentra sulla descrizione fisica della cella ECRAM a base di ossido metallico. E’ presentata un’equazione del moto per vacanze di ossigeno che considera fenomeni di ion-hopping, ed è illustrata la completa derivazione di un modello analitico compatto per l’update della conduttanza. Infine il modello è calibrato su dati sperimentali. • Il capitolo 5 verte sull’implementazione della fisica del dispositivo in un modello numerico a elementi finiti, che simulerà numericamente sequenze di programmazione complesse, dimostrando le caratteristiche sinaptiche del dispositivo. Infine, il modello FEM sarà confrontato con la formula analitica, evidenziandone le similarità.