Electrical characterization and physical modeling of unipolar/bipolar resistive switching materials

In recent years the technology has marked the deepest changes in our lives and culture. The impressive development of new electronic devices is by far the fastest progress that human kind has ever experienced. The continuous demand of new portable, low-cost, low-power devices has forced a huge effort in R&D, pushing the limits of the current technology. The demand of memory supports represents an excellent example of such rush toward the limits of our technology. Flash memory, representing the main stream memory technology, experienced an impressive development being, at the time of writing, at the 25 nm node. The foresee of the intrinsic limit of Flash scalability, is also driving a tremendous amount of research in completely new memory technologies. This research is yielding to an exciting activity directed to a deeper physical understanding and, at the same time, to a fast technology development. This Doctoral Dissertation will be focused on Nickel Oxide-based and Hafnium Oxide-based Resistive-switching RAM (RRAM). The work describes working principles, physical/numerical modeling, reliability issues and innovative memory structures of RRAM technology. Experimental characterization has been a crucial step in this task, being the starting point of physical understanding and thus modeling. The first Chapter briefly describes the non-volatile memory market scenario, explaining the Flash technology basics showing its limits and presenting a few solutions that have been proposed. A first introduction on RRAM technology will be discussed, presenting the basic working principle and making clear already how the research is all but close to a complete understanding of RRAM dynamics and behavior. The second Chapter will give a deep insight into the different kind of memory structures that have been electrically tested. The basic mechanisms for program operation in RRAM devices will be described from a more electrical point of view, showing the feasibility of growth/dissolution control of the conductive filament, helping us in unveiling its real nature. The third chapter will focus on physical and numerical modeling of unipolar/bipolar resistive switching, starting from the experimental results obtained on NiO-based and HfO-based devices. We will also introduce the concept of universal reset for unipolar/bipolar RRAM and the innovative concept of complementary switching, a new operation mode in non-polar RRAM. The fourth Chapter will focus on scaling. In particular will be described a possible approach to scale down the reset current, which is probably the biggest issue in RRAM, exploiting 1T1R devices. By the use of CAFM technique we will try to direct manipulate single conductive filament thus exploring program performances of future ultra-scaled devices. The fifth Chapter will be completely devoted to reliability issues. We will start with the study of the feasibility of a RRAM multilevel cell (MLC). Data retention will be then discussed from a statistical point of view. We will show prediction of our models, illustrating how a tradeoff between reset current and data retention is necessary. The aspect of pulsed program in RRAM will be presented showing the presence of a trade-off between reset current and the onset of set-reset instability. We will conclude showing Random Telegraph Signal Noise (RTN) affecting high resistive states, and we will describe a physics-based model based on these evidences. In the last Chapter a completely new approach to RRAM technology will be presented. We will report our results obtained on the synthesis and the characterization of self assembled Ni-NiO core-shell nanowires (NW) for cross-bar memory implementation. This work is particularly interesting in future prospectives since the so-called bottom-up approach could lead to a very aggressive scaling at a relatively low-cost.

Negli ultimi anni l’evoluzione della tecnologia ha tracciato profondi cambiamenti nella nostra vita e cultura. L’impressionante sviluppo di nuovi dispositivi elettronici rappresenta di gran lunga il più veloce progresso che l’umanità abbia mai sperimentato. La continua domanda di dispositivi portatili, a basso costo e a basso consumo energetico ha richiesto un enorme sforzo da parte del settore R&D, spingendo sempre più avanti i limiti delle attuali tecnologie. La domanda di supporti di memoria rappresenta un ottimo esempio di tale corsa verso i limiti della nostra tecnologia. Le memorie Flash, che rappresentano attualmente la principale tecnologia di memoria, hanno registrato un impressionante sviluppo trovandosi, al momento in cui si sta scrivendo, al nodo 25 nm. La previsione del raggiungimento dei limiti intrinseci di scalabilità delle memorie Flash è da stimolo per una vasta attività di ricerca verso tecnologie di memoria completamente nuove. Questa ricerca sta dando vita ad entusiasmanti attività rivolte ad una più profonda comprensione fisica e allo stesso tempo ad un rapido sviluppo tecnologico. Questa Tesi di Dottorato sarà focalizzata su memorie a switching resistivo (RRAM) basate su ossido di Nickel e ossido di Afnio. Il lavoro analizza principi di funzionamento, modellistica fisica/numerica, problemi di affidabilità e strutture di memoria innovative della tecnologia RRAM. La parte di caratterizzazione sperimentale è stata fondamentale in questo attività di ricerca, essendo il punto di partenza della comprensione fisica e quindi della modellistica. Il primo capitolo descrive brevemente lo scenario del mercato delle memorie non volatili, spiegando i funzionamenti di base della tecnologia Flash, mostrandone i limiti e presentando alcune possibili soluzioni architetturali a questi problemi. Sarà presentata anche una prima introduzione sulla tecnologia RRAM, discutendo i principi di funzionamento di base e chiarendo come la ricerca si stia spingendo verso una completa comprensione delle dinamiche e del comportamento di tale tecnologia. Il secondo capitolo darà una visione approfondita dei diversi tipi di struttura di memoria che sono stati testati elettricamente. I meccanismi di base per la programmazione dei dispositivi RRAM saranno descritti da un punto di vista pi`u elettrico, mostrando la possibilità di crescere/dissolvere in maniera controllata il filamento conduttivo al fine di cercare di svelarne la vera natura. Il terzo capitolo si concentrerà sulla modellistica fisica e numerica dello switching resistivo unipolare/bipolare a partire dai dati sperimentali ottenuti su dispositivi basati su NiO e HfO. Sarà anche introdotto il concetto di reset universale per RRAM unipolari/ bipolari e l’innovativo concetto di switching complementare, un nuovo metodo di programmazione per RRAM non polari. Il quarto capitolo si concentrerà sullo scaling. In particolare sarà descritto un possibile metodo per ridurre la corrente di reset, che rappresenta probabilmente il problema pi`u grande nella tecnologia RRAM, sfruttando dispositivi 1T1R. Tramite l’utilizzo di tecniche CAFM si cercherà di manipolare direttamente il singolo filamento conduttivo così da esplorare le prestazioni della programmazione in futuri dispositivi ultra-scalati. Il quinto capitolo sarà completamente dedicato ai problemi di affidabilità. Inizieremo con lo studio della fattibilità della realizzazione di una cella RRAM multilivello (MLC). Sarà poi discussa la ritenzione del dato da un punto di vista statistico. Dopo aver mostrato le previsioni dei modelli realizzati, sarà evidenziato come un trade-off tra corrente di reset e ritenzione del dato sia necessario. Verrà analizzata la programmazione impulsata di dispositivi RRAM mostrando la presenza di un trade-off tra la corrente reset e l’insorgere di instabilità di set-reset. Il capitolo si concluderà mostrando come il Random Telegraph Signal Noise (RTN) interessi gli stati alto resistivi, introducendo un modello fisico basato su queste evidenze. Nell’ultimo capitolo sarà presentato un approccio completamente nuovo alla tecnologia RRAM. Saranno riportati i risultati ottenuti sulla sintesi e caratterizzazione di Ni-NiO core-shell nanowires autoassemblanti per l’implementazione in strutture di memoria cross-bar. Questo lavoro è particolarmente interessante in prospettive del futuro sviluppo del cosiddetto approccio litografico bottom-up il quale potrebbe portare ad uno scaling molto aggressivo a relativamente a bassi costi.