Investigation of HfO2 based Resistive Random Access Memory (RRAM) : characterization and modeling of cell reliability and novel access device
Étude des mémoires résistives (RRAM) à base d’HfO2 : caractérisation et modélisation de la fiabilité des cellules mémoire et des nouveaux dispositifs d'accès (Sélecteurs)
Résumé
The performance gaps in nowadays memory hierarchy on the first hand between processor and main memory, on the other hand between main memory and storage have become a bottleneck for system performances. Due to these limitations, many emerging memories have been proposed as alternative solutions to fill out such concerns. The emerging non-volatile resistive random-access memories (RRAM) are considered as strong candidates for storage class memory (SCM), embedded nonvolatile memories (eNVM), enhanced solid-state disks, and neuromorphic computing. However, reliability challenges such as RRAM thermal stability and resistance variability are still under improvement processes. In addition, to achieve high integration densities the RRAM needs two terminal selector devices in one-selector one-resistor (1S1R) serial cell. The BEOL selector device enables suppression of the parasitic leakage paths, which hinder memory array operation in crossbar and vertical 3D architectures.In this PhD, our main focus is to address and treat the above challenges. Here, the work can be divided into two main parts: i) the investigation of the reliability of HfO2 based RRAM cells and ii) the characterization of the basis memory operations and performances of HfO2 based RRAM cells co-integrated with two different back end of line (BEOL) selector technologies.For the reliability part, we have investigated the effects of aluminum (Al) doping on data retention of HfO2 based RRAM cells. Single and double layer devices with different aluminum concentration were fabricated and tested. From macroscopic electrical characteristics, like time dependent dielectric breakdown (TDDB) and ramped voltage forming, microscopic properties of the materials such as the activation energy to break a bond at zero field and the dipole moment of the bond were extracted. These parameters have been used to shed new light on the mechanisms governing the forming process by means of device level simulations. Second, we have addressed the radiation immunity of HfO2 based RRAM for possible space applications as well. Our RRAM devices were exposed to 266 MeV Iodine heavy ions energy. Pre- and post-exposure analysis were carried out on the memory states and the programming voltages to study the effects of the irradiation on the memory characteristics. Throughout this work, we have performed physics based simulations to understand the dynamics of the forming process as well as the physical mechanisms involved during the memory operations.For the access devices part, we have evaluated two different types of selectors. For accurate reading and low power writing a strong selectivity in the current/voltage characteristics is required. In the first studied device, the selectivity is introduced by adding an oxide tunnel barrier. The main advantage of this strategy is that it is easy to integrate, however it suffers of low selectivity (~10) and low programming current. Second, an OTS based selector co-integrated with HfO2 based RRAM was fully characterized. OTS selector provides higher selectivity compared to the oxide tunnel barrier with the possibilities to strongly increase this selectivity by material engineering. Over 106 read cycles have been achieved on our 1S1R devices using an innovative read strategy that we have suggested to prevent disruptive read and to reduce the power consumption.
L'écart de vitesse entre le processeur et la mémoire vive est devenu un point faible pour les performances des systèmes. En raison de ces limitations, de nombreuses mémoires émergentes ont été proposées comme solutions alternatives à ces problèmes existant dans la hiérarchie mémoire. Les mémoires résistives (RRAM) sont considérées comme des candidats pour la « storage class memory » (SCM), les mémoires non volatiles embarquées (eNVM), et les systèmes neuromorphique. Cependant, les problèmes de fiabilité tels que la rétention de données sont encore en cours d'amélioration. De plus, pour obtenir des matrices mémoires de grande densité, la RRAM a besoin des sélecteurs qui seront intégrer en série avec elle dans une architecture un-sélecteur une-résistance (1S1R). Le sélecteur est nécessaire avec le point mémoire pour éliminer les problèmes des courants de fuite, qui gênent le bon fonctionnement de la matrice mémoire dans des architectures crossbar et verticales 3D.Dans cette thèse, notre objectif principal est de traiter les défis ci-dessus. Notre travail peut être divisé en deux parties principales : i) l'étude de la fiabilité des cellules RRAM basées sur HfO2 et ii) la caractérisation des opérations de base et des performances des cellules RRAM basées sur HfO2 et qui sont co-intégrées avec deux types différents des sélecteurs. Pour la partie fiabilité, nous avons étudié les effets du dopage aluminium (Al) sur la rétention de données des cellules RRAM à base de HfO2. Des dispositifs à simple et double couche avec différentes concentrations d'aluminium ont été fabriqués et testés. A partir des comportements électriques macroscopiques, comme la dégradation du diélectrique en fonction du temps (TDDB) et l’opération de forming avec des rampes de tension, on a extrait des propriétés microscopiques des matériaux tels que l'énergie d'activation nécessaire pour la rupture d’une liaison chimique à champ nul et le moment dipolaire des liaisons dans les matériaux testés. En utilisant ces paramètres microscopiques nous avons effectué tout au long de ce travail des simulations physiques pour comprendre les dynamiques de l’opération de forming ainsi que les mécanismes physiques impliqués pendant les opérations du dispositif mémoire. Deuxièmement, nous avons étudié l'immunité aux rayonnements de la RRAM à base de HfO2 pour les applications spatiales. Nos dispositifs RRAM ont été exposés à une énergie de 266 MeV d'ions lourds d'iode. Des analyses pré- et post-exposition ont été effectuées sur les états de la mémoire et les tensions de programmation pour étudier les effets de l'irradiation sur les caractéristiques du dispositif mémoire.Dans la partie des dispositifs d’accès, nous avons évalué deux types différents des sélecteurs. Une forte non-linéarité dans les caractéristiques courant / tension est obligatoire pour effectuer une lecture précise et une écriture à faible consommation. Dans le premier dispositif étudié, la sélectivité est introduite en ajoutant une couche d'oxyde dans l’empilement mémoire et qui agit comme une barrière tunnel. Le principal avantage de cette méthode est la facilité d’intégration de la barrière tunnel, par contre elle souffre d'une faible sélectivité (~ 10) et d'un faible courant de programmation qui dégrade la rétention de données. Deuxièmement, on a co-intégré avec l’RRAM un sélecteur OTS et le dispositif 1S1R a été entièrement caractérisé. Le sélecteur OTS offre une plus grande sélectivité par rapport à la barrière tunnel avec les possibilités d'augmenter fortement cette sélectivité par l'ingénierie des matériaux chalcogénures. Plus de 106 cycles de lecture ont été obtenu pour les dispositifs 1S1R en utilisant une stratégie de lecture innovante que nous avons suggérée pour éviter les lectures perturbatrices et réduire la consommation d'énergie.
Origine : Version validée par le jury (STAR)
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