Transient processes in resistive switching memory devices at ultimate time scale down to sub-nanosecond range

Havel, Viktor; Waser, Rainer; Heberling, Dirk

doi:35393

Transient processes in resistive switching memory devices at ultimate time scale down to sub-nanosecond range = Transiente Prozesse in resistiv schaltenden Speicherelementen auf ultimativer Zeitskala bis zum Sub-Nanosekunden-Bereich

Havel, Viktor

2016

VerantwortlichkeitsangabeViktor Havel

ImpressumAachen 2016

Umfang148 Seiten : Illustrationen, Diagramme

Dissertation, RWTH Aachen, 2016

Veröffentlicht auf dem Publikationsserver der RWTH Aachen University

Genehmigende Fakultät
Fak06

Hauptberichter/Gutachter
Waser, Rainer (Thesis advisor)^RWTH* ; Heberling, Dirk (Thesis advisor)

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2016-03-07

Online
URN: urn:nbn:de:hbz:82-rwth-2016-027550
DOI: 10.18154/RWTH-2016-02755
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/572473/files/572473.pdf

Einrichtungen

Lehrstuhl für Werkstoffe der Elektrotechnik II und Institut für Werkstoffe der Elektrotechnik (611610)

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
Elektronik (frei) ; Elektrotechnik (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 621.3

Kurzfassung
Die starke Entwicklung der Elektronik und ihr steiler Leistungsanstieg in den letzten Jahrzehnten erfordern schnellere, besser skalierbare, leistungseffizientere und kostengünstigere Speichertechnologie. Die gegenwärtig dominierenden Speicherarten, Dynamic Random Access Memory (DRAM) und Flash, kommen inzwischen an ihre physikalischen und technologischen Grenzen, die keine weitere Skalierung zulassen. Daher wird ein Nachfolger für diese Speichertechnologien benötigt. Der redox-basierte resistive Arbeitsspeicher (ReRAM) ist eine neuartige Speicherart, welche auf der Struktur eines zweipoligen Bauelements basiert. Die gespeicherte Information wird als Widerstandswert gespeichert, welcher zwischen zwei oder mehr Werten geschaltet werden kann. Das resistive Schalten wird durch Anlegen von Spannungspulsen gesteuert, die durch ihre Dauer und ihre Amplitude definiert sind. Die bisherigen Erkenntnisse zeigen eine hervorragende Leistungsfähigkeit des ReRAMs. Seine herausragende Schnelligkeit, Skalierbarkeit, Energieeffizienz und Langlebigkeit machen ReRAM zu einem vielversprechenden Kandidaten, der sowohl DRAM als auch Flash ersetzen könnte.Diese Dissertation befasst sich mit transienten Prozessen des resistiven Schaltens auf zwei extremen Zeitskalen: Erstens wird langsame Elektrocoloration von eisendotierten Strontiumtitanat-Einkristallen (Fe:STO) mittels hochauflösender Transmissionslichtmikroskopie untersucht. Das Experiment macht elektro-chemische Änderungen im Kristall sichtbar und beweist die Homogenität der Redoxprozesse bei einer maximalen optischen Auflösung bis hinunter zu 500 nm. Als Modellprozess ist die Elektrocoloration verknüpft mit dem initialen Elektroformierungsschritt einer ReRAM-Zelle.Zweitens werden das resistive Schalten und die Schaltkinetik der ReRAM Bauelementen untersucht. Zum ersten Mal ist multi-level Schalten von Tantal-oxid (TaOx) basierten Bauelementen auf einer sub-Nanosekunden Zeitskala gezeigt und die Schaltkinetik auf einer weitreichenden Zeitskala über 15 Größenordnungen demonstriert worden, anhand von Messungen, die an derselben Zelle durchgeführt wurden. Der Schaltzeitpunkt ist mit einer Genauigkeit im Nanosekundenbereich in den Pulssignaltransienten bestimmt worden und eine Abhängigkeit der Schaltzeit von der Steuersignalstärke wurde gezeigt. Die ultraschnelle Funktionsweise der TaOx ReRAM Bauelemente erreicht die Schnelligkeit des Static Random Access Memory (SRAM), profitiert aber zusätzlich von der Nichtflüchtigkeit. Die Schreibgeschwindigkeit übertrifft den gegenwärtigen DRAM und sie ist mehr als sechs Größenordnungen schneller im Vergleich zu Flash. Die vorgelegte Studie beinhaltet außerdem einen Entwurf eines hochbandbreitigen ReRAM Bauelements sowie einen Entwurf und Aufbau eines parameter-spezifischen Messsetups. Das verbindende Thema dieser Dissertation ist die Messtechnik. In Bezug auf die Charakterisierung von ReRAM stellt das korrekte Messverfahren eine grundsätzliche Voraussetzung für richtige Messergebnisse und ihre Interpretation dar. Mehrere kommerzielle Messgeräte wurden geprüft und fehlerhafte Funktionsweisen nachgewiesen, die grundsätzliche Messfehler und potenzielles Risiko für das Messobjekt darstellen. Die Messfehler wurden ausführlich analysiert und ein spezifischer, für die ReRAM-Messungen optimierter Messaufbau, wird vorgestellt.

The strong evolution of electronics and its rapid performance progress in the past decades call for ever faster, better scalable, more power efficient and low cost memory technology. The dominating contemporary memory types, dynamic random access memory (DRAM) and Flash, now approach the physical and technological limits beyond which no further scaling is possible. Hence, there is an urgent need for a successor technology. The redox-based resistive switching random access memory (ReRAM) is a novel memory type which is based on a two terminal device structure. The stored information is represented by the resistance of the device which can be switched between two or more different levels. The resistive switching is controlled by applying an appropriate voltage to the device, defined in amplitude and length. The findings presented up to now show a supreme performance of ReRAM. Excelling in speed, scalability, energy efficiency and endurance, ReRAM is a very promising candidate to replace both DRAM as well as Flash. In this thesis, transient processes of the resistive switching are studied at two extreme speeds: First, a slow electrocoloration of iron doped strontium titanate (Fe:STO) single crystals is investigated by means of high resolution transmission optical microscopy. The experiment makes the electro-chemical changes in the crystal visible and demonstrates the homogeneity of the redox processes at a maximum optical resolution down to 500 nm. As a model process, the electrocoloration is linked to the initial electroforming of a ReRAM cell.Second, resistive switching and kinetics of ReRAM devices are investigated. For the first time a multi-level resistive switching of tantalum oxide (TaOx) devices at sub-nanosecond times is presented and the switching kinetics on an extended time scale over 15 decades is demonstrated, performed on the same device. At the nanosecond range the switching event is determined from the pulse signal transients and the dependency of the switching time on the driving signal magnitude is shown. The ultra-fast performance of the TaOx ReRAM devices reaches the speed of the static random access memory (SRAM) but additionally benefits from the non-volatility. The write speed surpasses the concurrent DRAM and it is more than six orders of magnitude faster when compared to Flash. The presented study includes a design of the high-speed ReRAM device as well as a design and construction of a customized measurement setup.A connecting topic of this thesis is metrology. In regard of ReRAM characterization, correct measurement techniques represent a crucial prerequisite for valid results and a correct interpretation. Demonstrated testing of several commercial measurement instruments shows an incorrect operation, representing principal errors of the measurement and a potential risk for the device under test. The errors are analyzed in depth and subsequently a custom setup, optimized for the ReRAM testing, is presented.

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