14
Grup de Capes primes de dielèctrics Francesca Campabadal, Mireia Bargalló González, María Cruz Acero Institut de Microelectrònica de Barcelona (IMB-CNM) Consejo Superior de Investigaciones Científicas (CSIC) Bellaterra (Barcelona)

Presentación de PowerPoint - imb-cnm.csic.es de memòria RRAM (Resistive RAM) Introducció V (V) ) Electrode A Dielectric Electrode B Electrode A Dielectric Electrode B I on I off

Embed Size (px)

Citation preview

Grup de Capes primes de dielèctrics

Francesca Campabadal, Mireia Bargalló González, María Cruz Acero

Institut de Microelectrònica de Barcelona (IMB-CNM)

Consejo Superior de Investigaciones Científicas (CSIC)

Bellaterra (Barcelona)

20 Maig 2015 Jornada de Portes Obertes

Índex

Motivació i Objectius

Cel·les de memòria RRAM

Introducció: Commutació Resistiva

Tecnologia de fabricació

Caracterització elèctrica

Caracterització física

Fer recerca amb nosaltres ?

20 Maig 2015 Jornada de Portes Obertes

L’electrònica és arreu

En totes les aplicacions és necessari emmagatzemar informació.

MEMÒRIA NO VOLÀTIL

Motivació

20 Maig 2015 Jornada de Portes Obertes

A l’actualitat, les memòries no-volàtils d’estat sòlid

(Flash) es basen en emmagatzemar càrrega elèctrica:

PERÒ, al reduir dimensions per a obtenir major

densitat de memòria, es redueixen: el temps de

retenció, la fiabilitat, el nombre de vegades que es pot

llegir/escriure CALEN NOVES MEMÒRIES

- - - -

electrons

Motivació

20 Maig 2015 Jornada de Portes Obertes

Objectius

Les RRAM estan basades en la Commutació Resistiva.

Les cel·les de memòria RRAM (Resistive RAM) es consideren les

més prometedores per a substituir les memòries Flash.

Desenvolupament de cel·les de memòria RRAM

basades en dielèctrics d’alta k.

Estudi del fenomen de la commutació resistiva.

Motivació

20 Maig 2015 Jornada de Portes Obertes

Element de dos terminals, la resistència del qual varia entre dos valors

ben diferenciats: Low R i High R.

L’estat resistiu en què es troba no canvia si no s’aplica cap estímul

extern (tensió o corrent adient) Element de memòria no volàtil.

Aplicant una tensió (o corrent) adient, l’estat resistiu de l’element canvia:

SET : Pas de High R a Low R

RESET: Pas de Low R a High R

Element de memòria RRAM (Resistive RAM)

Introducció

Implementació en tecnologia microelectrònica: Estructures MIS o MIM.

20 Maig 2015 Jornada de Portes Obertes

Element de memòria RRAM (Resistive RAM)

Introducció

V (V)

I (A

)

Electrode A

Dielectric

Electrode B

Electrode A

Dielectric

Electrode B

Ion

Ioff

Ioff

Ion

20 Maig 2015 Jornada de Portes Obertes

Tecnologia Disseny i fabricació d’estructures de 2 terminals

MIS : Metal-Thin high-k layer- Silicon

MIM : Metal-Thin high-k layer-Metal

Cross-sectional view

Si

SiO2

SiO2

Electrode 2 High-k dielectric

Electrode 1 Top view photograph

Top view photograph Cross-sectional view

Si (p)

400 nm

500 nm

500 nm

Al-0.5%Cu Thermal SiO2

High-k layer

Si (p)

400 nm

500 nm

500 nm

Al-0.5%Cu Thermal SiO2Thermal SiO2

High-k layerHigh-k layer

High-k dielectric

Metal Electrode

Element de memòria RRAM – IMB-CNM

Dimensions:

Fins a 2×2 µm2

Dielèctrics:

HfO2, Al2O3

Metalls:

Ni, Cu, TiN, Ti, W

20 Maig 2015 Jornada de Portes Obertes

Tecnologia

Element de memòria RRAM – IMB-CNM

Commutació Resistiva UNIPOLAR

M.B. Gonzalez et al. CDE 2015.

Estructura MIS

20 Maig 2015 Jornada de Portes Obertes

Element de memòria RRAM – IMB-CNM

Disseny i desenvolupament d’eines de software.

1. Measurement conditions

GPIB To HP

Parameter Extraction

4. Parameter extraction

-10 -5 010

-15

10-10

10-5

100 Ni/HfO2/Si

VG (V)

IG (

A)

-10 -5 010

0

105

1010

1015 Ni/HfO2/Si

VG (V)

R (

oh

ms)

-4 -2 010

-5

100

105

1010 Ni/HfO2/Si

VG (V)

Rof

f/R

on

0 5010

-15

10-10

10-5

100I@VG=-0.5V Ni/HfO2/Si

IG (

A)

Cycle Number (A)

0 5010

-15

10-10

10-5I@VG=-0.1V Ni/HfO2/Si

IG (

A)

Cycle Number (A)

0 5010

-15

10-10

10-5I@VG=-0.2V Ni/HfO2/Si

IG (

A)

Cycle Number (A)

Ioff

Ion

Roff

Ron Roff/Ron

Ioff

Ion

Ioff

Ion

Ioff

Ion

3. Data visualization

2. Measurements

HP4155B Wafer Prober

GP

IB

To P

C

Caracterització

Elèctrica

20 Maig 2015 Jornada de Portes Obertes

Estructures Ni-HfO2-Si(n+)

M.B. Gonzalez et al. CDE 2015.

Variabilitat cicle a cicle: ION & IOFF

A = 5 x 5 mm2

Element de memòria RRAM – IMB-CNM

Caracterització

Elèctrica Estudi de les característiques elèctriques de les

estructures fabricades: tensions de Set i de Reset,

variabilitat cicle a cicle, efectes de T, RTN, .....

20 Maig 2015 Jornada de Portes Obertes

Element de memòria RRAM – IMB-CNM

Ni-HfO2-Si(n+) Structures

Ni ions/atoms and chemical defects

Top Electrode

Bottom Electrode

Insulator

High Resistance

State (HRS)

Top Electrode

Bottom Electrode

Insulator

Low Resistance

State (LRS)

SET operation

Diffusion of Ni atoms from TE

RESET operation Thermal dissolution induced

by Joule heating

CF: Conductive

Filament

These structures are also known as

CBRAM: Conductive Bridge RAM

TE: Ni, Cu,

Ag,...

20 Maig 2015 Jornada de Portes Obertes

Cel·les de memòria RRAM

Tecnologia Com fer-les?

Combinacions de Metalls i Dielèctrics. Gruixos de les capes. Estructures de dimensions micro i nanomètriques.

Com són? Caracterització elèctrica

Definició i optimització del procés de mesura. Automatització del procés de mesura i d’extracció de paràmetres. Anàlisi de resultats. Tractament d’un gran nombre de dades. Estudi dels mecanismes i dels defectes responsables de la commutació. Estudi de la fiabilitat dels dispositius.

Perquè? Caracterització física

Ús de tècniques d’anàlisi física. Anàlisi dels filaments conductius. En col·laboració amb altres grups: modelització, simulació, ....

Francesca Campabadal

[email protected]

Mireia Bargalló

[email protected]

Si t’interessa, contacta amb:

JAE-Intro 2015

Beca d’iniciació a la recerca del CSIC

Per a estudiants de Màster del curs 2015-2016

Per a estudiants de grau: Pràctiques, Treball de grau

Tesi Doctoral: Beca FPI del projecte RS-FACSIMILE