Self-consistent physical modeling of set/reset operations in unipolar resistive-switching memories

International audienceThis letter deals with a self-consistent physical model for set/reset operations involved in unipolar resistive switching memories integrating a transition metal oxide. In this model, set operation is described in terms of a local electrochemical reduction of the oxide leading to the formation of metallic conductive filaments. Beside, reset operation relies on the thermally-assisted destruction of the formed metallic filaments by Joule heating effect. An excellent agreement is demonstrated with numerous published experimental data suggesting that this model can be confidently implemented into circuit simulators for design purpose. Memory devices based on resistive switching materials are currently pointed out as promising candidates to replace conventional non-volatile memory devices based on charge-storage beyond 2x nm-technological nodes. 1 In particular, devices integrating a transition metal oxide (so-called TMO) such as NiO, TiO 2 , ZnO or Cu x O, are of growing interest due to their simple Metal/Insulator/Metal (MIM) structure, oxides compatible with complementary metal-oxide-semiconductor technology and low process temperature. 2 So far, in TMO-based memory devices, the unipolar switching between low resistance state (LRS) and high resistance state (HRS) is explained in terms of creation/destruction of conductive filaments within the oxide. 3,4 Waser et al. 5 explained that set, i.e. the transition from HRS to LRS, originates from a local reduction reaction leading to the creation of metallic conductive filaments (CF). During reset, local dissipation of Joule power enhances the thermally activated diffusion of defects and/or of different atomic species constituting the CF combined with a local oxidation process. 6,7 Based on this phenomenological description , several models for reset were reported in Refs. 8–10 but very few offer a model for set. 11 Furthermore, it has to be stressed that there is currently no complete model taking into account both set and reset operations that could be easily implemented in circuit simulators for design purpose. In this context, this paper proposes a self-consistent physical model accounting for both set/reset operations in NiO-based unipolar resistive switching devices. After uncovering the theoretical background and the set of relevant physical parameters, the model is confronted to quasi-static and dynamic experimental data from literature. Fig

Etude de dispositifs MTJ (Multiple Tunnel Junctions) et intégration de matériaux high-K pour les mémoires flash à haute densité d'intégration

Les mémoires Flash ont connu un succès commercial exemplaire au cours de ces dix dernières années. Les raisons de ce succès sont attribuables en grande partie à l'essor de nouveaux produits tels que les téléphones portables, les appareils photos numériques ou les périphériques de stockage de masse. Les densités d'intégration de ces dispositifs sont actuellement plusieurs Gigabits alors qu'ils n'excédaient pas la centaine de Mégabits au milieu des années 90. Cependant, des obstacles technologiques majeurs à la réduction des dimensions de ces mémoires, liés principalement à la difficulté de réduire l'épaisseur des diélectriques fonctionnels de ces dispositifs, sont attendus aux alentours des années 2005-2007. Ceux-ci poussent de nombreux industriels et laboratoires de recherche à explorer différentes voies permettant de prolonger la durée de vie de ces dispositifs au delà du noeud technologique 65nm. Dans ce contexte, ce travail de thèse présente plusieurs solutions technologiques qui peuvent être envisagées afin de poursuivre la réduction des dimensions des mémoires non-volatiles. En premier lieu, nous avons focalisé notre attention sur une architecture mémoire innovante, la mémoire à jonctions tunnel multiples (ou Multiple tunnel Junctions - MTJ) dont le principe repose sur l'utilisation du blocage de Coulomb dans les nanocristaux de silicium. Après avoir effectué une étude théorique de ce phénomène appliquée à ces dispositifs, nous présentons les résultats électriques obtenus sur ces mémoires ainsi qu'une première optimisation de leurs performances. Certains résultats ayant été obtenus sur des cellules décananométriques, nous avons pu également observer et quantifier l'impact de phénomènes mono-électroniques sur les performances de ces dispositifs. La dernière partie de ce travail est consacrée aux matériaux high-K qui ont été étudiés en vue d'une utilisation dans les architectures classiques de mémoires non-volatiles. Nous présentons une étude consacrée à l'utilisation de l'alumine ou de l'oxyde d'hafnium en remplacement du nitrure dans les diélectriques de type "interpoly". Nous nous sommes intéressés au piégeage dans ces empilements ainsi qu'aux courants de fuite auxquels nous nous sommes efforcés d'apporter une interprétation physique. Nous terminons cette étude, consacrée aux diélectriques high-K, par une étude théorique visant à évaluer le bénéfice obtenu par l'utilisation de diélectriques à gap et à constante diélectrique modulés, constitués par l'empilement de différents matériaux high-K utilisés en tant que diélectrique tunnel des mémoires Flash. Nous verrons que ce type de structure pourrait permettre l'élaboration de dispositifs mémoire aux performances accrues en terme de temps d'écriture et temps de rétentionAIX-MARSEILLE1-BU Sci.St Charles (130552104) / SudocSudocFranceF

A single Nano-Dot Embedded in a Plate Capacitor

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Emerging Memory Concepts

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CBRAM devices with a water casted solid polymer electrolyte for flexible electronic applications

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Conductive Bridge Random Access Memory deviceswith Ecofriendly Solid Polymer Electrolyte for flexible electronics applications

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Conductive Bridge Random Access Memory deviceswith Ecofriendly Solid Polymer Electrolyte for flexible electronics applications

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Water-soluble polyethylene-oxide polymer based memristive devices

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Non-Volatile Flip-Flop Based on Unipolar ReRAM for Power-Down Applications

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Fabrication and characterization of ECM memories based on a Ge2Sb2Te5 solid electrolyte

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