Analysis and modeling of filamentary conduction in Hf0₂-based structures

Premi Extraordinari de Doctorat concedit pels programes de doctorat de la UAB per curs acadèmic 2017-2018Actualmente nos enfrentamos a una revolución en los campos de la microelectrónica y las tecnologías de la información y la comunicación, que seguramente afectaran nuestra forma de vida en los años venideros. En este sentido, la propuesta de un dispositivo de memoria basado en la acción combinada de iones y electrones se considera un gran avance de nuestro tiempo. La idea principal es que un estímulo eléctrico aplicado de manera adecuada al dispositivo puede modular su estado de resistencia, el cual puede permanecer inalterado incluso cuando se desconecta la alimentación. Este efecto no volátil no solo puede usarse para almacenar información sino también como un peso sináptico en circuitos neuromórficos. En particular, esta Tesis se centra en dispositivos que presentan el fenómeno de la computación resistiva, mediante la creación y disolución parcial de filamentos de tamaño nanométrico. Dichos dispositivos son conocidos como ReRAM. Los principios físicos detrás del mecanismo de conmutación resistiva pueden ser múltiples, incluida la migración y difusión de iones, las reacciones químicas, el aumento de la temperatura local debido al calentamiento de Joule y muchos otros. Las estructuras analizadas son dispositivos metal-aislante-semiconductor y metal-aislante-metal, las cuales se han caracterizado y modelado eléctricamente. El material investigado es básicamente HfO2, aunque también se han estudiado dieléctricos multicapa basados en HfO2/Al2O3, ambos fabricados mediante la técnica de deposición atómica de capas. En esta Tesis también se estudian estructuras multicapa, debido a la conexión de la conducción multifilamentaría con memorias programables de una sola vez. En términos generales, los objetivos de esta Tesis han sido aumentar nuestro conocimiento y comprensión sobre la generación de filamentos conductores en capas aislantes delgadas y condensar toda esta información en un modelo compacto capaz de representar el comportamiento eléctrico de los dispositivos.We are currently facing a revolution in the fields of microelectronics and information technologies that will surely affect our way of life in the years to come. In this regard, the proposal of a memory device based on the combined action of ions and electrons is considered to be a breakthrough of our time. The basic idea is that an electrical stimulus applied to the device can modulate its resistance state and that this state remains unaltered even when power is turned off. This non-volatile effect can not only be used for storing information but also as a synaptic weight in neuromorphic circuits. In particular, this Thesis deals with filamentary-based resistive switching cells which rely on the creation and partial dissolution of nanoscale conductive pathways spanning an insulator film. They are often called ReRAMs. The physical principles behind the resistive switching mechanism can be manifold including ion migration and diffusion, chemical reactions, local temperature increase due to Joule heating, and many others. The material investigated in this Thesis is basically HfO2 but multilayer dielectrics using HfO2/Al2O3 grown by Atomic-Layer deposition are also considered. The structures analyzed are two terminal metal-insulator-semiconductor and metal-insulator-metal devices, which have been electrically characterized and modeled. Even though an extense part of this work deals with devices that exhibit the resistive switching phenomenon, multilayer stacks were explored as well because of the connection of multifilamentary conduction with one-time programmable memories. In general terms, the goals of this Thesis have been to increase our knowledge and understanding on the generation of conductive filaments in thin insulating layers and to condense all this information in a compact model able to represent the electrical behavior of the devices