Switching kinetics of valence change memory devices on a sub-100 ps timescale

von Witzleben, Moritz Alexander; Waser, Rainer; Negra, Renato

doi:40697

Switching kinetics of valence change memory devices on a sub-100 ps timescale

von Witzleben, Moritz Alexander^RWTH*

2021

Verantwortlichkeitsangabevorgelegt von Moritz von Witzleben M.Sc.

ImpressumAachen : RWTH Aachen University 2021

Umfang1 Online-Ressource : Illustrationen, Diagramme

Dissertation, Rheinisch-Westfälische Technische Hochschule Aachen, 2021

Veröffentlicht auf dem Publikationsserver der RWTH Aachen University

Genehmigende Fakultät
Fak06

Hauptberichter/Gutachter
Waser, Rainer (Thesis advisor)^RWTH* ; Negra, Renato (Thesis advisor)^RWTH*

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2021-09-17

Online
DOI: 10.18154/RWTH-2021-09047
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/828265/files/828265.pdf

Einrichtungen

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

Projekte

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
Aufladezeit (frei) ; HRS (frei) ; Impedanzanpassung (frei) ; LRS (frei) ; VCM (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 621.3

Kurzfassung
Die Weiterentwicklung heutiger Speichertechnologien sieht sich mehreren technologischen Hürden konfrontiert, wodurch die Nachfrage nach neuen Ansätzen wächst. Ein neuer Speichertyp, der das Potenzial hat, diese Hürden zu überwinden, ist der Valenzwechselspeicher (VCM), welcher auch für neuromorphe Anwendungen oder In-Memory-Berechnungen verwendet werden kann. Bei VCM-Zellen ist die Information in verschiedenen resistiven Zuständen gespeichert, namentlich einem hochohmigen Zustand (HRS) und einem niederohmigen Zustand (LRS), der mit elektrischen Stimuli programmiert werden kann. Der Übergang vom HRS zum LRS wird als SET und der umgekehrte Übergang als RESET bezeichnet. In dieser Arbeit wurden die SET- und RESET-Zeiten von TaOx-, ZrOx- und HfOx/TiOx-basierten VCM-Zellen im Zeitbereich von 50 ps bis 100 ns untersucht. Signale in diesem Zeitbereich enthalten Komponenten mit hohen Frequenzen im GHz-Bereich. Die Signale erfordern eine korrekte Impedanzanpassung bis zur VCM-Zelle, welche daher in koplanare Wellenleiterstrukturen (CPW) integriert werden. Dennoch stellt eine integrierte VCM-Zelle einen Plattenkondensator mit einer erheblichen elektrische Aufladezeit dar, welche die gemessenen SET- und RESET-Zeiten verzögert. Zur Abschätzung dieser elektrischen Ladezeit wurde ein experimenteller Ansatz verwendet, mit dem die zeitabhängige effektive Spannung an der VCM-Zelle bestimmt werden konnte. Dieser Ansatz nutzt die Fourier-Transformation des angelegten Spannungspulses und die Streuparameter der VCM-Zelle. Aus der resultierenden effektiven Spannung an der Zelle wurde die elektrische Aufladezeit aller getesteten VCM-Zellen bestimmt. Die Ergebnisse zeigen, dass durchgeführte Optimierungen der CPW-Strukturen die elektrische Aufladezeit deutlich verkürzten und damit schnellere Messungen auf einer sub-100 ps Zeitskala ermöglichten. Durch den Einsatz dedizierter Hardware und deren Einbindung in eine Software konnte der experimentelle Aufbau so erweitert werden, dass Messungen automatisiert durchgeführt werden konnten. Dies ermöglichte die Erfassung umfangreicher Datensätze zur SET- und RESET-Kinetik der getesteten VCM-Zellen und es wurde dadurch möglich, deren transienten Widerstand auf einer Zeitskala im Pikosekundenbereich aufzulösen. Die gemessene SET-Kinetik ergab, dass alle untersuchten Zellen innerhalb von 50 ps vom HRS in den LRS schalten können. Nach Kenntnis des Autors ist dies die schnellste Schaltzeit, die für VCM-Zellen berichtet wurde. Durch den Vergleich der SET-Kinetik von unterschiedlich großen TaOx-basierten VCM-Zellen und der Verwendung der berechneten elektrischen Aufladezeiten konnte gezeigt werden, dass die SET-Kinetik von VCM-Zellen im Sub-Nanosekundenbereich hauptsächlich durch die elektrische Aufladezeit limitiert wird. Die Migration von mobilen Donatoren (z.B. Sauerstoffleerstellen), welche die SET-Kinetik auf langsameren Zeitskalen limitiert, und die Aufheizzeit der VCM-Zellen haben nur einen geringen Einfluss. Die Realisierung ähnlich schneller RESET-Zeiten erwies sich als schwierig. Bei allen untersuchten VCM-Zellen konnte die Koexistenz eines unipolaren Schaltmodus gezeigt werden. Dieser unipolare Schaltmodus tritt bei höheren Spannungen auf, welche für schnellere RESET-Zeiten erforderlich wären. Dennoch konnte mit einigen HfOx/TiOx-basierten VCM-Zellen, 50 ps schnelle RESET-Zeiten reproduzierbar gemessen werden. Aus diesen Kinetikmessungen konnten RESET-Programmierfenster erstellt und Ansätze entwickelt werden, um schnellere RESET-Zeiten zu realisieren.

The further development of today's memory technologies faces several technological barriers, which yields the demand for new approaches. One emerging memory type that has the potential to overcome these barriers is the valence change memory (VCM), which may also be usable for neuromorphic applications or in-memory computations. In VCM devices, the information is stored within different resistive states, namely a high resistive state (HRS) and a low resistive state (LRS), which can be programmed with electrical stimuli. The transition from the HRS to the LRS is referred to as SET and the opposite transition as RESET. In this thesis, the SET and RESET times of TaOx-, ZrOx-, and HfOx/TiOx-based VCM devices were studied in the time regime from 50 ps to 100 ns. Signals in this time regime contain high frequency components in the gigahertz regime. The signals require proper impedance matching up to the VCM device, which are, therefore, integrated into coplanar waveguide (CPW) structures. Nevertheless, an integrated VCM device constitutes a parallel plate capacitor with a considerable electrical charging time, which delays the measured SET and RESET times. To estimate the electrical charging time, an experimental approach was used, with which the time-dependent effective voltage at the VCM device could be determined. This approach used the Fourier transformation of the applied voltage pulse and the VCM device's scattering parameters. From the resulting effective voltage at the VCM device, the electrical charging time of all tested VCM devices was determined. The results indicate that conducted optimizations of the CPW structure decreased the electrical charging time significantly and allowed fast measurements on a sub-100 ps time scale. By employing dedicated hardware and integrating this hardware into a software, the measurements could be automated. This allowed collecting comprehensive data sets on the SET and RESET kinetics of the tested VCM devices and, thereby, allowed resolving their transient resistance on a picosecond time scale. The measured SET kinetics revealed that all studied devices can switch within 50 ps from the HRS to the LRS. To the author's knowledge, this is the fastest switching time reported for VCM devices. By comparing the SET kinetics of differently sized TaOx-based VCM devices and using the determined electrical charging times, it could be shown that the SET kinetics of VCM devices in the subnanosecond regime are mainly limited by the electrical charging time. The migration of mobile donors (e.g. oxygen vacancies), which limits the SET kinetics on slower time scales, and the heating time of the VCM device have only a minor influence. Achieving similar fast RESET times proved to be more difficult. In all studied VCM devices, the coexistence of a unipolar switching mode could be shown. This unipolar switching mode is triggered at higher voltages, which would be required for faster RESET times. Nevertheless, on some HfOx/TiOx-based VCM devices 50 ps fast RESET times could be measured repeatedly. From these kinetics measurements, RESET programming windows could be determined and, finally, approaches were derived to achieve faster RESET times.

OpenAccess:
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