Modeling the spatio-temporal evolution of oxygen vacancies in valence change memory cells

Chen, Ching-Jung; Waser, Rainer; Jungemann, Christoph

doi:43938

Modeling the spatio-temporal evolution of oxygen vacancies in valence change memory cells

Chen, Ching-Jung^RWTH*

2024 & 2025

Verantwortlichkeitsangabevorgelegt von Ching-Jung Chen, M. Sc.

ImpressumAachen : RWTH Aachen University 2024

Umfang1 Online-Ressource : Illustrationen

Dissertation, Rheinisch-Westfälische Technische Hochschule Aachen, 2024

Veröffentlicht auf dem Publikationsserver der RWTH Aachen University 2025

Genehmigende Fakultät
Fak06

Hauptberichter/Gutachter
Jungemann, Christoph (Thesis advisor)^RWTH* ; Waser, Rainer (Thesis advisor)^RWTH*

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2024-11-06

Online
DOI: 10.18154/RWTH-2024-10672
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/996548/files/996548.pdf

Einrichtungen

Lehrstuhl und Institut für Theoretische Elektrotechnik (611410)

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
KMC model (frei) ; anisotropy (frei) ; cycle-to-cycle variability (frei) ; valence change memory (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 621.3

Kurzfassung
Valenzänderungsspeicher sind eine vielversprechende Art von nichtflüchtigem Speicher für Anwendungen der nächsten Generation. Im Vergleich zu den heutigen NAND-Flash-Speichern bieten Valenzänderungsspeicherzellen Vorteile wie einen geringeren Stromverbrauch und höhere Betriebsgeschwindigkeiten. Darüber hinaus können die Bauelemente mit den bestehenden Halbleitertechnologien hergestellt werden. Die zugrundeliegenden physikalischen Mechanismen erschweren jedoch die präzise Steuerung des Zellwiderstands, was zu Problemen bei der Lebensdauer und der Datenerhaltung führt. Es wurde beobachtet, dass die Variabilität des elektrischen Verhaltens durch eine große Strom-Compliance reduziert werden kann, die den maximalen Strom, der durch die Zelle fließt, begrenzt, aber die theoretischen Interpretationen sind noch unvollständig. Insbesondere konzentrieren sich die meisten numerischen Modelle auf Bauelemente mit einer großen Strom-Compliance, während die Auswirkungen einer kleinen Strom-Compliance unklar bleiben. Aus statistischer Sicht wurden bei Messungen unterschiedliche Tendenzen in einem breiten Spektrum von Strom-Compliances beobachtet. Es wurden verschiedene theoretische Modelle vorgeschlagen, die auf einem einfachen Schema basieren, bei dem ein leitender Pfad in der Oxidschicht existiert. Keines dieser Modelle kann jedoch die beobachtete Tendenz in einem kleinen Strom-Compliance-Bereich erklären. Das Ziel dieser Arbeit ist die theoretische Untersuchung der räumlich-zeitlichen Entwicklung von Sauerstoffleerstellen, die zu einer Widerstandsänderung der Valenzwechsel-Speicherzelle führen. Durch die Behandlung von Sauerstoffleerstellen als Punktdefekte, der gleichen Sichtweise wie in der Dichtefunktionaltheorie, können Erkenntnisse aus ab-initio-Berechnungen angewendet werden. Dies verbessert das Verständnis der lokalen Strukturen und physikalischen Größen während der Sauerstoffmigration. Zu diesem Zweck können die Messungen auf makroskopischer Ebene durch die räumlich-zeitliche Entwicklung der Sauerstoffleerstellen auf mikroskopischer Ebene erklärt werden. Die Diskussion wirft ein Licht auf die Entwicklung von Geräten für eine spezielle Funktionalität.

Valence change memory is a promising type of non-volatile memory for next-generation applications. Compared to contemporary NAND Flash, valence change memory cells exhibit advantages such as lower power consumption and faster operating speeds. In addition, devices can be fabricated by existing semiconductor technologies. However, the underlying physical mechanisms intrinsically impose difficulties in manipulating the cell resistance precisely, leading to endurance and data retention issues. It has been observed that the variability of the electrical behavior can be reduced by adopting a large current compliance, which limits the maximum current flowing through the device, but theoretical interpretations are still incomplete. Specifically, most numerical models focus on devices with a large current compliance, while the impact of a small current compliance remains unclear. From a statistical perspective, different tendencies in a wide range of current compliances have been observed in measurements. Different theoretical models have been proposed based on a simple scheme, where one conductive path exists in the oxide layer. However, none of these can explain the observed tendency in a small current compliance regime. In addition, devices with a small current compliance consume less power, thus offering significant advantages for practical applications. The goal of this work is the theoretical investigation of the spatio-temporal evolution of oxygen vacancies resulting in a resistive change of the valence change memory cell. By treating oxygen vacancies as point defects, the same viewpoint as in the density functional theory, findings from ab initio calculations can be applied. This enriches the understanding of local structures and physical quantities during the oxygen migration. To this end, the measurements at a macroscopic level can be explained by the spatio-temporal evolution of oxygen vacancies at a microscopic level. The discussion sheds light on engineering devices for a specialized functionality.

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