[논문 리뷰] Multi-level resistance switching and random telegraph noise analysis of nitride based memristors

Nikolaos Vasileiadis, Panagiotis Loukas외 8명|arXiv (Cornell University)|2021. 03. 17.

Advanced Memory and Neural Computing참고 문헌 62인용 수 24

한 줄 요약

이 연구는 공간전하한정전류 조건 하에서 유연한 펄스 프로토콜을 사용하여 실리콘 질화물 기반 메모리스터에서 다중 수준 저항 스위칭을 구현함으로써 정밀한 아날로그 튜닝을 가능하게 했다. 주요 결과로는 안정적인 다중 수준 동작, 시간에 따른 유지성, 그리고 랜덤 텔레그래프 노이즈(RTN) 분석을 통한 두 개의 별도된 트랩 수준 확인(활성화 에너지 0.62–0.71 eV)으로써 트랩 매개 스위칭 메커니즘을 확인하였다.

ABSTRACT

Resistance switching devices are of special importance because of their application in resistive memories (RRAM) which are promising candidates for replacing current nonvolatile memories and realize storage class memories. These devices exhibit usually memristive properties with many discrete resistance levels and implement artificial synapses. The last years, researchers have demonstrated memristive chips as accelerators in computing, following new in-memory and neuromorphic computational approaches. Many different metal oxides have been used as resistance switching materials in MIM or MIS structures. Understanding of the mechanism and the dynamics of resistance switching is very critical for the modeling and use of memristors in different applications. Here, we demonstrate the bipolar resistance switching of silicon nitride thin films using heavily doped Si and Cu as bottom and top-electrodes, respectively. Analysis of the current-voltage characteristics reveal that under space-charge limited conditions and appropriate current compliance setting, multi-level resistance operation can be achieved. Furthermore, a flexible tuning protocol for multi-level resistance switching was developed applying appropriate SET/RESET pulse sequences. Retention and random telegraph noise measurements performed at different resistance levels. The present results reveal the attractive properties of the examined devices.

연구 동기 및 목표

• 뉴로모픽 및 인메모리 컴퓨팅에 활용하기 위한 실리콘 질화물 기반 메모리스터에서 다중 수준 저항 스위칭을 조사하기 위해.
• 정밀한 아날로그 튜닝을 가능하게 하는 탄력적인 펄스 프로토콜을 개발하기 위해.
• 여러 저항 상태에서 유지성 및 랜덤 텔레그래프 노이즈(RTN) 특성 분석을 위해.
• RTN 스펙트럼 분석 및 체류 시간 분포를 통해 트랩 에너지 수준과 동역학을 규명하기 위해.
• 대칭 및 비대칭 바닥 전극 구조(실리카 산화막 인터레이어 유무 포함) 간 장치 동작을 비교하기 위해.

제안 방법

• n++-Si 기판에 LCPVD 실리콘 질화물과 스퍼터링된 Cu/Pt 전극을 사용하여 Cu/SiNx/Si 및 Cu/SiNx/SiO2/Si 메모리스터를 제작하였다.
• 정밀한 전압 및 전류 제어를 위한 DAQ 카드, I/V 컨버터, NMOS/PMOS 전류 제한 장치를 탑재한 맞춤형 실험 장치를 구현하였다.
• 작은 전압 스텝을 사용하여 필라멘트 변화에 민감한 알고리즘을 구현하여 목표 저항 수준으로 저항을 동적으로 튜닝하였다.
• 공간전하한정전류(SCLC) 조건 하에서 전도 메커니즘을 규명하기 위해 DC I-V 측정을 실시하였다.
• 200 kΩ 상태에서 100초 동안 25 μs의 샘플링 간격으로 RTN 측정을 수행하였으며, 디지털 옌스코프와 I/V 컨버터를 사용하였다.
• RTN 데이터를 로그-로그 플롯에서 전력 스펙트럼 밀도(PSD)로 분석하고, 일반화된 거듭제곱 법칙 모델에 적합시켜 트랩 파rameter를 추출하였다.
• 가중치 시간 지연 플롯(wTLP)과 포isson 적합을 사용하여 이산적 전류 수준을 식별하고 트랩 체류 시간을 추정하였다.
• 아르헨니우스 관계를 적용하여 온도 의존 체류 시간에서 트랩 활성화 에너지를 추출하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 공간전하한정전류(SCLC) 조건 하에서 탄력적인 펄스 프로토콜을 사용하여 SiNx 기반 메모리스터에서 다중 수준 저항 스위칭을 달성할 수 있는가?
• RQ2 SiNx 메모리스터에서 다양한 저항 수준에서 유지성 및 랜덤 텔레그래프 노이즈(RTN) 특성은 어떻게 변화하는가?
• RQ3 SiNx 메모리스터 채널 내에서 지배적인 트랩 에너지 수준과 그 동역학은 무엇인가?
• RQ4 열적 산화된 SiO2 인터레이어의 존재가 RTN 행동 및 트랩 특성에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ5 RTN 스펙트럼 특성(PSD 기울기, 체류 시간)은 단일 또는 다중 트랩 수준을 어떻게 반영하는가?

주요 결과

• 정밀한 전류 제한 제어를 갖춘 탄력적인 펄스 프로토콜을 사용하여 SiNx 메모리스터에서 다중 수준 저항 스위칭을 성공적으로 달성하였다.
• 장치는 공간전하한정전류(SCLC) 전도를 보였으며, 이는 여러 수준에서 안정적인 아날로그 저항 튜닝을 가능하게 하였다.
• RTN 측정 결과 200 kΩ 상태에서 두 개의 별도된 전류 수준이 확인되었으며, S1에 대해 평균 전류는 382 nA 및 407 nA, S2에 대해선 393 nA 및 410 nA였다.
• 저주파수 PSD 기울기는 1에 가까웠다(각각 S1: 0.858, S2: 0.805), 이는 플리커 노이즈 행동을 나타내었고, 고주파수 기울기는 각각 1.741 및 1.291이었다.
• S1의 두 RTN 수준에 대한 체류 시간 상수는 각각 0.0028 s 및 0.077 s였으며, 이는 서로 다른 트랩 수명을 의미하였다.
• S1에 대해 트랩 활성화 에너지는 각각 0.622 eV 및 0.708 eV로 추정되었고, S2에선 0.648 eV 및 0.632 eV로 확인되어 다수의 트랩 수준이 존재하고 에너지 깊이가 다름을 확인하였다.