[论文解读] Multi-level resistance switching and random telegraph noise analysis of nitride based memristors

Nikolaos Vasileiadis, Panagiotis Loukas+8 more|arXiv (Cornell University)|Mar 17, 2021

Advanced Memory and Neural Computing参考文献 62被引用 24

一句话总结

本研究通过Cu/SiNx/Si结构在基于氮化硅的忆阻器中实现了多级阻变，采用灵活的脉冲协议在空间电荷限制电流（SCLC）条件下实现了精确的模拟调制。关键结果包括稳定的多级操作、长期保持特性，以及对随机跳变噪声（RTN）的详细分析，揭示了两个具有0.62–0.71 eV活化能的独立能级陷阱，证实了陷阱介导的阻变机制。

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.

研究动机与目标

• 研究基于氮化硅的忆阻器在神经形态计算与存内计算中的多级阻变行为。
• 开发一种灵活的脉冲协议，实现对电阻水平的精确模拟调制。
• 分析在多个电阻状态下电阻保持特性与随机跳变噪声（RTN）的特征。
• 通过RTN谱分析与驻留时间分布，识别陷阱能级与动力学行为。
• 比较对称与非对称底电极结构（有无SiO2界面层）下的器件行为。

提出的方法

• 采用LPCVD氮化硅（Si3N4）与溅射的Cu/Pt电极，在n++-Si衬底上制备Cu/SiNx/Si与Cu/SiNx/SiO2/Si忆阻器。
• 采用自定义实验装置，集成DAQ卡、I/V转换器及NMOS/PMOS电流限制电路，实现对电压与电流的精确控制。
• 实施一种对丝状结构变化敏感的算法，通过小步长电压调节，动态调节电阻至目标水平。
• 通过直流I-V测量识别在空间电荷限制电流（SCLC）条件下的导电机制。
• 在200 kΩ状态进行100秒的RTN测量，采样周期为25 μs，使用数字示波器与I/V转换器。
• 通过对数-对数图中的功率谱密度（PSD）分析，拟合广义幂律模型以提取陷阱参数。
• 采用加权时间延迟图（wTLP）与泊松拟合方法，识别离散电流水平并估算陷阱驻留时间。
• 应用阿伦尼乌斯关系，从温度依赖的驻留时间中提取陷阱活化能。

实验结果

研究问题

• RQ1 在SCLC条件下，是否可通过灵活脉冲协议在SiNx基忆阻器中实现多级阻变？
• RQ2 在SiNx忆阻器中，不同电阻水平下的保持特性与随机跳变噪声（RTN）特征如何变化？
• RQ3 SiNx忆阻器沟道中主导的陷阱能级及其动力学行为是什么？
• RQ4 热生长SiO2界面层的存在如何影响RTN行为与陷阱特性？
• RQ5 RTN谱特征（PSD斜率、驻留时间）在多大程度上表明存在单个或多个陷阱能级？

主要发现

• 通过灵活脉冲协议与精确的电流限制控制，成功在SiNx忆阻器中实现了多级阻变。
• 器件表现出空间电荷限制电流（SCLC）导电机制，支持在多个电阻水平间实现稳定的模拟电阻调制。
• RTN测量在200 kΩ状态下揭示了两个不同的电流水平，S1状态的平均电流为382 nA与407 nA，S2状态为393 nA与410 nA。
• 低频PSD斜率接近1（S1为0.858，S2为0.805），表明存在闪烁噪声行为；高频斜率分别为1.741与1.291。
• S1状态下两个RTN水平的驻留时间常数为0.0028 s与0.077 s，S2状态下为0.0078 s与0.0042 s，表明陷阱寿命不同。
• S1状态陷阱活化能估算为0.622 eV与0.708 eV，S2状态为0.648 eV与0.632 eV，证实存在多个具有不同能量深度的陷阱能级。