• search hit 1 of 1
Back to Result List

Process development and electrical characterization of CMOS-integrated memristive devices for emerging non-volatile memory applications

Prozessentwicklung und elektrische Charakterisierung von CMOS-integrierten memristiven Bauelementen für neuartige nichtflüchtige Speicheranwendungen

  • Energy efficiency is vital for future low-power electronic applications. This ultra-low power consumption requirement enables the research beyond the conventional charge-based memories. Further, reliability, high scalability, fast switching, CMOS compatibility, high endurance, etc., are some of the characteristics envisaged by the new generation of emerging non-volatile memories (NVMs). A memristor or OxRAM is one among the many emerging NVMs, which can exhibit the aforementioned characteristics, and it has the potential to replace the power-hungry conventional NVMs. The memristive devices have the advantage of monolithic integration with the CMOS logic, which enables the widening of their application areas. Despite their various advantages, the reliability, forming voltages, and variability of the devices pose a hurdle to their wide commercial usage. Hence, it is crucial to identify these factors and mitigate them. This thesis addresses these issues through fabrication process improvements, electrical characterization techniques,Energy efficiency is vital for future low-power electronic applications. This ultra-low power consumption requirement enables the research beyond the conventional charge-based memories. Further, reliability, high scalability, fast switching, CMOS compatibility, high endurance, etc., are some of the characteristics envisaged by the new generation of emerging non-volatile memories (NVMs). A memristor or OxRAM is one among the many emerging NVMs, which can exhibit the aforementioned characteristics, and it has the potential to replace the power-hungry conventional NVMs. The memristive devices have the advantage of monolithic integration with the CMOS logic, which enables the widening of their application areas. Despite their various advantages, the reliability, forming voltages, and variability of the devices pose a hurdle to their wide commercial usage. Hence, it is crucial to identify these factors and mitigate them. This thesis addresses these issues through fabrication process improvements, electrical characterization techniques, and device-engineering methods. The improvements in the fabrication processes reduced the pristine state currents of the memristive devices. It impacted the reliability and resistive switching performance of the memristive devices directly. To further improve the performance, the memristive devices are integrated into the 130 nm BiCMOS baseline technology of IHP. Additionally, dedicated test structures are developed to monitor and control the fabrication process steps through in-line electrical characterization. Further, the forming current and voltage values, along with their dispersions in the 4 kbit memristive arrays, were reduced by utilizing the electrical characterization techniques. Accordingly, the forming operations were performed at high operating temperatures using incremental step pulse and verify algorithm (ISPVA). In contrast to the well-known method of increasing the current compliance (1R) or the gate voltage of the transistor (1T-1R) to increase the conduction filament size, a thin layer of Al2O3 is added. This device engineering technique reduced the variability in both LRS and HRS currents of the memristive devices. Additionally, the conduction filament properties in both states are modeled by using the quantum point contact (QPC) model. Finally, harnessing the intrinsic variability of the memristive devices for neuromorphic computing applications is demonstrated. The reliability of the devices is assessed through endurance and retention characteristics.show moreshow less
  • Energieeffizienz ist für künftige elektronische Anwendungen mit geringem Stromverbrauch von entscheidender Bedeutung. Dieser extrem niedrige Stromverbrauch ermöglicht die Forschung über die herkömmlichen ladungsbasierten Speicher hinaus. Darüber hinaus sind Zuverlässigkeit, hohe Skalierbarkeit, schnelles Schalten, CMOS-Kompatibilität, hohe Lebensdauer usw. einige der Eigenschaften, die von der neuen Generation der aufkommenden nichtflüchtigen Speicher (NVMs) angestrebt werden. Ein Memristor oder OxRAM ist einer der vielen aufkommenden NVMs, die die oben genannten Eigenschaften aufweisen können, und er hat das Potenzial, die stromfressenden konventionellen NVMs zu ersetzen. Die memristiven Bauelemente haben den Vorteil, dass sie monolithisch in die CMOS-Logik integriert werden können, was eine Ausweitung ihrer Anwendungsbereiche ermöglicht. Trotz ihrer zahlreichen Vorteile stellen die Zuverlässigkeit, die Formationsspannungen und die Variabilität der Bauelemente eine Hürde für ihre breite kommerzielle Nutzung dar. Daher ist es vonEnergieeffizienz ist für künftige elektronische Anwendungen mit geringem Stromverbrauch von entscheidender Bedeutung. Dieser extrem niedrige Stromverbrauch ermöglicht die Forschung über die herkömmlichen ladungsbasierten Speicher hinaus. Darüber hinaus sind Zuverlässigkeit, hohe Skalierbarkeit, schnelles Schalten, CMOS-Kompatibilität, hohe Lebensdauer usw. einige der Eigenschaften, die von der neuen Generation der aufkommenden nichtflüchtigen Speicher (NVMs) angestrebt werden. Ein Memristor oder OxRAM ist einer der vielen aufkommenden NVMs, die die oben genannten Eigenschaften aufweisen können, und er hat das Potenzial, die stromfressenden konventionellen NVMs zu ersetzen. Die memristiven Bauelemente haben den Vorteil, dass sie monolithisch in die CMOS-Logik integriert werden können, was eine Ausweitung ihrer Anwendungsbereiche ermöglicht. Trotz ihrer zahlreichen Vorteile stellen die Zuverlässigkeit, die Formationsspannungen und die Variabilität der Bauelemente eine Hürde für ihre breite kommerzielle Nutzung dar. Daher ist es von entscheidender Bedeutung, diese Faktoren zu identifizieren und sie zu entschärfen. Die vorliegende Arbeit befasst sich mit diesen Problemen durch Verbesserungen des Herstellungsprozesses, elektrische Charakterisierungstechniken und Methoden der Bauelementekonstruktion. Die Verbesserungen in den Herstellungsprozessen haben die Ströme im Urzustand der memristiven Bauelemente reduziert. Dies wirkte sich direkt auf die Zuverlässigkeit und die Widerstandsschaltleistung der memristiven Bauelemente aus. Um die Leistung weiter zu verbessern, werden die memristiven Bauelemente in die 130 nm BiCMOS-Basistechnologie des IHP integriert. Darüber hinaus werden spezielle Teststrukturen entwickelt, um die Herstellungsprozesse durch elektrische Inline-Charakterisierung zu überwachen und zu steuern. Darüber hinaus wurden die Werte für den Formierungsstrom und die Formierungsspannung sowie deren Streuungen in den memristiven Arrays mit 4 kbit durch den Einsatz der elektrischen Charakterisierungstechniken reduziert. Dementsprechend wurden die Umformvorgänge bei hohen Betriebstemperaturen unter Verwendung des ISPVA-Algorithmus (Incremental Step Pulse and Verify) durchgeführt. Im Gegensatz zu der bekannten Methode, die Stromnachgiebigkeit (1R) oder die Gatespannung des Transistors (1T-1R) zu erhöhen, um die Größe des Leitungsfilaments zu vergrößern, wird eine dünne Schicht Al2O3 hinzugefügt. Durch diese Technik wurde die Variabilität der LRS- und HRS-Ströme der memristiven Bauelemente verringert. Darüber hinaus werden die Eigenschaften des Leitungsfilaments in beiden Zuständen mit Hilfe des Quantenpunktkontaktmodells (QPC) modelliert. Schließlich wird demonstriert, wie die intrinsische Variabilität der memristiven Bauelemente für neuromorphe Computeranwendungen genutzt werden kann. Die Zuverlässigkeit der Bauelemente wird anhand der Ausdauer und der Retentionseigenschaften bewertet.show moreshow less

Download full text files

Export metadata

Additional Services

Search Google Scholar Stastistics
Metadaten
Author: Mamathamba Kalishettyhalli MahadevaiahORCiD
URN:urn:nbn:de:kobv:co1-opus4-65571
DOI:https://doi.org/10.26127/BTUOpen-6557
Referee / Advisor:Prof. Dr. Christian WengerORCiD, Prof. Dr. Andreas MaiORCiD, Prof. Dr. Martin Ziegler
Document Type:Doctoral thesis
Language:English
Year of Completion:2023
Date of final exam:2023/11/20
Release Date:2024/01/08
Tag:Dispersion; Formierspannung; Leitungsdraht; Neuromorphe Anwendungen; Variabilität
Forming; ISPVA; Memristive devices; RRAM; Variability
GND Keyword:CMOS; Nichtflüchtiger Speicher; Memristor; Modellierung; Dispersion
Institutes:Fakultät 1 MINT - Mathematik, Informatik, Physik, Elektro- und Informationstechnik / FG Halbleitermaterialien
Licence (German):Creative Commons - CC BY - Namensnennung 4.0 International
Einverstanden ✔
Diese Webseite verwendet technisch erforderliche Session-Cookies. Durch die weitere Nutzung der Webseite stimmen Sie diesem zu. Unsere Datenschutzerklärung finden Sie hier.