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Geometric conductive filament confinement by nanotips for resistive switching of HfO2-RRAM devices with high performance

Authors :
Subhajit Guha
Christian Walczyk
Christian Wenger
Brice Gautier
Mirko Fraschke
Philippe Hamoumou
Eduardo Perez
Francesco Santoni
Thomas Schroeder
Pauline Calka
Gang Niu
Lambert Alff
Aldo Di Carlo
Matthias Auf der Maur
INL - Hétéroepitaxie et Nanostructures ( INL - H&N )
Institut des Nanotechnologies de Lyon ( INL )
École Centrale de Lyon ( ECL )
Université de Lyon-Université de Lyon-Université Claude Bernard Lyon 1 ( UCBL )
Université de Lyon-École supérieure de Chimie Physique Electronique de Lyon ( CPE ) -Institut National des Sciences Appliquées de Lyon ( INSA Lyon )
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Université de Lyon-Institut National des Sciences Appliquées ( INSA ) -Institut National des Sciences Appliquées ( INSA ) -Centre National de la Recherche Scientifique ( CNRS )
Institut de biologie et chimie des protéines [Lyon] ( IBCP )
Université Claude Bernard Lyon 1 ( UCBL )
Université de Lyon-Université de Lyon-Centre National de la Recherche Scientifique ( CNRS )
IHP Frankfurt
INL - Plateforme Technologique Nanolyon ( INL - Nanolyon )
HYCHICO
Laboratoire de Spectronomie Moléculaire ( SMIL )
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Istituto Nazionale di Fisica Nucleare
INL - Hétéroepitaxie et Nanostructures (INL - H&N)
Institut des Nanotechnologies de Lyon (INL)
Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Institut National des Sciences Appliquées de Lyon (INSA Lyon)
Université de Lyon-Institut National des Sciences Appliquées (INSA)-Université de Lyon-Institut National des Sciences Appliquées (INSA)-École Centrale de Lyon (ECL)
Université de Lyon-Université Claude Bernard Lyon 1 (UCBL)
Université de Lyon-École supérieure de Chimie Physique Electronique de Lyon (CPE)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Institut National des Sciences Appliquées de Lyon (INSA Lyon)
Université de Lyon-École supérieure de Chimie Physique Electronique de Lyon (CPE)
Institut de biologie et chimie des protéines [Lyon] (IBCP)
Université Claude Bernard Lyon 1 (UCBL)
Université de Lyon-Université de Lyon-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)
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INL - Plateforme Technologique Nanolyon (INL - Nanolyon)
INL - Dispositifs Electroniques (INL - DE)
Leibniz institute for innovative microelectronics [Frankfurt (Oder)] (IHP)
Istituto Nazionale di Fisica Nucleare [Sezione di Roma 1] (INFN)
Source :
Scientific Reports, Scientific Reports, Nature Publishing Group, 2016, 6, pp.25757
Publication Year :
2016
Publisher :
Nature Publishing Group, 2016.

Abstract

Filament-type HfO2-based RRAM has been considered as one of the most promising candidates for future non-volatile memories. Further improvement of the stability, particularly at the “OFF” state, of such devices is mainly hindered by resistance variation induced by the uncontrolled oxygen vacancies distribution and filament growth in HfO2 films. We report highly stable endurance of TiN/Ti/HfO2/Si-tip RRAM devices using a CMOS compatible nanotip method. Simulations indicate that the nanotip bottom electrode provides a local confinement for the electrical field and ionic current density; thus a nano-confinement for the oxygen vacancy distribution and nano-filament location is created by this approach. Conductive atomic force microscopy measurements confirm that the filaments form only on the nanotip region. Resistance switching by using pulses shows highly stable endurance for both ON and OFF modes, thanks to the geometric confinement of the conductive path and filament only above the nanotip. This nano-engineering approach opens a new pathway to realize forming-free RRAM devices with improved stability and reliability.

Details

Language :
English
ISSN :
20452322
Database :
OpenAIRE
Journal :
Scientific Reports
Accession number :
edsair.doi.dedup.....69f15395f59b3274a25c1a7545ddc700
Full Text :
https://doi.org/10.1038/srep25757