• Modeling
• Reliability
• RRAM
• RTN
• Variability

In questa tesi vengono studiate le proprietà di funzionamento di dispositivi di memoria innovativi, denominati memorie resistive, basate su ossido di afnio. La tesi affronta e descrive lo stato dell'arte della comprensione del funzionamento e della struttura di questa classe di memorie emergenti, concentrandosi sui vantaggi rispetto alle architetture tradizionali. Viene poi ricavata una dettagliata descrizione della struttura fisica dei dispositivi in esame e una rassegna dei molteplici e complessi fenomeni che hanno luogo negli stessi in varie condizioni operative. L'introduzione di ragionevoli approssimazioni permette di ricavare un modello compatto che viene usato per descrivere il comportamento sia statico che dinamico di queste memorie, includendo effetti termici e di variabilità stocastica. Il modello è validato da confronti con dati sperimentali di dispositivi fabbricati da produttori diversi. In particolare il problema della variabilità è esplorato a fondo, concentrandosi anche sul tipico rumore di lettura, denominato RTN. Vengono forniti adeguati metodi per lo studio avanzato del rumore RTN, particolarmente complesso in questi dispositivi. Lo studio del rumore è sfruttato per definire un nuovo modello fisico capace di spiegare questo fenomeno in modo auto-consistente. Inoltre, sfruttando il modello compatto e l'analisi del rumore si riesce a svolgere un'analisi incrociata delle caratteristiche del dispositivo, il che fornisce un quadro completo ed unificato del funzionamento di questi dispositivi, capace di tenere conto di molteplici effetti e fenomeni in diverse condizioni operative.

This Ph.D. thesis deals with the study of the properties and the operations of innovative memory devices, namely RRAM, based on hafnium oxide. This work explores and describes the state-of-the-art comprehension of the structure and operations of this class of devices, focusing on its advantages over the commercial technology. Then, a detailed physical description of the mechanisms occurring during the different operations of the device is developed. Introducing reasonable approximations results in a compact model which is used to describe the static and dynamic behaviour of these devices, including thermal effects and stochastic variability. The model is validated by the comparison with experimental data from devices produced by different manufacturers. Particularly, the variability problem is thoroughly addressed, also focusing on the reading noise, namely RTN. Adequate methods are developed to analyze and understand RTN, which happens to be particularly complex in these devices. The noise analysis is exploited to devise a new physics-based model self-consistently explaining RTN. Moreover, cross-correlated analyses exploiting both the RTN and the compact model are exploited to explain all the observed features in a unified framework, able to describe the device behaviour in different operating conditions.