Riassunto analitico
I materiali ad alta costante dielettrica sono correntemente utilizzati nell'industria micro-elettronica come ossidi di gate nella tecnologia Complementare Metallo Ossido Semiconduttore (CMOS). Inoltre, l'interesse per gli ossidi di metalli di transizione (TMOs) è significativamente cresciuto nell'ultimo decennio, ed il comportamento a commutazione resistiva è stato proposto per la realizzazione di nuovi dispositivi di memoria non volatile come le memorie resistive (RRAM). Concetti innovativi di memoria elettronica basati sui materiali ad alta costante dielettrica (e.g HfO2, TiO2, Ta2O5, ecc.) sono stati proposti come una soluzione promettente per la prossima generazione di dispositivi di memoria non volatili ultra scalati. Lo scopo di questa tesi è lo sviluppo di modelli fisici, a livello microscopico, per descrivere il comportamento elettrico di ossidi ad alta costante dielettrica, e che permettano di simulare in maniera consistente le funzioni operative e l'affidabilità di dispositivi elettronici basati su dielettrici ad elevata costante dielettrica. I modelli sviluppati durante questo lavoro di tesi sono stati integrati ed accoppiati con un software di simulazione commerciale (MDLab), al fine di consentire di simulare in maniera completamente consistente i dielettrici ad alta costante dielettrica, comprendendo il trasporto di carica, il trasporto ionico, l'incremento di temperatura locale, e la degradazione indotta da stress. Le simulazioni condotte sfruttando i modelli sviluppati e calibrati mediante caratterizzazione sperimentale eseguita da vari collaboratori (i.e. Sematech, Cea-Leti, UAB Barcelona, Stanford University, ecc.) hanno permesso di ottenere risultati significativi nello studio dei meccanismi fisici che governano, a livello microscopico, i complessi processi che hanno luogo durante le operazioni funzionali, e che determinano l'affidabilità dei dispositivi basati su ossidi ad elevata costante dielettrica. In particolare, sfruttando le simulazioni, è stato possibile investigare il ruolo della struttura del materiale per il biossido di afnio (HfO2), in termini di grani e bordi di grano, le simulazioni di corrente combinate con l'analisi sperimentale condotta con l'uso del microscopio a forza atomica, hanno permesso di estrarre le densità di trappole elettricamente attive responsabili della conduzione di corrente nell'HfO2, sia nei grani che nei bordi di grano. I modelli sviluppati hanno inoltre dato la possibilità di simulare le operazioni funzionali dei dispositivi di memoria resistiva basati su HfO2. In particolare, l'identificazione delle specie dominanti nei processi di diffusione atomica, e lo sviluppo di un modello kinetic Montecarlo (KMC) hanno permesso di riprodurre le operazioni fondamentali dei dispositivi di memoria resistiva basati su HfO2, come l'operazione di forming e di reset. Risultati significativi sono stati ottenuti nella valutazione dell'impatto della temperatura sulle performance e sull'affidabilità dei dispositivi di memoria resistiva basati su HfO2. Inoltre le simulazioni condotte hanno permesso di chiarire il ruolo e l'impatto dell'elettrodo metallico sulle performance e sulla ritenzione dei dati dei dispositivi di memoria resistiva RRAM a base di HfO2. Il modello è stato inoltre utilizzato per lo studio del trasporto di carica nel biossido di titanio (TiO2) sub-stechiometrico per applicazioni RRAM. Combinando tecniche ab-initio come la density functional theory (DFT) e le non-equilibrium Green's functions (NEGF) con la modellizzazione microscopica del trasporto di carica, sono stati identificati i difetti responsabili per il trasporto di carica nel TiO2, e sono stati estratti i parametri fisici delle specie atomiche responsabili della conduzione di corrente. Possibili applicazioni future potrebbero riguardare la descrizione e la simulazione di dispositivi a trasporto misto (elettronico/ionico) come biosensori o lo studio di materiali a basso consumo energetico.
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Abstract
High-k dielectrics material are currently used in the micro-electronics industry as gate oxide for Complementary Metal Oxide Semiconductor (CMOS) technology. In addition, the interest for transition metal oxides (TMOs) has significantly increased during the last decade, and the resistive switching behavior has been proposed to be used for novel non-volatile memories such as resistive RAM (RRAM). Innovative memory concepts of electronic based on high-k dielectrics (e.g. HfO2, TiO2, Ta2O5, etc..) have been proposed as one of the most promising solution for next generation of ultra-scaled non-volatile memory devices. The aim of this thesis is the development of physical based models, at the microscopic level, describing the electrical behavior of high-k dielectrics, and allowing fully consistent simulations of operations and reliability of high-k oxide based devices. The models developed during this thesis have been integrated and coupled with a commercial software (MDLab) allowing fully consistent simulations of high-k dielectrics, including charge and ionic transports, local temperature increase and stress induced degradation. The simulations performed exploiting the developed models and calibrated with experimental characterization performed by several collaborators (i. e. Sematech, Cea-Leti, UAB Barcelona, Stanford University, etc..) allowed to obtain significant results in the investigation of the physical mechanisms at the microscopic level governing the complex processes occurring during the working operations and the reliability of high-k dielectrics based devices. Particularly, exploiting simulations, the role of the material structure of HfO2 in terms of grain and grain boundaries has been investigated, the current conduction simulated matched with conductive atomic force microscopy experimental analysis allowed to extract the density of electrical active traps governing the current conduction in HfO2 for both grain and grain boundaries. The developed models allowed to successfully simulate the operation of HfO2-based RRAM devices. In particular, the identification of the dominant diffusing species and mechanism, and the development of a kinetic Montecarlo (KMC) model allowed to reproduce the fundamental operation of HfO2-based RRAM devices such as the forming and the reset operation. Significant results have been obtained in the investigation of temperature impact on performance and reliability of HfO2-based RRAM. Moreover the simulations performed allowed to elucidate the role and the impact of metal electrode effect on the performance and data retention of HfO2-based RRAM. The model has been also exploited to investigate the charge transport in sub-stoichiometric TiO2 for RRAM application. Combining ab-initio techniques such as density functional theory (DFT) and non-equilibrium Green's functions (NEGF) with microscopic modeling of charge transport, the defect responsible for charge transport in TiO2 have been identified and the physical parameters of the atomic species assisting the current conduction have been extracted. Possible future application of the developed models, could regard the description and the simulation of mixed (electronic/ionic) transport based devices such as biosensors or the investigation of low energy consumption materials.
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