Modeling of emerging resistive switching based memory cells

Abstract

Viele Jahrzehnte wurden ladungsbasierte Speichertechnologien (z.Bsp. DRAM, Flashspeicher etc.) erfolgreich verkleinert, um höhere Geschwindigkeit und größere Integrationsdichte bei gleichzeitig geringeren Kosten per Bit zu erzielen. Allerdings nähern sich Speicher, die ladungsbasiert sind, den physikalischen Grenzen der Skalierbarkeit. Im Gegensatz zu DRAM und Flashspeicher sollte ein zukünftiger universeller Speicher keine Speicherung elektrischer Ladung benötigen und auf alternativen Prinzipien zur Informationsspeicherung beruhen. Für den erfolgreichen Einsatz eines neuen universellen Speichers muss dieser auch eine niedrige Arbeitsspannung, geringen Energieverbrauch, hohe Arbeitsgeschwindigkeit, lange Speicherzeit, lange Lebensdauer und eine simple Struktur aufweisen. Alternative Prinzipien zur Informationsspeicherung umfassen den Widerstandswechseleffekt in Isolatoren, den magnetoresistiven Effekt, die Domänenwandbewegung in Racetrack-Speichern, den ferroelektrischen Effekt und weitere. Unter den Technologien, die diese neuen Speicherprinzipien verwenden, sind STT-MRAM und RRAM die vielversprechendsten Kandidaten für zukünftige universelle Speicher. Hierbei erscheint die Uneinheitlichkeit der Bauteileigenschaften die größte Herausforderung bei der Herstellung von RRAM in grossem Maßstab zu sein. Um dieses Problem zu lösen, wird in erster Linie ein besseres Verständnis der Widerstandswechselphänomene benötigt. Die Entwicklung von genauen und flexiblen Schaltmodellen ist unverzichtbar für den zukünftigen Fortschritt in der RRAM-Technologie. In der Doktorarbeit wird ein neues stochastisches Modell des resistiven Schaltens präsentiert. Die mit dem stochastischen Modell erhaltenen Simulationsergebnisse decken sich gut mit den experimentellen Ergebnissen. Hingegen stellt die größte Herausforderung für STT-MRAM die Reduktion der Schaltstromdichte dar, ohne den thermischen Stabilitätsfaktor zu verschlechtern. Mikromagnetische Simulationen tragen durch die Optimierung der STT-MRAM Speicherzellen erheblich dazu bei, dieses Problem für STT-MRAM zu lösen. In dieser Arbeit wird das neue Konzept einer STT-MRAM Struktur mit freier Kompositlage vorgeschlagen, simuliert und optimiert. Zusätzlich werden Zuverlässigkeitsprobleme studiert. Ein neuer Mechanismus für Schaltversagen eines MTJ-basierenden STT-MRAM durch die Formierung einer transversen Domänenwand in der freien Schicht wird präsentiert. Eine Methode wird gezeigt, um diesen parasitären Effekt für einen effizienten Spin-Torque-Oszillator zu nutzen. Mittels umfangreicher mikromagnetischer Modellierung kann gezeigt werden, dass diese Struktur über eine breite Abstimmbarkeit der Oszillations-frequenz verfügt, beginnend mit ein paar GHz bis hin zu mehreren 10 GHz.

For many decades charge-based memory (e.g. dynamic random access memory (DRAM), flash memory, etc.) technologies have been successfully scaled down to achieve higher speed and increased density of memory chips at lower bit cost. However, memories based on charge storage are gradually approaching the physical limits of scalability. Unlike DRAM and flash memories a future universal memory should not require electric charge storing and can be based on alternative principles of information storage. For the successful application a new universal memory must also exhibit low operating voltage, low power consumption, high operation speed, long retention time, high endurance, and a simple structure. Alternative principles of information storage include the resistive switching phenomenon in insulators, the effect of changing the magnetoresistance, the domain wall motion along magnetic racetracks, the ferroelectric effect, and others. From technologies which utilize new storage principles the most promising candidates for future universal memory are spin transfer torque MRAM (STT-MRAM) and resistive/redox RAM (RRAM). Non-uniformity of device characteristics appears a major challenge for large-scale manufacturing of RRAM. First and foremost, one needs a better understanding of the resistive switching phenomena to solve this problem. Development of accurate and flexible models of switching is paramount for future progress in RRAM technology. In the thesis a new stochastic model of resistive switching is presented. Simulation results obtained with the stochastic model are in good agreement with experimental results. For STT-MRAM the main challenge is to reduce the switching current density without compromising the thermal stability factor. Micromagnetic simulations significantly contribute to solving this problem through the optimization of STT-MRAM memory cells. In the thesis, a new concept of a STT-MRAM structure with a composite free layer is proposed, simulated, and optimized. In addition, reliability issues of STT-MRAM are studied. A new mechanism for switching failure in a MTJ-based STT-MRAM through transverse domain wall formation in a free layer is discovered. A method of utilizing this parasitic switching effect for constructing an efficient spin-torque oscillator is shown. By performing extensive micromagnetic modeling it is proved that the structure exhibits a wide tunability range of oscillation frequencies from a few GHz to several tens of GHz.