Emerging non volatile memories reliability

Questa tesi presenta i risultati dell’attività di ricerca svolta durante il ciclo XXIX di dottorato in Scienze dell’Ingegneria presso l’Università degli Studi di Ferrara. In particolare la tesi tratta la caratterizzazione elettrica, la analisi statistica ed il modeling dei meccanismi fisici e dell’affidabilità di memorie non volatili innovative. Nel manoscritto vengono considerate tre delle tecnologie più promettenti per la futura sostituzione delle memorie flash, che stanno attualmente raggiungendo i loro limiti di scalabilità tecnologici. Il manoscritto è organizzato come segue. Nel capitolo 1 vengono studiate matrici di celle di memoria CT-NAND planari, mostrando che l’affidabilità di tale tecnologia è principalmente limitata dalla bassa capacità di ritenzione dei dati e dalla breve durata in termini di cicli di scrittura e cancellazione. Nella prima parte del capitolo sono stati caratterizzati algoritmi di programmazione e lettura innovativi in grado di ridurre tali limitazioni, analizzandone i vantaggi ottenuti in termini di affidabilità. In seguito sono state simulate e valutate le prestazioni che sarebbero ottenute in dischi a stato solido (SSD) nel caso in cui tali memorie ed algoritmi fossero utilizzati. Nel capitolo 2 i risultati ottenuti sulla tecnologia RRAM sono presentati e discussi prestando particolare attenzione alla variabilità, che è il problema principale di questa tecnologia di memorizzazione. L’impatto delle operazioni di Forming, Set e Reset sulla variabilità viene valutato sia per operazioni a singolo impulso che per complessi algoritmi di programmazione che prevedono operazioni di verifica della corretta memorizzazione dei dati. Il modello quantum point contact è stato utilizzato per fornire una spiegazione fisica dei risultati ottenuti durante la caratterizzazione elettrica. Successivamente è stato discusso l’impatto dei parametri di processo su variabilità ed affidabilità delle celle di memoria. Infine, nella parte finale del capitolo i limiti intrinseci di variabilità di tale tecnologia sono stati definiti attraverso una caratterizzazione estensiva di matrici di celle di memoria e sono state fornite alcune prospettive di utilizzo per applicazioni spaziali. Nel capitolo 3 vengono riportati i risultati ottenuti sulla tecnologia TAS-MRAM. L’affidabilità e la variabilità tra celle di memoria sono state valutate durante test di durata in cui sono state svolte milioni di operazioni di programmazione e cancellazione, estraendo dalle misure su matrici di celle i parametri caratteristici in grado di descriverne il funzionamento. Dopo un’ottimizzazione preliminare delle operazioni di scrittura, l’efficacia delle condizioni di programmazione ottimizzate è stata verificata con test di durata valutandone i vantaggi nella riduzione sia della variabilità tra celle che del numero di celle degradate durante il test. In seguito è stata testata una matrice di celle TAS-MRAM in cui la procedura di lettura è stata ottimizzata (Self Referenced) ed i risultati ottenuti sono stati confrontati con i precedenti per evidenziarne i vantaggi in termini di affidabilità. Nelle conclusioni di questo lavoro riportate alla fine del manoscritto sono riassunti i risultati ottenuti, proposte possibili applicazioni per le tecnologie analizzate e suggerite eventuali attività future che potrebbero estendere e migliorare la comprensione delle problematiche di affidabilità sulle tecnologie di memoria considerate.

This work presents the results of the research activity performed during the XXIX-th cycle of the Ph.D. school in Engineering Science of Università degli Studi di Ferrara. In particular the thesis focuses on the electrical characterization, physics, modeling and reliability of innovative non-volatile memories, addressing three of the most promising candidates for the floating gate based memories replacement which are currently facing a technology dead end. The manuscript is organized as follows. In Chapter 1 planar CT-NAND memory arrays are considered, showing that the main reliability issues affecting such technology are endurance and retention. Enhanced program and read algorithm able to reduce such limitations will be presented and characterized, highlighting the advantages obtained in terms of reliability. After that, the performances of Solid State Drives (SSD) integrating CT-based memories and using the proposed algorithms will be simulated and evaluated. In Chapter 2 the results obtained on RRAM will be presented and discussed focusing on the variability, which is the main reliability issue of these nonvolatile memories. The impact of Forming, Set and Reset operations on variability will be evaluated, starting from single pulse operations up to program and verify algorithms. The quantum point contact model will be used to give a physical explanation of the results obtained in characterization. After that, the process parameters impact on variability and reliability will be discussed. Finally, the fundamental variability limits of such technologies will be defined through an extensive array characterization and radiation hard application perspectives will be provided. In Chapter 3, the results obtained on TAS-MRAM technology will be reported. The reliability and the cell-to-cell variability will be evaluated during endurance tests by extracting a set of characteristic parameters from measurements performed on 1kbits arrays. After a preliminary optimization of the writing parameters on fresh devices, the effectiveness of the optimized parameters will be verified during cycling by evaluating their advantages in terms of cell-to-cell variability and breakdown reduction. After that, a novel TAS-MRAM array with optimized read procedure (Self Referenced) will be tested and compared with the previous one to highlight its advantages in terms of reliability. The conclusions of this work will be reported at the end of the manuscript outlining what has been accomplished, proposing possible applications for the technologies studied in this thesis and suggesting future works that could extend and improve the understanding of the reliability issues on such memory technologies.