Resistive switching characteristics of forming-free Ta2O5-based RRAM devices

Abstract

As the manipulation of large amounts of data is demanded, the efficiency of von Neumann architectures is in question because of the bottleneck. To date, new devices and computing architectures have been studied to solve this problem and one of them is a neuromorphic system that imitates the human brain. An artificial synapse device is essential to construct high performance of neuromorphic systems. Resistive-switching-based device, working in nanometer-scale and low power, is one of the promising candidates for synapse devices. In this study, it is focusing on finding the fabrication conditions for forming-free tantalum-oxide-based Resistance Random Access Memory (RRAM). Because the resistive switching occurs by conductive filament, an abrupt switching is often observed. By inserting TiO2 layer as an oxygen reservoir, abrupt resistive switching could relieve to gradual resistive switching. Furthermore, some synaptic behaviors could be improved. Electrical properties are measured to verify the effects of oxygen reservoir layer, such as I-V characteristics, cumulative distribution of switching voltages, multi-level cell properties, temperature dependence, and device reliability. | 많은 양의 데이터를 다루게 됨에 따라서, 병목 현상을 이유로 기존에 사용하고 있던 폰-노이만 컴퓨팅 구조의 효율성에 의문이 제기되고있다. 이를 해결하기 위한 다양한 해결 방안들이 제시되고 있고, 그 중 하나가 인간의 뇌를 모방한 뉴로모픽 시스템이다. 뉴로모픽 시스템의 성공적으로 구현하기 위해서는 고성능의 인공 시냅스 소자를 만드는 것이 매우 중요하다. 저항 스위칭 기반의 소자는 나노 단위의 크기에서도 구동이 가능하며, 낮은 전력만이 요구되기 때문에 유망한 시냅스 소자의 후보 중 하나이다. 본 연구에서는, Ta2O5 기반의 forming-free 소자를 만드는 것을 집중적으로 다루었다. 저항 스위칭이 필라멘트의 형성을 통해 이루어지기 때문에 급격한 저항 변화가 나타나는 것을 자주 발견할 수 있다. TiO2층을 oxygen reservoir 역할로 중간에 추가하는 것을 통해 이런 급격한 저항 변화를 완화시킬 수 있으며, 부가적으로 시냅스 소자 특성 개선에도 도움을 줄 수 있다. I-V 특성, 스위칭 전압의 cumulative distribution, multi-level cell 특성, temperature dependence, reliability를 측정하여 실제로 oxygen reservoir층이 전기적 특성에 어떤 영향을 끼쳤는지 확인해보았다.