CMOS互換AlO/TiO抵抗型メモリの極低温(1.5K)マルチレベルスイッチングにより明らかになった導電性フィラメントの進化のダイナミクス

Conductive filament evolution dynamics revealed by cryogenic (1.5 K) multilevel switching of CMOS-compatible AlO/TiOresistive memories.

• Yann Beilliard
• François Paquette
• Frédéric Brousseau
• Serge Ecoffey
• Fabien Alibart
• Dominique Drouin

抄録

不揮発性の抵抗型スイッチング素子は、抵抗型ランダムアクセスメモリ（RRAM）や脳にヒントを得たインメモリコンピューティングのように、室温以上で動作する次世代メモリアプリケーションの有力な候補として考えられていますが、極低温条件での動作性はまだ習得されていません。しかし、極低温下での動作性については、量子・古典エレクトロニクスの統合により大規模な量子技術を実現するためのビルディングブロックとしての採用に向けて、まだ十分な理解が得られていませんでした。本研究では、CMOS互換のプロセスと材料を用いて作製したAlO/TiO抵抗型メモリデバイスの1.5Kでのマルチレベルスイッチングを実証した。I-V特性は、TiO導電性フィラメントのジュール加熱誘起金属絶縁体転移による負の差動抵抗(NDR)効果を示した。すべての多値スイッチングI-V曲線のキャリア輸送解析から、絶縁体領域はすべての抵抗状態について空間電荷制限電流(SCLC)モデルに従うが、金属領域での伝導は低抵抗状態と高抵抗状態についてそれぞれSCLCとトラップ支援トンネル(TAT)によって支配されていることが示された。多重レベルSETとRESET動作中に金属領域で得られる連続的で緩やかなコンダクタンスの増減とは対照的に、絶縁領域では非単調なコンダクタンスの変化が観察された。極低温輸送解析と金属-絶縁体転移によるNDR効果とデバイスの抵抗状態を考慮した解析モデルを組み合わせることで、導電性フィラメントの進化のダイナミクスと抵抗性スイッチングメカニズムに関する新たな知見を得ることができた。その結果、絶縁領域での非単調なコンダクタンス変化は、スイッチング中のTiO導電性フィラメントの縦方向と半径方向の変化の複合効果によるものであることが示唆された。この挙動は、温度と電界に依存したフィラメントの幾何学的・物理的特性の相互作用によるものである。

Non-volatile resistive switching devices are considered as prime candidates for next-generation memory applications operating at room temperature and above, such as resistive random-access memories (RRAM) or brain-inspired in-memory computing. However, their operability in cryogenic conditions remains to be mastered to adopt these devices as building blocks enabling large-scale quantum technologies via quantum-classical electronics co-integration. This study demonstrates multilevel switching at 1.5 K of AlO/TiOresistive memory devices fabricated with CMOS-compatible processes and materials. The I-V characteristics exhibit a negative differential resistance (NDR) effect due to a Joule-heating-induced metal-insulator transition of the TiOconductive filament. Carrier transport analysis of all multilevel switching I-V curves show that while the insulating regime follows the space charge limited current (SCLC) model for all resistance states, the conduction in the metallic regime is dominated by SCLC and trap-assisted tunneling (TAT) for low- and high-resistance states respectively. A non-monotonic conductance evolution is observed in the insulating regime, as opposed to the continuous and gradual conductance increase and decrease obtained in the metallic regime during the multilevel SET and RESET operations. Cryogenic transport analysis coupled to an analytical model accounting for the metal-insulator-transition-induced NDR effects and the resistance states of the device provide new insights on the conductive filament evolution dynamics and resistive switching mechanisms. Our findings suggest that the non-monotonic conductance evolution in the insulating regime is due to the combined effects of longitudinal and radial variations of the TiOconductive filament during the switching. This behavior results from the interplay between temperature- and field-dependent geometrical and physical characteristics of the filament.

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