Design, simulation and electrical characterization of a2ram memory cells

Resumen

Design, Simulation and Electrical Characterization of A2RAM Cells Motivation The situation of some widespread technologies related to the semiconductor industry that have been extensively used for many years are now facing a period where they are being questioned. Attending to the semiconductor memories, the scaling problems turn to be the main threat to Flash, SRAM, DRAM... In case of the DRAM (Dynamic Random Access Memory), the scaling of the capacitor is the most limiting factor to continue with the traditional 1T+1C (1 Transistor plus 1 Capacitor) DRAM cell. A natural approach would be to avoid the use of this storage node, overcoming its scaling drawbacks, and use instead another element able to retain the information and more suitable for the required aggressive scaling. A better choice proves to be the use of a transistor. Firstly, because it is already demonstrated its feasibility beyond the 22 nm node and, secondly, because the memory cells are already using it so no extra element (and therefore area) would be required. In order to overcome all the scaling problems that 1T+1C DRAM cells suffer, new types of memory cell are being proposed where no additional capacitor is needed. Some of these cells, named 1T-DRAM, are mostly based on the use of the SOI (Silicon-On-Insulator) technology to benefit from the floating-body effects (FB-DRAM) [1]. Objective and Methodology The main purpose of this study was to investigate the novel A2RAM (Advanced Random Access Memory 2) memory cell as a possible FB DRAM candidate. The research activity included the simulation, fabrication and electrical characterization of these memory cells. A basic overview of the DRAM state-of-the-art is initially presented with different technological alternatives. Once the basic ideas behind the FB DRAM operation are explained, a detailed approach to the initial multi-body A-RAM (Advanced Random Access Memory) concept [2] and the evolved A2RAM cells [3] is presented. To achieve the objectives of this research work, both TCAD simulations using Silvaco software and rigorous experimental measurements with high-end characterization equipment have been performed. Advanced 2 RAM The study developed in this work has been focused on the feasibility and advanced electrical characterization of this multi-body memory cell, allowing its implementation in typical bulk and extremely thin SOI wafers. The main operating parameters as a typical switch and memory are extracted and compared with ultimate ultra-thin SOI transistor. The results suggest that the extra steps of fabrication for these memory cells influence negatively their operation as a typical switch (transistor operation) but, at the same time, they permit extraordinary properties as memory. Conclusion The simulated and experimental results indicate that with its low-power operation and electrical properties, the A2RAM cell is an attractive and potential alternative for embedded DRAM applications, exhibiting high current ratio between states and reasonable retention time, superior to other proposed floating-body memories, even with shorter transistor gate length and thinner silicon films. Bibliography [1] S. Okhonin, M. Nagoga, J. M Sallese, and P. Fazan. A SOI capacitor-less 1T-DRAM concept. In SOI Conference, 2001 IEEE International, pages 153-154, 2001. [2] N. Rodriguez, F. Gamiz, and S. Cristoloveanu. A-RAM Memory Cell: Concept and Operation. Electron Device Letters, IEEE, 31(9):972-974, sept. 2010. [3] N. Rodriguez, S. Cristoloveanu, and F. Gamiz. Novel Capacitorless 1T-DRAM Cell for 22-nm Node Compatible With Bulk and SOI Substrates. Electron Devices, IEEE Transactions on, 58(8):2371-2377, aug. 2011. Diseño, Simulación y Caracterización Eléctrica de celdas A2RAM Motivacion La situación de algunas de las tecnologías más extendidas y ampliamente utilizadas en los últimos años en la industria de semiconductores se enfrenta ahora a un período con muchos interrogantes. Atendiendo a las memorias basadas en semiconductores, el problema de escalado resulta ser la mayor amenaza para las memorias Flash, SRAM, DRAM¿ En el caso de la DRAM (Dynamic Random Access Memory), el escalado del condensador es el factor más limitante para continuar con la celda tradicional 1T+1C (compuesta por 1 Transistor y 1 Condensador). Una solución natural sería prescindir del condensador como nodo de almacenamiento de carga, solucionando sus problemas de escalado, y utilizar en su lugar otro elemento capaz de retener la información que sea a su vez más adecuado para continuar con el escalado de la celda de memoria. Una mejor opción resulta ser el uso de un transistor en lugar del condensador. Primero, porque ya está demostrada la posibilidad de escalarlo más allá del nodo de 22 nm y, segundo, porque las celdas de memoria ya están compuestas por un transistor por lo que no se requeriría ningún elemento extra (y por lo tanto incremento de área). Nuevos tipos de celdas de memoria sin condensador se han propuesto. Algunas de estas celdas, llamadas 1T-DRAM, se basan en la tecnología SOI (Silicio sobre aislante) para beneficiarse del efector de cuerpo flotante (FB-DRAM) [1]. Objetivos y metodología El objetivo principal de este trabajo es investigar la A2RAM (Advanced 2 RAM) como posible celda de memoria. El estudio contempla la simulación, fabricación y caracterización eléctrica de estas celdas de memoria. Inicialmente se presenta un repaso general del estado del arte en memorias semiconductoras. Una vez explicadas la operación básica de las memorias basadas en el efecto de cuerpo flotante (FB-DRAM), se presentan las celdas multi-cuerpo A-RAM (Advanced RAM) [2] y la más evolucionada A2RAM [3]. Tras la introducción teórica, se llevan a cabo simulaciones numéricas utilizando Silvaco y rigurosas medidas experimentales empleando sofisticados equipos de caracterización. Advanced 2 RAM El estudio realizado en el presente trabajo se ha centrado en la caracterización eléctrica de esta celda de memoria multi-cuerpo que permite su uso tanto en substratos bulk como en substratos SOI. Las principales características como transistor y memoria han sido extraídas y comparadas con los dispositivos SOI más avanzados. Los resultados sugieren que los pasos de fabricación llevados a cabo para obtener la celda de memoria, merman significativamente su funcionamiento como conmutador pero, a su vez, permiten que este dispositivo muestre propiedades muy favorables como memoria. Conclusiones Las simulaciones y los resultados experimentales indican que el bajo consumo de potencia y las propiedades eléctricas hacen de la celda A2RAM una atractiva y potencial candidata a ser empleada en aplicaciones embebidas como memoria dinámica. La A2RAM exhibe gran margen de corriente entre estados y un razonable tiempo de retención, superior a otras celdas de memoria basadas en el efecto de cuerpo flotante incluso cuando la celda A2RAM es más reducida y presenta un espesor de silicio menor. Bibliografía [1] S. Okhonin, M. Nagoga, J. M Sallese, and P. Fazan. A SOI capacitor-less 1T-DRAM concept. In SOI Conference, 2001 IEEE International, pages 153-154, 2001. [2] N. Rodriguez, F. Gamiz, and S. Cristoloveanu. A-RAM Memory Cell: Concept and Operation. Electron Device Letters, IEEE, 31(9):972-974, sept. 2010. [3] N. Rodriguez, S. Cristoloveanu, and F. Gamiz. Novel Capacitorless 1T-DRAM Cell for 22-nm Node Compatible With Bulk and SOI Substrates. Electron Devices, IEEE Transactions on, 58(8):2371-2377, aug. 2011.