Resistive switching memory (RRAM) based on the redox-induced conductivity change in some metal oxides attracts considerable interest as a new technology for next-generation nonvolatile electronic storage. Although resistance-switching phenomena in several transition metal oxides have been known from decades, the details of the switching mechanisms and the nature of the different resistive states are still largely debated. For nonvolatile memory applications, the scaling potential of RRAMs is the most relevant issue, and understanding the scaling capability of RRAM devices requires a sound interpretation of resistance-switching operation and reliability aspects. This work addresses the scaling dependence of RRAM switching parameters. The dependence on the electrode area and on the size of the conductive filament (CF) responsible for low-resistance memory state is investigated. The RRAM conduction modes depending on CF size are discussed based on temperature dependent resistance analysis. Reset characteristics in different resistance states are explained by a Joule heating model for CF oxidation.

1.
R.
Waser
and
M.
Aono
,
Nature Mater.
6
,
833
(
2007
).
2.
S.
Seo
,
M. J.
Lee
,
D. H.
Seo
,
E. J.
Jeoung
,
D. -S.
Suh
,
Y. S.
Joung
,
I. K.
Yoo
,
I. R.
Hwang
,
S. H.
Kim
,
I. S.
Byun
,
J. -S.
Kim
,
J. S.
Choi
, and
B. H.
Park
,
Appl. Phys. Lett.
85
,
5655
(
2004
).
3.
I. G.
Baek
,
M. S.
Lee
,
S.
Seo
,
M. J.
Lee
,
D. H.
Seo
,
D. -S.
Suh
,
J. C.
Park
,
S. O.
Park
,
H. S.
Kim
,
I. K.
Yoo
,
U. -In
Chung
, and
J. T.
Moon
,
Tech. Dig. - Int. Electron Devices Meet.
2004
,
587
.
4.
U.
Russo
,
D.
Ielmini
,
C.
Cagli
, and
A. L.
Lacaita
,
IEEE Trans. Electron Devices
56
,
186
(
2009
).
5.
B. J.
Choi
,
D. S.
Jeong
,
S. K.
Kim
,
C.
Rohde
,
S.
Choi
,
J. H.
Oh
,
H. J.
Kim
,
C. S.
Hwang
,
K.
Szot
,
R.
Waser
,
B.
Reichenberg
, and
S.
Tiedke
,
J. Appl. Phys.
98
,
033715
(
2005
).
6.
W.
Wang
,
S.
Fujita
, and
S. S.
Wong
,
IEEE Electron Device Lett.
30
,
733
(
2009
).
7.
Y. -M.
Kim
and
J. -S.
Lee
,
J. Appl. Phys.
104
,
114115
(
2008
).
8.
M. -J.
Lee
,
Y.
Park
,
B. -S.
Kang
,
S. -E.
Ahn
,
C.
Lee
,
K.
Kim
,
W.
Xianyu
,
G.
Stefanovich
,
J. -H.
Lee
,
S. -J.
Chung
,
Y. -H.
Kim
,
C. -S.
Lee
,
J. -B.
Park
,
I. -G.
Baek
, and
I. -K.
Yoo
,
Tech. Dig. - Int. Electron Devices Meet.
2007
,
771
.
9.
J. F.
Gibbons
and
W. E.
Beadle
,
Solid-State Electron.
7
,
785
(
1964
).
10.
C. H.
Kim
,
H. B.
Moon
,
S. S.
Min
,
Y. H.
Jang
, and
J. H.
Cho
,
Solid State Commun.
149
,
1611
(
2009
).
11.
U.
Russo
,
D.
Ielmini
,
C.
Cagli
, and
A. L.
Lacaita
,
IEEE Trans. Electron Devices
56
,
193
(
2009
).
12.
C.
Cagli
,
F.
Nardi
, and
D.
Ielmini
,
IEEE Trans. Electron Devices
56
,
1712
(
2009
).
13.
D.
Ielmini
,
C.
Cagli
, and
F.
Nardi
,
Appl. Phys. Lett.
94
,
063511
(
2009
).
14.
D.
Ielmini
,
Phys. Rev. B
78
,
035308
(
2008
).
15.
D. -H.
Kwon
,
K. M.
Kim
,
J. H.
Jang
,
J. M.
Jeon
,
M. H.
Lee
,
G. H.
Kim
,
X. -S.
Li
,
G. -S.
Park
,
B.
Lee
,
S.
Han
,
M.
Kim
, and
C. S.
Hwang
,
Nat. Nanotechnol.
5
,
148
(
2010
).
16.
H. L.
Lu
,
G.
Scarel
,
C.
Wiemer
,
M.
Perego
,
S.
Spiga
, and
M.
Fanciulli
,
J. Electrochem. Soc.
155
,
H807
(
2008
).
17.
S.
Spiga
,
A.
Lamperti
,
C.
Wiemer
,
M.
Perego
,
E.
Cianci
,
G.
Tallarida
,
H. L.
Lu
,
M.
Alia
,
F. G.
Volpe
, and
M.
Fanciulli
,
Microelectron. Eng.
85
,
2414
(
2008
);
A.
Lamperti
,
S.
Spiga
,
H. L.
Lu
,
C.
Wiemer
,
M.
Perego
,
E.
Cianci
,
M.
Alia
, and
M.
Fanciulli
,
Microelectron. Eng.
85
,
2425
(
2008
).
18.
S.
Spiga
,
A.
Lamperti
,
E.
Cianci
,
F. G.
Volpe
, and
M.
Fanciulli
,
ECS Trans.
25
(
6
),
411
(
2009
).
19.
ICSD, Inorganic Crystal Structure Database, Fachinformationzentrum Karlsruhe, (
2003
) file no. 61324.
20.
D. E.
Skyes
, in
Methods of Surface Analysis
, edited by
J. M.
Walls
(
Cambridge University Press
,
Cambridge
,
1989
), p.
242
.
21.
U.
Russo
,
D.
Ielmini
,
C.
Cagli
,
A. L.
Lacaita
,
S.
Spiga
,
C.
Wiemer
,
M.
Perego
, and
M.
Fanciulli
,
Tech. Dig. - Int. Electron Devices Meet.
2007
,
775
.
22.
S. R.
Ovshinsky
,
Phys. Rev. Lett.
21
,
1450
(
1968
).
23.
D.
Adler
,
M. S.
Shur
,
M.
Silver
, and
S. R.
Ovshinsky
,
J. Appl. Phys.
51
,
3289
(
1980
).
24.
Y. -C.
Chen
,
C. T.
Rettner
,
S.
Raoux
,
G. W.
Burr
,
S. H.
Chen
,
R. M.
Shelby
,
M.
Salinga
,
W. P.
Risk
,
T. D.
Happ
,
G. M.
McClelland
,
M.
Breitwisch
,
A.
Schrott
,
J. B.
Philipp
,
M. H.
Lee
,
R.
Cheek
,
T.
Nirschl
,
M.
Lamorey
,
C. F.
Chen
,
E.
Joseph
,
S.
Zaidi
,
B.
Yee
,
H. L.
Lung
,
R.
Bergmann
, and
C.
Lam
,
Tech. Dig. - Int. Electron Devices Meet.
2006
,
777
.
25.
D.
Ielmini
and
Y.
Zhang
,
Appl. Phys. Lett.
90
,
192102
(
2007
).
26.
S. -E.
Ahn
,
M. -J.
Lee
,
Y.
Park
,
B. S.
Kang
,
C. B.
Lee
,
K. H.
Kim
,
S.
Seo
,
D. -S.
Suh
,
D. -C.
Kim
,
J.
Hur
,
W.
Xianyu
,
G.
Stefanovich
,
H.
Yin
,
I. -K.
Yoo
,
J. -H.
Lee
,
J. -B.
Park
,
I. -G.
Baek
, and
B. H.
Park
,
Adv. Mater.
20
,
924
(
2008
).
27.
J. -B.
Yun
,
S.
Kim
,
S.
Seo
,
M. -J.
Lee
,
D. -C.
Kim
,
S. -E.
Ahn
,
Y.
Park
,
J.
Kim
, and
H.
Shin
,
Phys. Status Solidi (RRL)
1
,
280
(
2007
).
28.
I. K.
Yoo
,
B. S.
Kang
,
Y. D.
Park
,
M. J.
Lee
, and
Y.
Park
,
Appl. Phys. Lett.
92
,
202112
(
2008
).
29.
D.
Ielmini
,
A. L.
Lacaita
,
A.
Pirovano
,
F.
Pellizzer
, and
R.
Bez
,
IEEE Electron Device Lett.
25
,
507
(
2004
).
30.
M.
Hasan
,
R.
Dong
,
H. J.
Choi
,
D. S.
Lee
,
D. -J.
Seong
,
M. B.
Pyun
, and
H.
Hwang
,
Appl. Phys. Lett.
92
,
202102
(
2008
).
31.
R.
Meyer
,
L.
Schloss
,
J.
Brewer
,
R.
Lambertson
,
W.
Kinney
,
J.
Sanchez
, and
D.
Rinerson
,
Proceedings of 9th Annual Non-Volatile Memory Technology Symposium
(
IEEE
,
New York
,
2008
), p.
54
.
32.
Y.
Sato
,
K.
Tsunoda
,
K.
Kinoshita
,
H.
Noshiro
,
M.
Aoki
, and
Y.
Sugiyama
,
IEEE Trans. Electron Devices
55
,
1185
(
2008
).
33.
K.
Kinoshita
,
K.
Tsunoda
,
Y.
Sato
,
H.
Noshiro
,
S.
Yagaki
,
M.
Aoki
, and
Y.
Sugiyama
,
Appl. Phys. Lett.
93
,
033506
(
2008
).
34.
F.
Nardi
,
D.
Ielmini
,
C.
Cagli
,
S.
Spiga
,
M.
Fanciulli
,
L.
Goux
, and
D. J.
Wouters
,
IEEE International Memory Workshop (IMW)
,
66
(
2010
).
35.
H. Y.
Lee
,
P. S.
Chen
,
T. Y.
Wu
,
Y. S.
Chen
,
C. C.
Wang
,
P. J.
Tzeng
,
C. H.
Lin
,
F.
Chen
,
C. H.
Lien
, and
M. -J.
Tsai
,
Tech. Dig. - Int. Electron Devices Meet.
2008
,
297
.
36.
D.
Ielmini
,
F.
Nardi
, and
C.
Cagli
,
Appl. Phys. Lett.
96
,
053503
(
2010
).
37.
F.
Bedeschi
,
R.
Fackenthal
,
C.
Resta
,
E. M.
Donzè
,
M.
Jagasivamani
,
E. C.
Buda
,
F.
Pellizzer
,
D. W.
Chow
,
A.
Cabrini
,
G. M. A.
Calvi
,
R.
Faravelli
,
A.
Fantini
,
G.
Torelli
,
D.
Mills
,
R.
Gastaldi
, and
G.
Casagrande
,
IEEE J. Solid-State Circuits
44
,
217
(
2009
).
38.
D.
Ielmini
,
F.
Nardi
,
C.
Cagli
, and
A. L.
Lacaita
,
IEEE Electron Device Lett.
31
,
353
(
2010
).
39.
M.
O’Keeffe
and
W. J.
Moore
,
J. Phys. Chem.
65
,
1438
(
1961
).
40.
D.
Ielmini
,
F.
Nardi
, and
C.
Cagli
, as discussed at
IEEE Semiconductor Interface Specialist Conference (SISC)
, San Diego, CA, December 2–4,
2010
.
You do not currently have access to this content.