Reversing A Decades‐Long Scaling Law of Dielectric Breakdown using Hydrogen‐Plasma‐Treated HfO2 ReRAM Devices

电阻随机存取存储器 材料科学 缩放比例 摩尔定律 纳米技术 集成电路 工程物理 光电子学 电子工程 计算机科学 电气工程 电压 物理 工程类 几何学 数学
作者
Ernest Y. Wu,Takashi Ando,P. Jamison
出处
期刊:Advanced electronic materials [Wiley]
卷期号:9 (10)
标识
DOI:10.1002/aelm.202300296
摘要

Abstract Dielectric breakdown (BD) is known to cause component failure in electronic devices and high‐voltage power lines over many decades. In recent years, this failure mechanism has been exploited to intentionally form nanoscale filaments in resistive random‐access‐memory (ReRAM) devices for artificial intelligence (AI). The statistical nature of this failure mechanism, known as the inverse size scaling law based on the weakest‐link theory, dictates the ever‐higher forming voltages for ReRAM devices, in turn, requiring additional peripheral transistors. This law also causes diminishing lifetimes of electronic components for future generations of very‐large‐integrated circuits (VLSI) technology. Currently, the semiconductor industry faces these scaling barriers limiting the miniaturization of both VLSI and AI hardware technology. Here, experimental evidence of a reverse area dependence is presented by introducing an innovative fabrication process with a hydrogen‐plasma‐treated layer in a bilayer HfO 2 structure. Using joint order statistics rather than traditional extreme‐value statistics, a physics‐based statistical model is developed in agreement with the experimental data, thus demonstrating that there is no fundamental reason preventing this law from being reversed or altered. These findings will have a significant impact on both technology scaling and fabrication innovation for electronic and/or bioinspired nanomaterials; moreover, stimulate much research in physics, statistics, and reliability.
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