We report on world's smallest HfO 2 -based Resistive RAM (RRAM) cell to date, featuring a novel Hf/HfO x resistive element stack, with an area of less than 10×10 nm 2 , fast ns-range on/off switching times at low-voltages and with a switching energy per bit of <;0.1pJ. With excellent endurance of more than 5.10 7 cycles, large on/off verified-window (>;50), no closure of the on/off window after 30hrs/200C and failure-free device operation after 30hrs/250C thermal stress, the major device-level nonvolatile memory requirements are met. Furthermore, we clarify the impact of film crystallinity on cell operation from a scalability viewpoint, the role of the cap layer and bring insight into the switching mechanisms.

The endurance/retention performance of HfO 2 / Metal cap RRAM devices in a 1T1R configuration shows metal cap dependence. For Hf and Ti caps, owning strong thermodynamic ability of extracting oxygen from HfO 2 , long pulse endurance (>10 10 cycles) could be achieved. For Ta cap, owning lower thermodynamic ability of extracting oxygen from HfO 2 , better retention can be achieved. Therefore, an endurance/retention performance tradeoff is identified on the 40 nm × 40 nm HfO 2 /Metal cap bipolar RRAM devices. The tradeoff of endurance/retention performance can be explained by a different filament constriction shape depending on metal cap layer as derived from fitting I - V curves in the quantum point contact model. This difference in filament constriction shape is attributed to the thermodynamics difference of metal cap: Hf and Ti have a stronger thermodynamical ability to extract oxygen from HfO 2 than Ta. The possibility of tuning the intrinsic reliability performance by changing the cap materials paves a way for optimizing the operation of RRAM devices into the desired specifics.

The origin of the ferroelectric polarization switching in orthorhombic HfO2 has been investigated by first principles calculations. The phenomenon can be regarded as being the coordinated displacement of four O ions in the orthorhombic unit cell, which can lead to a saturated polarization as high as 53 μC/cm2. We show the correlation between the computed polarization reversal barrier and the experimental coercive fields.