Resistive switching phenomena in stacks of binary transition metal oxides grown by atomic layer deposition

Zhang, Hehe; Mayer, Joachim (Thesis advisor); Dittmann, Regina (Thesis advisor)

Aachen (2019)
Doktorarbeit

Dissertation, Rheinisch-Westfälische Technische Hochschule Aachen, 2019

Kurzfassung

Die Informationstechnologie nähert sich dem Zeitalter der künstlichen Intelligenz. Neue Rechnerarchitekturen sind erforderlich, um die großen Datenmengen zu bewältigen, die für die vielfältigen kognitiven Anwendungen verarbeitet werden müssen. Dies verlangt nach neuen Hardware-Lösungen mit deutlich höherer Energieeffizienz. Die neuen Konzepte des neuromorphen Rechnens, wie z.B. künstliche neuronale Netzwerke und logikfähige Speicher, zielen auf die Überwindung der Beschränkungen klassischer von Neumann-Rechner. Redox-basierte resistive Speicherzellen (redox-based resistive random access memory, ReRAM) werden aufgrund ihrer Nichtflüchtigkeit und Energieeffizienz, sowie der Kompatibilität zu komplementären Metall-Oxid-Halbleiter-Strukturen, der Skalierungs-möglichkeit und der dreidimensionalen Integration intensiv untersucht. Die erforderlichen Eigenschaften von ReRAM-Bauelementen reichen von analog programmierbaren Widerstands-änderungen bis zu binärem Schalten mit einem hohen Widerstandsverhältnis und linearen Zuständen, um die Vielfalt der Anwendungen adressieren zu können. Die heutige ReRAM-Forschung konzentriert sich auf Bauelemente aus nanometer-dünnen Metalloxidschichten, die eingebettet sind zwischen einer chemisch inerten Elektrode wie Pt oder TiN und einer chemisch-reaktiven Elektrode. Die Kontrolle der Schichtdicke wird durch die Gasphasenabscheidungen gewährleistet, z.B. die Atomlagenabscheidung (ALD). Allerdings verhindern noch einige grundlegende Probleme wie Schaltstabilität und Widerstandsverteilung die massive Integration neuartiger ReRAMs. Eine Möglichkeit zur Verbesserung der Bauelemente ist die Kombination von zwei aufeinander folgenden Metalloxidschichten (sog. "Doppeloxid-Stapel"). Die zwei unterschiedlichen Oxidschichten werden gemäß ihrer elektrischen Widerstände sowie ihrer Oxidationsenthalpie gewählt. Hier findet vor allem eine Struktur aus TiO2 und Al2O3 weitreichende Beachtung. Aktuell besteht jedoch noch kein Einvernehmen in der einschlägigen wissenschaftlichen Fachliteratur, ob solche Al2O3/TiO2-Doppelschicht-Bauelemente ein typisches VCM filamentäres Schalten oder ein flächenabhängiges Schalten zeigen. Ziel der vorliegenden Arbeit ist eine Klärung der unterschiedlichen Phänomene, die mit dem bipolaren resistiven Schalten in ReRAM-Bauelementen mit einer Doppelschicht aus Al2O3 und TiO2 verbunden sind. Um mit einer industrienahen Bauelementgröße zu arbeiten, wurden Nano-Kreuzpunkt ReRAM-Zellen mit einer Fläche von (60 nm)2 bis (100 nm)2 hergestellt, wobei die gesamte Oxidschichtdicke unter 10 nm bleibt. Es wurden dichte Oxidschichten im Nanometer-Bereich mit reproduzierbarer Qualität per ALD abgeschieden. Die untere Elektrode aus Pt wurde als Schottky-Elektrode eingesetzt. Demgegenüber wurde bei der metallischen Deckschicht der Pt/Oxid/Metall-Strukturen die obere Elektrode zwischen Ti und TiN variiert. Es wurde eine systematische Studie hinsichtlich des Vergleiches zwischen Einzelschichten (TiO2 und Al2O3) und verschiedenen Doppelschichten, nämlich Al2O3/TiO2 und TiO2/Al2O3, durchgeführt. Die Untersuchung des Elektroformierens zeigt eine mit der Literatur übereinstimmende Durchbruchspannung in Pt/Al2O3/Pt Zellen. Im Gegensatz dazu zeigen die Pt/Al2O3/Ti-Bauelemente eine lineare Abhängigkeit der Elektroformierungsspannung von der Al2O3 Dicke von 2 bis 5 nm. Pt/TiO2/Ti-Bauelemente besitzen eine hohe Leitfähigkeit im Anfangszustand bei einer Dicke der TiO2-Schicht unter 10 nm. In den Doppelschichten wird die Elektroformierungsspannung von der Dicke der Al2O3-Schicht bestimmt, wobei die TiO2-Schicht dennoch nicht vernachlässigbar ist. Gemäß ihrer jeweiligen Oxidationsenthalpien führt die Ti-Elektrode zu einem reproduzierbareren und stabileren Schalten im Vergleich zu TiN. Nach Elektroformieren und RESET zeigen Pt/Metalloxid/Ti-Nano-Kreuzpunkt-Bau-elemente mit einer dünnen Al2O3-Schicht ein filamentäres VCM-artiges bipolares resistives Schalten, dargestellt durch das entgegengesetzte Schreiben der Ziffer "8" (eng.: counter-eightwise, c8w). Das Widerstandsverhältnis wird durch die Wahl der Strombegrenzung im SET-Prozess sowie durch den eingestellten Spannungswert im RESET-Prozess geregelt. Für tiefes RESET-Verhalten, wie es für Al2O3 dicker als 4 nm gefunden wurde, tauchen Effekte auf, die auf eine Besetzung von Defektzuständen an der Grenzfläche zwischen Al2O3 und der Pt Schottky-Elektrode hinweisen. Der Ladungstransport in verschiedenen Zellen wurde systematisch hinsichtlich der Spannungs- sowie Temperaturabhängigkeit der hochohmigen (HRS) und niederohmigen (LRS) Widerstands-zustände analysiert. Der Stromtransport in den isolierenden Bauelementen, Al2O3 und den Doppelschichten mit Al2O3, konnte mit Hilfe der Simmons' Gleichung für das Tunneln durch eine trapezförmige Barriere erfolgreich simuliert werden. Das Modell gilt auch für die HRS-Zustände mit Unterschieden in Tunnelbarriere sowie Tunnelfläche. Die Fläche von 100 nm2 für eine Zelle im HRS passt gut zu den Ergebnissen aus Transmissionselektronen-mikroskopie-Untersuchungen, die einen kristallinen Bereich mit einer Breite von 10 nm in dem Bauelement zeigen. Für alle Bauelemente zeigt der LRS metallisches Leitfähigkeits-verhalten. Eine Analyse des Schaltverhaltens im Pulsbetrieb führt zu einer SET-Kinetik, die durch Ionenbewegung über das Mott-Gurney-Gesetz erklärt werden kann, wobei nur die Drift der Sauerstoffleerstellen berücksichtigt wurde. Pt/TiO2/Ti-Nano-kreuzpunkt-Bauelemente zeigen eine außergewöhnliche Koexistenz von standardmäßigem filamentärem c8w Schalten und einem stabilen 8w Schalten bei deutlich reduziertem Strom. Die zwei Schaltmoden mit entgegengesetzter Polarität teilen einen gemeinsamen Zustand: der c8w HRS ist gleich dem 8w LRS*. Es wird ein Modell aufgestellt, um diese Koexistenz als eine Konkurrenz zwischen Drift/Diffusion von Sauerstoffleerstellen und dem Ein-/Ausbau von Sauerstoffatomen über die Pt/TiO2-x-Grenzfläche zu beschreiben. Die Erhöhung bzw. Verminderung der Dichte von Sauerstoffleerstellen führt zu einer Bandverbiegung und einer Änderung der parabolischen Tunnelbarriere an der schaltenden Grenzfläche. In den Pt/TiO2/Ti-Nano-Bauelementen werden die 8w Zyklen bei einer Schaltspannung nahe 2 V beobachtet, jedoch mit einem signifikant reduzierten Stromniveau und Widerstandswerten von im Mega- und Giga-Ohm-Bereich für LRS* bzw. HRS*.Ein tieferes Verständnis der Schaltphänomene und des Stromtransports in verschiedenen Al2O3- und TiO2-Einzelschicht- und Doppelschicht-Bauelementen hilft bei der Optimierung eines generellen Schaltmodells und bei der Auslegung zukünftiger anwendungs-spezifischer Zellkonzepte.

Einrichtungen

  • Gemeinschaftslabor für Elektronenmikroskopie [025000]
  • Fachgruppe für Materialwissenschaft und Werkstofftechnik [520000]
  • Lehrstuhl für Werkstoffchemie [521110]

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