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



Verantwortlichkeitsangabevorgelegt von M.Sc. Hehe Zhang

ImpressumAachen 2019

Umfang1 Online-Ressource (ix, 196 Seiten) : Illustrationen, Diagramme


Dissertation, Rheinisch-Westfälische Technische Hochschule Aachen, 2019

Veröffentlicht auf dem Publikationsserver der RWTH Aachen University


Genehmigende Fakultät
Fak05

Hauptberichter/Gutachter
;

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2019-03-11

Online
DOI: 10.18154/RWTH-2019-03475
URL: http://publications.rwth-aachen.de/record/759313/files/759313.pdf

Einrichtungen

  1. Lehrstuhl für Werkstoffchemie (521110)
  2. Fachgruppe für Materialwissenschaft und Werkstofftechnik (520000)
  3. Gemeinschaftslabor für Elektronenmikroskopie (025000)

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
8w BRS (frei) ; atomic layer deposition (frei) ; c8w BRS (frei) ; multilevel (frei) ; neuromorphic (frei) ; resistive switching (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 620

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.

Information technology is approaching the era of artificial intelligence. New computing architectures are required to cope with the huge amount of data that has to be processed in all types of cognitive applications. This requires dedicated energy efficient solutions on the level of the computing hardware. The new concepts of neuromorphic computing (NC), like artificial neural networks (ANNs) and computation in memory (CIM), aim to overcome the limitations of classical computers based on von Neumann architecture. Redox-type resistive random access memory (ReRAM) devices are intensively investigated for NC applications due to their non-volatility and energy efficiency, process compatibility with standard complementary metal oxide semiconductor (CMOS) technology, and the ability for device scaling and three-dimensional (3D) integration. The variety of applications requests for different desired properties of the ReRAM devices ranging from an analog-type programmable multilevel behavior to a binary-type switching at high resistance ratio and with linear resistance states. ReRAM research today focuses on devices built of metal oxide layers with nano-meter thickness sandwiched between a chemically inert electrode like Pt or TiN and a chemically reactive electrode. The precise thickness control is achieved by vapor phase deposition techniques, in particular, atomic layer deposition (ALD). However, some basic issues like switching stability and resistance variability are still obstacles on the way towards massive integration. One of the efforts to improve the device performance is the use of combinations of two metal oxides layers, so called bilayer oxide stacks. The two different metal oxide layers are selected regarding their insulation resistance and oxidation enthalpy. Here, especially the bilayer ReRAM stack of TiO2 and Al2O3 has drawn attention of researches worldwide. TiO2 belongs to the materials integrated into ReRAM devices since the early start in the beginning of this millennium. However, most of the single-layer TiO2 devices lack stability in the standard valence change mechanism (VCM)-type filamentary switching behavior and suffer from a too high residual leakage current. One approach for improvement is the addition of an Al2O3 barrier layer into the TiO2 ReRAM device. So far, in the scientific literature, there is no clear consensus if this type of Al2O3/TiO2 bilayer cells reveal a standard VCM-type filamentary switching or an area-dependent switching behavior. The present study aims at a clarification of different phenomena associated with the bipolar resistive switching in bilayer ReRAM devices built from Al2O3 and TiO2 layers. In order to cope with device sizes, which are close to the industrial scale, nano-crossbar ReRAM cells were fabricated with an electrode area of (60 nm)2 to (100 nm)2 and oxide layer thickness below 10 nm. Nanometer-thin, dense oxide layers of reproducible quality were grown by means of ALD. Here a Pt bottom electrode was used as the Schottky electrode. In contrast, for the Pt/oxide/metal structures the metal top electrode was varied between Ti and TiN. A systematic study was performed regarding the effect of the resistive switching oxide comparing single-layers of Al2O3 and TiO2 and bilayers with different stack sequence, this means, Al2O3/TiO2 and TiO2/Al2O3. Study of the electroforming behavior in the various device stacks Pt/Al2O3/Pt cells reveals the identical breakdown strength as observed for other reported Al2O3 single-layer devices. In contrast, Pt/Al2O3/Ti devices show a linear dependence of the electroforming voltage for the Al2O3 thickness of 2 to 5 nm. Pt/TiO2/Ti devices are conductive in their initial state for TiO2 thickness below 10 nm. In bilayer stacks the electroforming voltage is dominated by the thickness of the Al2O3 layer, but the additional TiO2 layer is not negligible. According to the different oxidation enthalpies, the use of a Ti electrode results in a more reproducible and stable switching compared to TiN. Pt/metal oxide/Ti nano-crossbar devices with a thin Al2O3 layer show filamentary VCM-type counter-eightwise (c8w) bipolar resistive switching after successful electroforming and first RESET step. The resistance ratio is controlled by choosing values of current compliance and RESET stop voltage between high and low resistance state, respectively. Deep RESET behavior is obtained for the Al2O3 film thicker than 4 nm. However, effects appear which are attributed to a filling of trap states in the Al2O3 layer adjacent to the Pt Schottky electrode. The charge transport behavior of the different cells was systematically analyzed considering the voltage and temperature dependence of the initial state, the high (HRS) and low resistance state (LRS). The current transport in the insulating devices, i.e. Al2O3 and the bilayers with Al2O3, was successfully simulated by the Simmons' equation for tunneling through a trapezoidal barrier. This also holds for the HRS state with differences in tunneling barrier and tunneling area. The area of 100 nm2 attributed to the HRS fits well to the physical diameter of the filament of about 10 nm that was determined from the crystallized regime appearing in the cross-section of a switched device via transmission electron microscopy. For all devices the LRS exhibits an almost metallic-type conduction characteristic. Pulse switching analysis leads to a SET kinetic, which is well described by the ion hopping model utilizing Mott-Gurney law for oxygen vacancy drift.Pt/TiO2/Ti nano-crossbar devices show an extraordinary behavior of the coexistence of standard filamentary counter-eightwise (c8w) and stable eightwise (8w) switching at significantly reduced currents. The two switching modes with opposite polarity share a common state, this is, the c8w HRS equals the 8w LRS*. A model is proposed which describes this coexistence as a competition between oxygen vacancy drift/diffusion and oxygen incorporation/extraction at the Pt/TiO2-x interface. The reduced/increased amount of oxygen vacancies in the regime of the conductive filament's disc leads to a band bending and a change of the parabolic shaped tunneling barrier at the switching interface. In the Pt/TiO2/Ti nano-devices the 8w-switching process occurs at switching voltages of about 2 V, but at a significantly reduced current level with resistance values of about Mega- and Giga-Ohm in LRS* and HRS*, respectively. The deeper understanding of switching phenomena and conduction behavior in the various Al2O3 and TiO2 single-layer and bilayer nano-crossbar devices can be utilized for improvement of existing switching models and for future cell design addressing particular applications.

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Dokumenttyp
Dissertation / PhD Thesis

Format
online

Sprache
English

Externe Identnummern
HBZ: HT020030787

Interne Identnummern
RWTH-2019-03475
Datensatz-ID: 759313

Beteiligte Länder
Germany

 GO


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The record appears in these collections:
Document types > Theses > Ph.D. Theses
Faculty of Georesources and Materials Engineering (Fac.5) > Division of Materials Science and Engineering
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Public records
Publications database
520000
521110
025000

 Record created 2019-04-09, last modified 2023-04-08


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