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Non-standard switching phenomena and interface effects in resistive switching devices
2018 & 2019
Dissertation, Rheinisch-Westfälische Technische Hochschule Aachen, 2018
Veröffentlicht auf dem Publikationsserver der RWTH Aachen University 2019
Genehmigende Fakultät
Fak06
Hauptberichter/Gutachter
;
Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2018-12-13
Online
DOI: 10.18154/RWTH-2019-08592
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/767144/files/767144.pdf
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Projekte
Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
ReRAM (frei) ; Sauerstoffaustausch (frei) ; tantalum oxide (frei) ; Tantalumoxid (frei) ; oxygen exchange (frei) ; parasitic effects (frei) ; parasitäre Effekte (frei) ; resistive switching (frei) ; resistives Schalten (frei)
Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 621.3
Kurzfassung
Die immer schneller werdende Entwicklung in der Elektronik hat innerhalb der letzten Jahrzehnte unser Leben maßgeblich verändert. Das Skalierungspotential der heute etablierten Speichertechnologien ist jedoch auf Grund physikalischer Grenzen weitestgehend ausgeschöpft. Daher werden neuartige Konzepte zur Überwindung dieser Limitierungen dringend gesucht. Nicht flüchtige, redox-basierte resistive Speicher (redox-based resistive random access memories, ReRAMs) stellen hierbei eine der vielversprechendsten Alternativen dar. Der elektrische Widerstandswert eines ReRAM Speicherbauelementes wird zur Informationsspeicherung verwendet und kann durch geeignete externe Spannungsanregung gezielt manipuliert werden. Die einfache zweipolige Struktur, zusammen mit einer sehr starken lokalen Beschränkung des für die Widerstandsänderung verantwortlichen Effektes sprechen für ein beachtliches Skalierungspotential der ReRAM Technologie. Weitere Untersuchungen haben gezeigt, dass die ReRAMs über ein hohes Potential bezüglich sehr schneller Zugriffszeiten, hoher Energieeffizienz und niedriger Herstellungskosten verfügen und sich damit als möglicher Konkurrent zu Flash und DRAM qualifizieren. Das resistive Schalten wird in einer Vielzahl von Materialsystemen beobachtet. Dies bringt jedoch eine Vielzahl an Fragen bezüglich der Wechselwirkungen zwischen den einzelnen Materialien und der sich daraus ergebenden Auswirkungen auf das resistive Schalten mit sich, die noch nicht abschließend geklärt wurden. Der Gegenstand der Untersuchungen in dieser Arbeit sind ReRAM Zellen auf der Basis des Valenzwechselmechanismus (VCM) gewesen, wobei Ta2O5 als schaltendes Metalloxid verwendet wurde. Das resistive Schalten kann allgemein verstanden werden als Konsequenz der Umverteilung der im elektrisch nicht-leitenden Metalloxid vorhandenen Sauerstoffleerstellen. Diese Modellvorstellung scheitert jedoch an der Erklärung vom Auftreten von bestimmten irregulären Schaltverhalten, wie z.B. dem komplementären Schalten und den acht-weise schaltenden „sub-loops“. In dieser Dissertation wird gezeigt, dass diese Phänomena sich durch physikalische Prozesse an den Grenzflächen zwischen dem Metalloxid und den Elektroden erklären lassen. Die Forschungsschwerpunkte der vorliegenden Arbeit lassen sich in drei Bereiche unterteilen: im ersten Teil wurde der Einfluss der Materialwahl der Elektrode an der Oxid-Grenzfläche, wo die für das resistive Schalten verantwortlichen Prozesse stattfinden, auf das Schaltverhalten untersucht. Die entsprechende Elektrode wird demgemäß „Aktive Elektrode“ genannt. Es wurde dabei gezeigt, dass das Auftreten von einem zusätzlichen konkurrierenden Schaltmodus, der sogenannten acht-weise schaltenden „sub-loop“, sich mit einer Sauerstoffaustauschreaktion an der Grenzfläche zwischen der aktiven Elektrode und dem Oxid erklären lässt. Durch die Verwendung einer sauerstoffblockierenden Schicht konnten der Sauerstoffaustausch und damit das Auftreten des zusätzlichen Schaltmodus erfolgreich unterdrückt werden, was schließlich das Erreichen von deutlich höheren Endwiderständen während des RESETs ermöglichte. Im zweiten Teil wurden die Auswirkungen vom Sauerstoffaustausch an der gegenüberliegenden Grenzfläche zwischen dem Oxid und einer oxidierenden Metallelektrode untersucht. Wegen der hohen Reaktionsfreudigkeit dieser Metallelektrode mit Sauerstoff, auch mit dem im benachbarten Oxid gebundenen Sauerstoff, wird diese als „Oxygen Exchange Layer“ (OEL) bezeichnet. Es wurde beobachtet, dass die OEL-Dicke eine erhebliche Auswirkung auf die elektrischen Eigenschaften von neu hergestellten ReRAM Zellen hat. Des Weiteren wurde eine direkte Abhängigkeit zwischen der OEL Dicke und dem bevorzugt auftretenden Schaltmechanismus gefunden. In dieser Dissertation wird gezeigt, dass Sauerstoffeinbau in eine metallische OEL-Elektrode zur Erhöhung dessen Austrittsarbeit führen kann, was eine Änderung der Grenzflächenbarriere mit sich bringt. Dadurch, wiederum lässt sich die beobachtete Änderung des Schaltverhaltens vom standardmäßig bipolaren hin zum komplementären Schalten erklären. Im dritten und letzten Teil wurden zwei für den ReRAM Einsatz relevante Szenarios, welche auf den Effekten in Verbindung mit Sauerstoffaustausch an der Oxid/OEL Grenzfläche basieren, anhand von zwei Anwendungsbeispielen diskutiert.The rapid progress of electronics over the past decades has altered many aspects of our lives fundamentally. As the conventional concepts for non-volatile memory technologies are approaching their physical scaling limits, new memory concepts are demanded. One of the most promising approaches to push the scalability limit further is the redox-based resistive switching random access memory (ReRAM). The resistive switching in these ReRAM memory devices is controlled by applying appropriate voltage pulses, whereby the information is stored as the resistance level of the device. Its simple, two-terminal structure in combination with a strong local confinement of the device region responsible for resistive switching allow for a remarkable scaling potential of ReRAM technology. Together with a high potential of energy efficiency, fast access and low cost it is considered as a potential competitor for both Flash and DRAM. Resistive switching is observed in various material systems, however, many questions regarding interplay between different materials and its impact on switching properties remain unclear. In this thesis, metal-oxide-based, VCM-type ReRAM cells are analyzed, with Ta2O5 material as the metal-oxide. While the basic bipolar resistive switching process can be understood from the presence and redistribution of oxygen vacancies inside the insulating metal-oxide layer, this cannot explain the occurrence (and structural control) of non-standard switching processes (i.e. complementary switching and eight-wise switching “sub-loops”). In this thesis it is shown that these phenomena can be explained by the physical processes taking place at the interfaces between the metal-oxide and the electrodes. The research work in this thesis is divided into three parts: In the first part, resistive switching in ReRAM cells is studied with regard to the material of the electrode at the switching interface, i.e. the active electrode. It is postulated that the oxygen exchange between the oxide and the active electrode can cause an additional competing resistive switching mode, the so-called eight-wise switching “sub-loops”. Introduction of an oxygen blocking interlayer at this interface allows for suppression of this oxygen exchange reaction and therefore of this additional switching mode, which is also important to achieve a higher OFF resistance state during RESET of the cell. In the second part, effects of the oxygen exchange at the opposite interface between the metal-oxide and a reactive metallic electrode are studied. This reactive metal electrode is also called oxygen exchange layer (OEL), due to its ability to extract oxygen out of the adjacent metal-oxide layer. It has been observed that the OEL thickness has a significant impact on the electrical properties of pristine ReRAM cells. Furthermore, a change of the preferential switching mode can be induced by tuning the OEL thickness. In this work it is postulated that oxygen incorporation into the metallic OEL electrode can increase its work function affecting the interfacial electronic barrier and by that induce occurrence of complementary switching instead of the standard bipolar switching. In the third and final part, two applications based on the oxygen exchange at the OEL electrode are experimentally analyzed and discussed, providing useful tools for direct tuning of the ReRAM device properties.
OpenAccess: 
PDF
(additional files)
Dokumenttyp
Dissertation / PhD Thesis
Format
online
Sprache
English
Externe Identnummern
HBZ: HT020238931
Interne Identnummern
RWTH-2019-08592
Datensatz-ID: 767144
Beteiligte Länder
Germany
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