Fabrication of SrTiO3 thin films with tailored defect structure for future non-volatile memories

Raab, Nicolas; Dittmann, Regina; de Souza, Roger

doi:HT019358774

Fabrication of SrTiO3 thin films with tailored defect structure for future non-volatile memories = Herstellung von SrTiO3 Dünnschichten mit maßgeschneiderten Defekten für zukünftige nicht-flüchtige Datenspeicher

Raab, Nicolas

2017

Verantwortlichkeitsangabevorgelegt von Nicolas Raab, M. Sc.

ImpressumAachen 2017

Umfang1 Online-Ressource (235 Seiten)

Dissertation, RWTH Aachen University, 2017

Veröffentlicht auf dem Publikationsserver der RWTH Aachen University

Genehmigende Fakultät
Fak06

Hauptberichter/Gutachter
Dittmann, Regina (Thesis advisor) ; de Souza, Roger (Thesis advisor)^RWTH*

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2017-03-17

Online
DOI: 10.18154/RWTH-2017-04588
URL: http://publications.rwth-aachen.de/record/689793/files/689793.pdf
URL: http://publications.rwth-aachen.de/record/689793/files/689793.pdf?subformat=pdfa

Einrichtungen

Lehr- und Forschungsgebiet Technologie der Oxidelektronik (FZ Jülich) (618420)

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
ReRAM (frei) ; strontium titanate (frei) ; thin film fabrication (frei) ; resistive switching (frei) ; defect structure (frei) ; electrical characterization (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 621.3

Kurzfassung
Mit der fortschreitenden weltweiten Vernetzung ist ein starker Anstieg des Bedarfs an neuartigen Konzepten für die Datenspeicherung verbunden. Einer der vielversprechendsten Kandidaten für zukünftige nicht-flüchtige Datenspeicher ist das redox-basierte resistive Schalten. Resistives Schalten bezeichnet das reversible Schalten zwischen einem niederohmigen und einem hochohmigen Widerstandszustand durch Anlegen einer elektrischen Spannung. Ein typisches auf dem resistiven Schalten beruhendes Bauteil besteht aus einer Übergangsmetalloxid-Dünnschicht zwischen zwei Metallelektroden. Selbst in dieser einfachen Bauteilgeometrie hängt das Schaltverhalten und damit die Relevanz für zukünftige Anwendungen eines resistiv schaltenden Bauteils von einer Vielzahl von Faktoren ab. Diese Faktoren zu verstehen und zu kontrollieren ist eine technologische Herausforderung, daraus ergeben sich allerdings auch neue Möglichkeiten zur Optimierung des Schaltverhaltens durch das Anpassen der mikroskopischen Eigenschaften der Bauteile.Das resistive Schalten der in dieser Arbeit untersuchten Nb:SrTiO3/SrTiO3/Pt Bauteile beruht auf der Bewegung von Sauerstoffleerstellen innerhalb der SrTiO3 Dünnschicht und dem Austausch von Sauerstoff an der SrTiO3/Pt Grenzfläche, welcher von der Defektstruktur beeinflusst sein kann. Diese Arbeit deckt die Beiträge der Defektstruktur und der Grenzflächenbeschaffenheit zum Gesamtschaltverhalten auf. Aufbauend auf diesen Ergebnissen wird gezeigt wie bestimmte Schalteigenschaften, besonders die Langzeitstabilität und das Widerstandsfenster, durch die gezielte Manipulation der mikroskopischen Eigenschaften eingestellt werden können. SrTiO3 Dünnschichten mit angepasstem Sr/Ti-Verhältnis und der daraus resultierenden Defektstruktur werden mittels gepulster Laserdeposition abgeschieden. Es wird gezeigt, dass Punktdefekte und ausgedehnte Defekte vorteilhaft für das Schaltverhalten sind. Das beste Schaltverhalten in Bezug auf die Langzeitstabilität und das Widerstandsfenster wird bei Sr-reichen Dünnschichten beobachtet. Durch das Abscheiden von SrO Inseln, welche vermutlich zur Ausbildung von Antiphasengrenzen führen, werden formierfreie Bauteile mit großem Widerstandsfenster realisiert.Die beiden in dieser Arbeit untersuchten Aspekte der Grenzflächenbeschaffenheit sind zusätzliches SrO sowie Verunreinigungen an der Grenzfläche. Dieses zusätzliche SrO, welches für Sr-reiche Dünnschichten immanent vorhanden ist und beim Formieren von stöchiometrischen Dünnschichten mit hohen Strömen erzeugt wird, führt zu einer hohen Stabilität des niederohmigen Zustandes. Unabhängig von der Defektstruktur und von dem zusätzlichen SrO ist das Vorhandensein von Verunreinigungen an der Grenzfläche zwingend erforderlich für das resistive Schalten von auf SrTiO3 beruhenden Bauteilen. Durch das gezielte Einbringen einer Kohlenstoffschicht in die SrTiO3/Pt Grenzfläche werden Bauteile mit einem Widerstandsfenster von 106 und hoher Langzeitstabilität realisiert.

In the ever increasingly interconnected world, the demand for novel data storage devices is rapidly growing. One of the most promising candidates for future non-volative memory is the redox-based resistive switching. Resistive switching describes the reversible switching between two states, with low and high resistance, upon applying an electrical bias. The typical resistive switching device consists of a transition metal oxide thin film sandwiched between two metal electrodes. Even in this rather simple geometry, there is a considerable amount of parameters determining the device performance and thus the relevance for future applications. Understanding and controlling this large field of parameters connotes a technological challenge, however, it also offers new degrees of freedom for tuning and optimizing the device performance by adjusting microscopic properties of the devices. The resistive switching in Nb:SrTiO3/SrTiO3/Pt devices, investigated in this work, depends on the oxygen vacancy motion within the SrTiO3 thin film and the oxygen exchange at the SrTiO3/Pt-interface, which can be influenced by the thin film defect structure. Therefore, in this work, the contribution of the SrTiO3 thin film defect structure and the interface configuration to the overall switching performance is identified. Utilizing these findings, the feasibility to tune certain switching parameters, especially the retention and the memory window, by tailoring the microscopic configuration of the device is shown.The SrTiO3 thin films with adjusted Sr/Ti ratio, resulting in a tailored defect structure, are deposited by pulsed laser deposition. The beneficial influence of point and extended defects on the switching properties is shown. The best switching performance, in terms of retention and memory window, is observed for Sr-rich devices. By depositing SrO islands, which are suspected to induce antiphase boundaries, forming free devices with a high memory window are fabricated. The two aspects of the interface configuration investigated in this work are additional SrO and contaminations at the interface. This additional SrO, which is intrinsically present for Sr-rich thin films or induced during forming with high currents for stoichiometric thin films, stabilizes the retention of the low resistance state. Regardless of the defect structure and the additional SrO, the often disregarded presence of contaminations at the interface is found to be mandatory for the resistive switching in SrTiO3 thin film devices. By introducing an artificial contamination layer of carbon at the SrTiO3/Pt interface, devices with a significantly increased memory window of 106 and stable retention are fabricated.

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