Resistive switching in electrochemical metallization memory cells [Elektronische Ressource] / vorgelegt von Christina Schindler

Informations

• Publié par: rheinisch-westfalischen_technischen_hochschule_-rwth-_aachen
• Publié le: 01 janvier 2009
• Nombre de lectures: 30
• Langue: Deutsch
• Poids de l'ouvrage: 6 Mo

Extrait

Resistive switching in electrochemical
metallization memory cells
Von der Fakultat fur Elektrotechnik und Informationstechnik
der Rheinisch-Westfalischen Technischen Hochschule Aachen
zur Erlangung des akademischen Grades einer Doktorin der
Ingenieurwissenschaften genehmigte Dissertation
vorgelegt von
Diplom-Ingenieurin
Christina Schindler geb. Rohde
aus Dinslaken
Berichter: Universitatsprofessor Dr.-Ing. R. Waser
Universitatsprofessor Dr.rer.nat M. Martin
Tag der mundlichen Prufung: 23.1.2009
Diese Dissertation ist auf den Internetseiten der Hochschulbibliothek online verfugbar.Kurzfassung
Neue Speichertechnologien mussen einfach in Standardhalbleiterprozesse integrierbar sein
und dabei eine hohe Speicherdichte ermoglichen. Das Ziel ist die Herstellung nicht- uchtiger
Speicherzellen mit geringem Energieverbrauch, deren Zustand zerstorungsfrei ausgelesen wer-
den kann, und die bei hoher Zyklenzahl noch skalierbar sind. In diesem Zusammenhang sind
Zellen mit zwei Anschlussen interessant, die aus nur drei Schichten bestehen und deren resi-
stiver Zustand uber das Wachsen und Auosen eines metallischen Pfades de niert wird.
In dieser Arbeit wurde resistives Schalten aufgrund von Filamentwachstum in Ag-Ge-Se-
und Cu-SiO - basierten Speicherzellen untersucht. Schwerpunkt war die Untersuchung der2
Skalierbarkeit und des Energieverbrauchs. Dafur wurden Sputterprozesse fur die Dunnschich-
tabscheidung von Ge Se und SiO entwickelt und optimiert. Die Speicherzellen bestanden0:3 0:7 2
aus einer inerten Elektrode, Pt oder Ir, gefolgt von der aktiven Schicht, Ge Se oder SiO ,0:3 0:7 2
und einer leicht oxidierbaren Elektrode, Ag oder Cu. Letztere wird beim Anlegen einer po-
sitiven Spannung oxidiert, und Metallionen migrieren entlang des elektrischen Feldes zur
Gegenelektrode, an der sie reduziert werden. Von dort aus wac hst ein metallischer Pfad, der
das Schichtsystem bei Kontakt mit der Anode vom ursprunglich hochohmigen in einen nie-
derohmigen Zustand schaltet. Unter umgekehrter Spannung wird der Pfad wieder aufgelost.
Aufgrund dieses Schaltmechanismus werden die Zellen als elektrochemische Metallisierungs-
zellen bezeichnet. Ge Se ist als guter Metallionenleiter bekannt. In dieser Arbeit wur-0:3 0:7
de nun das gleiche Schaltverhalten auch in SiO -basierten Speicherzellen beobachtet, deren2
Oxidschichtdicke auf nur 5 nm reduziert werden konnte.
Die Schichtsysteme wurden physikalisch und elektrisch untersucht. Rasterkraftmikroskopie
diente der Rauhigkeitsanalyse, und Rontgenverfahren wurden zur zerstorungsfreien Schicht-
dickenbestimmung und zur Charakterisierung der Oberache genutzt. Ein Tiefenpro l der
Speicherzellen wurde uber zeitaufgelost e Sekundarionen-Massenspektroskopie erlangt, um
Di usionsbarrieren sichtbar zu machen. Zusammen mit Rutherford-R uckstreuexperimen-ten
wurde der Metallgehalt in frisch hergestellten Zellen bestimmt.
Das Schaltverhalten der Zellen wurde elektrisch charakterisiert. Aufgrund des Metallgehal-
tes der aktiven Schicht war ein Formierungsschritt erforderlich, bevor wiederholbares Schalten
beobachtet werden konnte. Beide Schichtsysteme, Ag-Ge-Se und Cu-SiO , wurden diesbezug-2
lich miteinander verglichen. Au erdem wurde uber die Hoh e des Schreibstroms die Moglich-
keit, mehrere Zustande pro Zelle speichern zu konnen, aufgezeigt, und temperaturabhangige
Messungen wurden durchgefuhrt. Erstmals wurde der extrem niedrige Energieverbrauch der
Zellen anhand von Schreibstrome n im unteren Nano- bis Picoampere-Bereich und Schaltspan-
nung weniger hundert Millivolt gezeigt. Die Zellen hielten mehreren tausend Zyklen stand,
und erste Pulsmessungen zeigten, dass elektrochemische Metallisierungszellen in wenigen Na-
nosekunden schaltbar sind.
Uber Rasterkraftmikroskop-Messungen mit leitender Spitze wurde das Pfadwachstum lo-
kal betrachtet. Einzelne metallische Pfade konnten erzeugt und wieder aufgelost werden.
Messungen ohne Strombegrenzung erlaubten aufgrund starker Topographieanderungen die
Identi kation des Massentransportes durch die aktive Schicht. Die hohe Skalierbarkeit der
elektrochemischen Speicherzellen wurde bei Messungen mit Strombegrenzung deutlich: me-
tallische Filamente mit einem Durchmesser weniger Nanometer waren wiederholbar schaltbar.Abstract
New memory technologies must be easily integrable into standard semiconductor processes
and allow for a high memory density. The aim is the fabrication of non-volatile memory
devices with a low power consumption. The devices should be read out non-destructively,
and have a high endurance and high scalability. In this context, two terminal memory cells
become interesting which consist of only three layers and whose resistive state is de ned by
the growth and dissolution of a metallic lament.
In this study, resistive switching due to lament formation in Ag-Ge-Se- and Cu-SiO -based2
memory devices was investigated. Sputter processes for the thin lm deposition of Ge Se0:3 0:7
and SiO were developed and optimized. The memory devices consisted of an active layer,2
Ge Se or SiO , sandwiched between an inert electrode, Pt or Ir, and an easily oxidizable0:3 0:7 2
electrode, Ag or Cu. Latter is oxidized under the application of an appropriate positive
bias voltage, and metal ions migrate along the electric eld towards the counter-electrode
where they are reduced. Starting at the inert electrode, a metallic lament grows switching
the initially highly resistive cell to a low resistance state when the contact to the anode
is established. Under reverse bias the lament is dissolved and the high resistance state
is restored. Due to the switching mechanism, these cells are referred to as electrochemical
metallization memory cells. Ge Se is known to be a good metal ion conductor. In this0:3 0:7
work, the same switching mechanism as observed in Ag-Ge-Se was also found in SiO -based2
memory devices, whose oxide layer thickness could be reduced to 5 nm.
The layer stack was physically and electrically investigated. The surface roughness was
investigated by atomic force microscopy, and X-ray techniques were used for non-destructive
thickness measurements and surface characterization. A depth pro le of the memory cells
was obtained by time of ight secondary ion mass spectroscopy to visualize di usion barriers.
In combination with Rutherford backscattering analysis the metal content in fresh memory
cells was determined.
The switching behavior of the memory cells was electrically characterized. Due to the metal
content in the active layer, an electrical forming procedure was necessary before repetitive
switching could be observed. With respect to this, the two material systems, Ag-Ge-Se and
Cu-SiO , were compared. Furthermore, the capability of multi-bit data storage by limiting2
the maximum write current was disclosed. For the rst time, ultra low power consumption
was demonstrated by write currents in the lower nano- to picoampere range and switching
voltages of a few hundred millivolts. Several thousand switching cycles were achieved and
rst pulse measurements showed that electrochemical memory devices are switchable within
a few nanoseconds.
The lament formation was locally investigated by conductive atomic force microscopy.
Single metallic laments could be grown and dissolved. Measurements without current lim-
itation allowed for the identi