Resistive switching in Pt/TiO_1tn2/Pt [Elektronische Ressource] / submitted by Doo Seok Jeong

Sujets

• Physik

Informations

• Publié par: rheinisch-westfalischen_technischen_hochschule_-rwth-_aachen
• Publié le: 01 janvier 2008
• Nombre de lectures: 42
• Langue: Deutsch
• Poids de l'ouvrage: 7 Mo

Extrait

Resistive switching in Pt/TiO /Pt 2

From the Faculty of Georesources and Materials Engineering of the
RWTH Aachen University

Submitted by

Doo Seok Jeong, Master of Science

from Donghae (South Korea)

in respect of the academic degree of


Doctor of Engineering

Approved thesis

Advisors: Univ.-Prof. Dr.rer. nat. Günter Gottstein
Univ.-Prof. Dr.-Ing. Rainer Waser

Date of the oral examination: 15.08.2008


This thesis is available in electronic format on the university library’s website Kurzfassung
In letzter Zeit hat das resistive Schalten von TiO im Hinblick auf eine Anwen-2
dung in "resistive random access memory" (RRAM) vermehrt Aufmerksamkeit auf
sich gezogen. TiO zeigt charakteristisches nicht uc˜ htiges resistives Schalten zwis-2
chen einem hochohmigen (HRS) und einem niederohmigen Zustand (LRS). Sowohl
unipolares als auch bipolares Schalten in Abh˜angigkeit von der jeweils verwendeten
Strombegrenzung w˜ahrend der Elektroformierung wurden in TiO beobachtet.2
Im Rahmen dieser Arbeit ist die charakteristische Strom-Spannungs (I-V) Hys-
teresevondreiverschiedenenAusgangszust˜anden,unformiert,unipolaraktiviertund
bipolar aktiviert, untersucht und mittels der Bildung und Migration von Sauer-
sto†eerstellen erkl˜art worden. Die I-V Hysterese von unformiertem TiO zeigte2
˜?uc˜ htigesVerhalten,dasdurcheinezeitliche AnderungdesWiderstandeszuerkl˜aren
˜ist. Diese Anderung ist abh˜angig von der angelegten Spannung. Im Gegensatz dazu
zeigten die unipolar und auch die bipolar formierten Zust˜ande ein nicht uc˜ htiges
Verhalten der Widerst˜ande.
Es gibt einige Hinweise auf die Bildung von gasformigem Sauerstofi w˜ahrend
der Elektroformierung, die sowohl durch TOF-SIMS, "time-of- ight secondary ion
˜mass spectroscopy", als auch durch die beobachtete morphologische Anderung der
Schaltzellen w˜ahrend der Formierung gestutzt˜ werden. Unter der Annahme, dass
eine gro…e Anzahl an Sauersto†eerstellen w˜ahrend des Elektroformierungsprozesses
induziert wurde, ist das I-V Verhalten von elektroformierten Schaltzellen durch eine
Ver˜anderungderverteilunginnerhalbdesTiO (x.2)simuliertx
worden.
Die Simulation der bipolaren I-V Hysterese erfolgte unter der Beruc˜ ksichtigung
von Sauerstofi-Erzeugungs- bzw. Vernichtungsreaktionen an der Pt/TiO Grenz-x
ac ˜ he. DieseReaktionensindeineFunktionderangelegtenSpannungundbestimmen
die Verteilung von Sauersto†eerstellen in TiO . Resultierend daraus kann die H˜ohex
˜der Schottky-Barriere an der Kathode/TiO Grenz ˜ache durch die Anderung derx
Sauersto†eerstellenverteilung beein usst werden. Daher kann das bipolare resistive
Schalteneinschlie…lichderElektroformierungalseineelektrochemischeReaktionmit
der Beteiligung von Sauerstofi verstanden werden.Abstract
Recently, the resistive switching behavior in TiO has drawn attention due to its2
application toe random access memory (RRAM) devices. TiO shows char-2
acteristic non-volatile resistive switching behavior, i.e. reversible switching between
a high resistance state (HRS) and a low resistance state (LRS). Both unipolar resis-
tive switching (URS) and bipolar resistive switching (BRS) are found to be observed
in TiO depending on the compliance current for the electroforming.2
In this thesis the characteristic current-voltage (I-V) hysteresis in three difierent
states of TiO , pristine, URS-activated, and BRS-activated states, was investigated2
and understood in terms of the migration of oxygen vacancies in TiO . The I-2
V hysteresis of pristine TiO was found to show volatile behavior. That is, the2
temporary variation of the resistance took place depending on the applied voltage.
However, the I-V hysteresis of URS- and BRS-activated states showed non-volatile
resistive switching behavior.
Some evidences proving the evolution of oxygen gas during electroforming were
obtained from time-of- ight secondary ion mass spectroscopy analysis and the vari-
ation of the morphology of switching cells induced by the electroforming. On the
assumption that a large number of oxygen vacancies are introduced by the electro-
formingprocess,theI-Vbehaviorinelectroformedswitchingcellswassimulatedwith
varying the distribution of oxygen vacancies in electroformed TiO (x.2).x
The I-V hysteresis undergoing the BRS was simulated with taking into con-
sideration oxygen formation/annihilation reactions at a Pt/TiO interface. Thex
oxygen-related reactions given as a function of the applied voltage afiect the distri-
bution of oxygen vacancies in TiO , consequently, the Schottky barrier height at thex
cathode/TiO interface is in uenced by the oxygen vacancy distribution. Therefore,x
the BRS behavior including the electroforming characteristics could be understood
in terms of the oxygen-related electrochemical reactions.Contents
Contents i
Introduction v
1 Overview on the resistive switching in transition metal oxides 1
1.1 Bipolar and unipolar resistive switching . . . . . . . . . . . . . . . . . 1
1.2 Resistive switching mechanism . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2
1.2.1 Fuse-antifuse of conduction paths . . . . . . . . . . . . . . . . 3
1.2.2 Resistive switching induced by anion migration . . . . . . . . 4
2 Sample preparation 7
2.1 Sputtering of TiO and Pt . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72
2.2 Fabrication of Pt/TiO /Pt stack resistive switching cells . . . . . . . 92
2.3 F of planar resistive switching cells . . . . . . . . . . . . . . 9
2.4 Fabrication of modifled stack switching cells . . . . . . . . . . . . . . 10
3 Structural and chemical properties of pristine TiO 132
3.1 Microstructural characteristics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13
3.2 Chemical characteristics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16
4 Electrical properties of pristine TiO 192
4.1 Current-voltage-time characteristics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19
4.1.1 Electrical conduction theory . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19
4.1.2 Current-voltage c of Pt/TiO /Pt . . . . . . . . . 212
4.1.3t-time characteristics of Pt/TiO /Pt . . . . . . . . . . 262
4.2 Impedance spectra of Pt/TiO /Pt . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 292
4.2.1 Dielectric behavior in time and frequency domains . . . . . . . 30
4.2.2 Impedance behavior in the frequency domain (60 Hz - 1 MHz) 33
4.2.3 Imp behavior in the (0.1 Hz - 100 kHz) 35
5 Electroforming characteristics in bipolar resistive switching 39
5.1 efiect on the structural and chemical properties . . . . 39
5.1.1 Electroforming theory . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41
5.1.2 Structural changes by the electroforming . . . . . . . . . . . . 42
5.1.3 Resistance degradation using conductive atomic force microscope 45
5.1.4 Chemical changes by the . . . . . . . . . . . . 45
5.1.5 Calculation of the Joule heating during the electroforming . . 47
iCONTENTS
5.2 Electroforming efiect on the electrical conduction behavior of TiO . . 482
5.2.1 Electroforming with a voltage source . . . . . . . . . . . . . . 48
5.2.2 with a current . . . . . . . . . . . . . . 53
5.3 Modeling of the conduction behavior in the electroformed TiO . . . 592
5.3.1 Calculation of the voltage distribution in Pt/TiO /Pt . . . . . 61x
5.3.2 Numerical calculation of the electric conduction behavior . . . 62
5.3.3 Algorithm of the calculation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64
5.3.4 Calculation results . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65
6 Unipolar resistive switching behavior 71
6.1 Electroforming for unipolar resistive switching . . . . . . . . . . . . . 71
6.2 Unipolar resistive switching characteristics . . . . . . . . . . . . . . . 72
6.2.1 Unipolar resistive switching in stack switching cells . . . . . . 73
6.2.2 Unipolare switching in modifled stack switching cells . 78
6.2.3 Impedance spectroscopy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 80
7 Bipolar resistive switching behavior 85
7.1 Voltage-controlled BRS measurements . . . . . . . . . . . . . . . . . 85
7.1.1 Polarity dependence of the BRS . . . . . . . . . . . . . . . . . 85
7.1.2 Pad-size dep of the BRS . . . . . . . . . . . . . . . . . 88
7.1.3 Abnormal BRS behavior . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 89
7.2 Current-controlled BRS measurements . . . . . . . . . . . . . . . . . 95
7.2.1 BRS measurements in vacuum . . . . . . . . . . . . . . . . . . 96
7.3 Electrical conduction behavior in the HRS and the LRS . . . . . . . . 98
7.3.1 Current-voltage characteristics at various temperatures . . . . 99
7.3.2t-time c at various constant voltages . . . 102
7.4 Transition to unipolar resistive switching characteristics . . . . . . . . 102
7.5 Modeling of the BRS behavior . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 103
7.5.1 Electrochemical reaction through the Helmholtz layer . . . . . 103
7.5.2 Drift-difiusion of the oxygen vacancies and the electrons in TiO 108x
7.5.3 Finite difierence method for the calculation. . . . . . . . . . . 109
7.5.4 Calculation results . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 114
Summary 123
Bibliography 127
Curriculum vitae 131Acknowledgements
I would like to thank my o–cial advisor Professor Dr. Rainer Waser for inspiring
me with initiative and supporting excellent research facilities. I thank Professor Dr.
Gunter˜ Go