Nanofabrication and device engineering solutions for improved resistive switching reliability

Stasner, Pascal; Waser, Rainer; Lemme, Max C.

doi:44678

Nanofabrication and device engineering solutions for improved resistive switching reliability

Stasner, Pascal^RWTH*

2025

Verantwortlichkeitsangabevorgelegt von Pascal Stasner, M. Sc.

ImpressumAachen : RWTH Aachen University 2025

Umfang1 Online-Ressource : Illustrationen

Dissertation, Rheinisch-Westfälische Technische Hochschule Aachen, 2025

Veröffentlicht auf dem Publikationsserver der RWTH Aachen University

Genehmigende Fakultät
Fak06

Hauptberichter/Gutachter
Waser, Rainer (Thesis advisor)^RWTH* ; Lemme, Max C. (Thesis advisor)^RWTH*

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2025-06-18

Online
DOI: 10.18154/RWTH-2025-07435
URL: http://publications.rwth-aachen.de/record/1017604/files/1017604.pdf

Einrichtungen

Lehrstuhl für Werkstoffe der Elektrotechnik II und Institut für Werkstoffe der Elektrotechnik (611610)

Projekte

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
ReRAM (frei) ; filament confinement (frei) ; memristive devices (frei) ; nanoscaling (frei) ; oxygen vacancy migration (frei) ; resistive switching (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 621.3

Kurzfassung
Resistives Schalten auf der Grundlage des filamentären Valenz-Wechsel-Mechanismus (VCM) ermöglicht die Widerstandsänderung eines normalerweise isolierenden Oxides durch einen leitfähigen sauerstoffarmen filamentären Bereich. Aktuelle Forschung nutzt diese Fähigkeit der Bauelemente, den Widerstand in zwei oder mehr unterschiedliche Zustände zu versetzen, für neuartige nichtflüchtige Speicherkonzepte wie den redox-basierten Direktzugriffsspeicher (ReRAM) oder speicherinterne Datenverarbeitung. Hierbei wird die elektrische Leitfähigkeit durch Anlegen elektrischer Impulse reguliert, die eine Umverteilung von Sauerstoffleerstellen im nanoskaligen Filament bewirken. Die stochastische Beschaffenheit der Filamentbildung und Umverteilung ist jedoch die Ursache für viele Zuverlässigkeitsprobleme, die einem breiten industriellen Einsatz noch im Wege stehen. In dieser Dissertation werden die Herausforderungen in der Schreibvariabilität, Instabilität und analogen Widerstandsmodulation angegangen, wobei der Schwerpunkt der Herangehensweise auf Bauteilentwicklung und Nanofabrikation liegt. Die Optimierung der Filamentstabilität erfordert die Beherrschung der Migration von Sauerstoffleerstellen im schaltenden Oxid, die jedoch von der herkömmlichen Elektrodenskalierung nicht beeinflusst wird. Hier wird ein neues Bauelementkonzept vorgeschlagen, bei dem das Volumen des schaltenden Oxides, und somit das Filament, lateral auf 10 nm eingeschränkt wird. Die praktische Bauteilherstellung mit sub-lithographischer Skalierung wird in zwei Stufen umgesetzt: Die Oxid Nano-Finne und die Oxid Nano-Säule. Das resistive Schalten des Nanofinnen-Bauteils mit lateraler Oxiddimension von 10 nm wird mit über 100.000 Schaltkurven demonstriert, ohne dass Anzeichen eines Ausfalls auftreten. Die Verbesserung der Zuverlässigkeit durch Filamenteinschränkung wird bei den Nano-Bauelementen anhand von elektrischen Messergebnissen im Vergleich zu unskalierten Referenzzellen quantifiziert. Dies offenbart eine Verringerung der Schreibvariabilität und Instabilität des hoch-resistiven Widerstands, der besonders sensibel für Migration von Sauerstoffleerstellen ist. Nähere Untersuchungen versprechen eine weitere Verbesserung der Zuverlässigkeit durch ein vollständig lateral eingeschränktes Filament beim Bauteil-Konzept der Oxid Nano-Säule. Die Machbarkeit der Prozessintegration wird an einem erfolgreich resistiv schaltenden Bauteil demonstriert. Um trotz der Variabilitätsanfälligkeit von VCM aussagekräftige Verhaltens-Trends verschiedener Bauteilentwicklungen darzustellen, wird eine Messmethodik entwickelt, die Datensätze von über 1.000.000 Schaltzyklen mit 2500 individuell parametrisierten Steuerparametern rasch erfasst. Dies ermöglicht die Identifizierung von Bauteileigenschaften, die gut-kontrollierte analoge SET-Prozesse betriebsunabhängig stabilisieren. Die experimentelle Konzeptumsetzung in dieser Arbeit motiviert eine Verlagerung des zukünftigen Forschungsschwerpunkts von der vorherrschenden Elektrodenskalierung hin zur Filamenteinschränkung durch Skalierung des Schaltoxidvolumens. Dadurch wird eine Verbesserung der Zuverlässigkeit von VCM erzielt, insbesondere in Kombination mit weiteren hier untersuchten Bauteilentwicklungen

Resistive switching based on the filamentary valence change mechanism (VCM) enables the resistance modulation of a normally insulating oxide by a conductive oxygen-deficient filamentary region. Current research is using this ability of devices to set the resistance to two or more different states for novel non-volatile memory concepts such as redox-based random access memory (ReRAM) or computation-in-memory. Here, the conductivity of the device is controlled by applying electrical stimuli that cause a redistribution of oxygen vacancies in the nanoscaled filament. However, the stochastic nature of the filament formation and redistribution is the source of many reliability problems that prevent widespread industrial use of VCM devices. This dissertation addresses the challenges in resistance state write-variability, instability and analog resistance modulation with a focus on device development and nanofabrication. Optimization of filament stability requires control of the migration of oxygen vacancies in the switching oxide, which is not affected by conventional electrode scaling. Here, a new device concept is proposed in which the volume of the switching oxide, and thus the filament, is laterally confined to 10 nm. The practical device fabrication with sub-lithographic scaling is implemented in two steps: the oxide nano-fin and the oxide nano-pillar device. The resistive switching of the nanofin device with a lateral oxide dimension of 10 nm is demonstrated with over 100,000 switching cycles without any sign of failure. The reliability improvement due to filament confinement is quantified for the nano-devices using electrical measurements compared to unscaled reference cells. The results show a reduction in write-variability and instability of the high-resistance state, which is particularly sensitive to oxygen vacancy migration. Further investigations promise a further improvement in reliability through full lateral filament confinement in the oxide nano-pillar device concept. The feasibility of process integration is demonstrated on a successfully resistive switching device. In order to present meaningful behavioral trends of various device engineering approaches, despite the variability-prone nature of VCM, a measurement methodology is being developed that rapidly captures data sets of over 1,000,000 switching cycles with 2,500 individually parameterized control parameters. This allows the identification of device characteristics that stabilize well-controlled analog SET processes independent of operation parameters. The experimental implementation of the concept proposed in this work motivates a focus shift of future research from the prevalent electrode scaling to filament confinement by scaling the switching oxide volume. This will improve the reliability of VCM devices, especially in combination with other device engineering approaches investigated here.

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