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Integration of redox based resistive switching memory devices = Integration von redox-basierten resistiv schaltenden Speicherelementen
2014 & 2015
Zugl.: Aachen, Techn. Hochsch., Diss., 2014
Druckausgabe: 2014. - Onlineausgabe: 2015. Auch veröffentlicht auf dem Publikationsserver der RWTH Aachen University
Genehmigende Fakultät
Fak06
Hauptberichter/Gutachter
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Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2014-11-27
Online
URN: urn:nbn:de:hbz:82-rwth-2015-008687
URL: http://publications.rwth-aachen.de/record/463104/files/463104.pdf
URL: http://publications.rwth-aachen.de/record/463104/files/463104.pdf?subformat=pdfa
Einrichtungen
Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
Ingenieurwissenschaften (frei)
Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 620
Kurzfassung
Der stetig wachsende Markt für Unterhaltungselektronik und die rasche Verbreitungvon mobilen Geräten wie Tablet-Computer, MP3-Player und Smartphones stellenhohe Anforderungen an den verwendeten nichtflüchtigen Speicher. Aufgrund physikalischerBeschränkungen der aktuellen FLASH-Speichertechnologie, nähert sichdie Skalierbarkeit dem Ende und daher muss eine alternative Technologie entwickeltwerden. Für die Speichertechnologie spielt dabei nicht nur die Speicherdichteund die damit verbundenen Kosten eine wichtige Rolle, sondern vor allem auch dieLeistungsaufnahme sowie die Schreib- und Lesegeschwindigkeit sind zu berücksichtigen.Redox-basierte Resistive Speicher (ReRAM) bieten eine mögliche Alternativezur FLASH-Technologie und stehen derzeit im Fokus der Forschungsaktivitäten. DasFunktionsprinzip des ReRAM beruht auf der nichtflüchtigen reversiblen Veränderungdes Widerstandes einfacher Metall-Isolator-Metall Bauelemente durch elektrische Signale.Dieser einfache Aufbau ermöglicht den Einsatz in passiven Crossbar-Arrays,in denen jeder Kreuzungspunkt nur eine Fläche von 4F² (F-Strukturgröße) benötigt.Dies führt zu einer extrem hohen Speicherdichte bei reduzierten Kosten.Die Erforschung von ReRAM Speicherelementen erfordert eine Technologie Plattform,welche eine kosteneffiziente Herstellung von Crossbar-Strukturen im nm-Bereichgewährleistet. In dieser Arbeit wurden Herstellungsprozesse basierend auf der NanoimprintLithographie entwickelt, welche sowohl die erforderlichen Auflösungen(<50 nm) als auch einen hohen Durchsatz bei geringen Kosten ermöglichen. DieseVerfahren ermöglichen die Untersuchung von ReRAM Elementen mit deutlichreduzierten Strukturgrößen von 40x40nm². Sowohl der Einfluss der Oxidschichtdickeals auch der lateralen Ausmaße der Speicherelemente auf die elektrischen Eigenschaftenwurden untersucht. Der im Allgemeinen benötigte Elektroformierschrittund die damit einhergehenden Schalteigenschaften wurden in dieser Arbeit systematischfür TiO2 und WO3 basierte ReRAM Zellen analysiert. Die Formierspannungskaliert mit der Oxidschichtdicke und erhöht sich bei reduzierten Zellgrößen. DasÜberschwingen der Schaltströme während des Elektroformierschritts von passivenSpeicherelementen führt zu erhöhten Schaltströmen, niedrigen Nichtlinearitäten undgeringen Lebensdauern. Die Eigenschaften des ReRAM wurden durch Integrationin das Backend eines 65-nm-CMOS-Prozess verbessert. In den integrierten 1T-1RElementen wird der Formierschritt durch die Regelung des Stromflusses mittels angelegterGate-Spannungen gesteuert wodurch die Schaltströme des ReRAM auf 1 µAreduzieren lassen. Um parasitäre Ströme in passiven Crossbar-Arrays zu reduzierenist ein hoher Grad an Nichtlinearität erforderlich. Dieser Parameter wurde mit 100 nsSpannungspulsen sowohl in Nanocrossbar als auch in 1T-1R Speicherelementen untersucht.Die Nichtlinearität hängt von den Schaltströmen und Materialeigenschaftendes Oxids ab. Reduzierte Schaltströme in TiO2 ReRAMs führen zu höheren Nichtlinearitäten.Darüber hinaus weisen ReRAM Elemente von Natur aus offenen Klemmspannungenauf. Dieses Phänomen wird durch das Vorhandensein der elektromotorischenKraft (EMK) erklärt. Die Amplitude der erzeugten EMK-Spannung hängt von deninvolvierten Materialien ab und kann mehrere hundert mV betragen. Dies degradiertdas leitende Filament und begrenzt die Stabilität der eingeschriebenen Zustände derReRAM Elemente. Die durch die EMK hervorgerufene Verschiebung der Hysteresekurvenerfordert eine Anpassung der Memristor Theorie.The steadily growing market for consumer electronics and the rapid proliferationof mobile devices such as tablet computers, MP3 players and smart phones makehigh demands for the nonvolatile memory. Present FLASH memory technology approachesto the end due to physical scalability limits. Therefore, an alternativetechnology must be developed. For memory technology, not only the storage densityand cost are important factors but the power consumption and the writing/readingspeed must also be taken in account. Redox-based resistive memory (ReRAM) offersa potential alternative to the FLASH technology and presently is in the focus of researchactivities. The operating principle of the ReRAM is based on the non-volatilereversible change in resistance by electrical stimuli in a simple metal-insulator-metal(MIM) device architecture. This simple structure enables the integration of ReRAMin passive crossbar arrays, in which each crosspoint consumes only 4F² (F- featuresize) device area. This leads to an ultra-high storage density at reduced cost.Research on the ReRAM memory elements requires a technology platform that ensuresa cost-effective fabrication of the crossbar devices with nanometer feature size.In this thesis, the fabrication processes have been developed based on the nanoimprintlithography, which facilitates both the high resolution (<50 nm) and the highthroughput at low cost. The stamp for the UV-nanoimprinting is developed withplasma etching and electron-beam lithography. This process facilitates the fabricationof the ReRAM devices sizes ranging from 40x40 nm² to 100x100 nm². Thefabricated nano-crosspoint ReRAM of different switching layer thickness and differentdevice areas are electrically characterized. In order to toggle the resistance statein the ReRAM device, an electroforming step is generally required. In this work, asystematic analysis of the electroforming process is carried out on TiO2 and WO3-based ReRAM cells and the respective switching characteristics are investigated. Theswitching mechanism is explained by the filamentary conduction model. The formingvoltage decreases with decreasing oxide layer thickness whereas it increases for thesmaller device size. Due to overshoot phenomena during the electroforming process,these devices show a significant increased switching current, lower non-linearity, andlower endurance. The ReRAM device performance is improved by integration in thebackend of a 65nm CMOS process. In the integrated 1T-1R stack, the electroformingis performed by controlling the current flow with the gate electrode. By employingthis approach, the switching current in the ReRAM devices is reduced to 1 µA. Inorder to lower the sneak path current in the passive crossbar arrays, a high degree ofnonlinearity is required. This nonlinearity parameter has been investigated with 100ns transient pulses in the nano-crossbar devices and in the 1T-1R structures. Thisparameter depends on the switching current and switching material properties. Thelower switching current in the TiO2 ReRAM leads to the higher nonlinearity.Furthermore, the ReRAM nanodevices inherently exhibit open clamp voltage in theswitching characteristics. This phenomenon is explained by the electromotive force(EMF). The amplitude of the generated EMF voltage depends on the nature of theswitching materials and can be several hundred mV. This degrades the conductingfilament and thereby limits the ON state retention properties of the ReRAM devices.Additionally, the non-zero crossing of the I-V characteristics, caused by theEMF voltage demands the refinement of the memristor theory.
OpenAccess: 
PDF 
PDF (PDFA)
(zusätzliche Dateien)
Dokumenttyp
Dissertation / PhD Thesis/Book
Format
online, print
Sprache
English
Externe Identnummern
HBZ: HT018606333
Interne Identnummern
RWTH-2015-00868
Datensatz-ID: 463104
Beteiligte Länder
Germany
