Investigation of the electroforming and resistive switching mechanisms in Fe-doped SrTiO 3 thin films

Menke, Tobias; Waser, Rainer

doi:3104

Investigation of the electroforming and resistive switching mechanisms in Fe-doped SrTiO 3 thin films = Untersuchungen zum Elektroformieren und resistiven Schalten in Fe-dotierten SrTiO3 Dünnfilmen

Menke, Tobias (Author)

2009

Verantwortlichkeitsangabevorgelegt von Tobias Menke

ImpressumAachen : Publikationsserver der RWTH Aachen University 2009

Umfang134 S. : Ill., graph. Darst.

Aachen, Techn. Hochsch., Diss., 2009

Zusammenfassung in dt. und engl. Sprache

Genehmigende Fakultät
Fak06

Hauptberichter/Gutachter
Waser, Rainer (Thesis advisor)^RWTH*

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2009-11-27

Online
URN: urn:nbn:de:hbz:82-opus-31043
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/50167/files/Menke_Tobias.pdf

Einrichtungen

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

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
Schaltvorgang (Genormte SW) ; Epitaxie (Genormte SW) ; RAM (Genormte SW) ; Nichtflüchtiger Speicher (Genormte SW) ; Physik (frei) ; thin film (frei) ; nonvolatile memory (frei) ; resistive switching (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 530

Kurzfassung
Um die physikalischen Grenzen der heutigen Informationsspeichertechnologie zu überwinden, hat sich das Konzept der widerstandsbasierten Informationsspeicherung als erfolgversprechend herausgestellt. Diese RRAM (Resistive Random Access Memory) Technologie basiert auf der nichtflüchtigen Änderung des elektrischen Widerstandes eines Materials durch äußere elektrische Anregung. Dieses reversible Widerstandsschalten ist in vielen oxidischen Materialien gefunden worden. Innerhalb der Materialklasse der Übergangsmetalloxide mit Perowskit Struktur wird Strontiumtitanat (SrTiO3) als Modellsystem betrachtet. SrTiO3 (STO) kann seine elektrischen Eigenschaften aufgrund einer Eigendotierung mit Sauerstoffleerstellen, welche als flache Donatoren fungieren, von einem Band-Isolator hin zu einer metallischen Leitfähigkeit ändern. Die reversible Widerstandsänderung kann durch einen lokalen Redoxprozess, basierend auf der An- oder Abreicherung von Sauerstoffleerstellen an einer Metall-Isolator Grenzfläche, induziert werden. Im Rahmen dieser Dissertation wurde die Elektroformierung und das resistive Schalten von dünnen Strontiumtitanat (SrTiO3) Filmen untersucht, um die physikalischen Effekte die zu der reversiblen Widerstandsänderung führen, besser zu verstehen. Um den Einfluss der Grenzflächen auf das Schaltverhalten von SrTiO3 Filmen zu untersuchen, wurden epitaktische Filme aus Eisen dotiertem SrTiO3 mittels Pulsed Laser Deposition auf verschiedenen Unterelektroden (SrRuO3, LaNiO3 und Nb:STO) deponiert. Unter Verwendung einer speziellen Methode der Rasterkraft Mikroskopie (LCAFM) konnte die Leitfähigkeit der abgeschiedenen Schichten auf der Nanometer Skala untersucht werden. Mit dieser Technik konnte ein Widerstandsschalten von lateralen Strukturen mit einem Durchmesser von kleiner 5nm realisiert werden, welches das enorme Skalierungspotential dieses Materialsystems zeigt. Eine anschließende Deposition von Oberelektroden aus Platin oder Titan erlaubt die elektrische Charakterisierung von Metall-Isolator-Metall (MIM) Strukturen. Eine umfangreiche Untersuchung von unbehandelten MIM-Zellen mittels Impedanzspektroskopie zeigt den gravierenden Einfluss der Metall-Isolator Kontakte auf den Gesamtwiderstand des Bauteils. Weiterhin wurde mittels dynamischer Strom-Rampen eine chemische Polarisation gemessen und als flüchtige Widerstandsänderung identifiziert. Typischerweise ist ein Formierschritt nötig, um die Schalteigenschaften eines Bauteils zu aktivieren. Die Elektroformierung von MIM-Strukturen wurde sorgfältig untersucht und konnte bei Proben mit einem Schottky Kontakt als ein Überbrücken der Schottky Raumladungszone identifiziert werden. Experimente bei erhöhten Temperaturen und unter definierten Atmosphären zeigten zusätzlich, dass während der Formierung Sauerstoff aus dem System ausgebaut und an die Umgebung abgegeben wurde. Die Untersuchungen erlaubten es, ein Modell für die Elektroformierung der hergestellten Bauteile zu entwickeln. Zwei unterschiedliche Schaltmechanismen (Grenzflächen Effekt und Material Effekt) konnten identifiziert werden. Es stellte sich heraus, dass ein reproduzierbares Wechseln zwischen beiden Mechanismen durch Variation der angelegten Spannungsamplitude möglich war. Beide Mechanismen sind separat und umfassend (z.B. mittels Impedanzspektroskopie) charakterisiert worden, was ein Aufstellen von Modellen für beide Schaltmechanismen erlaubte. Der Grenzflächen-Schalteffekt wird dem Sauerstoff bedingten Öffnen und Schließen leitender Kanäle durch An- oder Abreicherung von Sauerstoffleerstellen an der oberen oder unteren Grenzfläche zugeordnet und entspricht damit dem konventionellen Erklärungsansatz. Im Falle des Material-Schalteffekts wird die Widerstandsänderung durch eine interne Umverteilung von mobilen Donatoren, die zu einem induzierten p-n Übergang führt, erklärt. Letzterer Effekt zeichnet sich durch eine äußerst stabile Schaltcharakteristik und große Widerstandsverhältnisse aus. Zusammen mit den gemessen Standzeiten von >9 Stunden, den kurzen Schaltzeiten von <30ns und der Möglichkeit einer Multi-Bit Speicherung zeigt dieser Mechanismus ein hohes Anwendungspotential in künftigen Speicherzellen.

To overcome the physical limits of todays memory technologies new concepts are needed. The resistive random access memory (RRAM), which bases on a nonvolatile and repeatable change of the resistance by external electrical stimuli, seems to be one promising candidate. Within the scope of this work, the model system Strontiumtitanate (SrTiO3) has been investigated to get a deeper understanding of the underlying physical mechanism related to the resistance change. The electrical properties of SrTiO3 (STO) can be modulated from a band insulator to metallic conduction by a self-doping with oxygen vacancies which act as shallow donors. A local accumulation or depletion of oxygen vacancies at the vicinity of the surface will lead to a local redox process which is responsible for the resistance change. To study the influence of the interfaces on the switching properties of SrTiO3 thin films, epitaxial films of Fe-doped SrTiO3 were grown on different bottom electrodes (SrRuO3, LaNiO3 und Nb:STO) by a “Pulsed Laser Deposition” technique. An atomic force microscope equipped with a conductive tip (LC-AFM) allowed studying the conductivity of the deposited films on the nanometer scale. Resistive switching of lateral structures smaller than ~5nm could be realized which represents the potential of this material for a further downscaling of RRAM devices. The deposition of topelectrodes, made of Platinum or Titanium, allowed the electrical characterization of metal-insulator-metal (MIM) structures. An extensive investigation of pristine MIM-devices by impedance spectroscopy showed the big impact of the metal-insulator interface on the overall device resistance. Furthermore, a chemical polarization was studied by dynamical current sweeps and identified as a volatile resistance variation. Usually a forming procedure is needed to “enable” the resistive switching properties in MIM devices. The electroforming of these devices was extensively studied and could be assigned, for samples exhibiting a Schottky contact, to a local bypassing of the Schottky depletion layer. Additional, annealing experiments under defined atmospheric conditions led to the result that the electroforming process can be identified as a loss of oxygen from the device. The investigations allowed drawing a detailed model of the electroformation of the prepared devices. Furthermore, two different switching mechanisms (interface related, bulk related) were identified and characterized. By variation of the voltage amplitude applied, a repeatable switching between both mechanisms could be demonstrated. Both mechanisms have been separately and extensively characterized (e.g. by impedance spectroscopy), which allowed drawing models for both types of switching effects. The interface related switching mechanism was attributed to the oxygen related opening and closing of conducting channels at the upper or lower interface and follows therewith the conventional explanations. In case of the bulk related switching effect, the resistance change will be explained by the electrically induced internal redistribution of mobile donors leading to a p-n doping profile. The main features of this switching mechanism are its improved switching stability and large resistance ratios achieved. In case of the bulk related switching mechanism, switching times of 30ns, retention times longer than 9 hours and the storage of two bits per cell (multibit capability) could be realized. These results demonstrate the great potential of SrTiO3 as possible material for a future RRAM cell.

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