Germanium sulphide based resistive switching devices

van den Hurk, Jan; Waser, Rainer; Vescan, Andrei

doi:10.18154/RWTH-2016-02204

Germanium sulphide based resistive switching devices = Resistiv schaltende Bauelemente auf Germaniumsulfidbasis

van den Hurk, Jan

2016

VerantwortlichkeitsangabeJan van den Hurk

ImpressumAachen 2016

UmfangXI, 139 Seiten : Illustrationen

Dissertation, RWTH Aachen, 2016

Veröffentlicht auf dem Publikationsserver der RWTH Aachen University

Genehmigende Fakultät
Fak06

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

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2016-02-26

Online
URN: urn:nbn:de:hbz:82-rwth-2016-022040
DOI: 10.18154/RWTH-2016-02204
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/571667/files/571667.pdf

Einrichtungen

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

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
Elektronik (frei) ; Elektrotechnik (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 621.3

Kurzfassung
Speicherarchitekturen unterliegen dem gleichen Skalierungstrend zu höherer Leistungsfähigkeit, geringerem Energieverbrauch und niedrigeren Kosten wie auch alle anderen elektronischen Schaltungen. Das Mooresche Gesetzt wirkt wie eine sich selbst erfüllende Prophezeiung. Ultimative physikalische Grenzen verhindern jedoch die fortlaufende Miniaturisierung heutiger Speicherbauelemente. Redox-basierte resistiv schaltende Bauelemente (ReRAM) sind laut der International Technology Roadmap for Semiconductors (ITRS) der wahrscheinlichste Ersatz für heutige Systeme. Bei Experimenten mit Ag/GeSx-basierten elektrochemischen Metallisierungsspeicherzellen (ECM) zeigten sich erste vielversprechende Eigenschaften hinsichtlich möglicher Anwendungen in Speichern mit hoher Packungsdichte und Logik-Architekturen.Im Rahmen dieser Dissertation zu Germaniumsulfid-basierten ECM-Speicherzellen wird ein weiter Bogen geschlagen von der grundlegenden Dünnschichtpräparation über Untersuchungen zu den fundamentalen Materialeigenschaften und der Schaltkinetik bis hin zu praktischen Logik- und Speicher-Anwendungen. Für die anspruchsvolle Probenherstellung wurde eine dedizierte Cluster-Anlage entwickelt und in Betrieb genommen. In dieser Anlage wurden Germaniumsulfid GeSx als Festkörperelektrolyt und Silber Ag als aktives Elektrodenmaterial in situ per RF Sputterdeposition abgeschieden. Die Abscheidung von GeSx per Sputterdeposition bietet die Möglichkeit die Stöchiometrie über den Prozessdruck einzustellen. Im Rahmen der materialwissenschaftlichen Untersuchungen konnte neben der Existenz einer elektromotorischen Kraft (EMF) auch der bevorzugte Ladungstransfer vom Elektrodenmaterial Ag zur Germaniumkomponente des Elektrolyts nachgewiesen werden. Es ist davon auszugehen, dass leitende Filamente in diesem Typ Speicherzelle aus einer silberreichen Ag-GeSx-Phase bestehen.Die elektrischen Untersuchungen brachten u.A. neue Erkenntnisse im Bereich der SET und RESET Schaltkinetik, welche im Vergleich mit einem existierenden Simulationsmodell eingeordnet werden konnten. Ein deutlich nicht-lineares Verhalten der SET-Zeit bei kleinen SET-Spannungen konnte auf einen nukleationslimitierten Prozess zurückgeführt werden. Zum ersten Mal wurde auch die RESET-Kinetik näher untersucht und in Abhängigkeit vom verwendeten Spannungsbereich eine Limitierung durch den Elektronentransfer bzw. durch die Ionenmigration identifiziert. Die Möglichkeit eines polaritätsunabhängigen RESETs in ECM-Speicherzellen wurde ebenfalls demonstriert. Anwendungsrelevant waren die Untersuchung des physikalischen Ursprungs und die Möglichkeit zur Unterdrückung der kontinuierlichen Auflösung der Ag-Elektrode in den Elektrolyten. Bei der Verschaltung zweier Ag-GeSx-Speicherzellen zu einem Complementary Resistive Switch (CRS) konnten ultraschnelle Schaltzeiten im Bereich von 20 ns beobachtet werden. Es war ebenfalls möglich alternative Ausleseverfahren mit diesem Bauelement nachzuweisen. Im Rahmen dieser Aktivitäten wurde ein nicht-destruktives Ausleseverfahren (NDRO) entwickelt, dass auf einem flüchtigen Widerstandszustand (VRS) basiert.

Memory architectures are subject to the same scaling trend towards higher performance, low power consumption and lower cost as well as all other electronic circuits. Moore’s law seems like a self-fulfilling prophecy. However, ultimate physical limitations prevent the continued miniaturisation of today’s memory devices. Redoxbased resistive switching memories (ReRAM) are according to the International Technology Roadmap for Semiconductors (ITRS) the most likely replacement for today’s systems. In experiments with Ag/GeSx-based electrochemical metallisation memory cells (ECM) first promising properties with regard to possible applications in high-density memories and logic architectures were demonstrated.In this thesis about germanium sulphide-based ECM memory cells a wide range of topics is covered from the basic thin film preparation to studies of the fundamental material properties and the switching kinetics up to practical logic and memory applications. A dedicated cluster tool for sophisticated sample preparation was developed and put into operation. In this tool germanium sulphide GeSx and silver Ag were deposited in situ by RF sputter deposition as a solid electrolyte and as an active electrode material, respectively. The deposition of GeSx by sputter deposition provides the ability to adjust the stoichiometry through the process pressure. In the context of materials investigations the existence of an electromotive force (EMF) was proven in addition to the preferred charge transfer from the electrode material Ag towards the germanium component of the electrolyte. It must be assumed that conducting filaments in this type of memory cell consist of a silver-rich Ag-GeSx phase.The electrical characterisation brought new findings in the field of SET and RESET switching kinetics, that could be classified in comparison with an existing simulation model. A clear non-linear behaviour of the SET-time at small SETvoltages could be attributed to a nucleation limited process. For the first time also the RESET kinetics was studied in detail and a limitation by the electron transfer or through the ion migration was identified, depending on the voltage range used. The possibility of a polarity-independent RESET in ECM memory cells was also demonstrated. Relevant with respect to future applications were experiments on the physical origin and the ability to suppress the continuous dissolution of the Ag electrode into the electrolyte. When interconnecting two Ag-GeSx memory cells as a Complementary Resistive Switch (CRS) ultra fast response times could be observed in the range of 20 ns. It was also possible to demonstrate alternative readout methods with this device. As part of these activities a non-destructive readout method (NDRO) was developed that is based on a volatile resistive state (VRS).

OpenAccess:
PDF
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