Integration of resistive switching devices in crossbar structures [Elektronische Ressource] / Christian Nauenheim. Forschungszentrum Jülich GmbH, Institute of Solid State Research (IFF), Electronic Materials (IFF-6). [Hrsg.: Forschungszentrum Jülich GmbH, Zentralbibliothek]

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Publié le	01 janvier 2009
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Langue	Deutsch
Poids de l'ouvrage	9 Mo

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Integration of resistive switching devices
in crossbar structures
Christian Nauenheim
Mitglied der Helmholtz-Gemeinschaft

Integration of resistive switching devices
in crossbar structures

Von der Fakultät für Elektrotechnik und Informationstechnik
der Rheinisch-Westfälischen Technischen Hochschule Aachen
zur Erlangung des akademischen Grades eines Doktors der
Ingenieurwissenschaften genehmigte Dissertation

vorgelegt von

Diplom-Ingenieur
Christian Nauenheim
aus Mechernich

Berichter: Universitätsprofessor Dr.-Ing. R. Waser
apl. Professor Dr.phil. S. Mantl

Tag der mündlichen Prüfung: 22.10.2009

Diese Dissertation ist auf den Internetseiten der Hochschulbibliothek online verfügbar.

Forschungszentrum Jülich GmbH
Institute of Solid State Research (IFF)
Electronic Materials (IFF-6)
Integration of resistive switching
devices in crossbar structures
Christian Nauenheim
Schriften des Forschungszentrums Jülich
Reihe Information / Information Band / Volume 10
ISSN 1866-1777 ISBN 978-3-89336-636-1Bibliographic information published by the Deutsche Nationalbibliothek.
The Deutsche Nationalbibliothek lists this publication in the Deutsche
Nationalbibliografie; detailed bibliographic data are available in the
Internet at http://dnb.d-nb.de.
Publisher Forschungszentrum Jülich GmbH
and Distributor: Zentralbibliothek, Verlag
D-52425 Jülich
phone:+49 2461 61-5368 · fax:+49 2461 61-6103
e-mail: zb-publikation@fz-juelich.de
Internet: http://www.fz-juelich.de/zb
Cover Design: Grafische Medien, Forschungszentrum Jülich GmbH
Printer:
Copyright: Forschungszentrum Jülich 2010
Schriften des Forschungszentrums Jülich
Reihe Information / Information Band / Volume 10
D 82 (Diss., RWTH Aachen, Univ., 2009)
ISSN 1866-1777
ISBN 978-3-89336-636-1
The complete volume is freely available on the Internet on the Jülicher Open Access Server
(JUWEL) at http://www.fz-juelich.de/zb/juwel
Neither this book nor any part may be reproduced or transmitted in any form or by any means,
electronic or mechanical, including photocopying, microfilming, and recording, or by any
information storage and retrieval system, without permission in writing from the publisher.
Kurzfassung
Die konventionelle CMOS Technologie mit optischer Lithografie als strukturbildendem
Verfahren wird, genau wie die zur Datenspeicherung eingesetzten Technologien, in den nächsten
Jahren an physikalische Grenzen stoßen. In dieser Arbeit werden mit der Kombination von
resistiv schaltenden Strukturen als nichtflüchtige Speicherelemente oder Schalter und der Nano-
Crossbar Architektur zwei Konzepte miteinander verknüpft, die die erwähnten physikalischen
Grenzen nachhaltig hinaus schieben.
Bei der Nano-Crossbar Architektur wird zwischen zwei sich kreuzenden
Metallleiterbahnebenen ein Funktionselement integriert. Durch die minimale Grundfläche von
24 F (F = Minimum feature size) erlaubt diese Architektur sehr hohe Integrationsdichten. Die
Grundelemente sind gerade Leiterbahnen, welche sehr gut skaliert und mittels kostengünstigen
Technologien, z.B. Nanoimprintlithografie, hergestellt werden können.
Als Funktionselement wird z.B. reversibel schaltendes TiO in MIM-Elementen 2
(Metall/Insulator/Metall) integriert. Diese können durch eine entsprechende Schreib- oder
Löschspannung in mindestens zwei Widerstandszustände, entsprechend logisch „1‟ oder „0‟,
geschaltet werden. Der Zustand kann unterhalb dieser Spannungen ohne Informationsverlust
ausgelesen werden.
Das Anwendungspotential umfasst sowohl Speichermatrizen, die auch als passives ReRAM
(Resistive Random Access Memory) bezeichnet werden, sowie Elemente der DRL (Diode-
Resistor Logic) und RTL (Resistor-Transistor Logic), Router und Multiplexer. Da es sich um
passive Bauelemente handelt, kann auf eine aktive, derzeit auf CMOS basierende Infrastruktur
nicht verzichtet werde. Deshalb wurde sowohl bei der Materialauswahl als auch bei der
Prozessführung auf CMOS- Kompatibilität geachtet.
Durch die Entwicklung und Optimierung eines Lift-Off-Metallisierungsprozesses mit
Elektronstrahllithographie wurde eine flexible technologische Plattform zur Herstellung von
Leiterbahnen aus diversen Metallen bis zu einer Breite von 50 nm geschaffen. Die hergestellten
Bauelemente umfassen Crossbar Arrays bis zu einer Größe von 64 × 64 bit mit Leiterbahnen aus
einer 30 nm dicken Doppelschicht aus thermisch verdampften Ti und Pt. Da die
Leiterbahndimensionen vergleichbar sind mit der mittleren freien Weglänge der Elektronen,
wurden diese hinsichtlich ballistischer Transportmechanismen untersucht und durch das Fuchs-
Sondheimer- und Mayadas-Shatzkes-Modell beschrieben. Die Leiterbahnen zeigen eine hohe
Ausbeute und eine gute Skalierbarkeit mit geringen Widerständen pro Crossbar Element, selbst
bei Dimensionen von wenigen zehn Nanometern.
Die TiO Dünnschicht wurde reaktiv gesputtert oder per ALD (Atomic Layer Deposition) 2
abgeschieden. Das Elektroformieren zur Überführung des Funktionselements vom isolierenden
in den schaltenden Zustand wurde eingehend untersucht und erlaubte anschließend ein
zuverlässiges bipolares Schalten. Die benötigten Schaltspannungen und –ströme liegen für
Zellen von 100 ∙ 100 nm² bei ca. 2 V, bzw. einigen 100 µA und sind hervorragend zur
III
Ansteuerung in einem CMOS Hybriden geeignet. Die erreichten Widerstandsverhältnisse von
mehr als zwei Größenordnungen ermöglichen eine gute Detektion der gespeicherten Information.
5Der einmal gespeicherte Widerstand bleibt auch bei 85°C über 10 s ohne Verlust stabil.
Eine Ansteuerung mit Spannungspulsen zeigte eine Schaltgeschwindigkeit <10 ns. Dabei
kann der Widerstand des HRS (High Resistive State) in Abhängigkeit von der Pulsamplitude und
–länge variiert werden. Die Vielzahl der auf diese Weise programmierbaren Widerständswerte
eröffnet die Möglichkeit, mehrere Bit in einer einzelnen Zelle zu speichern, was die logische
Speicherdichte ohne technologischen Aufwand erhöht.
Zur Untersuchung der gegenseitigen Beeinflussung der Funktionselemente eines Arrays durch
das TiO wurden verschiedene Bitmuster in benachbarte Zellen programmiert. Das 2
anschließende Auslesen wies keine Interaktion von resisitiv schaltenden Zellen bis zu einem
Abstand von 200 nm auf. Die Schaltcharakteristik entspricht dabei der einer Einzelzelle. In
einem Array unterdrücken nichtformierte Zellen Ströme in parasitären Pfaden maßgeblich. Auf
Grund der hohen Formierspannung des untersuchten Materialsystems ist die Menge der
möglichen Bitmuster allerdings begrenzt.
Die Kombination der beiden Ansätze zeigte das erwartete, hohe Potential resistiv schaltender
Strukturen in der Nano-Crossbar Architektur. Bei der Ansteuerung eines kompletten Arrays mit
der verwendeten Pt/TiO /Ti/Pt Kombination ist noch Optimierungsbedarf hinsichtlich des 2
Elektroformierens vorhanden. Das Materialsystem zeigt aber, auch hinsichtlich eines möglichen
Aufbaus mit einem Auswahltransistor, ein hohes Potential für zukünftige ReRAM-
Anwendungen.
IV
Abstract
Conventional CMOS-technology defined by optical lithography will reach its physical limits
within the next years together with technologies adopted for data storage. This work presents and
combines the alternative concepts of resistively switching devices, usable as nonvolatile memory
elements or switches, and nano crossbar architecture, which defer these physical limits
sustainably.
The nano crossbar architecture consists of a functional component that is integrated between
two perpendicularly crossing metallization lines. This configuration allows for a high integration
2density due to a minimal footprint of 4 F (F = minimum Feature size). The basic elements are
straight metallization lines with excellent scaling capability and fabricated by competitive
technologies such as nano imprint lithography.
The functional component can be composed of reversibly switching TiO , which is integrated 2
into metal/ insulator/ metal elements (MIM). This can be operated by corresponding set- and
reset- voltages between at least two resistance states, which represent a logic „0‟ or „1‟. The
state is nonvolatile and can be nondestructively determined by voltages below these
programming values.
The field of application includes memory matrices, which are also named passive ReRAM
(Resistive Random Access Memory), elements of the DRL (Diode-Resistor Logic) and RTL
(Resistor-Transistor Logic), as well as router and multiplexer. Because of their passive
properties, an active control circuitry, which is currently based upon CMOS, is necessary. For
this reason, all materials and fabrication technologies are CMOS compatible.
The developed and optimized lift-off metallization in combination with electron beam direct
writing is a flexible method to fabricate metallization lines with different metals and with