Resistives Schalten in HfO2-basierten Metall-Isolator-Metall Strukturen für nicht-flüchtigen Speicher

• Antragsteller: Professor Dr. Lambert Alff; Professor Dr. Thomas Schröder
• Fachliche Zuordnung: Herstellung und Eigenschaften von Funktionsmaterialien
• Förderung: Förderung von 2012 bis 2017
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 218953208

Nicht-flüchtiger Speicher (NVM) ist für eine Reihe verschiedener Anwendungen in Si-basierter CMOS-Technologie wie z.B. hochwertige und mobile Rechner, Unterhaltungselektronik, Sensoren und medizinische Krankenpflege von hohem Interesse. Unter den NVM Technologien ist der resistive Direktzugriffsspeicher (Resistive Random Access Memory (RRAM)), bei dem der Widerstand einer Metall-Isolator-Metall (MIM) Struktur durch Anlegen einer Spannung geschaltet wird, ein vielversprechender Kandidat. Aus der großen Vielzahl der schaltbaren Materialien haben wir HfO2-basierte Bauelemente ausgewählt, da dieses Material bereits in die CMOS-Technologie integriert ist. Eine wichtige Fragestellung betrifft den kontrollierten Aufbau leitender Filamente durch Anlegen einer Formierspannung. In der bisherigen Laufzeit konnten wir für stark Sauerstoff defizitäres HfO2-x zeigen, dass ein fast elektroformierungsfreies Bauteil möglich ist. Durch Sauerstofffehlstellen werden leitende Defektzustände in der Nähe der Fermi-Energie erzeugt, die die Formierspannungen deutlich erniedrigen. Mittels eines durch die Antragsteller neu etablierten in operando Messverfahrens wurden mikrostrukturelle und chemische Veränderungen sowie der Einfluss von Verunreinigungen (z.B. von Kohlenstoff) auf das Schaltverhalten durch harte Röntgenstrahl-Photoelektronenspektroskopie (HAXPES) an der modernen Synchrotronquelle Petra III untersucht. In diesem Folgeprojekt wollen wir den Einfluss verschieden valenter Substitutionen wie Zr4+ und La3+/Y3+ verstehen, wobei erste Versuche darauf hindeuten, dass auch durch trivalente Dotierung die Formierspannung herabgesetzt werden kann und sogar stabilere Bauelemente mit höheren An-Aus-Verhältnissen erzielt werden können. Durch Untersuchung der Schaltflächenabhängigkeit der Formierspannung und Untersuchungen mittels in operando Mikro(Nano)strahl-Röntgenabsorptionsfeinstruktur (µ-XAS) wollen wir ein genaues Verständnis des leitenden Filaments durch Charakterisierung der gesamten MIM-Zelle erreichen. Mittels HAXPES und µ-XAS soll das Ermüdungsverhalten der substituierten Bauteile in operando untersucht werden, um z.B. puls-induzierte Schaltvorgänge durch materialwissenschaftliche Ansätze zu stabilisieren. Unterstützt durch eine externe Kooperation im Bereich Materialmodellierung wollen wir die Defektphysik und -chemie in schaltbaren (Hf,X)O2-x (X = Zr, La, Y, Nb) und den involvierten Grenzflächen zu den Elektrodenmaterialien verstehen und mit Herstellungsparametern sowie Schaltverhalten korrelieren. Insgesamt soll das Vorhaben einen grundlegenden materialwissenschaftlichen Beitrag zum optimalen Bauteilaufbau von HfO2-basierten RRAM und zum Verständnis seines Ermüdungsverhalten liefern.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Internationaler Bezug: Spanien
• Kooperationspartner: Professor Dr. Jordi Suñé
• Mitverantwortliche: Dr. Jose Kurian; Professor Dr. Gang Niu