Herstellung und Charakterisierung von resistiv schaltenden Schichten aus Titanoxid und Nioboxid

Die Skalierung herkömmlicher Computerspeicher schreitet voran und erreicht zunehmend die physikalischen Grenzen. Der resistive Speicher ist eine mögliche alternative Speichertechnologie. Bisher sind kaum Zusammenhänge zwischen Struktur und Widerstandsänderungen bekannt. Insbesondere die Zusammenhänge zwischen den Herstellungsbedingungen in Kombination mit den verwendeten Elektrodenmaterialien und der Mikrostruktur der Schichten, der Morphologie der Grenzflächen zwischen Metall und Isolator und den elektrischen Kennwerten des Schaltprozesses sind unklar. Diese offenen Punkte bilden den Ansatz der vorliegenden Arbeit. Anhand von Metall-Isolator-Metall (MIM) Strukturen basierend auf TiO2, als ein Modellsystem, wurde der Prozessablauf zur Herstellung und Methoden zur elektrischen Charakterisierung von resistiven Schaltelementen etabliert. Dieser bildete die Grundlage für Nb2O5, welches auf Grund der physikalischen und chemischen Eigenschaften ein vielversprechendes Material für den Einsatz in resistiven Speichern ist. Die Herstellung der Schichten fand mit einem reaktiven DC Sputterprozess auf einer Platinbodenelektrode statt. Nach der Abscheidung lagen die Titanoxid- und die Niobpentoxidschicht amorph vor. Während die TiO2-Schicht in eine rutile Struktur bei 500 °C kristallisierte, fand bei einer Temperatur zwischen 550 °C und 600 °C eine heterogene Kristallisation des Nb2O5 in die orthorhombische Struktur statt. Filamentbasiertes bipolares Schalten war nach einem elektrischen Formiervorgang in Titandioxid und Niobpentoxid im amorphen als auch kristallinen Zustand messbar. Die kristallinen Schichten wiesen gegen über den amorphen Schichten einen vergrößerten Leckstrom mit inhomogener Verteilung in der Fläche und eine kleinere Formierspannung auf. Anhand von amorphen Niobpentoxid im Al/Nb2O5/Pt Stapel wurde bipolares Schalten mit mehr als 2500 Zyklen und einer extrapolierten Datenhaltung von 10 Jahren bei 125 °C und einer Skalierbarkeit auf 100nm Strukturbreite nachgewiesen. Die Ergebnisse dieser Arbeit zeigen, dass bipolares Schalten in Verbindung mit einem vertikalen Sauerstoffgradienten im Oxid möglich ist. Dieser Gradient kann durch zwei Methoden erzeugt werden. Zum einen durch die Verwendung von sauerstoffreaktiven Deckelektroden (Titan und Aluminium), die durch Redoxreaktion das Oxid grenzflächennah reduzieren, oder zum anderen durch das gezielte Abscheiden einer unterstöchiometrischen Schicht. Letztere Methode führte im Fall von der Pt/NbOx/Nb2O5/Pt Struktur neben dem nichtflüchtigen Speicherelement zu einem inhärenten Auswahlelement. Dabei resultiert das Auswahlelement aus dem Einsatzschalteffekt von NbO2, welches sich zwischen NbOx und Nb2O5 gebildet hat, und durch strominduzierte Wärme signifikant die Leitfähigkeit erhöht. Auf diesem Weg lasst sich das Widerstandsverhältnis für bipolares Schalten von 5 bis 8 um einen Faktor 10 vergrößern. Die Untersuchung platinfreier resistiv schaltender Strukturen, bestehend aus Al/Nb2O5/Al, ergaben ein flächenabhängiges Schaltverhalten. Der Schalteffekt war auf Ladungsträgereinfang an Haftstellen nahe der Bodenelektrode zurückzuführen, was zu einer verminderten Datenhaltung bei erhöhter Temperatur gegenüber der Al/Nb2O5/Pt Struktur führte. Der Strom während des Einschaltvorganges war selbstlimitiert und ermöglichte das Programmieren mittels Pulsen ohne zusätzliches strombegrenzendes Element. Mit dem beobachteten analogen Schaltverhalten sind neue Anwendungen, wie neuronale Netze denkbar.