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Switching in Emerging Memories and their Response to Heavy Ion Irradiation

Vogel, Tobias (2023)
Switching in Emerging Memories and their Response to Heavy Ion Irradiation.
Technische Universität Darmstadt
doi: 10.26083/tuprints-00023263
Ph.D. Thesis, Primary publication, Publisher's Version

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Item Type: Ph.D. Thesis
Type of entry: Primary publication
Title: Switching in Emerging Memories and their Response to Heavy Ion Irradiation
Language: English
Referees: Alff, Prof. Dr. Lambert ; Trautmann, Prof. Dr. Christina
Date: 2023
Place of Publication: Darmstadt
Collation: 159, LXVI Seiten
Date of oral examination: 6 March 2023
DOI: 10.26083/tuprints-00023263

Memory technologies are ubiquitous in our everyday life and the number of electronic devices relying on them keeps increasing rapidly. In established memories such as static random-access memory (SRAM), dynamic random-access memory (DRAM) and flash memory, further downscaling of transistors has slowed down leading to deviations from Moore’s law. However, this was so far considered a fundamental step towards ever increasing data storage, reduced energy consumption and lowered fabrication cost for decades. Furthermore, new applications such as image recognition or autonomous driving, which implement artificial neural networks, represent a challenge for the classic computer architecture. These challenges are the driving force for the development of new technologies such as emerging memories, including phase-change-based resistive, redox-based resistive and ferroelectric memories. Those memory types store information using different physical concepts than the established, mainly directly charge-based technologies. One important concept can be summarized under the term “memristor” or “memristive system”. It is based on a resistance change of a memory cell triggered by electric stimuli, which is dependent on the history of the memory material. The resistance in phase-change memories relies on the reversible transition of a phase-change material such as Ge2Sb2Te5 from an amorphous to a crystalline state. In contrast, the resistance in filamentary redox-based systems dependents on ion-migration and the formation/control of a conductive filament in a thin dielectric layer such as HfO2. This allows the achievement of at least two distinguishable memory states, which are repeatably accessible by applying voltage/current stimuli in a switching process. In ferroelectric memories, the data storage is based on the control of the electric polarization of a ferroelectric material such as doped HfO2. Due to their good scalability, non-volatility and fast as well as energy-efficient operation, these memories are currently discussed as promising candidates to replace or complement established memory concepts. Additionally, they have been demonstrated to show e.g., interesting synaptic-like properties usable for neuromorphic applications and prospective artificial intelligence. Furthermore, since the information storage principle of these emerging memory types is not directly based on charges, they are promising candidates for utilization in radiation-harsh environments, including e.g., aerospace applications. In general, all types of ionizing radiation of natural or artificial origin are a threat for microelectronics, as they can affect the functionality of electronic components. An extreme case is represented by high-energy heavy ions due to their large ionization potential and high penetration depth. This type of radiation can induce defects and phase transitions in materials relevant for memory technologies such as HfO2. This could adversely affect the functionality of emerging memories. Currently, all emerging memories are still in their infancy and not yet fully competitive with established technologies, especially in relation to a detailed understanding of the working principles of the memories, the fabrication of integrated circuits in complementary metal-oxide-semiconductor (CMOS)-compatible processes and production costs. In order to unveil the full potential of the emerging memories and to enable their use for different applications, a deeper understanding of the material properties and the basic physical switching processes is required. This also includes a better understanding of radiation-induced effects such as phase transitions in the materials and related switching properties of emerging memories. In this regard, research needs to be further advanced. In this context, this work addresses relevant influences on the switching characteristics of three selected emerging memory types, in particular HfO2-based resistive and ferroelectric memories as well as Germanium-Antimony-Tellurium (Ge-Sb-Te)-based phase-change memories and their response to heavy ion irradiation. For studies on non-irradiated HfO2-based memristive devices, specific model systems consisting of single metal-insulator-metal (MIM) capacitor stacks were prepared. This includes doping of HfO2 films with Zr to potentially induce ferroelectric properties in Hf0.5Zr0.5O2-based memory, which represent one of the most-promising candidates for ferroelectric memory applications. Additional studies were designed to investigate the influence of Zr-doping, the choice of the electrode materials and the oxide layer thickness on the resistive switching behavior of HfO2-based devices relevant for resistive memory applications (Pt/Hf0.5Zr0.5O2/Pt, Pt/HfO2/Pt and Cu/HfO2/Pt). For the preparation of Zr-doped HfO2 films, a growth routine was successfully established. It includes a co-evaporation process of Hf and Zr in a reactive molecular beam epitaxy setup allowing a precise control of the composition. The resistive switching studies have revealed functioning devices with no significant influence of the Zr-doping. Furthermore, a strong dependence of the choice of the electrode materials and the switching types on the dominating switching mechanism was found in Pt/HfO2/Pt and Cu/HfO2/Pt devices. While the switching in Pt/HfO2/Pt devices is based on a thermochemical mechanism, the obtained switching in Cu/HfO2/Pt devices yielding the best switching performance is based on an electrochemical mechanism. As a reduction of the layer thicknesses of electronic components is of huge interest, studying the related influences on the switching characteristics is essential. In a specifically designed study, the switching mechanism in Cu/HfO2/Pt devices under bipolar resistive switching was found to be dependent on the oxide layer thickness. A qualitative model based on a strongly Joule heating-assisted electrochemical mechanism was developed. Furthermore, to investigate the impact of ionizing radiation in the electronic energy loss regime on different memory materials, HfO2- and Ge-Sb-Te-based films containing different compositions and phases/crystallinity, respectively, were exposed to high-energy Au ions. These studies were conducted in close collaboration with project partners from CEA-Leti and LTM CNRS (Grenoble, France) as well as from Fraunhofer IPMS CNT (Dresden, Germany). Irradiation experiments were performed at the Helmholtzzentrum für Schwerionenforschung (Darmstadt, Germany) in close collaboration with the materials research group of Prof. Dr. C. Trautmann. By combining different characterization methods such as X-ray diffraction, X-ray photoelectron spectroscopy and different scanning transmission electron microscopy methodologies, an improved understanding of the basic mechanisms of the occurring phase transitions was achieved. This was supported by a direct comparison of irradiated with as grown HfO2-x films of different stoichiometry and crystal structure. Those films were prepared using a reactive molecular beam epitaxy setup, which allows a precise control of the oxygen content. In monoclinic HfO2 films, crystalline-to-crystalline phase transition based on induced oxygen vacancies to a rhombohedral phase of hafnium oxide was observed. This phase transition was found to be accompanied by a significant grain fragmentation at high fluences. In this context, a pattern matching routine was developed in cooperation with the electron microscopy research group of Prof. Dr. L. Molina-Luna for the analysis of a recorded, complex scanning precession electron diffraction dataset. This allowed the investigation of the phase transition at high spacial resolution. The irradiation of Zr- and Si-doped ferroelectric HfO2 as well as in Ge2Sb2Te5 (GST) and Ge-rich GST (GGST) phase-change layers showed similar irradiation-induced phase transitions. In ferroelectric HfO2-based layers, the transition from a polar to a non-polar phase occurred, whereas the phase transitions found in Ge-Sb-Te-based layers were related to beam-induced breaking and formation of chemical bonds. Structural characterization revealed that for all tested memory materials the irradiation effects strongly depend on the initial crystallinity and crystal structure as well as on the composition and microstructure of the layers. Moreover, the occurring phase transitions could be directly correlated to switching properties obtained from electrical measurements performed on memory devices. For oxide-based and phase-change random access memories (OxRAM and PCRAM), detrimental beam-induced effects on the access transistors of the one transistor-one memory cell (1T1R) arrays are found to be dominating the failure mechanism at ion fluences exceeding 5×1010 ions/cm², while it is indicated that the memory cells are radiation-hard as long as no phase transitions occur in the layers. In ferroelectric capacitors, the induced phase transition from the polar orthorhombic to a non-polar phase could even be reversed by electric field cycling after irradiation. Hence, all tested memory types were found to be extremely radiation-resilient. It was shown that a combination of different characterization techniques is needed to achieve a full understanding on occurring structural and compositional changes and related electrical properties. This can also be recommended as general guidelines for the characterization and interpretation of complex irradiation-induced effects in emerging memories. Overall, this work provides an improved understanding of resistive switching phenomena and of basic mechanisms of irradiation effects in HfO2- and Ge-Sb-Te-based memories. This is important since these emerging memories are promising candidates for future memory applications replacing or supplementing existing memory technologies. In this context, this work provides useful knowledge for the development of new strategies for the fabrication and characterization of emerging memories.

Alternative Abstract:
Alternative AbstractLanguage

Speichertechnologien sind in unserem Alltag allgegenwärtig und die Anzahl elektronischer Geräte, die darauf angewiesen sind, nimmt weiter zu. Hinzu kommt die Limitierung der bisher einfach zu erzielenden Reduzierung der Strukturgröße von Transistoren sowie der Dicke der verwendeten isolierenden Schicht in etablierten Speichern wie statischen (SRAM) und dynamischen Direktzugriffsspeichern (DRAM) sowie Flash-Speichern. Eine Reduzierung der Strukturgröße wurde bisher als eine Art grundlegende Möglichkeit angesehen, auf recht einfachem Weg immer größere Datenspeicherung, einem immer weiter reduzierten Energieverbrauch und niedrigere Herstellungskosten zu erzielen. Darüber hinaus stellen neue Anwendungen wie Bilderkennung oder autonomes Fahren eine Herausforderung für die klassische Computerarchitektur dar. Diese Herausforderungen sind die treibende Kraft für die Entwicklung neuer Technologien wie neuartige Speicher (emerging memories) in der Form von phasenwechselbasierten resistiven, redoxbasierten resistiven und ferroelektrischen Speichern. Diese Speichertypen speichern Informationen basierend auf anderen physikalischen Konzepten als die etablierten, meist direkt ladungsbasierten Technologien. In sogenannten memristiven Systemen oder auch Memristoren hängt der gespeicherte Zustand der Speicherzelle, welcher durch elektrische Stimuli geändert werden kann von der Historie des Speichermaterials ab. Während der Widerstand in Phasenwechselspeichern auf dem reversiblen Übergang eines Phasenwechselmaterials (wie z.B. Ge2Sb2Te5) von einem amorphen in einen kristallinen Zustand beruht, ist der Widerstand in (filamentbasierten) redoxbasierten Systemen von der Migration von Anionen bzw. Kationen und der Bildung/Kontrolle eines leitfähigen Filaments in einer dünnen dielektrischen Schicht (wie z.B. HfO2) abhängig. Dadurch lassen sich mindestens zwei unterscheidbare Speicherzustände erreichen, die durch einen wiederholbaren Umschaltvorgang zugänglich sind. Bei ferroelektrischen Speichern basiert die Datenspeicherung auf der Steuerung der elektrischen Polarisation eines ferroelektrischen Materials (z.B. dotiertes HfO2). Diese Speicher werden derzeit aufgrund ihrer guten Skalierbarkeit, Nichtflüchtigkeit und ihres schnellen sowie energieeffizienten Betriebs als vielversprechende Kandidaten gehandelt, welche etablierte Speicherkonzepte ersetzen oder ergänzen könnten. Darüber hinaus wurde gezeigt, dass diese Speicherklassen z.B. interessante synaptische Eigenschaften aufweisen, welche für neuromorphe Anwendungen und zukünftige künstliche Intelligenz verwendet werden könnten. Da das Informationsspeicherprinzip dieser neuen Speichertypen nicht direkt auf Ladungen basiert, sind sie außerdem vielversprechende Kandidaten für die Nutzung als strahlungsresistente Speicher. Dies könnten Anwendung in strahlungsintensiven Umgebungen wie im Bereich der Luft- und Raumfahrt finden. Generell sind alle Arten ionisierender Strahlung natürlichen oder künstlichen Ursprungs eine Gefahr für die Mikroelektronik, da sie die Funktionalität von elektrischen Bauteilen beeinträchtigen können. Einen Extremfall stellen hierbei hochenergetische Schwerionen dar, welche sich durch ein hohes Ionisationspotential und hohe Eindringtiefen in Materie auszeichnen. So wurde zum Beispiel von induzierten Defekten und Phasenübergängen in HfO2 berichtet, was die Funktionsfähigkeit der neuartigen Speicher negativ beeinflussen könnte. Aktuell stecken alle neuen Speichertechnologien noch in den Kinderschuhen und sind noch nicht vollständig konkurrenzfähig mit etablierten Technologien, insbesondere in Bezug auf ein detailliertes Verständnis der Funktionsweise der neuartigen Speicher, der Herstellung in komplementären Metall-Oxid-Halbleiter (CMOS)-kompatiblen Prozessen und der Herstellungskosten. Um jedoch das volle Potenzial der neuartigen Speicher zu enthüllen und diese für verschiedene Anwendungen nutzbar zu machen, ist ein tieferes Verständnis der Materialeigenschaften sowie der grundlegenden physikalischen Schaltprozesse erforderlich. Dazu gehört auch ein besseres Verständnis der strahlungsinduzierten Phasenübergänge in den Materialien und der damit zusammenhängenden elektrischen Eigenschaften der neuartigen Speicher. Diesbezüglich muss die Forschung noch weiter vorangetrieben werden. In dieser Arbeit wurden deshalb unterschiedliche Einflüsse auf das Schaltverhalten verschiedener neuartiger Speichertechnologien, insbesondere HfO2-basierter resistiver und ferroelektrischer Speicher sowie Germanium-Antimon-Tellur (Ge-Sb-Te)-basierter Phasenwechselspeichern untersucht. Dabei wurden diese neuartigen Speicher auch mit Schwerionen bestrahlt, um den Einfluss der ionisierenden Strahlung auf das Material- und Schaltverhalten zu untersuchen. Für Studien an unbestrahlten HfO2-basierten Bauteilen wurden spezifische Modellsysteme hergestellt, die aus einzelnen Metall-Isolator-Metall (MIM)-Kondensatorstapeln bestehen. Dazu gehört auch das Dotieren von HfO2 Filmen mit Zr, um Hf0.5Zr0.5O2-basierte ferroelektrische Stapel zu erzielen, die einen der vielversprechendsten Kandidaten für ferroelektrische Speicheranwendungen darstellen. Weitere Studien wurden entwickelt, um den Einfluss der Zr-Dotierung, der Wahl des Elektrodenmaterials sowie der Oxidschichtdicke auf das Schaltverhalten von HfO2-basierten Zellen zu untersuchen (Pt/Hf0.5Zr0.5O2/Pt, Pt/HfO2/Pt and Cu/HfO2/Pt). Zur Herstellung Zr-dotierter Schichten wurde eine Wachstumsroutine erfolgreich etabliert, bei dem eine simultane Verdampfung von Hf und Zr in einem Molekularstrahlepitaxiesystem genutzt wurde, was die präzise Kontrolle der Filmzusammensetzung erlaubt. Die Studien zum resistiven Schalten haben keinen signifikanten Einfluss der Zr-Dotierung auf das Schaltverhalten der Memristoren gezeigt. Weiterhin wurde in Versuchen an Pt/HfO2/Pt und Cu/HfO2/Pt Zellen gezeigt, dass die resistiven Schaltprozesse eine starke Abhängigkeit von der Wahl des Elektrodenmaterials sowie der Schaltarten haben und dass diese den dominierenden Schaltmechanismus direkt beeinflussen. Während das Schalten in Pt/HfO2/Pt Zellen von einem thermochemischen Mechanismus dominiert wird, basiert das resistive Schalten in Cu/HfO2/Pt Bauteilen, welches die besten Schalteigenschaften aufwies, hauptsächlich auf einem elektrochemischen Mechanismus. Da eine zusätzliche Reduzierung der Dicke in elektrischen Bauteilen von großem Interesse ist, erweist sich eine Untersuchung der damit verbundenen Einflüsse auf die Schalteigenschaften als unerlässlich. In einer speziell angelegten Studie wurde festgestellt, dass der Schaltmechanismus in Cu/HfO2/Pt Speicherzellen unter bipolarem Widerstandsschalten von der Oxidschichtdicke abhängt. Zur Erklärung dieses Verhaltens wurde ein qualitatives Modell basierend auf einem von Joulescher Wärme unterstützten elektrochemischen Mechanismus entwickelt. Um den Einfluss ionisierender Strahlung auf verschiedene Speichermaterialien zu untersuchen, wurden HfO2- und Ge-Sb-Te-basierten Filme mit unterschiedlichen Zusammensetzungen und Kristallinitäten bzw. Kristallstrukturen hochenergetischen Au-Ionen ausgesetzt. Diese Studien wurden in enger Zusammenarbeit mit Projektpartnern von CEA-Leti und LTM CNRS (Grenoble, Frankreich) sowie vom Fraunhofer IPMS CNT (Dresden, Deutschland) durchgeführt. Die Bestrahlungsexperimente wurden am Helmholtzzentrum für Schwerionenforschung (Darmstadt, Deutschland) durchgeführt. Dies geschah in enger Kooperation mit der Materialforschungsgruppe von Prof. Dr. C. Trautmann. Durch die Kombination verschiedener Charakterisierungsmethoden wie Röntgenbeugung, Röntgenphotoelektronenspektroskopie und verschiedener Methoden der Rastertransmissionselektronenmikroskopie, konnte ein verbessertes Verständnis der grundlegenden Mechanismen der auftretenden Phasenübergänge erzielt werden. Unterstützt wurde dies durch den direkten Vergleich von bestrahlten mit defizitär gewachsenen (unbestrahlten) HfO2-x-Filmen unterschiedlicher Stöchiometrie und kristallinen Struktur. Diese Filme wurden unter Verwendung einer reaktiven Molekularstrahl-Epitaxie-Anlage gewachsen, welche die präzise Steuerung des Sauerstoffgehalts ermöglicht. In monoklinen HfO2-Filmen wurde ein Phasenübergang (von kristallin zu kristallin) basierend auf induzierten Sauerstoffvakanzen zu einer rhomboedrischen Phase von Hafniumoxid gefunden. Es wurde festgestellt, dass dieser Phasenübergang von einer deutlichen Kornfragmentierung bei hohen Fluenzen begleitet wird. In diesem Zusammenhang wurde in Zusammenarbeit mit der Elektronenmikroskopie-Forschungsgruppe von Prof. Dr. L. Molina-Luna eine spezielle Routine zu Verarbeitung und Analyse (pattern matching) zur Analyse eines aufgenommenen, komplexen Rasterpräzessionselektronenbeugungs-Datensatzes entwickelt. Dies erlaubte die Untersuchung des Phasenübergangs mit hoher räumlicher Auflösung. Die Bestrahlung von Zr- und Si-dotiertem ferroelektrischem HfO2 sowie in Ge2Sb2Te5 (GST) und Ge-reichen GST (GGST)-Phasenwechselschichten zeigten ähnliche strahlungsinduzierte Phasenübergänge. Während in ferroelektrischen HfO2-basierten Schichten der aufgezeigte Übergang von einer polaren zu einer unpolaren Phase stattfand, konnten unterschiedliche Phasenübergänge, die in Ge-Sb-Te-basierten Schichten gefunden wurden, mit strahlinduzierten Brüchen der chemischen Bindung sowie deren Bildung in Zusammenhang gebracht werden. Die strukturellen Untersuchungen haben gezeigt, dass bei allen getesteten Speichermaterialien die Bestrahlungseffekte stark von der anfänglichen Kristallinität bzw. Kristallstruktur, der Zusammensetzung und der Mikrostruktur der Schichten abhängen. Darüber hinaus konnten die auftretenden Phasenübergänge direkt mit den Ergebnissen aus elektrischen Messungen an Speicherbauteilen in Verbindung gebracht werden. Bei der Untersuchung der Oxid- sowie Phasenwechselmaterial-basierten Direktzugriffsspeicher (OxRAM und PCRAM) wurde festgestellt, dass strahlinduzierte Effekte auf die Zugriffstransistoren der 1T1R-Arrays den Ausfallmechanismus bei Fluenzen über 5×1010 Ionen/cm² dominieren, wobei sich die neuartigen Speicherzellen als sehr strahlungshart herausgestellt haben, solange keine Phasenübergänge in den Schichten auftreten. In ferroelektrischen Kondensatoren konnte der induzierte Phasenübergang von einer polaren zu einer unpolaren Phase sogar durch Zyklieren des elektrischen Feldes umgekehrt werden. Somit erwiesen sich alle getesteten Speichertypen als äußerst strahlungsresistent. Es wurde gezeigt, dass eine Kombination verschiedener Charakterisierungsmethoden zur Untersuchung der Kristallstruktur und Materialzusammensetzung mit elektrischen Untersuchungen an Bauteilen erforderlich ist, um ein umfassendes Verständnis der auftretenden Änderungen zu erzielen. Dies kann auch als Richtlinie für die Charakterisierung und Interpretation komplexer strahlungsinduzierter Effekte in neuartigen nichtflüchtigen Speichern empfohlen werden. Insgesamt liefert diese Arbeit ein verbessertes Verständnis der resistiven Schaltphänomene und der grundlegenden Mechanismen von Bestrahlungseffekten in den getesteten HfO2- und Ge Sb Te-basierten neuartigen Speichertypen. Dies ist wichtig, da diese Speichertechnologien vielversprechende Kandidaten für zukünftige Speicheranwendungen sind, die bestehende Speichertechnologien ersetzen oder ergänzen können. In diesem Zusammenhang liefert diese Arbeit nützliches Wissen für die Entwicklung neuer Strategien zur Herstellung und Charakterisierung neuartiger Speicher.

Uncontrolled Keywords: resistive switching, heavy ion irradiation, emerging memories, phase-change memory, ferroelectric memory, resistive memory
Status: Publisher's Version
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-232636
Classification DDC: 500 Science and mathematics > 500 Science
500 Science and mathematics > 530 Physics
500 Science and mathematics > 540 Chemistry
600 Technology, medicine, applied sciences > 620 Engineering and machine engineering
Divisions: 11 Department of Materials and Earth Sciences > Material Science
11 Department of Materials and Earth Sciences > Material Science > Advanced Thin Film Technology
Date Deposited: 14 Mar 2023 13:09
Last Modified: 14 Mar 2023 13:59
URI: https://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/id/eprint/23263
PPN: 505929457
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