Resistive switching em filmes finos de óxidos de silício e zicórnio

Abstract

As memórias ReRAM, acrónimo de resistive (switching) random access me-mories, apresentam-se como candidatas a liderar a nova geração de memórias não voláteis e baseiam-se na comutação elétrica da resistência de um material, fenómeno conhecido por resistive switching (RS). A investigação do RS em estruturas que incorporam materiais compatíveis com a tecnologia CMOS, atualmente a tecnologia dominante na fabricação de circuitos integrados, como o óxido de silício ou o óxido de zircónio, poderá facilitar uma futura introdução no mercado de dispositivos baseados neste fenómeno. Nesta dissertação, estruturas Au/óxido/TiN, obtidas pela deposição de lmes nos de óxidos de silício e de zircónio por pulverização catódica assistida por magnetrão, foram estudadas através de medidas de características corrente tensão (I 􀀀 V ) e espectroscopia de impedância (IS). Nas estruturas com SiOx, as características I 􀀀 V exibem RS com aspecto bipolar, com razões entre a resistência no estado de alta resistência (HRS) e no estado de baixa resistência (LRS) superiores a 100, para uma tensão de 1 V. O RS observado é sensível à exposição do elétrodo de Au à atmosfera, condição que promove o RS. A tensão necessária para induzir a transição do estado HRS para o estado LRS aumenta com a diminuição do tempo em que é aplicada. A diminuição da temperatura provoca uma diminuição da resist ência no estado LRS e um aumento da mesma no estado HRS, sendo este último descrito pela ativação térmica de portadores de carga, com energias de ativação de 0,46 e 4,3 meV na região de 6 a 130 K. A dependência fraca da resistência com a área dos elétrodos de Au e a invariância da capacidade da estrutura de estado para estado sugerem que o mecanismo responsável pelo RS é de carácter lamentar. Dada a importância do oxigénio, a criação e disrupção dos lamentos deve envolver reações de oxidação e redução. As estruturas com ZrO2 também exibem RS com aspecto bipolar, com uma razão de cerca de 100 entre a resistência no estado HRS e LRS, a 1 V. No entanto, a exposição à atmosfera tem um efeito contrário ao observado com o SiOx, já que faz diminuir consideravelmente a razão entre estas resistências. A obtenção de uma razão maior com a utilização de medições pulsadas evidencia a existência de processos concorrenciais no RS. Os espectros de imped ância mostram um comportamento semelhante às estruturas com SiOx, embora se veri que uma maior dependência com a área dos elétrodos, o que inviabiliza um modelo baseado na criação e disrupção de um lamento único. A adição de uma camada de óxido de germânio (GeOx) entre o elétrodo de Au e o lme de ZrO2 melhora a repetibilidade das características I 􀀀 V .

The ReRAM, acronym of resistive (switching) random access memories, are candidates to lead the new generation of non-volatile memories and are based on a phenomenon known as resistive switching (RS). Research on RS in structures containing materials that are compatible with the CMOS technology, nowadays the leading technology in the fabrication of integrated circuits, such as silicon oxide or zirconium oxide, may favour the future market introduction of RS-based devices. In this dissertation, Au/oxide/TiN structures, obtained by magnetron sputtering deposition of thin lms of silicon and zirconium oxides, were investigated by means of current voltage (I 􀀀 V ) characteristics and impedance spectroscopy (IS). In the SiOx strucuture, the I 􀀀 V characteristics exhibit bipolar-like RS, with a ratio between the resistances of the high resistance state (HRS) and the low resistance state (LRS) larger than 100, at 1 V read voltage. The observed RS is sensitive to the Au electrode exposure to the atmosphere, that enhances the RS. A decrease in the voltage application time leads to an increase in the voltage required to induce the transition from HRS to LRS. Whereas the LRS's resistance decreases with decreasing temperature, in the HRS the resistance increases as the temperature drops. The latter state's resistance temperature dependence is described by a thermal activation of charge carriers, with activation energies of 0.46 and 4.3 meV in the 6 to 130 K temperature region. The weak dependence of the resistance with the Au electrode area and the invariance of the structure's capacitance between the states suggest a lamentary mechanism for the observed RS. Due to the oxygen's in uence on the RS, the creation and disruption of the laments should involve redox reactions. The ZrO2 structures also exhibit bipolar-like RS, with a ratio of ca. 100 between the resistance of the HRS and of the LRS, read at 1 V. However, the atmospheric exposure decreases the above mentioned ratio, having the opposite e ect on the RS, relatively to the SiOx case. The increase in this ratio via pulsed measurements evidences the existence of competing processes in the RS. The impedance spectra show a similar behavior between this structures and the SiOx ones, even though there is a bigger dependence on the electrode area, behavior that deviates from a single lament model. The addition of a germanium oxide (GeOx) layer between the Au electrode and the ZrO2 lm enhances the repeatibility of the I 􀀀 V characteristics.