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X-ray photoelectron spectroscopy investigations of resistive switching in Te-based CBRAMs
Munique Kazar Mendes
Thu, Oct. 04th 2018, 00:00
Bât 774, Amphi Claude Bloch, Orme des Merisiers

Manuscrit de la thèse


Résumé :

Les mémoires à pont conducteur (CBRAM) sont une option actuellement étudiée pour la prochaine génération de mémoires non volatiles. Le stockage des données est basé sur la commutation de la résistivité entre les états de résistance élevée (HRS) et faible (LRS). Sous polarisation électrique, on suppose qu'un trajet conducteur est créé par la diffusion des ions de l'électrode active dans l'électrolyte solide. Récemment, une attention particulière a été portée sur les dispositifs contenant un élément semi-conducteur tel que le tellure, fonctionnant avec des courants réduits et présentant moins de défaillances de rétention. Dans ces "subquantum CBRAMs", le filament est censé contenir du tellure, ce qui donne une conductance de 1 atome (G₁atom) significativement réduite par rapport aux CBRAMs standard et permettant ainsi un fonctionnement à faible puissance.

Dans cette thèse, nous utilisons la spectroscopie de photoélectrons par rayons X (XPS) pour étudier les réactions électrochimiques impliquées dans le mécanisme de commutation des CBRAMs à base de Al₂O₃ avec des alliages ZrTe et TiTe comme électrode active. Deux méthodes sont utilisées :

  • i) spectroscopie de photoélectrons par rayons X de haute énergie non destructive (HAXPES) pour étudier les interfaces critiques entre l'électrolyte (Al₂O₃) et les électrodes supérieure et inférieure, et
  • ii) les faisceaux d'ions à agrégats gazeux (GCIB), une technique de pulvérisation qui conduit à une dégradation plus faible de la structure, avec un profilage en profondeur XPS pour évaluer les distributions des éléments en profondeur.

Des mesures ToF-SIMS sont également effectuées pour obtenir des informations complémentaires sur la répartition en profondeur des éléments. Le but de cette thèse est de clarifier le mécanisme de changement de résistance et de comprendre les changements chimiques aux deux interfaces impliquées dans le processus de "forming" sous polarisation positive et négative ainsi que le mécanisme de "reset". Pour cela, nous avons effectué une comparaison entre le dispositif vierge avec un état formé, i.e. l'échantillon après la première transition entre HRS et LRS et un état reset, i.e. l'échantillon après la première transition entre LRS et HRS.

L'analyse du" forming" positif pour les dispositifs ZrTe / Al₂O ₃ a montré une libération de Te liée à l’oxydation de Zr due au piégeage de l'oxygène de l'Al₂O ₃ sous l’effet du champ électrique. D'autre part, pour les dispositifs TiTe / Al₂O₃, la présence d'une couche importante d'oxyde de titane à l'interface avec l'électrolyte a provoqué une dégradation permanente de la cellule en polarisation positive. Pour le "forming" négatif, nos résultats montrent un mécanisme hybride, à savoir une combinaison de formation de lacunes d'oxygène dans l'oxyde provoquée par la migration de O2- entraîné par le champ électrique vers l'électrode inférieure et la libération de tellure pour former des filaments conducteurs. De plus, les résultats obtenus par profilométrie XPS et ToF-SIMS ont indiqué une possible diffusion de Te dans la couche d'Al₂O ₃. Lors du "reset", il y a une recombinaison partielle des ions oxygène avec les lacunes d'oxygène près de l'interface TiTe / AlAl₂O ₃ avec une perte de Te. Un mécanisme hybride a également été observé sur les dispositifs ZrTe / Al₂O ₃ pendant le "forming" négatif. En tenant compte du rôle important de la migration d'oxygène dans la formation / dissolution des filaments, nous discutons également des résultats obtenus par XPS avec polarisation électrique in- situ (sous ultravide) pour mieux comprendre le rôle de l'oxydation de surface et des interfaces dans la commutation résistive.

Mots clés : CBRAMs, RRAM, Spectroscopie de photoélectrons, Chimie de l'interface, HAXPES.


X-ray photoelectron spectroscopy investigations of resistive switching in Te-based CBRAMs

Abstract:

Conducting bridging resistive random access memories (CBRAMs) are one option currently investigated for the next generation of non-volatile memories. Data storage is based on switching the resistivity between high (HRS) and low (LRS) resistance states. Under electrical bias,a conductive path is assumed to be created by ions diffusion from the active electrode into the solid electrolyte. Recently, special attention has been drawn to devices containing an elemental semiconductor such as tellurium, operating with reduced currents and less retention failures. In these subquantum CBRAM cells, the filament is thought to contain tellurium , yielding a 1-atomconductance (G₁atom) significantly reduced compared to standard CBRAMs and thus allowing low power operation.

In this thesis, we use X-ray photoelectron spectroscopy (XPS) to learn about electrochemical reactions involved in the switching mechanism of Al₂O₃ based CBRAMs with ZrTe and TiTe alloys as active electrode. Two methods are used:

  • i) non-destructive Hard X-ray photoelectron spectroscopy (HAXPES) to investigate the critical interfaces between the electrolyte (Al₂O₃) and the top and bottom electrodes and
  • ii) Gas Cluster Ion Beams (GCIB), a sputtering technique that leads to lower structure degradation, combined with XPS depth profiling to evaluate chemical depth distributions.

ToF SIMS measurements are also performed to get complementary in-depth chemical information.

The aim of this thesis is to clarify the driving mechanism and understand the chemical changes at both interfaces involved in the forming process under positive and negative polarization as well as the mechanism of the reset operation. For that, we performed a comparison between as-grown state, i.e. the pristine device with a formed state, i.e. the sample after the first transition between HRS and LRS, and reset state, i.e. the sample after the first transition between LRS and HRS.

Keywords: CBRAM, RRAM, Photoelectron spectroscopy, Interface chemistry, HAXPES.

Contact : Nick BARRETT

 

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