Memorias resistivas en interfases óxido-metal

• Autores: Schulman, Alejandro Raúl
• Año de publicación: 2015
• Idioma: español castellano
• Tipo de recurso: tesis doctoral
• Colaborador/a o director/a de tesis: Acha, Carlos Enrique; Boudard, Michel
• Materia: CONMUTACION RESISTIVA; MECANISMOS DE CONDUCCION; DIFUSION DE OXIGENO; RELAJACIONES TEMPORALES; EFECTOS DE FATIGA; RESISTIVE SWITCHING; CONDUCTION MECHANISM; OXYGEN DIFFUSION; TIME RELAXATION; FATIGUE EFFECTS
• Institución: Universidad Nacional de Buenos Aires. Facultad de Ciencias Exactas y Naturales

Las memorias resistivas están entre los principales candidatos a ser utilizadoscomo elementos en una nueva generación de memorias no volátiles. Esto se debe asu bajo consumo energético, una alta velocidad de lectura/escritura y a la posibilidadde lograr memorias de alta densidad compatibles con los procesos de la tecnología CMOS actual (por sus siglas en inglés: Complementary Metal–Oxide–Semiconductor). El funcionamiento de estas memorias se basa en la conmutación resistiva (CR), que consiste en el cambio controlado de la resistencia de una interfase metalóxidoa través de estímulos eléctricos. Si bien hasta el presente no se ha podidodeterminar con certeza el mecanismo físico que controla la CR, se piensa que estábasado en el movimiento de vacancias de oxígeno que formarían de manerareversible zonas de alta/baja conducción dentro del óxido. La presente tesis tiene como objetivo principal entender los mecanismosfísicos que gobiernan a la CR y poner en evidencia algunos de los aspectos esencialesque pueden contribuir a lograr dispositivos útiles desde el punto de vista tecnológico. Para ello se han realizado estudios de las características principales de la CRpara distintas interfases metal-óxido a distintas condiciones de temperatura. Se hanutilizado Au, Pt y Ag como metales y los siguientes óxidos complejos YBa2Cu3O7–δ (YBCO), La0.67Sr0.33MnO3 (LSMO) y La0.7Sr0.3CoO3 (LSCO). Se han elegido estos óxidoscomplejos debido a que presentan características similares, como ser materialesfuertemente correlacionados con una estructura cristalina tipo perovskita y una altamovilidad de oxígenos, lo que afecta muchas de sus propiedades físicas, ya quedependen fuertemente de la estequiometría. Nuestros resultados han demostrado la existencia de una CR bipolar en todosestos sistemas. Ésta es explicada satisfactoriamente a través de un modelo dedifusión de vacancias de oxígeno asistidas por campo eléctrico. Se han caracterizado las interfases como dispositivos de memoria, estudiandosus mecanismos de conducción, encontrándose una conducción dominada por unmecanismo del tipo Poole-Frenkel para la muestra de YBCO y una conducción del tipo SCLC para el LSCO y el LSMO. Adicionalmente, se ha conseguido una alta durabilidady repetitividad en el funcionamiento de estas junturas como dispositivos de memoria, gracias a la optimización en el protocolo utilizado para escribir/borrar, lográndosemás de 103 conmutaciones consecutivas sin fallas en dispositivos bulk. También se ha estudiado el efecto de la acumulación de pulsos idénticos enlas interfases obteniéndose una relación entre la amplitud de la CR y el número depulsos aplicado a amplitud y temperatura fijas. Luego de someter la interfase a ciclosde fatiga eléctrica, se ha encontrado una similitud entre la evolución de la resistenciaremanente en esta con la propagación de defectos en un metal sometido a pruebasde fatiga mecánica. Esta relación puede ser usada como base para generar unalgoritmo de corrección de errores y para mejorar la efectividad y el consumo deenergía de estos dispositivos de memoria. Finalmente, se han realizado estudios sobre la evolución temporal de cadaestado de resistencia. Hemos demostrado que sigue una ley exponencial estirada conun exponente cercano a 0.5 y un tiempo característico dado, que depende tanto dela temperatura como de la potencia utilizada. Estos resultados implican que laevolución temporal no está dominada por un proceso estándar de difusióntérmicamente activado. La difusión de vacancias de oxígeno ocurre en una superficiecon una densidad de trampas que depende de la temperatura, donde dicha superficiecorrespondería físicamente a los bordes de grano del óxido.
Resistive Random Access Memories (RRAM) have attracted significantattention recently, as they are considered as one of the most promising candidatesfor the next generation of non-volatile memory devices. This is due to its low powerconsumption, fast switching speed and the ability to become a high density memorycompatible with the conventional Complementary Metal–Oxide–Semiconductor (CMOS) processes. The working principle of this kind of memories is the resistive switching (RS)phenomenon which is simply the controlled reversible change in the resistivity of ajunction generated by an external electric field. It has been proposed that the RS iscoupled with the migration of oxygen vacancies generating a reversible conductionpath inside the oxide. Many experiments have been done to address the switchingmechanism during the last decade without any conclusive answer of what is thephysical mechanism beneath RS. The main goal of the present work is to understand the physical mechanismthat controls the RS and to point out which are the key parameters that can helpimprove the performance of the memory devices from a technological point of view. In this dissertation we report on the studies of RS in different interfacesmetal/oxide where we have utilized gold, silver and platinum as metal and as complexoxides: YBa2Cu3O7–δ (YBCO), La0.67Sr0.33MnO3 (LSMO) and La0.7Sr0.3CoO3 (LSCO). These oxides have been chosen because all of them are strongly correlatedcompounds with physical properties strongly dependent of their oxygenstoichiometry. They also have a similar crystalline structure (perovskite type) and ahigh oxygen mobility. Our results show that bipolar RS on all these systems is satisfactorilyexplained by a model of electric assisted diffusion of oxygen vacancies. We alsocharacterize the conduction mechanism of the junctions. We show that, while the behavior of the metal/LSCO and metal /LSMO interfaces are consistent with spacecharge limited conduction (SCLC), conduction in the metal/YBCO interface isconsistent with Poole-Frenkel transport. Feasibility of memory devices based on thejunctions under study has been tested. In particular, we present an algorithm that,while reaching high repeatability of resistance values in over 103 successful switchingevents, optimizes power consumption. We have also studied the effects of accumulating cyclic electrical pulses ofincreasing amplitude on the non-volatile resistance state of the junctions. We havefound a relation between the RS amplitude and the number of applied pulses, at afixed amplitude and temperature. This relation remains very similar to the Basquinequation used to describe the stress-fatigue lifetime curves in mechanical tests. Thispoints out to the similarity between the physics of the RS and the propagation ofdefects in materials subjected to repeated mechanical stress. This relation can beused as the basis to build an error correction scheme. Finally, we have analyzed the time evolution of the remnant resistive state inthe oxide-metal interfaces. The time relaxation can be described by a stretchedexponential law that is characterized by a power exponent close to 0.5. We foundthat the characteristic time increases with increasing temperature and applied powerwhich means that this is not a standard thermally activated process. The results area clear evidence of the relation between RS and the diffusion of oxygen vacancies ona surface with a temperature-dependent density of trapping centers, which maycorrespond, physically, to the diffusion along grain boundaries.
Fil: Schulman, Alejandro Raúl. Universidad de Buenos Aires. Facultad de Ciencias Exactas y Naturales; Argentina.