Resistive Switching in Hf0.5Zr0.5O2 ferroelectric tunnel junctions

Abstract

El requisit de sistemes informàtics i d’emmagatzematge de dades d’alt rendiment en l’era de l’Internet de les coses (IOT) aconsegueix els límits de la tecnologia actual. Les memòries flaix DRAM i NAND presenten importants desavantatges com la volatilitat de les dades i limitacions de velocitat. D’altra banda, el coll d’ampolla de von Neumann limita el rendiment informàtic a l’imposar una limitació física per a la comunicació entre les parts de l’ordinador. S’han proposat noves tecnologies de memòria, com ReRAM, en dispositius alternatius que combinen alt rendiment, baix preu i alta densitat. Un tipus prometedor d’ReRAM és una unió de túnel ferroelèctric (FTJ), que és composta per una capa ultrafina de material ferroelèctric intercalat entre dos elèctrodes metàl·lics. La direcció de la polarització (P) modula les propietats de barrera a la interfície amb els electrodes, canviant la conductivitat dels electrons. Els estats d’alta i baixa resistència (HRS i LRS, respectivament) es poden estabilitzar en el dispositiu invertint P. Per tant, la informació es pot escriure aplicant un pols extern de voltatge per polaritzar la mostra en una direcció particular i emmagatzemar-la en la seva resistència. No obstant això, altres efectes impulsats pel camp elèctric també poden causar commutació resistiva en FTJ. Aquesta tesi té com a objectiu explorar els fenòmens de variació resistiva en unions de túnels ferroeléctricos de Hf0.5Zr0.5O2 que es poden utilitzar en l’emmagatzematge de dades d’alta eficiència. Òxids basats en HfO2 han estat utilitzats durant dècades com a elements en ReRAM causa de la seva canvi de resistència causat per reaccions redox. No obstant això, el descobriment de la ferroelectricidad al HfO2 dopat obre les portes per utilitzar la inversió de polarització com a fenomen per controlar la resistència i, per tant, per escriure informació. Aquí, s’utilitzen capes epitaxials d’HZO amb un gruix inferior a 5 nm. Anàlisi elèctrics i estructurals han permès identificar la coexistència de la inversió ferroelèctrica genuïna i moviment iònic com a mecanismes per induir canvis de resistència en el mateix elèctrode. Es va trobar que la variació de resistència causada per moviment iònic s’aprofita de les fronteres de gra incoherents entre les fases de gra ortorrómbica (ferroelèctrica) i monoclínica (paraeléctrica). A l’dissenyar la microestructura de la capa, utilitzant un substrat amb un paràmetre de xarxa diferent, s’optimitza la variació de resistència per inversió ferroelèctrica i se suprimeix el moviment iònic. A més, a l’segellar les fronteres de gra amb una capa dielèctrica addicional augmentar la finestra de voltatge d’escriptura per a la variació resistiva purament ferroelèctrica i va afectar significativament el rendiment de l’aparell. Capes ultrafines (2 nm) de HZO van ser crescudes en substrats scandate per demostrar robustes propietats memristivas. Es demostren cicles de potenciació / depressió reproduïbles i mesuraments de spike-timing-dependent plasticity (STDP). Aquests resultats, combinats amb la compatibilitat de les capes de HZO amb la tecnologia CMOS actual, la producció amigable amb el medi ambient i el bon rendiment, mostren que les unions de túnel ferroelèctriques de HZO són alternatives viables per a la seva aplicació en memòries no volàtils. A més, les propietats memristivas fonamentals de la modulació de la conducció mostren que poden usar-se en dispositius amb inspiració neuromòrfica.

El requisito de sistemas informáticos y de almacenamiento de datos de alto rendimiento en la era del Internet de las cosas (IoT) alcanza los límites de la tecnología actual. Las memorias flash DRAM y NAND presentan importantes desventajas como la volatilidad de los datos y limitaciones de velocidad. Por otro lado, el cuello de botella de von Neumann limita el rendimiento informático al imponer una limitación física para la comunicación entre las partes del ordenador. Se han propuesto nuevas tecnologías de memoria, como ReRAM, en dispositivos alternativos que combinan alto rendimiento, bajo precio y alta densidad.

Un tipo prometedor de ReRAM es una unión de túnel ferroeléctrico (FTJ), que és compuesta por una capa ultrafina de material ferroeléctrico intercalado entre dos electrodos metálicos. La dirección de la polarización (P) modula las propiedades de barrera en la interfaz con los electrodes, cambiando la conductividad de los electrones. Los estados de alta y baja resistencia (HRS y LRS, respectivamente) se pueden estabilizar en el dispositivo invirtiendo P. Por lo tanto, la información se puede escribir aplicando un pulso externo de voltaje para polarizar la muestra en una dirección particular y almacenarla en su resistencia. Sin embargo, otros efectos impulsados por el campo eléctrico también pueden causar conmutación resistiva en FTJ. Esta tesis tiene como objetivo explorar los fenómenos de variación resistiva en uniones de túneles ferroeléctricos de Hf0.5Zr0.5O2 que se pueden utilizar en el almacenamiento de datos de alta eficiencia.

Óxidos basados en HfO2 han sido utilizados durante décadas como elementos en ReRAM debido a su cambio de resistencia causado por reacciones redox. Sin embargo, el descubrimiento de la ferroelectricidad en el HfO2 dopado abre las puertas para utilizar la inversión de polarización como fenómeno para controlar la resistencia y, por lo tanto, para escribir información. Aquí, se utilizan capas epitaxiales de HZO con un grosor inferior a 5 nm. Análisis eléctricos y estructurales han permitido identificar la coexistencia de la inversión ferroeléctrica genuina y movimiento iónico como mecanismos para inducir cambios de resistencia en el mismo electrodo. Se encontró que la variación de resistencia causada por movimiento iónico se aprovecha de las fronteras de grano incoherentes entre las fases de grano ortorrómbica (ferroeléctrica) y monoclínica (paraeléctrica). Al diseñar la microestructura de la capa, utilizando un sustrato con un parámetro de red diferente, se optimiza la variación de resistencia por inversión ferroeléctrica y se suprime el movimiento iónico. Además, al sellar las fronteras de grano con una capa dieléctrica adicional aumentó la ventana de voltaje de escritura para la variación resistiva puramente ferroeléctrica y afectó significativamente el rendimiento del dispositivo.

Capas ultrafinas (2 nm) de HZO fueron crecidas en sustratos scandate para demostrar robustas propiedades memristivas. Se demuestran ciclos de potenciación/depresión reproducibles y mediciones de spike-timing-dependent plasticity (STDP). Estos resultados, combinados con la compatibilidad de las capas de HZO con la tecnología CMOS actual, la producción amigable con el medio ambiente y el buen rendimiento, muestran que las uniones de túnel ferroeléctricas de HZO son alternativas viables para su aplicación en memorias no volátiles. Además, las propiedades memristivas fundamentales de la modulación de la conducción muestran que pueden usarse en dispositivos con inspiración neuromórfica.

The requirement for high-performance data storage and computing systems in the Internet of Things (IoT) era reaches the limits of the current technology. DRAM and NAND flash memories show significant drawbacks as data volatility and limitations of speed. On the other hand, Von Neumann bottleneck limits computing performance by imposing a physical limitation for communication between parts of the computer. New memory technologies, like resistive random-access memory (ReRAM), have been proposed as alternative devices that combine high performance, low price, and high density.

One promising type of ReRAM is a ferroelectric tunnel junction (FTJ), which is composed of an ultrathin layer of ferroelectric material sandwiched between two metallic electrodes. The ferroelectric polarization (P) direction modulates the barrier properties at the interface with the electrodes, changing electrons' conductivity. A high and low resistance states (HRS and LRS, respectively) can be stabilized in a device by reversing P. Therefore, information can be written by applying an external voltage pulse to polarize the sample in one particular direction and store in its resistance. Nevertheless, other electric field-driven effects can also cause resistive switching in FTJ. This thesis aims to explore the resistive switching phenomena in Hf0.5Zr0.5O2 ferroelectric tunnel junctions that could be used in highly efficient data storage.

HfO2-based oxides have been explored as ReRAM elements due to their resistance change caused by redox reactions. However, the discovery of ferroelectricity in doped-HfO2 opens doors to use polarization reversal as a phenomenon to control the resistance and, therefore, to writing information. Here, epitaxial HZO films with a thickness smaller than 5 nm are used. Electrical and structural analyses have allowed identifying the coexistence of genuine ferroelectric switching and ionic-like motion as mechanisms to induce resistance change in the same junction. It was found that ionic-motion-driven resistive switching takes advantage of incoherent grain boundaries between orthorhombic (ferroelectric) phase and monoclinic (paraelectric) phase grains. By engineering the film's microstructure, using a substrate with a different in-plane lattice parameter, the ferroelectric switching was optimized, and the ionic motion was suppressed. Also, sealing the grain boundaries with an extra dielectric layer increased the writing voltage window for purely ferroelectric switching and significantly impacted device performance.

Ultrathin (2 nm) HZO films grown on scandate substrates were used to demonstrate robust memristive properties associated with polarization reversal. Reproducible potentiation/depression cycles and spike-timing-dependent plasticity (STDP) measurements were demonstrated. These results, combined with HZO films' compatibility with current CMOS technology, environmentally friendly production, and good performance, show HZO tunnel junctions are feasible alternatives for application in non-volatile memories. Also, memristive properties of modulation of conduction show they can be used in neuromorphic inspired devices.