Diseño, fabricación y caracterización de dispositivos de conmutación resistiva basados en estructuras TiN/Ti/HfO2/W

Abstract

Als darrers anys s’ha generat un gran interès pels dispositius de commutació resistiva degut al potencial que presenten per revolucionar el món de l’electrònica. Aquesta tesi doctoral se centra en el disseny, la fabricació i la caracterització d’aquests dispositius amb una combinació concreta de materials, TiN/Ti/HfO2/W, que permeten una integració total amb les actuals tecnologies de fabricació nano i microelectrónica i que presenten un tipus de commutació resistiva bipolar basada en la creació i dissolució parcial de filaments conductors nanomètrics.

Després d’un primer capítol en el que s’introdueix el fenomen de la commutació resistiva i els mecanismes físics que la fan possible, al segon capítol es descriu el procés de fabricació que s’ha fet servir en aquesta tesi per a obtenir aquest tipus de dispositius mitjançant dues configuracions constructives diferents, en creuament i aïllada. Posteriorment, i desprès de mostrar els dispositius obtinguts i la seva caracterització física, s’indiquen els resultats experimentals sobre el seu comportament elèctric. Als dos capítols següents s’estudien les característiques de la commutació resistiva bipolar d’aquests dispositius individualment mitjançant l’aplicació de cicles d’escombrat de voltatge mitjançant rampes i de cicles de trens de polsos, tant en seqüencies amb paràmetres elèctrics constants (capítol 3) o modificats automàticament cicle a cicle per tal d’avaluar la resposta multinivell (capítol 4). Seguidament, es presenta l’anàlisi del comportament elèctric de l’associació en antiserie de dos dispositius, associació que dóna lloc al fenomen conegut com a commutació resistiva complementaria (capítol 5). Per a completar l’estudi d’aquests dispositius, al capítol 6 es proposa una nova metodologia per analitzar la naturalesa física del filament conductor, metodologia que permet localitzar el filament i classificar-lo per tal de conèixer l’estat elèctric del dispositiu abans de realitzar el procediment experimental. A continuació, al capítol 7 es presenta el disseny d’un conjunt de màscares fotolitogràfiques per a poder fabricar nous dispositius, tant simples como complexes (amb dues o més cel·les MIM per dispositiu), fent servir tres tipus de configuració: en creuament, aïllada i en creuament aïllat, que és una combinació de les dues primeres. A més a més, es mostren els resultats de la caracterització física i elèctrica dels dispositius fabricats amb aquest nou conjunt de màscares. Finalment, al vuitè capítol es recullen les conclusions més rellevants dels resultats obtinguts al llarg del desenvolupament de la tesi.

En los últimos años se ha suscitado un gran interés por los dispositivos de conmutación resistiva debido al potencial que poseen para revolucionar el mundo de la electrónica. Esta tesis se centra en el diseño, la fabricación y la caracterización de estos dispositivos con una combinación concreta de materiales, TiN/Ti/HfO2/W, que permiten una integración total con las actuales tecnologías de fabricación nano y microelectrónica y que presentan un tipo de conmutación resistiva bipolar basada en la creación y disolución parcial de filamentos conductores nanométricos.

Después de un primer capítulo en el que se introduce el fenómeno de la conmutación resistiva y los mecanismos físicos que la hacen posible, en el segundo capítulo se describe el proceso de fabricación seguido para obtener este tipo de dispositivos mediante dos configuraciones constructivas diferentes, en cruce y aislada. Posteriormente, después de mostrar los dispositivos obtenidos y la caracterización física de estos, se indican los resultados experimentales sobre su comportamiento eléctrico. Durante los dos siguientes capítulos se estudian las características de la conmutación resistiva bipolar que exhiben estos dispositivos individualmente mediante la aplicación de ciclos de barrido de voltaje mediante rampas y de ciclos de trenes de pulsos, ya sea en secuencias bajo parámetros eléctricos constantes (capítulo 3) o modificados automáticamente ciclo a ciclo para evaluar su respuesta multinivel (capítulo 4). Seguidamente, se analiza el comportamiento eléctrico de la asociación en antiserie de dos dispositivos, asociación que da lugar al fenómeno conocido como conmutación resistiva complementaria (capítulo 5). Para completar el estudio de estos dispositivos, en el capítulo 6 se indaga sobre la naturaleza física de su filamento conductor mediante una nueva metodología que permite localizarlo y clasificarlo para averiguar el estado eléctrico de cualquier dispositivo antes de realizar el procedimiento experimental. A continuación, en el capítulo 7 se presenta el diseño de unas nuevas máscaras fotolitográficas para poder realizar la fabricación de nuevos dispositivos, tanto simples como complejos (con dos o más celdas MIM por dispositivo), usando tres tipos de configuración: en cruce, aislada y en cruce aislado, que es una combinación de las dos primeras; además se muestran los resultados de la caracterización física y eléctrica realizada a estos nuevos dispositivos. Finalmente, en el octavo capítulo se recogen las conclusiones más relevantes de los resultados obtenidos en el desarrollo de la tesis.

In recent years, there has been a great interest in resistive switching devices due to their potential to revolutionize the world of electronics. This thesis focuses on the design, fabrication and characterisation of this type of devices with a specific combination of materials, TiN/Ti/HfO2/W, which allows full integration with current nano and microelectronic fabrication technologies and shows bipolar resistive switching that is based on the creation and partial dissolution of nanometric conductive filaments.

After a first chapter in which the phenomenon of resistive switching and the physical mechanisms that make it possible are introduced, in the second chapter the fabrication process to obtain this type of devices with two different constructive configurations, cross-point and isolated, is described. Subsequently, after showing the fabricated devices and their physical characterisation, the experimental results of their electrical behaviour are indicated. During the next two chapters, the bipolar resistive switching characteristics exhibited by these devices are studied by applying voltage sweep cycles by means of ramps, and train pulses cycles, either in sequences under constant electrical parameters (chapter 3) or automatically modified, cycle by cycle, to evaluate their multilevel response (chapter 4). Next, the electrical behaviour of the anti-series association of two devices is analysed, a combination which gives rise to the so-called phenomenon complementary resistive switching (chapter 5). To complete the study of these devices, in chapter 6 the physical nature of their conducting filament is investigated by means of a new methodology that allows to locate and classify them in order to find out the electrical state of the device before carrying out the experimental procedure. Then, in chapter 7 the design of new photolithographic masks is presented which permit the fabrication of new devices, both simple and complex (with two or more MIM cells per device), using three types of configuration: cross-point, isolated and isolated cross-point, which is a combination of the first two. In addition, the results of the physical and electrical characterisation of these new devices are showed too. Finally, in chapter 8, the most relevant conclusions of the results obtained in the development of the thesis are summarized.