Διατάξεις μνήμης δισταθμικής αντίστασης με τροποποιημένες διεπιφάνειες ηλεκτροδίων

Abstract

Τhe design, implementation and characterization of Resistive Random Access Memories (ReRAM) devices with variable electrodes for various types of insulating material have been extensively studied. The structure of the ReRAM devices examined is Metal - Insulator - Metal (MIM) and Metal – Insulator – Semiconductor (MIS). Altogether, two different categories of devices were fabricated and examined according to the type of insulating material sandwiched between the two metal electrodes: 1) Non-volatile memory devices based on nitride (silicon nitride - Si3N4) as insulating material for various types of metal as top and bottom electrode. 2) Non-volatile memory devices with binary oxide materials (Tantalum Oxide - TaOx, Hafnium Oxide - HFOx), as insulating materials at the MIM structure. The characterization of the devices included: 1) The morphological / optical characterization of the devices to examine the surface topology of the materials. In particular, high resolution electron microscopy (HR-TEM), atomic beam microscopy (AFM), secondary ion mass spectroscopy (SIMS) measurements have been successfully performed. In addition, Raman spectroscopy measurements were performed to characterize the graphene layer used in the fabricated devices. 2) Electrical characterization of the devices to determine their behavior from the electrical standpoint, using the current-voltage (I-V) and C-F impedance spectroscopy measurements. Cyclic voltammetry measurements were also performed for the oxide-based memory devices. Finally, the use of graphene as a variable electrode was examined in these devices.

Μελετήθηκε διεξοδικά ο σχεδιασμός, η υλοποίηση και ο χαρακτηρισμός διατάξεων μη-πτητικής μνήμης δισταθμικής αντίστασης (Resistive Random Access Memories – ReRAM) της με μεταβλητά ηλεκτρόδια για διάφορους τύπους μονωτικού υλικού. Ο τύπος των διατάξεων ReRAM που εξετάστηκαν είναι της δομής «μέταλλο- μονωτής – μέταλλο» (Metal – Insulator – Metal, MIM) και «μέταλλο – μονωτής – ημιαγωγός» (Metal – Insulator – Semiconductor, MIS). Συνολικά, εξετάστηκαν δυο διαφορετικές κατηγορίες διατάξεων με βάση τον τύπο του μονωτικού υλικού: 1) Διατάξεις μη-πτητικής μνήμης δισταθμικής αντίστασης με βάση το νιτρίδιο (νιτρίδιο του πυριτίου - Si3N4)ως μονωτικό υλικό για διάφορους τύπους μετάλλου ως πάνω και κάτω ηλεκτρόδιο. 2) Διατάξεις μη-πτητικής μνήμης δισταθμικής αντίστασης με βάση οξείδια (Οξείδιο του ταντάλου - TaOx, οξείδιο του χαφνίου – HfOx). Ο χαρακτηρισμός των διατάξεων συμπεριέλαβε: 1) Τον μορφολογικό / οπτικό χαρακτηρισμό των διατάξεων ώστε να εξεταστεί η επιφανειακή δομή των υλικών. Πιο συγκεκριμένα, πραγματοποιήθηκαν επιτυχώς μετρήσεις μικροσκοπίας μετάδοσης ηλεκτρονίων υψηλής ανάλυσης (HR-TEM), μικροσκοπία ατομικής δέσμης (AFM), φασματοσκοπία μάζας δευτερογενών ιόντων (SIMS). Επιπλέον, εκτελέστηκαν και μετρήσεις φασματοσκοπίας Raman για τον χαρακτηρισμό του στρώματος γραφενίου που χρησιμοποιήθηκε στις διατάξεις. 2) Τον ηλεκτρικό χαρακτηρισμό των διατάξεων ώστε να καθοριστεί η συμπεριφορά τους σε επίπεδο ολοκληρωμένου κυκλώματος, με χρήση των μετρήσεων ρεύματος – τάσης (I-V) αλλά και φασματοσκοπίας σύνθετης αντίστασης (C-F). Για τις διατάξεις μνημών με βάση οξείδια πραγματοποιήθηκαν και μετρήσεις κυκλικής βολταμετρίας (Cyclic voltammetry). Επίσης, εξετάστηκε η χρήση του γραφενίου ως μεταβλητό ηλεκτρόδιο στις διατάξεις αυτές.