TY - THES A1 - Grzela, Tomasz T1 - Comparative STM-based study of thermal evolution of Co and Ni germanide nanostructures on Ge(001) T1 - Vergleichende STM-basierte Studie der thermischen Evolution von Co- und Ni-Germanid-Nanostrukturen auf Ge(001) N2 - Since 1947, when Bardeen and Brattain initiated the era of microelectronics by constructing the first Germanium (Ge) transistor, semiconductors have become the main material platform for advanced integrated circuit (IC) technologies. Later on, given in particular the electrical stability of its native oxide, IC technology shifted from Ge to Silicon (Si) substrates and the dominance of Si-based complementary metal oxide semiconductor (CMOS) microelectronics is today unquestionable. However, as the semiconductor industry is approaching the limits of traditional Si CMOS scaling, the integration of new materials into Si micro- and nano-electronics is required to extend the performance and functionality of future CMOS-based IC technologies. Recently, Ge due to its superior optoelectronic properties and compatibility with conventional Si CMOS technology has re-emerged as an alternative semiconductor material on the mainstream Si technology platform. Many of the Ge integration challenges, such as e.g. doping, epitaxial quality etc., have been recently solved or minimized to an acceptable level. However, the fabrication of low resistance, thermally stable metal/Ge contacts is still one of the main barriers towards the full use of the potential offered by Ge. In particular, the formation of ohmic contacts is relevant for applications where high current densities are of importance (i.p. Ge p-MOSFET and Ge laser applications). Consequently, intensive investigations of metal/Ge contacts are imperative for future applications of Ge. Various metal/Ge contact systems were studied and demonstrated good thermal stability and promising electrical properties. However, given their widespread use in Si CMOS technologies in form of their respective silicides, Co- and Ni-germanides seem to be an obvious choice for electrical contacts in Ge-based devices. Both metal/Ge systems exhibit a complex bulk phase diagrams with a wide range of different physical properties. It is generally acknowledged that the stoichiometric CoGe2 and NiGe phases are best suited for ohmic metal contact formation, mainly due to their low resistivity. It is worth noting that the bulk phase diagram is limited in its use for nanoscience due to an increased surface/volume ratio as well as by the strong nanostructure/substrate interface influence. This PhD thesis sheds light on the formation process at the atomic level of Co and Ni germanide nanostructures on clean, reconstructed Ge(001) substrates. The main part of the presented research is based on in-situ scanning tunneling microscopy (STM) studies on the influence of subsequent, post-evaporation annealings at various temperatures in order to follow and investigate on the nano-scale the structural evolution of a few monolayers of Co and Ni metal (deposited at RT and in UHV conditions) on an atomically clean, reconstructed Ge(001) surface. Furthermore, additional techniques like LEED, (S)TEM-EDX and XPS were used to corroborate and complement the STM derived insights. It was demonstrated that - for both investigated systems - room temperature deposition of a few metal monolayers on clean Ge(001) results in a Volmer Weber growth mode. Starting with annealing treatments at relatively low temperature ranges, the formation of a continuous MetalxGey wetting layer from as-deposited 3D metal clusters on Ge(001) was detected. It should be noted that a very flat wetting layer was observed for the Co/Ge(001) system, which is different for the Ni/Ge(001) system where inhomogeneous terraced domains were formed. Finally, the 2D wetting layer gradually evolves with increasing temperature into well-ordered 3D MetalxGey nanostructures, surrounded by clean, reconstructed Ge(001). Analysis of these Co and Ni germanide nanostructures shows that the growth mechanism is different: in particular the Ni/Ge system is more reactive by means of Ni bulk diffusion and results in 3D Ni germanide nanostructures which show a strong tendency to be embedded into the Ge(001) substrate. In contrast, Co germanide nanostructures are situated initially on top of the Ge(001) substrate due to the fact that Ge diffusion dominates in the low temperature range. Only at higher annealing temperatures, Co diffusion into the bulk occurs and Co germanide nanostructures penetrate into the Ge substrate. For the Co- as well as Ni-Germanide system, the nanostructures undergo Ostwald ripening phenomena in the high temperature range. The present PhD thesis thus allows to understand on the nano-scale the main growth and reaction mechanisms of the Walser and Benè rule set up about 40 years ago to describe metal/semiconductor interface reaction on the macro-scale. N2 - Seit 1947 als Bardeen und Brattain die Ära der Mikroelektronik, durch die Konstruktion des ersten Germanium (Ge) Transistors, einleiteten, wurden Halbleiter zur Hauptgrundlage für fortschrittliche „integrated circuit“ (IC)-Technologien. Später wechselten IC-Technologien von Ge zu Silizium (Si)-Substraten, bedingt durch die elektrische Stabilität der natürlichen Oxide, wodurch die Dominanz von Si-basierten „complementary metal oxide semiconductor“ (CMOS) Mikroelektronik unangefochten wurde. Jedoch wird, durch die Annäherung an die Limitierung der traditionellen Si-CMOS-Skalierung, die Integration von neuen Materialien in die Si-Mikro- und Nanoelektronik notwendig, um die Leistung und Funktionalität von zukünftigen CMOS-basierten IC-Technologien weiter auszubauen. Jüngst hat sich Ge, durch seine optoelektronische Eigenschaften und Kompatibilität mit konventionellen Si-CMOS-Technologien, wieder als alternatives Halbleitermaterial auf einer Si-Technologieplattform hervorgetan. Viele der Ge-Integrationsherausforderungen, wie z.B. Dotierung, epitaktische Qualität etc., wurden mittlerweile gelöst oder auf ein akzeptables Niveau reduziert. Jedoch ist die Herstellung von niederohmigen, thermisch stabilen Metall/Ge-Kontakten immer noch eine der Hauptbarrieren zur vollständigen Nutzung des Potentials von Ge. Die Bildung von ohmschen Kontakten ist insbesondere für Anwendungen mit hohen Stromdichten (z.B. p-MOSFET und Laser) von großer Relevanz. Entsprechend sind intensive Untersuchungen von Metall/Ge-Kontakten zwingend notwendig für zukünftige Anwendungen von Ge. Es wurden diverse Metall/Ge-Systeme studiert, welche eine gute thermische Stabilität und vielversprechende elektrische Eigenschaften demonstrierten. Co- und Ni-Germanide, in Betracht ihrer weiten Verbreitung in CMOS-Technologien als entsprechende Silizide, scheinen offensichtlich eine gute Wahl für elektrische Kontakte in Ge-basierten Bauteilen zu sein. Beide Metall/Ge-Systeme weisen ein komplexes Volumenphasendiagramm, mit unterschiedlichsten physikalischen Eigenschaften, auf. Es ist allgemein anerkannt, dass die CoGe2- und NiGe-Phase sich am besten als ohmsche Metallkontakte durch ihren geringen Widerstand eignen. Es sollte erwähnt werden, dass das Volumenphasendiagramm in der Anwendbarkeit in den Nanowissenschaften, durch die erhöhte Oberflächen/Volumen-Ratio genauso wie durch den starken Nanostruktur/Substrat-Einfluss, limitiert ist. Diese Dissertation soll die Bildungsprozesse von Co- und Ni-Germanidnanostrukturen auf sauberen, rekonstruierten Ge(001) Substraten auf einem atomistischen Niveau näher beleuchten. Der Hauptteil der hier präsentierten Forschung basiert auf in-situ „scanning tunneling microscopy“ (STM)-Studien, bezüglich des Einflusses von aufeinanderfolgenden Temperschritten bei unterschiedlichen Temperaturen, um die nanoskalierte, strukturelle Evolution von wenigen Monolagen Co- und Ni-Metall nach der Abscheidung (bei RT und unter UHV-Bedingungen) auf einer atomar reinen, rekonstruierten Ge(001)-Oberfläche zu verfolgen und zu untersuchen. Des Weiteren wurden zusätzliche Techniken wie LEED, (S)TEM-EDX, und XPS verwendet, um die mit STM erzielten Ergebnisse zu bekräftigen und zu vervollständigen. Es wurde demonstriert, dass für die beiden untersuchten Systeme die Raumtemperatur-abscheidung von wenigen Monolagen Metall auf reinem Ge(001) in einem Volmer-Weber-Wachstumsmodus resultiert. Temperschritte bei relativ niedrigen Temperaturen führten anfangs zur Detektion von kontinuierlichen MetallxGey Benetzungsschichten ausgehend von den abgeschiedenen 3D Metallclustern auf Ge(001). Zu beachten ist, dass eine sehr flache Benetzungsschicht für das Co/Ge(001) beobachtet wurde, was sich zu dem Ni/Ge(001)-System unterscheidet, wo sich inhomogene Domänen mit Terrassen bildeten. Mit ansteigender Temperatur entwickelt sich die 2D Benetzungsschicht allmählich zu wohlgeordneten 3D MetallxGey Nanostrukturen umgeben von sauberen, rekonstruierten Ge(001)-Flächen. Eine genaue Analyse dieser Co- und Ni-Germanid-Nanostrukturen zeigt, dass ihre Wachstumsmechanismen unterschiedlich sind. So ist das Ni/Ge-System reaktiver, was sich durch eine erhöhte Ni-Volumendiffusion andeutet, wodurch sich eine starke Tendenz zu in Ge(001) eingebetteten 3D Ni-Germanid-Nanostrukturen ergibt. Im Gegensatz dazu befinden sich Co-Germanid-Nanostrukturen anfänglich auf dem Ge(001)-Substrat, da die Germaniumdiffusion bei niedrigen Temperaturen dominiert. Nur bei höheren Temperaturen tritt eine Co-Diffusion auf und die Co-Nanostrukturen dringen in das Ge-Substrat ein. Sowohl für das Co- sowie auch das Ni-Germanid-System vollziehen die Nanostrukturen einen Ostwald-Reifungsprozess bei hohen Temperaturen. Die vorliegende Dissertation erlaubt so Einblicke in das Verständnis von nanoskalierten Wachstums- und Reaktionsmechanismen der Walser und Benè Regeln, die schon vor 40 Jahren aufgesetzt wurden, um die Metall/Halbleiter-Grenzflächenreaktion auf einer makroskopischen Skala zu beschreiben. KW - Scanning Tunneling Microscope KW - STM KW - Germanium KW - Cobalt germanides KW - Nickel germanides KW - Rastertunnelmikroskop KW - Nickel Germanide KW - Kobalt Germanide KW - Intermetallische Verbindungen KW - Schichtwachstum KW - Nanostruktur KW - Germanide KW - Rastertunnelmikroskop KW - Halbleiter Y1 - 2015 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:co1-opus4-36234 ER - TY - THES A1 - Zöllner, Marvin Hartwig T1 - Microelectronics meets catalysis: An interdisciplinary approach on the structure-property relationship of single crystalline Ce1-xPrxO2-δ films on Si(111) T1 - Mikroelektronik begegnet Katalyse: Ein interdisziplinärer Ansatz zur Struktur-Eigenschaftsbeziehung von einkristallinen Ce1-xPrxO2-δ Filmen auf Si(111) N2 - Motivation: Ceria attracted a lot of attention for microelectronics (e.g. high-k gate oxide, buffer layer for heteroepitaxy) and catalysis (e.g. selectiveoxidative and dehydrogenating reactions), due to its inherent structural (similar crystal structures and small lattice mismatch with respect to silicon) and electronic (Ce4+/Ce3+ valence state variation and formation of oxygen vacancies) properties. Thus, single crystalline epitaxial ceria thin films are well investigated. Although, the neighbouring rare earth oxide, praseodymia, exhibits similar properties, this system is much less studied due to its complex phase diagram. Since both oxides exhibit a flexible structural (polymorphism) and electronic (valence state variation) behavior, it is of ongoing interest to study ceria-praseodymia mixed oxide thin films, in order to tune and improve certain characteristics for the respective applications in the field of microelectronics and catalysis. Goal: Therefore, the goal of this doctoral thesis is to grow and characterize in an interdisziplinary approach single crystalline and epitaxial, binary and ternary Ce1-xPrxO2-δ thin films in order to allocate high quality samples for further fundamental studies, devoted to the structural and electronic properties in the field of microelectronics and catalysis. Experimental: Such single crystalline and epitaxial Ce1-xPrxO2-δ thin films were grown on a Si(111) substrate by molecular beam epitaxy. An in-situ control of the crystal growth quality was achieved by reflection high-energery electron diffraction. A detailed structure characterization study was carried out by laboratory and synchrotron based X-ray scattering. Additionally, transmission electron microscopy gives a highly resolved structural insight. The structural characterization was supported by theoretical ab-initio calculations. To determine the stoichiometries and valence states of the ternary mixed oxide compounds, X-ray photoelectron spectroscopy was performed. The microscopic defect structure was investigated by Raman spectroscopy. Finally, a first insight into the catalytic behavior is gained by temperature programmed desorption experiments. Results: The structural investigation implicates an epitaxial, twin-free, exclusively type-B oriented CeO2(111) growth on Si(111) by using an ultra-thin hex-Pr2O3(0001) buffer layer. This became possible due to the crystallographic continuation of the oxygen sub-lattice and electronic conservation of the semiconducting behavior at the ceria/praseodymia interface. A stabilization of Pr4+ cations is predicted by ab-initio calculations to support this interface transition. On such a hex-Pr2O3(0001)/Si(111) support the growth of epitaxial ternary Ce1-xPrxO2-δ mixed oxides became also possible. A stoichiometry dependent study also implicates an interplay of the structural and electronic properties. In dependency on the Pr content, it turned out that truly mixed alloys with Pr3+ incorporation into the CeO2 fluorite crystal matrix and Ce3+ incorporation into the hex-Pr2O3 matrix were achieved. Between both extremes, it is shown that the Pr content leads to a higher tendency to form Ce3+ cations within a bixbyite lattice, but fluorite inclusions could not be excluded. In a first temperature dependent study on the reduction behavior, it was demonstrated by the linearly increasing behavior of the integral O2 desorption signal and the total lattice spacing difference of heated Ce1-xPrxO2-δ mixed oxides that the oxygen storage capacity can be tailored by Pr doping due to the Pr4+/Pr3+ redox system. Furthermore, it was found that the hydrocarbon oxidation process is mainly triggered by the Ce4+/Ce3+ redox system, since the desorption temperature of CO2 decreased with increasing Ce content. Outlook: In terms of future investigations, such epitaxial single crystalline Ce1-xPrxO2-δ/Si(111) heterostructures are of interest in both research fields, catalysis and microelectronics. They can be used as model catalytic systems in order to gain a deeper understanding of the structure and electronic correlation with the reaction mechanisms by a stepwise increasing of the systems complexity under defined reaction conditions. Furthermore, new applications of such a system might be evaluated in the field of microelectronics. Oxygen vancancy engineering is currently discussed in such rare earth oxides to explain and establish room temperature ferromagnetism phenomena in the area of spintronics. N2 - Motivation: Ceroxid wurde Beachtung in der Mikroelektronik (z.B. als hoch-k Oxid, Pufferschicht in der Heteroepitaxie) und in der Katalyse (z.B. zur selektiven Oxidation und für Dehydrierungsreaktionen) geschenkt, aufgrund seiner strukturellen (ähnliche Kristallstruktur und kleine Gitterfehlanpassung in Bezug auf Silizium) und elektronischen (Variation des Ce4+/Ce3+-Valenzzustandes und Ausbildung von Sauerstoffvakanzen) Eigenschaften. Deshalb wurden einkristalline, epitaktische Ceroxiddünnfilme ausgiebig untersucht. Obwohl das benachbarte Seltenerdoxid, Praseodymoxid, ergänzende Eigenschaften aufweist, wurde es weniger studiert, aufgrund seines komplexen Phasendiagramms. Da beide Oxide ein flexibles strukturelles (Polymorphismus) und elektronisches (Variation des Valenzzunstandes) Verhalten aufweisen, ist es von Interesse, Cer-Praseodym-Mischoxide zu untersuchen, um gezielt Eigenschaften für die jeweilige Anwendung einzustellen und zu verbessern. Ziel: Zwecks dessen ist es das Ziel dieser Doktorarbeit in einem interdisziplinären Ansatz solche einkristallinen und epitaktischen, binären und ternären Ce1-xPrxO2-δ Dünnfilme zu wachsen und zu charakterisieren, um so qualitative Proben für weitere Grundlagenstudien, bezüglich der strukturellen und elektronischen Eigenschaften, zur Verfügung zu stellen, die für künftige Anwendungen in Mikroelektronik und Katalyse von Interesse sind. Experiment: Solche einkristallinen und epitaktischen Ce1-xPrxO2-δ Dünnfilme wurden auf einem Si(111) Substrat mittels Molekularstrahlepitaxie gewachsen. Eine in-situ Kontrolle über die Kristallwachstumsqualität wurde mittels Beugung hochenergetischer Elektronen bei Reflexion erreicht. Eine detaillierte Strukturaufklärung wurde mittels labor- und synchrotronbasierter Röntgenstreuung durchgeführt. Zusätzlich diente Transmissions-elektronenmikroskopie dazu eine hochauflösende Einsicht in die Struktur zu bekommen. Die strukturelle Charakterisierung wurde mit theoretischen ab-initio Berechnungen untermauert. Um die Stöchiometrie und den Valenzzustand in den ternären Mischoxiden zu bestimmen, wurde Röntgenphotoelektronenspektroskopie benutzt. Die mikroskopische Defektstruktur wurde mittels Ramanspektroskopie untersucht. Schlußendlich gab die Temperatur-programmierte Desorption einen ersten Einblick in das katalytische Verhalten. Ergebnisse: Die strukturellen Untersuchungen implizieren ein epitaktisches, zwillingsfreies, ausschließlich typ-B orientiertes CeO2(111) Wachstum auf Si(111) mittels einer ultradünnen hex-Pr2O3(0001) Pufferschicht. Dies wurde durch die kristallographische Weiterführung des Sauerstoffuntergitters und den Erhalt des halbleitenden Verhaltens an der Ceroxid-Praseodymoxid-Grenzfläche möglich. Eine Stabilisierung von Pr4+ Kationen wurde mittels ab-initio Berechnungn vorausgesagt, um den Grenzflächenübergang zu begünstigen. Auf solchen hex-Pr2O3(0001)/Si(111) Trägern wurde auch das Wachstum von ternären Ce1-xPrxO2-δ Mischoxiden ermöglicht. Eine stöchiometrieabhängige Studie implizierte ebenfalls ein Zusammenspiel von strukturellen und elektronischen Eigenschaften. In Abhängigkeit von dem Pr Gehalt stellte sich heraus, dass in der Tat Mischungen mit Pr3+ Eingliederung in die CeO2 Fluoritmatrix und mit Ce3+ Eingliederung in die hex-Pr2O3 Matrix resultierten. Zwischen diesen beiden Grenzfällen wurde gezeigt, dass eine höhere Pr-Konzentration zu einer höheren Tendenz führte, Ce3+ Kationen in einem Bixbyit Gitter zu bilden. Jedoch konnten Fluoriteinschlüsse nicht ausgeschlossen werden. In einer ersten temperaturabhängigen Studie bezüglich des Reduktionsverhaltens wurde mittels des linear steigenden, integralen O2 Desorptionssignals und des kristallographischen Netzebenenunterschiedes der geheizten Ce1-xPrxO2-δ Mischoxide demonstriert, dass die Sauerstoffspeicherungsfähigkeit aufgrund des Pr4+/Pr3+ Redoxsystems über die Pr-Dotierung maßgeschneidert werden kann. Des Weiteren wurde festgestellt, dass der Kohlenwasserstoffoxidationprozess hauptsächlich über das Ce4+/Ce3+ Redoxsystem gesteuert wird, da die Desorptionstemperatur von CO2 sich mit steigendem Ce Gehalt verringert. Ausblick: Epitaktische und einkristalline Ce1-xPrxO2-δ/Si(111) Heterostrukturen sind in den Forschungsbereichen der Katalyse und Mikroelektronik von Interesse für zukünftige Untersuchungen. Sie können als modelkatalytisches System verwendet werden, um einen tieferen Einblick in die Korrelation von kristallographischer und elektronischer Struktur mit den Reaktionsmechanismen zu erhalten, indem die Komplexität des Systems schrittweise unter definierten Reaktionsbedingungen erhöht wird. Des Weiteren können Anwendungen im Bereich der Mikroelektronik evaluiert werden. „Oxygen vacancy engineering“ in Seltenerdoxiden wird bereits intensiv untersucht, um „room temperature ferromagnetism“ Phänomene zu erklären und gegebenfalls in der Spintronik nutzbar zu machen. KW - Seltenerdoxide KW - Heteroepitaxie KW - Dünnschichttechnik KW - Seltenerd-Oxide KW - Si(111) KW - Heteroepitaktische Dünnfilme KW - Ceroxid KW - Praseodymiumoxid KW - Rare-earth oxides KW - Si(111) KW - Heteroepitaxial thin films KW - Ceria KW - Praseodymia Y1 - 2014 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:co1-opus-30687 ER - TY - THES A1 - Sowinska, Malgorzata T1 - In-operando hard X-ray photoelectron spectroscopy study on the resistive switching physics of HfO2-based RRAM T1 - In-operando Untersuchung der Physik des resistiven Schaltens von HfO2-basierten RRAMs mittels hochenergetischer Röntgen-Photoelektronenspektroskopie N2 - Current memory technologies, such as DRAM, SRAM, and NAND Flash, which are approaching very difficult issues related to the continuous scaling to and beyond the 16 nm generation, has led research over the past two decades to the discovery of several new memory technologies. In recent years, new emerging nonvolatile memories (NVMs), such as phase-change random access memory (PCRAM), ferroelectric random access memory (FRAM), magnetic random access memory (MRAM), and resistive random access memory (RRAM), have been intensively studied. Among these candidates, RRAM is a very promising and worldwide studied candidate for alternative NVM and a high potential successor for Flash in terms of energy consumption (write current in the μA range compared to mA) and simplicity of process integration. A fully CMOS compatible TiN/Ti/HfO2/TiN RRAM module was successfully integrated with a select transistor (1T1R memory) in IHP’s technology. Nonetheless, reliability and insufficient understanding of the resistive switching mechanism are the two main issues limiting this memory technology development for e.g. wireless sensor network (WSN) applications. The still unclear atomic-scale mechanism of HfO2-based resistive switches and the identification of the material changes within the insulator must be addressed to suggest a knowledge-based improvement of device performance. In this frame, the Ti/HfO2 interface is thoroughly investigated in this Thesis by complementary materials science techniques. First, the investigation of the as-deposited Ti/HfO2/TiN cells revealed that: (1) the Ti layer scavenges oxygen atoms stronger from amorphous (a-HfO2) than from monoclinic (m-HfO2) HfO2 films; (2) not only oxygen vacancies but also other impurities in the atomic vapor deposited (AVD) a-HfO2 film, such like nitrogen and carbon (probably resulting from the used AVD precursor chemistry) are present in the HfO2 insulator. Next, the electrical characterization of Ti/AVD a-HfO2/TiN cells (with voltage applied to the Ti top electrode while TiN bottom electrode was grounded) revealed a clockwise bipolar resistive switching behavior after an electroforming process at positive voltage polarity. Besides, the chemical and electronic changes observed by hard X-ray photoelectron spectroscopy (HAXPES), indicate the creation of n-type dopants in the a-HfO2 film during the electroforming process, probably related to the formation of positively charged oxygen vacancies in a-HfO2 by the electrochemically induced Ti/a-HfO2 interface oxidation. In order to directly compare electrical with electronic and chemical changes of one and the same RRAM cell, an in-operando HAXPES technique was developed. These unique studies have revealed the following characteristics of the Ti/AVD a-HfO2/TiN cells: (1) the as-deposited cells are able to switch at low electrical power; (2) However, this resistive switching is not stable and an electroforming process with a slightly increased power is required to stabilize the switching event; (3) Electrical changes correlated with HAXPES results and literature indicate that (i) the forming/set electrical power defines the oxygen vacancies concentration in the a-HfO2 and thus the stability of the resistive switching properties and (ii) the stable resistive switching can be described by a push-pull model of oxygen vacancies migration under the influence of an electrical field; (4) Besides, carbon segregation at the Ti/a-HfO2 interface – while increasing the electrical power or cycling the device – shows that the defects physics is not limited only to oxygen vacancies; other defects may thus contribute under electrical stress to the resistive switching phenomenon and need to be included in theoretical models to correctly describe the switching characteristics. Finally, according to the presented HAXPES results, the Ti/AVD a-HfO2/TiN RRAM cells are classified to the valence change mechanism. The resistive switching mechanism is attributed to the creation and rupture of oxygen vacancies-based conducting filaments and the Ti/HfO2 interface oxidation is of central importance for the defect balance of the RRAM cell. Most importantly, a reduction of carbon content in the AVD-deposited HfO2 improved the reliability of these memory cells. N2 - Aktuelle Speichertechnologien, wie z. B. DRAM, SRAM und NAND-Flash, die aufgrund der Skalierung jenseits der 16 nm Generation an Grenzen stossen, haben in den letzten zwei Jahrzehnten zur Forschung und Entwicklung neuer Speichertechnologien geführt. In den letzten Jahren wurden nicht-flüchtige Speicher (sogenannte „nonvolatile memories“, NVM), wie Phasenänderungs- (PCRAM), ferroelektrische (FRAM), magnetische (MRAM) und resistiv-schaltende Direktzugriffsspeicher (RRAM), intensiv studiert. Unter diesen Kandidaten ist RRAM ein sehr vielversprechendes und weltweit studiertes Konzept für alternative NVM und eine bessere potenzielle Option als der NAND-Flash hinsichtliche der Energiedissipation (Schreib- und Lesestrom im uA Bereich im Vergleich zu mA) und der Prozessintegration. Am IHP wurde erfolgreich ein CMOS-kompatibles TiN/Ti/HfO2/TiN RRAM Modul mit einem Auswahltransistor (1T1R-Speicher) integriert. Dennoch sind die Zuverlässigkeit und das noch nicht vollständige Verständnis des Widerstandsschaltmechanismus Hauptgründe für die limitierte RRAM Speichertechnologie-entwicklungen für zum Beispiel drahtlose Sensorknoten (sogenannte „wireless sensor nodes“ (WSN)). Die noch unklaren atomaren Mechanismen der HfO2-basierten Widerstandsspeicher und die physikalisch/chemischen Änderungen im Isolator müssen identifiziert werden, um eine wesentliche Verbesserung der Leistungsparameter zu erzielen. In dieser Arbeit wurde deshalb die Ti/HfO2 Grenzfläche durch komplementäre, materialwissenschaftliche Techniken untersucht. Zunächst zeigte die Untersuchung an abgeschiedenen Ti/HfO2/TiN Zellen, dass: (1) die Ti-Schicht Sauerstoffatome aus amorphem HfO2 (a-HfO2) stärker bindet als aus monoklinen HfO2 Filmen. (2) nicht nur Sauerstoff-Fehlstellen, sondern auch Verunreinigungen wie Stickstoff und Kohlenstoff, die aus der chemischen Atomdampfabscheidung (atomic vapor deposition, AVD) resultieren, wurden mittels EDX in den HfO2- Filmen detektiert. Als nächstes ergab die elektrische Charakterisierung von Ti/AVD a-HfO2/TiN Zellen (Spannung wurden an die obere Ti Elektrode appliziert, während die untere TiN Elektrode geerdet wurde) bipolares Widerstandsschalten nach einer Elektroformierung mit positiver Polarität. Außerdem deuten die in den Spektren mittels harter Röntgenphotoelektronenspektroskopie (HAXPES) beobachteten chemischen und elektronischen Änderungen, im Vergleich mit der Literatur, die Bildung einer n-Typ Dotierung im HfO2 Film nach der Elektroformierung an, höchst wahrscheinlich aufgrund der Bildung von positiv geladenen Sauerstoff-Fehlstellen an der electrochemisch oxidierten Ti/a-HfO2 Grenzfläche. Um direkt die elektrischen mit den elektronischen und chemischen Veränderungen von ein und derselben RRAM Zelle zu vergleichen, wurde eine in-operando HAXPES Technik entwickelt. Diese einzigartigen Studien haben die folgenden Charakteristika der Ti/AVD a-HfO2/TiN Zellen ergeben: (1) die so abgeschiedenen Zellen können bei relativ niedrigen elektrischen Strömen geschaltet werden. (2) Jedoch ist dieses Widerstandsschalten nicht stabil und eine Elektroformierung mit einer erhöhten Leistung ist erforderlich. (3) Die Korrelation der elektrischen Daten mit den HAXPES Spektren zeigt, dass (i) die elektrische Leistung die Sauerstoff-Fehlstellen Konzentration im a-HfO2 Film definiert und damit die Stabilität des Widerstandsschaltens bestimmt, dass (ii) das stabile Widerstandsschalten durch ein Push-Pull-Modell beschrieben werden kann, in dem Sauerstoff-Fehlstellen unter dem Einfluss eines elektrischen Feldes migrieren. (4) Die Kohlenstoffsegregation an der Ti/a-HfO2 Grenzfläche mit erhöhter elektrischer Leistung bei der Elektroformierung oder durch mehrfaches Schalten zeigt, dass die Defektphysik nicht nur auf Sauerstoff-Fehlstellen limitiert ist, sondern auch weitere Defekte zum resistiven Schalten beitragen können und somit die Schaltcharakteristika beeinflussen können. Schließlich können die Ti/AVD a-HfO2/TiN Zellen im Rahmmen eines Valenzwechselmechanismus klassifiziert werden. Das Widerstandsschalten kann hierbei als Bildung und Unterbrechen von Sauerstoff-Fehlstellen-Filamenten verstanden werden und die Ti/HfO2 Grenzfläche spielt eine zentrale Rolle für die Defektphysik der HfO2 Filme. Ferner wurde gefunden, dass die Verringerung der Kohlenstoffkonzentration in den HfO2 Filmen die Zuverlässigkeit der Speicherzellen wesentlich verbessern kann. KW - RRAM KW - RRAM KW - HfO2 KW - Sauerstoff-Fehlstellen KW - Widerstandsschaltmechanismus KW - Defekte KW - HfO2 KW - Oxygen vacancies KW - Resistive switching mechanism KW - Defects KW - Röntgenspektroskopie KW - Defekt KW - FRAM Y1 - 2014 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:co1-opus4-30076 ER -