Estruturas ferroelétrico-dielétrico para dispositivos de memória

Abstract

Este trabalho foi realizado no âmbito da Dissertação de Mestrado em Engenharia de Materiais, na Universidade do Minho, e é dedicado à produção, caracterização e otimização de filmes em multicamada de 0.5Ba(Zr0.2Ti0.8) O3-0.5(Ba0.7Ca0.3)TiO3(BCZT)/HfO2:Al2O3(HAO), com vista à sua aplicação na microeletrónica, nomeadamente em memórias resistivas de acesso aleatório (RRAMs). Este tipo de memórias baseadas no efeito de comutação resistiva (RS) tem atraído muita atenção nos últimos anos devido ao seu baixo consumo energético, à alta durabilidade dos dispositivos e a uma estrutura de célula simples. Têm sido estudadas várias estruturas para estas RRAMs, contudo foi mostrado recentemente que a RS é significativamente melhorada quando uma fina camada dielétrica é inserida em estruturas metal-ferroelétrico-metal. Com o presente trabalho, pretende-se otimizar as propriedades de RS, em estruturas BCZT/HAO, onde foi avaliado primeiramente o efeito da disposição das camadas nas propriedades de RS e posteriormente o efeito da espessura da camada ferroelétrica de BCZT nessas mesmas propriedades. Assim, na primeira etapa, os ciclos de histerese (P-E) exibiram o comportamento ferroelétrico para todos os dispositivos e revelaram a diminuição das suas propriedades ferroelétricas pela inserção da camada de HAO. Além disso, não foi observado o comportamento de RS no dispositivo Pt/HAO(10nm)/BCZT(150nm)/HAO(10nm)/Au, devido à presença das duas camadas de HAO em torno de BCZT, que anulam assim o comportamento de RS. A partir dos valores obtidos de Ec, pelos ciclos P-E, e dos valores obtidos de Es, pelas curvas I-V, verifica-se que, para todos os dispositivos, estes são aproximadamente iguais, o que indica que o mecanismo da RS está estreitamente relacionado com a polarização do BCZT e é atribuído à modulação de uma barreira com distribuição finita de potencial na interface BCZT/HAO. A polarização do BCZT faz variar a energia da barreira de Schottky na interface BCZT/HAO, e provoca a existência dos dois estados resistivos. O dispositivo Pt/BCZT(150nm)/HAO(10nm)/Au foi o que melhores propriedades de RS apresentou, nomeadamente um rácio de RS de ≈106, devido a esta amostra possuir o maior grau de orientação preferencial e por conseguinte a maior polarização remanescente (Pr). Foi então utilizada a estrutura Pt/BCZT/HAO/Au na segunda etapa do trabalho. Aqui os ciclos P-E revelaram que a polarização remanescente e o campo coercivo diminuem com a diminuição da espessura da camada ferroelétrica de BCZT. Foi também possível observar no fenómeno de RS que tanto o rácio de RS como a Es diminuem com a diminuição da espessura da camada de BCZT e que este desaparece à temperatura de Curie (Tc=95ºC). Tudo isto evidência que o mecanismo da RS está claramente relacionado com a polarização do BCZT. Além disso, o dispositivo Pt/BCZT(50nm)/HAO(10nm)/Au mostra características promissoras de retenção e resistência das suas propriedades elétricas, nomeadamente a estabilidade dos seus estados resistivos após 104s e a estabilidade da sua curva I-V após 60 ciclos. Assim verifica-se que o dispositivo Pt/BCZT(50nm)/HAO(10nm)/Au exibe um comportamento de RS estável e com propriedades de RS promissoras com vista à sua aplicação em dispositivos de memórias, como a seu baixo Es de 7,2 kV/cm, que permite que o dispositivo opere a baixas tensões, e o elevado rácio de RS da ordem de 104, que permite estabilizar dois estados de resistência.

This work was carried out in the framework of the Master's Dissertation in Materials Engineering course, at the University of Minho, and is dedicated to the production, characterization and optimization of multilayer films of 0.5 Ba(Zr0.2Ti0.8)O3-0.5(Ba0.7Ca0.3)TiO3(BCZT)/HfO2:Al2O3 (HAO), in order to be applied in microelectronics, namely Resistive Random Access Memories (RRAMs). This type of memories based on the resistive switching (RS) effect has attracted a lot of attention in the recent years due to its low power consumption, the high durability of devices and its simple cell structure. Several structures have been studied for these RRAMs, however it has recently been shown that RS is significantly improved when a thin dielectric layer is inserted into metal-ferroelectric-metal structures, between the metal and the ferroelectric. In this work, one intend to optimize the properties of RS in BCZT/HAO structures, first evaluating the effect of the arrangement of the layers on the properties of RS and subsequently estimating the effect of the thickness of the ferroelectric layer (BCZT) on these properties. Thus, in the first stage, whatever is the kind of structure arrangement between BCZT and HAO, all devices exhibits hysteresis loops (P-E), characteristic of the ferroelectric behavior. Moreover it was noticed a decrease of their ferroelectric properties by the insertion of the HAO layer. In addition, in the device Pt/HAO(10nm)/BCZT(150nm)/HAO(10nm)/Au, the behavior of RS is not observed due to the presence of the two layers of HAO around BCZT, that cancel the RS behavior. From the obtained values for Ec, by the P-E cycles, and the values for Es, by the I-V curves, it is verified that, for all the devices, these are similar, which indicates that the mechanism of RS is closely related to the polarization of the BCZT and could be attributed to the modulation of a barrier with finite potential distribution at the BCZT/HAO interface. The polarization of the BCZT changes the energy of the Schottky barrier at the BCZT/HAO interface and originates the two resistive states. The Pt/BCZT(150nm)/HAO(10nm)/Au device showed the best properties of RS, namely a RS ratio of ≈106, because this device had the highest degree of preferential orientation and therefore, the highest remnant polarization (Pr) among the produced structures. The Pt/BCZT/HAO/Au structure was then selected for the second step of the work. Here, the P-E cycles reveal that the remnant polarization and the coercive field decrease with the decrease in the thickness of the ferroelectric BCZT layer. Also, it is possible to observe in the RS phenomenon that both the RS ratio and Es decrease with the decrease of the BCZT layer thickness; The RS behavior disappears at the Curie temperature (Tc = 95 ° C). All this confirms that the mechanism of RS is clearly related with the polarization of BCZT. In addition, the Pt/BCZT(50nm)/HAO(10nm)/Au device shows promising characteristics of retention and resistance of its electrical properties, namely the stability of its resistive states after 104s and the stability of its I-V curve after 60 cycles. Thus, it was found that this device exhibits a stable RS behavior and promising RS properties for its application in memory devices, such as low Es (7,2 kV/cm), allowing low voltage conditions of operation, and high RS ratio of order of 104, giving two separated resistance states.