X-ray photoelectron spectroscopy investigations of resistive switching in Te-based CBRAMs

Études par spectroscopie photoélectronique par rayons X de la commutation résistive dans les CBRAMs à base de Te Les mémoires à pont conducteur (CBRAM) sont une option actuellement étudiée pour la prochaine génération de mémoires non volatiles. Le stockage des données est basé sur la commutation de la résistivité entre les états de résistance élevée (HRS) et faible (LRS). Sous polarisation électrique, on suppose qu'un trajet conducteur est créé par la diffusion des ions de l'électrode active dans l'électrolyte solide. Récemment, une attention particulière a été portée sur les dispositifs contenant un élément semi-conducteur tel que le tellure, fonctionnant avec des courants réduits et présentant moins de défaillances de rétention. Dans ces « subquantum CBRAMs », le filament est censé contenir du tellure, ce qui donne une conductance de 1 atome (G₁atom) significativement réduite par rapport aux CBRAMs standard et permettant ainsi un fonctionnement à faible puissance. Dans cette thèse, nous utilisons la spectroscopie de photoélectrons par rayons X (XPS) pour étudier les réactions électrochimiques impliquées dans le mécanisme de commutation des CBRAMs à base de Al₂O ₃ avec des alliages ZrTe et TiTe comme électrode active. Deux méthodes sont utilisées: i) spectroscopie de photoélectrons par rayons X de haute énergie non destructive (HAXPES) pour étudier les interfaces critiques entre l'électrolyte (Al₂O ₃ ) et les électrodes supérieure et inférieure et ii) les faisceaux d'ions à agrégats gazeux (GCIB), une technique de pulvérisation qui conduit à une dégradation plus faible de la structure, avec un profilage en profondeur XPS pour évaluer les distributions des éléments en profondeur. Des mesures ToF-SIMS sont également effectuées pour obtenir des informations complémentaires sur la répartition en profondeur des éléments. Le but de cette thèse est de clarifier le mécanisme de changement de résistance et de comprendre les changements chimiques aux deux interfaces impliquées dans le processus de « forming » sous polarisation positive et négative ainsi que le mécanisme de « reset ». Pour cela, nous avons effectué une comparaison entre le dispositif vierge avec un état formé, i.e. l'échantillon après la première transition entre HRS et LRS et un état reset, i.e. l'échantillon après la première transition entre LRS et HRS.L'analyse du « forming » positif pour les dispositifs ZrTe / Al₂O ₃ a montré une libération de Te liée à l’oxydation de Zr due au piégeage de l'oxygène de l'Al₂O ₃ sous l’effet du champ électrique. D'autre part, pour les dispositifs TiTe / Al₂O ₃, la présence d'une couche importante d'oxyde de titane à l'interface avec l'électrolyte a provoqué une dégradation permanente de la cellule en polarisation positive. Pour le « forming » négatif, nos résultats montrent un mécanisme hybride, à savoir une combinaison de formation de lacunes d'oxygène dans l'oxyde provoquée par la migration de O2- entraîné par le champ électrique vers l'électrode inférieure et la libération de tellure pour former des filaments conducteurs. De plus, les résultats obtenus par profilométrie XPS et ToF-SIMS ont indiqué une possible diffusion de Te dans la couche d'Al₂O ₃. Lors du « reset », il y a une recombinaison partielle des ions oxygène avec les lacunes d'oxygène près de l'interface TiTe / AlAl₂O ₃ avec une perte de Te. Un mécanisme hybride a également été observé sur les dispositifs ZrTe / Al₂O ₃ pendant le « forming » négatif. En tenant compte du rôle important de la migration d'oxygène dans la formation / dissolution des filaments, nous discutons également des résultats obtenus par XPS avec polarisation électrique in- situ (sous ultravide) pour mieux comprendre le rôle de l'oxydation de surface et des interfaces dans la commutation résistive.