Efek Resistansi Diferensial Negatif pada Perangkat RRAM Berbasis Ru yang Dibuat oleh Deposisi Lapisan Atom
Abstrak
Dalam pekerjaan ini, perangkat RRAM berbasis Ru dengan lapisan atom disimpan AlOy /HfOx lapisan fungsional dibuat dan dipelajari. Perilaku resistansi diferensial negatif (NDR) diamati selama proses pengaturan tegangan, dan asal fisiknya dieksplorasi. Berdasarkan pemahaman fisika dari switching resistif, perilaku NDR yang diukur diyakini terkait dengan efek reset unipolar sebagian, yang disebabkan oleh rekombinasi antara kekosongan oksigen dan ion oksigen yang dilepaskan secara termal dari RuO2 lapisan antarmuka. Karakteristik listrik yang diukur dan hasil spektroskopi fotoelektron sinar-X (XPS) memverifikasi interpretasi fisik.
Pengantar
Sebagai salah satu memori non-volatil yang paling menjanjikan, memori akses acak resistif (RRAM) telah dipelajari secara ekstensif mengenai optimasi material, peningkatan kinerja, dan integrasi perangkat [1,2,3,4]. Karena keuntungan yang signifikan seperti struktur sel yang sederhana, kecepatan operasional yang cepat, konsumsi daya yang rendah, dan potensi miniaturisasi yang tak tertandingi [5], RRAM telah banyak diterapkan dalam komputasi neuromorfik yang diilhami otak dan logika Boolean yang dapat dikonfigurasi ulang [6,7,8,9 ,10] dan juga menunjukkan potensi besar untuk aplikasi memori kelas penyimpanan (SCM) [11]. Namun, seperti yang ditunjukkan oleh Peta Jalan Internasional untuk Perangkat dan Sistem 2017 (https://irds.ieee.org/images/files/pdf/2017/2017IRDS_ES.pdf), tantangan termasuk skalabilitas, keandalan perangkat, dan kompatibilitas proses masih menghambat perkembangan RRAM. Oleh karena itu, konstruksi perangkat RRAM yang kompatibel dengan CMOS dengan kinerja superior sangat penting untuk aplikasi yang didasarkan pada struktur sel RRAM 1T1R [12,13,14]. Menurut penelitian sebelumnya [15], perangkat RRAM berbasis Ru menunjukkan potensi besar dibandingkan dengan yang berbasis Pt, sedangkan resistansi diferensial negatif (NDR) ditunjukkan selama proses pengaturan tegangan. Fenomena NDR disertai dengan switching resistif telah diselidiki dalam struktur RRAM lain, yang terutama disebabkan oleh jebakan / jebakan pembawa elektronik antara keadaan terlokalisasi yang disebabkan oleh nanopartikel logam yang ditanamkan [16, 17], atau akumulasi cacat yang disebabkan pemasangan ulang sambungan. [18]. Sementara penampilan NDR dalam sel RRAM berbasis Ru di bawah arus besar masih tergantung, dalam karya ini, kinerja listrik perangkat RRAM berbasis Ru yang dibuat dengan teknik deposisi lapisan atom (ALD) dievaluasi. Berdasarkan karakterisasi spektroskopi fotoelektron sinar-X (XPS) dan pengukuran listrik dengan stimulus yang berbeda, fenomena NDR dalam RRAM berbasis Ru dapat dijelaskan dalam kerangka model filamen konduktif kekosongan oksigen.
Metode
Diagram skematis dari struktur perangkat dan susunan RRAM fabrikasi masing-masing ditunjukkan pada Gambar 1a, b. Ru/AlOy /HfOx Perangkat RRAM /TiN dibuat pada SiO2 300 nm yang teroksidasi secara termal2 substrat. Film tipis Ru 80-nm diendapkan pada lapisan adhesi Ti 20-nm sebagai elektroda bawah dengan sputtering magnetron DC (Angstrom Engineering NEXDEP) menggunakan target logam Ru. SiO2 ditumbuhkan oleh deposisi uap kimia yang ditingkatkan plasma (PECVD) berfungsi sebagai dielektrik untuk mengisolasi elektroda dan membentuk vias. Kemudian lapisan resistif 2 nm AlOy dan 3 nm HfOx diendapkan oleh sistem deposisi lapisan atom (PICOSUN R200) pada 300 °C dengan prekursor trimetilaluminium (TMA) dan tetrakis[etilmetilamino]hafnium (TEMAH). Setelah itu, 80 nm TiN di-sputtering reaktif menggunakan target Ti dan digores untuk membentuk pola elektroda atas. Etsa kering lainnya juga dilakukan untuk mengekspos elektroda bawah untuk kontak listrik.
a Diagram skema perangkat berbasis Ru. b Array RRAM yang dibuat-buat
Analisis elemen dilakukan dengan sistem spektroskopi fotoelektron sinar-X (XPS) (Thermo Scientific ESCALAB 250Xi) menggunakan sampel segar tanpa elektroda atas. Sebelum pengukuran dilakukan pembersihan permukaan dengan plasma Ar sebelum pengukuran untuk menghilangkan pengaruh C. Posisi puncak Al 2p digunakan untuk kalibrasi. Pengukuran listrik dilakukan pada suhu kamar oleh penganalisis perangkat semikonduktor (Agilent B1500A) dan generator arbitrer fungsi pulsa (Agilent 81160A).
Hasil dan Diskusi
Karakteristik IV khas perangkat RRAM berbasis Ru ditunjukkan pada Gambar. 2a. Setelah elektroforming, tegangan positif (2,5 V) diterapkan untuk proses set untuk mengalihkan sel dari status resistansi tinggi (HRS) ke status resistansi rendah (LRS) dengan arus kepatuhan 1 mA untuk mencegah kerusakan permanen selama konduktif pembentukan filamen (CF). Setelah transisi yang disetel, tegangan negatif (− 2,3 V) digunakan untuk mengalihkan perangkat dari LRS ke HRS dengan arus yang menurun secara bertahap. Untuk mengevaluasi variabilitas resistensi dari perangkat ke perangkat, 10 sel RRAM berbasis Ru dipilih secara sewenang-wenang. Seperti yang digambarkan pada Gbr. 2b, hasil statistik menunjukkan keseragaman HRS dan LRS yang sangat baik dengan jendela resistensi lebih besar dari 10
3
, yang bisa menjadi kandidat yang menjanjikan untuk aplikasi logika berbasis NVM. Dibandingkan dengan perangkat berbasis Pt yang dilaporkan sebelumnya [2], perlu dicatat bahwa fenomena NDR diamati selama proses set, di mana arus berkurang dengan meningkatnya tegangan (set-fase 1) dalam skala tegangan terbatas diikuti dengan peningkatan ke arus kepatuhan (set-fase 2).
a karakteristik DC. b Distribusi statistik HRS/LRS dari 10 perangkat RRAM berbasis Ru
Variabilitas siklus-ke-siklus perangkat RRAM berbasis Ru juga diselidiki dalam mode pulsa untuk mempelajari keseragaman siklus. Pulsa untuk set (2,4 V, 15 ns) dan pulsa (− 3 V, 100 ns) digunakan untuk mengalihkan perangkat antara LRS dan HRS dengan tegangan baca 0,1 V setelah setiap pulsa. Seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 3a, perangkat 1000 siklus memiliki distribusi seragam dengan simpangan baku 379 Ω dan 3 × 10
5
untuk LRS dan HRS, yang menghasilkan jendela memori stabil yang lebih besar dari 100. Tidak ada penurunan daya tahan yang terjadi bahkan setelah 10
6
beralih siklus seperti yang dilaporkan sebelumnya dalam Ref. [15]. Selain itu, perangkat juga menunjukkan properti retensi yang sangat baik seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 3b. Resistensi LRS dan HRS mempertahankan nilai konstan di atas 10
5
s pada 120 °C tanpa kegagalan.
a 1000 siklus daya tahan. b Perilaku retensi suhu tinggi dari Ru/AlOy /HfOx /Perangkat RRAM TiN
Untuk mengeksplorasi fenomena NDR, I–V kurva diukur dalam mode sapuan tegangan dan mode sapuan arus. Gambar 4a menampilkan proses pembentukan lima sel RRAM baru yang dipilih secara acak. Arus secara bertahap meningkat diikuti oleh abruption, yang menunjukkan pembentukan CF, sementara tidak ada NDR yang diamati. Setelah elektroforming, operasi set dalam mode sapuan yang berbeda dilakukan di sel yang sama untuk mengamati variasi arus, seperti yang ditunjukkan pada Gambar 4b. Untuk set yang digerakkan arus, arus meningkat perlahan dengan penurunan tegangan yang tiba-tiba, menunjukkan transisi resistansi dari HRS ke LRS. Perilaku ini berbeda dari karakteristik yang didorong oleh tegangan, yang mungkin disebabkan oleh pemanasan Joule yang diinduksi rangsangan yang berbeda di seluruh CF. Selain itu, operasi set/reset berturut-turut di bawah bias yang berbeda dilakukan untuk menyelidiki keadaan resistensi menengah di wilayah NDR. Tegangan stop yang sesuai sebesar 1 V diterapkan selama proses yang ditetapkan, seperti yang ditunjukkan pada Gambar 4c, untuk menyelesaikan sapuan di bagian bawah lembah. Keadaan resistansi non-volatil diperoleh setelah tegangan dihilangkan, yang menunjukkan perilaku switching resistif unipolar. Oleh karena itu, fenomena NDR ini secara tentatif dikaitkan dengan reset kedua CF selama proses yang ditetapkan.
a Pembentukan tegangan dari lima perangkat RRAM berbasis Ru. b Proses set yang digerakkan oleh tegangan dan arus dalam sel RRAM yang sama. c Proses pengaturan yang tidak lengkap dengan voltase berhenti di dasar lembah saat ini
Dikombinasikan dengan pengukuran dalam mode yang berbeda dan proses fabrikasi perangkat serta properti RuO2 , asal fisik fenomena NDR diusulkan, seperti yang diilustrasikan pada Gambar. 5. Sebuah studi sebelumnya [19, 20] menyarankan bahwa generasi dan rekombinasi dari kekosongan elektron terdeplesi oksigen (Vo ) dan ion oksigen (O
2−
) di bawah polaritas listrik yang berbeda bertanggung jawab atas HfOx conventional konvensional perangkat RRAM bipolar berbasis, yang mirip dengan set-fase 2 dan proses reset. Namun, tidak seperti proses set konvensional, pemutusan kedua CF terjadi memutuskan elektroda Ru dan CF dan mengarah ke NDR. Secara umum, atom oksigen terdisosiasi menjadi Vo dan O
2−
di bawah medan listrik dengan hanyutnya O
2−
ke elektroda atas, meninggalkan Vo membentuk CF yang digunakan untuk transpor elektron. Namun karena adanya pemanasan Joule yang disebabkan oleh medan listrik, maka terbentuklah RuO2 lapisan antarmuka akan terurai perlahan pada ~ 600 °C dan melepaskan O
2−
yang dapat bergabung kembali dengan elektron yang terkuras Vo (Vo
2+
) di dekat elektroda Ru (set-fase 1) [21], menghasilkan penurunan arus. Proses ini juga dapat dilihat sebagai proses reset unipolar parsial. Dengan meningkatnya tegangan lebih lanjut, CF antara TE dan BE akan direkonstruksi oleh akumulasi Vo seperti yang ditunjukkan pada set-fase 2 dan sel RRAM beralih ke LRS. Selama reset, dua proses berlangsung secara bersamaan:(1) O
2−
dilepaskan dari elektroda TiN dengan cepat bergabung kembali dengan V . bermuatan positif o karena bagian tangkapan yang ditingkatkan, (2) O
2−
melayang menuju BE bereaksi dengan Ru dan mereformasi RuO2 lapisan antarmuka karena pemanasan Joule lokal [22]. Pada kondisi ini, sel RRAM beralih ke HRS.
Proses fisik switching resistif dalam RRAM berbasis Ru. a Efek NDR (set-fase 1). b Proses SET (set-fase 2) yang umum. c Proses RESET perangkat
Analisis XPS dari RuO2 lapisan antarmuka, yang terbentuk selama proses fabrikasi perangkat, juga mendukung penjelasan yang diusulkan tentang efek NDR. Gambar 6a menunjukkan spektrum penuh XPS sampel, yang mencakup level inti O 1s, Ru 3d, Al 2p, dan Hf 4f. Puncak tak bertanda lainnya semuanya sesuai dengan unsur-unsur ini dengan orbit elektron yang berbeda. Kurva pas pada Gambar. 6b sangat cocok dengan data eksperimen dan dibagi menjadi empat puncak, yang sesuai dengan Ru 3d5/2 (280,01 eV untuk Ru dan 280,75 eV untuk RuO2 ) dan Ru 3d3/2 (284.3 eV untuk Ru dan 285.26 eV untuk RuO2 ) tingkat inti, menunjukkan koeksistensi Ru dan RuO2 dalam film tipis [23]. Intensitas rendah Ru 3d5/2 puncak menunjukkan bahwa RuO2 yang terbentuk lapisan antarmuka sangat tipis seperti yang kami harapkan.
Spektrum XPS dari a Ru/AlOy /HfOx film tipis dan b Ru tingkat inti 3d. RuO2 film tipis antara Ru dan AlOy formulir selama proses ALD [18]
Kesimpulan
Dalam penelitian ini, Ru/AlO yang kompatibel dengan CMOSy /HfOx /Perangkat RRAM TiN telah dibuat. Kinerja switching yang sangat baik dicapai dengan resistansi perangkat-ke-perangkat yang seragam dan jendela resistansi yang besar serta properti retensi suhu tinggi yang baik. Berdasarkan pengukuran listrik dan analisis XPS, fenomena NDR pada proses himpunan dapat dijelaskan dengan rekombinasi kekosongan oksigen dan ion oksigen yang dilepaskan dari RuO2 lapisan antarmuka karena pemanasan Joule yang diinduksi listrik.
