Penekanan Pertumbuhan Berlebih Filamen di Memori Akses Acak Jembatan Konduktif oleh Struktur Bi-Layer Ta2O5/TaOx

Hasil dan Diskusi

Untuk wawasan mendalam tentang proses anil, komposisi dan status ikatan kimia di Ta₂ O₅ film sebelum dan sesudah proses anil dianalisis dengan spektroskopi fotoelektron sinar-X (XPS). Tingkat etsa sampel adalah 0,5 nm/titik. Pada Gambar. 1a, puncak Ta₂ O₅ 4f doublet dengan energi ikat puncak 26,70 eV (Ta₂ O₅ 4f_7/2 ) dan 28,60 eV (Ta₂ O₅ 4f_5/2 ) dengan pemisahan puncak 1.9 eV diamati di permukaan [11,12,13]. Kasus ini menunjukkan adanya Ta₂ O₅ lapisan.

XPS menunjukkan profil kedalaman Ta sebelumnya (a ) dan setelah (d ) anil. b , e Profil kedalaman O sebelum dan sesudah anil, masing-masing. c, k Profil konsentrasi atom O dan Ta masing-masing dengan kedalaman sebelum dan sesudah anil

Dengan bertambahnya kedalaman, puncak Ta₂ O₅ Doublet 4f menghilang dan puncaknya pada 22,33 eV, 23,96 eV sesuai dengan Ta 4f_7/2 , Ta 4f_5/2 muncul. Gambar 1b memverifikasi bahwa tidak ada sinyal O pada kedalaman yang sama dengan Ta 4f_7/2 dan Ta 4f_5/2 ada. Dengan kata lain, ada logam Ta pada permukaan Ta₂ O₅ untuk perangkat yang tidak dianil. Kedalaman Ta₂ O₅ dan Ta dianalisis dari Gambar. 1c adalah 4 nm dan 2.5 nm, masing-masing. Selain itu, terdapat puncak konsentrasi atom O pada kedalaman 7 nm, yang menunjukkan adanya oksigen yang diserap. Gambar 1d dan e menunjukkan profil kedalaman spektrum XPS dari Ta₂ O₅ film setelah proses annealing. Puncak Ta 4f doublet dan Ta₂ O₅ Doublet 4f ada bersama-sama pada kedalaman tertentu. Intensitas Ta ⁵⁺ keadaan oksidasi secara bertahap melemah dengan meningkatnya kedalaman. Dikombinasikan dengan sinyal oksigen menyeluruh di sepanjang kedalaman film, kami mengonfirmasi bahwa TaO_x ada di permukaan Ta₂ O₅ [11, 14]. Dihitung dari Gbr. 1f, ketebalan Ta₂ O₅ adalah 4 nm dan TaO_x adalah 3,5 nm. Oleh karena itu, TaO_x dibentuk dengan mengubah oksigen yang teradsorpsi menjadi oksigen kisi dalam proses anil. Redistribusi oksigen akan mencapai titik jenuh jenuh setelah proses annealing. Ketebalan TaOx serta tegangan Forming tidak akan bertambah meskipun waktu annealing bertambah, membuktikan margin proses yang besar dari proses annealing ini.

Gambar 2a dan b adalah karakteristik switching resistif dari Cu/Ta₂ O₅ /W sebelum dan sesudah anil di bawah mode penyapuan DC. Resistansi awal (R _inisial ) dari kedua perangkat sama-sama dalam status resistansi tinggi (HRS) dengan nilai ~ 10 ⁹ dan 10 ¹⁰ , masing-masing. Semakin tinggi R _inisial dari perangkat anil adalah karena film oksida tebal yang terbentuk di bawah proses termal. Khususnya, perangkat ini tidak memerlukan proses pembentukan, yang sangat diharapkan dalam aplikasi praktis. Untuk perangkat yang tidak dianil, ia beralih ke LRS secara tiba-tiba ketika tegangan yang diberikan mencapai nilai kritis selama penyapuan tegangan positif. Beberapa LRS ultra-rendah terjadi selama proses yang ditetapkan. Arus RESET dalam kasus seperti itu jauh lebih tinggi daripada arus kepatuhan yang telah ditentukan sebelumnya, menunjukkan fenomena overshoot yang terjadi pada perangkat ini. Gambar 3b menunjukkan LRS dan HRS yang tidak stabil dalam 200 siklus untuk perangkat yang tidak dianil. Variasi besar antara siklus-ke-siklus mengarah ke jendela memori yang dikurangi menjadi sekecil 20. Gambar 2b menunjukkan perilaku peralihan perangkat anil. Arus yang mengalir melalui sel meningkat secara bertahap dan mencapai arus kepatuhan. Tidak ada titik peralihan yang terlihat, menghindari fenomena overshoot yang terjadi pada perangkat yang tidak dianil. Jendela memori setinggi 10 ⁴ dicapai selama siklus switching, karena distribusi HRS dan LRS yang seragam.

Kurva IV khas perangkat Cu/TaOx/W sebelum anil (a ) dan setelah anil (b ) dengan 200 siklus

a Atur dan RESET distribusi saat ini sebelum dan sesudah anil, masing-masing. b Distribusi resistensi HRS dan LRS sebelum/sesudah anil

Penekanan fenomena overset pada perangkat anil juga dapat diverifikasi dengan peningkatan distribusi arus RESET (I _{SETEL ULANG} ) dan Setel saat ini (I _Setel ) di perangkat anil, seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 3a. Aku _Setel perangkat yang tidak dianil macet di I _CC tapi Aku _{SETEL ULANG} mendistribusikan secara luas. Sebaliknya, untuk perangkat anil, I _{SETEL ULANG} mirip dengan Aku _Setel . Keseragaman perangkat-ke-perangkat dievaluasi dengan menganalisis R _pada dan R _nonaktif di 20 perangkat berbeda dalam mode DC. Seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 3 (b), R _pada diekstraksi di bawah V _baca 0,1 V untuk perangkat yang tidak dianil mendistribusikan dari 10 ² hingga 10 ⁵ , sedangkan R _pada perangkat anil didistribusikan dari 10 ⁴ hingga 10 ⁵ . R . yang relatif lebih tinggi _pada perangkat anil yang dihasilkan dari resistansi seri TaO_x lapisan. Selain itu, distribusi HRS perangkat anil juga jauh lebih baik. Seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 3b, standar deviasi (SD) dari R _nonaktif dikurangi dari 4,84 menjadi 1,39.

Hasil bersepeda di bawah penyapuan DC ditunjukkan pada Gambar. 4a dan b. Untuk perangkat yang tidak dianil, rasio HRS/LRS adalah sekitar 10 ⁵ pada awalnya, dan kemudian menurun secara bertahap dan akhirnya menempel di LRS. Perhatikan bahwa beberapa kesalahan lunak dapat diamati selama bersepeda, dalam bentuk HRS (titik merah) dan LRS (titik biru) berjalan bolak-balik sesekali. Untuk perangkat anil, rasio HRS/LRS tetap stabil (~ 10 ⁴ ) tanpa degradasi. Selama pengukuran pulsa, kondisi pemrograman pulsa yang tepat dioptimalkan sebagai 3 V/100 ns untuk operasi yang disetel, 2 V/200 ns untuk operasi RESET, dan 0,1 V/50 ns untuk operasi baca. Waktu penginderaan untuk operasi Set/RESET/Read masing-masing adalah 15 ns/12 ns/25 ns. Seperti dapat dilihat dari Gambar. 4c, daya tahan untuk perangkat yang tidak dianil biasanya kurang dari 5 × 10 ⁴ beralih siklus. Namun, dari Gbr. 4d, cukup mengejutkan bahwa perangkat anil masih berfungsi dengan baik tanpa kegagalan setelah lebih dari 10 ⁶ beralih siklus. Berdasarkan penelitian kami sebelumnya [15], kegagalan daya tahan di CBRAM terkait dengan operasi RESET yang tidak stabil akibat pertumbuhan berlebih filamen ke elektroda lawan. Di satu sisi, filamen yang tumbuh terlalu besar membutuhkan lebih banyak energi untuk pecah dan cenderung menyebabkan RESET yang tidak lengkap dan HRS yang lebih rendah. Di sisi lain, pertumbuhan berlebih dari filamen ke elektroda lawan menyebabkan sisa ion Cu di elektroda lawan, yang dapat berfungsi sebagai reservoir ion logam dan membuat SET negatif yang tidak terduga. Untuk perangkat anil, pertumbuhan berlebih filamen ditekan dengan baik oleh penggabungan TaO_x lapisan dan menghasilkan operasi RESET yang lebih stabil. Hasilnya, jendela memori terpelihara dengan baik dan karakteristik bersepeda jauh lebih baik.

Hasil bersepeda a perangkat tanpa anil di bawah 300 DC siklus dan b perangkat dengan anil di bawah 400 DC siklus. c, d Karakteristik daya tahan dalam mode AC dengan konfigurasi operasi yang dioptimalkan:setel 3 V/100 ns; RESET 2 V/200 ns. Hingga 10 ⁶ siklus diperoleh untuk perangkat setelah anil

Mengingat karakteristik retensi memainkan peran penting untuk aplikasi praktis CBRAM [16]. Karakteristik retensi diukur di bawah 150 °C menggunakan oven vakum. Resistansi setiap sel diperiksa setelah didinginkan hingga suhu kamar pada setiap interval dekade. Gambar 5a dan b menunjukkan ketergantungan R_HRS /R_LRS pada waktu memanggang untuk perangkat tanpa anil dan dengan anil, masing-masing. Untuk perangkat yang tidak dianil (Gbr. 5a), seiring bertambahnya waktu, perangkat gagal secara bertahap dalam 10 ⁴ S. Namun, untuk perangkat anil (Gbr. 5b), di antara 20 perangkat yang direkam, resistansi LRS dan HRS tidak menunjukkan penurunan seiring waktu pemanggangan yang meningkat. Artinya, retensi perangkat sangat ditingkatkan dengan proses anil. Masa pakai perangkat anil pada 85 °C dapat diekstraksi sebagai 10 tahun oleh plot Arrhenius, yang sesuai dengan CBRAM yang dilaporkan [17, 18]. Pencapaian karakteristik retensi yang lebih baik untuk perangkat anil adalah karena proses anil memulihkan beberapa cacat pada film switching, yang akan memperlambat difusi spesies Cu.

Karakteristik retensi HRS/LRS untuk a perangkat yang tidak dianil dan b perangkat anil pada 150 °C

Berdasarkan hasil di atas, model fisik untuk perilaku switching perangkat anil dan tidak diilustrasikan diilustrasikan pada Gambar. 6a–d. Pertumbuhan filamen di CBRAM dikaitkan dengan transportasi ion Cu dalam kisi elektrolit [19]. Fenomena overshoot yang terjadi pada perangkat un-annealed membuat filamen tumbuh berlebihan ke dalam counter electrode. Selama operasi RESET, sisa ion Cu yang tersimpan di elektroda lawan akan melayang ke celah terowongan antara ujung filamen dan elektroda lawan, menghasilkan sisa Cu ⁺ pada akhir operasi RESET dan variasi HRS yang serius. Sebagai koefisien difusi Cu dalam TaO_x (4.9 × 10 ^− 20 cm ² /s) jauh lebih sedikit daripada di Ta (1.0 × 10 ^− 6 cm ² /s), Cu berdifusi menjadi TaO_x jauh lebih sulit di bawah medan listrik selama operasi Set dalam sampel Cu/Ta₂ O₅ /TaO_x /W [20, 21]. Oleh karena itu, perilaku overset dan pertumbuhan berlebih filamen dapat ditekan dengan baik, dan operasi RESET menjadi lebih stabil.

Pemodelan fisik untuk perilaku switching perangkat anil dan tidak anil. a Setel dan b Proses RESET untuk perangkat yang tidak dianil dengan struktur Cu/Ta₂ O₅ /T/W. c Tetapkan dan d Proses RESET untuk perangkat anil dengan struktur Cu/Ta₂ O₅ /TaO_x /W. Pertumbuhan berlebih filamen ditekan oleh TaO_x lapisan yang terbentuk selama proses anil