Dampak Cu-Doping pada Kinerja Perangkat RRAM Berbasis La

Hasil dan Diskusi

Gambar 2 menunjukkan analisis kedalaman spektroskopi fotoelektron sinar-X (XPS) dari spektrum Cu 2p dalam LaAlO yang didoping Cu₃ film (Parameter etsa:2 KVM Ar ion, ~ 1 Å/s laju etsa). Seperti dapat dilihat pada Gambar. 2, puncak Cu 2p hampir tidak dapat ditemukan pada sampel yang tidak dineal (S2) setelah etsa selama 30 s atau 60s, sedangkan setelah etsa selama 90s, puncak Cu 2p yang mencolok muncul, menunjukkan bahwa Cu atom terutama terkonsentrasi di lapisan Cu-embedded. Secara berbeda, atom Cu diamati di seluruh LaAlO₃ film setelah perlakuan anil, yaitu setelah etsa selama 30 s, 60s, dan 90s, puncak Cu 2p yang jelas dapat diamati pada S3. Hasil XPS mengkonfirmasi bahwa anil suhu tinggi akan menyebabkan redistribusi atom Cu yang didoping, yang dapat membantu meningkatkan karakteristik listrik RRAM berbasis La.

Hasil XPS spektrum Cu 2p untuk S2 dan S3 setelah etsa ion Ar selama 30 detik, 60 detik, dan 90 detik

Gambar 3 menunjukkan gambar mikroskop elektron transmisi (TEM) penampang melintang khas dari dua LaAlO yang tertanam Cu₃ RRAM (yaitu S2 dan S3). Seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 3a, struktur laminasi dari Cu/LaAlO yang tidak dianil₃ /Cu/LaAlO₃ /Perangkat Pt dapat dikenali dengan jelas dalam gambar TEM S2. Perlu dicatat bahwa setelah pengendapan LaAlO atas₃ lapisan pada 300 °C dari proses ALD, nanolayer Cu ~ 2-nm yang tertanam telah sedikit dipengaruhi oleh difusi termal. Oleh karena itu, dari gambar resolusi tinggi Gambar 3b, nanopartikel Cu yang tidak beraturan dan terpisah dengan ukuran 2~6 nm tertanam di LaAlO₃ lapisan dapat diamati dengan jelas. Perlakuan anil tambahan setelah proses ALD akan lebih meningkatkan difusi termal atom Cu, sehingga sulit untuk membedakan keberadaan Cu nanolayer seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 3c. Dengan bantuan gambar TEM resolusi lebih tinggi seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 3d, perkiraan LaAlO setebal 25 nm₃ lapisan tertanam dengan beberapa Cu-NCs bulat dan terpisah dapat diamati, menunjukkan bahwa bagian dari nanolayer Cu telah menyebar ke dalam LaAlO₃ dielektrik dengan beberapa Cu-NC berukuran lebih kecil yang tertinggal setelah perlakuan anil 600 °C.

Gambar TEM dari perangkat RRAM tertanam Cu. a Gambar TEM penampang khas S2. b Sebuah gambar HRTEM dari S2. c Sebuah gambar TEM cross-sectional dari S3. d Gambar HRTEM dari S3

Proses pembentukan listrik sampel S1, S2, dan S3 ditunjukkan pada Gambar. 4. Seperti dapat dilihat pada Gambar. 4, tegangan tinggi sekitar 12 V diperlukan dalam proses pembentukan S1, dan tegangan pembentukan yang jauh lebih rendah (~ 7 V) diperlukan dalam S2 dan S3, menunjukkan bahwa tegangan pembentuk perangkat berbasis La dapat dikurangi secara efektif dengan memasukkan lapisan nano Cu dalam film dielektrik. Selain itu, dibandingkan dengan nilai resistansi awal S1 (2,51 × 10 ¹² , baca pada 1 V), resistansi S2 jauh lebih rendah (2,65 × 10 ⁶ , dibaca pada 1 V), dan nilai ini meningkat setelah proses annealing (S3, 2.83 × 10 ¹² , baca pada 1 V). Variasi tegangan pembentuk dan resistansi awal di atas dapat dikaitkan dengan perubahan sifat dielektrik LaAlO₃ film melalui bahan/rekayasa struktur perangkat. Karena kualitas yang sangat baik dari film dielektrik berbasis La yang dibuat dengan metode ALD, kekuatan medan listrik yang sangat tinggi diperlukan untuk memecah isolator (yaitu, S1). Setelah nanolayer Cu dimasukkan ke dalam film dielektrik, lapisan switching berkualitas tinggi yang ditumbuhkan ALD akan terpengaruh oleh nanolayer logam ini, yang akan membuat dielektrik lebih mudah rusak, dan pada akhirnya mengarah ke tegangan pembentukan yang jauh lebih rendah di S2. Juga, penghalang energi dari pembentukan kekosongan oksigen dapat dikurangi secara efektif dan lebih banyak cacat meta-stabil akan dibawa ke dalam film dielektrik karena perbedaan struktural antara Cu dan LaAlO₃ bahan (pencocokan kisi, kecocokan ekspansi termal, dll.) [15]. Akibatnya, sejumlah besar cacat (perangkap muatan, ion logam, kekosongan oksigen, dll.) akan dimasukkan ke dalam LaAlO₃ lapisan switching resistif, yang mengarah pada pengurangan resistansi awal S2 [16]. Namun, sejumlah besar cacat pada film tipis dielektrik S2 ini dapat dikurangi secara efektif (atau dihilangkan) dengan perlakuan anil tambahan, yang menyebabkan resistansi awal S3 yang tinggi [17]. Selain itu, perlakuan anil tambahan telah membawa beberapa Cu-NCs dan atom Cu terdifusi ke dalam LaAlO₃ film dielektrik, yang selanjutnya akan meningkatkan medan listrik lokal dan menghasilkan tegangan pembentukan S3 yang rendah [18].

Proses pembentukan ketiga jenis RRAM berbasis La

Tegangan-arus bipolar tipikal (I –V ) kurva ~ 100 siklus sapuan arus searah (DC) untuk tiga jenis perangkat RRAM berbasis La (ukuran area 50 μm × 50 μm) diperoleh pada Gambar 5a–c. Tegangan uji (0 hingga 1,5 V dan 1,5 hingga 0 V untuk proses reset; 0 hingga 5 V dan 5 hingga 0 V untuk proses yang disetel) dibias pada TE (Cu) sedangkan BE (Pt) di-ground . Meskipun tiga perangkat RRAM berbasis La menampilkan 100 siklus berturut-turut perilaku RS bipolar berulang, ada beberapa perbedaan besar di antara mereka. Pertama, dibandingkan dengan S2 dan S3, sampel S1 yang tidak didoping lebih mudah rusak selama operasi set-reset siklik dengan tegangan stop reset (V _berhenti ) dari 1,5 V (seperti yang ditunjukkan pada penyisipan Gambar 5a), yang menunjukkan bahwa maksimum V _berhenti S1 lebih rendah dari S2 dan S3. Mempertimbangkan ini, V . yang relatif rendah _berhenti 1.4 V digunakan dalam kasus sampel S1. Perbedaan lainnya adalah bahwa I –V kurva S1 dan S2 menunjukkan fluktuasi abnormal (naik dan turun) selama proses set, yang cukup berbeda dari mulus I –V kurva S3. Fenomena ini terkait erat dengan sisa beberapa filamen konduktif (CF) di LaAlO yang tidak didoping (atau yang didoping tetapi tidak dianil)₃ film dielektrik setelah proses reset. Selain itu, dibandingkan dengan S1 dan S2, S3 memiliki I –V kurva yang menunjukkan lebih banyak konsistensi dan distribusi tegangan set/reset yang lebih kecil, menyiratkan bahwa stabilitas perangkat RRAM dapat ditingkatkan secara efektif dengan perawatan doping dan anil. Gambar 5d–f adalah uji ketahanan (~ 100 siklus, dibaca pada 0,1 V) dari S1–S3 yang diekstraksi dari kiri Gambar 5a–c. Rasio resistansi maksimum Cu/LaAlO₃ Perangkat RRAM /Pt, yaitu, status resistansi tinggi maksimum (HRS) hingga status resistansi rendah minimum (LRS) dapat setinggi 6 kali lipat. Namun, fluktuasi acak yang luas dalam HRS S1 dan S2 menghasilkan jendela hidup/mati tingkat yang sangat rendah (~ 10). Tidak seperti S1 dan S2, jendela on/off S3 sekitar 100 kali lebih besar dari pada S1 dan S2, menunjukkan bahwa karakteristik konsistensi perangkat RRAM berbasis La yang didoping Cu secara efektif ditingkatkan setelah anil. Perlakuan anil di S3 tidak hanya menyebabkan atom Cu berdifusi di seluruh LaAlO₃ film tetapi juga membentuk Cu-NCs dalam dielektrik. Dengan demikian, medan listrik lokal telah ditingkatkan; keacakan pembentukan/pecahnya CF telah dikendalikan, dan distribusi HRS (LRS) telah ditingkatkan [19]. Hasil di atas menunjukkan bahwa gagasan menyematkan lapisan nano Cu ke dalam RRAM berbasis La memerlukan perlakuan termal tingkat tertentu untuk mencapai kinerja perangkat yang lebih baik.

a –c Bipolar tipikal I –V kurva dan d –f tes daya tahan S1, S2, dan S3

Gambar 6 a menunjukkan probabilitas kumulatif dari resistansi HRS dan LRS (dibaca pada 0,1 V), dan Gambar 6b ​​mencatat probabilitas kumulatif dari tegangan set dan reset. Pada Gambar 6a, nilai rata-rata (μ ) dari LRS dan HRS pada S1, S2, dan S3 diperoleh masing-masing sebesar 50,7 Ω dan 1,59 MΩ, 100,6 Ω dan 1,51 MΩ, serta 80,6 Ω dan 1,95 MΩ. Namun, koefisien variasi (σ /μ ) dari LRS dan HRS sangat bervariasi jika dibandingkan dengan nilai rata-rata yang hampir sama di S1, S2, dan S3. Diantaranya, S3 memiliki nilai /μ minimum (LRS 0,74, HRS 1,02), diikuti oleh S2 (LRS 1,33, HRS 1,23), dan /μ S1 paling buruk (LRS 1,22, HRS 3.00). Seperti ditunjukkan pada Gambar 6b, nilai rata-rata tegangan reset/set adalah sekitar 0.79 V/2.36 V, 0.83 V/2.49 V, dan 1.25 V/2.59 V untuk sampel S1, S2, dan S3. Simpangan baku (σ ) dari tegangan reset/set, yang digunakan untuk mengevaluasi dispersi parameter, ditemukan berturut-turut adalah 0,20/0,82 (S1), 0,23/1,16 (S2), dan 0,13/0,45 (S3). Dapat ditemukan bahwa variasi yang luas dari HRS, LRS, V _setel , dan V _{setel ulang} di S1 ​​dan S2 ditingkatkan setelah anil. Dibandingkan dengan S1 dan S2, yang didoping dan dianil (S3) menunjukkan keseragaman yang lebih baik, menunjukkan bahwa S3 memiliki stabilitas operasi terbaik di antara ketiganya. Seperti disebutkan di atas, sejumlah besar cacat kemungkinan akan diperkenalkan ke S2, yang akan menyebabkan masalah dengan keandalan dan stabilitas perangkat. Untuk S3, sejumlah besar cacat dihilangkan oleh proses termal, dan keacakan pembentukan/pecahan CF berkurang karena keberadaan Cu-NC. Dengan demikian, keseragaman halus dengan variasi kecil dalam tegangan switching dan nilai resistansi diperoleh di S3.

Probabilitas kumulatif a HRS dan LRS (dibaca pada 0.1 V) dan b setel dan setel ulang voltase

Karakteristik retensi dari tiga jenis perangkat RRAM berbasis La di bawah tegangan pembacaan 0,1 V pada suhu kamar diilustrasikan pada Gambar 7. Selama uji retensi, Cu/LaAlO₃ :Perangkat Cu-NC/Pt menunjukkan kinerja retensi yang stabil selama lebih dari 10 ⁴ s pada suhu kamar dengan R . yang hampir konstan _SDM /R _LRS rasio hingga tiga kali lipat, sesuai dengan karakteristik nonvolatil dari RRAM berbasis La. DC SET/RESET 10 siklus hasil bipolar diukur untuk mengevaluasi kemampuan switching S1, S2, dan S3. Seperti ditunjukkan pada Gambar. 8, S3 memiliki hasil terbaik, diikuti oleh S2, dan S1 adalah yang terburuk. Hasil ini menunjukkan bahwa lapisan Cu tertanam sangat membantu untuk meningkatkan hasil RRAM berbasis La, dan hasil perangkat dapat lebih ditingkatkan dengan perlakuan termal tambahan. Selain itu, dapat ditemukan pada Gambar. 8 bahwa hasil perangkat meningkat dengan penurunan area perangkat. Fenomena ini menunjukkan bahwa mekanisme switching resistif Cu/LaAlO₃ Perangkat RRAM /Pt mungkin terkait erat dengan efek panas Joule, yaitu, panas Joule berpartisipasi dalam pembentukan/pecahnya filamen konduktif dan tampaknya lebih menonjol pada perangkat berukuran lebih kecil.

Perilaku retensi perangkat RRAM berbasis La pada suhu kamar

DC SET/RESET 10 siklus hasil bipolar perangkat RRAM berbasis La

Untuk mendapatkan lebih banyak wawasan tentang RRAM berbasis La yang diolah dengan Cu-NC, analisis lebih lanjut telah difokuskan pada mekanisme switching resistansi S3. Seperti ditunjukkan pada Gambar. 9a, pengaturan dan pengaturan ulang tegangan dalam arah yang berbeda diterapkan di I –V pengukuran S3. Hasil pengujian menunjukkan bahwa S3 memiliki perilaku switching resistif unipolar dan bipolar, yang menunjukkan RRAM berbasis La yang diberi perlakuan Cu-NC adalah nonpolar. Para peneliti percaya bahwa perilaku switching resistif nonpolar (unipolar) terkait erat dengan pembentukan/pecahnya CF yang dibantu oleh panas Joule [7]. Dalam proses reset RRAM berbasis La, fenomena overshoot arus tinggi diamati dan kemudian efek pemanasan Joule diinduksi, yang menyebabkan peleburan, sintering, atau oksidasi termal CF. Gambar 9b menunjukkan plot logaritma ganda dari I –V kurva dan fiting linier S3, dan sisipan menunjukkan ln(I /V )–V ^1/2 kurva dari proses yang ditetapkan. Jelas, I –V hubungan di LRS menunjukkan perilaku konduksi Ohmik dengan kemiringan sekitar 1, menyiratkan keberadaan CF dalam dielektrik setelah proses yang ditetapkan. Namun, mekanisme pelaksanaan HRS sedikit rumit, dan I –V kurva di HRS dapat dibagi menjadi tiga garis lurus dengan tiga kemiringan yang berbeda. Di wilayah tegangan rendah (<0,8 V, garis oranye), kemiringan jalur pemasangan adalah sekitar 1,33, yang dekat dengan mekanisme transportasi Ohmik. Dengan peningkatan tegangan (~ 0,8 hingga ~ 2 V, jalur hijau), kemiringan jalur pemasangan meningkat menjadi 1,93 (I ~~V ^1,93 ), yang sesuai dengan hukum kuadrat Anak (I ~~V ² ). Di wilayah ketiga (> 2 V, garis ungu), kemiringan garis pas akan terus meningkat (misalnya, 2,86 dalam kasus ini), dan arus akan meningkat tajam ketika V _setel tercapai. Mode konduksi HRS, yang terdiri dari wilayah transportasi Ohmik dan wilayah hukum Anak, sesuai dengan mekanisme arus terbatas muatan ruang klasik (SCLC) [20, 21]. Munculnya mekanisme konduksi SCLC menunjukkan pembentukan dan pecahnya jalur konduksi lokal [22], yang dianggap sebagai mekanisme RS utama Cu/LaAlO₃ :Perangkat Cu-NC/Pt. Selain itu, konduksi HRS juga ditemukan cocok dengan mekanisme konduksi Poole-Frenkel (sisipan). Efek Poole-Frenkel terutama disebabkan oleh medan listrik pembawa tereksitasi melompat melalui keadaan terperangkap [23], yang menunjukkan bahwa masih ada sejumlah besar cacat di LaAlO₃ film bahkan setelah perawatan anil.

a Aku –V pengukuran S3 dalam arah tegangan yang berbeda. b Plot logaritma ganda dari I –V kurva dan fiting linier S3, dan sisipan menunjukkan ln(I /V )–V ^1/2 merencanakan proses yang ditetapkan

Ketergantungan S3 pada area elektroda (Gbr. 10a) dan suhu (Gbr. 10b) telah dipelajari untuk lebih memahami mekanisme RS. Dapat dilihat dari Gambar 10a bahwa resistansi LRS tidak tergantung pada luas elektroda, sedangkan resistansi HRS (dan resistansi awal) menurun dengan bertambahnya luas perangkat, yang menunjukkan bahwa mekanisme RS S3 berasal dari pembentukan dan pecah dari CF. Pada Gambar. 10b, resistensi HRS menurun dengan meningkatnya suhu, menunjukkan bahwa keadaan OFF S3 dapat dikaitkan dengan perilaku semikonduktor. Sebaliknya, resistansi LRS meningkat dengan meningkatnya suhu, menunjukkan karakteristik logam dalam keadaan ON [24]. Menurut literatur, hubungan antara resistansi logam dan suhu biasanya dipelajari dengan persamaan R (T ) =R ₀ [1] + α (T T ₀ )] [25]. Dan kecocokan linier biru pada Gambar 10b menentukan koefisien suhu (α ) menjadi 1,03 × 10 ⁻³ K ⁻¹ . Nilai ini sedikit lebih kecil dari nilai yang dilaporkan dari kawat nano Cu dalam literatur lain (2,5 × 10 ⁻³ K ⁻¹ [26], 2,39 × 10 ⁻³ K ⁻¹ [27]). Karena fakta bahwa sejumlah besar cacat telah dimasukkan ke dalam LaAlO yang didoping Cu-NC₃ film, α . yang lebih rendah nilai Cu CFs diperoleh dalam makalah ini.

a Ketergantungan area elektroda dari HRS dan LRS. b Ketergantungan suhu pada HRS dan LRS

Oleh karena itu, penjelasan yang masuk akal telah diajukan untuk efek RS dari Cu/LaAlO₃ :Perangkat Cu-NC/Pt dalam kasus kami. Pembentukan dan pecahnya Cu CFs sangat mungkin dimediasi oleh electrochemical metallization (ECM) dan efek panas Joule. Gambar 11 menunjukkan diagram skema untuk mekanisme RS dari Cu/LaAlO3:perangkat Cu-NC/Pt dalam (a) keadaan awal; (b), (c) Mengatur proses; (d) status ON; dan (e) Proses reset. Ketika tegangan positif diterapkan ke TE (Cu), reaksi oksidasi, yang digambarkan sebagai Cu → Cu ²⁺ + 2e ⁻ , terjadi pada bahan yang aktif secara elektrokimia (Gbr. 11b). Di bawah aksi medan listrik, ponsel Cu ²⁺ kation bermigrasi menuju BE (Pt) melalui LaAlO₃ film, dan reaksi reduksi Cu ²⁺ + 2e ⁻ → Cu terjadi di katoda (Gbr. 11c). Perlu dicatat bahwa ada beberapa Cu-NCs dan atom Cu yang tersebar dalam dielektrik S3 berbasis La, yang merupakan jalur alami untuk pembentukan Cu CFs. Dengan demikian, atom logam Cu yang terus menerus diendapkan akan cenderung tumbuh di sepanjang jalur alami ini dan akhirnya mencapai TE untuk membentuk saluran konduktif (Gbr. 11d). Ketika polaritas tegangan yang diberikan dibalik, proses pelarutan, yang berkaitan erat dengan efek elektrokimia dan efek panas Joule, terjadi di suatu tempat di sepanjang filamen, menghasilkan fraktur CF dan perangkat yang hampir lengkap menjadi keadaan OFF (Gbr. 11e ).

Diagram skema untuk mekanisme RS dari Cu/LaAlO3:perangkat Cu-NC/Pt di a keadaan awal; b , c mengatur proses; d AKTIF; dan e proses reset