Model Retensi TaO/HfO x dan TaO/AlO x RRAM dengan Karakteristik Sakelar Penyearah Sendiri

Hasil dan Diskusi

Pengukuran listrik dilakukan dengan penganalisis parameter semikonduktor HP4156C. Atur dan atur ulang kerapatan arus (J ) versus tegangan (J –V ) kurva TaO/HfO _x dan TaO/AlO _x perangkat ditunjukkan pada Gambar. 2a, b masing-masing. Kedua status resistensi awal (R _inisial ) dari TaO/HfO _x dan TaO/AlO _x perangkat yang HRS. Perangkat memori perawan diprogram ke LRS dengan bias positif dan disapu kembali. Kemudian, setiap sel dialihkan dari LRS ke HRS dengan menerapkan tegangan negatif. Keduanya J–V plot berisi tiga ukuran sel, yaitu 0,1, 0,56, dan 25 μm ² . Dalam J–V plot, semua kurva dari perangkat dengan area yang berbeda mirip satu sama lain, yang menunjukkan keduanya TaO/HfO _x dan TaO/AlO _x perangkat memiliki (i) kerapatan arus yang sama pada keadaan awal, (ii) tegangan set dan reset yang serupa, dan (iii) kerapatan arus yang sama pada LRS dan HRS. Selain itu, properti kerapatan arus konstan diilustrasikan dengan jelas oleh resistansi versus luas (R –A ) plot pada Gambar. 2c, d. Ketergantungan area yang kuat di kedua R _inisial dan LRS dapat diamati dengan kontrol rapat arus. Terlepas dari skala area sel dan arus kepatuhan, rasio resistansi hidup/mati yang sama disimpan di kedua perangkat. Karakteristik sakelar kerapatan arus konstan ini menyiratkan sel-sel memori diprogram atau dihapus secara seragam oleh medan listrik. Perangkat ini dianggap memiliki sifat switching tipe trapping, yang sangat terkait dengan modulasi kekosongan [8]. Dalam kasus RRAM tipe trapping, tidak ada lonjakan arus yang tajam yang diamati selama proses yang ditetapkan, tetapi lonjakan arus yang tajam umumnya diamati untuk RRAM tipe filamen. Dalam penelitian ini, tegangan pensaklaran yang berbeda diamati untuk lapisan pensaklaran yang berbeda dengan HfO _x atau AlO _x . Rentang tegangan yang disetel dari TaO/AlO _x perangkat adalah 4 hingga 4,5 V, yang lebih besar dari TaO/HfO _x perangkat (3 hingga 4 V). Rentang tegangan reset dari TaO/AlO _x perangkat adalah 1,5 hingga 2,5 V, yang lebih besar dari TaO/HfO _x perangkat (−0,5 hingga 1,5 V). Sebuah AlO _x sistem mengkonsumsi lebih banyak energi untuk menyelesaikan set dan reset switch daripada HfO _x sistem mengkonsumsi. Selama pengaturan sakelar, lapisan pengalih HfO _x dan AlO _x mencapai kerusakan lunak pada tegangan masing-masing sekitar 3 dan 3,5 V. Di kedua jenis perangkat, sebelum filamen terbentuk di lapisan switching, arus dibatasi oleh resistansi internal lapisan TaO. Selama proses self-compliance RRAM tipe trapping, kekosongan oksigen yang berlebihan dihasilkan di dalam lapisan switching [7]. Kekosongan oksigen tersebut digabungkan kembali selama proses reset bias negatif. Tidak seperti RRAM tipe filamen, HRS selalu lebih rendah dari keadaan resistansi awal (IRS) setelah operasi reset [15,16,17]. Untuk meringkas, defect-trapping adalah proses yang memodulasi kekosongan melalui rekombinasi ion oksigen-kekosongan untuk mengontrol variasi resistensi di lapisan switching. Dibandingkan dengan HfO _x lapisan switching, perangkap cacat menyebabkan tegangan dan daya yang lebih tinggi di AlO _x lapisan selama pengaturan dan pengaturan ulang sakelar.

Kerapatan arus dengan plot tegangan a TaO/HfO _x perangkat dengan ukuran sel yang berbeda. b TaO/AlO _x perangkat dengan ukuran sel yang berbeda. Perlawanan versus plot area c a TaO/HfO _x perangkat dan d a TaO/AlO _x perangkat. Kedua plot berisi IRS dan LRS dengan tegangan pembacaan = 2 V. Setiap titik data menyediakan rata-rata 10 perangkat dan standar deviasi yang sesuai

Setelah perilaku switching diselidiki, perilaku retensi HRS dan LRS dari unit memori tipe trapping diselidiki. Plot variasi resistensi terhadap waktu pada 85 °C dan 1 V untuk TaO/HfO _x dan TaO/AlO _x perangkat ditunjukkan pada Gambar. 3a, b. Pada kedua plot, variasi LRS lebih menonjol daripada variasi HRS. Stabilitas ketahanan TaO/AlO _x lebih tinggi dari TaO/HfO _x . Angka-angka menggambarkan bahwa HRS cenderung melayang ke arah IRS untuk kedua jenis perangkat; IRS ditandai dengan garis putus-putus pada Gambar 3a, b. Tren resistensi yang kembali ke kondisi awal perangkat digambarkan pada Gambar. 3c untuk TaO/AlO _x dan pada Gambar. 3d untuk TaO/HfO _x . Untuk mewujudkan hal ini, kedua jenis perangkat pada awalnya diprogram ke LRS pada suhu kamar, seperti yang ditunjukkan pada I–V menyapu (garis hitam). Kemudian, TaO/AlO _x dan TaO/HfO _x perangkat dipanggang dalam oven masing-masing pada suhu 150 °C selama 48 jam dan pada suhu 120 °C selama 120 jam. Untuk kedua kasus, I–V sapuan setelah dipanggang mirip dengan sapuan awal. Dengan prosedur ini, LRS perangkat tipe perangkap dikembalikan ke keadaan semula setelah beberapa waktu dalam lingkungan bersuhu tinggi. Tidak seperti perangkat tipe filamen, yang menampilkan pergerakan atom oksigen yang menonjol, perangkat tipe trapping memiliki pasangan ion oksigen dan kekosongan yang dipisahkan oleh jarak pendek. Kecenderungan resistensi melayang ke keadaan awal terkait dengan kristalinitas aslinya, yang terutama dikendalikan oleh suhu proses ALD. Akibatnya, LRS di kedua jenis perangkat dapat diatur ulang ke HRS (atau IRS) dengan bias negatif atau energi panas. Properti ini berbeda dengan RRAM filamen.

Plot variasi resistensi terhadap waktu untuk a TaO/HfO _x dan b TaO/AlO _x perangkat. Kedua plot berisi variasi HRS dan LRS pada tegangan pembacaan = 1 V pada 85 °C. Setelah saya –V sapuan setiap perangkat perawan telah diatur, perangkat dipanggang dan kemudian diprogram ke LRS lagi:c TaO/AlO _x (150 °C selama 48 jam); d TaO/HfO _x (120 °C selama 120 jam)

Dalam pengujian retensi standar untuk memori nonvolatil, retensi data diuji pada suhu kamar dan suhu tinggi; perangkat harus dapat menyimpan data pada suhu kamar dan suhu tinggi agar berguna dalam aplikasi nyata. Energi aktivasi (E _a ) ekstraksi dengan metode Arrhenius dalam plot retensi adalah metode umum untuk mengevaluasi retensi data [18, 19]. Seperti dapat dilihat pada Gambar. 3a, variasi LRS lebih menonjol daripada variasi HRS. Oleh karena itu, rasio resistansi (R _rasio ) LRS versus waktu pemanggangan pada suhu mulai dari 30 hingga 150 °C dianalisis. Salah satu contoh ekstraksi waktu retensi dari TaO/AlO _x perangkat ditunjukkan pada Gambar. 4a. Tingkat degradasi resistansi dapat dihitung dengan kemiringan pemasangan linier di log(R _rasio )-log(waktu) skala. Dengan mempertimbangkan rasio resistansi hidup/mati maksimum sekitar 10 ³ untuk TaO/AlO _x perangkat, seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 3c, waktu retensi dengan 10 ³ kali variasi LRS dapat dihitung. Perkiraan retensi data LRS pada suhu pengukuran mulai dari 30 hingga 150 °C ditunjukkan pada Gambar 4b. Setiap titik data mewakili informasi dari lebih dari 18 perangkat untuk kedua jenis perangkat. Dalam TaO/AlO _x perangkat, retensi data mencapai 10 ⁶ s pada 150 °C dan 2 × 10 ⁸ s (sekitar 5 tahun) pada suhu kamar; waktunya hampir 10 ^1,5 kali lebih lama daripada TaO/HfO _x perangkat. Hal yang paling menarik adalah bahwa keduanya TaO/HfO _x dan TaO/AlO _x perangkat menunjukkan E . yang sama _a = 0,38 eV, seperti yang dihitung dari kemiringan yang diekstraksi. E . yang sama _a menyiratkan bahwa kedua jenis perangkat mengalami reaksi kimia yang serupa dalam proses degradasi LRS. Ini E _a terlibat dalam semua proses kinetik yang diaktifkan secara termal, termasuk pelepasan ion oksigen di dekat antarmuka TaO dan proses difusi oksigen di AlO _x dan HfO _x lapisan. Namun, koefisien difusi oksigen sendiri dari HfO _x dan AlO _x lapisan berbeda pada suhu tinggi (>1000 °C); pengukuran yang tepat dapat ditemukan dalam literatur [20, 21]. Koefisien difusi oksigen pada suhu rendah (<200 °C) juga bergantung pada ketebalan HfO _x dielektrik [22]. Jika proses difusi pada lapisan peralihan mendominasi reaksi kimia, maka E _a nilai harus berbeda karena koefisien difusi yang berbeda dalam HfO _x dan AlO _x lapisan. Kedua jenis perangkat dalam karya ini menunjukkan E . yang sama _a = 0,38 eV; ini terkait dengan fakta bahwa kedua jenis perangkat memiliki lapisan penutup TaO yang sama di atas lapisan switching. Degradasi LRS adalah proses rekombinasi kekosongan dan ion, yang berarti lapisan TaO mengontrol reaksi kimia ini dan sebagian besar kekosongan dirapatkan di dekat antarmuka antara TaO dan lapisan switching. Lowongan tersebut lebih memilih untuk tetap berada di antarmuka lapisan TaO/switching; fenomena ini dapat didukung oleh sudut pandang stabilitas termodinamika, seperti yang dilaporkan oleh Zhong et al. [23]. Dalam simulasi TiN/Ta/HfO _x /TiN, ion oksigen lebih suka tetap berada di Ta/HfO _x antarmuka karena perbedaan energi yang rendah antara Ta dan HfO _x [23]. Dalam simulasi mereka, seperti dalam percobaan ini, lapisan resistif TaO menjebak sebagian besar ion oksigen dan mendominasi proses rekombinasi kekosongan ini. Degradasi LRS digambarkan dalam Gbr. 4c. Ion oksigen kembali ke keadaan kesetimbangan termal sebelumnya selama proses pemanggangan, yang mengakibatkan hilangnya retensi. Perbedaan dapat dicatat antara Ta/HfO _x perangkat seperti yang diusulkan oleh Zhong et al. dan TaO/HfO _x perangkat dalam penelitian ini, tetapi dalam kedua penelitian, lapisan TaO dibentuk oleh beberapa siklus deposisi logam Ta dan proses LTPO [14]. Karena proses LTPO, TaO/HfO yang kaya logam _x antarmuka dapat dianggap sebagai reservoir ion oksigen. Selama proses rekombinasi ion oksigen dan kekosongan, kerapatan pengepakan atom memainkan peran penting. Sifat retensi LRS superior yang diperoleh di AlO _x lapisan switching dapat dijelaskan oleh kepadatan atom yang tinggi dari AlO _x lapisan. Diketahui bahwa panjang ikatan Al–O lebih pendek daripada Hf–O [24, 25]. Ikatan pendek pada AlO _x mengurangi mobilitas ion oksigen karena interaksi coulomb yang tinggi, yang menghasilkan penghalang difusi kekosongan oksigen yang tinggi. Hambatan ini menyebabkan waktu retensi menjadi lebih lama dalam TaO/AlO _x perangkat daripada di TaO/HfO _x satu.

a Rasio variasi resistensi versus waktu pemanggangan untuk suhu yang berbeda dalam TaO/AlO _x perangkat. Resistensi awal rata-rata adalah 179 MOhm dengan tegangan pembacaan 2 V, dan tingkat degradasi resistansi LRS dihitung dengan metode pemasangan linier di log(R _rasio )–log(T) skala. b Perkiraan waktu retensi (1000×) versus plot 1/kT. Setiap titik berisi data dari 18 perangkat yang diambil pada tegangan pembacaan 2 V. Energi aktivasi yang diekstraksi adalah 0,38 eV di kedua TaO/AlO _x dan TaO/HfO _x perangkat. c Diagram skema retensi berbagai hambatan difusi oksigen dalam HfO _x atau AlO _x dengan lapisan penutup TaO

Selain itu, model kehilangan retensi perangkat tipe filamen berbeda dari perangkat tipe perangkap cacat. Perilaku retensi untuk RRAM tipe filamen terkait dengan ruptur filamen, dan arah difusi kekosongan adalah lateral [11, 19, 24]. Dalam RRAM penjebak cacat, arah difusi cacat memanjang, yang sejajar dengan medan listrik eksternal. Oleh karena itu, perilaku retensi dapat dipengaruhi oleh arah bias dan besarnya. Gambar 5a, b menunjukkan retensi on-bias melalui rasio resistansi untuk kedua perangkat. Rasio resistansi didefinisikan sebagai resistansi perangkat tegangan terhadap resistansi LRS. Bias positif dapat membantu mempertahankan LRS, tetapi bias negatif mempercepat proses degradasi. Sifat-sifat bias tersebut dapat dijelaskan dengan interaksi antara medan terlokalisasi dari pasangan ion oksigen dan kekosongan dan medan listrik eksternal. Jika arah medan eksternal sama dengan arah yang ditetapkan (positif), itu memperpanjang waktu retensi; jika medan eksternal dalam arah reset (negatif), itu menyebabkan degradasi. Dalam medan listrik rendah dengan ±100 mV, degradasi on-bias sama dengan degradasi tanpa-bias di kedua jenis perangkat. Bias ±100 mV ini mungkin ditutupi oleh band offset TiON-HfO _x , TiON-AlO _x , dan sambungan TiN-TaO. Sebuah TaO/AlO _x perangkat di bawah bias positif tinggi 500 mV tidak menunjukkan penurunan yang jelas.

Rasio resistensi bias versus waktu stres untuk a TaO/HfO _x dan b TaO/AlO _x perangkat pada suhu kamar