Retensi yang Ditingkatkan dalam RRAM TaO/HfO dan TaO/AlO: Model Pengalihan Self-Rectifying
Abstrak
Model retensi komprehensif untuk memori acak resistif (RRAM) self-rectifying TaO/HfO_x dan TaO/AlO_x disajikan. Dalam RRAM penangkap defek, status resistensi rendah (LRS) biasanya degradasi lebih cepat dari status resistensi tinggi (HRS) karena pengaruh pembatas dari lapis resistor TaO internal. Penumpukan TaO/AlO_x dalam tumpukan pengalihan secara signifikan meningkatkan retensi LRS, dengan ekstrapolasi yang memprediksi lebih dari 5 tahun pada suhu kamar. Keduanya berbagi lapis capping TaO yang sama dan menunjukkan energi aktivasi identik sebesar 0,38 eV. Lapisan AlO_x memperkenalkan penghalang difusi oksigen yang lebih tinggi, yang secara besar meningkatkan retensi dan mempertahankan LRS yang stabil di bawah kondisi bias.
Latar Belakang
Teknologi flash NAND mendekati batas skala, sehingga RRAM vertikal (VRRAM) dengan tumpukan film minimal, hasil tinggi, dan tidak ada kopling silang adalah solusi yang menjanjikan untuk memori padat ultra [1,2,3]. Arsitektur 1TnR 3-D memungkinkan biaya bit ultrarendah dalam array kompak [4,5,6]. Karya terbaru telah mengalihkan operasi RRAM terhadap mekanisme pengalihan low-current, penangkap defek, modulasi kosongan, atau jenis antarmuka [7,8,9], namun kegagalan retensi yang terkait dengan migrasi kosongan oksigen masih belum terpecahkan [3,10]. Studi retensi tipe filamen mengusulkan berbagai model untuk menjelaskan kerugian [11,12,13], yang menyarankan perubahan dalam mekanisme pengalihan dapat meningkatkan daya tahan. Studi sebelumnya pada perangkat TaO/HfO_x telah menunjukkan nonlinieritas sekitar 40, daya tahan >1000 siklus, dan retensi data 85 °C [6,7]. Mencapai retensi yang stabil pada tingkat arus rendah, namun, tetap menjadi tantangan. Surat ini memperkenalkan model retensi berdasarkan metode Arrhenius untuk dua perangkat penangkap defek, menyoroti peran lapisan AlO_x dalam meningkatkan retensi melalui ikatan padat.
Metode
Perangkat TaO/HfO_x dan TaO/AlO_x dibuat pada substrat Si/oksida termal 8-in. Elektroda bawah (TiN) disetorkan oleh PVD, diformir, dan di-etch melalui litografi konvensional. Pembersihan pasca-etch menggunakan plasma O₂/H₂O pada 180 °C, membentuk lapis oksidasi TiON tipis pada TiN. Lapisan pengalihan HfO_x dan AlO_x disetorkan oleh ALD menggunakan prekursor HfCl₄-H₂O dan TMA-H₂O pada 300 °C dan 250 °C, masing-masing. Lapisan capping TaO kemudian ditambahkan oleh oksidasi plasma suhu rendah (LTPO) pada 0,2 Å/s, menyediakan resistor kepatuhan sendiri internal. Elektroda atas (TiN) disetorkan oleh PVD. Gambar 1 mengilustrasikan tumpukan lapis dan ketebalan untuk kedua jenis perangkat. Setelah diformir, oksida suhu rendah (250 °C) disetorkan untuk passivasi, diikuti dengan pemrosesan back-end standar untuk kontak dan pembalok.
Skematik sel dengan detail ketebalan untuk a perangkat TaO/HfO_x dan b perangkat TaO/AlO_x. Kedua tumpukan menggunakan TaO yang disetorkan LTPO dan lapis interfacial TiON yang dioksidasi plasma.
Hasil dan Pembahasan
Performa listrik dievaluasi dengan analyzer parameter semikonduktor HP4156C. Gambar 2a dan 2b menunjukkan karakteristik J–V untuk sel TaO/HfO_x dan TaO/AlO_x, masing-masing, di seluruh tiga area perangkat (0,1, 0,56, dan 25 µm²). Semua perangkat dimulai dalam HRS, diprogram ke LRS dengan bias positif, lalu di-reset ke HRS dengan bias negatif. Kurva J–V menunjukkan densitas arus yang konsisten di seluruh ukuran sel, yang mengindikasikan pengaturan yang dihasilkan oleh medan yang seragam dan mengonfirmasi perilaku pengalihan penangkap defek. Resistensi LRS dan HRS berskala terbalik dengan area (Gambar 2c, 2d), yang memperkuat mekanisme pengalihan yang dikendalikan oleh densitas arus. Perangkat TaO/AlO_x membutuhkan tegangan set (4–4,5 V) dan reset (–1,5 hingga –2,5 V) yang sedikit lebih tinggi daripada TaO/HfO_x (3–4 V, –0,5 hingga –1,5 V), yang mencerminkan penghalang energi yang lebih tinggi dalam lapisan AlO_x.
Densitas arus vs. tegangan untuk a perangkat TaO/HfO_x dan b TaO/AlO_x; resistensi vs. area untuk c TaO/HfO_x dan d TaO/AlO_x (dibaca pada 2 V). Setiap titik merata-rata 10 perangkat dengan deviasi standar.
Perilaku retensi dievaluasi pada 85 °C dan 1 V. Gambar 3a dan 3b mengungkapkan bahwa LRS degradasi lebih terlihat dibandingkan HRS dalam kedua jenis perangkat, namun TaO/AlO_x menunjukkan stabilitas LRS yang lebih baik. Seiring waktu, baik HRS maupun LRS menguap ke arah status resistensi awal (IRS), seperti yang disorot oleh garis putus dalam plot. Gambar 3c dan 3d mengilustrasikan bahwa memanaskan TaO/AlO_x pada 150 °C selama 48 jam dan TaO/HfO_x pada 120 °C selama 120 jam memulihkan LRS ke kondisi awalnya, menekankan peran rekombinasi ion/kosongan oksigen dalam kehilangan retensi.
Variasi resistensi seiring waktu untuk a TaO/HfO_x dan b TaO/AlO_x pada 85 °C (1 V). Pemulihan LRS pasca-pemanasan ditunjukkan dalam c TaO/AlO_x (150 °C/48 jam) dan d TaO/HfO_x (120 °C/120 jam).
Waktu retensi diekstraksi menggunakan metode Arrhenius. Dengan menganalisis rasio resistensi LRS seiring waktu (30–150 °C) dan ekstrapolasi ke 10³× LRS awal, kami memperkirakan waktu retensi 10⁶ s pada 150 °C dan ~2 × 10⁸ s (≈5 tahun) pada suhu kamar untuk perangkat TaO/AlO_x. Keduanya TaO/HfO_x dan TaO/AlO_x berbagi energi aktivasi yang sama sebesar 0,38 eV, yang menunjukkan bahwa lapis capping TaO mendominasi proses rekombinasi ion/kosongan. Lapisan AlO_x memiliki densitas atom yang lebih tinggi dan panjang ikatan Al–O yang lebih pendek, yang mengurangi mobilitas ion oksigen, menciptakan penghalang difusi yang lebih tinggi yang memperpanjang retensi.
a Rasio resistensi vs. waktu pemanasan untuk berbagai suhu dalam perangkat TaO/AlO_x (R awal rata-rata = 179 MΩ pada 2 V). b Waktu retensi yang diperkirakan (×10³) vs. 1/kT; energi aktivasi yang diekstraksi adalah 0,38 eV untuk kedua jenis perangkat. c Skematik penghalang difusi oksigen dalam HfO_x vs. AlO_x dengan capping TaO.
Mekanisme retensi berbeda antara RRAM tipe filamen dan penangkap defek. Dalam perangkat tipe filamen, difusi kosongan lateral mengatur pecahnya, sedangkan perangkat penangkap defek menunjukkan difusi longitudinal sejajar dengan medan listrik, yang membuat retensi sensitif terhadap polaritas bias. Gambar 5a dan 5b menunjukkan retensi on-bias: bias positif memperpanjang LRS, sedangkan bias negatif mempercepat degradasi. Pada ±100 mV, efek on-bias bisa diabaikan, kemungkinan karena offset band di junc TiON–HfO_x, TiON–AlO_x, dan TiN–TaO. Bias positif 500 mV pada TaO/AlO_x tidak menghasilkan degradasi yang teramati.
Rasio resistensi on-bias vs. waktu stres untuk a TaO/HfO_x dan b TaO/AlO_x pada suhu kamar.
Kesimpulan
Analisis komparatif RRAM self-rectifying TaO/HfO_x dan TaO/AlO_x mengungkapkan bahwa lapis pengalihan AlO_x menghasilkan tegangan pengalihan yang lebih tinggi dan stabilitas termal LRS yang ditingkatkan secara signifikan. Retensi yang ditingkatkan timbul dari penghalang difusi oksigen yang lebih tinggi, bukan perubahan dalam energi aktivasi. Energi aktivasi (0,38 eV) ditentukan oleh proses de-trapping ion dari lapis resistif TaO, sementara film AlO_x padat menekan difusi kosongan, memperpanjang retensi LRS. Skematik kehilangan retensi yang diusulkan, yang didukung oleh eksperimen on-bias, memberikan pedoman yang berharga untuk merancang RRAM self-rectifying dengan arus rendah, retensi panjang, untuk memori padat generasi berikutnya.
