Trilayer RRAM HfO₂/TiO₂/HfO₂ yang Dioptimasi: Perpindahan Bipolar Bergantung Elektroda dan Kesejarakan Tingkat Tinggi melalui Deposi Lapisan Atom
Abstrak
Kami memfabrikasi trilayer resistive RAM (RRAM) HfO₂/TiO₂/HfO₂ pada substrat Si terlaap Pt dan TiN dengan elektroda atas Pt menggunakan deposisi lapis atom (ALD). Keduanya, perangkat simetris Pt/Pt dan asimetris Pt/TiN menunjukkan perpindahan resistensi bipolar klasik. Dalam keadaan resistensi rendah (LRS) konduksinya Ohmik, sementara dalam keadaan resistensi tinggi (HRS) arus terbatas muatan ruang (SCLC) mendominasi. Pilihan elektroda bawah sangat mempengaruhi polaritas elektroforming, rasio resistensi ON/OFF, dan penyebaran tegangan set/reset. Perangkat Pt/TiN mencapai tegangan forming negatif yang lebih rendah (−3,7 V), distribusi tegangan yang lebih sempit, dan rasio ON/OFF yang modest sebesar 10². Perilaku ini diatribusikan pada TiN yang bereaksi oksigen bertindak sebagai resevoir oksigen, yang memfasilitasi tegangan forming lebih rendah dan parameter perpindahan yang lebih seragam.
Latar Belakang
Resistive random-access memory (RRAM) menjanjikan densitas tinggi, daya rendah, dan non-volatilitas, memosisikannya sebagai calon pengganti memori flash. RRAM berbasis oksida logam transisi sangat menarik karena kompatibel dengan pemrosesan CMOS dan dapat dipresit dengan presisi atom melalui ALD. Perpindahan resistensi (RS) dalam perangkat ini dikendalikan oleh filamen rongga oksigen; namun, keseragaman parameter RS (rasio ON/OFF, tegangan set/reset, ketahanan) masih menjadi tantangan. Stack oksida trilayer (misalnya, Al₂O₃/HfO₂/Al₂O₃) telah menunjukkan keseragaman yang ditingkatkan karena rekayasa antarmuka. Namun, peran bahan elektroda, terutama elektroda bawah, pada karakteristik RS belum sepenuhnya dipahami. Penelitian ini mengeksplorasi bagaimana elektroda bawah Pt versus TiN mempengaruhi perilaku RS trilayer HfO₂/TiO₂/HfO₂ yang ditumbuhkan oleh ALD.
Metode
Dua substrat digunakan: komersial Si/SiO₂/Ti/Pt dan laboratorium Si/SiO₂/TiN. TiN (30 nm) dipresit oleh ALD diproses plasma pada 400 °C menggunakan TiCl₄ dan NH₃. Pada kedua elektroda bawah, trilayer 5 nm HfO₂/10 nm TiO₂/5 nm HfO₂ ditumbuhkan pada 250 °C oleh ALD termal dengan prekursor TEMAH, TiCl₄, dan H₂O. Elektroda atas Pt 100 nm (diameter 150 µm) diputarkan melalui masker bayangan. Karakterisasi termasuk AFM untuk kekasaran permukaan, XPS untuk status kimia dan profil kedalaman, dan pengukuran listrik dengan Keithley 4200 di bawah kepatuhan 10 mA. Elektroda atas bias sementara elektroda bawah di-ground.
Hasil dan Pembahasan
Struktur dan Morfologi Perangkat
AFM mengungkapkan kekasaran RMS 0,39 nm untuk Pt dan 0,87 nm untuk TiN. Sebagai akibatnya, stack HfO₂/TiO₂/HfO₂ pada Pt menunjukkan topografi yang lebih halus (0,68 nm) versus 1,3 nm pada TiN.
Perpindahan Listrik
Perangkat simetris Pt/Pt memerlukan langkah forming +7 V dan menunjukkan reset pada −0,8 V dan set pada +2,0 V, menghasilkan rasio ON/OFF ~10⁵. Sebaliknya, perangkat Pt/TiN forming pada −3,7 V, set pada −1,5 V, dan reset pada +1,5 V, dengan rasio ~10². Tegangan forming yang lebih rendah dan penyebaran tegangan yang lebih rapat pada Pt/TiN berasal dari afinitas oksigen yang lebih tinggi TiN, yang memodulasi distribusi rongga dan bertindak sebagai resevoir oksigen.
Kesejarakan
Analisis statistik selama 200 siklus menunjukkan bahwa perangkat Pt/TiN memiliki tegangan set yang terkluster antara −0,8 dan −1,8 V dan tegangan reset antara +1,3 dan +1,8 V, sedangkan perangkat Pt/Pt menunjukkan penyebaran yang lebih luas. Uji ketahanan mengungkapkan bahwa Pt/Pt mempertahankan rasio OFF/ON >10⁵ setelah 200 siklus, sedangkan Pt/TiN menunjukkan rasio yang lebih rendah (~10²) dan variabilitas HRS yang lebih besar. Pengukuran retensi hingga 10⁴ s mengonfirmasi keadaan ON/OFF stabil untuk kedua stack, memroyeksikan retensi >10 tahun.
Mekanisme Konduksi
Plot I–V log-ganda mengonfirmasi perilaku Ohmik (lereng ~1) dalam LRS dan SCLC (lereng ~2) dalam HRS hingga tegangan kritis. Transisi ke kenaikan arus yang tajam pada ~6,8 V (Pt/Pt) atau ~1,85 V (Pt/TiN) menandai ambang pembentukan filamen.
Distribusi Rongga Oksigen
Profil kedalaman XPS menunjukkan bahwa lapisan antar TiO₂ memiliki konsentrasi rongga tertinggi (~34 %). HfO₂ dasar di dekat Pt memiliki ~6 % rongga, sementara di dekat TiN memiliki ~9 %. HfO₂ atas hanya menunjukkan ~2 % rongga. Aktivitas kimia TiN mempromosikan densitas rongga yang lebih tinggi dalam lapisan yang berdekatan, yang menjelaskan tegangan forming yang lebih rendah dan keseragaman yang ditingkatkan dalam perangkat Pt/TiN.
Electroforming Bergantung Elektroda
Dalam stack Pt/Pt, forming positif menghasilkan tegangan modest (+7 V) karena rilisan oksigen yang lebih mudah pada HfO₂ atas. Forming negatif memerlukan tegangan yang lebih tinggi (−11 V) karena oksigen harus bermigrasi melalui HfO₂ bawah, yang mengakibatkan degradasi sel. Dalam stack Pt/TiN, forming negatif pada −3,7 V memungkinkan karena TiN menyerap ion O²⁻, memitigasi rilis O₂ dan bertindak sebagai resevoir oksigen. Forming positif pada +14 V menyebabkan kerusakan tidak dapat diperbaiki, karena filamen yang terakumulasi tidak dapat direnggut.
Kesimpulan
Trilayer RRAM HfO₂/TiO₂/HfO₂ yang difabrikasi oleh ALD menunjukkan perpindahan bipolar yang andal. Elektroda bawah sangat mengatur polaritas elektroforming, rasio ON/OFF, dan dispersi tegangan. Perangkat Pt/TiN mendapat manfaat dari tegangan forming yang lebih rendah (−3,7 V) dan distribusi set/reset yang lebih rapat karena efek resevoir oksigen TiN dan densitas rongga yang lebih tinggi. Temuan ini menyoroti pentingnya pemilihan elektroda dan rekayasa trilayer dalam merancang perangkat RRAM generasi berikutnya yang seragam dan dapat diskalakan.
