Memori Resistif Tri-Layer ZrO₂/ZrO₂₋ₓ/ZrO₂ Bebas Kepatuhan Memungkinkan Pengalihan Multistate Antarmuka yang Terkontrol

Abstrak

Kami melaporkan memori resistif tri-layar ZrO₂/ZrO₂₋ₓ/ZrO₂ yang beralih tanpa kepatuhan eksternal, dengan mengeksploitasi transisi yang dapat dikontrol antara mode antarmuka dan fila mentah. Dalam regime antarmuka, migrasi ion oksigen dalam lapisan ZrO₂₋ₓ memodulasi resistansi; dalam regime fila mentah, resistansi seri intrinsik yang dibentuk oleh dua fila lemah menyediakan kepatuhan sendiri. Dengan menyesuaikan tegangan RESET, kami mencapai memori multistate yang stabil yang cocok untuk perangkat non-volatil berkinerja tinggi generasi berikutnya.

Latar Belakang

Perkembangan memori non-volatil menuntut kepadatan, kecepatan, dan daya yang lebih tinggi. Memori acak resistif (RRAM) berdasarkan oksida logam menonjol karena skalabilitasnya, kompatibilitas CMOS, dan operasi daya rendah. Mekanisme pengalihan dominan melibatkan migrasi rongga oksigen di bawah medan listrik, yang mengarah pada konduksi fila mentah atau antarmuka (homogen). Pengalihan fila mentah bergantung pada fila konduktif yang menjembatani elektroda, sedangkan pengalihan antarmuka dikendalikan oleh distribusi rongga oksigen pada antarmuka, menghasilkan distribusi arus yang seragam. Mode yang diamati tergantung pada arsitektur perangkat; profil gradien oksigen sepanjang sumbu vertikal sering mendukung perilaku antarmuka, sementara studi terbaru menunjukkan koeksistensi kedua mode dalam satu bahan.

Penyimpanan multistate—menggunakan state resistansi menengah (IRS) antara state resistansi tinggi (HRS) dan state resistansi rendah (LRS)—menawarkan jalur yang menjanjikan untuk meningkatkan kepadatan penyimpanan dan memungkinkan sinaps neuromorfik. RRAM multistate konvensional memerlukan kepatuhan arus selama proses SET untuk mencegah kerusakan perangkat, menyusutkan desain sirkuit dan meningkatkan biaya fabrikasi. Arsitektur bebas kepatuhan yang masih menyediakan operasi multistate akan mewakili kemajuan signifikan.

ZrO₂ adalah lapisan pengalihan yang menarik karena stabilitas termodinamiknya, stoikiometri sederhana, dan kompatibilitas CMOS. Memperkenalkan lapisan Zr antarmuka untuk membuat heterostruktur ZrO₂/ZrO₂₋ₓ/ZrO₂ dapat meningkatkan karakteristik pengalihan. Di sini kami menyajikan perangkat tri-layar tersebut yang menunjukkan pengalihan antarmuka dan fila mentah, dengan transisi yang dapat dikontrol di antaranya, dan menunjukkan perilaku multistate bebas kepatuhan.

Metode

Film tri-layar (20 nm/5 nm/20 nm) diendapkan dengan sputtering magnetron bantu plasma frekuensi menengah (Leybold Optics HELIOS Pro XL) pada suhu ruangan. Substrat yang berputar (180 rpm) memastikan keseragaman. Lapisan Zr pertama kali disputter (2000 W, Ar) dan kemudian dioksidasi dalam plasma O₂ untuk membentuk lapisan ZrO₂ stoikiometrik. Dengan secara sementara mematikan aliran O₂ selama 20 detik, lapisan ZrO₂₋ₓ yang kekurangan oksigen dibuat di tengah. Analisis struktural menggunakan XRD (insiden sudut kecil, θ = 1°), XPS (Al–Kα), dan TEM (JEOL 2100/ARM200F) dengan citra ADF dan pemetaan EDX.

Pembuatan perangkat melibatkan elektroda bawah TiN (200 nm, disputter reaktif dalam N₂), lapisan isolasi SiO₂ yang diformir, tumpukan switching tri-layar, dan elektroda atas TiN (200 nm). Pengujian listrik menggunakan sistem Keithley 4200; sweeping tegangan dilakukan pada 0,5 V s⁻¹ dengan elektroda atas yang bias.

Hasil dan Diskusi

XRD film tri-layar yang baru diendapkan menunjukkan puncak pada 28,2° dan 29,8°, yang sesuai dengan fase monoklinik dan tetragonal ZrO₂, mengonfirmasi koeksistensi lapisan stoikiometrik dan kekurangan oksigen. Profil kedalaman XPS mengungkapkan lapisan ZrO₂₋ₓ di tengah, dengan interdifusi TiOₓNᵧ pada antarmuka TiN/ZrO₂, yang bertindak sebagai reservoar oksigen. Citra TEM/ADF mengonfirmasi struktur berlapis dan kehadiran lapisan antarmuka TiOₓNᵧ.

Pengukuran listrik menunjukkan proses forming dua tahap di bawah bias negatif (I_CC = 1 mA), yang menunjukkan pembentukan fila berurutan dalam dua lapisan ZrO₂ luar. Perangkat kemudian beroperasi dalam mode antarmuka: arus RESET menurun secara bertahap, dan arus HRS serta LRS menyesuaikan dengan luas elektroda, mengonfirmasi konduksi non-fila mentah. Proses SET menunjukkan kepatuhan sendiri, menghilangkan kebutuhan akan pembatas arus eksternal.

Penerapan bias yang lebih negatif dengan kepatuhan 20 mA memicu forming tahap kedua, membuat fila kontinu di seluruh tri-layar. Perangkat kemudian beralih dalam mode fila mentah, dibuktikan oleh transisi SET dan RESET yang tajam serta distribusi resistansi yang berbeda. Kedua mode mengikuti model arus terbatas muatan ruang (SCLC) dengan perangkap, tetapi LRS fila mentah menunjukkan wilayah hukum Child tambahan yang tidak ada dalam mode antarmuka, mengindikasikan konduksi yang dimediasi perangkap.

Studi komparatif dengan perangkat ZrO₂ satu lapis 40 nm mengonfirmasi bahwa pengalihan antarmuka memerlukan lapisan ZrO₂₋ₓ yang tersemat; perangkat satu lapis hanya menunjukkan perilaku fila mentah. Oleh karena itu, struktur tri-layar memungkinkan operasi dual-mode yang diamati.

Mekanisme switching diilustrasikan: selama forming, ion oksigen bergerak menuju elektroda bawah, menghasilkan dua fila lemah dan state resistansi rendah. Bias positif menarik ion kembali, mengoksidasi lapisan ZrO₂₋ₓ dan meningkatkan resistansi. Forming tahap kedua membuat fila kuat yang melewati lapisan ZrO₂₋ₓ, mengalihkan perangkat ke mode fila mentah.

Dalam regime antarmuka, perangkat dapat menyimpan beberapa tingkat resistansi dengan memvariasi tegangan RESET. Uji siklus selama 100 siklus menunjukkan pengalihan yang dapat direproduksi, menggarisbawahi keandalan pendekatan memori multistate ini.

Kesimpulan

Kami menunjukkan RRAM tri-layar ZrO₂/ZrO₂₋ₓ/ZrO₂ yang beralih secara terkontrol antara mode antarmuka dan fila mentah. Lapisan ZrO₂₋ₓ yang tersemat penting untuk pengalihan antarmuka, sementara resistansi seri intrinsik dari dua fila lemah memungkinkan operasi bebas kepatuhan. Dengan menyesuaikan tegangan RESET, perangkat mencapai resistansi multistate yang stabil, memosisikannya sebagai kandidat yang menjanjikan untuk memori non-volatil berkinerja tinggi generasi berikutnya.

Singkatan

ADF-STEM:

Mikroskop elektron transmisi penindih gelap lingkar

EDX:

Spektroskopi X-dispersif energi

HRS:

State resistansi tinggi

IRS:

State resistansi menengah

LRS:

State resistansi rendah

RRAM:

Memori acak resistif

SCLC:

Arus terbatas muatan ruang

XPS:

Spektroskopi fotoelektron X

XRD:

Difraksi X