Mekanisme Konduksi dan Peningkatan Daya Tahan pada RRAM Berbasis HfO2 dengan Perawatan Nitridasi

Hasil dan Diskusi

Proses elektroforming diperlukan untuk mengaktifkan semua perangkat RRAM menggunakan bias DC dengan arus kepatuhan 10 μA, seperti yang ditunjukkan pada Gambar 1a. Setelah proses pembentukan, sifat arus-tegangan listrik (I-V) dari HfO₂ -RRAM berbasis dibandingkan pada awal dan setelah pengobatan nitridasi. Pada LRS, arus jelas berkurang dibandingkan dengan HfO yang tidak diobati₂ film tipis, seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 1b. Pengurangan saat ini dapat dikaitkan dengan cacat yang dipasifkan oleh NH₃ molekul dalam larutan pengobatan. Kami menemukan bahwa distribusi HRS jauh lebih stabil setelah perlakuan nitridasi, seperti pada inset Gambar 1b. Status resistansi diekstraksi dengan tegangan pembacaan 0,1 V selama 100 siklus sapuan dengan operasi DC (inset dari Gambar 1b). Rasio on/off resistensi sedikit berkurang setelah perlakuan nitridasi. Menariknya, properti switching resistif kepatuhan diri diamati di HfO₂ . ini - perangkat RRAM berbasis setelah perawatan, seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 1c. Setelah lebih dari 10 ³ siklus menyapu, karakteristik pelindung diri berulang dari perangkat tanpa kerusakan keras diamati. Waktu retensi dievaluasi pada 85 °C dan tetap stabil bahkan setelah 10 ⁴ s baik di HRS dan LRS.

Untuk mengevaluasi kinerja perangkat lebih lanjut, uji ketahanan HfO₂ -RRAM berbasis dilakukan untuk awal dan setelah perawatan nitridasi, seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 2. Pada perangkat yang tidak diobati setelah 10 ⁶ siklus menyapu, rasio HRS/LRS menurun secara signifikan dari 100:1 menjadi 5:1, seperti yang ditunjukkan pada Gambar 2a. Namun, setelah perawatan nitridasi, bahkan setelah lebih dari 10 ⁹ siklus sapuan, perangkat menunjukkan rasio HRS/LRS yang stabil, seperti pada Gambar 2b. Hasil ini menunjukkan bahwa proses nitridasi meningkatkan HfO₂ -RRAM berbasis untuk tampil dengan fitur dan keandalan switching yang unggul. Untuk menyelidiki lebih lanjut hasil ini, analisis FTIR digunakan untuk mengamati perubahan kimia dari HfO₂ film tipis, seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 3. Puncak tajam pada 1589 dan 1311 cm ⁻¹ muncul setelah perlakuan nitridasi, sesuai dengan puncak vibrasi regangan simetris dan asimetris dari ikatan N–O [20]. Selanjutnya, intensitas puncak ikatan N–H pada 1471 cm ⁻¹ [21] meningkat karena proses nitridasi oleh sumber nitrogen kompleks urea/amonia (sisipan Gbr. 3). Oleh karena itu, kita dapat menyimpulkan pembentukan senyawa yang mengandung nitrogen setelah perlakuan nitridasi.

Perbandingan waktu ketahanan dalam HfO₂ -RRAM berbasis:a inisial dan b setelah pengobatan nitridasi. Diagram bawah adalah struktur perangkat yang sesuai dan kondisi pulsa daya tahan

Perbandingan spektrum FTIR HfO₂ film tipis antara awal dan setelah perawatan nitridasi

Untuk memperjelas mekanisme switching resistif, kami menganalisis mekanisme konduksi HfO₂ saat ini. film tipis dengan dan tanpa perlakuan nitridasi, ditunjukkan pada Gambar 4a dan d. Untuk HfO yang tidak diobati₂ film tipis, elektron ditransfer melalui cacat, sehingga mekanisme konduksi arus didominasi oleh konduksi Poole-Frenkel sesuai dengan hubungan linier antara ln(I/V) dan akar kuadrat dari tegangan yang diberikan (V ^{1 /2} ) pada HRS, seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 4b [22].

a Analisis mekanisme konduksi arus HRS dari kurva IV di HfO₂ -RRAM berbasis antara awal dan setelah pengobatan nitridasi. b Mekanisme konduksi arus Poole-Frenkel HRS di HfO₂ -RRAM berbasis. c Mekanisme konduksi arus emisi Schottky dari HRS di HfO₂ -RRAM berbasis setelah perawatan nitridasi. d Analisis mekanisme konduksi arus LRS yang berubah menjadi SCLC dari konduksi ohmik setelah perlakuan nitridasi dalam HfO₂ -RRAM berbasis; gambar inset menunjukkan hasil pemasangan arus SCLC. e Mekanisme konduksi Ohmik LRS di HfO₂ -RRAM berbasis yang merupakan karakteristik dalam korelasi negatif saat ini dengan suhu. f Mekanisme SCLC LRS di HfO₂ -RRAM berbasis yang tidak bergantung pada suhu setelah perlakuan nitridasi

Sebaliknya, HfO₂ -RRAM berbasis menunjukkan mekanisme emisi Schottky menurut hubungan linier antara ln(I/T ² ) dan akar kuadrat dari tegangan yang diberikan (V ^1/2 ) dari HRS, seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 4c [23, 24]. Hal ini disebabkan oleh penurunan cacat dan ikatan yang menggantung, karena ikatan menjadi pasif oleh atom nitrogen setelah perlakuan nitridasi. Selain itu, kami juga menganalisis mekanisme konduksi saat ini dengan dan tanpa perlakuan pada LRS di HfO₂ -RRAM berbasis. Pada LRS, mekanisme transpor pembawa HfO yang tidak diobati₂ -RRAM berbasis didominasi oleh konduksi ohmik, di mana arus berkurang dengan meningkatnya suhu, seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 4e. Setelah perlakuan nitridasi, mekanisme konduksi arus berpindah ke arus terbatas muatan ruang (SCLC) dengan kemiringan 1,52. Kurva I-V tidak relatif terhadap suhu, dengan hubungan linier antara ln(I) dan kuadrat dari tegangan yang diberikan V ² pada LRS, seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 4f [25].

Kami mengusulkan model untuk menjelaskan karakteristik mekanisme konduksi saat ini, dan itu ditunjukkan sebagai Gambar. 5. Jadi, ada dua dipol yang saling mengimbangi yang terkait dengan atom N dan O dan atom Hf (yaitu, urutan O–Hf–O digantikan oleh O–Hf–N–O) setelah doping atom N menjadi HfO₂ film pendek. Karena negativitas elektron nitrogen lebih rendah daripada oksigen, dipol ikatan Hf-N lebih rendah daripada ikatan Hf-O, yang menciptakan daerah konstanta dielektrik yang lebih rendah. Ketika bias positif diterapkan selama proses SET, serangkaian kekosongan Hf–N–Ox terbentuk karena konstanta dielektriknya yang lebih rendah, kemudian membentuk kluster kekosongan (Vo ⁺ ). Jalur konduktif biasanya terbentuk bersama dengan kluster kekosongan Hf–N–Ox (Vo ⁺ ) karena atom nitrogen menangkap ion oksigen di sekitar gugus, seperti yang ditunjukkan pada Gambar 5b. Kehadiran kluster kekosongan Hf–N–Ox isolasi ini (Vo ⁺ ) menghasilkan pengurangan arus dan efek kepatuhan diri yang ditemukan di HfO₂ -RRAM berbasis.

Skema migrasi ion oksigen melalui proses yang ditetapkan dalam HfO₂ -RRAM berbasis untuk a inisial dan b setelah perlakuan nitridasi, yang membentuk kluster kekosongan Hf–N–Ox (V_o ⁺ )