Daya Tahan yang Ditingkatkan dari RRAM Berbasis HfO₂ melalui Perlakuan Nitridasi
Abstrak
Teknologi perlakuan nitridasi dengan sumber nitrogen kompleks urea/amonia meningkatkan properti switching resistif pada memori akses acak resistif berbasis HfO₂ (RRAM). Perlakuan nitridasi menghasilkan perangkat yang berkinerja tinggi dan andal yang menghasilkan daya tahan (lebih dari 10⁹ siklus) dan efek self-compliance. Dengan demikian, mekanisme konduksi arus berubah karena passivasi defek oleh atom nitrogen dalam film tipis HfO₂. Pada keadaan resistensi tinggi (HRS), perpindahan ke emisi Schottky dari Poole-Frenkel dalam RRAM berbasis HfO₂. Pada keadaan resistensi rendah (LRS), mekanisme konduksi arus adalah arus terbatas muatan ruang (SCLC) setelah perlakuan nitridasi, yang menunjukkan bahwa atom nitrogen membentuk kloster rongga Hf–N–Ox (Vo+) yang membatasi gerakan elektron melalui lapisan switching.
Latar Belakang
Memori akses acak resistif (RRAM) yang terdiri dari lapisan insulasi yang diisi oleh dua elektroda telah banyak diteliti sebagai kandidat yang menjanjikan untuk memori nonvolatil generasi mendatang karena properti unggulnya seperti struktur sederhana, konsumsi daya rendah, operasi berkecepatan tinggi (< 300 ps), dan baca non-destruktif [1–9]. Meskipun sebagian besar perangkat RRAM memiliki banyak properti yang lebih baik dari memori nonvolatil, arus operasi tinggi RRAM dan degradasi performa adalah masalah besar dalam memori nonvolatil dalam hal aplikasi produk elektronik portabel.
Struktur Pt/HfO2/TiN dapat menyediakan jalur konduksi yang memicu perilaku switching resistif [10–19]. Namun, defek HfO2 amorf akan meningkatkan jumlah jalur kebocoran, yang mengakibatkan konsumsi daya dan degradasi pemanasan joule. Dalam karya ini, lapisan switching HfO2 diperlakukan dengan larutan yang mengandung sumber nitrogen kompleks urea/amonia sebagai perlakuan nitridasi untuk meningkatkan properti switching listriknya.
Metode
Substrat TiN/Ti/SiO2/Si yang sudah diolahkan dipabrikasi dengan proses setoran dan pengukiran standar, setelah itu lubang via dapat terbentuk (inset Gambar 1a). Kemudian, film tipis HfO2 tebal 23 nm disetapkan ke dalam lubang via pada substrat menggunakan sputtering magnetron RF dengan target HfO2 murni. Daya sputtering ditetapkan pada daya RF 150 W dan dilakukan dalam ambient argon (Ar = 30 sccm) dengan tekanan kerja 4 mtorr pada suhu kamar. Perangkat semi-jadi HfO2/TiN dimasukkan ke dalam kamera reaktif dan direndam dalam larutan dengan sumber nitrogen kompleks urea/amonia untuk perlakuan nitridasi. Selama perlakuan nitridasi, larutan dipanaskan ke 160 °C dalam kamera stainless steel sistem selama 30 menit. Kemudian, elektroda atas Pt tebal 110 nm disetapkan melalui sputtering magnetron DC pada film tipis HfO2 untuk membentuk perangkat listrik dengan struktur sandwich Pt/HfO2/TiN. Akhirnya, semua karakteristik listrik diukur oleh analyzer parameter semiconductor Agilent B1500. Biased sweeping DC dan pulsa diterapkan pada elektroda bawah (TiN) sementara elektroda atas (Pt) di-gruntakan selama pengukuran listrik. Selain itu, spektroskopi inframerah transformasi Fourier (FTIR) diukur oleh spektrometer Bruker VERTEX 70v dalam daerah inframerah tengah.
a Kurva arus forming perangkat RRAM berbasis HfO2. b Perbandingan siklus sweeping DC pada arus kepatuhan 5 mA antara awal dan setelah perlakuan nitridasi dari RRAM berbasis HfO2. c Siklus sweeping DC tanpa kepatuhan arus eksternal dari perangkat HfO2 setelah perlakuan nitridasi. d Waktu retensi perangkat RRAM berbasis HfO2 pada 85 °C dengan dan tanpa kepatuhan arus setelah perlakuan nitridasi
Hasil dan Pembahasan
Proses forming diperlukan untuk mengaktifkan semua perangkat RRAM menggunakan bias DC dengan arus kepatuhan 10 μA, seperti yang ditunjukkan pada Gambar 1a. Setelah proses forming, properti listrik tegangan-arus (I-V) dari RRAM berbasis HfO2 dibandingkan pada awal dan setelah perlakuan nitridasi. Pada LRS, arus jelas berkurang dibandingkan film tipis HfO2 yang tidak dirawat, seperti yang ditunjukkan pada Gambar 1b. Pengurangan arus dapat diatribusikan pada defek yang dipassivasi oleh molekul NH3 dalam larutan perlakuan. Kami menemukan bahwa distribusi HRS jauh lebih stabil setelah perlakuan nitridasi, seperti pada inset Gambar 1b. Keadaan resistensi diekstrak dengan tegangan baca 0,1 V selama 100 siklus sweeping dengan operasi DC (inset Gambar 1b). Rasio resistensi on/off sedikit berkurang setelah perlakuan nitridasi. Menariknya, properti switching resistif self-compliance diamati dalam perangkat RRAM berbasis HfO2 ini setelah perlakuan, seperti yang ditunjukkan pada Gambar 1c. Setelah lebih dari 10³ siklus sweeping, karakteristik perlindungan mandiri yang dapat diulang dari perangkat tanpa hard breakdown diamati. Waktu retensi dievaluasi pada 85 °C dan tetap stabil bahkan setelah 10⁴ s baik pada HRS maupun LRS.
Untuk mengevaluasi performa perangkat lebih lanjut, uji daya tahan RRAM berbasis HfO2 dilakukan untuk awal dan setelah perlakuan nitridasi, seperti yang ditunjukkan pada Gambar 2. Pada perangkat yang tidak dirawat setelah 10⁶ siklus sweeping, rasio HRS/LRS secara signifikan menurun dari 100:1 menjadi 5:1, seperti yang ditunjukkan pada Gambar 2a. Namun, setelah perlakuan nitridasi, bahkan setelah lebih dari 10⁹ siklus sweeping, perangkat menunjukkan rasio HRS/LRS yang stabil, seperti pada Gambar 2b. Hasil ini menunjukkan bahwa proses nitridasi meningkatkan RRAM berbasis HfO2 untuk melakukan dengan fitur switching yang unggul dan keandalan. Untuk menyelidiki hasil ini lebih lanjut, analisis FTIR digunakan untuk mengamati perubahan kimia film tipis HfO2, seperti yang ditunjukkan pada Gambar 3. Puncak tajam pada 1589 dan 1311 cm⁻¹ muncul setelah perlakuan nitridasi, yang sesuai dengan puncak gerangan simmetris dan asimetris ikatan N–O [20]. Lebih lanjut, intensitas puncak ikatan N–H pada 1471 cm⁻¹ [21] meningkat karena proses nitridasi oleh sumber nitrogen kompleks urea/amonia (inset Gambar 3). Oleh karena itu, kami dapat menyimpulkan terbentuknya senyawa yang mengandung nitrogen setelah perlakuan nitridasi.
Perbandingan waktu daya tahan dalam RRAM berbasis HfO2: a awal dan b setelah perlakuan nitridasi. Diagram bawah adalah struktur perangkat dan kondisi pulsa daya tahan yang sesuai
Perbandingan spektrum FTIR film tipis HfO2 antara awal dan setelah perlakuan nitridasi
Untuk mengklarifikasi mekanisme switching resistif, kami menganalisis mekanisme konduksi arus film tipis HfO2 dengan dan tanpa perlakuan nitridasi, seperti yang ditunjukkan pada Gambar 4a dan d. Untuk film tipis HfO2 yang tidak dirawat, elektron ditransfer melalui defek, sehingga mekanisme konduksi arus didominasi oleh konduksi Poole-Frenkel berdasarkan hubungan linier antara ln(I/V) dan akar kuadrat tegangan yang diterapkan (V1/2) pada HRS, seperti yang ditunjukkan pada Gambar 4b [22].
a Analisis mekanisme konduksi arus HRS dari kurva I-V dalam RRAM berbasis HfO2 antara awal dan setelah perlakuan nitridasi. b Mekanisme konduksi arus Poole-Frenkel HRS dalam RRAM berbasis HfO2. c Mekanisme konduksi arus emisi Schottky HRS dalam RRAM berbasis HfO2 setelah perlakuan nitridasi. d Analisis mekanisme konduksi arus LRS yang berubah menjadi SCLC dari konduksi ohmik setelah perlakuan nitridasi dalam RRAM berbasis HfO2; gambar inset menunjukkan hasil fitting SCLC. e Mekanisme konduksi arus ohmik LRS dalam RRAM berbasis HfO2 yang karakteristik dengan korelasi negatif arus dengan suhu. f Mekanisme SCLC LRS dalam RRAM berbasis HfO2 yang independen dari suhu setelah perlakuan nitridasi
Di sisi lain, RRAM berbasis HfO2 menunjukkan mekanisme emisi Schottky berdasarkan hubungan linier antara ln(I/T2) dan akar kuadrat tegangan yang diterapkan (V1/2) dari HRS, seperti yang ditunjukkan pada Gambar 4c [23, 24]. Ini disebabkan oleh penurunan defek dan ikatan loncong, karena ikatan menjadi dipassivasi oleh atom nitrogen setelah perlakuan nitridasi. Selain itu, kami juga menganalisis mekanisme konduksi arus dengan dan tanpa perlakuan pada LRS dalam RRAM berbasis HfO2. Pada LRS, mekanisme transportasi penguat dari RRAM berbasis HfO2 yang tidak dirawat didominasi oleh konduksi ohmik, di mana arus menurun seiring meningkatnya suhu, seperti yang ditunjukkan pada Gambar 4e. Setelah perlakuan nitridasi, mekanisme konduksi arus berubah menjadi arus terbatas muatan ruang (SCLC) dengan kemiringan 1,52. Kurva I-V tidak relatif terhadap suhu, dengan hubungan linier antara ln(I) dan kuadrat tegangan yang diterapkan V2 pada LRS, seperti yang ditunjukkan pada Gambar 4f [25].
Kami mengusulkan model untuk menjelaskan karakteristik mekanisme konduksi arus, dan ditunjukkan pada Gambar 5. Dengan demikian, ada dua dipol yang saling meniadakan 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 ke dalam film tipis HfO₂. Karena elektronegatifitas nitrogen lebih rendah dari oksigen, dipol ikatan Hf–N lebih rendah dari ikatan Hf–O, yang menciptakan daerah konstanta dielektrik yang lebih rendah. Ketika bias positif diterapkan selama proses SET, serangkaian rongga Hf–N–Ox terbentuk karena konstanta dielektrik yang lebih rendah, lalu membentuk kloster rongga (Vo⁺). Jalur konduktif biasanya terbentuk bersama kloster rongga Hf–N–Ox (Vo⁺) karena atom nitrogen menangkap ion oksigen di sekitar kloster, seperti yang ditunjukkan pada Gambar 5b. Kehadiran kloster rongga Hf–N–Ox yang insulatif (Vo⁺) mengakibatkan pengurangan arus dan efek self-compliance yang ditemukan dalam RRAM berbasis HfO₂.
Skematis migrasi ion oksigen melalui proses set dalam RRAM berbasis HfO₂ untuk a awal dan b setelah perlakuan nitridasi, yang membentuk kloster rongga Hf–N–Ox (Vo+)
Kesimpulan
Secara ringkas, properti switching resistif self-compliance diamati dalam perangkat RRAM Pt/HfO2/TiN setelah perlakuan nitridasi. Waktu daya tahan mencapai 10⁹ siklus dan waktu retensi lebih dari 10⁴ s dicapai pada 85 °C. Karena elektronegatifitas atom nitrogen yang lebih kecil dibandingkan atom oksigen, dipol ikatan Hf–N lebih kecil dari ikatan Hf–O, yang menciptakan daerah konstanta dielektrik yang lebih rendah. Selama proses SET, kloster rongga Hf–N–Ox (Vo⁺) membentuk jalur konduktif. Kloster rongga Hf–N–Ox yang insulatif (Vo⁺) melindungi perangkat dari hard breakdown dan melakukan properti self-compliance.
