Perangkat RRAM Berbasis Ru Menunjukkan Resistansi Diferensial Negatif: Wawasan dari Pembuatan ALD
Abstrak
Dalam pekerjaan ini, perangkat RRAM berbasis Ru dengan lapisan fungsional AlOy/HfOx yang ditanam ALD dibuat dan diteliti. Perilaku resistansi diferensial negatif (NDR) diamati selama proses set, dan asal-usul fisiknya dieksplorasi. Berdasarkan pemahaman fisika tentang peregangan resistansi, perilaku NDR yang diukur dipercaya terkait dengan efek reset sebagian unipolar, yang disebabkan oleh rekombinasi antara rongga oksigen dan ion oksigen yang dilepaskan secara termal dari lapisan antarmuka RuO2. Karakteristik listrik yang diukur dan hasil spektroskopi fotoelektron sinar-X (XPS) memverifikasi interpretasi fisika ini.
Pendahuluan
Salah satu memori non-volatile yang paling menjanjikan, memori acaks resistansi (RRAM) telah banyak diteliti mengenai optimisasi bahan, peningkatan performa, dan integrasi perangkat. Karena keuntungan signifikan seperti struktur sel sederhana, kecepatan operasi cepat, konsumsi daya rendah, dan potensi miniaturisasi yang tak tertandingi, RRAM telah banyak diterapkan dalam komputasi neuromorfik terinspirasi otak dan logika Boolean yang dapat dikonfigurasi, dan juga menunjukkan potensi besar untuk aplikasi memori kelas penyimpanan (SCM). Namun, seperti yang diindikasikan oleh Peta Jalan Internasional untuk Perangkat dan Sistem 2017, tantangan termasuk skalabilitas, keandalan perangkat, dan kompatibilitas proses masih menghambat perkembangan RRAM. Oleh karena itu, pembuatan perangkat RRAM kompatibel CMOS dengan performa superior sangat signifikan untuk aplikasi yang berdasarkan struktur sel RRAM 1T1R. Menurut studi sebelumnya, perangkat RRAM berbasis Ru menunjukkan potensi yang besar dibandingkan yang berbasis Pt, sedangkan NDR telah ditunjukkan selama proses set. Fenomena NDR yang disertai peregangan resistansi telah diteliti dalam struktur RRAM lainnya, yang terutama karena tangkapan/lepasan muatan elektron antara status terlokalisasi dalam yang diinduksi oleh nanopartikel logam yang diimplantasi, atau pengumpulan defek yang menyebabkan pemasangan ulang juncsi. Sementara kemunculan NDR dalam sel RRAM berbasis Ru pada arus besar masih tertunda, dalam pekerjaan ini, performa listrik perangkat RRAM berbasis Ru yang dibuat dengan teknik depozi lapisan atom (ALD) dievaluasi. Berdasarkan karakterisasi XPS dan pengukuran listrik dengan stimuli yang berbeda, fenomena NDR dalam RRAM berbasis Ru dapat dijelaskan dalam kerangka model filamen konduktif rongga oksigen.
Metode
Diagram skematis struktur perangkat dan array RRAM yang dibuat ditunjukkan dalam Gambar 1a, b, masing-masing. Perangkat RRAM Ru/AlOy/HfOx/TiN dibuat pada substrat SiO2 300-nm yang dioksidasi termal. Film tipis Ru 80-nm ditanam pada lapisan adesi Ti 20-nm sebagai elektroda bawah oleh sputtering magnetron DC menggunakan target logam Ru. SiO2 yang ditumbuh oleh depozi kimia uap yang diassistensi plasma (PECVD) berfungsi sebagai dielektrik untuk mengisolasi elektroda dan membentuk via. Kemudian, lapisan resistansi 2 nm AlOy dan 3 nm HfOx ditanam oleh sistem depozi lapisan atom (PICOSUN R200) pada 300 °C dengan precursori trimetilaluminium (TMA) dan tetrakis[etilmetilamino]hafnium (TEMAH). Setelah itu, TiN 80 nm ditanam reaktif oleh sputtering menggunakan target Ti dan di-etch untuk membentuk pola elektroda atas. Pengeringan kering lainnya juga dilakukan untuk mengekspos elektroda bawah untuk kontak listrik.
a Diagram skematis perangkat berbasis Ru. b Array RRAM yang dibuat
Analisis elemen dilakukan oleh sistem spektroskopi fotoelektron sinar-X (XPS) (Thermo Scientific ESCALAB 250Xi) menggunakan sampel segar tanpa elektroda atas. Sebelum pengukuran, pembersihan permukaan dilakukan dengan plasma Ar sebelum pengukuran untuk menghilangnsi pengaruh C. Posisi puncak Al 2p digunakan untuk kalibrasi. Pengukuran listrik dilakukan pada suhu ruangan oleh analyzer perangkat semiconductor (Agilent B1500A) dan generator fungsi pulsa sembarang (Agilent 81160A).
Hasil dan Pembicaraan
Karakteristik IV tipis dari perangkat RRAM berbasis Ru ditunjukkan dalam Gambar 2a. Setelah electroforming, tegangan positif (2,5 V) diterapkan untuk proses set untuk mengalihkan sel dari keadaan resistansi tinggi (HRS) ke keadaan resistansi rendah (LRS) dengan arus kepatuhan 1 mA untuk mencegah breakdown permanen selama pembentukan filamen konduktif (CF). Setelah transisi set, tegangan negatif (−2,3 V) digunakan untuk mengalihkan perangkat dari LRS ke HRS dengan arus yang menurun secara bertahap. Untuk mengevaluasi variabilitas resistansi dari perangkat ke perangkat, 10 sel RRAM berbasis Ru dipilih secara sembarang. Seperti yang digambarkan dalam Gambar 2b, hasil statistik menunjukkan keseragaman yang baik dari HRS dan LRS dengan jendela resistansi lebih besar dari 10³, yang dapat menjadi calon yang menjanjikan untuk aplikasi logika berbasis NVM. Dibandingkan dengan perangkat berbasis Pt yang sebelumnya dilaporkan, hal yang patut dicatat adalah bahwa fenomena NDR diamati selama proses set, di mana arus menurun seiring meningkatnya tegangan (set-phase 1) dalam skala tegangan terbatas diikuti oleh meningkat hingga arus kepatuhan (set-phase 2).
a Karakteristik DC. b Distribusi statistik HRS/LRS dari 10 perangkat RRAM berbasis Ru
Variabilitas siklus-ke-siklus dari perangkat RRAM berbasis Ru juga diteliti dalam mode pulsa untuk mempelajari keseragaman siklus. Pulsa untuk set (2,4 V, 15 ns) dan pulsa (−3 V, 100 ns) digunakan untuk mengalihkan perangkat antara LRS dan HRS dengan tegangan baca 0,1 V setelah setiap pulsa. Seperti yang ditunjukkan dalam Gambar 3a, perangkat 1000 siklus memiliki distribusi yang seragam dengan deviasi standar 379 Ω dan 3 × 10⁵ Ω untuk LRS dan HRS, yang menghasilkan jendela memori yang stabil lebih besar dari 100. Tidak terjadi degradasi daya tahan bahkan setelah 10⁶ siklus perpindahan seperti yang sebelumnya dilaporkan dalam Ref. [15]. Selain itu, perangkat juga menunjukkan properti retensi yang sangat baik seperti yang ditunjukkan dalam Gambar 3b. Resistansi LRS dan HRS mempertahankan nilai konstan selama 10⁵ s pada 120 °C tanpa kegagalan.
a 1000 siklus daya tahan. b Perilaku retensi suhu tinggi dari perangkat RRAM Ru/AlOy/HfOx/TiN
Untuk mengeksplorasi fenomena NDR, kurva I–V diukur dalam mode pemindaian tegangan dan mode pemindaian arus. Gambar 4a menampilkan proses forming dari lima sel RRAM segar yang dipilih secara sembarang. Arus secara bertahap meningkat diikuti oleh gangguan, menunjukkan pembentukan CF, sementara tidak ada NDR yang diamati. Setelah electroforming, operasi set dalam berbagai mode pemindaian dilakukan pada sel yang sama untuk mengamati variasi arus, seperti yang ditunjukkan dalam Gambar 4b. Untuk set yang didorong arus, arus meningkat perlahan dengan penurunan mendadak dalam tegangan, menunjukkan transisi resistansi dari HRS ke LRS. Perilaku ini berbeda dari karakteristik yang didorong oleh tegangan, yang mungkin disebabkan oleh pemanasan Joule yang berbeda yang diinduksi stimuli di seluruh CF. Selain itu, operasi set/reset berturut-turut di bawah berbagai bias dilakukan untuk menyelidiki keadaan resistansi menengah di wilayah NDR. Tegangan berhenti yang tepat 1 V diterapkan selama proses set, seperti yang ditunjukkan dalam Gambar 4c, untuk menyelesaikan pemindaian di dasar lembah arus. Keadaan resistansi non-volatile diperoleh setelah tegangan dihapus, yang menunjukkan perilaku peregangan resistansi unipolar. Oleh karena itu, fenomena NDR ini sementara diatribusikan pada pemecahan kedua dari CF selama proses set.
a Forming tegangan dari lima perangkat RRAM berbasis Ru. b Proses set yang didorong tegangan dan didorong arus pada sel RRAM yang sama. c Proses set tidak lengkap dengan tegangan berhenti di dasar lembah arus
Digabungkan dengan pengukuran dalam berbagai mode dan proses pembuatan perangkat serta properti RuO2, asal-usul fisik fenomena NDR diusulkan, seperti yang diilustrasikan dalam Gambar 5. Studi sebelumnya [19, 20] mengusulkan bahwa generasi dan rekombinasi rongga oksigen terdepleksi elektron (Vo) dan ion oksigen (O²⁻) di bawah polaritas listrik yang berbeda bertanggung jawab untuk perangkat RRAM bipolar berbasis HfOx konvensional, yang mirip dengan set-phase 2 dan proses reset. Namun, berbeda dengan proses set konvensional, patah kedua dari CF terjadi memutuskan elektroda Ru dan CF dan mengarah pada NDR. Secara umum, atom oksigen terpecah menjadi Vo dan O²⁻ di bawah medan listrik dengan drift O²⁻ ke elektroda atas, sehingga Vo tersisa untuk membentuk CF yang digunakan untuk transportasi elektron. Namun, karena pemanasan Joule yang disebabkan oleh medan listrik, lapisan antarmuka RuO2 yang terbentuk akan secara lambat terdekomposisi pada ~ 600 °C dan melepaskan O²⁻ yang dapat berekombinasi dengan Vo terdepleksi elektron (Vo²⁺) dekat elektroda Ru (set-phase 1) [21], mengakibatkan penurunan arus. Proses ini juga dapat dilihat sebagai proses reset unipolar sebagian. Dengan peningkatan tegangan lebih lanjut, CF antara TE dan BE akan dirangka kembali oleh akumulasi Vo seperti yang ditunjukkan dalam set-phase 2 dan sel RRAM beralih ke LRS. Selama reset, dua proses terjadi secara bersamaan: (1) O²⁻ yang dilepaskan dari elektroda TiN dengan cepat berekombinasi dengan Vo yang bermuatan positif karena luas tangkapan yang ditingkatkan, (2) O²⁻ yang drift menuju BE bereaksi dengan Ru dan membentuk kembali lapisan antarmuka RuO2 karena pemanasan Joule lokal [22]. Pada kondisi ini, sel RRAM beralih ke HRS.
Proses fisik peregangan resistansi dalam RRAM berbasis Ru. a Efek NDR (set-phase 1). b Proses SET umum (set-phase 2). c Proses RESET perangkat
Analisis XPS pada lapisan antarmuka RuO2, yang terbentuk selama proses pembuatan perangkat, juga mendukung penjelasan yang diusulkan tentang efek NDR. Gambar 6a menunjukkan spektrum lengkap XPS dari sampel, yang mencakup level inti O 1s, Ru 3d, Al 2p, dan Hf 4f. Puncak lain yang tidak ditandai semuanya sesuai dengan elemen-elemen ini dengan orbit elektron yang berbeda. Kurva pemasangan dalam Gambar 6b cocok sempurna dengan data eksperimental dan dibagi menjadi empat puncak, yang sesuai dengan level inti Ru 3d5/2 (280,01 eV untuk Ru dan 280,75 eV untuk RuO2) dan Ru 3d3/2 (284,3 eV untuk Ru dan 285,26 eV untuk RuO2), menunjukkan coexistensi Ru dan RuO2 dalam film tipis [23]. Intensitas rendah dari puncak Ru 3d5/2 menunjukkan bahwa lapisan antarmuka RuO2 yang terbentuk sangat tipis seperti yang telah kami harapkan.
Spektrum XPS dari a film tipis Ru/AlOy/HfOx dan b level inti Ru 3d. Film tipis RuO2 antara Ru dan AlOy terbentuk selama proses ALD [18]
Kesimpulan
Dalam studi ini, perangkat RRAM kompatibel CMOS Ru/AlOy/HfOx/TiN dibuat. Performa peregangan yang unggul dicapai dengan resistansi antar-perangkat yang seragam dan jendela resistansi yang besar serta properti retensi suhu tinggi yang baik. Berdasarkan pengukuran listrik dan analisis XPS, fenomena NDR dalam proses set dapat dijelaskan oleh rekombinasi rongga oksigen dan ion oksigen yang dilepaskan dari lapisan antarmuka RuO2 karena pemanasan Joule yang diinduksi listrik.
