Lapisan Ganda Ta2O5/TaOx melalui Aneling Suhu Rendah Meningkatkan Keandalan CBRAM
Abstrak
Arsitektur lapisan ganda rutin digunakan untuk meningkatkan keandalan memori random-access jembatan konduktif (CBRAM). Di sini kami memperkenalkan metode hemat biaya, kompatibel CMOS yang menghasilkan lapisan ganda Ta2O5/TaOx melalui aneling suhu rendah. Lapisan penutup TaOx berfungsi sebagai resistor eksternal yang membatasi arus set, memungkinkan kepatuhan sendiri dan menghilangkan overshoot yang memperluas distribusi status resistensi tinggi (HRS) dan status resistensi rendah (LRS). Akibatnya, retensi LRS ditingkatkan secara signifikan berkat aneling cacat dalam film switching. Pendekatan ini menawarkan jalur sederhana untuk memperkuat keandalan CBRAM.
Pendahuluan
Memori switching resistensi jembatan konduktif (CBRAM) adalah teknologi memori non-volabel generasi berikut yang menjanjikan, dihargai karena skalabilitas ekstrional, kompleksitas struktural minimal, kompatibilitas dengan integrasi 3-D, dan kecepatan switching yang cepat [1–3]. Meskipun keuntungan ini, masalah keandalan—terutama retensi data dan daya tahan—masih menjadi hambatan utama untuk penerapan komersial. Rekayasa struktur telah muncul sebagai strategi paling efektif untuk mengurangi tantangan ini [4–7]. Misalnya, Zhao et al. memperkenalkan interlayer grafit berpori nano yang membatasi injeksi kation dan secara signifikan meningkatkan kinerja perangkat [8], meskipun kompleksitas pembuatannya menghambat integrasi CMOS. Gong et al. menunjukkan lapisan antarmuka CuSiN yang dapat diratakan sendiri dan kompatibel CMOS yang meningkatkan retensi status resistensi rendah (LRS) [9]. Demikian pula, Cao et al. menggunakan barier TiN untuk menekan pertumbuhan filamen berlebih dan menghilangkan perilaku negative-SET [10]. Meskipun desain lapisan ganda ini berhasil meningkatkan keandalan, mereka seringkali melibatkan alur proses yang kompleks atau kecepatan pemrograman yang terkurang.
Di sini kami menyajikan teknik aneling suhu rendah yang kompatibel CMOS yang secara spontan membentuk lapisan ganda Ta2O5/TaOx. Struktur yang dihasilkan tidak hanya meningkatkan keandalan tetapi juga mempertahankan kecepatan pemrograman dengan menghindari langkah forming terpisah. Kami menunjukkan bahwa lapisan TaOx berfungsi sebagai resistor seri yang memberlakukan kepatuhan sendiri selama operasi set, sehingga menekan pertumbuhan filamen berlebih dan mengstabilkan distribusi HRS/LRS.
Metode
Pembuatan perangkat dimulai dengan soket tungsten (W) berdiameter 1 µm sebagai elektroda bawah (BE) setelah pemolesan kimia-mekanis. Film Ta 5 nm di-depoosikan melalui penyemprotan magnetron DC dan kemudian dioksidasi dalam ruang afa kimia diperkuat plasma (PECVD) pada 350 °C selama 300 detik dalam O2, menghasilkan Ta2O5. Elektroda atas (TE) Cu 40 nm kemudian di-sputter dan diformasi melalui litografi. Definisi sel dilakukan melalui etch ion reaktif dalam campuran SF6/C3F8 menggunakan TE sebagai masker keras, diikuti oleh isolasi BE menggunakan pad Al. Akhirnya, aneling suhu rendah yang kompatibel CMOS pada 400 °C selama 30 menit diterapkan pada seluruh tumpukan, menginduksikan pembentukan lapisan penutup TaOx. Dimensi perangkat ditentukan oleh luas BE 1 µm². Untuk perbandingan, referensi tanpa aneling juga dibuat. Karakterisasi listrik menggunakan analyzer parameter semiconductor Keithley 4200-SCS, dengan tegangan diterapkan pada TE Cu sementara BE W di-ground.
Hasil dan Pembahasan
Spektroskopi fotoelektron sinar X (XPS) digunakan untuk memeriksa status kimia Ta dan O dalam film Ta2O5 sebelum dan setelah aneling. Spektra permukaan mengungkapkan ganda karakteristik Ta2O5 4f (energi ikatan 26,70 eV dan 28,60 eV) yang menunjukkan keberadaan Ta yang teroksidasi sepenuhnya (Gambar 1a). Profil kedalaman menunjukkan bahwa, di bawah permukaan, puncak Ta metalik (22,33 eV dan 23,96 eV) muncul dalam sampel tanpa aneling, mengonfirmasi oksidasi yang tidak lengkap. Setelah aneling, spektra menunjukkan coexistensi status Ta2O5 dan Ta4+ hingga kedalaman ~4 nm, dengan pengurangan bertahap komponen Ta5+ dan sinyal O yang seragam di seluruh film (Gambar 1d–f). Hasil ini menunjukkan bahwa aneling mengubah oksigen terjangkat menjadi oksigen jaringan, membentuk lapisan penutup TaOx tebal ~3,5 nm di atas Ta2O5 tebal 4 nm.
The XPS shows depth profile of Ta before (a) and after (d) annealing. b, e Depth profile of O before and after annealing, respectively. c, f Atomic concentration profile of O and Ta with depth before and after annealing, respectively
Gambar 2a,b membandingkan karakteristik I–V dari perangkat Cu/Ta2O5/W dengan dan tanpa aneling di bawah sweep DC. Keduanya memulai dalam status resistensi tinggi (Rinitial ≈ 10^9 Ω dan 10^10 Ω, masing-masing), dengan perangkat aneling menunjukkan Rinitial yang lebih tinggi karena oksida yang lebih tebal. Pentingnya, sel yang dianneal tidak memerlukan langkah forming terpisah. Dalam perangkat tanpa aneling, LRS dicapai secara tiba-tiba pada tegangan kritis, diiringi oleh overshoot yang menghasilkan arus RESET yang jauh melebihi batas kepatuhan. Ketidakstabilan ini muncul sebagai jendela memori HRS/LRS yang sangat bervariasi (~ 20× selama 200 siklus, Gambar 3b). Sebaliknya, sel yang dianneal menunjukkan peningkatan arus secara bertahap yang secara alami terclamp pada arus kepatuhan, menghilangkan overshoot dan mencapai jendela memori stabil sebesar ~ 10^4× di seluruh siklus (Gambar 2b).
Kurva I-V tipis dari perangkat Cu/TaOx/W sebelum aneling (a) dan setelah aneling (b) dengan 200 siklus
a Distribusi arus set dan RESET sebelum dan setelah aneling, masing-masing. b Distribusi resistensi HRS dan LRS sebelum/setelah aneling
Ketiadaan overshoot dalam perangkat yang dianneal ditunjukkan lebih lanjut oleh distribusi IRESET yang sempit dan keselarasannya dengan nilai ISET (Gambar 3a). Keagungan perangkat-ke-perangkat diukur dengan mengukur RON dan ROFF di seluruh 20 sel. Perangkat yang dianneal menunjukkan nilai RON antara 10^4 Ω dan 10^5 Ω, sementara perangkat tanpa aneling berkisar 10^2 Ω hingga 10^5 Ω, yang mencerminkan resistensi seri yang disumbangkan oleh TaOx. Deviasi standar ROFF turun dari 4,84 menjadi 1,39, menekankan keagungan yang ditingkatkan.
Cycling di bawah kondisi DC mengungkapkan bahwa perangkat tanpa aneling kehilangan rasio HRS/LRS setelah ~ 10^4 siklus, dengan soft error sesekali (Gambar 4a). Sebaliknya, perangkat yang dianneal mempertahankan rasio ~ 10^4 yang kuat selama 10^6 siklus (Gambar 4b). Uji daya tahan mode pulsa, dioptimalkan untuk 3 V/100 ns (SET), –2 V/200 ns (RESET), dan 0,1 V/50 ns (READ), mengonfirmasi daya tahan unggul struktur yang dianneal (Gambar 4c,d). Daya tahan yang ditingkatkan dikaitkan dengan penekanan lapisan TaOx terhadap pertumbuhan filamen ke elektroda lawan, yang jika tidak akan menghambat RESET dan menginduksikan perilaku negative-SET.
Hasil cycling dari a perangkat tanpa aneling di bawah 300 siklus DC dan b perangkat dengan aneling di bawah 400 siklus DC. c, d Karakteristik daya tahan di bawah mode AC dengan konfigurasi operasi yang dioptimalkan: set 3 V/100 ns; RESET – 2 V/200 ns. Hingga 10^6 siklus diperoleh untuk perangkat setelah aneling
Uji retensi pada 150 °C menunjukkan bahwa perangkat tanpa aneling gagal dalam 10^4 s, sedangkan sel yang dianneal mempertahankan baik HRS maupun LRS selama seluruh jendela pengukuran (Gambar 5a,b). Analisis Arrhenius meng-ekstrapolasi umur 85 °C sekitar 10 tahun untuk perangkat yang dianneal, konsisten dengan performa CBRAM terbaru [17,18]. Peningkatan retensi dikaitkan dengan aneling cacat yang melambatkan difusi ion Cu.
Karakteristik retensi HRS/LRS untuk a perangkat tanpa aneling dan b perangkat dengan aneling pada 150 °C
Gambar 6 mengilustrasikan mekanisme switching. Dalam tumpukan tanpa aneling (Cu/Ta2O5/Ta/W), ion Cu bermigrasi melalui Ta2O5, membentuk filamen konduktif yang tumbuh ke elektroda lawan selama SET. Selama RESET, ion Cu+ tersisa kembali, meninggalkan ujung filamen parsial dan mengurangi variabilitas HRS. Dalam tumpukan yang dianneal (Cu/Ta2O5/TaOx/W), lapisan TaOx ber resistensi tinggi menyajikan barier difusi (difusivitas Cu ≈ 4,9 × 10^−20 cm^2 s^−1 vs. 1,0 × 10^−6 cm^2 s^−1 dalam Ta), secara efektif membatasi pertumbuhan filamen dan menghasilkan RESET yang lebih stabil.
Modeling fisik untuk perilaku switching perangkat yang dianneal dan tanpa aneling. a Set dan b proses RESET untuk perangkat tanpa aneling dengan struktur Cu/Ta2O5/Ta/W. c Set dan d proses RESET untuk perangkat dengan aneling dengan struktur Cu/Ta2O5/TaOx/W. Pertumbuhan filamen berlebih ditekan oleh lapisan TaOx yang terbentuk selama proses aneling
Kesimpulan
Dengan mengintegrasikan lapisan penutup TaOx melalui aneling suhu rendah, kami membuat CBRAM lapisan ganda Ta2O5/TaOx yang menunjukkan kepatuhan sendiri, keagungan HRS/LRS yang unggul, dan peningkatan daya tahan serta retensi yang signifikan. Pendekatan sederhana, kompatibel CMOS ini menawarkan jalur hemat biaya untuk memenuhi tuntutan keandalan memori non-volabel generasi berikut.
