RRAM Lapisan Ganda HfO₂/TiOₓ Ultra-Rendah Daya Mencapai Pengalihan 1,12 μW melalui Pengendalian Kosong Oksigen

Abstrak

Kami berhasil membuat perangkat memori akses acak resistif (RRAM) yang terdiri dari lapisan HfO₂ yang ditambang ALD dan lapisan TiOₓ yang di-RF-sputter. Dengan menyesuaikan tekanan parsial oksigen selama deponisasi TiOₓ, kami mencapai operasi daya rendah yang tak tertandingi: 1,52 μW untuk transisi set (1 μA@1,52 V) dan 1,12 μW untuk reset (1 μA@1,12 V). Analisis terperinci mengungkapkan bahwa konsentrasi kosong oksigen yang moderate dalam lapisan TiOₓ menekan “soft-breakdown” selama forming/set, membatasi arus dan secara dramatis mengurangi konsumsi daya.

Pendahuluan

Memori akses acak resistif (RRAM) adalah kandidat terkemuka untuk skala melebihi CMOS karena struktur dua terminal yang sederhana, perilaku non-volatil, switching cepat, dan rasio on/off yang tinggi. Konfigurasi 1-transistor-1-resistor (1T1R) sekarang standar untuk array besar, mengurangi arus jalur sembunyi. Namun, arus switching tinggi dari RRAM oksida konvensional menghambat skala, terutama ketika arus drive CMOS turun di bawah 40 μA pada node 27 nm. Demikian pula, sirkuit neuromorfik yang meniru sinaps biologis memerlukan energi per peristiwa dalam rentang femtojoule. Oleh karena itu, merancang RRAM untuk beroperasi dengan andal di bawah 10 μA sangat penting untuk penyimpanan padat tinggi dan jaringan saraf buatan hemat energi.

Dalam karya ini, kami secara sistematis menyelidiki perangkat Pt/HfO₂/TiOₓ/Pt dengan berbagai konten oksigen dalam lapisan TiOₓ. Kami menunjukkan bahwa penurunan tekanan parsial oksigen selama sputtering membuat profil kosong optimal yang membatasi filamen konduktif, menghasilkan daya switching sub-mikrowatt. Mekanisme konduksi yang mendasari dianalisis, memberikan panduan yang dapat ditindaklanjuti untuk merancang RRAM oksida hemat daya.

Metode

Tumpukan perangkat ditumbuhkan pada substrat Si/SiO₂/Ti. Elektroda bawah (BE) Pt 100 nm disputter pada suhu ruang. Lapisan HfO₂ 3 nm ditambang oleh ALD (Picosun R200) pada 300 °C menggunakan prekursor TEMAH dan H₂O. Selanjutnya, film TiOₓ 30 nm di-RF-sputter dengan aliran gas total 20 sccm (Ar + O₂). Dengan menyesuaikan tekanan parsial O₂ menjadi 9 %, 11 %, dan 13 %, kami memproduksi tiga seri perangkat (S1, S2, S3). Elektroda atas (TE) Pt 70 nm kemudian disputter dan diatur pola melalui litografi. Ets ion reaktif mendefinisikan sel persegi 100 µm × 100 µm. TEM resolusi tinggi (HRTEM) memverifikasi integritas lapisan, dan spektroskopi fotoelektron sinar-X (XPS) mengukur tingkat kosong oksigen.

Pengukuran listrik menggunakan analis parameter semiconductor Agilent B1500A dengan arus kepatuhan 1 μA untuk operasi set/reset. Kurva I–V yang bergantung pada suhu dicatat antara 25 °C dan 125 °C untuk menyelidiki mekanisme konduksi.

Hasil dan Pembahasan

Spektra XPS O 1s film TiOₓ menunjukkan dua komponen: O²⁻ jaringan dan O²⁻ non-jaringan yang terkait dengan kosong oksigen. Fraksi kosong adalah 28,23 % (9 % O₂), 24,06 % (11 % O₂), dan 23,63 % (13 % O₂), mengonfirmasi bahwa tekanan parsial O₂ yang lebih tinggi mengurangi kosong.

Selama forming arus (CF) dengan kepatuhan 1 μA, hanya S1 (9 % O₂) yang berhasil membentuk filamen konduktif yang stabil. S2 dan S3 membutuhkan hingga 20 mA untuk mencapai keadaan resistensi rendah (LRS), menunjukkan kepadatan kosong berlebihan yang mempromosikan soft-breakdown di seluruh tumpukan dielektrik.

Sweep I–V bipolar 100 siklus mengungkapkan bahwa S1 mencapai switching stabil dengan <10 μA kepatuhan, sedangkan S2/S3 membutuhkan 10 mA. Performa daya rendah S1 berasal dari konsentrasi kosong yang tinggi yang membatasi arus selama CF/set, mencegah pertumbuhan filamen berlebihan.

Analisis statistik (siklus-ke-siklus dan perangkat-ke-perangkat) menunjukkan variasi yang kecil untuk S1 dan rasio on/off yang dapat diterima (>100) untuk semua sampel. Uji retensi menunjukkan bahwa S1 mempertahankan keadaan untuk >10⁴ s pada 85 °C, mengonfirmasi kesesuaiannya untuk penyimpanan non-volatil.

Perhitungan daya menghasilkan P_set = 1,52 μW dan P_reset = 1,12 μW untuk S1 pada kepatuhan 1 μA. Sebaliknya, S2/S3 menunjukkan puluhan miliwatt karena arus switching yang tinggi.

Pengukuran resistensi yang bergantung pada suhu mengungkapkan bahwa resistensi S1 menurun seiring suhu, sesuai dengan model hopping jarak jauh Mott (VRH). Ini menunjukkan bahwa konduksi didominasi oleh hopping elektron melalui keadaan kosong oksigen terlokalisasi dalam TiOₓ. Untuk S3, resistensi tidak tergantung pada suhu, menunjukkan transportasi filamen logam melalui jaringan kosong padat. Perilaku terakhir ini menyebabkan arus dan konsumsi daya yang lebih tinggi.

Hasil ini menekankan pentingnya konsentrasi kosong yang seimbang: cukup untuk mengaktifkan konduksi hopping dan membatasi pertumbuhan filamen, namun tidak terlalu tinggi sehingga filamen logam terbentuk. Optimasi densitas kosong oksigen adalah strategi universal untuk mencapai RRAM hemat daya dan padat tinggi yang cocok untuk IoT dan aplikasi tertanam.

Kesimpulan

Kami telah menunjukkan switching arus 1-μA dalam RRAM Pt/HfO₂/TiOₓ/Pt dengan mengontrol profil kosong oksigen dalam lapisan TiOₓ. Hopping elektron mendominasi dalam film oksigen rendah, membatasi arus dan menghasilkan daya sub-mikrowatt. Sebaliknya, film oksigen tinggi membentuk filamen logam, menyebabkan soft-breakdown dan konsumsi daya tinggi. Optimasi densitas kosong oksigen adalah strategi universal untuk mencapai RRAM hemat daya, padat tinggi yang cocok untuk IoT dan aplikasi tertanam.

Singkatan

1T1R

Satu-transistor-satu-resistor

ALD

Deposisi lapisan atom

ANNs

Jaringan saraf buatan

BE

Elektroda bawah

CF

Forming arus

HRS

Keadaan resistensi tinggi

HRTEM

Mikroskop transmisi elektron resolusi tinggi

IoT

Internet of Things

I-V

Arus-tegangan

LRS

Keadaan resistensi rendah

Rasio on/off

HRS/LRS

OxRRAM

Memori resistif oksida

Preset

Daya reset

Pset

Daya set

RIE

Ets ion reaktif

RRAM

Memori akses acak resistif

TE

Elektroda atas

XPS

Spektroskopi fotoelektron sinar-X

σ/μ

Deviasi standar relatif