Karakteristik Switching Resistif Daya Rendah di Memori Akses Acak Resistif HfO2/TiOx Bi-Layer
Abstrak
Perangkat memori akses acak resistif dengan deposisi lapisan atom HfO2 dan semburan frekuensi radio TiOx karena lapisan switching resistif berhasil dibuat. Karakteristik daya rendah dengan daya setel 1,52 μW (1 μ[email protected] V) dan daya reset 1,12 μW (1 μ[email protected] V) diperoleh di HfO2 /TiOx perangkat memori akses acak resistif (RRAM) dengan mengontrol kandungan oksigen dari TiOx lapisan. Selain itu, pengaruh kandungan oksigen selama TiOx proses sputtering pada properti switching resistif akan dibahas secara rinci. Penyelidikan menunjukkan bahwa "kerusakan lunak" terjadi dengan mudah selama proses pembentukan/pengaturan listrik di HfO2 /TiOx Perangkat RRAM dengan kandungan oksigen tinggi dari TiOx lapisan, menghasilkan daya switching resistif yang tinggi. Karakteristik daya rendah diperoleh di HfO2 /TiOx Perangkat RRAM dengan kepadatan kekosongan oksigen TiO yang tinggix lapisan, menunjukkan bahwa kepadatan kekosongan oksigen yang sesuai di TiOx lapisan dapat menghindari "kerusakan lunak" melalui seluruh lapisan dielektrik selama proses pembentukan/pengaturan, sehingga membatasi arus yang mengalir melalui perangkat RRAM dan mengurangi konsumsi daya pengoperasian.
Pengantar
Memori akses acak resistif (RRAM) memberikan solusi yang menjanjikan untuk menurunkan skala di luar memori berbasis muatan tradisional karena struktur sel yang sederhana, penyimpanan yang tidak mudah menguap, operasi kecepatan tinggi, dan rasio hidup/mati yang tinggi [1,2,3, 4,5,6,7,8,9,10]. Baru-baru ini, satu transistor satu resistor (1T1R) adalah struktur yang diterima secara luas untuk mencegah pengukuran resistansi yang tidak akurat yang disebabkan oleh arus jalur menyelinap dalam array 1R [11, 12]. Selain itu, memori yang muncul, terutama RRAM berbasis oksida, telah diusulkan untuk perangkat sinaptik plastik karena modulasi konduktansi bertahap dengan nomor pulsa, yang dapat meniru perilaku sinaptik biologis untuk menerima sinyal dari neuron pra dan pasca sinaptik [13,14,15] ,16,17]. Namun, arus switching resistif tinggi adalah batasan utama untuk aplikasi daya rendah dan kepadatan tinggi [18,19,20]. Array 1T1R juga menghadapi tantangan penskalaan jika arus operasi RRAM tidak dapat disesuaikan. Misalnya, ketika teknologi CMOS diperkecil hingga 27 nm, arus drive akan berkurang menjadi 40 μA [21]. Oleh karena itu, pengurangan arus operasi perangkat RRAM hingga 10 μA dengan mengoptimalkan struktur dan material diperlukan untuk melanjutkan penskalaan 1T1R [22]. Selain itu, sinapsis biologis mengkonsumsi sekitar 1 ~ 10 fJ per peristiwa di otak manusia yang kompleks, dengan demikian, mengurangi konsumsi energi perangkat sinaptik listrik sesedikit sinapsis biologis penting untuk pengembangan jaringan saraf tiruan neuromorfik (ANNs) [23, 24,25]. Oleh karena itu, membatasi arus perangkat dan mengurangi konsumsi daya akan menguntungkan proses praktis untuk penyimpanan data dan aplikasi komputasi neuromorfik.
Dalam karya ini, Pt/HfO2 /TiOx /Pt perangkat dengan kandungan oksigen TiO yang berbedax film dibuat, dan karakteristik daya rendah dalam kandungan oksigen rendah ditunjukkan. Perangkat memori mencapai daya setel 1,52 μW dan daya reset 1,12 μW melalui penurunan kandungan oksigen TiOx film selama proses sputtering. Mekanisme konduktif untuk karakteristik daya rendah dianalisis lebih lanjut untuk memberikan wawasan tentang desain RRAM oksida.
Metode
Pt/HfO2 /TiOx Struktur perangkat /Pt dan proses fabrikasi ditunjukkan pada Gambar. 1a dan b. Pada awalnya, pada Si/SiO2 /Ti substrat, elektroda bawah Pt 100-nm (BE) disiapkan oleh sputtering arus searah (DC) pada suhu kamar. Selanjutnya, 3 nm HfO2 diendapkan dengan teknik atomic layer deposition (ALD) (Picosun R200) pada suhu 300 °C menggunakan TEMAH dan H2 O sebagai prekursor. Selanjutnya, 30 nm TiOx diendapkan dengan kandungan oksigen yang berbeda dengan sputtering frekuensi radio. Selama TiOx proses sputtering film, memperbaiki total aliran gas argon (Ar) dan oksigen (O2 ) sebagai 20 sccm dan mengubah tekanan parsial oksigen dengan 9%, 11%, dan 13%, tiga perangkat sampel (S1, S2, dan S3) diperoleh untuk menyelidiki pengaruh kandungan oksigen TiOx film pada kinerja switching resistif. Setelah itu, elektroda atas (TE) Pt 70-nm diendapkan dengan sputtering DC dan dipola dengan litografi. Akhirnya, perangkat berbentuk persegi 100 μm × 100 μm dibentuk oleh etsa ion reaktif (RIE). Tegangan bias diterapkan pada TE, dan BE dihubungkan dengan ground. Gambar mikroskop elektron transmisi (HRTEM) resolusi tinggi dari penampang Pt/HfO2 /TiOx /Pt ditunjukkan pada Gambar 2. Karakteristik kelistrikan perangkat diukur dengan penganalisis parameter semikonduktor Agilent B1500A. Keadaan kimia atom dalam TiOx film diselidiki dengan spektroskopi fotoelektron sinar-X (XPS, Axis Ultra).
a Struktur Pt/HfO2/TiOx /Pt perangkat. b Alur proses fabrikasi
Penampang melintang TEM dari Pt/HfO2 /TiOx /Pt perangkat
Hasil dan Diskusi
Gambar 3a, b, dan c menunjukkan spektrum tingkat inti XPS O 1s dari TiOx film. Untuk memperjelas ikatan kimia oksigen dalam film, puncak O 1s asimetris dibagi menjadi dua puncak, yang umumnya dianggap berasal dari O
2−
terikat oleh ion logam dan O
2−
di daerah kekurangan oksigen [26]. Tekanan parsial oksigen selama TiOx proses sputtering film ditetapkan sebagai 9%, 11%, dan 13%, masing-masing, dan kandungan kekurangan oksigen yang sesuai dalam tiga sampel adalah sekitar 28,23%, 24,06%, dan 23,63%, menunjukkan bahwa kandungan ion oksigen non-kisi dan kekosongan oksigen berkurang dengan meningkatnya tekanan parsial oksigen.
O 1s XPS memindai spektrum TiOx film di S1, S2, dan S3. Tekanan parsial oksigen ditetapkan sebagai a 9%, b 11%, dan c 13% selama TiOx proses sputtering film
Untuk perangkat baru, status aslinya dalam status resistansi tinggi (HRS). Seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 4, pembentukan arus (CF) diterapkan untuk memulai pembentukan filamen konduktif dan mengubah status perangkat ke status resistansi rendah (LRS) [27]. Saat menerapkan kepatuhan arus 1 μA, jalur konduktif terbentuk di S1 dan proses set/reset yang stabil dapat dicapai pada operasi berikutnya. Untuk S2 dan S3, operasi reset tidak berhasil dari keadaan tengah perangkat selama proses CF hingga kepatuhan saat ini hingga 20 mA.
Proses pembentukan Pt/HfO2/TiOx /Pt RRAM perangkat di a S1, b S2, dan c S3
Untuk menguji kinerja listrik perangkat RRAM, pengukuran DC di bawah penyapuan tegangan dilakukan. Tegangan bias positif dalam proses pembentukan dan set diterapkan pada TE untuk melengkapi filamen konduktif, dan tegangan bias negatif dalam proses reset adalah untuk memutuskan filamen. Ketika bias disapu bolak-balik, kurva tegangan arus switching bipolar (IV) 100 siklus dari tiga sampel ditunjukkan pada Gambar. 5. Perangkat S1 mencapai kinerja switching resistif yang stabil di bawah kepatuhan arus 10 μA, tetapi arus operasinya hingga 10 mA untuk dua sampel lainnya. Karakteristik daya rendah S1 dapat dikaitkan dengan kandungan kekosongan oksigen yang tinggi yang sudah ada sebelumnya di TiOx film, yang membatasi arus secara efektif selama proses pembentukan/pengaturan.
100 siklus kurva IV dua arah yang stabil dalam a S1, b S2, dan c S3
Gambar 6 dan 7 menggambarkan variasi siklus-ke-siklus dan perangkat-ke-perangkat (deviasi standar relatif, (σ /μ )) dari tiga sampel, dan statistiknya dirangkum dalam Tabel 1 dan 2. Untuk S1, arus hopping yang lemah menyebabkan distribusi resistansi yang sederhana, dan filamen konduktif kuat yang terbentuk di S2 dan S3 menjamin distribusi resistansi yang relatif stabil. Meskipun ada sedikit penurunan untuk S3 setelah puluhan siklus, rasio hidup/mati masih di atas 100.
Variasi siklus ke siklus RLRS dan RHRS untuk 100 siklus dalam a S1, b S2, dan c S3
Variasi perangkat-ke-perangkat dari RLRS dan RHRS untuk 20 perangkat di a S1, b S2, dan c S3
Seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 8, daya yang disetel (Pset) 1,52 μW dan daya reset (Preset) 1,12 μW dicapai di bawah arus kepatuhan rendah 1 μA. Konsumsi daya dari dua sampel lainnya adalah puluhan miliwatt karena arus operasi 10 mA. Selain itu, status resistensi S1 dapat mempertahankan karakteristik retensi lebih dari 10
4
s di bawah 85 °C dengan perkiraan rasio hidup/mati 100, yang stabil untuk aplikasi penyimpanan data.
a Kinerja switching resistif di bawah batasan arus 1 μA. b Karakteristik retensi di S1 lebih dari 10
4
suhu di bawah 85 °C
Untuk menjelaskan mekanisme konduktif karakteristik daya rendah, kami melakukan pengukuran suhu untuk S1 dan S3 dengan arus operasi yang berbeda dan menyelidiki mekanisme yang sesuai, seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 9 dan 10. Dari 25 °C hingga 125 °C, resistansi S1 menurun dengan suhu, tetapi resistansi S3 hampir tidak berubah. Konduktansi eksperimental dan suhu dilengkapi dengan model lompatan rentang variabel Mott [28], seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 11, yang menunjukkan bahwa mekanisme konduktif utama S1 adalah elektron melompat melalui cacat kekosongan oksigen lokal dalam dielektrik oksida [29]. Saat menurunkan tekanan parsial oksigen selama TiOx proses sputtering, seperti yang ditunjukkan pada S1, kandungan kekosongan oksigen pada TiO awalx lapisan meningkat dan resistensi film menurun [30]. Tegangan pada TE diterapkan terutama pada HfO2 lapisan dan massa kekosongan oksigen dimotivasi untuk membentuk filamen konduktif. Setelah itu, lowongan oksigen baru juga dimotivasi di TiOx lapisan, tetapi hubungan antara kekosongan oksigen lemah. Oleh karena itu, elektron melompat konduksi di TiOx dominan, yang memastikan arus switching resistif 1-μA yang rendah.
a Resistansi berubah dengan suhu di S1. b Diagram skematik yang sesuai dari mekanisme konduktif
a Resistansi berubah dengan suhu di S3. b Diagram skematik yang sesuai dari mekanisme konduktif
Ketergantungan suhu dari konduktansi S1 di a LRS dan b SDM
Namun, seperti yang ditunjukkan pada Gambar 10, setelah meningkatkan kandungan oksigen selama TiOx proses sputtering, HRS dan LRS tetap hampir tidak berubah dengan suhu, yang kemungkinan besar terkait dengan mekanisme transportasi seperti logam, yang disebabkan oleh transportasi elektron melalui filamen konduktif yang terdiri dari kekosongan oksigen pekat. Dibandingkan dengan perangkat RRAM S1, lebih sedikit kekosongan oksigen di TiO awalx lapisan S3 tidak cukup untuk konduksi loncatan elektron. Selain itu, karena peningkatan resistensi TiOx film, bias tegangan diterapkan pada kedua HfO2 lapisan dan TiOx lapisan secara bersamaan. Inisialisasi listrik menghasilkan banyak kekosongan oksigen yang dimotivasi dalam HfO2 dan TiOx lapisan. Kekosongan oksigen ini membentuk filamen konduktif yang kuat di kedua dua lapisan dielektrik, dan elektron yang melimpah mengalir melalui dua kekosongan oksigen yang berdekatan, yang menyebabkan arus operasi yang tinggi selama proses switching resistif.
Pada prinsipnya, dimungkinkan untuk mengontrol kandungan oksigen dengan hati-hati untuk mencapai kinerja daya rendah dalam memori resistif oksida (OxRRAM) lain yang terkait dengan kekosongan oksigen. Persyaratan untuk lapisan oksida adalah harus ada kekosongan oksigen yang cukup pada keadaan awal untuk konduksi loncatan listrik jika terjadi kerusakan perangkat. Namun, kekosongan oksigen yang berlebihan akan menyebabkan karakteristik daya tahan yang tidak stabil dan memperburuk kinerja perangkat. Oleh karena itu, kekosongan oksigen yang tepat diperlukan untuk membatasi arus operasi dan mengurangi konsumsi daya.
Tabel 3 membandingkan beberapa parameter utama Pt/HfO2 /TiOx /Pt perangkat dengan laporan terbaru lainnya. Perangkat ini memiliki keunggulan penting dari daya switching resistif 1,12 μW yang rendah dan rasio lebih dari 100 HRS/LRS di antara berbagai perangkat RRAM.
Kesimpulan
Dalam karya ini, arus switching resistif 1-μA ditunjukkan di Pt/HfO2 /TiOx /Perangkat struktur Pt. Untuk mekanisme konduktif, konduksi loncatan elektron dominan pada kandungan oksigen yang rendah dari TiOx lapisan, yang membatasi arus operasi dan mengurangi konsumsi daya. Transportasi seperti logam dominan dalam kandungan oksigen yang tinggi dari TiOx lapisan, dan "kerusakan lunak" dari dua lapisan dielektrik menyebabkan arus operasi yang tinggi dan konsumsi daya yang tinggi. Kandungan oksigen yang sesuai dari TiOx film dapat membatasi arus RRAM dan berkontribusi pada karakteristik daya rendah, yang memberikan solusi untuk operasi besar saat ini dan masalah daya tinggi dan menunjukkan janji untuk memori non-volatil yang tertanam di masa depan dan aplikasi Internet of things (IoT).
