Влияние джоулева нагрева на характеристику резистивного переключения в элементах AlOx, образованных образованием термического окисления

Фон

Резистивная коммутируемая память с произвольным доступом (RRAM) привлекла большое внимание как один из наиболее многообещающих кандидатов для энергонезависимой памяти следующего поколения [1,2,3,4]. По сравнению с традиционной коммерческой флэш-памятью и другими появляющимися энергонезависимыми запоминающими устройствами, устройство RRAM имеет простую структуру (MIM), быструю скорость записи / стирания, а также отличную долговечность и характеристики удержания [5,6,7,8]. В качестве одного из резистивных переключающих материалов, совместимых с традиционной технологией комплементарных металлооксидных полупроводников, AlO _x RRAM, основанная на RRAM, также была тщательно изучена, поскольку имеет более привлекательный прикладной потенциал благодаря возможности многоуровневого хранения и самовосстановлению [9, 10]. Обычно в металлооксидных устройствах наблюдается два типа переключения:(1) униполярное переключение, которое не зависит от полярности приложенного напряжения, и (2) биполярное переключение, которое зависит от полярности приложенного напряжения. Их внутренние механизмы переключения различны. На тип резистивного переключения могут влиять многие факторы, такие как структура устройства, материалы электродов и ток программирования [11]. Сообщалось о сосуществовании униполярного и биполярного переключения в некоторых металлооксидных материалах, таких как HfO ₂ , NiO и ZnO [12,13,14,15,16]. Поведение биполярного резистивного переключения (RS) связано с образованием / разрывом проводящих нитей, состоящих из кислородных вакансий. Поведение униполярного RS часто связано с термическим повреждением проводящей нити или фазовым структурным переходом. Биполярное поведение RS обычно наблюдается в AlO _x на базе RRAM. Сосуществование униполярного и биполярного поведения в AlO _x О RRAM сообщалось редко, а физический механизм переключения в поведении униполярного RS до сих пор не выяснен.

В этой статье мы сообщаем о сосуществовании униполярного и биполярного поведения RS в AlO _x на базе RRAM. Изучая характеристики резистивного переключения при униполярном и биполярном переключении для различных токов податливости, джоулева нагрев используется для объяснения разрыва проводящих нитей в процессе сброса поведения униполярного RS. Когда локальная температура внутри проводящих волокон достигает критической температуры, проводящие волокна разрываются, и возникает униполярное поведение RS. Кроме того, для биполярного поведения RS предлагается использование джоулева нагрева для содействия разрыву проводящих нитей в процессе сброса. Эффект джоулева нагрева хорошо подтверждается размещением устройства при различных температурах. Между тем, влияние производительности при разных температурах для AlO _x RRAM также исследуется. Стабильность и управляемость поведения RS важны для применения массивов RRAM в будущем. Более глубокое понимание влияния джоулева нагрева на процесс резистивного переключения важно и необходимо. Кроме того, мы исследуем проводящий механизм по температурной зависимости тока для состояния с высоким сопротивлением (HRS) и состояния с низким сопротивлением (LRS).

Методы

Устройства памяти с резистивной коммутацией на базе AlO _x изготавливаются с помощью следующего процесса. Принципиальная схема показана на рис. 1 (а) - (г). Al и Pt распыляются на поверхность стеклянной подложки ITO последовательно с теневой маской для образования круглых пятен диаметром 200 мкм. Слой Pt, покрывающий Al, можно использовать для предотвращения окисления поверхности Al во время последующего процесса отжига. Устройство отжигают при 400 ° C в течение 4 ч в вакууме. Для сравнения используется неотожженный образец. Фотография поперечного сечения с помощью сканирующего электронного микроскопа (СЭМ) показывает структуру устройства. Трехслойная структура отожженного устройства Pt / Al / ITO показана на вставке к рис. 1 (е). Верхний слой представляет собой платиновый электрод (~ 66 нм). Средний слой - отожженный слой Al (~ 256 нм). Нижний слой - электрод ITO (~ 161 нм). Микроструктура устройства анализируется с помощью просвечивающей электронной микроскопии высокого разрешения (HRTEM). Распределение элементов получают с помощью энергодисперсионной рентгеновской спектроскопии (EDX) на том же оборудовании. Тест I-V проводится с использованием анализатора параметров полупроводников Agilent B1500A в режиме развертки по постоянному току при комнатной температуре. Температурная зависимость ВАХ обнаружена в системе Lake Shore CRX-4K при вакууме 5 × 10 ⁻⁵ Торр.

Принципиальная схема процесса изготовления. ( а ) ITO / стеклянная подложка. ( б ) Нанесение алюминиевого электрода напылением. ( c ) Pt, покрывающая алюминиевый электрод. ( д ) Образование AlO _x межфазный слой отжигом при 400 ° C в вакууме. ( е СЭМ-изображение отожженного устройства Pt / Al / ITO. Толщина Pt, Al и ITO составляет приблизительно 66 нм, 256 нм и 161 нм соответственно

Результаты и обсуждение

Чтобы проверить изменения микроструктуры после отжига устройств Pt / Al / ITO, HRTEM используется для проверки области между стеклянными подложками из Al и ITO. На рис. 2а и б показаны неотожженные и отожженные образцы соответственно. По сравнению с неотожженным образцом, через 4 часа в отожженном образце обнаруживается явный интерфейсный слой. Толщина межфазного слоя составляет ~ 20 нм. Спектры EDX используются для определения распределения элементов между Al и ITO, как показано на рис. 2c. Очевидная диффузия атомов кислорода происходила на границе раздела Al / ITO во время процесса отжига. Остальные элементы (In, Sn) не проявляют значительной диффузии в спектрах EDX. По сравнению с другими металлами, Al имеет более низкую стандартную свободную энергию Гиббса (-1582,9 кДж / моль) для образования соответствующих оксидов металлов [17]. Мы делаем вывод, что интерфейс AlO _x слой, образованный в процессе отжига.

а Изображение поперечного сечения ПЭМВР неотожженного Pt / Al / ITO. б Изображение поперечного сечения ПЭМВР отожженного образца через 4 ч. Формируется интерфейсный слой. c Энергодисперсионные рентгеновские (EDX) спектры пяти элементов (Al, O, In, Sn и Si)

На рис. 3а показана вольт-амперная характеристика (ВАХ) неотожженного образца. Никакого резистивного переключения не наблюдается, что согласуется с результатами ПЭМ без отжига. Нет AlO _x формируется резистивный коммутирующий слой. На вставке схематически показано электрическое измерение. Во время измерения I-V напряжение подается на верхний электрод (Pt), а нижний электрод (ITO) заземляется. Отожженные устройства также измеряются в тех же условиях. Отожженное устройство показывает сосуществование униполярного и биполярного поведения RS. Два поведения RS можно активировать независимо. На рис. 3b показаны кривые развертки за 50 периодов поведения униполярного RS. Ток согласования установлен на 10 мА, чтобы избежать серьезной поломки устройств в процессе настройки. Стрелки указывают направление изменения напряжения. На платиновый электрод подается положительная развертка напряжения (0 В → 3,5 В). Устройство переключается из состояния с высоким сопротивлением в состояние с низким сопротивлением (процесс настройки или процесс программирования). После этого еще одна развертка напряжения (0 В → 1 В) вызывает резкое уменьшение тока с удалением тока согласования. Устройство перейдет в режим HRS (процесс сброса или стирания). Для активации устройства не требуется явно более высокое формирующее напряжение. На вставке показаны характеристики выносливости за 80 циклов и отношение R _на / R _выкл примерно 10 ³ с использованием напряжения считывания 0,1 В. На рис. 3с показано поведение биполярного RS. Поведение RS наблюдается при противоположной полярности напряжения. Установочные и сбрасываемые качающиеся напряжения следуют последовательности 0 В → +3,4 В → 0 В → - 2,5 В → 0 В. Устройство переключается с HRS на LRS, когда на верхний электрод Pt подается положительное напряжение смещения. Затем он снова переключается на HRS под отрицательным напряжением смещения. Как и в униполярном случае, явного процесса гальванопластики не наблюдается. На вставке - характеристики выносливости на 150 циклов. Соотношение R _на / R _выкл примерно 10 ³ используя напряжение чтения 0,1 В.

а График I-V для неотожженного устройства Pt / Al / ITO. На вставке схематически показано электрическое измерение. На верхний платиновый электрод подается напряжение смещения, а ITO заземлен. б I-V-кривая за 50 циклов для униполярного переключения (отжиг в течение 4 часов). Пунктирной линией обозначен ток соответствия Icc =10 мА. Красная линия обозначает процесс первой установки и процесс сброса. Стрелки указывают направление изменения напряжения. Напряжение считывания установлено на 0,1 В. На вставке показана долговечная характеристика. c I-V-кривая за 50 циклов для биполярного переключения (отжиг в течение 4 часов). На вставке - характеристики выносливости. Напряжение чтения установлено на 0,1 В

Как правило, биполярное поведение RS часто наблюдается в AlO _x устройства на базе RRAM. Механизм биполярного переключения обусловлен образованием / разрывом проводящих нитей, состоящих из кислородных вакансий [11, 16]. Когда на верхний электрод подается положительное напряжение, ионы кислорода (O ²⁻ ) мигрируют к верхнему электроду, оставляя кислородные вакансии. Кислородные вакансии накапливаются, образуя проводящие нити. Устройство переключается на LRS. Когда на верхний электрод подается отрицательное напряжение, ионы кислорода извлекаются обратно в AlO _x . и разрыв проводящих нитей. Биполярный механизм переключения связан с электрохимическим механизмом. Однако процесс установки и процесс сброса происходят с той же полярностью напряжения для униполярного режима переключения. Униполярное резистивное переключение запускается тепловым пробоем проводящей нити накала. Механизм переключения объясняется тепловым механизмом в других устройствах RRAM [16]. Чтобы убедиться, что джоулева нагревание объясняет униполярное переключение в AlO _x RRAM, для управления током, протекающим через устройство, используется другой согласованный ток.

На рис. 4а показана ВАХ биполярного переключения при различных токах податливости. Сопротивление токопроводящей нити накала можно контролировать с помощью уставки податливого тока. Более низкое сопротивление LRS (Icc =10 мА, R _LRS ~ 40 Ом; Icc =1 мА, R _LRS ~ 300 Ом; Icc =100 мкА, R _LRS ~ 8 кОм) можно получить, увеличив ток податливости. Сопротивление в LRS ( R _LRS ) изменяется от десятков Ом до тысяч Ом при различных токах соответствия. Различные R _LRS Значения связаны с образованием токопроводящей нити разного диаметра при разных токах податливости. Джоулев нагрев уменьшается с уменьшением размера нити [18]. Примечательно, что когда ток согласования Icc =100 мкА и Icc =1 мА, во время процесса сброса наблюдается постепенный процесс сброса в поведении биполярного RS, который отличается от резкого сброса при Icc =10 мА. Постепенный сброс объясняется прогрессирующим разрывом проводящей нити [19]. Резкий сброс связан с разрывом усилителя Джоулева нагрева [20]. Влияние джоулева нагрева на поведение биполярного КС отражается в процессе резкого сброса. Биполярное поведение RS можно рассматривать как комбинацию электрохимического механизма и джоулева нагрева при высоких токах программирования [13, 21].

а ВАХ биполярного устройства при различных токах соответствия:Icc =10 мА (пунктирная линия), Icc =1 мА (синяя линия) и Icc =100 мкА (зеленая линия). Сопротивление LRS при различных токах соответствия при показании 0,1 В (Icc =10 мА, RLRS ~ 40 Ом; Icc =1 мА, RLRS ~ 300 Ом; Icc =100 мкА, RLRS ~ 8 кОм). б ВАХ униполярного режима при различных токах соответствия:Icc =10 мА (пунктирная линия), Icc =1 мА (синяя линия) и Icc =100 мкА (черная линия)

На рисунке 4b показаны униполярные характеристики при различных токах согласования (Icc =10 мА, Icc =1 мА и Icc =100 мкА). Униполярное переключение наблюдается только при токе податливости Icc =10 мА и 1 мА. По сравнению с напряжением сброса тока соответствия Icc =10 мА в пределах 1 В, напряжение сброса (Icc =1 мА), очевидно, увеличивается более чем на 1,5 В, а ток сброса уменьшается примерно на два порядка (~ 724 мкА) после сбросить операцию. Текущее значение после процесса сброса приблизительно соответствует току соответствия. Устройство не может вернуться в исходное состояние (~ 100 кОм). Руссо и др. предложил критическую температуру ( T _крит ) для процесса униполярного сброса в модели самоускоряющегося термического растворения [22]. Когда температура внутри проводящей нити накала достигает критического значения при приложении напряжения сброса между двумя электродами, проводящая нить накала растворяется и разрывается в состоянии сброса. Функциональную взаимосвязь между критической температурой, напряжением, током и сопротивлением можно описать следующим образом:

Т ₀ - комнатная температура, R _th - эффективное тепловое сопротивление проводящей нити, которая имеет более слабую зависимость от размера, а электрическая мощность может быть записана как P _сброс = V _сброс · Я _сброс . Для более низкого тока согласования Icc =1 мА требуется большее напряжение сброса. Когда самая горячая точка токопроводящей нити достигает критической температуры, термическая стабильность токопроводящей нити ухудшается. Впоследствии токопроводящие нити рвутся. Затем происходит униполярное поведение RS. Однако ток LRS меньше для тока соответствия Icc =100 мкА. Даже если напряжение сброса увеличивается, текущему значению трудно достичь уровня тока при большем токе соответствия (Icc =1 мА и Icc =10 мА). Генерируемого джоулева нагрева недостаточно для достижения критической температуры. Таким образом, униполярного поведения RS не наблюдается. При дальнейшем увеличении напряжения сброса устройство может сломаться. Следовательно, униполярное поведение RS обусловлено джоулева нагревом в AlO _x RRAM.

Для дальнейших исследований влияния джоулева нагрева на поведение RS устройства помещают при различных температурах. Во время процесса настройки используется ток соответствия Icc =10 мА. ВАХ биполярного поведения показаны на рис. 5а. Стоит отметить, что процесс резкого сброса трансформируется в процесс постепенного сброса с понижением температуры до 40 K. По сравнению с 300 K и 340 K, джоулев нагрев может быть хорошо рассредоточен при 40 K. Эффект джоулева нагрева может быть уменьшен. сведено к минимуму. Таким образом, электрохимический механизм играет главную роль в процессе сброса при биполярном переключении. Процесс постепенного сброса объясняется частичным разрывом токопроводящей нити. Устройство не может быть сброшено в исходное состояние при том же напряжении сброса. Это явление наблюдается и в других металлооксидных материалах [23]. На рисунках 5b и c показано статистическое распределение рабочего тока (HRS, LRS) и напряжения (SET, RESET) при биполярном переключении при различных температурах. Ясно, что ток HRS уменьшается с ростом температуры. Кроме того, напряжение SET увеличивается с увеличением температуры. Эти наблюдения предполагают, что джоулев нагрев влияет на разрыв проводящих нитей. При повышении температуры в AlO _x остается меньше проводящих нитей. резистивный коммутирующий слой во время процесса сброса. Получены более изолирующие высокоомные состояния. Очевидно, что напряжение SET увеличивается. Ток ЛРП незначительно увеличивается с ростом температуры, что соответствует характерному переносу полупроводника. На рис. 5г показана ВАХ униполярного поведения при различных температурах. По сравнению с 300 К и 340 К, устройство не может вернуться в исходное состояние при 40 К, что связано с тепловым рассеянием. Температура внутри токопроводящей нити не достигает критической температуры. Токопроводящая нить не может быть полностью разорвана. Устройство не может снова переключиться на LRS при токе соответствия Icc =10 мА (синяя пунктирная линия). На рисунках 5e и f показано статистическое распределение рабочего тока (HRS, LRS) и напряжения (SET, RESET) при униполярном переключении при различных температурах. Точно так же наблюдается более высокий ток HRS и большее напряжение SET с повышением температуры. Таким образом, джоулев нагрев считается важным для униполярного поведения RS.

а ВАХ биполярного поведения при различных температурах (40 K (синяя линия), 300 K (красная пунктирная линия) и 340 K (зеленая линия)) с током податливости Icc =10 мА. б Статистический результат тока HRS и LRS для 20 циклов биполярного переключения при различных температурах (40 K, 300 K и 340 K). c Статистический результат SET и RESET для 20 циклов биполярного переключения при различных температурах (40 K, 300 K и 340 K). г ВАХ униполярного поведения при различных температурах (40 K (синяя линия), 300 K (красная пунктирная линия) и 340 K (зеленая линия)) с током податливости Icc =10 мА. Синяя пунктирная линия указывает следующий процесс установки после операции сброса. е Статистический результат тока HRS и LRS для 20 циклов униполярного переключения при различных температурах (300 K и 340 K). е Статистический результат SET и RESET для 20 циклов униполярного переключения при различных температурах (300 K и 340 K)

Для лучшего изучения механизма проводимости мы предварительно оценим механизм переключения, аппроксимируя ВАХ. Кривая ВАХ строится заново в виде графика с двойным логарифмом, как показано на рис. 6а. LRS демонстрирует омическое проводящее поведение с крутизной, близкой к 1, что, вероятно, вызвано образованием проводящих нитей [24]. HRS можно разделить на две области:в области низкого напряжения (<0,4 В, область 1) наблюдается поведение омической проводимости, тогда как в области высокого напряжения (> 0,4 ​​В, область 2) наклон составляет близко к 2. Транспортное поведение согласуется с проводимостью, ограниченной пространственным зарядом (SCLC) [25]. В модели SCLC плотность тока J для выбросов SCLC, управляемых ловушкой, можно описать как

а Линейная аппроксимация кривых ВАХ с использованием логарифмической шкалы положительного смещения. б Температурная зависимость тока для HRS от 250 К до 340 К. c Энергия активации E _α при разных напряжениях. На вставке показан график Аррениуса текущих данных температуры при различных напряжениях в HRS. г Температурная зависимость тока для ЛРС от 250 К до 340 К. е Зависимость проводимости ln I от температуры T ^−1/4 . Напряжение считывания составляет 0,1 В. f Энергия активации E _α =9,93 мэВ рассчитано

где q элементарный заряд, n ₀ - термически генерируемые свободные носители, μ - подвижность электронов, ε _r статическая диэлектрическая проницаемость, ε ₀ - диэлектрическая проницаемость пространства, θ - отношение плотности свободных носителей к общей плотности носителей, V это приложенное напряжение и d толщина пленки. В области 1 (низкое приложенное напряжение), соответствующая закону Ома ( I ∝ V ¹ ) небольшое количество носителей может генерироваться из-за теплового возбуждения и возбуждаться в зону проводимости из валентной зоны или примесного уровня в этой области. Когда приложенное напряжение увеличивается, инжектированные носители становятся захваченными. Проводимость становится ограниченной объемным зарядом. Ток HRS следует квадратичному закону ( I ∝ V ² ) в области 2. На рис. 6б показана температурная зависимость тока ГРС. Ток увеличивается с повышением температуры, что свидетельствует о полупроводниковой проводимости [26, 27]. Из наклонов графиков типа Аррениуса данных (вставка на рис. 6c), энергия активации ( E _α ) от 0,01 В до 2 В, как показано на рис. 6c. Результаты показывают, что E _α относительно высока (~ 0,15 эВ) в области низких напряжений и демонстрирует поведение омической проводимости. По мере увеличения напряжения E _α снижается, что является характерной особенностью ТРЛ [28]. Температурно-зависимые анализы I-V явно подтверждают механизм проводимости SCLC в HRS.

Рисунок 6d показывает, что ток LRS немного увеличивается с повышением температуры, показывая поведение проводимости, подобное полупроводнику. Металлические токопроводящие нити исключаются. На рисунке 6e показана линейная зависимость между ln (I) и T ^−1/4 . , что предполагает, что механизм LRS подчиняется модели прыжков с переменной дальностью Мотта [29, 30]. Если уровни энергии двух локализованных состояний достаточно близки и волновые функции перекрываются, электроны могут прыгать между двумя узлами, чему способствует тепловая энергия. Значение энергии активации E _α составляет 9,93 мэВ для LRS, как показано на рис. 6f, что меньше 26 мэВ (энергия активации при комнатной температуре). Это значение обеспечивает перескок электронов с изменяемой дальностью при комнатной температуре. В других металлооксидных полупроводниках прыжковый механизм также наблюдается в LRS, и аппроксимация кривой ВАХ показывает поведение омической проводимости при комнатной температуре [31]. Таким образом, резистивный механизм переключения в LRS связан с кислородными вакансиями в проводящих волокнах.

На рисунке 7 показаны модели униполярной и биполярной резистивной коммутации. Для униполярного и биполярного поведения RS в заданном процессе ионы кислорода мигрируют к верхнему электроду под действием электрического поля. Наконец, ионы кислорода восстанавливаются, оставляя кислородные вакансии в AlO _x резистивный коммутационный слой. Большое скопление кислородных вакансий формирует кислородопроводящие нити между слоями ITO и неокисленным Al. Устройство настроено на LRS. Электроны прыгают через проводящую нить, состоящую из кислородных вакансий, как показано на рис. 7 (а) и (с). Для униполярного поведения RS в процессе сброса ток согласования снимается. Положительное смещение прикладывается снова, и ток увеличивается с увеличением напряжения. Когда самая высокая температура внутри токопроводящей нити достигает критической температуры, стабильность токопроводящей нити становится хуже, и она легко разрушается. Устройство переключается на HRS после разрушения проводящей нити, как показано на рис. 7 (b). При биполярном поведении RS к верхнему электроду прикладывается отрицательное смещение. Ионы кислорода извлекаются обратно в AlO _x интерфейсный слой. Проводящие нити разрываются, как показано на рис. 7 (d). Устройство сброшено на HRS. Когда ток сброса относительно больше, джоулев нагрев усиливает процесс разрыва проводящей нити. Появляется резкий переход в процессе сброса. В механизме переноса электронов в HRS доминирует механизм SCLC в обоих вариантах поведения RS.

Схема механизма переключения AlO _x устройство на базе RRAM. ( а ) Установите процесс униполярного переключения под положительным напряжением. Проводящие нити состоят из кислородных вакансий. Черные стрелки указывают направление миграции электронов. ( б ) Процесс сброса для униполярного переключения под положительным напряжением. Токопроводящая нить разрывается из-за джоулева нагрева. Электроны захватываются дефектами. В проводящем механизме HRS преобладает SCLC. ( c ) Установите процесс биполярного переключения под положительным напряжением. ( д ) Процесс сброса для биполярного переключения при отрицательном напряжении. Разрыв токопроводящих нитей

Выводы

В этой статье сосуществование униполярного и биполярного режимов резистивного переключения наблюдается в AlO _x на базе RRAM. Изучая вольт-амперные характеристики униполярного и биполярного переключения при различных токах податливости и различных рабочих температурах, мы предполагаем, что джоулев нагрев является существенным для униполярного резистивного переключения в AlO _x на базе RRAM. Когда в процессе сброса через токопроводящую нить накала протекает высокий ток программирования, локальная температура в токопроводящих нитях достигает критической температуры, и токопроводящие нити разрываются. Возникает униполярный RS. При биполярном резистивном переключении процесс сброса объясняется не только электрохимическим механизмом, но и джоулевым нагревом. Тепловой сигнал вызывает разрыв проводящей нити, когда устройство имеет высокий ток стирания, что приводит к более высокому сопротивлению HRS и большему рабочему напряжению SET в AlO _x на базе RRAM. Таким образом, джоулевым нагревом нельзя пренебречь. Эти результаты помогут нам глубоко понять влияние джоулева нагрева на поведение резистивного переключения в AlO _x на базе RRAM. Кроме того, изучается проводящий механизм. Механизм проводимости LRS обусловлен прыжками электронов по проводящим путям. Для HRS в проводящем механизме преобладает механизм SCLC.

Доступность данных и материалов

Все данные и материалы доступны без ограничений.

Сокращения

RS:

Резистивное переключение

SCLC:

Проводимость, ограниченная пространственным зарядом

RRAM:

Резистивная коммутационная память с произвольным доступом

HRS:

Состояние высокого сопротивления

LRS:

Состояние низкого сопротивления

SEM:

Сканирующий электронный микроскоп

HRTEM:

Просвечивающая электронная микроскопия высокого разрешения

EDX:

Энергодисперсионная рентгеновская спектроскопия