Повышение удержания в TaO/HfO и TaO/AlO RRAM: само-выпрямляющая модель коммутации

Аннотация

Представлена комплексная модель удержания для само-выпрямляющих TaO/HfOₓ и TaO/AlOₓ резистивных оперативных памяти (RRAM). В дефектно-ловушковых RRAM низкорезистивное состояние (LRS) обычно деградирует быстрее высокорезистивного (HRS) из-за ограничивающего влияния внутреннего резистивного слоя TaO. Стекование TaO/AlOₓ в коммутирующем стеке заметно улучшает удержание LRS, экстраполяция предсказывает более 5 лет при комнатной температуре. Обе структуры имеют общий TaO каппинговый слой и демонстрируют идентичную энергию активации 0,38 эВ. AlOₓ слой вводит более высокий барьер диффузии кислорода, существенно улучшая удержание и поддерживая стабильное LRS под смещенными условиями.

Введение

NAND флеш-технология приближается к своим пределам масштабирования, делая вертикальные RRAM (VRRAM) с минимальными стеками пленок, высокой доходностью и без перекрестных связей перспективным решением для ультра-dense памяти. 1TnR 3D архитектура обеспечивает ультра-низкую стоимость бита в компактных массивах. Недавние работы сместили операцию RRAM в сторону низкоточных, дефектно-ловушковых, вакансий-модулирующих или интерфейсных коммутационных механизмов, однако отказы удержания, связанные с миграцией кислородных вакансий, остаются нерешенными. Филаментные модели удержания предлагают различные модели для объяснения потерь, предполагая смену коммутационных механизмов для улучшения выносливости. Предыдущие исследования TaO/HfOₓ устройств показали нелинейность ~40, выносливость >1000 циклов, удержание данных при 85 °C. Достижение стабильного удержания при низких токах остается вызовом. Это письмо вводит модель удержания на основе Аррениуса для двух дефектно-ловушковых устройств, подсвечивая роль AlOₓ слоя в улучшении удержания через плотную связь.

Методы

Устройства TaO/HfOₓ и TaO/AlOₓ фabриковали на 8-дюймовых Si/термических оксидных подложках. Нижние электроды (TiN) осаждали PVD, паттернили и этчили через конвенциональную литографию. Пост-эччинг очистка O₂/H₂O плазмой при 180 °C формировала тонкий TiON оксидный слой на TiN. Коммутирующие слои HfOₓ и AlOₓ осаждали ALD с предшественниками HfCl₄-H₂O и TMA-H₂O при 300 °C и 250 °C соответственно. Затем добавляли TaO каппинговый слой низкотемпературной плазменной оксидацией (LTPO) при 0,2 Å/с, предоставляя внутренний само-комплаенс резистор. Верхние электроды (TiN) осаждали PVD. Рисунок 1 иллюстрирует слоистый стек и толщины для обоих типов устройств. После паттернинга низкотемпературный оксид (250 °C) осаждали для пассивации, затем стандартная back-end обработка для контактов и падсов.

Результаты и обсуждение

Электрическая производительность оценивали HP4156C полупроводниковым параметрическим анализатором. Рисунки 2a и 2b показывают J–V характеристики для TaO/HfOₓ и TaO/AlOₓ ячеек соответственно, по трем площадям ячеек (0,1, 0,56, 25 мкм²). Все устройства начинали в HRS, программировались в LRS положительным смещением, затем сбрасывались в HRS отрицательным смещением. J–V кривые показывают согласованную плотность тока по размерам ячеек, указывая на равномерное поле-драйвеное программирование и подтверждая дефектно-ловушковое коммутационное поведение. LRS и HRS сопротивления масштабируются обратно пропорционально площади (Рис. 2c, 2d), укрепляя механизм коммутации, контролируемый плотностью тока. TaO/AlOₓ устройства требуют слегка более высокие set (4–4,5 В) и reset (–1,5 до –2,5 В) напряжения, чем TaO/HfOₓ (3–4 В, –0,5 до –1,5 В), отражая более высокий энергетический барьер в AlOₓ слое.

Поведение удержания оценивали при 85 °C и 1 В. Рисунки 3a и 3b раскрывают, что LRS деградирует заметнее, чем HRS в обоих типах устройств, однако TaO/AlOₓ показывает превосходную LRS стабильность. Со временем оба HRS и LRS дрейфуют к начальному сопротивлению (IRS), как подчеркнуто пунктирными линиями. Рисунки 3c и 3d иллюстрируют, что выпекание TaO/AlOₓ при 150 °C 48 ч и TaO/HfOₓ при 120 °C 120 ч восстанавливает LRS к исходному состоянию, подчеркивая роль рекомбинации кислородных ионов/вакансий в потерях удержания.

Времена удержания извлекали методом Аррениуса. Анализируя отношение LRS сопротивления во времени (30–150 °C) и экстраполируя к 10³× начального LRS, оценили время удержания 10⁶ с при 150 °C и ~2×10⁸ с (≈5 лет) при комнатной температуре для TaO/AlOₓ устройств. Оба TaO/HfOₓ и TaO/AlOₓ делят ту же энергию активации 0,38 эВ, указывая, что TaO каппинговый слой доминирует в процессе рекомбинации вакансий-ионов. AlOₓ слой с более высокой атомной плотностью и более короткой Al–O длиной связи снижает подвижность кислородных ионов, создавая более высокий барьер диффузии, удлиняющий удержание.

Механизмы удержания различаются между филаментными и дефектно-ловушковыми RRAM. В филаментных устройствах латеральная вакансий диффузия управляет разрывом, тогда как дефектно-ловушковые демонстрируют продольную диффузию параллельно электрическому полю, делая удержание чувствительным к полярности смещения. Рисунки 5a и 5b показывают on-bias удержание: положительное смещение продлевает LRS, отрицательное ускоряет деградацию. При ±100 мВ on-bias эффекты пренебрежимы, вероятно, из-за зонных смещений на TiON–HfOₓ, TiON–AlOₓ и TiN–TaO переходах. 500 мВ положительное смещение на TaO/AlOₓ не производит наблюдаемой деградации.

Заключение

Сравнительный анализ TaO/HfOₓ и TaO/AlOₓ само-выпрямляющих RRAM раскрывает, что AlOₓ коммутирующий слой доставляет более высокие коммутационные напряжения и заметно улучшенную LRS термическую стабильность. Улучшенное удержание происходит из более высокого барьера кислородной диффузии, а не из изменений энергии активации. Энергия активации (0,38 эВ) управляется ионным де-ловушковым процессом TaO резистивного слоя, в то время как плотная AlOₓ пленка подавляет вакансийную диффузию, продлевая LRS удержание. Предложенная схема потерь удержания, поддерживаемая on-bias экспериментами, предлагает ценное руководство для проектирования низкоточных, долгого удержания, само-выпрямляющих RRAM для следующего поколения высокоплотных памяти.