Оптимизированный трислойный RRAM HfO₂/TiO₂/HfO₂: биполярное переключение, зависящее от электрода, и повышенная однородность за счет АЛД

Аннотация

Создан трислойный резистивный ОЗУ (RRAM) HfO₂/TiO₂/HfO₂ на подложках с Pt- и TiN-покрытиями с верхними Pt-электродами методом атомно-слойного осаждения (АЛД). Симметричные Pt/Pt и асимметричные Pt/TiN устройства демонстрируют классическое биполярное резистивное переключение. В состоянии низкого сопротивления (LRS) проводимость омическая, в состоянии высокого сопротивления (HRS) доминирует ток, ограниченный пространственным зарядом (SCLC). Выбор нижнего электрода сильно влияет на полярность электроформирования, отношение ON/OFF и разброс напряжений установки/сброса. Устройства Pt/TiN достигают сниженного отрицательного напряжения формирования (−3,7 В), более узкого распределения напряжений и скромного отношения ON/OFF ~10². Это поведение объясняется кислородной активностью TiN, выступающего как кислородный резервуар, что облегчает более низкое формирование и более однородное переключение.

Введение

Резистивная оперативная память (RRAM) обещает высокую плотность, низкое потребление и невиолатильность, претендуя на замену флеш-памяти. RRAM на основе оксидов переходных металлов особенно привлекательны благодаря совместимости с CMOS и возможности точного осаждения АЛД. Резистивное переключение (РП) управляется нитями из кислородных вакансий, однако однородность параметров (ON/OFF, напряжения set/reset, выносливость) остается проблемой. Трислойные оксидные стеки (напр., Al₂O₃/HfO₂/Al₂O₃) показывали улучшенную однородность за счет граничного инжиниринга. Однако роль материала электрода, особенно нижнего, на характеристики РП не до конца понята. В работе исследуется влияние Pt против TiN нижних электродов на РП в трислойных HfO₂/TiO₂/HfO₂, выросших АЛД.

Методы

Две подложки: коммерческая Si/SiO₂/Ti/Pt и лабораторная Si/SiO₂/TiN. TiN (30 нм) — плазменная усиленная АЛД при 400 °C (TiCl₄, NH₃). На обоих электродах осадили 5 нм HfO₂ / 10 нм TiO₂ / 5 нм HfO₂ при 250 °C термической АЛД (TEMAH, TiCl₄, H₂O). Верхний Pt-электрод (100 нм, Ø150 мкм) — спуттеринг через маску. Характеризация: AFM (шероховатость), XPS (химические состояния, профилирование глубины), электроизмерения Keithley 4200 (compliance 10 мА). Верхний электрод смещен, нижний — заземлен.

Результаты и обсуждение

Структура и морфология устройств

AFM: RMS шероховатость Pt 0,39 нм, TiN 0,87 нм. Соответственно, стек на Pt гладче (0,68 нм) против 1,3 нм на TiN.

Электрическое переключение

Симметричный Pt/Pt: формирование +7 В, сброс −0,8 В, установка +2,0 В, ON/OFF ~10⁵. Асимметричный Pt/TiN: формирование −3,7 В, установка −1,5 В, сброс +1,5 В, ON/OFF ~10². Более низкое напряжение формирования и ужей разброс у Pt/TiN обусловлены более высокой кислородной аффинностью TiN, модулирующей распределение вакансий и выступающей кислородным резервуаром.

Однородность

Статистика за 200 циклов: Pt/TiN — напряжения установки сгущены в −0,8…−1,8 В, сброса +1,3…+1,8 В; Pt/Pt — более широкий разброс. Выносливость: Pt/Pt сохраняет ON/OFF >10⁵ после 200 циклов, Pt/TiN — сниженное отношение (~10²) и большая вариабельность HRS. Удержание до 10⁴ с: стабильные ON/OFF для обоих, прогноз >10 лет.

Механизм проводимости

Двойно-логарифмичные I-V: LRS — омический (наклон ~1), HRS — SCLC (наклон ~2) до критического напряжения. Переход к крутому росту тока при ~6,8 В (Pt/Pt) или ~1,85 В (Pt/TiN) отмечает порог формирования нити.

Распределение кислородных вакансий

XPS профилирование глубины: межслой TiO₂ содержит наивысшую концентрацию вакансий (~34%). Нижний HfO₂ у Pt — ~6%, у TiN — ~9%. Верхний HfO₂ — всего ~2%. Химическая активность TiN способствует более высокой плотности вакансий в смежных слоях, объясняя более низкое формирование и лучшую однородность Pt/TiN.

Электрозависимое электроформирование

Pt/Pt: положительное формирование +7 В (легче выделение кислорода у верхнего HfO₂). Отрицательное — −11 В (кислород должен мигрировать через нижний HfO₂, деградация). Pt/TiN: отрицательное формирование −3,7 В возможно, так как TiN поглощает O²⁻ ионы, смягчая выделение O₂ и выступая кислородным резервуаром. Положительное +14 В вызывает необратимый пробой — накопленная нить не может быть разорвана.

Заключения

Трислойный RRAM HfO₂/TiO₂/HfO₂, изготовленный АЛД, демонстрирует надежное биполярное переключение. Нижний электрод критически управляет полярностью формирования, отношением ON/OFF и разбросом напряжений. Устройства Pt/TiN выигрывают за счет сниженного напряжения формирования (−3,7 В) и более плотного распределения set/reset благодаря эффекту кислородного резервуара TiN и более высокой плотности вакансий. Результаты подчеркивают важность выбора электрода и инженерии трислоев для проектирования однородных и масштабируемых RRAM нового поколения.