Соблюдение-free ZrO₂/ZrO₂₋ₓ/ZrO₂ трислойная резистивная память обеспечивает контролируемое межфазное многосостояничное переключение

Аннотация

Мы сообщаем о трислойной резистивной памяти ZrO₂/ZrO₂₋ₓ/ZrO₂, которая переключается без внешнего комплайанса, используя контролируемый переход между межфазным и филаментным режимами. В межфазном режиме миграция кислородных ионов в слое ZrO₂₋ₓ модулирует сопротивление; в филаментном режиме внутренние последовательные резисторы, образованные двумя слабыми филаментами, обеспечивают само-комплаенс. Настройка напряжения RESET позволяет достичь стабильной многосостояничной памяти, пригодной для высокопроизводительных энергонезависимых устройств нового поколения.

Предыстория

Прогресс в энергонезависимой памяти требует более высокой плотности, скорости и меньшего энергопотребления. Резистивная оперативная память (RRAM) на основе металлических оксидов выделяется своей масштабируемостью, совместимостью с CMOS и низким энергопотреблением. Доминирующий механизм переключения включает миграцию кислородных вакансий под электрическим полем, ведущую к филаментному или межфазному (однородному) проводимости. Филаментное переключение опирается на проводящие филаменты, связывающие электроды, тогда как межфазное переключение управляется распределением вакансий на интерфейсе, давая равномерное распределение тока. Наблюдаемый режим зависит от архитектуры устройства; профиль градиента кислорода вдоль вертикальной оси часто благоприятствует межфазному поведению, в то время как недавние исследования демонстрируют сосуществование обоих режимов в одном материале.

Многосостояничное хранение — использование промежуточных резистивных состояний (IRS) между высокорезистивным (HRS) и низкорезистивным (LRS) состояниями — открывает перспективный путь к повышению плотности хранения и реализации нейроморфных синапсов. Конвенциональная многосостояничная RRAM требует тока комплайанса при процессе SET для предотвращения повреждения устройства, усложняя схемотехнику и повышая издержки производства. Архитектура без комплайанса, все еще обеспечивающая многосостояничную операцию, станет значительным достижением.

ZrO₂ привлекателен как переключающий слой благодаря термодинамической стабильности, простой стехиометрии и совместимости с CMOS. Введение межфазного Zr-слоя для создания гетероструктуры ZrO₂/ZrO₂₋ₓ/ZrO₂ может улучшить переключающие характеристики. Здесь мы представляем такое трислойное устройство, демонстрирующее и межфазное, и филаментное переключение с контролируемым переходом между ними, и показывающее работу без комплайанса в многосостояничном режиме.

Методы

Трислойные пленки (20 нм/5 нм/20 нм) осаждались среднечастотным плазменно-ассистированным магнетронным спуттерированием (Leybold Optics HELIOS Pro XL) при комнатной температуре. Вращающийся субстрат (180 об/мин) обеспечивал равномерность. Zr слой сначала спуттерировался (2000 Вт, Ar) и затем окислялся в O₂ плазме для формирования стехиометрических ZrO₂ слоев. Временным отключением O₂ потока на 20 с создавался кислород-дефицитный ZrO₂₋ₓ слой в середине. Структурный анализ использовал XRD (наглое падение, θ = 1°), XPS (Al-Kα) и TEM (JEOL 2100/ARM200F) с ADF визуализацией и EDX картированием.

Фабрикация устройства включала TiN нижний электрод (200 нм, реактивное спуттерирование в N₂), паттернированный SiO₂ изолирующий слой, трислойный переключающий стек и TiN верхний электрод (200 нм). Электрические измерения проводились на системе Keithley 4200; напряженные сканирования выполнялись со скоростью 0,5 В/с со смещением верхнего электрода.

Результаты и обсуждение

XRD асимдепонированного трислоя показывает пики при 28,2° и 29,8°, соответствующие монониклической и тетрагональной фазам ZrO₂, подтверждая сосуществование стехиометрических и кислород-дефицитных слоев. XPS глубинный профилирование обнаруживает ZrO₂₋ₓ слой в центре, с TiOₓNᵧ интердиффузией на интерфейсе TiN/ZrO₂, действующей как кислородный резервуар. TEM/ADF визуализация подтверждает слоистую структуру и наличие межфазного TiOₓNᵧ слоя.

Электрические измерения показывают двухстадийный процесс формирования под отрицательным смещением (I_CC = 1 мА), указывающий на последовательное формирование филаментов в двух внешних ZrO₂ слоях. Устройство затем работает в межфазном режиме: ток RESET постепенно снижается, и токи HRS и LRS масштабируются с площадью электрода, подтверждая нефиламентную проводимость. Процесс SET демонстрирует само-комплаенс, устраняя необходимость во внешнем ограничении тока.

Применение более отрицательного смещения с комплайансом 20 мА запускает второй этап формирования, создавая непрерывный филамент через трислой. Устройство переключается в филаментный режим, подтверждаемый резкими переходами SET и RESET и четкими распределениями сопротивлений. Оба режима следуют модели пространственно-заряженного ограниченного тока (SCLC) с ловушками, но филаментный LRS показывает дополнительную область закона Чайлда, отсутствующую в межфазном режиме, указывая на ловушечный механизм проводимости.

Сравнительные исследования с однослойным 40-нм ZrO₂ устройством подтверждают, что межфазное переключение требует встроенного ZrO₂₋ₓ слоя; однослойное устройство показывает только филаментное поведение. Трислойная структура поэтому обеспечивает наблюдаемую двухрежимную операцию.

Механизм переключения иллюстрирован: при формировании кислородные ионы движутся к нижнему электроду, генерируя два слабых филамента и низкорезистивное состояние. Положительное смещение тянет ионы обратно, окисляя ZrO₂₋ₓ слой и повышая сопротивление. Второй этап формирования создает сильный филамент, обходящий ZrO₂₋ₓ слой и переводя устройство в филаментный режим.

В межфазном режиме устройство может хранить множественные уровни сопротивления, варьируя напряжение RESET. Циклические тесты более 100 циклов показывают воспроизводимое переключение, подтверждая надежность этого многосостояничного подхода к памяти.

Заключение

Мы продемонстрировали трислойную RRAM ZrO₂/ZrO₂₋ₓ/ZrO₂, которая контролируемо переходит между межфазным и филаментным режимами. Встроенный ZrO₂₋ₓ слой важен для межфазного переключения, в то время как внутренние последовательные резисторы от двух слабых филаментов обеспечивают работу без комплайанса. Настройка напряжения RESET позволяет устройству достигать стабильного многосостояничного сопротивления, позиционируя его как перспективного кандидата для высокопроизводительной энергонезависимой памяти нового поколения.