Двойная функциональность устройств V/SiOₓ/AlOᵧ/p⁺⁺Si: селектор и память, управляемые током комплаенса

Аннотация

В этом исследовании показано, что одиночная резистивная ячейка памяти V/SiOₓ/AlOᵧ/p⁺⁺Si может работать либо как селектор, либо как память просто путем настройки предела тока комплаенса (CCL). При низком CCL 1 мкА во время положительного формирвания устройство демонстрирует однонаправленное пороговое переключение, приписываемое металл-диэлектрик переходу (MIT) в слое VOₓ, образующемся на ванадиевом электроде. Более высокий CCL 30 мкА индуцирует биполярное резистивное переключение, управляемое формированием и разрывом проводимого филамента в слое SiOₓ. Слой AlOᵧ толщиной 1,5 нм с высокой теплопроводностью снижает ток выключения в обоих режимах, а температурозависимые измерения раскрывают высокий энергетический барьер (0,463 эВ) в низкорезистивном состоянии (LRS), повышая нелинейность при низких CCL. Сосуществование этих двух функций дает гибкость для проектирования кресточечных массивов, объединяющих возможности селектора и памяти.

Введение

Резистивная оперативная память (ReRAM) — ведущий кандидат для не휘발озной памяти следующего поколения благодаря ультрабыстрому переключению, низкому потреблению, многоуровневому хранению, высокой масштабируемости и совместимости с 3D-стакингом. ReRAM может заполнить производительность между DRAM и SSD, служа памятью класса хранения (SCM). Однако критическая проблема остается: пути утечки тока в плотных кресточечных массивах. Селекторы с нелинейными вольт-амперными характеристиками (I-V) необходимы для подавления этих паразитных токов. Различные концепции селекторов — комплементарное резистивное переключение, туннельные барьеры, Ag-базированное пороговое переключение, диод-типа селекторы, овоновое пороговое переключение и металл-диэлектрик переходы — изучались. VOₓ — прототипический материал MIT, в то время как SiO₂ широко используется как пассивирующий слой. Si-богатый SiOₓ (x < 2) предлагает CMOS-совместимость и может служить слоем изменения сопротивления в ReRAM, обеспечивая филаментное переключение или механизмы валентного изменения. В настоящей работе представлена ячейка V/SiOₓ/AlOᵧ/p⁺⁺Si, демонстрирующая поведение и селектора, и памяти в зависимости только от применяемого CCL, используя кремниевый нижний электрод для улучшенного последовательного сопротивления и контроля филамента.

Методы

Структура устройства фабриковали на Si-подложке. Сначала ионы BF₂ имплантировали при 40 кэВ и дозе 5 × 10¹⁵ см⁻² для сильного легирования Si нижнего электрода (BE), затем отжигали при 1050 °C 10 мин для восстановления решетки, получая поверхностное сопротивление 30,4 Ом/кв. Слой AlOᵧ толщиной 1,5 нм осаждали атомно-слойным осаждением (ALD) с использованием H₂O и триметилалюминия. Слой SiOₓ толщиной 5,5 нм формировали плазмоусиленным химическим осаждением из паров (PECVD) при 300 °C с использованием 5 % SiH₄/N₂ (160 ссм), N₂O (1300 ссм) и N₂ (240 ссм). Верхний электрод (TE) из ванадия (V) толщиной 50 нм диаметром 100 мкм спуттерировали (Ar, 30 ссм) и каппировали 50-нм слоем Al для предотвращения окисления. Электрические измерения проводили на параметрическом анализаторе полупроводников Keithley 4200-SCS и ультрабыстром I-V модуле 4225-PMU при комнатной температуре.

Результаты и обсуждение

Поперечный TEM-изображение (рис. 1b) подтверждает аморфные слои V, SiOₓ и AlOᵧ на одноядерном Si BE, с толщинами 5,5 нм и 1,5 нм соответственно. XPS-анализ показывает стехиометрию SiOₓ x = 0,88 и AlOᵧ y = 1,33, указывая на слегка кислород-дефицитный SiOₓ, благоприятный для резистивного переключения. Однонаправленное пороговое переключение (рис. 2a) появляется после положительного формирвания при CCL 1 мкА. Устройство показывает резкое включение при пороговом напряжении V_th между 1,08 и 1,82 В и возвращается в выключенное состояние при удерживающем напряжении V_hold между 0,12 и 0,54 В за 100 циклов. Температурная зависимость показывает пороговое поведение до 55 °C, но оно исчезает при 85 °C, подтверждая VOₓ MIT как механизм переключения. Временные измерения (рис. 2d) раскрывают высокий ток во время импульса записи, который мгновенно затухает после удаления импульса, характерно для работы селектора. Слой AlOᵧ с высокой диэлектрической проницаемостью и теплопроводностью значительно подавляет ток выключения (<100 пА при 1 В) по сравнению с VOₓ селекторами. Биполярное резистивное переключение (рис. 3a) возникает, когда то же устройство формируется при CCL 30 мкА. Устройство переключается из HRS в LRS при положительном импульсе сброса и возвращается в HRS после отрицательного импульса установки. Нормализованная проводимость (G_N) остается близкой к 1 при нулевом смещении при всех температурах, исключая Шоттки, Фаулера-Нордгейма и пространственно-заряженно-ограниченную проводимость. Вместо этого LRS демонстрирует полупроводниковое поведение, подразумевая, что филамент находится в SiOₓ, а не в VOₓ слое. Анализ графика ln(I) против 1000/T дает энергию активации 0,463 эВ и длину прыжка 5,17 нм, поддерживая модель хоппинговой проводимости для филамента. Наблюдается также вклад Пула-Френкеля (см. дополнение). Высокий энергетический барьер и тонкий филамент при низких CCL повышают нелинейность и снижают токи утечки. Рисунок 4a–d иллюстрируют, как изменение CCL (5 мкА, 30 мкА, 1 мА) модулирует I-V кривую LRS и нелинейность. Низкие CCL подавляют ток при низком смещении, увеличивая отношение нелинейности (I(V_READ)/I(½V_READ)). Эта внутренняя нелинейность возникает из объемных свойств SiOₓ и барьера AlOᵧ. Используя эквивалентную схему, запас чтения (ΔV) для кресточного массива масштабируется с числом слововых линий; при 10 % запасе чтения возможны массивы 10 × 10 (5 мкА CCL) и 5 × 5 (1 мА CCL). Хотя более высокое напряжение чтения (1 В) дает большую нелинейность, чем 0,5 В, оно также увеличивает статическую мощность.

Заключение

Ячейка V/SiOₓ/AlOᵧ/p⁺⁺Si демонстрирует двойную функциональность: селектор с низким CCL (≤1 мкА), управляемый VOₓ MIT, и ячейка памяти с высоким CCL (≥5 мкА), управляемая формированием филамента в SiOₓ. Слой AlOᵧ 1,5 нм обеспечивает высокую селективность (10⁴) и низкий ток выключения. Низкие CCL повышают нелинейность, позволяя более крупные кресточные массивы с уменьшенными токами утечки.

Аббревиатуры

ALD

Атомно-слойное осаждение

BE

Нижний электрод

CCL

Предел тока комплаенса

CRS

Комплементарное резистивное переключение

DRAM

Динамическая оперативная память

HRS

Высокорезистивное состояние

I-V

Вольт-амперная характеристика

LRS

Низкорезистивное состояние

MIT

Металл-диэлектрик переход

OTS

Овоновое пороговое переключение

PECVD

Плазмоусиленное химическое осаждение из паров

P-F

Пул-Френкель

ReRAM

Резистивная оперативная память

SCLC

Пространственно-заряженно-ограниченный ток

SCM

Память класса хранения

SPA

Параметрический анализатор полупроводников

SSD

Твердотельный накопитель

TE

Верхний электрод

TEM

Передаточная электронная микроскопия

V

Ванадий