Контролируемое перекисное лечение улучшает низкоэнергетическое переключение в программируемых металлизационных ячейках на основе перекиси цинка

Аннотация

Это исследование изучает, как перекисное поверхностное лечение модифицирует резистивное переключение в программируемых металлизационных ячейках (PMC) на основе перекиси цинка (ZnO₂). Экспозиция перекисью преобразует гексагональную решетку ZnO в кубическую фазу ZnO₂, но чрезмерная экспозиция приводит к кристаллическому разрушению. Приборы с ZnO₂ (Cu/ZnO₂/ZnO/ITO) переключаются при заметно более низких токах, чем контрольные Cu/ZnO/ITO приборы. Однако длительное перекисное лечение деградирует стабильность переключения, вероятно, из-за микроструктурных изменений в ZnO₂. Тонкая настройка перекисного процесса поэтому необходима для оптимальной производительности PMC.

Преамбула

Резистивная оперативная память с произвольным доступом (RRAM) выступает ключевой технологией для хранения данных следующего поколения, преодолевая физические пределы летучей DRAM и флеш-памяти. Программируемая металлизационная ячейка (PMC), подкласс RRAM, предлагает высокую масштабируемость и простую фабрикацию. Оксид цинка (ZnO) популярен для стеков PMC из-за низкой стоимости, химической стабильности и широкой запрещенной зоны (~3,3 эВ). Однако ZnO-основанные PMC обычно требуют высокие операционные токи из-за своей врожденной n-типовой проводимости. Различные стратегии — включение примесей, контроль роста, буферные слои, вставка наностержней и наложение материалов — исследовались для снижения тока переключения, но часто подразумевают сложные шаги обработки.

Недавняя работа показала, что вставка слоя перекиси цинка (ZnO₂) дает как летучее, так и нелетучее переключение. Перекисное лечение конвертирует поверхность ZnO из гексагональной в кубическую фазу, увеличивая резистивность и позволяя Шоттки контакты или фото диодные функции. Влияние перекисно-индуцированной фазовой трансформации на память переключения, однако, остается недостаточно изученным. Эта работа заполняет этот пробел, систематически изучая эффект времени перекисного лечения на структуру и переключающие характеристики ZnO₂-основанных PMC.

Методы

Тонкие пленки ZnO осаждали на коммерческих ITO/стекло подложках (Uni-Onward Corp.). Пленки погружали в 30% H₂O₂ при 100 °C на 1, 3 и 9 минут, затем промывали дионизированной водой и сушили под N₂. Поверхностно-обработанные образцы обозначаются STₓ (x = 1, 3, 9). Необработанная пленка (NT) служила контролем. Верхние Cu электроды (диаметр 150 мкм) напыляли через теневую маску для формирования Cu/ZnO/ITO сэндвичей. Передающая электронная микроскопия (TEM, JEOL 2100FX) оценивала кристаллическую структуру и морфологию, в то время как полупроводниковый анализатор Agilent B1500 измерял электрические характеристики.

Результаты и обсуждение

Поперечные TEM снимки NT пленки (Рис. 1а) выявили перпендикулярный рост ZnO с гексагональной ворцевитной структурой (JCPDS#36-1451). Перекисное лечение на 1 минуту (ST1) дало двухслойную структуру: верхний поликристаллический кубический ZnO₂ (JCPDS#77-2414) и остаточный слой ZnO (Рис. 1д–ф). Увеличение лечения до 3 минут (ST3) окислило более глубокие области, давая смесь кристаллического и аморфного ZnO₂ (Рис. 1г–и). При 9 минутах (ST9) весь резистивный слой стал аморфным ZnO₂ с дисперсными нанокристаллами (Рис. 1ж–л). Прогрессия от гексагональной к кубической и в конечном счете к аморфной фазе указывает на то, что избыток перекиси дестабилизирует решетку, вероятно, из-за высокоэнергетических кислородных радикалов.

Электрические измерения (Рис. 2в–е) показали, что первичное сопротивление увеличилось на 5–6 порядков величины при наличии ZnO₂. ST9 прибор демонстрировал незначительное снижение сопротивления относительно ST3, согласуясь с формированием аморфной матрицы ZnO₂ с более низкой резистивностью. Особенно, ток формирования (forming current compliance) упал с 100 мА (контроль) до 35 мкА (ST9), демонстрируя способность высокорезистивного слоя запускать переключение при низком токе.

Все приборы показали биполярную, против часовой стрелки I-V гистерезис. Напряжение сброса (reset) оставалось фиксированным на –2 В, в то время как напряжение установки (set) слегка варировало со временем лечения (Рис. 3а–д). Коэффициент вариации V_set увеличивался с более длительным перекисным воздействием, указывая на то, что микроструктурные нерегулярности расширяют распределение напряжения установки. Тесты на выносливость (Рис. 3ф–и) раскрыли, что контрольный прибор поддерживал ON/OFF отношение ~13 за 10⁴ циклов, тогда как ST1 достиг ~46× окна при только 200 мкА compliance. ST3 и ST9 работали при 100 мкА и 35 мкА соответственно, но демонстрировали прогрессивно деградирующую униформальность из-за разветвления проводящих филаментов, вызванного случайными ориентациями зерен и аморфными областями.

Измерения удержания (Рис. 3ж) подтвердили нелетучесть для всех образцов за 7000 с при комнатной температуре. Наблюдаемая нестабильность в ST3 и ST9 атрибутируется много-ветвленному формированию филаментов, движимому высокой плотностью границ зерен или случайным распределением ZnO₂ нанокристаллов.

Заключение

Перекисно-обработанные ZnO пленки конвертируются в высокорезистивный ZnO₂, позволяя низкотоковое формирование и переключение в PMC приборах. Скромное 1-минутное лечение (ST1) балансирует низкий операционный ток (200 мкА) с надежной выносливостью и большим окном памяти. Чрезмерная перекисная экспозиция, однако, вводит структурные нерегулярности, компрометирующие стабильность переключения. Таким образом, точный контроль перекисного процесса предлагает простой, масштабируемый маршрут к низкоэнергетическим, высокоплотным RRAM архитектурам, подходящим для будущих нелетучих память приложений.

Гибридное нанокомпозитное покрытие TiO₂ достигает 80% диффузной отражательной способности и подавления зеркал… Фабрикация и магнитное поведение трехслойных коаксиальных нанокабелей Nd/ферромагнит/PA66