Ru-основанные RRAM устройства демонстрируют отрицательное дифференциальное сопротивление: инсайты из АЛД-фабрикации

Аннотация

В этой работе были изготовлены и изучены Ru-основанные RRAM устройства с функциональным слоем AlO_y/HfO_x, осажденным методом атомно-слойного осаждения (АЛД). Наблюдалось поведение отрицательного дифференциального сопротивления (NDR) в процессе установки напряжения (set), и его физическая природа была исследована. На основе физического понимания резистивного переключения, измеренное NDR поведение считается связанным с частично униполярным эффектом сброса (reset), который обусловлен рекомбинацией кислородных вакансий и термически высвобожденных кислородных ионов от интерфейсного слоя RuO₂. Измеренные электрические характеристики и результаты рентгеновской фотоэлектронной спектроскопии (XPS) подтвердили физическую интерпретацию.

Введение

Как один из самых перспективных новый невидимых памятей, резистивная оперативная память (RRAM) широко изучалась в аспектах оптимизации материалов, улучшения производительности и интеграции устройств [1–4]. Благодаря существенным преимуществам — простая структура ячейки, высокая скорость операций, низкое энергопотребление и беспрецедентный потенциал миниатюризации [5] — RRAM широко применяется в нейроморфном вычислении, вдохновленном мозгом, и переконфигурируемой Булевой логике [6–10], а также проявляет большой потенциал для приложений памяти класса хранения (SCM) [11]. Однако, как указано в Международном дорожном карте устройств и систем 2017, проблемы, включая масштабируемость, надежность устройств и процессная совместимость, все еще сдерживают развитие RRAM. Поэтому создание CMOS-совместимых RRAM устройств с превосходной производительностью имеет большое значение для приложений, основанных на 1T1R структуре RRAM ячейки [12–14]. Согласно предыдущему исследованию [15], Ru-основанное RRAM устройство показывает большой потенциал по сравнению с Pt-основанными, тогда как отрицательное дифференциальное сопротивление (NDR) демонстрировалось в процессе установки напряжения. NDR феномены, сопровождающие резистивное переключение, изучались в других RRAM структурах, которые в основном были вызваны ловушкой/деловушкой электронных носителей между глубоко локализованными состояниями, индуцированными имплантированными металлическими наночастицами [16, 17], или накоплением дефектов, вызывающих переустановку p-n перехода [18]. В то время как появление NDR в Ru-основанной RRAM ячейке под большим током все еще неясно, в этой работе электрическая производительность Ru-основанного RRAM устройства, изготовленного техникой атомно-слойного осаждения (АЛД), была оценена. На основе XPS-характеризации и электрических измерений с разными стимулами, NDR феномен в Ru-основанном RRAM может быть объяснен в рамках модели проводимого филамента из кислородных вакансий.

Методы

Схема структуры устройства и изготовленного RRAM массива показаны на рис. 1a, b соответственно. Ru/AlO_y/HfO_x/TiN RRAM устройство изготавливалось на термически окисленной 300-нм SiO₂ подложке. 80-нм Ru тонкая пленка осаждалась на 20-нм Ti адгезионном слое как нижний электрод магнетронным спуттерированием (Angstrom Engineering NEXDEP) с Ru металлической мишенью. SiO₂, выросший плазменно-усиленным CVD (PECVD), служит диэлектриком для изоляции электродов и формирует виа. Затем резистивный слой 2 нм AlO_y и 3 нм HfO_x осаждался системой АЛД (PICOSUN R200) при 300 °C с триметилалюминием (TMA) и тетракис[этилметиламино]гафнием (TEMAH) предшественниками. После этого 80 нм TiN реактивно спуттерировали с Ti мишенью и травляли для формирования паттернов верхнего электрода. Еще одна сухая травиль также выполнялась для раскрытия нижнего электрода для электрического контакта.

Элементный анализ выполняли системой XPS (Thermo Scientific ESCALAB 250Xi) на свежем образце без верхнего электрода. Перед измерением поверхность очищали Ar плазмой для устранения влияния C. Пик Al 2p использовали для калибровки. Электрические измерения проводили при комнатной температуре полупроводниковым анализатором (Agilent B1500A) и пульсовым функциональным генератором (Agilent 81160A).

Результаты и обсуждение

Типичные ВАХ Ru-основанных RRAM устройств показаны на рис. 2a. После электроформирования, положительное напряжение (2,5 В) применяли для set процесса, переключая ячейку из высокоомного состояния (HRS) в низкоомное (LRS) с комплаенс током 1 мА для предотвращения необразуемого пробоя при формировании проводимого филамента (CF). После set перехода, отрицательное напряжение (−2,3 В) использовали для переключения устройства из LRS в HRS с постепенным уменьшением тока. Для оценки вариативности сопротивления из устройства в устройство, 10 Ru-основанных RRAM ячеек выбирали случайно. Как показано на рис. 2b, статистические результаты демонстрируют отличную однородность HRS и LRS с окном сопротивления более 10³, что делает их перспективными кандидатами для NVM-логических приложений. По сравнению с ранее сообщенными Pt-устройствами [2], стоит отметить, что NDR феномен наблюдался в процессе set, где ток уменьшается с увеличением напряжения (set-фаза 1) в ограниченном диапазоне напряжений, за которым следует рост до комплаенс тока (set-фаза 2).

Циклическая вариативность Ru-основанных RRAM устройств также исследовали в импульсном режиме для изучения однородности циклов. Импульсы для set (2,4 В, 15 нс) и reset (−3 В, 100 нс) использовали для переключения устройства между LRS и HRS с напряжением чтения 0,1 В после каждого импульса. Как показано на рис. 3a, устройство на 1000 циклов имеет однородное распределение со стандартными отклонениями 379 Ом и 3×10⁵ Ом для LRS и HRS, что дает стабильное окно памяти более 100. Никакой деградации выносливости не наблюдается даже после 10⁶ циклов переключения, как ранее сообщалось в [15]. Кроме того, устройство демонстрирует отличные свойства удержания, как показано на рис. 3b. Оба LRS и HRS сопротивления сохраняют постоянное значение более 10⁵ с при 120 °C без отказов.

Для исследования NDR феномена, I-V кривые измеряли в режимах сканирования напряжения и тока. Рис. 4a показывает процесс формирования пяти случайно выбранных свежих RRAM ячеек. Ток постепенно увеличивается с последующим обрывом, указывая на формирование CF, в то время как NDR не наблюдался. После электроформирования, set операции в разных режимах сканирования проводили в одной и той же ячейке для наблюдения вариации тока, как показано на рис. 4b. Для токо-управляемого set, ток медленно растет с внезапным падением напряжения, демонстрируя переход сопротивления из HRS в LRS. Это поведение отличается от характеристики, управляемой напряжением, что может быть обусловлено разным Джоулевым нагревом, индуцируемым разными стимулами через CF. Кроме того, последовательные set/reset операции под разными смещениями выполняли для изучения промежуточного состояния сопротивления в NDR области. Применяли подходящее стоп-напряжение 1 В в процессе set, как показано на рис. 4c, чтобы закончить сканирование в дне долины. Невиолатильное состояние сопротивления получали после снятия напряжения, которое демонстрировало униполярное резистивное переключение. Поэтому этот NDR феномен предварительно приписывается второму сбросу CF в процессе set.

В сочетании с измерениями в разных режимах, процессами фабрикации устройств и свойствами RuO₂, физическое происхождение NDR феномена предлагалось, как проиллюстрировано на рис. 5. Предыдущее исследование [19, 20] предполагало, что генерация и рекомбинация электрон-дефицитной кислородной вакансии (V_o) и кислородного иона (O²⁻) под разными электрическими полярностями отвечают за конвенциональные HfO_x-основанные биполярные RRAM устройства, что аналогично set-фазе 2 и reset процессам. Однако, в отличие от конвенционального set процесса, второй разрыв CF происходит, отсоединяя Ru электрод и CF и приводя к NDR. В общем, атомы кислорода диссоциируют в V_o и O²⁻ под электрическим полем с дрейфом O²⁻ к верхнему электроду, оставляя V_o для формирования CF, используемого для электронного транспорта. Но из-за Джоулевого нагрева, вызванного электрическим полем, сформированный интерфейсный слой RuO₂ медленно разлагается при ~600 °C и высвобождает O²⁻, которые могут рекомбинировать с электрон-дефицитными V_o (V_o²⁺) вблизи Ru электрода (set-фаза 1) [21], приводя к уменьшению тока. Этот процесс также можно рассматривать как частичный униполярный процесс сброса. С дальнейшим увеличением напряжения CF между верхним и нижним электродами будет реконструирован накоплением V_o, как показано в set-фазе 2, и RRAM ячейка переключается в LRS. Во время reset происходят два процесса одновременно: (1) O²⁻, высвобожденные от TiN электрода, быстро рекомбинируют с положительно заряженными V_o из-за усиленного сечения захвата, (2) O²⁻, дрейфующие к нижнему электроду, реагируют с Ru и реформируют интерфейсный слой RuO₂ из-за локального Джоулевого нагрева [22]. В этом условии RRAM ячейка переключается в HRS.

XPS анализ интерфейсного слоя RuO₂, сформированного в процессе фабрикации устройства, также поддерживает предложенное объяснение NDR эффекта. Рис. 6a показывает полный XPS спектр образца, включающий O 1s, Ru 3d, Al 2p и Hf 4f ядерные уровни. Другие непомеченные пики соответствуют этим элементам с разными электронными орбиталями. Кривая подгонки на рис. 6b идеально соответствует экспериментальным данным и разделена на четыре пика, соответствующие Ru 3d_5/2 (280,01 эВ для Ru и 280,75 эВ для RuO₂) и Ru 3d_3/2 (284,3 эВ для Ru и 285,26 эВ для RuO₂) ядерным уровням, демонстрируя сосуществование Ru и RuO₂ в тонкой пленке [23]. Низкая интенсивность пика Ru 3d_5/2 указывает на то, что сформированный интерфейсный слой RuO₂ очень тонок, как мы и ожидали.

Заключение

В этом исследовании CMOS-совместимое Ru/AlO_y/HfO_x/TiN RRAM устройство было изготовлено. Достигнута отличная коммутационная производительность с однородным устройство-к-устройству сопротивлением и большим окном сопротивления, а также хорошим высокотемпературным удержанием. На основе электрических измерений и XPS анализа, NDR феномен в процессе set может быть объяснен рекомбинацией кислородных вакансий и кислородных ионов, высвобожденных из интерфейсного слоя RuO₂ из-за электрически индуцированного Джоулевого нагрева.

Аббревиатуры

ALD:

Атомно-слойное осаждение

CF:

Проводимый филамент

HRS:

Высокоомное состояние

LRS:

Низкоомное состояние

NDR:

Отрицательное дифференциальное сопротивление

PECVD:

Плазменно-усиленное химическое осаждение из паровой фазы

RRAM:

Резистивная оперативная память

SCM:

Память класса хранения

XPS:

Рентгеновская фотоэлектронная спектроскопия