Двухслойная Ta₂O₅/TaOₓ структура через низкотемпературный отжиг повышает надежность CBRAM

Аннотация

Двухслойные архитектуры регулярно применяются для повышения надежности резистивной памяти с проводящим мостом (CBRAM). Предлагается дешевый, CMOS-совместимый метод формирования Ta₂O₅/TaOₓ двухслойной структуры низкотемпературным отжигом. TaOₓ наложение служит внешним резистором, ограничивающим ток установки (set), обеспечивая самосогласование (self-compliance) и устраняя переток, расширяющий распределения высокого (HRS) и низкого (LRS) резистивных состояний. Следовательно, удержание LRS заметно улучшается благодаря отжигу дефектов в коммутируемой пленке. Подход предлагает прямой путь к укреплению надежности CBRAM.

Введение

CBRAM — перспективная next-generation невидимая память с выдающейся масштабируемостью, минимальной структурной сложностью, совместимостью с 3D интеграцией и высокой скоростью переключения. Однако проблемы надежности — удержание данных и выносливость — остаются главными препятствиями для коммерческого внедрения. Инженерная структура наиболее эффективна для решения этих проблем. Например, Zhao et al. ввели нанопористый графеновый интерслой, ограничивающий инъекцию катионов и значительно улучшающий производительность, но сложность фабрикации мешает CMOS интеграции. Gong et al. продемонстрировали CMOS-совместимый само-выровненный CuSiN интерфейсный слой, улучшающий удержание LRS. Cao et al. использовали TiN барьер для подавления избыточного роста филамента и устранения отрицательного SET поведения. Хотя эти двухслойные дизайны улучшают надежность, они часто требуют сложных технологических потоков или снижают скорость программирования.

Здесь представлен CMOS-совместимый низкотемпературный отжиг, самопроизвольно формирующий Ta₂O₅/TaOₓ двухслойную структуру. Полученная структура не только повышает надежность, но и сохраняет скорость программирования, избегая отдельного формирующего шага. Показано, что TaOₓ слой выступает последовательным резистором, обеспечивающим самосогласование при SET операциях, тем самым подавляя избыточный рост филамента и стабилизируя распределения HRS/LRS.

Методы

Фабрикация начиналась с 1 мкм вольфрамовый (W) контакт как нижний электрод (BE) после химико-механической полировки. 5 нм Ta осаждали DC магнетронным спуттерингом и затем окисляли в камере PECVD при 350 °C 300 с в O₂, получая Ta₂O₅. 40 нм меди (Cu) верхний электрод (TE) спуттерили и фоторезистом паттернили. Определение ячейки реактивным ионным травлением в смеси SF₆/C₃F₈ с TE как твердой маской, затем изоляция BE с использованием Al контакта. Наконец, CMOS-совместимый низкотемпературный отжиг 400 °C 30 мин применялся ко всему стеку, индуцируя формирование TaOₓ наложения. Размеры ячейки диктовались 1 мкм² площадью BE. Для сравнения также фабриковали неотожженный референс. Электрическая характеристика на Keithley 4200-SCS, напряжение на Cu TE, W BE заземлен.

Результаты и обсуждение

Рентгеновская фотоэлектронная спектроскопия (XPS) использовалась для изучения химических состояний Ta и O в Ta₂O₅ пленках до и после отжига. Поверхностные спектры показали характерный Ta₂O₅ 4f дублет (связующие энергии 26,70 и 28,60 эВ), указывающий на полностью окисленный Ta (рис. 1a). Глубинный профиль раскрыл, что под поверхностью в неотожженном образце появляются металлические Ta пики (22,33 и 23,96 эВ), подтверждая неполное окисление. После отжига спектры демонстрируют сосуществование Ta₂O₅ и Ta⁴⁺ состояний до ~4 нм глубины, с постепенным уменьшением Ta⁵⁺ компоненты и равномерным O сигналом по всей толщине (рис. 1d–f). Это показывает, что отжиг трансформирует адсорбированный кислород в решетчатый, формируя ~3,5 нм TaOₓ наложение поверх 4 нм Ta₂O₅.

Рис. 2a,b сравнивают I-V характеристики Cu/Ta₂O₅/W приборов с и без отжига под DC сканированием. Оба начинаются в высоком резистивном состоянии (Rinitial ≈ 10⁹ и 10¹⁰ Ом), отожженный прибор показывает более высокий Rinitial из-за более толстого оксида. Важно, отожженная ячейка не требует отдельного формирующего шага. В неотожженном приборе LRS достигается рывком при критическом напряжении, сопровождаемое перетоком, дающим ток RESET далеко превышающий лимит комплаенса. Эта нестабильность проявляется как сильно переменное HRS/LRS окно (~20× за 200 циклов, рис. 3b). Напротив, отожженная ячейка демонстрирует плавное увеличение тока, естественно ограничивающееся током комплаенса, устраняя переток и достигая стабильного окна памяти ~10⁴× по циклам (рис. 2b).

Отсутствие перетока в отожженном приборе подтверждается узким распределением IRESET и его совпадением с ISET (рис. 3a). Равномерность приборов оценяли по RON и ROFF на 20 ячейках. Отожженные приборы показали RON 10⁴–10⁵ Ом, неотожженные — 10²–10⁵ Ом, отражая последовательное сопротивление TaOₓ. Стандартное отклонение ROFF снизилось с 4,84 до 1,39, подчеркивая улучшенную равномерность.

Циклирование DC показало, что неотожженный прибор теряет HRS/LRS отношение после ~10⁴ циклов, с редкими мягкими ошибками (рис. 4a). В контрасте, отожженный прибор сохраняет надежное ~10⁴ отношение на 10⁶ циклов (рис. 4b). Импульсные тесты выносливости, оптимизированные для 3 В/100 нс (SET), –2 В/200 нс (RESET), 0,1 В/50 нс (READ), подтверждают превосходную долговечность отожженной структуры (рис. 4c,d). Повышенная выносливость атрибутируется подавлению TaOₓ слоем избыточного роста филамента в контр-электрод, который иначе затрудняет RESET и индуцирует отрицательное SET поведение.

Тесты удержания при 150 °C демонстрируют: неотожженные приборы выходят из строя за 10⁴ с, тогда как отожженные сохраняют HRS и LRS на всем окне измерения (рис. 5a,b). Аррениусовская экстраполяция дает 85 °C время жизни ≈ 10 лет для отожженных приборов, соответствующее современным CBRAM. Улучшенное удержание объясняется отжигом дефектов, замедляющим диффузию Cu ионов.

Рис. 6 иллюстрирует механизм коммутации. В неотожженном стеке (Cu/Ta₂O₅/Ta/W) Cu ионы мигрируют через Ta₂O₅, образуя проводимый филамент, который при SET перерастает в контр-электрод. При RESET остаточные Cu⁺ ионы дрейфуют обратно, оставляя частичный кончик филамента и снижая вариабельность HRS. В отожженном стеке (Cu/Ta₂O₅/TaOₓ/W) высокоомное TaOₓ наложение создает диффузионный барьер (диффузионность Cu ≈ 4,9×10⁻²⁰ см²/с против 1,0×10⁻⁶ см²/с в Ta), эффективно ограничивая рост филамента и давая более стабильный RESET.

Заключение

Интегрируя TaOₓ наложение через низкотемпературный отжиг, изготовлена Ta₂O₅/TaOₓ двухслойная CBRAM с самосогласованием, превосходной равномерностью HRS/LRS и явно улучшенной выносливостью и удержанием. Этот простой, CMOS-совместимый подход предлагает дешевый путь к удовлетворению требований надежности next-generation невидимой памяти.

Аббревиатуры

CBRAM

Conductive bridge random access memory

HRS

Высокорезистивные состояния

LRS

Низкорезистивные состояния

NVM

Невидимая память

PECVD

Плазмо-усиленное химическое осаждение из газовой фазы

TE

Верхний электрод