Высокопроизводительный многоуровневый мемристор на Al-легированной пленке HfO₂ для NVM следующего поколения

Аннотация

Неволатильная память (NVM) сыграет ключевую роль в цифровых технологиях следующего поколения, включая Интернет вещей. Мемристоры на металл-оксидах, особенно на базе HfO₂, привлекают исследователей простой структурой, высокой интеграцией, быстрым быстродействием, низким потреблением и высокой совместимостью с передовыми CMOS-технологиями. В работе представлен мемристор на базе Al-легированного HfO₂ с 20 стабильными сопротивляющимися состояниями. Его циклическая выносливость, время удержания данных и отношение сопротивлений превышают 10³, >10⁴ с и >10 соответственно.

Введение

Хотя феномен отрицательного сопротивления открыт Хикмоттом в структуре Al/Al₂O₃/Au в 1962 г., а Чуа предложил концепцию мемристора в 1971 г., внимание к мемристорам взорвалось после создания TiO₂-мемристора Струковым и др. в 2008 г. Сейчас получены мемристоры с десятками активных резистивных материалов: комплексные оксиды, металл-оксиды (ZnO, TiOₓ, TaOₓ) и двухмерные материалы. HfO₂ используется как высокок диэлектрик в CMOS благодаря высокой надежности, скорости и низкому потреблению, и также популярен как мемристивный материал.

Многоуровневые мемристоры применяются для хранения данных, логических вычислений, электронных синаптических устройств. Ван Ы. и Гао Б. и др. создавали многоуровневые мемристоры легированием HfO₂ Cu и Gd соответственно, но добивались только 4 уровней хранения, что недостаточно для приложений. Поэтому изучение многоуровневых мемристоров на HfO₂ имеет большое значение.

Методы

Устройство Ti/Al:HfO₂/Pt изготавливалось как на Рис. 1a. Активная площадь определена квадратным Ti верхним электродом (ВЭ). 20-нм Ti адгезивный слой осаждали ИП-набрызгиванием на Si подложку, затем 100-нм Pt нижний электрод (НЭ). 20-нм функциональный слой Al:HfO₂ осаждали в ALD-реакторе (R-150, Picosun, Финляндия) при 300 °C с предшественником Hf MeCp₂HfMe(OMe) (HfD-04) и H₂O как источником кислорода. Предшественники переносили высокочистым N₂ (>99.999%). Al-легированные пленки получали осадкой одного цикла Al₂O₃ каждые 8 циклов HfO₂ с триметилалюминием (TMA) как Al-источником и H₂O. Атомная концентрация Al 6.2% детектирована XPS (Axis Ultra DLD, Kratos) на системе Theta 300 XPS от Thermo Fisher. 50-нм Ti как ВЭ и 100 нм Pt как покрывающий слой осаждали ИП-набрызгиванием. Устройства получены оптической литографией и lift-off. Рис. 1b — оптический микрограф устройств. Подготовлены устройства с площадями от 5×5 мкм до 500×500 мкм.

Результаты и обсуждение

Рис. 2 показывает XPS Al-легированных и нелегированных устройств. По сравнению с нелегированными, Al-легированные демонстрируют четкий пик Al 2p в 74.1 эВ (Рис. 2a), а связывающая энергия Hf 4f увеличивается (Рис. 2b). Отношение Hf 4f₅/₂ к Hf 4f₇/₂ также растет для легированных устройств. Это согласуется с другими отчетами. Атомы Al связываются со структурой HfO₂, образуя Hf-Al-O, что приводит к более слабым и легко разрываемым Hf-O связям.

Во всех электрических измерениях Ti ВЭ был смещен, Pt НЭ — заземлен. DC-сканирования выполняли на B1500A (Keysight) с блоком источника/измерения, импульсные измерения — генератором формы/быстрым измерительным блоком. Все устройства показывали высокое сопротивление (HRS) до необходимого электроформирования. Рис. 3a — характеристика формирования 10×10 мкм Al-легированных и нелегированных устройств. Токовый комплаенс при формировании необходим для защиты. Начальное сопротивление и формирующее напряжение нелегированного устройства выше. Осцилляции в низковольтной области нелегированного устройства из-за тока ниже предела измерений. Процесс сброса после формирования инициируется отрицательным напряжением (Рис. 3a), затем первый процесс установки. По мере увеличения амплитуды сброса ток обоих устройств растет до максимума, превышающего комплаенс формирования, затем падает. Токи HRS обоих устройств на несколько порядков выше начального состояния при том же напряжении, что указывает на остаточный проводимый филамент после сброса. Типичные I-V кривые установки/сброса (Рис. 3b) показывают биполярный режим для обоих типов. Отношение переключения и напряжения установки/сброса легированного устройства меньше, но процесс трансформации сопротивления более плавный, подходящий для многоуровневого хранения.

Для выяснения механизмов переключения I-V кривые перестроили в двулогарифмическом масштабе (Рис. 4). Для обоих типов кривая низкого сопротивления показывает линейное омическое поведение, указывая на формирование проводящих филаментов в HfO₂ при установке. Однако кривые высокого сопротивления существенно отличаются. Для легированного устройства три области: омическая (I∝V), область закона Чайлда (I∝V²) и область крутого роста тока, соответствующая ловушечно-управляемому току, ограниченному пространственным зарядом (SCLC). Кривая высокого сопротивления нелегированного устройства состоит из двух областей: омическая проводимость при низких напряжениях и линейная аппроксимация lnI-V¹/² при высоких (вставка Рис. 4), подтверждающая механизм Шоттки-эмиссии.

Микроскопические механизмы резюмированы так. Для нелегированных устройств: при увеличении положительного напряжения на Ti электроде все больше кислородных ионов генерируется в HfO₂ и движется к Ti, образуя оксид титана. Одновременно кислородные вакансии накапливаются на интерфейсе Pt/HfO₂, постепенно формируя проводящие филаменты. Ток растет с напряжением. Устройство переходит в LRS, когда филаменты вакансий соединяют ВЭ и НЭ. При отрицательном напряжении на Ti кислородные ионы рекомбинируют с вакансиями на интерфейсе HfO₂/Pt, снижая концентрацию вакансий и повышая шотткиевский барьер. При достижении напряжения сброса проводящий филамент разрывается, устройство переходит в HRS.

Для Al-легированных устройств: атомы Al связываются с HfO₂, образуя Hf-Al-O, ослабляя Hf-O связи. Энергия формирования кислородной вакансии снижается. Поэтому легированные устройства имеют меньшее сопротивление и более низкое переходное напряжение. В нелегированных пленках вакансии склонны накапливаться вдоль границ зерен, поэтому филаменты немногочисленные и толстые. Сопротивление сильно меняется при формировании/разрыве филаментов. В легированных пленках вакансии легко формируются у примесных атомов. Равномерное распределение большого количества примесей делает формирование филаментов более управляемым, облегчая достижение множественных сопротивляющихся значений.

Устройства можно установить в разные устойчивые состояния сопротивления, меняя токовый комплаенс установки. 20 стабильных состояний получены при комплаенсе от 0.5 до 10 мА с шагом 0.5 мА (Рис. 5a). При DC-сканировании энергопотребление велико, операция сложна. При большом комплаенсе значения сопротивления легко блокируются в LRS. Этот метод также не позволяет регулировать HRS. 20-уровневые состояния достигнуты изменением амплитуды импульсов установки/сброса. Чтобы избежать перестрела тока и неудач установки/сброса, амплитуда ограничена 1–1.9 В для SET и -1…-1.9 В для RESET. Бокс-диаграмма (Рис. 5b) показывает, что допустимый диапазон напряжения разделен на 20 значений, а выход устройства далеко превышает 3σ (99.73%), общее производственное требование. Недостаток: нельзя переключиться напрямую из одного HRS (LRS) в другой HRS (LRS), нужно сначала сбросить (установить) в LRS (HRS), затем установить в целевой HRS (LRS), что усложняет операцию и повышает потребление.

Лучший подход показан на Рис. 6. Проводимость устройства инкрементально увеличивается или уменьшается последовательными импульсами. Длительность и интервал импульсов 10 мкс. Проводимость измеряется импульсом чтения 0.1 В после каждого импульса установки/сброса. На Рис. 6 видно, что число импульсов для установки/сброса до разных уровней зависит от приложенного напряжения. 20-уровневые состояния получены через установку и сброс выбирая 0.5 В как SET и -0.7 В как RESET (Рис. 7). Устройство сбрасывается в HRS 10 последовательными -0.9В импульсами перед установкой в целевой статус или устанавливается в LRS 10 импульсами 0.8В перед регулировкой. Учитывая одинаковые статусы в процессах установки и сброса, всего получено 35 разных состояний. Отклонение числа импульсов для двух соседних состояний установки (сброса) превышает 3σ. Недостаток: если значения сопротивления сильно меняются, нужно много импульсов, скорость операции снижается.

Для теста удержания данных 20 устройств устанавливали/сбрасывали в серию разных сопротивлений и держали на нагревателе при 85 °C. Сопротивление измеряли 0.1 В каждые 100 с. Рис. 8a показывает стабильность сопротивления после 10⁴ с. Для теста циклической надежности повторяли установку/сброс импульсами 1.8 В/500 мкс и -1.8 В/500 мкс. После 10³ циклов отношение переключения все еще >10 (Рис. 8b).

Заключение

Предложенный Al-легированный HfO₂ мемристор демонстрирует плавную и стабильную характеристику установки/сброса. Аппроксимация кривой установки для легированных и нелегированных устройств показала: в HRS нелегированное устройство следует механизму Шоттки-эмиссии, а легированное — механизму SCLC. Обсужден микроскопический физический механизм изменения сопротивления. Подтверждено многоуровневое хранение изменением комплаенс тока, амплитуды импульсов установки/сброса и последовательными короткими импульсами. Протестирована надежность: удержание данных >10⁴ с (85 °C) и отношение переключения >10 после 10³ циклов.

Аббревиатуры

ALD

Атомно-слойное осаждение

BE

Нижний электрод

CMOS

Комплементарная металл-оксид-кремниевая технология

HfD-04

MeCp₂HfMe(OMe)Hf

HRS

Высокое сопротивляющее состояние

LRS

Низкое сопротивляющее состояние

NVM

Неволатильная память

SCLC

Ток, ограниченный пространственным зарядом

TE

Верхний электрод

TMA

Триметилалюминий

XPS

Рентгеновская фотоэлектронная спектроскопия