Ультра-низкопотребляющий двухслойный RRAM на HfO₂/TiOₓ достигает 1,12 мкВт коммутации через контролируемую инженерию кислородных вакансий

Аннотация

Мы успешно изготовили резистивные оперативные запоминающие устройства (RRAM), состоящие из атомно-слойно осажденного HfO₂ слоя и RF-спуттерированного TiOₓ слоя. Тонкой настройкой парциального давления кислорода при осаждении TiOₓ мы достигли беспрецедентной низкопотребляющей операции: 1,52 мкВт для set перехода (1 мкА@1,52 В) и 1,12 мкВт для reset (1 мкА@1,12 В). Детальный анализ раскрывает, что умеренная концентрация кислородных вакансий в TiOₓ слое подавляет «мягкое пробой» при формировании/set, ограничивая ток и драматически снижая потребляемую мощность.

Введение

Резистивная оперативная память (RRAM) — ведущий кандидат для пост-CMOS масштабирования благодаря простой двухконтактной структуре, невиолатильности, быстрой коммутации и высоким on/off отношениям. 1-транзистор-1-резистор (1T1R) конфигурация теперь стандартна для больших массивов, митигируя sneak-path токи. Однако высокие коммутационные токи конвенциональных оксидных RRAM препятствуют масштабированию, особенно когда CMOS драйверные токи падают ниже 40 мкА на 27 нм узлах. Так же, нейроморфные схемы, эмулирующие биологические синапсы, требуют энергию на событие в фемтоджоульном диапазоне. Таким образом, инженеринг RRAM для надежной работы ниже 10 мкА критичен для высокоплотного хранения и энергоэффективных искусственных нейронных сетей.

В этой работе мы систематически исследуем Pt/HfO₂/TiOₓ/Pt устройства с варьируемым кислородным содержимым в TiOₓ слое. Мы демонстрируем, что снижение парциального давления кислорода при спуттерировании создает оптимальный профиль вакансий, конфинирующий проводимый филамент, дающий суб-микроваттную коммутационную мощность. Базовый механизм проводимости анализируется, предоставляя действенные рекомендации для проектирования низкопотребляющих оксидных RRAM.

Методы

Устройственный стек рос на Si/SiO₂/Ti подложке. 100-нм Pt нижний электрод (BE) спуттерировали при комнатной температуре. 3-нм HfO₂ слой осаждали АЛД (Picosun R200) при 300 °C с TEMAH и H₂O прекурсорами. Последующие 30-нм TiOₓ пленки RF-спуттерировали под общим газовым потоком 20 sccm (Ar + O₂). Настройкой O₂ парциального давления к 9%, 11% и 13% мы изготовили три серии устройств (S1, S2, S3). 70-нм Pt верхний электрод (TE) затем спуттерировали и паттернили литографией. Реактивно-ионная травка определила 100 мкм × 100 мкм квадратные ячейки. Поперечная HRTEM верифицировала целостность слоев, а XPS квантифицировала уровни кислородных вакансий.

Электрические измерения проводили на Agilent B1500A семикондукторном параметрическом анализаторе с 1 мкА compliance током для set/reset операций. Температурно-зависимые I-V кривые записывали между 25 °C и 125 °C для зондирования механизмов проводимости.

Результаты и обсуждение

XPS O 1s спектры TiOₓ пленок показывают две компоненты: решетчатый O²⁻ и нерешетчатый O²⁻, ассоциированный с кислородными вакансиями. Доля вакансий составляет 28,23% (9% O₂), 24,06% (11% O₂) и 23,63% (13% O₂), подтверждая, что более высокое O₂ парциальное давление снижает вакансии.

При токовом формировании (CF) с 1 мкА compliance, только S1 (9% O₂) успешно формирует стабильный проводимый филамент. S2 и S3 требуют до 20 мА для достижения низкорезистивного состояния (LRS), указывая на избыточную плотность вакансий, способствующую мягкому пробою через диэлектрический стек.

100-цикловые биполярные I-V свипы раскрывают, что S1 достигает стабильной коммутации с <10 мкА compliance, тогда как S2/S3 требуют 10 мА. Низкопотребляющая производительность S1 исходит из высокой концентрации вакансий, ограничивающей ток при CF/set, предотвращающей экстремальный рост филамента.

Статистический анализ (цикл-к-циклу и устройство-к-устройству) показывает умеренную вариацию для S1 и приемлемые on/off отношения (>100) для всех образцов. Тесты удержания демонстрируют, что S1 сохраняет состояния >10⁴ с при 85 °C, подтверждая пригодность для невиолатильного хранения.

Расчеты мощности дают P_set = 1,52 мкВт и P_reset = 1,12 мкВт для S1 при 1 мкА compliance. В контрасте, S2/S3 демонстрируют десятки милливатт из-за их высоких коммутационных токов.

Температурно-зависимые измерения сопротивления раскрывают, что сопротивление S1 уменьшается с температурой, консистентно с модели переменно-дальностного хоппинга Мотта (VRH). Это указывает на электронный хоппинг через локализованные состояния кислородных вакансий в TiOₓ как доминирующий механизм проводимости. Для S3 сопротивление температурно-независимо, предполагая металлический филаментный транспорт через плотную вакансий сеть. Последнее поведение ведет к более высоким токам и потреблению мощности.

Эти результаты подчеркивают важность сбалансированной концентрации вакансий: достаточно для обеспечения хоппинговой проводимости и ограничения роста филамента, но не настолько высокой, чтобы формировались металлические филаменты. Этот инсайт применим к широкому спектру оксидных RRAM, направляя дизайн энергоэффективной памяти для хранения данных и нейроморфных вычислений.

Заключение

Мы продемонстрировали 1-мкА коммутационные токи в Pt/HfO₂/TiOₓ/Pt RRAM путем контроля профиля кислородных вакансий в TiOₓ слое. Электронный хоппинг доминирует в низко-кислородных пленках, конфинируя ток и давая суб-микроваттную мощность. В контрасте, высоко-кислородные пленки формируют металлические филаменты, вызывая мягкий пробой и высокое потребление мощности. Оптимизация плотности кислородных вакансий — универсальная стратегия для достижения низкопотребляющих, высокоплотных RRAM, пригодных для IoT и встроенных приложений.

Аббревиатуры

1T1R

Один-транзистор-один-резистор

ALD

Атомно-слойное осаждение

ANNs

Искусственные нейронные сети

BE

Нижний электрод

CF

Токовое формирование

HRS

Высокорезистивное состояние

HRTEM

Высокорезервирующая трансляционная электронная микроскопия

IoT

Интернет вещей

I-V

Ток-Напряжение

LRS

Низкорезистивное состояние

On/off ratio

HRS/LRS

OxRRAM

Оксидная резистивная память

Preset

Reset мощность

Pset

Set мощность

RIE

Реактивно-ионная травка

RRAM

Резистивная оперативная память

TE

Верхний электрод

XPS

X-лучевая фотоэлектронная спектроскопия

σ/μ

Относительное стандартное отклонение