Cu-донированные LaAlO₃ RRAM: более низкое формирующее напряжение, более высокое отношение вкл/выкл и улучшенная выходная доля за счет отжига 600 °C

Аннотация

Это исследование исследует, как медносодержащий вставочный слой и быстрый термический отжиг (RTA) влияют на резистивное переключение (RS) лантановых RRAM-устройств. По сравнению с нелегированным контрольным Cu/LaAlO₃/Pt, Cu-внедренные структуры демонстрируют более высокую выходную долю устройств и повышенное напряжение остановки сброса, указывая на значительное повышение надежности. Хотя неотожженные Cu/LaAlO₃:Cu/Pt устройства все еще показывают существенный разброс параметров, комбинация Cu-вставки и отжига дает лучшую RS-производительность: низкое формирующее напряжение, высокое отношение вкл/выкл и отличная электрическая однородность. Эти приросты атрибутируются диффузии атомов Cu и формированию нанокристаллов Cu (Cu‑NC) во время отжига, которые усиливают локальные электрические поля и уменьшают филаментную случайность.

Введение

Резистивная оперативная память с произвольным доступом (RRAM) является ведущим кандидатом для памяти следующего поколения, предлагая простую металл‑диэлектрик‑металл (M‑I‑M) структуру, низкое потребление энергии, высокую масштабируемость, быструю работу и многосостояное хранение [1]. Диэлектрический слой критически определяет RS-производительность, и высокок диэлектрические оксиды такие как HfO₂ [2], Al₂O₃ [3] и ZrO₂ [4] широко изучались. Лантановые оксиды выделяются своей высокой диэлектрической постоянной, широкой запрещенной зоной и отличной термической стабильностью [5], а недавние отчеты демонстрируют низковольтное переключение, большое резистивное окно, долгую выносливость и сильную воспроизводимость в La-базированных RRAM [6, 7].

Атомно-слойное осаждение (ALD) обеспечивает точный контроль толщины, однородность и CMOS-совместимость, делая его популярным методом осаждения La-базированных диэлектриков [8]. Однако высококачественные пленки часто требуют больших формирующих напряжений, что может приводить к высоким уровням отказов, сниженным отношениям вкл/выкл и плохой выносливости [9]. Для преодоления этих ограничений необходимо инженеринг на уровне устройства, такий как ионная имплантация [10], диффузия легирующих элементов [11] или вставка нанокристаллов [12].

Хотя стратегии легирования и нанокристаллов улучшили RS в традиционных высокок материалах (HfO₂ [13], ZrO₂ [14]), аналогичная работа для La-базированных RRAM еще не сообщалась. Здесь мы изготавливаем Cu-внедренное LaAlO₃ устройство со структурой Cu/LaAlO₃/Cu/LaAlO₃/Pt и исследуем, как Cu-легирование и последующий отжиг влияют на производительность и механизмы переключения.

Методы

Стек устройства Cu/LaAlO₃/Cu/LaAlO₃/Pt иллюстрирован на Рис. 1. Фабрикация начиналась с 2-дюймовой SiO₂/Si подложки. 100-нм Pt/10-нм Ti нижний электрод осаждали электронно-лучевым испарением. LaAlO₃ слои (~10 нм, La/Al = 3:1) растили при 300 °C в ALD-реакторе Picosun R‑150 с предкурсорами La(i‑PrCp)₃, Al(CH₃)₃ и O₃. ~2-нм Cu-промежуточный слой осаждали электронно-лучевым испарением со скоростью 0,1 Å с⁻¹. После второго осаждения LaAlO₃ к выбранным образцам применяли быстрый термический отжиг (RTA) при 600 °C в течение 30 с в N₂. Верхний электрод состоял из 10 нм Au/150 нм Cu, паттернированного литографией для производства устройств от 50 × 50 мкм² до 250 × 250 мкм². Контрольные образцы включали S1: Au/Cu/LaAlO₃/Pt (неотожженный) и S2: Au/Cu/LaAlO₃:Cu/Pt (неотожженный), в то время как S3: Au/Cu/LaAlO₃:Cu‑NC/Pt был отожженным, Cu‑NC-содержащим устройством.

Схема Cu-внедренного LaAlO₃ устройства (Cu/LaAlO₃/Cu/LaAlO₃/Pt)

Распределение Cu изучали рентгеновской фотоэлектронной спектроскопией (XPS), в то время как поперечная микроструктура раскрывалась передаточной электронной микроскопией (ТЭМ). RS-характеристики измеряли анализатором Agilent B1500A под током комплаенса 1 мА для защиты устройств во время формирования и установки операций.

Результаты и обсуждение

Глубинный профилирование XPS (Рис. 2) показывает, что Cu 2p сигналы ограничены промежуточным слоем в неотожженном S2, но после RTA (S3) атомы Cu равномерно распределены по всему стеку LaAlO₃, подтверждая, что высокотемпературный отжиг движет Cu-диффузию и нанокристаллообразование.

XPS Cu 2p спектры для S2 и S3 после 30 с, 60 с и 90 с аргон-ионной травли.

ТЭМ изображения (Рис. 3) раскрывают безупречную многослойную структуру в S2, с 2–6 нм Cu наночастицами, возникающими после первого осаждения LaAlO₃. После отжига (S3) дальнейшая гомогенизация распределения Cu образует ~25-нм толстые LaAlO₃ слои со встроенными дискретными Cu‑NC.

ТЭМ изображения Cu-внедренных RRAM: (a) S2 поперечное сечение, (b) HRTEM S2, (c) S3 поперечное сечение, (d) HRTEM S3.

Формирующие кривые (Рис. 4) демонстрируют драматичное снижение напряжения с ~12 В (S1) до ~7 В (S2/S3) при Cu-вставке. Начальное сопротивление падает с 2,51 × 10¹² Ω (S1) до 2,65 × 10⁶ Ω (S2) и снова поднимается до 2,83 × 10¹² Ω после отжига (S3). Это поведение отражает влияние Cu-индуцированных дефектов на пробой диэлектрика и последующее отжиг-драйвленное вылечивание дефектов.

Процесс формирования трех вариантов La-базированных RRAM.

Биполярные I–V циклы за 100 циклов (Рис. 5a–c) подтверждают стабильное RS во всех устройствах, но S3 показывает самые гладкие кривые и наивысшее напряжение остановки сброса (≈ −1,4 В), подчеркивая его превосходную надежность. Тесты выносливости (Рис. 5d–f) раскрывают, что S3 достигает отношения вкл/выкл ~10⁶, далеко превосходя ~10⁴ у S1 и S2, и демонстрирует заметно сниженную вариацию сопротивления (σ/μ ≈ 1,0 для HRS, 0,74 для LRS). Эти метрики показывают, что Cu-диффузия и нанокристаллообразование при отжиге смягчают филаментную случайность и улучшают однородность.

Типичные биполярные I–V кривые и выносливость S1, S2 и S3.

Статистический анализ (Рис. 6) подтверждает, что отожженный S3 имеет наименьший разброс в обоих резистивных состояниях и переключающих напряжениях, подтверждая улучшенную однородность. Распределение напряжения сброса в S3 сужается с 0,20 В до 0,13 В, а разброс напряжения установки уменьшается с 0,82 В до 0,45 В.

Накопленная вероятность HRS/LRS и установки/сброса напряжений.

Тесты удержания (Рис. 7) показывают, что S3 поддерживает стабильное HRS/LRS отношение (~10³) более 10⁴ с при комнатной температуре, подтверждая нелетучее поведение. Измерения выходной доли (Рис. 8) дополнительно указывают, что Cu-вставка повышает 10-цикловую биполярную выходную долю с <30 % (S1) до >70 % (S3), причем меньшие устройства достигают еще более высоких выходных долей, согласуясь с Joule-тепло-ассистированным филаментным образованием.

Поведение удержания La-базированных RRAM при комнатной температуре.

10-цикловая биполярная SET/RESET выходная доля для S1, S2 и S3.

Дальнейшее исследование S3 (Рис. 9) раскрывает как униполярное, так и биполярное RS, согласующееся с электрохимической металлизацией (ECM), движимой Joule-нагревом. LRS демонстрирует омическое проведение (наклон ≈ 1), в то время как HRS следует механизму пространственно-заряженного ограниченного тока (SCLC) с отдельными низкопольными, промежуточными и высокопольными режимами, указывающими на дефектно-опосредованный транспорт. Температурная зависимость (Рис. 10) подтверждает металлическое поведение в ON-состоянии (α = 1,03 × 10⁻³ K⁻¹) и полупроводниковое в OFF-состоянии, поддерживая модель формирования проводимых филаментов.

RS поведение S3: (a) I–V цикл в обеих полярностях, (b) лог‑лог I–V график и ln(I/V)–V¹⁄² подгонка.

(a) Зависимость площади HRS/LRS; (b) Температурная зависимость HRS/LRS.

Рис. 11 схематически изображает RS-цикл: окисление Cu на верхнем электроде, миграция Cu²⁺ под полем, восстановление на нижнем электроде и рост филамента вдоль путей Cu‑NC. Обратное смещение индуцирует Joule-нагреванное растворение филамента, восстанавливая OFF-состояние. Этот цикл иллюстрирует, как Cu-диффузия и нанокристаллообразование лежат в основе наблюдаемого RS.

RS механизм Cu/LaAlO₃:Cu‑NC/Pt устройств (a) начальное состояние; (b,c) процесс установки; (d) ON состояние; (e) процесс сброса.

Заключение

Внедрение Cu-нанослоя в LaAlO₃ с последующим отжигом 600 °C заметно улучшает производительность La-базированных RRAM. Достигаются более низкое формирующее напряжение, более высокое отношение вкл/выкл, улучшенная однородность и превосходная выходная доля благодаря Cu-диффузии и Cu‑NC формированию. RS-механизм управляется Cu-проводящими филаментами, пространственно-заряженным ограниченным током и Joule-нагревом. Этот подход предоставляет практичный путь для адаптации характеристик La-базированных RRAM и заслуживает дальнейшего изучения базовой физики.