Селектор на основе Ag-Ga₂Te₃: ультравысокая выносливость порогового переключения для 3D кросс-поинт памяти

Аннотация

Пороговое переключение в халькогенидах привлекло значительное внимание благодаря их потенциалу для высокоплотных и трехмерных стекаемых кросс-поинт структур. Однако, несмотря на отличные характеристики порогового переключения, селективность и выносливость таких селекторов должны быть улучшены для практического применения. В данном исследовании изучалось влияние серебра на поведение порогового переключения селектора Ga₂Te₃ с точки зрения селективности и выносливости. Селектор Ag-Ga₂Te₃ продемонстрировал высокую селективность 10⁸ с низким током в выключенном состоянии < 100 фА, крутой фронт включения 0,19 мВ/dec и высокую выносливость 10⁹ циклов. Было подтверждено, что переходный отклик зависит от амплитуды входного импульса и температуры измерения. Благодаря отличным характеристикам порогового переключения, селектор Ag-Ga₂Te₃ является перспективным кандидатом для применения в кросс-поинт массивах.

Введение

Резистивная оперативная память (ReRAM) рассматривается как перспективный кандидат для памятью следующего поколения благодаря простой эксплуатации, низкому энергопотреблению, потенциалу 3D-стекирования, масштабируемости и простой структуре [1-4]. Однако просадочный ток, проходящий через соседние ячейки, должен быть минимизирован для предотвращения сбоев в 3D кросс-поинт массивах (CPA) с высокой плотностью ячеек [5, 6]. Двухполюсные селекторы с низким током в выключенном состоянии и высоким отношением вкл/выкл предпочтительны для решения проблем просадочного тока [7, 8].

Ранее предлагались различные типы селекторов с характеристиками порогового переключения (TS), включая овонический пороговый переключатель (OTS) [9], металл-диэлектрик переход (MIT) [10], полевой сверхлинейный пороговый переключатель (FAST) [11], электрохимическую металлизацию (ECM) [12] и смешанную ионно-электронную проводимость (MIEC) [13]. Однако селективность и утечка тока OTS и MIT селекторов требуют улучшения [9, 10]; природа материалов для FAST селекторов неясна [11]. В то же время ECM и MIEC устройства на основе Ag или Cu привлекли внимание благодаря желательным TS характеристикам: низкому току утечки, высокому отношению вкл/выкл, крутому фронту включения и большой гистерезису между пороговым напряжением (V_TH) и удерживающим напряжением (V_Hold) [14-16]. В структуре один селектор — один резистор (1S1R) окно напряжения для чтения определяется напряжением установки (V_Set) памяти и V_TH селектора. Поскольку V_Set варьируется в зависимости от материалов памяти, модуляция V_TH необходима для работы 1S1R устройства [17]. Крупная разница между V_TH и V_Hold может снизить операционную сложность CPA структуры и ослабить строгие требования к согласованию напряжений [18, 19].

Механизм переключения таких селекторов с активным металлом (Ag или Cu) основан на формировании и растворении металлического проводимого канала. Поэтому матрица электролитного материала существенно влияет на миграцию активного металла и скорость переключения. Скорость переключения селекторов на основе оксидных электролитов обычно медленнее порядка микросекунд [20-22], что относительно медленно по сравнению с OTS [23] или MIT селекторами [24]. Дефекты в халькогенидных пленках, такие как несвязанный теллур (NBT), могут снизить энергию активации для миграции ионов активного металла; поэтому халькогенидные материалы предпочтительны для быстрой миграции ионов [18]. Однако из-за случайно формируемого металлического канала эти материалы имеют недостатки в выносливости переключения — критичном факторе для селекторов [14, 18, 25]. Выносливость ECM устройств может быть улучшена с 10³ до 10⁶ циклов с использованием промежуточного буферного слоя [26], но дальнейшее улучшение требуется для практического применения в CPA структурах [5].

В данном исследовании высокодефектный аморфный Ga₂Te₃ использовался как коммутирующий слой с вставкой слоя Ag для изучения TS характеристик: низкого тока утечки (офф-состояния), высокой селективности, модуляции V_TH и V_Hold, и высокой выносливости. Аморфный Ga₂Te₃ выгоден как электролитический материал благодаря наличию NBT, снижающих энергию активации миграции Ag, и вакансий Ga, выступающих миграционными центрами для Ag в аморфных пленках Ga₂Te₃ [27-29].

Методы

Селекторные устройства со стеком TiN/Ag/Ga₂Te₃/TiN изготавливались в виде контактных отверстий (via-hole) для исследования TS характеристик (Рис. 1a). Сначала формировались TiN контакты размером 0,42 × 0,42 мкм как нижние электроды (BE). Пленки Ga₂Te₃ толщиной 40 нм осаждались методом РЧ магнетронного ко-спуттеринга с мишеней Ga₂Te и Te. Затем пленка Ag толщиной 10 нм осаждалась на Ga₂Te₃ методом постоянного тока магнетронного спуттеринга. Наконец, верхний электрод (TE) из TiN формировался методом DC магнетронного спуттеринга и лифт-офф.

Электрические свойства изучались на анализаторе Keysight B1500A при 298 К. DC тесты переключения проводились с током комплайенса (I_comp) для предотвращения жесткого пробоя TS устройств. Дополнительно AC I-V измерения проводились с внешним нагрузочным резистором 1 МОм для предотвращения пробоя. Микроструктура изучалась передаточной электронной микроскопией (ТЭМ; JEOL FEM-F200), как показано на Рис. 1b. Поперечные ТЭМ образцы готовились фокусным ионным пучком. Атомное распределение Ag в пленке Ga₂Te₃ изучалось ТЭМ-энергодисперсионной спектроскопией (EDS).

Результаты и обсуждение

Рис. 2a показывает поперечное ТЭМ изображение первоначального стека TiN/Ag-Ga₂Te₃/TiN. Ag интерслой толщиной 10 нм не наблюдается поверх тонкой пленки Ga₂Te₃. Рис. 2b представляет EDS картировку Ga, Te, Ag, Ti для красной прямоугольной области на Рис. 2a. EDS показывает, что Ag равномерно распределен в пленке Ga₂Te₃, хотя ко-спуттеринг Ag не применялся. Однородная пленка Ag-Ga₂Te₃, вероятно, сформировалась из-за диффузии Ag при формировании стека. Такая быстрая гомогенизация Ag также сообщалась для пленок GeTe [30-32]. Ag может диффундировать в Ga₂Te₃ благодаря дефектам вроде NBT и вакансий Ga [18, 27-29].

Рис. 3a показывает вольт-амперные характеристики (I-V) устройств Ag-Ga₂Te₃ с площадью нижнего электрода 0,42 × 0,42 мкм для 100 последовательных циклов DC обхода. Устройство показывает TS характеристики без процесса формирвания. При нарастании напряжения на TE от 0 до 1,5 В ток проводимости резко возрастает при V_TH ≈ 0,87 В до I_comp = 1 мкА, что указывает на переход из высокоомного состояния (HRS) в низкоомное (LRS). Устройство возвращается в HRS при V_Hold ≈ 0,12 В при снижении напряжения, демонстрируя значительную разницу между V_TH и V_Hold. Ток в выключенном состоянии при V_TH измерен менее 100 фА — одно из низчайших значений среди сообщавшихся халькогенидных селекторов с активными металлами Ag или Cu [14, 18, 25, 30, 33]. Селективность (отношение тока вкл/выкл) составила ~10⁸. Как показано на Рис. 3b, I-V кривые стабильны для различных I_comp от 10 нА до 10 мкА, указывая на гибкость рабочего тока. Форминг-фри TS с большой гистерезисом Ag-Ga₂Te₃ селекторов преимущественно отличается от Ga₂Te₃-only OTS селекторов [34]. Поскольку формирвание считается препятствием для реальных применений, форминг-фри характеристики Ag-Ga₂Te₃ более выгодны [35]. Большая гистерезис TS Ag-Ga₂Te₃ может снизить операционную сложность CPA и ослабить требования к согласованию напряжений [18, 19]. Дополнительно, селектор Ag-Ga₂Te₃ показывает крутой фронт включения 0,19 мВ/dec при скорости сканирования 1,5 мВ/шаг (Рис. 3c). Устройство демонстрирует отличные характеристики: высокая селективность (10⁸), низкий ток выкл (<100 фА), крутой фронт (0,19 мВ/dec), форминг-фри работа.

Разброс параметров устройств критичен для применения в CPA, поэтому распределения V_TH, V_Hold, сопротивления HRS (R_HRS) и LRS (R_LRS) изучались для 25 случайных устройств. Рис. 4a показывает диапазон V_TH 0,75–1,08 В, V_Hold 0,06–0,375 В. Сопротивление HRS варьируется 10¹¹–10¹⁴ Ом, LRS ~10⁶ Ом (Рис. 4b). Благодаря формированию металлического канала, селекторы с активными металлами Ag/Cu показывают широкий разброс [36, 37]. Сообщаются исследования по улучшению надежности через легирование или буферные слои [37, 38].

Для изучения переходного отклика ток измерялся быстрым измерительным блоком генератора волн (WGFMU) при импульсе 3 В, фронте/спаде 100 нс, длительностью 1,5 мкс с нагрузкой 1 МОм (Рис. 5a). Ток достигал пика через 406 нс после достижения 3 В. Устройство переходило в выкл. состояние за 605 нс после снятия напряжения. Оценены время включения ~400 нс и выключения ~600 нс. Медленное переключение связано с миграцией и оксидо-восстановительными реакциями Ag для формирования канала. Исследовалось влияние амплитуды импульса (1,5–5 В) и температуры (298–375 К) на время переключения. Время включения уменьшалось с 1 мкс до 294 нс, время выключения увеличивалось с 400 нс до 849 нс при росте напряжения 1,5→3,5 В (Рис. 5b). Зависимость скорости от напряжения сопоставима с результатами для Ag/HfO₂ и Ag/TiO₂ [39]. На Рис. 5c показано, что времена включения и выключения уменьшаются с ростом температуры. Аррениусовский график (Рис. 5d) показывает экспоненциальную зависимость скорости от температуры, что указывает на термически активированные процессы, такие как диффузия Ag в матрице электролита [40]. Энергии активации для включения и выключения оценины в 0,50 и 0,40 эВ соответственно, сопоставимо с Ag-нитями [41]. Ранее сообщалось, что Ag каналы формируются под смещением в HfO₂, SiO₂, TiO₂ [15, 42, 43]. В данной работе Ag равномерно распределен в первоначальном Ga₂Te₃. Хотя механизм TS в Ga₂Te₃ с равномерным Ag не полностью понятен, Ag может участвовать в формировании проводимых каналов под смещением. Следовательно, зависимость скорости переключения от напряжения и температуры объясняется формированием проводимых каналов.

AC выносливость изучалась при тех же условиях импульса. Напряжения чтения HRS и LRS: 0,5 и 3 В. Сопротивления HRS и LRS построены для 450 точек на декаду (Рис. 6). Селектор Ag-Ga₂Te₃ демонстрировал стабильную выносливость до 10⁹ циклов с сохранением селективности 10⁸, превосходя другие халькогенидные селекторы с активными металлами [18, 25, 30].

Заключение

Демонстрированы стабильные TS характеристики селектора с Ag высокой подвижности и высокодефектным аморфным Ga₂Te₃ как коммутирующим слоем. ТЭМ анализ стека TiN/Ag-Ga₂Te₃/TiN показал, что встроенный Ag интерслой полностью диффундировал в Ga₂Te₃, образуя равномерное распределение Ag. Это обусловлено высокодефектной структурой аморфного Ga₂Te₃ при последующем осаждении TE TiN. Селектор Ag-Ga₂Te₃ показывает форминг-фри TS, большую гистерезис (~1 В), высокую селективность (10⁸), низкий ток выкл (<100 фА), крутой фронт (0,19 мВ/dec) и отличную выносливость (10⁹ циклов). AC I-V измерения показывают скорость переключения порядка сотен нс. Зависимость скорости от напряжения импульса — совокупный эффект миграции Ag и оксидо-восстановительных реакций. Аррениусовское поведение скорости по температуре указывает на термически обусловленный процесс. В заключение, устройство Ag-Ga₂Te₃ с отличными TS и выносливостью — перспективный кандидат для селекторов в CPA памяти.

Доступность данных и материалов

Все данные полностью доступны без ограничений.

Аббревиатуры

3D:

Трехмерный

CPA:

Кросс-поинт массив

TS:

Пороговое переключение

OTS:

Овонический пороговый переключатель

MIT:

Металл-диэлектрик переход

FAST:

Полевой сверхлинейный пороговый переключатель

ECM:

Электрохимическая металлизация

MIEC:

Смешанная ионно-электронная проводимость

V_TH:

Пороговое напряжение

V_Hold:

Удерживающее напряжение

1S1R:

Один селектор — один резистор

V_Set:

Напряжение установки

NBT:

Несвязанный теллур

TE:

Верхний электрод

BE:

Нижний электрод

I_comp:

Ток комплайенса

HRS:

Высокоомное состояние

LRS:

Низкоомное состояние

R_HRS:

Сопротивление высокоомного состояния

R_LRS:

Сопротивление низкоомного состояния