Modelo de retenção de TaO / HfO x e TaO / AlO x RRAM com características de chave auto-retificadora

Resumo

Um modelo de comportamento de retenção para auto-retificação TaO / HfO _x - e TaO / AlO _x é proposta a memória resistiva de acesso aleatório (RRAM). RRAM do tipo trapping pode ter um estado de alta resistência (HRS) e um estado de baixa resistência (LRS); a degradação em um LRS é geralmente mais severa do que em um HRS, porque o LRS durante o processo SET é limitado pela camada do resistor interno. No entanto, se TaO / AlO _x os elementos são empilhados em camadas, a retenção LRS pode ser melhorada. O tempo de retenção LRS estimado pelo método de extrapolação é de mais de 5 anos à temperatura ambiente. TaO / HfO _x - e TaO / AlO _x As estruturas RRAM com base têm a mesma camada de cobertura de TaO, e os níveis de energia de ativação de ambos os tipos de estruturas são 0,38 eV. Além disso, o AlO adicional _x camada de comutação de um TaO / AlO _x estrutura cria uma barreira de difusão de O mais alta que pode aumentar substancialmente a retenção, e o TaO / AlO _x a estrutura também mostra um LRS bastante estável sob condições tendenciosas.

Histórico

Como a tecnologia flash NAND está enfrentando um limite de escala, os designs de memória de acesso aleatório resistiva vertical (VRRAM) com poucas pilhas de filme, alto rendimento de fabricação e nenhum problema de acoplamento cruzado são candidatos promissores para aplicativos de memória de alta densidade [1,2,3 ] A arquitetura 1TnR com estrutura vertical tridimensional (3D) ajuda a perceber o custo de bits ultrabaixo para matrizes densas altamente compactas [4,5,6]. Vários pesquisadores propuseram operar o RRAM em baixos níveis de corrente, alterando o mecanismo de comutação de resistência de um modelo filamentar para um modelo de caminho de condução do tipo defeitos, modulação por vacância ou tipo de interface [7,8,9]. No entanto, as questões centrais para as falhas de retenção e a migração de vagas de oxigênio ainda não foram resolvidas [3, 10]. Em alguns estudos de retenção do tipo filamentar, muitos modelos diferentes foram propostos para explicar as perdas de retenção [11,12,13]. A mudança do mecanismo de chaveamento também indica uma direção diferente que pode melhorar a retenção [11]. Nossos estudos anteriores mostraram que TaO / HfO _x os dispositivos podem mostrar valores de não linearidade favoráveis de aproximadamente 40, valores de resistência que excedem 1000 ciclos e retenção de dados de 85 ° C [6, 7]. No entanto, obter retenção estável em níveis de corrente operacional tão baixos ainda é um desafio. Nesta carta, um modelo de retenção é proposto para perceber a perda de retenção em dois dispositivos diferentes do tipo trapping de defeito com o método de Arrhenius. A energia de ativação extraída não explica de forma convincente a melhoria da retenção pelo AlO _x camada. Mesmo que o original fosse ambíguo, a interpretação mais provável é que a ligação densa facilita a retenção.

Métodos

Na fabricação de TaO / HfO _x e TaO / AlO _x dispositivos para o presente estudo, o eletrodo inferior (BE) é composto de metal TiN depositado por deposição física de vapor (PVD) em 8 pol. substratos de óxido térmico / Si. Cada BE foi padronizado e gravado com litografia convencional e processo de condicionamento. Após cada TiN BE ter sido atacado com gás à base de cloro, o fotorresiste restante (PR) e os resíduos de corrosão foram removidos usando um sistema de plasma remoto que aplicou O ₂ e H ₂ O a 180 ° C. Durante o processo de remoção do PR, uma fina camada de oxidação de TiON foi formada na superfície de cada TiN BE. Então, camadas de comutação resistiva de HfO _x e AlO _x foram preparados através da deposição da camada atômica (ALD) com HfCl ₄ -H ₂ O e TMA-H ₂ O precursores, respectivamente. Os dois elementos resistivos HfO _x e AlO _x foram depositados a 300 e 250 ° C. No topo das camadas de comutação resistivas, a camada TaO foi então depositada por PVD através da oxidação de plasma de baixa temperatura (LTPO) [14]. Esta fabricação deposita metal Ta a uma taxa ultrabaixa (0,2 Å / s). A oxidação plasmática estável foi realizada com uma mistura de Ar e O ₂ gases. Esta camada TaO serviu como uma resistência interna de auto-conformidade, que era relativamente furada em comparação com os filmes de chaveamento resistivo anteriores [7]. O eletrodo superior também era PVD-TiN. As vistas de seção transversal e informações de espessura do TaO / HfO _x e TaO / AlO _x dispositivos de memória são ilustrados na Fig. 1a, b, respectivamente. A espessura do filme de TaO / HfO _x foi verificado por microscopia eletrônica de transmissão (não mostrado). Após as células terem sido padronizadas, o óxido de baixa temperatura foi depositado para passivação a 250 ° C. Finalmente, um processo back-end convencional foi aplicado para finalizar a fabricação das estruturas de contato e de metal.

Gráficos esquemáticos de células com informações de espessura para a TaO / HfO _x dispositivos e b TaO / AlO _x dispositivos. Ambos os gráficos descrevem dispositivos para os quais PVD depositou as camadas TaO com processos LTPO, e as camadas interfaciais de TiON inferiores foram formadas por oxidação de plasma durante a remoção de fotoresiste

Resultados e discussão

As medidas elétricas foram realizadas com um analisador de parâmetros semicondutores HP4156C. Definir e redefinir a densidade de corrente ( J ) versus tensão ( J - V ) curvas de TaO / HfO _x e TaO / AlO _x dispositivos são mostrados na Fig. 2a, b, respectivamente. Ambos os estados de resistência iniciais ( R _inicial ) do TaO / HfO _x e TaO / AlO _x dispositivos eram HRS. Os dispositivos de memória virgem foram programados para LRS com tendência positiva e foram retrocedidos. Em seguida, cada célula foi trocada de LRS para HRS por voltagem negativa aplicada. Ambos J – V os gráficos contêm três tamanhos de células, a saber, 0,1, 0,56 e 25 μm ² . No J – V plotagens, todas as curvas de dispositivos com áreas diferentes se assemelham, o que indica TaO / HfO _x e TaO / AlO _x os dispositivos tinham (i) a mesma densidade de corrente no estado inicial, (ii) tensões de ajuste e reset semelhantes e (iii) a mesma densidade de corrente em LRS e HRS. Além disso, a propriedade de densidade de corrente constante é claramente ilustrada pela resistência versus área ( R - A ) plotagens na Fig. 2c, d. A forte dependência de área em ambos R _inicial e o LRS pode ser observado pelo controle da densidade de corrente. Independentemente da escala da área da célula e da corrente de conformidade, a mesma relação de resistência liga / desliga é mantida em ambos os dispositivos. Esta característica da chave de densidade de corrente constante implica que as células de memória são uniformemente programadas ou apagadas pelo campo elétrico. Esses dispositivos são considerados como tendo propriedades de chaveamento do tipo trapping, que estão fortemente relacionadas à modulação de vagas [8]. No caso de RRAM do tipo trapping, nenhum salto acentuado de corrente foi observado durante o processo de ajuste, mas saltos acentuados de corrente foram comumente observados para RRAM do tipo filamentar. Na presente pesquisa, diferentes tensões de chaveamento foram observadas para as diferentes camadas de chaveamento com HfO _x ou AlO _x . A faixa de tensão definida de um TaO / AlO _x dispositivo é de 4 a 4,5 V, que é maior do que TaO / HfO _x dispositivo (3 a 4 V). A faixa de voltagem de redefinição de um TaO / AlO _x dispositivo é −1,5 a −2,5 V, que é maior do que o de um TaO / HfO _x dispositivo (−0,5 a −1,5 V). Um AlO _x sistema consome mais energia para completar os interruptores definir e redefinir do que um HfO _x sistema consome. Durante a configuração de switches, as camadas de comutação HfO _x e AlO _x alcançar interrupções suaves em tensões de aproximadamente 3 e 3,5 V, respectivamente. Em ambos os tipos de dispositivos, antes que os filamentos se formem na camada de comutação, a corrente é limitada pela resistência interna da camada TaO. Durante o processo de auto-conformidade do RRAM do tipo trapping, vacâncias excessivas de oxigênio são geradas dentro da camada de comutação [7]. Essas vacâncias de oxigênio são recombinados durante o processo de redefinição de polarização negativa. Ao contrário do RRAM do tipo filamentar, o HRS é sempre menor do que o estado de resistência inicial (IRS) após uma operação de reset [15,16,17]. Para resumir, a captura de defeitos é um processo que modula as vacâncias por meio da recombinação de íons de oxigênio-vacância para controlar a variação da resistência na camada de comutação. Comparado com um HfO _x camada de comutação, a detecção de defeitos causa maior tensão e potência no AlO _x camada durante a configuração e a reinicialização de um switch.

Densidade de corrente com gráfico de voltagem de a TaO / HfO _x dispositivos com diferentes tamanhos de células. b TaO / AlO _x dispositivos com diferentes tamanhos de células. A resistência versus o gráfico da área de c a TaO / HfO _x dispositivo e d a TaO / AlO _x dispositivo. Ambos os gráficos contêm o IRS e o LRS com tensão de leitura =2 V. Cada ponto de dados fornece a média de 10 dispositivos e o desvio padrão correspondente

Depois que o comportamento de comutação foi investigado, os comportamentos de retenção HRS e LRS das unidades de memória do tipo trapping foram investigados. Os gráficos de variação da resistência em função do tempo a 85 ° C e 1 V para o TaO / HfO _x e TaO / AlO _x dispositivos são mostrados na Fig. 3a, b. Em ambos os gráficos, a variação LRS é mais pronunciada do que a variação HRS. A estabilidade da resistência de TaO / AlO _x é maior do que TaO / HfO _x . As figuras ilustram que os HRSs tenderam a derivar em direção aos IRSs para ambos os tipos de dispositivos; os IRSs são marcados por linhas tracejadas na Fig. 3a, b. A tendência de resistência voltando ao estado virgem do dispositivo é ilustrada na Fig. 3c para TaO / AlO _x e na Fig. 3d para TaO / HfO _x . Para realizar isso, ambos os tipos de dispositivos foram inicialmente programados para LRS em temperatura ambiente, conforme mostrado no I – V varreduras (linha preta). Então, o TaO / AlO _x e TaO / HfO _x os dispositivos foram cozidos em fornos a 150 ° C por 48 he a 120 ° C por 120 h, respectivamente. Para ambos os casos, o I – V a varredura depois de cozida foi semelhante à varredura inicial. Por meio desse procedimento, os LRSs dos dispositivos do tipo trapping retornaram aos estados originais após algum tempo em um ambiente de alta temperatura. Ao contrário dos dispositivos do tipo filamento, que apresentam movimento notável de átomos de oxigênio, os dispositivos do tipo aprisionamento têm pares de íons de oxigênio e espaços vazios separados por distâncias curtas. A tendência da resistência derivar ao estado inicial está relacionada à sua cristalinidade original, que é controlada principalmente pela temperatura de processo de ALD. Como resultado, os LRSs em ambos os tipos de dispositivos podem ser redefinidos para HRSs (ou IRSs) por polarização negativa ou energia térmica. Esta propriedade é diferente com RRAM filamentar.

Gráficos de variação de resistência em função do tempo para a TaO / HfO _x e b TaO / AlO _x dispositivos. Ambos os gráficos contêm variação de HRS e LRS na tensão de leitura =1 V em 85 ° C. Depois do eu - V varreduras de cada dispositivo virgem foram definidas, o dispositivo foi cozido e, em seguida, programado para LRS novamente: c TaO / AlO _x (150 ° C durante 48 h); d TaO / HfO _x (120 ° C por 120 h)

No teste de retenção padrão para memória não volátil, a retenção de dados é testada tanto em temperatura ambiente quanto em alta temperatura; os dispositivos devem ser capazes de reter dados em temperatura ambiente e em alta temperatura para serem úteis em aplicações reais. Energia de ativação ( E _a ) a extração pelo método de Arrhenius no gráfico de retenção é um método comum para avaliar a retenção de dados [18, 19]. Como pode ser visto na Fig. 3a, a variação LRS é mais pronunciada do que a variação HRS. Portanto, a razão de resistência ( R _proporção ) de LRS versus tempo de cozimento em temperaturas variando de 30 a 150 ° C. Um exemplo de extração de tempo de retenção de um TaO / AlO _x dispositivo é mostrado na Fig. 4a. A taxa de degradação da resistência pode ser calculada pela inclinação do ajuste linear no log ( R _proporção ) -log (tempo) escala. Considerando a relação de resistência máxima liga / desliga de aproximadamente 10 ³ para um TaO / AlO _x dispositivo, como mostrado na Fig. 3c, um tempo de retenção com 10 ³ vezes a variação LRS pode ser calculada. A retenção de dados LRS estimada em temperaturas de medição variando de 30 a 150 ° C é mostrada na Fig. 4b. Cada ponto de dados representa informações de mais de 18 dispositivos para ambos os tipos de dispositivos. Em um TaO / AlO _x dispositivo, a retenção de dados chega a 10 ⁶ s a 150 ° C e 2 × 10 ⁸ s (aproximadamente 5 anos) à temperatura ambiente; esses tempos são quase 10 ^1,5 vezes mais do que aqueles de TaO / HfO _x dispositivo. O ponto mais interessante é que TaO / HfO _x e TaO / AlO _x dispositivos mostram o mesmo E _a =0,38 eV, calculado a partir do declive extraído. O mesmo E _a implica que ambos os tipos de dispositivos passam por reações químicas semelhantes no processo de degradação do LRS. Este E _a está envolvido em todos os processos cinéticos termicamente ativados, incluindo a liberação de íons de oxigênio perto de interfaces TaO e os processos de difusão de oxigênio em AlO _x e HfO _x camadas. No entanto, os coeficientes de autodifusão de oxigênio de HfO _x e AlO _x as camadas são diferentes em altas temperaturas (> 1000 ° C); medidas exatas podem ser encontradas na literatura [20, 21]. O coeficiente de difusão de oxigênio em baixa temperatura (<200 ° C) também depende da espessura do HfO _x dielétricos [22]. Se os processos de difusão na troca de camadas dominam a reação química, então o E _a os valores devem ser diferentes devido aos diferentes coeficientes de difusão em HfO _x e AlO _x camadas. Ambos os tipos de dispositivos neste trabalho exibiram o mesmo E _a =0,38 eV; isso estava relacionado ao fato de que ambos os tipos de dispositivos tinham a mesma camada de cobertura de TaO no topo das camadas de comutação. A degradação do LRS é um processo de recombinação de vacâncias e íons, o que significa que a camada de TaO controla essa reação química e a maioria das vacâncias estão aglomeradas perto da interface entre o TaO e a camada de comutação. Essas vagas preferem ficar na interface TaO / camada de comutação; esse fenômeno poderia ser apoiado pelo ponto de vista da estabilidade termodinâmica, conforme relatado por Zhong et al. [23]. Em sua simulação de TiN / Ta / HfO _x / TiN stacks, os íons de oxigênio preferiram permanecer no Ta / HfO _x interface porque existia uma diferença de baixa energia entre Ta e HfO _x [23]. Em sua simulação, como nos experimentos atuais, a camada resistiva TaO capturou a maioria dos íons de oxigênio e dominou este processo de recombinação de vacância. A degradação de LRS é esquematizada na Fig. 4c. Os íons de oxigênio retornam ao estado de equilíbrio térmico anterior durante o processo de cozimento, o que resulta em perda de retenção. As diferenças podem ser notadas entre o Ta / HfO _x dispositivo como proposto por Zhong et al. e o TaO / HfO _x dispositivo neste estudo, mas em ambos os estudos, a camada de TaO foi formada por vários ciclos de deposição de Ta de metal e processos LTPO [14]. Por causa do processo LTPO, o TaO / HfO rico em metal _x interface pode ser considerada como um reservatório de íons de oxigênio. Durante o processo de recombinação de íons de oxigênio e vacâncias, a densidade de empacotamento de átomos desempenha um papel essencial. As propriedades de retenção LRS superiores obtidas no AlO _x camada de comutação pode ser explicada pela alta densidade atômica do AlO _x camada. É bem conhecido que o comprimento da ligação do Al – O é menor do que o do Hf – O [24, 25]. O vínculo curto no AlO _x reduz a mobilidade dos íons de oxigênio devido à alta interação coulomb, que resulta em uma alta barreira de difusão por vacância de oxigênio. Esta barreira faz com que o tempo de retenção seja maior em um TaO / AlO _x dispositivo do que em um TaO / HfO _x 1.

a Taxa de variação da resistência em relação ao tempo de cozimento para diferentes temperaturas em TaO / AlO _x dispositivos. A resistência inicial média foi de 179 MOhm com uma tensão de leitura de 2 V, e a taxa de degradação da resistência LRS foi calculada pelo método de ajuste linear em log ( R _proporção ) –Log (T) escala. b Tempo de retenção estimado (1000 ×) versus gráfico de 1 / kT. Cada ponto contém dados de 18 dispositivos tomados em uma tensão de leitura de 2 V. As energias de ativação extraídas foram de 0,38 eV em ambos TaO / AlO _x e TaO / HfO _x dispositivos. c Diagrama esquemático de retenção de diferentes barreiras de difusão de oxigênio em HfO _x ou AlO _x com uma camada de cobertura TaO

Além disso, o modelo de perda de retenção de um dispositivo do tipo filamentar é diferente daquele de um dispositivo do tipo trap de defeito. O comportamento de retenção para RRAM do tipo filamentar está relacionado à ruptura do filamento, e a direção de difusão da vacância é lateral [11, 19, 24]. No RRAM de captura de defeitos, a direção de difusão do defeito é longitudinal, que é paralela ao campo elétrico externo. Portanto, o comportamento de retenção pode ser afetado pela direção e magnitude da polarização. A Figura 5a, b mostra a retenção on-bias por meio da razão de resistência para os dois dispositivos. A relação de resistência é definida como a resistência do dispositivo de estresse à resistência do LRS. Um viés positivo pode ajudar a manter o LRS, mas um viés negativo acelera o processo de degradação. Essas propriedades on-bias podem ser explicadas pela interação entre o campo localizado de pares de íons de oxigênio e vacâncias e o campo elétrico externo. Se a direção do campo externo for a mesma que a direção definida (positiva), ele estende o tempo de retenção; se o campo externo estiver na direção de reset (negativo), causa degradação. Em um campo elétrico baixo com ± 100 mV, a degradação de polarização é a mesma que a degradação de polarização em ambos os tipos de dispositivos. Esta polarização de ± 100 mV pode ser coberta pelos deslocamentos de banda de TiON-HfO _x , TiON-AlO _x e junções TiN-TaO. A TaO / AlO _x dispositivo sob uma polarização positiva alta de 500 mV não mostra degradação óbvia.

Razão de resistência sob polarização versus tempo de estresse para a TaO / HfO _x e b TaO / AlO _x dispositivos em temperatura ambiente

Conclusões

Em resumo, comparamos dois tipos de dispositivos RRAM auto-retificados por meio de suas características de switch e analisamos seus comportamentos de retenção. O TaO / AlO _x dispositivo mostrou uma tensão de comutação mais alta e uma estabilidade térmica LRS mais robusta do que o TaO / HfO _x dispositivo fez. O benefício da retenção robusta do AlO _x camada de comutação é devido à alta barreira de difusão de oxigênio, em vez de energia de ativação. A energia de ativação da perda de retenção está relacionada ao processo de remoção de íons na camada resistiva TaO. A alta densidade atômica de AlO _x o filme pode melhorar a retenção de LRS. Um modelo esquemático de perda de retenção foi proposto e os resultados de retenção on-bias apoiaram este modelo. Este modelo pode ser benéfico para o desenvolvimento de dispositivos RRAM de baixa corrente, retenção longa e autorretificação para futuras aplicações de memória de alta densidade.

Tratamento de campo eletromagnético RF de absorvedores de luz de Kesterita tetragonal CZTSSe As propriedades elétricas de compostos híbridos baseados em nanotubos de carbono multifoliados com nanoplacas de grafite

Nanomateriais

Materiais Poliméricos

biológico

Corante

Especiarias