Resistência Aprimorada de RRAM Baseado em HfO₂ via Tratamento de Nitrificação

Resumo

Tecnologia de tratamento de nitrificação com fonte complexa de nitrogênio ureia/amônia melhorou propriedade de comutação resistiva em RRAM (memória de acesso aleatório resistiva) baseada em HfO₂. Tratamento de nitrificação produziu dispositivo de alto desempenho e confiável resultando em resistência superior (mais de 10⁹ ciclos) e efeito de auto-conformidade. Assim, mecanismo de condução de corrente mudou devido à passivação de defeitos por átomos de nitrogênio no filme fino de HfO₂. Em estado de alta resistência (HRS), transferiu para emissão Schottky de Poole-Frenkel em RRAM baseado em HfO₂. Em estado de baixa resistência (LRS), mecanismo de condução de corrente foi corrente limitada por carga espacial (SCLC) após tratamento de nitrificação, sugerindo que átomos de nitrogênio formam clusters de lacunas Hf-N-Ox (V_o ⁺) que limitam movimento de elétrons através da camada de comutação.

Introdução

Recentemente, memória de acesso aleatório resistiva (RRAM) composta por camada isolante entre dois eletrodos tem sido amplamente estudada como candidata promissora para memória não volátil de próxima geração devido a propriedades superiores como estrutura simples, baixo consumo de energia, operação de alta velocidade (< 300 ps) e leitura não destrutiva. Embora a maioria dos dispositivos RRAM tenha muitas propriedades superiores a memória não volátil, alta corrente de operação de RRAM e degradação de desempenho são questões principais em memória não volátil em termos de aplicação de produtos eletrônicos portáteis.

A estrutura Pt/HfO₂/TiN pode fornecer caminho de condução que induz comportamento de comutação resistiva. No entanto, defeitos de HfO₂ amorfo aumentam número de caminhos de vazamento, levando a consumo de energia e degradação por aquecimento Joule. Neste trabalho, camada de comutação resistiva de HfO₂ foi tratada por solução com fonte complexa de nitrogênio ureia/amônia como tratamento de nitrificação para melhorar suas propriedades de comutação elétrica.

Métodos

Substrato padrão TiN/Ti/SiO₂/Si foi fabricado com processo padrão de deposição e gravação, após o que furos via podem ser formados. Então, filme fino de HfO₂ de 23 nm foi depositado em furos via no substrato por sputtering de magnetron RF usando alvo puro de HfO₂. Potência de sputtering fixada em potência RF de 150 W e realizada em ambiente argônio (Ar = 30 sccm) com pressão de trabalho de 4 mtorr à temperatura ambiente. Dispositivo semi-acabado HfO₂/TiN foi colocado em câmara reativa e imerso em solução com fonte complexa de nitrogênio ureia/amônia para tratamento de nitrificação. Durante tratamento, solução foi aquecida a 160 °C na câmara de aço inoxidável do sistema por 30 min. Então, eletrodo superior de Pt de 110 nm foi depositado por sputtering de magnetron DC no filme fino de HfO₂ para formar dispositivos elétricos com estruturas sanduíche Pt/HfO₂/TiN. Finalmente, todas as características elétricas foram medidas por analisador de parâmetros semicondutores Agilent B1500. Bias DC e pulso foram aplicados ao eletrodo inferior (TiN) enquanto eletrodo superior (Pt) foi aterrado durante medições elétricas. Além disso, espectroscopia infravermelha de transformada de Fourier (FTIR) foi medida por espectrômetro Bruker VERTEX 70v na região infravermelha média.

Resultados e Discussão

Processo de eletroformação é necessário para ativar todos dispositivos RRAM usando bias DC com corrente de conformidade de 10 µA. Após processo de formação, propriedades elétricas corrente-tensão (I-V) de RRAM baseado em HfO₂ foram comparadas no inicial e após tratamento de nitrificação. Em LRS, corrente foi obviamente reduzida comparada à de filme fino de HfO₂ não tratado. Redução de corrente pode ser atribuída a defeitos passivados por molécula NH₃ na solução de tratamento. Verificou-se que distribuição de HRS é muito mais estável após tratamento de nitrificação. Estados de resistência são extraídos com tensão de leitura de 0,1 V durante 100 ciclos de varredura com operação DC. Razão de resistência ligado/desligado foi ligeiramente reduzida após tratamento de nitrificação. Interessantemente, propriedade de comutação resistiva de auto-conformidade foi observada nestes dispositivos RRAM baseados em HfO₂ após tratamento.

Após mais de 10³ ciclos de varredura, característica de auto-proteção repetível do dispositivo sem ruptura dura foi observada. Tempo de retenção avaliado a 85 °C permaneceu estável mesmo após 10⁴ s tanto em HRS quanto LRS.

Para avaliar desempenho do dispositivo, testes de resistência de RRAM baseado em HfO₂ foram realizados para inicial e após tratamento de nitrificação. No dispositivo não tratado após 10⁶ ciclos de varredura, razão HRS/LRS degrada significativamente de 100:1 para 5:1. Após tratamento de nitrificação, porém, mesmo após mais de 10⁹ ciclos de varredura, dispositivo exibiu razão HRS/LRS estável. Estes resultados indicam que processo de nitrificação aprimorou RRAM baseado em HfO₂ para realizar com características de comutação superiores e confiabilidade.

Para investigar estes resultados, análise FTIR foi usada para observar alterações químicas do filme fino de HfO₂. Pico agudo em 1589 e 1311 cm⁻¹ apareceu após tratamento de nitrificação, correspondendo a pico de vibração de alongamento simétrico e assimétrico de ligação N-O. Além disso, intensidade de pico de ligações N-H em 1471 cm⁻¹ aumentou devido ao processo de nitrificação por fonte complexa de nitrogênio ureia/amônia. Portanto, podemos inferir formação de compostos contendo nitrogênio após tratamento de nitrificação.

Para esclarecer mecanismo de comutação resistiva, analisamos mecanismo de condução de corrente do filme fino de HfO₂ com e sem tratamento de nitrificação. Para filme fino de HfO₂ não tratado, elétrons transferiram através de defeitos, de forma que mecanismo de condução de corrente foi dominado por condução Poole-Frenkel segundo relação linear entre ln(I/V) e raiz quadrada da tensão aplicada (V^1/2) em HRS. Em contraste, RRAM baseado em HfO₂ exibiu mecanismo de emissão Schottky segundo relação linear entre ln(I/T²) e raiz quadrada da tensão aplicada (V^1/2) de HRS. Isto é devido à diminuição de defeitos e ligações pendentes, pois ligações tornam-se passivadas por átomos de nitrogênio após tratamento de nitrificação.

Analisamos também mecanismo de condução de corrente com e sem tratamento em LRS. Em LRS, mecanismo de transporte de portadores de RRAM baseado em HfO₂ não tratado foi dominado por condução ôhmica, onde corrente diminui com aumento de temperatura. Após tratamento de nitrificação, mecanismo de condução de corrente transfere para corrente limitada por carga espacial (SCLC) com inclinação de 1,52. Curva I-V não é relativa à temperatura, com relação linear entre ln(I) e quadrado da tensão aplicada V² em LRS.

Propomos modelo para explicar características do mecanismo de condução de corrente. Assim, existem dois dipolos compensados associados a átomos de N e O e um átomo de Hf (sequência O-Hf-O substituída por O-Hf-N-O) após dopagem de átomos de N em filme fino de HfO₂. Como eletronegatividade do nitrogênio é menor que oxigênio, dipolo de ligação Hf-N é menor que Hf-O, criando região de constante dielétrica menor. Quando bias positivo aplicado durante processo SET, série de lacunas Hf-N-Ox formam-se devido à sua menor constante dielétrica, formando clusters de lacunas (V_o ⁺). Caminho condutivo tipicamente forma junto com clusters de lacunas Hf-N-Ox (V_o ⁺) conforme átomos de nitrogênio capturam íons oxigênio ao redor dos clusters. Presença destes clusters de lacunas Hf-N-Ox isolantes (V_o ⁺) resulta em redução de corrente e efeito de auto-conformidade encontrado em RRAM baseado em HfO₂.

Conclusões

Em resumo, propriedade de comutação resistiva de auto-conformidade foi observada em dispositivo RRAM Pt/HfO₂/TiN após tratamento de nitrificação. Tempos de resistência atingiram 10⁹ ciclos e tempo de retenção de mais de 10⁴ s alcançado a 85 °C. Devido à menor eletronegatividade do átomo de nitrogênio comparado ao átomo de oxigênio, dipolo de ligação Hf-N é menor que Hf-O, criando região de constante dielétrica menor. Durante processo SET, clusters de lacunas Hf-N-Ox (V_o ⁺) formam caminho condutivo. Clusters de lacunas Hf-N-Ox isolantes (V_o ⁺) protegem dispositivo de ruptura dura e realizam propriedade de auto-conformidade.