Dispositivos RRAM Baseados em Ru Mostram Resistência Diferencial Negativa: Insights da Fabricação por Deposição Atômica

Resumo

Neste trabalho, dispositivos RRAM baseados em Ru com camada funcional AlOᵧ/HfOₓ depositada por deposição atômica (ALD) foram fabricados e estudados. Comportamento de resistência diferencial negativa (RDN) foi observado durante o processo de set de tensão, e sua origem física foi explorada. Baseado na compreensão física da comutação resistiva, o comportamento de RDN medido acredita-se estar associado ao efeito de reset parcialmente unipolar, que é devido à recombinação entre lacunas de oxigênio e íons oxigênio termicamente liberados da camada interfacial de RuO₂. As características elétricas medidas e resultados de espectroscopia de fotoelétrons por raios X (XPS) verificaram a interpretação física.

Introdução

Como uma das memórias não voláteis emergentes mais promissoras, memória de acesso aleatório resistiva (RRAM) tem sido extensivamente estudada quanto a otimização de materiais, melhoria de desempenho e integração de dispositivos. Devido a vantagens significativas como estrutura de célula simples, velocidade operacional rápida, baixo consumo de energia e potencial de miniaturização incomparável, RRAM tem sido amplamente aplicada em computação neuromórfica inspirada no cérebro e lógica booleana reconfigurável e também exibe grande potencial para aplicações de memória de classe de armazenamento (SCM). Contudo, conforme indicado pelo Roteiro Internacional para Dispositivos e Sistemas 2017, desafios incluindo escalabilidade, confiabilidade de dispositivos e compatibilidade de processo ainda impedem desenvolvimentos de RRAM. Portanto, construção de dispositivos RRAM compatíveis com CMOS com desempenho superior é de grande significado para aplicações baseadas na estrutura 1T1R de célula RRAM. De acordo com estudo prévio, dispositivo RRAM baseado em Ru mostra grande potencial comparado aos baseados em Pt, enquanto resistência diferencial negativa (RDN) foi demonstrada durante processo de set de tensão. Fenômenos de RDN acompanhados de comutação resistiva foram investigados em outras estruturas RRAM, que foram principalmente devidos a aprisionamento/detrap de portadores eletrônicos entre estados profundamente localizados induzidos por nanopartículas metálicas implantadas, ou acúmulo de defeitos causou reinstalação de junção. Enquanto o aparecimento de RDN em célula RRAM baseada em Ru sob grande corrente ainda é pendente, neste trabalho, o desempenho elétrico de dispositivo RRAM baseado em Ru fabricado por técnica de deposição atômica (ALD) foi avaliado. Baseado na caracterização por espectroscopia de fotoelétrons por raios X (XPS) e medições elétricas com diferentes estímulos, o fenômeno de RDN no RRAM baseado em Ru pode ser explicado no framework do modelo de filamento condutor de lacunas de oxigênio.

Métodos

O diagrama esquemático da estrutura do dispositivo e array RRAM fabricado são mostrados na Fig. 1a, b, respectivamente. O dispositivo RRAM Ru/AlOᵧ/HfOₓ/TiN foi fabricado em substrato de SiO₂ termicamente oxidado de 300 nm. Filme fino de Ru de 80 nm foi depositado em camada de adesão de Ti de 20 nm como eletrodo inferior por sputtering magnetrônico DC (Angstrom Engineering NEXDEP) usando alvo de metal Ru. SiO₂ crescido por deposição química de vapor aprimorada por plasma (PECVD) serve como dielétrico para isolar eletrodos e forma as vias. Então a camada resistiva de 2 nm AlOᵧ e 3 nm HfOₓ foi depositada por sistema de deposição atômica (PICOSUN R200) a 300 °C com trimetilalumínio (TMA) e tetrakis[etilmetilamino]hafnio (TEMAH) como precursores. Após isso, 80 nm de TiN foi sputterizado reativamente usando alvo de Ti e gravado para formar padrões de eletrodo superior. Outra gravação a seco foi também realizada para expor o eletrodo inferior para contato elétrico.

A análise elementar foi realizada por sistema de espectroscopia de fotoelétrons por raios X (XPS) (Thermo Scientific ESCALAB 250Xi) usando amostra fresca sem eletrodo superior. Antes da medição, limpeza de superfície foi conduzida com plasma de Ar antes da medição para eliminar influência de C. A posição do pico de Al 2p foi usada para calibração. Medidas elétricas foram realizadas à temperatura ambiente por analisador de dispositivo semicondutor (Agilent B1500A) e gerador de função de pulso arbitrário (Agilent 81160A).

Resultados e Discussão

As características IV típicas de dispositivos RRAM baseados em Ru são mostradas na Fig. 2a. Após eletroformação, tensão positiva (2,5 V) foi aplicada para processo de set para comutar a célula de estado de alta resistência (EAR) para estado de baixa resistência (EBR) com corrente de compliance de 1 mA para prevenir ruptura permanente durante formação de filamento condutor (FC). Após transição de set, tensão negativa (−2,3 V) foi usada para comutar dispositivo de EBR para EAR com corrente decrescente gradual. Para avaliar variabilidade de resistência de dispositivo para dispositivo, 10 células RRAM baseadas em Ru foram escolhidas arbitrariamente. Como mostrado na Fig. 2b, resultados estatísticos demonstram excelente uniformidade de EAR e EBR com janela de resistência maior que 10³, que poderia ser candidato promissor para aplicações de lógica baseada em NVM. Comparado a dispositivos baseados em Pt previamente reportados, vale notar que fenômeno de RDN foi observado durante processo de set, onde a corrente diminui com tensão crescente (set-fase 1) em escala de tensão limitada seguida por aumento até corrente de compliance (set-fase 2).

A variabilidade ciclo-a-ciclo de dispositivos RRAM baseados em Ru também foi investigada sob modo de pulso para estudar uniformidade de ciclagem. Pulsos para set (2,4 V, 15 ns) e pulso (−3 V, 100 ns) são usados para comutar dispositivo entre EBR e EAR com tensão de leitura de 0,1 V após cada pulso. Como mostrado na Fig. 3a, o dispositivo de 1000 ciclos tem distribuição uniforme com desvios padrão de 379 Ω e 3 × 10⁵ Ω para EBR e EAR, resultando em janela de memória estável maior que 100. Nenhuma degradação de endurance ocorre mesmo após 10⁶ ciclos de comutação como previamente reportado na Ref. [15]. Além disso, o dispositivo também demonstra excelente propriedade de retenção como mostrado na Fig. 3b. Ambas resistências EBR e EAR mantêm valor constante por 10⁵ s a 120 °C sem falha.

Para explorar o fenômeno de RDN, as curvas I-V foram medidas em ambos modos de varredura de tensão e varredura de corrente. Figura 4a exibe processo de formação de cinco células RRAM frescas selecionadas aleatoriamente. A corrente aumenta gradualmente seguida por ruptura, indicando formação de FC, enquanto nenhum RDN foi observado. Após eletroformação, operações de set em diferentes modos de varredura são conduzidas na mesma célula para observar variação de corrente, como mostrado na Fig. 4b. Para set impulsionado por corrente, a corrente aumenta lentamente com diminuição súbita de tensão, demonstrando transição de resistência de EAR para EBR. Este comportamento é distinto da característica impulsionada por tensão, que pode ser devida a aquecimento Joule induzido por diferentes estímulos através do FC. Além disso, operações consecutivas de set/reset sob diferentes bias foram realizadas para investigar estado de resistência intermediário na região de RDN. Tensão de parada apropriada de 1 V foi aplicada durante processo de set, como mostrado na Fig. 4c, para terminar varredura no fundo do vale. Estado de resistência não volátil foi obtido após remoção da tensão, que exibiu comportamento de comutação resistiva unipolar. Portanto, este fenômeno de RDN é tentativamente atribuído a um segundo reset do FC durante processo de set.

Combinado com medições em diferentes modos e processos de fabricação de dispositivos bem como propriedades de RuO₂, a origem física do fenômeno de RDN foi proposta, como ilustrado na Fig. 5. Estudo prévio sugeriu que geração e recombinação de lacuna de oxigênio empobrecida de elétrons (Vₒ) e íon oxigênio (O²⁻) sob diferentes polaridades elétricas são responsáveis por dispositivos RRAM bipolares convencionais baseados em HfOₓ, que é similar aos processos de set-fase 2 e reset. Contudo, diferente do processo de set convencional, uma segunda ruptura do FC ocorre desconectando o eletrodo de Ru e FC e levando ao RDN. Em geral, átomos de oxigênio dissociam-se em Vₒ e O²⁻ sob campo elétrico com deriva de O²⁻ para o eletrodo superior, deixando Vₒ para formar FC usado para transporte de elétrons. Mas devido ao aquecimento Joule causado pelo campo elétrico, a camada interfacial de RuO₂ formada lentamente se decompõe a ~600 °C e libera O²⁻ que poderia recombinar com Vₒ empobrecido de elétrons (Vₒ²⁺) próximo ao eletrodo de Ru (set-fase 1), resultando em diminuição de corrente. Este processo também pode ser visto como processo de reset unipolar parcial. Com aumento adicional de tensão, o FC entre ES e EI será reconstruído por acúmulo de Vₒ como mostrado na set-fase 2 e célula RRAM comuta para EBR. Durante reset, dois processos ocorrem simultaneamente: (1) O²⁻ liberado do eletrodo de TiN recombinam rapidamente com Vₒ carregados positivamente devido à seção de captura aprimorada, (2) O²⁻ derivando em direção ao EI reage com Ru e reforma a camada interfacial de RuO₂ devido ao aquecimento Joule local. Nesta condição, a célula RRAM comuta para EAR.

Análise XPS da camada interfacial de RuO₂, que foi formada durante processo de fabricação do dispositivo, também suporta a explicação proposta do efeito RDN. Figura 6a mostra espectro XPS completo da amostra, que inclui O 1s, Ru 3d, Al 2p, e Hf 4f níveis de núcleo. Os outros picos não marcados todos correspondem a estes elementos com diferentes orbitais eletrônicos. A curva de ajuste na Fig. 6b ajusta-se perfeitamente aos dados experimentais e é dividida em quatro picos, que correspondem aos níveis de núcleo Ru 3d₅/₂ (280,01 eV para Ru e 280,75 eV para RuO₂) e Ru 3d₃/₂ (284,3 eV para Ru e 285,26 eV para RuO₂), demonstrando coexistência de Ru e RuO₂ no filme fino. A baixa intensidade do pico Ru 3d₅/₂ indica que a camada interfacial de RuO₂ formada é muito fina como esperávamos.

Conclusão

Neste estudo, dispositivo RRAM CMOS-compatível Ru/AlOᵧ/HfOₓ/TiN foi fabricado. Excelente desempenho de comutação foi alcançado com resistência dispositivo-a-dispositivo uniforme e grande janela de resistência bem como boa propriedade de retenção em alta temperatura. Baseado em medições elétricas e análise XPS, o fenômeno de RDN no processo de set pode ser explicado pela recombinação de lacunas de oxigênio e íons oxigênio liberados da camada interfacial de RuO₂ devido ao aquecimento Joule induzido por campo elétrico.

Abreviações

ALD:

Deposição atômica

FC:

Filamento condutor

EAR:

Estado de alta resistência

EBR:

Estado de baixa resistência

RDN:

Resistência diferencial negativa

PECVD:

Deposição química de vapor aprimorada por plasma

RRAM:

Memória de acesso aleatório resistiva

SCM:

Memória de classe de armazenamento

XPS:

Espectroscopia de fotoelétrons por raios X