Seletor Ag-Doped Ga₂Te₃: Comutação de Limiar de Ultra-Alta Resistência para Memória Cross-Point 3D

Resumo

A comutação de limiar em calcogenídeos atraiu considerável atenção devido ao seu potencial de aplicação em estruturas de array cross-point tridimensionais e de alta densidade. No entanto, apesar de suas excelentes características de comutação de limiar, a seletividade e a resistência de tais seletores devem ser melhoradas para aplicação prática. Neste estudo, o efeito do Ag no comportamento de comutação de limiar de um seletor Ga₂Te₃ foi investigado em termos de seletividade e resistência. O seletor Ag-Ga₂Te₃ exibiu alta seletividade de 10⁸ com corrente de estado desligado baixa de < 100 fA, inclinação de ligação íngreme de 0,19 mV/dec e alta resistência de 10⁹ ciclos. A resposta transitória foi verificada como dependente da tensão de pulso de entrada e da temperatura de medição. Considerando suas excelentes características de comutação de limiar, o seletor Ag-Ga₂Te₃ é um candidato promissor para aplicações em estruturas de array cross-point.

Introdução

A memória de acesso aleatório resistiva (RRAM) tem sido investigada como candidata promissora para memória não volátil de próxima geração, devido à sua operação simples, baixo consumo de energia, potencial de empilhamento tridimensional (3D), escalabilidade e estrutura simples. No entanto, a corrente parasita que passa através de células adjacentes deve ser reduzida para evitar falhas operacionais potenciais que podem ocorrer em estruturas de array cross-point (CPA) 3D com alta densidade de células. Dispositivos seletores de dois terminais com correntes de estado desligado baixas e altas razões liga/desliga são favorecidos para resolver tais problemas de corrente parasita.

Diversos tipos de dispositivos seletores com características de comutação de limiar (TS) foram propostos anteriormente, incluindo comutador de limiar ovônico (OTS), transição metal-isolador (MIT), comutador de limiar superlinear assistido por campo (FAST), metalização eletroquímica (ECM) e condução mista iônico-eletrônica (MIEC). No entanto, a seletividade e a corrente de fuga de seletores OTS e MIT devem ser melhoradas para aplicações práticas; a natureza dos materiais usados para seletores FAST não é conhecida. Enquanto isso, dispositivos ECM e MIEC com Ag ou Cu atraíram atenção considerável devido às suas desejáveis características TS, incluindo baixa corrente de fuga, alta razão liga/desliga, inclinação de ligação íngreme e grande histerese entre a tensão de limiar (V_TH) e a tensão de retenção (V_Hold). Em uma estrutura um-seletor-um-resistor (1S1R), a janela de tensão para a operação de leitura é determinada pela tensão de set (V_Set) da memória e V_TH do seletor. Como V_Set varia de acordo com os materiais usados para o dispositivo de memória, a modulação de V_TH é necessária para facilitar a operação de um dispositivo 1S1R. Além disso, a grande diferença entre V_TH e V_Hold pode aliviar a complexidade operacional de uma estrutura CPA e relaxar os rigorosos requisitos de correspondência de tensão.

O mecanismo de comutação de tais dispositivos seletores usando um metal ativo, como Ag ou Cu, baseia-se na formação e dissolução do canal de condução metálico. Portanto, a matriz do material eletrolítico afeta significativamente a migração do metal ativo e a velocidade de comutação do seletor. A velocidade de comutação de um seletor baseado em eletrolito à base de óxido é geralmente mais lenta que a ordem de microssegundos, o que é relativamente lento quando comparado com seletores OTS ou MIT relatados anteriormente. Enquanto isso, defeitos em filmes de calcogenídeo, como Te não ligado (NBT), podem reduzir a energia de ativação para a migração de íons de metal ativo; portanto, materiais calcogenídeos são preferíveis para a migração rápida de íons de metal ativo. No entanto, devido ao seu canal de condução metálico formado aleatoriamente, esses materiais têm desvantagens em termos de sua característica de resistência de comutação, que é um fator crucial para seletores. A resistência de um dispositivo ECM pode ser melhorada de 10³ para 10⁶ ciclos usando uma camada intermediária de buffer. No entanto, melhorias adicionais de resistência são necessárias para aplicações práticas de tais dispositivos em estruturas CPA.

Neste estudo, um Ga₂Te₃ amorfo altamente defeituoso foi usado como camada de comutação inserindo uma camada de Ag para investigar as características TS em termos de baixa corrente de fuga (corrente de estado desligado), alta seletividade, modulação de V_TH e V_Hold, e alta resistência. O Ga₂Te₃ amorfo é vantajoso como material eletrolítico porque existem vários NBTs que reduzem a energia de ativação da migração de Ag e lacunas de Ga, que atuam como sítio de migração para Ag em filmes de Ga₂Te₃ amorfos.

Métodos

Dispositivos seletores de pilhas TiN/Ag/Ga₂Te₃/TiN foram fabricados com estrutura via-hole para investigar suas características TS, como mostrado na Figura 1a. Primeiro, plugs de TiN com tamanho de 0,42 µm × 0,42 µm foram formados como eletrodos inferiores (BEs). Filmes finos de Ga₂Te₃ com espessura de 40 nm foram depositados por co-sputtering RF magnetron usando alvos de Ga₂Te e Te. Subsequentemente, um filme de Ag com espessura de 10 nm foi depositado sobre filmes de Ga₂Te₃ por sputtering DC magnetron. Finalmente, um eletrodo superior (TE) de TiN foi formado usando sputtering DC magnetron e método lift-off.

As propriedades elétricas foram investigadas usando um analisador Keysight B1500A a 298 K. Testes de comutação DC foram conduzidos com corrente de conformidade (I_comp) para evitar a ruptura dura de dispositivos TS. Além disso, medições AC I-V foram conduzidas com resistência de carga externa de 1 MΩ para evitar a ruptura dos dispositivos. A microestrutura do dispositivo foi investigada usando microscopia eletrônica de transmissão (TEM; JEOL FEM-F200), como mostrado na Fig. 1b. Amostras de TEM de seção transversal dos dispositivos foram preparadas usando sistema de feixe de íons focalizado. A distribuição atômica de Ag no filme de Ga₂Te₃ foi investigada usando medições TEM-espectroscopia de dispersão de energia (EDS).

Resultados e Discussão

A Figura 2a mostra uma imagem TEM de seção transversal da pilha TiN/Ag-Ga₂Te₃/TiN pristina de um dispositivo seletor. A intercamada de Ag com espessura de 10 nm não foi observada no topo do filme fino de Ga₂Te₃. A Figura 2b apresenta o mapeamento EDS dos elementos Ga, Te, Ag e Ti para a região retangular vermelha marcada na Fig. 2a. As imagens de mapeamento EDS mostram que o Ag está uniformemente distribuído no filme de Ga₂Te₃, embora um processo de co-sputtering de Ag não tenha sido aplicado. O filme homogêneo Ag-Ga₂Te₃ pode ter sido formado provavelmente devido à difusão de Ag durante a formação da pilha. Tal homogeneização rápida de Ag também foi relatada para filmes de GeTe. O Ag pode difundir-se no filme fino de Ga₂Te₃ devido a defeitos como NBT e lacunas de Ga nos filmes finos de Ga₂Te₃.

A Figura 3a mostra as características corrente-tensão (I-V) dos dispositivos Ag-Ga₂Te₃ com área de eletrodo inferior de 0,42 µm × 0,42 µm para 100 ciclos consecutivos de varreduras DC. O dispositivo mostrou características TS sem processo de formação. Quando a tensão no TE varreu de 0 a 1,5 V, a corrente de condução aumentou abruptamente em V_TH ≈ 0,87 V para I_comp definido como 1 µA, indicando que o dispositivo comutou de estado de alta resistência (HRS) para estado de baixa resistência (LRS). O dispositivo relaxou de volta ao HRS em V_Hold ≈ 0,12 V quando a tensão foi reduzida de 1,5 para 0 V, demonstrando uma diferença considerável entre V_TH e V_Hold. A corrente de estado desligado em V_TH foi medida como menor que 100 fA, o que corresponde a um dos valores mais baixos quando comparado a seletores baseados em calcogenídeos anteriormente relatados usando metais ativos como Ag ou Cu. A seletividade, definida como a razão entre a corrente de estado ligado e a corrente de estado desligado, foi de aproximadamente 10⁸. Como mostrado na Fig. 3b, as curvas I-V mostraram características TS estáveis para vários valores de I_comp variando de 10 nA a 10 µA, indicando sua flexibilidade na corrente de operação. A TS livre de formação com grande diferença entre V_TH e V_Hold dos dispositivos seletores Ag-Ga₂Te₃ são distintamente favoráveis sobre as características TS de dispositivos seletores OTS apenas de Ga₂Te₃. Como o processo de formação é considerado um obstáculo potencial para aplicações reais de dispositivos, as características livres de formação do dispositivo Ag-Ga₂Te₃ são mais favoráveis do que dispositivos seletores que requerem processo de formação. Além disso, a característica TS com grande histerese do dispositivo seletor Ag-Ga₂Te₃ pode reduzir a complexidade operacional da estrutura CPA e aliviar os rigorosos requisitos de correspondência de tensão. Adicionalmente, o seletor Ag-Ga₂Te₃ mostra uma inclinação de ligação íngreme de 0,19 mV/dec com taxa de varredura de 1,5 mV por passo de medição, como mostrado na Fig. 3c. O dispositivo seletor Ag-Ga₂Te₃ demonstrou excelentes características incluindo sua alta seletividade (10⁸), baixa corrente de estado desligado (<100 fA), inclinação de ligação íngreme (0,19 mV/dec) e características livres de formação.

Como a variação no desempenho do dispositivo é um fator crucial para a aplicação de um seletor a uma estrutura CPA, as distribuições de V_TH, V_Hold, resistência do estado de alta resistência (R_HRS) e resistência do estado de baixa resistência (R_LRS) foram investigadas para 25 dispositivos aleatórios. A Figura 4a mostra que a distribuição da tensão de limiar variou de 0,75 a 1,08 V, enquanto a distribuição da tensão de retenção variou de 0,06 a 0,375 V. Além disso, a distribuição de resistência no HRS variou de 10¹¹ a 10¹⁴ Ω, enquanto a resistência no LRS foi de aproximadamente 10⁶ Ω, como mostrado na Fig. 4b. Devido à formação do canal de condução metálico, dispositivos seletores usando metais ativos como Ag ou Cu exibem características de variação relativamente ampla. Consequentemente, estudos sobre melhoria da confiabilidade dessas características via dopagem ou inserção de camada de buffer têm sido relatados.

Para investigar a resposta transitória do seletor Ag-Ga₂Te₃, a corrente foi medida usando uma unidade de medição rápida de gerador de forma de onda (WGFMU) durante um pulso de tensão com altura de 3 V, tempo de subida-queda de 100 ns e duração de 1,5 µs com resistência de carga externa de 1 MΩ, como mostrado na Figura 5a. A corrente de condução do dispositivo seletor Ag-Ga₂Te₃ atingiu seu valor de pico após 406 ns a partir do ponto em que a tensão atingiu seu máximo de 3 V. Além disso, o dispositivo comutou para o estado desligado dentro de 605 ns após a tensão aplicada ser removida. Portanto, o tempo de ligação e desligamento do seletor Ag-Ga₂Te₃ foram estimados em aproximadamente 400 ns e 600 ns, respectivamente. A comutação lenta do seletor Ag-Ga₂Te₃ pode ser atribuída à migração e reações redox de Ag para a formação do canal de condução. Além disso, a influência da tensão aplicada e da temperatura de medição no tempo de comutação foi investigada com tensão de entrada de 1,5-5 V e temperatura de medição de 298-375 K. O tempo de ligação diminuiu de 1 µs para 294 ns, enquanto o tempo de desligamento aumentou de 400 ns para 849 ns à medida que a tensão de pulso aumentou de 1,5 para 3,5 V, como mostrado na Fig. 5b. A dependência da velocidade de comutação na tensão aplicada é comparável com resultados previamente relatados de camada de Ag em HfO₂ e TiO₂. Além disso, a Fig. 5c mostra que os tempos de ligação e desligamento diminuíram com o aumento da temperatura de medição. De acordo com o gráfico de Arrhenius da velocidade de comutação contra a temperatura de medição mostrado na Fig. 5d, a dependência exponencial da velocidade de comutação na temperatura de medição pode ser atribuída a processos termicamente facilitados, como a difusão de átomos de Ag na matriz do filme eletrolítico. As energias de ativação para ligação e desligamento foram estimadas em 0,50 eV e 0,40 eV, respectivamente, que são comparáveis com as apresentadas em relatório anterior sobre dispositivo baseado em filamento de Ag. Foi relatado que canais condutivos de Ag foram formados sob viés elétrico em HfO₂, SiO₂ e TiO₂. No entanto, neste estudo, o Ag foi observado como uniformemente distribuído em filmes pristinos de Ga₂Te₃. Embora o mecanismo para TS em filmes de Ga₂Te₃ com distribuição uniforme de Ag não seja claramente compreendido, o Ag pode estar relacionado à formação de canais condutivos em filmes de Ga₂Te₃ sob viés elétrico. Portanto, a dependência da velocidade de comutação na tensão de entrada e temperatura de medição do dispositivo seletor Ag-Ga₂Te₃ pode ser atribuída à formação dos canais condutivos.

A característica de resistência AC foi investigada sob a mesma condição de pulso de tensão do teste de velocidade de comutação. As tensões de leitura para HRS e LRS foram 0,5 e 3 V, respectivamente. As resistências medidas de HRS e LRS foram plotadas para 450 pontos por década, como mostrado na Fig. 6. O dispositivo seletor Ag-Ga₂Te₃ exibiu características de resistência estáveis até 10⁹ ciclos mantendo uma seletividade de 10⁸, demonstrando assim excelentes características de resistência de comutação quando comparado com as de outros seletores que utilizaram calcogenídeos e metais ativos.

Conclusões

Neste estudo, demonstramos as características TS estáveis de um dispositivo seletor fabricado usando Ag com alta mobilidade iônica e Ga₂Te₃ amorfo altamente defeituoso como camada de comutação. Análises TEM da estrutura TiN/Ag-Ga₂Te₃/TiN mostraram que a intercamada de Ag embutida foi completamente difundida no filme de Ga₂Te₃ para produzir distribuição uniforme de Ag na camada de Ga₂Te₃. Isso pode ser devido à estrutura altamente defeituosa do Ga₂Te₃ amorfo durante a deposição subsequente de TiN TE. O dispositivo seletor Ag-Ga₂Te₃ exibiu TS livre de formação, grande histerese (1 V), alta seletividade (10⁸), baixa corrente de estado desligado (<100 fA), inclinação de ligação íngreme (0,19 mV/dec) e excelentes características de resistência (10⁹ ciclos). Além disso, medições AC I-V mostraram a velocidade de comutação na ordem de centenas de nanossegundos. A dependência da velocidade de comutação na tensão de pulso pode ser o efeito combinado de migração e reação redox de Ag. Além disso, o comportamento de Arrhenius da velocidade de comutação baseada na temperatura de medição sugeriu que a TS está relacionada a um processo termicamente facilitado. Em conclusão, o dispositivo Ag-Ga₂Te₃ com excelentes características TS e de resistência é um candidato promissor para seletor em aplicações de memória CPA.