Retentiemodel van TaO/HfO x en TaO/AlO x RRAM met zelfherstellende schakelkenmerken

Resultaten en discussie

De elektrische metingen werden uitgevoerd met een HP4156C halfgeleiderparameteranalysator. De ingestelde en reset stroomdichtheid (J ) versus spanning (J –V ) krommen van TaO/HfO _x en TaO/AlO _x apparaten worden respectievelijk getoond in Fig. 2a, b. Beide initiële weerstandstoestanden (R _initiaal ) van de TaO/HfO _x en TaO/AlO _x apparaten waren HRS. De maagdelijke geheugenapparaten waren geprogrammeerd op LRS met positieve vooringenomenheid en werden teruggeveegd. Vervolgens werd elke cel overgeschakeld van LRS naar HRS door aangelegde negatieve spanning. Beide J–V plots bevatten drie celgroottes, namelijk 0,1, 0,56 en 25 m ² . In de J–V plots lijken alle curven van apparaten met verschillende oppervlakten op elkaar, wat zowel TaO/HfO _{x aangeeft} en TaO/AlO _x apparaten hadden (i) dezelfde stroomdichtheid in de begintoestand, (ii) vergelijkbare set- en resetspanningen, en (iii) dezelfde stroomdichtheid in LRS en HRS. Bovendien wordt de eigenschap van constante stroomdichtheid duidelijk geïllustreerd door de weerstand versus oppervlakte (R –A ) plots in Fig. 2c, d. De sterke gebiedsafhankelijkheid in beide R _initiaal en LRS kan worden waargenomen door de regeling van de stroomdichtheid. Ongeacht de schaal van het celoppervlak en de compliantiestroom, wordt in beide apparaten dezelfde aan/uit-weerstandsverhouding behouden. Deze schakelkarakteristiek met constante stroomdichtheid houdt in dat de geheugencellen uniform worden geprogrammeerd of gewist door het elektrische veld. Van deze apparaten wordt aangenomen dat ze schakeleigenschappen van het trapping-type hebben, die sterk verband houden met de modulatie van vacatures [8]. In het geval van trapping-type RRAM is er geen scherpe stroomsprong waargenomen tijdens het instelproces, maar scherpe stroomsprongen zijn vaak waargenomen voor draadvormig RRAM. In het huidige onderzoek werden verschillende schakelspanningen waargenomen voor de verschillende schakellagen met HfO _x of AlO _x . Het ingestelde spanningsbereik van een TaO/AlO _x apparaat is 4 tot 4,5 V, wat groter is dan dat van een TaO/HfO _x apparaat (3 tot 4 V). Het resetspanningsbereik van een TaO/AlO _x apparaat is −1,5 tot −2,5 V, wat groter is dan die van een TaO/HfO _x apparaat (−0,5 tot −1,5 V). Een AlO _x systeem verbruikt meer energie om de set- en resetschakelaars te voltooien dan een HfO _x systeem verbruikt. Tijdens het instellen van schakelaars worden de schakellagen HfO _x en AlO _x bereik zachte storingen bij spanningen van respectievelijk ongeveer 3 en 3,5 V. In beide soorten apparaten wordt de stroom, voordat zich filamenten vormen in de schakellaag, beperkt door de interne weerstand van de TaO-laag. Tijdens het zelf-nalevingsproces van trapping-type RRAM, worden overmatige zuurstofvacatures gegenereerd in de schakellaag [7]. Die zuurstofvacatures worden opnieuw gecombineerd tijdens het resetproces met negatieve voorspanning. In tegenstelling tot draadvormig RRAM, is de HRS altijd lager dan de initiële weerstandstoestand (IRS) na een reset-operatie [15,16,17]. Samenvattend, defect-trapping is een proces dat vacatures moduleert door middel van zuurstof-ion-vacature-recombinatie om de weerstandsvariatie in de schakellaag te beheersen. Vergeleken met een HfO _x schakellaag, defect-trapping veroorzaakt hogere spanning en vermogen in de AlO _x laag tijdens zowel het instellen als het resetten van een schakelaar.

Stroomdichtheid met spanningsgrafiek van a TaO/HfO _x apparaten met verschillende celgroottes. b TaO/AlO _x apparaten met verschillende celgroottes. De weerstand versus de oppervlaktegrafiek van c a TaO/HfO _x apparaat en d a TaO/AlO _x apparaat. Beide grafieken bevatten de IRS en LRS met leesspanning = 2 V. Elk datapunt levert het gemiddelde van 10 apparaten en de bijbehorende standaarddeviatie

Nadat het schakelgedrag was onderzocht, werd het HRS- en LRS-retentiegedrag van de geheugeneenheden van het trapping-type onderzocht. De grafieken van weerstandsvariatie versus tijd bij 85°C en 1 V voor de TaO/HfO _x en TaO/AlO _x apparaten worden getoond in Fig. 3a, b. In beide plots is de LRS-variatie meer uitgesproken dan de HRS-variatie. De weerstandsstabiliteit van TaO/AlO _x is hoger dan die van TaO/HfO _x . De figuren illustreren dat de HRS's voor beide soorten apparaten de neiging hadden om naar de IRS's te drijven; de IRS's zijn gemarkeerd met stippellijnen in Fig. 3a, b. De trend van weerstand die terugkeert naar de maagdelijke staat van het apparaat wordt weergegeven in figuur 3c voor TaO/AlO _x en in Fig. 3d voor TaO/HfO _x . Om dit te realiseren, werden beide typen apparaten aanvankelijk geprogrammeerd op LRS bij kamertemperatuur, zoals weergegeven in de I–V veegt (zwarte lijn). Vervolgens wordt de TaO/AlO _x en TaO/HfO _x apparaten werden respectievelijk 48 uur in ovens bij 150 ° C en 120 uur bij 120 ° C gebakken. Voor beide gevallen is de I–V sweep na te zijn gebakken was vergelijkbaar met de eerste sweep. Door deze procedure werden de LRS's van apparaten van het trapping-type na verloop van tijd in een omgeving met hoge temperaturen teruggebracht naar de oorspronkelijke toestand. In tegenstelling tot apparaten van het filamenttype, die een opmerkelijke beweging van zuurstofatomen vertonen, hebben apparaten van het vangtype paren zuurstofionen en vacatures die door korte afstanden van elkaar zijn gescheiden. De neiging van weerstand die afdrijft naar de begintoestand houdt verband met de oorspronkelijke kristalliniteit, die voornamelijk wordt geregeld door de procestemperatuur van ALD. Als gevolg hiervan kunnen de LRS'en in beide typen apparaten worden gereset naar HRS'en (of IRS's) door negatieve voorspanning of thermische energie. Deze eigenschap is anders bij filamentair RRAM.

Plots van weerstandsvariatie versus tijd voor a TaO/HfO _x en b TaO/AlO _x apparaten. Beide grafieken bevatten HRS- en LRS-variatie bij leesspanning  =-1 V bij 85 °C. Na de ik –V sweeps van elk nieuw apparaat waren ingesteld, het apparaat werd gebakken en vervolgens opnieuw op LRS geprogrammeerd:c TaO/AlO _x (150 °C gedurende 48 uur); d TaO/HfO _x (120 °C gedurende 120 u)

Bij standaardretentietests voor niet-vluchtig geheugen wordt dataretentie getest bij zowel kamertemperatuur als bij hoge temperatuur; apparaten moeten gegevens bij zowel kamertemperatuur als bij hoge temperatuur kunnen vasthouden om bruikbaar te zijn in echte toepassingen. Activeringsenergie (E _een ) extractie met de Arrhenius-methode in de retentieplot is een gebruikelijke methode om gegevensretentie te evalueren [18, 19]. Zoals te zien is in figuur 3a, is de LRS-variatie meer uitgesproken dan de HRS-variatie. Daarom is de weerstandsverhouding (R _verhouding ) van LRS versus baktijd bij temperaturen variërend van 30 tot 150 ° C werd geanalyseerd. Een voorbeeld van extractie van retentietijd uit een TaO/AlO _x apparaat wordt getoond in Fig. 4a. De degradatiesnelheid van de weerstand kan worden berekend door de helling van lineaire aanpassing in log(R _verhouding )-log(tijd) schaal. Door rekening te houden met de maximale aan/uit-weerstandsverhouding van ongeveer 10 ³ voor een TaO/AlO _x apparaat, zoals weergegeven in Afb. 3c, een retentietijd met 10 ³ keer kan de LRS-variatie worden berekend. De geschatte bewaring van LRS-gegevens bij meettemperaturen van 30 tot 150 °C wordt weergegeven in figuur 4b. Elk datapunt vertegenwoordigt informatie van meer dan 18 apparaten voor beide apparaattypen. In een TaO/AlO _x apparaat, het bewaren van gegevens is zo hoog als 10 ⁶ s bij 150 °C en 2 × 10 ⁸ s (ongeveer 5 jaar) bij kamertemperatuur; die tijden zijn bijna 10 ^1,5 keer langer dan die van een TaO/HfO _x apparaat. Het meest interessante punt is dat zowel TaO/HfO _x en TaO/AlO _x apparaten tonen dezelfde E _een = 0,38 eV, zoals berekend op basis van de geëxtraheerde helling. Dezelfde E _een houdt in dat beide soorten apparaten vergelijkbare chemische reacties ondergaan in het LRS-degradatieproces. Deze E _een is betrokken bij alle thermisch geactiveerde kinetische processen, inclusief het vrijkomen van zuurstofionen nabij TaO-interfaces en de zuurstofdiffusieprocessen in AlO _x en HfO _x lagen. De zuurstof-zelfdiffusiecoëfficiënten van HfO _x en AlO _x lagen zijn verschillend bij hoge temperaturen (>1000 °C); exacte metingen zijn te vinden in de literatuur [20, 21]. De zuurstofdiffusiecoëfficiënt bij lage temperatuur (<200 °C) hangt ook af van de dikte van HfO _x diëlektrica [22]. Als de diffusieprocessen in schakellagen de chemische reactie domineren, dan is de E _een waarden moeten verschillend zijn vanwege de verschillende diffusiecoëfficiënten in HfO _x en AlO _x lagen. Beide soorten apparaten in dit werk vertoonden dezelfde E _een = 0,38 eV; dit had te maken met het feit dat beide typen apparaten dezelfde afdeklaag van TaO bovenop de schakellagen hadden. LRS-degradatie is een proces van recombinatie van vacatures en ionen, wat betekent dat de TaO-laag deze chemische reactie regelt en dat de meeste vacatures dicht bij het grensvlak tussen de TaO en de schakellaag zitten. Die vacatures blijven liever op de TaO/switching layer-interface; dit fenomeen zou kunnen worden ondersteund door het oogpunt van thermodynamische stabiliteit, zoals gerapporteerd door Zhong et al. [23]. In hun simulatie van TiN/Ta/HfO _x /TiN-stacks, de zuurstofionen bleven liever op de Ta/HfO _x interface omdat er een laag energieverschil bestond tussen Ta en HfO _x [23]. In hun simulatie, zoals in de huidige experimenten, ving de TaO-weerstandslaag de meeste zuurstofionen op en domineerde dit vacature-recombinatieproces. LRS-degradatie is schematisch weergegeven in figuur 4c. De zuurstofionen keren tijdens het bakproces terug naar de vorige thermische evenwichtstoestand, wat resulteert in retentieverlies. Er kunnen verschillen worden opgemerkt tussen de Ta/HfO _x apparaat zoals voorgesteld door Zhong et al. en de TaO/HfO _x apparaat in deze studie, maar in beide studies werd de TaO-laag gevormd door verschillende cycli van metaal Ta-afzetting en LTPO-processen [14]. Door het LTPO-proces wordt het metaalrijke TaO/HfO _x interface kan worden beschouwd als een zuurstofionenreservoir. Tijdens het recombinatieproces van zuurstofionen en vacatures speelt de atoompakkingsdichtheid een essentiële rol. De superieure LRS-retentie-eigenschappen verkregen in de AlO _x schakellaag kan worden verklaard door de hoge atoomdichtheid van de AlO _x laag. Het is algemeen bekend dat de bindingslengte van Al–O korter is dan die van Hf–O [24, 25]. De korte binding in de AlO _x vermindert de mobiliteit van zuurstofionen als gevolg van hoge coulomb-interactie, wat resulteert in een hoge diffusiebarrière voor zuurstofvacatures. Deze barrière zorgt ervoor dat de retentietijd langer is in een TaO/AlO _x apparaat dan in een TaO/HfO _x een.

een Weerstandsvariatieverhouding versus baktijd voor verschillende temperaturen in TaO/AlO _x apparaten. De gemiddelde initiële weerstand was 179 MOhm met een leesspanning van 2 V, en de degradatiesnelheid van de LRS-weerstand werd berekend met de lineaire aanpassingsmethode in log(R _verhouding )–log(T) schaal. b Geschatte retentietijd (1000×) versus 1/kT-plot. Elk punt bevat gegevens van 18 apparaten die zijn genomen bij een leesspanning van 2 V. De geëxtraheerde activeringsenergieën waren 0,38 eV in zowel de TaO/AlO _x en TaO/HfO _x apparaten. c Retentieschema van verschillende zuurstofdiffusiebarrières in HfO _x of AlO _x met een TaO afdeklaag

Bovendien is het retentieverliesmodel van een apparaat van het draadtype anders dan dat van een apparaat van het defectvangende type. Het retentiegedrag voor filamentair-type RRAM is gerelateerd aan filamentbreuk en de vacaturediffusierichting is lateraal [11, 19, 24]. Bij defect-trapping RRAM is de diffusierichting van het defect longitudinaal, wat evenwijdig is aan het externe elektrische veld. Daarom kan het retentiegedrag worden beïnvloed door de richting en grootte van de bias. Afbeelding 5a, b toont de on-bias retentie door de weerstandsverhouding voor de twee apparaten. De weerstandsverhouding wordt gedefinieerd als de weerstand van het stressapparaat tegen de weerstand van de LRS. Een positieve bias kan helpen om de LRS te behouden, maar een negatieve bias versnelt het degradatieproces. Die on-bias-eigenschappen kunnen worden verklaard door de interactie tussen het gelokaliseerde veld van paren zuurstofionen en vacatures en het externe elektrische veld. Als de richting van het externe veld hetzelfde is als de ingestelde richting (positief), verlengt dit de retentietijd; als het externe veld zich in de resetrichting (negatief) bevindt, veroorzaakt dit degradatie. In een laag elektrisch veld met ± 100 mV is de on-bias-degradatie hetzelfde als de non-bias-degradatie in beide typen apparaten. Deze afwijking van ± 100 mV kan worden gedekt door de bandoffsets van TiON-HfO _x , TiON-AlO _x , en TiN-TaO-knooppunten. Een TaO/AlO _x apparaat onder een hoge positieve bias van 500 mV vertoont geen duidelijke degradatie.

On-bias weerstandsverhouding versus stresstijd voor a TaO/HfO _x en b TaO/AlO _x apparaten op kamertemperatuur