Geleidingsmechanisme en verbeterd uithoudingsvermogen in HfO2-gebaseerd RRAM met nitridatiebehandeling

Resultaten en discussie

Een elektroformingproces is vereist om alle RRAM-apparaten te activeren met behulp van een DC-bias met een compliantiestroom van 10 A, zoals weergegeven in figuur 1a. Na het vormingsproces worden de elektrische stroom-spanning (I-V) eigenschappen van de HfO₂ gebaseerde RRAM werden vergeleken bij het begin en na de nitridatiebehandeling. Bij LRS was de stroom duidelijk verminderd in vergelijking met die van onbehandelde HfO₂ dunne film, zoals weergegeven in Fig. 1b. De huidige reductie kan worden toegeschreven aan de defecten die zijn gepassiveerd door de NH₃ molecuul in de behandelingsoplossing. We ontdekten dat de HRS-verdeling veel stabieler is na de nitridatiebehandeling, zoals in de inzet van figuur 1b. De weerstandstoestanden worden geëxtraheerd met een leesspanning van 0,1 V tijdens de 100 sweepcycli met DC-werking (inzet van figuur 1b). De weerstand aan/uit-verhouding was iets verminderd na de nitridatiebehandeling. Interessant genoeg werd een zelf-conformiteit resistieve schakeleigenschap waargenomen in deze HfO₂ -gebaseerde RRAM-apparaten na de behandeling, zoals weergegeven in Fig. 1c. Na meer dan 10 ³ veegcycli, werd een herhaalbare zelfbeschermende eigenschap van het apparaat zonder harde storing waargenomen. De retentietijd werd geëvalueerd bij 85°C en bleef stabiel, zelfs na 10 ⁴ s zowel in HRS als LRS.

Om de prestaties van het apparaat verder te evalueren, zijn de duurzaamheidstests van HfO₂ -gebaseerde RRAM werden uitgevoerd voor de initiële en na de nitridatiebehandeling, zoals weergegeven in Fig. 2. In het onbehandelde apparaat na 10 ⁶ veegcycli neemt de HRS/LRS-verhouding aanzienlijk af van 100:1 tot 5:1, zoals weergegeven in figuur 2a. Na de nitridatiebehandeling, echter zelfs na meer dan 10 ⁹ veegcycli vertoonde het apparaat een stabiele HRS / LRS-verhouding, zoals in figuur 2b. Deze resultaten geven aan dat het nitridatieproces HfO₂ . verbeterde -gebaseerd RRAM om te presteren met superieure schakelfuncties en betrouwbaarheid. Om deze resultaten verder te onderzoeken, werd FTIR-analyse gebruikt om de chemische veranderingen van de HfO₂ waar te nemen. dunne film, zoals weergegeven in Afb. 3. Een scherpe piek op 1589 en 1311 cm ⁻¹ verscheen na de nitridatiebehandeling, overeenkomend met de symmetrische en asymmetrische rektrillingspiek van een N–O-binding [20]. Verder is de piekintensiteit van N–H-bindingen bij 1471 cm ⁻¹ [21] nam toe als gevolg van het nitridatieproces door ureum/ammoniakcomplex stikstofbron (inzet van Fig. 3). Daarom kunnen we de vorming van stikstofhoudende verbindingen afleiden na de nitridatiebehandeling.

Vergelijking van uithoudingstijden in HfO₂ -gebaseerd RRAM:a initiaal en b na nitridatiebehandeling. De onderste diagrammen zijn de bijbehorende apparaatstructuren en duurpulscondities

De vergelijking van FTIR-spectra van HfO₂ dunne films tussen initiële en na nitridatiebehandeling

Om het resistieve schakelmechanisme te verduidelijken, analyseerden we het stroomgeleidingsmechanisme van de HfO₂ dunne film met en zonder de nitridatiebehandeling, getoond in Fig. 4a en d. Voor de onbehandelde HfO₂ dunne film, werden de elektronen door de defecten overgebracht, zodat het stroomgeleidingsmechanisme werd gedomineerd door Poole-Frenkel-geleiding volgens de lineaire relatie tussen ln(I/V) en de vierkantswortel van de aangelegde spanning (V ^{1 /2} ) op HRS, zoals weergegeven in Fig. 4b [22].

een Analyse stroomgeleidingsmechanisme van HRS uit IV-curven in HfO₂ -gebaseerde RRAM tussen initiële en na nitridatiebehandeling. b Het Poole-Frenkel stroomgeleidingsmechanisme van HRS in HfO₂ gebaseerd RRAM. c Het Schottky-emissiestroomgeleidingsmechanisme van HRS in HfO₂ -gebaseerde RRAM na de nitridatiebehandeling. d Analyse stroomgeleidingsmechanisme van LRS dat transformeert naar SCLC van ohmse geleiding na nitridatiebehandeling in HfO₂ -gebaseerd RRAM; de inzetafbeelding toont het huidige SCLC-aanpasresultaat. e Het Ohmse geleidingsmechanisme van LRS in HfO₂ -gebaseerde RRAM die kenmerkend is in de huidige negatieve correlatie met temperatuur. v Het SCLC-mechanisme van LRS in HfO₂ -gebaseerd RRAM dat onafhankelijk is van de temperatuur na de nitridatiebehandeling

HfO₂ . daarentegen -gebaseerde RRAM vertoonde het Schottky-emissiemechanisme volgens de lineaire relatie tussen ln(I/T ² ) en de vierkantswortel van de aangelegde spanning (V ^1/2 ) van HRS, zoals weergegeven in Fig. 4c [23, 24]. Dit komt door de afname van defecten en bungelende bindingen, aangezien bindingen na de nitridatiebehandeling worden gepassiveerd door stikstofatomen. Daarnaast analyseerden we ook het huidige geleidingsmechanisme met en zonder behandeling bij LRS in HfO₂ gebaseerd RRAM. Op LRS, het dragertransportmechanisme van de onbehandelde HfO₂ -gebaseerde RRAM werd gedomineerd door ohmse geleiding, waarbij de stroom afneemt met toenemende temperatuur, zoals weergegeven in figuur 4e. Na nitridatiebehandeling gaat het stroomgeleidingsmechanisme over op ruimtelading beperkte stroom (SCLC) met een helling van 1,52. De I-V-curve is niet relatief aan de temperatuur, met een lineair verband tussen ln(I) en het kwadraat van de aangelegde spanning V ² op LRS, zoals weergegeven in Afb. 4f [25].

We hebben een model voorgesteld om de kenmerken van het stroomgeleidingsmechanisme te verklaren, en het wordt getoond als Fig. 5. Er zijn dus twee compenserende dipolen geassocieerd met N- en O-atomen en een Hf-atoom (dwz de reeks O-Hf-O wordt vervangen door O–Hf–N–O) na dotering van N-atomen in HfO₂ dunne film. Omdat de negativiteit van stikstofelektronen lager is dan die van zuurstof, is de dipool van de Hf-N-binding lager dan de Hf-O-binding, waardoor een gebied met een lagere diëlektrische constante ontstaat. Wanneer een positieve bias wordt toegepast tijdens het SET-proces, wordt een reeks Hf-N-Ox-vacatures gevormd vanwege hun lagere diëlektrische constante, en vormen vervolgens vacatureclusters (Vo ⁺ ). Het geleidende pad vormt zich meestal samen met de Hf-N-Ox-leegstandclusters (Vo ⁺ ) omdat stikstofatomen zuurstofionen rond de clusters vangen, zoals weergegeven in figuur 5b. De aanwezigheid van deze isolerende Hf–N–Ox leegstandclusters (Vo ⁺ ) resulteert in stroomreductie en het zelfcompliance-effect gevonden in HfO₂ -gebaseerd RRAM.

Een schema van de migratie van zuurstofionen door het ingestelde proces in HfO₂ -gebaseerd RRAM voor a initiaal en b na nitridatiebehandeling, die Hf-N-Ox-leegstandclusters vormen (V_o ⁺ )