Negatief differentieel weerstandseffect in Ru-gebaseerd RRAM-apparaat vervaardigd door Atomic Layer Deposition

Resultaten en discussie

De typische IV-kenmerken van op Ru-gebaseerde RRAM-apparaten worden getoond in figuur 2a. Na het elektroformeren werd een positieve spanning (2,5 V) toegepast voor het instelproces om de cel over te schakelen van een hoge-weerstandstoestand (HRS) naar een lage-weerstandstoestand (LRS) met een compliantiestroom van 1 mA om de permanente storing tijdens de geleidende filament (CF) vorming. Na de ingestelde overgang werd een negatieve spanning (− 2,3 V) gebruikt om het apparaat van LRS naar HRS te schakelen met een geleidelijk afnemende stroom. Om de weerstandsvariabiliteit van apparaat tot apparaat te evalueren, werden willekeurig 10 Ru-gebaseerde RRAM-cellen gekozen. Zoals weergegeven in figuur 2b, demonstreren de statistische resultaten de uitstekende uniformiteit van HRS en LRS met een weerstandsvenster groter dan 10 ³ , wat een veelbelovende kandidaat zou kunnen zijn voor NVM-gebaseerde logische toepassingen. Vergeleken met de eerder gerapporteerde Pt-gebaseerde apparaten [2], is het vermeldenswaard dat een NDR-fenomeen werd waargenomen tijdens het set-proces, waarbij de stroom afneemt met de toenemende spanning (set-fase 1) in een beperkte spanningsschaal gevolgd door toenemende naar conformiteitsstroom (instelfase 2).

een DC-kenmerken. b HRS/LRS statistische distributies van 10 Ru-gebaseerde RRAM-apparaten

De cyclus-tot-cyclus-variabiliteit van op Ru-gebaseerde RRAM-apparaten werd ook onderzocht in de pulsmodus om de fietsuniformiteit te bestuderen. De pulsen voor set (2,4 V, 15 ns) en pulse (-3 V, 100 ns) worden gebruikt om het apparaat te schakelen tussen LRS en HRS met een leesspanning van 0,1 V na elke puls. Zoals weergegeven in figuur 3a, heeft het apparaat van 1000 cycli een uniforme verdeling met standaarddeviaties van 379 Ω en 3 × 10 ⁵ Ω voor LRS en HRS, wat resulteert in een stabiel geheugenvenster groter dan 100. Er treedt geen verslechtering van het uithoudingsvermogen op, zelfs niet na 10 ⁶ schakelcycli zoals eerder gerapporteerd in Ref. [15]. Bovendien vertoont het apparaat ook een uitstekende retentie-eigenschap, zoals weergegeven in figuur 3b. Zowel de LRS- als de HRS-weerstand behouden een constante waarde van meer dan 10 ⁵ s bij 120 °C zonder storing.

een 1000 uithoudingscycli. b Retentiegedrag bij hoge temperatuur van een Ru/AlO_y /HfO_x /TiN RRAM-apparaat

Om het NDR-fenomeen te onderzoeken, heeft de I–V curven werden gemeten in zowel de spanningszwaaimodus als de stroomzwaaimodus. Afbeelding 4a toont het vormingsproces van vijf willekeurig geselecteerde verse RRAM-cellen. De stroom neemt geleidelijk toe, gevolgd door een abruptie, wat wijst op de vorming van CF, terwijl er geen NDR werd waargenomen. Na het elektroformeren worden in dezelfde cel instelbewerkingen in verschillende zwaaimodi uitgevoerd om de stroomvariatie te observeren, zoals weergegeven in figuur 4b. Voor de stroomgestuurde set neemt de stroom langzaam toe met een plotselinge afname van de spanning, wat de overgang van weerstand van HRS naar LRS aantoont. Dit gedrag verschilt van het kenmerk dat wordt aangedreven door spanning, wat te wijten kan zijn aan de verschillende stimuli-geïnduceerde Joule-verwarming over de CF. Bovendien werden opeenvolgende set / reset-bewerkingen onder verschillende vooroordelen uitgevoerd om de tussenliggende weerstandstoestand in het NDR-gebied te onderzoeken. Tijdens het instelproces werd een geschikte stopspanning van 1 V toegepast, zoals weergegeven in figuur 4c, om de zwaai op de bodem van de vallei te beëindigen. Een niet-vluchtige weerstandstoestand werd verkregen nadat de spanning was verwijderd, die een unipolair resistief schakelgedrag vertoonde. Daarom wordt dit NDR-fenomeen voorlopig toegeschreven aan een tweede reset van de CF tijdens het instelproces.

een Spanningsvorming van vijf Ru-gebaseerde RRAM-apparaten. b Spanningsgestuurde en stroomgestuurde setprocessen in dezelfde RRAM-cel. c Onvolledig instelproces met de stopspanning op de bodem van de huidige vallei

Gecombineerd met de metingen in verschillende modi en fabricageprocessen van apparaten, evenals de eigenschappen van RuO₂ , werd de fysieke oorsprong van het NDR-fenomeen voorgesteld, zoals geïllustreerd in Fig. 5. Een eerdere studie [19, 20] suggereerde dat het genereren en recombinatie van elektronenarme zuurstofleegte (V _o ) en zuurstofion (O ²⁻ ) onder verschillende elektrische polariteiten zijn verantwoordelijk voor de conventionele HfO_x -gebaseerde bipolaire RRAM-apparaten, die vergelijkbaar zijn met de set-phase 2 en reset-processen. In tegenstelling tot het conventionele instelproces vindt er echter een tweede breuk van de CF plaats, waarbij de Ru-elektrode en CF worden losgekoppeld en naar de NDR wordt geleid. Over het algemeen dissociëren de zuurstofatomen in V _o en O ²⁻ onder elektrisch veld met het afdrijven van de O ²⁻ naar de bovenste elektrode, waarbij de V _o om de CF te vormen die wordt gebruikt voor elektronentransport. Maar vanwege de Joule-verwarming veroorzaakt door het elektrische veld, werd de gevormde RuO₂ interfacelaag zou langzaam ontleden bij ~ 600 °C en O ²⁻ vrijgeven die zou kunnen recombineren met het elektron verarmde V _o (V _o ²⁺ ) nabij de Ru-elektrode (instelfase 1) [21], wat resulteert in een stroomafname. Dit proces kan ook worden gezien als een gedeeltelijk unipolair resetproces. Met de verder toenemende spanning zal de CF tussen TE en BE worden gereconstrueerd door een accumulatie van V _o zoals weergegeven in set-fase 2 en RRAM-cel schakelt over naar LRS. Tijdens het resetten vinden twee processen tegelijkertijd plaats:(1) de O ²⁻ vrijkomt uit de TiN-elektrode recombineert snel met de positief geladen V _o vanwege de verbeterde opnamesectie, (2) de O ²⁻ afdrijvend naar BE reageert met Ru en hervormt de RuO₂ interfacelaag als gevolg van de lokale Joule-verwarming [22]. In deze toestand schakelt de RRAM-cel over naar HRS.

Fysieke processen van resistief schakelen in op Ru gebaseerde RRAM. een NDR-effect (set-fase 1). b Gemeenschappelijke SET (set-fase 2) processen. c RESET-proces van het apparaat

XPS-analyse van de RuO₂ interfacelaag, die werd gevormd tijdens het fabricageproces van het apparaat, ondersteunt ook de voorgestelde verklaring van het NDR-effect. Afbeelding 6a toont het volledige XPS-spectrum van het monster, inclusief O 1s-, Ru 3d-, Al 2p- en Hf 4f-kernniveaus. De andere ongemarkeerde pieken komen allemaal overeen met deze elementen met verschillende elektronenbanen. De aanpassingscurve in Fig. 6b past perfect bij de experimentele gegevens en is verdeeld in vier pieken, die overeenkomen met de Ru 3d_5/2 (280,01 eV voor Ru en 280,75 eV voor RuO₂ ) en Ru 3d_3/2 (284,3 eV voor Ru en 285,26 eV voor RuO₂ ) kernniveaus, die het naast elkaar bestaan ​​van de Ru en RuO₂ . aantonen in de dunne film [23]. De lage intensiteit van Ru 3d_5/2 piek geeft aan dat de gevormde RuO₂ interfacelaag is erg dun zoals we hadden verwacht.

XPS-spectra van a Ru/AlO_y /HfO_x dunne film en b Ru 3D-kernniveau. De RuO₂ dunne film tussen Ru en AlO_y formulieren tijdens ALD-proces [18]