Onderdrukking van overgroei van filamenten in geleidende bridge Random Access Memory door Ta2O5/TaOx tweelaagse structuur

Resultaten en discussie

Voor een diepgaand inzicht in het gloeiproces, de samenstelling en chemische bindingstoestand in de Ta₂ O₅ films voor en na het gloeiproces worden geanalyseerd met röntgenfoto-elektronspectroscopie (XPS). De etssnelheid van het monster is 0,5 nm/punt. In Fig. 1a zijn de toppen van Ta₂ O₅ 4f-doublet met piekbindingsenergieën van 26,70 eV (Ta₂ O₅ 4f_7/2 ) en 28,60 eV (Ta₂ O₅ 4f_5/2 ) met een piekscheiding van 1,9 eV worden waargenomen aan het oppervlak [11,12,13]. Deze casus toont het bestaan ​​van Ta₂ . aan O₅ laag.

De XPS toont het diepteprofiel van Ta voor (a ) en na (d ) gloeien. b , e Diepteprofiel van O respectievelijk voor en na gloeien. c, f Atoomconcentratieprofiel van O en Ta met diepte voor respectievelijk na gloeien

Naarmate de diepte toeneemt, worden de toppen van Ta₂ O₅ 4f-doublet verdwijnt en de pieken bij 22,33 eV, 23,96 eV komen overeen met Ta 4f_7/2 , Ta 4f_5/2 tevoorschijn komen. Afbeelding 1b verifieert dat er geen O-signaal is op dezelfde diepte als de Ta 4f_7/2 en Ta 4f_5/2 bestaan. Met andere woorden, er is metalen Ta op het oppervlak van Ta₂ O₅ voor het niet-gegloeide apparaat. De diepten van de Ta₂ O₅ en Ta geanalyseerd uit Fig. 1c zijn respectievelijk 4 nm en 2.5 nm. Daarnaast is er de piek van de O-atoomconcentratie in de diepte van 7 nm, wat wijst op het bestaan ​​van de geabsorbeerde zuurstof. Afbeelding 1d en e tonen de diepteprofielen van XPS-spectra van de Ta₂ O₅ films na het gloeiproces. De pieken van Ta 4f doublet en Ta₂ O₅ 4f doublet bestaan ​​samen op een bepaalde diepte. De intensiteit van de Ta ⁵⁺ oxidatietoestand verzwakt geleidelijk met de toenemende diepte. Gecombineerd met het allround zuurstofsignaal langs de filmdiepte, bevestigen we dat de TaO_x bestaat op het oppervlak van Ta₂ O₅ [11, 14]. Berekend uit Fig. 1f, de dikte van de Ta₂ O₅ is 4 nm en TaO_x is 3,5 nm. Daarom is de TaO_x wordt gevormd door de geadsorbeerde zuurstof te veranderen in roosterzuurstof tijdens het gloeiproces. De herverdeling van zuurstof zou na het gloeiproces een verzadigingspunt bereiken dat verzadigd is. De dikte van TaOx en de vormingsspanning zullen niet toenemen, ook al neemt de gloeitijd toe, wat de grote procesmarge van dit gloeiproces bewijst.

Afbeelding 2a en b zijn de resistieve schakelkarakteristieken van Cu/Ta₂ O₅ /W voor en na gloeien in DC-veegmodus. De initiële weerstanden (R _initiaal ) van de twee apparaten bevinden zich beide in een hoge-weerstandsstatus (HRS) met waarden van ~ 10 ⁹ Ω en 10 ¹⁰ , respectievelijk. Hoe hoger R _initiaal van het gegloeide apparaat is te wijten aan de dikkere oxidefilm die tijdens een thermisch proces wordt gevormd. Deze inrichting heeft met name geen vormproces nodig, wat in de praktijk wel wordt verwacht. Voor het niet-gegloeide apparaat schakelt het abrupt over naar LRS wanneer de aangelegde spanning een kritieke waarde bereikte tijdens positieve spanningszwaaien. Tijdens het setproces is er een ultra-lage LRS opgetreden. De RESET-stroom is in dat geval veel hoger dan de vooraf ingestelde compliantiestroom, wat aangeeft dat het overshoot-fenomeen in dit apparaat is opgetreden. Afbeelding 3b toont de onstabiele LRS en HRS binnen 200 cycli voor het niet-gegloeide apparaat. De grote variatie tussen cyclus-tot-cyclus leidt ertoe dat het geheugenvenster wordt teruggebracht tot slechts 20. Afbeelding 2b toont het schakelgedrag van de gegloeide apparaten. De stroom die door de cel vloeit, neemt geleidelijk toe en bereikt de compliantiestroom. Er wordt geen duidelijk schakelpunt waargenomen, waardoor het overshoot-fenomeen in de niet-gegloeide apparaten wordt vermeden. Een geheugenvenster van wel 10 ⁴ werd bereikt tijdens de schakelcycli, dankzij de uniforme verdeling van HRS en LRS.

Typische IV-curven van Cu/TaOx/W-apparaten vóór uitgloeien (a ) en na het gloeien (b ) met 200 cycli

een Stel en RESET Stroomverdelingen respectievelijk voor en na het gloeien. b De weerstandsverdeling van HRS en LRS voor/na gloeien

De onderdrukking van het overset-fenomeen in het gegloeide apparaat kan ook worden geverifieerd door de verbeterde verdeling van de RESET-stroom (I _RESET ) en Huidige instellen (I _Instellen ) in het uitgegloeide apparaat, zoals weergegeven in figuur 3a. De ik _Instellen van het niet-gegloeide apparaat zit vast op de I _CC maar ik _RESET wijd verspreid. Daarentegen, voor het uitgegloeide apparaat, de I _RESET lijkt op I _Instellen . De apparaat-naar-apparaat-uniformiteit wordt geëvalueerd door het analyseren van de R _aan en R _uit in 20 verschillende apparaten in DC-modus. Zoals weergegeven in Afb. 3 (b), is de R _aan geëxtraheerd onder V _lezen van 0,1 V voor het niet-gegloeide apparaat verdeelt van 10 ² Ω tot 10 ⁵ Ω, terwijl de R _aan van het gegloeide apparaat distribueert van 10 ⁴ Ω tot 10 ⁵ . De relatief hogere R _aan van het gegloeide apparaat was het gevolg van de serieweerstand van de TaO_x laag. Bovendien is de HRS-verdeling van het gegloeide apparaat ook veel verbeterd. Zoals weergegeven in figuur 3b, is de standaarddeviatie (SD) van R _uit wordt verlaagd van 4,84 naar 1,39.

De cyclusresultaten onder DC-vegen worden getoond in Fig. 4a en b. Voor het niet-gegloeide apparaat is de HRS/LRS-verhouding ongeveer 10 ⁵ eerst, en dan geleidelijk af en uiteindelijk blijft het bij LRS. Merk op dat tijdens het fietsen een paar zachte fouten kunnen worden waargenomen, in de vorm van HRS (rode stippen) en LRS (blauwe stippen) die af en toe heen en weer lopen. Voor het gegloeide apparaat blijft de HRS/LRS-verhouding stabiel (~ 10 ⁴ ) zonder enige degradatie. Tijdens pulsmetingen worden de juiste pulsprogrammeringsomstandigheden geoptimaliseerd als 3 V/100 ns voor ingestelde werking, − 2 V/200 ns voor RESET-werking en 0,1 V/50 ns voor leesbewerking. De detectietijd voor de Set/RESET/Read-bewerking is respectievelijk 15 ns/12 ns/25 ns. Zoals te zien is in figuur 4c, is het uithoudingsvermogen voor het niet-gegloeide apparaat meestal minder dan 5 × 10 ⁴ schakelcycli. Uit Fig. 4d is het echter verrassend dat het uitgegloeide apparaat na meer dan 10 ⁶ nog steeds goed werkt zonder storing schakelcycli. Op basis van onze eerdere studie [15] is het uithoudingsvermogen in CBRAM gerelateerd aan de onstabiele RESET-operatie die het gevolg was van de overgroei van de gloeidraad in de tegenelektrode. Aan de ene kant heeft het overwoekerde filament meer energie nodig om te scheuren en heeft het de neiging om een ​​onvolledige RESET en een lagere HRS te veroorzaken. Aan de andere kant leidt de overgroei van filament in de tegenelektrode tot resterende Cu-ionen in de tegenelektrode, die kunnen dienen als een reservoir van metaalionen en een onverwachte negatieve SET kunnen maken. Voor het gegloeide apparaat wordt de overgroei van het filament goed onderdrukt door de opname van TaO_x laag en resulteert in een stabielere RESET-bewerking. Hierdoor blijft het geheugenvenster goed behouden en is de fietskarakteristiek veel verbeterd.

De fietsresultaten van a de apparaten zonder gloeien onder 300 DC cycli en b de apparaten met gloeien onder 400 DC cycli. c, d Duurzaamheidskenmerken in AC-modus met de geoptimaliseerde bedieningsconfiguratie:set 3 V/100 ns; RESET − 2 V/200 ns. Maximaal 10 ⁶ cycli werden verkregen voor het apparaat na gloeien

Gezien de retentiekarakteristiek speelt een cruciale rol voor de praktische toepassing van CBRAM [16]. De retentiekarakteristieken worden gemeten onder 150°C met behulp van de vacuümoven. De weerstand van elke cel wordt gecontroleerd na afkoeling tot kamertemperatuur met elk decennium interval. Afbeelding 5a en b tonen de afhankelijkheid van de R_HRS /R_LRS op de baktijd voor het apparaat respectievelijk zonder gloeien en met gloeien. Voor de niet-gegloeide apparaten (Fig. 5a) faalden de apparaten geleidelijk binnen 10 ⁴ naarmate de tijd vorderde. s. Voor het gegloeide apparaat (Fig. 5b), van de 20 geregistreerde apparaten, vertonen de weerstanden van de LRS en HRS echter geen verslechtering naarmate de baktijd toeneemt. Dat wil zeggen, de retentie van de apparaten wordt sterk verbeterd door het gloeiproces. De levensduur van het gegloeide apparaat bij 85 ° C kan worden afgeleid als 10 jaar door Arrhenius-plot, wat goed in overeenstemming is met de gerapporteerde CBRAM's [17, 18]. Het bereiken van een betere retentiekarakteristiek voor het uitgegloeide apparaat is omdat het uitgloeiproces enkele defecten in de schakelfilm herstelt, wat de diffusie van de Cu-soort zou vertragen.

Retentiekenmerken van de HRS/LRS voor a niet-gegloeid apparaat en b gegloeid apparaat bij 150 °C

Op basis van de bovenstaande resultaten wordt een fysiek model voor het schakelgedrag van de gegloeide en niet-gegloeide apparaten geïllustreerd in Fig. 6a-d. De filamentgroei in CBRAM is geassocieerd met het Cu-ionentransport in het rooster van elektrolyt [19]. Het overshoot-fenomeen dat plaatsvond in het niet-gegloeide apparaat zorgt ervoor dat de gloeidraad overgroeit in de tegenelektrode. Tijdens de RESET-bewerking zullen de resterende Cu-ionen die zijn opgeslagen in de tegenelektrode in de tunnelopening tussen de filamenttip en de tegenelektrode drijven, wat resulteert in de resterende Cu ⁺ aan het einde van de RESET-bewerking en ernstige variatie van HRS. Als de diffusiecoëfficiënt van Cu in TaO_x (4,9 × 10 ^− 20 cm ² /s) is veel minder dan die in Ta (1.0 × 10 ^− 6 cm ² /s), diffundeert de Cu in TaO_x is veel moeilijker onder het elektrische veld tijdens Set-bewerking in het monster van Cu/Ta₂ O₅ /TaO_x /W [20, 21]. Het overmatige gedrag en de overgroei van de filamenten kunnen dus goed worden onderdrukt en de RESET-bewerking wordt stabieler.

De fysieke modellering voor het schakelgedrag van de gegloeide en niet-gegloeide apparaten. De een Instellen en b RESET-proces voor het niet-gegloeide apparaat met de structuur van Cu/Ta₂ O₅ /Ta/W. c Instellen en d RESET-proces voor het gegloeide apparaat met de structuur van Cu/Ta₂ O₅ /TaO_x /W. De overgroei van het filament wordt onderdrukt door de TaO_x laag gevormd tijdens het gloeiproces