Low-power resistieve schakelkarakteristiek in HfO2/TiOx bi-layer resistief willekeurig geheugen

Resultaten en discussie

Afbeelding 3a, b en c tonen de XPS O 1s-spectra op kernniveau van TiO_x films. Om de chemische binding van zuurstof in de films te verduidelijken, worden de asymmetrische O 1s-pieken verdeeld in twee pieken, die over het algemeen worden toegeschreven aan de O ²⁻ gebonden door metaalionen en O ²⁻ in het zuurstofarme gebied [26]. Partiële zuurstofdruk tijdens TiO_x het filmsputterproces werd ingesteld op respectievelijk 9%, 11% en 13%, en het overeenkomstige zuurstofarme gehalte in drie monsters is ongeveer 28,23%, 24,06% en 23,63%, wat aangeeft dat het gehalte aan niet-roosterzuurstofionen en zuurstofvacatures nemen af ​​met toenemende partiële zuurstofdruk.

O 1s XPS-scanspectra van TiO_x films in S1, S2 en S3. De partiële zuurstofdruk is ingesteld als a 9%, b 11%, en c 13% tijdens TiO_x film sputterproces

Voor de nieuwe apparaten bevindt de oorspronkelijke staat zich in de hoge weerstandsstatus (HRS). Zoals weergegeven in figuur 4, wordt stroomvorming (CF) toegepast om de vorming van de geleidende gloeidraad te initiëren en de apparaatstatus te veranderen in een lage weerstandsstatus (LRS) [27]. Bij het toepassen van 1 μA stroomcompliantie, wordt een geleidend pad gevormd in S1 en kan het stabiele set/reset-proces worden bereikt in de daaropvolgende bewerking. Voor S2 en S3 is de resetbewerking niet succesvol vanaf de middelste status van het apparaat tijdens het CF-proces totdat de huidige compliantie maximaal 20 mA is.

Huidig ​​vormingsproces van de Pt/HfO2/TiO_x /Pt RRAM-apparaat in a S1, b S2 en c S3

Om de elektrische prestaties van het RRAM-apparaat te testen, worden DC-metingen onder spanningszwaai uitgevoerd. Positieve voorspanning in het vormings- en instelproces wordt toegepast op TE om de geleidende gloeidraad te voltooien, en een negatieve voorspanning in het resetproces is om de gloeidraad te breken. Wanneer de bias heen en weer wordt geveegd, worden 100 cycli van bipolaire schakelstroom-spanning (IV) curves van drie monsters getoond in Fig. 5. De S1-apparaten bereiken stabiele resistieve schakelprestaties onder 10  μA stroomcompliantie, maar de bedrijfsstroom is tot 10 mA voor de andere twee monsters. Het lage-vermogenskenmerk van S1 kan worden toegeschreven aan het hoge zuurstofvacature-gehalte dat al aanwezig was in TiO_x film, die de stroom effectief beperkt tijdens het vormings-/setproces.

100 cycli stabiele bidirectionele IV-curven in a S1, b S2 en c S3

Afbeelding 6 en 7 geven de cyclus-naar-cyclus en apparaat-naar-apparaat-variatie weer (relatieve standaarddeviatie, (σ /μ )) van drie monsters, en de statistieken zijn samengevat in tabellen 1 en 2. Voor S1 veroorzaakt een zwakke springstroom een ​​bescheiden weerstandsverdeling, en de sterk geleidende filamenten gevormd in S2 en S3 garanderen de relatief stabiele weerstandsverdeling. Hoewel er na tientallen cycli een kleine degradatie is voor S3, is de aan/uit-verhouding nog steeds meer dan 100.

Cyclus-tot-cyclus variatie van R_LRS en R_HRS voor 100 cycli in a S1, b S2 en c S3

Apparaat-naar-apparaat variatie van R_LRS en R_HRS voor 20 apparaten in a S1, b S2 en c S3

Zoals weergegeven in Afb. 8, worden het ingestelde vermogen (Pset) 1,52 μW en het resetvermogen (Preset) 1,12 μW bereikt bij een lage compliantiestroom van 1 μA. Het stroomverbruik van de andere twee monsters is tientallen milliwatt vanwege 10 mA bedrijfsstroom. Bovendien kunnen de weerstandstoestanden van S1 de retentiekenmerken behouden boven 10 ⁴ s onder 85°C met een aan/uit-verhouding van ongeveer 100, wat stabiel is voor toepassingen voor gegevensopslag.

een Resistieve schakelprestaties onder 1 μA stroombegrenzing. b Retentiekarakteristiek in S1 is meer dan 10 ⁴ s onder 85 °C

Om het geleidende mechanisme van de laagvermogenkarakteristiek op te helderen, hebben we temperatuurmetingen uitgevoerd voor S1 en S3 met verschillende bedrijfsstroom en het bijbehorende mechanisme onderzocht, zoals getoond in Fig. 9 en 10. Van 25 °C tot 125 °C neemt de weerstand van S1 af met de temperatuur, maar de weerstand van S3 verandert bijna niet. De experimentele geleiding en temperatuur zijn uitgerust met Mott's variabel bereik hopping-model [28], zoals weergegeven in Fig. 11, wat aangeeft dat het belangrijkste geleidende mechanisme van S1 elektronen hoppen is via gelokaliseerde defecten in zuurstofvacatures in diëlektrisch oxide [29]. Bij het verlagen van de partiële zuurstofdruk tijdens de TiO_x sputterproces, zoals weergegeven in S1, het zuurstofvacature-gehalte in initiële TiO_x laag neemt toe en de filmweerstand neemt af [30]. De spanning op de TE wordt voornamelijk toegepast op de HfO₂ laag en een massa zuurstofvacatures worden gemotiveerd om het geleidende filament te vormen. Daarna worden ook nieuwe zuurstofvacatures gemotiveerd in de TiO_x laag, maar de verbinding tussen zuurstofvacatures is zwak. Daarom is de geleiding van elektronen in TiO_x is dominant, wat zorgt voor een lage 1-μA resistieve schakelstroom.

een De weerstand verandert met de temperatuur in S1. b Het bijbehorende schematische diagram van geleidend mechanisme

een De weerstand verandert met de temperatuur in S3. b Het bijbehorende schematische diagram van geleidend mechanisme

Temperatuurafhankelijkheid van de conductantie van S1 in a LRS en b HRS

Echter, zoals getoond in Fig. 10, na verhoging van het zuurstofgehalte tijdens TiO_x sputterproces, HRS en LRS blijven vrijwel onveranderd met de temperatuur, die hoogstwaarschijnlijk geassocieerd is met het metaalachtige transportmechanisme, geïnduceerd door elektronentransport door geleidende gloeidraad, bestaande uit geconcentreerde zuurstofvacatures. Vergeleken met het RRAM-apparaat van S1, minder zuurstofvacatures in initiële TiO_x laag van S3 zijn niet genoeg voor elektronen hopping geleiding. Bovendien, vanwege de verhoogde weerstand van TiO_x film, wordt de spanningsbias toegepast op beide HfO₂ laag en TiO_x laag tegelijk. Elektrische initialisatie leidt tot voldoende zuurstofvacatures gemotiveerd in HfO₂ en TiO_x lagen. Deze zuurstofvacatures vormen een sterk geleidend filament in beide twee diëlektrische lagen, en de overvloedige verlengde elektronen stromen door de twee aangrenzende zuurstofvacatures, wat een hoge bedrijfsstroom veroorzaakt tijdens het resistieve schakelproces.

In principe is het mogelijk om het zuurstofgehalte zorgvuldig te regelen om prestaties met een laag vermogen te bereiken in andere oxide-resistieve geheugens (OxRRAM) die verband houden met de zuurstofleegte. De vereiste voor de oxidelaag is dat er in de begintoestand voldoende zuurstofvacatures moeten zijn voor elektrische hopping-geleiding in het geval dat het apparaat uitvalt. De overmatige zuurstoftekorten zullen echter een onstabiele uithoudingskarakteristiek veroorzaken en de prestaties van het apparaat verslechteren. Daarom zijn de juiste zuurstoftekorten nodig om de bedrijfsstroom te beperken en het stroomverbruik te verminderen.

Tabel 3 vergelijkt enkele van de belangrijkste parameters van de Pt/HfO₂ /TiO_x /Pt-apparaat met andere recente rapporten. Het apparaat heeft belangrijke voordelen van een laag resistief schakelvermogen van 1,12 W en een verhouding van meer dan 100 HRS/LRS tussen verschillende RRAM-apparaten.