Effect van Ag-concentratie verspreid in HfOx Thin Films bij drempelomschakeling

Resultaten en discussie

We hebben tegelijkertijd vier Ag-gedoteerde HfO_x apparaten voor diffuse selectors tijdens een enkel proces. Tijdens het depositieproces werd het substraat niet geroteerd om het effect van de doteringsconcentratie op de elektrische eigenschappen te bevestigen. Tabel 1 toont de dikte, Ag:Hf-kationverhouding en RMS-ruwheid van respectievelijk D1, D2, D3 en D4. De Ag-samenstelling in de schakellaag werd uitgedrukt als een kationverhouding met behulp van een hoeveelheid Ag en Hf verkregen uit de XRF-analyse. Zoals weergegeven, heeft elk apparaat een andere dikte en Ag-concentratie. Met een toename van de afstand tot de HfO₂ doel nam de dikte van de schakellaag af terwijl de Ag-samenstelling in de oxidelaag toenam. Met toenemende Ag-concentratie namen de RMS-ruwheidswaarden iets toe (AFM-afbeeldingen worden weergegeven in Aanvullend bestand 1:Afbeelding S1).

Gelijkstroom (DC)–spanning (I -V ) kenmerken gemeten van alle apparaten worden getoond in Fig. 2a-d. D1 (35,3 nm, 7% Ag) bevond zich aanvankelijk in een zeer isolerende toestand en er werd geen drempelomschakeling waargenomen tijdens de DC-metingen (Fig. 1a) vanwege de onvoldoende Ag-concentratie om ondanks de dikke schakellaag een geleidende gloeidraad te produceren. Daarentegen vertoonde D2 (27,3 nm, 16% Ag) een drempel die overging van een staat met hoge weerstand (HRS) naar een staat met lage weerstand (LRS) na het elektroformingproces (EF) in de oorspronkelijke staat om een ​​bruikbaar apparaat te produceren zoals weergegeven in Fig. 1b. Tijdens het EF-proces nam de stroom toe van een laag niveau om een ​​conformiteitsstroom te bereiken (I _cc ) bij een spanning van -4,3 V. Daarna vertoonde D2 continu TS-gedrag bij een lagere bedrijfsspanning dan de vormingsspanning in beide biaspolariteiten. Evenzo vertoonde D3 (24 nm, 39% Ag) een typisch bidirectioneel TS-gedrag; het EF-proces was echter niet nodig in de oorspronkelijke staat van D3. Met andere woorden, D3 presenteert EF-vrij TS-gedrag. Daarentegen was D4 (18,8 nm, 58 Ag%) aanvankelijk in een sterk geleidende toestand, waarschijnlijk vanwege Ag-percolatie in de dunne HfO_x laag gezien de hoge Ag-concentratie.

Elektrische eigenschappen van de gefabriceerde apparaten. een I-V curve van D1 (zeer isolerende toestand). b I-V curve van D2, die het EF-proces en het daaropvolgende TS-gedrag toont. c I-V curve van D3, die TS-gedrag toont zonder het EF-proces. d I-V curve van D4 (geleidende toestand)

Oppervlaktemorfologie en korrelgrootte veranderden met toenemende Ag-concentratie. Zoals eerder opgemerkt, namen de RMS-ruwheidswaarden toe met toenemende Ag-concentratie, zoals weergegeven in tabel 1. De korrelgrootte werd ook beoordeeld met behulp van een SEM (aanvullend bestand 1:figuur S2). Een toename in korrelgrootte werd waargenomen naarmate de Ag-concentratie toenam. In het geval van D2 en D3 die ongelijksoortige TS-kenmerken vertonen, was het verschil in oppervlakteruwheid en korrelgrootte echter vrij klein. Niettemin was er een aanzienlijk verschil in hun elektrische eigenschappen in termen van het EF-proces en de volgende TS-kenmerken. Daarom hebben we de TS-kenmerken van D2 en D3 als volgt vergeleken.

Afbeelding 3 a en b tonen het herhaalbare TS-gedrag dat is waargenomen in D2 en D3 via DC-meting. Ter vergelijking zijn in de figuren alleen de TS-kenmerken bij de negatieve bias weergegeven. Beide apparaten vertoonden aanvankelijk verschillende pA-stroomniveaus bij − 0.1 V onder de detectielimiet. TS-gedrag in D2 was duidelijk na het EF-proces bij een vormingsspanning van ~ -3,5  V, terwijl een compliantiestroom (I _cc ) van 5 μA is ingesteld voor het apparaat om een ​​harde storing te voorkomen. Na het EF-proces vertoonde het apparaat typisch TS-gedrag zoals weergegeven in figuur 3a. Wanneer de aangelegde spanning de drempelspanning overschreed (V _de ) van ~ − 1.1 V bereikte de stroom plotseling een I _cc van 5 μA; het apparaat is vanuit de UIT-stand in de AAN-stand geschakeld. De AAN-status van het apparaat herstelde zich echter naar de UIT-status toen de aangelegde spanning daalde tot minder dan de houdspanning (V _vasthouden ). Hoewel het apparaat terugkeerde naar de UIT-status, werd een hogere UIT-stroom waargenomen dan die van het apparaat vóór EF.

Vergelijking van TS-kenmerken in D2 en D3. een TS-gedrag met een verhoogde UIT-stroom na het EF-proces. De inzetfiguur toont het EF-proces in een apparaat zoals gedeponeerd. b TS-gedrag zonder dat het EF-proces een lage UIT-stroom en een hoge NL handhaaft

D3 vertoonde ook typische TS-kenmerken zoals weergegeven in figuur 3b. Het EF-proces was echter niet vereist om TS-gedrag in het apparaat in de oorspronkelijke staat te induceren. De stroom bereikte een I _cc van 5 μA bij een V _de van ~ − 0,8 V, wat de AAN-status is, en keerde vervolgens spontaan terug naar de aanvankelijke UIT-status bij een V _de minder dan ~ − 0,2 V. De daaropvolgende D3 I -V loops waren vergelijkbaar met de eerste I -V lussen. Bovendien vertoonde het apparaat consistent een lage UIT-stroom bij een lage bedrijfsspanning in vergelijking met die van D2. Bovendien bleef de stroomdichtheid in de UIT-toestand in D3 nog steeds lager dan die van D2; het verschil was ongeveer 10 ⁵ A/cm ² . Bijgevolg werd bevestigd dat het verschil in de Ag-concentratie in de HfO_x laag bepaalde de noodzaak van het EF-proces, en op zijn beurt veranderden de TS-kenmerken drastisch.

Om een ​​één selector-één resistief geheugen (1S1R) te realiseren, heeft een selector een lage UIT-stroom nodig om de lekstroom te onderdrukken en een hoge AAN-stroom die overeenkomt met de resetstroom van het resistieve geheugen [21, 22]. Om zo'n ik te vervullen -V niet-lineaire kenmerken bevestigden we de niet-lineariteit (NL ) en selectiviteit (S ) van onze apparaten en die van TS-selectors waarvan eerder werd gemeld dat ze hun prestaties als selectors evalueren [14, 18, 21,22,23]. Hier definiëren we NL en S met behulp van vergelijkingen. (1) en (2) respectievelijk als volgt:

NL wordt gedefinieerd als de verhouding van de stroom bij V _de en de helft van V _de . In het half-bias-schema in de crossbar-array, V _de wordt toegepast op de targetingcel terwijl de helft van V _de wordt toegepast op de aangrenzende half geselecteerde cellen. Daarom, NL is van cruciaal belang om te voorkomen dat de crossbar-array defect raakt tijdens de programmeer-/leesbewerkingen. In tegenstelling, S is de verhouding van de stroom in de AAN-status en de UIT-status bij V _de , die de prestaties van de op TS gebaseerde selector vertegenwoordigt. Beide definities worden veel gebruikt voor de vergelijking van de prestaties van selectorapparaten. Dus, groot NL en S waarden zijn vereist voor de 1S1R-bewerking om de sluippadstroom effectief te onderdrukken.

Diverse schakelparameters waaronder NL en S in onze apparaten en de TS-selectors in de literatuur worden weergegeven in Tabel 2. In het geval van D2 veroorzaakt een toename van de UIT-stroom een ​​significante afname in NL en S . Daarentegen is de D3 OFF-stroom voldoende laag zodat een groter dan 10 ⁶ NL en S werden verworven. D2 en D3 konden echter alleen een TS-karakteristiek vertonen bij een lage I _cc (< 10 μA) omdat TS is overgegaan op geheugenwisseling bij een hogere I _cc . Het is algemeen bekend dat de meeste TS-selectorapparaten die Ag-filament gebruiken onderhevig zijn aan een overgang van niet-vluchtige geheugenschakeling bij een I _cc groter dan 10-100 μA [23,24,25,26]. Wanneer ik _cc hoger is dan 10-100 A, wordt een robuust en stabiel metalen filament gevormd dat moeilijk spontaan te scheuren is in vergelijking met het dunne en onstabiele filament dat wordt gevormd bij een lagere I _cc [26, 27]. Daarom kunnen verschillende methoden, zoals een meerlaagse structuur (Ag/TaO_x /TaO_y /TaO_x /Ag) en Ag-nanodots als sjabloon in het diëlektricum zijn gesuggereerd om betrouwbare TS-kenmerken te verkrijgen bij een hogere I _cc [21, 22].

Om de grootte en verdeling van de Ag-atomen binnen de HfO_x . te observeren laag-, HR-TEM- en EDS-elementanalyses werden uitgevoerd op D2 en D3. Afbeelding 4 a en b (c en d) tonen transversale HR-TEM-afbeeldingen van D2 (D3). Volgens de HR-TEM-beelden is het waarschijnlijk dat de atomaire grootte van Ag uniform is verspreid in de HfO_x Matrix. In beide apparaten werden geen onderscheidbare Ag-deeltjes of Ag-clusters van enkele nanometers waargenomen. Bovendien is de HfO_x amorfe fase werd bevestigd via een snelle Fourier-transformatie (FFT) afbeelding zoals getoond in de inzet van Fig. 4 b en d. Het Ag-signaal in de lijnprofielen duidt echter op de aanwezigheid van Ag in de HfO_x laag. Er wordt dus geconcludeerd dat Ag in HfO_x op atomaire schaal zou worden verdeeld. Het schakelgebied inclusief het Ag-nanofilament moet worden onderzocht; de TS-kenmerken zijn echter vluchtig, zodat in de toekomst TEM-observatie in situ moet worden geprobeerd.

Microstructurele en compositieanalyse. een TEM-dwarsdoorsnedebeeld van D2. b Vergrote TEM-afbeelding van D2. De inzet is de bijbehorende FFT-afbeelding. c TEM-dwarsdoorsnedebeeld van D3. d Vergrote TEM-afbeelding van D3. De inzet is de bijbehorende FFT-afbeelding. EDS elementaire lijnprofielen van e D2 en f D3

We stellen het volgende mechanisme voor voor TS-gedrag in onze apparaten, zoals weergegeven in Fig. 5a en b. De as-fabricated Ag-gedoteerde HfO_x schakellagen hebben uniform verdeelde Ag-atomen in de HfO_x . De verwachting is echter dat er een relatief grote afstand tussen de Ag-atomen is vanwege de lage Ag-concentratie in D2. Figuur 5a toont het EF-proces van as-fabricated D2. Wanneer een elektrisch veld in ongerepte staat op het apparaat wordt aangelegd, zullen Ag-atomen in de HfO_x kan worden geoxideerd tot Ag ⁺ ionen en ze migreren langs de veldrichting. De geoxideerde Ag ⁺ ionen worden bij de andere Pt-elektrode weer gereduceerd tot Ag-atomen, waar continu een Ag-geleidend filament kan groeien. Zodra de gloeidraad tussen de twee elektroden is aangesloten, wordt het apparaat vanuit een UIT-status naar een AAN-status geschakeld. Tijdens het EF-proces in D2 kunnen grotere Ag-clusters worden gevormd vanwege het hoge elektrische veld. In de literatuur werd gevonden dat een dergelijk groot elektrisch veld voldoende is om Ag-nanodeeltjes te vormen met een diameter van enkele nanometers van de in situ TEM-waarneming [14, 15]. Nadat het aangelegde elektrische veld is verwijderd, diffundeert Ag op atomaire schaal naar de HfO_x matrix, wat aangeeft dat het apparaat is teruggekeerd naar de UIT-status. Grotere Ag-clusters, die niet voldoende kunnen diffunderen, blijven echter op het geleidende pad. Deze resterende Ag-clusters leiden dus tot een grotere UIT-stroom in de daaropvolgende UIT-status. Daarentegen, in het geval van de als gefabriceerde D3 zoals weergegeven in figuur 5b, wordt Ag-filament gevormd zonder vorming van Ag-cluster omdat D3 wordt bediend onder het lage elektrische veld, wat betekent dat het apparaat een lage UIT-stroom kan handhaven. Evenzo, wanneer het aangelegde elektrische veld wordt verwijderd, keert het apparaat terug naar de UIT-status vanwege de spontane breuk van Ag-filament die kan worden verklaard door het Thomson-Gibbs-effect van het minimaliseren van de grensvlak-energie tussen een filament en matrix [15, 18] , 28]. Dientengevolge kunnen bidirectionele TS-karakteristieken worden bereikt door middel van herhaalbare Ag-atoom/ion-diffusieve dynamiek.

Voorgesteld mechanisme van TS in een Ag-gedoteerde HfOx-apparaat. De eerste vorming/breuk van Ag-filament voor TS-gedrag in a EF-nodig (D2) en b EF-vrije (D3) apparaten

Om het verschil tijdens het EF-proces uit te leggen, stellen we de volgende vergelijkingen voor. (3) en (4):

waar D is de diffusiviteit, D ₀ is de pre-exponentiële factor, E _maand is de migratiebarrière bij nul bias, k is de constante van Boltzmann, en T is de lokale absolute temperatuur. Om het Ag-filament te vormen binnen de HfO_x laag, moeten Ag-ionen een migratiebarrière overwinnen om naar de negatief voorgespannen elektrode te gaan. Wanneer de externe bias wordt toegepast, kan het elektrische veld de migratiebarrière verlagen, E _m , wat leidt tot ionenmigraties langs de veldrichting als volgt:

met een elektronenlading e , voorspanning V _bias , HfO_x laagdikte Z _doos , en Ag hopping afstand in de z richting ∆z . Ag-ionen kunnen inderdaad in alle richtingen springen zonder vooringenomenheid. We hebben echter overwogen om langs de z . te springen richting in het EF-proces omdat het apparaat in de AAN-stand kan worden gezet onder het hoge elektrische veld waar Ag-ionen dominant in de richting van het elektrische veld springen. Om de E . te schatten _m , berekenden we de Ag-hoppingafstand (∆z ) als 0,67 nm in D2 en 0,45 nm in D3 uit onze experimentele resultaten van Ag-concentratie en filmdikte. De migratiebarrière bij nul bias, E _maand = 3.02 eV, werd gebruikt uit de literatuur [29]. Bij de eerste vorming van het Ag-filament was ~-1,6 MV/cm elektrisch veld vereist in D2 en het verlaagde de migratiebarrière met 0,11 eV. Daarentegen was ~~0.4 MV/cm elektrisch veld vereist voor de eerste omschakeling in D3 en het verlaagde de migratiebarrière met 0.04 eV. De Ag-diffusie is dus voldoende om het Ag-filament in D3 te vormen, ondanks de lagere barrièrereductie vanwege de korte springafstand en hoge Ag-concentratie in vergelijking met die van D2. Vanwege de relatief lange springafstand in D2 was de grotere barrièrereductie nodig voor voldoende diffusie om Ag-filament te vormen. Zodra de gloeidraad is gevormd, moet deze spontaan worden verbroken door de spanning te stoppen; het Ag-filament kon echter niet volledig in hun oorspronkelijke distributie diffunderen, en dus de sprongafstand ∆z neemt af van die van de as-fabricated D2. Daarom leidde dit resultaat tot een verminderd elektrisch veld (~  0.4 MV/cm) bij daaropvolgende drempelomschakeling. Opgemerkt moet worden dat de filmdikte een aanzienlijke invloed heeft op de I -V kenmerken van het apparaat. Daarom hebben we het EF-proces bevestigd in de apparaten met vergelijkbare dikte maar met een andere Ag-concentratie. Evenzo vertoonden de apparaten een overgang van de EF-nodige naar EF-vrije kenmerken als de toename van de Ag-concentratie. Daarom werd aangetoond dat Ag-concentratie in wezen het EF-proces beïnvloedt door het effectieve interne elektrische veld te beheersen. Dat wil zeggen, het moduleren van de Ag-concentratie en dus de hoppingafstand in de HfO_x laag is vereist voor EF-vrije TS-kenmerken met grotere NL en S waarden.