Verbeterde retentie in TaO/HfO en TaO/AlO RRAM: een zelf-rectifierend schakelmodel

Samenvatting

Een uitgebreid retentiemodel voor zelf-rectifierende TaO/HfOₓ en TaO/AlOₓ resistieve random-access memory (RRAM) wordt gepresenteerd. In defect-trapping RRAM degradeert de lage-weerstandstoestand (LRS) typisch sneller dan de hoge-weerstandstoestand (HRS) door de begrenzende invloed van de interne TaO weerstandslaag. Het stapelen van TaO/AlOₓ in de schakellaag verbetert de LRS retentie aanzienlijk, met extrapolatie die meer dan 5 jaar bij kamertemperatuur voorspelt. Beide structuren delen een gemeenschappelijke TaO capping laag en vertonen een identieke activeringsenergie van 0,38 eV. De AlOₓ laag introduceert een hogere zuurstof-diffusiebarrière, wat retentie aanzienlijk verbetert en een stabiele LRS onder gebiaste condities handhaaft.

Achtergrond

NAND flash technologie naderen zijn schaalgrenzen, wat verticale RRAM (VRRAM) met minimale filmstapels, hoge opbrengst en geen cross-coupling een veelbelovende oplossing maakt voor ultra-dichte geheugens. De 1TnR 3-D architectuur maakt ultra-lage bitkost in compacte arrays mogelijk. Recente werk heeft RRAM operatie verschoven naar lage-stroom, defect-trapping, vacature-modulerende, of interface-type schakelmechanismen, doch retentiefouten gelinkt aan zuurstof-vacatie migratie blijven onopgelost. Filamentaire-type retentiestudies voorstellen diverse modellen om verliezen te verklaren, wat suggereert dat een verschuiving in schakelmechanismen uithoudingsvermogen kan verbeteren. Eerdere studies van TaO/HfOₓ apparaten toonden non-lineariteit van ~40, uithoudingsvermogen >1000 cycli, en 85 °C data retentie. Het bereiken van stabiele retentie bij lage stroomniveaus blijft echter een uitdaging. Deze brief introduceert een retentiemodel gebaseerd op de Arrhenius methode voor twee defect-trapping apparaten, met nadruk op de rol van de AlOₓ laag in retentieverbetering door dichte binding.

Methoden

TaO/HfOₓ en TaO/AlOₓ apparaten werden geproduceerd op 8-inch Si/thermische-oxide substraten. Bodemelektroden (TiN) werden gedeponeerd door PVD, gepatterneerd en geëtst via conventionele lithografie. Post-etch reiniging gebruikte O₂/H₂O plasma bij 180 °C, wat een dunne TiON oxidatielaag op TiN vormde. Schakellagen van HfOₓ en AlOₓ werden gedeponeerd door ALD met HfCl₄-H₂O en TMA-H₂O precursors bij 300 °C en 250 °C, respectievelijk. Een TaO capping laag werd daarna toegevoegd door low-temperature plasma oxidatie (LTPO) bij 0,2 Å/s, wat een interne self-compliance weerstand voorzag. Topelektroden (TiN) werden gedeponeerd door PVD. Figuur 1 illustreert de laagstapel en diktes voor beide apparaattypes. Na patterning werd een low-temperature oxide (250 °C) gedeponeerd voor passivatie, gevolgd standaard back-end processing voor contacten en pads.

Resultaten en discussie

De elektrische prestaties werden geëvalueerd met een HP4156C semiconductor parameter analyzer. Figuur 2a en 2b tonen de J-V kenmerken voor TaO/HfOₓ en TaO/AlOₓ cellen, respectievelijk, over drie apparaatoppervlaktes (0,1, 0,56 en 25 µm²). Alle apparaten startten in HRS, werden geprogrammeerd naar LRS met een positieve bias, en daarna gereset naar HRS met een negatieve bias. De J-V curven vertonen consistente stroomdichtheid over celgrootte, wat uniforme veld-gerichte programmering en defect-trapping schakelgedrag bevestigt. De LRS en HRS weerstanden schalen inverse evenredig met oppervlakte (Fig. 2c, 2d), wat het stroomdichtheid-gecontroleerde schakelmechanisme versterkt. TaO/AlOₓ apparaten vereisen iets hogere set (4–4,5 V) en reset (–1,5 tot –2,5 V) spanningen dan TaO/HfOₓ (3–4 V, –0,5 tot –1,5 V), wat de hogere energiebarrière in de AlOₓ laag reflecteert.

Retentiegedrag werd beoordeeld bij 85 °C en 1 V. Figuur 3a en 3b onthullen dat LRS duidelijker degradeert dan HRS in beide apparaattypes, doch TaO/AlOₓ toont superieure LRS stabiliteit. Over tijd driften zowel HRS als LRS naar de initiële weerstandstoestand (IRS), zoals benadrukt door streepjes lijnen in de plots. Figuur 3c en 3d illustreren dat bakken van TaO/AlOₓ bij 150 °C gedurende 48 uur en TaO/HfOₓ bij 120 °C gedurende 120 uur de LRS herstelt naar de initiële conditie, wat de rol van zuurstof-ion/vacatie recombinatie in retentieverlies onderstreept.

Retentietijden werden geëxtraheerd via de Arrhenius methode. Door de LRS weerstandsverhouding over tijd (30–150 °C) te analyseren en te extrapoleren naar 10³× de initiële LRS, schatten we retentietijden van 10⁶ s bij 150 °C en ~2 × 10⁸ s (≈5 jaar) bij kamertemperatuur voor TaO/AlOₓ apparaten. Zowel TaO/HfOₓ als TaO/AlOₓ delen dezelfde activeringsenergie van 0,38 eV, wat aangeeft dat de TaO capping laag de vacatie-ion recombinatie domineert. De AlOₓ laag's hogere atomaire dichtheid en kortere Al-O bindingslengte reduceren zuurstof-ion mobiliteit, creërend een hogere diffusiebarrière die retentie verlengt.

De retentiemechanismen verschillen tussen filamentaire en defect-trapping RRAM. In filamentaire apparaten regeert laterale vacatiediffusie breuk, terwijl defect-trapping apparaten longitudinale diffusie parallel aan het elektrisch veld vertonen, wat retentie gevoelig maakt voor bias polariteit. Figuur 5a en 5b tonen on-bias retentie: een positieve bias verlengt LRS, terwijl een negatieve bias degradatie versnelt. Bij ±100 mV zijn on-bias effecten verwaarloosbaar, waarschijnlijk door band offsets bij TiON-HfOₓ, TiON-AlOₓ en TiN-TaO juncties. Een 500 mV positieve bias op TaO/AlOₓ produceert geen observeerbare degradatie.

Conclusies

Vergelijkende analyse van TaO/HfOₓ en TaO/AlOₓ zelf-rectifierende RRAM onthult dat de AlOₓ schakellaag hogere schakelspanningen en merkbaar verbeterde LRS thermische stabiliteit levert. De verbeterde retentie voortvloeit uit een hogere zuurstof-diffusiebarrière in plaats van veranderingen in activeringsenergie. De activeringsenergie (0,38 eV) wordt bepaald door de TaO weerstandslaag's ion de-trap proces, terwijl de dichte AlOₓ film vacatiediffusie onderdrukt, LRS retentie verlengend. Het voorgestelde retentie-verlies schema, ondersteund door on-bias experimenten, biedt waardevolle richtlijnen voor het ontwerpen van lage-stroom, lange-retentie, zelf-rectifierende RRAM voor next-generation hoge-dichtheid geheugen.