Dubbele functionaliteit van V/SiOx/AlOy/p++Si apparaten: selector en geheugenschakeling gecontroleerd door compliance-stroom

Achtergrond

Weerstands-geheugen (RRAM) is een topkandidaat voor next-generation niet-vlatiel geheugen door ultrafaste schakeling, laag vermogen, multi-level opslag, hoge schaalbaarheid en compatibiliteit met 3-D stacking. RRAM kan de prestatiekloof tussen DRAM en SSD overbruggen, dienend als storage-class memory (SCM). Een kritieke uitdaging blijft echter: sneak-stroom paden in dichte cross-point arrays. Selector-apparaten met non-lineaire stroom-spanning (I-V) kenmerken zijn essentieel om deze parasitairestromen te onderdrukken. Verschillende selector-concepten – complementaire weerstandsschakeling, tunnelbarrières, Ag-gebaseerde drempelschakeling, diode-type selectors, ovonische drempelschakeling en metal-isolator overgangen – zijn verkend. VO_x is een prototypisch MIT-materiaal, terwijl SiO₂ breed gebruikt wordt als passivatielaag. Si-rijk SiO_x (x < 2) biedt CMOS-compatibiliteit en kan dienen als weerstandsveranderlaag in RRAM, wat filamentaire schakeling of valentie-veranderingsmechanismen mogelijk maakt. Het huidige werk introduceert een V/SiO_x/AlO_y/p⁺⁺Si cel die zowel selector- als geheugengedrag vertoont afhankelijk van de toegepaste CCL, door een silicium bottemelektrode te benutten voor verbeterde serieweerstand en filamentcontrole.

Methodes

De apparaatstapel werd gefabriceerd op een Si-substraat. Eerst werden BF₂ ionen geïmplanteerd bij 40 keV en een dosis van 5 × 10¹⁵ cm^–2 om de Si bottemelektrode (BE) zwaar te doperen, gevolgd door 1050 °C uitgloei voor 10 min om roosterschade te herstellen, wat een velleerstand van 30,4 Ω/□ opleverde. Een 1,5-nm AlO_y laag werd gedeponeerd door atomaire laagdepositie (ALD) met H₂O en trimethylaluminium. Een 5,5-nm SiO_x laag werd gevormd door plasma-versterkte chemische dampdepositie (PECVD) bij 300 °C met 5% SiH₄/N₂ (160 sccm), N₂O (1300 sccm) en N₂ (240 sccm). Een 50-nm vanadium (V) topelektrode (TE) van 100 µm diameter werd gesputterd (Ar, 30 sccm) en gecapt met een 50-nm Al-laag om oxidatie te voorkomen. Elektrische metingen werden uitgevoerd met een Keithley 4200-SCS halfgeleiderparameteranalyser en een 4225-PMU ultra-snelle I-V module bij kamertemperatuur.

Resultaten en Discussie

De doorsnede TEM-afbeelding (Fig. 1b) bevestigt de amorfe V, SiO_x en AlO_y lagen atop de einkristallijne Si BE, met diktes van 5,5 nm en 1,5 nm respectievelijk. XPS-analyse toont SiO_x stoichiometrie x = 0,88 en AlO_y y = 1,33, wat een iets zuurstof-gebrekkige SiO_x aangeeft die gunstig is voor weerstandsschakeling. Eenrichtings drempelschakeling (Fig. 2a) verschijnt na een positieve vormingstap onder een 1 µA CCL. Het apparaat vertoont een scherpe aanvang bij een drempelspanning V_th tussen 1,08 en 1,82 V en keert terug naar de uit-toestand bij een houdspanning V_hold tussen 0,12 en 0,54 V over 100 cycli. Temperatuurafhankelijkheid toont drempelgedrag tot 55 °C, maar verdwijnt bij 85 °C, wat VO_x MIT als schakelmechanisme bevestigt. Transiente metingen (Fig. 2d) onthullen een hoge stroom tijdens de schrijfpuls die direct na pulsverwijdering afneemt, kenmerkend voor selector-operatie. De AlO_y laag's hoge permittiviteit en thermische geleiding onderdrukken off-stroom significant (<100 pA bij 1 V) vergeleken met VO_x selectors. Bipolaire weerstandsschakeling (Fig. 3a) ontstaat wanneer dezelfde cel gevormd wordt met een 30 µA CCL. Het apparaat schakelt van HRS naar LRS bij een positieve reset-puls en keert terug naar HRS na een negatieve set-puls. Genormaliseerde geleiding (G_N) blijft dicht bij 1 bij nul bias over temperaturen, wat Schottky, Fowler-Nordheim en ruimtelading-geleide geleiding uitsluit. In plaats daarvan vertoont de LRS halfgeleidergedrag, wat impliceert dat het filament in SiO_x zit in plaats van in de VO_x laag. Analyse van de ln(I) versus 1000/T plot levert een activeringsenergie van 0,463 eV en een hopsafstand van 5,17 nm, wat een hopgeleidingsmodel voor het filament ondersteunt. Een Poole-Frenkel emissiebijdrage wordt ook waargenomen (zie Supplementair). De hoge-energiebarrière en fijn filament bij lage CCLs verhogen non-lineariteit en verminderen sneak-stromen. Figuur 4a–d illustreren hoe varierende CCL (5 µA, 30 µA, 1 mA) de LRS I-V curve en non-lineariteit moduleren. Lagere CCLs onderdrukken stroom bij lage bias, wat de non-lineariteitsratio (I(V_READ)/I(½V_READ)) verhoogt. Deze intrinsieke non-lineariteit voortvloeit uit de bulkeigenschappen van SiO_x en de AlO_y barrière. Met een equivalent circuit model schaalt de leesmarge (ΔV) voor een cross-point array met word-line aantal; bij 10% leesmarge zijn arrays van 10 × 10 (5 µA CCL) en 5 × 5 (1 mA CCL) haalbaar. Terwijl hogere leesspanning (1 V) grotere non-lineariteit oplevert dan 0,5 V, verhoogt het ook statisch vermogen.

Conclusies

De V/SiO_x/AlO_y/p⁺⁺Si cel demonstreert dubbele functionaliteit: een lage-CCL (≤1 µA) selector gedreven door VO_x MIT en een hoge-CCL (≥5 µA) geheugencel bestuurd door SiO_x filamentvorming. De 1,5-nm AlO_y laag biedt hoge selectiviteit (10⁴) en lage off-stroom. Lagere CCLs verhogen non-lineariteit, wat grotere cross-point arrays met verminderde sneak-stromen mogelijk maakt.

Afkortingen

ALD

Atomaire laagdepositie

BE

Bottemelektrode

CCL

Compliance-stroomlimiet

CRS

Complementaire weerstandsschakeling

DRAM

Dynamisch willekeurig-toegankelijk geheugen

HRS

Hoge-weerstandstoestand

I-V

Stroom-spanning

LRS

Lage-weerstandstoestand

MIT

Metal-isolator-overgang

OTS

Ovonische drempelschakeling

PECVD

Plasma-versterkte chemische dampdepositie

P-F

Poole-Frenkel

RRAM

Weerstands-willekeurig-toegankelijk geheugen

SCLC

Ruimtelading-geleide stroom

SCM

Storage class memory

SPA

Halfgeleiderparameteranalyser

SSD

Solid-state drive

TE

Topelektrode

TEM

Transmissie-elektronenmicroscopie

V

Vanadium