Ru-gebaseerde RRAM-apparaten tonen negatieve differentiële weerstand: inzichten uit atoomlaagdepositie-fabricage

Samenvatting

In dit werk werden Ru-gebaseerde RRAM-apparaten met atoomlaaggedeponeerde AlOᵧ/HfOₓ functionele laag gefabriceerd en bestudeerd. Een negatieve differentiële weerstand (NDR) gedrag werd waargenomen tijdens het voltage-set-proces, en de fysieke oorsprong werd verkend. Gebaseerd op de fysieke begrip van de resistieve schakeling, wordt het gemeten NDR-gedrag geassocieerd met het deels unipolaire reset-effect, wat te wijten is aan de recombinatie tussen zuurstofvacatures en thermisch vrijgekomen zuurstofionen van de RuO₂-interfacielaag. De gemeten elektrische kenmerken en röntgenfoto-elektronenspectroscopie (XPS) resultaten verifieerden de fysieke interpretatie.

Inleiding

Als een van de meest veelbelovende opkomende niet-vlatile geheugens, is resistieve random-access memory (RRAM) uitgebreid bestudeerd met betrekking tot materiaaloptimalisatie, prestatieverbetering en apparatenintegratie. Vanwege significante voordelen zoals eenvoudige celstructuur, snelle operationele snelheid, laag stroomverbruik en onvergelijkbare miniaturisatiepotentieel, wordt RRAM breed toegepast in hersen-geïnspireerde neuromorfische computing en herconfigureerbare Booleaanse logica en toont ook groot potentieel voor storage class memory (SCM) toepassingen. Echter, zoals aangegeven door de International Roadmap for Devices and Systems 2017, zijn uitdagingen inclusief schaalbaarheid, apparaatbetrouwbaarheid en procescompatibiliteit nog steeds een hindering voor RRAM's ontwikkeling. Daarom is de constructie van CMOS-compatibele RRAM-apparaten met superieure prestaties van groot belang voor toepassingen die gebaseerd zijn op de 1T1R-structuur van RRAM-cel. Volgens een eerdere studie toont een Ru-gebaseerd RRAM-apparaat groot potentieel vergeleken met Pt-gebaseerde, terwijl negatieve differentiële weerstand (NDR) gedemonstreerd werd tijdens een voltage-set-proces. De NDR-fenomenen vergezeld van resistieve schakeling zijn onderzocht in andere RRAM-structuren, die voornamelijk te wijten waren aan de val/ontvluchting van elektronische ladingsdragers tussen diep gelokaliseerde toestanden geïnduceerd geïmplanteerde metaalnanodeeltjes, of de accumulatie van defecten veroorzaakte junction-herinstallatie. Terwijl het verschijnen van NDR in Ru-gebaseerde RRAM-cel onder grote stroom nog steeds onopgelost is, werd in dit werk de elektrische prestatie van een Ru-gebaseerd RRAM-apparaat gefabriceerd door atoomlaagdepositie (ALD) techniek geëvalueerd. Gebaseerd op röntgenfoto-elektronenspectroscopie (XPS) karakterisatie en elektrische metingen met verschillende stimuli, kan het NDR-fenomeen in de Ru-gebaseerde RRAM worden uitgelegd in het kader van het zuurstofvacature-leidend-filament-model.

Methoden

Het schematische diagram van de apparaatstructuur en gefabriceerde RRAM-array worden getoond in Fig. 1a, b, respectievelijk. Het Ru/AlOᵧ/HfOₓ/TiN RRAM-apparaat werd gefabriceerd op een thermisch geoxideerde 300-nm SiO₂-substraat. Een 80-nm Ru-dunne film werd gedeponeerd op een 20-nm Ti-hechtlaag als bodemelektrode door DC-magnetronsputteren (Angstrom Engineering NEXDEP) met een Ru-metaaldoel. SiO₂ gegroeid door plasma-versterkte chemische dampdepositie (PECVD) dient als diëlectrum om elektrodes te isoleren en vormt de vias. Vervolgens werd de weerstandslaag van 2 nm AlOᵧ en 3 nm HfOₓ gedeponeerd door een atoomlaagdepositie-systeem (PICOSUN R200) bij 300 °C met trimethylaluminium (TMA) en tetrakis[ethylmethylamino]hafnium (TEMAH) precursoren. Daarna werd 80 nm TiN reactief gesputterd met een Ti-doel en geëtst om de top-elektrodepatronen te vormen. Een andere droge etching werd ook uitgevoerd om de bodemelektrode bloot te leggen voor elektrisch contact.

De elementanalyse werd uitgevoerd door een röntgenfoto-elektronenspectroscopie (XPS) systeem (Thermo Scientific ESCALAB 250Xi) met het verse monster zonder top-elektrode. Voor de meting werd oppervlaktereiniging uitgevoerd met Ar-plasma voor de meting om de invloed van C te elimineren. De piekpositie van Al 2p werd gebruikt voor kalibratie. De elektrische metingen werden bij kamertemperatuur uitgevoerd door een halfgeleider-apparaat-analyzer (Agilent B1500A) en puls-functie-arbitraire-generator (Agilent 81160A).

Resultaten en discussie

De typische IV-karakteristieken van Ru-gebaseerde RRAM-apparaten worden getoond in Fig. 2a. Na electroforming, werd een positieve spanning (2,5 V) toegepast voor het set-proces om de cel van hoge-weerstandstoestand (HRS) naar lage-weerstandstoestand (LRS) te schakelen met een compliance-stroom van 1 mA om permanente doorbraak tijdens de vorming van het geleidende filament (CF) te voorkomen. Na de set-overgang werd een negatieve spanning (−2,3 V) gebruikt om het apparaat van LRS naar HRS te schakelen met een geleidelijke dalende stroom. Om de weerstandsvariabiliteit van apparaat tot apparaat te evalueren, werden 10 Ru-gebaseerde RRAM-cellen willekeurig gekozen. Zoals afgebeeld in Fig. 2b, tonen de statistische resultaten de uitstekende uniformiteit van HRS en LRS met een weerstandsvenster groter dan 10³, wat een veelbelovende kandidaat kan zijn voor NVM-gebaseerde logica-toepassingen. Vergeleken met de eerdere gerapporteerde Pt-gebaseerde apparaten, is het opmerkelijk dat een NDR-fenomeen werd waargenomen tijdens het set-proces, waar de stroom daalt met toenemende spanning (set-fase 1) in een beperkt spanningsbereik, gevolgd door toename tot compliance-stroom (set-fase 2).

De cyclus-tot-cyclus-variabiliteit van Ru-gebaseerde RRAM-apparaten werd ook onderzocht onder pulsmode om de cyclische uniformiteit te bestuderen. De pulsen voor set (2,4 V, 15 ns) en puls (−3 V, 100 ns) worden gebruikt om het apparaat tussen LRS en HRS te schakelen met een leesspanning van 0,1 V na elke puls. Zoals getoond in Fig. 3a, heeft het apparaat van 1000 cycli een uniforme distributie met standaardafwijkingen van 379 Ω en 3 × 10⁵ Ω voor LRS en HRS, wat resulteert in een stabiel geheugenvenster groter dan 100. Geen uithoudingsdegradatie treedt op zelfs na 10⁶ schakelcycli zoals eerder gerapporteerd in Ref. [15]. Daarnaast demonstreert het apparaat ook een uitstekende retentie-eigenschap zoals getoond in Fig. 3b. Zowel LRS- als HRS-weerstand behouden een constante waarde over 10⁵ s bij 120 °C zonder falen.

Om het NDR-fenomeen te verkennen, werden de I-V-curven gemeten in zowel spanningssweep- als stroomsweep-modus. Figuur 4a toont het vormingsproces van vijf willekeurig geselecteerde verse RRAM-cellen. De stroom neemt geleidelijk toe gevolgd door een abruptie, wat de vorming van CF aangeeft, terwijl geen NDR werd waargenomen. Na electroforming, worden set-operaties in verschillende sweep-modussen uitgevoerd in dezelfde cel om de stroomvariatie te observeren, zoals getoond in Fig. 4b. Voor de stroom-gedreven set, neemt de stroom langzaam toe met een plotselinge daling in spanning, wat de overgang van weerstand van HRS naar LRS demonstreert. Dit gedrag is verschillend van de karakteristiek die wordt gedreven door spanning, wat kan zijn door de verschillende stimuli-geïnduceerde Joule-warmte over de CF. Bovendien werden opeenvolgende set/reset-operaties onder verschillende biassen uitgevoerd om de intermediaire weerstandstoestand in het NDR-gebied te onderzoeken. Een geschikte stopspanning van 1 V werd toegepast tijdens het set-proces, zoals getoond in Fig. 4c, om de sweep af te ronden aan de bodem van de daling. Een niet-vlatiele weerstandstoestand werd verkregen nadat de spanning werd verwijderd, wat een unipolaire resistieve schakelgedrag vertoonde. Daarom wordt dit NDR-fenomeen voorlopig toegeschreven aan een tweede reset van de CF tijdens het set-proces.

Gecombineerd met de metingen in verschillende modussen en apparaatfabricageprocessen alsook de eigenschappen van RuO₂, werd de fysieke oorsprong van het NDR-fenomeen voorgesteld, zoals geïllustreerd in Fig. 5. Een eerdere studie suggereerde dat de generatie en recombinatie van elektronen-geëxhauste zuurstofvacature (V_o) en zuurstofion (O²⁻) onder verschillende elektrische polariteiten verantwoordelijk zijn voor de conventionele HfOₓ-gebaseerde bipolaire RRAM-apparaten, wat vergelijkbaar is met de set-fase 2 en reset-processen. Echter, in tegenstelling tot het conventionele set-proces, vindt een tweede breuk van de CF plaats die de Ru-elektrode en CF ontkoppelt en leidt tot de NDR. In het algemeen dissociëren zuurstofatomen in V_o en O²⁻ onder elektrisch veld met de drift van de O²⁻ naar de topelektrode, wat de V_o achterlaat om het CF te vormen dat gebruikt wordt voor elektronttransport. Maar door de Joule-warmte veroorzaakt door het elektrisch veld, zou de gevormde RuO₂-interfacielaag langzaam decomponeren bij ~600 °C en O²⁻ vrijgeven die kunnen recombineren met de elektronen-geëxhauste V_o (V_o²⁺) nabij de Ru-elektrode (set-fase 1), wat resulteert in een stroomdaling. Dit proces kan ook worden gezien als een deels unipolaire reset-proces. Met de verder toenemende spanning, wordt het CF tussen TE en BE gereconstrueerd door een accumulatie van V_o zoals getoond in set-fase 2 en de RRAM-cel schakelt naar LRS. Tijdens reset nemen twee processen gelijktijdig plaats: (1) de O²⁻ vrijgegeven van de TiN-elektrode recombineren snel met de positief geladen V_o vanwege de verbeterde vastleggingsdoorsnede, (2) de O²⁻ drifterend naar BE reageert met Ru en herstelt de RuO₂-interfacielaag door de lokale Joule-warmte. Bij deze conditie schakelt de RRAM-cel naar HRS.

XPS-analyse van de RuO₂-interfacielaag, die gevormd werd tijdens het apparaatfabricatieproces, ondersteunt ook de voorgestelde verklaring van het NDR-effect. Figuur 6a toont het XPS-volledigspectrum van het monster, wat O 1s, Ru 3d, Al 2p en Hf 4f kernniveaus omvat. De andere ongemerkte pieken corresponderen allemaal met deze elementen met verschillende elektronenbanen. De fitcurve in Fig. 6b past perfect bij de experimentele data en is verdeeld in vier pieken, die corresponderen met de Ru 3d₅/₂ (280,01 eV voor Ru en 280,75 eV voor RuO₂) en Ru 3d₃/₂ (284,3 eV voor Ru en 285,26 eV voor RuO₂) kernniveaus, wat de coëxistentie van Ru en RuO₂ in de dunne film demonstreert. De lage intensiteit van de Ru 3d₅/₂-piek geeft aan dat de gevormde RuO₂-interfacielaag zeer dun is zoals verwacht.

Conclusie

In deze studie werd het CMOS-compatibele Ru/AlOᵧ/HfOₓ/TiN RRAM-apparaat gefabriceerd. De uitstekende schakelprestaties werden bereikt met uniforme apparaat-tot-apparaat-weerstand en een groot weerstandsvenster alsook een goede hoge-temperatuur-retentie-eigenschap. Gebaseerd op de elektrische metingen en XPS-analyse, kan het NDR-fenomeen in het set-proces worden uitgelegd door de recombinatie van zuurstofvacatures en zuurstofionen vrijgegeven van de RuO₂-interfacielaag door elektrisch-geïnduceerde Joule-warmte.

Afkortingen

ALD:

Atoomlaagdepositie

CF:

Geleidend filament

HRS:

Hoge-weerstandstoestand

LRS:

Lage-weerstandstoestand

NDR:

Negatieve differentiële weerstand

PECVD:

Plasma-versterkte chemische dampdepositie

RRAM:

Resistieve random-access memory

SCM:

Storage class memory

XPS:

Röntgenfoto-elektronenspectroscopie