Hoogpresterende multi-level memristor met Al-gedopeerde HfO₂ dunne film voor next-gen NVM toepassingen

Samenvatting

Niet-vlatig geheugen (NVM) zal een cruciale rol spelen in next-generation digitale technologieën, inclusief het Internet of Things. Metaaloxide memristors, met name gebaseerd op HfO₂, zijn favoriet bij veel onderzoekers vanwege hun eenvoudige structuur, hoge integratie, snelle bedrijsfsnelheid, laag stroomverbruik en hoge compatibiliteit met geavanceerde CMOS technologieën. In dit papier presenteert we een 20-niveaus stabiele weerstandstoestanden Al-gedopeerde HfO₂-gebaseerde memristor. De cyclusstabiliteit, data retentietijd en weerstandsratio zijn groter dan 10³, > 10⁴ s en > 10, respectievelijk.

Achtergrond

Hoewel het negatieve weerstandsfenomeen voor het eerst ontdekt werd door Hickmott in een Al/Al₂O₃/Au structuur in 1962, en Chua het concept van memristor voorstelde in 1971, was het pas in 2008 toen Strukov et al. de TiO₂-gebaseerde memristor realiseerden dat de aandacht voor memristor-onderzoek opkwam. Op dit moment hebben onderzoekers memristors geproduceerd met meer dan tientallen actieve weerstandsmaterialen, waaronder complexe oxiden, metaaloxiden zoals ZnO, TiOₓ, TaOₓ en tweedimensionale materialen. HfO₂ wordt gebruikt als high-k gate dielektrica in CMOS apparaten vanwege hoge betrouwbaarheid, snelle snelheid en laag stroomverbruik. Het is ook favoriet bij onderzoekers als memristief materiaal.

Multi-level memristors kunnen breed gebruikt worden voor dataopslag, logische berekening, elektronische synaptische apparaten, enz. Wang Y. en Gao B. et al. produceerden multi-level memristors door HfO₂ te dopen met Cu en Gd, respectievelijk, maar ze konden alleen 4-niveaus opslagtoestanden creëren, wat moeilijk voldoet aan de eisen van toepassingen. Daarom is het onderzoek naar HfO₂ multi-level memristors van groot belang.

Methoden

Ti/Al:HfO₂/Pt apparaat werd geproduceerd zoals weergegeven in Fig. 1a. Het actieve celoppervlak werd gedefinieerd door de vierkante Ti top-elektrode (TE). Een 20-nm Ti hechtlaag werd gedeponeerd door DC-sputtering op een silicium substraat, vervolgens werd een 100-nm Pt film gedeponeerd als bottom-elektrode (BE). De 20-nm Al-gedopeerde HfO₂ functionele laag werd gedeponeerd door de atomlaagdepositie (ALD) reactor (R-150, Picosun, Espoo, Finland) bij 300 °C met MeCp₂HfMe(OMe) (aangeduid als HfD-04) als Hf precursor en H₂O als zuurstofbron. De precursors werden gedragen door hoog-zuiver N₂ (> 99,999%) in de reactor kamer. Al-gedopeerde films werden verkregen door één cyclus Al₂O₃ te depositieren om de 8 cycli van HfO₂ met trimethylaluminum (TMA) als Al-bron en H₂O als zuurstofbron. De Al atoomconcentratie van 6,2% werd gedetecteerd door X-fotoelektronspectroscopie (XPS, Axis Ultra DLD, Kratos Analytical, Manchester, UK) op een Theta 300 XPS systeem van Thermo Fisher. Een 50-nm Ti film als TE en 100 nm Pt als bedekkingslaag werden gedeponeerd door DC-sputtering. Apparaten verkregen door TE te patroneren door optische lithografie en lift-off proces. Figuur 1b is de optische micrografie van de apparaten. We hebben apparaten met verschillende oppervlaktes gemaakt van 5 µm × 5 µm tot 500 µm × 500 µm.

Resultaten en Discussie

Figuur 2 toont de XPS van Al-gedopeerde en niet-gedopeerde apparaten. Vergeleken met de spectrogrammen van niet-gedopeerde apparaten, tonen Al-gedopeerde apparaten een duidelijke 74,1 eV piek van Al 2p in Fig. 2a, en de bindingsenergie van Hf 4f heeft een bepaalde toename in Fig. 2b. De verhouding van Hf 4f₅/₂ tot Hf 4f₇/₂ nam ook toe voor de gedopeerde apparaten. Dit is consistent met andere rapporten. Al atomen binden aan HfO₂ structuur om Hf-Al-O te vormen, wat resulteert in zwakkere en makkelijker breebare Hf-O bindingen.

Voor alle elektrische metingen was de Ti TE gepolariseerd terwijl de Pt BE gegrond was. DC sweeps werden uitgevoerd met een B1500A parameter analyzer (Santa Clara, CA, VS) met een bron/meeteenheid, en puls-elektrische metingen met een golfvormgenerator/snelle meeteenheid werden ook gebruikt. Alle apparaten tonen hoge-weerstandstoestand (HRS) vóór een noodzakelijk elektrisch vormingsproces. Figuur 3a toont de vormingskarakteristiek van de 10 µm × 10 µm Al-gedopeerde en niet-gedopeerde apparaten. Een stroombegrenzing tijdens vorming is nodig om de apparaten te beschermen tegen schade. De initiële weerstand en vormingsspanning van het niet-gedopeerde apparaat is groter. De oscillatie in het lage-spanningsgebied van het niet-gedopeerde apparaat komt doordat de stroom lager is dan de meetgrens van het instrument. Het reset-proces na de vormingsstap wordt geïnitieerd door een negatieve spanning toe te passen, zoals getoond in Fig. 3a, en dan wordt de eerste set-proces geïnitieerd. Naarmate de spanningamplitude van reset toeneemt, stijgt de stroom van beide apparaten tot een maximum groter dan de begrenzingstroom van vorming en daalt daarna. De HRS stromen van beide apparaten zijn verschillende ordes groter dan die van de initiële toestand bij dezelfde spanning. Dit suggereert dat er nog een geleidende filament is die niet volledig kan worden gesmolten na reset. De typische set/reset I-V curven in Fig. 3b tonen aan dat beide typologieën van deze twee apparaten bipolaire bedrijfsmodus zijn. De schakelratio en de set/reset spanning van het Al-gedopeerde apparaat zijn kleiner dan die van het niet-gedopeerde apparaat, maar de weerstandstoestandstransformatie is vloeiender, geschikt als multi-waarde opslagapparaat.

Om de schakelmechanismen van de apparaten te verduidelijken, worden de I-V curven hergeplot in dubbele logaritmische schaal in Fig. 4. Voor beide soorten apparaten vertoont de lage-weerstandscurve een lineair Ohmisch gedrag, wat de vorming van geleidende filamenten in HfO₂ films tijdens hun setting aangeeft. De hoge-weerstandscurven zijn echter heel anders tussen deze twee soorten apparaten. Voor het gedopeerde apparaat bestaat het uit drie regio's: de Ohmische regio (I∝V), de Child's wet regio (I∝V²) en de steile stroomtoename regio, wat overeenkomt met de typische I-V karakteristiek van val-gecontroleerde ruimtelading-begrensde stroom (SCLC). De hoge-weerstandscurve van het niet-gedopeerde apparaat bestaat uit twee regio's: de Ohmische geleiding (I∝V) in het lage-spanningsgebied, en de lineaire fit van lnI-V¹/² in het hoge-spanningsgebied (het inset van Fig. 4), wat het Schottky-emissie mechanisme bevestigt.

Volgens de bovenstaande kenmerken worden de microscopische mechanismen van de memristors als volgt samengevat. Voor ongedopeerde apparaten, naarmate de positieve spanning op de titanium elektrode toeneemt, genereren steeds meer zuurstofionen in de HfO₂ en bewegen naar de titanium elektrode, producerend titaniumoxide. Tegelijkertijd accumuleren zuurstofvacatures aan de interface tussen de platina elektrode en de HfO₂, vormend geleidende filamenten geleidelijk. Daarom neemt de stroom geleidelijk toe met de spanning. De apparaten schakelen naar lage-weerstandstoestand (LRS) wanneer de zuurstofvacature geleidende filamenten de TE en BE verbinden. Terwijl de titanium elektrode met een negatieve spanning wordt toegepast, combineren de zuurstofionen met de zuurstofvacatures aan de HfO₂/Pt interface, wat leidt tot lagere zuurstofvacature concentratie en hogere Schottky-barrière. Wanneer de reset-spanning bereikt is, wordt het geleidende filament gebroken en het apparaat verandert naar HRS.

Voor Al-gedopeerde apparaten, binden Al atomen aan HfO₂ structuur om Hf-Al-O te vormen, wat resulteert in zwakkere en makkelijker breebare Hf-O bindingen. De vormingsenergie van zuurstofvacature wordt verlaagd. Daarom hebben de gedopeerde apparaten een lagere weerstand en een lagere overgangsspanning. In ongedopeerde films neigen zuurstofvacatures te accumuleren langs korngrenzen. Als resultaat zijn geleidende filamenten weinig en dik. De weerstand van de apparaten varieert sterk met de geleiding en breuk van de geleidende filamenten. In de gedopeerde films worden zuurstofvacatures gemakkelijk gevormd in de buurt van verontreinigingsatomen. De uniforme verdeling van een grote hoeveelheid verontreinigingen in de dunne film maakt de geleidende filamenten gevormd door zuurstofvacatures meer controleerbaar. Daarom is het gemakkelijker om meerdere weerstandswaarden te bereiken.

De apparaten kunnen ingesteld worden op verschillende stabiele weerstandstoestanden door de stroombegrenzing van het set-proces te veranderen. Twintig stabiele weerstandstoestanden worden verkregen door de stroombegrenzing in te stellen van 0,5 mA tot 10 mA met een stap van 0,5 mA in Fig. 5a. Aangezien de weerstandstoestanden ingesteld worden door DC sweep, is het energieverbruik groot en de bediening gecompliceerd. Aan de andere kant worden de weerstandswaarden gemakkelijk vergrendeld in LRS wanneer een grote stroombegrenzing gebruikt wordt. Deze methode kan ook de HRS niet aanpassen. Twintig-niveaus weerstandstoestanden bereikt door de spanningamplitude van set en reset puls te veranderen. Om de mogelijkheid van stroomoverschrijding en set/reset falen te vermijden, is de spanningamplitude beperkt tussen 1 V~1,9 V voor SET en -1 V~-1,9 V voor reset. Uit het box-diagram (Fig. 5b) is te zien dat het toegestane spanningbereik verdeeld is in 20 waarden en de opbrengst van het apparaat ver boven het 3σ-niveau (99,73%) uitsteekt. Dit is een algemene vereiste in productie. Het nadeel van deze methode is dat de apparaten niet direct van de ene HRS (LRS) naar een andere HRS (LRS) kunnen worden ingesteld, maar eerst moeten resetten (setten) naar LRS (HRS) en dan instellen op de doel HRS (LRS). Dit verhoogt de complexiteit en het stroomverbruik van de bediening.

Een betere aanpak wordt getoond in Fig. 6. De geleiding van het apparaat wordt incrementeel verhoogd of verlaagd door opeenvolgende pulsen. De pulsduur en interval zijn beide 10 µs. De geleiding wordt gemeten door een 0,1 V leespuls na elke set/reset puls. Zoals te zien in Fig. 6, hangt het aantal pulsen dat nodig is om de apparaten in te stellen/resetten op verschillende niveaus af van de toegepaste spanning. De verschillende weerstandstoestanden met 20 niveaus worden verkregen door set en reset door 0,5 V als SET-spanning en -0,7 V als reset-spanning te selecteren (Fig. 7). Het apparaat wordt gereset naar een HRS door 10 opeenvolgende -0,9V pulsen elke keer voordat het ingesteld wordt op de doelstatus of ingesteld naar een LRS door 10 0,8-V opeenvolgende pulsen voordat aangepast wordt. Rekening houdend met dezelfde status die zowel in het set- als reset-proces voorkomt, worden er in totaal 35 verschillende statussen verkregen. De afwijking van het benodigde pulsaantal voor twee aangrenzende weerstandstoestanden van set (reset) overschrijdt het 3σ-niveau. Het nadeel is dat als de weerstandswaarden van de apparaten sterk veranderen, het benodigde pulsaantal groot zal zijn en de bedieningssnelheid langzaam.

Om de dataretentie van de apparaten te testen, worden 20 apparaten ingesteld/gereset op een reeks verschillende weerstandswaarden en op een verwarmingstafel gehouden bij 85 °C. De weerstandswaarden werden gemeten met een spanning van 0,1 V elke 100 s. Uit Fig. 8a is te zien dat de weerstand van de apparaten stabiel blijft na 10⁴ s. Om de cyclusbeteenbaarheid van het apparaat te testen, herhaalden we set en reset operaties met een 1,8 V/500 µs set-puls en een -1,8 V/500 µs reset-puls. Na 10³ cycli is de schakelratio van het apparaat nog steeds groter dan 10 in Fig. 8b.

Conclusies

De voorgestelde Al-gedopeerde HfO₂ memristor toont een geleidelijke en stabiele set/reset prestatie. Door de curve van het set-proces van Al-gedopeerde en ongedopeerde apparaten te fitten, wordt gevonden dat in HRS het ongedopeerde apparaat het Schottky-emissie mechanisme volgt, terwijl het Al-gedopeerde apparaat het SCLC geleidingsmechanisme volgt. Het microscopische fysieke mechanisme van weerstandsverandering wordt ook besproken. Daarnaast werd de multi-waarde opslag van het apparaat bevestigd door de compliantestroom te veranderen, de set/reset puls-spanningamplitude aan te passen en opeenvolgende korte pulsen te gebruiken. Ten slotte testten we de betrouwbaarheid van de apparaten om aan te tonen dat het een dataretentie heeft van meer dan 10⁴ s (85 °C) en een schakelratio groter dan 10 na 10³ cycli.

Afkortingen

ALD

Atomlaagdepositie

BE

Bottom-elektrode

CMOS

Complementaire metaal-oxide-semiconductor

HfD-04

MeCp₂HfMe(OMe)Hf

HRS

Hoge-weerstandstoestand

LRS

Lage-weerstandstoestand

NVM

Niet-vlatig geheugen

SCLC

Ruimtelading-begrensde stroom

TE

Top-elektrode

TMA

Trimethylaluminum

XPS

X-fotoelektronspectroscopie