Ultra-laag-vermogen HfO₂/TiOₓ bi-laag RRAM bereikt 1,12 µW schakeling via gecontroleerde zuurstofvacature ingenieurswerk

Samenvatting

We hebben met succes weerstands-willekeurige-toegangsgeheugen (RRAM) apparaten gefabriceerd bestaande uit een atomic-layer-deposited HfO₂ laag en een RF-gesputterde TiOₓ laag. Door de zuurstofdeeltjesdruk tijdens TiOₓ depositie fijn af te stellen, bereikten we een ongekende laag-vermogen operatie: 1,52 µW voor de set overgang (1 µA@1,52 V) en 1,12 µW voor reset (1 µA@1,12 V). Gedetailleerde analyse onthult dat een matige zuurstofvacature concentratie in de TiOₓ laag "zachte doorbraak" tijdens vorming/set onderdrukt, de stroom beperkt en het vermogengebruik dramatisch verlaagt.

Inleiding

Weerstands-willekeurige-toegangsgeheugen (RRAM) is een toonaangevende kandidaat voor beyond-CMOS schaling vanwege de eenvoudige twee-terminal structuur, non-volatiel gedrag, snelle schakeling en hoge aan/uit ratios. De 1-transistor-1-weerstand (1T1R) configuratie is nu standaard voor grote arrays, wat sneaky-path stromen mitigeert. Echter, de hoge schakelstromen van conventionele oxide-gebaseerde RRAMs hinderen schaling, vooral wanneer CMOS dryfstromen onder 40 µA dalen bij 27 nm knopen. Evenzo vereisen neuromorfische circuits die biologische synapsen nabootsen, energie per gebeurtenis in het femtojoule bereik. Dus, het ontwerpen van RRAMs die betrouwbaar onder 10 µA opereren is cruciaal voor zowel hoge-dichtheid opslag als energie-efficiënte kunstmatige neurale netwerken.

In dit werk onderzoeken we systematisch Pt/HfO₂/TiOₓ/Pt apparaten met variërende zuurstofinhoud in de TiOₓ laag. We tonen aan dat het verlagen van de zuurstofdeeltjesdruk tijdens sputteren een optimaal vacatureprofiel creëert dat het geleidende filament confineert, wat sub-micro-watt schakelvermogen oplevert. Het onderliggende geleidingsmechanisme wordt geanalyseerd, wat actionable begeleiding biedt voor het ontwerpen van laag-vermogen oxide RRAMs.

Methoden

De apparaatstack werd gegroeid op een Si/SiO₂/Ti substraat. Een 100-nm Pt bodemelektrode (BE) werd bij kamertemperatuur gesputterd. Een 3-nm HfO₂ laag werd gedeponeerd door ALD (Picosun R200) bij 300 °C met TEMAH en H₂O precursoren. Vervolgens werden 30-nm TiOₓ films RF-gesputterd onder een totale gasstroom van 20 sccm (Ar + O₂). Door de O₂ deeltjesdruk aan te passen naar 9%, 11% en 13%, fabriceren we drie apparatenreeksen (S1, S2, S3). Een 70-nm Pt topelektrode (TE) werd vervolgens gesputterd en gepatroneerd door lithografie. Reactieve ion etching definieerde 100 µm × 100 µm vierkante cellen. Dwarsdoorsnede hoog-resolutie TEM (HRTEM) verifieerde laagintegriteit, en röntgenfotoelektronspectroscopie (XPS) kwantificeerde de zuurstofvacature niveaus.

Elektrische metingen gebruikten een Agilent B1500A semiconductor parameter analyzer met een 1 µA compliance stroom voor set/reset operaties. Temperatuur-afhankelijke I-V kurven werden opgenomen tussen 25°C en 125°C om geleidingsmechanismen te onderzoeken.

Resultaten en Discussie

XPS O 1s spectra van TiOₓ films tonen twee componenten: rooster O²⁻ en niet-rooster O²⁻ geassocieerd met zuurstofvacatures. De vacature fractie is 28,23% (9% O₂), 24,06% (11% O₂) en 23,63% (13% O₂), wat bevestigt dat hogere O₂ deeltjesdruk vacatures vermindert.

Tijdens stroomvorming (CF) met 1 µA compliance, vormt alleen S1 (9% O₂) een stabiel geleidend filament. S2 en S3 vereisen tot 20 mA om de lage-weerstandstoestand (LRS) te bereiken, wat excessieve vacature dichtheid aangeeft die zachte doorbraak over de dielectrische stack bevordert.

100-cycli bipolaire I-V sweeps onthullen dat S1 stabiele schakeling bereikt met <10 µA compliance, terwijl S2/S3 10 mA vereisen. De laag-vermogen prestaties van S1 ontstammen aan een hoge vacature concentratie die de stroom tijdens CF/set beperkt, excessieve filamentgroei voorkomend.

Statistische analyse (cycli-tussen-cycli en apparaat-tussen-apparaat) toont bescheiden variatie voor S1 en acceptabele aan/uit ratios (>100) voor alle monsters. Retentietesten tonen aan dat S1 zijn toestanden behoudt voor >10⁴ s bij 85°C, wat de geschiktheid voor non-volatiele opslag bevestigt.

Vermogensberekeningen leveren P_set = 1,52 µW en P_reset = 1,12 µW voor S1 bij 1 µA compliance. In contrast vertonen S2/S3 tientallen milliwatts door hun hoge schakelstromen.

Temperatuur-afhankelijke weerstandsmetingen onthullen dat S1's weerstand afneemt met temperatuur, consistent met Mott's variable-range hopping (VRH) model. Dit wijst erop dat elektronen hopsen via gelokaliseerde zuurstofvacature toestanden in TiOₓ de geleiding domineert. Voor S3 is de weerstand temperatuur-ongevoelig, wat metaal-achtig filamentair transport door een dense vacature netwerk suggereert. Het laat gedrag leidt tot hogere stromen en vermogensverbruik.

Conclusies

We hebben 1-µA schakelstromen gedemonstreerd in Pt/HfO₂/TiOₓ/Pt RRAMs door het zuurstofvacatureprofiel in de TiOₓ laag te controleren. Elektronen hopsen domineert in lage-zuurstof films, wat stroom confineert en sub-micro-watt vermogen oplevert. In tegenstelling vormen hoge-zuurstof films metaal-achtige filamenten, wat zachte doorbraak en hoog vermogensverbruik veroorzaakt. Het optimaliseren van de zuurstofvacature dichtheid is dus een universele strategie om laag-vermogen, hoge-dichtheid RRAM te bereiken geschikt voor IoT en embedded toepassingen.

Afkortingen

1T1R

Een-transistor-een-weerstand

ALD

Atomic layer deposition

ANNs

Kunstmatige neurale netwerken

BE

Bodemelektrode

CF

Stroomvorming

HRS

Hoge weerstandstoestand

HRTEM

Hoog-resolutie transmissie elektronenmicroscoop

IoT

Internet of Things

I-V

Stroom-spanning

LRS

Lage weerstandstoestand

Aan/uit ratio

HRS/LRS

OxRRAM

Oxide resistive memory

Preset

Reset vermogen

Pset

Set vermogen

RIE

Reactieve ion etching

RRAM

Weerstands-willekeurige-toegangsgeheugen

TE

Topelektrode

XPS

Röntgenfotoelektronspectroscopie

σ/μ

Relatieve standaarddeviatie