Ag-gedoteerde Ga₂Te₃-selector: Ultra-hoge uithoudingsvermogen drempelschakeling voor 3D cross-point geheugen

Samenvatting

Drempelschakeling in chalcogeniden heeft aanzienlijke aandacht getrokken vanwege hun potentiële toepassing in hoogdichte en driedimensionaal stapelbare cross-point array structuren. Ondanks hun uitstekende drempelschakelkarakteristieken, moeten de selectiviteit en uithoudingsvermogen van dergelijke selectors verbeterd worden voor praktische toepassing. In deze studie werd het effect van Ag op het drempelschakelgedrag van een Ga₂Te₃-selector onderzocht in termen van selectiviteit en uithoudingsvermogen. De Ag-Ga₂Te₃-selector vertoonde een hoge selectiviteit van 10⁸ met een lage off-state stroom van < 100 fA, een steile inschakelhelling van 0,19 mV/dec, en een hoog uithoudingsvermogen van 10⁹ cycli. De transiente respons bleek afhankelijk te zijn van de puls-ingangsspanning en de meet-temperatuur. Gezien zijn uitstekende drempelschakelkarakteristieken, is de Ag-Ga₂Te₃-selector een veelbelovende kandidaat voor toepassingen in cross-point array structuren.

Inleiding

Resistieve random-access memory (ReRAM) wordt onderzocht als veelbelovende kandidaat voor next-generation niet-vlatiel geheugen, vanwege de eenvoudige werking, lage stroomverbruik, 3D-stapelbaar potentieel, schaalbaarheid, en eenvoudige structuur [1,2,3,4]. Echter, de sneekstroom die door aangrenzende cellen passeert, moet worden verminderd om potentiële operationele fouten te voorkomen die kunnen optreden in 3D cross-point array (CPA) structuren met hoge celdichtheid [5, 6]. Tweeterminale selector-apparaten met lage off-state stromen en hoge on/off-verhoudingen zijn gunstig om dergelijke sneekstroomproblemen aan te pakken [7, 8].

Verschillende typen selector-apparaten met drempelschakelkarakteristieken (TS) zijn eerder voorgesteld, waaronder Ovonic threshold switch (OTS) [9], metaal-isolator transitie (MIT) [10], veld-ondersteunde super-lineaire drempelschakelaar (FAST) [11], electrochemische metallisatie (ECM) [12], en gemengde ionisch-elektronische geleiding (MIEC) [13]. Echter, de selectiviteit en lekkagestroom van OTS en MIT selectors moeten verbeterd worden voor praktische toepassingen [9, 10]; de aard van materialen gebruikt voor FAST selectors is niet bekend [11]. Tussenwijl hebben ECM en MIEC apparaten met Ag of Cu aanzienlijke aandacht getrokken vanwege hun wenselijke TS-karakteristieken, waaronder lage lekkagestroom, hoge on/off-verhouding, steile inschakelhelling, en grote hystereses tussen de drempelspanning (V_TH) en de houdspanning (V_Hold) [14,15,16]. In een one-selector-one-resistor (1S1R) structuur wordt het spanningsvenster voor de leesoperatie bepaald door de set-spanning (V_Set) van het geheugen en V_TH van de selector. Omdat V_Set varieert volgens de materialen gebruikt voor het geheugenapparaat, is de modulatie van V_TH vereist om de werking van een 1S1R-apparaat te vergemakkelijken [17]. Bovendien kan het grote verschil tussen V_TH en V_Hold de operationele complexiteit van een CPA-structuur verlichten en de strikte spanningsmatchingsvereisten ontspannen [18, 19].

Het schakelmechanisme van dergelijke selector-apparaten die een actief metaal gebruiken, zoals Ag of Cu, is gebaseerd op de vorming en ontbinding van het metaalgeleidingskanaal. Daarom beïnvloedt de matrix van het elektrolytmateriaal de migratie van het actieve metaal en de schakelsnelheid van de selector aanzienlijk. De schakelsnelheid van een selector gebaseerd op een oxide-gebaseerd elektrolyt is doorgaans langzamer dan de orde van microseconden [20,21,22], wat relatief langzaam is vergeleken met eerdere rapporten over OTS [23] of MIT selector-apparaten [24]. Tegenovergesteld, defecten in chalcogenide films, zoals niet-gebonden Te (NBT), kunnen de activeringsenergie voor de migratie van actieve metaalionen verlagen; daarom zijn chalcogenide materialen te verkiezen voor de snelle migratie van actieve metaalionen [18]. Echter, vanwege hun willekeurig gevormde metaalgeleidingskanaal, hebben deze materialen nadelen wat betreft hun schakel-uithoudingskarakteristiek, wat een cruciale factor is voor selectors [14, 18, 25]. Het uithoudingsvermogen van een ECM-apparaat kan verbeterd worden van 10³ tot 10⁶ cycli door een intermediaire bufferlaag [26]. Echter, verdere uithoudingsverbetering is vereist voor praktische toepassingen van dergelijke apparaten in CPA-structuren [5].

In deze studie werd een hoog defect amorfe Ga₂Te₃ gebruikt als schakellaag door een Ag-laag in te voegen om de TS-karakteristieken te onderzoeken in termen van lage lekkagestroom (off-state stroom), hoge selectiviteit, modulatie van V_TH en V_Hold, en hoog uithoudingsvermogen. Amorfe Ga₂Te₃ is voordelig als elektrolytmateriaal omdat er verschillende NBT's zijn die de activeringsenergie van Ag-migratie en Ga-vacatures verlagen, die fungeren als migratieplaatsen voor Ag in amorfe Ga₂Te₃-films [27,28,29].

Methoden

Selector-apparaten van TiN/Ag/Ga₂Te₃/TiN-stapels werden gefabriceerd met een via-hole structuur om hun TS-karakteristieken te onderzoeken, zoals afgebeeld in Figuur 1a. Eerst werden TiN-plugs met een grootte van 0,42 μm × 0,42 μm gevormd als bottemelektroden (BEs). Ga₂Te₃ dunne films met een dikte van 40 nm werden afgeschieden door RF magnetron co-sputtering met Ga₂Te en Te targets. Vervolgens werd een Ag-film met een dikte van 10 nm op Ga₂Te₃-films afgeschieden door DC magnetron sputtering. Ten slotte werd een TiN top-elektrode (TE) gevormd met DC magnetron sputtering en een lift-off methode.

De elektrische eigenschappen werden onderzocht met een Keysight B1500A analyzer bij 298 K. DC-schakeltesten werden uitgevoerd met een compliance-stroom (I_comp) om harde doorbraak van TS-apparaten te voorkomen. Daarnaast werden AC I-V metingen uitgevoerd met een externe belastingsweerstand van 1 MΩ om doorbraak van apparaten te voorkomen. De microstructuur van het apparaat werd onderzocht met transmissie-elektronenmicroscopie (TEM; JEOL FEM-F200), zoals getoond in Fig. 1b. De dwaarsdoorsnede TEM-monsters van apparaten werden voorbereid met een gefocusde ionenstraal-systeem. De atoomverdeling van Ag in de Ga₂Te₃-film werd onderzocht met TEM-energie-dispersieve spectroscopie (EDS) metingen.

Resultaten en Discussie

Figuur 2a toont een dwaarsdoorsnede TEM-afbeelding van de pristine TiN/Ag-Ga₂Te₃/TiN-stapel van een selector-apparaat. De Ag-tussenlaag met een dikte van 10 nm werd niet waargenomen bovenop de Ga₂Te₃ dunne film. Figuur 2b presenteert de EDS-mapping van de Ga, Te, Ag, en Ti elementen voor het rode rechthoekige gebied gemarkeerd in Fig. 2a. De EDS-mapping afbeeldingen tonen aan dat Ag uniform verdeeld is in de Ga₂Te₃-film, zelfs hoewel geen co-sputterproces van Ag werd toegepast. De homogene Ag-Ga₂Te₃-film kan zijn gevormd door de diffusie van Ag tijdens de stapelvorming. Dergelijke snelle homogenisatie van Ag werd ook gerapporteerd voor GeTe-films [30,31,32]. Ag kan diffunderen in de Ga₂Te₃-dunne film vanwege defecten zoals NBT en Ga-vacatures in de Ga₂Te₃-dunne films [18, 27,28,29].

Figuur 3a toont de stroom-spanning (I-V) karakteristieken van de Ag-Ga₂Te₃-apparaten met een bottemelektrode-oppervlakte van 0,42 µm × 0,42 µm voor 100 opeenvolgende cycli van DC-sweeps. Het apparaat vertoonde TS-karakteristieken zonder een vormingsproces. Toen de spanning op TE gesweept werd van 0 naar 1,5 V, steeg de geleidingsstroom abrupt bij V_TH ≈ 0,87 V tot I_comp die was ingesteld op 1 µA, wat aangeeft dat het apparaat schakelde van een hoge-weerstandstaat (HRS) naar een lage-weerstandstaat (LRS). Het apparaat ontspande terug naar de HRS bij V_Hold ≈ 0,12 V toen de spanning werd verlaagd van 1,5 naar 0 V, wat een aanzienlijk verschil tussen V_TH en V_Hold demonstreert. De off-state stroom bij V_TH werd gemeten op minder dan 100 fA, wat overeenkomt met een van de laagste waarden vergeleken met eerdere rapporten over chalcogenide-gebaseerde selectors die actieve metalen zoals Ag of Cu gebruiken [14, 18, 25, 30, 33]. De selectiviteit, gedefinieerd als de verhouding van de on-state stroom tot de off-state stroom, was ongeveer 10⁸. Zoals getoond in Fig. 3b, vertoonden de I-V-krommen stabiele TS-karakteristieken voor verschillende I_comp-waarden variërend van 10 nA tot 10 µA, wat de flexibiliteit in de werkstroom aangeeft. De vormingsvrije TS met een groot verschil tussen V_TH en V_Hold van de Ag-Ga₂Te₃-selector-apparaten zijn duidelijk gunstiger dan de TS-karakteristieken van Ga₂Te₃-enkel OTS selector-apparaten [34]. Omdat het vormingsproces wordt beschouwd als een potentiële obstakel voor echte apparaattoepassingen, zijn de vormingsvrije karakteristieken van het Ag-Ga₂Te₃-apparaat gunstiger dan selector-apparaten die een vormingsproces vereisen [35]. Verder kan de TS-karakteristiek met een grote hystereses van het Ag-Ga₂Te₃-selector-apparaat de operationele complexiteit van de CPA-structuur verlagen en de strikte spanningsmatchingsvereisten ontspannen [18, 19]. Daarnaast toont de Ag-Ga₂Te₃-selector een steile inschakelhelling van 0,19 mV/dec met een scaansnelheid van 1,5 mV per meetstap, zoals getoond in Fig. 3c. Het Ag-Ga₂Te₃-selector-apparaat demonstreerde uitstekende karakteristieken waaronder hoge selectiviteit (10⁸), lage off-state stroom (<100 fA), steile inschakelhelling (0,19 mV/dec), en vormingsvrije karakteristieken.

Omdat variatie in apparaatprestaties een cruciale factor is voor de toepassing van een selector in een CPA-structuur, werden de verdelingen van V_TH, V_Hold, weerstand van de hoge-weerstandstaat (R_HRS), en weerstand van de lage-weerstandstaat (R_LRS) onderzocht voor 25 willekeurige apparaten. Figuur 4a toont dat de verdeling van de drempelspanning variëerde van 0,75 tot 1,08 V, terwijl de verdeling van de houdspanning variëerde van 0,06 tot 0,375 V. Daarnaast varieerde de weerstandsverdeling in de HRS van 10¹¹ tot 10¹⁴ Ω, terwijl de weerstand in de LRS ongeveer 10⁶ Ω was, zoals getoond in Fig. 4b. Vanwege de metaalgeleidingskanaalvorming vertonen selector-apparaten die actieve metalen zoals Ag of Cu gebruiken relatief grote variatiekenmerken [36, 37]. Daarom zijn studies gerapporteerd over het verbeteren van de betrouwbaarheid van deze kenmerken via doping of bufferlaaginvoeging [37, 38].

Om de transiente respons van de Ag-Ga₂Te₃-selector te onderzoeken, werd de stroom gemeten met een waveform generator fast measurement unit (WGFMU) tijdens een spanningspuls met een hoogte van 3 V, opgaand-dalende tijd van 100 ns, en duur van 1,5 μs met een externe belastingsweerstand van 1 MΩ, zoals getoond in Figuur 5a. De geleidingsstroom van het Ag-Ga₂Te₃-selector-apparaat bereikte zijn piekwaarde na 406 ns vanaf het moment dat de spanning zijn maximum van 3 V bereikte. Verder werd het apparaat binnen 605 ns na verwijdering van de toegepaste spanning naar de off-state geschakeld. Daarom werden de inschakeltijd en uitschakeltijd van de Ag-Ga₂Te₃-selector geschat op respectievelijk ongeveer 400 ns en 600 ns. De trage schakeling van de Ag-Ga₂Te₃-selector kan toegeschreven worden aan de migratie en redoxreacties van Ag voor de vorming van het geleidingskanaal. Daarnaast werd de invloed van de toegepaste spanning en de meet-temperatuur op de schakeltijd onderzocht met een invoerspanning van 1,5–5 V en een meet-temperatuur van 298–375 K. De inschakeltijd nam af van 1 μs tot 294 ns, terwijl de uitschakeltijd toename van 400 ns tot 849 ns toen de puls-spanning toenam van 1,5 tot 3,5 V, zoals getoond in Fig. 5b. De afhankelijkheid van de schakelsnelheid van de toegepaste spanning is vergelijkbaar met eerdere gerapporteerde resultaten van Ag-laag op HfO₂ en TiO₂ [39]. Bovendien toont Fig. 5c dat de inschakel- en uitschakeltijden afnamen met toenemende meet-temperatuur. Volgens het Arrhenius-plot van schakelsnelheid tegen meet-temperatuur getoond in Fig. 5d, kan de exponentiële afhankelijkheid van de schakelsnelheid van de meet-temperatuur worden toegeschreven aan thermisch gefaciliteerde processen, zoals de diffusie van Ag-atomen in de elektrolytfilm-matrix [40]. De activeringsenergieën voor inschakelen en uitschakelen werden respectievelijk geschat op 0,50 eV en 0,40 eV, wat vergelijkbaar is met die gepresenteerd in een eerdere rapportage over een Ag-filament-gebaseerd apparaat [41]. Er werd gerapporteerd dat Ag-geleidende kanalen werden gevormd onder elektrische bias in HfO₂, SiO₂, en TiO₂ [15, 42, 43]. Echter, in deze studie werd Ag waargenomen als uniform verdeeld in pristine Ga₂Te₃-films. Hoewel het mechanisme voor TS in Ga₂Te₃-films met uniforme verdeling van Ag niet helder is begrepen, kan Ag gerelateerd zijn aan de vorming van geleidende kanalen in Ga₂Te₃-films onder elektrische bias. Daarom kan de afhankelijkheid van de schakelsnelheid van de invoerspanning en meet-temperatuur van het Ag-Ga₂Te₃-selector-apparaat worden toegeschreven aan de vorming van de geleidende kanalen.

De AC uithoudingskarakteristiek werd onderzocht onder dezelfde spanningspulsconditie als die van de schakelsnelheidstest. De leesspanningen voor de HRS en LRS waren respectievelijk 0,5 en 3 V. De gemeten weerstanden van de HRS en LRS werden uitgezet voor 450 punten per decaad, zoals getoond in Fig. 6. Het Ag-Ga₂Te₃-selector-apparaat vertoonde stabiele uithoudingskarakteristieken tot 10⁹ cycli met behoud van een selectiviteit van 10⁸, wat uitstekende schakel-uithoudingskarakteristieken demonstreert vergeleken met die van andere selectors die chalcogeniden en actieve metalen gebruikten [18, 25, 30].

Conclusies

In deze studie hebben we de stabiele TS-karakteristieken gedemonstreerd van een selector-apparaat gefabriceerd met Ag met hoge ion-mobiliteit en hoog defect amorfe Ga₂Te₃ als schakellaag. TEM-analyses van de TiN/Ag-Ga₂Te₃/TiN-structuur toonden aan dat de ingebedde Ag-tussenlaag volledig gediffundieerd was in de Ga₂Te₃-film om een uniforme Ag-verdeling in de Ga₂Te₃-laag te produceren. Dit kan zijn vanwege de hoog-defecte structuur van amorfe Ga₂Te₃ tijdens de opeenvolgende TE TiN-afscheiding. De Ag-Ga₂Te₃-selector-apparaat vertoonde vormingsvrije TS, een grote hystereses (1 V), hoge selectiviteit (10⁸), lage off-state stroom (<100 fA), steile inschakelhelling (0,19 mV/dec), en uitstekende uithoudingskarakteristieken (10⁹ cycli). Daarnaast toonden AC I-V metingen de schakelsnelheid in de orde van honderden nanoseconden. De afhankelijkheid van de schakelsnelheid van de puls-spanning kan het gecombineerde effect zijn van Ag-migratie en redoxreactie. Bovendien suggereerde het Arrhenius-gedrag van de schakelsnelheid gebaseerd op de meet-temperatuur dat de TS gerelateerd is aan een thermisch gefaciliteerd proces. Concluderend, het Ag-Ga₂Te₃-apparaat met de uitstekende TS- en uithoudingskarakteristieken is een veelbelovende kandidaat voor selector in CPA-geheugentoepassingen.