Funcionalidad dual de dispositivos V/SiOₓ/AlOᵧ/p⁺⁺Si: Selector y conmutación de memoria controlados por corriente de cumplimiento

Resumen

Este estudio demuestra que una única celda de memoria resistiva V/SiOₓ/AlOᵧ/p⁺⁺Si puede operar como selector o elemento de memoria simplemente ajustando el límite de corriente de cumplimiento (CCL). Cuando se aplica un CCL bajo de 1 µA durante un paso de formación positivo, el dispositivo exhibe conmutación de umbral unidireccional, atribuible a una transición metal-aislante (MIT) en la capa de VOₓ formada en el electrodo de vanadio. Un CCL más alto de 30 µA, en cambio, induce conmutación resistiva bipolar gobernada por la formación y ruptura de un filamento conductor en la capa de SiOₓ. Una capa de AlOᵧ de 1,5 nm con alta conductividad térmica reduce la corriente de apagado en ambos modos, y mediciones dependientes de la temperatura revelan una barrera de alta energía (0,463 eV) en el estado de baja resistencia (LRS), mejorando la no linealidad a CCL bajos. La coexistencia de estas dos funciones brinda flexibilidad para diseñar matrices de punto cruzado que combinen capacidades de selector y memoria.

Antecedentes

La memoria de acceso aleatorio resistiva (RRAM) es candidata líder para memoria no volátil de próxima generación debido a su conmutación ultrarrápida, bajo consumo, almacenamiento multinivel, alta escalabilidad y compatibilidad con apilamiento 3D. RRAM puede cerrar la brecha de rendimiento entre DRAM y SSD, sirviendo como memoria de clase de almacenamiento (SCM). Sin embargo, un desafío crítico persiste: las corrientes parásitas en matrices densas de punto cruzado. Dispositivos selectores con características corriente-voltaje (I-V) no lineales son esenciales para suprimir estas corrientes parásitas. Diversos conceptos de selectores —conmutación resistiva complementaria, barreras de túnel, conmutación de umbral basada en Ag, selectores tipo diodo, conmutación de umbral ovónica y transiciones metal-aislante— han sido explorados. VOₓ es un material MIT prototípico, mientras que SiO₂ se usa ampliamente como capa de pasivación. SiOₓ rico en Si (x < 2) ofrece compatibilidad CMOS y puede servir como capa de cambio de resistencia en RRAM, permitiendo conmutación filamentos o mecanismos de cambio de valencia. El presente trabajo introduce una celda V/SiOₓ/AlOᵧ/p⁺⁺Si que exhibe tanto comportamiento selector como memoria dependiendo únicamente del CCL aplicado, aprovechando un electrodo inferior de silicio para mejor resistencia en serie y control de filamento.

Métodos

La pila del dispositivo se fabricó sobre sustrato Si. Primero, iones BF₂ se implantaron a 40 keV y dosis de 5 × 10¹⁵ cm⁻² para dopar pesadamente el electrodo inferior (BE) de Si, seguido de recocido a 1050 °C durante 10 min para reparar daño de red, resultando en resistencia de lámina de 30,4 Ω/□. Una capa de AlOᵧ de 1,5 nm se depositó por deposición de capas atómicas (ALD) usando H₂O y trimetilaluminio. Una capa de SiOₓ de 5,5 nm se formó luego por deposición química de vapor mejorada por plasma (PECVD) a 300 °C usando 5 % SiH₄/N₂ (160 sccm), N₂O (1300 sccm) y N₂ (240 sccm). Un electrodo superior (TE) de vanadio (V) de 50 nm y 100 µm de diámetro se pulverizó (Ar, 30 sccm) y se cubrió con capa de Al de 50 nm para prevenir oxidación. Las mediciones eléctricas se realizaron con un analizador de parámetros semiconductores Keithley 4200-SCS y módulo ultra-rápido I-V 4225-PMU a temperatura ambiente.

Resultados y Discusión

La imagen TEM transversal (Fig. 1b) confirma las capas amorfas de V, SiOₓ y AlOᵧ sobre el BE de Si monocristalino, con espesores de 5,5 nm y 1,5 nm respectivamente. Análisis XPS muestra estequiometría SiOₓ x = 0,88 y AlOᵧ y = 1,33, indicando SiOₓ ligeramente deficiente en oxígeno propicio para conmutación resistiva. La conmutación de umbral unidireccional (Fig. 2a) aparece tras un paso de formación positivo bajo CCL de 1 µA. El dispositivo exhibe un encendido agudo a un voltaje umbral V_th entre 1,08 y 1,82 V y retorna al estado apagado a un voltaje de retención V_hold entre 0,12 y 0,54 V sobre 100 ciclos. La dependencia de temperatura muestra comportamiento de umbral hasta 55 °C, pero desaparece a 85 °C, confirmando MIT de VOₓ como mecanismo de conmutación. Medidas transitorias (Fig. 2d) revelan una corriente alta durante el pulso de escritura que decae inmediatamente tras la remoción del pulso, característico de operación selector. La alta permitividad y conductividad térmica de la capa AlOᵧ suprimen significativamente la corriente de apagado (<100 pA a 1 V) comparado con selectores VOₓ. La conmutación resistiva bipolar (Fig. 3a) emerge cuando el mismo dispositivo se forma con CCL de 30 µA. El dispositivo conmuta de HRS a LRS mediante un pulso de reinicio positivo y retorna a HRS tras un pulso de ajuste negativo. La conductancia normalizada (G_N) permanece cercana a 1 a sesgo cero a través de temperaturas, descartando conducción Schottky, Fowler-Nordheim y limitada por carga espacial. En su lugar, el LRS exhibe comportamiento semiconductor, implicando que el filamento reside en SiOₓ en lugar de en la capa VOₓ. El análisis del gráfico ln(I) versus 1000/T produce una energía de activación de 0,463 eV y una distancia de salto de 5,17 nm, apoyando un modelo de conducción por salto para el filamento. También se observa una contribución de emisión Poole-Frenkel (ver Suplementario). La alta barrera de energía y el filamento fino a CCL bajos aumentan la no linealidad y reducen corrientes parásitas. La Figura 4a-d ilustra cómo variar el CCL (5 µA, 30 µA, 1 mA) modula la curva I-V del LRS y la no linealidad. CCL bajos suprimen la corriente a bajo sesgo, aumentando la relación de no linealidad (I(V_READ)/I(½V_READ)). Esta no linealidad intrínseca surge de las propiedades volumétricas de SiOₓ y la barrera AlOᵧ. Usando un modelo de circuito equivalente, el margen de lectura (ΔV) para una matriz de punto cruzado escala con conteo de líneas de palabra; a 10 % de margen de lectura, matrices de 10×10 (CCL 5 µA) y 5×5 (CCL 1 mA) son factibles. Si bien un voltaje de lectura más alto (1 V) produce mayor no linealidad que 0,5 V, también aumenta la potencia estática.

Conclusiones

La celda V/SiOₓ/AlOᵧ/p⁺⁺Si demuestra funcionalidad dual: un selector de bajo CCL (≤1 µA) impulsado por MIT de VOₓ y una celda de memoria de alto CCL (≥5 µA) gobernada por formación de filamento en SiOₓ. La capa AlOᵧ de 1,5 nm proporciona alta selectividad (10⁴) y baja corriente de apagado. CCL bajos aumentan la no linealidad, permitiendo matrices de punto cruzado mayores con corrientes parásitas reducidas.

Abreviaturas

ALD

Deposición de capas atómicas

BE

Electrodo inferior

CCL

Límite de corriente de cumplimiento

CRS

Conmutación resistiva complementaria

DRAM

Memoria de acceso aleatorio dinámica

HRS

Estado de alta resistencia

I-V

Corriente-voltaje

LRS

Estado de baja resistencia

MIT

Transición metal-aislante

OTS

Conmutación de umbral ovónica

PECVD

Deposición química de vapor mejorada por plasma

P-F

Poole-Frenkel

RRAM

Memoria de acceso aleatorio resistiva

SCLC

Corriente limitada por carga espacial

SCM

Memoria de clase de almacenamiento

SPA

Analizador de parámetros semiconductores

SSD

Unidad de estado sólido

TE

Electrodo superior

TEM

Microscopía electrónica de transmisión

V

Vanadio