Dispositivos RRAM basados en Ru muestran resistencia diferencial negativa: perspectivas desde la fabricación por deposición atómica

Resumen

En este trabajo, se fabricaron y estudiaron dispositivos RRAM basados en Ru con capa funcional AlOᵧ/HfOₓ depositada por deposición atómica (ALD). Se observó un comportamiento de resistencia diferencial negativa (NDR) durante el proceso de set por voltaje, y se exploró su origen físico. Basado en la comprensión física del conmutación resistiva, el comportamiento NDR medido se asocia con un efecto de reset parcialmente unipolar, debido a la recombinación entre vacancias de oxígeno y iones de oxígeno liberados térmicamente desde la capa interfacial de RuO₂. Las características eléctricas medidas y los resultados de espectroscopía de fotoelectrones de rayos X (XPS) verificaron la interpretación física.

Introducción

Como una de las memorias no volátiles emergentes más prometedoras, la memoria de acceso aleatorio resistiva (RRAM) se ha estudiado extensamente en optimización de materiales, mejora de rendimiento e integración de dispositivos. Debido a ventajas significativas como estructura de celda simple, velocidad operativa rápida, bajo consumo de energía y potencial de miniaturización incomparable, la RRAM se ha aplicado ampliamente en computación neuromórfica inspirada en el cerebro y lógica booleana reconfigurable, y también exhibe gran potencial para aplicaciones de memoria de clase de almacenamiento (SCM). Sin embargo, como indica la Hoja de Ruta Internacional para Dispositivos y Sistemas 2017, desafíos como escalabilidad, fiabilidad del dispositivo y compatibilidad de proceso aún obstaculizan el desarrollo de RRAM. Por tanto, la construcción de dispositivos RRAM compatibles con CMOS con rendimiento superior es de gran importancia para aplicaciones basadas en la estructura 1T1R de celda RRAM. Según un estudio previo, un dispositivo RRAM basado en Ru muestra gran potencial comparado con los basados en Pt, mientras que se demostró resistencia diferencial negativa (NDR) durante un proceso de set por voltaje. Los fenómenos NDR acompañados de conmutación resistiva se han investigado en otras estructuras RRAM, principalmente debido a la captura/emisión de portadores electrónicos entre estados localizados profundos inducidos por nanopartículas metálicas implantadas, o la acumulación de defectos que causan reinstalación de la unión. Mientras que la aparición de NDR en celdas RRAM basadas en Ru bajo gran corriente aún está pendiente, en este trabajo se evaluó el rendimiento eléctrico de un dispositivo RRAM basado en Ru fabricado por técnica de deposición atómica (ALD). Basado en la caracterización por espectroscopía de fotoelectrones de rayos X (XPS) y mediciones eléctricas con diferentes estímulos, el fenómeno NDR en la RRAM basada en Ru puede explicarse en el marco del modelo de filamento conductor de vacancias de oxígeno.

Métodos

El diagrama esquemático de la estructura del dispositivo y el array RRAM fabricado se muestran en Fig. 1a, b, respectivamente. El dispositivo RRAM Ru/AlOᵧ/HfOₓ/TiN se fabricó sobre un sustrato de SiO₂ termicamente oxidado de 300 nm. Una película delgada de Ru de 80 nm se depositó sobre una capa de adhesión de Ti de 20 nm como electrodo inferior por sputtering magnetrón DC (Angstrom Engineering NEXDEP) usando un blanco de Ru metálico. El SiO₂ crecido por deposición química de vapor mejorada por plasma (PECVD) sirve como dieléctrico para aislar electrodos y forma las vías. Luego, la capa resistiva de 2 nm AlOᵧ y 3 nm HfOₓ se depositó por un sistema de deposición atómica (PICOSUN R200) a 300 °C con precursores trimetilaluminio (TMA) y tetrakis[etilmetilamino]hafnio (TEMAH). Después, 80 nm de TiN se sputterizaron reactivamente usando un blanco de Ti y se grabaron para formar los patrones de electrodo superior. Otro grabado en seco se realizó también para exponer el electrodo inferior para contacto eléctrico.

El análisis elemental se realizó por un sistema de espectroscopía de fotoelectrones de rayos X (XPS) (Thermo Scientific ESCALAB 250Xi) usando una muestra fresca sin electrodo superior. Previo a la medición, se realizó limpieza de superficie con plasma de Ar para eliminar la influencia del C. La posición del pico de Al 2p se usó para calibración. Las mediciones eléctricas se realizaron a temperatura ambiente por un analizador de dispositivos semiconductor (Agilent B1500A) y generador de función de pulso arbitrario (Agilent 81160A).

Resultados y Discusión

Las características IV típicas de dispositivos RRAM basados en Ru se muestran en Fig. 2a. Tras la electroformación, se aplicó un voltaje positivo (2,5 V) para el proceso de set para conmutar la celda de estado de alta resistencia (HRS) a estado de baja resistencia (LRS) con una corriente de cumplimiento de 1 mA para prevenir ruptura permanente durante la formación del filamento conductor (CF). Tras la transición de set, un voltaje negativo (−2,3 V) se usó para conmutar el dispositivo de LRS a HRS con una corriente decreciente gradual. Para evaluar la variabilidad de resistencia entre dispositivos, se eligieron 10 celdas RRAM basadas en Ru arbitrariamente. Como se muestra en Fig. 2b, los resultados estadísticos demuestran una excelente uniformidad de HRS y LRS con una ventana de resistencia mayor a 10³, lo que podría ser un candidato prometedor para aplicaciones lógicas basadas en NVM. Comparado con dispositivos basados en Pt reportados previamente, cabe destacar que se observó un fenómeno NDR durante el proceso de set, donde la corriente disminuye con el aumento del voltaje (set-fase 1) en un rango de voltaje limitado, seguido de un aumento hasta la corriente de cumplimiento (set-fase 2).

La variabilidad ciclo a ciclo de dispositivos RRAM basados en Ru también se investigó bajo modo de pulso para estudiar la uniformidad de ciclos. Los pulsos para set (2,4 V, 15 ns) y reset (−3 V, 100 ns) se usaron para conmutar el dispositivo entre LRS y HRS con un voltaje de lectura de 0,1 V tras cada pulso. Como se muestra en Fig. 3a, el dispositivo de 1000 ciclos tiene una distribución uniforme con desviaciones estándar de 379 Ω y 3 × 10⁵ Ω para LRS y HRS, resultando en una ventana de memoria estable mayor a 100. No ocurre degradación de resistencia incluso después de 10⁶ ciclos de conmutación como se reportó previamente. Además, el dispositivo también demuestra una excelente propiedad de retención como se muestra en Fig. 3b. Tanto la resistencia LRS como HRS mantienen un valor constante por más de 10⁵ s a 120 °C sin fallo.

Para explorar el fenómeno NDR, las curvas I-V se midieron tanto en modo de barrido de voltaje como de barrido de corriente. La Figura 4a muestra el proceso de formación de cinco celdas RRAM frescas seleccionadas al azar. La corriente aumenta gradualmente seguida de una ruptura, indicando la formación de CF, mientras que no se observó NDR. Tras la electroformación, se realizan operaciones de set en diferentes modos de barrido en la misma celda para observar la variación de corriente, como se muestra en Fig. 4b. Para el set impulsado por corriente, la corriente aumenta lentamente con una disminución repentina del voltaje, demostrando la transición de resistencia de HRS a LRS. Este comportamiento es distinto del característico impulsado por voltaje, lo que podría deberse al calentamiento Joule inducido por diferentes estímulos a través del CF. Además, se realizaron operaciones consecutivas de set/reset bajo diferentes polarizaciones para investigar el estado de resistencia intermedio en la región NDR. Se aplicó un voltaje de parada apropiado de 1 V durante el proceso de set, como se muestra en Fig. 4c, para terminar el barrido en el fondo del valle. Se obtuvo un estado de resistencia no volátil tras remover el voltaje, exhibiendo un comportamiento de conmutación resistiva unipolar. Por tanto, este fenómeno NDR se atribuye tentativamente a un segundo reset del CF durante el proceso de set.

Combinado con las mediciones en diferentes modos y procesos de fabricación del dispositivo, así como las propiedades de RuO₂, se propuso el origen físico del fenómeno NDR, como se ilustra en Fig. 5. Un estudio previo sugirió que la generación y recombinación de vacancia de oxígeno agotada de electrones (Vₒ) e ion oxígeno (O²⁻) bajo diferentes polaridades eléctricas son responsables de los dispositivos RRAM bipolares convencionales basados en HfOₓ, lo cual es similar a los procesos set-fase 2 y reset. Sin embargo, a diferencia del proceso de set convencional, una segunda ruptura del CF tiene lugar desconectando el electrodo Ru y el CF y llevando al NDR. En general, los átomos de oxígeno se disocian en Vₒ y O²⁻ bajo campo eléctrico con la deriva de O²⁻ hacia el electrodo superior, dejando Vₒ para formar el CF usado para transporte de electrones. Pero debido al calentamiento Joule causado por el campo eléctrico, la capa interfacial de RuO₂ formada se descompondría lentamente a ~600 °C y liberaría O²⁻ que podría recombinarse con la Vₒ agotada de electrones (Vₒ²⁺) cerca del electrodo Ru (set-fase 1), resultando en una disminución de corriente. Este proceso también puede verse como un proceso de reset unipolar parcial. Con el aumento adicional del voltaje, el CF entre electrodo superior e inferior se reconstruirá por una acumulación de Vₒ como se muestra en set-fase 2 y la celda RRAM conmutará a LRS. Durante el reset, dos procesos ocurren simultáneamente: (1) los O²⁻ liberados del electrodo TiN se recombinan rápidamente con los Vₒ cargados positivamente debido a la sección de captura mejorada, (2) los O²⁻ derivando hacia el electrodo inferior reaccionan con Ru y reforman la capa interfacial de RuO₂ debido al calentamiento Joule local. En esta condición, la celda RRAM conmutará a HRS.

El análisis XPS de la capa interfacial de RuO₂, que se formó durante el proceso de fabricación del dispositivo, también apoya la explicación propuesta del efecto NDR. La Figura 6a muestra el espectro XPS completo de la muestra, que incluye niveles de núcleo O 1s, Ru 3d, Al 2p y Hf 4f. Los otros picos no marcados corresponden a estos elementos con diferentes orbitales electrónicos. La curva de ajuste en Fig. 6b encaja perfectamente con los datos experimentales y se divide en cuatro picos, que corresponden a los niveles de núcleo Ru 3d₅/₂ (280,01 eV para Ru y 280,75 eV para RuO₂) y Ru 3d₃/₂ (284,3 eV para Ru y 285,26 eV para RuO₂), demostrando la coexistencia de Ru y RuO₂ en la película delgada. La baja intensidad del pico Ru 3d₅/₂ indica que la capa interfacial de RuO₂ formada es muy delgada como se esperaba.

Conclusiones

En este estudio, el dispositivo RRAM compatible con CMOS Ru/AlOᵧ/HfOₓ/TiN fue fabricado. Se logró un excelente rendimiento de conmutación con resistencia uniforme dispositivo-a-dispositivo y una gran ventana de resistencia, así como una buena propiedad de retención a alta temperatura. Basado en las mediciones eléctricas y análisis XPS, el fenómeno NDR en el proceso de set puede explicarse por la recombinación de vacancias de oxígeno e iones de oxígeno liberados desde la capa interfacial de RuO₂ debido al calentamiento Joule inducido por el campo eléctrico.

Abreviaturas

ALD:

Deposición atómica

CF:

Filamento conductor

HRS:

Estado de alta resistencia

LRS:

Estado de baja resistencia

NDR:

Resistencia diferencial negativa

PECVD:

Deposición química de vapor mejorada por plasma

RRAM:

Memoria de acceso aleatorio resistiva

SCM:

Memoria de clase de almacenamiento

XPS:

Espectroscopía de fotoelectrones de rayos X