Efecto de resistencia diferencial negativo en dispositivo RRAM basado en Ru fabricado por deposición de capa atómica

Resultados y discusión

Las características IV típicas de los dispositivos RRAM basados ​​en Ru se muestran en la Fig. 2a. Después del electroformado, se aplicó un voltaje positivo (2.5 V) para que el proceso de configuración cambiara la celda del estado de alta resistencia (HRS) al estado de baja resistencia (LRS) con una corriente de cumplimiento de 1 mA para evitar la ruptura permanente durante la conducción. formación de filamentos (CF). Después de la transición establecida, se usó un voltaje negativo (-2,3 V) para cambiar el dispositivo de LRS a HRS con una corriente decreciente gradual. Para evaluar la variabilidad de la resistencia de un dispositivo a otro, se eligieron arbitrariamente 10 celdas RRAM basadas en Ru. Como se muestra en la Fig. 2b, los resultados estadísticos demuestran la excelente uniformidad de HRS y LRS con una ventana de resistencia superior a 10 ³ , que podría ser un candidato prometedor para aplicaciones lógicas basadas en NVM. En comparación con los dispositivos basados ​​en Pt reportados anteriormente [2], vale la pena señalar que se observó un fenómeno NDR durante el proceso de ajuste, donde la corriente disminuye con el aumento de voltaje (fase de ajuste 1) en una escala de voltaje limitada seguida de un aumento a la corriente de cumplimiento (fase de configuración 2).

un Características DC. b Distribuciones estadísticas HRS / LRS de 10 dispositivos RRAM basados ​​en Ru

La variabilidad de ciclo a ciclo de los dispositivos RRAM basados ​​en Ru también se investigó en el modo de pulso para estudiar la uniformidad del ciclo. Los pulsos de ajuste (2,4 V, 15 ns) y pulso (- 3 V, 100 ns) se utilizan para cambiar el dispositivo entre LRS y HRS con un voltaje de lectura de 0,1 V después de cada pulso. Como se muestra en la Fig. 3a, el dispositivo de 1000 ciclos tiene una distribución uniforme con desviaciones estándar de 379 Ω y 3 × 10 ⁵ Ω para LRS y HRS, lo que da como resultado una ventana de memoria estable superior a 100. No se produce ninguna degradación de la resistencia incluso después de 10 ⁶ ciclos de conmutación como se informó anteriormente en la Ref. [15]. Además, el dispositivo también demuestra una excelente propiedad de retención como se muestra en la Fig. 3b. Tanto la resistencia LRS como la HRS mantienen un valor constante superior a 10 ⁵ sa 120 ° C sin fallas.

un 1000 ciclos de resistencia. b Comportamiento de retención de alta temperatura de un Ru / AlO _y / HfO _x / Dispositivo TiN RRAM

Para explorar el fenómeno NDR, el I – V Las curvas se midieron tanto en el modo de barrido de voltaje como en el modo de barrido de corriente. La Figura 4a muestra el proceso de formación de cinco células RRAM frescas seleccionadas al azar. La corriente aumenta gradualmente seguida de un desprendimiento, lo que indica la formación de FQ, mientras que no se observó NDR. Después del electroformado, las operaciones de ajuste en diferentes modos de barrido se llevan a cabo en la misma celda para observar la variación de corriente, como se muestra en la Fig. 4b. Para el conjunto impulsado por corriente, la corriente aumenta lentamente con una disminución repentina del voltaje, lo que demuestra la transición de la resistencia de HRS a LRS. Este comportamiento es distinto de la característica impulsada por el voltaje, que podría deberse al calentamiento Joule inducido por diferentes estímulos a través de la FC. Además, se realizaron operaciones consecutivas de activación / desactivación con diferentes sesgos para investigar el estado de resistencia intermedia en la región NDR. Se aplicó un voltaje de parada apropiado de 1 V durante el proceso de fraguado, como se muestra en la Fig. 4c, para terminar el barrido en el fondo del valle. Se obtuvo un estado de resistencia no volátil después de que se eliminó el voltaje, que exhibió un comportamiento de conmutación resistiva unipolar. Por lo tanto, este fenómeno NDR se atribuye tentativamente a un segundo reinicio del CF durante el proceso de configuración.

un Formación de voltaje de cinco dispositivos RRAM basados ​​en Ru. b Procesos de ajuste impulsados ​​por voltaje y por corriente en la misma celda RRAM. c Proceso de configuración incompleto con el voltaje de parada en la parte inferior del valle actual

Combinado con las mediciones en diferentes modos y procesos de fabricación de dispositivos, así como las propiedades de RuO ₂ , se propuso el origen físico del fenómeno NDR, como se ilustra en la Fig. 5. Un estudio anterior [19, 20] sugirió que la generación y recombinación de la vacante de oxígeno empobrecido en electrones ( V _o ) e iones de oxígeno (O ²⁻ ) bajo diferentes polaridades eléctricas son responsables del HfO _x convencional bipolares basados ​​en RRAM, que es similar a los procesos de configuración de fase 2 y reinicio. Sin embargo, a diferencia del proceso de fraguado convencional, se produce una segunda ruptura del CF desconectando el electrodo Ru y el CF y conduciendo al NDR. En general, los átomos de oxígeno se disocian en V _o y O ²⁻ bajo campo eléctrico con la deriva del O ²⁻ al electrodo superior, dejando la V _o para formar el CF que se utiliza para el transporte de electrones. Pero debido al calentamiento de Joule causado por el campo eléctrico, el RuO ₂ formado la capa de interfaz se descompondría lentamente a ~ 600 ° C y liberaría O ²⁻ que podría recombinarse con el electrón empobrecido V _o ( V _o ²⁺ ) cerca del electrodo Ru (fase de ajuste 1) [21], lo que da como resultado una disminución de la corriente. Este proceso también puede verse como un proceso de reinicio unipolar parcial. Con el voltaje en aumento adicional, la CF entre TE y BE se reconstruirá mediante una acumulación de V _o como se muestra en la fase de ajuste 2 y la celda RRAM cambia a LRS. Durante el reinicio, dos procesos tienen lugar simultáneamente:(1) el O ²⁻ liberados del electrodo de TiN se recombinan rápidamente con el V cargado positivamente _o debido a la sección de captura mejorada, (2) el O ²⁻ la deriva hacia BE reacciona con Ru y reforma el RuO ₂ capa de interfaz debido al calentamiento local Joule [22]. En esta condición, la celda RRAM cambia a HRS.

Procesos físicos de conmutación resistiva en RRAM basada en Ru. un Efecto NDR (fase de ajuste 1). b Procesos SET comunes (fase de ajuste 2). c RESET proceso del dispositivo

Análisis XPS del RuO ₂ La capa de interfaz, que se formó durante el proceso de fabricación del dispositivo, también respalda la explicación propuesta del efecto NDR. La Figura 6a muestra el espectro completo de XPS de la muestra, que incluye los niveles centrales de O 1s, Ru 3d, Al 2p y Hf 4f. Los otros picos sin marcar corresponden todos a estos elementos con diferentes órbitas de electrones. La curva de ajuste en la Fig. 6b encaja perfectamente con los datos experimentales y se divide en cuatro picos, que corresponden a la Ru 3d _5/2 (280,01 eV para Ru y 280,75 eV para RuO ₂ ) y Ru 3d _3/2 (284,3 eV para Ru y 285,26 eV para RuO ₂ ) niveles básicos, lo que demuestra la coexistencia de Ru y RuO ₂ en la película delgada [23]. La baja intensidad de Ru 3d _5/2 pico indica que el RuO ₂ formado La capa de interfaz es muy delgada como esperábamos.

Espectros XPS de a Ru / AlO _y / HfO _x película fina y b Nivel básico Ru 3d. El RuO ₂ película delgada entre Ru y AlO _y formularios durante el proceso ALD [18]

Conclusión

En este estudio, el Ru / AlO _y compatible con CMOS / HfO _x / Se fabricó el dispositivo TiN RRAM. El excelente rendimiento de conmutación se logró con una resistencia uniforme de dispositivo a dispositivo y una gran ventana de resistencia, así como una buena propiedad de retención a alta temperatura. Según las mediciones eléctricas y el análisis XPS, el fenómeno NDR en el proceso establecido se puede explicar por la recombinación de las vacantes de oxígeno y los iones de oxígeno liberados por el RuO ₂ capa de interfaz debido al calentamiento Joule inducido eléctricamente.

Abreviaturas

ALD:

Deposición de la capa atómica

CF:

Filamento conductor

HRS:

Estado de alta resistencia

LRS:

Estado de baja resistencia

NDR:

Resistencia diferencial negativa

PECVD:

Deposición de vapor químico mejorada por plasma

RRAM:

Memoria resistiva de acceso aleatorio

SCM:

Memoria de clase de almacenamiento

XPS:

Espectroscopia de fotoelectrones de rayos X

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