Selector Ag-Ga₂Te₃: Conmutación Umbral de Ultra Alta Resistencia para Memoria 3D Cross-Point

Resumen

La conmutación umbral en calcogenuros ha atraído considerable atención debido a su potencial aplicación en estructuras de arrays cross-point apilables en tres dimensiones (3D) y de alta densidad. Sin embargo, a pesar de sus excelentes características de conmutación umbral, la selectividad y la resistencia de estos selectores deben mejorarse para aplicaciones prácticas. En este estudio, se investigó el efecto de la plata (Ag) en el comportamiento de conmutación umbral de un selector Ga₂Te₃ en términos de selectividad y resistencia. El selector Ag-Ga₂Te₃ exhibió una alta selectividad de 10⁸ con una corriente de estado apagado baja de < 100 fA, una pendiente de encendido pronunciada de 0.19 mV/dec y una alta resistencia de 10⁹ ciclos. Se verificó que la respuesta transitoria depende del voltaje de pulso de entrada y de la temperatura de medición. Considerando sus excelentes características de conmutación umbral, el selector Ag-Ga₂Te₃ es un candidato prometedor para aplicaciones en estructuras de arrays cross-point.

Introducción

La memoria de acceso aleatorio resistiva (ReRAM) se ha investigado como candidata prometedora para memoria no volátil de próxima generación, debido a su operación simple, bajo consumo energético, potencial de apilamiento 3D, escalabilidad y estructura simple. Sin embargo, la corriente parásita que pasa a través de celdas adyacentes debe reducirse para evitar fallos operacionales en estructuras cross-point 3D de alta densidad. Los dispositivos selectores de dos terminales con corrientes de estado apagado bajas y altas relaciones encendido/apagado son preferidos para abordar estos problemas de corriente parásita.

Previamente se han propuesto varios tipos de selectores con características de conmutación umbral (TS), incluyendo interruptores umbral óvonicos (OTS), transición metal-aislante (MIT), interruptores umbral super-lineales asistidos por campo (FAST), metalización electroquímica (ECM) y conducción iónico-electrónica mixta (MIEC). Sin embargo, la selectividad y la corriente de fuga de selectores OTS y MIT deben mejorarse para aplicaciones prácticas; la naturaleza de los materiales para selectores FAST no se conoce. Mientras tanto, dispositivos ECM y MIEC con Ag o Cu han atraído considerable atención debido a sus deseables características TS, incluyendo baja corriente de fuga, alta relación encendido/apagado, pendiente de encendido pronunciada y gran histéresis entre el voltaje umbral (V_TH) y el voltaje de retención (V_Hold). En una estructura un selector-un resistor (1S1R), la ventana de voltaje para la operación de lectura está determinada por el voltaje de set (V_Set) de la memoria y el V_TH del selector. Como V_Set varía según los materiales del dispositivo de memoria, la modulación de V_TH es necesaria para facilitar la operación 1S1R. Además, la gran diferencia entre V_TH y V_Hold puede aliviar la complejidad operacional de una estructura CPA y relajar los estrictos requisitos de coincidencia de voltaje.

El mecanismo de conmutación de estos selectores que usan metales activos como Ag o Cu se basa en la formación y disolución del canal de conducción metálico. Por tanto, la matriz del material electrolítico afecta significativamente la migración del metal activo y la velocidad de conmutación. La velocidad de conmutación de un selector basado en electrolito de óxido es generalmente más lenta que el orden de microsegundos, relativamente lenta comparada con selectores OTS o MIT reportados previamente. Entretanto, defectos en películas de calcogenuro, como Te no enlazado (NBT), pueden reducir la energía de activación para la migración de iones de metal activo; por tanto, materiales calcogenuros son preferibles para la migración rápida de iones de metal activo. Sin embargo, debido a su canal de conducción metálico formado aleatoriamente, estos materiales tienen desventajas en términos de resistencia de conmutación, factor crucial para selectores. La resistencia de un dispositivo ECM puede mejorarse de 10³ a 10⁶ ciclos usando una capa intermedia de buffer. Sin embargo, se requiere mayor mejora para aplicaciones prácticas en estructuras CPA.

En este estudio, se utilizó Ga₂Te₃ amorfo altamente defectuoso como capa de conmutación insertando una capa de Ag para investigar las características TS en términos de baja corriente de fuga (corriente de estado apagado), alta selectividad, modulación de V_TH y V_Hold, y alta resistencia. El Ga₂Te₃ amorfo es ventajoso como material electrolítico porque hay varios NBTs que reducen la energía de activación de migración de Ag y vacantes de Ga, que actúan como sitios de migración para Ag en películas de Ga₂Te₃ amorfo.

Métodos

Dispositivos selectores de pilas TiN/Ag/Ga₂Te₃/TiN se fabricaron con estructura de via-hole para investigar sus características TS. Primero, se formaron plugs de TiN de 0.42 µm × 0.42 µm como electrodos inferiores (BE). Películas delgadas de Ga₂Te₃ de 40 nm se depositaron mediante co-sputtering RF usando blancos de Ga₂Te y Te. Posteriormente, una película de Ag de 10 nm se depositó sobre las películas de Ga₂Te₃ mediante sputtering DC. Finalmente, un electrodo superior (TE) de TiN se formó usando sputtering DC y método lift-off.

Las propiedades eléctricas se investigaron usando un analizador Keysight B1500A a 298 K. Pruebas de conmutación DC se realizaron con corriente de cumplimiento (I_comp) para evitar ruptura dura de dispositivos TS. Además, mediciones AC I-V se realizaron con resistencia de carga externa de 1 MΩ para prevenir ruptura de dispositivos. La microestructura se investigó mediante microscopía electrónica de transmisión (TEM; JEOL FEM-F200). Las muestras transversales TEM se prepararon usando sistema de haz de iones enfocado. La distribución atómica de Ag en la película de Ga₂Te₃ se investigó mediante mediciones TEM-espectroscopía de rayos X dispersiva en energía (EDS).

Resultados y Discusión

La imagen TEM transversal del stack TiN/Ag-Ga₂Te₃/TiN prístino muestra que la intercapa de Ag de 10 nm no se observó sobre la película delgada de Ga₂Te₃. El mapeo EDS revela que Ag se distribuye uniformemente en la película de Ga₂Te₃ aunque no se aplicó co-sputtering de Ag. La película homogénea Ag-Ga₂Te₃ probablemente se formó por difusión de Ag durante la formación del stack. Tal homogeneización rápida de Ag también se reportó para películas de GeTe. Ag puede difundirse en la película delgada de Ga₂Te₃ debido a defectos como NBT y vacantes de Ga.

Las características corriente-voltaje (I-V) del dispositivo Ag-Ga₂Te₃ con área de electrodo inferior de 0.42 µm × 0.42 µm para 100 ciclos consecutivos de barrido DC muestran características TS sin proceso de forming. Cuando el voltaje en TE barría de 0 a 1.5 V, la corriente de conducción aumentaba abruptamente en V_TH ≈ 0.87 V hasta I_comp = 1 µA, indicando conmutación de estado de alta resistencia (HRS) a estado de baja resistencia (LRS). El dispositivo relajaba de nuevo a HRS en V_Hold ≈ 0.12 V al reducir el voltaje, demostrando considerable diferencia entre V_TH y V_Hold. La corriente de estado apagado en V_TH fue < 100 fA, uno de los valores más bajos comparado con selectores basados en calcogenuros usando metales activos. La selectividad (relación corriente encendido/apagado) fue ~10⁸. Las curvas I-V mostraron características TS estables para varios valores de I_comp (10 nA a 10 µA), indicando flexibilidad en corriente de operación. La conmutación TS sin forming y con gran histéresis es favorable frente a selectores OTS solo Ga₂Te₃. El selector Ag-Ga₂Te₃ muestra pendiente de encendido pronunciada de 0.19 mV/dec con tasa de barrido de 1.5 mV/paso.

La variación dispositivo-a-dispositivo es crucial para aplicación en CPA. Se investigaron distribuciones de V_TH, V_Hold, R_HRS y R_LRS para 25 dispositivos aleatorios. V_TH varió de 0.75 a 1.08 V, V_Hold de 0.06 a 0.375 V. R_HRS varió de 10¹¹ a 10¹⁴ Ω, mientras R_LRS fue ~10⁶ Ω. Los selectores con metales activos exhiben variación relativamente amplia; estudios sobre mejora de fiabilidad mediante doping o capas buffer se han reportado.

Para investigar respuesta transitoria, se midió corriente usando unidad de medición rápida generadora de forma de onda (WGFMU) durante pulso de voltaje de 3 V, tiempo subida/bajada 100 ns, duración 1.5 µs con resistencia de carga 1 MΩ. La corriente de conducción alcanzó valor pico tras 406 ns desde que el voltaje alcanzó 3 V. El dispositivo se conmutó a estado apagado dentro de 605 ns tras remover voltaje. Tiempo de encendido ~400 ns y apagado ~600 ns. La conmutación lenta se atribuye a migración y reacciones redox de Ag para formación del canal. La influencia del voltaje aplicado y temperatura en tiempo de conmutación se investigó con voltaje 1.5-5 V y temperatura 298-375 K. El tiempo de encendido disminuyó de 1 µs a 294 ns, mientras el de apagado aumentó de 400 ns a 849 ns al aumentar voltaje de 1.5 a 3.5 V. La dependencia de velocidad de conmutación con voltaje es comparable a resultados previos de capa Ag sobre HfO₂ y TiO₂. Los tiempos de encendido y apagado disminuyeron al aumentar temperatura. Según gráfico Arrhenius, la dependencia exponencial se atribuye a procesos termicamente facilitados como difusión de átomos de Ag en matriz del electrolito. Energías de activación para encendido y apagado se estimaron en 0.50 eV y 0.40 eV, comparables a dispositivos basados en filamentos de Ag. Aunque el mecanismo TS en Ga₂Te₃ con distribución uniforme de Ag no se comprende claramente, Ag puede relacionarse con formación de canales conductivos bajo sesgo eléctrico.

La característica de resistencia AC se investigó bajo mismas condiciones de pulso. Voltajes de lectura para HRS y LRS fueron 0.5 y 3 V. Resistencias medidas se graficaron para 450 puntos por década. El selector Ag-Ga₂Te₃ exhibió características de resistencia estables hasta 10⁹ ciclos manteniendo selectividad de 10⁸, demostrando excelente resistencia de conmutación comparado con otros selectores usando calcogenuros y metales activos.

Conclusiones

Se demostraron características TS estables de un dispositivo selector fabricado usando Ag con alta movilidad iónica y Ga₂Te₃ amorfo altamente defectuoso como capa de conmutación. Análisis TEM de estructura TiN/Ag-Ga₂Te₃/TiN mostraron que la intercapa Ag embebida se difunde completamente en la película Ga₂Te₃ produciendo distribución uniforme de Ag en la capa Ga₂Te₃, probablemente por estructura altamente defectuosa del Ga₂Te₃ amorfo durante deposición posterior de TE TiN. El selector Ag-Ga₂Te₃ exhibió TS sin forming, gran histéresis (1 V), alta selectividad (10⁸), baja corriente de estado apagado (<100 fA), pendiente de encendido pronunciada (0.19 mV/dec) y excelentes características de resistencia (10⁹ ciclos). Medidas AC I-V mostraron velocidad de conmutación en orden de cientos de nanosegundos. La dependencia de velocidad con voltaje de pulso puede ser efecto combinado de migración y reacción redox de Ag. El comportamiento Arrhenius de velocidad basado en temperatura sugirió que TS está relacionado a proceso termicamente facilitado. En conclusión, el dispositivo Ag-Ga₂Te₃ con excelentes características TS y de resistencia es candidato prometedor para selector en aplicaciones de memoria CPA.

Disponibilidad de Datos y Materiales

Todos los datos están disponibles sin restricción.

Abreviaturas

3D:

Tridimensional

CPA:

Array cross-point

TS:

Conmutación umbral

OTS:

Interruptor umbral óvonico

MIT:

Transición metal-aislante

FAST:

Interruptor umbral super-lineal asistido por campo

ECM:

Metalización electroquímica

MIEC:

Conducción iónico-electrónica mixta

V_TH:

Voltaje umbral

V_Hold:

Voltaje de retención

1S1R:

Un selector-un resistor

V_Set:

Voltaje de set

NBT:

Te no enlazado

TE:

Electrodo superior

BE:

Electrodo inferior

I_comp:

Corriente de cumplimiento

HRS:

Estado de alta resistencia

LRS:

Estado de baja resistencia

R_HRS:

Resistencia del estado de alta resistencia

R_LRS:

Resistencia del estado de baja resistencia