Commutation de seuil du sélecteur Ag-Ga2Te3 à haute endurance pour les applications sur les baies à points croisés

Introduction

La mémoire résistive à accès aléatoire a été étudiée comme un candidat prometteur pour la mémoire non volatile de nouvelle génération, en raison de son fonctionnement simple, de sa faible consommation d'énergie, de son potentiel d'empilage en trois dimensions (3D), de son évolutivité et de sa structure simple [1,2,3, 4]. Cependant, le courant furtif passant à travers les cellules adjacentes doit être réduit pour éviter l'échec de fonctionnement potentiel qui peut se produire dans les structures de réseau de points croisés 3D (CPA) avec une densité de cellules élevée [5, 6]. Les dispositifs de sélection à deux bornes avec de faibles courants à l'état bloqué et des rapports marche/arrêt élevés sont préférés pour résoudre ces problèmes de courant furtif [7, 8].

Divers types de dispositifs sélecteurs avec des caractéristiques de commutation de seuil (TS) ont été proposés précédemment, y compris le commutateur de seuil ovonique (OTS) [9], la transition métal-isolant (MIT) [10], le commutateur de seuil super-linéaire assisté par champ (FAST) [11], la métallisation électrochimique (ECM) [12] et la conduction mixte-ionique-électronique (MIEC) [13]. Cependant, la sélectivité et le courant de fuite des sélecteurs OTS et MIT devraient être améliorés pour des applications pratiques [9, 10] ; la nature des matériaux utilisés pour les sélecteurs FAST n'est pas connue [11]. Pendant ce temps, les dispositifs ECM et MIEC avec Ag ou Cu ont attiré une attention considérable en raison de leurs caractéristiques TS souhaitables, y compris leur faible courant de fuite, leur rapport marche/arrêt élevé, leur forte pente d'activation et leur grande hystérésis entre la tension de seuil ( V _TH ) et maintenir la tension (V _Attendez ) [14,15,16]. Dans une structure à un sélecteur-une résistance (1S1R), la fenêtre de tension pour l'opération de lecture est déterminée par la tension définie (V _Définir ) de la mémoire et V _TH du sélecteur. Parce que V _Définir varie selon les matériaux utilisés pour le dispositif de mémoire, la modulation de V _TH est nécessaire pour faciliter le fonctionnement d'un dispositif 1S1R [17]. De plus, la grande différence entre V _TH et V _Attendez peut alléger la complexité opérationnelle d'une structure CPA et assouplir les exigences strictes d'adaptation de tension [18, 19].

Le mécanisme de commutation de tels dispositifs sélecteurs utilisant un métal actif, tel que Ag ou Cu, est basé sur la formation et la dissolution du canal de conduction métallique. Par conséquent, la matrice du matériau électrolytique affecte de manière significative la migration du métal actif et la vitesse de commutation du sélecteur. La vitesse de commutation d'un sélecteur basé sur un électrolyte à base d'oxyde est généralement plus lente que l'ordre de la microseconde [20,21,22], ce qui est relativement lent par rapport à celle des dispositifs sélecteurs OTS [23] ou MIT précédemment rapportés [24 ]. Pendant ce temps, les défauts dans les films de chalcogénure, tels que le Te non lié (NBT), peuvent abaisser l'énergie d'activation pour la migration des ions métalliques actifs ; par conséquent, les matériaux chalcogénures sont préférables pour la migration rapide des ions métalliques actifs [18]. Cependant, en raison de leur canal de conduction métallique formé de manière aléatoire, ces matériaux présentent des inconvénients en termes de caractéristique d'endurance de commutation, qui est un facteur crucial pour les sélecteurs [14, 18, 25]. L'endurance d'un appareil ECM peut être améliorée de 10 ³ à 10 ⁶ cycles utilisant une couche tampon intermédiaire [26]. Cependant, une amélioration supplémentaire de l'endurance est nécessaire pour les applications pratiques de tels dispositifs dans les structures CPA [5].

Dans cette étude, un Ga₂ amorphe hautement défectueux Te₃ a été utilisé comme couche de commutation en insérant une couche d'Ag pour étudier les caractéristiques du TS en termes de faible courant de fuite (courant à l'état bloqué), de sélectivité élevée, de modulation de V _TH et V _Attendez , et une grande endurance. Ga amorphe₂ Te₃ est avantageux en tant que matériau électrolytique car il existe plusieurs NBT qui abaissent l'énergie d'activation de la migration de l'Ag et la lacune de Ga, qui agit comme un site de migration pour l'Ag dans le Ga₂ amorphe Te₃ films [27,28,29].

Méthodes

Dispositifs de sélection de TiN/Ag/Ga₂ Te₃ Les piles /TiN ont été fabriquées avec une structure à trous traversants pour étudier leurs caractéristiques TS, comme le montre la figure 1a. Tout d'abord, des bouchons TiN d'une taille de 0,42 μm  ×  0,42 μm ont été formés en tant qu'électrodes inférieures (BE). Ga₂ Te₃ des films minces d'une épaisseur de 40 nm ont été déposés par co-pulvérisation magnétron RF en utilisant Ga₂ Te et Te cibles. Par la suite, un film d'Ag d'une épaisseur de 10 nm a été déposé sur Ga₂ Te₃ films par pulvérisation cathodique magnétron DC. Enfin, une électrode supérieure en TiN (TE) a été formée à l'aide d'une pulvérisation cathodique magnétron à courant continu et d'une méthode de décollage.

un Schéma de l'Ag/Ga₂ Te₃ dispositifs de sélection. b Image MET en coupe du TiN/Ag-Ga₂ Te₃ /Appareil sélecteur TiN

Les propriétés électriques ont été étudiées à l'aide d'un analyseur Keysight B1500A à 298 K. Des tests de commutation CC ont été effectués avec un courant de conformité (I _com ) pour éviter la panne brutale des appareils TS. De plus, AC I −V les mesures ont été effectuées avec une résistance de charge externe de 1 MΩ pour éviter le claquage des appareils. La microstructure de l'appareil a été étudiée en utilisant la microscopie électronique à transmission (MET ; JEOL FEM-F200), comme le montre la figure 1b. Les échantillons MET en coupe transversale des dispositifs ont été préparés à l'aide d'un système de faisceau d'ions focalisé. La distribution atomique de l'Ag dans le Ga₂ Te₃ le film a été étudié à l'aide de mesures de spectroscopie à dispersion d'énergie TEM (EDS).

Résultats et discussion

La figure 2a montre une image MET en coupe transversale du TiN/Ag-Ga₂ vierge Te₃ Pile /TiN d'un dispositif sélecteur. L'intercalaire Ag d'une épaisseur de 10 nm n'a pas été observé au dessus du Ga₂ Te₃ couche mince. La figure 2b présente la cartographie EDS des éléments Ga, Te, Ag et Ti pour la région rectangulaire rouge marquée sur la figure 2a. Les images de cartographie EDS montrent que Ag est uniformément distribué dans le Ga₂ Te₃ film même si un processus de co-pulvérisation d'Ag n'a pas été appliqué. L'Ag-Ga₂ homogène Te₃ film peut avoir été formé probablement à cause de la diffusion d'Ag lors de la formation de l'empilement. Une telle homogénéisation rapide de l'Ag a également été signalée pour les films GeTe [30,31,32]. L'Ag peut diffuser dans le Ga₂ Te₃ film mince dû à des défauts tels que des lacunes de NBT et de Ga dans le Ga₂ Te₃ films minces [18, 27, 28, 29].

un Image MET en coupe du TiN/Ag-Ga₂ Te₃ /Structure de l'appareil TiN. b Images cartographiques TEM-EDS de Ga, Te, Ag et Ti pour la région rectangulaire rouge marquée en a

La figure 3a montre les caractéristiques courant-tension (I-V) de l'Ag-Ga₂ Te₃ dispositifs avec une surface d'électrode inférieure de 0,42 µm × 0,42 µm pour 100 cycles consécutifs de balayages CC. L'appareil présentait des caractéristiques TS sans processus de formage. Lorsque la tension sur TE est passée de 0 à 1,5 V, le courant de conduction a augmenté brusquement au V _TH ≈ 0.87 V à I _com qui a été réglé à 1 µA, ce qui indique que l'appareil est passé d'un état de haute résistance (HRS) à un état de faible résistance (LRS). L'appareil s'est détendu vers le HRS à V _Attendez ≈ 0,12 V lorsque la tension a été réduite de 1,5 à 0 V, démontrant une différence considérable entre V _TH et V _Attendez . Le courant à l'état bloqué à V _TH a été mesurée à moins de 100 fA, ce qui correspond à l'une des valeurs les plus faibles par rapport aux sélecteurs à base de chalcogénure précédemment rapportés utilisant des métaux actifs tels que Ag ou Cu [14, 18, 25, 30, 33]. La sélectivité, qui est définie comme le rapport entre le courant à l'état passant et le courant à l'état bloqué, était d'environ 10 ⁸ . Comme le montre la figure 3b, les courbes I−V ont montré des caractéristiques TS stables pour divers I _com des valeurs allant de 10 nA à 10 µA, indiquant sa flexibilité dans le courant de fonctionnement. Le TS sans formage avec une grande différence entre V _TH et V _Attendez de l'Ag-Ga₂ Te₃ les dispositifs sélecteurs sont nettement favorables sur les caractéristiques TS du Ga₂ Te₃ -uniquement les dispositifs sélecteurs OTS [34]. Étant donné que le processus de formage est considéré comme un obstacle potentiel pour les applications de dispositifs réels, les caractéristiques sans formage de l'Ag-Ga₂ Te₃ dispositif sont plus favorables que le dispositif sélecteur, qui nécessite un processus de formage [35]. De plus, la caractéristique TS avec une grande hystérésis de l'Ag-Ga₂ Te₃ dispositif de sélection peut réduire la complexité opérationnelle de la structure CPA et faciliter les exigences strictes d'adaptation de tension [18, 19]. De plus, l'Ag-Ga₂ Te₃ Le sélecteur affiche une pente d'activation abrupte de 0,19 mV/déc avec une vitesse de balayage de 1,5 mV par étape de mesure, comme illustré à la Fig. 3c. L'Ag-Ga₂ Te₃ dispositif sélecteur a démontré d'excellentes caractéristiques, y compris sa haute sélectivité (10 ⁸ ), un faible courant à l'état bloqué (<100 fA), une forte pente d'activation (0,19 mV/déc) et des caractéristiques sans formation.

un Je –V caractéristiques de l'Ag-Ga₂ Te₃ dispositif de sélection pour les résultats de balayage de tension continue pendant 100 cycles consécutifs. L'Ag-Ga₂ Te₃ le dispositif de sélection affiche un courant de fuite considérablement faible (< 100 fA) avec un rapport marche/arrêt de 10 ⁸ . b Caractéristiques TS de l'Ag-Ga₂ Te₃ dispositif de sélection basé sur divers I _com valeurs de 10 nA à 10 μA. c Vue rapprochée du I –V courbe à TS qui montre une pente d'activation de 0,19 mV/déc

Comme la variation des performances de l'appareil est un facteur crucial pour l'application d'un sélecteur à une structure CPA, les distributions de V _TH , V _Attendez , résistance de l'état de haute résistance (R _HRS ), et la résistance de l'état de faible résistance (R _LRS ) ont été étudiés pour 25 dispositifs aléatoires. La figure 4a montre que la distribution de la tension de seuil variait de 0,75 à 1,08 V, tandis que la distribution de la tension de maintien variait de 0,06 à 0,375 V. De plus, la distribution de la résistance au HRS variait de 10 ¹¹ à 10 ¹⁴ Ω, alors que la résistance au LRS était d'environ 10 ⁶ , comme le montre la figure 4b. En raison de la formation de canaux de conduction métallique, les dispositifs sélecteurs utilisant des métaux actifs tels que Ag ou Cu présentent des caractéristiques de variation relativement larges [36, 37]. En conséquence, des études sur l'amélioration de la fiabilité de ces caractéristiques via le dopage ou l'insertion d'une couche tampon ont été rapportées [37, 38].

un Variations d'appareil à appareil de V _TH et V _Attendez pour 25 appareils. b Variations d'appareil à appareil de R _HRS et R _LRS pour 25 appareils

Pour étudier la réponse transitoire de l'Ag-Ga₂ Te₃ sélecteur, le courant a été mesuré à l'aide d'une unité de mesure rapide du générateur de forme d'onde (WGFMU) pendant une impulsion de tension d'une hauteur de 3 V, un temps de montée-descente de 100 ns et une durée de 1,5 μs avec une résistance de charge externe de 1 MΩ, comme illustré à la figure 5a. Le courant de conduction de l'Ag-Ga₂ Te₃ Le dispositif sélecteur a atteint sa valeur de crête après 406 ns à partir du moment où la tension a atteint son maximum de 3 V. De plus, le dispositif est passé à l'état désactivé dans les 605 ns après la suppression de la tension appliquée. Ainsi, l'heure d'allumage et l'heure d'extinction de l'Ag-Ga₂ Te₃ sélecteur ont été estimés à environ 400 ns et 600 ns, respectivement. La commutation lente de l'Ag-Ga₂ Te₃ Le sélecteur peut être attribué aux réactions de migration et d'oxydoréduction de l'Ag pour la formation du canal de conduction. De plus, l'influence de la tension appliquée et de la température de mesure sur le temps de commutation a été étudiée avec une tension d'entrée de 1,5 à 5 V et à une température de mesure de 298 à 375 K. Le temps d'activation a été réduit de 1 μs à 294 ns, tandis que le temps de coupure a été augmenté de 400 ns à 849 ns lorsque la tension d'impulsion a été augmentée de 1,5 à 3,5 V, comme le montre la figure 5b. La dépendance de la vitesse de commutation sur la tension appliquée est comparable aux résultats précédemment rapportés de la couche Ag sur HfO₂ et TiO₂ [39]. De plus, la figure 5c montre que les temps d'activation et de désactivation diminuent avec l'augmentation de la température de mesure. Selon le graphique d'Arrhenius de la vitesse de commutation en fonction de la température de mesure illustré sur la figure 5d, la dépendance exponentielle de la vitesse de commutation sur la température de mesure peut être attribuée à des processus thermiquement facilités, tels que la diffusion d'atomes d'Ag dans la matrice du film électrolytique [40]. Les énergies d'activation pour l'allumage et l'extinction ont été estimées à 0,50 eV et 0,40 eV, respectivement, ce qui est comparable à ceux présentés dans un précédent rapport sur un dispositif à filament d'Ag [41]. Il a été rapporté que les canaux conducteurs Ag ont été formés sous polarisation électrique dans HfO₂ , SiO₂ , et TiO₂ [15, 42, 43]. Cependant, dans cette étude, il a été observé que l'Ag était uniformément distribué dans le Ga₂ vierge. Te₃ cinéma. Bien que le mécanisme de TS dans Ga₂ Te₃ films avec une distribution uniforme d'Ag n'est pas clairement compris, Ag peut être lié à la formation de canaux conducteurs dans Ga₂ Te₃ films sous polarisation électrique. Par conséquent, la dépendance de la vitesse de commutation sur la tension d'entrée et la température de mesure de l'Ag-Ga₂ Te₃ dispositif sélecteur peut être attribué à la formation des canaux conducteurs.

un CA Je –V mesure de l'Ag-Ga₂ Te₃ dispositif sélecteur (conditions de mesure :temps de montée = 100 ns, durée = 1,5 μs, temps de descente = 100 ns et tension d'entrée = 3 V). b Dépendance de la vitesse de commutation sur la tension d'impulsion appliquée. c Dépendance de la vitesse de commutation à la température de mesure. d Graphique d'Arrhenius de la vitesse de commutation en fonction de la température de mesure

La caractéristique d'endurance AC a été étudiée dans la même condition d'impulsion de tension que celle de l'essai de vitesse de commutation. Les tensions de lecture pour le HRS et le LRS étaient respectivement de 0,5 et 3 V. Les résistances mesurées du HRS et du LRS ont été tracées pour 450 points par décade, comme le montre la figure 6. L'Ag-Ga₂ Te₃ dispositif de sélection présentait des caractéristiques d'endurance stables jusqu'à 10 ⁹ cycles maintenant une sélectivité de 10 ⁸ , démontrant ainsi d'excellentes caractéristiques d'endurance de commutation par rapport à celles d'autres sélecteurs utilisant du chalcogénure et des métaux actifs [18, 25, 30].

Caractéristique d'endurance AC de l'Ag-Ga₂ Te₃ dispositif sélecteur jusqu'à 10 ⁹ cycles (tensions de lecture de 0,5 V et 3 V pour R _HRS et R _LRS , respectivement)

Conclusions

Dans cette étude, nous avons démontré les caractéristiques TS stables d'un dispositif sélecteur fabriqué en utilisant Ag avec une mobilité ionique élevée et un Ga₂ amorphe hautement défectueux Te₃ comme couche de commutation. Analyses MET du TiN/Ag-Ga₂ Te₃ La structure /TiN a montré que l'intercalaire d'Ag incorporé était complètement diffusé dans le Ga₂ Te₃ film pour produire une distribution uniforme d'Ag dans le Ga₂ Te₃ couche. Cela peut être dû à la structure très défectueuse du Ga₂ amorphe Te₃ lors du dépôt ultérieur de TE TiN. L'Ag-Ga₂ Te₃ dispositif de sélection présentait un TS sans formation, une grande hystérésis (1 V), une sélectivité élevée (10 ⁸ ), un faible courant à l'état bloqué (<100 fA), une forte pente d'activation (0,19 mV/déc) et d'excellentes caractéristiques d'endurance (10 ⁹ cycles). De plus, les mesures AC I−V ont montré que la vitesse de commutation était de l'ordre de quelques centaines de nanosecondes. La dépendance de la vitesse de commutation sur la tension d'impulsion peut être l'effet combiné de la migration de l'Ag et de la réaction redox. De plus, le comportement d'Arrhenius de la vitesse de commutation basé sur la température de mesure suggère que le TS est lié à un processus thermiquement facilité. En conclusion, l'Ag-Ga₂ Te₃ dispositif avec les excellentes caractéristiques de TS et d'endurance est un candidat prometteur pour le sélecteur dans les applications de mémoire CPA.

Disponibilité des données et des matériaux

Toutes les données sont entièrement disponibles sans restriction.

Abréviations

3D :

3D

CPA :

Tableau de points croisés

TS :

Commutation de seuil

OTS :

Commutateur de seuil ovonique

MIT :

Transition métal-isolant

RAPIDE :

Commutateur de seuil super-linéaire assisté par champ

ECM :

Métallisation électrochimique

MIEC :

Conduction mixte-ionique-électronique

V _TH :

Tension de seuil

V _Attendez :

Tenir la tension

1S1R :

Un sélecteur-une résistance

V _définir :

Régler la tension

NBT :

Te non collé

TE :

Électrode supérieure

BE :

Électrode inférieure

Je _com :

Conformité actuelle

HRS :

État de haute résistance

LRS :

État de faible résistance

R _HRS :

Résistance de l'état de haute résistance

R _LRS :

Résistance de l'état de faible résistance