Rétention améliorée dans les RRAM TaO/HfO et TaO/AlO auto-redressants : un modèle de commutation

Résumé

Un modèle complet de rétention pour les mémoires résistives (RRAM) auto-redressantes TaO/HfOₓ et TaO/AlOₓ est présenté. Dans les RRAM à piégeage de défauts, l'état de basse résistance (LRS) se dégrade généralement plus vite que l'état de haute résistance (HRS) en raison de l'influence limitante de la couche résistive interne TaO. L'empilement de TaO/AlOₓ dans la pile de commutation améliore nettement la rétention LRS, avec une extrapolation prédisant plus de 5 ans à température ambiante. Les deux structures partagent une couche de coiffe TaO commune et présentent une énergie d'activation identique de 0,38 eV. La couche AlOₓ introduit une barrière de diffusion d'oxygène plus élevée, améliorant substantiellement la rétention et maintenant un LRS stable sous conditions biaisées.

Contexte

La technologie NAND flash approche ses limites de miniaturisation, faisant de la RRAM verticale (VRRAM) avec empilements de films minimaux, haut rendement et absence de couplage croisé une solution prometteuse pour la mémoire ultra-dense [1,2,3]. L'architecture 1TnR 3D permet un coût par bit ultrfaible dans des réseaux compacts [4,5,6]. Les travaux récents ont orienté l'opération RRAM vers des mécanismes de commutation à faible courant, piégeage de défauts, modulation de vacances ou de type interface [7,8,9], mais les échecs de rétention liés à la migration de vacances d'oxygène restent non résolus [3,10]. Les études de rétention de type filamentaire proposent divers modèles pour expliquer les pertes [11,12,13], suggérant qu'un changement de mécanisme de commutation pourrait améliorer l'endurance. Des études antérieures de dispositifs TaO/HfOₓ ont montré une non-linéarité de ~40, endurance >1000 cycles et rétention de données à 85 °C [6,7]. Atteindre une rétention stable à bas niveaux de courant reste cependant un défi. Cette lettre introduit un modèle de rétention basé sur la méthode d'Arrhenius pour deux dispositifs à piégeage de défauts, soulignant le rôle de la couche AlOₓ dans l'amélioration de la rétention par liaison dense.

Méthodes

Les dispositifs TaO/HfOₓ et TaO/AlOₓ ont été fabriqués sur substrats Si/oxyde thermique 8 pouces. Les électrodes de fond (TiN) ont été déposées par PVD, structurées et gravées par lithographie conventionnelle. Le nettoyage post-gravure employait un plasma O₂/H₂O à 180 °C, formant une fine couche d'oxydation TiON sur TiN. Les couches de commutation HfOₓ et AlOₓ ont été déposées par ALD en utilisant les précurseurs HfCl₄-H₂O et TMA-H₂O à 300 °C et 250 °C, respectivement. Une couche de coiffe TaO a ensuite été ajoutée par oxydation plasma basse température (LTPO) à 0,2 Å/s, fournissant une résistance interne d'auto-conformité. Les électrodes de tête (TiN) ont été déposées par PVD. La Figure 1 illustre la pile de couches et épaisseurs pour les deux types de dispositifs. Après structuration, un oxyde basse température (250 °C) a été déposé pour la passivation, suivi du traitement back-end standard pour contacts et pads.

Schéma de cellule avec détails d'épaisseur pour a TaO/HfOₓ et b TaO/AlOₓ. Les deux piles utilisent TaO déposé par LTPO et couches interfaciales TiON oxydées par plasma.

Résultats et Discussion

La performance électrique a été évaluée avec un analyseur de paramètres semi-conducteurs HP4156C. Les Figures 2a et 2b montrent les caractéristiques J-V pour les cellules TaO/HfOₓ et TaO/AlOₓ, respectivement, sur trois surfaces de dispositif (0,1, 0,56 et 25 µm²). Tous les dispositifs commençaient en HRS, étaient programmés en LRS avec un biais positif, puis réinitialisés en HRS avec un biais négatif. Les courbes J-V présentent une densité de courant cohérente à travers les tailles de cellules, indiquant une programmation uniforme pilotée par le champ et confirmant le comportement de commutation par piégeage de défauts. Les résistances LRS et HRS évoluent inversement avec la surface (Fig. 2c, 2d), renforçant le mécanisme de commutation contrôlé par densité de courant. Les dispositifs TaO/AlOₓ nécessitent des tensions de set (4–4,5 V) et reset (–1,5 à –2,5 V) légèrement plus élevées que TaO/HfOₓ (3–4 V, –0,5 à –1,5 V), reflétant la barrière d'énergie plus élevée dans la couche AlOₓ.

Densité de courant vs tension pour a TaO/HfOₓ et b TaO/AlOₓ ; résistance vs surface pour c TaO/HfOₓ et d TaO/AlOₓ (lecture à 2 V). Chaque point moyenne 10 dispositifs avec écart-type.

Le comportement de rétention a été évalué à 85 °C et 1 V. Les Figures 3a et 3b révèlent que le LRS se dégrade plus notablement que le HRS dans les deux types de dispositifs, pourtant TaO/AlOₓ montre une stabilité LRS supérieure. Au fil du temps, HRS et LRS dérivent vers l'état de résistance initial (IRS), comme souligné par les lignes pointillées. Les Figures 3c et 3d illustrent que la cuisson de TaO/AlOₓ à 150 °C pendant 48 h et de TaO/HfOₓ à 120 °C pendant 120 h restaure le LRS à sa condition initiale, soulignant le rôle de la recombinaison ion-vacance d'oxygène dans la perte de rétention.

Variation de résistance dans le temps pour a TaO/HfOₓ et b TaO/AlOₓ à 85 °C (1 V). Restauration LRS post-cuisson montrées en c TaO/AlOₓ (150 °C/48 h) et d TaO/HfOₓ (120 °C/120 h).

Les temps de rétention ont été extraits par la méthode d'Arrhenius. En analysant le ratio de résistance LRS dans le temps (30–150 °C) et en extrapolant à 10³× le LRS initial, nous avons estimé des temps de rétention de 10⁶ s à 150 °C et ~2 × 10⁸ s (≈5 ans) à température ambiante pour les dispositifs TaO/AlOₓ. Les deux TaO/HfOₓ et TaO/AlOₓ partagent la même énergie d'activation de 0,38 eV, indiquant que la couche de coiffe TaO domine le processus de recombinaison ion-vacance. La densité atomique plus élevée de la couche AlOₓ et sa longueur de liaison Al-O plus courte réduisent la mobilité des ions oxygène, créant une barrière de diffusion plus élevée qui prolonge la rétention.

a Ratio de résistance vs temps de cuisson pour diverses températures en dispositifs TaO/AlOₓ (R initial moyen = 179 MΩ à 2 V). b Temps de rétention estimé (×10³) vs 1/kT ; énergies d'activation extraites de 0,38 eV pour les deux types. c Schéma des barrières de diffusion d'oxygène dans HfOₓ vs AlOₓ avec coiffe TaO.

Les mécanismes de rétention diffèrent entre RRAM filamentaire et à piégeage de défauts. Dans les dispositifs filamentaires, la diffusion latérale de vacances gouverne la rupture, alors que les dispositifs à piégeage de défauts présentent une diffusion longitudinale parallèle au champ électrique, rendant la rétention sensible à la polarité du biais. Les Figures 5a et 5b montrent la rétention sous biais : un biais positif prolonge le LRS, tandis qu'un biais négatif accélère la dégradation. À ±100 mV, les effets sous biais sont négligeables, probablement dus aux décalages de bande aux jonctions TiON-HfOₓ, TiON-AlOₓ et TiN-TaO. Un biais positif de 500 mV sur TaO/AlOₓ ne produit aucune dégradation observable.

Ratio de résistance sous biais vs temps de contrainte pour a TaO/HfOₓ et b TaO/AlOₓ à température ambiante.

Conclusions

L'analyse comparative de TaO/HfOₓ et TaO/AlOₓ RRAM auto-redressants révèle que la couche de commutation AlOₓ délivre des tensions de commutation plus élevées et une stabilité thermique LRS nettement améliorée. La rétention améliorée provient d'une barrière de diffusion d'oxygène plus élevée plutôt que de changements d'énergie d'activation. L'énergie d'activation (0,38 eV) est gouvernée par le processus de dé-piégeage d'ions de la couche résistive TaO, tandis que le film AlOₓ dense supprime la diffusion de vacances, prolongeant la rétention LRS. Le schéma de perte de rétention proposé, soutenu par les expériences sous biais, offre une guidance précieuse pour concevoir des RRAM auto-redressants à faible courant, longue rétention, pour la mémoire haute densité de prochaine génération.