RRAM trilayer HfO2/TiO2/HfO2 optimisé : commutation bipolaire dépendante de l'électrode et uniformité améliorée par dépôt de couches atomiques

Résumé

Nous avons fabriqué des RRAM (mémoires résistives) trilayer HfO₂/TiO₂/HfO₂ sur substrats Si revêtus de Pt et TiN avec des électrodes supérieures en Pt en utilisant le dépôt de couches atomiques (ALD). Les dispositifs symétriques Pt/Pt et asymétriques Pt/TiN présentent tous deux une commutation résistive bipolaire classique. Dans l'état de basse résistance (LRS), la conduction est ohmique, tandis que dans l'état de haute résistance (HRS), le courant limité par charge d'espace (SCLC) domine. Le choix de l'électrode inférieure influence fortement la polarité d'électroformation, le rapport de résistance ON/OFF, et la dispersion des tensions de set/reset. Les dispositifs Pt/TiN atteignent une tension de formation négative réduite (−3,7 V), une distribution de tension plus étroite, et un rapport ON/OFF modeste de 10². Ce comportement est attribué au TiN réactif à l'oxygène agissant comme un réservoir d'oxygène, ce qui facilite des tensions de formation plus basses et des paramètres de commutation plus uniformes.

Contexte

La mémoire à accès aléatoire résistive (RRAM) promet une haute densité, une faible consommation d'énergie et une non-volatilité, la positionnant comme candidate pour remplacer la mémoire flash. Les RRAM à base d'oxydes de métaux de transition sont particulièrement attractifs car ils sont compatibles avec le traitement CMOS et peuvent être déposés avec une précision atomique via ALD. La commutation résistive (RS) dans ces dispositifs est gouvernée par des filaments de lacunes d'oxygène ; cependant, l'uniformité des paramètres RS (rapport ON/OFF, tensions set/reset, endurance) reste un défi. Les empilements d'oxydes trilayer (par ex., Al₂O₃/HfO₂/Al₂O₃) ont démontré une uniformité améliorée grâce à l'ingénierie d'interface. Pourtant, le rôle du matériau d'électrode, en particulier l'électrode inférieure, sur les caractéristiques RS n'est pas pleinement compris. Cette étude explore comment les électrodes inférieures Pt versus TiN affectent le comportement RS des trilayers HfO₂/TiO₂/HfO₂ cultivés par ALD.

Méthodes

Deux substrats ont été utilisés : Si/SiO₂/Ti/Pt commercial et Si/SiO₂/TiN cultivé en laboratoire. Le TiN (30 nm) a été déposé par ALD plasma-amélioré à 400 °C en utilisant TiCl₄ et NH₃. Sur les deux électrodes inférieures, les trilayers 5 nm HfO₂/10 nm TiO₂/5 nm HfO₂ ont été cultivés à 250 °C par ALD thermique avec précurseurs TEMAH, TiCl₄ et H₂O. Une électrode supérieure Pt de 100 nm (diamètre 150 µm) a été pulvérisée à travers un masque d'ombre. La caractérisation comprenait AFM pour la rugosité de surface, XPS pour les états chimiques et profilage en profondeur, et mesures électriques avec un Keithley 4200 sous une conformité de 10 mA. L'électrode supérieure était polarisée tandis que l'électrode inférieure était mise à la terre.

Résultats et discussion

Structure et morphologie du dispositif
L'AFM a révélé une rugosité RMS de 0,39 nm pour Pt et 0,87 nm pour TiN. Correspondamment, la pile HfO₂/TiO₂/HfO₂ sur Pt montrait une topographie plus lisse (0,68 nm) versus 1,3 nm sur TiN.

Commutation électrique
Le dispositif symétrique Pt/Pt nécessitait une étape de formation à +7 V et présentait un reset à −0,8 V et un set à +2,0 V, donnant un rapport ON/OFF d'environ 10⁵. En contraste, le dispositif Pt/TiN se formait à −3,7 V, set à −1,5 V, et reset à +1,5 V, avec un rapport d'environ 10². La tension de formation plus faible et la dispersion de tension plus serrée dans Pt/TiN découlent de l'affinité plus élevée du TiN pour l'oxygène, qui module la distribution des lacunes et agit comme un réservoir d'oxygène.

Uniformité
L'analyse statistique sur 200 cycles a montré que les dispositifs Pt/TiN avaient des tensions de set groupées entre −0,8 et −1,8 V et des tensions de reset entre +1,3 et +1,8 V, alors que les dispositifs Pt/Pt affichaient une dispersion plus large. Les tests d'endurance ont révélé que Pt/Pt maintenait un rapport OFF/ON >10⁵ après 200 cycles, tandis que Pt/TiN montrait un rapport réduit (~10²) et une plus grande variabilité HRS. Les mesures de rétention jusqu'à 10⁴ s ont confirmé des états ON/OFF stables pour les deux piles, projetant une rétention >10 ans.

Mécanisme de conduction
Les graphiques I–V en double-log confirment le comportement ohmique (pente ~1) en LRS et SCLC (pente ~2) en HRS jusqu'à une tension critique. La transition vers une forte augmentation de courant à ~6,8 V (Pt/Pt) ou ~1,85 V (Pt/TiN) marque le seuil de formation de filament.

Distribution des lacunes d'oxygène
Le profilage en profondeur XPS indiquait que l'intercouche TiO₂ héberge la plus haute concentration de lacunes (~34 %). Le HfO₂ sous-jacent près de Pt avait ~6 % de lacunes, tandis que celui près de TiN en avait ~9 %. Le HfO₂ supérieur n'exhibait que ~2 % de lacunes. L'activité chimique du TiN promeut une densité de lacunes plus élevée dans les couches adjacentes, ce qui explique la tension de formation plus faible et l'uniformité améliorée dans les dispositifs Pt/TiN.

Électroformation dépendante de l'électrode
Dans les piles Pt/Pt, la formation positive donne une tension modeste (+7 V) en raison d'une libération d'oxygène plus facile au HfO₂ supérieur. La formation négative nécessite une tension plus élevée (−11 V) car l'oxygène doit migrer à travers le HfO₂ inférieur, entraînant une dégradation de la cellule. Dans les piles Pt/TiN, la formation négative à −3,7 V est faisable car le TiN absorbe les ions O²⁻, atténuant la libération d'O₂ et agissant comme un réservoir d'oxygène. La formation positive à +14 V cause une rupture irréversible, car le filament accumulé ne peut pas être rompu.

Conclusions

Le RRAM trilayer HfO₂/TiO₂/HfO₂ fabriqué par ALD démontre une commutation bipolaire fiable. L'électrode inférieure gouverne critique la polarité d'électroformation, le rapport ON/OFF et la dispersion de tension. Les dispositifs Pt/TiN bénéficient d'une tension de formation réduite (−3,7 V) et d'une distribution set/reset plus serrée grâce à l'effet réservoir d'oxygène du TiN et à une densité de lacunes plus élevée. Ces résultats soulignent l'importance de la sélection d'électrode et de l'ingénierie trilayer dans la conception de dispositifs RRAM de prochaine génération, uniformes et évolutifs.