Effet de résistance différentielle négative dans un dispositif RRAM à base de Ru fabriqué par dépôt de couche atomique

Introduction

En tant que l'une des mémoires non volatiles émergentes les plus prometteuses, la mémoire résistive à accès aléatoire (RRAM) a été largement étudiée en ce qui concerne l'optimisation des matériaux, l'amélioration des performances et l'intégration de dispositifs [1,2,3,4]. En raison des avantages importants tels qu'une structure cellulaire simple, une vitesse de fonctionnement rapide, une faible consommation d'énergie et un potentiel de miniaturisation incomparable [5], la RRAM a été largement appliquée dans le calcul neuromorphique inspiré du cerveau et la logique booléenne reconfigurable [6,7,8,9 ,10] et présente également un grand potentiel pour les applications de mémoire de classe de stockage (SCM) [11]. Cependant, comme l'indique la feuille de route internationale pour les appareils et les systèmes 2017 (https://irds.ieee.org/images/files/pdf/2017/2017IRDS_ES.pdf), des défis tels que l'évolutivité, la fiabilité des appareils et la compatibilité des processus continuent d'entraver Les développements de RRAM. Par conséquent, la construction de dispositifs RRAM compatibles CMOS avec des performances supérieures est d'une grande importance pour les applications basées sur la structure 1T1R de la cellule RRAM [12,13,14]. Selon une étude précédente [15], un dispositif RRAM à base de Ru montre un grand potentiel par rapport à ceux à base de Pt, tandis que la résistance différentielle négative (NDR) a été démontrée lors d'un processus de réglage de tension. Les phénomènes NDR accompagnés de commutation résistive ont été étudiés dans d'autres structures RRAM, qui étaient principalement dus au piège/détrap de porteurs électroniques entre des états profondément localisés induits par des nanoparticules métalliques implantées [16, 17], ou à l'accumulation de défauts provoqués par la réinstallation de jonctions. [18]. Alors que l'apparition de NDR dans une cellule RRAM à base de Ru sous un courant important est toujours en suspens, dans ce travail, les performances électriques d'un dispositif RRAM à base de Ru fabriqué par la technique de dépôt de couche atomique (ALD) ont été évaluées. Sur la base de la caractérisation de la spectroscopie photoélectronique aux rayons X (XPS) et des mesures électriques avec différents stimulus, le phénomène NDR dans la RRAM à base de Ru peut être expliqué dans le cadre du modèle de filament conducteur à vide d'oxygène.

Méthodes

Le schéma de principe de la structure de l'appareil et de la matrice RRAM fabriquée sont illustrés respectivement aux Fig. 1a, b. Le Ru/AlO_y /HfO_x Le dispositif /TiN RRAM a été fabriqué sur un SiO₂ 300 nm oxydé thermiquement substrat. Un film mince de Ru de 80 nm a été déposé sur une couche d'adhérence de Ti de 20 nm en tant qu'électrode inférieure par pulvérisation cathodique magnétron DC (Angstrom Engineering NEXDEP) en utilisant une cible métallique de Ru. SiO₂ développé par dépôt chimique en phase vapeur assisté par plasma (PECVD) sert de diélectrique pour isoler les électrodes et forme les vias. Puis la couche résistive de 2 nm AlO_y et 3 nm HfO_x a été déposé par un système de dépôt par couche atomique (PICOSUN R200) ​​à 300 °C avec des précurseurs de triméthylaluminium (TMA) et de tétrakis[éthylméthylamino]hafnium (TEMAH). Après cela, 80 nm TiN a été pulvérisé réactif à l'aide d'une cible de Ti et gravé pour former les motifs d'électrode supérieure. Une autre gravure à sec a également été effectuée pour exposer l'électrode inférieure pour un contact électrique.

un Diagramme schématique d'un appareil à base de Ru. b Matrice RRAM fabriquée

L'analyse des éléments a été effectuée par un système de spectroscopie photoélectronique à rayons X (XPS) (Thermo Scientific ESCALAB 250Xi) en utilisant l'échantillon frais sans électrode supérieure. Avant la mesure, un nettoyage de surface a été effectué avec un plasma d'Ar avant la mesure pour éliminer l'influence de C. La position du pic de Al 2p a été utilisée pour l'étalonnage. Les mesures électriques ont été effectuées à température ambiante par un analyseur de dispositifs à semi-conducteurs (Agilent B1500A) et un générateur arbitraire à fonction d'impulsion (Agilent 81160A).

Résultats et discussion

Les caractéristiques IV typiques des dispositifs RRAM à base de Ru sont illustrées à la Fig. 2a. Après l'électroformage, une tension positive (2,5 V) a été appliquée pour le processus défini pour faire passer la cellule de l'état de haute résistance (HRS) à l'état de faible résistance (LRS) avec un courant de conformité de 1 mA pour éviter la panne permanente pendant la conduction formation de filaments (CF). Après la transition définie, une tension négative (− 2,3 V) a été utilisée pour faire passer l'appareil de LRS à HRS avec un courant décroissant progressivement. Afin d'évaluer la variabilité de la résistance d'un appareil à l'autre, 10 cellules RRAM à base de Ru ont été choisies arbitrairement. Comme le montre la figure 2b, les résultats statistiques démontrent l'excellente uniformité de HRS et LRS avec une fenêtre de résistance supérieure à 10 ³ , qui pourrait être un candidat prometteur pour les applications logiques basées sur NVM. Par rapport aux dispositifs à base de Pt précédemment rapportés [2], il convient de noter qu'un phénomène NDR a été observé pendant le processus de réglage, où le courant diminue avec l'augmentation de la tension (set-phase 1) dans une échelle de tension limitée suivie d'une augmentation au courant de conformité (set-phase 2).

un Caractéristiques CC. b Distributions statistiques HRS/LRS de 10 dispositifs RRAM basés sur Ru

La variabilité cycle à cycle des dispositifs RRAM à base de Ru a également été étudiée en mode impulsion pour étudier l'uniformité du cycle. Les impulsions de réglage (2,4 V, 15 ns) et d'impulsion (− 3 V, 100 ns) sont utilisées pour basculer l'appareil entre LRS et HRS avec une tension de lecture de 0,1 V après chaque impulsion. Comme le montre la figure 3a, l'appareil de 1 000 cycles a une distribution uniforme avec des écarts types de 379 Ω et 3 × 10 ⁵ Ω pour LRS et HRS, ce qui se traduit par une fenêtre de mémoire stable supérieure à 100. Aucune dégradation de l'endurance ne se produit même après 10 ⁶ cycles de commutation comme indiqué précédemment dans la Réf. [15]. De plus, l'appareil démontre également une excellente propriété de rétention, comme le montre la figure 3b. Les résistances LRS et HRS maintiennent une valeur constante supérieure à 10 ⁵ s à 120 °C sans défaillance.

un 1000 cycles d'endurance. b Comportement de rétention à haute température d'un Ru/AlO_y /HfO_x /Périphérique TiN RRAM

Afin d'explorer le phénomène NDR, le I–V les courbes ont été mesurées à la fois en mode de balayage de tension et en mode de balayage de courant. La figure 4a montre le processus de formation de cinq nouvelles cellules RRAM sélectionnées au hasard. Le courant augmente progressivement suivi d'un décollement, indiquant la formation de CF, alors qu'aucun NDR n'a été observé. Après l'électroformage, des opérations définies dans différents modes de balayage sont effectuées dans la même cellule afin d'observer la variation de courant, comme le montre la figure 4b. Pour l'ensemble entraîné par le courant, le courant augmente lentement avec une diminution soudaine de la tension, démontrant la transition de la résistance de HRS à LRS. Ce comportement est distinct de la caractéristique qui est entraînée par la tension, qui pourrait être due aux différents échauffements Joule induits par les stimuli à travers le CF. De plus, des opérations de réglage/réinitialisation consécutives sous différents biais ont été effectuées pour étudier l'état de résistance intermédiaire dans la région NDR. Une tension d'arrêt appropriée de 1 V a été appliquée pendant le processus de réglage, comme le montre la figure 4c, pour terminer le balayage au fond de la vallée. Un état de résistance non volatile a été obtenu après la suppression de la tension, ce qui a présenté un comportement de commutation résistive unipolaire. Par conséquent, ce phénomène de NDR est provisoirement attribué à une deuxième réinitialisation du CF au cours du processus de définition.

un Formation de tension de cinq dispositifs RRAM à base de Ru. b Processus définis par tension et par courant dans la même cellule RRAM. c Processus de réglage incomplet avec la tension d'arrêt au fond de la vallée actuelle

Combiné avec les mesures dans différents modes et procédés de fabrication de dispositifs ainsi que les propriétés de RuO₂ , l'origine physique du phénomène NDR a été proposée, comme illustré sur la Fig. 5. Une étude précédente [19, 20] a suggéré que la génération et la recombinaison de la lacune d'oxygène appauvri en électrons (V _o ) et l'ion oxygène (O ²⁻ ) sous différentes polarités électriques sont responsables du HfO_x conventionnel -Des dispositifs RRAM bipolaires basés sur, qui sont similaires aux processus de mise en phase 2 et de réinitialisation. Cependant, contrairement au processus de prise classique, une seconde rupture du CF a lieu déconnectant l'électrode Ru et le CF et conduisant au NDR. En général, les atomes d'oxygène se dissocient en V _o et O ²⁻ sous champ électrique avec la dérive de l'O ²⁻ à l'électrode supérieure, en laissant le V _o pour former le CF qui est utilisé pour le transport des électrons. Mais en raison de l'échauffement Joule causé par le champ électrique, le RuO₂ formé la couche d'interface se décompose lentement à ~ 600 °C et libère O ²⁻ qui pourrait se recombiner avec le V appauvri en électrons _o (V _o ²⁺ ) près de l'électrode Ru (set-phase 1) [21], entraînant une diminution du courant. Ce processus peut également être considéré comme un processus de réinitialisation unipolaire partiel. Avec la tension croissante, le CF entre TE et BE sera reconstruit par une accumulation de V _o comme indiqué dans la phase de réglage 2 et les commutateurs de cellule RRAM vers LRS. Lors de la réinitialisation, deux processus ont lieu simultanément :(1) le O ²⁻ libéré de l'électrode TiN se recombinent rapidement avec le V chargé positivement _o en raison de la section de capture améliorée, (2) le O ²⁻ dérive vers BE réagit avec Ru et reforme le RuO₂ couche d'interface due à l'échauffement Joule local [22]. A cette condition, la cellule RRAM passe en HRS.

Processus physiques de commutation résistive dans une RRAM à base de Ru. un Effet NDR (set-phase 1). b Processus communs SET (set-phase 2). c Processus de RESET de l'appareil

Analyse XPS du RuO₂ couche d'interface, qui a été formée pendant le processus de fabrication du dispositif, prend également en charge l'explication proposée de l'effet NDR. La figure 6a montre le spectre complet XPS de l'échantillon, qui comprend les niveaux de noyau O 1s, Ru 3d, Al 2p et Hf 4f. Les autres pics non marqués correspondent tous à ces éléments avec des orbites d'électrons différentes. La courbe d'ajustement de la Fig. 6b correspond parfaitement aux données expérimentales et est divisée en quatre pics, qui correspondent au Ru 3d_5/2 (280,01 eV pour Ru et 280,75 eV pour RuO₂ ) et Ru 3d_3/2 (284,3 eV pour Ru et 285,26 eV pour RuO₂ ) niveaux de base, démontrant la coexistence du Ru et RuO₂ dans le film mince [23]. La faible intensité de Ru 3d_5/2 pic indique que le RuO₂ formé la couche d'interface est très fine comme nous l'avions prévu.

Spectres XPS de a Ru/AlO_y /HfO_x film mince et b Ru niveau de base 3D. Le RuO₂ film mince entre Ru et AlO_y formulaires pendant le processus ALD [18]

Conclusion

Dans cette étude, le Ru/AlO_y compatible CMOS /HfO_x /TiN RRAM a été fabriqué. L'excellente performance de commutation a été obtenue avec une résistance uniforme d'un appareil à l'autre et une grande fenêtre de résistance ainsi qu'une bonne propriété de rétention à haute température. Sur la base des mesures électriques et de l'analyse XPS, le phénomène NDR dans le processus défini peut être expliqué par la recombinaison des lacunes d'oxygène et des ions oxygène libérés par le RuO₂ couche d'interface due au chauffage Joule induit par l'électricité.

Abréviations

ALD :

Dépôt de couche atomique

CF :

Filament conducteur

HRS :

État de haute résistance

LRS :

État de faible résistance

NDR :

Résistance différentielle négative

PECVD :

Dépôt chimique en phase vapeur amélioré par plasma

RRAM :

Mémoire vive résistive

GDS :

Mémoire de classe de stockage

XPS :

Spectroscopie photoélectronique aux rayons X