Dispositifs RRAM à base de Ru montrant une résistance différentielle négative : insights de la fabrication par dépôt de couches atomiques

Résumé

Dans ce travail, des dispositifs RRAM à base de Ru avec couche fonctionnelle AlOᵧ/HfOₓ déposée par dépôt de couches atomiques (ALD) ont été fabriqués et étudiés. Un comportement de résistance différentielle négative (RDN) a été observé pendant le processus de mise à l'état bas (SET) sous tension, et son origine physique a été explorée. Basée sur la compréhension physique de la commutation résistive, la RDN mesurée est considérée comme associée à un effet de réinitialisation (RESET) partiellement unipolaire, dû à la recombinaison entre lacunes d'oxygène et ions oxygène libérés thermiquement depuis la couche d'interface RuO₂. Les caractéristiques électriques mesurées et les résultats de spectroscopie photoélectronique aux rayons X (XPS) ont vérifié l'interprétation physique.

Introduction

En tant que l'une des mémoires non-volatiles émergentes les plus prometteuses, la mémoire à accès aléatoire résistive (RRAM) a été extensivement étudiée concernant l'optimisation des matériaux, l'amélioration des performances et l'intégration de dispositifs. En raison d'avantages significatifs tels que la structure de cellule simple, la vitesse opérationnelle rapide, la faible consommation d'énergie, et le potentiel de miniaturisation incomparable, la RRAM a été largement appliquée dans l'informatique neuromorphique bio-inspirée et la logique booléenne reconfigurable, et présente aussi un grand potentiel pour les applications mémoire de classe stockage (SCM). Cependant, comme indiqué par la Feuille de Route Internationale pour Dispositifs et Systèmes 2017, des défis incluant l'évolutivité, la fiabilité des dispositifs et la compatibilité des processus entravent encore les développements de la RRAM. Par conséquent, la construction de dispositifs RRAM compatibles CMOS avec performances supérieures est de grande importance pour les applications basées sur la structure 1T1R de cellule RRAM. Selon une étude antérieure, un dispositif RRAM à base de Ru montre un grand potentiel comparé à ceux à base de Pt, alors que la résistance différentielle négative (RDN) était démontrée pendant un processus SET sous tension. Les phénomènes RDN accompagnant la commutation résistive ont été investigués dans d'autres structures RRAM, dus principalement au piégeage/dépiégeage de porteurs électroniques entre états localisés profonds induits par des nanoparticules métalliques implantées, ou l'accumulation de défauts causant la réinstallation de jonction. Alors que l'apparition de RDN dans une cellule RRAM à base de Ru sous fort courant est encore pendante, dans ce travail, la performance électrique d'un dispositif RRAM à base de Ru fabriqué par technique de dépôt de couches atomiques (ALD) a été évaluée. Basée sur la caractérisation XPS et les mesures électriques avec différents stimuli, le phénomène RDN dans la RRAM à base de Ru peut être expliqué dans le cadre du modèle de filament conducteur à lacunes d'oxygène.

Méthodes

Le schéma du dispositif et du réseau RRAM fabriqué sont montrés Fig. 1a, b respectivement. Le dispositif RRAM Ru/AlOᵧ/HfOₓ/TiN a été fabriqué sur un substrat SiO₂ thermiquement oxydé de 300 nm. Un film mince Ru de 80 nm a été déposé sur une couche d'adhésion Ti de 20 nm comme électrode inférieure par pulvérisation magnétron DC (Angstrom Engineering NEXDEP) utilisant une cible métal Ru. Le SiO₂ croiss par dépôt chimique en phase vapeur assisté par plasma (PECVD) sert de diélectrique pour isoler les électrodes et forme les vias. Ensuite, la couche résistive de 2 nm AlOᵧ et 3 nm HfOₓ a été déposée par un système de dépôt de couches atomiques (PICOSUN R200) à 300 °C avec triméthylaluminium (TMA) et tétrakis[éthylméthylamino]hafnium (TEMAH) comme précurseurs. Après cela, 80 nm TiN a été pulvérisé réactivement utilisant une cible Ti et gravé pour former les motifs d'électrode supérieure. Un autre gravage sec a aussi été effectué pour exposer l'électrode inférieure pour contact électrique.

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

Résultats et Discussion

Les caractéristiques IV typiques des dispositifs RRAM à base de Ru sont montrées Fig. 2a. Après électroformage, une tension positive (2,5 V) était appliquée pour le processus SET pour commuter la cellule de l'état de haute résistance (HRS) à l'état de basse résistance (LRS) avec un courant de compliance de 1 mA pour prévenir la rupture permanente pendant la formation du filament conducteur (FC). Après la transition SET, une tension négative (−2,3 V) était utilisée pour commuter le dispositif de LRS à HRS avec un courant décroissant graduellement. Afin d'évaluer la variabilité de résistance de dispositif à dispositif, 10 cellules RRAM à base de Ru ont été choisies arbitrairement. Comme dépeint Fig. 2b, les résultats statistiques démontrent l'excellente uniformité de HRS et LRS avec une fenêtre de résistance supérieure à 10³, ce qui pourrait être un candidat prometteur pour applications logiques basées sur NVM. Comparé aux dispositifs à base de Pt précédemment rapportés, il est à noter qu'un phénomène RDN a été observé pendant le processus SET, où le courant diminue avec la tension croissante (SET-phase 1) sur une échelle de tension limitée suivie d'une augmentation vers le courant de compliance (SET-phase 2).

La variabilité cycle-à-cycle des dispositifs RRAM à base de Ru a aussi été investiguée sous mode impulsion pour étudier l'uniformité de cyclage. Les impulsions pour SET (2,4 V, 15 ns) et impulsion (−3 V, 100 ns) sont utilisées pour commuter le dispositif entre LRS et HRS avec une tension de lecture de 0,1 V après chaque impulsion. Comme montré Fig. 3a, le dispositif de 1000 cycles a une distribution uniforme avec écarts-types de 379 Ω et 3 × 10⁵ Ω pour LRS et HRS, ce qui résulte en une fenêtre de mémoire stable supérieure à 100. Aucune dégradation d'endurance ne survient même après 10⁶ cycles de commutation comme précédemment rapporté. En plus, le dispositif démontre aussi une excellente propriété de rétention comme montré Fig. 3b. Les résistances LRS et HRS maintiennent une valeur constante sur 10⁵ s à 120 °C sans défaillance.

Pour explorer le phénomène RDN, les courbes I-V ont été mesurées en mode balayage tension et mode balayage courant. La Figure 4a affiche le processus de formage de cinq cellules RRAM fraîches sélectionnées aléatoirement. Le courant augmente graduellement suivi d'une rupture, indiquant la formation du FC, tandis qu'aucune RDN n'était observée. Après électroformage, des opérations SET dans différents modes de balayage sont conduites dans la même cellule pour observer la variation de courant, comme montré Fig. 4b. Pour le SET piloté par courant, le courant augmente lentement avec une diminution soudaine de tension, démontrant la transition de résistance de HRS à LRS. Ce comportement est distinct de la caractéristique pilotée par tension, ce qui pourrait être dû au chauffage Joule différent induit par les stimuli à travers le FC. De plus, des opérations SET/RESET consécutives sous différents biais ont été effectuées pour investiguer l'état de résistance intermédiaire dans la région RDN. Une tension d'arrêt appropriée de 1 V a été appliquée pendant le processus SET, comme montré Fig. 4c, pour finir le balayage au fond de la vallée. Un état de résistance non-volatil a été obtenu après que la tension fut retirée, exhibant un comportement de commutation résistive unipolaire. Par conséquent, ce phénomène RDN est provisoirement attribué à une seconde réinitialisation du FC pendant le processus SET.

Combiné avec les mesures en différents modes et processus de fabrication de dispositifs ainsi que les propriétés du RuO₂, l'origine physique du phénomène RDN a été proposée, comme illustré Fig. 5. Une étude antérieure a suggéré que la génération et recombinaison de lacune d'oxygène appauvrie en électrons (Vₒ) et ion oxygène (O²⁻) sous différentes polarités électriques sont responsables des dispositifs RRAM bipolaires conventionnels à base de HfOₓ, ce qui est similaire aux processus SET-phase 2 et RESET. Cependant, contrairement au processus SET conventionnel, une seconde rupture du FC a lieu déconnectant l'électrode Ru et FC et menant à la RDN. En général, les atomes d'oxygène se dissocient en Vₒ et O²⁻ sous champ électrique avec la dérive des O²⁻ vers l'électrode supérieure, laissant les Vₒ former le FC utilisé pour le transport d'électrons. Mais en raison du chauffage Joule causé par le champ électrique, la couche d'interface RuO₂ formée se décomposerait lentement à ~600 °C et libère des O²⁻ qui pourraient recombiner avec les Vₒ appauvris en électrons (Vₒ²⁺) près de l'électrode Ru (SET-phase 1), résultant en une diminution de courant. Ce processus peut aussi être vu comme un processus de réinitialisation unipolaire partiel. Avec l'augmentation supplémentaire de tension, le FC entre électrode supérieure et inférieure sera reconstruit par une accumulation de Vₒ comme montré en SET-phase 2 et la cellule RRAM commute à LRS. Pendant RESET, deux processus ont lieu simultanément : (1) les O²⁻ libérés de l'électrode TiN recombinent rapidement avec les Vₒ chargés positivement à cause de la section de capture accrue, (2) les O²⁻ dérivant vers l'électrode inférieure réagissent avec le Ru et reforment la couche d'interface RuO₂ due au chauffage Joule local. À cette condition, la cellule RRAM commute à HRS.

L'analyse XPS de la couche d'interface RuO₂, qui était formée pendant le processus de fabrication du dispositif, supporte aussi l'explication proposée de l'effet RDN. La Figure 6a montre le spectre XPS complet de l'échantillon, qui inclut les niveaux de cœur O 1s, Ru 3d, Al 2p, et Hf 4f. Les autres pics non marqués correspondent tous à ces éléments avec différentes orbites électroniques. La courbe d'ajustement Fig. 6b s'ajuste parfaitement aux données expérimentales et est divisée en quatre pics, correspondant aux niveaux de cœur Ru 3d₅/₂ (280,01 eV pour Ru et 280,75 eV pour RuO₂) et Ru 3d₃/₂ (284,3 eV pour Ru et 285,26 eV pour RuO₂), démontrant la coexistence de Ru et RuO₂ dans le film mince. La faible intensité du pic Ru 3d₅/₂ indique que la couche d'interface RuO₂ formée est très mince comme prévu.

Conclusion

Dans cette étude, le dispositif RRAM compatible CMOS Ru/AlOᵧ/HfOₓ/TiN a été fabriqué. L'excellente performance de commutation a été atteinte avec une résistance uniforme dispositif-à-dispositif et une grande fenêtre de résistance ainsi qu'une bonne propriété de rétention à haute température. Basée sur les mesures électriques et l'analyse XPS, le phénomène RDN dans le processus SET peut être expliqué par la recombinaison de lacunes d'oxygène et d'ions oxygène libérés de la couche d'interface RuO₂ due au chauffage Joule induit par l'électrique.

Abréviations

ALD :

Dépôt de couches atomiques

FC :

Filament conducteur

HRS :

État de haute résistance

LRS :

État de basse résistance

RDN :

Résistance différentielle négative

PECVD :

Dépôt chimique en phase vapeur assisté par plasma

RRAM :

Mémoire à accès aléatoire résistive

SCM :

Mémoire de classe stockage

XPS :

Spectroscopie photoélectronique aux rayons X