RRAM bicouche HfO₂/TiOₓ ultra-basse consommation atteignant 1,12 µW de commutation par ingénierie contrôlée des lacunes d'oxygène

Résumé

Nous avons fabriqué avec succès des dispositifs de mémoire à accès aléatoire résistive (RRAM) comprenant une couche HfO₂ déposée par couches atomiques et une couche TiOₓ pulvérisée RF. En ajustant finement la pression partielle d'oxygène lors du dépôt TiOₓ, nous avons atteint une opération de puissance sans précédent : 1,52 µW pour la transition set (1 µA@1,52 V) et 1,12 µW pour reset (1 µA@1,12 V). Une analyse détaillée révèle qu'une concentration modérée de lacunes d'oxygène dans la couche TiOₓ supprime le « soft-breakdown » pendant le forming/set, limitant le courant et réduisant dramatiquement la consommation de puissance.

Introduction

La mémoire à accès aléatoire résistive (RRAM) est un candidat de premier plan pour le scaling au-delà du CMOS en raison de sa structure simple à deux terminaux, son comportement non-volatile, sa commutation rapide et ses rapports marche/arrêt élevés. La configuration 1-transistor-1-résistance (1T1R) est maintenant standard pour les grands réseaux, atténuant les courants de chemin parasite. Cependant, les forts courants de commutation des RRAM conventionnels à base d'oxydes entravent le scaling, surtout quand les courants de pilotage CMOS tombent sous 40 µA aux nœuds 27 nm. De même, les circuits neuromorphiques qui émulent les synapses biologiques requièrent une énergie par événement dans la gamme femtojoule. Ainsi, concevoir des RRAM fonctionnant de manière fiable sous 10 µA est critique pour le stockage haute densité et les réseaux de neurones artificiels énergétiquement efficaces.

Dans ce travail, nous étudions systématiquement des dispositifs Pt/HfO₂/TiOₓ/Pt avec un contenu en oxygène variable dans la couche TiOₓ. Nous démontrons qu'abaisser la pression partielle d'oxygène pendant la pulvérisation crée un profil de lacunes optimal qui confine le filament conducteur, produisant une commutation de puissance sous-microwatt. Le mécanisme de conduction sous-jacent est analysé, fournissant des orientations actionnables pour concevoir des RRAM à oxydes à faible puissance.

Méthodes

La pile de dispositif a été cultivée sur un substrat Si/SiO₂/Ti. Une électrode inférieure (BE) Pt de 100 nm a été pulvérisée à température ambiante. Une couche HfO₂ de 3 nm a été déposée par ALD (Picosun R200) à 300 °C en utilisant les précurseurs TEMAH et H₂O. Ensuite, des films TiOₓ de 30 nm ont été pulvérisés RF sous un débit gazeux total de 20 sccm (Ar + O₂). En ajustant la pression partielle d'O₂ à 9 %, 11 % et 13 %, nous avons fabriqué trois séries de dispositifs (S1, S2, S3). Une électrode supérieure (TE) Pt de 70 nm a alors été pulvérisée et structurée par lithographie. La gravure ionique réactive a défini des cellules carrées de 100 µm × 100 µm. La MET à haute résolution en coupe transversale (HRTEM) a vérifié l'intégrité des couches, et la spectroscopie photoélectronique aux rayons X (XPS) a quantifié les niveaux de lacunes d'oxygène.

Les mesures électriques ont employé un analyseur de paramètres semiconducteurs Agilent B1500A avec un courant de compliance de 1 µA pour les opérations set/reset. Les courbes I-V dépendantes de la température ont été enregistrées entre 25 °C et 125 °C pour sonder les mécanismes de conduction.

Résultats et discussion

Les spectres XPS O 1s des films TiOₓ montrent deux composantes : O²⁻ de réseau et O²⁻ non-réseau associé aux lacunes d'oxygène. La fraction de lacunes est de 28,23 % (9 % O₂), 24,06 % (11 % O₂) et 23,63 % (13 % O₂), confirmant qu'une pression partielle d'O₂ plus élevée réduit les lacunes.

Durant le forming de courant (CF) avec compliance 1 µA, seule S1 (9 % O₂) forme avec succès un filament conducteur stable. S2 et S3 requièrent jusqu'à 20 mA pour atteindre l'état de basse résistance (LRS), indiquant une densité de lacunes excessive qui favorise le soft-breakdown à travers la pile diélectrique.

Les balayages I-V bipolaires sur 100 cycles révèlent que S1 atteint une commutation stable avec <10 µA compliance, tandis que S2/S3 demandent 10 mA. La performance basse puissance de S1 provient d'une haute concentration de lacunes qui limite le courant pendant CF/set, prévenant la croissance excessive du filament.

L'analyse statistique (cycle-à-cycle et dispositif-à-dispositif) montre une variation modeste pour S1 et des rapports marche/arrêt acceptables (>100) pour tous les échantillons. Les tests de rétention démontrent que S1 conserve ses états pendant >10⁴ s à 85 °C, confirmant son adéquation pour le stockage non-volatile.

Les calculs de puissance donnent P_set = 1,52 µW et P_reset = 1,12 µW pour S1 à 1 µA compliance. En contraste, S2/S3 exhibent des dizaines de milliwatts dues à leurs forts courants de commutation.

Les mesures de résistance dépendantes de la température révèlent que la résistance de S1 diminue avec la température, cohérente avec le modèle de saut à portée variable (VRH) de Mott. Cela indique que le saut d'électrons via des états de lacunes d'oxygène localisés dans TiOₓ domine la conduction. Pour S3, la résistance est insensible à la température, suggérant un transport filamentaire de type métallique à travers un réseau dense de lacunes. Ce comportement conduit à des courants plus élevés et une consommation de puissance plus importante.

Ces résultats soulignent l'importance d'une concentration de lacunes équilibrée : suffisante pour permettre la conduction par saut et limiter la croissance du filament, mais pas si élevée que des filaments métalliques se forment. Cette insight est applicable à une large gamme de RRAM à base d'oxydes, guidant la conception de mémoires énergétiquement efficaces pour le stockage de données et l'informatique neuromorphique.

Conclusions

Nous avons démontré des courants de commutation de 1 µA dans des RRAM Pt/HfO₂/TiOₓ/Pt en contrôlant le profil de lacunes d'oxygène dans la couche TiOₓ. Le saut d'électrons domine dans les films à faible oxygène, confinant le courant et produisant une puissance sous-microwatt. En contraste, les films à haut oxygène forment des filaments métalliques, causant le soft-breakdown et la haute consommation de puissance. Optimiser la densité de lacunes d'oxygène est ainsi une stratégie universelle pour atteindre des RRAM à faible puissance et haute densité adaptés aux applications IoT et embarquées.

Abréviations

1T1R

Un-transistor-une-résistance

ALD

Dépôt de couches atomiques

ANN

Réseaux de neurones artificiels

BE

Électrode inférieure

CF

Forming de courant

HRS

État de haute résistance

HRTEM

Microscope électronique à transmission à haute résolution

IoT

Internet des objets

I-V

Courant-tension

LRS

État de basse résistance

Rapport marche/arrêt

HRS/LRS

OxRRAM

Mémoire résistive à oxydes

P_reset

Puissance reset

P_set

Puissance set

RIE

Gravure ionique réactive

RRAM

Mémoire à accès aléatoire résistive

TE

Électrode supérieure

XPS

Spectroscopie photoélectronique aux rayons X

σ/μ

Écart-type relatif