Sélecteur Ag-Ga₂Te₃ : Commutation de seuil à endurance ultra-élevée pour mémoire 3D cross-point

Résumé

La commutation de seuil dans les chalcogénures suscite un vif intérêt en raison de leur potentiel d'application dans les structures cross-point tridimensionnelles empilables à haute densité. Toutefois, malgré leurs excellentes caractéristiques de commutation de seuil, la sélectivité et l'endurance de tels sélecteurs doivent être améliorées pour une application pratique. Dans cette étude, l'effet de l'argent (Ag) sur le comportement de commutation de seuil d'un sélecteur Ga₂Te₃ a été étudié en termes de sélectivité et d'endurance. Le sélecteur Ag-Ga₂Te₃ présente une sélectivité élevée de 10⁸ avec un courant d'état bloqué faible (< 100 fA), une pente de mise en conduction abrupte de 0,19 mV/déc et une endurance élevée de 10⁹ cycles. La réponse transitoire a été vérifiée comme dépendant de la tension d'impulsion d'entrée et de la température de mesure. Compte tenu de ses excellentes caractéristiques de commutation de seuil, le sélecteur Ag-Ga₂Te₃ est un candidat prometteur pour les applications dans les structures cross-point.

Introduction

La mémoire à accès aléatoire résistive (ReRAM) a été étudiée comme candidate prometteuse pour la mémoire non volatile de prochaine génération, en raison de son fonctionnement simple, de sa faible consommation d'énergie, de son potentiel d'empilement 3D, de sa scalabilité et de sa structure simple. Cependant, le courant de fuite traversant les cellules adjacentes doit être réduit pour éviter les défaillances potentielles dans les structures cross-point 3D (CPA) à haute densité de cellules. Les dispositifs sélecteurs à deux bornes avec de faibles courants d'état bloqué et des rapports marche/arrêt élevés sont privilégiés pour résoudre ces problèmes de courant de fuite.

Divers types de sélecteurs à commutation de seuil (TS) ont été proposés : commutateur de seuil ovonique (OTS), transition métal-isolant (MIT), commutateur de seuil super-linéaire assisté par champ (FAST), métallisation électrochimique (ECM) et conduction ionique-électronique mixte (MIEC). Toutefois, la sélectivité et le courant de fuite des sélecteurs OTS et MIT doivent être améliorés ; la nature des matériaux pour les sélecteurs FAST reste inconnue. Parallèlement, les dispositifs ECM et MIEC utilisant l'Ag ou le Cu attirent l'attention pour leurs caractéristiques TS désirables : faible courant de fuite, rapport marche/arrêt élevé, pente de mise en conduction abrupte et large hystérésis entre la tension de seuil (V_TH) et la tension de maintien (V_Hold). Dans une structure 1S1R (un sélecteur - une résistance), la fenêtre de tension pour la lecture est déterminée par la tension de programmation (V_Set) de la mémoire et V_TH du sélecteur. Comme V_Set varie selon les matériaux, la modulation de V_TH est nécessaire. De plus, la grande différence entre V_TH et V_Hold peut simplifier l'opération des structures CPA et assouplir les exigences strictes d'appariement de tension.

Le mécanisme de commutation de ces sélecteurs à métal actif (Ag, Cu) repose sur la formation et la dissolution du canal de conduction métallique. La matrice du matériau électrolyte affecte donc significativement la migration du métal actif et la vitesse de commutation. La vitesse des sélecteurs à électrolyte oxyde est généralement plus lente que l'ordre de la microseconde, plus lente que les OTS ou MIT. En revanche, les défauts dans les films chalcogénures, comme le Te non lié (NBT), abaissent l'énergie d'activation pour la migration des ions métalliques actifs, rendant les chalcogénures préférables pour une migration rapide. Cependant, leur canal de conduction métallique formé aléatoirement présente des inconvénients en termes d'endurance, facteur crucial pour les sélecteurs. L'endurance des dispositifs ECM peut être améliorée de 10³ à 10⁶ cycles par une couche tampon intermédiaire, mais une amélioration supplémentaire est nécessaire pour les applications pratiques en CPA.

Dans cette étude, un Ga₂Te₃ amorphe hautement défectueux a été utilisé comme couche de commutation en insérant une couche d'Ag pour étudier les caractéristiques TS : faible courant de fuite, haute sélectivité, modulation de V_TH et V_Hold, et haute endurance. Le Ga₂Te₃ amorphe est avantageux comme électrolyte car il présente plusieurs NBT qui abaissent l'énergie d'activation de la migration d'Ag, et des lacunes de Ga qui agissent comme sites de migration pour l'Ag.

Méthodes

Les dispositifs sélecteurs TiN/Ag/Ga₂Te₃/TiN ont été fabriqués avec une structure via-hole pour étudier leurs caractéristiques TS. D'abord, des plots TiN de 0,42 µm × 0,42 µm ont été formés comme électrodes inférieures (BE). Des films minces de Ga₂Te₃ de 40 nm d'épaisseur ont été déposés par co-pulvérisation RF magnétron avec des cibles Ga₂Te et Te. Ensuite, un film d'Ag de 10 nm a été déposé par pulvérisation DC magnétron. Enfin, une électrode supérieure (TE) TiN a été formée par pulvérisation DC et méthode lift-off.

Les propriétés électriques ont été étudiées avec un analyseur Keysight B1500A à 298 K. Les tests de commutation DC ont été réalisés avec un courant de compliance (I_comp) pour éviter la rupture dure. Des mesures AC I-V ont été effectuées avec une résistance de charge externe de 1 MΩ. La microstructure a été examinée par microscopie électronique en transmission (TEM, JEOL FEM-F200). La distribution atomique de l'Ag dans le film Ga₂Te₃ a été analysée par spectroscopie à dispersion d'énergie (EDS) couplée au TEM.

Résultats et Discussion

L'imagerie TEM en coupe transversale du stack TiN/Ag-Ga₂Te₃/TiN intact montre que l'intercouche d'Ag de 10 nm n'est pas observée au-dessus du film Ga₂Te₃. Le mapping EDS révèle que l'Ag est uniformément distribué dans le film Ga₂Te₃, bien qu'aucune co-pulvérisation d'Ag n'ait été appliquée. Cette homogénéisation rapide de l'Ag, également rapportée pour les films GeTe, s'explique probablement par la diffusion de l'Ag pendant la formation du stack, favorisée par les défauts (NBT, lacunes de Ga) dans le Ga₂Te₃.

Les caractéristiques I-V du dispositif Ag-Ga₂Te₃ (électrode inférieure 0,42 µm × 0,42 µm) sur 100 cycles DC consécutifs montrent une commutation de seuil sans processus de forming. La conduction augmente brutalement à V_TH ≈ 0,87 V vers I_comp = 1 µA, indiquant la transition de l'état de haute résistance (HRS) vers l'état de basse résistance (LRS). Le retour à l'HRS se produit à V_Hold ≈ 0,12 V, démontrant une large hystérésis. Le courant d'état bloqué à V_TH est < 100 fA, l'une des valeurs les plus basses rapportées pour des sélecteurs chalcogénures à métaux actifs. La sélectivité (rapport courant passant/courant bloqué) atteint ~10⁸. Les courbes I-V restent stables pour divers I_comp (10 nA à 10 µA), indiquant une flexibilité du courant de fonctionnement. La commutation sans forming et la large hystérésis sont distinctement favorables par rapport aux sélecteurs OTS Ga₂Te₃ seuls. La pente de mise en conduction abrupte est de 0,19 mV/déc (taux de balayage 1,5 mV/pas).

La variabilité dispositif-à-dispositif a été étudiée sur 25 dispositifs aléatoires. V_TH se répartit de 0,75 à 1,08 V, V_Hold de 0,06 à 0,375 V. R_HRS varie de 10¹¹ à 10¹⁴ Ω, tandis que R_LRS ≈ 10⁶ Ω. Les sélecteurs à métaux actifs présentent généralement une variabilité relativement large ; des études sur l'amélioration de la fiabilité par dopage ou insertion de couche tampon ont été rapportées.

La réponse transitoire a été mesurée via une unité de mesure rapide (WGFMU) sous impulsion de 3 V (temps de montée/descente 100 ns, durée 1,5 µs) avec résistance de charge 1 MΩ. Le courant de conduction atteint son pic après 406 ns (temps de mise en conduction ~400 ns) ; le retour à l'état bloqué prend ~600 ns. La commutation lente s'attribue à la migration et aux réactions redox de l'Ag pour la formation du canal. L'augmentation de la tension d'impulsion (1,5 à 3,5 V) réduit le temps de mise en conduction (1 µs → 294 ns) mais augmente le temps de coupure (400 ns → 849 ns). L'élévation de la température (298–375 K) accélère les deux temps. Le diagramme d'Arrhenius révèle une dépendance exponentielle, indiquant un processus thermiquement activé (diffusion d'Ag dans la matrice électrolyte). Les énergies d'activation sont ~0,50 eV (mise en conduction) et ~0,40 eV (coupure), comparables aux dispositifs à filaments d'Ag.

L'endurance AC a été testée sous les mêmes conditions d'impulsion. Les tensions de lecture HRS/LRS étaient 0,5 V et 3 V. Le dispositif Ag-Ga₂Te₃ montre une endurance stable jusqu'à 10⁹ cycles en maintenant une sélectivité de 10⁸, surpassant les autres sélecteurs chalcogénures à métaux actifs.

Conclusions

Cette étude démontre les caractéristiques TS stables d'un sélecteur utilisant l'Ag (haute mobilité ionique) et du Ga₂Te₃ amorphe hautement défectueux comme couche de commutation. Les analyses TEM montrent que l'intercouche d'Ag diffuse complètement dans le Ga₂Te₃, produisant une distribution uniforme. Le sélecteur Ag-Ga₂Te₃ présente : commutation sans forming, large hystérésis (~1 V), haute sélectivité (10⁸), faible courant bloqué (<100 fA), pente abrupte (0,19 mV/déc), et excellente endurance (10⁹ cycles). La vitesse de commutation est de l'ordre de centaines de nanosecondes. La dépendance de la vitesse à la tension d'impulsion résulte de l'effet combiné migration/redox d'Ag. Le comportement d'Arrhenius selon la température suggère un processus thermiquement facilité. En conclusion, le dispositif Ag-Ga₂Te₃ aux excellentes caractéristiques TS et d'endurance est un candidat prometteur pour les applications de mémoire CPA.