자가 정류 스위치 특성이 있는 TaO/HfO x 및 TaO/AlO x RRAM의 유지 모델

결과 및 토론

전기 측정은 HP4156C 반도체 매개변수 분석기로 수행되었습니다. 전류 밀도 설정 및 재설정(J ) 대 전압(J –V ) TaO/HfO _{x의 곡선} 및 TaO/AlO _x 장치는 각각 그림 2a, b에 나와 있습니다. 두 초기 저항 상태(R _초기 ) TaO/HfO _x 및 TaO/AlO _x 장치는 HRS였습니다. 버진 메모리 장치는 포지티브 바이어스로 LRS에 프로그래밍되었고 뒤로 스윕되었습니다. 그런 다음 음의 전압을 인가하여 각 셀을 LRS에서 HRS로 전환했습니다. J–V 모두 플롯에는 0.1, 0.56, 25μm의 세 가지 셀 크기가 포함됩니다. ² . J–V에서 플롯, 영역이 다른 장치의 모든 곡선은 서로 유사하여 TaO/HfO _{x를 모두 나타냅니다.} 및 TaO/AlO _x 장치는 (i) 초기 상태에서 동일한 전류 밀도, (ii) 유사한 설정 및 재설정 전압, (iii) LRS 및 HRS에서 동일한 전류 밀도를 가졌습니다. 또한, 정전류 밀도 특성은 저항 대 면적(R –A ) 그림 2c, d의 플롯. 두 R의 강한 영역 의존성 _초기 및 LRS는 전류 밀도의 제어에 의해 관찰될 수 있다. 셀 면적 및 컴플라이언스 전류의 규모에 관계없이 두 장치에서 동일한 온/오프 저항 비율이 유지됩니다. 이 일정한 전류 밀도 스위치 특성은 메모리 셀이 전기장에 의해 균일하게 프로그래밍되거나 지워진다는 것을 의미합니다. 이러한 소자는 공석의 변조와 밀접한 관련이 있는 트래핑형 스위칭 특성을 갖는 것으로 간주됩니다[8]. 트래핑형 RRAM의 경우 설정 과정에서 급격한 전류 점프가 관찰되지 않았지만 필라멘트형 RRAM의 경우 일반적으로 급격한 전류 점프가 관찰되었다. 본 연구에서 HfO _{x를 갖는 서로 다른 스위칭 레이어에 대해 서로 다른 스위칭 전압이 관찰되었습니다.} 또는 AlO _x . TaO/AlO _{x의 설정 전압 범위} 장치는 4~4.5V로 TaO/HfO _{x보다 큽니다.} 장치(3~4V). TaO/AlO _{x의 리셋 전압 범위} 장치는 −1.5 ~ −2.5V로 TaO/HfO _{x보다 큽니다.} 장치(-0.5~-1.5V). AlO _x 시스템은 HfO _{x보다 설정 및 재설정 스위치를 완료하는 데 더 많은 에너지를 소비합니다.} 시스템이 소비합니다. 스위치를 설정하는 동안 스위칭 레이어 HfO _x 및 AlO _x 각각 약 3V 및 3.5V의 전압에서 소프트 항복을 달성합니다. 두 가지 유형의 장치에서 필라멘트가 스위칭 층에 형성되기 전에 TaO 층의 내부 저항에 의해 전류가 제한됩니다. 트래핑형 RRAM의 자기순응 과정에서 스위칭층 내부에 과도한 산소 결손이 발생한다[7]. 이러한 산소 결손은 네거티브 바이어싱 재설정 프로세스 동안 재결합됩니다. 필라멘트형 RRAM과 달리 HRS는 리셋 동작 후 항상 초기 저항 상태(IRS)보다 낮습니다[15,16,17]. 요약하면, 결함 트래핑은 스위칭 층의 저항 변화를 제어하기 위해 산소 이온-공공 재결합을 통해 공극을 변조하는 프로세스입니다. HfO _{x와 비교} 스위칭 레이어, 결함 트래핑은 AlO _{x에서 더 높은 전압과 전력을 유발합니다.} 스위치의 설정 및 재설정 중 레이어.

전압 플롯이 a인 전류 밀도 TaO/HfO _x 셀 크기가 다른 장치. ㄴ TaO/AlO _x 셀 크기가 다른 장치. 저항 대 c의 면적 플롯 a TaO/HfO _x 기기 및 d a TaO/AlO _x 장치. 두 플롯 모두 읽기 전압 =2 V인 IRS 및 LRS를 포함합니다. 각 데이터 포인트는 10개 기기의 평균과 해당 표준 편차를 제공합니다.

스위칭 동작을 조사한 후 트래핑형 메모리 장치의 HRS 및 LRS 유지 동작을 조사했습니다. TaO/HfO _{x에 대해 85°C 및 1V에서 시간에 따른 저항 변화 플롯} 및 TaO/AlO _x 장치는 그림 3a, b에 나와 있습니다. 두 그림 모두에서 LRS 변동이 HRS 변동보다 더 뚜렷합니다. TaO/AlO _{x의 저항 안정성} TaO/HfO _{x보다 높습니다.} . 그림은 HRS가 두 유형의 기기 모두에 대해 IRS로 이동하는 경향이 있음을 보여줍니다. IRS는 그림 3a, b에서 점선으로 표시됩니다. TaO/Al2O _{x에 대한 저항이 기기의 초기 상태로 돌아오는 추세가 그림 3c에 나와 있습니다.} 그리고 그림 3d에서 TaO/HfO _{x에 대해} . 이를 실현하기 위해 I–V에 표시된 것처럼 두 유형의 장치 모두 초기에 실온에서 LRS로 프로그래밍되었습니다. 스윕(검은색 선). 그런 다음 TaO/AlO _x 및 TaO/HfO _x 기기는 각각 150°C에서 48시간, 120°C에서 120시간 동안 오븐에서 구워졌습니다. 두 경우 모두 I–V 베이킹 후 스윕은 초기 스윕과 유사했습니다. 이 절차에 의해 트랩핑형 소자의 LRS는 고온 환경에서 시간이 지나면 원래 상태로 되돌아갔다. 산소 원자의 눈에 띄는 움직임을 특징으로 하는 필라멘트 유형 장치와 달리 트래핑 유형 장치는 짧은 거리로 분리된 한 쌍의 산소 이온과 빈자리를 가지고 있습니다. 저항이 초기 상태로 표류하는 경향은 ALD의 공정 온도에 의해 주로 제어되는 원래 결정도와 관련이 있습니다. 결과적으로 두 유형의 장치에서 LRS는 음의 바이어스 또는 열 에너지에 의해 HRS(또는 IRS)로 재설정될 수 있습니다. 이 속성은 필라멘트 RRAM과 다릅니다.

a에 대한 저항 변화 대 시간 도표 TaO/HfO _x 그리고 b TaO/AlO _x 장치. 두 플롯 모두 85 °C에서 전압 =1 V 판독 시 HRS 및 LRS 변동을 포함합니다. 나 –V 각 처녀 장치의 스윕이 설정되었고 장치가 구운 다음 LRS로 다시 프로그래밍되었습니다. c TaO/AlO _x (48시간 동안 150°C), d TaO/HfO _x (120시간 동안 120°C)

비휘발성 메모리에 대한 표준 보존 테스트에서 데이터 보존은 실온과 고온 모두에서 테스트됩니다. 장치는 실제 애플리케이션에서 유용하기 위해 실온과 고온 모두에서 데이터를 유지할 수 있어야 합니다. 활성화 에너지(E _아 ) 보존 플롯에서 Arrhenius 방법에 의한 추출은 데이터 보존을 평가하는 일반적인 방법입니다[18, 19]. 그림 3a에서 볼 수 있듯이 LRS 변동이 HRS 변동보다 더 뚜렷합니다. 따라서 저항비(R _비율 ) 30~150°C 범위의 온도에서 베이킹 시간 대 LRS를 분석했습니다. TaO/Al2O _{x에서 머무름 시간 추출의 한 예} 장치는 그림 4a에 나와 있습니다. 저항 열화율은 선형 피팅의 기울기로 log(R _비율 )-로그(시간) 척도. 약 10 ³ 의 최대 온/오프 저항 비율을 고려하여 TaO/AlO _x용 10 ³ 의 보존 시간 LRS 변동을 계산할 수 있는 횟수입니다. 30~150°C 범위의 측정 온도에서 추정된 LRS 데이터 보존은 그림 4b에 나와 있습니다. 각 데이터 포인트는 두 장치 유형에 대해 18개 이상의 장치에서 얻은 정보를 나타냅니다. TaO/AlO _x에서 기기의 데이터 보존 기간은 최대 10 ⁶ 입니다. 150°C 및 2 × 10 ⁸ 에서 s s(약 5년) 실온에서; 그 시간은 거의 10 ^1.5 입니다. TaO/HfO _{x보다 몇 배 더 깁니다.} 장치. 가장 흥미로운 점은 TaO/HfO _x 및 TaO/AlO _x 기기는 동일한 E를 표시합니다. _아 =0.38 eV, 추출된 기울기에서 계산됨. 같은 E _아 이는 두 유형의 장치가 LRS 분해 과정에서 유사한 화학 반응을 겪는다는 것을 의미합니다. 이 E _아 TaO 계면 근처의 산소 이온 방출 및 AlO _{x의 산소 확산 과정을 포함하여 모든 열 활성화 운동 과정에 관여합니다.} 및 HfO _x 레이어. 그러나 HfO _{x의 산소 자체 확산 계수} 및 AlO _x 레이어는 고온(>1000°C)에서 다릅니다. 정확한 측정은 문헌[20, 21]에서 찾을 수 있습니다. 낮은 온도(<200°C)에서의 산소 확산 계수는 HfO _{x의 두께에 따라 달라집니다.} 유전체 [22]. 스위칭 레이어의 확산 과정이 화학 반응을 지배하는 경우 E _아 값은 HfO _{x의 다른 확산 계수로 인해 달라야 합니다.} 및 AlO _x 레이어. 이 작업에서 두 ​​유형의 장치는 동일한 E를 나타냈습니다. _아 =0.38eV; 이것은 두 유형의 장치가 스위칭 레이어 상단에 동일한 TaO 캡핑 레이어를 가지고 있다는 사실과 관련이 있습니다. LRS 열화는 공석과 이온의 재결합 과정이며, 이는 TaO 층이 이 화학 반응을 제어하고 대부분의 공석이 TaO와 스위칭 층 사이의 계면 근처에 밀집되어 있음을 의미합니다. 이러한 공석은 TaO/스위칭 계층 인터페이스에 머무르는 것을 선호합니다. 이 현상은 Zhong et al.에 의해 보고된 바와 같이 열역학적 안정성 관점에 의해 뒷받침될 수 있습니다. [23]. TiN/Ta/HfO _{x 시뮬레이션에서} /TiN 스택, 산소 이온은 Ta/HfO _{x에 머물기를 선호합니다.} Ta와 HfOx 사이에 낮은 에너지 차이가 ​​존재하기 때문에 인터페이스 [23]. 시뮬레이션에서 현재 실험에서와 같이 TaO 저항 층이 대부분의 산소 이온을 가두었고 이 공석 재결합 과정을 지배했습니다. LRS 저하가 그림 4c에 도식화되어 있습니다. 산소 이온은 베이킹 과정에서 이전의 열평형 상태로 돌아가므로 유지 손실이 발생합니다. Ta/HfO _x Zhong et al.이 제안한 장치. 및 TaO/HfO _x 그러나 두 연구 모두에서 TaO 층은 금속 Ta 증착 및 LTPO 공정의 여러 사이클에 의해 형성되었습니다[14]. LTPO 공정으로 인해 금속이 풍부한 TaO/HfO _x 인터페이스는 산소 이온 저장소로 간주될 수 있습니다. 산소 이온과 공석의 재결합 과정에서 원자 패킹 밀도는 필수적인 역할을 합니다. AlO _{x에서 얻은 우수한 LRS 보유 특성} 스위칭 층은 AlO _{x의 높은 원자 밀도로 설명될 수 있습니다.} 층. Al-O의 결합 길이가 Hf-O의 결합 길이보다 짧다는 것은 잘 알려져 있다[24, 25]. AlO _{x의 짧은 결합} 높은 쿨롱 상호 작용으로 인해 산소 이온 이동도가 감소하여 높은 산소 결손 확산 장벽이 발생합니다. 이 장벽으로 인해 TaO/AlO _{x에서 체류 시간이 더 길어집니다.} TaO/HfO _{x보다 장치} 하나.

아 TaO/AlO _{x의 다양한 온도에 대한 저항 변화 비율 대 베이킹 시간} 장치. 평균 초기 저항은 179 MOhm이었고 판독 전압은 2 V였으며 LRS 저항 열화율은 log(R _비율 )-로그(T) 척도. ㄴ 예상 머무름 시간(1000x) 대 1/kT 플롯. 각 지점에는 2V의 판독 전압에서 가져온 18개 장치의 데이터가 포함되어 있습니다. 추출된 활성화 에너지는 TaO/Al2O _{x에서 0.38eV였습니다.} 및 TaO/HfO _x 장치. ㄷ HfO _{x의 다양한 산소 확산 장벽의 유지 개략도} 또는 AlO _x TaO 캡핑 레이어 포함

또한 필라멘트 유형 장치의 유지 손실 모델은 결함 트래핑 유형 장치와 다릅니다. 필라멘트형 RRAM의 유지 거동은 필라멘트 파열과 관련이 있으며 공공 확산 방향은 측면입니다[11, 19, 24]. 결함 트래핑 RRAM에서 결함 확산 방향은 외부 전기장과 평행한 세로 방향입니다. 따라서 유지 거동은 편향 방향과 크기에 영향을 받을 수 있습니다. 그림 5a, b는 두 장치의 저항 비율을 통한 온 바이어스 유지를 보여줍니다. 저항비는 LRS의 저항에 대한 응력 장치의 저항으로 정의됩니다. 양의 바이어스는 LRS를 유지하는 데 도움이 될 수 있지만 음의 바이어스는 저하 과정을 가속화합니다. 이러한 온-바이어스 특성은 한 쌍의 산소 이온과 공극의 국부적 필드와 외부 전기장 사이의 상호 작용으로 설명될 수 있습니다. 외부 자기장의 방향이 설정된 방향(양수)과 같을 경우 머무름 시간을 연장합니다. 외부 필드가 재설정 방향(음수)이면 성능 저하를 일으킵니다. ±100mV의 낮은 전기장에서 온 바이어스 열화는 두 유형의 기기 모두에서 바이어스가 없는 열화와 동일합니다. 이 ±100mV 바이어스는 TiON-HfO _{x의 대역 오프셋으로 덮일 수 있습니다.} , TiON-AlO _x , 및 TiN-TaO 접합. A TaO/AlO _x 500mV의 높은 양의 바이어스에서 기기는 뚜렷한 성능 저하를 보이지 않습니다.

a에 대한 온 바이어스 저항 비율 대 스트레스 시간 TaO/HfO _x 그리고 b TaO/AlO _x 실온에서 장치