질화 처리된 HfO2 기반 RRAM의 전도 메커니즘 및 향상된 내구성

결과 및 토론

그림 1a와 같이 10μA의 컴플라이언스 전류로 DC 바이어스를 사용하여 모든 RRAM 장치를 활성화하려면 전기 주조 공정이 필요합니다. 성형 공정 후 HfO₂의 전류-전압(I-V) 속성 - 기반 RRAM은 초기 및 질화 처리 후 비교되었습니다. LRS에서 전류는 처리되지 않은 HfO₂에 비해 분명히 감소했습니다. 그림 1b와 같이 박막. 전류 감소는 NH₃에 의해 부동태화된 결함에 기인할 수 있습니다. 치료 용액의 분자. 우리는 그림 1b의 삽입과 같이 질화 처리 후에 HRS 분포가 훨씬 더 안정적이라는 것을 발견했습니다. 저항 상태는 DC 작동으로 100회 스위프 사이클 동안 0.1V의 판독 전압으로 추출됩니다(그림 1b 삽입). 저항 온/오프 비율은 질화 처리 후 약간 감소했습니다. 흥미롭게도 이러한 HfO₂에서 자체 준수 저항성 스위칭 특성이 관찰되었습니다. 그림 1c와 같이 치료 후 기반 RRAM 장치. 10 ³ 이상 이후 스윕 사이클에서 하드 브레이크다운이 없는 반복 가능한 자체 보호 특성이 관찰되었습니다. 머무름 시간은 85°C에서 평가되었으며 10 ⁴ 후에도 안정적으로 유지되었습니다. HRS와 LRS 모두에 있습니다.

장치 성능을 추가로 평가하기 위해 HfO₂의 내구성 테스트 그림 2와 같이 초기 및 질화 처리 후 기반 RRAM을 수행했습니다. 처리되지 않은 기기에서 10 ⁶ 스위핑 사이클에서 HRS/LRS 비율은 그림 2a와 같이 100:1에서 5:1로 크게 저하됩니다. 그러나 질화 처리 후 10 ⁹ 이상 후에도 스위프 사이클에서 장치는 그림 2b와 같이 안정적인 HRS/LRS 비율을 나타냈습니다. 이러한 결과는 질화 공정이 HfO₂를 강화했음을 나타냅니다. - 뛰어난 스위칭 기능과 신뢰성으로 수행되는 RRAM 기반. 이러한 결과를 더 조사하기 위해 FTIR 분석을 사용하여 HfO₂의 화학적 변화를 관찰했습니다. 그림 3과 같은 박막. 1589 및 1311cm에서 날카로운 피크 ⁻¹ N-O 결합의 대칭 및 비대칭 신축 진동 피크에 해당하는 질화 처리 후 나타납니다[20]. 또한, 1471 cm ^-1 에서 NH 결합의 피크 강도 [21] 요소/암모니아 복합 질소 공급원에 의한 질화 과정으로 인해 증가했습니다(그림 3의 삽입). 따라서 질화 처리 후 질소 함유 화합물의 형성을 유추할 수 있습니다.

HfO₂의 내구성 시간 비교 기반 RRAM:a 이니셜 및 b 질화 처리 후. 하단 다이어그램은 해당 장치 구조 및 내구 펄스 조건입니다.

HfO₂의 FTIR 스펙트럼 비교 질화 처리 초기와 후 사이의 박막

저항성 스위칭 메커니즘을 명확히 하기 위해 HfO₂의 전류 전도 메커니즘을 분석했습니다. 그림 4a 및 d에 표시된 질화 처리가 있거나 없는 박막. 처리되지 않은 HfO₂의 경우 박막에서 전자는 결함을 통해 전달되어 전류 전도 메커니즘은 ln(I/V)과 인가된 전압의 제곱근(V ^{1) 사이의 선형 관계에 따라 Poole-Frenkel 전도에 의해 지배되었습니다. /2} ) 그림 4b [22]와 같이 HRS에서.

아 HfO₂의 I-V 곡선에서 HRS의 전류 전도 메커니즘 분석 -초기 및 질화 처리 후 사이에 기반 RRAM. ㄴ HfO₂에서 HRS의 Poole-Frenkel 전류 전도 메커니즘 기반 RRAM. ㄷ HfO₂에서 HRS의 쇼트키 방출 전류 전도 메커니즘 - 질화 처리 후 기반 RRAM. d HfO₂에서 질화 처리 후 옴 전도에서 SCLC로 변환하는 LRS의 전류 전도 메커니즘 분석 기반 RRAM; 삽입 그림은 SCLC 전류 피팅 결과를 보여줍니다. 이 HfO₂에서 LRS의 옴 전도 메커니즘 - 현재 온도와 음의 상관관계가 있는 것이 특징인 RRAM 기반. 에 HfO₂에서 LRS의 SCLC 메커니즘 - 질화 처리 후 온도에 영향을 받지 않는 RRAM 기반

대조적으로, HfO₂ 기반 RRAM은 ln(I/T ² 사이의 선형 관계에 따라 쇼트키 방출 메커니즘을 나타냄) ) 및 적용된 전압의 제곱근(V ^1/2 ) 그림 4c[23, 24]와 같이 HRS의 이것은 결합이 질화 처리 후 질소 원자에 의해 부동태화됨에 따라 결함 및 댕글링 결합이 감소하기 때문입니다. 또한 HfO₂의 LRS에서 처리 유무에 관계없이 현재 전도 메커니즘을 분석했습니다. 기반 RRAM. LRS에서 처리되지 않은 HfO₂의 캐리어 수송 메커니즘 기반 RRAM은 그림 4e와 같이 온도가 증가함에 따라 전류가 감소하는 옴 전도에 의해 지배되었습니다. 질화 처리 후 전류 전도 메커니즘은 기울기가 1.52인 SCLC(공간 전하 제한 전류)로 전환됩니다. I-V 곡선은 온도와 관련이 없으며 ln(I)과 적용된 전압의 제곱 V ² 사이의 선형 관계입니다. 그림 4f[25]와 같이 LRS에서.

전류 전도 메커니즘의 특성을 설명하기 위해 모델을 제안했으며 그림 5와 같습니다. 따라서 N 및 O 원자 및 Hf 원자와 관련된 두 개의 오프셋 쌍극자가 있습니다(즉, 시퀀스 O-Hf-O N 원자를 HfO₂에 도핑한 후 O–Hf–N–O로 대체됨 얇은 필름. 질소 전자 음성도가 산소보다 낮기 때문에 Hf-N 결합의 쌍극자는 Hf-O 결합보다 낮아 유전 상수 영역이 더 낮습니다. SET 과정에서 양의 바이어스가 인가되면 낮은 유전 상수로 인해 일련의 Hf–N–Ox 공석이 형성되고 공석 클러스터(Vo ⁺ ). 전도성 경로는 일반적으로 Hf–N–Ox 공석 클러스터(Vo ⁺ ) 그림 5b와 같이 질소 원자가 클러스터 주변의 산소 이온을 포착하기 때문입니다. 이러한 절연 Hf–N–Ox 공석 클러스터의 존재(Vo ⁺ ) HfO₂에서 발견되는 전류 감소 및 자체 준수 효과 기반 RRAM.

HfO₂의 경화 과정을 통한 산소 이온 이동의 개략도 a에 대한 기반 RRAM 이니셜 및 b Hf–N–Ox 공석 클러스터를 형성하는 질화 처리 후(V_o ⁺ )