원자층 증착으로 제작된 Ru 기반 RRAM 장치의 음의 차동 저항 효과

초록

이 연구에서 원자층이 증착된 Ru 기반 RRAM 장치는 AlO_y /HfO_x 기능성 레이어를 제작하고 연구했습니다. 전압 설정 과정에서 음의 차동 저항(NDR) 거동이 관찰되었으며 그 물리적 기원을 조사했습니다. 저항 스위칭에 대한 물리학적 이해를 바탕으로 측정된 NDR 동작은 부분적으로 단극성 재설정 효과와 관련이 있는 것으로 여겨집니다. 이는 산소 결손과 RuO_{2 인터페이스 레이어. 측정된 전기적 특성과 X선 광전자 분광법(XPS) 결과는 물리적 해석을 검증했습니다.}

소개

가장 유망한 신흥 비휘발성 메모리 중 하나인 저항성 랜덤 액세스 메모리(RRAM)는 재료 최적화, 성능 개선 및 장치 통합과 관련하여 광범위하게 연구되었습니다[1,2,3,4]. 단순한 셀 구조, 빠른 작동 속도, 낮은 전력 소비, 비교할 수 없는 소형화 가능성과 같은 상당한 이점으로 인해 RRAM은 뇌에서 영감을 받은 뉴로모픽 컴퓨팅 및 재구성 가능한 부울 논리[6,7,8,9]에 널리 적용되었습니다. ,10] 또한 스토리지 클래스 메모리(SCM) 애플리케이션에 대한 큰 잠재력을 보여줍니다[11]. 그러나 장치 및 시스템을 위한 국제 로드맵 2017(https://irds.ieee.org/images/files/pdf/2017/2017IRDS_ES.pdf)에서 알 수 있듯이 확장성, 장치 안정성 및 프로세스 호환성을 포함한 문제가 여전히 걸림돌입니다. RRAM의 발전. 따라서 우수한 성능을 가진 CMOS 호환 RRAM 장치의 구성은 RRAM 셀의 1T1R 구조를 기반으로 하는 응용 분야에서 매우 중요합니다[12,13,14]. 이전 연구[15]에 따르면 Ru 기반의 RRAM 소자는 Pt 기반의 소자에 비해 큰 전위를 보인 반면, 전압 설정 과정에서 음의 차동 저항(NDR)이 나타났다. 저항성 스위칭을 수반하는 NDR 현상은 주로 주입된 금속 나노입자[16, 17]에 의해 유도된 깊게 국부화된 상태 사이의 전자 캐리어의 트랩/디트랩 또는 접합 재설치로 인한 결함의 축적으로 인한 다른 RRAM 구조에서 조사되었습니다. [18]. 대전류 하에서 Ru 기반 RRAM 셀에서 NDR의 출현은 여전히 미정이지만, 본 연구에서는 ALD(Atomic Layer Deposition) 기술로 제작된 Ru 기반 RRAM 소자의 전기적 성능을 평가했습니다. X선 광전자 분광법(XPS) 특성화 및 다양한 자극에 대한 전기 측정을 기반으로 Ru 기반 RRAM의 NDR 현상은 산소 결손 전도성 필라멘트 모델의 프레임워크에서 설명될 수 있습니다.

방법

장치 구조와 제작된 RRAM 어레이의 개략도는 각각 그림 1a, b에 나와 있습니다. Ru/AlO_y /HfO_x /TiN RRAM 장치는 열산화된 300nm SiO₂ 위에 제작되었습니다. 기질. Ru 금속 타겟을 사용하여 DC 마그네트론 스퍼터링(Angstrom Engineering NEXDEP)에 의해 하부 전극으로서 20nm Ti 접착층 위에 80nm Ru 박막을 증착하였다. SiO₂ 플라즈마 강화 화학 기상 증착(PECVD)에 의해 성장된 전극은 절연체 역할을 하여 전극을 분리하고 비아를 형성합니다. 그런 다음 2nm AlO_y의 저항층 및 3nm HfO_x 트리메틸알루미늄(TMA) 및 테트라키스[에틸메틸아미노]하프늄(TEMAH) 전구체를 사용하여 300°C에서 원자층 증착 시스템(PICOSUN R200)에 의해 증착되었습니다. 그 후, Ti 타겟을 사용하여 80nm TiN을 반응성 스퍼터링하고 에칭하여 상부 전극 패턴을 형성했습니다. 전기 접촉을 위해 하단 전극을 노출시키기 위해 또 다른 건식 에칭도 수행되었습니다.

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아 Ru 기반 장치의 개략도. ㄴ 제작된 RRAM 어레이

원소 분석은 상부 전극이 없는 새로운 샘플을 사용하여 X선 광전자 분광법(XPS) 시스템(Thermo Scientific ESCALAB 250Xi)에 의해 수행되었습니다. 측정 전에 C의 영향을 제거하기 위해 측정 전에 Ar 플라즈마로 표면 세정을 수행하였다. Al 2p의 피크 위치를 교정에 사용하였다. 전기적 측정은 반도체 소자 분석기(Agilent B1500A)와 펄스 함수 임의 발생기(Agilent 81160A)로 상온에서 수행되었습니다.

결과 및 토론

Ru 기반 RRAM 장치의 일반적인 IV 특성은 그림 2a에 나와 있습니다. 전기 주조 후, 전도 중 영구 파괴를 방지하기 위해 1mA의 준수 전류로 셀을 고저항 상태(HRS)에서 저저항 상태(LRS)로 전환하는 설정 프로세스에 양의 전압(2.5V)을 인가했습니다. 필라멘트(CF) 형성. 설정 전환 후 음의 전압(- 2.3V)을 사용하여 점진적으로 감소하는 전류로 LRS에서 HRS로 장치를 전환했습니다. 소자마다 저항 변동성을 평가하기 위해 10개의 Ru 기반 RRAM 셀을 임의로 선택했습니다. 그림 2b에 표시된 것처럼 통계 결과는 10³ 보다 큰 저항 창에서 HRS와 LRS의 우수한 균일성을 보여줍니다. , NVM 기반 논리 응용 프로그램의 유망한 후보가 될 수 있습니다. 이전에 보고된 Pt 기반 장치[2]와 비교하여 NDR 현상이 설정 과정에서 관찰되었다는 점은 주목할 가치가 있습니다. 여기서 전류는 제한된 전압 규모에서 전압이 증가함에 따라 감소하고(set-phase 1) 다음으로 증가합니다. 컴플라이언스 전류(set-phase 2)로.

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아 DC 특성. ㄴ 10 Ru 기반 RRAM 장치의 HRS/LRS 통계 분포

Ru 기반 RRAM 장치의 사이클 간 변동성은 사이클링 균일성을 연구하기 위해 펄스 모드에서도 조사되었습니다. 세트용 펄스(2.4V, 15ns) 및 펄스(− 3V, 100ns)는 각 펄스 후 0.1V의 읽기 전압으로 LRS와 HRS 간에 장치를 전환하는 데 사용됩니다. 그림 3a에서 볼 수 있듯이 1000주기의 기기는 379Ω 및 3 × 10⁵ 의 표준편차로 균일한 분포를 보입니다. LRS 및 HRS의 경우 Ω, 그 결과 100보다 큰 안정적인 메모리 창이 나타납니다. 10⁶ 후에도 내구성 저하가 발생하지 않습니다. Ref. [15]. 또한, 기기는 그림 3b와 같이 우수한 유지 특성도 보여줍니다. LRS 및 HRS 저항 모두 10⁵ 이상의 일정한 값을 유지합니다. 실패 없이 120°C에서 s.

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아 1000번의 내구성 주기. ㄴ Ru/AlO_y의 고온 유지 거동 /HfO_x /TiN RRAM 장치

NDR 현상을 탐구하기 위해 I–V 곡선은 전압 스위프 모드와 전류 스위프 모드에서 모두 측정되었습니다. 그림 4a는 무작위로 선택된 5개의 새로운 RRAM 셀의 형성 과정을 보여줍니다. 전류는 점진적으로 증가하고 NDR은 관찰되지 않는 동안 CF의 형성을 나타내는 급격한 증가가 뒤따릅니다. 전기 주조 후, 전류 변화를 관찰하기 위해 그림 4b와 같이 동일한 셀에서 서로 다른 스위프 모드로 설정 작업을 수행합니다. 전류 구동 세트의 경우 전류는 전압의 급격한 감소와 함께 천천히 증가하여 HRS에서 LRS로의 저항 전환을 보여줍니다. 이 동작은 전압에 의해 구동되는 특성과 구별되며, 이는 CF에 걸쳐 다른 자극 유도 줄 가열로 인한 것일 수 있습니다. 또한 NDR 영역의 중간 저항 상태를 조사하기 위해 서로 다른 바이어스에서 연속적인 설정/리셋 작업을 수행했습니다. 그림 4c와 같이 세트 과정에서 1V의 적절한 정지 전압을 인가하여 계곡 바닥에서 스윕을 완료했습니다. 전압이 제거된 후 비휘발성 저항 상태가 얻어졌으며, 이는 단극성 저항 스위칭 거동을 나타냅니다. 따라서 이러한 NDR 현상은 설정 과정에서 CF의 두 번째 리셋에 잠정적으로 기인합니다.

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아 5개의 Ru 기반 RRAM 장치의 전압 형성. ㄴ 동일한 RRAM 셀에서 전압 구동 및 전류 구동 설정 프로세스. ㄷ 전류 밸리의 하단에 정지 전압이 있는 불완전한 설정 프로세스

RuO₂의 특성뿐만 아니라 다양한 모드 및 장치 제조 공정에서의 측정과 결합 , NDR 현상의 물리적 기원은 그림 5와 같이 제안되었습니다. 이전 연구[19, 20]에서는 전자 결핍 산소 결손(V _오 ) 및 산소 이온(O²⁻ ) 다른 전기 극성에서 기존 HfO_x - 설정 단계 2 및 리셋 프로세스와 유사한 기반 바이폴라 RRAM 장치. 그러나 기존의 경화 공정과 달리 CF의 두 번째 파열이 발생하여 Ru 전극과 CF가 분리되어 NDR이 발생합니다. 일반적으로 산소 원자는 V로 해리됩니다. _오 그리고 O²⁻ O²⁻ 의 표류가 있는 전기장에서 V를 남기고 상단 전극으로 _오 전자 수송에 사용되는 CF를 형성합니다. 그러나 전기장에 의한 줄 가열로 인해 형성된 RuO₂ 인터페이스 레이어는 ~ 600°C에서 천천히 분해되어 O²⁻ 를 방출합니다. 전자가 고갈된 V와 재결합할 수 있습니다. _오 (V _오 ²⁺ ) Ru 전극(set-phase 1) [21] 근처에서 전류가 감소합니다. 이 프로세스는 부분적 단극 리셋 프로세스로 볼 수도 있습니다. 전압이 더 증가하면 TE와 BE 사이의 CF는 V의 누적에 의해 재구성됩니다. _오 설정 단계 2에 표시된 대로 RRAM 셀이 LRS로 전환됩니다. 재설정하는 동안 두 가지 프로세스가 동시에 발생합니다. (1) O²⁻ TiN 전극에서 방출된 양전하 V와 빠르게 재결합 _오 향상된 캡처 섹션 때문에 (2) O²⁻ BE를 향해 표류하며 Ru와 반응하고 RuO₂를 재형성합니다. 국부적인 줄 가열로 인한 계면층 [22]. 이 조건에서 RRAM 셀은 HRS로 전환됩니다.

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Ru 기반 RRAM에서 저항 스위칭의 물리적 프로세스. 아 NDR 효과(세트 단계 1). ㄴ 공통 SET(set-phase 2) 프로세스. ㄷ 장치의 RESET 프로세스

RuO₂의 XPS 분석 소자 제작 과정에서 형성된 인터페이스 층 역시 NDR 효과에 대한 제안된 설명을 뒷받침한다. 그림 6a는 O 1s, Ru 3d, Al 2p 및 Hf 4f 코어 수준을 포함하는 샘플의 XPS 전체 스펙트럼을 보여줍니다. 표시되지 않은 다른 피크는 모두 전자 궤도가 다른 이러한 요소에 해당합니다. 그림 6b의 피팅 곡선은 실험 데이터와 완벽하게 일치하며 Ru 3d_5/2에 해당하는 4개의 피크로 나뉩니다. (Ru의 경우 280.01eV 및 RuO의 경우 280.75eV₂ ) 및 Ru 3d_3/2 (Ru의 경우 284.3eV 및 RuO의 경우 285.26eV₂ ) 핵심 레벨, Ru와 RuO₂의 공존을 보여줍니다. 박막에서 [23]. Ru 3d_5/2의 낮은 강도 피크는 형성된 RuO₂를 나타냅니다. 인터페이스 레이어는 예상대로 매우 얇습니다.

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a의 XPS 스펙트럼 Ru/AlO_y /HfO_x 박막 및 b Ru 3d 코어 레벨. RuO₂ Ru와 Al2O_y 사이의 박막 ALD 프로세스 중 양식 [18]

결론

이 연구에서 CMOS 호환 Ru/AlO_y /HfO_x /TiN RRAM 장치가 제작되었습니다. 균일한 소자 간 저항과 큰 저항 창, 우수한 고온 유지 특성으로 우수한 스위칭 성능을 달성했습니다. 전기적 측정 및 XPS 분석을 기반으로 하여 설정 과정에서 NDR 현상은 RuO₂에서 방출된 산소 결손과 산소 이온의 재결합으로 설명될 수 있습니다. 전기 유도 줄 가열로 인한 계면층

약어

ALD:: 원자층 증착
CF:: 전도성 필라멘트
HRS:: 고저항 상태
LRS:: 저저항 상태
NDR:: 음의 차동 저항
PECVD:: 플라즈마 강화 화학 증착
RRAM:: 저항성 랜덤 액세스 메모리
SCM:: 스토리지 클래스 메모리
XPS:: X선 광전자 분광법

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