Ta2O5/TaOx 이중층 구조에 의한 전도성 브리지 랜덤 액세스 메모리의 필라멘트 과증식 억제

결과 및 토론

어닐링 공정에 대한 심오한 통찰력, Ta₂의 조성 및 화학적 결합 상태 O₅ 어닐링 공정 전후의 필름을 X선 광전자 분광법(XPS)으로 분석합니다. 샘플의 에칭 속도는 0.5 nm/포인트입니다. 그림 1a에서 Ta₂의 피크 O₅ 26.70 eV의 피크 결합 에너지를 갖는 4f 이중선(Ta₂ O₅ 4f_7/2 ) 및 28.60 eV(Ta₂ O₅ 4f_5/2 ) 1.9 eV의 피크 분리가 표면에서 관찰됩니다[11,12,13]. 이 사례는 Ta₂의 존재를 보여줍니다. O₅ 레이어.

XPS는 이전 Ta의 깊이 프로파일을 보여줍니다(a ) 및 이후(d ) 어닐링. ㄴ , e 어닐링 전후 각각 O의 깊이 프로파일. c, f 어닐링 전후 각각 깊이에 따른 O 및 Ta의 원자 농도 프로파일

깊이가 증가함에 따라 Ta₂의 피크 O₅ 4f 이중선이 사라지고 Ta 4f_7/2에 해당하는 22.33 eV, 23.96 eV의 피크 , 따 4f_5/2 나타나다. 그림 1b는 Ta 4f_7/2가 있는 동일한 깊이에 O 신호가 없음을 확인합니다. 및 Ta 4f_5/2 존재하다. 즉, Ta₂ 표면에 금속성 Ta가 존재합니다. O₅ 어닐링되지 않은 장치의 경우. Ta₂의 깊이 O₅ 그림 1c에서 분석한 Ta는 각각 4 nm와 2.5 nm입니다. 또한 7 nm 깊이에 O 원자 농도의 피크가 나타나 흡수된 산소의 존재를 나타냅니다. 그림 1d 및 e는 Ta₂에서 XPS 스펙트럼의 깊이 프로필을 보여줍니다. O₅ 어닐링 공정 후 필름. Ta 4f 이중선 및 Ta₂의 피크 O₅ 4f 이중선은 특정 깊이에 함께 존재합니다. Ta ⁵⁺ 강도 산화 상태는 깊이가 증가함에 따라 점차 약해집니다. 필름 깊이를 따라 전방위 산소 신호와 결합하여 TaO_x Ta₂ 표면에 존재 O₅ [11, 14]. 그림 1f에서 계산한 Ta₂의 두께 O₅ 4 nm 및 TaO_x 3.5 nm입니다. 따라서 TaO_x 어닐링 과정에서 흡착된 산소를 격자형 산소로 변화시켜 형성된다. 산소 재분배는 어닐링 공정 후에 포화된 포화점에 도달합니다. TaOx의 두께와 Forming 전압은 어닐링 시간이 길어도 증가하지 않아 이 어닐링 공정의 공정 마진이 크다.

그림 2a 및 b는 Cu/Ta₂의 저항성 스위칭 특성입니다. O₅ /W DC 스위핑 모드에서 어닐링 전후. 초기 저항(R _초기 ) 두 장치 모두 ~ 10 ⁹ 값의 고저항 상태(HRS)에 있습니다. Ω 및 10 ¹⁰ Ω, 각각. R이 높을수록 _초기 어닐링 된 장치의 열 처리 과정에서 형성된 더 두꺼운 산화막 때문입니다. 특히 이 장치는 성형 공정이 필요하지 않아 실용화될 것으로 기대된다. 어닐링되지 않은 장치의 경우 양의 전압 스위핑 동안 인가 전압이 임계값에 도달하면 LRS로 갑자기 전환됩니다. 설정 과정에서 일부 초저 LRS가 발생했습니다. 이 경우 RESET 전류는 미리 설정된 컴플라이언스 전류보다 훨씬 높으므로 이 장치에서 오버슈트 현상이 발생했음을 나타냅니다. 그림 3b는 열처리되지 않은 장치에 대해 200 주기 내에서 불안정한 LRS 및 HRS를 보여줍니다. 사이클 간 편차가 크면 메모리 창이 20만큼 작아집니다. 그림 2b는 어닐링된 디바이스의 스위칭 동작을 보여줍니다. 셀을 통해 흐르는 전류는 점차 증가하여 컴플라이언스 전류에 도달합니다. 어닐링되지 않은 장치에서 발생하는 오버슈트 현상을 방지하여 명백한 스위칭 포인트가 관찰되지 않습니다. 최대 10 ⁴ 의 메모리 창 HRS와 LRS의 균일한 분포로 인해 스위칭 주기 동안 달성되었습니다.

어닐링 전 Cu/TaOx/W 장치의 일반적인 I-V 곡선(a ) 및 어닐링 후(b ) 200 주기

아 어닐링 전후에 각각 전류 분포를 설정 및 재설정합니다. ㄴ 풀림 전/후 HRS 및 LRS의 저항 분포

어닐링된 장치에서 오버셋 현상의 억제는 RESET 전류(I _재설정 ) 및 현재 설정(I _설정 ) 그림 3a와 같이 어닐링된 장치에서. 나 _설정 어닐링되지 않은 장치의 I _참조 하지만 나 _재설정 널리 배포합니다. 대조적으로, 어닐링된 장치의 경우 I _재설정 나와(과) 유사합니다. _설정 . 장치 간 균일성은 R을 분석하여 평가됩니다. _켜기 및 R _꺼짐 DC 모드에서 20개의 다른 장치에서. 그림 3(b)와 같이 R _켜기 V 아래에서 추출 _읽기 어닐링되지 않은 장치의 경우 0.1 V의 10 ² 에서 분배 Ω ~ 10 ⁵ Ω, 동안 R _켜기 열처리된 장치의 10 ⁴ 에서 배포 Ω ~ 10 ⁵ Ω. 상대적으로 높은 R _켜기 TaO_x의 직렬 저항으로 인한 어닐링된 장치의 층. 또한, 열처리된 소자의 HRS 분포도 훨씬 개선되었습니다. 그림 3b와 같이 R의 표준편차(SD)는 _꺼짐 4.84에서 1.39로 감소했습니다.

DC 스위핑에서의 사이클링 결과는 그림 4a 및 b에 나와 있습니다. 열처리되지 않은 기기의 경우 HRS/LRS 비율은 약 10 ⁵ 입니다. 처음에는 점차 감소하다가 결국 LRS에 고정됩니다. HRS(빨간색 점) 및 LRS(파란색 점) 형태로 순환하는 동안 때때로 앞뒤로 실행되는 몇 가지 소프트 오류가 관찰될 수 있습니다. 열처리된 장치의 경우 HRS/LRS 비율이 안정적으로 유지됩니다(~ 10 ⁴ ) 저하 없이. 펄스 측정 중에 적절한 펄스 프로그래밍 조건은 설정 작업의 경우 3 V/100 ns, RESET 작업의 경우 - 2 V/200 ns, 읽기 작업의 경우 0.1 V/50 ns로 최적화됩니다. Set/RESET/Read 동작의 감지 시간은 각각 15 ns/12 ns/25 ns입니다. 그림 4c에서 볼 수 있듯이 열처리되지 않은 장치의 내구성은 일반적으로 5 × 10 ⁴ 미만입니다. 스위칭 주기. 그러나 그림 4d에서 어닐링된 장치가 10 ⁶ 이상 후에도 고장 없이 여전히 잘 작동한다는 사실이 놀랍습니다. 스위칭 주기. 우리의 이전 연구[15]에 따르면, CBRAM의 내구성 실패는 상대 전극으로 필라멘트가 과도하게 성장하여 발생하는 불안정한 RESET 작동과 관련이 있습니다. 한편으로 자란 필라멘트는 파열에 더 많은 에너지가 필요하고 불완전한 RESET 및 더 낮은 HRS를 유발하는 경향이 있습니다. 다른 한편으로, 필라멘트가 상대 전극으로 과도하게 성장하면 상대 전극에 Cu 이온이 잔류하게 되어 금속 이온의 저장소 역할을 하고 예상치 못한 음극 SET를 만들 수 있습니다. 어닐링된 장치의 경우 TaO_x의 통합으로 필라멘트 과성장이 잘 억제됩니다. 레이어를 생성하여 보다 안정적인 RESET 작업을 수행합니다. 그 결과, 메모리 윈도우가 잘 유지되고 사이클링 특성이 훨씬 향상됩니다.

a의 사이클링 결과 300 DC 사이클 및 b에서 어닐링이 없는 장치 400 DC 주기 미만의 어닐링 장치. c, d 최적화된 작동 구성으로 AC 모드에서 내구성 특성 설정:3 V/100 ns; 리셋 - 2 V/200 ns. 최대 10 ⁶ 어닐링 후 장치에 대한 주기를 얻었습니다.

보유 특성을 고려하면 CBRAM의 실제 적용에 중요한 역할을 합니다[16]. 머무름 특성은 진공 오븐을 사용하여 150 °C에서 측정됩니다. 각 셀의 저항은 10년 간격으로 실온으로 냉각한 후 확인합니다. 그림 5a 및 b는 R_HRS의 종속성을 보여줍니다. /R_LRS 어닐링이 없는 장치와 어닐링이 있는 장치의 베이킹 시간에 대해 각각. 어닐링되지 않은 기기(그림 5a)의 경우 시간이 증가함에 따라 기기가 10 ⁴ 이내에 점차적으로 고장납니다. 에스. 그러나 어닐링된 소자(그림 5b)의 경우 기록된 20개의 소자 중 LRS 및 HRS의 저항은 베이킹 시간이 증가함에 따라 열화를 나타내지 않습니다. 즉, 어닐링 공정에 의해 소자의 유지력이 크게 향상된다. 85°C에서 어닐링된 소자의 수명은 Arrhenius 플롯에 의해 10 년으로 추출될 수 있으며, 이는 보고된 CBRAM에 잘 부합합니다[17, 18]. 어닐링된 소자에 대한 더 나은 유지 특성의 달성은 어닐링 프로세스가 스위칭 필름의 일부 결함을 복구하여 Cu 종의 확산을 느리게 하기 때문입니다.

a에 대한 HRS/LRS의 보존 특성 열처리되지 않은 기기 및 b 150 °C

위의 결과를 기반으로 어닐링 및 어닐링되지 않은 장치의 스위칭 동작에 대한 물리적 모델이 그림 6a-d에 나와 있습니다. CBRAM의 필라멘트 성장은 전해질 격자의 Cu 이온 수송과 관련이 있습니다[19]. 어닐링되지 않은 소자에서 발생하는 오버슈트 현상은 필라멘트가 상대전극으로 과성장하게 만든다. RESET 작동 중에 상대 전극에 저장된 잔류 Cu 이온은 필라멘트 팁과 상대 전극 사이의 터널 갭으로 이동하여 잔류 Cu ⁺ RESET 작업이 끝나면 HRS가 심각하게 변합니다. TaO_x에서 Cu의 확산 계수로 (4.9 × 10 ^{− 20} cm ² /s)는 Ta보다 훨씬 작습니다(1.0 × 10 ^{− 6} cm ² /s), Cu는 TaO_x로 확산됩니다. Cu/Ta₂ 샘플에서 Set 작업 중 전기장에서 훨씬 더 어렵습니다. O₅ /TaO_x /W [20, 21]. 따라서 오버셋 거동과 필라멘트 과성장을 잘 억제할 수 있으며 RESET 작동이 보다 안정적입니다.

어닐링 및 어닐링되지 않은 장치의 스위칭 동작에 대한 물리적 모델링. 아 설정 및 b Cu/Ta₂ 구조의 열처리되지 않은 소자에 대한 RESET 공정 O₅ /타/와. ㄷ 설정 및 d Cu/Ta₂ 구조의 열처리된 소자에 대한 RESET 공정 O₅ /TaO_x /W. 필라멘트 과성장은 TaO_x에 의해 억제됩니다. 어닐링 과정에서 형성된 층