Al 도핑된 HfO2 박막에 기반한 다중 레벨 멤리스터

결과 및 토론

그림 2는 Al이 도핑된 장치와 도핑되지 않은 장치의 XPS를 보여줍니다. 도핑되지 않은 장치의 스펙트로그램과 비교하여 Al 도핑된 장치는 그림 2a에서 Al 2p의 뚜렷한 74.1 eV 피크를 보여주고 Hf 4f의 결합 에너지는 그림 2b에서 특정 증가를 나타냅니다. Hf 4f_5/2의 비율 Hf 4f_7/2로 도핑된 장치에 대해서도 증가했습니다. 이는 다른 보고서[14, 26, 27]와 일치합니다. Al 원자는 HfO2 구조에 결합하여 Hf-Al-O를 형성하여 Hf-O 결합이 더 약하고 쉽게 끊어집니다.

Al 도핑 및 비도핑 장치의 XPS. 아 알 2p 및 b Hf 4f 비교

모든 전기 측정에서 Ti TE는 바이어스된 반면 Pt BE는 접지되었습니다. DC 스윕은 소스/측정 장치가 있는 B1500A 매개변수 분석기(Santa Clara, CA, USA)를 사용하여 수행되었으며 파형 발생기/빠른 측정 장치를 사용한 펄스 전기 측정도 사용됩니다. 모든 소자는 필요한 전기 성형 공정 전에 고저항 상태(HRS)를 보인다. 그림 3a는 10μm × 10μm Al이 도핑된 장치와 도핑되지 않은 장치의 형성 특성을 보여줍니다. 성형 중 전류 준수는 장치가 손상되지 않도록 보호하는 데 필요합니다. 도핑되지 않은 소자의 초기 저항 및 형성 전압이 더 큽니다. 도핑되지 않은 소자의 저전압 영역에서 진동은 전류가 기기의 측정 한계보다 낮기 때문입니다. 성형 단계 이후의 리셋 과정은 도 3a와 같이 음의 전압을 인가하여 동기를 부여한 후 첫 번째 설정 과정을 유도한다. 리셋의 전압 진폭이 증가함에 따라 두 소자의 전류는 형성 제한 전류보다 최대로 크게 증가하다가 감소한다. 두 장치의 HRS 전류는 동일한 전압에서 초기 상태보다 몇 차수 더 큽니다. 재설정 후 완전히 융합되지 않는 전도성 필라멘트가 여전히 있음을 나타냅니다. 그림 3b의 일반적인 설정/리셋 I-V 곡선은 이 두 장치의 두 가지 유형 모두가 양극성 작동 모드임을 보여줍니다[28]. Al이 도핑된 소자의 스위칭 비율과 설정/리셋 전압은 도핑되지 않은 소자보다 작지만 저항 상태 변환 과정이 더 완만하여 다치 저장 소자로 적합합니다.

장치의 I/V 특성. 아 성형 공정 및 첫 번째 사이클. ㄴ 일반적인 설정/재설정 프로세스

장치의 스위칭 메커니즘을 명확히 하기 위해 I-V 곡선이 그림 4에 이중 대수 눈금으로 다시 표시됩니다. 두 종류의 장치에 대해 저저항 곡선은 선형 옴 거동을 나타내며 이는 전도성 필라멘트의 형성을 나타냅니다. HfO₂ 설정 중 영화 [29, 30]. 그러나 이러한 두 종류의 장치 간에는 고저항 곡선이 상당히 다릅니다. 도핑된 장치의 경우 옴 영역(I∝V), 어린이 법칙 영역(I∝V ² )의 세 영역으로 구성됩니다. ), 그리고 트랩 제어 공간 전하 제한 전류(SCLC)의 전형적인 I-V 특성에 따른 급격한 전류 증가 영역[31, 32]. 도핑되지 않은 장치의 고저항 곡선은 저전압 영역에서의 옴 전도(I∝V)와 lnI-V ^{1/2 고전압 영역(그림 4의 삽입)에서 쇼트키 방출 메커니즘을 확인합니다[15, 33].}

이중 로그 좌표에서 SET 프로세스의 곡선 맞춤

위의 특징에 따라 멤리스터의 미시적 메커니즘을 요약하면 다음과 같다. 도핑되지 않은 장치의 경우 티타늄 전극에 인가되는 양의 전압이 증가함에 따라 HfO₂에서 더 많은 산소 이온이 생성됩니다. 티타늄 전극[34]으로 이동하여 산화 티타늄[35]을 생성합니다. 동시에 산소 결손은 백금 전극과 HfO₂ 사이의 계면에 축적됩니다. , 점차적으로 전도성 필라멘트를 형성합니다[36]. 따라서 전류는 전압에 따라 점차적으로 증가합니다. 필라멘트를 전도하는 산소 결손이 TE와 BE를 연결할 때 장치는 저저항 상태(LRS)로 바뀝니다. 티타늄 전극에 음의 전압이 적용되는 동안 산소 이온은 HfO₂에서 산소 결손과 결합합니다. /Pt 인터페이스 [37], 이는 낮은 산소 결손 농도와 높은 쇼트키 장벽으로 이어집니다. 리셋 전압에 도달하면 전도성 필라멘트가 끊어지고 장치가 HRS로 변경됩니다.

Al이 도핑된 장치의 경우 Al 원자가 HfO2 구조에 결합하여 Hf-Al-O를 형성하면 Hf-O 결합이 더 약하고 쉽게 끊어집니다. 산소 결손의 형성 에너지가 감소됩니다. 따라서, 도핑 장치는 더 작은 저항과 더 낮은 전이 전압을 갖는다. 도핑되지 않은 필름에서 산소 결손은 결정립계를 따라 축적되는 경향이 있습니다[38, 39]. 그 결과 전도성 필라멘트가 적고 굵습니다. 장치의 저항은 전도성 필라멘트의 전도 및 파손에 따라 크게 달라집니다. 도핑된 필름에서 산소 결손은 불순물 원자 근처에 쉽게 형성됩니다[35, 40, 41]. 많은 양의 불순물이 박막에 균일하게 분포되어 있어 전도성 필라멘트가 형성되는 산소 결손을 보다 쉽게 ​​제어할 수 있습니다. 따라서 여러 저항 값을 얻기가 더 쉽습니다.

장치는 설정된 프로세스의 현재 규정 준수를 변경하여 다양한 정상 저항 상태로 설정할 수 있습니다. 20개의 안정적인 저항 상태는 그림 5a에서 0.5mA의 단계로 0.5mA에서 10mA를 형성하는 전류 적합성을 설정하여 얻어집니다. DC 스윕에 의해 설정된 저항 상태로 에너지 소비가 크고 작업이 복잡합니다. 반면에, 저항 값은 큰 전류 컴플라이언스가 사용될 때 LRS에서 쉽게 잠깁니다. 이 방법은 또한 HRS를 조정할 수 없습니다. 설정 및 리셋 펄스의 전압 진폭을 변경하여 20레벨 저항 상태를 달성합니다. 전류 오버슈팅 및 설정/리셋 실패 가능성을 방지하기 위해 전압 진폭은 SET의 경우 1V~1.9V, 리셋의 경우 - 1V~− 1.9V로 제한됩니다. 박스 다이어그램(그림 5b)에서 허용 전압 범위가 20개의 값으로 나뉘며 디바이스의 수율이 3 σ 레벨(99.73%)을 훨씬 초과하는 것을 볼 수 있습니다. 이것은 생산의 일반적인 요구 사항입니다. 이 방법의 단점은 장치를 한 HRS(LRS)에서 다른 HRS(LRS)로 직접 설정할 수 없지만 먼저 LRS(HRS)로 재설정(설정)한 다음 대상 HRS(LRS)로 설정해야 한다는 것입니다. . 이는 작업의 복잡성과 전력 소비를 증가시킵니다.

장치의 다중 값 저장소. 아 규정 준수 전류를 설정하여 저항 상태를 변환합니다. ㄴ 펄스 전압 진폭을 설정하여 얻은 20가지 안정적인 저항 상태 펄스 폭과 간격은 모두 500μs입니다.

더 나은 접근 방식이 그림 6에 나와 있습니다. 장치 컨덕턴스는 연속 펄스에 의해 점진적으로 증가하거나 감소합니다. 펄스 지속 시간과 간격은 모두 10μs입니다. 컨덕턴스는 각 세트/리셋 펄스 후 0.1V 읽기 펄스로 측정됩니다. 그림 6에서 볼 수 있듯이 장치를 다른 레벨로 설정/리셋하는 데 필요한 펄스 수는 인가되는 전압에 따라 다릅니다. 0.5V를 SET 전압으로, − 0.7V를 리셋 전압으로 각각 선택하여 설정 및 재설정을 통해 20레벨의 서로 다른 저항 조각상을 얻습니다(그림 7). 장치는 목표 상태로 설정하기 전에 매번 10 − 0.9V 연속 펄스에 의해 HRS로 재설정되거나 조정 전에 100.8V 연속 펄스에 의해 LRS로 설정됩니다. 설정 및 재설정 프로세스 모두에서 동일한 상태가 존재한다는 점을 고려하면 총 35개의 다른 상태가 획득됩니다. 인접한 두 저항 설정(리셋) 상태에 필요한 펄스 수의 편차가 3σ 레벨을 초과합니다. 단점은 소자의 저항값이 크게 변하면 필요한 펄스 수가 많아지고 동작 속도가 느려진다는 것입니다.

연속 펄스에 의해 조정된 저항. 아 프로세스 설정 및 b 재설정 프로세스

설정에 필요한 펄스 수(a ) 또는 재설정(b ) 장치를 20가지 다른 수준으로

장치의 데이터 보존을 테스트하기 위해 20개의 장치를 일련의 서로 다른 저항 값으로 설정/재설정하고 85°C의 가열 테이블에 유지합니다[42]. 저항값은 100초마다 0.1V의 전압으로 측정하였다. 그림 8a에서 장치의 저항이 10 ⁴ 이후에도 안정적으로 유지됨을 알 수 있습니다. 에스. 장치의 주기 신뢰성을 테스트하기 위해 1.8V/500μs 설정 펄스와 − 1.8V/500μs 리셋 펄스로 설정 및 리셋 동작을 반복했습니다. 10 ³ 이후 사이클, 장치의 스위칭 비율은 그림 8b에서 여전히 10보다 큽니다.

장치의 신뢰성 테스트. 아 펄스 세트/리셋 동작 후 데이터 유지 특성. ㄴ 펄스 설정/재설정을 위한 주기 내구성 곡선