HfO2/TiOx 이중층 저항 랜덤 액세스 메모리의 저전력 저항 스위칭 특성

결과 및 토론

그림 3a, b, c는 TiO_x의 XPS O 1s 코어 수준 스펙트럼을 보여줍니다. 영화. 필름에서 산소의 화학 결합을 명확히 하기 위해 비대칭 O 1s 피크는 일반적으로 O ^2- 에 기인하는 두 개의 피크로 나뉩니다. 금속 이온과 O ²⁻ 에 의해 결합 산소 결핍 지역 [26]. TiO_x 중 산소 분압 필름 스퍼터링 공정은 각각 9%, 11% 및 13%로 설정되었으며 3개의 샘플에서 해당 산소 결핍 함량은 약 28.23%, 24.06% 및 23.63%로 비격자 산소 이온의 함량을 나타냅니다. 산소 분압이 증가함에 따라 산소 결손이 감소합니다.

TiO_x의 O 1s XPS 스캔 스펙트럼 S1, S2, S3의 영화. 산소 분압은 a로 설정되었습니다. 9%, b 11% 및 c TiO_x 동안 13% 필름 스퍼터링 공정

새 장치의 경우 원래 상태는 HRS(고저항 상태)입니다. 그림 4와 같이 전류 형성(CF)은 전도성 필라멘트의 형성을 시작하고 소자 상태를 저저항 상태(LRS)로 변경하기 위해 적용됩니다[27]. 1 μA의 전류 컴플라이언스를 인가하면 S1에서 전도 경로가 형성되고 후속 동작에서 안정적인 세트/리셋 프로세스를 달성할 수 있다. S2 및 S3의 경우 CF 처리 중 장치의 중간 상태에서 현재 적합성이 최대 20 mA가 될 때까지 리셋 동작이 성공하지 못합니다.

Pt/HfO2/TiO_x의 현재 형성 과정 /Pt RRAM 장치(a) S1, b S2 및 c 시즌 3

RRAM 장치의 전기적 성능을 테스트하기 위해 전압 스윕에서 DC 측정이 수행됩니다. TE에는 성형 및 고정 과정에서 양의 바이어스 전압이 인가되어 전도성 필라멘트가 완성되고 리셋 과정에서 음의 바이어스 전압은 필라멘트를 끊기 위한 것입니다. 바이어스가 앞뒤로 스윕될 때 3개의 샘플에 대한 100 사이클의 바이폴라 스위칭 전류-전압(IV) 곡선이 그림 5에 나와 있습니다. S1 디바이스는 10 μA 전류 컴플라이언스에서 안정적인 저항성 스위칭 성능을 달성하지만 작동 전류는 다음과 같습니다. 다른 두 샘플에 대해 최대 10 mA. S1의 저전력 특성은 TiO_x에 이미 존재하는 높은 산소 결손량 때문일 수 있습니다. 성형/경화 과정에서 전류를 효과적으로 제한하는 필름입니다.

a에서 100 주기 안정적인 양방향 I-V 곡선 S1, b S2 및 c 시즌 3

그림 6 및 7은 주기 간 및 기기 간 변동(상대 표준 편차, (σ /μ )) 3개 샘플의 통계이며, 통계는 표 1과 2에 요약되어 있습니다. S1의 경우 약한 호핑 전류로 인해 적당한 저항 분포가 발생하고 S2 및 S3에서 형성된 강한 전도성 필라멘트는 비교적 안정적인 저항 분포를 보장합니다. 수십 사이클 후에 S3에 약간의 저하가 있지만 켜짐/꺼짐 비율은 여전히 ​​100을 초과합니다.

R_LRS의 주기 간 변형 및 R_HRS a에서 100 주기 동안 S1, b S2 및 c 시즌 3

R_LRS의 기기 간 변형 및 R_HRS a의 20개 기기용 S1, b S2 및 c 시즌 3

그림 8과 같이 1 μA의 낮은 컴플라이언스 전류에서 설정 전력(Pset) 1.52 μW와 리셋 전력(Preset) 1.12 μW에 도달했습니다. 다른 두 샘플의 전력 소비는 10 mA의 작동 전류로 인해 수십 밀리와트입니다. 게다가, S1의 저항 상태는 10 ⁴ 이상의 유지 특성을 유지할 수 있습니다. s 85 °C 미만에서 약 100의 켜기/끄기 비율로 데이터 저장 애플리케이션에 안정적입니다.

아 1 μA 전류 제한 미만의 저항성 스위칭 성능. ㄴ S1의 유지 특성이 10 ⁴ 이상입니다. 85 °C 미만

저전력 특성의 전도 메커니즘을 설명하기 위해 S1과 S3에 대해 서로 다른 작동 전류로 온도 측정을 수행하고 해당 메커니즘을 조사했습니다. 9 및 10. 25 °C에서 125 °C까지 S1의 저항은 온도에 따라 감소하지만 S3의 저항은 거의 변하지 않습니다. 실험 컨덕턴스와 온도는 그림 11과 같이 Mott의 가변 범위 도약 모델[28]에 적합하며, 이는 S1의 주요 전도성 메커니즘이 유전체 산화물[29]의 국부적인 산소 결손을 통한 전자 도약임을 나타냅니다. TiO_x 동안 산소 분압을 낮출 때 스퍼터링 공정, S1과 같이 초기 TiO_x의 산소 결손 함량 층이 증가하고 필름 저항이 감소합니다[30]. TE의 전압은 주로 HfO₂에 적용됩니다. 층과 많은 산소 결손이 유도되어 전도성 필라멘트를 형성합니다. 그 후, TiO_x에서 새로운 산소 결손이 동기 부여됩니다. 층이지만 산소 결손 사이의 연결이 약합니다. 따라서 TiO_x에서 전자 호핑 전도 낮은 1μA 저항성 스위칭 전류를 보장하는 지배적입니다.

아 저항은 S1에서 온도에 따라 변합니다. ㄴ 전도성 메커니즘의 해당 개략도

아 저항은 S3에서 온도에 따라 변합니다. ㄴ 전도성 메커니즘의 해당 개략도

a에서 S1의 전도도의 온도 의존성 LRS 및 b HRS

그러나 그림 10과 같이 TiO_x 동안 산소 함량을 증가시킨 후 스퍼터링 공정에서 HRS와 LRS는 온도에 거의 변하지 않고 유지되며, 이는 집중된 산소 결손으로 구성된 전도성 필라멘트를 통한 전자 수송에 의해 유도되는 금속과 같은 수송 메커니즘과 가장 관련이 있습니다. S1의 RRAM 장치와 비교하여 초기 TiO_x에서 더 적은 산소 결손 S3 층은 전자 호핑 전도에 충분하지 않습니다. 게다가 TiO_x의 저항 증가로 인해 필름, 전압 바이어스는 HfO₂ 모두에 적용됩니다. 레이어 및 TiO_x 동시에 레이어. 전기 초기화는 HfO₂에서 동기를 부여한 많은 산소 결핍으로 이어집니다. 및 TiO_x 레이어. 이러한 산소 결손은 두 유전층 모두에서 강력한 전도성 필라멘트를 형성하고 풍부한 확장 전자가 인접한 두 산소 결손을 통해 흐르므로 저항성 스위칭 프로세스 동안 높은 작동 전류가 발생합니다.

원칙적으로 산소 결손과 관련된 다른 OxRRAM(Oxide Resistive Memory)에서 저전력 성능을 달성하기 위해 산소 함량을 신중하게 제어하는 ​​것이 가능합니다. 산화막에 대한 요구 사항은 소자 고장 시 전기적 호핑 전도를 위해 초기 상태에서 충분한 산소 결손이 있어야 한다는 것입니다. 그러나 과도한 산소 결손은 불안정한 내구성 특성을 유발하고 장치 성능을 저하시킵니다. 따라서 동작 전류를 제한하고 전력 소모를 줄이기 위해서는 적절한 산소 결핍이 필요합니다.

표 3은 Pt/HfO₂의 주요 매개변수 중 일부를 비교합니다. /TiO_x /Pt 장치에 다른 최근 보고서가 있습니다. 이 장치는 다양한 RRAM 장치 중에서 1.12 μW의 낮은 저항성 스위칭 전력과 100 이상의 HRS/LRS 비율이라는 중요한 장점을 가지고 있습니다.