HfOx 박막에 분산된 Ag 농도가 임계값 전환에 미치는 영향

결과 및 토론

우리는 동시에 4개의 Ag 도핑된 HfO_x를 제작했습니다. 단일 프로세스 동안 확산 셀렉터를 위한 장치. 증착 공정 동안, 도핑 농도가 전기적 특성에 미치는 영향을 확인하기 위해 기판을 회전시키지 않았다. 표 1은 각각 D1, D2, D3, D4의 두께, Ag:Hf 양이온 비율, RMS(Root Mean Square) 거칠기를 보여줍니다. XRF 분석을 통해 얻은 Ag와 Hf의 양을 이용하여 스위칭층의 Ag 조성을 양이온 비율로 표현하였다. 도시된 바와 같이, 각 장치는 두께와 Ag 농도가 다릅니다. HfO₂로부터의 거리가 증가함에 따라 타겟, 스위칭 층 두께는 감소하는 반면 산화물 층의 Ag 조성은 증가하였다. Ag 농도가 증가함에 따라 RMS 거칠기 값이 약간 증가했습니다(AFM 이미지는 추가 파일 1:그림 S1에 표시됨).

직류(DC)-전압(I -V ) 모든 장치에서 측정된 특성은 그림 2a-d에 나와 있습니다. D1(35.3 nm, 7% Ag)은 초기에 높은 절연 상태였으며, 두꺼운 스위칭 층에도 불구하고 전도성 필라멘트를 생성하기 위한 Ag 농도가 불충분하기 때문에 DC 측정 중에 임계값 스위칭이 관찰되지 않았습니다(그림 1a). 대조적으로, D2(27.3 nm, 16% Ag)는 작동 가능한 장치를 생성하기 위해 원시 상태의 전기 주조(EF) 공정에 따라 고저항 상태(HRS)에서 저저항 상태(LRS)로 임계값 전환을 보여주었습니다. 그림 1b와 같이. EF 프로세스 동안 전류가 낮은 수준에서 증가하여 규정 준수 전류(I _참조 ) - 4.3 V의 전압에서 D2는 두 바이어스 극성 모두에서 형성 전압보다 낮은 작동 전압에서 연속적으로 TS 거동을 보였다. 유사하게, D3(24 nm, 39% Ag)는 전형적인 양방향 TS 거동을 보였다. 그러나 D3의 원시 상태에서는 EF 프로세스가 필요하지 않았습니다. 즉, D3는 EF-free TS 동작을 나타냅니다. 대조적으로, D4(18.8 nm, 58 Ag%)는 초기에 전도성이 높은 상태였으며, 이는 아마도 얇은 HfO_x 내부의 Ag 침투 때문일 것입니다. 높은 Ag 농도가 주어진 층.

제작된 장치의 전기적 특성. 아 I-V D1(고절연 상태)의 곡선. ㄴ I-V EF 프로세스 및 후속 TS 동작을 보여주는 D2의 곡선. ㄷ I-V EF 프로세스 없이 TS 거동을 보여주는 D3의 곡선. d I-V D4의 곡선(전도 상태)

Ag 농도가 증가함에 따라 표면 형태와 입자 크기가 변경되었습니다. 앞서 언급한 바와 같이 Ag 농도가 증가함에 따라 RMS 거칠기 값이 표 1과 같이 증가했습니다. 입자 크기도 SEM을 사용하여 평가되었습니다(추가 파일 1:그림 S2). Ag 농도가 증가함에 따라 결정립 크기의 증가가 관찰되었다. 그러나 서로 다른 TS 특성을 보이는 D2와 D3의 경우 표면조도와 입도의 차이가 상당히 작았다. 그럼에도 불구하고 EF 공정과 TS 특성에 따른 전기적 특성에는 상당한 차이가 있었다. 따라서 D2와 D3의 TS 특성을 다음과 같이 추가로 비교하였다.

그림 3a 및 b는 DC 측정을 통해 D2 및 D3에서 관찰된 반복 가능한 TS 동작을 보여줍니다. 비교를 위해 음의 바이어스에서 TS 특성만 그림에 표시됩니다. 두 장치 모두 처음에는 감지 한계 아래 - 0.1 V에서 여러 pA 전류 레벨을 보여주었습니다. D2의 TS 거동은 ~ − 3.5 V의 형성 전압에서 EF 공정 후에 명백했으며, 반면 준수 전류(I _참조 ) 5 μA의 하드 브레이크다운을 방지하기 위해 장치에 설정되었습니다. EF 프로세스에 따라 기기는 그림 3a와 같이 일반적인 TS 동작을 보여주었습니다. 인가 전압이 임계 전압(V _번째 )의 ~ − 1.1 V, 전류가 갑자기 I에 도달했습니다. _참조 5 μA; 장치가 OFF 상태에서 ON 상태로 전환되었습니다. 그러나 인가 전압이 홀드 전압(V _보류 ). 소자가 OFF 상태로 복귀하였지만 EF 이전 소자보다 더 높은 OFF 전류가 관찰되었다.

D2와 D3의 TS 특성 비교. 아 EF 프로세스 이후에 증가된 OFF 전류로 인한 TS 동작. 삽입된 그림은 기탁된 장치의 EF 프로세스를 보여줍니다. ㄴ 낮은 OFF 전류와 높은 NL을 유지하는 EF 프로세스가 없는 TS 동작

D3도 그림 3b와 같이 전형적인 TS 특성을 보였다. 그러나 원시 상태의 장치에서 TS 동작을 유도하기 위해 EF 프로세스가 필요하지 않았습니다. 전류가 I에 도달했습니다. _참조 V에서 5 μA _번째 ~ − 0.8 V의 ON 상태, 이후 V에서 초기 OFF 상태로 자발적 복귀 _번째 ~ − 0.2 V 미만. 후속 D3 I -V 루프는 첫 번째 I -V 루프. 또한, 소자는 D2에 비해 낮은 동작 전압에서 일관되게 낮은 OFF 전류를 보였다. 또한 D3의 OFF 상태 전류 밀도는 여전히 D2의 전류 밀도보다 낮습니다. 차이는 약 10 ⁵ 이었습니다. A/cm ² . 결과적으로 HfO_x에서 Ag 농도의 차이가 있음을 확인하였다. 레이어가 EF 프로세스의 필요성을 결정했고, 이에 따라 TS 특성이 크게 바뀌었습니다.

하나의 선택기-하나의 저항성 메모리(1S1R)를 구현하기 위해 선택기는 누설 전류를 억제하기 위해 낮은 OFF 전류와 저항성 메모리의 리셋 전류에 해당하는 높은 ON 전류가 필요합니다[21, 22]. 그러한 나 -V 비선형 특성, 우리는 비선형성(NL ) 및 선택성(S ) 우리 장치와 TS 선택기의 장치는 이전에 선택기로서의 성능을 평가하는 것으로 보고되었습니다[14, 18, 21,22,23]. 여기에서 NL을 정의합니다. 그리고 S 식을 사용하여 (1) 및 (2), 각각 다음과 같이:

네덜란드 V에서의 전류 비율로 정의됩니다. _번째 그리고 V의 절반 _번째 . 크로스바 어레이의 하프 바이어스 방식에서 V _번째 V의 절반이 타겟팅 셀에 적용되는 동안 _번째 인접한 절반 선택 셀에 적용됩니다. 따라서 NL 프로그램/읽기 작업 중에 크로스바 어레이가 오작동하는 것을 방지하는 데 중요합니다. 대조적으로, S V에서 ON 상태와 OFF 상태의 전류 비율입니다. _번째 , TS 기반 선택기의 성능을 나타냅니다. 두 정의 모두 선택기 장치 성능 비교에 널리 사용됩니다. 따라서 큰 NL 그리고 S 스니크 경로 전류를 효과적으로 억제하려면 1S1R 작업에 값이 필요합니다.

NL을 포함한 다양한 스위칭 매개변수 그리고 S 우리 기기의 TS 선택기와 문헌의 TS 선택기가 표 2에 나와 있습니다. D2의 경우 OFF 전류가 증가하면 NL이 크게 감소합니다. 그리고 S . 대조적으로, D3 OFF 전류는 10 ⁶ 보다 클 정도로 충분히 낮습니다. 네덜란드 그리고 S 취득했습니다. 그러나 D2와 D3는 낮은 I에서만 TS 특성을 나타낼 수 있었습니다. _참조 (<10 μA) TS가 더 높은 I에서 메모리 스위칭으로 전환했기 때문에 _참조 . Ag 필라멘트를 사용하는 대부분의 TS 선택기 장치는 I _참조 10–100 μA보다 큽니다[23,24,25,26]. 나 때 _참조 10–100 μA보다 높으면 낮은 I에서 형성되는 가늘고 불안정한 필라멘트에 비해 자연적으로 파열되기 어려운 견고하고 안정적인 금속 필라멘트가 형성됩니다. _참조 [26, 27]. 따라서 다층구조(Ag/TaO_x /TaO_y /TaO_x /Ag) 및 유전체에 템플릿화된 Ag 나노도트는 더 높은 I에서 신뢰할 수 있는 TS 특성을 얻기 위해 제안되었습니다. _참조 [21, 22].

HfO_x 내의 Ag 원자의 크기와 분포를 관찰하려면 층, HR-TEM 및 EDS 원소 분석은 D2 및 D3에서 수행되었습니다. 그림 4a 및 b(c 및 d)는 D2(D3)의 단면 HR-TEM 이미지를 보여줍니다. HR-TEM 이미지에 따르면 Ag 원자 크기가 HfO_x에 균일하게 분산되어 있을 가능성이 있습니다. 행렬. 두 장치 모두에서 몇 나노미터 크기의 구별 가능한 Ag 입자 또는 Ag 클러스터가 관찰되지 않았습니다. 또한, HfO_x 비정질 위상은 그림 4b 및 d의 삽입에 표시된 대로 FFT(고속 푸리에 변환) 이미지를 통해 확인되었습니다. 그러나 라인 프로파일의 Ag 신호는 HfO_x에서 Ag의 존재를 나타냅니다. 층. 따라서 HfO_x의 Ag는 원자 규모로 배포됩니다. Ag 나노필라멘트를 포함하는 스위칭 영역을 조사해야 합니다. 그러나 TS 특성은 휘발성이므로 향후 현장 TEM 관찰을 시도해야 합니다.

미세 구조 및 구성 분석. 아 D2의 TEM 단면 이미지. ㄴ D2의 확대 TEM 이미지. 삽입은 해당 FFT 이미지입니다. ㄷ D3의 TEM 단면 이미지. d D3의 확대 TEM 이미지. 삽입은 해당 FFT 이미지입니다. e의 EDS 원소 라인 프로필 D2 및 f D3

우리는 그림 5 및 b와 같이 기기에서 TS 동작에 대해 다음 메커니즘을 제안합니다. 가공된 Ag 도핑된 HfO_x 스위칭 층은 HfO_x에 균일하게 분포된 Ag 원자를 가지고 있습니다. . 그러나 D2의 Ag 농도가 낮기 때문에 Ag 원자 사이의 거리가 비교적 멀 것으로 예상된다. 그림 5a는 조립된 D2의 EF 프로세스를 보여줍니다. 깨끗한 상태의 소자에 전기장이 가해지면 HfO_x의 Ag 원자 Ag ⁺ 로 산화될 수 있습니다. 이온은 필드 방향을 따라 이동합니다. 산화된 Ag ⁺ 이온은 다른 Pt 전극에서 다시 Ag 원자로 환원되어 Ag 전도성 필라멘트가 지속적으로 성장할 수 있습니다. 필라멘트가 두 전극 사이에 연결되면 장치가 OFF 상태에서 ON 상태로 전환됩니다. D2의 EF 공정 동안 높은 전기장으로 인해 더 큰 Ag 클러스터가 형성될 수 있습니다. 이러한 큰 전기장은 문헌[14, 15]의 현장 TEM 관찰에서 직경이 수 나노미터인 Ag 나노입자를 형성하기에 충분하다는 것이 밝혀졌습니다[14, 15]. 인가된 전기장이 제거된 후, 원자 규모의 Ag는 HfO_x로 확산됩니다. 매트릭스는 장치가 OFF 상태로 돌아갔음을 나타냅니다. 그러나 충분히 확산되지 않는 더 큰 Ag 클러스터는 전도성 경로에 머문다. 따라서 이 잔류 Ag 클러스터는 후속 OFF 상태에서 더 큰 OFF 전류로 이어집니다. 반면, 그림 5b와 같이 D3가 제작된 경우에는 D3가 낮은 전기장에서 동작하기 때문에 Ag 클러스터가 형성되지 않고 Ag 필라멘트가 형성되어 소자가 낮은 OFF 전류를 유지할 수 있음을 의미한다. 마찬가지로 인가된 전기장이 제거되면 Ag 필라멘트의 자발적인 파열로 인해 장치가 OFF 상태로 돌아갑니다. 이는 필라멘트와 매트릭스 사이의 계면 에너지를 최소화하는 Thomson-Gibbs 효과로 설명될 수 있습니다[15, 18 , 28]. 결과적으로 반복 가능한 Ag 원자/이온 확산 역학을 통해 양방향 TS 특성을 얻을 수 있습니다.

Ag 도핑된 HfOx 장치에서 제안된 TS 메커니즘. a의 TS 거동에 대한 첫 번째 Ag 필라멘트 형성/파열 EF 필요(D2) 및 b EF가 없는(D3) 장치

EF 과정에서의 차이점을 설명하기 위해 다음 Eqs를 제안합니다. (3) 및 (4):

여기서 D 는 확산도, D ₀ 사전 지수 인자, E _월 는 제로 바이어스에서의 마이그레이션 장벽, k 는 볼츠만 상수이고 T 국부 절대 온도이다. HfO_x 내에 Ag 필라멘트를 형성하려면 층에서 Ag 이온은 음으로 바이어스된 전극으로 이동하기 위해 마이그레이션 장벽을 극복해야 합니다. 외부 바이어스가 적용되면 전기장이 마이그레이션 장벽을 낮출 수 있습니다. E _m , 다음과 같이 필드 방향을 따라 이온 이동으로 이어집니다.

전자 전하로 e , 바이어스 전압 V _편견 , HfO_x 레이어 두께 Z _상자 , 및 z의 Ag 호핑 거리 방향 ∆z . 실제로 Ag 이온은 바이어스가 0인 상태에서 모든 방향으로 도약할 수 있습니다. 그러나 우리는 z Ag 이온이 전기장 방향을 따라 지배적으로 도약하는 높은 전기장에서 소자가 ON 상태로 전환될 수 있기 때문에 EF 공정에서 방향. E를 추정하려면 _m , 우리는 Ag 호핑 거리(∆z ) Ag 농도 및 필름 두께에 대한 실험 결과로부터 D2에서 0.67 nm, D3에서 0.45 nm로 나타났습니다. 편향 제로에서의 마이그레이션 장벽, E _월 =3.02 eV는 문헌[29]에서 사용되었습니다. Ag 필라멘트의 첫 번째 형성에서 D2에 ~ 1.6 MV/cm의 전기장이 필요했으며 이는 마이그레이션 장벽을 0.11 eV 낮췄습니다. 대조적으로 D3의 첫 번째 스위칭에는 ~ 0.4 MV/cm의 전기장이 필요했으며 마이그레이션 장벽을 0.04 eV 낮췄습니다. 따라서 Ag 확산은 D2에 비해 짧은 호핑 거리와 높은 Ag 농도로 인해 낮은 배리어 감소에도 불구하고 D3에서 Ag 필라멘트를 형성하기에 충분합니다. 그러나 D2에서 비교적 긴 호핑 거리 때문에 Ag 필라멘트를 형성하기에 충분한 확산을 위해 더 큰 장벽 감소가 필요했습니다. 필라멘트가 형성되면 전압을 중지하여 자발적으로 파열되어야 합니다. 그러나 Ag 필라멘트는 초기 분포로 완전히 확산될 수 없었으므로 호핑 거리 ∆z 제작된 D2보다 감소합니다. 따라서 이 결과는 후속 임계값 스위칭에서 감소된 전기장(~ 0.4 MV/cm)으로 이어졌습니다. 필름 두께가 I -V 장치의 특성. 따라서 두께는 비슷하지만 Ag 농도가 다른 소자에서 EF 공정을 확인했습니다. 마찬가지로, 장치는 Ag 농도의 증가에 따라 EF 필요에서 EF가 없는 특성으로의 전환을 나타냈다. 따라서 Ag 농도는 유효 내부 전기장을 제어하여 EF 공정에 본질적으로 영향을 미치는 것으로 나타났습니다. 즉, Ag 농도를 조절하여 HfO_x에서 호핑 거리를 조절합니다. NL이 더 큰 EF가 없는 TS 특성에는 레이어가 필요합니다. 그리고 S 가치.