무적합 ZrO2/ZrO2 − x /ZrO2 저항 메모리(제어 가능한 인터페이스 다중 상태 스위칭 동작 포함)

결과 및 토론

3층 구조의 특성은 먼저 XRD에 의해 조사되었습니다. 그림 1은 28.2°와 29.8°에 위치한 두 개의 피크를 특징으로 하는 증착된 삼중층(빨간색)의 XRD 패턴을 보여줍니다. 이 두 피크는 단사정 ZrO₂에서 −111 피크에 할당될 수 있습니다. 위상 및 정방정 ZrO₂의 101 피크 위상은 각각 두 단계의 존재를 나타냅니다. 단일 ZrO _{x에서 EDX 및 XRD 특성화 수행} 구성이 다른 레이어(추가 파일 1:그림 S1 및 S2 참조)는 화학양론적 ZrO₂ 산소 결핍 ZrO_{2 − x에서 정방정상(녹색)이 감지된 동안 단사정상(파란색)을 표시합니다.} 층. 3층 XRD 패턴에서는 금속성 Zr(분홍색)의 XRD 피크가 관찰되지 않았습니다. 이는 두 화학량론적 ZrO₂의 공존을 시사합니다. 및 산소 결핍 ZrO_{2 − x} 3층 구조의 레이어와 내장된 Zr 레이어가 산화되었습니다.

증착된 ZrO₂의 XRD 패턴 /ZrO_{2 − x} /ZrO₂ 3층 구조(빨간색 ), 산소 결핍 ZrO_2-x 레이어(녹색 ), 화학량론적 ZrO₂ 레이어(파란색 ) 및 순수 금속 Zr 레이어(핑크) )

그림 2a, b는 800초의 에칭 시간 동안 Zr 3d 및 O 1s 피크 프로파일의 XPS 결과를 나타냅니다. ca에 위치한 두 개의 봉우리. 182.3 및 184.5 eV는 완전히 산화된 Zr ⁴⁺ 에 기인할 수 있습니다. ca의 에칭 시간까지 Zr 스펙트럼을 지배하는 상태 [36, 37]. 300초 ca에 위치한 두 피크의 명확하게 향상된 강도. 178.3 및 180.5 eV는 300~400초의 에칭 시간 사이에서 연속적으로 관찰될 수 있습니다. 이것은 또한 O ²⁻ 의 감소를 동반합니다. ca에서 피크 강도 530.0eV. 이 두 Zr 3d 피크는 금속성 또는 비산화성 Zr ⁰ 과 관련이 있다고 제안되었습니다. 상태[36]. 이것은 산소 결핍 ZrO_{2 − x를 나타냅니다.} 레이어는 이 3중 구조의 중간에 있습니다. 400초의 에칭 시간 후 Zr ⁴⁺ 봉우리가 다시 우세하고 O ²⁻ 의 강도를 나타냅니다. 피크가 정상으로 돌아왔습니다. 그림 2c의 깊이 프로파일에 따른 원자 농도는 포함된 Zr 층이 비화학량론적 ZrO_{2 - x로 산화되는 것을 추가로 확인합니다.} . ZrO₂ 및 ZrO_{2 − x} 계면 스위칭 거동의 형성을 촉진하기 위해 제안된 인터페이스도 관찰되었습니다[8]. XRD 및 XPS 결과를 모두 고려할 때 XRD에서 검출된 단사정상은 두 가지 화학량론적 ZrO₂에서 유래했다고 믿는 것이 합리적입니다. 레이어. 샌드위치형 산소 결핍 ZrO_{2 − x} 반면에 비정질 영역의 일부 흔적을 배제할 수는 없지만 레이어는 정방정계 위상에 기여합니다.

a의 XPS 스펙트럼 Zr 3d 및 b ZrO₂의 경우 O 1 /ZrO_{2 − x} /ZrO₂ 700초의 에칭 시간 동안 3층 구조. ㄷ ZrO₂의 XPS 깊이 프로파일 /ZrO_{2 − x} /ZrO₂ 3중 구조

TEM 측정은 산소 결핍 ZrO_{2 − x가 있는 3층 구조를 추가로 확인합니다.} 그림 3a와 같이 레이어가 명확하게 관찰되었습니다. 또한 ZrO₂ 사이의 또 다른 계면층 층과 바닥 TiN 전극도 보입니다. Ti, O, N 및 Zr 원자의 상호 확산이 처음 10nm에서 분명한 그림 3b에 해당 EDX 프로파일이 나와 있습니다. 또한, 처음 5nm에서 훨씬 높은 O:Zr 비율(열린 정사각형)은 TiO _{x의 존재를 확인합니다.} N _y ZrO₂ 사이의 계면층 및 TiN 하부 전극. 실제로 ZrO₂로 TiN 직후에 스퍼터링되며, O₂ 플라즈마는 TiN 표면과 반응하여 TiO _{x를 형성합니다.} N _y ZrO₂일 때 레이어 레이어는 여전히 매우 얇습니다. 계면 TiO _{x의 유사한 형성} N _y 레이어도 보고되었습니다[38, 39].

아 샘플 및 b 단면의 ADF-STEM 이미지 TiN/ZrO₂의 STEM-EDX 원소 라인 프로파일 /ZrO_{2 − x} /ZrO₂ 구조

특성화 결과를 바탕으로 ZrO₂의 개략도 /ZrO_{2 − x} /ZrO₂ 3층 메모리는 그림 4a에 나와 있습니다. 깨끗한 소자는 그림 4b와 같이 고저항 상태로 측정되었다. 큰 음의 형성 전압(I _참조 =1mA)는 연성 절연 파괴를 유도하고 스위칭을 시작하는 데 필요합니다. 매우 이례적으로 이것은 두 개의 ZrO₂ 레이어 및 장치는 SET입니다. 저저항 상태가 됩니다. 그런 다음 RESET에 양의 전압이 적용되었습니다. 장치를 그림 4c와 같이 HRS에 삽입합니다. 특히 이 RESET 이 프로세스는 계면 저항 스위칭의 전형적인 특징인 점진적으로 지속적인 전류 감소가 특징입니다. SET 음의 전압 바이어스를 적용하는 프로세스도 유사한 동작을 보여 계면 저항성 스위칭이 지배적인 스위칭 모드임을 시사합니다. 계면 스위칭 동작은 HRS와 LRS 모두에서 전류의 면적 의존성에 의해 추가로 입증됩니다(그림 4d 참조). 두 전류는 전극 크기가 증가함에 따라 증가하여 전류 전도가 필라멘트가 아님을 나타냅니다. 전류의 증가는 면적에 완전히 비례하지는 않습니다. 이는 더 많은 양의 결정립계 및 누설 전류로 인해 계면 스위칭 동안 더 큰 셀 크기에서 저항의 덜 효과적인 변조로 설명될 수 있습니다[12]. 다른 이중층 계면 저항성 스위칭 장치에서도 유사한 동작이 보고되었습니다[8, 12]. SET 프로세스는 자체 준수 행동을 보여줍니다. 이것은 스위칭 중 전류 오버슈트를 최소화하고 제조 비용을 크게 낮출 수 있는 잠재력을 가지고 있기 때문에 저항성 메모리 애플리케이션에 유용합니다[29, 30].

아 3층 TiN/ZrO₂의 개략도 /ZrO_{2 − x} /ZrO₂ /TiN 메모리. ㄴ I–V TiN/ZrO₂에 대한 전기 주조 공정의 특성 /ZrO_{2 − x} /ZrO₂ /TiN 장치. ㄷ I–V 형성 후 계면 스위칭의 특성. d 인터페이스 스위칭 모드에서 HRS/LRS 모두에 대한 장치 크기의 함수로서의 전류

계면 스위칭 모드에서 필라멘트 스위칭 모드로의 변환은 그림 5a에 설명된 것처럼 두 번째 형성 단계에 의해 트리거될 수 있습니다. 20mA의 전류 준수로 HRS에서 장치에 더 많은 음의 바이어스가 적용되었습니다. 이것은 ca에서 전류의 급격한 증가로 이어집니다. -8V이고 이후에 장치는 훨씬 더 낮은 저항 상태로 유지됩니다. 재설정 후 양의 바이어스가 있는 프로세스에서 장치 전환 모드는 날카로운 SET이 특징인 필라멘트로 완전히 변환되었습니다. (현재 제어) 및 RESET 전환. 그림 5b는 계면 및 필라멘트 스위칭 모드 모두의 LRS 및 HRS의 누적 확률 분포를 보여줍니다. 여기서 두 세트의 저항 상태 간에 뚜렷한 차이가 관찰되어 장치가 다른 모드로 전환되었음을 나타냅니다. 두 스위칭 모드의 전도 메커니즘을 설명하기 위해 대수 I–V SET의 곡선 플롯 및 선형 피팅 프로세스가 제시됩니다. I–V 계면 모드에서 HRS의 곡선은 더 높은 전압에서 2차 항을 추가하여 저전압에서 옴 거동을 따릅니다. 즉, I ∝ aV + bV ² , 이는 그림 5c와 같은 공간 전하 제한 전류(SCLC) 모델의 전형적인 특징입니다[40,41,42]. 이 SCLC 메커니즘에 대한 유사한 관찰이 다른 계면 저항성 메모리 장치에서도 보고되었습니다[8, 12]. 반면에 로그 I–V는 SET의 곡선 변환 후 필라멘트 스위칭의 프로세스는 그림 5d에 나와 있습니다. 곡선은 전류가 트랩이 있는 SCLC 모델에 의해 제어됨을 시사합니다[40,41,42]. 유사한 전도 모델이 계면 및 필라멘트 스위칭을 설명하는 데 사용되지만 두 모드는 특히 저저항 상태에서 여전히 뚜렷한 특징을 보여줍니다. 필라멘트 모드에서 LRS에 대한 전류 전도는 두 영역으로 구성됩니다. 옴 영역(I ∝ V ) 및 아동법 영역(I ∝ V ² ) 반면 후자는 계면 스위칭의 LRS 전도에서 관찰되지 않았다. 이것은 필라멘트 스위칭이 캐리어 트래핑/디트래핑 프로세스에 의해 매개됨을 나타냅니다[43]. 우리는 두 번째 형성 과정에서 전도성 경로에서 상당한 양의 트랩이 생성되어 필라멘트 모드의 LRS에서 전류의 2차 항으로 이어지는 것으로 추측합니다.

아 나 –V 변형 과정의 특성(주황색 ) 인터페이스 전환(빨간색) ) 필라멘트 스위칭(파란색) ). ㄴ 두 계면(V)에 대한 HRS 및 LRS의 누적 확률 그래프 _재설정 =6 V) 및 필라멘트 스위칭 모드. SET 프로세스 I–V c의 곡선 인터페이스 및 d 이중 로그 플롯의 필라멘트 스위칭 모드

단층 ZrO₂ 40 nm의 막 두께를 가진 메모리도 그림 6a에 표시된 개략도와 비교하기 위해 제작되었습니다. 전기 주조 공정(I _참조 =1 mA) TiN/ZrO₂ /TiN 장치는 훨씬 더 높은 전압의 단일 단계를 특징으로 합니다(그림 6b). 바이폴라 스위칭 동작이 연속적으로 관찰되었으며(그림 6c), 이는 3층 장치의 필라멘트 모드와 유사합니다. 그러나 이 단층 소자에서는 계면 스위칭 모드가 관찰되지 않았다. 그림 6d는 로그 I–V를 보여줍니다. SET의 곡선 트랩이 있는 SCLC 모델과 잘 일치함을 보여주는 단층 장치용 프로세스. 이것은 또한 샌드위치 ZrO_{2 − x} 레이어는 ZrO_{2 − x에서 발생하는 계면 전환에 중요합니다.} 층 또는 ZrO_{2 − x 근처} /ZrO₂ 인터페이스.

아 단일 레이어 TiN/ZrO₂의 개략도 /TiN 장치. ㄴ I–V TiN/ZrO₂에 대한 전기 주조 공정의 특성 /TiN 장치. ㄷ I–V TiN/ZrO₂의 특성 /TiN 소자 형성 후. d I–V SET의 곡선 선형 피팅이 있는 이중 로그 플롯의 프로세스

특성화 결과를 바탕으로 그림 7과 같이 전환 모드와 변환의 자세한 메커니즘을 제안합니다. 음의 형성 전압을 적용하면 산소 결손이 위쪽으로 이동하는 동안 산소 이온이 아래쪽 전극으로 밀려납니다. 전극과 전도성 필라멘트를 형성합니다. 계면 TiO _x N _y 층은 산소 저장소 역할을 하기 때문에 양극성 거동에서 중요한 역할을 합니다[38, 44]. 하단과 상단 ZrO₂ 내에서 2개의 약한 필라멘트가 연속적으로 생성됩니다. 2단계 성형 공정을 특징으로 하는 층(그림 7b, c). 일부 산소 이온이 중간 ZrO_{2 − x에 주입되었을 수 있지만} 층에서 산소 결손의 수준은 여전히 ​​층을 낮은 저항 상태로 유지하기에 충분히 높습니다. 따라서 장치는 LRS로 전환되었습니다(그림 7c). 양의 바이어스가 적용되면 TiO _{x에서 산소 이온이 끌어당겨집니다.} N _y ZrO_{2 − x까지의 층} 층이 형성되어 산소가 풍부한 층이 형성됩니다. ZrO_{2 − x의 화학양론적 변조} 계층은 메모리를 HRS로 변경합니다(그림 7d). SET에 또 다른 부정적인 편향이 필요합니다. 중간 층에서 TiOx로 다시 산소 이온을 밀어 넣어 장치를 LRS로 N _y 저수지 (그림 7e). 장치의 컴플라이언스 프리 특성은 두 필라멘트의 낮은 전도도에서 파생될 수 있으며, 이는 본질적인 직렬 저항기의 역할을 효과적으로 수행합니다. 변형은 전체 3층 구조를 통해 훨씬 더 강력하고 전도성이 있는 필라멘트의 형성을 유도하는 상당히 큰 바이어스가 적용될 때 발생합니다(그림 7f). 장치의 저항은 더 이상 ZrO_{2 − x에 의존하지 않습니다.} 레이어 및 스위칭 모드가 계면에서 필라멘트로 변환됩니다. 그런 다음 장치를 켜고 꺼짐으로 전환할 수 있습니다. 포지티브 및 네거티브 바이어스를 각각 사용합니다(그림 7g, h).

3층 TiN/ZrO₂의 스위칭 메커니즘 개략도 /ZrO_{2 − x} /ZrO₂ /TiN 인터페이스 전환 모드용 장치(a –이 ). 계면 모드에서 필라멘트 모드로의 변환(f ) 및 필라멘트 모드(g , h )

이 작업에서 인터페이스 스위칭 모드는 다중 상태 저장에 대한 가능성을 제공합니다. 계면 모드의 소자 저항은 ZrO_{2 − x의 산소 이온 수준에 의해 매개되기 때문에} 레이어에서 다중 저항 상태는 다른 RESET를 사용하여 중간 레이어의 산소 이온 양을 제어하여 달성할 수 있습니다. 전압. 그림 8a는 I–V를 보여줍니다. RESET 기능이 있는 기기의 특성 일정한 SET으로 5.0, 5.5 및 6.0V의 전압 -5 V의 전압. 산소 결손의 이동이 전기장에 의해 구동되기 때문에 이러한 매개변수는 층 두께에 따라 확장 가능하다는 점을 언급할 가치가 있습니다. 약 50nm의 두꺼운 기능 층을 사용하여 이 제시된 작업은 여전히 ​​SET 및 재설정 전압. 그림 8b는 가역적이고 재현 가능한 저항성 스위칭 특성이 약 100분 동안 시연된 이 다중 상태 메모리 작동의 사이클링 특성을 보여줍니다. 100 사이클, 이 장치의 유망한 내구성 동작을 나타냅니다.

아 I–V 3층 TiN/ZrO₂에 대한 계면 스위칭의 특성 /ZrO_{2 − x} /ZrO₂ /TiN 장치가 다양한 RESET 전압. ㄴ 다른 RESET를 사용한 인터페이스 스위칭에 대한 100사이클의 내구성 테스트 전압