Unterdrückung des Filamentüberwachsens in wahlfreiem Zugriffsspeicher mit leitender Brücke durch Ta2O5/TaOx-Doppelschichtstruktur

Einführung

Conductive Bridge Resistive Switching Memory (CBRAM) ist eine bahnbrechende Technologie und gilt aufgrund seiner hohen Skalierbarkeit, einfachen Struktur, einfachen 3D-Integration und Hochgeschwindigkeitsbetrieb als nichtflüchtiger Speicher (NVM) der nächsten Generation [1,2, 3]. Für die praktische Anwendung verhindern die Zuverlässigkeitsprobleme, einschließlich der Datenerhaltung und -beständigkeit, die endgültige Einführung dieser Speichervorrichtungen auf dem Speichermarkt. Struktur-Engineering ist der beliebteste Ansatz zur Verbesserung der Zuverlässigkeit von CBRAM [4,5,6,7]. Zhao et al. begrenzte Kationeninjektion zur Verbesserung der CBRAM-Leistung durch Nanoporen-Graphenschicht [8]. Obwohl sich die Zuverlässigkeit der Vorrichtung stark verbessert hat, verursacht dies Kosten bei der Materialkontrolle und kann nicht in einem Standard-CMOS-Prozess verwendet werden. Um dieses Problem anzugehen, haben Gong et al. schlugen ein CMOS-kompatibles und selbstjustierendes Verfahren vor, um eine CuSiN-Grenzflächenschicht in einer Cu-Elektrode zu bilden, um die Retention des niederohmigen Zustands (LRS) zu verbessern [9]. Cao et al. schlugen eine TiN-Barriereschicht vor, um die Bauteilzuverlässigkeit in CBRAM-Bausteinen zu verbessern, indem das Phänomen der Nanofilamentüberwucherung und das negative SET-Verhalten eliminiert werden [10]. Die obigen Verfahren nutzten die Doppelschichtstruktur, um die Zuverlässigkeit des CBRAM effektiv zu optimieren. Sie verursachen jedoch Kosten für den komplexen Prozessablauf oder die Programmiergeschwindigkeit.

In dieser Arbeit schlagen wir ein CMOS-kompatibles Verfahren vor, um ein Doppelschicht-Bauelement durch einen einfachen Niedertemperatur-Ausheilprozess zu bilden. Das Doppelschichtgerät von Ta₂ O₅ /TaO_x Struktur wurde spontan gebildet, was im Vergleich zu der ungetemperten Vorrichtung bessere Zuverlässigkeitseigenschaften zeigt. Die erhöhte Zuverlässigkeit der getemperten Vorrichtung kann durch die konzentrierten Filamente erklärt werden, die während der Programmierung entlang der Korngrenze gebildet werden. Darüber hinaus ist bei einer zweischichtigen Glühvorrichtung aufgrund der Existenz von TaO_x , wird das Selbsteinhaltungsverhalten erreicht, weil der TaO_x Schicht dient als Widerstand in Reihe mit einem Ta₂ O₅ -Widerstandsschicht. Dieses Ergebnis liefert ein einfaches CMOS-kompatibles Verfahren, um ein Doppelschicht-Bauelement zu bilden und die Zuverlässigkeit von CBRAM zu verbessern.

Methoden

Als Bottom-Elektrode (BE) dient der W-Plug mit einem Durchmesser von 1 µm nach CMP. Nach dem Abscheiden einer 5 nm Ta-Schicht durch DC-Magnetron-Sputtern wird das Ta₂ O₅ wurde durch einen thermischen Oxidationsprozess bei 350 °C in Plasma O₂ . gebildet für 300  s durch plasmaunterstützte chemische Gasphasenabscheidung (PECVD). Dann wird eine 40-nm-Cu-Top-Elektrode (TE) gesputtert und durch Lithographie gemustert. Die Speicherzellen werden durch den Ätzprozess mit einem Mischgas aus SF₆ . strukturiert und C₃ F₈ indem die TE als Hartmaske verwendet wird. Danach wird das BE durch das Al-Pad herausgezogen. Schließlich wird das Bauelement mit einem CMOS-kompatiblen Niedertemperatur-Annealing-Prozess unter 400 °C für 30 Minuten vervollständigt. Die Größe des Geräts wird durch die Fläche der unteren Elektrode definiert, die 1 μm ² . beträgt . Als Referenz wird auch das Gerät ohne Glühprozess vorbereitet. Die elektrischen Gleichstrommessungen werden unter Verwendung eines Keithley 4200-SCS-Halbleiterparameteranalysators durchgeführt. Bei allen Messungen wird die Spannung an Cu TE angelegt, während W BE geerdet ist.

Ergebnisse und Diskussion

Für einen tiefen Einblick in den Glühprozess, die Zusammensetzung und den chemischen Bindungszustand im Ta₂ O₅ Filme vor und nach dem Temperprozess werden durch Röntgenphotoelektronenspektroskopie (XPS) analysiert. Die Ätzrate der Probe beträgt 0,5 nm/Punkt. In Abb. 1a sind die Spitzen von Ta₂ O₅ 4f-Dublett mit Spitzenbindungsenergien von 26,70 eV (Ta₂ O₅ 4f_7/2 ) und 28,60 eV (Ta₂ O₅ 4f_5/2 ) mit einem Peakabstand von 1.9 eV werden an der Oberfläche beobachtet [11,12,13]. Dieser Fall zeigt die Existenz von Ta₂ O₅ Schicht.

Das XPS zeigt das Tiefenprofil von Ta vor (a ) und nach (d ) Glühen. b , e Tiefenprofil von O vor bzw. nach dem Glühen. c, f Atomkonzentrationsprofil von O und Ta mit der Tiefe vor bzw. nach dem Tempern

Mit zunehmender Tiefe werden die Spitzen von Ta₂ O₅ 4f-Dublett verschwindet und die Peaks bei 22,33 eV, 23,96 eV entsprechend Ta 4f_7/2 , Ta 4f_5/2 erscheinen. Abbildung 1b bestätigt, dass in der gleichen Tiefe, in der Ta 4f_7/2 . ist, kein O-Signal vorhanden ist und Ta 4f_5/2 existieren. Mit anderen Worten, auf der Oberfläche von Ta₂ . befindet sich metallisches Ta O₅ für das ungeglühte Gerät. Die Tiefen des Ta₂ O₅ und Ta, die aus Fig. 1c analysiert wurden, betragen 4 nm bzw. 2,5 nm. Darüber hinaus gibt es den Peak der O-Atomkonzentration in der Tiefe von 7 nm, was auf die Existenz des absorbierten Sauerstoffs hinweist. Abbildung 1d und e zeigen die Tiefenprofile der XPS-Spektren von Ta₂ O₅ Filme nach dem Glühprozess. Die Peaks von Ta 4f-Dublett und Ta₂ O₅ 4f-Dublett existieren zusammen in einer bestimmten Tiefe. Die Intensität des Ta ⁵⁺ Der Oxidationszustand wird mit zunehmender Tiefe allmählich schwächer. In Kombination mit dem Rundum-Sauerstoffsignal entlang der Filmtiefe bestätigen wir, dass der TaO_x existiert auf der Oberfläche von Ta₂ O₅ [11, 14]. Aus Abb. 1f berechnet, ist die Dicke des Ta₂ O₅ beträgt 4 nm und TaO_x ist 3,5 nm. Daher ist der TaO_x entsteht durch die Umwandlung des adsorbierten Sauerstoffs in Gittersauerstoff im Glühprozess. Die Sauerstoffumverteilung würde nach dem Glühprozess einen Sättigungspunkt erreichen, der gesättigt ist. Die Dicke von TaOx sowie die Umformspannung nehmen nicht zu, obwohl die Glühzeit zunimmt, was die große Prozessmarge dieses Glühprozesses beweist.

Abbildung 2a und b sind die Widerstandsschalteigenschaften von Cu/Ta₂ O₅ /W vor und nach dem Tempern im DC-Sweep-Modus. Die Anfangswiderstände (R _initial ) der beiden Geräte befinden sich beide im hochohmigen Zustand (HRS) mit Werten von ~ 10 ⁹ Ω und 10 ¹⁰ Ω bzw. Je höher R _initial des getemperten Bauteils ist auf den dickeren Oxidfilm zurückzuführen, der unter dem thermischen Prozess gebildet wird. Insbesondere benötigt diese Vorrichtung keinen Umformprozess, der in der praktischen Anwendung durchaus erwartet wird. Beim ungetemperten Gerät schaltet es abrupt auf LRS um, wenn die angelegte Spannung während des positiven Spannungs-Sweeps einen kritischen Wert erreicht. Während des Setzvorgangs traten einige extrem niedrige LRS auf. Der RESET-Strom ist in einem solchen Fall viel höher als der voreingestellte Compliance-Strom, was darauf hinweist, dass das Überschwingungsphänomen in diesem Gerät aufgetreten ist. Abbildung 3b zeigt die instabilen LRS und HRS innerhalb von 200 Zyklen für das ungetemperte Gerät. Die große Variation von Zyklus zu Zyklus führt dazu, dass das Speicherfenster auf 20 reduziert wird. Abbildung 2b zeigt das Schaltverhalten der getemperten Bauelemente. Der durch die Zelle fließende Strom steigt allmählich an und erreicht den Compliance-Strom. Es wird kein offensichtlicher Schaltpunkt beobachtet, wodurch das Überschwingungsphänomen vermieden wird, das in den ungetemperten Vorrichtungen aufgetreten ist. Ein Speicherfenster von bis zu 10 ⁴ wurde während der Schaltzyklen durch die gleichmäßige Verteilung von HRS und LRS erreicht.

Typische I-V-Kurven von Cu/TaOx/W-Bauelementen vor dem Tempern (a ) und nach dem Tempern (b ) mit 200 Zyklen

a Set- und RESET-Stromverteilungen vor bzw. nach dem Tempern. b Die Widerstandsverteilung von HRS und LRS vor/nach dem Tempern

Die Unterdrückung des Overset-Phänomens im geglühten Bauteil konnte auch durch die verbesserte Verteilung des RESET-Stroms (I _RESET ) und Strom einstellen (I _Setzen ) in der geglühten Vorrichtung, wie in Abb. 3a gezeigt. Das Ich _Setzen des ungetemperten Geräts steckt am I _CC aber ich _RESET weit verbreitet. Im Gegensatz dazu ist für das getemperte Gerät das I _RESET ist ähnlich wie I _Setzen . Die Einheitlichkeit von Gerät zu Gerät wird durch Analyse des R . bewertet _an und R _aus in 20 verschiedenen Geräten im DC-Modus. Wie in Abb. 3 (b) gezeigt, ist der R _an extrahiert unter V _lesen von 0,1 V für das ungetemperte Gerät verteilt von 10 ² Ω bis 10 ⁵ Ω, während die R _an des getemperten Geräts verteilt sich von 10 ⁴ Ω bis 10 ⁵ . Der relativ höhere R _an des getemperten Bauteils resultiert aus dem Serienwiderstand des TaO_x Schicht. Darüber hinaus wird auch die HRS-Verteilung der getemperten Vorrichtung stark verbessert. Wie in Abb. 3b gezeigt, ist die Standardabweichung (SD) von R _aus wird von 4,84 auf 1,39 reduziert.

Die Zyklusergebnisse unter DC-Sweep sind in Abb. 4a und b gezeigt. Beim ungetemperten Gerät beträgt das HRS/LRS-Verhältnis etwa 10 ⁵ zunächst, nimmt dann allmählich ab und bleibt schließlich bei LRS. Beachten Sie, dass während des Radfahrens einige weiche Fehler in Form von HRS (rote Punkte) und LRS (blaue Punkte) auftreten können, die gelegentlich hin- und herlaufen. Beim getemperten Gerät bleibt das HRS/LRS-Verhältnis stabil (~ 10 ⁴ ) ohne Beeinträchtigung. Während der Pulsmessungen werden die richtigen Pulsprogrammierungsbedingungen auf 3 V/100 ns für den Setzbetrieb, – 2 V/200 ns für den RESET-Betrieb und 0,1 V/50 ns für den Lesebetrieb optimiert. Die Erfassungszeit für Set/RESET/Read-Operationen beträgt jeweils 15 ns/12 ns/25 ns. Wie aus Fig. 4c ersichtlich ist, beträgt die Lebensdauer des ungetemperten Bauteils normalerweise weniger als 5 × 10 ⁴ . Schaltzyklen. Aus Fig. 4d ist jedoch überraschend, dass die getemperte Vorrichtung auch nach mehr als 10 ⁶ . noch fehlerfrei funktioniert Schaltzyklen. Basierend auf unserer vorherigen Studie [15] hängt der Dauerfehler bei CBRAM mit dem instabilen RESET-Vorgang zusammen, der aus dem Überwachsen des Filaments in die Gegenelektrode resultiert. Einerseits benötigt das überwachsene Filament mehr Energie zum Reißen und neigt dazu, ein unvollständiges RESET und eine niedrigere HRS zu verursachen. Andererseits führt das Überwachsen des Filaments in die Gegenelektrode zu verbleibenden Cu-Ionen in der Gegenelektrode, die als Reservoir für Metallionen dienen und einen unerwarteten negativen SET bewirken könnten. Bei der getemperten Vorrichtung wird das Überwachsen der Filamente durch den Einbau von TaO_x . gut unterdrückt Schicht und führt zu einem stabileren RESET-Vorgang. Als Ergebnis wird das Speicherfenster gut aufrechterhalten und die Zykluscharakteristik wird stark verbessert.

Die Radsportergebnisse von a die Geräte ohne Ausheilen unter 300 DC Zyklen und b die Geräte mit Glühen unter 400 DC Zyklen. c, d Ausdauereigenschaften im AC-Modus mit der optimierten Betriebskonfiguration:3 V/100 ns einstellen; ZURÜCKSETZEN − 2 V/200 ns. Bis zu 10 ⁶ Zyklen wurden für das Gerät nach dem Tempern erhalten

Für die praktische Anwendung von CBRAM spielt die Berücksichtigung der Retentionscharakteristik eine entscheidende Rolle [16]. Die Retentionseigenschaften werden unter 150°C unter Verwendung des Vakuumofens gemessen. Der Widerstand jeder Zelle wird nach dem Abkühlen auf Raumtemperatur in jedem Dekadenintervall überprüft. Abbildung 5a und b zeigen die Abhängigkeit des R_HRS /R_LRS über die Backzeit für das Gerät ohne Glühen bzw. mit Glühen. Bei den ungetemperten Geräten (Abb. 5a) fielen die Geräte mit zunehmender Zeit nach und nach innerhalb von 10 ⁴ . aus S. Bei dem getemperten Gerät (Abb. 5b) zeigen jedoch unter den aufgezeichneten 20 Geräten die Widerstände des LRS und HRS keine Verschlechterung mit zunehmender Backzeit. Das heißt, der Halt der Vorrichtungen wird durch den Temperprozess stark verbessert. Die Lebensdauer des getemperten Bauteils bei 85 °C konnte mit dem Arrhenius-Diagramm mit 10 Jahren extrahiert werden, was in guter Übereinstimmung mit den berichteten CBRAMs [17, 18] ist. Die Erzielung einer besseren Retentionseigenschaft für die getemperte Vorrichtung liegt daran, dass der Temperprozess einige Defekte im Schaltfilm wiederherstellt, was die Diffusion der Cu-Spezies verlangsamen würde.

Retentionsmerkmale des HRS/LRS für a ungetempertes Gerät und b geglühtes Gerät bei 150°C

Basierend auf den obigen Ergebnissen ist in Abb. 6a–d ein physikalisches Modell für das Schaltverhalten der getemperten und ungetemperten Bauelemente dargestellt. Das Filamentwachstum in CBRAM ist mit dem Cu-Ionentransport im Elektrolytgitter verbunden [19]. Das Überschwingungsphänomen, das in der ungetemperten Vorrichtung aufgetreten ist, führt zu einem Überwachsen des Filaments in die Gegenelektrode. Während des RESET-Vorgangs driften die restlichen Cu-Ionen, die in der Gegenelektrode gespeichert sind, in den Tunnelspalt zwischen der Filamentspitze und der Gegenelektrode, was zu dem restlichen Cu ⁺ . führt am Ende des RESET-Vorgangs und schwerwiegende Veränderungen der HRS. Als Diffusionskoeffizient von Cu in TaO_x (4,9 × 10 ^− 20 cm ² /s) ist viel kleiner als in Ta (1.0 × 10 ^− 6 cm ² /s), diffundiert das Cu in TaO_x ist unter dem elektrischen Feld während des Setzvorgangs in der Probe von Cu/Ta₂ . viel schwieriger O₅ /TaO_x /W [20, 21]. Daher können das Overset-Verhalten und das Überwachsen des Filaments gut unterdrückt werden und der RESET-Vorgang wird stabiler.

Die physikalische Modellierung des Schaltverhaltens der getemperten und ungetemperten Bauelemente. Die a Set und b RESET-Prozess für das ungetemperte Bauteil mit der Struktur von Cu/Ta₂ O₅ /Ta/W. c Set und d RESET-Prozess für das getemperte Bauteil mit der Struktur von Cu/Ta₂ O₅ /TaO_x /W. Das Überwachsen der Filamente wird durch das TaO_x . unterdrückt während des Glühprozesses gebildete Schicht

Schlussfolgerungen

In diesem Brief haben wir die Schalteigenschaften eines TaO_x . untersucht -basiertes CBRAM-Gerät. Ein Ta₂ O₅ /TaO_x ein Doppelschichtstapel wurde nach einer Nachbehandlung des thermischen Glühens gebildet. Das TaO_x Schicht könnte als externer Widerstand wirken, der den Überlaufstrom während des Setzbetriebs unterdrückt. Sowohl die HRS- als auch die LRS-Verteilung werden aufgrund der Unterdrückung des Overset-Phänomens stark verbessert. Darüber hinaus wird die Datenerhaltung des CBRAM aufgrund der Wiederherstellung von Defekten im Schaltfilm während des thermischen Temperns verbessert. Diese Arbeit bietet die bequemste und wirtschaftlichste Lösung, um die Doppelschichtstruktur zu erreichen und die Zuverlässigkeit von CBRAM zu verbessern.

Abkürzungen

CBRAM:

Direktzugriffsspeicher mit leitfähiger Brücke

HRS:

Hochohmige Zustände

LRS:

Niederohmige Zustände

NVM:

Nichtflüchtiger Speicher

PECVD:

Plasmaunterstützte chemische Gasphasenabscheidung

TE:

Top-Elektrode