Leitungsmechanismus und verbesserte Ausdauer bei HfO2-basiertem RRAM mit Nitridierungsbehandlung

Hintergrund

Kürzlich wurde ein Widerstandsspeicher mit wahlfreiem Zugriff (RRAM), der aus einer Isolierschicht zwischen zwei Elektroden besteht, aufgrund seiner überlegenen Eigenschaften wie einfache Struktur, geringer Stromverbrauch, Hochgeschwindigkeitsbetrieb als vielversprechender Kandidat für nichtflüchtige Speicher der nächsten Generation untersucht (< 300 ps) und zerstörungsfreies Auslesen [1-9]. Obwohl die meisten RRAM-Geräte viele Eigenschaften haben, die nichtflüchtigen Speichern überlegen sind, sind der hohe Betriebsstrom von RRAM und die Leistungsverschlechterung die Hauptprobleme bei nichtflüchtigen Speichern im Hinblick auf die Anwendung tragbarer elektronischer Produkte.

Das Pt/HfO₂ /TiN-Struktur kann einen Leitungspfad liefern, der ein resistives Schaltverhalten induziert [10–19]. Die Defekte von amorphem HfO₂ wird die Anzahl der Leckpfade erhöhen, was zu einem Stromverbrauch und einer Verschlechterung der Joule-Erwärmung führt. In dieser Arbeit wird die resistive Schaltschicht von HfO₂ wurde mit einer Lösung mit einer Harnstoff/Ammoniak-Komplex-Stickstoffquelle als Nitridierungsbehandlung behandelt, um seine elektrischen Schalteigenschaften zu verbessern.

Methoden

Das strukturierte TiN/Ti/SiO₂ /Si-Substrat wurde mit einem standardmäßigen Abscheidungs- und Ätzprozess hergestellt, wonach Durchgangslöcher gebildet werden können (Einschub von Fig. 1a). Dann ein 23 nm dickes HfO₂ Dünnfilm wurde in Durchgangslöchern auf dem Substrat durch HF-Magnetron-Sputtern unter Verwendung von reinem HfO₂ . abgeschieden Ziel. Die Sputterleistung wurde auf eine HF-Leistung von 150 W festgelegt und in einer Argonumgebung (Ar = 30 sccm) mit einem Arbeitsdruck von 4 mTorr bei Raumtemperatur durchgeführt. Das HfO₂ Ein /TiN-Halbzeug wurde in die Reaktionskammer eingebracht und in die Lösung mit einer Harnstoff/Ammoniak-Komplex-Stickstoffquelle zur Nitridierungsbehandlung eingetaucht. Während der Nitridierungsbehandlung wurde die Lösung in der Edelstahlkammer des Systems 30 Minuten lang auf 160 °C erhitzt. Dann wurde die 110 nm dicke obere Pt-Elektrode durch DC-Magnetron-Sputtern auf dem HfO₂ . abgeschieden Dünnfilm zur Bildung elektrischer Geräte mit Pt/HfO₂ /TiN-Sandwichstrukturen. Schließlich wurden alle elektrischen Eigenschaften mit dem Halbleiterparameteranalysator Agilent B1500 gemessen. Die Gleichstrom- und Puls-Sweep-Vorspannung wurden an die untere Elektrode (TiN) angelegt, während die obere Elektrode (Pt) während der elektrischen Messungen geerdet war. Darüber hinaus wurde Fourier-Transform-Infrarotspektroskopie (FTIR) mit einem Bruker VERTEX 70v-Spektrometer im mittleren Infrarotbereich gemessen.

a Die sich bildenden Stromkurven von HfO₂ -basierte RRAM-Geräte. b Vergleich der DC-Sweep-Zyklen bei einem 5 mA-Compliance-Strom zwischen der anfänglichen und nach der Nitridierungsbehandlung von HfO₂ -basierter RRAM. c DC-Sweep-Zyklen ohne externe Stromkonformität des HfO₂ Gerät nach der Nitrierbehandlung. d Retentionszeit des HfO₂ -basierte RRAM-Bauelemente bei 85 °C mit und ohne Compliance-Strom nach der Nitridierungsbehandlung

Ergebnisse und Diskussion

Ein Galvanoformungsprozess ist erforderlich, um alle RRAM-Bauelemente unter Verwendung einer DC-Vorspannung mit einem Compliance-Strom von 10 μA zu aktivieren, wie in Fig. 1a gezeigt. Nach dem Formgebungsprozess sind die elektrischen Strom-Spannungs-Eigenschaften (I-V) des HfO₂ -basierte RRAM wurden zu Beginn und nach der Nitrierungsbehandlung verglichen. Bei LRS war der Strom im Vergleich zu unbehandeltem HfO₂ . offensichtlich reduziert dünner Film, wie in Abb. 1b gezeigt. Die Stromreduzierung ist auf die durch das NH₃ . passivierten Defekte zurückzuführen Molekül in der Behandlungslösung. Wir haben festgestellt, dass die HRS-Verteilung nach der Nitridierungsbehandlung viel stabiler ist, wie im Einschub von Abb. 1b. Die Widerstandszustände werden mit einer Lesespannung von 0,1 V während der 100 Sweep-Zyklen im Gleichstrombetrieb extrahiert (Einschub in Abb. 1b). Das Widerstands-Ein/Aus-Verhältnis wurde nach der Nitridierungsbehandlung leicht verringert. Interessanterweise wurde bei diesen HfO₂ -basierte RRAM-Geräte nach der Behandlung, wie in Fig. 1c gezeigt. Nach mehr als 10 ³ Sweep-Zyklen wurde eine wiederholbare Selbstschutzeigenschaft des Geräts ohne harten Ausfall beobachtet. Die Retentionszeit wurde bei 85 °C bewertet und blieb auch nach 10 ⁴ . stabil s sowohl in HRS als auch in LRS.

Um die Geräteleistung weiter zu bewerten, werden die Dauertests von HfO₂ -basierte RRAM wurden für die anfängliche und nach der Nitridierungsbehandlung durchgeführt, wie in Fig. 2 gezeigt. In der unbehandelten Vorrichtung nach 10 ⁶ Sweep-Zyklen verschlechtert sich das HRS/LRS-Verhältnis signifikant von 100:1 auf 5:1, wie in Abb. 2a gezeigt. Nach der Nitrierbehandlung jedoch auch nach mehr als 10 ⁹ Sweep-Zyklen zeigte das Gerät ein stabiles HRS/LRS-Verhältnis, wie in Abb. 2b. Diese Ergebnisse zeigen, dass der Nitridierungsprozess HfO₂ -basierter RRAM mit überlegenen Schaltfunktionen und Zuverlässigkeit. Um diese Ergebnisse weiter zu untersuchen, wurde eine FTIR-Analyse verwendet, um die chemischen Veränderungen des HfO₂ . zu beobachten dünner Film, wie in Abb. 3 gezeigt. Ein scharfer Peak bei 1589 und 1311 cm ⁻¹ trat nach der Nitridierungsbehandlung auf, entsprechend dem symmetrischen und asymmetrischen Streckschwingungspeak einer N-O-Bindung [20]. Außerdem ist die Spitzenintensität der N-H-Bindungen bei 1471 cm ⁻¹ [21] erhöht aufgrund des Nitridierungsprozesses durch eine Harnstoff/Ammoniak-Komplex-Stickstoffquelle (Einschub von Abb. 3). Daher können wir auf die Bildung stickstoffhaltiger Verbindungen nach der Nitridierungsbehandlung schließen.

Vergleich der Ausdauerzeiten in HfO₂ -basierter RRAM:a Anfangs- und b nach der Nitrierbehandlung. Die unteren Diagramme sind die entsprechenden Gerätestrukturen und Ausdauerpulsbedingungen

Der Vergleich von FTIR-Spektren von HfO₂ dünne Schichten zwischen der anfänglichen und nach der Nitridierungsbehandlung

Um den resistiven Schaltmechanismus aufzuklären, haben wir den Stromleitungsmechanismus des HfO₂ . analysiert Dünnfilm mit und ohne Nitridierungsbehandlung, gezeigt in Fig. 4a und d. Für das unbehandelte HfO₂ Dünnfilm wurden die Elektronen durch die Defekte übertragen, so dass der Stromleitungsmechanismus von der Poole-Frenkel-Leitung gemäß der linearen Beziehung zwischen ln(I/V) und der Quadratwurzel der angelegten Spannung (V ^{1 /2} ) auf HRS, wie in Abb. 4b [22] gezeigt.

a Analyse des Stromleitungsmechanismus von HRS aus I-V-Kurven in HfO₂ -basiertes RRAM zwischen der anfänglichen und nach der Nitridierungsbehandlung. b Der Poole-Frenkel-Stromleitungsmechanismus von HRS in HfO₂ -basierter RRAM. c Der Schottky-Emissionsstromleitungsmechanismus von HRS in HfO₂ -basiertes RRAM nach der Nitridierungsbehandlung. d Analyse des Stromleitungsmechanismus von LRS, der sich nach der Nitridierungsbehandlung in HfO₂ . von ohmscher Leitung in SCLC umwandelt -basierter RRAM; die eingefügte Abbildung zeigt das aktuelle SCLC-Anpassungsergebnis. e Der ohmsche Leitungsmechanismus von LRS in HfO₂ -basierter RRAM, der in der aktuellen negativen Korrelation mit der Temperatur charakteristisch ist. f Der SCLC-Mechanismus von LRS in HfO₂ -basiertes RRAM, das nach der Nitrierbehandlung temperaturunabhängig ist

Im Gegensatz dazu HfO₂ -basierter RRAM zeigte den Schottky-Emissionsmechanismus gemäß der linearen Beziehung zwischen ln(I/T ² ) und die Quadratwurzel der angelegten Spannung (V ^1/2 ) von HRS, wie in Abb. 4c gezeigt [23, 24]. Dies ist auf die Abnahme von Defekten und freien Bindungen zurückzuführen, da Bindungen nach der Nitridierungsbehandlung durch Stickstoffatome passiviert werden. Darüber hinaus haben wir auch den Stromleitungsmechanismus mit und ohne Behandlung am LRS in HfO₂ . analysiert -basierter RRAM. Auf LRS, dem Trägertransportmechanismus des unbehandelten HfO₂ -basierter RRAM wurde von ohmscher Leitung dominiert, wobei der Strom mit steigender Temperatur abnimmt, wie in Abb. 4e gezeigt. Nach der Nitridierungsbehandlung geht der Stromleitungsmechanismus auf raumladungsbegrenzten Strom (SCLC) mit einer Steigung von 1,52 über. Die I-V-Kurve ist nicht temperaturabhängig, mit einer linearen Beziehung zwischen ln(I) und dem Quadrat der angelegten Spannung V ² auf LRS, wie in Abb. 4f [25] gezeigt.

Wir haben ein Modell vorgeschlagen, um die Eigenschaften des Stromleitungsmechanismus zu erklären, und es ist in Abb. 5 dargestellt. Somit gibt es zwei gegensätzliche Dipole, die mit N- und O-Atomen und einem Hf-Atom verbunden sind (dh die Sequenz O–Hf–O wird durch O–Hf–N–O ersetzt) ​​nach der Dotierung von N-Atomen in HfO₂ dünner Film. Da die Elektronennegativität von Stickstoff niedriger ist als die von Sauerstoff, ist der Dipol der Hf-N-Bindung niedriger als der der Hf-O-Bindung, was einen Bereich mit niedrigerer Dielektrizitätskonstante erzeugt. Wenn während des SET-Prozesses eine positive Vorspannung angelegt wird, wird aufgrund ihrer niedrigeren Dielektrizitätskonstante eine Reihe von Hf-N-Ox-Leerstellen gebildet, die dann Leerstellencluster (Vo ⁺ ). Der leitfähige Pfad bildet sich typischerweise zusammen mit den Hf-N-Ox-Leerstellenclustern (Vo ⁺ ), da Stickstoffatome Sauerstoffionen um die Cluster herum einfangen, wie in Abb. 5b gezeigt. Das Vorhandensein dieser isolierenden Hf-N-Ox-Leerstellencluster (Vo ⁺ ) führt zu einer Stromreduzierung und dem bei HfO₂ . gefundenen Selbst-Compliance-Effekt -basiertes RRAM.

Ein Schema der Wanderung von Sauerstoffionen durch den Setzprozess in HfO₂ -basiertes RRAM für a Anfangs- und b nach der Nitridierungsbehandlung, die Hf-N-Ox-Leerstellencluster bildet (V_o ⁺ )

Schlussfolgerungen

Zusammenfassend wurde in einem Pt/HfO₂ . eine selbstkonforme Widerstandsschalteigenschaft beobachtet /TiN-RRAM-Bauelement nach der Nitridierungsbehandlung. Durchhaltezeit erreicht 10 ⁹ Zyklen und eine Retentionszeit von mehr als 10 ⁴ s wurde bei 85 °C erreicht. Aufgrund der geringeren Elektronennegativität des Stickstoffatoms im Vergleich zum Sauerstoffatom ist der Dipol der Hf-N-Bindung kleiner als der der Hf-O-Bindung, wodurch ein Bereich mit niedrigerer Dielektrizitätskonstante entsteht. Während des SET-Prozesses werden die Hf-N-Ox-Leerstellencluster (Vo ⁺ ) bilden die Leiterbahn. Die isolierenden Hf-N-Ox-Leerstellencluster (Vo ⁺ ) Schützen Sie das Gerät vor einem harten Ausfall und führen Sie eine Eigenständigkeitseigenschaft durch.

Abkürzungen

FTIR:

Fourier-Transformations-Infrarotspektroskopie

HRS:

Hochohmiger Zustand

LRS:

Niedriger Widerstandszustand

RRAM:

Resistiver Arbeitsspeicher

SCLC:

Raumladungsbegrenzter Strom