Ru-basierte RRAM-Bauelemente zeigen negativen differentiellen Widerstand: Einblicke aus Atomlagenabscheidungs-Fertigung

Zusammenfassung

In dieser Arbeit wurden Ru-basierte RRAM-Bauelemente mit atomlagenabgeschiedenem AlO_y/HfO_x Funktionsschicht gefertigt und untersucht. Ein negativer differentieller Widerstand (NDR) wurde während des Spannungs-Set-Prozesses beobachtet, und sein physikalischer Ursprung wurde erforscht. Basierend auf dem physikalischen Verständnis des resistiven Schaltens wird das gemessene NDR-Verhalten mit dem partiell unipolaren Reset-Effekt assoziiert, der auf die Rekombination zwischen Sauerstoff-Vakanzen und thermisch freigesetzten Sauerstoff-Ionen aus der RuO₂ Grenzschicht zurückzuführen ist. Die gemessenen elektrischen Charakteristiken und Röntgenphotoelektronenspektroskopie (XPS) Ergebnisse verifizierten die physikalische Interpretation.

Einleitung

Als einer der vielversprechendsten aufstrebenden nicht-flüchtigen Speicher wurde resistiver Random-Access-Memory (RRAM) umfangreich hinsichtlich Materialoptimierung, Leistungsverbesserung und Bauelementintegration untersucht. Aufgrund signifikanter Vorteile wie einfacher Zellstruktur, schneller Betriebsgeschwindigkeit, geringem Stromverbrauch und unvergleichlichem Miniaturisierungspotenzial wurde RRAM breit in hirninspiriertem neuromorphem Computing und rekonfigurierbarer Boolescher Logik angewendet und zeigt auch großes Potenzial für Storage-Class-Memory (SCM) Anwendungen. Allerdings behindern Herausforderungen einschließlich Skalierbarkeit, Bauelementzuverlässigkeit und Prozesskompatibilität noch immer die RRAM-Entwicklung. Daher ist der Aufbau CMOS-kompatibler RRAM-Bauelemente mit überlegener Leistung von großer Bedeutung für Anwendungen, die auf der 1T1R-Struktur der RRAM-Zelle basieren. Laut einer früheren Studie zeigt ein Ru-basiertes RRAM-Bauelement großes Potenzial im Vergleich zu Pt-basierten, während negativer differentieller Widerstand (NDR) während eines Spannungs-Set-Prozesses demonstriert wurde. NDR-Phänomene, begleitet von resistivem Schalten, wurden in anderen RRAM-Strukturen untersucht, die hauptsächlich auf Fang/Entfang elektronischer Träger zwischen tief lokalisierten Zuständen, induziert durch implantierte Metall-Nanopartikel, oder Akkumulation von Defekten, verursachter Junction-Wiederherstellung zurückzuführen waren. Während das Auftreten von NDR in Ru-basierten RRAM-Zellen unter großem Strom noch offen ist, wurde in dieser Arbeit die elektrische Leistung eines Ru-basierten RRAM-Bauelements, gefertigt durch Atomlagenabscheidung (ALD), evaluiert. Basierend auf Röntgenphotoelektronenspektroskopie (XPS) Charakterisierung und elektrischen Messungen mit verschiedenen Stimuli kann das NDR-Phänomen in Ru-basierten RRAM im Rahmen des Sauerstoff-Vakanzen-Leitenden-Filament-Modells erklärt werden.

Methoden

Das schematische Diagramm der Bauelementstruktur und des gefertigten RRAM-Arrays sind in Abb. 1a, b dargestellt. Das Ru/AlO_y/HfO_x/TiN RRAM-Bauelement wurde auf einem thermisch oxidierten 300-nm SiO₂ Substrat gefertigt. Ein 80-nm Ru-Dünnfilm wurde auf einer 20-nm Ti-Haftschicht als untere Elektrode durch DC-Magnetron-Sputtern (Angstrom Engineering NEXDEP) mit einem Ru-Metalltarget abgeschieden. SiO₂, gewachsen durch Plasma-verstärkte Chemische Gasphasenabscheidung (PECVD), dient als Dielektrikum zur Isolierung der Elektroden und bildet die Vias. Dann wurde der resistive Schicht von 2 nm AlO_y und 3 nm HfO_x durch ein Atomlagenabscheidungssystem (PICOSUN R200) bei 300 °C mit Trimethylaluminium (TMA) und Tetrakis[ethylmethylamino]hafnium (TEMAH) Vorläufern abgeschieden. Danach wurden 80 nm TiN reaktiv gesputtert mit einem Ti-Target und geätzt, um die oberen Elektrodenmuster zu bilden. Ein weiterer Trockenätzschritt wurde durchgeführt, um die untere Elektrode für elektrischen Kontakt freizulegen.

Die Elementanalyse wurde durch ein Röntgenphotoelektronenspektroskopie (XPS) System (Thermo Scientific ESCALAB 250Xi) an einer frischen Probe ohne obere Elektrode durchgeführt. Vor der Messung wurde Oberflächenreinigung mit Ar-Plasma durchgeführt, um den Einfluss von C zu eliminieren. Die Peak-Position von Al 2p wurde zur Kalibrierung verwendet. Elektrische Messungen wurden bei Raumtemperatur mit einem Halbleiter-Bauelement-Analysator (Agilent B1500A) und Puls-Funktions-Willkürgenerator (Agilent 81160A) durchgeführt.

Ergebnisse und Diskussion

Die typischen I-V-Kennlinien von Ru-basierten RRAM-Bauelementen sind in Abb. 2a dargestellt. Nach Elektroformung wurde eine positive Spannung (2,5 V) für den Set-Prozess angelegt, um die Zelle vom Hochwiderstandszustand (HRS) in den Niedrigwiderstandszustand (LRS) zu schalten, mit einem Compliance-Strom von 1 mA, um dauerhaften Durchbruch während der leitenden Filament (CF) Bildung zu verhindern. Nach dem Set-Übergang wurde eine negative Spannung (−2,3 V) verwendet, um das Bauelement vom LRS in den HRS mit allmählich abnehmendem Strom zu schalten. Um die Widerstandsvariabilität von Bauelement zu Bauelement zu evaluieren, wurden 10 Ru-basierte RRAM-Zellen willkürlich gewählt. Wie in Abb. 2b dargestellt, demonstrieren die statistischen Ergebnisse die exzellente Uniformität von HRS und LRS mit einem Widerstandsfenster größer als 10³, was ein vielversprechender Kandidat für NVM-basierte Logikanwendungen sein könnte. Im Vergleich zu zuvor berichteten Pt-basierten Bauelementen ist es erwähnenswert, dass ein NDR-Phänomen während des Set-Prozesses beobachtet wurde, wo der Strom mit steigender Spannung abnimmt (Set-Phase 1) in einem begrenzten Spannungsbereich, gefolgt von einem Anstieg zum Compliance-Strom (Set-Phase 2).

Die Zyklus-zu-Zyklus-Variabilität von Ru-basierten RRAM-Bauelementen wurde auch im Pulsmodus untersucht, um die Zyklen-Uniformität zu studieren. Pulse für Set (2,4 V, 15 ns) und Reset (−3 V, 100 ns) wurden verwendet, um das Bauelement zwischen LRS und HRS mit einer Lese-Spannung von 0,1 V nach jedem Puls zu schalten. Wie in Abb. 3a gezeigt, hat das Bauelement nach 1000 Zyklen eine uniforme Verteilung mit Standardabweichungen von 379 Ω und 3 × 10⁵ Ω für LRS und HRS, was in ein stabiles Speicherfenster größer als 100 resultiert. Keine Ausdauerdegradation tritt selbst nach 10⁶ Schaltzyklen auf, wie zuvor in Ref. [15] berichtet. Zusätzlich demonstriert das Bauelement auch exzellente Retention-Eigenschaften wie in Abb. 3b gezeigt. Beide LRS und HRS Widerstände behalten einen konstanten Wert über 10⁵ s bei 120 °C ohne Ausfall.

Um das NDR-Phänomen zu erforschen, wurden I-V-Kurven sowohl im Spannungs-Sweep-Modus als auch im Strom-Sweep-Modus gemessen. Abbildung 4a zeigt den Formierungsprozess von fünf zufällig ausgewählten frischen RRAM-Zellen. Der Strom steigt allmählich an, gefolgt von einem Abbruch, was die Bildung des CF anzeigt, während kein NDR beobachtet wurde. Nach Elektroformung werden Set-Operationen in verschiedenen Sweep-Modi in der gleichen Zelle durchgeführt, um die Stromvariation zu beobachten, wie in Abb. 4b gezeigt. Für den stromgetriebenen Set steigt der Strom langsam an mit einem plötzlichen Spannungsabfall, was den Widerstandsübergang von HRS zu LRS demonstriert. Dieses Verhalten unterscheidet sich von der spannungsgetriebenen Charakteristik, was auf unterschiedliche stimuli-induzierte Joule-Erwärmung über dem CF zurückzuführen sein könnte. Darüber hinaus wurden aufeinanderfolgende Set/Reset-Operationen unter verschiedenen Bias durchgeführt, um den intermediären Widerstandszustand im NDR-Bereich zu untersuchen. Eine angemessene Stop-Spannung von 1 V wurde während des Set-Prozesses angelegt, wie in Abb. 4c gezeigt, um den Sweep am Boden des Stromtals zu beenden. Ein nicht-flüchtiger Widerstandszustand wurde nach Entfernen der Spannung erhalten, der ein unipolares resistives Schaltverhalten aufwies. Daher wird dieses NDR-Phänomen vorläufig einem zweiten Reset des CF während des Set-Prozesses zugeschrieben.

Kombiniert mit Messungen in verschiedenen Modi und Bauelementfertigungsprozessen sowie den Eigenschaften von RuO₂ wurde der physikalische Ursprung des NDR-Phänomens vorgeschlagen, wie in Abb. 5 illustriert. Eine frühere Studie legte nahe, dass die Generierung und Rekombination von elektronenentleerten Sauerstoff-Vakanzen (V_o) und Sauerstoff-Ionen (O²⁻) unter verschiedenen elektrischen Polaritäten für konventionelle HfO_x-basierte bipolare RRAM-Bauelemente verantwortlich sind, was ähnlich zu Set-Phase 2 und Reset-Prozessen ist. Im Gegensatz zum konventionellen Set-Prozess findet jedoch ein zweiter Bruch des CF statt, der die Ru-Elektrode und CF trennt und zum NDR führt. Im Allgemeinen dissoziieren Sauerstoffatome unter elektrischem Feld in V_o und O²⁻, wobei O²⁻ zur oberen Elektrode driftet und V_o zurücklässt, um das CF für Elektronentransport zu bilden. Aber aufgrund der durch das elektrische Feld verursachten Joule-Erwärmung würde die gebildete RuO₂ Grenzschicht sich langsam bei ~600 °C zersetzen und O²⁻ freisetzen, die sich mit den elektronenentleerten V_o (V_o²⁺) in der Nähe der Ru-Elektrode rekombinieren könnten (Set-Phase 1), was zu einem Stromabfall führt. Dieser Prozess kann auch als partieller unipolarer Reset-Prozess angesehen werden. Mit weiter steigender Spannung wird das CF zwischen TE und BE durch Akkumulation von V_o wie in Set-Phase 2 gezeigt rekonstruiert und die RRAM-Zelle schaltet in LRS. Während Reset finden zwei Prozesse gleichzeitig statt: (1) die von der TiN-Elektrode freigesetzten O²⁻ rekombinieren schnell mit den positiv geladenen V_o wegen des verstärkten Erfassungsquerschnitts, (2) die zur BE driftenden O²⁻ reagieren mit Ru und reformieren die RuO₂ Grenzschicht aufgrund lokaler Joule-Erwärmung. Unter dieser Bedingung schaltet die RRAM-Zelle in HRS.

XPS-Analyse der RuO₂ Grenzschicht, die während des Bauelementfertigungsprozesses gebildet wurde, unterstützt auch die vorgeschlagene Erklärung des NDR-Effekts. Abbildung 6a zeigt das XPS-Gesamtspektrum der Probe, das O 1s, Ru 3d, Al 2p und Hf 4f Kernniveaus einschließt. Die anderen unmarkierten Peaks entsprechen allen diesen Elementen mit verschiedenen Elektronenorbitalen. Die Anpassungskurve in Abb. 6b passt perfekt zu den Experimentaldaten und ist in vier Peaks unterteilt, die den Ru 3d_5/2 (280,01 eV für Ru und 280,75 eV für RuO₂) und Ru 3d_3/2 (284,3 eV für Ru und 285,26 eV für RuO₂) Kernniveaus entsprechen, was das Koexistieren von Ru und RuO₂ im Dünnfilm demonstriert. Die niedrige Intensität des Ru 3d_5/2 Peaks zeigt an, dass die gebildete RuO₂ Grenzschicht sehr dünn ist, wie erwartet.

Schlussfolgerung

In dieser Studie wurde das CMOS-kompatible Ru/AlO_y/HfO_x/TiN RRAM-Bauelement gefertigt. Exzellente Schaltleistung wurde mit einheitlichem Bauelement-zu-Bauelement-Widerstand und großem Widerstandsfenster sowie guter Hochtemperatur-Retentionseigenschaft erreicht. Basierend auf elektrischen Messungen und XPS-Analyse kann das NDR-Phänomen im Set-Prozess durch die Rekombination von Sauerstoff-Vakanzen und Sauerstoff-Ionen erklärt werden, die aus der RuO₂ Grenzschicht aufgrund elektrisch induzierter Joule-Erwärmung freigesetzt werden.

Abkürzungen

ALD:

Atomlagenabscheidung

CF:

Leitendes Filament

HRS:

Hochwiderstandszustand

LRS:

Niedrigwiderstandszustand

NDR:

Negativer differentieller Widerstand

PECVD:

Plasma-verstärkte Chemische Gasphasenabscheidung

RRAM:

Resistiver Random-Access-Memory

SCM:

Storage-Class-Memory

XPS:

Röntgenphotoelektronenspektroskopie