Ta₂O₅/TaOₓ-Doppelschicht durch Niedertemperatur-Glühen verbessert CBRAM-Zuverlässigkeit

Zusammenfassung

Doppelschichtarchitekturen werden routinemäßig eingesetzt, um die Zuverlässigkeit von leitungsbrückenbasierten widerstandswechselnden Speichern (CBRAM) zu erhöhen. Hier stellen wir eine kosteneffiziente, CMOS-kompatible Methode vor, die eine Ta₂O₅/TaOₓ-Doppelschicht durch Niedertemperatur-Glühen erzeugt. Die TaOₓ-Deckschicht dient als externer Widerstand, der den Set-Strom begrenzt, Selbst-Compliance ermöglicht und den Überschwing eliminiert, der die Verteilungen des Hochwiderstandszustands (HRS) und Niedrigwiderstandszustands (LRS) verbreitert. Folglich wird die LRS-Retention dank Defektausheilung innerhalb der Schaltschicht deutlich verbessert. Dieser Ansatz bietet einen direkten Weg, die CBRAM-Zuverlässigkeit zu stärken.

Einleitung

Leitungsbrücken-widerstandswechselnder Speicher (CBRAM) ist eine vielversprechende Nichtflüchtig-Speichertechnologie der nächsten Generation, geschätzt für ihre außergewöhnliche Skalierbarkeit, minimale strukturelle Komplexität, Kompatibilität mit 3D-Integration und schnelle Schaltgeschwindigkeiten [1–3]. Trotz dieser Vorteile bleiben Zuverlässigkeitsprobleme – insbesondere Datenerhalt und Ausdauer – die Haupthindernisse für den kommerziellen Einsatz. Strukturengineering hat sich als effektivste Strategie zur Milderung dieser Herausforderungen erwiesen [4–7]. Beispielsweise führte Zhao et al. eine nanoporöse Graphen-Zwischenschicht ein, die Kationeninjektion einschränkt und die Bauelementleistung deutlich verbessert [8], obwohl ihre Fertigungskomplexität die CMOS-Integration behindert. Gong et al. demonstrierten eine CMOS-kompatible, selbstausgerichtete CuSiN-Grenzschicht, die die LRS-Retention verbessert [9]. Ähnlich verwendeten Cao et al. eine TiN-Barriere, um Filamentüberwuchs zu unterdrücken und negatives SET-Verhalten zu eliminieren [10]. Während diese Doppelschichtdesigns die Zuverlässigkeit erfolgreich erhöhen, erfordern sie oft komplexe Prozessabläufe oder verringern die Programmiergeschwindigkeit.

Hier präsentieren wir eine CMOS-kompatible Niedertemperatur-Glühtechnik, die spontan eine Ta₂O₅/TaOₓ-Doppelschicht bildet. Die resultierende Struktur verbessert nicht nur die Zuverlässigkeit, sondern bewahrt auch die Programmiergeschwindigkeit, indem sie einen separaten Formierschritt vermeidet. Wir zeigen, dass die TaOₓ-Schicht als Serienwiderstand fungiert, der Selbst-Compliance während Set-Operationen erzwingt, wodurch Filamentüberwuchs unterdrückt und die HRS/LRS-Verteilungen stabilisiert werden.

Methoden

Die Bauelementfertigung begann mit einem 1-µm-Durchmesser-Wolfram-(W)-Plug als untere Elektrode (BE) nach chemisch-mechanischem Polieren. Ein 5-nm-Ta-Film wurde via DC-Magnetronsputtern abgeschieden und anschließend in einer plasmaunterstützten chemischen Gasphasenabscheidung (PECVD) Kammer bei 350 °C für 300 s in O₂ oxidiert, was Ta₂O₅ ergab. Eine 40-nm-Kupfer-(Cu)-obere Elektrode (TE) wurde dann gesputtert und lithografisch strukturiert. Die Zelldefinition erfolgte durch reaktives Ionenenchen in einem SF₆/C₃F₈-Gemisch unter Verwendung der TE als Hartmaske, gefolgt von BE-Isolierung mittels Al-Pad. Schließlich wurde ein CMOS-kompatibles Niedertemperatur-Glühen bei 400 °C für 30 min auf den gesamten Stapel angewendet, was die Bildung der TaOₓ-Deckschicht induzierte. Bauelementabmessungen wurden durch die 1 µm² BE-Fläche festgelegt. Zum Vergleich wurde auch eine nicht geglüht Referenz hergestellt. Die elektrische Charakterisierung erfolgte mit einem Keithley 4200-SCS Halbleiterparameteranalysator, wobei Spannung an die Cu TE angelegt wurde, während die W BE geerdet war.

Ergebnisse und Diskussion

Röntgenphotoelektronenspektroskopie (XPS) wurde verwendet, um die chemischen Zustände von Ta und O in den Ta₂O₅-Filmen vor und nach dem Glühen zu untersuchen. Die Oberflächenspektren zeigten ein charakteristisches Ta₂O₅ 4f-Dublett (Bindungsenergien 26,70 eV und 28,60 eV), was das Vorhandensein von vollständig oxidiertem Ta anzeigte (Abb. 1a). Tiefenprofilierung zeigte, dass unter der Oberfläche im ungeglühten Proben metallische Ta-Peaks (22,33 eV und 23,96 eV) erschienen, was unvollständige Oxidation bestätigte. Nach dem Glühen zeigten die Spektren Koexistenz von Ta₂O₅ und Ta⁴⁺-Zuständen bis ~4 nm Tiefe, mit allmählicher Reduktion der Ta⁵⁺-Komponente und einheitlichem O-Signal über den gesamten Film (Abb. 1d–f). Diese Ergebnisse demonstrieren, dass das Glühen adsorbierten Sauerstoff in Gitter-Sauerstoff umwandelt und eine ~3,5 nm TaOₓ-Deckschicht auf dem 4 nm Ta₂O₅ bildet.

Die XPS zeigt Tiefenprofil von Ta vor (a) und nach (d) Glühen. b, e Tiefenprofil von O vor und nach Glühen, jeweils. c, f Atomkonzentrationsprofil von O und Ta mit Tiefe vor und nach Glühen, jeweils.

Abb. 2a,b vergleichen die I-V-Kennlinien von Cu/Ta₂O₅/W-Bauelementen mit und ohne Glühen unter DC-Sweep. Beide Bauelemente starten in einem Hochwiderstandszustand (R_initial ≈ 10⁹ Ω und 10¹⁰ Ω, jeweils), wobei das geglühte Bauelement aufgrund des dickeren Oxids ein höheres R_initial aufweist. Wichtig: Das geglühte Bauelement erfordert keinen separaten Formierschritt. Im ungeglühten Bauelement wird der LRS abrupt bei einer kritischen Spannung erreicht, begleitet von einem Überschwing, der einen RESET-Strom weit über dem Compliance-Limit ergibt. Diese Instabilität manifestiert sich als hochvariables HRS/LRS-Fenster (~20× über 200 Zyklen, Abb. 3b). Im Gegensatz dazu zeigt das geglühte Bauelement einen allmählichen Stromanstieg, der natürlich am Compliance-Strom klemmt, Überschwing eliminiert und ein stabiles Speicherfenster von ~10⁴× über Zyklen erreicht (Abb. 2b).

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

a Set- und RESET-Stromverteilungen vor und nach Glühen, jeweils. b Widerstandsverteilung von HRS und LRS vor/nach Glühen

Das Fehlen von Überschwing im geglühten Bauelement wird weiter durch die enge I_RESET-Verteilung und deren Ausrichtung mit den I_SET-Werten belegt (Abb. 3a). Bauelement-zu-Bauelement-Uniformität wurde durch Messung von R_ON und R_OFF über 20 Zellen quantifiziert. Geglüht Bauelemente zeigten R_ON-Werte zwischen 10⁴ Ω und 10⁵ Ω, während ungeglühte Bauelemente 10² Ω bis 10⁵ Ω abdeckten, was den Serienwiderstand durch TaOₓ widerspiegelt. Die Standardabweichung von R_OFF sank von 4,84 auf 1,39, was die verbesserte Uniformität unterstreicht.

DC-Zyklentests zeigten, dass das ungeglühte Bauelement sein HRS/LRS-Verhältnis nach ~10⁴ Zyklen verliert, mit gelegentlichen Soft Errors (Abb. 4a). Im starken Kontrast behält das geglühte Bauelement ein robustes ~10⁴-Verhältnis über 10⁶ Zyklen bei (Abb. 4b). Pulsmodus-Ausdauertests, optimiert für 3 V/100 ns (SET), –2 V/200 ns (RESET) und 0,1 V/50 ns (READ), bestätigen die überlegene Haltbarkeit der geglühten Struktur (Abb. 4c,d). Die verbesserte Ausdauer wird der Unterdrückung von Filamentüberwuchs in die Gegenelektrode durch die TaOₓ-Schicht zugeschrieben, was andernfalls RESET behindert und negatives SET-Verhalten induziert.

Die Zyklergebnisse von a den Bauelementen ohne Glühen unter 300 DC-Zyklen und b den Bauelementen mit Glühen unter 400 DC-Zyklen. c, d Ausdauereigenschaften unter AC-Modus mit optimierter Betriebskonfiguration: SET 3 V/100 ns; RESET –2 V/200 ns. Bis zu 10⁶ Zyklen wurden für das Bauelement nach Glühen erreicht

Retentionstests bei 150 °C demonstrieren, dass ungeglühte Bauelemente innerhalb von 10⁴ s versagen, während geglühte Zellen sowohl HRS als auch LRS über das gesamte Messfenster beibehalten (Abb. 5a,b). Eine Arrhenius-Analyse extrapoliert eine 85 °C-Lebensdauer von ≈10 Jahren für die geglühte Bauelemente, konsistent mit State-of-the-Art CBRAM-Leistung [17,18]. Die verbesserte Retention wird Defektausheilung zugeschrieben, die Cu-Ionen-Diffusion verlangsamt.

Retentionseigenschaften von HRS/LRS für a ungeglühtes Bauelement und b geglühtes Bauelement bei 150 °C

Abbildung 6 illustriert den Schaltmechanismus. Im ungeglühten Stapel (Cu/Ta₂O₅/Ta/W) migrieren Cu-Ionen durch Ta₂O₅ und bilden ein leitfähiges Filament, das während SET in die Gegenelektrode überwächst. Während RESET driften residuale Cu⁺-Ionen zurück, lassen ein partielles Filamentende zurück und reduzieren die HRS-Variabilität. Im geglühten Stapel (Cu/Ta₂O₅/TaOₓ/W) stellt die hochwiderständige TaOₓ-Schicht eine Diffusionsbarriere dar (Cu-Diffusivität ≈ 4,9 × 10⁻²⁰ cm² s⁻¹ vs. 1,0 × 10⁻⁶ cm² s⁻¹ in Ta), die Filamentwachstum effektiv begrenzt und ein stabileres RESET ergibt.

Das physikalische Modell für das Schaltverhalten der geglühten und ungeglühten Bauelemente. a SET und b RESET Prozess für das ungeglühte Bauelement mit Struktur Cu/Ta₂O₅/Ta/W. c SET und d RESET Prozess für das geglühte Bauelement mit Struktur Cu/Ta₂O₅/TaOₓ/W. Der Filamentüberwuchs wird durch die während des Glühprozesses gebildete TaOₓ-Schicht unterdrückt

Schlussfolgerungen

Durch Integration einer TaOₓ-Deckschicht via Niedertemperatur-Glühen fertigten wir eine Ta₂O₅/TaOₓ-Doppelschicht-CBRAM, die Selbst-Compliance, überlegene HRS/LRS-Uniformität und deutlich verbesserte Ausdauer und Retention aufweist. Dieser einfache, CMOS-kompatible Ansatz bietet einen kosteneffizienten Weg, den Zuverlässigkeitsanforderungen next-generation nichtflüchtiger Speicher gerecht zu werden.

Abkürzungen

CBRAM:

Conductive Bridge Random Access Memory

HRS:

Hochwiderstandszustände

LRS:

Niedrigwiderstandszustände

NVM:

Nichtflüchtiger Speicher

PECVD:

Plasmaunterstützte chemische Gasphasenabscheidung

TE:

Obere Elektrode