Schwellenumschaltung eines Ag-Ga2Te3-Selektors mit hoher Beständigkeit für Anwendungen in Cross-Point-Arrays

Einführung

Resistiver Direktzugriffsspeicher wurde aufgrund seiner einfachen Bedienung, seines geringen Stromverbrauchs, seines dreidimensionalen (3D) stapelbaren Potenzials, seiner Skalierbarkeit und seiner einfachen Struktur als vielversprechender Kandidat für nichtflüchtige Speicher der nächsten Generation untersucht [1,2,3, 4]. Der durch benachbarte Zellen fließende Kriechstrom muss jedoch reduziert werden, um potenzielle Betriebsfehler zu vermeiden, die in 3D-Cross-Point-Array-(CPA-)Strukturen mit hoher Zelldichte auftreten können [5, 6]. Zweipolige Selektoren mit niedrigen Sperrströmen und hohen Ein/Aus-Verhältnissen werden bevorzugt, um solche Schleichstromprobleme zu beheben [7, 8].

Es wurden bereits verschiedene Arten von Auswahlvorrichtungen mit Schwellenwertschaltcharakteristik (TS) vorgeschlagen, darunter Ovonic-Schwellenwertschalter (OTS) [9], Metall-Isolator-Übergang (MIT) [10], feldunterstützter superlinearer Schwellenwertschalter (FAST) [11], elektrochemische Metallisierung (ECM) [12] und gemischt-ionisch-elektronische Leitung (MIEC) [13]. Selektivität und Leckstrom von OTS- und MIT-Selektoren sollten jedoch für praktische Anwendungen verbessert werden [9, 10]; die Art der Materialien, die für FAST-Selektoren verwendet werden, ist nicht bekannt [11]. Inzwischen haben ECM- und MIEC-Bauelemente mit Ag oder Cu aufgrund ihrer wünschenswerten TS-Eigenschaften, einschließlich ihres geringen Leckstroms, ihres hohen Ein/Aus-Verhältnisses, einer steilen Einschaltflanke und einer großen Hysterese zwischen der Schwellenspannung ( V _TH ) und Spannung halten (V _Halten ) [14,15,16]. In einer Struktur mit einem Selektor und einem Widerstand (1S1R) wird das Spannungsfenster für den Lesevorgang durch die eingestellte Spannung (V _Setzen ) des Speichers und V _TH des Selektors. Weil V _Setzen variiert je nach den für das Speichergerät verwendeten Materialien, die Modulation von V _TH ist erforderlich, um den Betrieb eines 1S1R-Geräts zu erleichtern [17]. Darüber hinaus ist der große Unterschied zwischen V _TH und V _Halten kann die betriebliche Komplexität einer CPA-Struktur verringern und die strengen Anforderungen an die Spannungsanpassung lockern [18, 19].

Der Schaltmechanismus solcher Auswahlvorrichtungen, die ein aktives Metall wie Ag oder Cu verwenden, basiert auf der Bildung und Auflösung des metallischen Leitungskanals. Daher beeinflusst die Matrix des Elektrolytmaterials die Migration des Aktivmetalls und die Schaltgeschwindigkeit des Selektors erheblich. Die Schaltgeschwindigkeit eines auf einem oxidbasierten Elektrolyten basierenden Selektors ist im Allgemeinen langsamer als die Größenordnung von Mikrosekunden [20,21,22], was im Vergleich zu früher berichteten OTS-[23] oder MIT-Selektorvorrichtungen [24 . relativ langsam ist ]. Indessen können Defekte in Chalkogenidfilmen, wie nichtgebundenes Te (NBT), die Aktivierungsenergie für die Wanderung aktiver Metallionen senken; daher sind Chalkogenidmaterialien für die schnelle Migration aktiver Metallionen vorzuziehen [18]. Diese Materialien weisen jedoch aufgrund ihres zufällig geformten metallischen Leitungskanals Nachteile hinsichtlich der Schaltfestigkeit auf, die für Selektoren entscheidend ist [14, 18, 25]. Die Lebensdauer eines ECM-Geräts kann von 10 ³ . verbessert werden bis 10 ⁶ Zyklen unter Verwendung einer Zwischenpufferschicht [26]. Für praktische Anwendungen solcher Vorrichtungen in CPA-Strukturen ist jedoch eine weitere Verbesserung der Lebensdauer erforderlich [5].

In dieser Studie wurde ein hochdefektes amorphes Ga₂ Te₃ wurde als Schaltschicht durch Einfügen einer Ag-Schicht verwendet, um die TS-Eigenschaften in Bezug auf einen geringen Leckstrom (Ruhestrom), hohe Selektivität, Modulation von V . zu untersuchen _TH und V _Halten , und hohe Ausdauer. Amorphes Ga₂ Te₃ ist als Elektrolytmaterial vorteilhaft, da es mehrere NBTs gibt, die die Aktivierungsenergie der Ag-Migration und der Ga-Leerstelle verringern, die als Migrationsstelle für Ag in amorphem Ga₂ . fungiert Te₃ Filme [27,28,29].

Methoden

Selektorgeräte von TiN/Ag/Ga₂ Te₃ /TiN-Stapel wurden mit einer Durchkontaktierungsstruktur hergestellt, um ihre TS-Eigenschaften zu untersuchen, wie in Abbildung 1a dargestellt. Zuerst wurden TiN-Plugs mit einer Größe von 0,42 μm ×  0,42 μm als untere Elektroden (BEs) gebildet. Ga₂ Te₃ Dünnschichten mit einer Dicke von 40 nm wurden durch HF-Magnetron-Co-Sputtern unter Verwendung von Ga₂ . abgeschieden Te- und Te-Ziele. Anschließend wurde ein Ag-Film mit einer Dicke von 10 nm auf Ga₂ . abgeschieden Te₃ Filme durch DC-Magnetron-Sputtern. Schließlich wurde eine TiN-Top-Elektrode (TE) unter Verwendung von DC-Magnetron-Sputtern und einem Lift-Off-Verfahren gebildet.

a Schema des Ag/Ga₂ Te₃ Selektorgeräte. b TEM-Querschnittsbild des TiN/Ag-Ga₂ Te₃ /TiN-Auswahlgerät

Die elektrischen Eigenschaften wurden mit einem Keysight B1500A-Analysator bei 298 K untersucht. DC-Schalttests wurden mit einem Übereinstimmungsstrom (I _komp ), um den harten Ausfall von TS-Geräten zu vermeiden. Außerdem AC I −V Messungen wurden mit einem externen Lastwiderstand von 1 MΩ durchgeführt, um den Ausfall von Geräten zu verhindern. Die Mikrostruktur der Vorrichtung wurde mittels Transmissionselektronenmikroskopie (TEM; JEOL FEM-F200) untersucht, wie in Abb. 1b gezeigt. Die Querschnitts-TEM-Proben der Vorrichtungen wurden unter Verwendung eines fokussierten Ionenstrahlsystems hergestellt. Die Atomverteilung von Ag im Ga₂ Te₃ Film wurde mit TEM-Energiedispersivspektroskopie (EDS)-Messungen untersucht.

Ergebnisse und Diskussion

Abbildung 2a zeigt ein TEM-Querschnittsbild des unberührten TiN/Ag-Ga₂ Te₃ /TiN-Stack eines Selektorgeräts. Die Ag-Zwischenschicht mit einer Dicke von 10 nm wurde auf dem Ga₂ . nicht beobachtet Te₃ dünner Film. Abbildung 2b zeigt die EDS-Kartierung der Ga-, Te-, Ag- und Ti-Elemente für den roten rechteckigen Bereich, der in Abbildung 2a markiert ist. Die EDS-Kartierungsbilder zeigen, dass Ag gleichmäßig im Ga₂ . verteilt ist Te₃ Film, obwohl kein Co-Sputtering-Prozess von Ag angewendet wurde. Das homogene Ag-Ga₂ Te₃ Der Film kann wahrscheinlich aufgrund der Diffusion von Ag während der Stapelbildung gebildet worden sein. Eine solche schnelle Homogenisierung von Ag wurde auch für die GeTe-Filme berichtet [30,31,32]. Ag kann in das Ga₂ . diffundieren Te₃ Dünnfilm aufgrund von Defekten wie NBT- und Ga-Leerstellen im Ga₂ Te₃ dünne Filme [18, 27,28,29].

a TEM-Querschnittsbild des TiN/Ag-Ga₂ Te₃ /TiN-Gerätestruktur. b TEM-EDS-Kartierungsbilder von Ga, Te, Ag und Ti für die rote rechteckige Region, die in a . markiert ist

Abbildung 3a zeigt die Strom-Spannungs-Kennlinien (I-V) von Ag-Ga₂ Te₃ Geräte mit einer unteren Elektrodenfläche von 0,42 µm × 0,42 µm für 100 aufeinander folgende Zyklen von DC-Sweeps. Das Gerät zeigte TS-Eigenschaften ohne einen Umformprozess. Als die Spannung an TE von 0 auf 1,5 V schwankte, stieg der Leitungsstrom bei V . abrupt an _TH ≈ 0,87 V bis I _komp die auf 1 µA eingestellt war, was anzeigte, dass das Gerät von einem hochohmigen Zustand (HRS) in einen niederohmigen Zustand (LRS) wechselte. Das Gerät entspannte sich um V . zurück zum HRS _Halten ≈ 0,12 V, wenn die Spannung von 1,5 auf 0 V reduziert wurde, was einen erheblichen Unterschied zwischen V . zeigt _TH und V _Halten . Der Sperrstrom bei V _TH wurde mit weniger als 100 fA gemessen, was einem der niedrigsten Werte im Vergleich zu zuvor berichteten Selektoren auf Chalkogenidbasis mit aktiven Metallen wie Ag oder Cu entspricht [14, 18, 25, 30, 33]. Die Selektivität, die als das Verhältnis des Stroms im eingeschalteten Zustand zum Strom im ausgeschalteten Zustand definiert ist, betrug ungefähr 10 ⁸ . Wie in Abb. 3b gezeigt, zeigten die I-V-Kurven stabile TS-Kennlinien für verschiedene I _komp Werte im Bereich von 10 nA bis 10 µA, was auf die Flexibilität des Betriebsstroms hinweist. Der umformfreie TS mit großem Unterschied zwischen V _TH und V _Halten des Ag-Ga₂ Te₃ Selektorvorrichtungen sind gegenüber den TS-Eigenschaften des Ga₂ . deutlich günstiger Te₃ -nur OTS-Selektorgeräte [34]. Da der Umformprozess als potenzielles Hindernis für reale Geräteanwendungen angesehen wird, sind die umformungsfreien Eigenschaften von Ag-Ga₂ Te₃ sind günstiger als Wählgeräte, die einen Umformprozess erfordern [35]. Außerdem ist die TS-Charakteristik mit einer großen Hysterese des Ag-Ga₂ Te₃ Wahlvorrichtung kann die Betriebskomplexität der CPA-Struktur verringern und die strengen Anforderungen an die Spannungsanpassung erleichtern [18, 19]. Darüber hinaus ist das Ag-Ga₂ Te₃ Der Selektor zeigt eine steile Einschaltflanke von 0,19 mV/dec mit einer Abtastrate von 1,5 mV pro Messschritt an, wie in Abb. 3c gezeigt. Das Ag-Ga₂ Te₃ Auswahlvorrichtung zeigte hervorragende Eigenschaften, einschließlich seiner hohen Selektivität (10 ⁸ ), niedriger Sperrstrom (<100 fA), steile Einschaltsteilheit (0,19 mV/dez) und formungsfreie Eigenschaften.

a Ich –V Eigenschaften des Ag-Ga₂ Te₃ Auswahlvorrichtung für die Ergebnisse des Gleichspannungs-Sweeps während 100 aufeinanderfolgender Zyklen. Das Ag-Ga₂ Te₃ Wählgerät zeigt einen deutlich niedrigen Ableitstrom (< 100 fA) mit einem Ein-/Aus-Verhältnis von 10 ⁸ . b TS-Eigenschaften von Ag-Ga₂ Te₃ -basiertes Auswahlgerät an verschiedenen I _komp Werte von 10 nA bis 10 μA. c Nahaufnahme des I –V Kurve bei TS, die eine Einschaltneigung von 0,19 mV/dec zeigt

Da die Variation der Geräteleistung ein entscheidender Faktor für die Anwendung eines Selektors auf eine CPA-Struktur ist, sind die Verteilungen von V _TH , V _Halten , Widerstand des hochohmigen Zustands (R _HRS ) und Widerstand des niederohmigen Zustands (R _LRS ) wurden für 25 zufällige Geräte untersucht. Abbildung 4a zeigt, dass die Verteilung der Schwellenspannung im Bereich von 0,75 bis 1,08 V lag, während die Haltespannungsverteilung im Bereich von 0,06 bis 0,375 V lag. Außerdem lag die Widerstandsverteilung am HRS im Bereich von 10 ¹¹ bis 10 ¹⁴ Ω, während der Widerstand am LRS ungefähr 10 ⁶ . betrug Ω, wie in Abb. 4b gezeigt. Aufgrund der Metallleitungskanalbildung weisen Selektorvorrichtungen, die aktive Metalle wie Ag oder Cu verwenden, relativ breite Variationseigenschaften auf [36, 37]. Dementsprechend wurde über Studien zur Verbesserung der Zuverlässigkeit dieser Eigenschaften durch Dotieren oder Einfügen von Pufferschichten berichtet [37, 38].

a Von Gerät zu Gerät Variationen von V _TH und V _Halten für 25 Geräte. b Von Gerät zu Gerät Variationen von R _HRS und R _LRS für 25 Geräte

Um das Übergangsverhalten von Ag-Ga₂ . zu untersuchen Te₃ Selektor wurde der Strom mit einer Waveform Generator Fast Measurement Unit (WGFMU) während eines Spannungsimpulses mit einer Höhe von 3 V, einer Anstiegs-/Abfallzeit von 100 ns und einer Dauer von 1,5 μs mit einem externen Lastwiderstand von 1 MΩ gemessen, as in Abbildung 5a gezeigt. Der Leitungsstrom des Ag-Ga₂ Te₃ Wählvorrichtung erreichte ihren Spitzenwert nach 406 ns ab dem Zeitpunkt, an dem die Spannung ihr Maximum von 3 V erreichte. Außerdem wurde die Vorrichtung innerhalb von 605 ns nach Entfernen der angelegten Spannung in den Aus-Zustand geschaltet. Daher ist die Einschaltzeit und die Ausschaltzeit des Ag-Ga₂ Te₃ Selektor wurden auf ungefähr 400 ns bzw. 600 ns geschätzt. Das langsame Schalten des Ag-Ga₂ Te₃ Selektor kann auf die Migrations- und Redoxreaktionen von Ag zur Bildung des Leitungskanals zurückgeführt werden. Außerdem wurde der Einfluss der angelegten Spannung und Messtemperatur auf die Schaltzeit bei einer Eingangsspannung von 1,5–5 V und einer Messtemperatur von 298–375 K untersucht. Die Einschaltzeit wurde von 1 μs auf 294 . verkürzt ns, wohingegen die Ausschaltzeit von 400 ns auf 849 ns erhöht wurde, während die Pulsspannung von 1,5 auf 3,5 V erhöht wurde, wie in Abb. 5b gezeigt. Die Abhängigkeit der Schaltgeschwindigkeit von der angelegten Spannung ist vergleichbar mit den zuvor berichteten Ergebnissen der Ag-Schicht auf HfO₂ und TiO₂ [39]. Darüber hinaus zeigt Abb. 5c, dass die Ein- und Ausschaltzeiten mit steigender Messtemperatur abnahmen. Die exponentielle Abhängigkeit der Schaltgeschwindigkeit von der Messtemperatur lässt sich gemäß dem Arrhenius-Diagramm der Schaltgeschwindigkeit gegen die Messtemperatur in Abb. 5d auf thermisch begünstigte Prozesse zurückführen, wie z. B. die Diffusion von Ag-Atomen in die Elektrolytfilmmatrix [40]. Die Aktivierungsenergien für das Ein- und Ausschalten wurden auf 0,50 eV bzw. 0,40 eV geschätzt, die mit denen vergleichbar sind, die in einem früheren Bericht über ein Ag-Filament-basiertes Gerät vorgestellt wurden [41]. Es wurde berichtet, dass die leitenden Ag-Kanäle in HfO₂ . unter elektrischer Vorspannung gebildet wurden , SiO₂ , und TiO₂ [15, 42, 43]. In dieser Studie wurde jedoch beobachtet, dass Ag in reinem Ga₂ . gleichmäßig verteilt ist Te₃ Filme. Obwohl der Mechanismus für TS in Ga₂ Te₃ Filme mit gleichmäßiger Verteilung von Ag ist nicht klar verstanden, Ag könnte mit der Bildung von leitfähigen Kanälen in Ga₂ . zusammenhängen Te₃ Filme unter elektrischer Vorspannung. Daher ist die Abhängigkeit der Schaltgeschwindigkeit von der Eingangsspannung und der Messtemperatur des Ag-Ga₂ Te₃ Auswahlvorrichtung kann auf die Bildung der leitenden Kanäle zurückgeführt werden.

a AC ich –V Messung des Ag-Ga₂ Te₃ Auswahlvorrichtung (Messbedingungen:Anstiegszeit = 100 ns, Dauer = 1,5 μs, Abfallzeit = 100 ns und Eingangsspannung = 3 V). b Abhängigkeit der Schaltgeschwindigkeit von der angelegten Pulsspannung. c Abhängigkeit der Schaltgeschwindigkeit von der Messtemperatur. d Arrhenius-Diagramm der Schaltgeschwindigkeit gegen die Messtemperatur

Die Wechselstrom-Ausdauercharakteristik wurde unter den gleichen Spannungsimpulsbedingungen wie beim Schaltgeschwindigkeitstest untersucht. Die Lesespannungen für HRS und LRS betrugen 0,5 bzw. 3 V. Die gemessenen Widerstände von HRS und LRS wurden für 450 Punkte pro Dekade aufgetragen, wie in Abb. 6 gezeigt. Der Ag-Ga₂ Te₃ Auswahlvorrichtung wies stabile Ausdauereigenschaften von bis zu 10 ⁹ . auf Zyklen mit einer Selektivität von 10 ⁸ , was im Vergleich zu anderen Selektoren, die Chalkogenide und aktive Metalle verwendet haben, hervorragende Schaltfestigkeitseigenschaften zeigt [18, 25, 30].

Wechselstrom-Ausdauercharakteristik von Ag-Ga₂ Te₃ Auswahlgerät bis zu 10 ⁹ Zyklen (0,5 V und 3 V Lesespannungen für R _HRS und R _LRS , bzw.)

Schlussfolgerungen

In dieser Studie demonstrierten wir die stabilen TS-Eigenschaften einer Selektorvorrichtung, die unter Verwendung von Ag mit hoher Ionenmobilität und stark defektem amorphem Ga₂ . hergestellt wurde Te₃ als Schaltschicht. TEM-Analysen von TiN/Ag-Ga₂ Te₃ /TiN-Struktur zeigte, dass die eingebettete Ag-Zwischenschicht vollständig in das Ga₂ . diffundiert war Te₃ Film, um eine gleichmäßige Ag-Verteilung im Ga₂ . zu erzeugen Te₃ Schicht. Dies kann an der stark defekten Struktur von amorphem Ga₂ . liegen Te₃ während der anschließenden TE-TiN-Abscheidung. Das Ag-Ga₂ Te₃ Selektorvorrichtung wies umformfreie TS, eine große Hysterese (1 V), hohe Selektivität (10 ⁸ ), niedriger Sperrstrom (<100 fA), steiles Einschaltgefälle (0,19 mV/dez) und hervorragende Ausdauereigenschaften (10 ⁹ Fahrräder). Außerdem zeigten AC I-V-Messungen, dass die Schaltgeschwindigkeit in der Größenordnung von Hunderten von Nanosekunden liegt. Die Abhängigkeit der Schaltgeschwindigkeit von der Pulsspannung kann der kombinierte Effekt von Ag-Migration und Redoxreaktion sein. Darüber hinaus deutete das Arrhenius-Verhalten der Schaltgeschwindigkeit basierend auf der Messtemperatur darauf hin, dass die TS mit einem thermisch unterstützten Prozess zusammenhängt. Zusammenfassend lässt sich sagen, dass das Ag-Ga₂ Te₃ Gerät mit den hervorragenden TS- und Ausdauereigenschaften ist ein vielversprechender Kandidat für Selektoren in CPA-Speicheranwendungen.

Verfügbarkeit von Daten und Materialien

Alle Daten sind uneingeschränkt verfügbar.

Abkürzungen

3D:

3-dimensional

CPA:

Kreuzungspunkt-Array

TS:

Schwellwertumschaltung

OTS:

Ovonic-Schwellenschalter

MIT:

Metall-Isolator-Übergang

SCHNELL:

Feldunterstützter superlinearer Schwellwertschalter

ECM:

Elektrochemische Metallisierung

MIEC:

Gemischt-ionisch-elektronische Leitung

V _TH :

Schwellenspannung

V _Halten :

Spannung halten

1S1R:

Ein Selektor-ein Widerstand

V _set :

Spannung einstellen

NBT:

Nicht gebundenes Te

TE:

Top-Elektrode

BE:

Untere Elektrode

I _komp :

Compliance aktuell

HRS:

Hochohmiger Zustand

LRS:

Niederohmiger Zustand

R _HRS :

Widerstand des hochohmigen Zustands

R _LRS :

Widerstand des niederohmigen Zustands