Предвзятость

Научные отчеты, том 6, Номер статьи: 22216 (2016) Цитировать эту статью

2790 Доступов

33 цитаты

Подробности о метриках

SiO2 является наиболее часто используемым изоляционным слоем в полупроводниковых устройствах. Его функциональность недавно была расширена до оперативной памяти с переключением сопротивления, где дефектный SiO2 играл активную роль в качестве слоя переключения сопротивления (RS). В этом отчете поведение RS в зависимости от полярности смещения в структуре верхнего электрода с W-распыленным SiO2-нижнего электрода Pt (W/SiO2/Pt) было исследовано на основе развертки тока-напряжения (IV). Когда ячейка памяти была подвергнута гальванопластике с отрицательным смещением, приложенным к W-электроду, ячейка памяти продемонстрировала типичный электронный механизм переключения с коэффициентом сопротивления ~ 100 и высокой надежностью. Для гальванопластики с противоположной полярностью смещения типичное РС, опосредованное ионными дефектами (проводящая нить), наблюдалось с меньшей достоверностью. Такие отличительные механизмы RS, зависящие от полярности смещения гальванопластики, могут быть дополнительно подтверждены с помощью исследования светового освещения. Также были изготовлены устройства с аналогичной структурой электродов с тонким промежуточным слоем Si между электродом SiO2 и Pt для улучшения морфологии пленки RS (среднеквадратическая шероховатость ~1,7 нм). Их характеристики RS были почти идентичны характеристикам однослойного образца SiO2 с очень высокой шероховатостью (среднеквадратическая шероховатость ~ 10 нм), что позволяет предположить, что сообщаемые характеристики RS были присущи свойствам материала.

В полупроводниковых устройствах SiO2 имеет очень разнообразные конфигурации с точки зрения толщины, удельного сопротивления, плотности и диэлектрической проницаемости в зависимости от цели использования. Несмотря на различные аспекты SiO2, он считается полностью пассивным компонентом полупроводниковых приборов из-за его роли изолятора или диэлектрического слоя в емкостных компонентах. Однако, поскольку оперативная память с переключением сопротивления (RRAM) становится одним из ведущих претендентов на энергонезависимую память следующего поколения, SiO2 вместе с другими весьма разнообразными оксидами металлов был протестирован в качестве слоев с активным переключением сопротивления (RS). Некоторые оксиды переходных металлов (ТМО), такие как TiO2, NiO, Ta2O5 и HfO2, были протестированы в качестве слоев RS, поскольку многовалентная природа переходных металлов позволяет легко достичь RS в этих материалах1,2,3,4 . Кроме того, так называемая дилемма «напряжение-время» типичных материалов RS вызвала интерес к поиску альтернативных материалов RS, и несколько групп протестировали SiO25,6,7. Из-за преимущественно ионной связи в материалах TMO RS миграция ионов под действием электрического поля облегчается, когда материал содержит соответствующую плотность ионных дефектов. С другой стороны, SiO2 имеет более ковалентную связь и лишен дальнего порядка. Эти различия в свойствах обеспечивают SiO2-память рядом преимуществ перед другими материалами TMO RS, о ​​чем будет сказано ниже.

Общепринятым механизмом РС во многих ТМО является образование и разрыв проводящих нитей (CF), которые представляют собой либо скопление дефектов, таких как кислородные вакансии (VO), либо наноразмерную проводящую фазу (например, фазу Магнели в TiO2). ) или металлическую нить (например, Cu) в ячейке электрохимической металлизации (ECM)8,9,10. Независимо от того, какова детальная природа этих УФ, участие ионных дефектов, т.е. генерация и миграция дефектов, вызванная электрическим полем (при содействии джоулева нагрева), а также тепловое движение (для разрушения в неполярных РС), является недопустимым. критический фактор работы памяти. В случае SiO2 новаторская работа группы Тура показала, что механизм RS включает образование кластеров Si во время электроформовки и последующий фазовый переход между металлической и полупроводниковой фазами в зависимости от последовательности смещения11. Это важнейшая особенность системы RS на основе SiO2, которая отличает ее от других механизмов RS, основанных на изменении валентности или термохимических реакциях многих материалов TMO, где обратимая окислительно-восстановительная реакция составляющих ионов металлов ответственна за Механизм РС. Характерная особенность неполярного переключения материала RS на основе SiO2, где напряжение сброса [перехода из состояния низкого сопротивления (LRS) в состояние высокого сопротивления (HRS), или Vreset] выше Такому механизму переключения, связанному с фазовым переходом, можно приписать напряжение, необходимое для установки (переключение с HRS на LRS или Vset), тогда как Vset выше, чем Vreset в обычных системах RS на основе TMO11. Причина, по которой такое поведение, т.е. более высокое значение Vreset, чем Vset, является своеобразным, заключается в следующем. В общем, почти все ячейки RRAM имеют последовательную составляющую сопротивления, обусловленную, например, контактным сопротивлением и сопротивлением соединительного провода, которые поглощают определенную часть приложенного напряжения (Ва) во время работы RS. Для сброса ячейка RRAM изначально находится в LRS, поэтому перед переключением требуется небольшая часть Va, а значительная часть Va подается на последовательное сопротивление. Однако после сброса ячейки памяти ее сопротивление становится значительно выше. Затем напряжение на памяти резко возрастает, поскольку часть напряжения, приложенного к последовательному резистору, теперь сбрасывается в память. Если величина последовательного резистора была высокой, сбросное напряжение также было высоким, что могло сделать напряжение ячейки памяти теперь даже выше, чем Vset. Это мгновенно устанавливает ячейку памяти снова, что означает, что стабильный сброс в этом случае невозможен. Ким и др. выяснил подробности такой трудности12. Следовательно, если Vreset определенной ячейки памяти выше, чем ее Vset, такая проблема может еще больше усугубиться. Однако полезно напомнить, что материалы с памятью фазового перехода обычно имеют более высокое значение Vreset, чем Vset, где обратимые фазовые переходы, индуцированные тепловой энергией материалов с фазовым переходом, ответственны за повторяющееся переключение13. Поскольку РС в RRAM на основе SiO2 приписывается обратимому фазовому переходу кластеров Si между металлической и полупроводниковой фазами, может существовать вероятность того, что аналогичный механизм работает, хотя он пока не может быть точно понят. Реакционно напыленная пленка SiO2, использованная в этом исследовании, также показала характерную особенность, аналогичную той, которая наблюдалась в случае операции неполярного переключения. Однако ее надежность была достаточно низкой (возможно было всего несколько десятков циклов переключения), и поэтому серьезно она не изучалась. Скорее, была предпринята попытка работы по биполярному типу, которая показала надежность переключения как минимум в ~ 3000 раз даже в худшем случае.