Механизмы транспорта в элементе резистивной памяти
на основе HfO2
1, 1, Cheng C. H.2, Chin A.3
1Новосибирск, Российская Федерация, Институт физики полупроводников им. СО РАН
2 Taipei 106, Taiwan ROC, Dept. of Mechatronic Technology, Department of Electronics Engineering, National Taiwan Normal University
3Hsinchu 300, Taiwan ROC, National Chiao-Tung University
*****@***nsc. ru
Одной из важнейших задач современной микро - и нано - электроники является поиск универсальной энергонезависимой памяти, которая должна заменить как оперативную память (RAM), так и флэш память на основе плавающего затвора и нитрида кремния. В качестве такой универсальной памяти интенсивно разрабатывается резистивная память ReRAM основе high-к диэлектриков [1–3] из-за высокой скорости перепрограммирования ячейки (менее 10 нс), высокого количества циклов перепрограммирования (106–1012) и долговременного хранения записанной информации (не менее 10 лет при 85°C). Принцип действия резистивной памяти основан на обратимом изменении сопротивления при приложении импульса напряжения. Общепринятая современная точка зрения состоит в том, что переключение резистивного элемента памяти из высокоомного состояния (HRS) в низкоомное (LRS) (и обратно) обусловлено образованием (аннигиляцией) вакансий кислорода [4, 5]. То есть вакансия кислорода выступает в роли ловушки носителей заряда и, таким образом, играет ключевую роль при переносе заряда. Для создания наиболее оптимальных устройств ReRAM памяти и полного понимания механизма перепрограммирования ячейки ReRAM, необходимо всесторонне изучить транспортные свойства активной диэлектрической среды запоминания.
На сегодняшний день известны различные модели переноса заряда в диэлектриках, однако в основе их всех лежит ионизация ловушек: ионизация изолированной кулоновской ловушки по механизму Френкеля, который заключается в понижении энергетического барьера при приложении электрического поля [6]; перескок между перекрывающимися кулоновскими центрами при понижении энергетического барьера в электрическом поле, т. н. эффект Пула [7, 8], многофононная ионизация изолированной нейтральной ловушки (при низкой концентрации ловушек N) [9], фонон-облегчённое туннелирование заряда между перекрывающимися ловушками при высоком значении N [10]. Также электрический ток может лимитироваться эмиссией электронов из металла в диэлектрик за счёт эффекта Шоттки – снижения энергетического барьера для электронов при приложении электрического поля [11]. В научной литературе можно встретить ряд работ, посвящённых изучению механизма переноса заряда в high-к диэлектриках, где авторы качественно сравнивают экспериментальные результаты с моделями Пула-Френкеля без численного сравнения свойств образцов и плёнок, в том числе концентрации ловушек N, частотного фактора н, относительной диэлектрической проницаемости е∞. При этом, если провести все вычисления до конца, получаются некорректные значения этих параметров: либо слишком высокие, либо слишком низкие.
В настоящее время HfO2 активно изучается как перспективный материал в качестве запоминающей среды ReRAM. Целью настоящей работы является изучение механизмов транспорта в HfO2 и сравнение экспериментальных результатов с теоретическими моделями, предсказывающими локализацию ловушек и экспоненциальную зависимость ионизации ловушек от электрического поля, т. е. с моделями Пула-Френкеля и многофононной ионизации ловушки.
Исследуемые в работе плёнки оксида гафния выращивались методом физического осаждения (PVD) на Si подложках p - и n-типа. Толщины плёнок варьировались в пределах 8–20 нм. Структурный анализ выявил аморфную структуру выращенных нестехиометрических плёнок HfOx, x < 2. Сверху напылялся тонкий слой Ni в качестве электрического контакта круглой формы радиусом 70 мкм для транспортных измерений. Эффект резистивной памяти ReRAM изучался в структурах Si/TaN/HfOx/Ni. Вольт-амперные характеристики (I-V) измерялись при температурах T = 25–150°C.
|
|
Рис. 1. Гистерезис вольт-амперных характеристик структуры Si/TaN/HfOx/Ni при различных температурах. Символами показаны экспериментальные данные. Сплошные линии иллюстрируют результаты моделирование HRS в рамках модели фонон-облегчённого туннелирования заряда между перекрывающимися ловушками. Пунктирными линиями приведены результаты моделирование LRS в рамках теории протекания. Точки показывают положение I-V для Hf филамента диаметром 10 нм и длиной 8 нм. | Рис. 2. Вольт-амперные характеристики структуры n-Si/ HfOx/Ni при различных температурах. Символами показаны экспериментальные данные. Линии иллюстрируют результаты моделирование в рамках модели фонон-облегчённого туннелирования заряда между перекрывающимися ловушками. ДT = 25°C |
На рисунке 1 символами представлен набор I-V-T ReRAM структуры при различных температурах. Приведённые зависимости имеют характерный гистерезис, что говорит о переключении из состояния с высоким сопротивлением в состояние с низким сопротивлением при приложении импульса напряжения. Приложение напряжения с противоположной полярностью переключает систему из LRS в HRS. Разница токов между HRS и LRS при напряжении на Ni контакте 0,5 В («окно памяти») составляет 2 порядка. Т. е. структура TaN/HfOx/Ni может быть использована в элементах памяти ReRAM.
Для изучения переноса заряда в HRS экспериментальные зависимости I-V-T для МОП структур Si/HfOx/Ni моделировались в рамках различных моделей переноса. Анализ экспериментальных данных (символы на рис. 2) показал, что они могут быть качественно интерпретированы в рамках моделей Пула-Френкеля. Однако вычисленное значение частотного фактора н ~ 1021 с-1 намного превышает характерное значение Wt/h ~ 1 эВ/h ~ 1014 с-1 [6], а вычисленное значение относительной диэлектрической проницаемости е∞ = 10 превышает значение относительной диэлектрической проницаемости оксида гафния е∞(HfO2) = 4. Здесь и далее Wt – энергия термической ионизации ловушки, h – постоянная Планка. Многофононная ионизация ловушек не описывает экспериментальные данные из-за различного наклона в координатах log(I)-V при различных температурах. В отличие от эффекта Френкеля, полученное рамках эффекта Шоттки значение относительной диэлектрической проницаемости е∞ = 2,5 отличается от е∞(HfO2) в меньшую сторону. Фонон-облегчённое туннелирование между ловушками достаточно хорошо описывает экспериментальные I-V характеристики как качественно, так и численно. Процедура многопараметрической подгонки позволяет получить значения термической энергии ионизации ловушки в HfO2 Wt = 1,25 эВ, оптическую энергию ловушки Wopt = 2,5 эВ, эффективную массу m* = 0,8me, N = 2,5Ч1020 см-3, оценить частотный фактор н ~ 1014 с-1. Расчётные I-V-T зависимости представлены на рисунке 2 линиями с различной штриховкой.
Аналогичная процедура была проведена для ReRAM. Состояние с высоким сопротивлением хорошо описывается моделью фонон-облегчённого туннелирования заряда между ловушками (рис. 1). Как и ранее, экспериментальные данные могут быть интерпретированы в рамках других моделей, но количественного согласия нет. Полученные энергетические параметры ловушек совпали со значениями для МОП структур.
Для описания LRS на сегодняшний день общепринята точка зрения, что это состояние обусловлено формированиям проводящих нитей (филаментов) или нанопроволочек диаметром D ~ 10 нм [12, 13]. Тем не менее, расчётный ток через такую нить значительно превышает экспериментальные значения (точечная линия на рис. 2). Авторы полагают, что данное состояние формируется образованием цепочек вакансий кислорода, но химический состав филаментов не Hf как полагается в [12, 13], а HfOx с x ⪡ 1. Транспорт в такой системе описывается теорией протекания в электронных системах с крупномасштабными флуктуациями потенциала [14]. Интерпретация экспериментальных результатов в рамках теории протекания позволяет описать экспоненциальную температурную зависимость тока в LRS (штриховые линии на рис. 1), а также оценить пространственный масштаб флуктуаций потенциала a ~ 1–2 нм и порог протекания W ~ 1,0 эВ. Тем не менее, для более аккуратного описания LRS теорию протекания Шкловского необходимо модифицировать с учётом того, что в оксидах типа HfOx наряду с флуктуациями потенциала имеются, также, пространственные флуктуации диэлектрической проницаемости е0.
Работа выполнена при поддержке Российской академией наук, проект №24.18, Сибирского отделения Российской академии наук, проект №1.14, и Национального научного совета Тайваня, проект NSC-103-2923-E-009-002-MY3.
1. Strukov D. B., Snider G. S., Stewart D. R., Williams R. S. The missing memristor found // Nature. 2008. 453. P. 80–83.
2. Yang J. J., Pickett M. D., Li X. et al. Memristive switching mechanism for metal/oxide/metal nanodevices // Nature Nanotechnology. 2008. 3. P. 429–433.
3. Borghetti J., Snider G. S., Kuekes P. J. et al. ‘Memristive’ switches enable ‘stateful’ logic operations via material implication // Nature. 2010. 464. P. 873–876.
4. Gillen R., Robertson J., Clark S. J. Electron spin resonance signature of the oxygen vacancy in HfO2 // Applied Physics Letters. 2012. 101. P. 102904.
5. Lee M.-J., Lee C. B., Lee D. et al. A fast, high-endurance and scalable non-volatile memory device made from asymmetric Ta2O5-x/TaO2-x bilayer structures // Nature Materials. 2011. 10. P. 625–630.
6. Frenkel J. On Pre-Breakdown Phenomena in Insulators and Electronic Semi-Conductors // Physical Review. 1938. 54. P. 647–648.
7. Hill R. M. Poole-Frenkel conduction in amorphous solids // Philosophical Magazine. 1970. 23. P. 59–86.
8. Ielmini D. Threshold switching mechanism by high-field energy gain in the hopping transport, of chalcogenide glasses // Physical Review B. 2008. 78. P 035308.
9. Makram-Ebeid S., Lannoo M. Quantum model for phonon-assisted tunnel ionization of deep levels in a semiconductor // Physical Review B. 1982. 28. P. 6406–6424.
10. , Гриценко заряда в диэлектриках туннелирование между ловушками // ЖЭТФ. 2011. 139. С. 1–10.
11. Schottky W. Ьber den EinfluЯ von Strukturwirkungen, besonders der Thomsonschen Bildkraft, auf die Elektronenemission der Metalle // Physikalische Zeitschrift. 1914. 15. P. 872–878.
12. Bersuker G., Gilmer D. C., Veksler D. et al. Metal Oxide RRAM Switching Mechanism Based on Conductive Filament Microscopic Properties // IEDM10. 2010. P. 456–459 (19.6.1–19.6.4).
13. Hou T.-H., Lin K.-L., Shieh J. et al. Evolution of RESET current and filament morphology in low-power HfO2 unipolar resistive switching memory // Applied Physics Letters. 2011. 98. P. 103511.
14. Шкловский электропроводность в сильных электрических полях // ФТП. 1979. 13. С. 93–97.
