HfO2/TiOx 双层电阻随机存取存储器中的低功耗电阻开关特性

介绍

由于简单的单元结构、非易失性存储、高速操作和高开/关比，电阻式随机存取存储器 (RRAM) 为缩小传统基于电荷的存储器提供了一种有前景的解决方案 [1,2,3, 4,5,6,7,8,9,10]。最近，单晶体管单电阻器 (1T1R) 是一种被广泛接受的结构，可防止由 1R 阵列中的潜路径电流引起的电阻测量不准确 [11, 12]。此外，新兴的存储器，尤其是基于氧化物的 RRAM，已被提议用于塑料突触装置，因为它可以通过脉冲数进行逐渐的电导调制，它可以模仿生物突触行为来接收来自突触前和突触后神经元的信号 [13,14,15 ,16,17]。然而，高阻开关电流是低功率和高密度应用的主要限制[18,19,20]。如果 RRAM 的操作电流不能相应地缩放，则 1T1R 阵列也面临缩放挑战。例如，当 CMOS 技术缩小到 27 nm 时，驱动电流将减少到 40 μA [21]。因此，通过优化结构和材料将 RRAM 器件的工作电流降至 10 μA 是继续 1T1R 缩放的必要条件 [22]。此外，在复杂的人脑中，生物突触每个事件消耗大约 1 ~ 10 fJ，因此，减少与生物突触一样少的电突触装置的能量消耗对于神经形态人工神经网络 (ANN) 的发展很重要[23， 24,25]。因此，限制器件电流和降低功耗将有利于数据存储和神经形态计算应用的实际过程。

在这项工作中，制备了具有不同氧含量的 TiOx 薄膜的 Pt/HfO2/TiOx/Pt 器件，并证明了低氧含量下的低功率特性。该存储器件通过在溅射过程中降低 TiOx 薄膜的氧含量，实现了 1.52 μW 的设置功率和 1.12 μW 的复位功率。进一步分析了低功耗特性的导电机制，为氧化物 RRAM 设计提供了见解。

方法

Pt/HfO2/TiOx/Pt 器件结构和制造工艺如图 1a 和 b 所示。首先，在 Si/SiO2/Ti 衬底上，在室温下通过直流 (DC) 溅射制备 100 nm Pt 底部电极 (BE)。接下来，使用 TEMAH 和 H2O 作为前体，在 300 °C 下通过原子层沉积 (ALD) (Picosun R200) 技术沉积 3 nm HfO2。随后，通过射频溅射沉积具有不同氧含量的 30 nm TiOx。在 TiOx 薄膜溅射过程中，固定氩 (Ar) 和氧气 (O2) 的总气体流量为 20 sccm 并改变氧分压为 9%、11% 和 13%，三个样品装置（S1、S2 和获得S3)来研究TiOx薄膜的氧含量对电阻开关性能的影响。之后，通过直流溅射沉积 70 nm Pt 顶部电极 (TE) 并使用光刻进行图案化。最后，通过反应离子蚀刻（RIE）形成100 μm × 100 μm的方形器件。 TE 上施加偏置电压，BE 接地。 Pt/HfO2/TiOx/Pt 横截面的高分辨率透射电子显微镜 (HRTEM) 图像如图 2 所示。器件的电气特性使用 Agilent B1500A 半导体参数分析仪进行测量。通过X射线光电子能谱（XPS，Axis Ultra）研究了TiOx薄膜中原子的化学状态。

一 Pt/HfO2/TiOx/Pt 器件的结构。 b 制作工艺流程

Pt/HfO2/TiOx/Pt器件的TEM横截面

结果与讨论

图 3a、b 和 c 显示了 TiOx 薄膜的 XPS O 1s 核心级光谱。为了阐明薄膜中氧的化学键，不对称的O 1s峰分为两个峰，通常归因于O ²⁻ 由金属离子和O ²⁻ 键合 在缺氧区域[26]。 TiOx薄膜溅射过程中氧分压分别设为9%、11%和13%，三个样品中相应的缺氧含量分别约为28.23%、24.06%和23.63%，表明非晶格氧离子和氧空位随着氧分压的增加而减少。

S1、S2 和 S3 中 TiOx 薄膜的 O 1s XPS 扫描光谱。氧分压设为a 9%，b 11% 和 c TiOx薄膜溅射过程中13%

对于新鲜器件，原始状态处于高阻状态（HRS）。如图 4 所示，电流形成 (CF) 用于启动导电丝的形成并将器件状态更改为低电阻状态 (LRS) [27]。当施加 1 μA 的顺从电流时，在 S1 中形成导电路径，在后续操作中可以实现稳定的置位/复位过程。对于 S2 和 S3，从 CF 过程中器件的中间状态直到电流顺应性达到 20 mA 时复位操作都不成功。

a中Pt/HfO2/TiOx/Pt RRAM器件的电流形成工艺 S1，b S2 和 c S3

为了测试 RRAM 器件的电气性能，进行了电压扫描下的直流测量。形成和设置过程中的正偏置电压施加在TE上以完成导电灯丝，而复位过程中的负偏置电压用于断开灯丝。当偏置来回扫描时，三个样品的100 周期双极开关电流-电压（IV）曲线如图5所示。S1器件在10 μA电流顺应性下实现稳定的电阻开关性能，但工作电流为其他两个样品最高可达 10 mA。 S1的低功率特性可能归因于TiOx薄膜中预先存在的高氧空位含量，在成型/固化过程中有效地限制了电流。

a 中 100 cycles 稳定的双向 I-V 曲线 S1，b S2 和 c S3

图 6 和图 7 描绘了周期到周期和设备到设备的变化（相对标准偏差，(σ /μ )) 三个样品，统计结果汇总在表 1 和表 2 中。对于 S1，弱跳跃电流导致电阻分布适中，而 S2 和 S3 形成的强导电丝保证了相对稳定的电阻分布。虽然经过几十次循环后S3有一点退化，但开/关比仍然在100以上。

a 100 个周期的RLRS和RHRS的周期变化 S1，b S2 和 c S3

a 中 20 个设备的 RLRS 和 RHRS 的设备到设备变化 S1，b S2 和 c S3

如图 8 所示，在 1 μA 的低顺从电流下达到了设置功率 (Pset) 1.52 μW 和复位功率 (Preset) 1.12 μW。由于工作电流为 10 mA，其他两个样本的功耗为数十毫瓦。此外，S1的电阻态可以保持10 ⁴ 以上的保持特性 s低于85 °C，开/关比约为100，对于数据存储应用是稳定的。

一 1 μA 电流限制下的电阻开关性能。 b S1中的保留特性超过10 ⁴ 低于 85 °C

为了阐明低功率特性的导电机制，我们对不同工作电流的 S1 和 S3 进行了温度测量，并研究了相应的机制，如图 1 和图 5 所示。 9和10。从25 °C到125 °C，S1的电阻随温度下降，但S3的电阻几乎没有变化。实验电导和温度符合 Mott 的可变范围跳跃模型 [28]，如图 11 所示，这表明 S1 的主要导电机制是电子通过介电氧化物中的局部氧空位缺陷进行跳跃 [29]。当在 TiOx 溅射过程中降低氧分压时，如 S1 所示，初始 TiOx 层中的氧空位含量增加，薄膜电阻降低 [30]。 TE 上的电压主要施加在 HfO2 层上，并促使大量氧空位形成导电细丝。之后，TiOx 层中也激发了新的氧空位，但氧空位之间的联系很弱。因此，TiOx中的电子跳跃传导占主导地位，保证了1μA的低阻性开关电流。

一 S1 中的电阻随温度变化。 b 相应的导电机理示意图

一 S3 中电阻随温度变化。 b 相应的导电机理示意图

a 中 S1 电导的温度依赖性 LRS 和 b 人力资源部

然而，如图 10 所示，在 TiOx 溅射过程中增加氧含量后，HRS 和 LRS 随温度几乎保持不变，这很可能与金属样传输机制有关，由通过导电丝的电子传输引起的氧空位。与 S1 的 RRAM 器件相比，S3 初始 TiOx 层中较少的氧空位不足以进行电子跳跃传导。此外，由于 TiOx 薄膜的电阻增加，偏压同时施加在 HfO2 层和 TiOx 层上。电初始化导致在 HfO2 和 TiOx 层中产生大量氧空位。这些氧空位在两个介电层中形成强导电丝，大量的扩展电子流过相邻的两个氧空位，导致阻变过程中产生高工作电流。

原则上，可以仔细控制氧含量，以在与氧空位相关的其他氧化物电阻存储器 (OxRRAM) 中实现低功耗性能。氧化层的要求是在初始状态应该有足够的氧空位，以便在器件击穿的情况下进行电跳跃传导。然而，过多的氧空位会导致不稳定的耐久性特性并降低器件性能。因此，需要适当的氧空位来限制工作电流和降低功耗。

表 3 将 Pt/HfO2/TiOx/Pt 器件的一些关键参数与其他近期报告进行了比较。该器件具有1.12 μW的低阻性开关功率和各种RRAM器件中超过100的HRS/LRS比的重要优点。

结论

在这项工作中，在 Pt/HfO2/TiOx/Pt 结构器件中演示了 1μA 电阻开关电流。对于导电机制，在TiOx层的低氧含量下，电子跳跃传导占主导地位，这限制了工作电流并降低了功耗。类金属传输在 TiOx 层的高氧含量中占主导地位，两个介电层的“软击穿”导致高工作电流和高功耗。 TiOx 薄膜中适当的氧含量可以限制 RRAM 电流并有助于低功耗特性，这为大工作电流和高功率问题提供了解决方案，并显示了未来嵌入式非易失性存储器和物联网的前景（ IoT) 应用。

缩写

1T1R：

一晶体管一电阻

ALD：

原子层沉积

人工神经网络：

人工神经网络

基础：

底部电极

CF：

电流形成

HRS：

高阻态

HRTEM：

高分辨透射电子显微镜

物联网：

物联网

I-V：

电流-电压

LRS：

低阻态

开/关比：

HRS/LRS

OxRRAM：

氧化电阻存储器

预设：

重置电源

Pset：

设置电源

RIE：

反应离子刻蚀

RRAM：

电阻式随机存取存储器

TE：

顶部电极

XPS：

X射线光电子能谱

σ /μ ：

相对标准偏差