V/SiOx/AlOy/p++Si 器件作为选择器和存储器的双重功能

背景

电阻式随机存取存储器 (RRAM) 因其开关速度快 [1, 2]、低功耗 [3,4,5,6,7 ,8]，多级能力[9,10,11,12,13,14,15]，高可扩展性[16,17,18,19,20]，3D堆叠能力[21,22,23,24,25] ]。这些特性特别适用于存储类内存 (SCM)，它可以填补作为主存储器的动态随机存取存储器 (DRAM) 与作为存储存储器的固态驱动器 (SSD) 之间的性能差距。尽管 RRAM 设备在过去几年取得了很大进展 [1,2,3,4,5,6,7,8,9,10,11,12,13,14,15,16,17,18,19 ,20,21,22,23,24,25]，然而，仍然存在一个主要缺点：通过相邻单元的潜行电流发生在高密度交叉点阵列中 [26]。具有选择器组件的存储设备应提供非线性电流-电压 (I-V) 特性来克服这个问题 [26,27,28,29,30,31,32,33,34,35]。到目前为止，具有非线性概念的各种器件，例如互补电阻开关 (CRS) [26]、隧道势垒 [27,28,29,30,31,32,33]、基于银的阈值开关 [34]、二极管型选择器 [35, 36]、ovonic 阈值切换 (OTS) [37, 38] 和金属绝缘体过渡 (MIT) [39,40,41,42,43] 已被报道。 VOx 作为典型的 MIT 材料之一，它可以作为光和电开关组件广泛用于潜在应用中 [40,41,42]。 SiO2在半导体工业中被广泛用作钝化层。此外，富硅 SiOx (x <2) 可用作 RRAM 中的电阻变化层 [44,45,46,47,48,49,50,51,52,53,54,55]。二氧化硅x 在与 CMOS 工艺的兼容性和低成本方面，它比许多其他材料更受欢迎。二氧化硅x 据报道，基于 RRAM 的器件仅通过使用具有高扩散率的 Cu 和 Ag 等电极就可以充当传导桥的中介 [44,45,46,47]。在另一种情况下，存储器切换是由 SiOx 内部的价变效应引起的 层，这可以通过产生氧空位或质子交换模型来解释 [48,49,50,51,52,53,54,55]。在设置操作先于复位的单极开关中，它对环境气氛很敏感。空气中的开关性能显着降低 [48,49,50,51,52,53]。另一方面，没有反向扫描效应的丝状开关在各种 SiOx 中表现出典型的单极和双极开关 基于RRAM设备[52,53,54]。

在这里，我们展示了 V/SiOx 中阈值切换和存储器切换的共存 /AlOy /p ⁺⁺ Si 器件取决于合规电流限制 (CCL)。与传统金属电极相比，具有硅底电极 (BE) 的器件具有多个优点。具有存储器或阈值开关的 RRAM 器件直接连接到晶体管中的源极或漏极侧，这是嵌入式存储器和陡坡器件的潜在应用。由于 Si BE 的串联电阻，可以降低过冲电流。此外，通过湿法蚀刻和调整硅表面掺杂浓度的硅BE纳米尖端可以提高开关性能。氧化铝y 层是具有绝缘特性的大带隙，有助于降低阈值和存储器切换期间的工作电流。 SiOx 层在高 CCL 时充当存储器切换层，而在低 CCL 时为 V TE 提供氧气，从而提供阈值切换。

方法

V/SiOx /AlOy /p ⁺⁺ Si器件制作如下：首先，以40 keV的加速能量和5 × 10 ¹⁵ 的剂量注入BF2离子 cm ⁻² 进入 Si 衬底到重掺杂的 Si BE。通过在 1050°C 下进行 10 分钟的退火工艺来治愈晶格损伤。重掺杂的 Si BE 具有 30.4 Ω/□ 的薄层电阻。接下来，1.5 纳米厚的 AlOy 层通过原子层沉积 (ALD) 系统使用 H2O 和 Al (CH3)3 以及 5.5 nm 厚的 SiOx 沉积 通过在 300°C 下使 5% SiH4/N2 (160 sccm)、N2O (1300 sccm) 和 N2 (240 sccm) 反应，该层经历了等离子体增强化学气相沉积 (PECVD)。随后，通过使用 Ar 气 (30 sccm) 直流溅射 V 靶来沉积直径为 100 μm 的 50 nm 厚的钒 (V) 顶部电极 (TE)。最后，通过直流溅射沉积 50 nm 厚的 Al 作为保护层，以防止 V TE 进一步氧化。使用吉时利 4200-SCS 半导体参数分析仪 (SPA) 和 4225-PMU 超快电流-电压 (I-V) 模块在室温下分别通过直流电压扫描和脉冲模式表征所有电气特性。对于器件操作，TiN BE 接地并控制 Ni TE 偏置。

结果与讨论

图 1a 显示了 V/SiOx 的结构示意图 /AlOy /p ⁺⁺ 硅装置。三无定形V，SiOx , 和 AlOy 通过透射电子显微镜（TEM）横截面图像观察层和单晶硅层，如图 1b 所示。 SiOx 的厚度 和AlOy 层分别为 5.5 和 1.5 纳米。为了确认两种介电薄膜的组成比，进行了 XPS 分析（附加文件 1）。 x SiOx 的值 和 y AlOy 的值 分别为 0.88 和 1.33。我们的 SiOx 与使用干氧化沉积的 SiO2 相比，使用 PECVD 的薄膜在低得多的温度下沉积并且具有更多的缺陷，使其适合在相对较低的电压下进行电阻开关。图 2a 显示了 V/SiOx 的典型阈值切换 /AlOy /p ⁺⁺ 硅装置。由于介电层最初具有较小的缺陷，因此使用正形成工艺的初始切换比随后的阈值切换需要更高的电压。将 1 μA 的 CCL 应用于器件以避免在 SiOx 中形成过多的导电细丝 层。与之前报道的 VOx 阈值切换相比，漏电流非常低（1 V 时为 100 pA） .这一优势归因于与 SiO2 相比具有更高介电常数和热导率的 Al2O3。断态具有绝缘特性，因为灯丝很容易破裂，然后没有剩余的灯丝。阈值切换的一种可能机制是来自 SiOx 提供的氧对 VTE 的氧化 如图 2b 所示。 VOx的电学性质 V TE 和 SiOx 之间 层可能会从绝缘状态变为金属状态，从而导致电阻的突然变化。 1 μA 的低 CCL 不足以在 SiOx 内形成有效的导电细丝 电影。因此，SiOx 具有绝缘特性可能是降低关断电流的另一个原因。对于 V/SiOx 的负形成过程 /AlOy /p ⁺⁺ Si 设备，未观察到阈值切换（请参阅附加文件 1）。当对V TE 施加负偏压时，氧化物的运动向Si BE 移动，因此V TE 不再像VOx 那样参与阈值切换 .图 2a 的插图展示了 100 个周期期间的阈值电压 (Vth) 和保持电压 (Vhold)。电流以几乎无穷大的斜率急剧增加的 Vth 介于 1.08 和 1.82 V 之间，而此时电流返回到高电阻状态的 Vhold 介于 0.12 和 0.54 V 之间。图 2c 显示了导通中的 I-V 特性- 不同温度下的电流。在 25°C 和 55°C 下，它们显示出几乎相似的阈值切换，但在 85°C 的较高温度下的 I-V 曲线失去了阈值切换特性。众所周知，VOx 在高温下失去其 MIT。因此，这个结果是另一个证明 VOx 是阈值切换的主要原因。图 2d 显示了阈值切换的瞬态特性。幅度为 1 V 的脉冲监测宽度为 1 μs 的写入脉冲前后的读取电流。在对器件施加高振幅脉冲的同时监测高电流，然后，V/SiOx /AlOy /p ⁺⁺ Si 器件在删除写入脉冲后立即关闭电流。当与低于 1 μA 的存储器元件的操作相结合时，可以使用上面分析的选择器属性 [55, 56]。

V/SiOx的器件配置 /AlOy /p ⁺⁺ 西。 一 示意图和b 透射电镜图像

V/SiOx/AlOy/p ⁺⁺ 的单向阈值切换 当使用 1 μA 的 CCL 进行正成型时的 Si。 一 典型的 I-V 曲线。 b 成型工艺示意图。 c 温度依赖性的 I-V 特性。 d 瞬态特性

图 3a 显示了 V/SiOx 的双极电阻切换 /AlOy /p ⁺⁺ 使用 100 μA 的 CCL 进行正成型后的 Si 器件。然后，通过扫负电压进行电阻快速增加的复位过程，器件切换到高阻状态（HRS）。然后在正偏置电压下发生电阻快速下降的设置过程，导致器件返回到低电阻状态 (LRS)。为了了解导电灯丝的特性，我们观察归一化电导和温度依赖性。 LRS 中的传导是间接告知导电灯丝特性的重要指南。图 3b 显示了归一化电导 (GN)，其定义为动态电导 (Gd) 除以静态电导 (G0)，用于 V/SiOx 的 I-V 曲线 /AlOy /p ⁺⁺ 具有不同温度的 LRS 中的 Si 器件。无论温度如何，当电压为零时，GN 值都会收敛到 1。这使我们可以排除众所周知的传导机制，例如肖特基发射、福勒-诺德海姆隧道效应和柴尔德定律 (I~V ² ) 在空间电荷限制电流 (SCLC) 中。考虑到温度依赖性，也可以排除金属欧姆传导，如图 3c 所示。电阻随温度升高而降低表明导电丝具有半导体特性。因此，我们可以排除 V 渗透到 SiOx V/SiOx 主导电丝层 /AlOy /p ⁺⁺ LRS 中的 Si 器件。因此，V/SiOx的双极记忆操作 /AlOy /p ⁺⁺ Si器件主要是SiOx的本征转换 .还证实正负电流没有太大不同，这表明它不是像肖特基发射这样的界面类型，而是由体传导主导。考虑到上述归一化电导，有两种可能的体主导传导机制。第一个是跳跃传导，公式如下：

V/SiOx的内存切换 /AlOy /p ⁺⁺ 当使用 30 μA 的 CCL 进行正成型时的 Si。 一 典型的 I-V 曲线。 b 归一化电导。 c 在 (I) 与 1000/T 中。 d 成型工艺示意图

其中 q , n , a , ø T , v o , 和 d 分别是电荷、空间电荷浓度、跳跃距离的平均值、跳跃的电子势垒高度、固有振动频率和介电膜的厚度。 ø T 从 ln (I) 与 1000/T 的线性图的斜率计算的 0.463 eV，如图 3c 所示。根据 Ea 和 V 之间的关系计算得出的值为 5.17 nm，表明在 SiOx 中形成了导电细丝 不强，接近HRS状态。另一种传导机制，Poole-Frenkel (P-F) 发射，在附加文件 1 中有介绍。基于上述结果，V/SiOx 存储器操作中的导电灯丝模型 /AlOy /p ⁺⁺ Si 器件如图 3d 所示。在正极形成过程中，氧化过程在 V TE 侧进行，但由于高 CCL，可以在 SiOx 内部形成导电细丝 和AlOy 由于氧空位的移动。在复位过程中，与形成和设置相反的电场诱导氧并与氧空位复合，导致导电丝断裂。需要注意的是，选择器和内存操作是在同一个单元格中观察到的。发生阈值操作后，可以进行内存操作，然后开关完全关闭。然而，相反的方向是不可能的，因为存储器操作的复位开关没有完全关闭。

图 4a 显示了 V/SiOx 的 LRS 中的归一化 I-V 曲线 /AlOy /p ⁺⁺ 不同 CCL 条件（5 μA、30 μA 和 1 mA）下处于低电压状态 (0~1 V) 的 Si 器件。这里，归一化的 I-V 曲线定义为每个电压下的电流除以 1 V 处的电流。由于 LRS 电流的水平取决于 CCL，我们将电流值设置为 1 V 以轻松比较非线性。可以观察到，随着 CCL 降低，电流在较低电压状态下被抑制。为了推导出更定量的关系，非线性被定义为 VREAD 处的电流与 VREAD 一半处的电流之比。图 4b 显示了 V/SiOx 在 1 V 时的读取电流和作为 CCL 函数的非线性 /AlOy /p ⁺⁺ 硅装置。由于 CCL 减少而导致读取电流的降低表明导电灯丝变得更细，然后非线性度增加。本征氧化硅膜即使在单层中也表现出高非线性。固有的非线性特性是由于氧化硅的本体性质而不是硅的界面。 CCL 越小，SiOx 中产生的降解越少 ，因此与 HRS 相比，LRS 中陷阱能级的降低可以最小化。因此，当较低的 CCL 应用于器件时，较高的能量势垒可以最大限度地提高 LRS 状态的非线性。类似地，由 TaOx 中的 P-F 发射描述的传导 /TiOy 堆栈确保高非线性[57]。另一种可能性是因为氧化物的介电常数较小，由于场的集中，对氧化物膜进行了更多的通过。这会导致氧化物层的陷阱能级降低，可以预期作为 Al2O3 的隧道势垒。获得n中的读取余量（ΔV） × n 交叉点阵列，我们使用简化的等效电路，如图 4c 所示。考虑到最坏的情况，相邻小区设置为 LRS，负载电阻 (RL) 设置为 LRS 电阻。 ∆V 是根据 LRS 处的 VOUT 和 HRS 处的 VOUT 之间的差异计算得出的。图 4d 显示了作为字线数 (n ) 对于 V/SiOx /AlOy /p ⁺⁺ 硅装置。 CCL 越小，ΔV 越高，因为非线性增加。当确保 10% 的读取余量时，对于 5 μA 的 CCL，阵列可以扩展到大约 10 × 10 以上，对于 1 mA 的 CCL，可以扩展到 5 × 5。能够承受潜行电流的阵列尺寸是不够的，但是当具有选择器功能的器件连接在 V/SiOx 中时，它有助于扩大阵列尺寸 /AlOy /p ⁺⁺ 硅装置。与所有 CCL 中的 0.5-V 读取相比，它在 1 V 读取时具有更高的非线性。虽然低 VREAD 导致读取操作中的静态功耗低，但非线性值变小，这是由于电场在 SiOx 上较少 /AlOy 较小的 VREAD 中的层。

V/SiOx的非线性特性 /AlOy /p ⁺⁺ Si 用于内存切换。 一 具有不同 CCL 的 I-V 曲线。 b 读取电流和非线性作为 CCL 的函数。 c 交叉点阵列的等效电路。 d 作为不同 CCL 的字线数和读取电压的函数的读取裕量

结论

在这项工作中，V/SiOx /AlOy /p ⁺⁺ 研究了通过简单地控制CCL同时具有选择器和存储功能的Si器件。当应用 1 μA 或更小的 CCL 时，会观察到选择器应用的单向阈值切换。正形成氧化 V 电极和 VOx 的 MIT 现象 可以诱导阈值切换。氧化铝y 层能够实现10 ⁴ 的高选择性 通过降低关断电流。另一方面，当应用 5 μA 或更大的 CCL 时，观察到存储器切换，因为在 SiOx 上形成了有效的导电细丝 层。 CCL越低，非线性越大，有助于增加交叉点阵列的尺寸。

缩写

ALD：

原子层沉积

基础：

底部电极

CCL：

合规电流限制

CRS：

互补电阻开关

DRAM：

动态随机存取存储器

HRS：

高阻态

I-V：

电流-电压

LRS：

低阻态

麻省理工学院：

金属绝缘体过渡

OTS：

卵巢阈值切换

PECVD：

等离子体增强化学气相沉积

P-F：

普尔-弗兰克尔

RRAM：

电阻式随机存取存储器

SCLC：

空间电荷限制电流

单片机：

存储类内存

SPA：

半导体参数分析仪

SSD：

固态硬盘

TE：

顶部电极

TEM：

透射电子显微镜

V:

钒