超低功耗HfO₂/TiOₓ双层RRAM：氧空位工程实现1.12 µW切换

摘要

我们成功制备由原子层沉积HfO₂层和射频溅射TiOₓ层组成的阻变随机存取存储器（RRAM）器件。通过精细调控TiOₓ沉积时氧分压，实现前所未有的低功耗操作：置位转换1.52 µW（1 µA@1.52 V），复位1.12 µW（1 µA@1.12 V）。详细分析揭示TiOₓ层中适度氧空位浓度抑制成型/置位时的"软击穿"，限制电流并大幅降低功耗。

引言

阻变随机存取存储器（RRAM）凭借简单双端结构、非易失性、快速切换、高开关比，成为后CMOS缩放领先候选。1晶体管1电阻（1T1R）配置现为大规模阵列标准，缓解漏电流。然而，传统氧化物RRAM高切换电流阻碍缩放，特别是CMOS驱动电流在27 nm节点降至40 µA以下时。类脑电路模拟生物突触要求每事件飞焦耳级能耗。因此，设计可靠工作在10 µA以下的RRAM对高密度存储和节能人工神经网络至关重要。

本系统研究不同氧含量TiOₓ层的Pt/HfO₂/TiOₓ/Pt器件。证明降低溅射氧分压创造最佳空位分布，限制导电丝生长，实现亚微瓦切换功耗。分析基础传导机制，为设计低功耗氧化物RRAM提供可行指导。

实验方法

器件堆叠生长在Si/SiO₂/Ti衬底上。室温溅射100 nm Pt底电极（BE）。300°C用TEMAH和H₂O前驱体ALD沉积3 nm HfO₂层。随后总气流20 sccm（Ar+O₂）下RF溅射30 nm TiOₓ薄膜。调节O₂分压为9%、11%、13%制备三系列器件（S1、S2、S3）。溅射70 nm Pt顶电极（TE）并光刻图形化。反应离子刻蚀定义100 µm×100 µm方形单元。横截面高分辨TEM（HRTEM）验证层完整性，X射线光电子能谱（XPS）量化氧空位水平。

电学测量用Agilent B1500A半导体参数分析仪，置位/复位操作设1 µA顺从电流。25-125°C记录温度依赖I-V曲线探究传导机制。

结果与讨论

TiOₓ薄膜XPS O 1s谱显示两成分：晶格O²⁻和氧空位相关非晶格O²⁻。空位分数分别为28.23%（9% O₂）、24.06%（11% O₂）、23.63%（13% O₂），确认高O₂分压减少空位。

1 µA顺从电流下电流成型（CF），仅S1（9% O₂）成功形成稳定导电丝。S2、S3需高达20 mA达低阻态（LRS），指示过高空位密度促进整个介质堆叠软击穿。

100周期双极I-V扫描显示S1在<10 µA顺从电流下稳定切换，S2/S3需10 mA。S1低功耗性能源于高空位浓度在CF/置位时限制电流，防止过度丝生长。

统计分析（循环间和器件间）显示S1变异适中，所有样品开关比>100可接受。保持测试显示S1在85°C下>10⁴秒保持状态，确认非易失存储适用性。

功率计算得S1在1 µA顺从电流下P_set=1.52 µW、P_reset=1.12 µW。对比S2/S3因高切换电流达数十毫瓦。

温度依赖电阻测量揭示S1电阻随温度下降，符合Mott变程跳跃（VRH）模型。指示TiOₓ中局域氧空位态电子跳跃主导传导。S3电阻温度不敏感，提示致密空位网络金属型丝状传输。后者导致更高电流和功耗。

结果强调平衡空位浓度的重要性：足以实现跳跃传导限制丝生长，但不过高形成金属丝。此见解适用于广泛氧化物RRAM，指导物联网和嵌入式应用节能存储设计。

结论

我们通过控制TiOₓ层氧空位分布，在Pt/HfO₂/TiOₓ/Pt RRAM中实现1 µA切换电流。低氧薄膜电子跳跃主导，限制电流产生亚微瓦功耗；高氧薄膜形成金属丝导致软击穿和高功耗。优化氧空位密度是实现低功耗、高密度RRAM的通用策略，适用于物联网和嵌入式应用。

缩写

1T1R

一晶体管一电阻

ALD

原子层沉积

ANNs

人工神经网络

BE

底电极

CF

电流成型

HRS

高阻态

HRTEM

高分辨透射电子显微镜

IoT

物联网

I-V

电流-电压

LRS

低阻态

On/off ratio

HRS/LRS

OxRRAM

氧化物阻变存储器

Preset

复位功率

Pset

置位功率

RIE

反应离子刻蚀

RRAM

阻变随机存取存储器

TE

顶电极

XPS

X射线光电子能谱

σ/μ

相对标准差