Cu掺杂LaAlO₃阻变存储器: 600°C退火实现更低成形电压、更高开关比和更好良率

摘要

本研究考察铜插入层和快速热退火(RTA)对镧基阻变存储器(RRAM)器件电阻开关(RS)行为的影响。与未掺杂Cu/LaAlO₃/Pt对照组相比, Cu嵌入结构表现出更高器件良率和更高复位截止电压, 表明可靠性显著提升。尽管未退火Cu/LaAlO₃:Cu/Pt器件仍显示显著参数离散, 但Cu插入与退火结合实现最佳RS性能: 低成形电压、高开关比、优异电学均一性。这些增益归因于退火期间Cu原子扩散和Cu纳米晶(Cu-NC)形成, 增强局域电场并减少丝状随机性。

引言

电阻式随机存取存储器(RRAM)是下一代非易失性存储器领跑者, 提供简单金属-绝缘体-金属(M-I-M)堆叠、低功耗、高可扩展性、快速操作、多态存储[1]。介质层关键决定RS性能, 高k氧化物如HfO₂[2]、Al₂O₃[3]、ZrO₂[4]被广泛探索。镧基氧化物以高介电常数、宽禁带、优异热稳定性脱颖而出[5], 近期报道展示La基RRAMs低电压开关、大电阻窗口、长寿命、强可重复性[6,7]。原子层沉积(ALD)提供精确厚度控制、均匀性、CMOS兼容性, 成为La基介质沉积流行方法[8]。但高质量薄膜常需大成形电压, 导致高失效率、降低开关比、差耐久性[9]。器件层面工程如离子注入[10]、掺杂扩散[11]、纳米晶插入[12]克服这些限制至关重要。掺杂和纳米晶策略已改善传统高k材料(HfO₂[13]、ZrO₂[14])RS, 但La基RRAMs类似工作尚未报道。此处我们制备Cu嵌入LaAlO₃器件, 结构Cu/LaAlO₃/Cu/LaAlO₃/Pt, 研究Cu掺杂和后续退火对性能和开关机制的影响。

实验方法

器件堆叠Cu/LaAlO₃/Cu/LaAlO₃/Pt见图1. 制备始于2英寸SiO₂/Si晶圆。100 nm Pt/10 nm Ti底电极电子束蒸发沉积。LaAlO₃层(~10 nm, La/Al=3:1)在Picosun R-150 ALD反应器300°C用La(i-PrCp)₃、Al(CH₃)₃、O₃前驱体生长。~2 nm Cu中间层以0.1 Å/s电子束蒸发沉积。第二层LaAlO₃沉积后, 选定样品在N₂中600°C快速热退火(RTA) 30 s。顶电极10 nm Au/150 nm Cu, 光刻图案化产生50×50 μm²至250×250 μm²器件。对照样品含S1: Au/Cu/LaAlO₃/Pt(未退火)、S2: Au/Cu/LaAlO₃:Cu/Pt(未退火), S3: Au/Cu/LaAlO₃:Cu-NC/Pt(退火、含Cu-NC)。Cu分布经X射线光电子能谱(XPS)检查, 截面微观结构透射电镜(TEM)揭示。RS特性用Agilent B1500A分析仪测, 1 mA顺应电流保护器件成形和置位操作。

结果与讨论

XPS深度分析(图2)显示未退火S2中Cu 2p信号局限于中间层, 但RTA后(S3)Cu原子均匀分布贯穿LaAlO₃堆叠, 确认高温退火驱动Cu扩散和纳米晶形成。TEM图像(图3)显示S2完美多层, 首层LaAlO₃沉积后出现2-6 nm Cu纳米颗粒。退火后(S3)Cu分布进一步均匀化, 形成嵌入离散Cu-NCs的~25 nm厚LaAlO₃层。成形曲线(图4)演示Cu插入使电压从~12 V(S1)剧降至~7 V(S2/S3)。初始电阻从2.51×10¹² Ω(S1)降至2.65×10⁶ Ω(S2)退火后升回2.83×10¹² Ω(S3)。此行为反映Cu诱导缺陷对介质击穿影响及退火驱动缺陷消除。双极I-V扫描100周期(图5a-c)确认所有器件稳定RS, 但S3曲线最平滑、复位截止电压最高(≈-1.4 V), 凸显其优越可靠性。耐久测试(图5d-f)显示S3开关比达~10⁶, 远超S1和S2的~10⁴, 且电阻变异显著降低(HRS σ/μ≈1.0, LRS 0.74)。这些指标表明退火期间Cu扩散和纳米晶形成缓解丝状随机性、改善均一性。统计分析(图6)确认退火S3两态电阻和开关电压分布最窄, 确认均一性改善。复位电压分布S3从0.20 V收窄至0.13 V, 置位电压展宽从0.82 V降至0.45 V。保持测试(图7)显示S3室温下稳定HRS/LRS比(~10³)超10⁴ s, 确认非易失行为。良率测量(图8)进一步表明Cu插入使10周期双极良率从<30%(S1)增至>70%(S3), 小尺寸器件良率更高, 符合焦耳热辅助丝状形成。S3进一步研究(图9)揭示单极和双极RS共存, 符合焦耳加热驱动的电化学冶金化(ECM)。LRS呈欧姆传导(斜率≈1), HRS遵循空间电荷限制电流(SCLC)机制, 显示明显低、中、高场区间, 指示缺陷介导传输。温度依赖性(图10)确认ON态金属行为(α=1.03×10⁻³ K⁻¹)和OFF态半导体行为, 支持导电丝形成模型。图11示意描绘RS循环: 顶电极Cu氧化, Cu²⁺场驱动迁移, 底电极还原, 沿Cu-NC路径丝状生长。反向偏置诱导焦耳加热丝状溶解, 恢复OFF态。此循环阐释Cu扩散和纳米晶形成如何支撑观测RS。

结论

在LaAlO₃中嵌入Cu纳米层并经600°C退火, 显著增强La基RRAM性能。得益于Cu扩散和Cu-NC形成, 实现更低成形电压、更高开关比、改善均一性、优越良率。RS机制由Cu导电丝、空间电荷限制电流、焦耳加热支配。该方法为调控La基RRAM特性提供实用途径, 值得进一步探索底层物理。