Direkt bevis på ta-metallfaser som antänder resistiv omkoppling i taox tunnfilm | vetenskapliga rapporter

Direkt bevis på ta-metallfaser som antänder resistiv omkoppling i taox tunnfilm | vetenskapliga rapporter

Anonim

ämnen

  • Elektroniska enheter
  • Nanoskala material

Abstrakt

En Ta / TaO x / Pt-staplad kondensatorliknande anordning för resistiv omkoppling tillverkades och undersöktes. Den testade anordningen visade stabila resistiva omkopplingsegenskaper inklusive enhetlig fördelning av motståndsomkopplingsoperativa parametrar, mycket lovande uthållighet och kvarhållningsegenskaper. För att avslöja anordningens resistiva omkopplingsmekanism utfördes mikrostrukturanalys med användning av högupplösta transmissionselektronmikroskop (HR-TEM). Från observationsresultaten grundades två olika faser av Ta-metall-kluster av kubiska α-Ta och tetragonal ß-Ta i den amorfa TaO x modermatrisen efter att anordningen byttes från tillstånd med hög resistens (HRS) till lågt motståndstillstånd ( LRS) genom externt applicerad spänningsförspänning. De observerade Ta-metallklustren avslöjade ursprunget för de elektriska ledningsbanorna i TaO x tunnfilm vid LRS.

Introduktion

Resistive switching-fenomen (RS) i olika övergångsmetalloxider (TMO) har undersökts avsevärt för nästa generations icke-flyktiga minnesapplikationer, eftersom konventionell tillverkningskompetens för sub-mikronanordningar konfronterar dess fysiska begränsning 1, 2, 3, 4, 5 . Tidigt skede av forskningen fokuserade mest på att undersöka olika materialkandidater för RS själv. Därefter ledde RS-tillförlitlighetsfrågan för kommersiell anordningstillämpning huvudsakligen till att undersöka några kandidatmaterial såsom TaO x 6, 7, HfO x 8, 9 och TiO x 10, 11, 12, 13 . Bland dessa har TaO x lyfts fram för sin utmärkta uthållighetsprestanda och låga effektförbrukning i RS-operationen 6, 7 . Yang. et al. rapporterade den mycket lovande uthållighetskarakteristiken över ~ 10 10 RS-cykler av TaO x tunnfilm, vilket tillskrivs enkla termodynamiska jämviktsfaser i Ta-O-systemet inom området för konventionellt RS-driftsförhållande 7 . Enligt deras rapport kan den höga uthållighetskarakteristiken för TaO x tunnfilm dra nytta av två termodynamiska jämviktsfaser - isolerande oxidmoder-matris och elektriskt ledande fas. Dessa två stabila faser kan rymma elektriska ledningsvägar och syrebehållare alternativt under RS. Senare identifierades den ledande fasen som amorf Ta-rik Ta (O) omgiven av nanokristallin Ta205-fas 14, 15 . Direkt observation på den Ta-rika fasen som den elektriska ledningsbanan i TaO x tunnfilm har emellertid inte presenterats ännu. I detta arbete demonstreras den mycket lovande RS-prestanda för TaO x tunnfilm och mikroskopiska analyser med högupplösande transmissionselektronmikroskop (HR-TEM) ger direkt observation av ursprunget till RS i TaO x tunnfilm.

Resultat

Figur 1 (a) visar I – V- hysteresegenskap för en Ta / TaO x / Pt-kondensatorliknande enhet. Den elektriska mätningen utfördes med applicering av spänningsförspänning på toppelektroden (Ta) och upprätthållande av elektrisk mark på bottenelektroden (Pt), såsom schematiskt visas i fig 1 (b). För att undvika permanent dielektrisk nedbrytning inställdes överensstämmelseström (CC) till 10 mA under 'SET' (resistansändring från högre motståndstillstånd (HRS) till lågt motståndstillstånd (LRS) genom extern förspänning). Anordningens orörda tillstånd gick genom den inledande RS-cykeln som anmärktes av den röda linjen i Fig. 1 (a), så kallad "formning" -process. Över 300 RS-cykler demonstrerade den testade anordningen mycket enhetlig fördelning av SET-driftspänningen vid ~ 0, 65 V och av RESET (motståndsförändring från LRS till HRS) -spänning vid ~ -0, 6 V som anges i fig 1 (c). Standardavvikelser för SET- och RESET-spänningarna är 0, 025 V respektive 0, 024 V och förhållandet mellan avvikelsen och varje driftsspänning är mindre än 4%. Resistensfördelningarna för varje LRS och HRS presenteras i fig 1 (d). Det antas att resistansen i varje tillstånd bör fördelas statistiskt genom att följa en normal fördelningsmodell. Baserat på detta antagande uppskattades topp-till-topp-separationen mellan LRS och HRS med skillnaden mellan medelmotståndet för LRS och HRS och var 6, 27 (σ HRS + σ LRS ), där standardavvikelserna för HRS och LRS-motståndet är σ HRS respektive σ LRS . Detta säkerställer att sannolikheten för ömsesidig överlappning mellan motståndstillståndet är mindre än ungefär 0, 0002 ppm, vilket kan tolkas att mindre än en av 5 Giga-bitar kan identifieras som ett fel. Förutom de lovande RS I – V- egenskaperna hos anordningen observerades allvarligt skadad region i den övre Ta-elektroden mikroskopiskt efter RS-mätningen, som visas i insatsen i fig. 1 (a). Den liknande observationen på TiO x tunna filmer har redan rapporterats av andra 12, 16 . Det tillskrivs plötslig utveckling av syrgas i de tunna filmerna under RS ​​för att inducera brott i toppelektroden. Detta avblåsta område tillhandahåller en användbar plats för att observera ursprunget till RS genom att avslöja orsaken till brottet. De detaljerade observationsresultaten kommer att diskuteras i följande.

( a ) I – V- karakteristiken för Ta / TaO x / Pt-enheten och insatsen som presenterar det avblåsta området under SET-drift. ( b ) Den schematiska figuren på Ta / TaO x / Pt-anordningen och mätsystemet ( c ) och ( d ) visar kumulativ sannolikhet för driftsspänningen respektive LRS / HRS-resistensfördelning.

Bild i full storlek

Tillförlitlighetsegenskaperna hos den testade anordningen undersöktes och den elektriska uthålligheten och retentionskarakteristiken visas i fig 2 (a). Den aktuella nivån för anordningen avlästes vid lässpänning på 0, 2 V för uthållighet och retentionsmätningarna och den testade anordningen hölls vid 125 ° C för accelererat tillstånd för retentionsmätningen. Enheten visade pålitlig elektrisk uthållighet för upp till 10 RS RS-cykler och retentionskarakteristiken 10 4 sek. Retentionskarakteristiken certifierades också vid olika temperaturförhållanden, data som inte visas här, och den tillförlitliga retentionskarakteristiken hade bekräftats. Även om den testade anordningens elektriska uthållighetsprestanda var lägre än den i den tidigare rapporten av Yang et al. 7, är det presenterade resultatet fortfarande konkurrenskraftigt för att tillfredsställa ett önskvärt kriterium av 10 RS-cykler för tillkommande minnesapplikation 17 .

( a ) och ( b ) visar den elektriska uthålligheten respektive kvarhållningsegenskaperna för Ta / TaO x / Pt-anordningen. ( c ) och ( d ) visar enhetens storlek och temperaturberoende beteende för LRS respektive HRS.

Bild i full storlek

Effekten av det aktiva anordningsområdet på RS-egenskaperna undersöktes med en uppsättning av proverna mönstrade i 6 olika storlekar som visas i fig. 2 (C). Motståndet hos HRS ökade snabbt upp till 65% mer då det aktiva området minskade med 35 gånger, medan LRS visade relativt okänsligt beroende av de olika aktiva cellstorlekarna. Den storleksoberoende egenskapen hos LRS indikerar att de elektriska ledningsvägarna måste vara lokalt inneslutna i TaO x- matrisen oavsett cellstorlek. LRS: s lokala karaktär kommer att korreleras med dess mikroskopiska observation senare.

Temperaturberoendet för LRS och HRS visas i fig 2 (d). I LRS steg enhetens resistansnivå när mättemperaturen ökade, vilket representerar en typisk egenskap för strömledningen i metaller. Å andra sidan svarade HRS: s motstånd på motsatt sätt till LRS. Det indikerar att ledningsvägarna som bildas i LRS har metallliknande egenskaper och att dessa metallliknande ledningsbanor kan försvagas eller minska genom RESET-operationen. En möjlig modell för detta fenomen är att den metallliknande ledande fasen bildades under SET-operationen, på liknande sätt rapporterad som syrebristfas, Magnéli (Ti nO 2n-1 ), i TiO x- fallet 12, 18 . Den andra är att metalliska kluster alstras och kopplas samman med varandra för att slutligen bygga upp ledningsbanorna mellan topp- och bottenelektroderna. Ledningsvägarna för de metalliska klustren kommer troligen att uppstå i det TaO x- baserade RS-systemet eftersom den termodynamiska jämvikten i Ta-O-systemet endast visar två stabila faser, oxid Ta205 och metall Ta, under 300 ° C 7, 15 19, 20 . Dessutom är två termodynamiska jämviktsfaser (Ta205 och Ta) inte reaktiva med varandra och den bildade Ta-fasen kan vara bosatt efter RS-operationen, vilket resulterar i en tillfredsställande LRS-retentionskarakteristik 7, 15 . Även om det finns flera metastabla faser i Ta-O-systemet kan dessa oxidfaser endast bidra till den omständliga delen av den elektriska ledningen på grund av deras isolerande natur. Dessutom har elektronledningen genom dessa metastabla faser positivt temperaturberoende motsatt den metalliska ledningen.

För att mikroskopiskt undersöka TaO x tunnfilm utfördes HR-TEM och AES-analyser på proverna. Figur 3 (a) visar AES-djupprofilen för den orörda Ta / TaO x / Pt-anordningen. Den relativa atomkoncentrationen av Ta och O uppskattades vara cirka 3: 7 inom TaOx-skiktet. Dessutom har det översta lagret av Ta en försumbar syrekoncentration att kvarstå som en metallelektrod. Figur 3 (b) visar vertikal struktur för Ta / TaO x / Pt-anordningen i det orörda tillståndet som undersöktes med HR-TEM. Insatsen i fig. 3 (b) tillhandahåller den snabba Fourier-transformationsbilden (FFT) av ett smärtat ringmönster i TaOx-området, vilket indikerar att hela TaO x- tunnfilmen är homogent sammansatt av amorf oxidfas. Bildningen av det amorfa TaOx-skiktet är rimligt eftersom den TaO x tunna filmen avsatt vid rumstemperatur hade otillräcklig aktiveringsenergi för att bilda någon kristallin struktur. Den tunna TaO x- filmen har en elektrisk egenskap hos en isolator i det orörda tillståndet som visas i fig 1 (a) på grund av de homogent spridda syreatomerna.

( a ) Analyserna av Auger-elektronspektroskopi (AES) och ( b ) tvärsnittsbilden och de relaterade snabba Fourier-transformationsbilderna (FFT) av orörda Ta / TaO x / Pt-enheter med högupplösta transmissionselektronmikroskop (HR-) TEM)

Bild i full storlek

I motsats till den homogena amorfa TaO x tunnfilmen i det orörda tillståndet observerades vissa kristallina strukturer efter SET-operationen, såsom visas i fig. 4 (a). Den mest märkbara förändringen markeras och markeras som det streckade gula kvadratiska området '1' i fig. 4 (a) och den relaterade FFT-bilden som visas i fig. 4 (b). Elektrondiffraktionsmönstret (DP) som uppträdde som fläckmönstret observerades i fig 4 (b), vilket inte observerades i det orörda tillståndet i TaO x tunnfilm. Det bör noteras att den amorfa fasen fortfarande observerades såsom visas i det streckade gula kvadratiska området '2' i fig. 4 (a) och den relaterade FFT-bilden presenterad i fig. 4 (c). Det antyder att den observerade lokala kristallina strukturen bör bildas under SET-operationen.

( a ) Tvärsnittsbilden av Ta / TaO x / Pt-enheten efter SET-drift. ( b ) och ( c ) visar FFT-bilder av den streckade gula kvadratiska regionen markerad '1' respektive '2'. ( d ) de observerade elektrondiffraktionsmönstren (DP) för Ta / TaO x / Pt-enheten efter SET-operationen

Bild i full storlek

För att räkna ut de kristallina strukturerna, analyserades elektron DP som visas i fig 4 (d) och identifierades som Ta-metallfaser och dess riktade kristallografiska plan. De representativa DP: erna för Ta-metallfaserna markerades med streckade gula och röda cirklar i Fig. 4 (d). Det finns två välkända faser av Ta-metallen i kristallografisk synvinkel 21, 22 . Den ena kallas 'alfa-Ta' (α-Ta), en kroppscentrerad kubisk struktur med gitterparametrar av a = b = c = 3.305 Å, och den andra är 'beta-Ta' (β-Ta), en primitiv tetragonal struktur med gitterparametrar för a = b = 10, 19 Å och c = 5, 313 Å 21, 22 . De representativa planen för alpha-Ta hittades i elektron DP av den testade anordningen i LRS och indexerades som (110) och (321) plan. I fig 4 (d) är de röda och gula streckade cirklema relaterade till alfa-Ta respektive beta-Ta. Baserat på de uppmätta värdena från elektron-DP-bilden och de kristallografiska ekvationerna som beskrivs nedan var de extraherade gitterparametrarna för (110) och (321) för alfa-Ta-planen 3, 29 Å respektive 3, 35 Å.

När d hkl är interplanärt avstånd i verkligt utrymme, (hkl) är Millerindex, och k är ömsesidig vektor när Bragg-villkoret uppfylls. Gitterparametrarna som extraheras från varje plan i alpha-Ta har gitterstammen mindre än 1% jämfört med referensvärdet. Det verkar förståeligt när de kristallina Ta-metallfaserna omges av den amorfa TaOx. Dessutom kan gittermatchningen enkelt uppträda vid gränssnitten mellan oxiderna och metallfaserna. Det är känt att gitterstammen på mindre än 3% i Ta-metallfaserna är uthärdlig för att bibehålla sina egna kristallina strukturer även i tunnfilmmorfologi 23 . Likvärdiga plan av (321) upptäcktes också för att revalidera den kristallina strukturen som alfa-Ta-fasen. Dessa plan framträdde obestridligt vid heltalstider för den ömsesidiga vektorn av (321) som antagits, samtidigt tillfredsställande symmetri av (321). Det försäkrade att gitterparametrarna erhållna från elektron DP av den testade anordningen i LRS överensstämmer med dem i alfa-Ta-fasen.

På liknande sätt befanns de karakteristiska planen för tetragonal beta-Ta identifieras som (312) och (313). Betat-tetragonalstrukturen kräver mer än två diffraktionsplan för att extrahera varje gitterparametrar, såsom visas i ekv. (2). Gitterparametrarna från dessa plan var a = b = 10, 44 Å och c = 5, 34 Å. Skillnaden mellan referensen och det extraherade var ungefär 2% och 0, 5% för 'a' och 'c', vilket fortfarande ligger i det elastiska deformationsområdet. Vidare observerades ekvivalenta plan för (312) av beta-Ta-fasen och symmetrin för dessa plan bekräftades för att lugna den kristallina strukturen som beta-Ta-fasen. Även om beta-Ta-fasen, känd som en metastabil fas, lätt konverteras till alpha-Ta över 750 ° C, kan beta-Ta-fasen samexistera med alpha-Ta även i den tunna filmen 24 . Således illustrerar den distinkta elektron-DP från två olika metall-Ta-faser att alfa- och beta-Ta-faserna samexisterar som en blandning i TaO x- matrisen efter SET-operationen och dessa metallfaser bör huvudsakligen bidra till elektronledningen i LRS .

Diskussion

En serie av RS-cykeln presenteras i fig. 5 schematiskt. RS-cykeln initieras från det orörda tillståndet genom formningsprocessen (Fig. 5 (a)). Anslutningen av Ta-metallfaserna bildas och enhetens motstånd sänks till LRS (fig. 5 (b)). Därefter överför enheten till HRS (Fig. 5 (c)) genom RESET-funktionen. Den ursprungliga motståndet för den orörda anordningen kunde emellertid inte återvinnas fullt ut vid HRS såsom visas i fig 1 (a) och HRS visade det positiva temperaturberoendet när en isolator eller en halvledare uppträder. Detta indikerar att en del av Ta-metallfasanslutningen kan försvinna genom rekombination med syre under RESET och att den elektriska ledningsvägen kan stängas slutgiltigt. Ytterligare mikroskopisk analys på enheten vid HRS saknas i detta dokument, vilket uttryckligen kan bekräfta att Ta-metallfaserna kan vara delvis kvar efter RESET. Flera försök gjordes vid HR-TEM-observation med LRS TaO x- filmen under RESET-processen in situ för att paradoxalt avslöja ursprunget för ledningsbanan i TaO x- filmen. Tyvärr var RESET med LRS-prover förberedda för HR-TEM extremt svårt och alla försök slutade med misslyckande. Ledningsvägen i TaO x- matrisen har den begränsade syreutbytegränsen endast på båda sidorna eftersom HR-TEM-prover skivades i en form av tunn flingan och HR-TEM-kammaren hölls vid ultrahögt vakuum 12 . Under dessa omständigheter var observation på plats av RESET-processen omöjlig att fungera efter önskemål.

( a ), ( b ) och ( c ) visar orörda, LRS respektive HRS för Ta / TaO x / Pt-enheten.

Bild i full storlek

Sammanfattningsvis demonstrerades den stabila och lovande RS-prestanda för Ta / TaO x / Pt-enheten i denna forskning. Från de experimentella resultaten visade sig att huvudfaktorn för LRS i det TaO x- baserade RS-systemet var Ta-metallfaserna. LRS för den testade Ta / TaO x / Pt-anordningen visade en typisk temperaturberoende karakteristisk för typiska metaller och enhetsstorlekens oberoende karaktär. Termodynamisk jämvikt antyder dessutom att den enda metallfasen i Ta-O-systemet är Ta-metall. Dessutom indikerade enhetens elektron DP på ​​LRS att två typer av Ta-metallfaser bör existera i TaO x- matrisen. Det var den första direkta observationen av ursprunget till den ledningsväg som bildades i TaO x- filmen under SET-operationen.

metoder

En TaO x tunn film av ungefär 30 nm tjock avsattes på Pt / Ti / Si02 / Si-substrat med reaktiv rf-förstoftningsteknik vid rumstemperatur. Under TaO x tunnfilmavsättning hölls rf-sputteringskraften och avsättningstrycket vid 100 W respektive 2 mTorr. En toppelektrod med 30 nm tjockt Ta-skikt avsattes på TaO x- filmen med DC-sputtering-metod vid rumstemperatur och mönstrades genom fotolitografi och lyftprocess för att mäta de elektriska egenskaperna hos TaO x tunnfilm. Strömspänningsegenskaperna ( I - V ) för de tillverkade proverna undersöktes med användning av ett Keithley4200 halvledarkarakteriseringssystem vid rumstemperatur. Pulsuthållningsmätningen utfördes också med användning av en HP81110A godtycklig funktionsvåggenerator. De elektriska pulserna på 100 nsek / 2 V och 500 nsek / −2, 5 V applicerades i följd för att skriva och radera driften av enheten. Materialkompositionen hos den tillverkade anordningen analyserades med Auger-elektronspektroskopi (AES) med användning av en skannande Auger-nanosonde (ULVAC PHI-700). Provytan stavades av under 30 sekunder före AES-analysen för att eliminera nativa oxider och det oönskade på toppytan. Under AES-analysen bibehöll förstöringshastigheten vid 15 nm / min beräknat från Si02-fallet. Den vertikala strukturen för Ta / TaO x / Pt-anordningen kännetecknades av HR-TEM (FEI Titan 80–300, 200 kV, en lateral upplösning på mindre än 0, 1 nm). Tvärsnittsprovet för HR-TEM-analys framställdes med fokuserad jonstråle-teknik. Först maldes provet i en cirka 30 μm tjock skiva genom mekanisk polering. För det andra bondades det polerade provet på ett ensidigt Mo-rutnät och tillverkades till ett tunnare område av cirka 30 nm tjockt med FIB (analytisk) teknik.

ytterligare information

Hur man citerar den här artikeln : Yang, MK et al. Direkt bevis på Ta-Metal-faser Igniting Resistive Switching i TaO x tunn film. Sci. Rep. 5, 14053; doi: 10.1038 / srep14053 (2015).

kommentarer

Genom att skicka en kommentar samtycker du till att följa våra villkor och gemenskapsriktlinjer. Om du finner något missbruk eller som inte överensstämmer med våra villkor eller riktlinjer ska du markera det som olämpligt.