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クロスポイントアレイへの応用のための高耐久性のAg-Ga2Te3セレクターのスレッショルドスイッチング

要約

カルコゲニドの閾値スイッチングは、高密度で3次元の積み重ね可能なクロスポイントアレイ構造への応用の可能性があるため、かなりの注目を集めています。ただし、その優れたしきい値スイッチング特性にもかかわらず、このようなセレクタの選択性と耐久性の特性は、実際のアプリケーションのために改善する必要があります。この研究では、Ga 2 のしきい値スイッチング動作に対するAgの影響 Te 3 セレクターは、選択性と耐久性の観点から調査されました。 Ag-Ga 2 Te 3 セレクターは10 8 の高い選択性を示しました <100 fAの低いオフ状態電流、0.19 mV / decの急なターンオンスロープ、および10 9 の高い耐久性 サイクル。過渡応答は、パルス入力電圧と測定温度に依存することが確認されました。 Ag-Ga 2 は、その優れたしきい値スイッチング特性を考慮して Te 3 セレクターは、クロスポイントアレイ構造のアプリケーションの有望な候補です。

はじめに

抵抗変化型メモリは、そのシンプルな操作、低消費電力、3次元（3D）スタッカブルポテンシャル、スケーラビリティ、およびシンプルな構造により、次世代の不揮発性メモリの有望な候補として研究されてきました[1,2,3、 4]。ただし、セル密度の高い3Dクロスポイントアレイ（CPA）構造で発生する可能性のある動作障害を回避するために、隣接するセルを通過するスニーク電流を減らす必要があります[5、6]。このようなスニーク電流の問題に対処するには、オフ状態電流が低く、オン/オフ比が高い2端子セレクタデバイスが推奨されます[7、8]。

Ovonicスレッショルドスイッチ（OTS）[9]、金属-絶縁体転移（MIT）[10]、フィールドアシスト超線形スレッショルドスイッチ（FAST）など、スレッショルドスイッチング（TS）特性を備えたさまざまなタイプのセレクタデバイスが以前に提案されています。 [11]、電気化学的金属化（ECM）[12]、および混合イオン-電子伝導（MIEC）[13]。ただし、OTSおよびMITセレクターの選択性とリーク電流は、実際のアプリケーションでは改善する必要があります[9、10]。 FASTセレクターに使用される材料の性質は不明です[11]。一方、AgまたはCuを使用したECMおよびMIECデバイスは、リーク電流が低く、オン/オフ比が高く、ターンオンスロープが急で、しきい値電圧間のヒステリシスが大きいなど、望ましいTS特性のために、かなりの注目を集めています（ V TH ）および保持電圧（ V 保留 ）[14、15、16]。 1セレクター1抵抗（1S1R）構造では、読み取り操作の電圧ウィンドウは設定電圧（ V ）によって決定されます。 セット ）メモリと V TH セレクターの。 V セット メモリデバイスに使用される材料、 V の変調によって異なります TH 1S1Rデバイスの操作を容易にするために必要です[17]。さらに、 V の大きな違い TH および V 保留 CPA構造の運用上の複雑さを軽減し、厳しい電圧整合要件を緩和することができます[18、19]。

AgやCuなどの活性金属を使用するこのようなセレクターデバイスのスイッチングメカニズムは、金属伝導チャネルの形成と溶解に基づいています。したがって、電解質材料のマトリックスは、活金属の移動とセレクターのスイッチング速度に大きく影響します。酸化物ベースの電解質に基づくセレクターのスイッチング速度は、一般にマイクロ秒のオーダー[20,21,22]よりも遅く、以前に報告されたOTS [23]またはMITセレクターデバイス[24]と比較すると比較的遅いです。 ]。一方、非結合Te（NBT）などのカルコゲニド膜の欠陥は、活性金属イオンの移動の活性化エネルギーを低下させる可能性があります。したがって、カルコゲニド材料は、活性金属イオンの高速移動に適しています[18]。ただし、これらの材料はランダムに形成された金属伝導チャネルのため、セレクターにとって重要な要素であるスイッチング耐久特性の点で欠点があります[14、18、25]。 ECMデバイスの耐久性を10 3 から向上させることができます 〜10 6 中間バッファ層を使用してサイクルします[26]。ただし、CPA構造でこのようなデバイスを実際に使用するには、耐久性をさらに向上させる必要があります[5]。

この研究では、非常に欠陥のあるアモルファスGa 2 Te 3 低リーク電流（オフ状態電流）、高選択性、 V の変調の観点からTS特性を調査するためにAg層を挿入することにより、スイッチング層として使用されました。 TH および V 保留 、および高い耐久性。アモルファスGa 2 Te 3 Agの移動とGaの空孔の活性化エネルギーを低下させるNBTがいくつかあるため、電解質材料として有利です。これは、アモルファスGa 2 のAgの移動サイトとして機能します。 Te 3 映画[27,28,29]。

メソッド

TiN / Ag / Ga 2 のセレクターデバイス Te 3 / TiNスタックは、図1aに示すように、TS特性を調査するためにビアホール構造で製造されました。まず、下部電極（BE）として0.42μm×0.42μmのサイズのTiNプラグを形成しました。 Ga 2 Te 3 Ga 2 を使用したRFマグネトロン同時スパッタリングにより、厚さ40nmの薄膜を堆積させました。 TeとTeのターゲット。続いて、厚さ10nmのAg膜がGa 2 上に堆積されました。 Te 3 DCマグネトロンスパッタリングによるフィルム。最後に、DCマグネトロンスパッタリングとリフトオフ法を使用してTiN上部電極（TE）を形成しました。

a Ag / Ga 2 の概略図 Te 3 セレクターデバイス。 b TiN / Ag-Ga 2 の断面TEM画像 Te 3 / TiNセレクターデバイス

電気的特性は、298KでKeysightB1500Aアナライザーを使用して調査しました。DCスイッチングテストは、コンプライアンス電流（ I ）を使用して実施しました。 comp ）TSデバイスのハードブレークダウンを回避するため。さらに、AC I − V 測定は、デバイスの故障を防ぐために1MΩの外部負荷抵抗で実施されました。図1bに示すように、デバイスの微細構造を透過型電子顕微鏡（TEM; JEOL FEM-F200）を使用して調査しました。デバイスの断面TEMサンプルは、集束イオンビームシステムを使用して準備されました。 Ga 2 におけるAgの原子分布 Te 3 フィルムは、TEMエネルギー分散型分光法（EDS）測定を使用して調査されました。

結果と考察

図2aは、元のTiN / Ag-Ga 2 の断面TEM画像を示しています。 Te 3 セレクターデバイスの/ TiNスタック。 Ga 2 の上部には、厚さ10nmのAg中間層は観察されませんでした。 Te 3 薄膜。図2bは、図2aでマークされた赤い長方形の領域のGa、Te、Ag、およびTi元素のEDSマッピングを示しています。 EDSマッピング画像は、AgがGa 2 に均一に分布していることを示しています。 Te 3 Agの同時スパッタリングプロセスが適用されなかったにもかかわらず、フィルム。均質なAg-Ga 2 Te 3 おそらくスタック形成中のAgの拡散のために膜が形成された可能性があります。このようなAgの高速均質化は、GeTe膜でも報告されています[30、31、32]。 AgはGa 2 に拡散する可能性があります Te 3 Ga 2 のNBTやGa空孔などの欠陥による薄膜 Te 3 薄膜[18、27、28、29]。

a TiN / Ag-Ga 2 の断面TEM画像 Te 3 / TiNデバイス構造。 b a でマークされた赤い長方形の領域のGa、Te、Ag、およびTiのTEM-EDSマッピング画像

図3aは、Ag-Ga 2 の電流-電圧（I-V）特性を示しています。 Te 3 DCスイープの100連続サイクルで、下部電極面積が0.42 µm×0.42 µmのデバイス。デバイスは、成形プロセスなしでTS特性を示しました。 TEの電圧が0から1.5Vにスイープすると、伝導電流は V で急激に増加しました。 TH ≈0.87Vから I comp これは1µAに設定されており、デバイスが高抵抗状態（HRS）から低抵抗状態（LRS）に切り替わったことを示しています。デバイスは V でリラックスしてHRSに戻りました 保留 電圧を1.5から0Vに下げたときは≈0.12Vであり、 V の間にかなりの違いがあることを示しています。 TH および V 保留 。 V でのオフ状態電流 TH 100 fA未満と測定されました。これは、AgやCuなどの活性金属を使用した以前に報告されたカルコゲニドベースのセレクターと比較した場合の最低値の1つに相当します[14、18、25、30、33]。オン状態の電流とオフ状態の電流の比率として定義される選択性は、約10 8 でした。 。図3bに示すように、I-V曲線は、さまざまな I に対して安定したTS特性を示しました。 comp 10 nA〜10 µAの範囲の値は、動作電流の柔軟性を示します。 V の差が大きいフォーミングフリーTS TH および V 保留 Ag-Ga 2 の Te 3 セレクターデバイスは、Ga 2 のTS特性よりも明らかに有利です。 Te 3 -OTSセレクターデバイスのみ[34]。成形プロセスは実際のデバイスアプリケーションの潜在的な障害と見なされているため、Ag-Ga 2 の成形フリー特性 Te 3 デバイスは、成形プロセスを必要とするセレクターデバイスよりも有利です[35]。また、Ag-Ga 2 のヒステリシスが大きいTS特性 Te 3 セレクターデバイスは、CPA構造の操作の複雑さを軽減し、厳しい電圧マッチング要件を緩和する可能性があります[18、19]。さらに、Ag-Ga 2 Te 3 図3cに示すように、セレクターは、測定ステップごとに1.5 mVのスキャンレートで、0.19 mV / decの急なターンオンスロープを示します。 Ag-Ga 2 Te 3 セレクターデバイスは、その高い選択性（10 8 ）を含む優れた特性を示しました ）、低いオフ状態電流（<100 fA）、急なターンオンスロープ（0.19 mV / dec）、およびフォーミングフリー特性。

a 私 – V Ag-Ga 2 の特徴 Te 3 100連続サイクル中のDC電圧掃引結果のセレクターデバイス。 Ag-Ga 2 Te 3 セレクターデバイスは、10 8 のオン/オフ比で非常に低いリーク電流（<100 fA）を示します 。 b Ag-Ga 2 のTS特性 Te 3 さまざまな I のベースのセレクターデバイス comp 10nAから10μAの値。 c I のクローズアップビュー – V 0.19 mV / decのターンオンスロープを示すTSでの曲線

デバイスのパフォーマンスの変動は、セレクターをCPA構造に適用するための重要な要素であるため、 V の分布 TH 、 V 保留 、高抵抗状態の抵抗（ R HRS ）、および低抵抗状態の抵抗（ R LRS ）25のランダムデバイスについて調査されました。図4aは、しきい値電圧の分布が0.75〜1.08 Vの範囲であり、ホールド電圧の分布が0.06〜0.375 Vの範囲であることを示しています。さらに、HRSでの抵抗分布は10 11 の範囲でした。 〜10 14 Ω、LRSでの抵抗は約10 6 図4bに示すようにΩ。金属伝導チャネルの形成により、AgやCuなどの活性金属を使用したセレクターデバイスは、比較的広い変動特性を示します[36、37]。したがって、ドーピングまたは緩衝層の挿入を介してこれらの特性の信頼性を改善することに関する研究が報告されている[37、38]。

a V のデバイスごとのバリエーション TH および V 保留 25台のデバイス用。 b R のデバイスごとのバリエーション HRS および R LRS 25台のデバイス用

Ag-Ga 2 の過渡応答を調査するには Te 3 セレクターでは、電流は、波形ジェネレーター高速測定ユニット（WGFMU）を使用して、高さ3 V、立ち上がり/立ち下がり時間100 ns、持続時間1.5 µs、外部負荷抵抗1MΩの電圧パルス中に測定されました。図5aに示されています。 Ag-Ga 2 の伝導電流 Te 3 セレクターデバイスは、電圧が最大3 Vに達した時点から406 ns後にピーク値に達しました。さらに、印加電圧が除去されてから605ns以内にデバイスがオフ状態に切り替わりました。したがって、Ag-Ga 2 のスイッチオン時間とスイッチオフ時間 Te 3 セレクターは、それぞれ約400nsと600nsと推定されました。 Ag-Ga 2 のゆっくりとした切り替え Te 3 セレクターは、伝導チャネルの形成のためのAgの移動と酸化還元反応に起因する可能性があります。さらに、入力電圧1.5〜5 V、測定温度298〜375 Kで、印加電圧と測定温度がスイッチング時間に与える影響を調査しました。スイッチオン時間は1μsから294に短縮されました。図5bに示すように、パルス電圧が1.5Vから3.5Vに増加すると、スイッチオフ時間は400nsから849nsに増加しました。印加電圧に対するスイッチング速度の依存性は、以前に報告されたHfO 2 上のAg層の結果に匹敵します。 およびTiO 2 [39]。さらに、図5cは、測定温度の上昇に伴ってスイッチオン時間とスイッチオフ時間が減少したことを示しています。図5dに示す測定温度に対するスイッチング速度のアレニウスプロットによると、スイッチング速度の測定温度への指数関数的な依存性は、電解質膜マトリックス内のAg原子の拡散などの熱的に促進されたプロセスに起因する可能性があります[40]。スイッチオンとスイッチオフの活性化エネルギーは、それぞれ0.50eVと0.40eVと推定され、Agフィラメントベースのデバイスに関する以前のレポートで提示されたものと同等です[41]。 Ag導電性チャネルはHfO 2 の電気的バイアスの下で形成されたと報告されました。 、SiO 2 、およびTiO 2 [15、42、43]。ただし、この研究では、Agは元のGa 2 に均一に分布していることが観察されました。 Te 3 映画。 Ga 2 のTSのメカニズムは Te 3 Agが均一に分布している膜は明確に理解されていません。AgはGa 2 の導電性チャネルの形成に関連している可能性があります。 Te 3 電気的バイアス下のフィルム。したがって、Ag-Ga 2 の入力電圧と測定温度に対するスイッチング速度の依存性 Te 3 セレクターデバイスは、導電性チャネルの形成に起因する可能性があります。

a AC I – V Ag-Ga 2 の測定 Te 3 セレクターデバイス（測定条件：立ち上がり時間=100 ns、持続時間=1.5μs、立ち下がり時間=100 ns、入力電圧=3 V）。 b 印加パルス電圧に対するスイッチング速度の依存性。 c 測定温度に対するスイッチング速度の依存性。 d 測定温度に対するスイッチング速度のアレニウスプロット

スイッチング速度試験と同じ電圧パルス条件でAC耐久特性を調べた。 HRSとLRSの読み取り電圧はそれぞれ0.5Vと3Vでした。図6に示すように、HRSとLRSの測定された抵抗は、10年ごとに450ポイントでプロットされました。Ag-Ga 2 Te 3 セレクターデバイスは、10 9 まで安定した耐久特性を示しました 10 8 の選択性を維持するサイクル 、したがって、カルコゲニドと活性金属を利用した他のセレクターと比較した場合、優れたスイッチング耐久性を示しています[18、25、30]。

Ag-Ga 2 のAC耐久特性 Te 3 最大10 9 のセレクターデバイス サイクル（ R の場合は0.5Vおよび3Vの読み取り電圧 HRS および R LRS 、それぞれ）

結論

この研究では、高いイオン移動度と非常に欠陥のあるアモルファスGa 2 を備えたAgを使用して製造されたセレクターデバイスの安定したTS特性を実証しました。 Te 3 スイッチング層として。 TiN / Ag-Ga 2 のTEM分析 Te 3 / TiN構造は、埋め込まれたAg中間層がGa 2 に完全に拡散したことを示しました。 Te 3 Ga 2 で均一なAg分布を生成するフィルム Te 3 層。これは、アモルファスGa 2 の構造に非常に欠陥があることが原因である可能性があります。 Te 3 その後のTETiN堆積中。 Ag-Ga 2 Te 3 セレクターデバイスは、フォーミングフリーTS、大きなヒステリシス（1 V）、高い選択性（10 8 ）を示しました ）、低いオフ状態電流（<100 fA）、急なターンオンスロープ（0.19 mV / dec）、および優れた耐久性特性（10 9 サイクル）。さらに、AC I-V測定では、スイッチング速度が数百ナノ秒のオーダーであることが示されました。スイッチング速度のパルス電圧への依存性は、Agの移動とレドックス反応の複合効果である可能性があります。さらに、測定温度に基づくスイッチング速度のアレニウスの振る舞いは、TSが熱的に促進されたプロセスに関連していることを示唆しました。結論として、Ag-Ga 2 Te 3 優れたTSおよび耐久性特性を備えたデバイスは、CPAメモリアプリケーションのセレクタの有望な候補です。

データと資料の可用性

すべてのデータは制限なしで完全に利用可能です。

略語

3D：

3次元

CPA：

クロスポイント配列

TS：

しきい値の切り替え

OTS：

オボニックスレッショルドスイッチ

MIT：

金属-絶縁体転移

高速：

フィールド支援超線形しきい値スイッチ

ECM：

電気化学的メタライゼーション

MIEC：

混合イオン-電子伝導

V TH ：

しきい値電圧

V 保留 ：

ホールド電圧

1S1R：

1つのセレクター-1つの抵抗器

V set ：

設定電圧

NBT：

非結合Te

TE：

上部電極

BE：

下部電極

I comp ：

現在のコンプライアンス

HRS：

高抵抗状態

LRS：

低抵抗状態

R HRS ：

高抵抗状態の抵抗

R LRS ：

低抵抗状態の抵抗


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