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[交流]
定制和商业制造的电阻存储器件中辐射效应的比较
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介绍 航空航天工业一直需要抗辐射的电路和器件。深空任务，或辐射丰富环境的任务，在可比的时间范围内，必须承受比近地轨道任务高许多数量级的辐射通量。木卫二被认为是科学探索的主要目标，它位于木星恶劣的辐射环境中，暴露在高水平的辐射下。对木卫二和其他高辐射目标的探索可以大大受益于车载电子设备。 阻性存储(rram)器件最近显示出高度耐辐射存储器的前景。rram器件基于金属-绝缘体-金属结构，可以通过向器件施加偏压在高阻态(hrs)和低阻态(lrs)之间切换。 基于氧化钽的器件，包括我们研究中的器件，基于氧化物中氧空位的移动进行开关。表现出这种类型开关的器件通常被称为变价机制(vcm) rram 。通过从氧空位形成导电细丝，然后在细丝最窄处将其折断，可以改变器件电阻。虽然这个过程会导致电阻状态的连续，但我们在这项研究中重点关注器件的二元操作，一个hrs和一个lrs。 太空中的某些类型的辐射，特别是相对低能量的重离子，可以在材料和设备中造成直接的位移损伤。 rraivi设备中的位移损伤。lrs中显示了(a)an rram器件，具有氧空位的导电丝（金圆）。氧空位分散在整个taox区域，许多空位集中在导电灯丝上。hf层作为氧空位的储液层，在实际器件中很可能被氧化为亚化学计量的hfox层。(b)位移损伤（来自重离子或电离过程）会产生额外的氧空位和间隙氧原子（白色圆圈）。新的氧空位可以促进导电灯丝的形成，从而降低电阻。与此同时，新的间隙氧原子可以与附近的空位重组（一个用蓝色圈出的例子）。如果一个氧原子与灯丝中的一个空位重新结合，器件电阻可能会增加。 材料和方法 设备组成 来自组a的器件由w底电极、作为吸氧层的hf、tao、转换层和ir或pt顶电极组成(图1a)。使用气相钽蒸表面合金技术沉积薄膜。 器件由ir顶部接触垫的尺寸和形状定义，50μm乘50μm。通过向两个顶部电极垫施加-20 v电压，使它们永久短路在一起(r < 30 d ),实现底部电极的电接触。b组中的设备是在工业环境中使用保密工艺生产的。这些设备也有一个基于tao的交换层，并作为商业设备的复制品，用于比较辐射效应。 一套rram装置的组成。a组的(a)器件由毯w底电极、毯hf吸氧层和毯ta0x开关层组成。pt或ir顶部电极采用基于光刻的发射工艺进行图案。pt顶电极器件接受伽马照射，红外顶电极器件接受ar+离子束照射。用jfet(2n4338)串联测量a组的(b)器件以限制电流。 γ辐照 在nasa喷气推进实验室，使用60co源将具有pt顶部电极的装置暴露于γ辐射。伽马辐射用于在装置内产生高tid(高达31 mrad(si))。使用配有b1530高速脉冲发生器附件的agilent b1500分析仪进行电气测试。形成器件并与2n4338结型场效应晶体管(jfet)串联切换，以基于给定栅极电压下晶体管的饱和电流来限制通过电路的电流 将电压施加到毯式底部电极，并将地施加到图案化的顶部电极。器件形成过程因器件而异。使用电流-电压(iv)扫描形成所有器件，直到形成发生，直到最大值为+20 v，晶体管上的栅极电压为-700 mv，相当于约1 pa的饱和电流。晶体管在复位操作期间保持串联，但不限制反向偏置下的电流，这反映在表ii中。 在形成和第一次复位之后，使用dc扫描对a组器件进行10次置位/复位循环，随后是20次置位/复位脉冲，在两种情况下晶体管都是串联的 关于设置a设备的重置和设置曲线的示例。显示了重置(a)和设置(b)操作的电流-电压(iv)扫描实例。在这些例子中，晶体管在设置操作期间以串联限制电流连接。 结果和讨论 具有ir顶部电极装置被用于重离子。纽约州立大学在信号线上进行的光束曝光之间电阻读数的实验。奥尔巴尼离子束实验室。使用器件电阻对器件进行辐照，在每个注量级(表iii)读取器件电阻，在用束照射tao、切换层之前和获得最终注量之后，获得ar离子束，主要在器件子集的iv扫描中引入位移损伤。如物质中的离子范围(srim) 。离子能量和注量的γ辐射实验，统计显著性是多种多样的，如表iii所示。 在最高的离子注量下，tao膜经历了几乎全部的原子分裂，因为每cm3发生3×1023个氧原子位移(表iii)。这个能流水平代表位移损伤的上限，因为几乎每个氧原子都被位移了。器件形成和转换遵循与前面描述的伽马辐射实验中相同的程序(表ii)。在每次离子束曝光后用读取脉冲测量器件电阻，并在每个辐射水平测量未成形器件的电容。 结果和讨论 γ辐照 当用脉冲读数测量时，当用高达31 mrad(si)(组a)和44 mrad(si)(组b)的总电离剂量的伽马辐射照射时，两组装置都没有表现出任何显著的电阻变化 相比之下，先前对基于tao的rram装置的研究已经观察到装置对tid效应的大范围响应。 与其他vcm型设备相比，这两组设备似乎对来自60co源的辐射效应相对耐受。表iv总结了rram装置中报告的电离损伤效应。 集a器件的伽马辐照。(a)在hrs(a)和lrs(b).中，设备在每个伽马辐射暴露剂量水平下测量了a组(带有pt顶部电极)器件的电阻两种器件类型的辐照均未观察到电阻的显著变化。对照装置来自不同批次，hrs变异性稍高，lrs阻力较低。控制装置在与辐照装置相似的时间尺度上进行测量，以表明由于实验持续时间，电阻没有漂移。 b组器件的伽马辐照。在hrs(a)和lrs(b).中，b组器件暴露于伽马辐射下的电阻保持不变时间轴表示实验开始后的时间，表明控制装置是在与受辐射装置相似的时间尺度上被测量出来的。在几天的时间内，hrs中的设置b装置有时会增加阻力，如未辐照的对照组所示。与控制装置相比，辐照装置的电阻变化很小。 氩离子辐照 暴露于ar离子束的位移损伤的lrs或hrs中的set a装置在高注量下表现出电阻增加 此外，形成辐照器件所需的电压要低得多并且成形时的电阻比未辐照的对照器件变化更大 受到来自si2离子轰击的位移损伤的b组器件表现出与该组相似的电阻趋势设备 集a装置的人工离子轰击。用器件(ir+顶部电极)用ar+离子照射，并在每个通量水平测量电阻。在最高通量水平下，hrs(a)和lrs(b)中器件的电阻增加到1个mo以上。与测试装置一起测量的非辐照控制装置没有显示出电阻的变化。 离子束曝光后的a型器件的形成。与未辐照的控制相比，辐照器件需要更低的形成电压得多。相比之下，控制装置形成了一个一致的电阻-lkΩ b集器件的硅离子轰击。(a)hrs中setb装置的阻力在中等水平的位移损伤时降低(以sriivi计算的累积氧空位表示)，而在高水平的损伤时增加。(b)器件在lrs中的电阻在高水平的位移损伤时增加。 经辐照的一组器件的透射电子显微镜(tem)横截面显示膜叠层内每个界面的粗糙度增加(图8)，这为成形后经辐照的器件的电阻变化提供了可能的解释。 非辐照和辐照组a装置的tem横截面。非辐照器件的(a)tem横截面显示整个器件的薄膜和光滑的清晰的界面。一个辐照器件的(b)透射电镜截面(1x1023vac/cm3)的(b)透射电镜截面显示界面粗糙化ta0开关层的表观形态发生了变化。 结论 本研究中使用的氧化钽rram装置对辐射损伤具有很强的抵抗力。其他几个小组观察到的位移损伤，定制的a组装置没有表现出预期的电阻降低，即使受到更高水平的辐射损伤。 氧空位的高迁移率在ta2o5中，促进氧空位和间隙原子的复合。总的来说，这项研究中测试的设备似乎是rad-hard存储设备的优秀候选设备。 |
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