Resistive Switching Properties of a Polycrystalline TiO2 Memory Cell With a Tungsten Nitride (WN) Buffer Layer Inserted

7/29/2019 Resistive Switching Properties of a Polycrystalline TiO2 Memory Cell With a Tungsten Nitride (WN) Buffer Layer Ins

1/5

J o u r n a l o f t h e K o r e a n P h y s i c a l S o c i e t y , V o l . 5 3 , N o . 6 , D e c e m b e r 2 0 0 8 , p p . 3 6 8 5 $ 3 6 8 9

R e s i s t i v e S w i t c h i n g P r o p e r t i e s o f a P o l y c r y s t a l l i n e T i O

2

M e m o r y C e l l

w i t h a T u n g s t e n N i t r i d e ( W N ) B u e r L a y e r I n s e r t e d

J u n e S i k K w a k , Y o u n g H o D o , J o n g H y u n L e e a n d J i n P y o H o n g

N o v e l F u n c t i o n a l M a t e r i a l s a n d D e v i c e L a b o r a t o r y ,

D e p a r t m e n t o f P h y s i c s , H a n y a n g U n i v e r s i t y , S e o u l 1 3 3 - 7 9 1

B a e H o P a r k

D e p a r t m e n t o f P h y s i c s , K o n k u k U n i v e r s i t y , S e o u l 1 4 3 - 7 0 1

H y u n S i k I m

D e p a r t m e n t o f S e m i c o n d u c t o r S c i e n c e , D o n g g u k U n i v e r s i t y , S e o u l 1 0 0 - 7 1 5

S e o k J o n g W o o

D e v e l o p m e n t T e a m 2 , S K C H a a s D i s p l a y F i l m s C o m p a n y , C h o n a n 3 3 0 - 8 3 6

( R e c e i v e d 2 1 A u g u s t 2 0 0 7 )

R e s i s t i v e s w i t c h i n g p r o p e r t i e s w e r e i n v e s t i g a t e d i n a p o l y c r y s t a l l i n e T i O

2

l m w i t h a t u n g s t e n

n i t r i d e ( W N ) b a r r i e r l a y e r s a n d w i c h e d b e t w e e n t h e P t e l e c t r o d e s . D C v o l t a g e - c u r r e n t m e a s u r e m e n t s

w e r e d o n e t o o b s e r v e t h e s w i t c h i n g p r o p e r t i e s o f t h e l o w - a n d t h e h i g h - r e s i s t a n c e s t a t e s . T h e T i O

2

m e m o r y c e l l w a s a l s o s t u d i e d i n t e r m s o f t h e e l e c t r i c a l p u l s e p a r a m e t e r d e p e n d e n c e o f t h e S e t / R e s e t

s w i t c h i n g p r o c e s s . T h e d c v o l t a g e - c u r r e n t c h a r a c t e r i s t i c s o f t h e T i O

2

m e m o r y c e l l w i t h a W N

b a r r i e r l a y e r d e m o n s t r a t e d e n h a n c e d s w i t c h i n g c o m p a r e d t o t h o s e o f t h e m e m o r y c e l l w i t h o u t W N

b a r r i e r l a y e r s . I n a d d i t i o n , s t a b l e r e s i s t a n c e s w i t c h i n g i n t h e c e l l w i t h W N i n s e r t e d w a s r e p e t i t i v e l y

o b s e r v e d t o b e a s t r o n g f u n c t i o n o f t h e a m p l i t u d e a n d t h e w i d t h o f t h e v o l t a g e p u l s e . T h i s s t a b l e

s w i t c h i n g p r o p e r t y i s e x p e c t e d t o o r i g i n a t e f r o m t h e d e c r e a s e i n t h e n u m b e r o f o x y g e n v a c a n c i e s a t

t h e i n t e r f a c e s b e t w e e n t h e P t e l e c t r o d e a n d t h e T i O

2

l a y e r d u e t o t h e i n s e r t e d W N b u e r l a y e r .

P A C S n u m b e r s : 7 3 . 4 0 . R w , 8 4 . 3 7 . + q , 8 5 . 4 0 . - e

K e y w o r d s : R e s i s t i v e s w i t c h i n g , T i O

2

, R e R A M , N o n v o l a t i l e m e m o r y

I . I N T R O D U C T I O N

R e s i s t i v e s w i t c h i n g e e c t w a s o b s e r v e d i n v a r i o u s o x -

i d e m a t e r i a l s , s u c h a s b i n a r y o x i d e [ 1 { 3 , 5 { 8 ] , p e r o v s k i t e

m a t e r i a l s [ 4 , 9 , 1 0 ] a n d c h a l c o g e n i d e m a t e r i a l s [ 1 1 ] . T h e r e -

f o r e , t h e p r o t o t y p e d e v i c e s o f r e s i s t i v e r a n d o m a c c e s s

m e m o r y ( R e R A M ) b a s e d o n t h e r e s i s t a n c e s w i t c h i n g e f -

f e c t h a s b e e n e x t e n s i v e l y s t u d i e d d u e t o i t s n o n - v o l a t i l i t y ,

h i g h - d e n s i t y i n t e g r a t i o n , h i g h - s p e e d s w i t c h i n g a n d l o w

p o w e r c o n s u m p t i o n [ 5 , 6 ] . T h e R e R A M u s i n g a b i n a r y

o x i d e m a t e r i a l i s o n e o f t h e b e s t c a n d i d a t e s f o r n e x t -

g e n e r a t i o n a d v a n c e d n o n - v o l a t i l e m e m o r y d e v i c e s b e -

c a u s e t h e c r y s t a l s t r u c t u r e a n d t h e s t o i c h i o m e t r y o f b i -

n a r y o x i d e s a r e m o r e e a s i l y c o n t r o l l e d a n d c o m p a t i b l e

w i t h s t a n d a r d c o m p l e m e n t a r y m e t a l - o x i d e s e m i c o n d u c -

t o r t e c h n o l o g y [ 6 ] . R e s i s t i v e s w i t c h i n g m e m o r y c e l l s f o r

R e R A M a p p l i c a t i o n s h a v e a m e t a l - o x i d e - m e t a l ( M O M )

E - m a i l : j p h o n g @ h a n y a n g . a c . k r ;

T e l : + 8 2 - 2 - 2 2 2 0 - 0 9 1 1 ; F a x : + 8 2 - 2 - 2 2 9 5 - 6 8 6 8

s t r u c t u r e c o n s i s t i n g o f a t r a n s i t i o n - m e t a l o x i d e l a y e r

s a n d w i c h e d b e t w e e n t w o t e r m i n a l m e t a l e l e c t r o d e s . T h e

r e s i s t i v e s w i t c h i n g m e m o r y c e l l e x h i b i t s a d r a s t i c c h a n g e

i n r e s i s t a n c e w h e n a c u r r e n t o r v o l t a g e p u l s e i s a p p l i e d .

T h e r e s i s t a n c e s w i t c h i n g i n a b i n a r y o x i d e t h i n l m , s u c h

a s T i O

2

[ 5 { 7 , 1 2 , 1 3 ] , N i O [ 1 4 ] a n d Z r O

2

[ 1 5 ] , h a s b e e n

w i d e l y s t u d i e d f o r m o d e l i n g t h e r e s i s t i v e s w i t c h i n g m e c h -

a n i s m . O n e r e s i s t i v e s w i t c h i n g m o d e l s u g g e s t s t h a t a n

a p p l i e d e l e c t r i c p u l s e c r e a t e s o r d e s t r o y s t h e m u l t i p l e l -

a m e n t a r y c o n d u c t i o n p a t h s t h r o u g h t h e l m . T h e m i g r a -

t i o n o f o x y g e n i o n s u n d e r a v o l t a g e b i a s i s c o n s i d e r e d a s

t h e m a i n e e c t o f f o r m a t i o n a n d r u p t u r e o f c o n d u c t i n g

l a m e n t s i n b i n a r y o x i d e l m [ 1 2 , 1 3 , 1 6 , 1 7 ] . A l t h o u g h

t h e e x a c t n a t u r e o f t h e l a m e n t i n b i n a r y o x i d e i s n o t

c l e a r l y u n d e r s t o o d y e t , i t i s r e a s o n a b l e t o a s s u m e t h a t

t h e m i g r a t i o n o f o x y g e n i o n s o r v a c a n c i e s m i g h t p l a y a n

i m p o r t a n t r o l e i n r e s i s t i v e s w i t c h i n g t h r o u g h a c o n d u c t -

i n g l a m e n t . T h e r e a r e o t h e r i m p o r t a n t i s s u e s f o r t h e

r e a l i z a t i o n o f R e R A M d e v i c e s : t h a t i s , h o w t o s t a b i l i z e

t h e r e s i s t i v e s w i t c h i n g p a r a m e t e r s , s u c h a s t h e s e t / r e s e t

- 3 6 8 5 -


2/5

- 3 6 8 6 - J o u r n a l o f t h e K o r e a n P h y s i c a l S o c i e t y , V o l . 5 3 , N o . 6 , D e c e m b e r 2 0 0 8

s w i t c h i n g v o l t a g e v a l u e a n d t h e s t a b l e r a t i o o f r e s i s t a n c e

b e t w e e n t h e h i g h - r e s i s t a n c e s t a t e ( H R S ) a n d t h e l o w -

r e s i s t a n c e s t a t e ( L R S ) .

I n t h i s a r t i c l e , b a s i c r e s i s t i v e s w i t c h i n g p r o p e r t i e s a r e

i n v e s t i g a t e d i n a T i O

2

l m w i t h a W N b a r r i e r l a y e r s a n d -

w i c h e d b e t w e e n P t e l e c t r o d e s , w h e r e t h e W N l a y e r w a s

i n s e r t e d a s a n e e c t i v e m e t h o d t o s t a b i l i z e t h e r e s i s t i v e

s w i t c h i n g p a r a m e t e r s . T h i s i n s e r t e d l a y e r i s e x p e c t e d

t o e n h a n c e t h e i n t e r f a c i a l p r o p e r t y b e t w e e n t h e T i O

2

a n d t h e P t e l e c t r o d e l a y e r . I t i s w e l l k n o w n t h a t W N i s

w i d e l y u s e d i n s e m i c o n d u c t o r p r o c e s s e s a s a \ m e t a l d i f -

f u s i o n b a r r i e r " b e t w e e n t h e m e t a l a n d t h e s e m i c o n d u c t o r

l a y e r s t o p r e v e n t i n t e r m i x i n g a n d i n t e r a c t i o n [ 1 8 ] . T h e

c r y s t a l l i n e p r o p e r t y a n d p h a s e o f t h e T i O

2

l a y e r w a s a n -

a l y z e d b y u s i n g X - r a y d i r a c t i o n ( X R D ) a n d s c a n n i n g

e l e c t r o n m i c r o s c o p y ( S E M ) . W e i n v e s t i g a t e d t h e i n u -

e n c e s o f t h e i n s e r t e d W N l a y e r o n t h e d c c u r r e n t - v o l t a g e

( I - V ) c h a r a c t e r i s t i c s a n d t h e s w i t c h i n g p r o p e r t y o f t h e

p u l s e d v o l t a g e . O u r r e s u l t s h o w s t h a t t h e W N b u e r

l a y e r s s t a b i l i z e t h e s w i t c h i n g p r o p e r t y o f t h e T i O

2

c e l l .

W e e x p e c t t h a t t h e s t a b i l i z a t i o n o f s w i t c h i n g p r o p e r t i e s

i s d u e t o t h e o x y g e n i o n d i u s i o n f r o m t h e T i O

2

l a y e r b e -

i n g b l o c k e d a n d t o t h e o c c u p a t i o n o f i n t e r f a c i a l o x y g e n

v a c a n c i e s b y n i t r o g e n i o n s f r o m t h e W N l a y e r .

I I . E X P E R I M E N T S

T w o t y p e s o f r e s i s t i v e s w i t c h i n g h e t e r o s t r u c t u r e s ,

P t / T i O

2

/ P t a n d P t / W N / T i O

2

/ W N / P t , w e r e g r o w n b y

u s i n g d c a n d r f m a g n e t r o n s p u t t e r i n g . A 1 0 0 - n m - t h i c k

P t / T i b o t t o m e l e c t r o d e w a s p r e p a r e d o n a S i O

2

/ S i s u b -

s t r a t e b y u s i n g a d c m a g n e t r o n s p u t t e r i n g a t r o o m t e m -

p e r a t u r e . F i r s t , a 1 0 - n m - t h i c k W N i n t e r f a c i a l l a y e r w a s

d e p o s i t e d o n t h e P t e l e c t r o d e b y r e a c t i v e R F s p u t t e r i n g

u s i n g a W t a r g e t a t a p r e s s u r e o f 2 m T o r r . A n 8 0 - n m

T i O

2

l a y e r w a s d e p o s i t e d o n t h e W N l a y e r b y u s i n g r e a c -

t i v e R F s p u t t e r i n g a t 2 5 0 W . T h e T i O

2

t h i n l m s w e r e

d e p o s i t e d b y u s i n g a p u r e T i t a r g e t a t 5 m T o r r , w h i c h

w a s m a i n t a i n e d b y u s i n g a g a s m i x t u r e o f o x y g e n a n d

a r g o n a t a m i x i n g r a t i o o f 2 : 1 . S e c o n d , a 1 0 - n m - t h i c k

W N i n t e r f a c i a l l a y e r a n d P t t o p e l e c t r o d e l a y e r w e r e s e -

q u e n t i a l l y d e p o s i t e d b y u s i n g r e a c t i v e r f s p u t t e r i n g . F o r

e l e c t r i c a l m e a s u r e m e n t , t o p e l e c t r o d e s w i t h a d i a m e t e r o f

3 0 u m w e r e f a b r i c a t e d b y u s i n g c o n v e n t i o n a l p h o t o l i t h o -

g r a p h i c l i f t - o p r o c e s s .

A s a b a s e l i n e e x p e r i m e n t , t h e c r y s t a l l i n e p r o p e r t y

a n d t h e p h a s e o f t h e T i O

2

l a y e r w a s a n a l y z e d b y u s i n g

X R D a n d S E M . S u b s e q u e n t l y , w e i n v e s t i g a t e d t h e i n u -

e n c e s o f t h e i n s e r t e d W N l a y e r o n t h e s w i t c h i n g c e l l s i n

d c c u r r e n t - v o l t a g e ( I - V ) m e a s u r e m e n t b y u s i n g a c o m -

p u t e r i n t e r f a c e d K e i t h l e y s o u r c e - m e a s u r e m e n t u n i t a n d

t h e v o l t a g e p u l s e s w i t c h i n g p r o p e r t y o f t h e s w i t c h i n g c e l l

w a s m e a s u r e d b y u s i n g A g i l e n t H P 8 1 1 1 0 A p u l s e s i g n a l

g e n e r a t o r a t r o o m t e m p e r a t u r e w i t h a b i a s e d t o p e l e c -

t r o d e a n d a g r o u n d e d b o t t o m e l e c t r o d e . E a c h p u l s e d

s i g n a l f r o m p u l s e s i g n a l g e n e r a t o r t o s a m p l e w a s m o n i -

F i g . 1 . ( a ) X R D s p e c t r a o f p o l y c r y s t a l l i n e T i O

2

l m s

p r e p a r e d o n P t / T i / S i O

2

/ S i s u b s t r a t e s , i n d i c a t i n g t w o m a i n

p e a k s o f t h e r u t i l e p h a s e a n d ( b ) t y p i c a l S E M i m a g e o f a

p o l y c r y s t a l l i n e T i O

2

s u r f a c e .

t o r e d b y u s i n g a T e k t r o n i c s d i g i t a l o s c i l l o s c o p e T D S 3 0 5 2 .

T h e n , t h e r e s i s t a n c e s t a t e s w e r e m e a s u r e d b y u s i n g a

s o u r c e - m e a s u r e m e n t u n i t a f t e r e a c h - p u l s e s w i t c h i n g t e s t .

I I I . R E S U L T S A N D D I S C U S S I O N

T h e X R D p a t t e r n o f t h e r f r e a c t i v e s p u t t e r e d T i O

2

l m d e p o s i t e d o n a P t / T i / S i O

2

/ S i s u b s t r a t e i s s h o w n i n

F i g u r e 1 ( a ) . T h e s e p a t t e r n s a r e t y p i c a l c h a r a c t e r i s t i c s

o f t h e p o l y c r y s t a l l i n e r u t i l e s t r u c t u r e o f T i O

2

, i n d i c a t i n g

n o n - p r e s e n c e o f o t h e r p h a s e s r e l a t e d t o T i O

2

. A s s h o w n

i n F i g u r e 1 ( a ) , t h e l i n e o f T i O

2

( 1 1 0 ) d e m o n s t r a t e s a

s i n g l e t e x t u r e o f t h e T i O

2

r u t i l e p h a s e a n d s t r o n g l i n e s

o f P t ( 1 1 1 ) a n d ( 2 0 0 ) a r e a l s o o b s e r v e d . T h i s g u r e i n -

d i c a t e s t h a t o u r d c - s p u t t e r e d P t t h i n l m h a s a g o o d

c r y s t a l q u a l i t y . F i g u r e 1 ( b ) s h o w s a s u r f a c e S E M i m -

a g e o f a T i O

2

l m , d e m o n s t r a t i n g t h a t o u r t h i n l m h a s

a p o l y c r y s t a l l i n e s t r u c t u r e w i t h s m a l l - s i z e d g r a i n s . T h e

g r a i n s i z e o f t h e T i O

2

l m i s a p p r o x i m a t e l y 2 0 0 n m .

T h e r e f o r e , o u r T i O

2

t h i n l m h a s t h e r u t i l e s t r u c t u r e o f

t h e p o l y c r y s t a l l i n e p h a s e i n o u r c o n d i t i o n ( R F 2 5 0 W a t

a 5 m T o r r p r e s s u r e ) .

T h e r e s i s t i v e s w i t c h i n g a n d t h e m e a s u r e m e n t o f t h e

r e s i s t i v e s t a t e i n t h e T i O

2

m e m o r y c e l l w e r e p e r f o r m e d

u s i n g a s o u r c e - m e a s u r e m e n t u n i t w i t h a p u r e T i O

2

c e l l


3/5

R e s i s t i v e S w i t c h i n g P r o p e r t i e s o f a P o l y c r y s t a l l i n e { J u n e S i k K w a k e t a l . - 3 6 8 7 -

F i g . 2 . D C v o l t a g e s w e e p m e a s u r e m e n t s o f ( a ) a p u r e T i O

2

c e l l a n d ( b ) a T i O

2

c e l l w i t h W N l a y e r i n s e r t e d . T w o s a m p l e s

e x h i b i t a d r a s t i c c h a n g e i n r e s i s t a n c e s t a t e , b u t T h e T i O

2

m e m o r y c e l l w i t h W N l a y e r i n s e r t e d s h o w s a m o r e s t a b l e

s w i t c h i n g p r o p e r t y t h a t i s b e t t e r t h a n t h a t o f a p u r e T i O

2

m e m o r y c e l l .

( s a m p l e A ) a n d a T i O

2

c e l l w i t h a W N l a y e r i n s e r t e d

( s a m p l e B ) . A s s h o w n i n F i g u r e 2 , a l l s a m p l e s e x h i b i t a

d r a s t i c c h a n g e o f r e s i s t a n c e f r o m t h e H R S t o L R S , w h i c h

i s s o c a l l e d \ s e t " . O n t h e o t h e r h a n d , \ r e s e t " i s s e e n a s

a n o t h e r r e s i s t a n c e c h a n g e f r o m t h e L R S t o H R S . T h i s

r e s i s t i v e s w i t c h i n g i s e n t i r e l y r e v e r s i b l e a n d r e p r o d u c i b l e

a l t h o u g h t h e r e i s a s m a l l d i s p e r s i o n i n t h e v a l u e o f s e t

a n d r e s e t v o l t a g e . T h e i n i t i a l f o r m i n g p r o c e s s w a s p e r -

f o r m e d b e f o r e t h i s e x p e r i m e n t . T h e f o r m i n g v o l t a g e w a s

3 V a n d t h e p r o p e r c u r r e n t c o m p l i a n c e w a s 5 1 0 m A .

T h e c u r r e n t c o m p l i a n c e w a s s e t t o 3 5 m A d u r i n g t h e

s e t p r o c e s s t o p r e v e n t a h a r d b r e a k d o w n i n t h e T i O

2

m e m o r y c e l l . T h e r e s i s t a n c e s t a t e o f s a m p l e A w a s s e t

t o L R S b y a p p l y i n g a p o s i t i v e v o l t a g e o f 1 . 4 V . T h e

r e s e t v o l t a g e o f t h i s c e l l w a s 0 . 5 V , a s s h o w n i n F i g u r e

2 ( a ) . I n t h e H R S s t a t e , t h e I - V c h a r a c t e r i s t i c s o f s a m p l e

A s h o w e d d i e r e n t s h a p e s a n d u n s t a b l e s e t v o l t a g e s i n

e a c h m e a s u r e m e n t . I n a d d i t i o n , t h e r e s e t s w i t c h i n g d i d

n o t s h o w a c l e a r c h a n g e f r o m H R S t o L R S a t t h e r e s e t

v o l t a g e . F o r a p e r f e c t r e s i s t a n c e c h a n g e , m o r e s w e e p i n g

v o l t a g e u p t o 1 V i n r e s e t i s n e c e s s a r y . T h e s e t v o l t a g e

a n d t h e r e s e t v o l t a g e i n s a m p l e B w e r e 2 V a n d 0 . 6

F i g . 3 . V a r i a t i o n s o f p u l s e p r o l e i n a T i O

2

m e m o r y c e l l

w i t h W N l a y e r i n s e r t e d d u r i n g r e s i s t i v e s w i t c h i n g . ( a ) v a r i o u s

p u l s e w i d t h r e s p o n s e s f o r s e t s w i t c h i n g a t 2 0 n s , 5 0 n s a n d 1 0 0

n s , w h e r e t h e a m p l i t u d e w a s 3 V a n d ( b ) d i e r e n t a m p l i t u d e

r e s p o n s e s f o r r e s e t s w i t c h i n g a t 1 . 6 V , 1 . 8 V a n d 2 . 0 V , w h e r e

t h e p u l s e w i d t h w a s 2 0 0 u s .

V , r e s p e c t i v e l y , a s s h o w n i n F i g u r e 2 ( b ) . A r e m a r k a b l e

f e a t u r e i n t h e I - V c h a r a c t e r i s t i c s i s t h e s m o o t h c u r v e

s h a p e i n t h e H R S a n d a c l e a r r e s i s t a n c e c h a n g e i n t h e

r e s e t p r o c e s s . T h e s e t a n d t h e r e s e t v o l t a g e v a r i a t i o n s

a r e s m a l l e r t h a n 0 . 1 5 V a t e a c h s w i t c h i n g p r o c e s s . T h e

T i O

2

m e m o r y c e l l w i t h W N i n s e r t e d s h o w s m u c h m o r e

s t a b l e s w i t c h i n g t h a n a p u r e T i O

2

m e m o r y c e l l d u e t o

t h e f a c t t h a t t h e n i t r o g e n i o n s i n t h e W N l a y e r d i u s e t o

t h e T i O

2

i n t e r f a c e a n d o c c u p y t h e o x y g e n v a c a n c i e s i n

t h e o x y g e n - d e c i e n t r e g i o n o f t h e T i O

2

i n t e r f a c e [ 9 , 1 0 ] .

T h e r e f o r e , w e t h i n k t h a t s t a b l e I - V c h a r a c t e r i s t i c s c a n

b e o b t a i n e d i n t h e T i O

2

c e l l w i t h W N i n s e r t e d .

T h e p u l s e d s i g n a l s w i t c h i n g p r o p e r t i e s o f t w o t y p e s

o f s a m p l e s w e r e m e a s u r e d u s i n g a p u l s e s i g n a l g e n e r a -

t o r a n d w e r e i n s i t u m o n i t o r e d u s i n g a d i g i t a l o s c i l l o -

s c o p e d u r i n g t h e p u l s e s w i t c h i n g t e s t . T h e r e s i s t a n c e

s t a t e w a s m e a s u r e d a t a b i a s v o l t a g e o f 0 . 2 V a f t e r e a c h -

p u l s e s w i t c h i n g t e s t b y u s i n g a s o u r c e - m e a s u r e m e n t u n i t .

F i g u r e 3 s h o w s t h e a p p l i e d p u l s e s i g n a l t o t h e s a m p l e

m o n i t o r e d b y u s i n g a d i g i t a l o s c i l l o s c o p e d u r i n g t h e s e t

a n d t h e r e s e t p r o c e s s e s . F i r s t , t h e c h a r a c t e r i s t i c s o f t h e

s e t p r o c e s s o f t h e T i O

2

c e l l w i t h W N i n s e r t e d w a s t e s t e d


4/5

- 3 6 8 8 - J o u r n a l o f t h e K o r e a n P h y s i c a l S o c i e t y , V o l . 5 3 , N o . 6 , D e c e m b e r 2 0 0 8

F i g . 4 . S e t a n d r e s e t s w i t c h i n g b e h a v i o r s o f a T i O

2

m e m -

o r y c e l l w i t h W N l a y e r i n s e r t e d . ( a ) L R S r e s i s t a n c e a s a

f u n c t i o n o f p u l s e w i d t h a f t e r a p p l y i n g a s e t p u l s e , w h e r e t h e

a m p l i t u d e w a s x e d a t 3 V . ( b ) H R S r e s i s t a n c e a s a f u n c t i o n

o f a m p l i t u d e a f t e r a p p l y i n g a r e s e t p u l s e , w h e r e t h e p u l s e

w i d t h w a s x e d a t 2 0 0 u s .

a s a f u n c t i o n o f t h e p u l s e w i d t h . D u r i n g t h e s e t s w i t c h -

i n g e x p e r i m e n t , t h e s e t s w i t c h i n g p u l s e a m p l i t u d e o f 3 V

w a s u s e d a n d t h e c u r r e n t c o m p l i a n c e w a s s e t t o 2 0 m A i n

o r d e r t o p r o t e c t t h e s a m p l e s f r o m c o m p l e t e b r e a k d o w n .

T h e s e l e c t e d a m p l i t u d e o f 3 V w a s t h e m i n i m u m a m p l i -

t u d e f o r c l e a r s w i t c h i n g i n a p r e v i o u s s w i t c h i n g t e s t . T h e

r a m p - u p t i m e o f t h e s e t u p a t t h e m i n i m u m p u l s e v o l t a g e

w a s


5/5

R e s i s t i v e S w i t c h i n g P r o p e r t i e s o f a P o l y c r y s t a l l i n e { J u n e S i k K w a k e t a l . - 3 6 8 9 -

a m p l i t u d e a n d w i d t h o f s e t p u l s e w e r e f o u n d t o b e 3 V

a n d 5 0 n s , r e s p e c t i v e l y a n d t h e r e s e t p u l s e r e q u i r e d a n

o p t i m u m a m p l i t u d e o f 1 . 8 V a n d a w i d t h o f 2 0 0 u s .

F i g u r e 5 s h o w s t h e c h a r a c t e r i s t i c s o f c o n t i n u o u s p u l s e

s w i t c h i n g i n m e m o r y c e l l s . A s s h o w n i n F i g u r e 5 ( a ) ,

s a m p l e A e x h i b i t e d u n s t a b l e s w i t c h i n g p r o p e r t y a n d t h e

r e s i s t a n c e r a t i o b e t w e e n t h e H R S a n d t h e L R S d e c r e a s e d

w i t h i n c r e a s i n g p u l s e c y c l e s . H o w e v e r , a s s h o w n i n F i g -

u r e 5 ( b ) , t h e s w i t c h i n g p r o p e r t y o f t h e s a m p l e B w a s r e -

m a r k a b l y s t a b l e a n d s h o w e d a h i g h r e s i s t a n c e r a t i o l a r g e r

t h a n 1 0

3

b e t w e e n t h e H R S a n d t h e L R S . S a m p l e B a l s o

s h o w e d r e p e a t a b l e s w i t c h i n g w i t h t h e s a m e b e h a v i o r u p

t o 1 0 0 c y c l e s . T h e r e f o r e , w e e x p e c t t h a t t h e n i t r o g e n

i o n s i n t h e W N l a y e r m a y d i u s e t o t h e T i O

2

i n t e r f a c e

a n d o c c u p y o x y g e n v a c a n c i e s i n t h e o x y g e n - d e c i e n t r e -

g i o n o f t h e T i O

2

i n t e r f a c e , b l o c k i n g o x y g e n i o n d i u s i o n

f r o m t h e T i O

2

l a y e r a n d p r o v i d i n g m u c h m o r e s t a b l e

s w i t c h i n g b e h a v i o r s .

I V . C O N C L U S I O N

R e s i s t i v e s w i t c h i n g p r o p e r t i e s w e r e i n v e s t i g a t e d i n a

p o l y c r y s t a l l i n e T i O

2

n a n o l a y e r w i t h a W N b a r r i e r l a y e r

s a n d w i c h e d b e t w e e n t h e P t e l e c t r o d e s . T w o s a m p l e s o f

W N - b u e r e d a n d p u r e - T i O

2

m e m o r y c e l l s w e r e f a b r i -

c a t e d f o r c o m p a r i s o n . T h e f o r m e r s a m p l e s h o w s a n e n -

h a n c e d s w i t c h i n g p r o p e r t y i n t h e D C I - V s w e e p m e a -

s u r e m e n t a n d a s t a b i l i z e d r e s p o n s e f o r a s h o r t p u l s e

w i d t h . T h e W N - b u e r e d T i O

2

m e m o r y c e l l e x h i b i t e d

s t a b l e s w i t c h i n g w i t h a h i g h r e s i s t a n c e r a t i o o f 1 0

3

b e -

t w e e n t h e L R S a n d t h e H R S . E x p e r i m e n t a l l y o b s e r v e d

r e s u l t s i n d i c a t e t h a t t h e n i t r o g e n i o n s f r o m t h e W N l a y e r

a t t h e T i O

2

i n t e r f a c e m a y o c c u p y o x y g e n v a c a n c i e s i n t h e

T i O

2

l a y e r a n d b l o c k o x y g e n - i o n d i u s i o n f r o m t h e T i O

2

l a y e r , p r o v i d i n g a m o r e s t a b l e s w i t c h i n g p r o p e r t y .

A C K N O W L E D G M E N T S

T h i s p r o j e c t w a s s u p p o r t e d b y \ T h e N a t i o n a l R e s e a r c h

P r o g r a m f o r 0 . 1 - T e r a b i t N o n - v o l a t i l e M e m o r y D e v e l o p -

m e n t " s p o n s o r e d b y K o r e a M i n i s t r y o f K n o w l e d g e E c o n -

o m y .

R E F E R E N C E S

[ 1 ] T . W . H i c k m o t t , J . A p p l . P h y s . 3 6 , 1 8 8 5 ( 1 9 6 5 ) .

[ 2 ] H . S i m , D . C h o i , D . L e e , S . S e o , M . J . L e e , I . K . Y o o a n d

H . H w a n g , I E E E E l e c t r o n D e v i c e L e t t . 2 6 , 2 9 2 ( 2 0 0 5 ) .

[ 3 ] I . G . B a e k , D . C . K i m , M . J . L e e , H . J . K i m , E . K . Y i m ,

M . S . L e e , J . E . L e e , S . E . A h n , S . S e o , J . H . L e e , J . C .

P a r k , Y . K . C h a r , S . O . P a r k , H . S . K i m , I . K . Y o o , U . - I n

C h u n g , J . T . M o o n a n d B . I . R y u , I n t . E l e c t r o n D e v i c e s

M e e t . T e c h . D i g u r e 7 5 0 ( W a s h i n g t o n , D C , 2 0 0 5 ) .

[ 4 ] K . S z o t , W . S p e i e r , G . B i h l m a y e r a n d R . W a s e r , N a t u r e

M a t e r i a l 5 , 3 1 2 ( 2 0 0 6 ) .

[ 5 ] M . F u j i m o t o , H . K o y a m a , Y . H o s o i , K . I s h i h a r a a n d S .

K o b a y a s i , J p n . J . A p p l . P h y s . 4 5 , L 3 1 0 ( 2 0 0 6 ) .

[ 6 ] M . F u j i m o t o , H . K o y a m a , M . K o n a g i , Y . H o s o i , K . I s h i -

h a r a , S . O h n i s h i a n d N . A w a y a , A p p l . P h y s . L e t t . 8 9 ,

2 2 3 5 0 9 ( 2 0 0 6 ) .

[ 7 ] Y . H . D o , K . W . J e o n g , C . O . K i m a n d J . P . H o n g , J .

K o r e a n P h y s . S o c . 4 8 , 1 4 9 2 ( 2 0 0 5 ) .

[ 8 ] K . W . J e o n g , Y . H . D o , K . S . Y o o n , C . O . K i m a n d J .

P . H o n g , J . K o r e a n P h y s . S o c . 4 8 , 1 5 0 1 ( 2 0 0 5 ) .

[ 9 ] Z . W . X i n g , N . J . W u a n d A . I g n a t i e v , A p p l . P h y s . L e t t .

9 1 , 0 5 2 1 0 6 ( 2 0 0 7 ) .

[ 1 0 ] Y . B . N i a n , J . S t r o z i e r , N . J . W u , X . C h e n a n d A . I g -

n a t i e v , P h y s . R e v . L e t t . 9 8 , 1 4 6 4 0 3 ( 2 0 0 7 ) .

[ 1 1 ] D . A d l e r , M . S . S h u r , M . S i l v e r a n d S . R . O v s h i n s k y , J .

A p p l . P h y s . 5 1 , 3 2 8 9 ( 1 9 8 0 ) .

[ 1 2 ] K . M . K i m , B . J . C h o i a n d C . S . H w a n g , A p p l . P h y s .

L e t t . 9 0 , 2 4 2 9 0 6 ( 2 0 0 7 ) .

[ 1 3 ] B . J . C h o i , S . C h o i , K . M . K i m , Y . C . S h i n , C . S . H w a n g ,

S . Y . H w a n g , S . C h o , S . P a r k a n d S . H o n g , A p p l . P h y s .

L e t t . 8 9 , 0 1 2 9 0 6 ( 2 0 0 6 ) .

[ 1 4 ] S . S e o , M . J . L e e , D . H . S e o , E . J . J e o u n g , D . S . S u h , Y .

S . J o u n g , I . K . Y o o , I . R . H w a n g , S . H . K i m , I . S . B y u n ,

J . S . K i m , J . S . C h o i a n d B . H . P a r k , A p p l . P h y s . L e t t .

8 5 , 5 6 5 5 ( 2 0 0 4 ) .

[ 1 5 ] C . Y . L i n , C . Y . W u , C . Y . W u , T . C . L e e , F . L . Y a n g ,

C . H u a n d T . Y . T s e n g , I E E E E l e c t r o n D e v i c e L e t t . 2 8 ,

3 6 6 ( 2 0 0 7 ) .

[ 1 6 ] Y . S a t o , K . K i n o s h i t a , M . A o k i a n d Y . S u g i y a m a , A p p l .

P h y s . L e t t . 9 0 , 0 3 3 5 0 3 ( 2 0 0 7 ) .

[ 1 7 ] D . W . K i m , D . S . S h i n , S . H . C h a n g , B . H . P a r k , R .

J u n g , X . S . L i , D . C . K i m , C . - W . L e e a n d S . S e o , J .

K o r e a n P h y s . S o c . 5 1 , 8 8 ( 2 0 0 7 ) .

[ 1 8 ] J . S . B e c k e r a n d R . G . G o r d o n , A p p l . P h y s . L e t t . 8 2 ,

2 2 3 9 ( 2 0 0 3 ) .

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Resistive Switching Properties of a Polycrystalline TiO2 Memory Cell With a Tungsten Nitride (WN) Buffer Layer Inserted