薄SiNx ReRAM在顺序恒压应力后的低频噪声演化

《physica status solidi (a)– applications and materials science》：Low-Frequency Noise Evolution in Thin SiNx ReRAMs After Sequential Constant Voltage Stress

　　

在本研究中，研究人员对金属-绝缘体-半导体（MIS）电阻式随机存取存储器（ReRAM）单元中的薄SiN_x薄膜施加恒定电压，进行多种顺序持续时间（25、45、65、110和250 s）的应力处理，并使用不同的采样速率测量每次应力后产生的低频噪声信号。这使得能够同时捕捉快速和缓慢的陷阱现象，并监测缺陷产生的演化过程。随机电报噪声（RTN）信号揭示了材料中多种缺陷的逐渐形成，这些缺陷使材料性能恶化并最终导致灾难性失效。这种演化逐渐导致功率谱密度（PSD）曲线的斜率从1/f²行为转变为1/f行为。对这些信号的分析可以揭示这些缺陷的性质。

硅氮化物（SiN_x）因其电荷俘获特性和可缩放性，广泛用于电荷俘获型非易失性存储器（CT-NVM）、垂直CT-NVM技术和SONOS闪存。作为细丝型电阻式随机存取存储器（ReRAM）的活性材料，SiN_x在神经形态计算、内存计算、边缘计算及基于随机电报噪声（RTN）的真随机数发生器（TRNG）中展现出应用潜力。先前研究已对特定电阻态下SiN_x ReRAM的RTN进行了建模，提取了缺陷俘获/发射时间，并将RTN归因于载流子陷阱与导电细丝（CF）之间的电子交换。然而，在恒压应力（CVS）过程中缺陷的逐时演化及其对低频噪声（LFN）谱的影响尚未被充分阐明。本研究旨在通过顺序CVS和后续LFN测量，揭示SiN_x基金属-绝缘体-半导体（MIS）ReRAM中缺陷的形成机制与性质。

研究人员制备了以7 nm SiN_x（x=1.27）为阻变层的MIS器件，通过I-V特性、CVS和不同采样频率的LFN测量，系统研究了缺陷产生、演化以及噪声谱转变。结果表明，随着累积应力时间从25 s增至250 s，功率谱密度（PSD）斜率从-1.85逐渐变为-0.98，即从1/f²演变为1/f，表明陷阱数量增加，RTN最终转为闪烁噪声。该研究为理解SiN_x ReRAM的击穿机制、可靠性以及TRNG物理熵源优化提供了重要依据。

主要技术方法包括：在n型硅衬底上通过LPCVD沉积7 nm SiN_x，制备Cu/Pt顶电极和Al底电极的MIS器件（器件面积50×50 μm²）；使用Tektronix 4200A-SCS参数分析仪执行电压扫描和CVS实验；在累积应力（+2.6 V，顺序25、45、65、110、250 s）后，分别以10 Hz、100 Hz和1 kHz采样频率测量LFN；利用自编Python程序进行时域分析，结合高斯直方图拟合、时间滞后图（TLP）和PSD洛伦兹拟合提取陷阱参数。CVS电压范围为+2.5 V至+3.3 V，所有测量在室温、45%相对湿度空气中进行。

3.1 I–V特性
通过连续1000次SET/RESET电压扫描，器件的平均SET电压为+3.5 V，RESET电压为-2.5 V。I-V曲线符合修正空间电荷限制导电（MSCLC）和Poole-Frenkel（P-F）机制，计算得介电常数为6.2。导电细丝（CF）由氮空位导致的硅悬键组成。在低阻态（LRS），CF顶端与顶电极间隙在1.5 nm与0.1 nm之间波动；在高阻态（HRS），间隙从4 nm降至约2 nm。循环后，氮原子可能与铜结合，导致CF破裂长度缩短，HRS退化。这一系列变化解释了存储窗口随循环关闭及最终失效的原因。

3.2 CVS测量
在+2.5至+3.3 V恒定电压应力下，电流随时间呈阶梯式上升，对应20 kΩ、100 kΩ、600 kΩ和2 MΩ等不同电阻级别，表明缺陷逐步形成并提高电导。在+3.1 V应力下，观察到电流突变和双稳态波动，归因于氮空位导电通路的破坏与重建。RTN在+2.5、+2.6和+2.7 V下出现，根据俘获/发射时间比与应力电压的关系，计算得到陷阱深度约2.7 ?，位于SiN_x与顶电极界面附近。击穿时间（t_BD）与1/V_Stress模型拟合度最高，表明阳极空穴注入导致Si─N键断裂，产生氮空位缺陷，最终引发灾难性击穿。

3.3 顺序CVS和应力后LFN测量
在+2.6 V累积应力后，以不同采样频率记录LFN。随应力时间增加，RTN在更高采样频率下出现，说明陷阱密度增大，俘获/去俘获过程加快。PSD斜率从-1.85逐渐变化至-0.98，体现从单一陷阱的1/f²洛伦兹型向多陷阱叠加的1/f闪烁噪声转变。在110 s时电流出现下降，PSD斜率从-1.11变为-1.40，可能源于不稳定缺陷或细丝的湮灭。直方图分析表明，25 s和45 s时存在两个清晰高斯峰，65 s时小峰与主峰重叠，250 s时仅单峰，与闪烁噪声特征一致。比较不同采样频率，45 s应力后仅在100 Hz和1 kHz下检测到RTN，说明陷阱时间常数远小于10 Hz采样周期。TLP进一步确认了两个电流电平间的转换。实测RTN波形与理想模型符合良好。

讨论部分强调，短时应力下单一陷阱主导RTN，PSD斜率接近-2；长时间应力使大量具有不同时间常数的陷阱叠加，PSD斜率趋近-1，符合McWhorter理论。1/V_Stress击穿模型证实空穴注入在缺陷产生中的关键作用。陷阱靠近顶电极界面，与氮空位的形成密切相关。

结论：所制备的SiN_x ReRAM经多周期操作后，CF顶端与顶电极之间的间隙减小，导致存储窗口关闭并最终失效。器件失效归因于介电层内形成的高浓度缺陷。通过CVS和LFN测量发现，陷阱形成于SiN_x与顶电极界面附近，击穿与1/V_Stress模型一致。在特定恒压应力下逐步增加应力时间，影响电导的缺陷数量逐渐增多，导致两个RTN电平之间的转换加快，表现为PSD斜率下降和RTN在更高采样频率下出现。缺陷数量的持续增加最终导致材料不可逆击穿。