价变存储器的本征 RESET 速度极限

在过去十年中，价变存储器（VCM）因其高耐久性和快速开关时间等优越特性而被广泛研究。信息存储于高阻态（逻辑‘0’，HRS）和低阻态（逻辑‘1’，LRS）。它也可在两种不同写入方案下工作，即单极开关模式（LRS 和 HRS 以相同电压极性写入）和双极开关模式（LRS 和 HRS 以相反电压极性写入）。然而，VCM 在写入操作中仍存在较大变异性，并且会发生故障，这些尚未被完全理解，因此需要更好地理解潜在的故障机制。在本研究中，我们确定了一种新的本征失效机制，它使得 RESET 时间（从 LRS 到 HRS 的转换）无法快于 400 ps，并可能也限制了耐久性。我们通过测量两个价变存储器器件（即 Pt/TaO$_\mathrm{x}$/Ta 和 Pt/ZrO$_\mathrm{x}$/Ta）在 50 ns 至 50 ps 时间区间内的 RESET 动力学来证实这一 RESET 速度限制，该区间对应于已报道的 VCM 最快写入时间。通过提高所施加的脉冲电压可实现更快的 RESET 时间。然而，在超过某一电压阈值后，这两种器件都不再能被复位。相反，发生了单极 SET（从 HRS 到 LRS 的转换）事件，阻止了更快的 RESET 时间。单极 SET 的发生归因于与 Pt 电极界面处的氧交换，可通过在该界面引入阻氧层来抑制，这也实现了 50 ps 的快速 RESET 时间。