Electrical stress-induced damage in TiN/Ti/HfO2/W memristors : The critical role of voltage polarity and vacuum condition
Saludes Tapia, Maria Mercedes (Institut de Microelectrònica de Barcelona)
Campabadal, Francesca (Institut de Microelectrònica de Barcelona)
Solé, L. (Institut de Microelectrònica de Barcelona)
Borrisé, Xavier (Institut Català de Nanociència i Nanotecnologia)
Miranda, E. (Universitat Autònoma de Barcelona. Departament d'Enginyeria Electrònica)
Bargallo Gonzalez, Mireia (Institut de Microelectrònica de Barcelona)

Fecha:	2025
Resumen:	In this work, we investigate the damage caused by the catastrophic breakdown of the insulating layer in TiN/Ti/HfO2/W memristors when subjected to ramped voltage stress. Our analysis includes physical and compositional examinations of the damaged regions using scanning electron microscopy (SEM) and energy-dispersive x-ray spectroscopy. These techniques are complemented by in situ SEM current-voltage (I-V) measurements performed under vacuum conditions. In particular, we explored the connection of the applied voltage polarity with the damage onset. We show that high negative voltages applied to the TiN top electrode typically result in worm-like damage patterns. This specific type of damage, along with more severe stages of degradation such as disconnection and melting, is exclusively observed for negative biases and does not occur under vacuum conditions. Conversely, under positive voltage stress, no damage is detected in the top electrode of the devices irrespective of the external conditions. These results highlight the critical role of vacuum in controlling redox-driven compositional changes and preventing catastrophic damage. By systematically analyzing the effects of voltage polarity and ambient conditions, this study provides key insights into damage generation mechanisms. The obtained results pave the way for enhancing the lifetime, reliability, and robustness of memristive technologies for their use in emerging applications.
Ayudas:	Agencia Estatal de Investigación PID2022-139586NB-C41 Agencia Estatal de Investigación PID2022-139586NB-C42 Agencia Estatal de Investigación CR32023-040125 Generalitat de Catalunya 2021/SGR-00497
Nota:	Altres ajuts: CSIC funding through project 20225AT012
Derechos:	Aquest document està subjecte a una llicència d'ús Creative Commons. Es permet la reproducció total o parcial, la distribució, la comunicació pública de l'obra i la creació d'obres derivades, fins i tot amb finalitats comercials, sempre i quan es reconegui l'autoria de l'obra original.
Lengua:	Anglès
Documento:	Article ; recerca ; Versió publicada
Materia:	Damaged region ; Electrical stress ; HfO 2 ; Insulating layers ; Memristor ; Ramped voltage stress ; Scanning electrons ; Stress-induced damage ; Vacuum condition ; Voltage polarity
Publicado en:	Applied physics letters, Vol. 127, Num. 3 (July 2025) , art. 032901, ISSN 1077-3118

DOI: 10.1063/5.0273851

8 p, 2.9 MB

El registro aparece en las colecciones:
Documentos de investigación > Documentos de los grupos de investigación de la UAB > Centros y grupos de investigación (producción científica) > Ciencias > Institut Català de Nanociència i Nanotecnologia (ICN2)
Artículos > Artículos de investigación
Artículos > Artículos publicados