Процессы кристаллизации и образования проводящих филаментов в структурах на основе оксида и оксинитрида гафния тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 00.00.00, кандидат наук Исаев Александр Геннадьевич

• Исаев Александр Геннадьевич
• кандидат наук
• 2025

Оглавление диссертации кандидат наук Исаев Александр Геннадьевич

Список основных сокращений

Введение

Глава 1. Резистивное переключение в мемристорных оксидных структурах

1.1 Материалы, используемые в мемристорных структурах

1.1.1 Возможные материалы активного слоя

1.1.2 Возможные материалы электродов

1.2 Кристаллическая структура мемристорных структур

1.2.1 Кристаллическая структура тонких пленок оксида гафния

1.2.2 Кристаллическая структура пленок нитрида титана

1.3 Механизмы резистивного переключения в структурах на основе переходных металлов

1.3.1 Основные механизмы образования филаментов

1.3.2 Механизмы образования филаментов в структурах на основе оксида гафния

1.3.3 Использование атомно-силовой микроскопии для исследования процесса образования филаментов

1.4 Методы управления характеристиками мемристорных структур

1.4.1 Влияние отжигов на резистивное переключение в оксидных мемристорах

1.4.2 Влияние легирования активного слоя на резистивное переключение в оксидных мемристорах

1.4.3 Влияние дополнительных слоев на резистивное переключение в оксидных мемристорах

1.5 Заключение к главе

Глава 2. Методы формирования и исследования мемристорных структур на

основе оксида гафния

2.1 Методы формирования мемристорных структур на основе НЮх

2.1.1 Атомно-слоевое осаждение

2.1.2 Магнетронное распыление

2.1.3 Отжиги

2.2 Методы исследования мемристорных структур на основе HfOx

2.2.1 Просвечивающая электронная микроскопия

2.2.2 Растровый электронный микроскоп

2.2.3 Измерения ВАХ

2.2.4 Рентгено-структурный анализ

2.2.5 Атомно-силовая микроскопия

Глава 3. Исследование кристаллической структуры пленок оксинитрида гафния, полученных методом атомно-слоевого осаждения

3.1 Влияние отжигов на кристаллическую структуру пленок TiN

3.2 Влияние отжигов на кристаллическую структуру пленок оксинитрида гафния

3.3 Влияние параметров осаждения на кристаллическую структуру пленок оксинитрида гафния

3.4 Влияние примеси азота на кристаллизацию пленок

3.5 Заключение к главе

Глава 4. Влияние структуры пленок на основе оксида гафния на процесс

формирования проводящих филаментов

4.1 Особенности исследования формирования филаментов методом ПАСМ

4.2 Влияние условий осаждения на процесс формирования проводящих филаментов

4.3 Влияние отжигов на процесс формирования проводящих филаментов

4.4 Влияние слоев НЮ^ , TaOxNy и Al2Oз на процесс формирования проводящих филаментов

4.5 Заключение к главе

Заключение

Список литературы

Список основных сокращений

РП - резистивное переключение

ReRAM - резистивная память с произвольным доступом (resistive random-access memory)

МДМ - металл-диэлектрик-металл

КМОП - комплементарная структура металл-оксид- полупроводник АСО - атомно-слоевое осаждение

ПС-АСО - плазмостимулированное атомно-слоевое осаждение Т-АСО - термическое атомно-слоевое осаждение АСМ - атомно-силовая микроскопия

ПАСМ - атомно-силовая микроскопия с измерением проводимости

ВАХ - вольт-амперные характеристики

РСА - рентгено-структурный анализ

ПЭМ - просвечивающая электронная микроскопия

РЭМ - растровая электронная микроскопия

ВОС - высокоомное состояние

НОС - низкоомное состояние

ВЭ - верхний электрод

НЭ - нижний электрод

ECM - electrochemical metallization

VCM - valence change mechanism

ЭФ - электроформовка

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Процессы кристаллизации и образования проводящих филаментов в структурах на основе оксида и оксинитрида гафния»

Введение

Актуальность темы. Сегодня традиционные виды памяти сталкиваются с проблемой дальнейшего масштабирования. Поэтому необходима разработка новых видов памяти, позволяющих добиться большей плотности элементов и не уступающих в других характеристиках, таких как скорость чтения и записи, энергопотребление и время хранения информации. Одним из самых перспективных кандидатов представляется резистивная память с произвольным доступом (ReRAM) [1]. Такая память может быть реализована на основе мемристоров, в которых возможен процесс резистивного переключения (РП). Ячейкой такой памяти обычно является мемристор, реализованный как структура металл-диэлектрик-металл (МДМ), где слои металла играют роль электродов, а изменение сопротивления происходит за счет образования проводящих наноразмерных каналов (филаментов) в слое диэлектрика [2]. Состояние с высоким сопротивлением соответствует логическому нулю, а с низким - единице. Такая память может потенциально обеспечить высокую плотность структур (размер одной ячейки может быть менее 10 нм [3,4]), время записи менее 1 нс [5,6], число циклов перезаписи более миллиарда [5,7], время хранения информации более 10 лет [8] и энергопотребление менее 1 пДж [4] на ячейку.

Во многих мемристорах помимо двух основных состояний наблюдалось множество промежуточных [9,10]. Такие мемристоры могут служить аппаратной основой для нейроморфных вычислений. Современные нейроморфные процессоры основаны на классической КМОП технологии [11], которая для подобных вычислений не является оптимальной с точки зрения энергопотребления. При использовании КеЯЛМ в качестве аппаратной основы для нейроморфных вычислений мемристорные ячейки играют роль искусственных синапсов и сопротивление каждой ячейки соответствует синаптическому весу [12,13]. Было показано, что кроссбар-массивы мемристоров могут стать аппаратной основой для широкого спектра нейросетевых алгоритмов от предобученных нейронных сетей до самообучающихся импульсных

нейронных сетей [14]. Также в некоторых мемристорах были продемонстрированы различные синаптические функции, такие как кратковременная и долговременная пластичность, пластичность, зависящая от времени спайка (STDP) и др. [10].

Несмотря на то, что уже был представлен ряд прототипов ReRAM [15,16], существует ряд проблем, препятствующих массовому использованию ReRAM. Основными проблемами являются отсутствие структур, которые бы одновременно удовлетворяли всем требованиям по характеристикам, и существенный разброс характеристик от ячейки к ячейке и во времени [1,17]. Оксид гафния является одним из наиболее перспективных материалов для диэлектрического слоя в мемристорах. В различных структурах на основе оксида гафния были достигнуты: стабильное РП на протяжении 1011 циклов [8], время сохранения состояния более 10 лет [8], рабочие напряжения менее 0,5 В [4], время переключения 0,3 нс [5], энергопотребление за цикл РП менее 0,1 пДж [4] и минимальный латеральный размер ячейки 2 нм [3]. При этом оксид гафния активно используется в современной микроэлектронике в качестве подзатворного диэлектрика [18,19], поэтому методы его осаждения отработаны и интегрированы в техпроцессы. Однако, поскольку филаменты преимущественно формируются на дефектах в структуре оксида, неоднородность пленки может приводить к разбросу характеристик от ячейки к ячейке [1,2]. Например, если в одной мемристорной ячейке окажется несколько таких дефектов, а в другой их не окажется вовсе, то напряжения электроформовки (ЭФ) для первой ячейки будут существенно ниже.

Формирование оксида гафния методом атомно-слоевого осаждения (АСО) позволяет добиться максимальной однородности пленок. С другой стороны, АСО обеспечивает низкое число дефектов, необходимых для образования филамента, что приводит к повышению напряжений ЭФ [17]. Высокие напряжения ЭФ, в свою очередь, приводят к быстрой деградации структур при работе. Для снижения напряжений ЭФ могут применяться различные подходы к инжинирингу дефектов, позволяющие увеличить

количество дефектов, при этом добившись их равномерного распределения по всей площади пленки [20]. Среди таких методов легирование [21,22], отжиги [23,24], добавление дополнительных слоев [25,26] и другие. Для более эффективного инжиниринга дефектов необходимо исследовать изначальную кристаллическую структуру оксида и влияние на нее данных методов. Это позволит точнее, в частности, подбирать степень легирования, длительность и температуру отжигов, материалы дополнительных слоев и так далее.

Степень разработанности. В настоящее время активно исследуются различные характеристики РП, такие как число циклов или время сохранения состояния, а также характеристики многоуровневого РП, необходимого для нейроморфных применений. В большинстве работ исследуются структуры латеральным размером порядка десятков или даже сотен мкм, в то время как сверхплотные массивы ЯеЯЛМ предполагают размеры ячеек менее 100 нм [17]. В работе [22] было показано, что легирование оксида гафния азотом позволяет существенно повысить характеристики резистивного переключения в мемристорах на его основе. В работе [10] было показано, что мемристоры на основе пленок оксинитрида гафния демонстрируют отличные синаптические характеристики для нейроморфных приложений. Однако потенциал масштабирования данных структур до субмикронных размеров слабо изучен. Поэтому необходимо изучение плотности образующихся филаментов в таких структурах, а также влияния на нее различных методов инженерии дефектов.

Кристаллическая структура стехиометричного оксида гафния хорошо изучена [27], однако легирование или изменение стехиометрии может оказывать существенное влияние на кристаллическую структуру пленки. Например, для стехиометричного оксида гафния характерна моноклинная кристаллическая фаза, однако легирование различными примесями позволяет стабилизировать кубическую или орторомбическую кристаллическую фазу [28,29]. Поэтому необходимо также тщательно изучить кристаллическую структуру пленок окисинитрида гафния для более точного понимания механизмов возникновения новых дефектов и формирования на них филаментов.

Целью данной работы является управление плотностью филаментов в активной среде ячеек мемристоров для нейроморфных применений и ReRAM при помощи инжиниринга дефектов контролируемым процессом кристаллизации в многослойных оксидных системах.

Для достижения этой цели были поставлены следующие задачи:

1. Определение условий и механизмов кристаллизации в двуслойной системе HfO2/НfOxNy.

2. Выявление связи между условиями атомно-слоевого осаждения и плотностью образующихся филаментов в двуслойной системе HfO2/НfOxNy.

3. Выявление связи между кристаллизацией, распределением дефектов и плотностью образующихся филаментов в двуслойной системе HfO2/НfOxNy.

4. Исследование влияния слоев НЮ^ , TaOxNy и Al2Oз на образование проводящих филаментов в структурах на основе НГО2.

Научная новизна:

1. Показано, что термический и плазмостимулированный процессы атомно-слоевого осаждения определяют различную структуру кристаллических зерен в системе HfO2/HfOxNy/TiN. В пленках, полученных термическим атомно-слоевым осаждением, средний латеральный размер зерен после кристаллизации составлял 9 нм при максимальном размере не более 30 нм, для пленок, полученных плазмостимулированным атомно-слоевым осаждением, средний размер составлял 15 нм, а максимальный достигал 70 нм.

2. Показано, что с помощью выбора типа процесса атомно-слоевого осаждения, температуры осаждения и последующего отжига двуслойной системы HГО2/НГОxNy можно управлять плотностью филаментов в такой системе.

3. Продемонстрировано, что добавление слоя Al2Oз толщиной 0.5 нм в структуре Pt/Al2Oз/HГО2/TaOxNy/TiN приводит к двукратному снижению площади сечения филаментов.

Практическая значимость. В настоящее время область нейроморфных вычислений активно развивается, однако современные нейронные процессоры основаны на классической КМОП технологии. Осуществление нейроморфных вычислений на массивах мемристоров позволит повысить скорость вычислений и снизить энергопотребление. Одной из основных проблем таких массивов является разброс характеристик от ячейки к ячейке. При высокой степени интеграции ячеек этот разброс может быть вызван низким числом дефектов в активном слое, необходимых для формирования филамента, поскольку в этом случае в некоторых ячейках филаменты будут формироваться при более высоких напряжениях. В данной работе рассмотрены методы повышения числа таких дефектов и, следовательно, плотности филаментов, что позволит повысить плотность интеграции структур, не повышая при этом разброс характеристик. Методология и методы исследования.

Объект исследования: структуры Pt/HfO2/НfOxNy/TiN/Si, сформированные методами плазмостимулированного и термического атомно-слоевого осаждения при различных температурах и отожженные при различных температурах, а также структуры Pt/HfO2/TaOxNy/TiN/Si и Pt/ Al2Oз/HfO2/TaOxNy/TiN/Si.

Методы исследования: атомно-силовая микроскопия с измерением проводимости (ПАСМ), измерение вольт-амперных характеристик (ВАХ), рентгено-структурный анализ (РСА), просвечивающая электронная микроскопия (ПЭМ).

Основные положения, выносимые на защиту:

1. Кристаллизация двуслойной системы HfO2/НfOxNy происходит при температурах более 550°С, что существенно превышает температуру кристаллизации чистого HfO2. Кристаллическая решетка такой структуры

зависит от толщины слоев: в структуре HfO2 (2 нм) / НЮХКУ (4 нм) преобладает орторомбическая фаза оксида гафния, увеличение толщины НГО2 приводит к стабилизации в решетке моноклинной фазы.

2. В аморфных пленках HfO2/НfOxNy центрами формирования филаментов являются нанокристаллы, образовавшиеся в процессе атомно-слоевого осаждения. В пленках, сформированных термическим по сравнению с плазмостимулированным атомно-слоевым осаждением формировалось в 2,5 раза больше филаментов за счет большего числа нанокристаллов. Показано, что существует оптимальная температура осаждения, когда количество филаментов максимально: 250°С для плазмостимулированного и 325°С для термического атомно-слоевого осаждения.

3. Полная кристаллизация пленок HfO2/НfOxNy приводит к 4-10-кратному и к 1,25-кратному увеличению плотности филаментов в структурах, сформированных плазмостимулированным и термическим атомно-слоевым осаждением, соответственно.

4. В системе HfO2/TaOxNу/TiN, по сравнению с HfO2/НfOxNy/TiN при одинаковой толщине слоев напряжение электроформовки уменьшилось в 1,6 раза для плотности филаментов 100 мкм" . Дополнительный слой 0,5 нм Л1203 на поверхности HfO2 снижает площадь сечения филаментов в два раза и дополнительно снижает напряжение электроформовки.

Достоверность полученных результатов обусловлена использованием современных методов диагностики материалов и структур, проведением взаимодополняющих экспериментов, комплексным анализом полученных данных и повторяемостью результатов при большой выборке исследуемых образцов.

Апробация работы: основные результаты научной работы докладывались на международных и всероссийских конференциях:

1. A.G. Isaev, O.O. Permyakova, A.E. Rogozhin. //Influence of different oxide layers on resistive switching parameters in HfOx-based multilayer structures. (ICMNE-2023, Zvenigorod, Russia)

2. A. Isaev, A. Rogozhin, E. Smirnova, K. Rudenko // Investigation of the defect distribution in multilayer dielectric stacks for ReRAM application using C-AFM technique. (ICMNE-2021, October 4-8, 2021, Zvenigorod, Russia)

3. Исаев А. Г., Пермякова О. О., Мягоньких А. В., Рогожин А. Е., // Влияние параметров атомно слоевого осаждения на количество проводящих филаментов в мемристорных структурах на основе оксида гафния (6-ая ШМУ в рамках Российского форума «Микроэлектроника 2024», ^чи, Россия 16-25 сентября 2024)

4. О.О. Пермякова, А.Г. Исаев, А.В. Мяконьких, Е.Н. Жихарев, А.Е. Рогожин, Создание бесформовочных мемристорных структур с помощью низкоэнергетической плазменно- иммерсионной имплантации ионов аргона (Физические и физико-химические основы ионной имплантации IX Всероссийская конференция и школа молодых ученых и специалистов, Нижний Новгород, Россия, 22-25 октября 2024)

5. А. Г. Исаев, О. О. Пермякова, И. Ф. Калимова, А. Е. Рогожин Влияние отжигов на количество проводящих филаментов в мемристорных структурах на основе оксида гафния, сформированных различными видами атомно-слоевого осаждения. (67-я Всероссийская научная конференция МФТИ, Долгопрудный, Россия, 1-5 апреля 2025)\

6. A. G. Isaev, O. O. Permyakova, I. F. Kalimova, A. E. Rogozhin Effect of annealing on resistive switching process in HfOx-based memristors deposited by different atomic layer deposition processes. (SPBOpen 2025, May 20-23 2025 Saint-Petersburg, Russia,)

Личный вклад. Все результаты диссертации получены автором лично или при его непосредственном участии. Автором лично проводились исследования методами ПАСМ и РСА. Измерения ВАХ и ПЭМ проводились при

непосредственном участии автора. Автор осуществлял интерпретацию полученных результатов и подготовку публикаций. Все выносимые на защиту результаты получены автором лично.

Публикации. Основные результаты по теме диссертации изложены в 6 печатных изданиях, 6 из которых изданы в журналах, рекомендованных ВАК, 5 — в периодических научных журналах, индексируемых Web of Science и Scopus.

Глава 1. Резистивное переключение в мемристорных

оксидных структурах

Резистивное переключение (РП) - процесс циклического изменения сопротивления между стабильными состояниями, наблюдаемый в некоторых материалах под воздействием электрических напряжений [2]. РП обычно наблюдается в мемристорах, которые представляют собой структуры металл-диэлектрик-металл (МДМ-структуры). Поскольку РП происходит в слое диэлектрика, его иногда называют активным слоем.

Существуют мемристоры с двумя состояниями, называемые бинарными или цифровыми, или множеством состояний, называемые многоуровневыми или аналоговыми [17]. У мемристоров с двумя состояниями состояние с высоким сопротивлением называют высокоомным (ВОС), а с низким сопротивлением -низкоомным (НОС) [2]. Переключение из ВОС состояния в НОС называют включением, а обратное переключение - выключением. Напряжение, при котором происходит включение, называется напряжением включения, а выключение - напряжением выключения. Первое включение, требующее более высоких напряжений по сравнению с последующими, называют электроформовкой (ЭФ). Для того чтобы большие токи в низкоомном состоянии не привели к повреждению или разрушению структуры, обычно применяется ограничение по току при включении.

В зависимости от полярности напряжений, необходимых для РП выделяют биполярное, униполярное, неполярное, пороговое (неустойчивое) и комплементарное РП (рисунок 1.1) [2,23]. При биполярном РП включение и выключение происходят при противоположных по знаку напряжениях. При униполярном РП включение и выключение происходят при напряжениях одной полярности. При неполярном РП включение и выключение происходят при напряжениях любой полярности знака. При пороговом РП низкоомное состояние неустойчиво и при отсутствии напряжения устройство автоматически переходит в ВОС. Комплементарное РП, как правило, наблюдается в двойных МДМДМ-структурах, но возможно и в обычных МДМ-структурах [1].

Рисунок 1.1 - ВАХ а, б) биполярного, в) униполярного, г) неполярного, д) порогового и е) комплементарного РП [15].

Под характеристиками РП в первую очередь понимают напряжения включения и выключения (рабочие напряжения), напряжение ЭФ и отношение сопротивлений в ВОС и НОС. Выделяют также такие характеристики РП, как максимально возможное число циклов РП (endurance), время сохранения состояния (retention), время (скорость) переключения и энергопотребление за цикл РП [17]. Число циклов РП - это максимальное количество циклов, которое устройство может переключаться между различными состояниями, сохраняя достаточное отношение сопротивлений для определения этих состояний. Данная характеристика определяет потенциальное число циклов перезаписи в ReRAM. Время сохранения состояния - это время, которое ячейка может сохранять свое состояние в отсутствие внешних напряжений. Этот параметр позволяет оценивать потенциальное время хранения информации. Время или скорость переключения определяют потенциальную скорость записи в ReRAM.

1.1 Материалы, используемые в мемристорных структурах 1.1.1 Возможные материалы активного слоя

Выбор материала активного слоя мемристора является ключевым, поскольку именно в нем происходит образование филаментов и, следовательно, он в значительной степени определяет характеристики устройства. В качестве активного слоя могут использоваться как неорганические, так и органические материалы [1]. Неорганические материалы обладают лучшей стабильностью РП, в то время как органические материалы дешевле и проще в получении. Неорганические материалы включают в себя простые оксиды (БЮх, ТЮх, ТаОх, ИЮх и т. д.), сложные оксиды (БгТЮз, Ьао.78го.зМпОз, РСМО и т. д.), халькогениды (Л§2Б, ОехБеу), нитриды (ЛШ, и другие (аморфные углерод и кремний). Органические материалы можно разделить на небольшие молекулы (AIDCN, ^ТС^) и полимеры (парилен-^ ПММА). Наиболее перспективными представляются мемристоры на основе бинарных оксидов за счет интеграции процессов их формирования в современные техпроцессы микроэлектроники, устойчивости к высоким температурам и лучших характеристик и стабильности РП [1].

Некоторые характеристики РП структур на основе различных бинарных оксидов, полученные в различных работах, приведены в таблице 1.1.

Таблица 1.1. Характеристики РП, полученные в структурах на основе некоторых оксидов.

Оксид "^вкл/выкл, В Квос/КНОС N 111 циклов !рп, нс Ссылки

ИЮх <0,5 >105 >10и <0,3 [4,5,8,30]

ТаОх <0,1 >106 >1012 <0,1 [6,7,31,32]

ТЮх <0,8 >105 >106 <5 [33-36]

БЮх <0,9 >106 >107 <0,1 [37,38]

А1Ох <1 >106 >1010 <10 [39-41]

СиОх <0,5 >105 >108 <50 [42-45]

ЫЪОх <0,7 >108 >107 <100 [46,47]

МОх <0,5 >106 >106 <10 [48-50]

7пОх <0,3 >107 >106 <5 [51-53]

Оксиды гафния и тантала представляются наиболее перспективными материалами для мемристоров, поскольку в структурах на их основе были достигнуты как скорость переключения менее наносекунды, так и число циклов РП более миллиарда.

В структурах Pt/Ta2O5/Ru включение происходило при напряжении -1.5 В, а выключение при 4 В (рисунок 1.2), при этом структура не требовала ЭФ [32].

Рисунок 1.2 - РП в структурах Pt/Ta2O5/Ru: а) ПЭМ изображение структуры; б)

ВАХ структуры [32].

Отношение сопротивлений между двумя состояниями - более 106. Также было достигнуто многоуровневое РП с множеством промежуточных состояний. Структуры успешно переключались импульсами длительностью 50 нс и не демонстрировали заметного ухудшения характеристик после 106 циклов РП. Рассчитанное время сохранения состояния составляло более 10 лет при комнатной температуре.

В работе [7] изготавливались структуры Р1/Та205/Та02/Р1 с линейным размером от 30 нм до 50 мкм. Устройства демонстрировали биполярное РП с включением при -1 В и выключением при +2 В (рисунок 1.3). Отношение сопротивлений при этом составляло менее 100. Микроразмерные структуры демонстрировали практически одинаковые характеристики, в то время как в наноразмерных структурах сопротивление в обоих состояниях было выше примерно на порядок. Однако рабочие напряжения для всех структур практически не отличались. Время переключения составляло 10 нс при ампли-

в) ю-з

ВКЛ выкл

<

\

10"5

Н 10-6

1(Г7

-2-10 1 2 Напряжение (В)

Рисунок 1.3 - РП в структурах Р1/Та2Оз/ТаО2/Р1 с различной площадью [7].

туде импульса 6 В. Количество циклов РП такими импульсами - 1011 и 1012 для структур 0.5 и 50 мкм соответственно. Рассчитанное время сохранения состояния - более 10 лет при 85°С. Также было продемонстрированно комплементарное РП в двух симметрично соединенных ячейках Р1:/Та2О5/ТаО2/Р1 Таким образом, за исключением невысокого отношения сопротивлений, данные структуры обладают отличными характеристиками РП.

В структурах Та/Та2О5/Т1 было продемонстрированно субнаносекундная скорость переключения [6]. Включение производилось импульсом длиной 105 пс и амплитудой ~2.5 В, выключение - при -4.5 В с длиной 120 пс. Было подтверждено успешное РП в 5 из 5 циклов между двумя состояниями с отношением сопротивлений от 100 до 1000.

Оксид гафния также представляется одним из наиболее перспективных материалов активного слоя мемристоров для ЯеЯАМ. В работе [8] исследовалось РП в 10х10 мкм2 Та/ИГО2/Р1-структурах. После ЭФ при ~2 В структуры демонстрировали биполярное РП с напряжениями включения и выключения 0,65 В и -1,10 В, соответственно. Отношение сопротивлений при этом составляло около 10. В структурах было достигнуто многоуровневое РП при различных ограничениях по току при включении и напряжениях при выключении (рисунок 1.4).

-1.5 -1.0 -0.5 0.0 0 5 1.0

Напряжение (В)

Рисунок 1.4 - РП в структуре Та/НГО2/Р1 [8].

Время переключения составило 5 нс для импульсов амплитудой 2,2 и -4 В при включении и выключении соответственно. Количество циклов РП составило более 1011 при переключении импульсами длиной 100 нс. Рассчитанное время сохранения состояния составило более 10 лет при 85°С.

Перспективных результатов удалось достичь в структурах Т1К/Н/НГО2/Т1К [4]. Исследовались кросспоинт структуры размером активной области от 1х1 мкм2 до 10х10 нм2. РП происходило в биполярном режиме с положительным напряжением на верхнем электроде при ЭФ/включении. Для 10-нанометровых структур среднее напряжение ЭФ составляло 5,3 и 2,3 В для структур с толщиной активного слоя 10 и 5 нм соответственно. При толщине оксида менее 2,5 нм ЭФ не требовалась. Рабочие напряжения для различных размеров структур находились в диапазоне от 0,3 до 0,6 В. Отношения сопротивлений составляли от 10 до 60. Было продемонстрированно успешное переключение импульсами длительностью 5 нс. Количество циклов РП составило 5-107, время сохранения состояния - более 10 лет при 100°С. Для структур размером 10 нм было достигнуто рекордно низкое значение энергии РП - 0,1 пДж.

Для структур ТМТ1/НГОх/Т1К в различных работах были получены довольно перспективные результаты. Были продемонстрированы переключение импульсами 300 пс с амплитудой 1,4 В и число циклов РП более 1010 [5]. В

50х50 нм2 структурах были получены рабочие напряжения менее 1В и достигнуто более 1011 циклов РП [54]. Также было получено экстраполированное время сохранения состояния более 10 лет с отношением сопротивлений более 1000 [55].

В структуре Pt/HfO2/HfOxNy/TiN были получены отличные характеристики многоуровневого РП [10]. Было получено несколько десятков состояний при рабочих напряжениях 1-3 В (рисунок 1.5)

Напряжение,

Рисунок 1.5 - Многоуровневое РП в структуре PШГО2/HГОxN/ГiN: а) ВАХ ЭФ и РП; б) возникновение множества состояний при изменении тока при выключении; в) демонстрация возможности реализации STDP в данных

структурах [10].

В данных структурах также были продемонстрированы такие синаптические функции, как такие как кратковременная и долговременная пластичность, пластичность, зависящая от времени спайка (STDP) и др. РП было возможно при длительности импульсов напряжения менее 10 нс.

В различных структурах на основе оксида гафния были продемонстрированы низкие рабочие напряжения (около 0,5 В), время сохранения состояния более 10 лет и масштабируемость до 10 нм. Также были продемонстрированы субнаносекундная скорость РП, многоуровневое РП и число циклов РП более 1011. В различных структурах на основе оксида тантала были продемонстрированы низкие рабочие напряжения (в пределах 1 В), отличное отношение сопротивлений (более 106), количество циклов РП 1012, время сохранения состояния более 10 лет, время переключения менее 1 нс и

многоуровневое РП. Поэтому мемристоры на основе оксидов тантала и гафния представляют наибольший интерес для исследования.

1.1.2 Возможные материалы электродов

Выбор материала электродов также важен, поскольку он влияет на механизм и полярность РП. Электроды мемристоров в зависимости от используемых материалов можно разделить на 4 группы [1]: инертные электроды; электроды, играющие вспомогательную роль в процессе РП; электроды, непосредственно участвующие в процессе РП, и электроды с особыми свойствами. К последним можно отнести, например, оксид индия-олова (1ТО), который обладает высокой прозрачностью для видимого света [56]. К электродам, непосредственно участвующим в процессе РП, относят Си, Л§, Та, Ru электроды и др. [8,32,57]. Ионы этих металлов при приложении напряжения могут мигрировать в диэлектрический слой, создавая там металлические филаменты, за счет которых и происходит РП. К электродам, играющим вспомогательную роль в процессе РП, относят Т1, Т1К, Щ, А1 электроды и др. [4,9,55]. Такие электроды способствуют возникновению большого числа вакансий на границе с диэлектриком, из которых могут формироваться филаменты в процессе РП. К инертным электродам относят Р1:, Ли, Рё электроды и др., которые практически не взаимодействуют с активным слоем и служат лишь в качестве проводника электрического тока [1,9,58].

Выбор материала электродов может также влиять на число состояний РП и отношение сопротивлений. В работе [59] в структурах на основе Б1КХ анализировалось влияние верхних и нижних электродов на процесс РП. Использование платины в качестве нижнего электрода позволяло получить бинарное РП с большим отношением сопротивлений, в то время как использование Т1К позволяло добиться многоуровневого РП с низким отношением сопротивлений (рисунок 1.6). При этом выбор верхнего электрода между Т1К, Та и Ru влиял только на рабочие напряжения и сопротивления различных состояний, но не менял характер РП. Различный характер РП связан с

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Исаев Александр Геннадьевич, 2025 год

Список литературы

1. Pan F., Gao S., Chen C. Recent progress in resistive random access memories: Materials, switching mechanisms, and performance // Mater. Sci. Eng. R Rep. 2014. Т. 83. С. 1-59.

2. Resistive Switching: From Fundamentals of Nanoionic Redox Processes to Memristive Device Applications / под ред. Ielmini D., Waser R. Weinheim, Germany: Wiley-VCH Verlag GmbH & Co. KGaA, 2016.

3. Pi S., Li C., Jiang H. Memristor crossbar arrays with 6-nm half-pitch and 2-nm critical dimension // Nature Nanotech. 2019. Т. 14, № 1. С. 35-39.

4. Govoreanu B., Kar G.S., Chen Y.-Y. 10x10nm2 Hf/HfOx crossbar resistive RAM with excellent performance, reliability and low-energy operation // 2011 International Electron Devices Meeting. Washington, DC, USA: IEEE, 2011. С. 31.6.1-31.6.4.

5. Lee H.Y. и др. Evidence and solution of over-RESET problem for HfOX based resistive memory with sub-ns switching speed and high endurance // 2010 International Electron Devices Meeting. San Francisco, CA, USA: IEEE, 2010. С. 19.7.1-19.7.4.

6. Torrezan A.C., Strachan J.P., Medeiros-Ribeiro G. Sub-nanosecond switching of a tantalum oxide memristor // Nanotechnology. 2011. Т. 22, № 48. С. 485203.

7. Lee M.-J., Lee C.B., Lee D. A fast, high-endurance and scalable non-volatile memory device made from asymmetric Ta2O5-x/TaO2-x bilayer structures // Nature Mater. 2011. Т. 10, № 8. С. 625-630.

8. Jiang H., Han L., Lin P. Sub-10 nm Ta Channel Responsible for Superior Performance of a HfO2 Memristor // Sci Rep. 2016. Т. 6, № 1. С. 28525.

9. Sharath S.U., Vogel S., Molina-Luna L. Control of Switching Modes and Conductance Quantization in Oxygen Engineered HfOx based Memristive Devices // Adv. Funct. Mater. 2017. Т. 27, № 32. С. 1700432.

10. Liu C. и др. Optimization of oxygen vacancy concentration in HfO 2 /HfO x bilayer-structured ultrathin memristors by atomic layer deposition and their

biological synaptic behavior // J. Mater. Chem. C. 2020. T. 8, № 36. C. 1247812484.

11. Davies M. h gp. Loihi: A Neuromorphic Manycore Processor with On-Chip Learning // IEEE Micro. 2018. T. 38, № 1. C. 82-99.

12. Ankit A. h gp. PUMA: A Programmable Ultra-efficient Memristor-based Accelerator for Machine Learning Inference // Proceedings of the Twenty-Fourth International Conference on Architectural Support for Programming Languages and Operating Systems. Providence RI USA: ACM, 2019. C. 715-731.

13. Shi Y. h gp. Neuroinspired unsupervised learning and pruning with subquantum CBRAM arrays // Nat Commun. 2018. T. 9, № 1. C. 5312.

14. Thomas A. Memristor-based neural networks // J. Phys. D: Appl. Phys. 2013. T. 46, № 9. C. 093001.

15. Liu T., Yan T.H., Scheuerlein R. A 130.7-mm2 2-Layer 32-Gb ReRAM Memory Device in 24-nm Technology // IEEE J. Solid-State Circuits. 2014. T. 49, № 1. C. 140-153.

16. Fackenthal R., Kitagawa M., Otsuka W. A 16Gb ReRAM with 200MB/s write and 1GB/s read in 27nm technology // 2014 IEEE International Solid-State Circuits Conference Digest of Technical Papers (ISSCC). San Francisco, CA, USA: IEEE, 2014. C. 338-339.

17. Lanza M., Wong H.-S.P., Pop E. Recommended Methods to Study Resistive Switching Devices // Adv. Electron. Mater. 2019. T. 5, № 1. C. 1800143.

18. Rignanese G.-M. Dielectric properties of crystalline and amorphous transition metal oxides and silicates as potential high-K candidates: the contribution of density-functional theory // J. Phys.: Condens. Matter. 2005. T. 17, № 7. C. R357-R379.

19. Aktas S., Caglar M. Electrical performance and HfO2 gate dielectric optimization of SnO2 thin film phototransistors // Mater. Sci. Eng. B. 2024. T. 308. C. 117587.

20. Banerjee W., Liu Q., Hwang H. Engineering of defects in resistive random access memory devices // J. Appl. Phys. 2020. T. 127, № 5. C. 051101.

21. Duncan D., Magyari-Kôpe B., Nishi Y. Properties of Dopants in HfO x for Improving the Performance of Nonvolatile Memory // Phys. Rev. Applied. 2017. T. 7, № 3. C. 034020.

22. Aziz J. h gp. Improved memory performance of ALD grown HfO2 films by nitrogen doping // Mater. Sci. Eng. B. 2023. T. 297. C. 116755.

23. Lanza M. h gp. Resistive switching in hafnium dioxide layers: Local phenomenon at grain boundaries // Applied Physics Letters. 2012. T. 101, № 19. C. 193502.

24. Kim G. h gp. Investigation of the Switching Mechanism in the Bipolar and Complementary Resistive Switching of HfO x -Based Resistive Random-Access Memory through Rapid-Thermal-Annealing-Induced Grain Boundary Engineering // ACS Appl. Electron. Mater. 2025. C. acsaelm.5c00344.

25. Wang L.-G., Qian X., Cao Y.-Q. Excellent resistive switching properties of atomic layer-deposited Al2O3/HfO2/Al2O3 trilayer structures for non-volatile memory applications // Nanoscale Res Lett. 2015. T. 10, № 1. C. 135.

26. Park M.R., Abbas Y., Abbas H. Resistive switching characteristics in hafnium oxide, tantalum oxide and bilayer devices // Microelectronic Engineering. 2016. T. 159. C. 190-197.

27. Chesnokov Yu.M. h gp. Microstructure and electrical properties of thin HfO2 deposited by plasma-enhanced atomic layer deposition // J Mater Sci. 2018. T. 53, № 10. C. 7214-7223.

28. Xu L. h gp. Ferroelectric phase stabilization of HfO2 by nitrogen doping // Appl. Phys. Express. 2016. T. 9, № 9. C. 091501.

29. Guberna E. h gp. Local Ga Ion Implantation as a Source of Diverse Ferroelectric Properties of Hafnium Oxide // Phys. Status Solidi RRL. 2022. T. 16, № 2. C. 2100485.

30. Zhang J. h gp. Insight into interface behavior and microscopic switching mechanism for flexible HfO2 RRAM // Applied Surface Science. 2020. T. 526. C. 146723.

31. Li C. h gp. Improved Uniformity of TaOx -Based Resistive Random Access Memory with Ultralow Operating Voltage by Electrodes Engineering // ECS J. Solid State Sci. Technol. 2020. T. 9, № 4. C. 041005.

32. Yoon J.H., Zhang J., Lin P. A Low-Current and Analog Memristor with Ru as Mobile Species // Adv. Mater. 2020. T. 32, № 9. C. 1904599.

33. Hu L. h gp. Interfacial reaction induced digital-to-analog resistive switching in TiO2-based memory devices // Physica B: Condensed Matter. 2022. T. 632. C. 413730.

34. Yoshida C., Tsunoda K., Noshiro H. High speed resistive switching in PtTiO2TiN film for nonvolatile memory application // Appl. Phys. Lett. 2007. T. 91, № 22. C. 223510.

35. Xue D. h gp. Flexible resistive switching device based on the TiO2 nanorod arrays for non-volatile memory application // Journal of Alloys and Compounds. 2020. T. 822. C. 153552.

36. Song S.J. h gp. Real-time identification of the evolution of conducting nano-filaments in TiO2 thin film ReRAM // Sci Rep. 2013. T. 3, № 1. C. 3443.

37. Choi B.J., Torrezan A.C., Norris K.J. Electrical Performance and Scalability of Pt Dispersed SiO2 Nanometallic Resistance Switch // Nano Lett. 2013. T. 13, № 7. C. 3213-3217.

38. Schindler C. h gp. Bipolar and Unipolar Resistive Switching in Cu-Doped $ \hbox{SiO}_{2}$ // IEEE Trans. Electron Devices. Institute of Electrical and Electronics Engineers (IEEE), 2007. T. 54, № 10. C. 2762-2768.

39. Gao L. h gp. Enhanced resistive switching characteristics in Al2 O3 memory devices by embedded Ag nanoparticles // Nanotechnology. 2017. T. 28, № 21. C. 215201.

40. Lin C.-Y. h gp. Bistable Resistive Switching in Al[sub 2]O[sub 3] Memory Thin Films // J. Electrochem. Soc. 2007. T. 154, № 9. C. G189.

41. Huang X.-D. h gp. Forming-Free, Fast, Uniform, and High Endurance Resistive Switching From Cryogenic to High Temperatures in W/AlOx /Al2 O3 /Pt Bilayer Memristor // IEEE Electron Device Lett. 2020. T. 41, № 4. C. 549-552.

42. Park K., Lee J.-S. Flexible resistive switching memory with a Ni/CuO x /Ni structure using an electrochemical deposition process // Nanotechnology. 2016. T. 27, № 12. C. 125203.

43. Lee J.-S. h gp. Nanoscale CuO solid-electrolyte-based conductive-bridging, random-access memory cell with a TiN liner // Journal of the Korean Physical Society. 2018. T. 72, № 1. C. 116-121.

44. Hsu C.-C. h gp. Annealing Effect on the Performance of Copper Oxide Resistive Memory Devices // IEEE Trans. Electron Devices. 2020. T. 67, № 3. C. 976-983.

45. An Chen h gp. Non-volatile resistive switching for advanced memory applications // IEEE InternationalElectron Devices Meeting, 2005. IEDM Technical Digest. Tempe, Arizon, USA: IEEE, 2005. C. 746-749.

46. Baek H. h gp. Nonvolatile Memory Devices Prepared from Sol-Gel Derived Niobium Pentoxide Films // Langmuir. 2013. T. 29, № 1. C. 380-386.

47. Sadaf S.Md. h gp. Highly uniform and reliable resistance switching properties in bilayer WO x /NbO x RRAM devices // Physica Status Solidi (a). 2012. T. 209, № 6. C. 1179-1183.

48. Ge N.-N. h gp. Effect of Mn doping on electroforming and threshold voltages of bipolar resistive switching in Al/Mn: NiO/ITO // RSC Adv. 2018. T. 8, № 52. C. 29499-29504.

49. Chu J. h gp. Multistate data storage in solution-processed NiO-based resistive switching memory // Semicond. Sci. Technol. 2018. T. 33, № 11. C. 115007.

50. Lee M. -J. h gp. Two Series Oxide Resistors Applicable to High Speed and High Density Nonvolatile Memory // Advanced Materials. 2007. T. 19, № 22. C. 39193923.

51. Park Y., Lee J.-S. Bifunctional Silver-Doped ZnO for Reliable and Stable Organic-Inorganic Hybrid Perovskite Memory // ACS Appl. Mater. Interfaces. 2021. T. 13, № 1. C. 1021-1026.

52. Yang Y.C. h gp. Fully Room-Temperature-Fabricated Nonvolatile Resistive Memory for Ultrafast and High-Density Memory Application // Nano Lett. 2009. T. 9, № 4. C. 1636-1643.

53. Chiu F.-C., Li P.-W., Chang W.-Y. Reliability characteristics and conduction mechanisms in resistive switching memory devices using ZnO thin films // Nanoscale Res Lett. 2012. T. 7, № 1. C. 178.

54. Koveshnikov S., Matthews K., Min K. Real-time study of switching kinetics in integrated 1T/ HfOx 1R RRAM: Intrinsic tunability of set/reset voltage and tradeoff with switching time // 2012 International Electron Devices Meeting. San Francisco, CA, USA: IEEE, 2012. C. 20.4.1-20.4.3.

55. Lee H.Y., Chen P.S., Wu T.Y. Low power and high speed bipolar switching with a thin reactive Ti buffer layer in robust HfO2 based RRAM // 2008 IEEE International Electron Devices Meeting. San Francisco, CA, USA: IEEE, 2008. C. 1-4.

56. Stellari F. h gp. Mapping and statistical analysis of filaments locations in amorphous HfO2 ReRAM cells // Microelectronics Reliability. Elsevier BV, 2023. T. 146. C. 114982.

57. Nandakumar S.R., Minvielle M., Nagar S. A 250 mV Cu/SiO2/W Memristor with Half-Integer Quantum Conductance States // Nano Lett. 2016. T. 16, № 3. C. 1602-1608.

58. Kurnia F., Liu C., Jung C.U. The evolution of conducting filaments in forming-free resistive switching Pt/TaO x /Pt structures // Appl. Phys. Lett. 2013. T. 102, № 15. C. 152902.

59. Qian M. h gp. Effect of the bottom electrode on the digital and analog resistive switching behavior of SiNx-based RRAM // Applied Physics Letters. AIP Publishing, 2023. T. 123, № 3.

60. Leonetti G. h gp. Effect of electrode materials on resistive switching behaviour of NbOx-based memristive devices // Sci Rep. Springer Science and Business Media LLC, 2023. T. 13, № 1.

61. Lee J. h gp. Role of oxygen vacancies in ferroelectric or resistive switching hafnium oxide // Nano Convergence. 2023. T. 10, № 1. C. 55.

62. Choi J.H., Mao Y., Chang J.P. Development of hafnium based high-k materials— A review // Materials Science and Engineering: R: Reports. Elsevier BV, 2011. T. 72, № 6. C. 97-136.

63. Kaiser N. h gp. Defect-Stabilized Substoichiometric Polymorphs of Hafnium Oxide with Semiconducting Properties // ACS Appl. Mater. Interfaces. American Chemical Society (ACS), 2022. T. 14, № 1. C. 1290-1303.

64. Jiang P. h gp. Wake-Up Effect in HfO2 -Based Ferroelectric Films // Adv Elect Materials. 2021. T. 7, № 1. C. 2000728.

65. Park M.H. h gp. Ferroelectricity and Antiferroelectricity of Doped Thin HfO2 -Based Films // Advanced Materials. 2015. T. 27, № 11. C. 1811-1831.

66. Petrov I. h gp. Microstructural evolution during film growth // Journal of Vacuum Science & Technology A: Vacuum, Surfaces, and Films. 2003. T. 21, № 5. C. S117-S128.

67. Mahieu S., Depla D., Gryse R.D. Modelling the growth of transition metal nitrides // J. Phys.: Conf. Ser. 2008. T. 100, № 8. C. 082003.

68. Mahieu S., Depla D. Reactive sputter deposition of TiN layers: modelling the growth by characterization of particle fluxes towards the substrate // J. Phys. D: Appl. Phys. 2009. T. 42, № 5. C. 053002.

69. Mahieu S. h gp. Biaxial alignment in sputter deposited thin films // Thin Solid Films. 2006. T. 515, № 4. C. 1229-1249.

70. Matacotta F.C., Ottaviani G. Science and technology of thin films. Singapore New Jersey London [etc.]: World scientific, 1995.

71. Thornton J.A. High Rate Thick Film Growth // Annu. Rev. Mater. Sci. 1977. T. 7, № 1. C. 239-260.

72. Martinez G. h gp. Effect of thickness on the structure, composition and properties of titanium nitride nano-coatings // Ceramics International. 2014. T. 40, № 4. C. 5757-5764.

73. Zhou T. h gp. Microstructure and hydrogen impermeability of titanium nitride thin films deposited by direct current reactive magnetron sputtering // Journal of Alloys and Compounds. 2016. T. 688. C. 44-50.

74. Li T.Q. h gp. Initial growth and texture formation during reactive magnetron sputtering of TiN on Si(111) // Journal of Vacuum Science & Technology A: Vacuum, Surfaces, and Films. 2002. T. 20, № 3. C. 583-588.

75. Huang J.-H. h gp. Heat treatment of nanocrystalline TiN films deposited by unbalanced magnetron sputtering // Surface and Coatings Technology. 2006. T. 200, № 14-15. C. 4291-4299.

76. Xi Y., Fan H., Liu W. The effect of annealing treatment on microstructure and properties of TiN films prepared by unbalanced magnetron sputtering // Journal of Alloys and Compounds. 2010. T. 496, № 1-2. C. 695-698.

77. Kavitha A. h gp. The effect of annealing on the structural, optical and electrical properties of Titanium Nitride (TiN) thin films prepared by DC magnetron sputtering with supported discharge // J Mater Sci: Mater Electron. 2016. T. 27, № 10. C. 10427-10434.

78. Ghailane A. h gp. Influence of Annealing Temperature on the Microstructure and Hardness of TiN Coatings Deposited by High-Power Impulse Magnetron Sputtering // J. of Materi Eng and Perform. 2022. T. 31, № 7. C. 5593-5601.

79. Hyunjun Sim, Hyejung Choi, Dongsoo Lee. Excellent resistance switching characteristics of Pt/SrTiO3 schottky junction for multi-bit nonvolatile memory application // IEEE InternationalElectron Devices Meeting, 2005. IEDM Technical Digest. Tempe, Arizon, USA: IEEE, 2005. C. 758-761.

80. Sawa A. Resistive switching in transition metal oxides // Materials Today. 2008. T. 11, № 6. C. 28-36.

81. Valov I., Waser R., Jameson J.R. Electrochemical metallization memories— fundamentals, applications, prospects // Nanotechnology. 2011. T. 22, № 25. C. 254003.

82. Kim K.M., Jeong D.S., Hwang C.S. Nanofilamentary resistive switching in binary oxide system; a review on the present status and outlook // Nanotechnology. 2011. T. 22, № 25. C. 254002.

83. Banerjee W., Kashir A., Kamba S. Hafnium Oxide (HfO2 ) - A Multifunctional Oxide: A Review on the Prospect and Challenges of Hafnium Oxide in Resistive Switching and Ferroelectric Memories // Small. 2022. T. 18, № 23. C. 2107575.

84. Yoon J.H. h gp. Highly Uniform, Electroforming-Free, and Self-Rectifying Resistive Memory in the Pt/Ta2O5/HfO2-x/TiN Structure // Adv. Funct. Mater. Wiley, 2014. T. 24, № 32. C. 5086-5095.

85. Guo X. h gp. Understanding the switching-off mechanism in Ag+ migration based resistively switching model systems // Applied Physics Letters. AIP Publishing, 2007. T. 91, № 13.

86. Pan F., Yin S., Subramanian V. A Detailed Study of the Forming Stage of an Electrochemical Resistive Switching Memory by KMC Simulation // IEEE Electron Device Lett. Institute of Electrical and Electronics Engineers (IEEE), 2011. T. 32, № 7. C. 949-951.

87. Ranjan A. h gp. Probing resistive switching in HfO2/Al2O3 bilayer oxides using in-situ transmission electron microscopy // Applied Materials Today. Elsevier BV, 2023. T. 31. C. 101739.

88. Shubhakar K. h gp. Conductive filament formation at grain boundary locations in polycrystalline HfO2 -based MIM stacks: Computational and physical insight // Microelectronics Reliability. Elsevier BV, 2016. T. 64. C. 204-209.

89. Zrinski I. h gp. Phosphate incorporation in anodic hafnium oxide memristors // Applied Surface Science. Elsevier BV, 2021. T. 548. C. 149093.

90. Yin B. h gp. Memristors based on TiOx/HfOx or AlOx /HfOx Multilayers with Gradually Varied Thickness // Phys. Status Solidi RRL. 2021. T. 15, № 6. C. 2000607.

91. Kwon D.-H., Kim K.M., Jang J.H. Atomic structure of conducting nanofilaments in TiO2 resistive switching memory // Nature Nanotech. 2010. T. 5, № 2. C. 148153.

92. Chen J.-Y. h gp. Dynamic Evolution of Conducting Nanofilament in Resistive Switching Memories // Nano Lett. American Chemical Society (ACS), 2013. T. 13, № 8. C. 3671-3677.

93. Electrical Atomic Force Microscopy for Nanoelectronics / nog peg. Celano U. Cham: Springer International Publishing, 2019.

94. Hui F., Wen C., Chen S. Emerging Scanning Probe-Based Setups for Advanced Nanoelectronic Research // Adv. Funct. Mater. 2020. T. 30, № 18. C. 1902776.

95. Lanza M. A Review on Resistive Switching in High-k Dielectrics: A Nanoscale Point of View Using Conductive Atomic Force Microscope // Materials. MDPI AG, 2014. T. 7, № 3. C. 2155-2182.

96. Lanza M., Celano U., Miao F. Nanoscale characterization of resistive switching using advanced conductive atomic force microscopy based setups // J Electroceram. Springer Science and Business Media LLC, 2017. T. 39, № 1-4. C. 94-108.

97. Lee M.H. h gp. Surface redox induced bipolar switching of transition metal oxide films examined by scanning probe microscopy // Appl. Phys. A. Springer Science and Business Media LLC, 2011. T. 102, № 4. C. 827-834.

98. Lanza M. h gp. Resistive switching in hafnium dioxide layers: Local phenomenon at grain boundaries // Appl. Phys. Lett. 2012. T. 101, № 19. C. 193502.

99. Brivio S. h gp. Formation and disruption of conductive filaments in a HfO2/TiN structure // Nanotechnology. IOP Publishing, 2014. T. 25, № 38. C. 385705.

100. Son J.Y., Shin Y.-H. Direct observation of conducting filaments on resistive switching of NiO thin films // Applied Physics Letters. AIP Publishing, 2008. T. 92, № 22.

101. Celano U. h gp. Conductive-AFM tomography for 3D filament observation in resistive switching devices // 2013 IEEE International Electron Devices Meeting. Washington, DC, USA: IEEE, 2013. C. 21.6.1-21.6.4.

102. Celano U. h gp. Imaging the Three-Dimensional Conductive Channel in Filamentary-Based Oxide Resistive Switching Memory // Nano Lett. American Chemical Society (ACS), 2015. T. 15, № 12. C. 7970-7975.

103. Isaev A.G., Permyakova O.O., Rogozhin A.E. Mechanisms of conductive filament formation in hafnium oxide multilayer structures // Thin Solid Films. 2023. T. 781. C. 139993.

104. Permiakova O. h gp. Setting Plasma Immersion Ion Implantation of Ar+ Parameters towards Electroforming-Free and Self-Compliance HfO2-Based Memristive Structures // Nanomaterials. 2024. T. 14, № 10. C. 831.

105. Sudheer h gp. Low-Energy Ion-Implanted Nanometer-Thick Metal Oxide Memristor for Random Number Generation at the Nanoscale // ACS Appl. Nano Mater. 2025. T. 8, № 13. C. 6327-6335.

106. Chen C. h gp. Cu-Embedded AlN-Based Nonpolar Nonvolatile Resistive Switching Memory // IEEE Electron Device Lett. Institute of Electrical and Electronics Engineers (IEEE), 2012. T. 33, № 12. C. 1711-1713.

107. Wang Z. h gp. Annealed AlOx film with enhanced performance for bipolar resistive switching memory // Applied Surface Science. Elsevier BV, 2021. T. 546. C. 149094.

108. Napolean A. h gp. Electroforming Atmospheric Temperature and Annealing Effects on Pt/HfO2/TiO2/HfO2/Pt Resistive Random Access Memory Cell // Silicon. 2022. T. 14, № 6. C. 2863-2869.

109. Abbas Y. h gp. Structural engineering of tantalum oxide based memristor and its electrical switching responses using rapid thermal annealing // Journal of Alloys and Compounds. Elsevier BV, 2018. T. 759. C. 44-51.

110. Prasad O.K. h gp. Annealing induced cation diffusion in TaOx-based memristor and its compatibility for back-end-of-line post-processing // Applied Physics Letters. AIP Publishing, 2022. T. 121, № 23.

111. Swathi S.P., Angappane S. Enhanced resistive switching performance of hafnium oxide-based devices: Effects of growth and annealing temperatures // Journal of Alloys and Compounds. Elsevier BV, 2022. T. 913. C. 165251.

112. Guo T., Tan T., Liu Z. The effect of annealing temperature on resistive switching behaviors of HfOx film // J Mater Sci: Mater Electron. Springer Science and Business Media LLC, 2015. T. 26, № 9. C. 6699-6703.

113. Wang Y. h gp. Improving the electrical performance of resistive switching memory using doping technology // Chin. Sci. Bull. Springer Science and Business Media LLC, 2012. T. 57, № 11. C. 1235-1240.

114. Chen L. h gp. Enhancement of Resistive Switching Characteristics in $ \hbox{Al}_{2}\hbox{O}_{3}$-Based RRAM With Embedded Ruthenium Nanocrystals // IEEE Electron Device Lett. Institute of Electrical and Electronics Engineers (IEEE), 2011. T. 32, № 6. C. 794-796.

115. Kempen T., Waser R., Rana V. 50x Endurance Improvement in TaOx RRAM by Extrinsic Doping // 2021 IEEE International Memory Workshop (IMW). Dresden, Germany: IEEE, 2021. C. 1-4.

116. Misha S.H. h gp. Effect of Nitrogen Doping on Variability of TaOx -RRAM for Low-Power 3-Bit MLC Applications // ECS Solid State Letters. The Electrochemical Society, 2015. T. 4, № 3. C. P25-P28.

117. Wang Y. h gp. Investigation of resistive switching in Cu-doped HfO2thin film for multilevel non-volatile memory applications // Nanotechnology. IOP Publishing, 2010. T. 21, № 4. C. 045202.

118. Zhang H. h gp. Ionic doping effect in ZrO2 resistive switching memory // Applied Physics Letters. AIP Publishing, 2010. T. 96, № 12.

119. Zhang H. h gp. Gd-doping effect on performance of HfO2 based resistive switching memory devices using implantation approach // Applied Physics Letters. AIP Publishing, 2011. T. 98, № 4.

120. Liu Q. h gp. Improvement of resistive switching properties in ZrO<inf>2</inf>-based ReRAM with implanted metal ions // 2009 Proceedings of the European Solid State Device Research Conference. Athens, Greece: IEEE, 2009. C. 221224.

121. Janousch M., Meijer G.I., Staub U. Role of Oxygen Vacancies in Cr-Doped SrTiO3 for Resistance-Change Memory // Adv. Mater. 2007. T. 19, № 17. C. 2232-2235.

122. Guo T. h gp. Modulation of resistive switching and magnetism of HfOx film by Co doping // Journal of Alloys and Compounds. Elsevier BV, 2022. T. 921. C. 166218.

123. Kim D. h gp. Doping Engineering for Optimized Self-Rectifying TaOx Memristor for Crossbar Array Neuromorphic applications // Adv Funct Materials. Wiley, 2025.

124. Hu R. h gp. Nitrogen-Oxyanion-Doped HfO2 Resistive Random-Access Memory With Chemically Enhanced Forming // IEEE Electron Device Lett. Institute of Electrical and Electronics Engineers (IEEE), 2023. T. 44, № 4. C. 618-621.

125. Syu Y.-E., Zhang R., Chang T.-C. Endurance Improvement Technology With Nitrogen Implanted in the Interface of WSiOx Resistance Switching Device // IEEE Electron Device Lett. 2013. T. 34, № 7. C. 864-866.

126. Cho Y. h gp. Stacked NbOx-based selector and ZrOx-based resistive memory for high-density crossbar array applications // Surfaces and Interfaces. Elsevier BV, 2023. T. 41. C. 103273.

127. Song Y.-W. h gp. Enhanced temporal variation of resistive switching memories by insertion of rough titanium oxide thin film // Applied Physics Letters. AIP Publishing, 2023. T. 123, № 4.

128. Ismail M., Mahata C., Kim S. Tailoring the electrical homogeneity, large memory window, and multilevel switching properties of HfO2-based memory through interface engineering // Applied Surface Science. Elsevier BV, 2022. T. 581. C. 152427.

129. Chow S.C.W. h gp. Impact of interfacial engineering on MgO-based resistive switching devices for low-power applications // Applied Surface Science. Elsevier BV, 2023. T. 608. C. 155233.

130. Biswas S. h gp. Impact of AlOy Interfacial Layer on Resistive Switching Performance of Flexible HfO * /AlO y ReRAMs // IEEE Trans. Electron Devices. 2021. T. 68, № 8. C. 3787-3793.

131. Persson K.-M., Ram M.S., Wernersson L.-E. Ultra-Scaled AlO x Diffusion Barriers for Multibit HfO x RRAM Operation // IEEE J. Electron Devices Soc. 2021. T. 9. C. 564-569.

132. George S.M. Atomic Layer Deposition: An Overview // Chem. Rev. 2010. T. 110, № 1. C. 111-131.

133. Handbook of Semiconductor Manufacturing Technology. 2-е изд. / под ред. Doering R., Nishi Y. CRC Press, 2017.

134. Avila A., Bhushan B. Electrical Measurement Techniques in Atomic Force Microscopy // Critical Reviews in Solid State and Materials Sciences. 2010. Т. 35, № 1. С. 38-51.

135. Hui F., Lanza M. Scanning probe microscopy for advanced nanoelectronics // Nat Electron. 2019. Т. 2, № 6. С. 221-229.

136. Rogozhin A. и др. Plasma Enhanced Atomic Layer Deposition of Ruthenium Films Using Ru(EtCp)2 Precursor // Coatings. 2021. Т. 11, № 2. С. 117.

137. BloeB H., Staikov G., Schultze J.W. AFM induced formation of SiO2 structures in the electrochemical nanocell // Electrochimica Acta. 2001. Т. 47, № 1-2. С. 335-344.

138. Blaschke D. и др. A correlation study of layer growth rate, thickness uniformity, stoichiometry, and hydrogen impurity level in HfO2 thin films grown by ALD between 100 ° C and 350 ° C // Appl. Surf. Sci. 2020. Т. 506. С. 144188.

139. Wu E.Y. Facts and Myths of Dielectric Breakdown Processes—Part I: Statistics, Experimental, and Physical Acceleration Models // IEEE Trans. Electron Devices. 2019. Т. 66, № 11. С. 4523-4534.

140. Martínez-Puente M.A. и др. ALD and PEALD deposition of HfO2 and its effects on the nature of oxygen vacancies // Materials Science and Engineering: B. Elsevier BV, 2022. Т. 285. С. 115964.