Устройства резистивной энергонезависимой памяти на основе функциональных слоев оксида тантала, сформированных магнетронным осаждением тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 00.00.00, кандидат наук Жук Максим Юрьевич

• Жук Максим Юрьевич
• кандидат наук
• 2025

Оглавление диссертации кандидат наук Жук Максим Юрьевич

Глава 1. Обзор литературы

1.1. Концепция энергонезависимой памяти

1.2. Концепция резистивной (мемристорной) памяти

1.3. Основные физические механизмы обратимого резистивного переключения

1.4. Устройства памяти на основе тонких пленок оксида тантала

1.5. Методы улучшения функциональных свойств устройств на основе оксидов переходных металлов

1.5.1. Легирование

1.5.2. Модификация электродов

Глава 2. Технологический процесс изготовления устройств и экспериментальные методики исследования

2.1. Изготовление элементов хранения в конфигурации 1Я

2.2. Изготовление ячеек памяти в конфигурации ^-Ш

2.2.1. Массив дискретных транзисторов

2.2.2. Матрица транзисторов 1024 х

2.3. Изготовление устройств в топологии кросс-бар

2.4. Экспериментальные методики исследования

2.4.1. Резерфордовское обратное рассеяние

2.4.2. Рентгеновская фотоэлектронная спектроскопия

2.4.3. Сканирующая электронная микроскопия

2.4.4. Измерение вольт-амперных характеристик

2.4.5. Исследование в импульсном режиме работы

Глава 3. Оптимизация параметров элементов хранения на основе оксида тантала

3.1. Оптимизация параметров элементов хранения

3.2. Исследование влияния материала нижнего электрода на функциональные свойства ЭХ ReRAM на основе Та/ТаОх

3.3. Исследование термической стабильности ЭХ на основе Та/ТаОх/Р1

3.4. Исследование нелинейных свойств при включении Ьаск4о-Ьаск

ЗАКЛЮЧЕНИЕ ПО ГЛАВЕ

Глава 4. Разработка методов и исследования имплементации устройств резистивной памяти в матрицы энергонезависимой памяти в топологии 1Т-1Я

4.1. Изготовление и применяемые методики

4.2. Исследование свойств устройств 1Т-1Я

4.3. Интеграция устройств 1Т-1Я в высокоплотной матричной конфигурации

ЗАКЛЮЧЕНИЕ ПО ГЛАВЕ

Глава 5. Улучшение функциональных свойств низкопотребляющей встроенной резистивной памяти на основе ТаОх с помощью нанопаттернирования

5.1. Изготовление и применяемые методики

5.2. Оптимизация свойств устройств встроенной резистивной памяти посредством локального травления нижнего электрода

5.3. Оптимизация функциональных свойств устройств встроенной резистивной памяти посредством паттернирования нижнего электрода

В качестве альтернативного подхода формирования направленных однородностей были изготовлены пикообразные неровности путем напыления платины на нижний электрод и последующим паттернированием (Рисунок 73)

ЗАКЛЮЧЕНИЕ ПО ГЛАВЕ

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

СПИСОК СОКРАЩЕНИЙ И ОБОЗНАЧЕНИЙ

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Устройства резистивной энергонезависимой памяти на основе функциональных слоев оксида тантала, сформированных магнетронным осаждением»

Актуальность темы

За последние несколько десятилетий развитие современных вычислительных систем в значительной степени было обусловлено масштабированием цифровых систем, основанных на комплементарной структуре металл-оксид-полупроводник (КМОП), чтобы обеспечить более высокую плотность и рабочую частоту. Однако дальнейшее улучшение этих параметров сталкивается с рядом проблем. Одна из них - это «бутылочное горлышко» при взаимодействии процессора с памятью, которое может иметь огромное влияние на эффективность вычислений [1, 2]. В этом сценарии превосходная производительность процессора по сравнению с памятью (включая также оперативную память, RAM) приводит к созданию узких мест с затратами времени и повышенному энергопотреблению во время передачи данных. Такие потери могут быть значительными в ряде приложений с большими потоками данных (например, обработка изображений с помощью машинного обучения) или в случае строгих требований к энергоэффективности (Интернет вещей, приложения in vivo). Вычисления в памяти - один из многообещающих подходов, которые могут преодолеть это ограничение, выполняя вычисления на месте, избегая загрузки в блоки обработки. Эта концепция в некоторых случаях оказывается более эффективной [3, 4], чем классическая архитектура фон Неймана, и частично похожа на биологические нейронные сети, где информация хранится и обрабатывается в одних и тех же массивах нейронов. Для обеспечения такой функциональности требуются специальные КМОП архитектуры [5, 6]. В качестве альтернативы можно использовать новые концепции энергонезависимой памяти, такие как резистивная память с произвольным доступом (RRAM), для реализации быстрых, энергоэффективных и высокоплотных вычислительных блоков в памяти [7, 8, 9, 10]. Массивы таких запоминающих устройств могут использоваться для выполнения либо двоичных вычислений в памяти, либо ряда

аналоговых операций, таких как матричное векторное умножение (МУМ) [11] и ассоциативная память [3].

Эффект обратимого переключения сопротивления в МИМ структурах, на основе функциональных слоев оксидов переходных металлов, происходит по механизму изменения валентности атомов кислорода [12]. Первоначальное формирование проводящего филамента и последующая эволюция происходят посредством окислительно-восстановительного процесса и ионного транспорта, вызванного миграцией, индуцированной электрическим полем и диффузией при высоких температурах [13, 14]. Во время переключения зазор между проводящим филаментом и одним из электродов увеличивается (уменьшается), что приводит к возникновению состояния с высоким (низким) сопротивлением [12, 15, 16]. Следовательно, даже небольшие колебания размера зазора могут вызвать очень большие нелинейные изменения проводимости. Таким образом, кислородные вакансии, способствуют образованию проводящих нитей и существенно влияют на проводимость структуры [9, 17, 18].

Как было отмечено выше, снижение энергопотребления во время операций чтения/ записи является важной задачей для перспективного использования устройств резистивной памяти. Основные потери энергии (возникающие из-за тепловых потерь во время прохождения тока через устройство) происходят во время операции «записи», потому что необходимо приложить достаточное напряжение, чтобы изменить состояние сопротивления устройства, в то время как для операции «чтения» не требуется изменять состояние устройства. Более того, наибольшая энергия требуется для переключения из состояния с низким сопротивлением в состояние с высоким сопротивлением, поскольку эта операция подразумевает, что через устройство проходит относительно большой ток для инициации переключения. Следовательно, чтобы снизить энергопотребление, необходимо увеличить удельное сопротивление (уменьшить ток) в состоянии низкого сопротивления. Таким образом, для создания встроенных массивов памяти необходима

тщательная оптимизация параметров устройств 1Т-Ж, чтобы они могли соответствовать предъявляемым требованиям, таким как равномерное напряжение переключения (в диапазоне ± 1-2 В), низкое энергопотребление (~ 10 / 0,1 пДж на операцию записи/чтения), малое время переключения (<100 нс), длительное время сохранения состояния (до нескольких лет) и большое число циклов перезаписи (> 107 циклов).

Степень разработанности темы исследования

Одними из проблем, присущих устройствам энергонезависимой памяти, основанным на принципах обратимого резистивного переключения, являются стабильность многократного переключения [19,20], большой разброс характеристик между последовательными переключениями и от устройства к устройству [19, 21, 22].

Помимо этого, для практических применений необходимо обеспечить низкое энергопотребление при операциях чтения и записи состояния. Основные затраты энергии происходят во время перезаписи, так как для изменения резистивного состояния необходимо пропустить значительный ток через устройство, и в конечном счете это приводит к тепловым потерям. В отличие от записи, при чтении не требуется изменять состояние устройства, что делает эту операцию гораздо менее энергоемкой.

Настоящая диссертационная работа посвящена оптимизации параметров устройств резистивной памяти вида 1Я и 1Т-1К Наибольшее количество энергии требуется при переходе из состояния с низким сопротивлением в состояние с высоким, так как для чтобы «разрушить» проводящий филамент необходимо прохождение большого тока. Чтобы уменьшить энергозатраты, необходимо увеличить удельное сопротивление в низкоомном состоянии, тем самым снижая величину тока. Оптимизация параметров устройств 1Т-1Я может достигаться путем варьирования стехиометрического состава и толщины функционального слоя, а также материалов и топологии электродов.

Для снижения напряжения электроформовки, а также разброса параметров переключения от цикла к циклу, используется разработанный метод направленной модификации нижнего электрода.

Целью работы является создание и исследование ячеек резистивной памяти на основе тонкопленочных слоев оксида тантала для разработки научно-технических основ отечественной технологии энергонезависимой памяти КеЯЛМ с конкурентоспособными функциональными характеристиками, а также для нейроморфных приложений.

Для достижения этой цели были поставлены и решены следующие основные научно-технические задачи:

1. Разработать лабораторную технологию создания устройств резистивной памяти с использованием метода магнетронного осаждения на основе функциональных структур Та/ТаОх/Р!

2. Оптимизировать параметры устройств резистивной памяти на основе оксида тантала с точки зрения снижения энергопотребления на перезапись логического состояния.

3. Создать ячейки энергонезависимой памяти 1Т-1Я на основе оксида тантала на матрицах п-канальных КМОП-транзисторов, исследовать их функциональные свойства, и добиться снижения энергопотребления разработанных устройств.

4. Исследовать возможность направленной модификации индивидуальных слоев в структуре Та/ТаОх/Р! для улучшения функциональных свойств ячеек памяти.

Объекты и методы исследования

Объектами исследования являлись элементы хранения и ячейки энергонезависимой резистивной памяти ЯеЯЛМ 1Я и 1Т-1Я, соответственно, с функциональным слоем на основе тонкопленочных слоев ТаОх. Устройства 1 Т-

Ж были получены интегрированием элементов хранения резистивной памяти в матрицы заводских ^канальных КМОП-транзисторов.

В диссертационной работе применялись следующие методы исследования:

• спектрометрия резерфордовского обратного рассеяния (РОР) и рентгеновская фотоэлектронная спектроскопия (РФЭС) для определения элементного и химического состава сформированных тонкопленочных слоев, соответственно;

• методы электронной микроскопии, в том числе, сканирующая электронная микроскопия (СЭМ), просвечивающая электронная микроскопии (ПЭМ), а также атомно-силовая микроскопия (АСМ);

• измерение квазистатических вольт-амперных характеристик;

• импульсные измерения параметров резистивного переключения;

• термоактивационный метод определения времени хранения состояния;

• моделирование распределения электрического потенциала в тонких пленках методом конечных элементов.

Научная новизна:

1. Впервые выяснено влияние толщин индивидуальных слоев в структуре

Ta/TaOx/Pt на функциональные характеристики элементов памяти на их основе.

2. Впервые в отечественной практике разработанная лабораторная

технология изготовления элементов хранения на основе Ta/TaOx/Pt

адаптирована под BEOL-процесс, а также созданы матрицы ячеек памяти 1Т-

Ж размерностью 1024х1024.

3. Впервые реализованы элементы хранения на основе Та/ТаОх^ с высокой нелинейностью при использовании схемы встречного включения, пригодные для нейромофрных приложений.

4. Впервые использовано направленное нанопаттернирование нижнего электрода (Р^ для уменьшения энергопотребления и разброса напряжения электро формовки.

Основные научные положения, выносимые на защиту:

1. Изготовленные путем интеграции заводской КМОП-технологии 0,18 мкм с лабораторной технологией формирования функциональных структур Та/ТаОх/Р1 ячейки резистивной памяти «1 транзистор - 1 резистор» (1ТЖ) в матрицах 1024х1024 обладают перспективной комбинацией функциональных характеристик: энергопотребление на акт перезаписи не выше 10 пДж, время хранения состояния не менее 10 лет при Т=85°С, ресурс перезаписи не менее 1010.

2. Впервые установлено, что применение вакуумного отжига при Т=400°С слоев ТаОх, обогащенных кислородом по сравнению с фазой Та2О5, после их магнетронного осаждения увеличивает термическую стабильность устройств хранения на основе Та/ТаОх/Р1:, достаточную для их изготовления в слоях металлизации КМОП-микросхем.

3. Впервые продемонстрировано, что создание индивидуальных наноразмерных неровностей на поверхности нижнего электрода Р1 улучшает характеристики элементов хранения на основе Та/ТаОх/Р1 при резистивном переключении, в том числе: уменьшает напряжение электроформовки до 1.1 В, уменьшает разброс его значений с 0.28 В до 0.10 В и увеличивает сопротивление устройства как в низко-, так и в высокоомном состоянии на порядок величины.

4. Впервые экспериментально продемонстрировано, что использование схемы встречного включения двух элементов хранения на основе Ta/TaOx/Pt позволяет реализовать нелинейные вольт-амперные характеристики в комбинированном устройстве из двух резистивных структур для применений в качестве элементов аппаратной базы нейроморфных приложений.

Научная и практическая значимость

Разработанная лабораторная технология изготовления встроенной энергонезависимой резистивной памяти, обладающей сверхнизким энергопотреблением, низкими временами переключения и большим временем хранения состояния открывает широкие перспективы в областях, требующих использования компактной высокоскоростной памяти в приложениях, требующих низкого энергопотребления. Такая встроенная память может использоваться для уменьшения времени доступа к данным в «on-chip» конфигурациях вычислительных устройств; для снижения энергопотребления компактных устройств с высокими требованиями к энергоэффективности («Интернет вещей», in vitro и in vivo электроника). Полученные результаты актуальны для дальнейшнго создания промышленной технологии изготовления встроенной энергонезависимой резистивной памяти.

Достоверность результатов

Достоверность результатов обусловлена использованием комбинации современных методов анализа материалов и структур, статистическим анализом полученных данных, воспроизводимостью результатов при большой выборке исследуемых образцов.

Апробация результатов работы

Основные результаты работы докладывались на следующих конференциях:

1. International conference "Biomembranes", Doloprudny (2018), Zhuk M., Negrov D., Matveyev Yu., Zenkevich A.V. "Matrices of on-chip Pt/TaOx/Ta resistive switching memory devices for future bioelectronic applications".

2. 2nd International MEM-Q Workshop (2018), Zhuk M ., Negrov D., Matveyev Yu., Orlov O.M., Zenkevich A.V. "Matrices of on-chip Pt/TaOx/Ta resistive switching memory devices for future bioelectronics applications".

3. Форум «Микроэлектроника» (2020), «Низкопотребляющая встроенная энергонезависимая резистивная память на основе TaOx», Жук М. Ю., Чуприк А.А., Кузмичев Д.С., Горнев Е.С., Красников Г.Я., Негров Д.В. и Зенкевич А.В.

4. CIMTEC 2020 Conference on New Materials, Montecatine Terme, Italy (2020), M. Zhuk, A. Chouprik, D. Kuzmichev, D. Negrov and A. Zenkevich, "Low-power embedded TaOx based resistive memory devices via bottom electrode nanopatterning".

5. 64-я Всероссийская научная конференция МФТИ 2021, М. Ю. Жук., А.А. Чуприк, Д.С. Кузьмичев и А.В. Зенкевич. «Улучшение функциональных свойств низкопотребляющей встроенной резистивной памяти на основе TaOx с помощью нанопаттернирования».

Публикации

В основе диссертации лежат результаты, опубликованные в 3 печатных работах, опубликованных в журналах, индексируемых базами данных Web of Science и/или Scopus и входящих в перечень ведущих периодических изданий ВАК:

1. Zhuk M. et al. On-Chip TaOx-Based Non-volatile Resistive Memory for in vitro Neurointerfaces //Frontiers in neuroscience. - 2020. - Т. 14. - С. 94.

2. Zhuk M. Y. et al. Effect of Electrode Nanopatterning on the Functional Properties of Ta/TaOx/Pt Resistive Memory Devices //ACS Applied Nano Materials. - 2022. - Т. 5. - №. 6. - С. 8594-8601.

3. М.Ю. Жук и др. Резистивная энергонезависимая память (ReRAM) на основе функциональных слоев TaOx: статус отечественных разработок //Электронная техника. Серия 3: Микроэлектроника. - 2024. - №. 3. - С. 87110.

Личный вклад автора. Все исследуемые устройства были спроектированы и изготовлены автором лично. Методика интеграции стека Ta/TaOx/Pt в устройства 1T-1R и полезные модификации её параметров разработаны автором лично. Все электрофизические измерения и их обработка их результатов производились автором лично. Автор активно участвовал в обработке и интерпретации всех экспериментальных данных, в обобщении полученных результатов. Участие коллег автора в исследованиях отражено в виде их соавторства в опубликованных работах. Результаты, выносимые на защиту и составляющие научную новизну работы, были получены автором диссертации лично.

Структура и объем диссертации

Работа состоит из пяти глав, введения, заключения, списка сокращений и обозначений и списка литературы; изложена на 113 страницах машинописного текста, содержит 76 рисунков и 8 таблиц; список литературы включает 60 наименований.

Глава 1. Обзор литературы

1.1. Концепция энергонезависимой памяти

Энергонезависимая память представляет собой тип компьютерной памяти, который, в отличие от оперативной памяти (ОЗУ), сохраняет записанные данные при отключении питания [23]. Это свойство делает энергонезависимую память критически важной для множества применений в вычислительной технике и электронике, от хранения основных программ и данных до системных настроек, которые должны быть сохранены после выключения устройства.

На сегодняшний день, энергонезависимая память представлена такими типами, как:

• ROM (Read-Only Memory): Постоянная память, в которую данные записываются один раз и не могут быть изменены пользователем. Примеры включают BIOS на материнских платах.

• EEPROM (Electrically Erasable Programmable Read-Only Memory): Память, которую можно многократно программировать и стирать с помощью электрических сигналов. Широко используется в микроконтроллерах для хранения конфигураций и настроек.

• Flash-память: Один из наиболее популярных видов энергонезависимой памяти. Используется в USB-накопителях, SSD, картах памяти и других устройствах для хранения больших объёмов данных.

Энергонезависимая память, такая как EEPROM и Flash, поддерживает многократную перезапись данных, что позволяет обновлять информацию по мере необходимости. Однако количество циклов перезаписи обычно ограничено (в частности, у Flash-памяти это может быть ~105 циклов), после чего могут возникать ошибки записи.

При этом, традиционная энергонезависимая память, как правило, медленнее оперативной памяти (ОЗУ) с точки зрения времени доступа к данным. Это связано с необходимостью поддержания стабильного состояния данных при отключении питания, что требует более сложных алгоритмов записи. При этом, к энергонезависимой памяти предъявляются требования низкого энергопотребления, для использования в мобильных устройствах встраиваемых системах.

1.2. Концепция резистивной (мемристорной) памяти

По мере развития электроники новые компоненты электрических цепей создавались, как правило, на основе уже существующего набора устройств путём их комбинации, либо путём усовершенствования известных приборов, что становилось возможным вместе с развитием промышленных технологий и перехода к микро- и наноэлектронике, а также благодаря обнаружению новых функциональных свойств уже известных материалов. При этом, известным элементам находили новое применение, создавая всё более и более высокоуровневые приборы, однако, принципиальные идеи оставались прежними.

К существенным изменениям в электронике привела идея симметрии, которая изначально было разработана в теоретических работах по электрофизике [24] (Рисунок 1).

Рисунок 1 - Иллюстрация идеи симметрии в электронике [24].

Согласно этой теории, можно выделить четыре основные электрические переменные: заряд ток напряжение (и) и магнитный поток (Ф).

Ток определяется как заряд, прошедший в единицу времени через некоторое сечение:

dQ = l • бХ

Напряжение (или разность потенциалов) законом электромагнитной индукции связывается с изменением магнитного потока во времени:

ЙФ

и =

Как известно, существует три простейших пассивных двухполюсника -идеальных элементов, комбинациями которых можно заменить в расчётах электросхем более сложные их элементы: резистор, конденсатор и катушка индуктивности. При этом, ни один из них невозможно выразить никакими комбинациями двух других, хотя в действительности на практике любой из трёх элементов обладает менее ярко выраженными свойствами других элементов -паразитными параметрами.

При этом можно установить чёткую область действия каждого элемента в рамках выделенных основных электрических переменных: резистор (сопротивление) связывает ток и напряжение, конденсатор (ёмкость) - заряд и напряжение, а катушка (индуктивность) - ток и магнитный поток:

_ йи = И

г

С(2'и = Ю _ ао

- -щ

Однако, элемента, связывающего заряд и магнитный поток, не хватало, о чём написал в своей статье в 1971 году американских учёный и инженер Леон Чуа, назвав недостающий элемент мемристором [25]:

ао

M0iQ =

dQ

Название «мемристор» является результатом комбинации двух слов: «memory» - память и «resistor» - сопротивление (т.е. «резистор с памятью»). Если преобразовать последнее выражение в

d(&= MQ• dQ

(мемристивность принято рассматривать в зависимости от заряда) и проинтегрировать по времени, то получается зависимость похожая на закон Ома, только роль сопротивления играет мемристивность:

Ut = MQitIt

Отличие мемристора от резистора заключается в том, что его сопротивление зависит от протекшего через неё заряда, хотя и обладает той же размерностью, что и сопротивление, тогда как основная характеристика резистора остаётся постоянной независимо от тока и напряжения.

1.3. Основные физические механизмы обратимого резистивного переключения

В области разработки и исследования устройств с обратимым резистивным переключением принято выделять несколько типов изменения проводимости в зависимости от характерного изменения состояния вещества устройства. Как правило, при рассмотрении структур металл-изолятор-металл (МИМ-структур) выделяют три основных механизма переключения:

1. Изменение проводимости за счет перемещения и изменения валентности атомов в функциональном слое, например, атомов кислорода («Valence change»);

2. Изменение проводимости за счет создания проводящих нитей из атомов активного электрода в объеме диэлектрика («Conductive bridge»);

3. Изменение проводимости за счет смены структурной фазы вещества в результате нагрева при приложении напряжения («Phase change»).

Остановимся подробно на рассмотрении первого типа.

Процесс перехода из высоко резистивного (high-resistive state, HRS) в низко резистивное (low resistive state, LRS) состояние принято называть «SET» («включение»), процесс же обратного переключения - «RESET» («выключение»). Как правило, первое включение отличается от последующих характером вольт-амперной характеристики, а также повышенным напряжением переключения [12]. Такой процесс принято называть «электроформовкой» («forming»). При этом, режимы переключения устройств на основе оксидов переходных металлов бывают двух типов: униполярный и биполярный.

Рисунок 2 - Общий вид вольт-амперных характеристик для униполярного (б) и биполярного (в) переключений. Схема приложения напряжения (а) [12].

Униполярный режим подразумевает зависимость проводимости только от амплитуды, но не от знака напряжения (Рисунок 2). Таким образом, включение и выключение проводимости структуры может происходить при приложении напряжения одного знака, а переключение в биполярном режиме работы требует приложения напряжений разных знаков. В обоих случаях, для повышения стабильности переключений и работоспособности устройства, требуется ограничить максимальный ток во время процесса включения посредством задания его максимального значения (compliance current).

Существуют различные механизмы проводимости через слой диэлектрический (функциональный) слой, и в зависимости от параметров устройства, некоторые из них будут являться доминирующими.

Рисунок 3 - Основные механизмы проводимости через объём оксидной плёнки: (1) - термоактивация электронов в зону проводимости через барьер на

границе раздела (эффект Шоттки); (2) - туннелирование из катода в зону проводимости через треугольный барьер, которое характерно для высоких электрических полей (механизм Фаулера-Нордгейма); (3) - прямое туннелирование через сверхтонкий оксид; (4) - туннелирование из катода в «ловушки» на границе раздела (связанные с точечными дефектами в решетке); (5) - эмиссия из «ловушек» в зону проводимости (механизм Пула-Френкеля); (6) - туннелирование из «ловушек» в зону проводимости. (7) -механизм туннелирования носителей заряда между соседними «ловушками» («trap-to-trap tunneling»); (8) - туннелирование из «ловушек» в анод [12]

На схеме (Рисунок 3) представлены основные механизмы проводимости через оксидный слой. Здесь Ef, Ec, Ev и Eb это энергии уровня Ферми, зоны проводимости, валентной зоны и величина потенциального барьера, соответственно. Механизмы проводимости можно выяснить снятием вольт-амперных характеристик при разных температурах, в том числе, посредством приложения небольшого напряжения, значительно не меняющего резистивного состояния структуры.

1.3.1. Механизмы включения и формовки

Процесс (электро)формовки в литературе часто описывается, как «мягкий пробой» диэлектрика (soft breakdown) [13]. Под действием сильного электрического поля, как правило E > 107 В/см, ионы кислорода способны покидать свои положения в решетке материала функционального слоя, генерируя вакансии. Наличие вакансий способствует формированию «проводящих нитей» (conductive filaments), которые посредством одного из механизмов (Рисунок 3) значительно повышают проводимость структуры.

Рисунок 4 - Схематическая иллюстрация процессов переключения. (ТЕ и ВЕ - верхний и нижний электрод, соответственно).

На схеме (Рисунок 4) представлена часть цикла переключения, соответствующая «включению». Видно, что под действием приложенного напряжения ионы кислорода дрейфуют в область верхнего электрода, а при этом (заряженные) вакансии выстраиваются в проводящую нить в объеме оксидной пленки.

Таким образом, процесс включения может быть в основном описан посредством дрейфа и диффузии вакансий кислорода [15].

дпп

дг

= У(БУпд - \т0 ) + О

Б = 1 а2 • / • ехр

\ = а • / • ехр

Е 1 ,

--- зтп

кТ)

даЕ ^

О = А ■ ехр

( Е ^

__а_

I кТ,

г.

кТ

( (Еъ - дУ) "

I кТ )

(1) (2)

(3)

(4)

где пв - концентрация вакансий. В формуле (1) слагаемое УПУпБ описывает диффузию вакансий, а Ут0 - дрейф под действием электрического

поля. Коэффициенты дрейфа V и диффузии D вычисляются по формулам (2) и (3) , где Еа - энергия активации миграции вакансий (~1-2 эВ), /- частота попыток покидания (1013 Гц) связанного состояния, а - эффективная длина перескоков (около 1нм). Параметр О (4) описывает кинетику включения, как «мягкий пробой» связанный с миграцией или генерацией вакансий посредством термоактивации перескоков, где А - константа, Еь - энергия барьера между соседними ямами (1 эВ).

Описанные выше уравнения также должны быть дополнены уравнением теплопроводности, однако, поскольку в состоянии, предшествующем формовке значения сопротивления могут быть на много порядков выше (типичные отношения ROFF/RON > 10 4), то выделение тепла преимущественно оказывает влияние на процесс «выключения» (ЖЗ).

1.3.2. Механизмы выключения

На схеме (Рисунок 4) представлена также часть цикла изменения проводимости, которая соответствует переходу в HRS. Для выключения структуры, как правило, необходимо частично разрушить проводящий филамент, образованный кислородными вакансиями. Разрушение участка филамента происходит за счет перемещения ионов кислорода во время дрейфа или диффузии. В работах [14, 26] рассмотрены модели, описывающие особенности переключения униполярного и биполярного типов, соответственно.

Основным фактором, влияющим на переключение униполярного типа, считается модель термического разрушения проводящего филамента. Под действием электрического поля, происходит протекание тока, сопровождающееся выделением джоулева тепла.

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Жук Максим Юрьевич, 2025 год

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. McKee S. A. Reflections on the memory wall //Proceedings of the 1st conference on Computing frontiers. - 2004. - C. 162.

2. Wulf W. A., McKee S. A. Hitting the memory wall: implications of the obvious. SIGARCH Comput Archit News 23 (1): 20-24. - 1995.

3 . Di Ventra M., Pershin Y. V. The parallel approach //Nature Physics. - 2013. - T. 9. - №. 4. - C. 200-202.

4. Ielmini D., Wong H. S. P. In-memory computing with resistive switching devices //Nature electronics. - 2018. - T. 1. - №. 6. - C. 333-343.

5. Yin S. et al. Monolithically integrated RRAM-and CMOS-based in-memory computing optimizations for efficient deep learning //IEEE Micro. - 2019. - T. 39. - №. 6. - C. 54-63.

6. Jia H. et al. A programmable heterogeneous microprocessor based on bit-scalable in-memory computing //IEEE Journal of Solid-State Circuits. - 2020. - T. 55. - №. 9. - C. 2609-2621.

7. Lee M. J. et al. A fast, high-endurance and scalable non-volatile memory device made from asymmetric Ta2O5- x/TaO2- x bilayer structures //Nature materials. -2011. - T. 10. - №. 8. - C. 625-630.

8. Govoreanu B. et al. 10* 10nm2 Hf/HfOx crossbar resistive RAM with excellent performance, reliability and low-energy operation //2011 International Electron Devices Meeting. - IEEE, 2011. - C. 31.6. 1-31.6. 4.

9. Yang J. J. et al. High switching endurance in TaO x memristive devices //Applied Physics Letters. - 2010. - T. 97. - №. 23. - C. 232102.

10. Matveyev Y. et al. Resistive switching and synaptic properties of fully atomic layer deposition grown TiN/HfO2/TiN devices //Journal of Applied Physics. -2015. - T. 117. - №. 4. - C. 044901.

11. Strukov D. B. Training and operation of an integrated neuromorphic network based on metal-oxide memristors //Nature. - 2015. - T. 521. - C. 61.

12. Wong H. S. P, Lee HY, Yu S, Chen YS, Wu Y, Chen PS, Lee B, Chen FT and Tsai MJ 2012 Metal-oxide RRAM //Proc. IEEE. - 1951. - T. 100. - C. 1951-70.

13. Xu N. et al. Characteristics and mechanism of conduction/set process in Ti N Zn Q/Pt resistance switching random-access memories //Applied Physics Letters. -2008. - T. 92. - №. 23. - C. 232112.

14. Russo U. et al. Self-accelerated thermal dissolution model for reset programming in unipolar resistive-switching memory (RRAM) devices //IEEE Transactions on Electron Devices. - 2009. - T. 56. - №. 2. - C. 193-200.

15. Kim S. et al. Physical electro-thermal model of resistive switching in bi-layered resistance-change memory //Scientific reports. - 2013. - T. 3. - №. 1. - C. 1-6.

16. Jeong D. S. et al. Emerging memories: resistive switching mechanisms and current status //Reports on progress in physics. - 2012. - T. 75. - №. 7. - C. 076502.

17. Wedig A. et al. Nanoscale cation motion in TaO x, HfO x and TiO x memristive systems //Nature nanotechnology. - 2016. - T. 11. - №. 1. - C. 67-74.

18. Seo S. et al. Reproducible resistance switching in polycrystalline NiO films //Applied Physics Letters. - 2004. - T. 85. - №. 23. - C. 5655-5657.

19 Prakash A., Jana D., Maikap S. TaO x-based resistive switching memories: prospective and challenges //Nanoscale research letters. - 2013. - T. 8. - C. 1-17.

20 Kumar D. et al. Metal oxide resistive switching memory: materials, properties and switching mechanisms //Ceramics International. - 2017. - T. 43. - C. S547-S556.

21 Chen C. et al. Oxygen migration induced resistive switching effect and its thermal stability in W/TaOx/Pt structure //Applied Physics Letters. - 2012. - T. 100. - №. 25.

22 Chen C. et al. Oxygen migration induced resistive switching effect and its thermal stability in W/TaOx/Pt structure //Applied Physics Letters. - 2012. - T. 100. - №. 25.

23. Li H., Chen Y. An overview of non-volatile memory technology and the implication for tools and architectures //2009 Design, Automation & Test in Europe Conference & Exhibition. - IEEE, 2009. - C. 731-736.

24. Chua L. Memristor-the missing circuit element //IEEE Transactions on circuit theory. - 1971. - T. 18. - №. 5. - C. 507-519.

25. Chua L. Memristor-the missing circuit element //IEEE Transactions on circuit theory. - 1971. - T. 18. - №. 5. - C. 507-519.

26. Gao B. et al. Oxide-based RRAM switching mechanism: A new ion-transport-recombination model //Electron Devices Meeting, 2008. IEDM 2008. IEEE International. - IEEE, 2008. - C. 1-4.

27. Waser R., Aono M. Nanoionics-based resistive switching memories //Nature materials. - 2007. - T. 6. - №. 11. - C. 833.

28. Waser R. et al. Redox-based resistive switching memories-nanoionic mechanisms, prospects, and challenges //Advanced materials. - 2009. - T. 21. - №. 25-26. - C. 2632-2663.

29. Yang Y. et al. Observation of conducting filament growth in nanoscale resistive memories //Nature communications. - 2012. - T. 3. - C. 732.

30. Li X. et al. Effect of oxygen profiles on the RS characteristics of bilayer TaO x/TaO y based RRAM //Electron Devices and Solid-State Circuits (EDSSC), 2013 IEEE International Conference of. - IEEE, 2013. - C. 1-2.

31. Ma H. et al. A vacancy-modulated self-selective resistive switching memory with pronounced nonlinear behavior //Applied Physics A. - 2017. - T. 123. - №. 12. -C. 730.

32. Ryu S., Kim S. K., Choi B. J. Resistive Switching of Ta2O5-Based Self-Rectifying Vertical-Type Resistive Switching Memory //Journal of Electronic Materials. -2018. - T. 47. - №. 1. - C. 162-166.

33. Prakash A. et al. Demonstration of low power 3-bit multilevel cell characteristics in a TaO x-based RRAM by stack engineering //IEEE Electron Device Letters. -2015. - T. 36. - №. 1. - C. 32-34.

34. Wei Z. et al. Demonstration of high-density ReRAM ensuring 10-year retention at 85 C based on a newly developed reliability model //2011 international electron devices meeting. - IEEE, 2011. - C. 31.4. 1-31.4. 4.

35. Qin Y. et al. A TaOx-based RRAM with improved uniformity and excellent analog characteristics by local dopant engineering //Electronics. - 2021. - T. 10. - №. 20.

- C. 2451.

36 Aziz J. et al. Improved memory performance of ALD grown HfO2 films by nitrogen doping //Materials Science and Engineering: B. - 2023. - T. 297. - C. 116755.

37 Zhu Y. L. et al. Uniform and robust TiN/HfO2/Pt memristor through interfacial Al-doping engineering //Applied Surface Science. - 2021. - T. 550. - C. 149274.

38 Chandrasekaran S. et al. Improving linearity by introducing Al in HfO2 as a memristor synapse device //Nanotechnology. - 2019. - T. 30. - №2. 44. - C. 445205.

39. Wang Z. et al. Localized metal doping effect on switching behaviors of TaO x-based RRAM device //2016 16th Non-Volatile Memory Technology Symposium (NVMTS). - IEEE, 2016. - C. 1-3.

40. Liu Q. et al. Improvement of Resistive Switching Properties in ZrO2-Based ReRAM With Implanted Ti Ions //IEEE Electron Device Letters. - 2009. - T. 30. -№. 12. - C. 1335-1337.

41. Kuzmichev D. S. et al. Bottom-Electrode Nanoasperities as a Root of the HighPerformance Resistive-Switching Effect //physica status solidi (RRL)-Rapid Research Letters. - 2021. - T. 15. - №. 2. - C. 2000461

42. Alibart F., Zamanidoost E., Strukov D. B. Pattern classification by memristive crossbar circuits using ex situ and in situ training //Nature communications. - 2013.

- T. 4. - №. 1. - C. 2072.

43. Kenyon A. J. et al. The interplay between structure and function in redox-based resistance switching //Faraday discussions. - 2019. - T. 213. - C. 151-163.

44 Lee B., Wong H. S. P. NiO resistance change memory with a novel structure for 3D integration and improved confinement of conduction path //2009 Symposium on VLSI Technology. - IEEE, 2009. - C. 28-29.

45 Lee D. Y., Yao I. C., Tseng T. Y. Bottom electrode modification of ZrO2 resistive switching memory device with Au nanodots //Japanese Journal of Applied Physics.

- 2012. - T. 51. - №. 2S. - C. 02BJ04.

46 Орлов О. М. и др. ЭФФЕКТ РЕЗИСТИВНОГО ПЕРЕКЛЮЧЕНИЯ В СТРУКТУРАХ TiN/HfxAl1-xOy/HfO2/TiN И TiN/HfO2/Ti/TiN //Микроэлектроника. - 2014. - Т. 43. - №. 5. - С. 337-337.

47 Гойхман А. Ю. Магнитные и структурные свойства наноразмерных слоев ферромагнетик-изолятор-ферромагнетик на основе FeSix и FeOy : дис. - Нац. исслед. ядер. ун-т МИФИ, 2010.

48. Chu, W.K., Mayer, W., and Nicolet, M.A. Backscattering Spectrometry: New York, Academic Press, 1978.- 384 p.

49 Троян В.И., Пушкин М.А., Борман В.Д., Тронин В.Н. Физические основы методов исследования наноструктур и поверхности твердого тела. Под ред. В.Д. Бормана: Учебное пособие. - М.: МИФИ, 2008. 260 с.

50. Friedbacher G., Bubert H. (ed.). Surface and thin film analysis: a compendium of principles, instrumentation, and applications. - John Wiley & Sons, 2011.

51 Пушкин М.А. Фрактальная структура и электронные свойства нанокластеров металлов, сформированных при высоких скоростях осаждения : дис - 2003.

52. Tang C. Y., Yang Z. Transmission electron microscopy (TEM) //Membrane characterization. - Elsevier, 2017. - С. 145-159.

53 Разрешающая способность электронного микроскопа. Увеличение электронной микроскопии. [Электронный ресурс]. URL: https://yaaspirant.ru/spisok-literatury/kak-v-spiske-literatury-oformlyat-internet-istochniki (Дата обращения: 11. 12.2024).

54. Fang Y. et al. Influence of selector-introduced compliance current on HfOx RRAM switching operation //Non-Volatile Memory Technology Symposium (NVMTS), 2015 15th. - IEEE, 2015. - С. 1-3.

55 Кондратюк Е.В. Исследование физических основ обеспечения надежности энергонезависимой памяти на основе тонких плёнок оксидов переходных металлов : дис. . - МФТИ, 2022.

56 Lebedinskii Y. Y. et al. Effect of dielectric stoichiometry and interface chemical state on band alignment between tantalum oxide and platinum //Applied Physics Letters. - 2015. - Т. 107. - №. 14.

57 Lee Y. J., Lee T., Soon A. 2018 Over-Stoichiometry in Heavy Metal Oxides: The Case of Ion-Covalent Tantalum Trioxides. Inorganic chemistry 57 6057-6064.

58. Zhuk M. et al. On-Chip TaOx-Based Non-volatile Resistive Memory for in vitro Neurointerfaces //Frontiers in neuroscience. - 2020. - T. 14. - C. 94.

59. Gilmer D. C. et al. Effects of RRAM stack configuration on forming voltage and current overshoot //2011 3rd IEEE International Memory Workshop (IMW). -IEEE, 2011. - C. 1-4.

60. Larentis S. et al. Filament diffusion model for simulating reset and retention processes in RRAM //Microelectronic Engineering. - 2011. - T. 88. - №. 7. - C. 1119-1123.