Способ изготовления мемристора с наноконцентраторами электрического поля
METHOD FOR PRODUCTION OF MEMRISTOR WITH NANOCONCENTERS OF ELECTRIC FIELD

Изобретение относится к технологии изготовления мемристоров с диэлектрической структурой, расположенной между его двумя электродами, обладающей резистивной памятью, работа которой которая стабилизирована в результате введения в указанную диэлектрическую структуру наноконцентраторов электрического поля, и может быть использовано при изготовлении мемристоров с указанной диэлектрической структурой, содержащей обеспечивающий филаментарный механизм переключения слой диоксида циркония.
Известная технология изготовления мемристора с диэлектрической структурой между его двумя электродами, обладающей резистивной памятью и содержащей слой диоксида циркония без введения в нее наноконцентраторов электрического поля (см., например, изобретение «Способ получения энергонезависимого элемента памяти» в соответствии с патентом РФ №2468471, H01L 21/8239, 2012), не удовлетворяет требованиям высокой стабилизации работы резистивной памяти.
Уровень современной технологии изготовления мемристора с диэлектрической структурой, расположенной между его двумя электродами, обладающей резистивной памятью, работа которой стабилизирована в результате введения в указанную диэлектрическую структуру наноконцентраторов электрического поля, например способ получения мемристорного переключателя, включающего диэлектрическую подложку с нанесенным на нее электродом в виде проводящей пленки, нанесенный на электрод наноразмерный активный слой, а также второй электрод, выполненный в виде, зонда сканирующего зондового микроскопа, и активный слой, выполненный в виде пленки фторида лития, содержащей нанокластеры меди (см. полезную модель «Мемристорный переключатель» по патенту РФ №159146, H01L 45/00, 2016), характеризуется резервом оптимизации изготовления мемристоров в связи с необходимостью проведения дополнительного введения наноконцентраторов электрического поля.
В качестве прототипа предлагаемого способа выбран способ изготовления мемристора путем получения расположенной между двумя электродами диэлектрической структуры, содержащей обеспечивающий филаментарный механизм переключения слой диоксида циркония и обладающей резистивной памятью, работу которой стабилизируют в результате введения в указанную диэлектрическую структуру наноконцентраторов электрического поля в виде наночастиц полупроводникового материала (см. 10-й абзац на с. 5 описания изобретения «Оксидный резистор памяти, включающий полупроводниковые наночастицы» и п. 12 формулы этого изобретения «Способ изготовления резистора памяти…» по заявке WO 2013005040, G11C 13/00, H01L 45/00, 2013).
Недостатком указанного прототипа также является необходимость проведения дополнительного введения наноконцентраторов электрического поля в виде наночастиц полупроводникового материала.
Технический результат от использования предлагаемого способа - повышение эффективности изготовления мемристора на основе диоксида циркония с введенными в его активную диэлектрическую структуру наноконцентраторами электрического поля за счет обеспечения оптимального сочетания повышенных технологичности изготовления указанного мемристора и стабилизации работы резистивной памяти мемристора в результате исключения необходимости в дополнительном введении наноконцентраторов электрического поля в диэлектрическую структуру мемристора на основе диоксида циркония, стабилизированного иттрием, расположенную между его двумя электродами и обладающую резистивной памятью, т.е. в результате совмещения введения наноконцентраторов электрического поля с процессом формирования упомянутой диэлектрической структуры в связи с образованием указанных наноконцентраторов в виде нанокристаллических включений тантала в прилежащих к поверхностной границе раздела участках промежуточного осаждаемого слоя оксида тантала и интерфейсного слоя диоксида титана, формируемого на поверхности одного из электродов, изготовленного из нитрида титана, при частичном замещении атомов азота на атомы кислорода в процессе осаждения на указанном электроде слоя оксида тантала, а также в результате одновременного улучшения обмена ионами кислорода между слоем диоксида циркония, стабилизированного иттрием, и указанным электродом и усилением при резистивном переключении потока ионов кислорода в связи с указанным формированием интерфейсного слоя диоксида титана.
Технический результат в случае изготовления второго из электродов осаждением тантала магнетронным распылением на слое диоксида циркония, стабилизированного иттрием, заключается в дополнительном улучшении обмена ионами кислорода между слоем диоксида циркония, стабилизированного иттрием, и указанным электродом в результате формирования интерфейсного слоя диоксида тантала при частичном окислении тантала в процессе осаждения тантала на слое указанного диоксида циркония.
Для достижения указанного технического результата в способе изготовления мемристора путем формирования расположенной между двумя электродами диэлектрической структуры, содержащей обеспечивающий филаментарный механизм переключения слой диоксида циркония и обладающей резистивной памятью, работу которой стабилизируют в результате введения в указанную диэлектрическую структуру наноконцентраторов электрического поля, для совмещения введения наноконцентраторов электрического поля с процессом формирования упомянутой диэлектрической структуры и усиления в ней при резистивном переключении потока ионов кислорода на поверхности одного из электродов, изготовленного из нитрида титана, последовательно формируют слой оксида тантала и слой диоксида циркония, стабилизированного иттрием, с использованием магнетронного распыления, причем при осаждении на указанный электрод оксида тантала, сопровождаемом частичным замещением атомов азота на атомы кислорода, формируют на поверхности этого электрода промежуточный интерфейсный слой диоксида титана и в участках указанного интерфейсного слоя и осаждаемого слоя оксида тантала, прилежащих к поверхностной границе их раздела, образуемые при этом наноконцентраторы электрического поля в виде нанокристаллических включений тантала.
Для дополнительного усиления в диэлектрической структуре предлагаемого мемристра при резистивном переключении потока ионов кислорода в случае изготовления второго из электродов осаждением тантала магнетронным распылением на слое диоксида циркония, стабилизированного иттрием, сопровождаемым частичным окислением тантала, формируют на поверхности указанного слоя диоксида циркония промежуточный интерфейсный слой диоксида тантала.
2
5
2
2
2
5
2
2
В частном случае осуществления предлагаемого способа на окисленной пластине кремния последовательно напыляют адгезионный слой титана толщиной 20 нм, первый электрод в виде нижнего слоя нитрида титана - TiN толщиной 20 нм, слой оксида тантала - ТаО толщиной 10 нм с формированием при осаждении указанного оксида тантала промежуточного интерфейсного слоя диоксида титана - TiO толщиной 4 нм на поверхности первого электрода и наноконцентраторов электрического поля в виде нанокристаллических включений тантала размерами до 3 нм, образуемых в участках промежуточного интерфейсного слоя диоксида титана - TiO и осаждаемого слоя оксида тантала - ТаО, прилежащих к поверхностной границе их раздела, слой диоксида циркония - ZrO, стабилизированного иттрием, толщиной 10 нм, второй электрод в виде верхнего слоя тантала толщиной 8 нм с формированием при осаждении указанного тантала промежуточного интерфейсного слоя диоксида тантала - ТаО толщиной 4 нм на поверхности указанного слоя диоксида циркония и использованием при напылениях указанных оксидов и нитрида ВЧ-магнетронного распыления при температуре 300°С и остальных указанных слоев магнетронного распыления на постоянном токе при температуре 200°С.
При этом для улучшения работоспособности мемристора на поверхности второго электрода может быть напылен магнетронным распылением при постоянном токе при температуре 200°С слой золота толщиной 20 нм.
На фиг. 1 показана мемристорная структура, получаемая в соответствии с предлагаемым способом; на фиг. 2 - характерные вольтамперные характеристики мемристора, изготовленного в соответствии с предлагаемым способом, после 100 циклов переключения и на фиг. 3 - данные по устойчивости переключения мемристора, изготовленного в соответствии с предлагаемым способом, в зависимости от количества циклов импульсного переключения.
Предлагаемый способ изготовления мемристора осуществляют в следующем порядке.
2
5
2
2
2
2
5
2
На окисленной пластине кремния (на фиг. 1 не показана) при ее температуре 200°С напыляют магнетронным распылением на постоянном токе адгезионный слой титана толщиной 20 нм (на фиг. 1 не показан) и затем последовательно ВЧ-магнетронным распылением при температуре 300°С на нем первый электрод (см. фиг. 1) в виде слоя 1 нитрида титана (TiN) толщиной 20 нм, слой 2 оксида тантала (ТаО) толщиной 10 нм и слой 3 оксида циркония (ZrO), стабилизированного иттрием, толщиной 10 нм, после чего магнетронным распылением на постоянном токе при температуре 200°С второй электрод в виде промежуточного слоя 4 тантала толщиной 8 нм и верхнего слоя 5 золота толщиной 20 нм с формированием при осаждении указанного оксида тантала (см. на фиг. 1 слой 2) промежуточного интерфейсного слоя 6 диоксида титана (TiO) толщиной 4 нм на поверхности первого электрода и наноконцентраторов электрического поля в виде нанокристаллических включений 7 тантала размерами до 3 нм, образуемых в участках промежуточного интерфейсного слоя 6 диоксида титана (TiO) и осаждаемого слоя 2 оксида тантала (ТаО), прилежащих к поверхностной границе их раздела, а также с формированием при осаждении указанного тантала (см. на фиг. 1 слой 4) промежуточного интерфейсного слоя 8 диоксида тантала (ТаО) толщиной 4 нм на поверхности указанного слоя 3 диоксида циркония.
Состав слоев (см. на фиг. 1) контролировался методом рентгеновской фотоэлектронной спектроскопии на контрольных пленках. Методом просвечивающей электронной микроскопии поперечного сечения (Х-ТЕМ) было установлено, что слои 2 оксида тантала и 4 тантала являются аморфными, а слой 3 оксида циркония, стабилизированного иттрием (Y), характеризуется колончатой поликристаллической структурой.
2
2
5
В процессе осаждения слоя оксида тантала на границе со слоем нитрида титана (TiN) - в прилежащем к поверхности первого электрода (слой 1 нитрида титана) участке слоя 2 оксида тантала происходило частичное замещение атомов азота на атомы кислорода с формированием интерфейсного слоя 5 диоксида титана и в прилежащих к поверхностной границе раздела участках промежуточного интерфейсного слоя 6 диоксида титана (TiO) и осаждаемого слоя 2 оксида тантала (ТаО) формирование при осаждении оксида тантала нанокристаллических включений 7 тантала. Переходный слой 2 из окисленного тантала формировался на интерфейсном слое 5 диоксида титана, расположенном между слоем 3 оксида циркония, стабилизированного иттрием, и вторым электродом (слой 4 тантала), создавая избыток кислородных вакансий в указанном слое 3 оксида циркония.
После электроформовки при отрицательном смещении полученная мемристорная структура демонстрирует биполярное резистивное переключение (рис. 2), для которого характерно высокоомное состояние (СВС) и низкоомное состояние (СНС). После нескольких сотен циклов стабилизируется переключение между указанными состояниями, которые характеризуются низким разбросом значений сопротивления (рис. 3).
2
Полученный результат интерпретируется на основе механизма формирования филаментов с центральной проводящей частью в слое 3 оксида циркония, стабилизированного иттрием, и воспроизводимых структурных превращений в слое 2 оксида тантала с формированием и разрушением более проводящей фазы оксида тантала со степенью окисления +4(TaO) (см. фиг. 1).
2
Повышенная стабилизация резистивных состояний объясняется наличием границ зерен в слое 3 стабилизированного иттрием оксида циркония (ZrO(Y)) как предпочтительных мест для зарождения филаментов, наличием нанокристаллических включений 7 тантала в качестве концентраторов электрического поля в слое оксида тантала 2 и улучшенным обменом кислородом между слоем 2 оксида тантала, слоем 3 оксида циркония, стабилизированного иттрием, и интерфейсным слоем 6 диоксида титана с первым электродом (слой 1 нитрида титана), а также интерфейсным слоем 8 диоксида тантала со вторым электродом (слой 4 тантала).
Воспроизводимое стабильное плавное резистивное переключение между нелинейными состояниями, достигаемое при использовании предлагаемого способа, перспективно для адаптивного программирования мемристорных элементов в больших пассивных массивах «кросс-бар».