Мемристорный элемент на основе КМОП-технологии

Полезная модель относится к электронике, а конкретно к микро- и наноэлектронике, электрически перепрограммируемым постоянным запоминающим устройствам и интегральным микросхемам, изготавливаемым в КМОП-технологии и используемым в устройствах автоматики и вычислительной техники, в том числе нейроморфных вычислительных системах, для которых предусмотрено энергонезависимое хранение информации при отключении электропитания и многократное перепрограммирование, выполняемое посредством электрических воздействий.
Известно выполнение мемристорного элемента памяти, описанное в патенте RU 2602765 С1, МПК G11C 16/04, опубликованном 20 ноября 2016 г., содержащем подложку с находящимся на ее рабочей поверхности проводящим электродом, на котором расположен активный слой из диэлектрика - оксида металла, на активном слое расположен второй проводящий электрод, оба электрода одновременно или один из них выполнены из того металла, оксид которого взят в качестве диэлектрика активного слоя. Недостатком приведенного мемристорного элемента памяти является расположение проводящего электрода на рабочей поверхности подложки, что существенно усложняет его изготовление на базе стандартной КМОП-технологии.
В качестве ближайшего аналога выбран мемристорный элемент памяти (Sungjun Kim, Sunghun Jung, Min-Hwi Kim, Ying-Chen Chen, Yao-Feng Chang, Kyung-Chang Ryoo, Seongjae Cho, Jong-Ho Lee, and Byung-Gook Park, «Scaling Effect on Silicon Nitride Memristor with Highly Doped Si Substrate», Small, Volume 14, Issue 19, 2018), содержащий подложку, с находящимся на ее рабочей поверхности нижним электродом - сильнолегированная область того же типа проводимости, что и подложка, на котором расположен активный слой из нестехиометрического нитрида кремния SiNx, сверху которого расположен проводящий электрод - верхний электрод, который может быть выполнен из титана Ti, платины Pt, серебра Ag, алюминия Al, меди Cu или никеля Ni. К недостаткам ближайшего аналога относится сложная технологическая реализация мемристорного элемента памяти с большим количеством (не менее двух) фотолитографий. Кроме того, используется химическое осаждение из паровой фазы при низком давлении, которое происходит при температуре 770°С, что приведет к деградации транзисторных структур.
Технический результат полезной модели заключается в реализации совместимого со стандартной КМОП-технологией электрически перепрограммируемого мемристорного элемента с эффектом резистивного переключения.
Технический результат достигается тем, что мемристорный элемент выполнен в КМОП-технологии на одном уровне с затворами транзисторов в слое изолирующего диэлектрика между подложкой первого типа проводимости и первым уровнем металлизации с использованием одного дополнительного фотошаблона и введением в стандартный технологический маршрут одной дополнительной фотолитографии и содержит нижний электрод, выполненный из кремния первого или второго типа проводимости с высокой степенью легирования, который может быть изолирован от подложки за счет выбора типа его проводимости комплементарным по отношению к типу проводимости подложки, мелкощелевая изоляция обеспечивает боковую изоляцию мемристорного элемента от соседних мемристорных элементов, верхний электрод, выполненный из металла, активный слой между нижним электродом и верхним электродом, выполненный из диэлектрика, нижний электрод соединен с шиной металлизации первого уровня через металлическое контактное окно, образуя контакт к нижнему электроду, верхний электрод соединен с шиной металлизации первого уровня через металлическое контактное окно, образуя контакт к верхнему электроду.
В мемристорном элементе нижний электрод, выполненный из кремния первого или второго типа проводимости с высокой степенью легирования, изолирован от кремниевой подложки первого типа проводимости за счет наличия кармана второго типа проводимости, в случае, если нижний электрод первого типа проводимости, то карман второго типа проводимости соединен с шиной металлизации первого уровня через диффузионную область второго типа проводимости и металлическое контактное окно.
В мемристорном элементе нижний электрод, выполненный из кремния первого или второго типа проводимости с высокой степенью легирования, изолирован от кремниевой подложки первого типа проводимости за счет наличия изолирующего кармана второго типа проводимости и глубокого изолирующего кармана второго типа проводимости, которые вместе образуют изоляцию второго типа проводимости кармана первого типа проводимости, в котором расположен нижний электрод, от кремниевой подложки первого типа проводимости, изоляция второго типа проводимости соединена с шиной металлизации первого уровня через диффузионную область второго типа проводимости и металлическое контактное окно, в случае, если нижний электрод второго типа проводимости, то карман первого типа проводимости соединен с шиной металлизации первого уровня через диффузионную область первого типа проводимости и металлическое контактное окно.
В случае выполнения мемристорного элемента в КНИ или КНС КМОП-технологии карман первого или второго типа проводимости, в котором расположен нижний электрод, выполненный из кремния первого или второго типа проводимости с высокой степенью легирования, изолирован снизу от кремниевой подложки первого типа проводимости за счет наличия слоя скрытой изоляции из диэлектрика, мелкощелевая изоляция и слой скрытой изоляции образуют единую изолирующую область из диэлектрика.
В мемристорном элементе нижний электрод, выполненный из кремния первого или второго типа проводимости с высокой степенью легирования, дополнительно содержит слой силицида кобальта SiCo со стороны активного слоя.
В мемристорном элементе активный слой толщиной от 1 до 100 нм между нижним электродом и верхним электродом, выполненный одним из следующих диэлектриков: стехиометрического нитрида кремния Si3N4, нестехиометрического нитрида кремния SiNx, а также из нестехиометрических оксидов: кремния SiOx, гафния HfOx, титана TiOx, молибдена МоОх, тантала ТаОх. Выбор материала диэлектрика активного слоя зависит от возможностей КМОП-технологии, по которой происходит изготовление. Допускается выполнение активного слоя из двух или трех слоев диэлектриков, которые перечислены выше.
В мемристорном элементе верхний электрод толщиной от 5 нм до 1 мкм может быть выполнен одним из следующих металлов: титана Ti, нитрида титана TiN, меди Cu, алюминия Al, тантала Та, нитрида тантала TaN, никеля Ni, золота Au, серебра Ag, платины Pt. Выбор материала металла верхнего электрода зависит от возможностей КМОП-технологии, по которой происходит изготовление. Допускается выполнение верхнего электрода из двух и более металлических слоев, которые перечислены выше.
Указанное выполнение мемристорного элемента позволяет достичь максимальной совместимости со стандартной объемной и КНИ или КНС КМОП-технологией за счет использования одного дополнительного фотошаблона и введения в стандартный технологический маршрут одной дополнительной фотолитографии.
Отличительными признаками полезной модели являются выполнение мемристорного элемента в КМОП-технологии на одном уровне с затворами транзисторов в слое диэлектрика до первого уровня металлизации с использованием одного дополнительного фотошаблона и введение в стандартный технологический маршрут одной дополнительной фотолитографии, а также формирование изоляции нижнего электрода от подложки и использование совместимых с КМОП-технологией материалов.
Полезная модель поясняется чертежами фиг. 1-3 и фиг. 4, на которых изображены разрезы структуры вариантов реализации мемристорного элемента в случае его изготовления на основе объемной и КНИ или КНС КМОП-технологии.
Мемристорный элемент (фиг. 1) располагается в слое диэлектрика 3 между подложкой 1 и первым уровнем металлизации 8 и содержит нижний электрод 4, выполненный из кремния первого или второго типа проводимости с высокой степенью легирования, который может быть изолирован от подложки 1 за счет выбора типа его проводимости комплементарным по отношению к типу проводимости подложки 1, мелко щелевая изоляция 2 обеспечивает боковую изоляцию мемристорного элемента от соседних мемристорных элементов, верхний электрод 6, выполненный из металла, активный слой 5 между нижним электродом 4 и верхним электродом 6, выполненный из диэлектрика, нижний электрод 4 соединен с шиной металлизации первого уровня 8 через металлическое контактное окно 7, образуя контакт к нижнему электроду 4, верхний электрод 6 соединен с шиной металлизации первого уровня 8 через металлическое контактное окно 7, образуя контакт к верхнему электроду 6.
В мемристорном элементе (фиг. 2) нижний электрод 4, выполненный из кремния первого или второго типа проводимости с высокой степенью легирования, изолирован от кремниевой подложки 1 первого типа проводимости за счет наличия кармана 9 второго типа проводимости, в случае, если нижний электрод 4 первого типа проводимости, то карман 9 второго типа проводимости соединен с шиной металлизации первого уровня 8 через диффузионную область 10 второго типа проводимости и металлическое контактное окно 7.
В мемристорном элементе (фиг. 3) нижний электрод 4, выполненный из кремния первого или второго типа проводимости с высокой степенью легирования, изолирован от кремниевой подложки 1 первого типа проводимости за счет наличия изолирующего кармана 11 второго типа проводимости и глубокого изолирующего кармана 12 второго типа проводимости, которые вместе образуют изоляцию второго типа проводимости кармана 9 первого типа проводимости, в котором расположен нижний электрод 4, от кремниевой подложки 1 первого типа проводимости, изоляция 11 и 12 второго типа проводимости соединена с шиной металлизации первого уровня 8 через диффузионную область 10 второго типа проводимости и металлическое контактное окно 7, в случае, если нижний электрод 4 второго типа проводимости, то карман 9 первого типа проводимости соединен с шиной металлизации первого уровня 8 через диффузионную область 10 первого типа проводимости и металлическое контактное окно 7.
В случае выполнения мемристорного элемента в КНИ или КНС КМОП-технологии (фиг. 4) карман 9 первого или второго типа проводимости, в котором расположен нижний электрод 4, выполненный из кремния первого или второго типа проводимости с высокой степенью легирования, изолирован снизу от кремниевой подложки 1 первого типа проводимости за счет наличия слоя скрытой изоляции 13 из диэлектрика, мелкощелевая изоляция 2 и слой скрытой изоляции 13 образуют единую изолирующую область из диэлектрика.
Мемристорный элемент является электронным прибором с электрически перепрограммируемым и энергонезависимо сохраняемым значением электрического сопротивления.
Устройство на фиг. 1-4 работает следующим образом. Рассмотрим, например, мемристорный элемент с эффектом резистивного переключения биполярного типа.
Операция программирования осуществляется за счет приложения напряжения положительной полярности между верхним электродом 6 и нижним электродом 4, мемристорный элемент переходит в низкоомное состояние (с низким значением электрического сопротивления), которое сохраняется при отключении электропитания.
Операция стирания осуществляется за счет приложения напряжения отрицательной полярности между верхним электродом 6 и нижним электродом 4, мемристорный элемент переходит в высокоомное состояние (с высоким значением электрического сопротивления), которое сохраняется при отключении электропитания.
Состояние с низким значением электрического сопротивления при считывании может быть определено как логическая единица, а состояние с высоким значением электрического сопротивления - как логический ноль, возможно и наоборот. В этом случае мемристорный элемент хранит один бит информации. Если мемристорный элемент имеет несколько стабильных уровней переключений из высокоомного состояния в низкоомное состояние или наоборот, то в таком случае мемристорный элемент хранит несколько бит информации.
Следует отметить, что положительная полярность напряжения достигается за счет приложения положительного напряжения на верхний электрод 6 и 0 В на нижний электрод 4. Тогда как отрицательная полярность напряжения достигается за счет приложения отрицательного напряжения на верхний электрод 6 и 0 В на нижний электрод 4, что эквивалентно приложению положительного напряжения на нижний электрод 4 и 0 В на верхний электрод 6. Таким образом, микросхема может использовать только положительные напряжения для программирования и стирания, что является предпочтительным с практической точки зрения.
Перед первым использованием мемристорного элемента проводится процедура электроформовки, которая технически похожа на операцию программирования и заключается в приложении напряжения положительной полярности большей амплитуды и/или на более длительное время, чем при операции программирования, между верхним электродом 6 и нижним электродом 4 мемристорного элемента.
Для обеспечения изоляции нижнего электрода 4 от подложки в КМОП-технологии, в зависимости от варианта реализации и типа проводимости подложки 1, кармана 9, изолирующих карманов 11, 12 и нижнего электрода 4 помимо напряжения между верхним электродом 6 и нижним электродом 4, используемого для перепрограммирования мемристорного элемента, может потребоваться задание дополнительных постоянных напряжений к областям мемристорного элемента.
Для варианта реализации мемристорного элемента на фиг. 1 изоляция нижнего электрода 4 осуществляется за счет выбора типа его проводимости комплементарным по отношению к типу проводимости подложки 1. Если тип проводимости нижнего электрода 4 совпадает с типом проводимости подложки 1, то нижний электрод 4 является одновременно контактом к подложке. Мемристорный элемент на фиг. 1 не требует задания дополнительных напряжений.
Для варианта реализации мемристорного элемента на фиг. 2 изоляция нижнего электрода 4 осуществляется за счет кармана 9, тип проводимости которого комплементарный по отношению к типу проводимости подложки 1. В случае, если тип проводимости нижнего электрода 4 совпадает с типом проводимости кармана 9, то мемристорный элемент на фиг. 2 не требует задания дополнительных напряжений. В случае, если тип проводимости нижнего электрода 4 не совпадает с типом проводимости кармана 9, то мемристорный элемент на фиг. 2 требует задания дополнительного напряжения на карман 9 для того, чтобы pn-переходы нижний электрод 4 - карман 9 и карман 9 - подложка 1 находились в закрытом состоянии во всех рабочих режимах мемристорного элемента. Например, если подложка 1 и нижний электрод 4 p-типа проводимости, а карман 9 n-типа проводимости, то на карман должно быть задано самое высокое напряжение в схеме. Если используется положительное напряжение перехода из низкоомного в высокоомное состояние (напряжение стирания) и оно меньше напряжения питания, то на карман 9 может быть задано напряжение питания. Если напряжение стирания выше напряжения питания, то на карман должно быть задано напряжение не ниже напряжения стирания.
Для варианта реализации мемристорного элемента на фиг. 3 изоляция нижнего электрода 4 осуществляется за счет наличия изолирующих карманов 11 и 12 с типом проводимости комплементарным по отношению к типу проводимости подложки 1, за счет которых образуется изолированный от подложки 1 карман 9 такого же, как и подложка 1, типа проводимости. В случае, если тип проводимости нижнего электрода 4 совпадает с типом проводимости кармана 9, то мемристорный элемент на фиг. 1 требует задания дополнительного напряжения на изолирующие карманы 11 и 12 для того, чтобы pn-переходы карман 9 - изолирующие карманы 11, 12 и изолирующие карманы 11, 12 - подложка 1 находились в закрытом состоянии во всех рабочих режимах мемристорного элемента. Например, если подложка 1, карман 9 и нижний электрод 4 р-типа проводимости, а изолирующие карманы 11 и 12 n-типа проводимости, то на изолирующие карманы 11 и 12 должно быть задано самое высокое напряжение в схеме. Если используется положительное напряжение перехода из низкоомного в высокоомное состояние (напряжение стирания) и оно меньше напряжения питания, то на изолирующие карманы 11 и 12 может быть задано напряжение питания. Если напряжение стирания выше напряжения питания, то на изолирующие карманы 11 и 12 должно быть задано напряжение не ниже напряжения стирания. В случае, если тип проводимости нижнего электрода 4 не совпадает с типом проводимости кармана 9, то карман 9 и изолирующие карманы 11, 12 могут быть электрически объединены с подложкой 1, также допустимо задать на изолирующие карманы 11, 12 напряжение питания. Например, если подложка 1 и карман 9 p-типа проводимости, а нижний электрод 4 и изолирующие карманы 11 и 12 n-типа проводимости, то на карман 9 и изолирующие карманы 11 и 12 может быть задано напряжение подложки 1 - 0 В, либо на изолирующие карманы 11 и 12 допустимо задать напряжение питания. В таком случае все диоды в мемристорном элементе будут закрыты во всех режимах работы.
Для варианта реализации мемристорного элемента на фиг. 4 изоляция кармана 9, в котором расположен нижний электрод 4, осуществляется за счет мелкощелевой изоляции 2 из диэлектрика и слоя скрытой изоляции 13 из диэлектрика, образующих единую изолирующую область из диэлектрика. Тип проводимости нижнего электрода 4 совпадает с типом проводимости кармана 9, поэтому контакт к нижнему электроду является одновременно и контактом к карману 9. Мемристорный элемент на фиг. 4 не требует задания дополнительных напряжений.
Мемристорному элементу на фиг. 1-3 необходимо задавать напряжение на подложку. В случае подложки р-типа проводимости - это наименьшее напряжение в схеме 0 В. В случае использования КНИ или КНС КМОП-технологии (фиг. 4) подложка изолирована и может иметь положительное или отрицательное смещение, отличное от 0 В, что принципиально не влияет на функционирование мемристорного элемента.
Для демонстрации работы на примере мемристорного элемента с эффектом резистивного переключения биполярного типа авторами проведено компьютерное моделирование при помощи специализированных программных средств, используя модель, основанную на вольт-амперной характеристике экспериментального образца мемристорного элемента.
На фиг. 5 представлена электрическая принципиальная схема тестового стенда. Нижний электрод n мемристорного элемента М0 соединен с общей шиной gnd, которая имеет напряжение 0 В. Верхний электрод p мемристорного элемента соединен с положительным терминалом «+» источника напряжения V0, который задает напряжение V на верхний электрод мемристорного элемента. Отрицательный терминал «-» источника V0 соединен с нижним электродом n мемристорного элемента и общей шиной gnd.
На фиг. 6 изображен результат моделирования - вольт-амперная характеристика мемристорного элемента, которая представляет собой один цикл перезаписи - переход из высокоомного состояния в низкоомное состояние и обратно. В первой половине цикла к мемристорному элементу прикладывается напряжение положительной полярности от 0 до 4 В, ток через мемристорный элемент положительный. Изначально мемристорный элемент находится в высокоомном состоянии. Во время изменения напряжения от 0 до 4 В, при достижении напряжения переключения из высокоомного состояния в низкоомное состояние (порядка 3,5 В), происходит переход в состояние с высокой проводимостью. Сопротивление мемристорного элемента уменьшается, а ток увеличивается, при этом ток через мемристорный элемент ограничен величиной 1,5 мА. Находясь в состоянии с низким сопротивлением, при изменении напряжения от 4 до 0 В, ток через мемристорный элемент сначала ограничен значением 1,5 мА, а при достижении напряжения порядка 1,2 В, уменьшается по линейной зависимости до нуля. Во второй половине цикла к мемристорному элементу прикладывается напряжение отрицательной полярности от 0 до -2,5 В, ток через мемристорный элемент отрицательный. При достижении напряжения переключения из низкоомного в высокоомное состояние (порядка -2,0 В) происходит переход в состояние с низкой проводимостью. Сопротивление мемристорного элемента увеличивается, а ток уменьшается по модулю. До переключения в состояние с высоким сопротивлением ток имеет линейную зависимость от напряжения в диапазоне от 0 до -2 В. Находясь в состоянии с высоким сопротивлением, при изменении напряжения от -2,5 до 0 В, ток имеет низкие значения по модулю (по сравнению с током в состоянии с низким сопротивлением) и уменьшается до нуля.
Таким образом, представленный мемристорный элемент совместим со стандартной объемной и КНИ или КНС КМОП-технологией, может быть многократно перепрограммирован, то есть переведен электрическим способом в низкоомное или высокоомное состояние, которое сохраняется при отключении электропитания.