МЕМРИСТОРНЫЙ ЭЛЕМЕНТ ПАМЯТИ
RESTORING MEMORY ELEMENT

Изобретение относится к электронике, в частности к нейроморфной электронике и вычислительной технике, а именно к электрически перепрограммируемым постоянным запоминающим устройствам (ЭППЗУ), сохраняющим информацию при отключенном питании, и может быть использовано в устройствах памяти вычислительных машин, микропроцессорах, флэш-памяти, в различных портативных устройствах с функцией хранения и переноса информации, таких как ноутбуки, планшетники, электронные книги, цифровые видеокамеры и фотоаппараты, мобильные телефоны, смартфоны, МP3-плееры, навигаторы, USB-память, электронные биометрические паспорта и другие документы, электронные карты.
2
x
Известен мемристорный элемент памяти (J. Joshua Yang, Feng Miao, Matthew D. Pickett, Douglas A.A. Ohlberg, Duncan R. Stewart, Chun Ning Lau and R. Stanley Williams, «The mechanism of electroforming of metal oxide memristive switches», Nanotechnology, v. 20 (2009), p. 215201), содержащий подложку с расположенным на ее рабочей поверхности проводящим электродом, на котором расположен активный слой из диэлектрика, а на активном слое расположен второй проводящий электрод. В качестве диэлектрика активного слоя взят оксид металла - TiO. Активный слой выполнен толщиной от 25 до 50 нм. Проводящие электроды выполнены в виде пленки металла - Pt. Проводящий электрод, расположенный на рабочей поверхности подложки, сформирован толщиной около 15 нм. В качестве подложки использована подложка из кремния со слоем SiO и расположенным на нем адгезивным подслоем Ti толщиной около 5 нм. На адгезивный подслой нанесена пленка из Pt - проводящий электрод, расположенный на рабочей поверхности подложки. Толщина второго проводящего электрода около 30 нм.
2
При приложении в отношении приведенного элемента памяти короткого импульса напряжения активный слой из диэлектрика, расположенный между проводящими электродами, рассматриваемыми в качестве обкладок конденсатора, переходит из высокоомного состояния, характеризующегося малым током утечки (логический 0), в низкоомное состояние, характеризующееся большим током утечки (логическая 1). Этот переход соответствует режиму записи информации. Стирание информации, переход в высокоомное состояние, осуществляют путем приложения к активному слою напряжения противоположной полярности. Переход мемристорного элемента памяти с активным слоем из диэлектрика - оксида металла TiO - из высокоомного состояния в низкоомное состояние осуществляется за счет формирования проводящих электрический ток металлических нитей (филаментов, conducting filaments) через диэлектрик, от одного проводящего электрода ко второму проводящему электроду.
Проводящие металлические филаменты образуются за счет электродиффузии вакансий кислорода в диэлектрике активного слоя.
К недостаткам приведенного элемента памяти относится большое напряжение перепрограммирования и, как следствие, большая потребляемая на перепрограммирование мощность. К причинам, препятствующим достижению технического результата, относится отсутствие средства, обеспечивающего более эффективное формирование металлических филаментов, в качестве которого может выступать инжектор вакансий кислорода.
2
5-x
2-x
2-x
2
5-x
2-x
2-x
2
5-x
2-x
2
5-x
2
В качестве ближайшего аналога выбран мемристорный элемент памяти (Myoung-Jae Lee, Chang Bum Lee, Dongsoo Lee, Seung Ryul Lee, Man Chang, Ji Hyun Hur, Young-Bae Kim, Chang-Jung Kim,, David H. Seo, Sunae Seo, U-In Chung, In-Kyeong Yoo, and Kinam Kim, «A fast, high-endurance and scalable non-volatile memory device made from asymmetric TaO/TaO bilayer structures», NATURE MATERIALS, VOL. 10, p.p. 625-630, 2011), содержащий подложку с расположенным на ее рабочей поверхности проводящим электродом, на котором расположен активный слой из диэлектрика, а на активном слое расположен второй проводящий электрод. В качестве диэлектрика активного слоя взят оксид металла - окись танталла, причем активный слой выполнен двухслойным - в составе слоев ТаО и TaO. Проводящие электроды выполнены из металла - электрод, расположенный на рабочей поверхности, из Pt/Ti, второй проводящий электрод из Pt. Слой ТаО выполнен на проводящем электроде, расположенном на рабочей поверхности. На слое ТаО выполнен слой TaO. Суммарная толщина активного слоя в составе слоев ТаО и ТаО - от 30 до 40 нм. Второй проводящий электрод выполнен в виде сетки. В качестве подложки использована подложка со слоем SiO толщиной 500 нм.
К недостаткам ближайшего аналога относится большое напряжение перепрограммирования и, как следствие, большая потребляемая на перепрограммирование мощность. К причинам, препятствующим достижению технического результата, относится следующее.
2-х
2
5-х
Активный слой нестехиометрического диэлектрика окисного типа ТаО/ТаО содержит высокую концентрацию вакансий кислорода, то есть обогащен избыточным металлом - Та. Нестехиометрический диэлектрик из окиси металла может выступать в качестве инжектора вакансий кислорода благодаря наличию избыточного металла. Однако использование указанного нестехиометрического диэлектрика из окиси металла в качестве инжектора вакансий кислорода является недостаточно эффективным средством.
2
5-x
2
5-x
2
5-x
Следует иметь в виду, что изготовление нестехиометрического диэлектрика, обогащенного металлом, в частности TaO, сопряжено с определенными трудностями. Нестехиометрический слой TaO осаждался методом магнетронного распыления, согласно указанному информационному источнику. При этом затруднительно гарантированное получение требуемого химического состава (нестехиометрии), в частности TaO, для эффективной инжекции вакансий кислорода. Другие методы формирования активного слоя, в частности наиболее перспективный метод атомного наслаивания (Atomic Layer Deposition, ALD), не позволяют осаждать сильно нестехиометрические (около 10-20 атомных процентов нестехиометрии) пленки и, как следствие, сформировать эффективный инжектор вакансий кислорода.
Техническим результатом предлагаемого решения является снижение напряжения перепрограммирования и, как следствие, снижение потребляемой на перепрограммирование мощности.
Технический результат достигается в мемристорном элементе памяти, содержащем подложку с расположенным на ее рабочей поверхности проводящим электродом, на котором расположен активный слой из диэлектрика - оксида металла, на активном слое расположен второй проводящий электрод, проводящий электрод, расположенный на рабочей поверхности, и/или второй проводящий электрод выполнены из того металла, оксид которого взят в качестве диэлектрика активного слоя.
В элементе памяти оксид металла - стехиометрический.
2
5
В элементе памяти проводящий электрод, расположенный на рабочей поверхности, выполнен из металла Та, в качестве диэлектрика активного слоя взят оксид металла ТаО, второй проводящий электрод выполнен с использованием материала из группы: Ni, Cr, Pt, Au, Cu, Ti, Al, TiN, TaN.
2
В элементе памяти проводящий электрод, расположенный на рабочей поверхности, выполнен из металла Hf, в качестве диэлектрика активного слоя взят оксид металла HfO, второй проводящий электрод выполнен с использованием материала из группы: Ni, Cr, Pt, Au, Cu, Ti, Та, Al, TiN, TaN.
2
3
В элементе памяти проводящий электрод, расположенный на рабочей поверхности, выполнен из металла Al, в качестве диэлектрика активного слоя взят оксид металла AlO, второй проводящий электрод выполнен с использованием материала из группы: Ni, Cr, Pt, Au, Cu, Ti, Та, TiN, TaN.
2
5
В элементе памяти второй проводящий электрод выполнен из металла Та, в качестве диэлектрика активного слоя взят оксид металла TaO, проводящий электрод, расположенный на рабочей поверхности, выполнен с использованием материала из группы: Ni, Cr, Pt, Au, Cu, Ti, Al, TiN, TaN.
2
В элементе памяти второй проводящий электрод выполнен из металла Hf, в качестве диэлектрика активного слоя взят оксид металла HfO, проводящий электрод, расположенный на рабочей поверхности, выполнен с использованием материала из группы: Ni, Cr, Pt, Au, Cu, Ti, Та, Al, TiN, TaN.
2
3
В элементе памяти второй проводящий электрод выполнен из металла Al, в качестве диэлектрика активного слоя взят оксид металла AlO, проводящий электрод, расположенный на рабочей поверхности, выполнен с использованием материала из группы: Ni, Cr, Pt, Au, Cu, Ti, Та, TiN, TaN.
2
5
В элементе памяти проводящий электрод, расположенный на рабочей поверхности, и второй проводящий электрод выполнены из металла Та, в качестве диэлектрика активного слоя взят оксид металла TaO.
2
В элементе памяти проводящий электрод, расположенный на рабочей поверхности, и второй проводящий электрод выполнены из металла Hf, в качестве диэлектрика активного слоя взят оксид металла HfO.
2
3
В элементе памяти проводящий электрод, расположенный на рабочей поверхности, и второй проводящий электрод выполнены из металла Al, в качестве диэлектрика активного слоя взят оксид металла AlO.
В элементе памяти активный слой из диэлектрика сформирован толщиной от 5 до 100 нм.
В элементе памяти проводящий электрод, расположенный на рабочей поверхности, и второй проводящий электрод выполнены слоем толщиной от 10 до 20 нм.
В элементе памяти в качестве подложки использована полупроводниковая подложка кремния.
Сущность технического решения поясняется нижеследующим описанием и прилагаемым чертежом.
На чертеже схематически показана структура мемристорного элемента памяти, где 1 - подложка; 2 - проводящий электрод; 3 - активный слой; 4 - проводящий электрод.
Достижение технического результата обеспечивается тем, что в мемристорном элементе памяти проводящий электрод, расположенный на рабочей поверхности, и/или второй проводящий электрод выполняют из металла, при этом в качестве металла берут тот металл, оксид которого используют в качестве диэлектрика активного слоя. Сочетание оксида металла, используемого в качестве диэлектрика активного слоя, и металла, оксид которого использован в качестве диэлектрика, в отношении какого-либо одного из двух проводящих электродов или обоих проводящих электродов обеспечивает наличие эффективного инжектора вакансий в мемристорном элементе памяти. Причем диэлектрик может быть стехиометрическим, что устраняет технологические трудности при изготовлении мемристорного элемента памяти.
2
5
2
5
2
5
2
5
22
-3
22
-3
22
-3
23
-3
Рассмотрим, например, случай использования стехиометрического TaO в качестве диэлектрика активного слоя, а металла Та - в качестве материала, из которого формируют проводящий электрод, расположенный на рабочей поверхности, и/или второй проводящий электрод, расположенный на активном слое. В TaO концентрация атомов металла Та составляет около 2,2×10 см, концентрация атомов кислорода составляет около 5,5×10 см. В металлическом тантале концентрация атомов тантала составляет величину около 5×10 см. Поскольку в стехиометрическом TaO на два атома тантала приходится пять атомов кислорода, то можно считать, что в металлическом тантале имеется 1,25×10 см вакансий кислорода. Следовательно, металлический тантал выступает в качестве инжектора вакансий кислорода в стехиометрический ТаО. Поток вакансий кислорода пропорционален их концентрации. Высокая концентрация вакансий кислорода приведет к большему потоку и, как результат, к понижению напряжения перепрограммирования и потребляемой при перепрограммировании мощности.
2
2
3
Аналогичным образом обстоит дело, если в качестве диэлектрика активного слоя используют оксид гафния HfO, в качестве материала для проводящего электрода, расположенного на рабочей поверхности, и/или второго проводящего электрода, расположенного на активном слое, используют металлический гафний Hf, либо в качестве диэлектрика активного слоя используют оксид алюминия AlO, в качестве материала для проводящего электрода, расположенного на рабочей поверхности, и/или второго проводящего электрода, расположенного на активном слое, используют алюминий.
В общем случае выполнения мемристорный элемент памяти (см. чертеж) содержит подложку 1, расположенный на ее рабочей поверхности проводящий электрод 2, активный слой 3 из диэлектрика, который расположен на проводящем электроде 2, второй проводящий электрод 4, расположенный на активном слое 3. При этом проводящий электрод 2, расположенный на рабочей поверхности, и/или второй проводящий электрод 4 выполнены из металла. В качестве диэлектрика активного слоя 3 взят оксид металла, из которого выполнен соответственно проводящий электрод 2, расположенный на рабочей поверхности, и/или второй проводящий электрод 4.
В частных случаях реализации мемристорный элемент памяти выполняется со следующими особенностями.
В качестве диэлектрика активного слоя 3 использован стехиометрический оксид металла.
В зависимости от используемого материала предлагаются следующие варианты выполнения проводящих электродов 2 и 4 и активного слоя 3 (см. чертеж).
2
5
Проводящий электрод 2, расположенный на рабочей поверхности, выполнен из металла Та, а в качестве диэлектрика активного слоя 2 взят оксид металла TaO. Второй проводящий электрод 4 выполнен с использованием материала из группы: Ni, Cr, Pt, Au, Cu, Ti, Al, TiN, TaN.
2
Проводящий электрод 2, расположенный на рабочей поверхности, выполнен из металла Hf. В качестве диэлектрика активного слоя 3 взят оксид металла HfO. Второй проводящий электрод 4 выполнен с использованием материала из группы: Ni, Cr, Pt, Au, Cu, Ti, Та, Al, TiN, TaN.
2
3
Проводящий электрод 2, расположенный на рабочей поверхности, выполнен из металла Al. В качестве диэлектрика активного слоя 3 взят оксид металла AlO. Второй проводящий электрод 4 выполнен с использованием материала из группы: Ni, Cr, Pt, Au, Cu, Ti, Та, TiN, TaN.
2
5
Второй проводящий электрод 4 выполнен из металла Та. В качестве диэлектрика активного слоя 3 взят оксид металла TaO. Проводящий электрод 2, расположенный на рабочей поверхности, выполнен с использованием материала из группы: Ni, Cr, Pt, Au, Cu, Ti, Al, TiN, TaN.
2
Второй проводящий электрод 4 выполнен из металла Hf. В качестве диэлектрика активного слоя 3 взят оксид металла HfO. Проводящий электрод 2, расположенный на рабочей поверхности, выполнен с использованием материала из группы: Ni, Cr, Pt, Au, Cu, Ti, Та, Al, TiN, TaN.
2
3
Второй проводящий электрод 4 выполнен из металла Al. В качестве диэлектрика активного слоя 3 взят оксид металла AlO. Проводящий электрод 2, расположенный на рабочей поверхности, выполнен с использованием материала из группы: Ni, Cr, Pt, Au, Cu, Ti, Та, TiN, TaN.
2
5
Проводящий электрод 2, расположенный на рабочей поверхности, и второй проводящий электрод 4 выполнены из металла Та. В качестве диэлектрика активного слоя 3 взят оксид металла TaO.
2
Проводящий электрод 2, расположенный на рабочей поверхности, и второй проводящий электрод 4 выполнены из металла Hf. В качестве диэлектрика активного слоя 3 взят оксид металла HfO.
2
3
Проводящий электрод 2, расположенный на рабочей поверхности, и второй проводящий электрод 4 выполнены из металла Al. В качестве диэлектрика активного слоя 3 взят оксид металла AlO.
2
2
2
5
Кроме того, в качестве диэлектрика активного слоя 3 могут быть использованы: оксид циркония ZrO, оксид никеля NiO, оксид титана TiO, оксид ниобия NbO. При этом, соответственно, выполняются проводящие электроды 2 и 4, один из них или оба, с использованием Zr, Ni, Ti, Nb.
Активный слой 3 из вышеперечисленного перечня диэлектрика сформирован толщиной от 5 до 100 нм.
Проводящий электрод 2, расположенный на рабочей поверхности, и второй проводящий электрод 4 выполнены слоем толщиной от 10 до 20 нм.
В качестве подложки 1 использована полупроводниковая подложка кремния.
Предлагаемое устройство используется следующим образом.
6
6
При подаче на проводящие электроды 2 и 4 короткого импульса напряжения амплитуды от 0,5 до 5 В и длительности от 1 нс до 1 мкс - напряжения записи информации в диэлектрике активного слоя 3, возникает напряженность электрического поля от 0,25×10 В/см до 5×10 В/см - необходимая и достаточная для протекания электрического тока. Диэлектрик активного слоя 3, расположенного между обкладками конденсатора - проводящими электродами 2 и 4, переходит из высокоомного состояния, характеризующегося малым током утечки, соответствующим логическому 0, в низкоомное состояние, характеризующееся большим током утечки, соответствующим логической 1. Происходит формирование проводящей электрический ток нити, по которой начинает протекать электрический ток. Осуществляется запись информации. При этом благодаря наличию встроенного инжектора вакансий за счет выполнения проводящего электрод 2, расположенного на рабочей поверхности, и/или второго проводящего электрода 4 из металла, оксид которого используют в качестве диэлектрика активного слоя 3, формирование проводящей нити происходит более эффективно, со снижением напряжения перепрограммирования и, как следствие, снижением потребляемой на перепрограммирование мощности. Для стирания записанной информации к диэлектрику активного слоя 3 прикладывают напряжение противоположной полярности той же величины и длительности - от 0,5 до 5 В и длительности от 1 нс до 1 мкс. В результате осуществляется переход диэлектрика, расположенного между обкладками конденсатора, в высокоомное состояние.