ЭЛЕМЕНТ РЕЗИСТИВНОЙ ЭНЕРГОНЕЗАВИСИМОЙ ПАМЯТИ

Полезная модель относится к области вычислительной техники, а именно к запоминающим устройствам.
x
x
2
5-x
3
2
2
x
x
Известен элемент резистивной энергонезависимой памяти (US 8009454 В2, МПК G11C 11/00, опубл. 30.08.2011), который содержит нижний электрод, первый оксидный слой на нижнем электроде, второй оксидный слой на первом оксидном слое, верхний электрод на втором оксидном слое. При этом первый оксидный слой выполняет функцию хранения информации и выполнен, например, из NiO, ZrO, NbO, HfO, ZnO, WO, СоО, CuO или TiO; второй оксидный слой выполняет функцию ограничителя тока, имеет сопротивление от 10 Ом до 10 кОм и выполнен либо из ZnO, либо из RuO, легированные переходными металлами.
Такой элемент памяти обладает недостаточной селективностью по причине того, что второй оксидный слой имеет малое и постоянное сопротивление, что приводит к тому, что при считывании информации с такого элемента в массиве памяти повышается вероятность ошибки.
x
Известен элемент резистивной энергонезависимой памяти (RU 149246 U1, МПК H01L 27/115, опубл. 27.12.2014), который включает электроды и активную область, выполненную между электродами и содержащую слой переключения сопротивления из стабилизированного диоксида циркония и дополнительно содержит слой, обеспечивающий увеличение отношения сопротивлений в высокоомном и низкоомном состояниях, из GeO, выполненный между верхним электродом и слоем переключения сопротивления из стабилизированного диоксида циркония, при этом верхний электрод выполнен из циркония, на который нанесен слой золота.
Такой элемент памяти обладает низким отношением сопротивлений во включенном и выключенном состояниях, что приводит к увеличению вероятности ошибки в режиме считывания информации.
х
2
5
Известен элемент резистивной энергонезависимой памяти (Kim S. et al. Performance of threshold switching in chalcogenide glass for 3D stackable selector // Proc. Symp. VLSIT. - 2013. - С. T240-T241). Элемент состоит из нижнего электрода, активной области из первого оксидного слоя на нижнем электроде и второго оксидного слоя на первом оксидном слое, выполняющие функцию переключения сопротивления, и верхнего электрода на втором оксидном слое. При этом нижний электрод выполнен из W, первый оксидный слой выполнен из ТаО, второй оксидный слой выполнен из ТаО, верхний электрод выполнен из Pt. Данный элемент последовательно соединен с селективным устройством, которое также содержит нижний электрод, верхний электрод и заключенный между ними слой, ограничивающий ток, из халькогенидного стекла состава AsTeGeSiN. В данной системе недостаточную селективность элемента компенсирует селективное устройство за счет того, что слой халькогенидного стекла меняет свое сопротивление под действием напряжения, что приводит к тому, что при считывании информации с такого элемента в массиве памяти уменьшается вероятность ошибки.
Несмотря на обеспечение достаточного уровня селективности, использование такой системы, состоящей из элемента памяти и селективного устройства, требует использования дорогостоящих материалов, приводит к усложнению технологического процесса изготовления и к уменьшению степени интеграции элементов на микросхеме.
2
Наиболее близким к заявленному техническому решению является элемент резистивной энергонезависимой памяти (патент US 9048658B2, МПК G11C 13/00, опубл. 2.06.2015), состоящий из нижнего электрода, слоя, ограничивающего ток, выполненного из диэлектрика поверх нижнего электрода, слоя переключения сопротивления поверх слоя, ограничивающего ток, и верхнего электрода поверх слоя переключения сопротивления. При этом слой, ограничивающий ток, сформирован таким образом, что при приложении напряжения, не превосходящего напряжение переключения слоя переключения сопротивления, происходит устранимый пробой диэлектрика слоя, ограничивающего ток, вследствие чего его сопротивление резко снижается. Слой, ограничивающий ток, может состоять либо из оксидного диэлектрического материала, либо из HfO. Утверждается, что переключение слоя переключения сопротивления происходит за счет миграции частиц металла из верхнего электрода, что обеспечивает формирование проводящей нити в слое переключения сопротивления.
Недостатками данного технического решения являются относительно малое сопротивление слоя, ограничивающего ток, высокое напряжение переключения слоя переключения сопротивления и малое отношение сопротивлений элемента в высокоомном и низкоомном состояниях, что приводит к низкой селективности и высокой вероятности ошибки.
Задачей заявляемой полезной модели является создание элемента резистивной энергонезависимой памяти, позволяющего достигать технический результат.
Техническим результатом, обеспечиваемым приведенной совокупностью признаков, является повышение селективности со снижением вероятности ошибки при считывании информации с элемента в массиве памяти.
x
Сущность полезной модели заключается в том, что в элементе резистивной энергонезависимой памяти, включающем электроды и активную область, выполненную между электродами и содержащую слой, ограничивающий ток, поверх нижнего электрода и слой переключения сопротивления поверх слоя, ограничивающего ток, слой переключения сопротивления выполнен из оксида свинца PbO, слой, ограничивающий ток, выполнен из аморфного оксида свинца PbO, при этом толщины этих слоев составляют от 30 до 300 нм. Нижний и верхний электроды могут быть выполнены из Pt.
x
Вольтамперные характеристики, соответствующие процессам переключения сопротивления в структуре Pt/PbO/PbO/Pt, подтверждают возможность использования структуры в качестве элемента резистивной энергонезависимой памяти. Нелинейность ВАХ слоя, ограничивающего ток, обусловлена механизмом электронного транспорта (токи, ограниченные пространственным зарядом). При приложении к структуре напряжения порядка 1,5 В происходит шнурование тока с образованием проводящих каналов в слое переключения сопротивления из аморфного оксида свинца PbO. Электроды должны быть выполнены из материала с большой работой выхода для формирования барьера Шоттки на границе раздела, поэтому электроды могут быть выполнены из Pt.
3
7
Технические характеристики переключения сопротивления: отношение сопротивлений в СВС и СНС, измеренных при напряжении 1 В, составляет 10. Сопротивление элемента резистивной энергонезависимой памяти, измеренное при напряжении порядка 0,1 В, составляет 10 Ом.
x
Таким образом, за счет использования оксида свинца PbO в качестве материала слоя переключения сопротивления обеспечивается высокое отношение сопротивлений в высокоомном и низкоомном состояниях. За счет выбора в качестве материала слоя, ограничивающего ток, аморфного оксида свинца PbO обеспечивается достаточная селективность, что приводит к достижению технического результата, а именно к повышению селективности со снижением вероятности ошибки при считывании информации с элемента в массиве памяти.
Сущность изобретения поясняется чертежами. На фиг. 1 изображена структура элемента энергонезависимой резистивной памяти:
1 - верхний электрод,
2 - активная область,
3 - слой переключения сопротивления,
4 - слой, ограничивающий ток,
5 - нижний электрод.
x
Элемент резистивной энергонезависимой памяти (фиг. 1) содержит верхний электрод 1, нижний электрод 5 и активную область 2, выполненную между электродами и содержащую слой, ограничивающий ток 4, из аморфного оксида свинца PbO поверх нижнего электрода 5 и слой переключения сопротивления 3 из оксида свинца PbO поверх слоя, ограничивающего ток 4. Нижний и верхний электроды 5, 1 выполнены из платины.
Сборку предлагаемого элемента резистивной энергонезависимой памяти осуществляют следующим образом.
2
2
Для формирования нижнего электрода 5 на подложку SiO/Si сначала наносится адгезионный подслой титана Ti толщиной 10 нм, после чего методом распыления в плазме наносится слой платины Pt толщиной 100 нм. Затем на полученную структуру Pt/Ti/SiO/Si методом магнетронного распыления мишени наносят слой 4, ограничивающий ток, из оксида свинца толщиной 40 нм при температуре подложки Т=673 К. На полученный слой аморфного PbO осаждают второй слой переключения сопротивления 3 из оксида свинца PbO толщиной 40 нм методом магнетронного распыления при температуре подложки Т=423 К. Верхний платиновый электрод 1 толщиной 100 нм формируют осаждением через маску. Полученную структуру отжигают в кислородосодержащей среде при температуре Т=843 К в течение 30 мин. Площадь структуры определяется размерами верхнего электрода 1. Диаметр верхнего электрода составлял 300 мкм.
Работает элемент резистивной энергонезависимой памяти следующим образом. Непосредственно после сборки структура находится в состоянии высокого сопротивления (СВС). При приложение к структуре напряжения ~1 В сопротивление слоя 4, ограничивающего ток, из PbO резко падает. При дальнейшем увеличении прикладываемого напряжения до ~1,5 В происходит резкое увеличение тока, и структура переключается в состояние с низким сопротивлением (СНС). Слой 4, ограничивающий ток, ограничивает ток за счет того, что имеет нелинейную симметричную вольтамперную характеристику (ВАХ). Нелинейность ВАХ слоя 4, ограничивающего ток, обусловлена механизмом электронного транспорта (токи, ограниченные пространственным зарядом). При приложении к структуре напряжения порядка 1,5 В происходит шнурование тока с образованием проводящих каналов в слое переключения сопротивления 3 из аморфного оксида свинца. При приложении к структуре напряжения ~1,5 В обратной полярности под действием электрического поля и разогрева происходит переокисление проводящих каналов. Ток резко падает, структура переключается в СВС. В структуре наблюдается энергонезависимое резистивное биполярное переключение и эффект памяти. Приложение к структуре положительного напряжения переводит ее в СНС. Последующее приложение к структуре отрицательного напряжения переводит ее в СВС.
Таким образом, заявляемая полезная модель обеспечивает повышение селективности со снижением вероятности ошибки при считывании информации с элемента в массиве памяти.