Изучение электрофизических параметров пленок окислов титана применяемых при формировании мемристорных структур

УДК 537.226.7

П.Е. Троян, С.Г. Нагайчук, Д.П. Аргунов, П.А. Змановский, И.В. Пилипец

Изучение электрофизических параметров пленок окислов титана, применяемых при формировании мемристорных структур

Исследованы электрофизические свойства пленок диоксида титана, полученных магнетрон-ным распылением мишени из титана стехиометричного (TiO2) и нестехиометричеого (TiOx) составов, используемых для создания мемристорных элементов энергонезависимой памяти. Показано, что нестехиометриченые пленки TiOx имеют более высокую проводимость. В структурах с двухслойным диэлектриком TiO2-TiOx электрическая прочность определяется прочностью пленок TiO2. Значения диэлектрической проницаемости пленок TiO2 и TiOx существенно различаются.

Ключевые слова: пленки окисла титана, электрофизические параметры.

Наибольшее число разработок в области мемристоров ведется с использованием материалов, изменяющих фазовый состав при приложении напряжения. Также достаточно большое число исследований посвящено созданию мемристоров на основе твердотельных электролитов и с использованием молекулярных или полимерных материалов и сред. Вместе с тем недостатком таких материалов является их несовместимость со стандартными в области полупроводниковой индустрии процессами КМОП (комплементарная логика на транзисторах металл-оксид-полупроводник) и КНИ (кремний на изоляторе). Кроме того, подобные материалы, как правило, деградируют в условиях, характерных для условий эксплуатации электронных микросхем. Металлоксидные материалы с вакансиями кислорода, включая оксид титана, являются полностью совместимыми и используемыми в КМОП- и КНИ-технологиях [1].

Поскольку мемристорные структуры на основе оксида титана представляют большой интерес с практической точки зрения, то необходимо уделить особое внимание изучению их электрофизических параметров. Поэтому тематика данной работы будет посвящена исследованию параметров мемристорных структур на основе окислов титана.

Экспериментальная часть. В данной работе пленки диоксида титана получались магнетрон-ным распылением, в котором титановая мишень распыляется бомбардировкой ионами газа (Ar) и испускает атомы, которые затем осаждаются в газовой смеси аргона и кислорода на подложке в виде тонкой оксидной пленки [2, 3]. Пленки TiOx получались также магнетронным распылением, но с использованием только аргона.

Напыление пленок TiO2 производилось в атмосфере аргона и кислорода при давлении 10-2 мм рт. ст., разрядный ток составлял 300 мА, время напыления 9 мин. Толщина полученных пленок ~54 нм. Скорость распыления пленки составляет приблизительно 6 нм/мин.

При напылении пленок TiOx в атмосфере аргона давлении в камере было порядка 10-2 мм рт. ст. разрядный ток составлял 300 мА, время напыления 5,5 мин. Толщина полученных пленок ~25 нм. Скорость распыления пленки составляет приблизительно 4,5 нм/мин.

С помощью электронного сканирующего микроскопа Hitachi TM-1000 был проведен рентге-носпектральный микроанализ полученных пленок, нанесённых на стеклянную подложку. Для пленки TiO2 анализ показал, что содержание кислорода составляет 69,2%, а содержание титана 30,8%. В идеальном случае, при полном окислении на каждый атом титана должно приходится два атома кислорода (TiO2), то есть содержание кислорода должно составлять 66%, а титана 33%. Наличие излишнего кислорода можно объяснить адсорбцией воды на поверхности пленки и окислением подложки. Из анализа состава пленки TiOx следует, что содержание кислорода составляет 59,9%, а содержание титана 40,1%. Полученное соотношение говорит о том, что в пленке имеется избыток титана. Можно сказать, что на каждый атом титана приходится полтора атома кислорода, следовательно, она должна обладать большей проводимостью.

На стеклянных подложках были сформированы конденсаторные структуры А1-ТЮ2-А1 и А1-ТЮХ-А1 (на каждой подложке располагалось по 20 структур). На полученных структурах при помощи измерителя иммитанса Е7-23 была измерена величина электрического сопротивления. Данные измерений, а также средние значения измеренных параметров представлены в табл. 1.

Таблица 1

Значения сопротивления _ пленок ТЮХ и ТЮ2 _

Образец № Материал диэлектрика т ТЮ2

1 1,3-103 1,8-106

2 1,9-103 3,0-106

3 Сопротивление, Ом 5,0-103 1,5-106

4 8,0-103 5,0-106

5 12,0-103 4,0-106

Среднее значение сопротивления, Ом 5,6-103 3,1-106

Как видно из данных, приведенных в табл. 1, сопротивление пленок ТЮХ на три порядка меньше сопротивления пленок ТЮ2. Результаты эксперимента подтверждают высказанное ранее предположение о величине электрического сопротивления пленок ТЮХ относительно пленок ТЮ2.

Исследованы свойства полученных пленок оксидов титана в структурах А1-ТЮ2-А1, А1(№)-ТЮ2-(№)А1 и Мо-ТЮХ-ТЮ2-Си. В частности, измерена величина напряжения пробоя пленок ТЮ2, которая приведена в табл. 2. Толщина пленок диэлектриков составляла порядка 100 нм.

Таблица 2

Величина напряжения п

робой пленок ТЮХ и ТЮ2

Образец № Параметр А1-ТЮ2-А1 А1(№)-ТЮ2-(№)А1 А1-ТЮХ-ТЮ2-А1

1 180 205 205

2 225 195 203

3 Uпроб, В 200 200 174

4 175 202 203

5 202 198 185

6 225 204 186

Среднее значения ипроб, В 201 201 193

Исходя из величины напряжения пробоя, можно вычислить электрическую прочность для данных пленок, зная толщину пленок диэлектрика:

ип

Епр _"

'пр

где ипроб - напряжение пробоя; й - толщина пленки диэлектрика.

В табл. 3 представлены рассчитанные значения электрической прочности диэлектрика для полученных структур, а также их усредненные значения.

Таблица 3

Образец № Параметр А1-ТЮ2-А1 А1(М1)-ТЮ2-(М1)А1 А1-ТЮХ-ТЮ2-А1

1 1,80-109 2,05-109 2,05-109

2 2,25-109 1,95-109 2,03-109

3 Епр, В/м 2,00-109 2,00-109 1,74-109

4 1,75-109 2,03-109 2,03-109

5 2,03-109 1,98-109 1,85-109

6 2,25-109 2,04-109 1,86-109

Среднее значение Епр, В/м 2,01-109 2,01-109 1,92-109

X

Как видно из данных табл. 2 и 3, структуры с диэлектриком ТЮ2 и двухслойным диэлектриком ТЮХ-ТЮ2 имеют приблизительно одинаковую электрическую прочность.

Исследование значений величины диэлектрической проницаемости были произведены на структурах Мо-ТЮ2-№ и Мо-ТЮХ-ТЮ2-Си, полученных на подложках типа «керн» [4] (рис. 1).

Контакт и ВЭ

Верхний электрод

Рабочий диэле ктрик 'П СЬ Рабочий диэлектрик ТЮК

Защитный диэлектрик

('текло

Рис. 1. Схематическое изображение полученных структур на подложке типа «керн»

В ходе эксперимента измерена величина электрической емкости полученных структур. Затем для каждой из структур был произведен расчет диэлектрической проницаемости.

С  d

е=-5 ,

ео  5

где С - электрическая емкость; d - толщина пленки диэлектрика; 5 - площадь конденсаторной структуры; е0 - электрическая постоянная.

Для структуры с диэлектриком Т102 рассчитанное значение совпадает с диэлектрической проницаемостью диоксида титана, в то время как для структуры, состоящей из двух последовательно соединенных диэлектриков ТЮХ-ТЮ2, значение диэлектрической проницаемости слоя ТЮХ можно получить из общей диэлектрической проницаемости структуры:

1 _ 9тю2 + 9ТЮХ

е

еТЮ2 еТЮХ

где 0Т1о2, 9Т10Х - объемные доли диэлектриков в конденсаторной структуре; еТ102, еТ10х - диэлектрические проницаемости диэлектриков.

В табл. 4 представлены результаты экспериментальных измерений и расчетов величины электрической емкости полученных структур и диэлектрической проницаемости тонких пленок диэлектриков.

Таблица 4

Образец № Мо-ТЮ2-№ МО-ТЮх-ТЮ2-СЦ

С, пФ еТ102 С, пФ е еТ10Х

1 1320 29,8 165 5,22 1,84

2 1300 29,4 128 4,05 1,38

3 1470 33,2 308 9,74 3,89

Среднее значение 1363 30,8 200 6,30 2,40

Как видно из данных табл. 4, емкость структур на Т102 на порядок больше, чем емкость структур с диэлектриком ТЮХ-ТЮ2, из чего следует, что пленки Т10Х обладают меньшей величиной диэлектрической проницаемости по сравнению с Т102.

Заключение. В ходе работы были исследованы структуры на основе пленок Т102 и Т10Х, в частности, ряд электрофизических параметров, таких как электрическое сопротивление, напряжение пробоя, емкость, электрическая прочность, диэлектрическая проницаемость.

Результаты экспериментов показали, что электрическое сопротивление пленок Т10Х на порядки меньше электрического сопротивления пленок Т102. Это связано с наличием избыточных атомов титана в пленке Т10Х.

Эксперименты показали, что структуры с диэлектриком Т102 и двухслойным диэлектриком ТЮХ-ТЮ2 обладают приблизительно одинаковыми значениями электрической прочности. При этом электрическая емкость структур с диэлектриком Т102 на порядок больше, чем емкость структур с диэлектриком ТЮХ-ТЮ2. Следует отметить, что пленки Т10Х обладают меньшей величиной диэлектрической проницаемости по сравнению с пленками Т102.

Полученные значения электрической прочности пленок ТЮ2 и ТЮХ, большие чем электрические поля, при которых наблюдаются изменения в структуре пленок, сопровождающие мемристор-ный эффект, говорят о применимости пленок ТЮ2 и ТЮХ, полученных магнетронным распылением, для создания мемристорных элементов памяти.

Литература

1. Моделирование частотных и мощностных характеристик мемристора на основе оксида титана [Электронный ресурс]. - Режим доступа: http://technomag.bmstu.ru/doc/409216.htm1, свободный (дата обращения: 17.09.2015).

2. Балагуров Л.А. Магнетронное осаждение слоев диоксида титана с диагностикой плазмы высокочастотного разряда методом оптической эмиссионной спектроскопии / Л.А. Балагуров, И.В. Кулеманов, А.Ф. Орлов, Е.А Петрова // Материалы электронной техники. - 2011. - № 1. - С. 4-7.

3. Сахаров Ю.В. Исследование пористых пленок диоксида кремния / Ю.В. Сахаров, П.Е. Троян // Доклады ТУСУРа. - 2011. - № 2 (24). - С. 77-80.

4. Троян П.Е. Электрическая формовка тонкопленочных структур металл-диэлектрик-металл в сильных электрических полях / П.Е. Троян, Ю.В. Сахаров. - Томск: Изд-во Том. гос. ун-та систем упр. и радиоэлектроники, 2013. - 248 с.

Троян Павел Ефимович

Д-р техн. наук, зав. каф. ФЭ Тел.: +7-904-965-94-50 Эл. почта: p.e.troyan@mai1.ru

Нагайчук Сергей Геннадьевич

Студент каф. физической электроники (ФЭ) ТУСУРа

Тел.: 8-953-922-05-79

Эл. почта: sergey.nagaichuk@yandex.ru

Аргунов Дмитрий Пантелеевич

Студент каф. ФЭ

Тел.: 8-952-164-52-03

Эл. почта: uftgs@yandex.ru

Змановский Петр Алексеевич

Студент каф. ФЭ

Тел.: 8-983-340-65-48

Эл. почта: Zmanovskypetr@mai1.ru

Пилипец Иван Васильевич

Магистр каф. ФЭ

Тел.: +7-904-965-94-50

Эл. почта: az1ogor@yandex.ru

Troyan P.E., Nagaichuk S.G., Argunov D.P., Zmanovsky PA., Pylypets I.V.

Electrical parameters study of the titanium oxide films used for memristor's structures' design

In this article were studied electrical properties of the titanium dioxide films, which were obtained by magnetron sputtering cathode of titanium, stoichiometric (TiO2) and unstoichiometric (TiOx) compositions used for creating the elements of non-volatile memristor's memory. It shown that unstoichiometric TiOx films have higher conductivity. In structures with two layers of dielectric TiO2-TiOx the electric strength is determined by the electric strength of the TiO2 films. The values of dielectric permittivity TiO2 and TiOx films differ significantly. Keywords: titanium oxide film, electrical parameters.