ОКСИДНЫЙ МЕМРИСТОР С КОНЦЕНТРАТОРАМИ ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ПОЛЯ

Полезная модель относится к мемристорам с наноразмерной активной средой на основе диоксида циркония, расположенной между его двумя электродами и обладающей резистивной памятью, работа которой стабилизирована в результате введения в указанную активную среду наноконцентраторов электрического поля, и может быть использована при изготовлении мемристоров с указанной активной средой, обеспечивающей филаментарный механизм переключения мемристора.
Известные мемристоры с наноразмерной активной средой, расположенной между их двумя электродами, обладающей резистивной памятью и содержащей слой диоксида циркония без введения в нее наноконцентраторов электрического поля (см., например, изобретение «Мемристор на основе смешанного оксида металлов» в соответствии с патентом РФ №2472254, H01L 45/00, В82В 1/00, 2013), не удовлетворяют требованиям высокой временной стабильности параметров резистивной памяти и их устойчивости к многократному переключению.
Уровень техники в области мемристоров с наноразмерной активной средой, расположенной между его двумя электродами, обладающей резистивной памятью, работа которой модифицирована в результате введения в указанную активную среду наноконцентраторов электрического поля, например, мемристорный переключатель, включающий 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 дополнительной операции по введению наноконцентраторов электрического поля.
К недостаткам приведенного примера, также относятся малое отношение сопротивлений между резистивными состояниями (менее 10) и то, что толщина активной области составляет сотни нанометров, вследствие чего сопротивление даже в проводящем состоянии превышает величину в 10 МОм.
В качестве прототипа предлагаемого способа выбран мемристор с расположенной между двумя электродами наноразмерной активной средой, состоящей из обеспечивающего филаментарный механизм переключения слоя диоксида циркония и обладающей резистивной памятью, работу которой которую 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» по заявке WO 2013005040, G11C 13/00, H01L 45/00, 2013).
Недостатком указанного прототипа является необходимость проведения дополнительной операции по введению наноконцентраторов электрического поля в виде наночастиц полупроводникового материала.
Известно также, что эффективность концентрации электрического поля вблизи поверхности полупроводниковых наночастиц, встроенных в диэлектрическую пленку, заключенную между двумя проводящими электродами, определяется разностью в значениях диэлектрической проницаемости материала наночастиц и диэлектрика [«Semiconductor Nanocrystals and Metal Nanoparticles: Physical Properties and Device Applications» / Eds. Chen Т., Liu Y. Boca Raton: CRC Press, 2016]. Поэтому полупроводниковые наночастицы, как концентраторы электрического поля, заведомо проигрывают металлическим.
Технический результат от использования предлагаемого мемристора - обеспечение сочетания повышенных технологичности изготовления указанного мемристора и стабилизации работы резистивной памяти мемристора в результате исключения необходимости в дополнительном введении наноконцентраторов электрического поля в наноразмерную активную среду 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 активной среды в связи с образованием указанных наноконцентраторов в виде нанокристаллических включений тантала в прилежащих к межслойной 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 и формирования указанной активной среды на основе соседних слоев диоксида циркония, стабилизированного иттрием, и функционированием слоя оксида тантала на основе механизма фазовой перестройки, усиливающей эффект резистивного переключения и обеспечивающей, соответственно, высокие временную стабильность параметров резистивной памяти и их устойчивость к многократному переключению.
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 его осаждения на слое указанного диоксида циркония.
Для достижения указанного технического результата в мемристоре, содержащем расположенную между первым и вторым электродами наноразмерную активную среду, выполненную на основе обеспечивающего филаментарный механизм переключения слоя диоксида циркония и обладающую резистивной памятью, стабилизированной в результате введения в указанную активную среду наноконцентраторов электрического поля, первый электрод выполнен из нитрида титана и второй электрод - из тантала.
При этом упомянутая наноразмерная активная среда выполнена в виде слоя диоксида циркония, стабилизированного иттрием, и расположенного между этим слоем и первым электродом слоя оксида тантала, и содержит наноконцентраторы электрического поля, образованные при осаждении на первый электрод оксида тантала в виде нанокристаллических включений тантала в прилежащих к межслойной поверхностной границе раздела участках осажденного слоя оксида тантала и промежуточного интерфейсного слоя диоксида титана, сформированного на поверхности первого электрода при осаждении магнетронным распылением на него оксида тантала, сопровождаемом частичным замещением атомов азота на атомы кислорода.
Для дополнительного усиления в наноструктурной активной среде предлагаемого мемристра при резистивном переключении потока ионов кислорода в случае изготовления второго электрода осаждением тантала магнетронным распылением на слое диоксида циркония, стабилизированного иттрием, сопровождаемым частичным окислением тантала, между вторым электродом и слоем диоксида циркония, стабилизированного иттрием, может быть расположен промежуточный интерфейсный слой диоксида тантала, сформированный при указанном осаждении тантала.
2
5
2
2
2
5
2
2
В частном случае выполнения предлагаемого мемристора, последний содержит первый электрод, выполненный в виде слоя нитрида титана - TiN толщиной 20 нм, напыленного на адгезионном слое титана толщиной 20 нм, осажденном на окисленной пластине кремния, наноразмерную активную среду, выполненную в виде напыленного на первый электрод слоя оксида тантала - TaO толщиной 10 нм и напыленного на последний слоя диоксида циркония - ZrO, стабилизированного иттрием, толщиной 10 нм, с сформированными при осаждении оксида тантала промежуточным интерфейсным слоем диоксида титана - TiO толщиной 4 нм на поверхности первого электрода и наноконцентраторами электрического поля в виде нанокристаллических включений тантала размерами до 3 нм, образованных в участках осажденного слоя оксида тантала - TaO и промежуточного интерфейсного слоя диоксида титана - TiO, прилежащих к поверхностной границе их раздела, и второй электрод, выполненный в виде напыленного на указанный слой диоксида циркония, стабилизированного иттрием, верхнего слоя тантала толщиной 8 нм со сформированным на поверхности указанного слоя диоксида циркония при осаждении указанного тантала промежуточным интерфейсным слоем диоксида тантала - TaO толщиной 4 нм при использовании 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.
Для улучшения работоспособности предлагаемого мемристора последний может дополнительно содержать напыленный на поверхности второго электрода магнетронным распылением при постоянном токе при температуре 200°С слой золота толщиной 20 нм.
На фиг. 1 показана структура предлагаемого мемристора; на фиг. 2 - характерные вольтамперные характеристики предлагаемого мемристора после 100 циклов переключения и на фиг. 3 - данные по устойчивости и воспроизводимости переключения предлагаемого мемристора в зависимости от количества циклов импульсного переключения.
2
5
2
2
2
2
5
2
Предлагаемый мемристор (см. фиг. 1) содержит первый электрод, выполненный в виде слоя 1 нитрида титана (TiN) толщиной 20 нм, напыленного на адгезионном слое титана (на фиг. 1 не показан) толщиной 20 нм, осажденном на окисленной пластине кремния (на фиг. 1 не показана), наноразмерную активную среду, выполненную в виде напыленного на первый электрод слоя 2 оксида тантала (TaO) толщиной 10 нм и напыленного на слой 2 слоя 3 диоксида циркония (ZrO), стабилизированного иттрием, толщиной 10 нм, со сформированными при осаждении оксида тантала промежуточным интерфейсным слоем 4 диоксида титана (TiO) толщиной 4 нм на поверхности первого электрода и наноконцентраторами электрического поля в виде нанокристаллических включений 5 тантала размерами до 3 нм, образованных в участках промежуточного интерфейсного слоя 4 диоксида титана (TiO) и осаждаемого слоя 2 оксида тантала (TaO), прилежащих к поверхностной границе их раздела, и второй электрод, выполненный в виде напыленного на указанный слой 3 диоксида циркония, стабилизированного иттрием, промежуточного слоя 6 тантала толщиной 8 нм, на который напылен верхний слой 7 золота толщиной 20 нм, со сформированным при осаждении указанного тантала промежуточного интерфейсного слоя 8 диоксида тантала (TaO) толщиной 4 нм на поверхности указанного слоя 3 диоксида циркония при использовании ВЧ-магнетронного распыления при температуре 300°С при напылениях указанных оксидов и нитрида и магнетронного распыления на постоянном токе при температуре 200°С при напылениях остальных указанных слоев.
Предлагаемый мемристор работает следующим образом.
2
2
5
В ходе электроформовки при отрицательном смещении за счет электрополевой миграции ионов (вакансий) кислорода происходит формирование проводящего канала (филамента), показанного сплошной кривой линией А на фиг. 1 и распространяющегося от второго электрода 8 и подслоя с избытком кислородных вакансий через межзеренную границу в слое 3 диоксида циркония (ZrO), стабилизированного иттрием, к слою 2 оксида тантала (TaO) в области, прилегающей к ближайшему нанокристаллическому включению тантала 5, служащему концентратором электрического поля.
Состав слоев (см. 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 6 тантала являются аморфными в исходном состоянии, а слой 3 оксида циркония, стабилизированного иттрием (Y), характеризуется колончатой поликристаллической структурой с высокой плотностью межзеренных (межколончатых) границ, схематически показанных в виде пунктирной кривой линии Б на фиг. 1.
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 4 диоксида титана и в прилежащих к поверхностной границе раздела участках промежуточного интерфейсного слоя 4 диоксида титана (TiO) и осаждаемого слоя 2 оксида тантала (TaO) формирование нанокристаллических включений 5 тантала. Переходный слой 2 из окисленного тантала формировался на интерфейсном слое 4 диоксида титана, расположенном между слоем 3 оксида циркония, стабилизированного иттрием, и вторым электродом (слой 6 тантала), создавая избыток кислородных вакансий в указанном слое 3 оксида циркония.
После электроформовки при отрицательном смещении полученная мемристорная структура демонстрирует биполярное резистивное переключение (фиг.2), для которого характерно нелинейное высокоомное состояние (СВС) и два вида низкоомных состояний (СНС - линейное и нелинейное). После нескольких сотен циклов стабилизируется переключение между указанными нелинейными состояниями, которые характеризуются низким разбросом значений сопротивления (фиг. 3).
х
2
5
х
2
5
2
5
Полученный результат интерпретируется на основе следующего механизма формирования филаментов с центральной проводящей частью в слое 3 оксида циркония, стабилизированного иттрием, и воспроизводимых структурных превращений в слое 2 оксида тантала между более проводящей рутилоподобной фазой ТаО, сформировавшейся в процессе электроформовки, и диэлектрической фазой ТаО. В этом случае линейное СНС соответствует формированию металлического филамента в оксидных слоях после электроформовки, а нелинейное СНС и нелинейное СВС - различным структурным состояниям слоя 2 оксида тантала. Структурное превращение ТаО→ТаО становится возможными при джоулевом нагреве локальной области вблизи филамента в проводящем состоянии до температур более 800°С при одновременном насыщении пленки оксида тантала кислородом из прилежащих слоев до концентрации более 4 ат. % [S.P. Garg, N. Krishnamurthy, A. Awasthi, and М. Venkataram, "The О-Та (Oxygen-Tantalum) System," J. Phase Equilibria: Phase Diagram Eval. Sec. II, 17 [1] 63-77 (1996)]. Джоулев разогрев в области филамента и возможные направления кислородного обмена в пленке ТаО схематически отображены на фиг.1.
2
Таким образом, 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 5 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 первым электродом (слой 1 нитрида титана), а также интерфейсным слоем 8 диоксида тантала со вторым электродом (слой 6 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».