НАНОЭЛЕКТРОННЫЕ ПРИБОРЫ
УДК 621.382
ЭФФЕКТ РЕЗИСТИВНОГО ПЕРЕКЛЮЧЕНИЯ В СТРУКТУРАХ TiN/Hf,Al1- JCO_y/HfO2/TiN И TiN/HfO2/Ti/TiN
© 2014 г. О. М. Орлов1, 2, Е. С. Горнев1, 2, А. В. Шадрин2, С. А. Зайцев2, С. А. Морозов2, А. В. Заблоцкий2
1ОАО "Научно-исследовательский институт молекулярной электроники" 2Московский физико-технический институт E-mail: oorlov@mikron.ru Поступила в редакцию 28.03.2014 г.
Изготовлены мемристорные структуры вида металл—оксид—металл с двухслойным оксидом, включающим слой стехиометрического оксида гафния и нестехиометрического оксида гафния, допиро-ванного алюминием, а также структуры вида металл—оксид—вытягивающий слой—металл, включающие слой оксида гафния и слой титана. Слои оксидов нанесены методом атомно-слоевого осаждения. Определены параметры эффекта резистивного переключения полученных структур.
БО1: 10.7868/$054412691405007Х
ВВЕДЕНИЕ
Большое внимание в последние годы уделяется разработке новых видов энергонезависимой памяти, которые бы позволили обеспечить меньшее, чем в флэш-технологии энергопотребление при повышенной скорости работы и в условиях дальнейшего увеличения плотности элементов на единицу поверхности чипа при, соответственно, уменьшении характерных размеров элемента памяти [1]. С этой точки зрения интерес представляют следующие подходы: сегнетоэлектрическая память (FeRAM) [1, 2], память на эффекте момента вращения спина (STT-MRAM) [1, 3], память на основе изменения фазового состояния вещества (PCRAM) [1], резистивная память с произвольным доступом (Resistive Random Access Memory — ReRAM) [1, 4]. Последняя основана на эффекте резистивного переключения, характеризующегося обратимым изменением электрического сопротивления функционального элемента структуры в зависимости от воздействующего на него электрического поля. Рассматриваемый в данной работе элемент ReRAM представляет собой структуру металл-оксид-металл (МОМ).
В качестве основных преимуществ резистив-ной памяти можно выделить[4]:
— относительная простота конструкции, из чего следует простота масштабирования, дешевизна изготовления и хороший потенциал с точки зрения 3-D компоновки структур памяти;
— большое число циклов перезаписи (~109) и высокая надежность ReRAM;
— малые токи записи-удаления, чтения информации ~1 мкА;
— высокое быстродействие.
Перечисленные преимущества, в соответствии с Международной технологической дорожной картой развития полупроводниковой индустрии [5], делают ReRAM одним из самых вероятных кандидатов на звание лидера в глобальной гонке технологий энергонезависимой памяти [1], призванной заменить собой NAND флеш-память, которая является наиболее востребованной в настоящее время.
По современным представлениям эффект ре-зистивного переключения обуславливается формированием в оксидном слое проводящих каналов различной природы [4]. Так, для оксида гафния — одного из широко применяемых в качестве подзатворного high-k диэлектрика материалов, предполагается [4, 6], что эффект резистивного переключения связан с образованием проводящего канала из кислородных вакансий, при этом форма канала, его пространственная локализация и динамика формирования определяются дизайном ячейки и параметрами импульсов напряжения переключения и считывания. Таким образом, структура ячейки должна обеспечивать, с одной стороны, возможность стабильно повторяемого, контролируемого формирования и диссоциации проводящего канала, а с другой стороны — сохранение полученного в результате воздействия на структуру проводящего состояния в течение возможно большего времени. Поэтому в качестве электродов зачастую используется нитрид титана, применяемый в КМОП-технологии [7] в качестве барьерного слоя, характеризующийся технологичностью, химической инертностью и высокой работой выхода, способствующей управляемой генерации кислородных вакансий [8]. Для управляемого формирования проводящих вакансий в
2
337
320 нм
ТШ
8ЮГ
А1
810х
А1
ТШ
А1
Т1/ТШ, ТШ Ы102 (Ы1А10)
81
Рис. 1. Схематическое сечение экспериментальных образцов функциональных структур мемристорных ячеек.
слое диэлектрика возможно использование двух различных подходов: градиентное допирование диэлектрика примесями, приводящими к образованию кислородных вакансий, либо использование так называемого вытягивающего слоя, расположенного на границе электрод-диэлектрик и состоящего из материала, легко поглощающего кислород, что приводит к локальному образованию кислородных вакансий. В данной работе в качестве допирующей примеси к ЫЮ2 использовался алюминий, а в качестве материала для вытягивающего слоя выступал титан, обладающий высокой способностью поглощать кислород, хорошими проводимостью, адгезионными качествами и технологичностью.
В развитии предыдущих работ авторов [6, 9], основанных на использовании платины в качестве одного из электродов, целью описываемых экспериментов было изготовление и характери-зация прототипа мемристорной ячейки, создаваемой только с использованием широко освоенных современной полупроводниковой промышленностью материалов.
ИЗГОТОВЛЕНИЕ ОБРАЗЦОВ
Создаваемые прототипы мемристорной ячейки энергонезависимой памяти представляют собой структуры вида металл—оксид—металл (рис. 1): а) с металлическими электродам из нитрида титана, ограничивающими пленку двухслойного диэлектрика ЫЮ2 с допированным и недопированным слоями, б) с металлическими электродам из нитрида титана, ограничивающими пленку из оксида гафния с нанесенной на нее пленкой титана.
Для формирования структур с допированным диэлектриком в качестве примеси для допирования ЫЮ2 использовался алюминий [6, 9]. При этом структуры имели вид Т№/Ы1хА11-х0у/ЫЮ2/Т№, в которых концентрация атомов алюминия линейно менялась по толщине допированного слоя диэлектрика. Выбор данного дизайна мемристорной ячейки был обусловлен стремлением улучшить воспроизводимость и стабильность параметров переключения мемристорной ячейки [10, 11] (значения напряжений переключения и сопротивлений в устойчивых состояниях). Ожидалось [12], что использование в структуре мемристор-ной ячейки дополнительного тонкого слоя диэлектрика (буферного слоя) позволит ограничить длину образующегося при переключении проводящего канала слоем оксида гафния и позволит улучшить стабильность параметров переключения, таких как разброс значений ЛoFF/^oN и величина напряжения переключения. Так как допирование алюминием способствует образованию в матрице Ы102 кислородных вакансий, что повышает проводимость допированного слоя, то образование проводящего канала лимитируется пробоем недопированного слоя Ы102. Электроды из ТШ формировались методом реактивного магне-тронного распыления, при этом верхний электрод осаждался через теневую маску, так что латеральные размеры контактов составляли 300 мкм в диаметре. Слой функционального диэлектрика Ы1СА11- х0у с переменным (по глубине) содержанием А1 был выращен методом атомно-слоевого осаждения в установке с горячими стенками при пониженном давлении (5 мбар). В качестве газа носителя и для продувки камеры используется азот особой чистоты (99.999%).
Таблица 1. Отношение ^OFF/^ON для структур HN/Hf^Alj _ xOy (6 HM)/HfO2(4 hm)/TiN
Цикл переключения Напряжение считывания
0.1 В 0.2 В 0.5 В
1 126 10 59
10 197 170 106
20 47 41 28
30 81 72 45
40 80 69 40
Рост нестехиометрического оксида гафния, легированного алюминием HfxAl1 — xOy, происходит путем повторения реакционных серий из n циклов Hf[N(CH3)(C2H5)]4—H2O и т-циклов Al(CH3)3—H2O. При этом производилась предварительная откачка рабочей камеры до давления
1.5 мБар, нагрев источника Hf[N(CH3)(C2H5)]4 до температуры 100°C, нагрев реакционной камеры до 240°C, температура источника H2O 22°C, температура источника Al(CH3)3 22°C, расход газа-носителя в линии Hf[N(CH3)(C2H5)]4 50 sccm, расход газа-носителя в линии H2O 100 sccm, расход газа-носителя в линии Al(CH3)3 100 sccm. Время напуска Hf[N(CH3)(C2H5)]4, Al(CH3)3 и H2O составляло
1.6 с, 0.1 с и 0.1 с соответственно. Время продувки камеры азотом после каждого напуска 6 сек. Расход азота в реакционной камере 300 sccm.
Для формирования структур с вытягивающим слоем вида TiN/HfO2(6 нм)/Т1(10 нм)/ТЫ и TiN/HfO2(6 нм)/ТЫ слой оксида гафния выращивался так же методом АСО. При этом рецепт осаждения диэлектрика был изменен по сравнению с осаждением допированного диэлектрика путем исключения реакционных серий циклов Al(CH3)3-H2O.
МЕТОДИКА ИЗМЕРЕНИЙ
В качестве основного измерительного оборудования для построения квазистатических вольт-амперных характеристик (ВАХ) использовался харак-териограф Agilent B1500A, включающий высокоскоростной источник-измеритель Agilent B1530A, устройство для измерения квазистатических вольт-амперных характеристик Agilent B1517A, импульсный генератор Agilent B1525A. При электрических измерениях напряжение было приложено к верхнему TiN электроду, при этом нижний электрод был заземлен. Тесты на деградацию функциональных свойств проводились в импульсном режиме. Длительность импульсов составляла 1 мкс, амплитуда импульсов была равной FSET = 1.7 В и KRESET = —2 В для акта включения и выключения соответственно. Считывание текущего значения тока осу-
ществлялось при различных напряжения считывания Кгеай = -0.1 В, Кгеай = -0.2 В, Кгеай = -0.5 В.
При определении времени сохранения информации в мемристорной ячейке предполагалось, что время удержания ячейкой мемристорной памяти низкоомного состояния (канала проводимости) меньше, чем высокоомного [13], а значит для оценки длительности хранения информации достаточно знать временя сохранения низкоом-ного состояния. При этом потеря проводимости канала обуславливается двумя механизмами: рекомбинацией кислородных ловушек с подвижными ионами кислорода и самораспад проводящего канала, связанный с миграцией кислородных вакансий. Для структуры Т1М/НГХА11-ХО>/НЮ2/'Т1К возможны следующие источники образования кислородных вакансий: (1) изначально присутствующие в оксидном слое вакансии за счет нестехиометрического состава НГхаА11-хОу с переменным содержанием А1 по глубине; (2) пограничный слой, образованный за счет окисления нижнего электрода
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.