научная статья по теме ЯЧЕЙКА ЭНЕРГОНЕЗАВИСИМОЙ ПАМЯТИ НА ЭФФЕКТЕ РЕЗИСТИВНОГО ПЕРЕКЛЮЧЕНИЯ В ОКСИДНЫХ ПЛЕНКАХ HFXAL1 - XOY Электроника. Радиотехника

Текст научной статьи на тему «ЯЧЕЙКА ЭНЕРГОНЕЗАВИСИМОЙ ПАМЯТИ НА ЭФФЕКТЕ РЕЗИСТИВНОГО ПЕРЕКЛЮЧЕНИЯ В ОКСИДНЫХ ПЛЕНКАХ HFXAL1 - XOY»

МИКРОЭЛЕКТРОНИКА, 2014, том 43, № 4, с. 243-249

ПРИБОРЫ МИКРО- ^^^^^^^^^^^^^^ И НАНОЭЛЕКТРОНИКИ

УДК 537.312.7

ЯЧЕЙКА ЭНЕРГОНЕЗАВИСИМОЙ ПАМЯТИ НА ЭФФЕКТЕ РЕЗИСТИВНОГО ПЕРЕКЛЮЧЕНИЯ В ОКСИДНЫХ ПЛЕНКАХ ЩяАЦ _ ,0,,

© 2014 г. О. М. Орлов1, 2, А. А. Чуприк1, А. С. Батурин1, Е. С. Горнев1, 2, К. В. Булах1, К. В. Егоров1, А. А. Кузин1, Д. В. Негров1, С. А. Зайцев1, А. М. Маркеев1, Ю. Ю. Лебединский1,3, А. В. Заблоцкий1

1 Московский физико-технический институт (государственный университет) 2Научно-исследовательский институт молекулярной электроники 3 Научно-исследовательский ядерный университет "МИФИ" oorlov@mikron.ru, zalexx@gmail.com Поступила в редакцию 11.02.2014 г.

Разработан прототип ячеек энергонезависимой памяти на эффекте резистивного переключения в оксидных пленках Н^^А^ _ хОу с переменным (по глубине) содержанием А1, выращенных методом атом-но-слоевого осаждения. Данный прототип моделирует размещение ячеек памяти между слоями металлизации интегральных схем. В части повышения скорости перезаписи и снижения напряжения перезаписи полученные результаты существенно превосходят параметры традиционной флэш-памяти.

Б01: 10.7868/80544126914040085

ВВЕДЕНИЕ

В настоящее время среди энергонезависимых устройств памяти доминирует так называемая технология флэш на основе кремния (EEPROM— Electrically Erasable Programmable Read-Only Memory), поскольку позволяет все более повышать плотность записи информации и снижать стоимость. Функциональным элементом такого типа памяти является полевой МОП-транзистор [1, 2] с дополнительным изолированным "плавающим" затвором, заряд на котором управляет проводимостью канала транзистора [3]. Однако данная технология обладает и рядом недостатков [4], в частности, высокое время (низкая скорость) записи-перезаписи 100 нс—1 мкс; высокое напряжение записи—перезаписи 10—15 В; ограниченное число циклов записи 104—105 раз; большая площадь ячейки памяти 4—10 F2, где F — характерный размер, составляющий в настоящее время 65—90 нм для типа флэш-памяти NOR Embedded и 19—22 нм для NAND Stand Alone; сложность трехмерной интеграции. Ожидается, что в недалеком будущем (~5 лет) возможность дальнейшего увеличения плотности упаковки элементов в технологии флэш будет исчерпана из-за физических ограничений (при характерном размере 16 нм и меньше), в частности, в силу ограничения возможности хранения заряда плавающего затвора величиной несколько элементарных зарядов.

Для поиска альтернативных решений энергонезависимой памяти рассматриваются новые революционные подходы, связанные с использованием новых физических принципов и новых материалов [5]. Основными конкурентами, претендующими

на роль новой энергонезависимой памяти, являются магниторезистивная память (MRAM) [6], включая память на эффекте момента вращения спина (STT—MRAM) [7], сегнетоэлектрическая память (FeRAM) [8], память на основе изменения фазового состояния вещества (PCM) [8], ре-зистивная память (ReRAM) [9].

Наиболее перспективным кандидатом в качестве энергонезависимой памяти следующего поколения является резистивная память с произвольным доступом (Resistive Random Access Memory — ReRAM) [4]. В основе функционирования ReRAM лежит эффект резистивного переключения — обратимого изменения электрического сопротивления элемента ячейки памяти под действием импульса электрического поля [10]. Элемент ReRAM обычно представляет собой структуру металл-диэлектрик-металл (МДМ), при этом МДМ-структура может находиться в высокоомном (состояние OFF, ROFF) или низко-омном (состояние ON, RON) состоянии. На сегодняшний день рассматриваются два основных механизма, объясняющих резистивное переключение: электродиффузия атомов металла электродов с образованием проводящих металлических мостиков в так называемых ячейках с программируемой металлизацией на основе твердых электролитов; образование и дрейф вакансий кислорода в структурах с диэлектриком на основе оксидов переходных металлов.

Поскольку, в отличие от флэш-памяти, ячейка ReRAM имеет простую структуру, уже продемонстрировано достижение минимального размера топологических элементов вплоть до 9 нм [11], а про-

гноз уровня миниатюризации составляет 5 нм [4]. Другими стимулами для разработки ReRAM технологии являются низкая стоимость на бит, малое напряжение при записи-перезаписи (1—1.6 В) и, соответственно, малое энергопотребление — менее 1 пДж [11] на акт записи-перезаписи, высокая скорость записи-перезаписи (менее 10 нс [12]), большая продолжительность использования (число циклов записи-перезаписи до 1012 [13]), длительное время хранения информации (более 10 лет), а также возможность трехмерной интеграции, в частности, возможность размещения ячеек памяти между слоями металлизации. Таким образом, целью настоящей работы является разработка прототипа ячеек энергонезависимой памяти ReRAM, моделирующего размещение ячеек памяти между слоями металлизации интегральных схем.

2. ИЗГОТОВЛЕНИЕ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ОБРАЗЦОВ

2.1. Выбор функциональных материалов

Резистивный эффект в МДМ-структуре с не-стехиометрическим оксидным слоем в качества диэлектрика обусловлен процессами восстановления/окисления оксида, используемого в качестве диэлектрика в элементе ReRAM (reduction/oxidation — redox ReRAM). Реакции восстановления/окисления оксида соответствует дрейф ионов и, соответственно, вакансий кислорода по глубине оксидного слоя. Перенос заряда от одного металлического электрода к другому осуществляется через положительно заряженные вакансии кислорода, которые являются ловушками для электронов [14], поэтому для достижения стабильного эффекта резистивного переключения необходимо контролировать концентрацию вакансий кислорода в оксидном слое.

Зачастую в качестве материала функционального диэлектрического слоя резистивных МДМ-структур используются оксиды переходных металлов, например, NiOx [15], TiOx [16], CuOx [17], HfOx [18], SiO%[19] , Zr0%[20, 21]. Легирование оксида металла со степенью окисления +4 ионами металла со степенью окисления +3 позволяет управлять концентрацией вакансий кислорода на этапе изготовления ReRAM ячейки. Например, в работе [22] на основе расчетов из первых принципов показано, что при легировании ZrO2 примесью Al+3 энергия образования вакансий кислорода снижается примерно в 1.7 раза. В силу близости структурных и электронных свойств оксидов циркония и гафния подобный способ управления концентрацией вакансий кислорода возможен и в оксиде гафния HfOx [23]. При этом оксид гафния является уже устоявшимся материалом в современном производстве микроэлектроники, в частности используется в современной технологии в качестве подзатворного диэлектрика [2, 4].

Дополнительным способом пространственного ограничения области, где происходит зарождение и перемещение вакансий кислорода, является изменение концентрации примеси А1 по глубине слоя НЮХ в процессе атомно-слоевого осаждения слоя диэлектрика, что позволяет эффективно управлять электрофизическими характеристиками МДМ-структуры. Изготовление одного из электродов МДМ-структуры из активного по отношению к кислороду материала, способного обратимым образом поглощать и высвобождать ионы кислорода, например, из нитрида титана ИМ [24], позволяет получить дополнительный источник вакансий кислорода. При этом в качестве второго электрода можно использовать электрод из инертного по отношению к кислороду материала, например Р1, обеспечивающего стабильную инертную границу с диэлектриком.

Таким образом, сочетание легирования А1 оксидного слоя НЮХ с переменной концентрацией легирующей примеси и использования электрода из активного по отношению к кислороду материала ИМ с одной стороны и инертного электрода Р1 с другой стороны позволяет эффективно контролировать концентрацию вакансий кислорода в оксидном слое и получать стабильный эффект ре-зистивного переключения.

2.2. Общая структура

Схема поперечного сечения прототипа ячейки энергонезависимой памяти с резистивным механизмом переключения ЯеИАМ приведена на рис. 1. Функциональная МДМ-структура Р/НШО/ПМ располагалась на слое изолятора из термического 8Ю2 в окружении диэлектрика БШ,,., осажденного методом РЕСУО. Кремниевая подложка в такой конструкции используется только для механической жесткости. Таким образом, показана принципиальная возможность размещения ячеек памяти между слоями металлизации интегральных схем.

Нижний электрод МДМ-структуры из Р1 и контактные площадки из Аи формировались методом электронно-лучевого напыления; верхний электрод из ИМ — методом реактивного магне-тронного распыления. Формирование отверстий в слое диэлектрика для размещения запоминающих ячеек проводилось методом плазмохимиче-ского травления через маску из резиста РММА А4 полученную с помощью электронной литографии. Латеральные размеры ячеек составляли от 80 до 450 нм. Слой функционального диэлектрика НГХА11- хОу с переменным (по глубине) содержанием А1 был выращен методом атомно-слоевого осаждения в реакторе 8ипа1е Я-150 Р1со8ип ОУ с горячими стенками при пониженном давлении (5 мбар) и температуре подложек 240°С. Для продувки камеры и в качестве газа носителя использовался азот особой чистоты (99.999%). С целью по-

Pt

Pt

ALD

SiO2

SiO2

Si

Si

Рис. 1. Поперечное сечение прототипа ячеек ReRAM со схематичным расположением слоев: кремний; оксид кремния (SÍO2) 200—300 нм; нижний электрод из платины (Pt) 100—150 нм; PECVD нитрид кремний (SiNx) 100—150 нм; функциональная АСО пленка HfAlO (ALD) 6 нм; верхний электрод из нитрида титана (TiN) 100—150 нм; контактные площадки из золота для бондинга (Au) 100—200 нм.

лучения переменной концентрации Al по глубине пленки, атомно-слоевое осаждение состояло из шести реакционных серий суперциклов с различным отношением числа n циклов Al(CH3)3—H2O и числа m циклов Hf[N(CH3)(C2H5)]4-H2O. При этом, благодаря высокой чистоте использованных прекурсоров, поверхность диэлектрического слоя предположительно формировалась исходя из принципа минимума поверхностной энергии [25].

3. МЕТОДИКИ ИССЛЕДОВАНИЙ

Перед напылением верхних электродов химический состав пленок HfxAl1- xOy исследовался методом ex situ рентге

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.

Показать целиком