Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего профессионального образования

«Московский физико-технический институт (государственный университет)»

Мемристор. Изготовление структуры и

исследование ее свойств.

Лабораторный практикум для 5 курса ФФКЭ МФТИ

Долгопрудный - 2013

1

ОГЛАВЛЕНИЕ

1. Введение ........................................................................3 2. Физические принципы работы мемристора на осно-

ве оксидов металлов ......................................................5 2.1. Применение оксидов металлов в качестве

функциональной среды резистивного переклю-чения для создания мемристоров .........................5

2.2. Зависимость сопротивления мемристора от площади структуры................................................7

2.3. Эффект резистивного переключения в много-компонентных оксидах переходных металлов....10

3. Изготовление мемристора 13 3.1. Мемристор в гибридных аналогово-цифровых

схемах ......................................................................13 3.2. Модель мемристора ............................................15

4. Задание ...........................................................................20 Список литературы .......................................................26

2

ЦЕЛЬ РАБОТЫ Данный лабораторный практикум направлен на ознакомле-

ние студентов 5 курса ФФКЭ МФТИ с новейшими методами соз-дания и исследования устройств современной микроэлектроники, а именно, мемристоров на основе оксидов металлов.

Практикум рассчитан на два занятия длительностью 3 ча-са.

Теоретическая часть работы посвящена обсуждению фи-зических принципов мемристора на основе оксидов металлов, в частности, современных моделей изменения проводимости окси-дов металлов – функциональной среды мемристора – под дейст-вием электрического поля.

Экспериментальная часть работы заключается в изготов-лении мемристорной МДМ-структуры Pt/HfxAl1-xOy/TiN в соот-ветствии процедурой, общепринятой в современной практике. Изготовление мемристора включает в себя процессы подготовки подложки, напыления металлических слоев и атомно-слоевого осаждения тонкого диэлектрического слоя. Исследование элек-трофизических характеристик мемристора включает в себя изме-рение вольт-амперной характеристики полного цикла резистивно-го переключения мемристора и вольт-амперной характеристики с набором сопротивлений.

При подготовке данного пособия использованы ориги-нальные научные работ, часть которых приведены в списке лите-ратуры.

3

1. ВВЕДЕНИЕ Развитие микро- и наноэлектроники во многом обуслов-

лено динамичным ростом современных информационных техно-логий, которые требуют разработки все более емких и быстродей-ствующих устройств для записи и хранения информации с возможностью перезаписи и энергонезависимости.

Новые перспективы в создании компьютерных систем от-крывает использование аналоговой архитектуры искусственных нейронных сетей, позволяющих оптимизировать принцип обра-ботки команд по сравнению с цифровым принципом, повсеместно используемым в классическом компьютере фон Неймана.

Основу предлагаемых нейроморфических систем состав-ляют мемристоры – двухполюсные устройства, электрическое сопротивление которых изменяется от протекшего через него за-ряда. Электрические характеристики мемристора определяются предысторией его функционирования, что похоже на свойства синапса биологических нейронных систем. Ключевые факторы эффективности подобных систем – высокая связность нейронов, что позволяет в значительной мере распараллелить выполнение операций, и адаптируемость весов синапсов, которая лежит в ос-нове функционирования и обучаемости биологических и искусст-венных нейронных систем. В конечном итоге, применение мем-ристоров в качестве синапсов нейроморфических систем обещает повысить вычислительную эффективность подобных систем бла-годаря увеличению плотности логических элементов и связности системы.

Впервые эффект мемристивности был экспериментально продемонстрирован в 2008 г. для системы металл-диэлектрик-металл Pt-TiO2-TinO2n-1-Pt [1]. Показано, что мемристивный эф-фект возникает в наноразмерных структурах металл-диэлектрик-металл за счет перемещения зарядов в сверхтонком диэлектриче-ском слое при приложении электрического поля, например, при движении вакансий кислорода в слое диоксида титана.

В последние годы был предложен ряд альтернативных ма-териалов для использования в качестве активного слоя мемристо-

4

ра. Эффект мемристивности был продемонстрирован в системе нанопора-ионный раствор, в устройствах на основе токопроводя-щих полимеров и протеиновых молекул, ансамблей наночастиц, в частности, наночастиц монокристаллического магнетита (Fe3O4). Однако мемристоры на основе подобных материалов формируют-ся методами, нехарактерными для современной кремниевой тех-нологии создания интегральных схем. Соответственно, использо-вание данных материалов в качестве активного слоя мемристора существенно затрудняет интеграцию мемристоров в современную производство.

Поэтому в качестве основы мемристорных электронных устройств чаще всего используют структуры металл-диэлектрик-металл, легко интегрируемые в кремниевую технологию. Как и в первом мемристоре, в качестве диэлектрического слоя часто при-меняется оксид титана TiO2-TinO2n-1 толщиной 5-40 нм, а также другие оксиды металлов: ZrO2-ZrO2-x, HfO2-HfO2-x, TiaZrbHfcO2-(TidZreHff)nO2n-1, VO2-VnO2n-1, VaNbbTacO2-(VdNbeTaf)nO2n-1, Nb2O5-NbO2, Ta2O5-TaO2, MoO3-MonO3n-1, WO3-WnO3n-1, CraMobWcO3-(CrdMoeWf)nO3n-1, Fe2O3-Fe3O4, Ni2O3-Ni3O4, Co2O3-Co3O4.

Одним из подходов улучшения функциональных свойств мемристоров на основе оксидов переходных металлов (TiO2, HfO2, ZrO2) является легирование оксидов трехвалентной примесью, например, Al. Известны теоретические работы, в которых показа-но, что добавление Al в ZrO2 приводит к уменьшению энергии образования кислородных вакансий, движение которых в элек-трическом поле дает в конечном итоге мемристивный эффект структуры, в ~1.7 раз [2]. Существуют экспериментальные иссле-дования, показавшие улучшение мемристивных характеристик структур на основе трехкомпонентных оксидов металлов HfAlOx и TiAlOx по сравнению с классическими системами TiO2-TinO2n-1, HfO2-HfO2-x.

Таким образом, в данной работе будет создан и исследован мемристор на основе одного из наиболее современных материа-лов в этой области ― трехкомпонентного оксида HfAlOx.

5

2. ФИЗИЧЕСКИЕ ПРИНЦИПЫ МЕМРИСТОРА НА ОСНОВЕ ОКСИДОВ МЕТАЛЛОВ

Обратимый эффект изменения проводимости мемристора называют эффектом резистивного переключения [3-6]. В качестве мемристоров и других структур с эффектом резистивного пере-ключения чаще всего используют структуры металл-диэлектрик-металл (МДМ). Эффект резистивного переключения МДМ-структуры заключается в изменении проводимости диэлектрика на величины до нескольких порядков под действием электриче-ского поля, созданного в диэлектрике (рис. 2b).

Существует несколько общепринятых механизмов рези-стивного переключения и, соответственно, типов мемристров. Данная работа посвящена самому распространенному типу мем-ристора, резистивный эффект в котором обусловлен реакцией восстановления/окисления (reduction/oxidation) оксида, исполь-зуемого в качестве диэлектрика МДМ-структуры мемристора. Реакции восстановления/окисления оксида сопутствует дрейф ионов кислорода и, соответственно, вакансий кислорода по глу-бине слоя оксида. Вакансии кислорода являются ловушками для электронов, по которым происходит перенос заряда от одного ме-таллического электрода к другому [7]. В зависимости от концен-трации вакансий кислорода и их распределения в оксиде МДМ-структура может находиться в высокоомном (high resistance state – HRS) или низкоомном состоянии (low resistance state – LRS). Для достижения стабильного эффекта резистивного переключе-ния необходимо уметь контролировать концентрацию вакансий кислорода в оксидном слое.

2.1 Применение оксидов металлов в качестве функ-

циональной среды резистивного переключения для создания мемристоров

К настоящему моменту на таких оксидах переходных ме-таллов как HfO2, ZrO2, TiO2, Ta2O5, NiO продемонстрирован эф-фект обратимого резистивного переключения, заключающийся в

6

изменении проводимости диэлектрика на величины до несколь-ких порядков при приложении напряжения определенной ампли-туды (однополярное переключение), а в некоторых случаях при определенной амплитуде, но при условии изменении полярности напряжения (биполярное переключение) (рисунок 1)

Рисунок 1 – (a) Схема структуры ячейки памяти металл-изолятор-металл и вольт-амперные характеристики: (b) униполярная и (c) бипо-

лярнаяОшибка! Источник ссылки не найден.. Так, на рисунке 2 схематично представлен процесс окис-

ления–восстановления (oxidation-reduction) в МДМ-структуре Pt/TiO2/Pt. Во время первоначального приложения напряжения, в процессе так называемой «формовки», диэлектрик разделяется на два слоя, определяемых генерацией O2- анионов и кислородных вакансий Vo++. Положительно заряженные кислородные вакансии Vo++ дрейфуют к отрицательно заряженному электроду, восста-навливая слой TiO2 до TiO2-х, уменьшая его сопротивление. Гра-ница между изолирующим слоем TiO2 и проводящим слоем TiO2-х (виртуальный катод) движется влево, пока не достигнет левого, положительно заряженного электрода, существенно уменьшив при этом сопротивление МИМ-структуры. В литературе этот процесс обозначают как SET (включение). Таким образом, при данной полярности приложенного напряжения МДМ-структура находится в состоянии с низким сопротивлением (LRS — low re-sistance state).

7

Рисунок 2 – Иллюстрация процесса окисления/восстановления в TiO2, который приводит к резким изменениям проводимости МДМ-

структуры [1]. Приложение напряжения обратной полярности будет приво-

дить к обратной ситуации, то есть структура будет переходить в состояние с высоким сопротивлением (HRS — high resistance state). Этот процесс называют RESET (выключение). Также могут существовать состояния с промежуточным значением сопротив-ления (IRS — intermediate resistance state). Такой тип переключе-ния называется биполярным, то есть для переключения необхо-димо изменение полярности прикладываемого напряжения. Описанный выше процесс резистивного переключения в оксидах переходных металлов получил название механизма изменения валентности или механизма окисления-восстановления.

2.2 Зависимость сопротивления мемристора от площа-

ди структуры Уже достаточно давно известно, что существуют мемри-

сторы, у которых сопротивление зависит от площади металличе-ских электродов мемристорной структуры.

В ряде работ [6] по резистивному переключению для раз-личных оксидов переходных металлов была исследована зависи-мость сопротивлений МИМ-структур в состоянии «ON» (RLRS) и в

насыщенный кислородом ("окисленный") оксид

обедненный кислородом (восстановленный) оксид

8

состоянии «OFF» (RHRS) от площади электродов. На рисунке 3 такие зависимости приведены для структур на основе SrTiO3, ле-гированного Nb (Nb:STO) и NiO. Из рисунка 3 видно, что сопро-тивления RLRS и RHRS для структуры на основе Nb:STO обратно пропорциональны площади структуры, в то время как RLRS и RHRS для ячейки на основе NiO практически не зависят от площади структуры. Эти результаты показывают, что резистивное пере-ключение в Nb: SrTiO3 происходит по всей площади структуры, в то время как в NiO ячейке переключение происходит локально через образование нитеобразных проводящих каналов [6]. Ло-кальный механизм резистивного переключения в литературе при-нято называть филаментарным (от английского слова filament – нить).

Рисунок 3 – Зависимость сопротивлений в состояниях LRS и HRS от площади электродов для ячеек памяти на основе SrTiO3, легированного

Nb (Nb:STO) и NiO [6].

9

Наличие экспериментальных данных, подтверждающих локальность резистивного переключения, стимулировало в науч-ном сообществе в дополнение к механизму изменения валентно-сти материала диэлектрика по всей площади структуры (рисунок 4), разработку модели переключения на основе образования ло-кальных проводящих каналов (филаментов) [4]Ошибка! Источ-ник ссылки не найден.. Так, принимая во внимание важность генерации кислородных вакансий для процессов резистивного переключения, была предложена модель резистивного переклю-чения, объясняющая, в том числе, и возможность получения це-лого набора промежуточных сопротивлений МДМ-структуры в зависимости от прикладываемого к ней напряжения (собственно мемристивный эффект) (рисунок 4).

Рисунок 4 – Филаментарная модель резистивного переключения, учи-тывающая состояния низкого сопротивления (LRS), промежуточных

сопротивлений (IR) и высокого сопротивления (HRS). Черными точками схематично показаны вакансии кислорода [8].

Состояние с самым низким сопротивлением LRS объясня-

ется наличием проводящих филаментов с самой высокой плотно-стью кислородных вакансий. Для реализации процессов переклю-чения структуры в состояния с более высокими сопротивлениями (RESET процессов) важны физические процессы изменения при-граничной структуры филаментов. Также они считают, что RE-SET процессы связаны с процессами анодного обратного окисле-ния области филамента вблизи границы раздела с верхним

10

электродом (Pt). Действительно, приложение нарастающего по-ложительного потенциала к Pt активирует нарастающий дрейф вакансий кислорода от анода вглубь материала. В результате ста-новится возможным получить набор различных сопротивлений (IR1…IR3) благодаря постепенному изменению плотности кисло-родных вакансий, действующих как легирующая примесь в изо-лирующем слое толщиной δ. 2.3 Эффект резистивного переключения в многокомпонент-ных оксидах переходных металлов

Одним из механизмов управления концентрацией вакан-

сий кислорода на этапе изготовления мемристора является леги-рования оксида металла со степенью окисления +4 ионами метал-ла со степенью окисления +3. Известно [2], 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 спо-соб управления концентрацией вакансий кислорода возможен и в оксиде гафния HfO2. Оксид гафния наиболее удобен с точки зре-ния внедрения в производство, так как материал на его основе используется в современной технологии в качестве подзатворного диэлектрика. Дополнительным источником вакансий кислорода может являться один из электродов мемристора, например, элек-трод из нитрида титана TiN, который является эффективным ре-зервуаром кислорода и, соответственно, источником вакансий кислорода. Сочетание двух подходов – легирования оксидного слоя и использование электрода из активного по отношению к кислороду материала – должно стать эффективным средством контролирования концентрации вакансий кислорода в оксидном слое и достижения стабильного эффекта резистивного переклю-чения мемристора.

Для обеспечения долговременной стабильности и надеж-ности мемристора необходимо обеспечить пространственное ог-

11

раничение областей, где происходит зарождение и перемещение вакансий кислорода. Достижение этой цели возможно при изме-нении концентрации примеси Al по глубине оксида. В данной ра-боте будет изготовлен мемристор на тонкой пленки трехкомпо-нентного оксида HfxAl1-xOy с переменным (по глубине) содержанием Al, а также будут исследованы его электрофизиче-ские характеристики.

Вольт-амперная характеристика полного цикла резистив-

ного переключения МДМ-структуры Pt/HfxAl1-xOy/TiN представ-лена на рис. 5a.

12

Рисунок 5 – Вольт-амперная характеристика мемристора Pt/HfxAl1-xOy/TiN: a) полного цикла резистивного переключения с фор-

мовкой, б) с набором сопротивлений.

На прямой ветви ВАХ скачкообразный этап включения соответствует процессу «мягкого» (обратимого) пробоя диэлек-трической пленки HfxAl1-xOy в слое, прилегающему к TiN элек-троду (см. рис. 6). В данном слое содержание Al наибольшее и, соответственно, наименьшая диэлектрическая проницаемость и одновременно наибольшее количество вакансий кислорода, по-этому вероятность «мягкого» пробоя наиболее велика. «Мягкий» пробой приводит к образованию токопроводящего канала, со-стоящего из вакансий кислорода, в соответствующем слое ди-электрика HfxAl1-xOy (см. рис. 6). Плавный этап включения соот-ветствует процессу расширения токопроводящего канала в соответствии с профилем содержания Al в оксидном слое HfxAl1-xOy за счет диффузии кислорода к слою TiN и формирова-нию на границе раздела TiN/HfxAl1-xOy слоя TiON некоторой тол-щины. Это приводит к частичному восстановлению оксида HfxAl1-

xOy, сопровождающемуся генерацией и диффузией вакансий ки-слорода в оксидном слое. При этом структура имеет ряд проме-жуточных сопротивлений (IRS). Минимальное сопротивление мемристора, при котором концентрация вакансий в канале мак-симально, соответствует LRS. (рис. 6).

Положительно заряженные вакансии кислорода, располо-женные в диэлектрическом слое, являются ловушками для элек-тронов, поэтому механизм токопереноса в канале, образованном вакансиями кислорода, связан с туннелированием электронов че-рез ловушки.

13

Рисунок 6 – Схема процессов резистивного переключения в МДМ-

структуре мемристора Pt/HfxAl1-xOy/TiN. В отличие от большинства активных по отношению к ки-

слороду металлов (таких как Ti, Zr) нитрид титана TiN способен обратимым образом поглощать и высвобождать ионы кислороды, поэтому мемристоры с TiN электродом обладают хорошо воспро-изводимым эффектом резистивного переключения. Pt электрод в данном случае обеспечивает инертную границу с диэлектриком.

3. ИЗГОТОВЛЕНИЕ МЕМРИСТОРА 3.1. Мемристор в гибридных аналогово-цифровых схемах

Искусственные нейронные сети, которые в настоящий момент активно разрабатываются, имеют гибридную аналого-цифровую архитектуру (рис. 7а, 7б). В данном случае двухполюс-ные мемристоры коммутационной матрицы, образованные в точ-ках схождения проводов, соединяют пресинаптические и постси-наптические нейроны, построенные на КМОП элементах. Нейроны изготавливают на основе обычных КМОП транзисторов, а роль синапса играет мемристор. Мемристор представляет собой двухполюсное электронное устройство, проводимость которого

14

зависит от протекшего через него суммарного заряда, и обладаю-щее синаптической пластичностью.

Рисунок 7 – Характеристики наномерного мемристора и его

использование в качестве синапса. (a) Концептуальная схема использования мемристора в качестве синапса,

соедфиняющего нейроны. На врезках показаны схема подключения двухполюсных мемристоров и слоистая структура одного устройства.

(b) Нейроморфическая структура с КМОП нейронами и мемристорными синапсами, расположенными на коммутационной матрице.

При современном уровне развития мемристоров функцио-

нальный элемент имеет стандартные латеральные размеры 100 нм х 100 нм и менее (си. рис. 8), если не рассматривать экзотические, далекие от внедрения, варианты на нанотрубках, позволяющие сформировать ячейки экстремально малых размеров (до 1.5 х 1.5 нм). Толщина диэлектрических слоев в таких ФЭ составляет обычно 5-20 нм.

а) б)

15

Рисунок 8 – Изображение матрицы Pt/TaOx/TiO2-x/Pt

в атомно-силовом микроскопе [9].

Изготовление массива мемристоров с латеральным разме-ром порядка 100 нм и электрических контактов к мемристорам, без которых невозможно исследование их электрофизических ха-рактеристик, достигается путем нескольких циклов электронной и фотолитографии и занимает слишком много времени для лабора-торного практикума. Поэтому в ходе данной работы будут изго-товлены мемристоры с латеральным размером ø50-750 мкм, одна-ко толщина функционального диэлектрического слоя будет соответствовать современной мировой практике (6-10 нм).

3.2. Модель мемристора

Образец мемристоров изготавливается на кремниевых подложках и представляет собой МДМ структуру (рис. 9).

Нижний электрод представляет собой металлический Pt слой с подслоем Cr, нанесенный на всю площадь подложки. Тол-щина Pt слоя составляет 50 нм, толщина Cr слоя ― около 10 нм.

Трехкомпонентный оксид металла HfxA1-xOy толщиной 6-10 нм также нанесен на всю площадь подложки.

Верхние электроды состоят металлического TiN слоя толщиной 50 нм и Al слоя толщиной 100 нм. Электроды нанесены

16

через теневую маску с диаметром отверстий ø50-750 мкм и пред-ставляют собой отдельно расположенные контакты.

Рисунок 9 – Схема структуры мемристора

Методы и параметры изготовления слоев мемристоров 1) Изготовление нижнего электрода

Для формирования нижнего электрода в виде металличе-ского Pt слоя с Cr подслоем применяется метод электронного рас-пыления из мишени (установка BOC Edwards).

С целью удаления естественного оксида SiO2 с Si пласти-ны непосредственно перед напылением кремниевые подложки нужно обработать в течение 30 с в 1%-водном растворе плавико-вой кислоты HF. Адгезионный Cr подслой толщиной 10 нм необ-ходим для хорошего сцепления Pt слоя с подложкой. То есть Cr подслой играет вспомогательную роль.

Общая толщина нижнего электрода составляла ~50-60 нм.

2) Изготовление диэлектрического слоя Пленка HfxAl1-xOy выращивается методом атомно-

слоевого осаждения (АСО) в реакторе Sunale R-150 Picosun OY c

17

горячими стенками при пониженном давлении (500 Па) и темпе-ратуре подложек 240oC.

Рост пленок HfxAl1-xOy осуществляется на кремниевые пластины с предварительно выращенной на них пленкой Pt и TiN,. В качестве газа носителя и для продувки камеры использу-ют азот особой чистоты (99.999%). Длительность импульсов по-дачи реагентов Al(CH3)3, Hf[N(CH3)(C2H5)]4 и H2O должна состав-лять 0.1 с, 0.5 с и 0.1 с соответственно. После каждого импульса камера реактора продувается азотом в течение 6 с. Для обеспече-ния необходимого давления насыщенных паров температура Hf[N(CH3)(C2H5)]4 задается равной 100oC. Температура Al(CH3)3 и H2O должна составлять 22oC.

С целью получения переменной концентрации Al по глу-бине пленки атомно-слоевое осаждение осуществляют в течении шести реакционных серий суперциклов с различным отношением числа n циклов Al(CH3)3 – H2O и числа m циклов Hf[N(CH3)(C2H5)]4 – H2O (таблица 1). Число k суперциклов в каж-дой серии подбрано таким образом, чтобы достичь толщины пленки, получаемой за каждую реакционную серию, равно 0.9…1 нм.

Таблица 1 – Рецепт атомно-слоевого осаждения пленки HfxAl1-xOy с переменной концентрацией Al по глубине пленки Нижний электрод Диэлектрический слой HfxAl1-xOy

Верхний электрод

Pt

Серия 1 2 3 4 5 6 n:m 1:9 1:5 1:2 1:1 2:1 4:1 k 1 2 4 5 4 2 x 0.18 0.28 0.50 0.66 0.80 0.88

TiN

18

Выращивание пленки HfxAl1-xOy методом атомно-слоевого осаждения для мемристора рекомендуется осуществить в ходе лабораторной работы "Атомно-слоевое осаждение тонких пле-нок", выполняемой студентами ФФКЭ МФТИ 5го курса. В посо-бии к этой лабораторной работе представлено подробное описа-ние принципов атомно-слоевого осаждения и работы реактора.

3) Изготовление верхнего электрода

Напыление верхних TiN электродов толщиной 50 нм осу-ществляется через теневую маску с диаметром отверстий ø50-750 мкм методом магнетронного распыления (установка BOC Edwards). Для напыления TiN используется реактивное магне-тронное распыление из Ti мишени в атмосфере азота при темпе-ратуре подложки ~30 оС.

Дополнительный слой Al толщиной 100 нм наносят, глав-ным образом, для последующего лучшего контакта иглы зондо-вой станции к верхнему электроду, а кроме того, для лучшей ви-зуализации контактов в оптический микроскоп станции. Дело в том, что структуры, получаемые методом магнетронного распы-ления через теневую маску, имеют размытые края с градиентом пленки по толщине и слабо различаются в микроскоп. Электрон-ное распыление градиента по толщине не дает, и края получаются резкими. Al подслой играет вспомогательную роль.

Между операциями нанесения металлических и диэлек-

трических слоев во избежание загрязнения образцы должны на-ходиться в закрытом контейнере.

Эксперименты по исследованию электрофизических

свойств мемристоров должны осуществляться не ранее, чем через сутки после изготовления образца.

19

Вольт-амперные характеристики измеряются в комнатных с помощью зондовой станции и LCR-метра Agilent E4980A с оп-цией для измерения вольт-амперных характеристик.

20

4. ЗАДАНИЕ

1) Изготовление образца. Ознакомиться с принципами функционирования и устрой-

ством установки напыления BOC Edwards AUTO500 с помощью руководства пользователя и методического пособия к лаборатор-ной работе "Напыление тонких пленок".

Изготовить образец мемристора в соответствии с проце-

дурой, представленной в таблице 2, за исключением пункта 4. Выращивание пленки HfxAl1-xOy методом атомно-слоевого осаж-дения предоставить студентам 5го курса ФФКЭ МФТИ, выпол-няющих лабораторную работу "Атомно-слоевое осаждение тон-ких пленок". Таблица 2 – Процедура изготовления образца мемристора со структу-рой Si/Cr/Pt/HfxAl1-xOy переменный состав (6 нм)/TiN/Al

Этап Операция Описание операции

Используе-мое обору-дование и материалы

1. Удаление естественно-го оксида

Обработка Si подложки в 1%-водном растворе пла-виковой кислоты HF

1%-водный раствор плавиковой кислоты HF. Химическая посуда, ус-тойчивая к HF. Вытяжка.

2.

Нанесение слоя Cr толщиной 10 нм

Электронно-лучевое напы-ление из Cr мишени при температуре подложки ~30 оС.

BOC Edwards AUTO500

21

Вакуум ~10-5 Торр.

3.

Нанесение слоя Pt толщиной 50 нм

Электронно-лучевое напы-ление из Pt мишени при температуре подложки ~30 оС. Вакуум ~10-5 Торр. Смена мишени происходит без развакуумирования ус-тановки и без смещения теневой маски.

BOC Edwards AUTO500

4.

Нанесение слоя HfxAl1-xOy (переменный состав, x = 0.1-0.8) толщиной 6 нм

Атомно-слоевое осаждение при температуре подложки 240oC

Sunale R-150 Pico-sun OY

5.

Нанесение слоя TiN толщиной 50 нм

Реактивное магнетронное распыление из Ti мишени в атмосфере азота при тем-пературе подложки ~30 оС. Отверстия в теневой маске ø50-750 мкм.

BOC Edwards AUTO500

6.

Нанесение слоя Al толщиной 100 нм

Электронно-лучевое напы-ление из Al мишени через теневую маску при темпе-ратуре подложки ~30 оС. Вакуум ~10-5 Торр. Отверстия в теневой маске ø50-750 мкм. Смена мишени происходит без развакуумирования ус-тановки и без смещения теневой маски.

BOC Edwards AUTO500

22

7.

Подготовка контакта к нижнему электроду

Механическое удаление слоя HfxAl1-xOy по площади ~2х2 мм2. Нанесение Ag пасты. Комнатные условия.

Ag паста

В данном случае напряжение было приложено к TiN

электроду, а Pt электроды были заземлены

2) Исследование электрофизических характеристик мемри-стора.

a. Установка образца в зондовую станцию и подвод зондов.

- Установить образец на держатель зондовой станции

таким образом, чтобы мемристоры и Ag контакт к нижне-му слою структуры попадали в поле оптического микро-скопа.

- Установить зонды зондовой станции с помощью грубых перемещателей таким образом, чтобы их острия попадали в поле оптического микроскопа.

- Выбрать мемристор с площадью верхнего электрода ø300 мкм и с помощью микровинтов держателей зондов установить зонд, к которому будет приложен потенциал, над этим электродом, а зонд, который будет заземлен, над Ag контактом.

- Осуществить подвод зондов к образцу. Для этого сначала установить на LCR-метре режим

измерения полного импеданса и фазы Z-θ. Частоту зонди-рующего сигнала установить равной 10 кГц, амплитуду зондирующего сигнала - 50 мВ.

Подвинуть стол с держателем образца вверх до тех пор, пока виден зазор между остриями и образцом.

23

Затем используя микровинт вертикального переме-щения опустить соответствующий зонд к Ag контакту до тех пор, пока в оптический микроскоп не станет видно го-ризонтальное движение острия по Ag контакту.

Рисунок 10 - Положение зондов относительно образца

b. Измерение вольт-амперной характеристики полного цикла

резистивного переключения мемристора с верхним элек-тродом ø300 мкм. - Установить на LCR-метре режим измерения тока и на-пряжения Id-Vd. Частоту зондирующего сигнала устано-вить равной 100 Гц, амплитуду зондирующего сигнала - 50 мВ. - Формовка мемристора

24

Измерить ВАХ в диапазоне 0...1 В и 1 В...0. Если ВАХ не демонстрирует гистерезиса, увеличить диа-пазон на 0.2 В. Продолжать постепенно увеличивать на-пряжение до возникновения процесса формовки анало-гично рис. 5а. Сохранить ВАХ с формовкой в виде файла данных. Записать измеренное значение Vформ. - ВАХ процесса RESET. Измерить ВАХ в диапазоне 0...-1 В и -1 В...0. Если ВАХ не демонстрирует гистерезиса, увеличить диа-пазон на 0.2 В в отрицательную область напряжений. Продолжать постепенно увеличивать напряжение до тех пор, пока после процесса RESET (аналогично рис. 5а) ВАХ не выйдет на стабильную ветвь и сопротивление структуры не перестанет изменяться, достигнув значения HRS. Сохранить ВАХ с RESET в виде файла данных. Записать измеренное значение VRESET. - ВАХ процесса SET. Измерить ВАХ в диапазоне 0... Vформ и Vформ...0. Установить, отличается ли форма ВАХ процесса SET от ВАХ формовки. Сохранить ВАХ с SET в виде файла дан-ных. Записать измеренное значение VSET. Вычислить сопротивления RHRS и RLRS при напряжении чтения Vread = 0.5 В. Записать полученные значения сопро-тивлений. Построить ВАХ процессов формовки, RESET и SET.

c. Измерение вольт-амперной характеристики мемристора с верхним электродом ø300 мкм с набором сопротивлений.

25

- Измерить ВАХ в диапазоне 0...1 В и 1 В...0. Далее повторять измерения ВАХ, увеличивая значения напряжения развертки на 0.1 В при каждом новом цикле (аналогично рис. 5б). Сохранить все измеренные ВАХ. Посчитать, сколько промежуточных значений сопротив-ления RIRS удалось достичь. Вычислить сопротивления RIRS при напряжении чтения Vread = 0.5 В. Записать полу-ченные значения сопротивлений. - Повторить измерения для отрицательной ветви ВАХ. Посчитать, сколько промежуточных значений сопротив-ления RIRS удалось достичь. Вычислить сопротивления RIRS при напряжении чтения Vread = 0.5 В. Записать полу-ченные значения сопротивлений.

d. Подвести зонд к мемристорам с верхним электродом ø120 мкм и ø500 мкм поочередно. Измерить вольт-амперные характеристики полного цикла резистивного переключения для данных мемристоров в соответствии с п. 2б. Построить зависимость RHRS и RLRS от площади электрода аналогично рис. 3. Сделать вывод, является ли механизм работы данного мемристора филаментарным или нет.

3) По результатам работы подготовить отчет.

26

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. D.B. Strukov, G.S. Snider, D.R. Stewart, R.S. Williams. Nature 2008, 453, p. 80.

2. H. Zhang et al., Appl. Phys. Lett. 2010, 96, 123502. 3. S. Lee, W.-G. Kim, S.-W. Rhee, K. Yong. J. Electrochem. Soc.

2008, 155, H92. 4. R. Waser, M. Aono. Nat. Mater. 2007, 6, 833. 5. R. Waser, R. Dittmann, G. Staikov, K. Szot. Adv. Mater. 2009,

21, 632. 6. Sawa A. Mater. Today 2008, 11, 28. 7. Sh. Yu, X. Guan, H.-S. Ph. Wong. Appl. Phys. Lett. 2011. 99, p.

063507 8. L. Goux, Y.-Y. Chen, L. Pantisano, X.-P. Wang, G. Groesene-

ken, M. Jurczak, D.J. Wouters Electrochem. Solid-State Lett. 2010, 13, p. G54–G56.

9. J.J. Yang, M.X. Zhang, M. Pickett, F. Miao, J.P. Strachan, W.D. Li, W. Yi, D.A.A. Ohlberg, B.J. Choi, W. Wu, J.H. Nickel, G. Medeiros-Ribeiro, R.S. Williams. Appl. Phys. Lett. 2012, 100, p. 113501.