Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего профессионального образования

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
ОГЛАВЛЕНИЕ
1.
2.
3.
4.
Введение ........................................................................3
Физические принципы работы мемристора на основе оксидов металлов ......................................................5
2.1. Применение оксидов металлов в качестве
функциональной среды резистивного переключения для создания мемристоров .........................5
2.2. Зависимость сопротивления мемристора от
площади структуры................................................7
2.3. Эффект резистивного переключения в многокомпонентных оксидах переходных металлов....10
Изготовление мемристора
13
3.1. Мемристор в гибридных аналогово-цифровых
схемах......................................................................13
3.2. Модель мемристора ............................................15
Задание ...........................................................................20
Список литературы .......................................................26
1
ЦЕЛЬ РАБОТЫ
Данный лабораторный практикум направлен на ознакомление студентов 5 курса ФФКЭ МФТИ с новейшими методами создания и исследования устройств современной микроэлектроники,
а именно, мемристоров на основе оксидов металлов.
Практикум рассчитан на два занятия длительностью 3 часа.
Теоретическая часть работы посвящена обсуждению физических принципов мемристора на основе оксидов металлов, в
частности, современных моделей изменения проводимости оксидов металлов – функциональной среды мемристора – под действием электрического поля.
Экспериментальная часть работы заключается в изготовлении мемристорной МДМ-структуры Pt/HfxAl1-xOy/TiN в соответствии процедурой, общепринятой в современной практике.
Изготовление мемристора включает в себя процессы подготовки
подложки, напыления металлических слоев и атомно-слоевого
осаждения тонкого диэлектрического слоя. Исследование электрофизических характеристик мемристора включает в себя измерение вольт-амперной характеристики полного цикла резистивного переключения мемристора и вольт-амперной характеристики с
набором сопротивлений.
При подготовке данного пособия использованы оригинальные научные работ, часть которых приведены в списке литературы.
2
1. ВВЕДЕНИЕ
Развитие микро- и наноэлектроники во многом обусловлено динамичным ростом современных информационных технологий, которые требуют разработки все более емких и быстродействующих устройств для записи и хранения информации с
возможностью перезаписи и энергонезависимости.
Новые перспективы в создании компьютерных систем открывает использование аналоговой архитектуры искусственных
нейронных сетей, позволяющих оптимизировать принцип обработки команд по сравнению с цифровым принципом, повсеместно
используемым в классическом компьютере фон Неймана.
Основу предлагаемых нейроморфических систем составляют мемристоры – двухполюсные устройства, электрическое
сопротивление которых изменяется от протекшего через него заряда. 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 основе функционирования и обучаемости биологических и искусственных нейронных систем. В конечном итоге, применение мемристоров в качестве синапсов нейроморфических систем обещает
повысить вычислительную эффективность подобных систем благодаря увеличению плотности логических элементов и связности
системы.
Впервые эффект мемристивности был экспериментально
продемонстрирован в 2008 г. для системы металл-диэлектрикметалл Pt-TiO2-TinO2n-1-Pt [1]. Показано, что мемристивный эффект возникает в наноразмерных структурах металл-диэлектрикметалл за счет перемещения зарядов в сверхтонком диэлектрическом слое при приложении электрического поля, например, при
движении вакансий кислорода в слое диоксида титана.
В последние годы был предложен ряд альтернативных материалов для использования в качестве активного слоя мемристо3
ра. Эффект мемристивности был продемонстрирован в системе
нанопора-ионный раствор, в устройствах на основе токопроводящих полимеров и протеиновых молекул, ансамблей наночастиц, в
частности, наночастиц монокристаллического магнетита (Fe3O4).
Однако мемристоры на основе подобных материалов формируются методами, нехарактерными для современной кремниевой технологии создания интегральных схем. Соответственно, использование 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-диэлектрикметалл, легко интегрируемые в кремниевую технологию. Как и в
первом мемристоре, в качестве диэлектрического слоя часто применяется 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, Nb2O5NbO2, 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 показано, что добавление Al в ZrO2 приводит к уменьшению энергии
образования кислородных вакансий, движение которых в электрическом поле дает в конечном итоге мемристивный эффект
структуры, в ~1.7 раз [2]. Существуют экспериментальные исследования, 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 материалов в этой области ― трехкомпонентного оксида HfAlOx.
4
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 переключения чаще всего используют структуры металл-диэлектрикметалл (МДМ). Эффект резистивного переключения МДМструктуры заключается в изменении проводимости диэлектрика
на величины до нескольких порядков под действием электрического поля, созданного в диэлектрике (рис. 2b).
Существует несколько общепринятых механизмов резистивного переключения и, соответственно, типов мемристров.
Данная работа посвящена самому распространенному типу мемристора, резистивный эффект в котором обусловлен реакцией
восстановления/окисления (reduction/oxidation) оксида, используемого в качестве диэлектрика МДМ-структуры мемристора.
Реакции восстановления/окисления оксида сопутствует дрейф
ионов кислорода и, соответственно, вакансий кислорода по глубине слоя оксида. Вакансии кислорода являются ловушками для
электронов, по которым происходит перенос заряда от одного металлического электрода к другому [7]. В зависимости от концентрации вакансий кислорода и их распределения в оксиде МДМструктура может находиться в высокоомном (high resistance state
– HRS) или низкоомном состоянии (low resistance state – LRS).
Для достижения стабильного эффекта резистивного переключения необходимо уметь контролировать концентрацию вакансий
кислорода в оксидном слое.
2.1 Применение оксидов металлов в качестве функциональной среды резистивного переключения для создания
мемристоров
К настоящему моменту на таких оксидах переходных металлов как HfO2, ZrO2, TiO2, Ta2O5, NiO продемонстрирован эффект обратимого резистивного переключения, заключающийся в
5
изменении проводимости диэлектрика на величины до нескольких порядков при приложении напряжения определенной амплитуды (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-изоляторметалл и вольт-амперные характеристики: (b) униполярная и (c) биполярнаяОшибка! Источник ссылки не найден..
Так, на рисунке 2 схематично представлен процесс окисления–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, восстанавливая слой TiO2 до TiO2-х, уменьшая его сопротивление. Граница 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 resistance state).
6
насыщенный кислородом
("окисленный") оксид
обедненный кислородом
(восстановленный) оксид
Рисунок 2 – Иллюстрация процесса окисления/восстановления в
TiO2, который приводит к резким изменениям проводимости МДМструктуры [1].
Приложение напряжения обратной полярности будет приводить 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 сопротивления (IRS — intermediate resistance state). Такой тип переключения называется биполярным, то есть для переключения необходимо 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 площади структуры
Уже достаточно давно известно, что существуют мемристоры, у которых сопротивление зависит от площади металлических электродов мемристорной структуры.
В ряде работ [6] по резистивному переключению для различных оксидов переходных металлов была исследована зависимость сопротивлений МИМ-структур в состоянии «ON» (RLRS) и в
7
состоянии «OFF» (RHRS) от площади электродов. На рисунке 3
такие зависимости приведены для структур на основе SrTiO3, легированного Nb (Nb:STO) и NiO. Из рисунка 3 видно, что сопротивления 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 переключение в Nb: SrTiO3 происходит по всей площади структуры, в
то время как в NiO ячейке переключение происходит локально
через образование нитеобразных проводящих каналов [6]. Локальный механизм резистивного переключения в литературе принято 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].
8
Наличие экспериментальных данных, подтверждающих
локальность резистивного переключения, стимулировало в научном сообществе в дополнение к механизму изменения валентности материала диэлектрика по всей площади структуры (рисунок
4), разработку модели переключения на основе образования локальных проводящих каналов (филаментов) [4]Ошибка! Источник ссылки не найден.. Так, принимая во внимание важность
генерации кислородных вакансий для процессов резистивного
переключения, была предложена модель резистивного переключения, объясняющая, в том числе, и возможность получения целого набора промежуточных сопротивлений МДМ-структуры в
зависимости от прикладываемого к ней напряжения (собственно
мемристивный эффект) (рисунок 4).
Рисунок 4 – Филаментарная модель резистивного переключения, учитывающая состояния низкого сопротивления (LRS), промежуточных
сопротивлений (IR) и высокого сопротивления (HRS). Черными точками
схематично показаны вакансии кислорода [8].
Состояние с самым низким сопротивлением LRS объясняется наличием проводящих филаментов с самой высокой плотностью кислородных вакансий. Для реализации процессов переключения структуры в состояния с более высокими сопротивлениями
(RESET процессов) важны физические процессы изменения приграничной структуры филаментов. Также они считают, что RESET процессы связаны с процессами анодного обратного окисления области филамента вблизи границы раздела с верхним
9
электродом (Pt). Действительно, приложение нарастающего положительного потенциала к Pt активирует нарастающий дрейф
вакансий кислорода от анода вглубь материала. В результате становится возможным получить набор различных сопротивлений
(IR1…IR3) благодаря постепенному изменению плотности кислородных вакансий, действующих как легирующая примесь в изолирующем слое толщиной δ.
2.3 Эффект резистивного переключения в многокомпонентных оксидах переходных металлов
Одним из механизмов управления концентрацией вакансий кислорода на этапе изготовления мемристора является легирования оксида металла со степенью окисления +4 ионами металла 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 способ управления концентрацией вакансий кислорода возможен и в
оксиде гафния HfO2. Оксид гафния наиболее удобен с точки зрения 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, электрод из нитрида титана TiN, который является эффективным резервуаром 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 переключения мемристора.
Для обеспечения долговременной стабильности и надежности мемристора необходимо обеспечить пространственное ог10
раничение областей, где происходит зарождение и перемещение
вакансий кислорода. Достижение этой цели возможно при изменении концентрации примеси Al по глубине оксида. В данной работе будет изготовлен мемристор на тонкой пленки трехкомпонентного оксида HfxAl1-xOy с переменным (по глубине)
содержанием Al, а также будут исследованы его электрофизические характеристики.
Вольт-амперная характеристика полного цикла резистивного переключения МДМ-структуры Pt/HfxAl1-xOy/TiN представлена на рис. 5a.
11
Рисунок 5 – Вольт-амперная характеристика мемристора
Pt/HfxAl1-xOy/TiN: a) полного цикла резистивного переключения с формовкой, б) с набором сопротивлений.
На прямой ветви ВАХ скачкообразный этап включения
соответствует процессу «мягкого» (обратимого) пробоя диэлектрической пленки HfxAl1-xOy в слое, прилегающему к TiN электроду (см. рис. 6). В данном слое содержание Al наибольшее и,
соответственно, наименьшая диэлектрическая проницаемость и
одновременно наибольшее количество вакансий кислорода, поэтому вероятность «мягкого» пробоя наиболее велика. «Мягкий»
пробой приводит к образованию токопроводящего канала, состоящего из вакансий кислорода, в соответствующем слое диэлектрика HfxAl1-xOy (см. рис. 6). Плавный этап включения соответствует процессу расширения токопроводящего канала в
соответствии с профилем содержания Al в оксидном слое
HfxAl1-xOy за счет диффузии кислорода к слою TiN и формированию на границе раздела TiN/HfxAl1-xOy слоя TiON некоторой толщины. Это приводит к частичному восстановлению оксида HfxAl1xOy, сопровождающемуся генерацией и диффузией вакансий кислорода в оксидном слое. При этом структура имеет ряд промежуточных сопротивлений (IRS). Минимальное сопротивление
мемристора, при котором концентрация вакансий в канале максимально, соответствует LRS. (рис. 6).
Положительно заряженные вакансии кислорода, расположенные в диэлектрическом слое, являются ловушками для электронов, поэтому механизм токопереноса в канале, образованном
вакансиями кислорода, связан с туннелированием электронов через ловушки.
12
Рисунок 6 – Схема процессов резистивного переключения в МДМструктуре мемристора Pt/HfxAl1-xOy/TiN.
В отличие от большинства активных по отношению к кислороду металлов (таких как Ti, Zr) нитрид титана TiN способен
обратимым образом поглощать и высвобождать ионы кислороды,
поэтому мемристоры с TiN электродом обладают хорошо воспроизводимым 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 аналогоцифровую архитектуру (рис. 7а, 7б). В данном случае двухполюсные мемристоры коммутационной матрицы, образованные в точках схождения проводов, соединяют пресинаптические и постсинаптические 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
13
зависит от протекшего через него суммарного заряда, и обладающее синаптической пластичностью.
б)
а)
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 функциональный 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.
14
Рисунок 8 – Изображение матрицы Pt/TaOx/TiO2-x/Pt
в атомно-силовом микроскопе [9].
Изготовление массива мемристоров с латеральным размером порядка 100 нм и электрических контактов к мемристорам,
без которых невозможно исследование их электрофизических характеристик, достигается путем нескольких циклов электронной и
фотолитографии и занимает слишком много времени для лабораторного практикума. Поэтому в ходе данной работы будут изготовлены мемристоры с латеральным размером ø50-750 мкм, однако 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. Толщина Pt слоя составляет 50 нм, толщина Cr слоя ― около 10 нм.
Трехкомпонентный оксид металла HfxA1-xOy толщиной 610 нм также нанесен на всю площадь подложки.
Верхние электроды состоят металлического TiN слоя
толщиной 50 нм и Al слоя толщиной 100 нм. Электроды нанесены
15
через теневую маску с диаметром отверстий ø50-750 мкм и представляют 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 металлического Pt слоя с Cr подслоем применяется метод электронного распыления из мишени (установка BOC Edwards).
С целью удаления естественного оксида SiO2 с Si пластины непосредственно перед напылением кремниевые подложки
нужно обработать в течение 30 с в 1%-водном растворе плавиковой кислоты HF. Адгезионный Cr подслой толщиной 10 нм необходим 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 атомнослоевого осаждения (АСО) в реакторе Sunale R-150 Picosun OY c
16
горячими стенками при пониженном давлении (500 Па) и температуре 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 используют азот особой чистоты (99.999%). Длительность импульсов подачи реагентов Al(CH3)3, Hf[N(CH3)(C2H5)]4 и H2O должна составлять 0.1 с, 0.5 с и 0.1 с соответственно. После каждого импульса
камера реактора продувается азотом в течение 6 с. Для обеспечения 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 глубине 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 каждой 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
1:9 1:5 1:2 1:1 2:1 4:1
n:m
1
2
4
5
4
2
k
0.18 0.28 0.50 0.66 0.80 0.88
x
TiN
17
Выращивание пленки HfxAl1-xOy методом атомно-слоевого
осаждения для мемристора рекомендуется осуществить в ходе
лабораторной работы "Атомно-слоевое осаждение тонких пленок", выполняемой студентами ФФКЭ МФТИ 5го курса. В пособии к этой лабораторной работе представлено подробное описание принципов атомно-слоевого осаждения и работы реактора.
3) Изготовление верхнего электрода
Напыление верхних TiN электродов толщиной 50 нм осуществляется через теневую маску с диаметром отверстий ø50750 мкм методом магнетронного распыления (установка BOC
Edwards). Для напыления TiN используется реактивное магнетронное распыление из Ti мишени в атмосфере азота при температуре подложки ~30 оС.
Дополнительный слой Al толщиной 100 нм наносят, главным образом, для последующего лучшего контакта иглы зондовой станции к верхнему электроду, а кроме того, для лучшей визуализации контактов в оптический микроскоп станции. Дело в
том, что структуры, получаемые методом магнетронного распыления через теневую маску, имеют размытые края с градиентом
пленки по толщине и слабо различаются в микроскоп. Электронное распыление градиента по толщине не дает, и края получаются
резкими. Al подслой играет вспомогательную роль.
Между операциями нанесения металлических и диэлектрических слоев во избежание загрязнения образцы должны находиться в закрытом контейнере.
Эксперименты по исследованию электрофизических
свойств мемристоров должны осуществляться не ранее, чем через
сутки после изготовления образца.
18
Вольт-амперные характеристики измеряются в комнатных
с помощью зондовой станции и LCR-метра Agilent E4980A с опцией для измерения вольт-амперных характеристик.
19
4. ЗАДАНИЕ
1)
Изготовление образца.
Ознакомиться с принципами функционирования и устройством установки напыления BOC Edwards AUTO500 с помощью
руководства пользователя и методического пособия к лабораторной работе "Напыление тонких пленок".
Изготовить образец мемристора в соответствии с процедурой, представленной в таблице 2, за исключением пункта 4.
Выращивание пленки HfxAl1-xOy методом атомно-слоевого осаждения предоставить студентам 5го курса ФФКЭ МФТИ, выполняющих лабораторную работу "Атомно-слоевое осаждение тонких пленок".
Таблица 2 – Процедура изготовления образца мемристора со структурой Si/Cr/Pt/HfxAl1-xOy переменный состав (6 нм)/TiN/Al
Этап
Операция
Описание операции
1.
Удаление
естественного оксида
Обработка Si подложки в
1%-водном растворе плавиковой кислоты HF
2.
Нанесение
слоя Cr
толщиной 10
нм
Электронно-лучевое напыление из Cr мишени при
температуре подложки
~30 оС.
20
Используемое оборудование и
материалы
1%-водный
раствор
плавиковой
кислоты HF.
Химическая
посуда, устойчивая к
HF.
Вытяжка.
BOC
Edwards
AUTO500
3.
4.
5.
6.
Нанесение
слоя Pt
толщиной 50
нм
Вакуум ~10-5 Торр.
Электронно-лучевое напыление из Pt мишени при
температуре подложки
~30 оС.
Вакуум ~10-5 Торр.
Смена мишени происходит
без развакуумирования установки и без смещения
теневой маски.
Нанесение
слоя
HfxAl1-xOy
Атомно-слоевое осаждение
(переменный
при температуре подложки
состав, x =
240oC
0.1-0.8)
толщиной
6 нм
Реактивное магнетронное
распыление из Ti мишени в
Нанесение
атмосфере азота при темслоя TiN
пературе подложки ~30 оС.
толщиной
50 нм
Отверстия в теневой маске
ø50-750 мкм.
Электронно-лучевое напыление из Al мишени через
теневую маску при температуре подложки ~30 оС.
Нанесение
Вакуум ~10-5 Торр.
слоя Al
Отверстия в теневой маске
толщиной
ø50-750 мкм.
100 нм
Смена мишени происходит
без развакуумирования установки и без смещения
теневой маски.
21
BOC
Edwards
AUTO500
Sunale
R-150 Picosun OY
BOC
Edwards
AUTO500
BOC
Edwards
AUTO500
Подготовка
контакта к
нижнему
электроду
7.
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 мемристора.
a.
Установка образца в зондовую станцию и подвод зондов.
- Установить образец на держатель зондовой станции
таким образом, чтобы мемристоры и Ag контакт к нижнему слою структуры попадали в поле оптического микроскопа.
- 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 зондирующего 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.
22
Затем используя микровинт вертикального перемещения опустить соответствующий зонд к Ag контакту до
тех пор, пока в оптический микроскоп не станет видно горизонтальное движение острия по Ag контакту.
Рисунок 10 - Положение зондов относительно образца
b.
Измерение вольт-амперной характеристики полного цикла
резистивного переключения мемристора с верхним электродом ø300 мкм.
- Установить на LCR-метре режим измерения тока и напряжения Id-Vd. Частоту зондирующего сигнала установить равной 100 Гц, амплитуду зондирующего сигнала 50 мВ.
- Формовка мемристора
23
Измерить ВАХ в диапазоне 0...1 В и 1 В...0.
Если ВАХ не демонстрирует гистерезиса, увеличить диапазон на 0.2 В. Продолжать постепенно увеличивать напряжение до возникновения процесса формовки аналогично 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 диапазон 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 данных.
Записать измеренное значение VSET.
Вычислить сопротивления RHRS и RLRS при напряжении
чтения Vread = 0.5 В. Записать полученные значения сопротивлений.
Построить ВАХ процессов формовки, RESET и SET.
c.
Измерение вольт-амперной характеристики мемристора с
верхним электродом ø300 мкм с набором сопротивлений.
24
- 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 сопротивления RIRS удалось достичь. Вычислить сопротивления
RIRS при напряжении чтения Vread = 0.5 В. Записать полученные значения сопротивлений.
- Повторить измерения для отрицательной ветви ВАХ.
Посчитать, сколько промежуточных значений сопротивления RIRS удалось достичь. Вычислить сопротивления
RIRS при напряжении чтения Vread = 0.5 В. Записать полученные значения сопротивлений.
d.
Подвести зонд к мемристорам с верхним электродом
ø120 мкм и ø500 мкм поочередно. Измерить вольтамперные 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.
25
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. Groeseneken, 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.
26