Униполярное резистивное переключение в структурах на основе оксидов ниобия, тантала и циркония
На правах рукописи
КУНДОЗЕРОВА Татьяна Валерьевна
УНИПОЛЯРНОЕ РЕЗИСТИВНОЕ ПЕРЕКЛЮЧЕНИе В СТРУКТУРАХ НА ОСНОВЕ ОКСИДОВ НИОБИЯ, ТАНТАЛА И ЦИРКОНИЯ
Специальность 01.04.04 – физическая электроника
Автореферат
диссертации на соискание ученой степени
кандидата физико-математических наук
Петрозаводск
2013
Работа выполнена на кафедре информационно-измерительных систем и физической электроники федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Петрозаводский государственный университет»
Научный руководитель:
Доктор физико-математических наук, профессор
Стефанович Генрих Болеславович, заведующий кафедрой информационно-измерительных систем и физической электроники, Петрозаводский государственный университет.
Официальные оппоненты:
доктор физико-математических наук, профессор
Ханин Самуил Давидович, заведующий кафедрой физической
электроники, заведующий отделом физики неупорядоченных и
низкоразмерных систем НИИ физики РГПУ им. А.И.Герцена.
Кандидат физико-математических наук, доцент
Березина Ольга Яковлевна, кафедра общей физики,
Петрозаводский государственный университет
Ведущая организация:
Физико-технический институт им. А.Ф. Иоффе РАН, г. Санкт-Петербург.
Защита состоится «22 ноября» 2013 г. в 14 часов 00 минут на заседании диссертационного совета Д 212.190.06. в Петрозаводском государственном университете по адресу: 185910, г. Петрозаводск, пр. Ленина 33, ауд. 221
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Петрозаводского государственного университета.
Автореферат разослан «____ октября» 2013 г.
Ученый секретарь диссертационного совета,
к.ф.-м.н., доцент В.Б. Пикулев
Общая характеристика работы
Актуальность темы исследования: В диссертации исследуется эффект униполярного резистивного переключения в оксидах Nb2O5, Ta2O5, ZrO2. В настоящее время эффект резистивного переключения привлекает значительное внимание в связи с возможностью его применения в микросхемах электронной памяти ReRAM (Resistive Random Access Memory) [1-3].
Микросхемы памяти различной интеграции (различающиеся объемом хранимой информации) находят самое широкое применение. Разработка принципиально новых типов памяти, значительно превосходящих современные устройства по параметрам быстродействия, емкости, возможности масштабирования и устойчивости к механическим воздействиям, имеет особое значение. Современная технология энергонезависимой Flash памяти вплотную приблизились к пределу масштабирования и сталкивается с серьезными фундаментальными и инженерными трудностями при масштабах менее 22 нм [4]. Данные трудности определены самим принципом работы данного типа памяти – регистрации и переносе заряда. Вследствие этого крупнейшие электронные компании, такие как IBM, Samsung, Intel, Sharp, HP, Panasonic, Fujitsu и др. ведут активные работы в области разработки микросхем памяти с различными принципами хранения информации. Такие исследования привели к появлению нескольких перспективных (теоретически) технологий. Данные элементы памяти способны переключаться между двумя устойчивыми состояниями («0» и «1») благодаря различным физическим эффектам: изменение фазового состояния вещества от аморфного к кристаллическому (PCRAM), формирование канала проводимости в полимерной пленке (ORAM), поляризация сегнетоэлектрика (FeRAM), изменение магнитных моментов магнитоэлектрика (MRAM) [1]. Однако, несмотря на такое разнообразие разрабатываемых видов памяти, описанные технологии обладают рядом недостатков, не позволяющих отдельной технологии стать лидирующей в области электронной памяти и получить повсеместное применение.
Данная работа посвящена другому типу устройств электронной памяти – резистивной памяти (Resistive Random Access Memory - ReRAM). В настоящее время данная технология, основанная на эффекте резистивного переключения, привлекает большой интерес и рассматривается как одно из самых перспективных направлений в области создания новой памяти [1,3]. ReRAM совмещает в себе достоинства сразу двух систем: быстродействие DRAM (динамическая память с произвольным доступом) и энергонезависимость флэш-памяти. Структура и технология изготовления ячеек памяти на основе резистивного переключения делают возможным их использование при создании электронной памяти для гибкой и прозрачной электроники [5-7].
Несмотря на явное преимущество резистивного переключения для разработки новой памяти, отсутствие ясного понимания механизмов переключения серьезно сдерживает научно-обоснованный подход к материаловедческим и инженерным задачам разработки ReRAM [3,8]. Адекватная модель процесса резистивного переключения позволит спрогнозировать характеристики приборов на начальной стадии их разработки. Именно поэтому актуально и необходимо не только исследование и совершенствование существующих устройств ReRAM, поиск новых материалов и методов их создания, но и изучение механизмов явления лежащего в основе работы данных структур.
Цель диссертации: комплексное теоретическое и экспериментальное исследование эффекта униполярного резистивного переключения в оксидах переходных металлов. В ходе работы были поставлены и решены следующие задачи:
- Создание сэндвич структур на основе оксидов переходных металлов, реализующих эффекты энергонезависимой памяти
- Проверка работоспособности полученных структур в качестве элементов резистивной памяти (измерение длительности и надежности хранения информации, проверка работоспособности элементов памяти в широком температурном интервале, исследование работы структур в импульсном режиме).
- Определение механизма и описание модели резистивного переключения.
- Экспериментальное подтверждение рассматриваемой модели переключения:
4.1. Исследование структур методами импедансной спектроскопии и моделирования эквивалентных схем.
4.2. Экспериментальные исследования электропроводности МОМ структур на основе анодного оксида Nb2O5 в сильных электрических полях, а так же зависимости электропроводности от температуры.
- Создание элементов гибкой электронной памяти. Получение сэндвич структур на основе оксида ниобия Nb2O5, на гибких полимерных подложках и проверка их работоспособности.
Научная новизна и практическая значимость работы:
- Впервые проведены комплексные исследования эффекта униполярного резистивного переключения в структурах на основе анодноокисленных пленок Nb2O5, Ta2O5, ZrО2.
- Разработанная модель, основанная на образовании наноразмерного металлического проводящего канала в матрице оксида в процессе его формовки и его последующим локальным разрывом и возобновлением, адекватно описывает механизм переключения в рассматриваемых оксидах ниобия, тантала и циркония.
- Проведено исследование резистивных состояний ячейки памяти ReRAM с помощью метода импедансной спектроскопии. В соответствие с каждым состоянием предложена эквивалентная электрическая схема.
- Впервые получены элемент памяти ReRAM на основе анодного оксида ниобия, применимые в качестве элементов гибкой памяти.
Практическая значимость работы заключается в том, что в ней исследуются эффекты резистивного переключения в структурах на основе оксидов переходных металлов, перспективные для использования в современных устройствах памяти. Предложенная модель униполярного резистивного переключения, лежащего в основе работы широкого класса устройств ReRAM, может быть использованы в разработке микросхем резистивной памяти на основе оксидов металлов. Использование в работе метода анодного окисления для получения диэлектрических слоев структур ReRAM, позволило, благодаря комнатной температуре процесса, получить элементы памяти на гибких полимерных подложках. Данные результаты способствуют расширению области применения элементов резистивной памяти и могут быть использованы в разработке устройств гибкой электроники.
Основные положения выносимые на защиту:
- Конденсаторные структуры на основе анодных (т.е. полученных электрохимическим анодным окислением) пленок окислов Nb, Tа, и Zr после их электрической формовки (диэлектрический пробой оксидного слоя при условии ограничения проходящего через структуру тока) демонстрируют эффект униполярного резистивного переключения.
- Эффект униполярного резистивного переключения с памятью в структурах металл – оксид – металл на основе анодных оксидов ниобия, тантала и циркония обусловлен образованием наноразмерного металлического (ниобий, тантал или цирконий) проводящего канала в матрице оксида в процессе его электрической формовки. Последующие переключения структур происходят вследствие локального разрыва сформированного канала и его восстановления.
- Исследования работоспособности МОМ структур на основе оксидов Nb2O5, Ta2O5, ZrO2 в качестве элементов резистивной памяти ReRAM (измерение длительности и надежности хранения информации, проверка работоспособности элементов памяти в широком температурном интервале, работа структур в импульсном режиме) показывают возможность и перспективность развития элементов электронной памяти ReRAM на основе данных оксидов.
- Конденсаторные структуры на основе анодных пленок окислов Nb, Tа, и Zr применимы в качестве элементов гибкой электронной памяти ReRAM.
Апробация результатов исследования осуществлена в публикациях, докладах и выступлениях на следующих конференциях:
2013 International Conference on Microtechnology end MEMS (Пекин, 2013), 16th Semiconducting and Insulating Material Conference (Стокгольм, 2011), XII Международная конференция Физика диэлектриков (Санкт-Петербург, 2011), 53-я научная конференция МФТИ (Москва, 2010), Seventh International Conference on Inorganic Materials (Биарриц, 2010), Шестнадцатая Всероссийская научная конференция студентов физиков и молодых ученых (Волгоград, 2010).
Публикации. По теме диссертации было опубликованы 9 статей в научных журналах и в сборниках конференций, из них 3 статьи входят в международную базу цитирования и приравнены к перечню ВАК. Основные результаты исследования вошли составной частью в работы, поддержанные грантами № П1156, № 02.740.11.5179. Федеральная целевая программ «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009-2013 гг. Работа по созданию гибких элементов памяти была поддержана программой «Участник молодежного научно-инновационного конкурса» (УМНИК), НИОКР: «Разработка элемента памяти на основе эффекта резистивного переключения на гибкой подложке».
Вклад автора заключается в участии в разработке экспериментальных методов исследования и их осуществлении, в проведении численных расчетов, написании научных статей и их подготовки к публикациям.
Объем и структура диссертации: Диссертация состоит из введения; трех глав, заключения, списка литературы. Общий объем диссертации 133 страницы, включая 5 таблиц, 99 рисунков и схем. Список использованной литературы содержит 150 наименований.
Благодарности: Автор выражает благодарность научному руководителю Г.Б. Стефановичу за постановку задач, А.Б. Черемисину, А.А. Величко, С.И. Харцеву, О.В. Сидоровой за помощь в подготовке и проведении эксперимента, В.В Путролайнену, А.М. Гришину, А. Л. Пергаменту, П.П. Борискову за помощь при анализе результатов, полезные обсуждения и ценные рекомендации.
Содержание работы
Во введении обоснована актуальность темы исследования, сформулированы цели и задачи работы, показана научная новизна и практическая значимость результатов. Изложены основные положения выносимые на защиту, приводится список публикаций и сведения об апробации работы.
Глава 1 содержит литературный обзор по теме диссертации. В данной главе представлены результаты анализа публикаций, касающихся разработки и созданию устройств энергонезависимой электронной памяти: Рассмотрены как существующие виды электронной памяти, так и новые, активно развивающиеся, направления, приведено их сравнение по ключевым характеристикам элементов памяти. Подробно рассмотрен эффект резистивного переключения, его свойства и этапы работы ячеек памяти на его основе. Отдельно рассмотрено применение резистивной памяти в запоминающих устройствах гибкой электроники.
Эффект резистивного переключения заключается в резком, обратимом изменении электрического сопротивления тонких диэлектрических пленок, заключенных между двумя металлическими электродами под действием приложенного между электродами электрического напряжения. При униполярном переключении скачок сопротивления зависит от амплитуды прикладываемого напряжения, полярность напряжения роли не играет. Схематический вид ячейки памяти ReRAM представлен на рисунке 1.
Рисунок 1 — Схематический вид ячейки ReRAM [3].
Процесс работы ReRAM ячейки памяти на основе униполярного переключения включает в себя 3 операции: формовка, переход из низкоомного состоянии в высокоомное состояние (стирание), переход из высокоомного состояния в низкоомное (запись). Циклы процессов запись/стирание являются рабочими операциями ячеек памяти, в результате которых происходит запоминание «0» и «1». Формовка представляет собой диэлектрический пробой металл-оксид-металл (МОМ) структур при ограничении проходящего тока. Заметим, что формовка является необратимым процессом, производится единожды и приводит к переводу структуры из исходного высокоомного состояния в низкоомное состояние (НС). ВАХ процессов формовки и переключения показаны на рисунке 2.
Рисунок 2 — ВАХ процессов формовки и переключений структуры Si/Nb/Nb2O5.
Результатом формовки является формирование постоянного проводящего канала, структура и химический состав которого отличаются от исходного оксида [3, 9-11].
После формовки, ячейки в НС переключаются в высокоомное состояние (ВС), при приложении порогового напряжения стирания. Отметим, что переход структуры в высокоомное состояние происходит без ограничения тока проходящего через структуру. Обратное переключение из ВС в НС, достигается применением большего порогового напряжения. Отметим, что в данном случае, как и при формовке, принципиально важно выбрать адекватный ток ограничения процесса. Без ограничения по току структура переходит в невосстанавливаемое низкоомное состояние.
Отдельный раздел в данной главе посвящен моделям униполярного резистивного переключения, особое внимание уделено модели, основанной на формировании и локальном разрушении проводящего канала в оксидной структуре в процессе переключения [12]. Схематически процесс переключения показан на рисунке 3.
