Исследование филаментарного и нефиламентарного резистивного переключения в структурах металл-диэлектрик-металл на основе оксида тантала тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 00.00.00, кандидат наук Кузьмичёв Дмитрий Сергеевич

• Кузьмичёв Дмитрий Сергеевич
• кандидат наук
• 2023

Оглавление диссертации кандидат наук Кузьмичёв Дмитрий Сергеевич

2.3 Формирование МИМ-структур для изучения резистивного переключения

2.4 Электрофизические методы исследования оксидных резистивно-переключаемых структур (OxReRAM)

2.5 Определение механизмов токопереноса

ЗАКЛЮЧЕНИЕ ПО ГЛАВЕ

Глава 3. ИССЛЕДОВАНИЕ ФИЛАМЕНТАРНОГО РЕЗИСТИВНОГО ПЕРЕКЛЮЧЕНИЯ В МИМ СТРУКТУРАХ НА ОСНОВЕ ОКСИДА ТАНТАЛА С ДЕФИЦИТОМ И ИЗБЫТКОМ КИСЛОРОДА

3.1 Исследование химико-структурные свойств оксида тантала, полученного радикало-стимулированным атомно-слоевым осаждением

3.2 Исследование транспорта заряда в структурах на основе оксида тантала, полученных радикало-стимулированным атомно-слоевым осаждением

3.3 Исследование филаментарного резистивного переключения в структурах на основе диэлектриков из оксида тантала, полученных термическим и радикало-стимулированным атомно-слоевым осаждением

3.4 Исследование филаментарного переключения в структурах с

экстрагирующем электродом Pt/Ta2O5+x/Ta

ЗАКЛЮЧЕНИЕ ПО ГЛАВЕ

Глава 4. ИССЛЕДОВАНИЕ БЕСФОРМОВОЧНОГО НЕФИЛАМЕНТАРНОГО РЕЗИСТИВНОГО ПЕРЕКЛЮЧЕНИЯ В МИМ СТРУКТУРАХ НА ОСНОВЕ ОКСИДА ТАНТАЛА, ПОЛУЧЕННОГО

МЕТОДОМ АТОМНО-СЛОЕВОГО ОСАЖДЕНИЯ

4.1 Условия бесформовочного нефиламентарного резистивного переключения: структуры на основе оксида тантала с инертным (И) и химически активным электродом (Ta)

4.2 Основные характеристики бесформовочного нефиламентарного резистивного переключения в структурах TiN/Ta2O5/Ta

4.3 Влияние вставки HfO2 на нефиламентарное переключение

4.4 Основные синаптические характеристики бесформовочного нефиламентарного резистивного переключения в МИМ структурах

TiN/Ta2O5/Ta

ЗАКЛЮЧЕНИЕ ПО ГЛАВЕ

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

СПИСОК СОКРАЩЕНИЙ И ОБОЗНАЧЕНИЙ

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

Введение

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Исследование филаментарного и нефиламентарного резистивного переключения в структурах металл-диэлектрик-металл на основе оксида тантала»

Актуальность темы

В будущем, при переходе к эпохе Интернета вещей (IoT, Internet of things), когда объекты будут объединены в общую сеть, необходимо иметь возможность управления высокоскоростными устройствами обработки и хранения данных с низким энергопотреблением, в том числе работающих от батареек, в связи с чем возникает потребность в быстрой, ёмкой и маломощной памяти [1]. Так же в настоящее время актуальные задачи по распознаванию изображений и речи, которые являются ключевыми элементами систем искусственного интеллекта (AI, Artificial Intelligence) и беспилотного транспорта, столкнулись с проблемой скорости обработки информации и растущего энергопотребления. Суть в том, что классические вычислительные системы в основном построены на архитектуре фон Неймана, в которой хранение данных и операции над ними физически разделены [2]. Несмотря на активное применение искусственных нейронных сетей и машинного обучения на существующих вычислительных системах, было показано, что на перемещение значительных объёмов данных тратится больше энергии и времени, чем на вычисления [3,4]. И хотя для решения данной проблемы активно применяются как параллельные вычисления с использованием графических процессоров [5], так и специализированные процессоры, разработанные для решения конкретной задачи [6,7], в перечисленных подходах в той или иной степени остаётся необходимость перемещать большое количество информации между разными уровнями вычислительной системы. Поэтому организация более эффективной работы с данными является актуальной задачей [8].

Для решения указанных проблем можно выделить несколько взаимодополняющих подходов. Один из них заключается во внедрении новых классов памяти (например, storage class memory - SCM) в существующие фон

Неймановские архитектуры вычислений, которые позволяют оптимизировать скорость доступа к данным [9-12].

Второй подход основан на разработке принципиально новых архитектур вычислений, эмулирующих работу мозга - «нейроморфных» систем [4,13,14], в которых отсутствует чёткое разделение между хранимой и обрабатываемой информацией. Стоит отметить, что в настоящий момент термин «нейроморфные системы» довольно широкий, и существуют попытки хранить и обрабатывать информацию на доступных накопителях, например флеш-памяти [15], таким образом реализуя подход «вычисления в памяти» (InMemory Computing или Compute-In-Memory (CIM)). Другие исследователи полагают что нейроморфные компьютеры, подобно мозгу, состоят из искусственных нейронов и синапсов [16], что приводит к необходимости разработки технологических процессов их изготовления и измерения параметров.

Таким образом, оба подхода нуждаются в применении новых физических принципов для хранения и обработки информации, так как существующие устройства памяти, такие как DRAM и флеш-память, не могут удовлетворить требуемым параметрам. Например, для SCM-применений требуется реализация в одном устройстве как высокого числа циклов чтения/записи (более 106 циклов), так и длительного хранения состояния (~ 10 лет) [17]. Что затруднительно и для флеш-памяти из-за предельного числа переключений (105 циклов), и для DRAM из-за короткого времени хранения состояния (~64 мс) [17,18]. В свою очередь, элементы нейроморфных вычислительных систем, в частности, искусственные синапсы, нуждаются в снижении напряжений программирования, реализации многоуровневого токового отклика (мультибитности) и синаптических свойств [13,19]. К последним можно отнести изменение проводимости устройства за счёт количества, длительности и частоты управляющих импульсов.

Наряду с этим возможность работы с большими объемами данных востребована как в SCM, так и в нейроморфных вычислительных системах,

что формирует запрос на увеличение объема разрабатываемой памяти, что в свою очередь создает необходимость высокоплотной компоновки запоминающих устройств, которая может быть реализована за счёт 3D интеграции ячеек памяти (аналогично 3D V-NAND флэш-памяти) [20] или кросс-бар массивов [21].

Среди различных перспективных типов памяти, базирующихся на новых физических принципах (MRAM, FeRAM, PCM), использование ячеек памяти на основе резистивного переключения (ReRAM) [22-25], так же известных как «мемристоры» [26,27], выглядит более перспективным благодаря низкому энергопотреблению, низким напряжениям программирования, возможности высокой плотности ячеек из-за простой структуры метал-изолятор-металл (МИМ) [13] и реализации большого числа состояний сопротивления [9,19,28].

Среди многочисленных реализаций резистивно-переключаемых ячеек памяти, можно выделить структуры на основе оксида тантала в качестве изолятора, так как на их основе ранее были получены ячейки памяти с перспективными параметрами: низкие переключающие токи, высокая скорость записи, хорошая масштабируемость и высокое число циклов переключения (~ 1012) [29-31]. Однако, серьезными проблемами разработанных элементов памяти оксидной ReRAM являются необходимость достаточно высоковольтной электроформовки этих элементов, а также серьезный разброс таких основных параметров переключения как сопротивление в "0" и "1", напряжение переключения, причем как между разными ячейками памяти, так и в процессе записи\стирания состояния в одной ячейке. Часть этих проблем связана с неоптимальным химическим составом диэлектрика или неоптимальными металлами в используемых МИМ-структурах. Но разброс параметров переключения ячеек может быть связан и с самим стохастическим характером так называемого филаментарного режима резистивного переключения, являющегося по сути обратимым микропробоем диэлектрика. Все это безусловно сдерживает широкомасштабное внедрение оксидной ReRAM в производство. Поэтому

данное диссертационное исследование, направленно как на детальное исследование филаментарного резистивного переключения, в частности на достижение необходимого дефицита кислорода в диэлектрике для оптимального состава диэлектрика, так и на реализацию совершенно других, нефиламентарных, механизмов резистивного переключения в МИМ-структурах на основе оксида тантала, является безусловно актуальным.

Степень разработанности темы исследования

В филаментарном режиме резистивного переключения ключом к снижению напряжения электроформовки и повышению стабильности параметров переключения является реализация в диэлектрике слоя с дефицитом кислорода (определенным уровнем концентрации кислородных вакансий Vo) [29-31]. В отличии от других исследований в данной диссертации использован целый комплекс подходов к получению кислородо-дефицитного слоя ТаОх для резистивно- переключаемых МИМ-структур.

Это прежде всего in situ подход, основанный на создании дефицита кислорода непосредственно в процессе роста оксида тантала методом атомно-слоевого осаждения (АСО). Эти исследования особенно важны так как именно метод АСО в перспективе способен привести к созданию 3-х мерной резистивной памяти по технологии Vertical-ReRAM, способной конкурировать с Vertical-NAND памятью по плотности записи. Это одновременно и достаточно сложная задача так как классическое термическое-АСО как правило приводит к получению оксидных слоев с высокой степенью стехиометричности. В этой связи, для поучения субстехиометричных TaOx слоев была привлечена относительно новая разновидность метода АСО, а именно, радикало-стимулированное атомно-слоевое осаждение (РАСО). И хотя попытки создать АСО-оксид тантала с дефицитом кислорода уже предпринимались, они велись с помощью РАСО с использованием снижения дозы активного кислорода [32]. При этом в таких процессах РАСО активному кислороду приходится выполнять две довольно

противоречивые задачи: во-первых, желательно полностью удалить лиганды органических прекурсоров и, во-вторых, обеспечить достижение дефицита кислорода в оксиде тантала. Также необходимо учесть, что для РАСО субстехиометрического TaOx слоев практически не исследованы процессы насыщения, а также влияния ростовых параметров на химико-структурные и электрические свойства получаемых покрытий. Нужно также отметить, что и двуслойные АСО-диэлектрики на основе оксида тантала, содержащие слой субстехиометрического TaOx, практически не изучались в литературе, а именно такие диэлектрики наиболее интересны с точки зрения резистивного переключения и поэтому заслуживают детального рассмотрения.

В данной диссертации рассмотрен также и ex situ подход к созданию кислород-дефицитного TaOx слоя, который заключался в приведении в контакт стехиометрического оксида тантала и электрода из металла с достаточно высоким сродством с кислородом - тантала. Причем в диссертации эти исследования проведены на оксиде тантала для различных типов: нестехиметрического (TaOx), стехиометрического (Ta2O5), сверхстехиметрического (Ta2O5+x) составов.

Вместе с тем филаментарному режиму присущ существенный внутренний недостаток — это стохастический характер как процессов электроформовки, так рабочих циклов резистивного переключения, следствием чего является существенный разброс величин ключевых рабочих параметров в данном виде памяти. Кроме того, филаментарный режим из -за линейности I-V характеристики в состоянии ON часто приводит к паразитным токам утечки в кросс-бар массивах без селектирующих элементов [33-37] Поэтому существенная часть диссертации посвящена такому мало изученному направлению как исследованию возможностей реализации [36-40] нефиламентарного механизма в оксидной ReRAM. Несмотря на то, что в литературе уже были отдельные исследования структур с нефиламентарным механизмом резистивного переключения с использованием оксида тантала [9,36-38], остаются не выявленными закономерности и механизмы,

приводящие к нефиламентарному переключению. В этих исследованиях были использовали многослойные диэлектрики и, как следствие, высокие напряжения записи. Стоит так же выделить, что в части работ, описывающих нефиламентарное резистивное переключение, применяется платиновый электрод [36,37], который в основном считается несовместимым с современными КМОП процессами из-за стоимости интеграции [39]. При этом в литературе не сообщается о возможности реализации нефиламентарного механизма переключения в МИМ-структурах с однослойным диэлектриком, а также недостаточно исследованы особенности перехода от нефиламентарномого к филаментарному режиму, в том числе с КМОП совместимыми электродами из тантала и нитрида титана.

В этой связи в основе диссертации лежат исследования по поиску путей улучшения параметров филаментарного резистивного переключения за счет применения различных способов управления дефицитом кислорода (ТаОх), а также выявление закономерностей нефиламентарного механизма резистивного переключения и разработка элементов памяти на данном принципе.

Цель работы заключалась в исследовании филаментарного и нефиламентарного резистивного переключения МИМ-структур на основе оксида тантала и использовании этих исследований для улучшения характеристик оксидной резистивной памяти.

Для достижения цели автором были поставлены и решены следующие основные научно-технические задачи:

1. Изучение влияния концентрации активного водорода Н* в Та(ОС2Н5)5/Н* РАСО процессе на химико-структурные свойства слоев оксида тантала ТаОх;

2. Изучение влияния дозы активного водорода Н* в Та(ОС2Н5)5/Н* РАСО процессе на механизм токопереноса и уровень токов утечки в структурах ТЮТаОх/Р^

3. Изучение влияния добавочного субстехиометрического ТаОх слоя на параметры резистивного переключения МИМ-структур с стехиометрическим оксидом тантала -Та2О5;

4. Исследования по применению электрода из тантала для частичного восстановления диэлектрика на основе нестехиметрического/ сверхстехиометрического оксида тантала;

5. Изучение возможности реализации нефиламентарного резистивного переключения и механизмов токопереноса в МИМ-структурах Т1К/Та2О5/Р1 и Т1К/Та2О5/Та на основе однослойного диэлектрика из оксида тантала, полученного методом АСО;

6. Изучение синаптических свойств и способов управления параметрами нефиламентарного резистивного переключения в МИМ структурах Т1К/Та2О5/Та на основе однослойного диэлектрика из оксида тантала, полученного методом АСО.

Объекты и методы исследования

Основными объектами исследования являются тонкие слои проводников и диэлектриков, сформированные магнетронным напылением и методом атомно-слоевого осаждения, а также МИМ-структуры и границы раздела электрод-диэлектрик на их основе:

1. Диэлектрические слои нестехиометричного ТаОх, сформированные методом РАСО;

2. Диэлектрические слои сверхстехиометрического Та2О5+х, полученного методом реактивного ионного распыления;

3. Диэлектрические слои стехиометричного Та2О5, сформированные методом АСО;

4. Диэлектрические слои ИЮ2 сформированные методом АСО;

5. МИМ-структуры с однослойным диэлектриком Т1К/ТаОх/Р1:, ™/Та2О5/Р1, ™/Та2О5/Та, Р№2О5+х/Та;

6. МИМ-структуры с двуслойным диэлектриком: Т1К/ИЮ2/Та2О5/Та;

7. Границы раздела электрод/диэлектрик: Т1К/Та2О5, Т1К/НЮ2, Та/Та2О5

В диссертационной работе применялись следующие методы исследования:

1. Рентгено-фотоэлектронная спектроскопия (РФЭС) для элементного анализа тонких плёнок, состояния границ раздела, а также взаимного расположения зон в структурах проводник-диэлектрик;

2. Рентгеновская дифрактометрия для исследования структуры АСО ТаОх слоев;

3. Атомно-силовая микроскопия для оценки шероховатости нижнего электрода;

4. Метод конечных элементов для расчёта электрического поля в МИМ структуре;

5. Лазерная эллипсометрия для оценки толщины слоёв оксидов металлов, полученных АСО;

6. Метод инфракрасной спектроскопии с преобразованием Фурье ^ТЩ

7. Обратное резерфордовское рассеяние (ОРР) для элементного анализа

8. Метод вольт-амперных характеристик для измерения токов утечек и оценки сопротивлений при резистивном переключении;

9. Потенциостатический метод для измерения переходных процессов в МИМ структурах;

10. Импульсные и квазистатические методы измерения переключения сопротивления МИМ-структур.

Научная новизна

1. Впервые продемонстрирован режим насыщения в Та(ОС2Н5)5/Н* в радикало-стимулированном АСО-процессе получения субстехиометрического ТаОх, условия насыщения определены как по дозе металл-содержащего прекурсора, так и по дозе активного Н*;

2. Впервые продемонстрирована возможность управления токами утечек в МИМ-структурах Т1К/ТаОх/Р1:, где оксид тантала получен в Та(ОС2Н5)5/Н* радикало-стимулированном АСО-процессе;

3. Впервые продемонстрировано влияние толщины субстехиометрического слоя РАСО ТаОх на параметры резистивного переключения в структуре ТЖГаОх/Та2О5/Р1:;

4. Впервые продемонстрировано резистивное переключение в структурах на основе сверхстехеометричного Та2О5+х

5. Впервые продемонстрировано нефиламентарное резистивное переключение в МИМ-структурах с однослойным диэлектриком из оксида тантала - Та2О5;

6. Определены механизмы токопереноса при нефиламентарном резистивном переключении в структурах Т1К/Та2О5/Р1:, Т1К/Та2О5/Та, ™/НЮ2/Та2О5/Та.

7. Впервые продемонстрированы синаптические свойства структур с нефиламентарным резистивным переключением на базе МИМ структур с однослойным диэлектриком Т1К/Та2О5/Та.

Основные научные положения, выносимые на защиту:

1. Установленная возможность управления токами утечек в диапазоне 5 порядков величины в РАСО ТаОх пленках как за счет изменения концентрации водорода в Аг/Н2 плазме в диапазоне 7-70%, так и за счет изменения длительности горения плазменного разряда в диапазоне 6-70 с;

2. Экспериментальная апробация применения электрода из тантала для реализации филаментарного бесформовочного резистивного переключения в МИМ-структурах Р1:/Та2О5+х/Та с ресурсом по перезаписи ~ 108 циклов;

3. Установленный режим нефиламентарного резистивного переключения в структурах с однослойным диэлектриком Т1К/Та2О5/Та, обусловленного обратимым изменением пространственного заряда вследствие захвата/освобождения носителей ловушками диэлектрика;

4. Установленные синаптические свойства структуры Т1К/Та2О5/Та с нефиламентарным резистивным переключением, заключающиеся в управлении величиной сопротивления за счёт амплитуды, длительности и частоты переключающих импульсов, а также в реализации режимов потенциации и депрессии.

Научная и практическая значимость

В работе представлены способы управления концентрацией кислорода и токами утечки в пленках ТаОх за счёт изменения технологических параметров радикало-стимулированного атомно-слоевого осаждения (РАСО). Результаты могут быть применены при разработке высокоплотной памяти в исполнении и методах создания дефицита кислорода в оксидах иных материалов.

Представленный нефиламентарный механизм резистивного переключения в структурах Т1К/Та2О5/Та и методы управления его

характеристиками могут быть использованы при подавлении паразитных токов в cross-bar массивах памяти, а на базе ячеек подобной памяти возможна реализация нейросетевых алгоритмов и, в частности, резервуарных вычислений.

Достоверность результатов

Достоверность полученных результатов обусловлена использованием современных методов диагностики структур и материалов, комплексным анализом полученных данных, проведением взаимодополняющих экспериментов, повторяемостью результатов при большой выборке исследуемых образцов.

Апробация результатов работы

Основные результаты работы докладывались и получили одобрение на следующих конференциях:

1. European Materials Research Society (E-MRS 2015) Spring Meeting, France, Lille 2015;

2. Insulating Films on Semiconductors (INFOS 2017), Potsdam, Germany, 2017

3. 60-я Всероссийская научная конференция МФТИ, Россия, Долгопрудный, 2017;

4. 8th Forum on New Materials (CIMTEC 2018), Perugia, Italy, 2018

5. European Materials Research Society (E-MRS 2019) Fall Meeting, Poland, Warsaw 2019;

6. Российский Форум «Микроэлектроника 2022», Роза Хутор, Россия 2022 Публикации

В основе диссертации лежат результаты, опубликованные в 8 печатных работах, опубликованных в журналах, индексируемых базами данных Web of Science и/или Scopus и входящих в перечень ведущих периодических изданий ВАК: [22-24,40-44].

Личный вклад автора

Автор самостоятельно проводил экспериментальные работы по созданию методами атомно-слоевого осаждения и магнетронного напыления структур металл-диэлектрик-металл с функциональными диэлектрическими слоями стехиометричного оксида тантала (Та2О5), нестехиометричного оксида тантала (ТаОх), сверхстехиометричного оксида тантала (Та2О5+х), оксида гафния (НГО2) и электродами из нитрида титана (Т1К), платины (Р1:) и тантала (Та). Автор лично формировал тестовые структуры для исследования на зондовой станции с использованием фотолитографии и плазменного травления. Автор лично проводил все электрофизические исследования на зондовой станции и разрабатывал программный измерительный код. Автор лично формировал структуры электрод-диэлектрик и тонкоплёночные покрытия для исследования границ раздела и поверхностей методом РФЭС. Автор активно участвовал в обработке и интерпретации всех экспериментальных данных, полученных методами (ИК-спектроскопии, АСМ, квантово-механического моделирования). Участие коллег автора в приведённых исследованиях отражено в виде их соавторства в опубликованных работах. Результаты, выносимые на защиту и составляющие научную новизну работы, были получены автором диссертации лично.

Структура и объем диссертации

Работа состоит из четырёх глав, введения, заключения, списка сокращений и обозначений и списка литературы; изложена на 148 листах машинописного текста, содержит 89 рисунков и 14 таблиц; список литературы включает 139 наименований.

Благодарности

Выражаю благодарность своему научному руководителю Маркееву Андрею Михайловичу за продуктивные дискуссии и постановку научных задач, помощь в подготовке экспериментов и написании научных статей, а также самой диссертации. Особую благодарность выражаю членам научного коллектива за всестороннюю помощь, поддержку и подсказки: Егорову Константину Викторовичу, Козодаеву Максиму Геннадьевичу, Черниковой Анне Георгиевне, Лебединскому Юрию Юрьевичу, Романову Роману Ивановичу, Мякоте Денису Игоревичу, Славичу Александру Сергеевичу, Бокову Валентину Сергеевичу, Королёвой Александре Алексеевне, Хакимову Роману Равильевичу. Выражаю благодарность коллективу ЦКП МФТИ за помощь в постановке, проведении экспериментов и за полезные обсуждения полученных результатов. В особенности Негрову Дмитрию Владимировичу, Чуприк Анастасии Александровне, Кондратюк Екатерине Владимировне, Мутаеву Исламу Аслановичу, Киртаеву Роману Владимировичу, Суворовой Юлии Борисовне, Зенкевичу Андрею Владимировичу. Подколзиной Елене Викторовне и Батуриной Ирине Викторовне за сопровождение научных исследований.

Так же хочу сказать Спасибо жене Свете и дочке Лене, за терпение неизмеримое в минутах, поддержку и ощущение времени. Родителям - за пример лучшего в мире дуэта. Брату - за жизненные навигационные карты.

Глава 1. РЕЗИСТИВНОЕ ПЕРЕКЛЮЧЕНИЕ В МИМ-СТРУКТУРАХ НА ОСНОВЕ ОКСИДОВ ПЕРЕХОДНЫХ МЕТАЛЛОВ /ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ И ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ

1.1 Обзор новых видов энергонезависимой памяти (MRAM, PCRAM, RERAM, FERAM)

Основу современной архитектуры фон Неймана составляют различные типы памяти, работающие на различных физических принципах, которые можно разделить на два больших класса: энергозависимой (volatile) и энергонезависимой (nonvolatile) [17]. В случае энергозависимой памяти необходимо постоянное обновление состояний «0» или «1» за счёт подведения энергии, в свою очередь, энергонезависимая память не нуждается в подобной операции и может сохранять состояния «0» или «1» продолжительное время. В настоящий момент основой для современных устройств массового рынка являются энергозависимые статическая память произвольного доступа (SRAM), динамическая память произвольного доступа (DRAM) и энергонезависимая Flash-память.

Однако, современные прикладные задачи, например, распознавание изображения и речи, выявили не оптимальность архитектуры фон Неймана из-за длительного времени ожидания данных процессором и, как следствие, высокого расхода энергии [3,4], что потребовало заполнить пробел во времени доступа новым классом памяти - SCM (storage class memory, Рисунок 1) [45], который, в свою очередь, потребовал разработки энергонезависимой памяти функционирующей на новых принципах, так как реализация необходимых параметров с помощью SRAM, DRAM и Flash-памяти оказалась затруднительна [10].

Ещё один подход в оптимизации работы с данным и снижении энергопотребления разработка нейроморфных вычислительных систем, в которых реализуется возможность проводить вычисления в памяти без их перемещения до процессора. Данный метод хотя и может быть реализованы

на существующих типах флеш-памяти [15], но задачи снижения напряжений программирования, реализации мультибитности и синаптических свойств ячеек памяти остаются актуальными[13,19].

Рисунок 1 Иерархия памяти [45]

Перейдём к краткому описанию физических принципов работы перспективных типов памяти, которые могут быть использованы как для SCM, так и для нейроморфных систем:

Память на основе сегнетоэлектриков (ferroelectric memory) Сегнетоэлектричество основано на двух стабильных положениях атома в элементарной кристаллической ячейке и характеризуются гистерезисом поляризации, в том числе наличием остаточной поляризации. Приложение внешнего электрического поля приводит к смещению атомов и изменению направления вектора поляризации. При нулевом поле атомы остаются в своем положении, что делает сегнетоэлектрики естественным выбором для энергонезависимого хранения данных.

Можно выделить три концепций использования сегнетоэлектриков: 1транзистор-1 конденсатор (1T-1C FeRAM), 1транзистор (1T, FeFET), 1 резистор (1R, FTJ).

Рисунок 2 Память на основе сегнетоэлектрика в архитектуре 1T-1C[10]

1T-1C (FeRAM, ferroelectric random access memory) - структура ячейки памяти схожа с DRAM, однако, чтобы сделать накопительный конденсатор энергонезависимым, его диэлектрик заменен сегнетоэлектриком (Рисунок 2), который позволяет сохранять заряд в конденсаторе за счёт смещения ионов в кристаллической решетке. Чтобы записать логические состояния «0» или «1» в конденсатор, на один из его электродов через транзистор подаётся напряжение, а другой остаётся заземленным. При чтении логического состояния в зависимости от направления поляризации сегнетоэлектрика регистрируется либо линейный диэлектрический отклик (случай без переключения), либо увеличенный отклик по току (случай переключения).

В ячейке 1T или FeFET (ferroelectric field-effect transistor) сегнетоэлектрик интегрирован в затвор над каналом транзистора. Поляризационный заряд сегнетоэлектрика приводит к дополнительному заполнению или обеднению канала (сдвиг порогового напряжения) по сравнению с диэлектриком затвора и, таким образом, управляет током через транзистор в направлении исток-сток, что так же можно использовать для реализации логических состояний «0» и «1».

В отличии FeRAM и FeFET, память на основе сегнетоэлектрического туннельного перехода (FTJ, ferroelectric tunnel junctionn), имеет структуру металл-изолятор-металл, где в качестве изолятора используется сегнетоэлектрик. Работа FTJ основана на изменении общего профиля

туннельного барьера, который определяется сегнетоэлектрическим слоем и модифицируется поляризационным зарядом сегнетоэлектрика, что приводит к изменению сопротивлению структуры и возможности реализации различных логических состояний.

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Кузьмичёв Дмитрий Сергеевич, 2023 год

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Yoneda S. et al. Newly developed process integration technologies for highly reliable 40 nm ReRAM // Jpn J Appl Phys. Institute of Physics Publishing, 2019. Vol. 58, № SB.

2. Wan Q. et al. Emerging Artificial Synaptic Devices for Neuromorphic Computing // Adv Mater Technol. 2019. Vol. 4, № 4. P. 1-34.

3. Horowitz M. Computing's energy problem (and what we can do about it) // Dig Tech Pap IEEE Int Solid State Circuits Conf. 2014. Vol. 57. P. 10-14.

4. Ielmini D., Wong H.S.P. In-memory computing with resistive switching devices // Nat Electron. Springer US, 2018. Vol. 1, № 6. P. 333-343.

5. Keckler S.W. et al. GPUs and the future of parallel computing // IEEE Micro. 2011. Vol. 31, № 5.

6. Sze V. et al. Efficient Processing of Deep Neural Networks: A Tutorial and Survey // Proceedings of the IEEE. 2017. Vol. 105, № 12.

7. Jouppi N.P. et al. In-datacenter performance analysis of a tensor processing unit // Proceedings - International Symposium on Computer Architecture. 2017. Vol. Part F128643.

8. Sebastian A. et al. Memory devices and applications for in-memory computing // Nat Nanotechnol. Springer US, 2020. Vol. 15, № 7. P. 529-544.

9. Hsu C.W. et al. Homogeneous barrier modulation of TaOx/TiO2bilayers for ultra-high endurance three-dimensional storage-class memory // Nanotechnology. 2014. Vol. 25, № 16.

10. Schenk T. et al. Memory Technology - A Primer for Material Scientists // Reports on Progress in Physics. 2020. Vol. 83.

11. Hudec B. et al. 3D resistive RAM cell design for high-density storage class memory—a review // Science China Information Sciences. 2016. Vol. 59, №

6. P. 1-21.

12. Aluguri R., Tseng T.Y. Overview of selector devices for 3-D stackable cross point RRAM arrays // IEEE Journal of the Electron Devices Society. IEEE, 2016. Vol. 4, № 5. P. 294-306.

13. Zhao M. et al. Reliability of analog resistive switching memory for neuromorphic computing // Appl Phys Rev. AIP Publishing LLC, 2020. Vol.

7, № 1. P. 011301.

14. Ielmini D., Ambrogio S. Emerging neuromorphic devices // Nanotechnology. IOP Publishing, 2020. Vol. 31, № 9.

15

16

17

18

19

20

21

22

23

24

25

26

27

28

29

30

Merrikh-Bayat F. et al. High-Performance Mixed-Signal Neurocomputing with Nanoscale Floating-Gate Memory Cell Arrays // IEEE Trans Neural Netw Learn Syst. 2018. Vol. 29, № 10.

Schuman C.D. et al. Opportunities for neuromorphic computing algorithms and applications // Nature Computational Science. Springer Nature, 2022. Vol. 2, № 1. P. 10-19.

Chen A. et al. Emerging Nanoelectronic Devices // Emerging Nanoelectronic Devices. 2015. Vol. 9781118447741.

Yu S., Chen P.Y. Emerging Memory Technologies: Recent Trends and Prospects // IEEE Solid-State Circuits Magazine. Institute of Electrical and Electronics Engineers Inc., 2016. Vol. 8, № 2. P. 43-56. Emelyanov A. v. et al. Yttria-stabilized zirconia cross-point memristive devices for neuromorphic applications // Microelectron Eng. Elsevier, 2019. Vol. 215, № February. P. 110988.

Seok J.Y. et al. A review of three-dimensional resistive switching cross-bar array memories from the integration and materials property points of view // Adv Funct Mater. 2014. Vol. 24, № 34. P. 5316-5339. Xia Q., Yang J.J. Memristive crossbar arrays for brain-inspired computing // Nat Mater. Springer US, 2019. Vol. 18, № 4. P. 309-323. Kuzmichev D.S., Lebedinskii Y.Y. Resistive switching in MIM structure based on overstoichiometric tantalum oxide // Microelectron Eng. Elsevier B.V., 2017. Vol. 178. P. 150-153.

Egorov K.V. et al. In Situ Control of Oxygen Vacancies in TaOx Thin Films via Plasma-Enhanced Atomic Layer Deposition for Resistive Switching Memory Applications // ACS Appl Mater Interfaces. 2017. Vol. 9, № 15. P. 13286-13292.

Kuzmichev D.S. et al. Atomic Layer Deposited Oxygen-Deficient TaOx Layers for Electroforming-Free and Reliable Resistance Switching Memory // Physica Status Solidi - Rapid Research Letters. 2018. Vol. 12, № 12. Egorov K. v. et al. Full ALD Ta 2 O 5 -based stacks for resistive random access memory grown with in vacuo XPS monitoring // Appl Surf Sci. Elsevier B.V., 2015. Vol. 356. P. 454-459.

Indiveri G., Linn E., Ambrogio S. ReRAM-Based Neuromorphic Computing // Resistive Switching. 2016. P. 715-736.

Wang Z. et al. Resistive switching materials for information processing // Nat Rev Mater. Springer US, 2020. Vol. 5, № 3. P. 173-195. Markeev A. et al. Multilevel resistive switching in ternary HfxAl1-xOy oxide with graded Al depth profil // Russian Microelectronics. 2014. Vol. 43, № 5. P. 328-332.

Wei Z. et al. Highly reliable TaO x ReRAM and direct evidence of redox reaction mechanism // Technical Digest - International Electron Devices Meeting, IEDM. 2008.

Lee M.J. et al. A fast, high-endurance and scalable non-volatile memory device made from asymmetric Ta2O5-x/TaO2-xbilayer structures // Nat Mater. Nature Publishing Group, 2011. Vol. 10, № 8. P. 625-630.

31

32

33

34

35

36

37

38

39

40

41

42

43

44

45

Yang J.J. et al. High switching endurance in TaOx memristive devices // Appl Phys Lett. 2010. Vol. 97, № 23. P. 3-6. Diokh T. et al. Study of resistive random access memory based on TiN/TaOx/TiN integrated into a 65 nm advanced complementary metal oxide semiconductor technology // Thin Solid Films. 2013. Vol. 533. Prakash A., Hwang H. Multilevel cell storage and resistance variability in resistive random access memory // Physical Sciences Reviews. 2019. Vol. 1, № 6. P. 1-16.

Raghavan N. et al. Stochastic variability of vacancy filament configuration in ultra-thin dielectric RRAM and its impact on OFF-state reliability // Technical Digest - International Electron Devices Meeting, IEDM. IEEE,

2013. P. 554-557.

Ambrogio S. et al. Statistical Fluctuations in HfO x Resistive-Switching Memory : Part I - Set / Reset Variability // IEEE Trans Electron Devices.

2014. Vol. 61, № 8. P. 2912-2919.

Kim K.M. et al. Low-Power, Self-Rectifying, and Forming-Free Memristor with an Asymmetric Programing Voltage for a High-Density Crossbar Application // Nano Lett. 2016. Vol. 16, № 11. P. 6724-6732. Yoon J.H. et al. Highly uniform, electroforming-free, and self-rectifying resistive memory in the Pt/Ta2O5/HfO2-x/TiN structure // Adv Funct Mater. 2014. Vol. 24, № 32. P. 5086-5095.

Ma H. et al. A Self-Rectifying Resistive Switching Device Based on HfÜ2/TaOx Bilayer Structure // IEEE Trans Electron Devices. IEEE, 2018. Vol. 66, № 2. P. 1-5.

Al-Mamun M., King S.W., Orlowski M. Thermal and Chemical Integrity of Ru Electrode in Cu/TaO x /Ru ReRAM Memory Cell // ECS Journal of Solid State Science and Technology. 2019. Vol. 8, № 12. Egorov K.V. et al. Hydrogen radical enhanced atomic layer deposition of TaOx: saturation studies and methods for oxygen deficiency control // J Mater Chem C Mater. 2018. Vol. 6, № 36.

Kuzmichev D.S. et al. Resistance Switching Peculiarities in Non-Filamentary Self-Rectified TiN/Ta2O5/Ta and TiN/HfO2/Ta2O5/Ta Stacks // Physica Status Solidi (a). 2020. Vol. 1900952. P. 2-9.

Kuzmichev D.S., Markeev A.M. Neuromorphic Properties of Forming-Free

Non-Filamentary TiN / Ta 2 O 5 / Ta Structures with an Asymmetric Current

- Voltage Characteristic. 2021. Vol. 16, № 6. P. 839-845.

Kuzmichev D.S. et al. Bottom Electrode Nanoasperities as a Root of High

Performance Resistive Switching Effect // physica status solidi (RRL) -

Rapid Research Letters. 2020. Vol. 2000461. P. 1-6.

Lebedinskii Y.Y. et al. Effect of dielectric stoichiometry and interface

chemical state on band alignment between tantalum oxide and platinum //

Appl Phys Lett. 2015. Vol. 107, № 14. P. 3-7.

Ielmini Daniele., Waser R. Resistive Switching From Fundamentals of

Nanoionic Redox Processes to Memristive Device Applications // Resistive

Switching. 2016. Vol. 91.

46

47

48

49

50

51

52

53

54

55

56

57

58

59

60

61

62

63

Hwang C.S. Prospective of Semiconductor Memory Devices: from Memory System to Materials // Adv Electron Mater. 2015. Vol. 1, № 6. P. 1-30. Burr G.W. et al. Neuromorphic computing using non-volatile memory // Adv Phys X. Taylor & Francis, 2017. Vol. 2, № 1. P. 89-124. Lanza M. et al. Recommended Methods to Study Resistive Switching Devices // Adv Electron Mater. 2019. Vol. 5, № 1. P. 1-28. Chen H.Y. et al. Resistive random access memory (RRAM) technology: From material, device, selector, 3D integration to bottom-up fabrication // J Electroceram. Journal of Electroceramics, 2017. Vol. 39, № 1-4. P. 21-38. Kim W. et al. Lowering forming voltage and forming-free behavior of Ta2O5 ReRAM devices // European Solid-State Device Research Conference. 2016. Vol. 2016-0ctob. P. 164-167. Wong B.H.P. et al. Metal - Oxide RRAM. 2012.

Sawa A. Restsive switching in transistion metal oxides // Materials Today. 2008. Vol. 11, № 6. P. 28-36.

Sim H. et al. Excellent Resistance Switching Characteristics of Pt/SrTiO 3 Schottky Junction for Multi-bit Nonvolatile Memory Application. 2005. Chang T., Jo S.H., Lu W. Short-term memory to long-term memory transition in a nanoscale memristor // ACS Nano. 2011. Vol. 5, № 9. P. 7669-7676.

Sheu S.S. et al. A 5ns fast write multi-level non-volatile 1 K bits RRAM memory with advance write scheme // IEEE Symposium on VLSI Circuits, Digest of Technical Papers. 2009.

Yu S. et al. HfOx-based vertical resistive switching random access memory suitable for bit-cost-effective three-dimensional cross-point architecture // ACS Nano. 2013. Vol. 7, № 3. P. 2320-2325.

Grossi A. et al. Electrical characterization and modeling of pulse-based forming techniques in RRAM arrays // Solid State Electron. 2016. Vol. 115. Huang C.H. et al. ZnO 1- x nanorod arrays/ZnO thin film bilayer structure: From homojunction diode and high-performance memristor to complementary 1D1R application // ACS Nano. 2012. Vol. 6, № 9. Huang J.J. et al. Bipolar nonlinear Ni/TiO2/Ni selector for 1S1R crossbar array applications // IEEE Electron Device Letters. 2011. Vol. 32, № 10. Ma H. et al. A vacancy-modulated self-selective resistive switching memory with pronounced nonlinear behavior // Appl Phys A Mater Sci Process. Springer Verlag, 2017. Vol. 123, № 12.

Huang J.J. et al. One selector-one resistor (1S1R) crossbar array for high-density flexible memory applications // Technical Digest - International Electron Devices Meeting, IEDM. 2011.

Liu Q. et al. Improvement of resistive switching properties in ZrO2-Based ReRAM with implanted Ti ions // IEEE Electron Device Letters. 2009. Vol. 30, № 12.

Lee B., Wong H.S.P. NiO resistance change memory with a novel structure for 3D integration and improved confinement of conduction path // Digest of Technical Papers - Symposium on VLSI Technology. 2009.

64. Kim W. et al. Impact of oxygen exchange reaction at the ohmic interface in Ta2O5-based ReRAM devices // Nanoscale. Royal Society of Chemistry, 2016. Vol. 8, № 41. P. 17774-17781.

65. Chen C.Y. et al. Endurance degradation mechanisms in TiN\Ta2O5\Ta resistive random-access memory cells // Appl Phys Lett. 2015. Vol. 106, № 5. P. 2013-2016.

66. Goux L. et al. Role of the Ta scavenger electrode in the excellent switching control and reliability of a scalable low-current operated TiN\Ta2O5 \Ta RRAM device // Digest of Technical Papers - Symposium on VLSI Technology. 2014. P. 1-2.

67. Yu S. et al. Improved uniformity of resistive switching behaviors in Hf O2 thin films with embedded Al layers // Electrochemical and Solid-State Letters. 2010. Vol. 13, № 2. P. 36-39.

68. Park G.S. et al. In situ observation of filamentary conducting channels in an asymmetric Ta 2 O 5-x/TaO 2-x bilayer structure // Nat Commun. 2013. Vol. 4. P. 1-9.

69. Kawai K. et al. Highly-reliable TaOx reram technology using automatic forming circuit // ICICDT 2014 - IEEE International Conference on Integrated Circuit Design and Technology. 2014. P. 0-3.

70. Arita M. et al. Nanoscale filaments in Ta-O resistive RAM bit array: Microscopy analysis and switching property // 2019 IEEE 11th International Memory Workshop, IMW 2019. 2019.

71. Wei Z. et al. From memory to sensor: Ultra-low power and high selectivity hydrogen sensor based on ReRAM technology // Digest of Technical Papers - Symposium on VLSI Technology. 2018. Vol. 2018-June.

72. Yasuhara R. et al. Consideration of conductive filament for realization of low-current and highly-reliable TaOx ReRAM // 2013 5th IEEE International Memory Workshop, IMW 2013. IEEE, 2013. P. 34-37.

73. Muraoka S. et al. Comprehensive understanding of conductive filament characteristics and retention properties for highly reliable ReRAM // Digest of Technical Papers - Symposium on VLSI Technology. IEEE, 2013. Vol. 2, № 2011. P. 73-74.

74. Wei Z. et al. Demonstration of high-density ReRAM ensuring 10-year retention at 85°C based on a newly developed reliability model // Technical Digest - International Electron Devices Meeting, IEDM. IEEE, 2011. P. 721724.

75. Ito S. et al. ReRAM Technologies for Embedded Memory and Further Applications // 2018 IEEE 10th International Memory Workshop, IMW 2018. 2018. P. 1-4.

76. Fujitsu Launches 12Mbit ReRAM - Largest Memory Density in ReRAM Family : FUJITSU SEMICONDUCTOR MEMORY SOLUTION [Electronic resource]. URL:

https : //www.fuj itsu.com/j p/group/fsm/en/products/reram/spi- 12m-mb85as12mt.html (accessed: 30.10.2022).

77

78

79

80

81

82

83

84

85

86

87

88

89

90

91

92

Bai Y. et al. Study of multi-level characteristics for 3D vertical resistive switching memory // Sci Rep. Nature Publishing Group, 2014. Vol. 4. Wu H. et al. Resistive switching performance improvement of Ta2O 5-x/TaOy bilayer ReRAM devices by inserting AlO 5 barrier layer // IEEE Electron Device Letters. 2014. Vol. 35, № 1. P. 39-41. Joshua Yang J. et al. Engineering nonlinearity into memristors for passive crossbar applications // Appl Phys Lett. 2012. Vol. 100, № 11. Wang Y.F. et al. Characterization and modeling of nonfilamentary Ta/TaOx/TiO2/Ti analog synaptic device // Sci Rep. 2015. Vol. 5. P. 1-9. Yoon J.H. et al. Pt/Ta 2 O 5 /HfO 2-x /Ti Resistive Switching Memory Competing with Multilevel NAND Flash // Advanced Materials. 2015. Vol. 27, № 25. P. 3811-3816.

Hwang C.S. Atomic layer deposition for semiconductors // Atomic Layer Deposition for Semiconductors. 2014. Vol. 9781461480549. Kaariainen T. et al. Atomic Layer Deposition: Principles, Characteristics, and Nanotechnology Applications // Atomic Layer Deposition: Principles, Characteristics, and Nanotechnology Applications. 2013. Profijt H.B. et al. Plasma-Assisted Atomic Layer Deposition: Basics, Opportunities, and Challenges // Journal of Vacuum Science & Technology A: Vacuum, Surfaces, and Films. American Vacuum Society, 2011. Vol. 29, № 5. P. 050801.

Егоров Константин Викторович — МФТИ [Electronic resource]. URL:

https://mipt.ru/education/post-graduate/egorov-konstantin-

viktorovich.php?clear_cache=Y (accessed: 22.05.2023).

Черникова Анна Георгиевна — МФТИ [Electronic resource]. URL:

https://mipt.ru/education/post-graduate/d212-156-09/applicants/chernikova-

anna-georgievna.php (accessed: 22.05.2023).

Chiu F.C. A review on conduction mechanisms in dielectric films //

Advances in Materials Science and Engineering. 2014. Vol. 2014.

Lim E., Ismail R. Conduction Mechanism of Valence Change Resistive

Switching Memory: A Survey // Electronics (Basel). 2015.

Nasyrov K.A., Gritsenko V.A. Transport mechanisms of electrons and holes

in dielectric films // Uspekhi Fizicheskih Nauk. 2013. Vol. 183, № 10. P.

1099-1114.

Ezhilvalavan S., Tseng T.Y. Conduction mechanisms in amorphous and crystalline Ta2O5thin films // J Appl Phys. 1998. Vol. 83, № 9. P. 47974801.

Ezhilvalavan S., Tseng T.Y. Preparation and properties of tantalum pentoxide (Ta2O5) thin films for ultra large scale integrated circuits (ULSIs) application - a review // Journal of Materials Science: Materials in Electronics. 1999. Vol. 10, № 1. P. 9-31.

SIMMONS J.G. Poole-Frenkel Effect and Schottky Effect in Metal-Insulator-Metal Systems. 1967. Vol. 155, № 3.

93. Angle R.L., Talley H.E. Electrical and Charge Storage Characteristics of the Tantalum Oxide-Silicon Dioxide Device // IEEE Trans Electron Devices. 1978. Vol. 25, № 11. P. 1277-1283.

94. Brumbach M.T. et al. Evaluating tantalum oxide stoichiometry and oxidation states for optimal memristor performance // Journal of Vacuum Science & Technology A: Vacuum, Surfaces, and Films. 2014. Vol. 32, № 5.

95. Ivanov M. v. et al. Electronic structure of 5-Ta2O5 with oxygen vacancy: Ab initio calculations and comparison with experiment // J Appl Phys. 2011. Vol. 110, № 2.

96. Ono H., Koyanagi K.I. Infrared absorption peak due to Ta=O bonds in Ta2O5 thin films // Appl Phys Lett. 2000. Vol. 77, № 10.

97. Zhang J.Y., Boyd I.W. Ultraviolet annealing of thin films grown by pulsed laser deposition // Appl Surf Sci. 2000. Vol. 154.

98. Zhang J.Y., Lim B., Boyd I.W. Thin tantalum pentoxide films deposited by photo-induced CVD // Thin Solid Films. 1998. Vol. 336, № 1-2.

99. Rataboul F. et al. Synthesis, characterization and propane metathesis activity of a tantalum-hydride prepared on high surface area "silica supported zirconium hydroxide" // Journal of the Chemical Society. Dalton Transactions. 2007. № 9.

100. Hart M.J. et al. Medium range structural order in amorphous tantala spatially resolved with changes to atomic structure by thermal annealing // J Non Cryst Solids. 2016. Vol. 438.

101. Wu C.-L. et al. Low-loss and high-Q Ta_2O_5 based micro-ring resonator with inverse taper structure // Opt Express. 2015. Vol. 23, № 20.

102. Lee S.H. et al. Hidden structural order in orthorhombic Ta2O5 // Phys Rev Lett. 2013. Vol. 110, № 23.

103. Zallen R. The Physics of Amorphous Solids // The Physics of Amorphous Solids. 2007.

104. Lee J., Lu W., Kioupakis E. Electronic properties of tantalum pentoxide polymorphs from first-principles calculations // Appl Phys Lett. 2014. Vol. 105, № 20.

105. Guo Y., Robertson J. Comparison of oxygen vacancy defects in crystalline and amorphous Ta2O5 // Microelectron Eng. 2015. Vol. 147.

106. Rossnagel S.M., Sherman A., Turner F. Plasma-enhanced atomic layer deposition of Ta and Ti for interconnect diffusion barriers // Journal of Vacuum Science & Technology B: Microelectronics and Nanometer Structures. 2000. Vol. 18, № 4.

107. Kukli K., Ritala M., Leskela M. Atomic Layer Epitaxy Growth of Tantalum Oxide Thin Films from Ta(OC2H5)5 and H2O // J Electrochem Soc. 1995.

108. Chiang T.H., Wager J.F. Electronic conduction mechanisms in insulators // IEEE Trans Electron Devices. 2018. Vol. 65, № 1. P. 223-230.

109. Gritsenko V.A. et al. Charge Transport and the Nature of Traps in Oxygen Deficient Tantalum Oxide // ACS Appl Mater Interfaces. 2018. Vol. 10, № 4. P. 3769-3775.

110

111

112

113

114

115

116

117

118

119

120

121

122

123

124

Perevalov T. v. et al. Electronic structure and charge transport in nonstoichiometric tantalum oxide // Nanotechnology. IOP Publishing, 2018. Vol. 29, № 26. P. 2-11.

Перевалов Т.В., Исламов Д.Р., Черных И.Г. Атомная и электронная структура собственных дефектов в Ta2O5: ab initio моделирование // Письма В Журнал Экспериментальной И Теоретической Физики. 2018. № 11-12. P. 788-793.

Yeargan J.R., Taylor H.L. The Poole-Frenkel effect with compensation present // J Appl Phys. 1968. Vol. 39, № 12. P. 5600-5604. de Respinis M. et al. Oxynitrogenography: Controlled Synthesis of SinglePhase Tantalum Oxynitride Photoabsorbers // Chemistry of Materials. 2015. Vol. 27, № 20. P. 7091-7099.

Hardtdegen A. et al. Improved switching stability and the effect of an internal series resistor in HfO2/TiOx Bilayer ReRAM Cells // IEEE Trans Electron Devices. 2018. Vol. 65, № 8. P. 3229-3236.

Manceau J.P. et al. Metal-insulator-metal capacitors' current instability improvement using dielectric stacks to prevent oxygen vacancies formation // Appl Phys Lett. 2007. Vol. 91, № 13. P. 23-26. Lübben M. et al. Processes and Effects of Oxygen and Moisture in Resistively Switching TaOx and HfOx // Adv Electron Mater. Blackwell Publishing Ltd, 2018. Vol. 4, № 1.

Tappertzhofen S., Waser R., Valov I. Impact of the Counter-Electrode

Material on Redox Processes in Resistive Switching Memories //

ChemElectroChem. 2014. Vol. 1, № 8. P. 1287-1292.

Hur J.H. et al. Modeling for bipolar resistive memory switching in transition-

metal oxides // Phys Rev B Condens Matter Mater Phys. 2010. Vol. 82, №

15.

Abe Y., Kawamura M., Sasaki K. Preparation of PtO and a-PtO2 thin films by reactive sputtering and their electrical properties // Japanese Journal of Applied Physics, Part 1: Regular Papers and Short Notes and Review Papers. 1999. Vol. 38, № 4 A.

Blackstock J.J., Stewart D.R., Li Z. Plasma-produced ultra-thin platinum-oxide films for nanoelectronics: Physical characterization // Appl Phys A Mater Sci Process. 2005. Vol. 80, № 6.

Chu K. et al. Material and electrical characterization of carbon-doped Ta 2O 5 films for embedded dynamic random access memory applications // J Appl Phys. 2002. Vol. 91, № 1. P. 308-316.

Huang S. Oxygen annealing effects on transport and charging characteristics of Al-Ta2O5/SiOxNy-Si structure // IEEE Trans Electron Devices. 2013. Vol. 60, № 9. P. 2741-2746.

Kim J.H. et al. Deposition temperature effect on electrical properties and interface of high-k ZrO2 capacitor // J Phys D Appl Phys. 2008. Vol. 41, № 17.

Ding Y. et al. Switchable diode effect in BaZrO3 thin films // RSC Adv. 2016. Vol. 6, № 65. P. 60074-60079.

125. Gould R.D., Rahman M.S. Power-law currents in some ZnO-Sn composite materials // J Phys D Appl Phys. 1981. Vol. 14, № 1. P. 79-89.

126. Shao X.L. et al. Electronic resistance switching in the Al/TiOx/Al structure for forming-free and area-scalable memory // Nanoscale. Royal Society of Chemistry, 2015. Vol. 7, № 25. P. 11063-11074.

127. Banerjee W. et al. Electronic imitation of behavioral and psychological synaptic activities using TiO:X/Al2O3-based memristor devices // Nanoscale. 2017. Vol. 9, № 38. P. 14442-14450.

128. Kraut E.A. et al. Precise determination of the valence-band edge in X-Ray photoemission spectra: Application to measurement of semiconductor interface potentials // Phys Rev Lett. 1980.

129. Sayan S. et al. Band alignment issues related to HfO 2/SiO 2/p-Si gate stacks // J Appl Phys. 2004. Vol. 96, № 12. P. 7485-7491.

130. Robertson J. Band offsets of wide-band-gap oxides and implications for future electronic devices // Journal of Vacuum Science and Technology B: Microelectronics and Nanometer Structures. 2000. Vol. 18, № 3. P. 17851791.

131. Zhuo V.Y.Q. et al. Band alignment between Ta2O5 and metals for resistive random access memory electrodes engineering // Appl Phys Lett. 2013. Vol. 102, № 6. P. 1-6.

132. Hong X.L. et al. Oxide-based RRAM materials for neuromorphic computing // J Mater Sci. Springer US, 2018. Vol. 53, № 12. P. 8720-8746.

133. Ohno T. et al. Short-term plasticity and long-term potentiation mimicked in single inorganic synapses // Nat Mater. Nature Publishing Group, 2011. Vol. 10, № 8. P. 591-595.

134. Mikheev V. et al. Ferroelectric Second-Order Memristor // ACS Appl Mater Interfaces. 2019. Vol. 11, № 35. P. 32108-32114.

135. Du C. et al. Biorealistic Implementation of Synaptic Functions with Oxide Memristors through Internal Ionic Dynamics // Adv Funct Mater. 2015. Vol. 25, № 27. P. 4290-4299.

136. Du C. et al. Reservoir computing using dynamic memristors for temporal information processing // Nat Commun. Springer US, 2017. Vol. 8, № 1.

137. Carbajal J.P. et al. Memristormodels for machine learning // Neural Comput. 2015. Vol. 27, № 3. P. 725-747.

138. Zhu X., Wang Q., Lu W.D. Memristor networks for real-time neural activity analysis // Nat Commun. Springer US, 2020. Vol. 11, № 1.

139. Matveyev Y. et al. Resistive switching and synaptic properties of fully atomic layer deposition grown TiN/HfO 2 /TiN devices // J Appl Phys. 2015. Vol. 117, № 4.