Исследование физических основ обеспечения надежности энергонезависимой памяти на основе тонких плёнок оксидов переходных металлов тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 00.00.00, кандидат наук Кондратюк Екатерина Владимировна

• Кондратюк Екатерина Владимировна
• кандидат наук
• 2023

Оглавление диссертации кандидат наук Кондратюк Екатерина Владимировна

ВВЕДЕНИЕ

ГЛАВА 1. СОВРЕМЕННЫЕ ПРОБЛЕМЫ ЭНЕРГОНЕЗАВИСИМЫХ ВИДОВ ПАМЯТИ НА ОСНОВЕ ТОНКИХ ПЛЁНОК ОКСИДОВ ПЕРЕХОДНЫХ МЕТАЛЛОВ

1.1 Современные виды энергонезависимой памяти

1.2 Память на основе обратимого резистивного переключения

1.3 Память на основе сегнетоэлектрических переключений

ЗАКЛЮЧЕНИЕ К ГЛАВЕ 1. ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ

ГЛАВА 2. МЕТОДЫ ФОРМИРОВАНИЯ И ИССЛЕДОВАНИЯ ЭНЕРГОНЕЗАВИСИМЫХ ЯЧЕЕК ПАМЯТИ НА ОСНОВЕ ТОНКИХ ПЛЁНОК ОКСИДОВ ПЕРЕХОДНЫХ МЕТАЛЛОВ

2.1 Методы формирования энергонезависимых ячеек памяти на основе тонких плёнок оксидов переходных металлов

2.2 Методы электрофизических исследований энергонезависимых ячеек памяти на основе тонких плёнок оксидов переходных металлов

2.3 Модель кинетики переключения поляризации, ограниченного зародышеобразованием

2.4 Физические механизмы сегнетоэлектрического старения и появления импринта

ГЛАВА 3. РАЗРАБОТКА ПОДХОДОВ ПОИСКА ОПТИМАЛЬНЫХ ПАРАМЕТРОВ РАБОТЫ ЭНЕРГОНЕЗАВИСИМОЙ ПАМЯТИ ReRAM ТОПОЛОГИИ 1Т-№

3.1 Разработанный метод измерений

3.2 Решение задачи корректировки формы коротких импульсов напряжения

3.3 Результаты измерений

ЗАКЛЮЧЕНИЕ К ГЛАВЕ

ГЛАВА 4. ВЛИЯНИЕ ДЕФЕКТОВ НА ГРАНИЦАХ РАЗДЕЛА НА ХАРАКТЕРИСТИКИ ФУНКЦИОНАЛЬНЫХ СТРУКТУР НА ОСНОВЕ СЕГНЕТОЭЛЕКТРИЧЕСКОГО НЮ2 СЛОЯ

4.1 Влияние дефектов на характеристики сегнетоэлектрических МДМ-структур на основе Hf0.5Zr0.5O2

4.2 Исследование глубоких уровней в сегнетоэлектрических МДП-структурах на

основе Hf0.5Zr0.5O2

ЗАКЛЮЧЕНИЕ К ГЛАВЕ

ГЛАВА 5. ВЛИЯНИЕ ИНЖЕКТИРОВАНИЯ ЗАРЯДА НА СКОРОСТЬ ПЕРЕКЛЮЧЕНИЯ СЕГНЕТОЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ПАМЯТИ НА ОСНОВЕ НЮ2

5.1 Экспериментальные данные по кинетике переключений исследуемых структур и их фит при помощи модели NLS распределением по Лоренцу времён переключений доменов

5.2 Обработка экспериментальных данных с использованием модели NLS

5.3 Определение величины встроенного импринта из аппроксимации экспериментальных данных

5.4 Причины встраивания импринта

5.5 Моделирование встраивания импринта вследствие инжекции заряда

ЗАКЛЮЧЕНИЕ К ГЛАВЕ

ГЛАВА 6. КИНЕТИКА ПЕРЕКЛЮЧЕНИЯ ПОЛЯРИЗАЦИИ В ТОНКИХ

СЕГНЕТОЭЛЕКТРИЧЕСКИХ СЛОЯХ Hf0.5Zr0.5O2 В МАЛЫХ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ПОЛЯХ

6.1 Получение экспериментальных данных

6.2 Применение модели переключения поляризации, ограниченной зародышеобразованием

6.3 Общая модель переключения поляризации

ЗАКЛЮЧЕНИЕ К ГЛАВЕ

ГЛАВА 7. ВЫЧИСЛЕНИЕ ПОТЕРЬ СОСТОЯНИЯ В ЯЧЕЙКАХ СЕГНЕТОЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ПАМЯТИ НА ОСНОВЕ Hf0.5Zr0.5O2 ДЛЯ РАЗЛИЧНЫХ РАБОЧИХ ЧАСТОТ

7.1 Модель удержания состояния для сегнетоэлектрической памяти на основе HfO2

7.2 Доработка экспресс теста на удержание состояния до универсальной модели, позволяющей вычислять потери состояния для различных рабочих частот

ЗАКЛЮЧЕНИЕ К ГЛАВЕ

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

СПИСОК СОКРАЩЕНИЙ И ОБОЗНАЧЕНИЙ

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Исследование физических основ обеспечения надежности энергонезависимой памяти на основе тонких плёнок оксидов переходных металлов»

ВВЕДЕНИЕ

Развитие современных цифровых технологий требует повышения производительности компонентов вычислительных систем, в том числе энергонезависимой твердотельной памяти, основными характеристиками которой являются скорость записи/чтения, ресурс, время хранения информации и энергопотребление. Среди разрабатываемых альтернатив «флэш»- памяти одними из наиболее привлекательных являются устройства сегнетоэлектрической памяти с произвольным доступом (ferroelectric random access memory, FeRAM) топологии 1T-1C (1 transistor - 1 capacitor, 1 транзистор - 1 конденсатор) [1] и памяти на основе сегнетоэлектрических полевых транзисторов (ferroelectric field effect transistor, FeFET) топологии 1T [2]. В первом случае измерение тока, протекающего во время импульса чтения, позволяет оценить заряд, индуцированный переполяризацией, и, соответственно, определить предшествовавшее состояние конденсатора. Во втором случае измерение тока сток-исток позволяет оценить сопротивление канала транзистора, определяемое знаком заряда спонтанной поляризации на границе раздела сегнетоэлектрик-полупроводник и, тем самым, направлением поляризации подзатворного сегнетоэлектрика.

В настоящее время наиболее перспективным функциональным материалом для разработки и внедрения сегнетоэлектрической памяти FeRAM и FeFET являются сегнетоэлектрические поликристаллические тонкие пленки легированного оксида гафния HfÜ2, что связано с их идеальной совместимостью с современной кремниевой технологией. Примечательно, что оксид гафния, наряду с другими оксидами переходных металлов, находит также применение в устройствах энергонезависимой резистивной памяти с произвольным доступом (resistive random access memory, ReRAM) топологии 1T-1R (1 transistor - 1 resistor, 1 транзистор - 1 резистор) [3]. Принцип действия данных устройств заключается в эффекте обратимого резистивного переключения (мягкого пробоя) в тонком слое диэлектрика. Измерение тока, протекающего во время подачи импульса чтения, позволяет оценить сопротивление резистора, которое и определяет записанную информацию.

Устройства на основе обратимого резистивного переключения являются наиболее изученными среди упомянутых видов энергонезависимой памяти и обладают рядом высоких технических характеристик, включая высокую скорость записи/чтения, низкое энергопотребление, большое время хранения состояния. Однако устройства резистивной памяти обладают существенным недостатком - процессы их переключения нестабильны:

значительный разброс параметров переключений часто наблюдается как от цикла к циклу для каждой отдельной ячейки памяти, так и от ячейки к ячейке [4,5]. Нестабильность характеристик связана со стохастичностью процесса образования и разрыва проводящего филамента из кислородных вакансий. Одним из широко распространённых способов стабилизации параметров работы ячеек памяти является повышение переключающих напряжений, однако чрезмерное электрическое напряжение (так называемое «превышение напряжения», «voltage overshooting») приводит к значительному снижению ресурса работы памяти [6]. Поэтому при измерении рабочих параметров таких устройств поиск оптимальных напряжений смещения является одним из важнейших вопросов [4,5]. При этом для тестирования больших массивов структур необходима автоматизация процесса измерений. На данный момент известно несколько методик автоматизированного тестирования, однако они либо предполагают, что структура уже сформована или не нуждается в электроформовке [7,8], либо содержат сложную схему её осуществления [4]. Помимо этого, ни один из приведённых методов не предлагает способа восстановления окна памяти в случае превышения напряжения переключения [9].

Устройства сегнетоэлектрической памяти демонстрируют высокую повторяемость параметров переключений (а также высокий ресурс и низкое энергопотребление), однако подвержены влиянию ряда факторов, влияющих на состояние ячейки памяти при хранении информации. Ухудшение характеристик FeRAM памяти за счёт динамики состояния дефектов может приводить к сбою чтения информации как в краткосрочной, так и в долгосрочной перспективе её хранения, то есть к ограниченному времени хранения состояния. Для улучшения временных характеристик такой памяти необходимо исследование природы дефектов, а также процессов миграции заряда и захвата/эмиссии его носителей. При хранении информации на характеристики памяти может оказывать влияние наличие вакансий кислорода и глубоких уровней в запрещённой зоне диэлектрика [10], являющихся ловушками для носителей заряда, способных компенсировать поляризационный заряд [11]. Другим фактором, который может оказывать влияние на распределение электрического заряда, является миграция мобильного заряда из-за дрейфа или диффузии. Данный фактор практически не принимался во внимание при разработке энергонезависимой памяти на основе классических перовскитных сегнетоэлектриков, однако он должен быть учтен при разработке ячеек памяти на основе оксида гафния, поскольку известно, что данному материалу свойственна высокая концентрация заряженных вакансий кислорода, и коэффициент диффузии вакансий кислорода в данном материале достаточно высок. В силу описанных физических явлений при долгосрочном хранении информации в ячейке

сегнетоэлектрической памяти возникает встроенное электрическое поле (так называемое старение сегнетоэлектрика [12]), которое приводит к изменению коэрцитивных напряжений и смещению петли P-V гистерезиса (так называемому импринту). В конечном итоге, эффект сегнетоэлектрического старения приводит к сбою определения состояния ячеек сегнетоэлектрической памяти, то есть к ошибке считывания. В сегнетоэлектрических транзисторах эффект перераспределения заряда также проявляется в сдвиге передаточных характеристик [13][14], а также способствует увеличению токов утечки [15].

В настоящее время основной причиной, сдерживающей внедрение сегнетоэлектрической и резистивной памяти в массовое производство, является недостаточно высокая надежность. Таким образом, исследование физических принципов обеспечения надежности элементов хранения является одной из наиболее актуальных задач в области разработки энергонезависимой памяти.

Целью диссертации является исследование физических механизмов деградации рабочих характеристик и параметров хранения и записи информации в устройствах резистивной и сегнетоэлектрической энергонезависимой памяти, разработка способов характеризации процессов деградации, разработка физико-математических моделей процессов деградации и физически обоснованных подходов их минимизации.

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

1) Разработка метода оптимизации рабочих характеристик резистивной энергонезависимой памяти с применением корректировки формы коротких импульсов напряжения с целью повышения ресурса и устойчивого отношения резистивных состояний.

2) Исследование влияния дефектов на рабочие характеристики функциональных структур сегнетоэлектрической энергонезависимой памяти на основе Hf0.5Zr0.5O2 пленок.

3) Исследование влияния инжекции зарядов и их захвата дефектами на скорость переключения сегнетоэлектрической энергонезависимой памяти на основе Hf0.5Zr0.5O2 пленок.

4) Разработка физической модели и исследование кинетики переключения поляризации сегнетоэлектрических конденсаторов на основе Hf0.5Zr0.5O2 пленок.

5) Разработка методики расчёта потери состояния в ячейках сегнетоэлектрической памяти на основе Hf0.5Zr0.5O2 для различных рабочих частот микросхемы памяти.

Объекты и методы исследования

Объектами исследования в данной работе выступают устройства памяти ReRAM топологии 1T-1R на основе тонких (6 нм) пленок HfÜ2 и сегнетоэлектрические МД11 и МДМ конденсаторы на основе тонких (10 нм) пленок Hf0.5Zr0.5O2.

В работе были использованы следующие методы исследования: метод квазистатических вольтамперных характеристик (1-У метрия), импульсный метод измерения параметров сегнетоэлектрического и резистивного переключения, квазистатический метод измерения параметров сегнетоэлектрического переключения, емкостная переходная спектроскопия, нестационарная спектроскопия глубоких уровней (НЕСГУ), а также разработан ряд методов электрофизических измерений кинетики переключения поляризации и времени хранения состояния.

Научная новизна

В диссертационной работе впервые получены следующие результаты:

1) Разработана методика автоматизированного исследования параметров переключения

ячеек резистивной памяти, позволяющая разрешать случаи превышения напряжения в

ходе тестирования ячейки, подходящая при этом для исследования структур, о которых известны только предельные напряжения на затворе транзистора и канале сток-исток. Найдены оптимальные параметры работы и максимальное число переключений для ячеек

резистивной памяти на основе тонких пленок оксида гафния при длительности предыскажённых импульсов переключения и чтения 50 нс и 10 нс. Продемонстрировано повышение числа циклов переключений за счёт восстановления окна памяти в реальном времени.

2) Определены механизмы потери состояния устройств памяти на основе Hf0.5Zr0.5O2. При температуре 125 оС на малых временах (до 100 с) основную роль играет захват/эмиссия носителей заряда, на больших временах (от 104 с) потерю состояния вызывает диффузия заряда. Исключены непроизвольные потери поляризации из-за внутреннего поля мертвого слоя, неполного поляризационного экранирования и дрейфа заряженных кислородных вакансий. Установлено, что скорость старения сегнетоэлектрического конденсатора растёт с уменьшением длительности импульса, переключающего поляризацию, в диапазоне до 104 с. Показано, что скорость старения сегнетоэлектрического конденсатора в полидоменном состоянии выше, чем в монодоменном, что свидетельствует о влиянии доменных стенок и градиента поляризационных зарядов в направлении, поперечном доменным границам.

3) Предложена новая схема регуляризации для осуществления преобразования Лапласа в нестационарной спектроскопии глубоких уровней. Найдены энергии активации глубоких уровней в функциональном слое Hf0.5Zr0.5O2 сегнетоэлектрических конденсаторов, составляющие 4.95, 4.45, 3.85 эВ относительно потолка валентной зоны.

4) Установлено, что в сегнетоэлектрических конденсаторах на основе Hf0.5Zr0.5O2 пленок в результате инжекции заряда, например, при хранении информации, скорость переключения

поляризации существенно уменьшается. Например, в течении 10 с скорость переключения напряжением -1 В за счёт инжекции заряда в функциональный слой уменьшается в 30 раз при 25 оС, а при 85 и 125 оС - в 103 и 104, соответственно.

5) Разработана модель кинетики переключения поляризации в сегнетоэлектрических конденсаторах на основе Hf0.5Zr0.5O2 пленок, которая учитывает ряд свойств данного материала: деполяризующее поле, инжекцию заряда и неоднородность электрических полей. Установлено, что характеристическое время переключения составляет 410-10 с, а энергия активации -19 МВ/см.

6) Модель потери состояния на основе инжекции заряда доработана с учётом модели кинетики переключения поляризации и позволяет рассчитывать потери для различных частот работы ячейки памяти.

Таким образом, проведённые исследования отвечают поставленным целям, а полученные результаты могут быть использованы в дальнейшей работе по разработке перспективных типов энергонезависимой памяти.

Основные научные положения, выносимые на защиту

1) В интегрированных 1T-1R ячейках резистивной памяти предложенный алгоритм автоматизированного тестирования позволяет в высокоавтоматизированном режиме при определенном выбранном окне памяти осуществлять характеризацию рабочих параметров ячейки памяти, включая напряжения формовки (при любом возможном сценарии формовки), напряжения включения и выключения и изменение рабочих параметров от цикла к циклу и от ячейки к ячейке, а также позволяет автоматически в реальном времени многократно восстанавливать окно памяти. Корректировка формы коротких импульсов напряжения позволяет достичь устойчивого отношения резистивных состояний порядка 102 в ячейках памяти на основе функциональной структуры Pt/HfO2/TiN и количества циклов перезаписи более 1 • 105.

2) В ячейках сегнетоэлектрической памяти на основе Hf0.5Zr0.5O2 пленок потеря состояния обусловлена динамикой встроенного поля, которая связана с аккумуляцией положительного заряда на границах раздела с электродами. При температуре 125 оС во временном масштабе 10"7... 102 с потеря состояния связана с эффектом захвата/эмиссии носителей заряда из глубоких уровней ловушек (вакансий кислорода), а начиная с 104 с -преимущественно с диффузией мобильного заряда. Энергии активации глубоких уровней в функциональном слое Hf0.5Zr0.5O2 сегнетоэлектрических конденсаторов составляют 4.95, 4.45, 3.85 эВ относительно потолка валентной зоны.

3) Инжекция заряда в пассивный диэлектрический слой на границе раздела металл-сегнетоэлектрик в функциональных конденсаторах на основе Hf0.5Zr0.5O2, происходящая во время хранения информации в ячейках памяти FRAM под воздействием электрического поля спонтанной поляризации, приводит к деградации скорости переключения. В результате хранения в течении 10 с скорость переключения напряжением -1 В уменьшается в 30 раз при 25 оС, а при 85 и 125 оС - в 103 и 104, соответственно. При этом толщина диэлектрического слоя составляет 0.6 нм; значения диэлектрической и оптической постоянных диэлектрика - 17 и 7, соответственно; высота барьера на границе раздела - 1.2 эВ.

4) Кинетика переключений поляризации сегнетоэлектрических конденсаторов Wmf0.5Zr0.5O2/TiN описывается статистической моделью кинетики переключений, доработанной с учётом инжекции заряда в сегнетоэлектрический слой. Характеристическое время составляет 4-10-10 с, энергия активации равна 19 МВ/см.

5) Модель потери состояния, дополненная моделью кинетики переключения, позволяет рассчитывать потерю считываемой поляризации в ячейках памяти спустя требуемое время хранения информации при различной рабочей частоте микросхемы. Рассчитанная потеря состояния в ячейках памяти на основе структуры WZHf0.5Zr0.5O2/TiN спустя 10 лет при 85 °С при напряжении чтения 2.5 В составляет 35% и 90% при длительности импульса чтения 0,3 мс и 3 нс, соответственно.

Научная и практическая значимость полученных результатов Существующее на сегодняшний день разделение памяти на оперативную и память жесткого диска является вынужденным решением, вызванным медленной работой и малым ресурсом энергонезависимой флэш-памяти и энергозависимостью DRAM. Создание же универсальной, быстродействующей, энергонезависимой памяти позволило бы значительно увеличить мощность современных вычислительных систем. Однако массовое производство микросхем памяти новых типов возможно только в том случае, если все технические характеристики памяти превышают характеристики современной памяти. Несмотря на то, что одними их наиболее перспективных видов инновационной памяти являются резистивная и сегнетоэлектрическая энергонезависимая память, они обладают рядом недостатков. В случае резистивной памяти недостатком является низкая воспроизводимость рабочих характеристик от ячейки к ячейке и от цикла к циклу, а в случае сегнетоэлектрической памяти - деградация рабочих параметров при долговременном хранении информации. В работе изучены физические механизмы данных нежелательных процессов, предложены их физические модели и предложены подходы для улучшения технических характеристик, что может существенно облегчить внедрение данных инновационных типов памяти в массовое

производство микросхем памяти. Таким образом, изучение механизмов потери состояния в ячейках памяти на основе тонких сегнетоэлектрических плёнок Hf0.5Zr0.5O2 и кинетики переключения поляризации в них делает возможным научно-обоснованный подход к проектированию устройств памяти с высокой надёжностью.

Достоверность и апробация полученных результатов

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

Основные результаты работы были доложены и апробированы на нескольких конференциях со следующими докладами:

1. Е.В. Кондратюк, М. Гребёнкина. Измерение 1T-1R структур на малых временах. 58 научная конференция МФТИ, 2015.

2. Е. Кондратюк, Ю. Матвеев, И. Киселёва, Р. Киртаев, Д. Негров и А. Зенкевич. Автоматическая оптимизация параметров переключения в устройствах энергонезависимой резистивной памяти на основе НГО2. 59 научная конференция МФТИ, 2016.

3. E. Kondratyuk, Y. Matveyev, I. Kiseleva, R. Kirtaev, D. Negrov and A. Zenkevich. Automatic optimization of resistive switching parameters in НГО2 based 1T-1R devices. International conference of Micro- and Nanoelectronics, 2016.

4. Е.В. Кондратюк, А.А. Чуприк, В.В. Михеев, А.Г. Черникова, М.Г. Козодаев, А.М. Маркеев, А.В. Зенкевич, Д.В. Негров. Влияние объемных дефектов и поверхностных состояний на характеристики функциональной структуры FeFET на основе сегнетоэлектрического HfO2 слоя. Международный форум «Микроэлектроника 2020», 2020.

5. Е.В. Кондратюк, А.А. Чуприк, М.Ю. Жук, В.В. Михеев, А.Г. Черникова, А.М. Маркеев, Д.В. Негров. Исследование кинетики переключений поляризации сегнетоэлектрических конденсаторов на основе Hf0.5Zr0.5O2 слоя. 63 научная конференция МФТИ, 2020.

6. Е. Кондратюк, В. Михеев, А. Чуприк. Влияние заряженных дефектов на время хранения в устройствах памяти на основе Hf0.5Zr0.5O2. Международная онлайн-конференция «Исследование сегнетоэлектрических материалов российскими учёными. Столетие открытия сегнетоэлектричества», 2020

7. E.V. Kondratyuk, V.V. Mikheev, D.V. Negrov, A.A. Chouprik. Impact of built-in fields dynamics and switching kinetics of polarization on the retention loss in FRAM based on thin Hf0.5Zr0.5O2 films. International conference of Micro- and Nanoelectronics, 2021.

8. V.V. Mikheev, A.A. Chouprik, E.V. Kondratyuk, E.V. Korostylev, E.A. Guberna, G. Margolin, D.V. Negrov. Development of biocompatible flexible ferroelectric field effect transistor based on thin hafnium oxide films. International conference of Micro- and Nanoelectronics, 2021.

9. А.А. Чуприк, В.В. Михеев, Е.В. Коростылев, Е.В. Кондратюк, И.Г. Марголин, Е.А. Губерна, Д.В. Негров. Разработка сегнетоэлектрического полевого транзистора на основе HfÜ2 на гибкой биосовместимой платформе. XXII Всероссийская конференция по физике сегнетоэлектриков (ВКС - XXII), 2021.

10. E. Kondratyuk, V. Mikheev, A. Chouprik. Calculation of the retention loss in HfO2-based FeRAM devices. European Conference on Applications of Polar Dielectrics, 2022.

11. Е.В. Кондратюк, В.В. Михеев, А.А. Чуприк. Разработка сегнетоэлектрической энергонезависимой памяти на основе тонких пленок HfO2. Международный междисциплинарный семинар «Фазовые переходы и неоднородные состояния в оксидах», 2022.

12. В.В. Михеев, Е.В. Кондратюк, А.А. Чуприк, Расчёт времени хранения логического состояния в ячейках FRAM на основе тонких HfO2 пленок. Российский Форум «Микроэлектроника 2022».

В основе диссертации лежат результаты, опубликованные в 6 статьях периодических изданий, индексируемых базами данных Web of Science и/или Scopus и входящих в перечень ведущих периодических изданий ВАК [16-21].

Личный вклад автора

Все основные результаты диссертации получены автором лично либо при её непосредственном участии. Автором осуществлялись все измерения и их обработка, разработка алгоритма поиска оптимальных параметров переключения ячеек резистивной памяти, разработка модели кинетики переключения поляризации, учитывающей вклад инжекции заряда, а также выполнены все исследования влияния инжектирования заряда на скорость переключения поляризации. При разработке модели потери состояния и теста на его основе автор спроектировала и реализовала измерения импульсных P-V кривых, выполнила апробацию теста, а далее доработала модель для расчета потери считываемого состояния при различной рабочей частоте микросхемы. Необходимый программный код управления измерительным оборудованием во всех экспериментах был разработан лично автором. Автор активно участвовала в интерпретации и обобщении всех полученных результатов, а также подготовке публикаций. Участие коллег автора в исследованиях отражено в виде их соавторства в опубликованных работах. Все выносимые на защиту результаты получены автором лично.

Структура и объем диссертации

Работа состоит из 7 глав, введения, заключения, списка сокращений и обозначений и списка литературы; изложена на 124 листах машинописного текста, содержит 70 рисунков и 4 таблицы; список литературы включает 94 наименования.

ГЛАВА 1. СОВРЕМЕННЫЕ ПРОБЛЕМЫ ЭНЕРГОНЕЗАВИСИМЫХ ВИДОВ ПАМЯТИ НА ОСНОВЕ ТОНКИХ ПЛЁНОК ОКСИДОВ ПЕРЕХОДНЫХ МЕТАЛЛОВ

1.1 Современные виды энергонезависимой памяти

В настоящее время полупроводниковая электроника имеет повсеместное распространение, играя важную роль как в повседневной жизни людей, так и в промышленных и исследовательских её областях. Однако развитие современных цифровых технологий требует повышения производительности компонентов вычислительных систем, в частности, быстрое увеличение количества используемой во многих сферах информации требует новых подходов к её хранению и обработке - необходимо обеспечить хорошую масштабируемость используемых устройств, повысив при этом их рабочие характеристики и снизив стоимость производства.

В связи с этим, одной из активно развивающихся областей электроники является разработка перспективных концепций энергонезависимой памяти, основными характеристиками которой являются быстродействие, износостойкость, время хранения информации и энергопотребление. При этом уже долгое время превалирующим на рынке типом энергонезависимой памяти является всем известная flash-память, основанная на транзисторе с плавающим затвором и подошедшая к пределу своих возможностей в масштабировании.

На сегодняшний день можно выделить шесть основных альтернативных подходов к устройству энергонезависимой памяти (Рисунок 1):

1. Магниторезистивная память (MRAM, magnetic random-access memory).

2. Несколько типов памяти, основанных на принципе обратимого резистивного переключения (ReRAM, resistive random-access memory), включая:

a. память топологии 1T-1R на основе обратимого изменения фазы функционального диэлектрика (PCM, phase change memory), проводимость которого зависит от его состояния (кристаллическое или аморфное);

b. память топологии 1T-1R на основе обратимого окисления-восстановления кислородных вакансий (redox memory) в функциональном слое.

3. Два типа памяти на основе сегнетоэлектрических переключений (FeRAM, ferroelectric random-access memory):

a. память топологии 1T на основе полевого транзистора с сегнетоэлектрическим подзатворным диэлектриком (FeFET, ferroelectric field-effect transistors);

b. память топологии 1T-1C на основе полевого транзистора с сегнетоэлектрическим конденсатором, расположенным на стоке транзистора (FRAM, ferroelectric random-access memory).

4. Память на основе сегнетоэлектрического туннельного перехода (FTJ, ferroelectric tunnel junction), совмещающая в себе принципы работы как ReRAM, так и FeRAM.

Redox Phase Change FTJ FeFET FRAM

Рисунок 1. Основные концепции энергонезависимой памяти.

Сравнение характеристик перечисленных видов памяти приведено в таблице 1. Как можно увидеть из сравнительной таблицы, flash-память значительно уступает альтернативам в быстродействии, максимальном количестве перезаписей и энергопотреблении. Вместе с тем наиболее интересными с точки зрения оптимальности параметров выглядят ReRAM и FeRAM -они имеют хороший потенциал масштабирования, удовлетворяют требованию коммерческих требований к времени хранения, ресурсу и КМОП-совместимости, при этом отличаются низким энергопотреблением [22]. Схематичные изображения устройства ячеек памяти этих видов приведены на Рисунок 2 (при этом стоит отметить, что архитектура 1T-1R является лишь одной из возможных), основные принципы их работы будут описаны ниже в пп. 1.2 и 1.3.

Сток

ШШЛ Затвор Исток

D!

Me | Мё :Мё

Затвор

ILD Ме Me Me

гГ Si n* Si

p-Si

Me

Сток FE Исток

Me

Me Dl Me

rf Si rf Si

p-Si

Сток

Me FE Me

Затвор Исток Me

,, r. Me Me Me

ILD

гГ Si n* Si

p-Si

Рисунок 2. Схематичное изображение различных видов памяти: а) ReRAM; б) FeFET; в) FRAM.

Таблица 1. Сравнительная таблица характеристик различных видов энергонезависимой памяти.

Flash MRAM Redox РСМ FTJ FeFET FRAM

Плотность интеграции ^2) 5 6-20 4 4 - 5,5 - 6 6-8

Время записи/ стирания (нс) 105 -106 2 - 3 1 - 10 ~ 10 100 ~ 10 ~ 10

Максимальное количество перезаписей до 106 до 1014 ~ 1010 до 1011 > 105 до 1014 до 1014

Время хранения ~ 10 лет > 20 лет > 10 лет > 10 лет > 1 года > 10 лет > 10 лет

Энергопотребление (пДж) ~ 10 -100 до 106 ~ 1 ~ 1 - - -

Возможность недеструктивного чтения Да Да Да Да Да Да Нет

Важным моментом в разработке памяти является выбор функциональных материалов. С момента открытия сегнетоэлектрических свойств в тонких поликристаллических пленках легированного оксида гафния [1] этот материал вызывает интерес как многообещающий функциональный материал для энергонезависимой сегнетоэлектрической памяти из-за его идеальной совместимости с современной кремниевой технологией благодаря относительно низкой температуре кристаллизации [23].

Изначально после роста пленка является аморфной и кристаллизуется в сегнетоэлектрическую или не сегнетоэлектрическую фазу при отжиге. Стабильной фазой является неполярная моноклинная фаза. При высоких температурах существуют фазовые переходы в неполярные тетрагональную и кубическую фазу, которые являются также неполярными, однако родительскими для полярной сегнетоэлектрической фазы (Рисунок 3). Сегнетоэлектрическая фаза метастабильна и может быть стабилизирована при соблюдении определенных условий. А именно, плёнка НГО2 должна быть легирована, должна быть тонкой (4-30 нм), а также должна быть выращенной на подложке с коэффициентом теплового расширения, значительно меньшим, чем у самого гафния. В случае соблюдения всех условий, при отжиге пленка НГО2 испытывает значительные сжимающие напряжения и во время закалки

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Кондратюк Екатерина Владимировна, 2023 год

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Böscke T.S. et al. Ferroelectricity in hafnium oxide thin films // Appl Phys Lett. 2011. Vol. 99, № 10. P. 102903.

2. Yurchuk E. et al. HfO2-Based Ferroelectric Field-Effect Transistors with 260 nm Channel Length and Long Data Retention // 2012 4th IEEE International Memory Workshop. 2012. P. 1-4.

3. Wouters D.J., Waser R., Wuttig M. Phase-Change and Redox-Based Resistive Switching Memories // Proceedings of the IEEE. 2015. Vol. 103, № 8. P. 1274-1288.

4. Kawai K. et al. Highly-reliable TaOx reram technology using automatic forming circuit // 2014 IEEE International Conference on IC Design Technology. 2014. P. 1-4.

5. Lanza M. et al. Recommended Methods to Study Resistive Switching Devices // Adv Electron Mater. 2019. Vol. 5, № 1. P. 1800143.

6. Vandelli L. et al. Microscopic Modeling of Electrical Stress-Induced Breakdown in Poly-Crystalline Hafnium Oxide Dielectrics // IEEE Trans Electron Devices. 2013. Vol. 60, № 5. P. 17541762.

7. Gupta I. et al. A Cell Classifier for RRAM Process Development // IEEE Transactions on Circuits and Systems II: Express Briefs. 2015. Vol. 62, № 7. P. 676-680.

8. Serb A., Khiat A., Prodromakis T. An RRAM Biasing Parameter Optimizer // IEEE Trans Electron Devices. 2015. Vol. 62, № 11. P. 3685-3691.

9. Lee H.Y. et al. Evidence and solution of over-RESET problem for HfO<inf>X</inf> based resistive memory with sub-ns switching speed and high endurance // 2010 International Electron Devices Meeting. 2010. P. 19.7.1-19.7.4.

10. Берман Л.С., Лебедев А.А. Емкостная спектроскопия глубоких центров в полупроводниках. Л.: Наука, 1981. 177 p.

11. Miller G.L., Lang D. v, Kimerling L.C. Capacitance Transient Spectroscopy // Annual Review of Materials Science. 1977. Vol. 7, № 1. P. 377-448.

12. Genenko Y.A. et al. Mechanisms of aging and fatigue in ferroelectrics // Materials Science and Engineering: B. Elsevier, 2015. Vol. 192, № C. P. 52-82.

13. Yurchuk E. et al. Charge-Trapping Phenomena in HfO2-Based FeFET-Type Nonvolatile Memories // IEEE Trans Electron Devices. 2016. Vol. 63, № 9. P. 3501-3507.

14. Зи С. Физика полупроводниковых приборов. М.: Мир, 1984. 456 p.

15. Saraswat K. Thin Dielectrics for MOS Gate // Stanford University EE 311 Notes. Stanford. Vol. Handout 3. P. 46.

16. Negrov D. v et al. Integration of functional elements of resistive nonvolative memory with 1T-1R topology // Russian Microelectronics. 2016. Vol. 45, № 6. P. 383-395.

17. Chouprik A. et al. Origin of the retention loss in ferroelectric Hf0.5zr0.502-based memory devices // Acta Mater. Pergamon, 2021. Vol. 204. P. 116515.

18. Kondratyuk E. et al. Automated Testing Algorithm for the Improvement of 1T1R ReRAM Endurance // IEEE Trans Electron Devices. 2021. Vol. 68, № 10. P. 4891-4896.

19. Kondratyuk E., Mikheev V., Chouprik A. Effect of Charge Injection on the Switching Speed of Ferroelectric Memory Based on HfO2 // ACS Applied Electronic Materials . 2022.

20. Mikheev V., Kondratyuk E., Chouprik A. Physical model of retention and express retention test for ferroelectric HfO2-based memory // Phys Rev Appl. 2022.

21. Kondratyuk E., Chouprik A. Polarization switching kinetics in thin ferroelectric HZO films // Nanomaterials. 2022.

22. Yang J.J., Strukov D.B., Stewart D.R. Memristive devices for computing // Nat Nanotechnol. 2013. Vol. 8, № 1. P. 13-24.

23. Hoffmann M. et al. Stabilizing the Ferroelectric Phase in Doped Hafnium Oxide // J Appl Phys. 2015. Vol. 118. P. 72006.

24. Zhang H. et al. Ionic doping effect in ZrO2 resistive switching memory // Appl Phys Lett. 2010. Vol. 96, № 12. P. 123502.

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

26. Baek I.G. et al. Highly scalable nonvolatile resistive memory using simple binary oxide driven by asymmetric unipolar voltage pulses // IEDM Technical Digest. IEEE International Electron Devices Meeting, 2004. 2004. P. 587-590.

27. Beck A. et al. Reproducible switching effect in thin oxide films for memory applications // Appl Phys Lett. 2000. Vol. 77, № 1. P. 139-141.

28. Sawa A. et al. Hysteretic current-voltage characteristics and resistance switching at a rectifying Ti/Pr0.7Ca0.3Mn03 interface // Appl Phys Lett. 2004. Vol. 85, № 18. P. 4073-4075.

29. Fujii T. et al. Hysteretic current-voltage characteristics and resistance switching at an epitaxial oxide Schottky junction SrRu03/SrTi0.99Nb0.0103 // Appl Phys Lett. 2005. Vol. 86, № 1. P. 012107.

30. Sawa A. et al. Colossal electro-resistance memory effect at metal/La2CuO 4 interfaces // Japanese Journal of Applied Physics, Part 2: Letters. 2005. Vol. 44, № 37-41. P. L1241-L1243.

31. Kinoshita K. et al. Bias polarity dependent data retention of resistive random access memory consisting of binary transition metal oxide // Appl Phys Lett. 2006. Vol. 89, № 10. P. 103509.

32. Kim K.M., Choi B.J., Hwang C.S. Localized switching mechanism in resistive switching of atomic-layer-deposited TiO2 thin films // Appl Phys Lett. 2007. Vol. 90, № 24. P. 242906.

33. Szot K. et al. Switching the electrical resistance of individual dislocations in single-crystalline SrTiO3 // Nat Mater. 2006. Vol. 5, № 4. P. 312-320.

34. Baikalov A. et al. Field-driven hysteretic and reversible resistive switch at the Ag-Pr0.7Ca0.3Mn03 interface // Appl Phys Lett. 2003. Vol. 83, № 5. P. 957-959.

35. Nian Y.B. et al. Evidence for an Oxygen Diffusion Model for the Electric Pulse Induced Resistance Change Effect in Transition-Metal Oxides // Phys Rev Lett. American Physical Society, 2007. Vol. 98, № 14. P. 146403.

36. Seong D. et al. HPHA Effect on Reversible Resistive Switching of PtNb-Doped SrTiO[sub 3] Schottky Junction for Nonvolatile Memory Application // Electrochemical and Solid-State Letters. The Electrochemical Society, 2007. Vol. 10, № 6. P. H168.

37. Tsui S. et al. Field-induced resistive switching in metal-oxide interfaces // Appl Phys Lett. 2004. Vol. 85, № 2. P. 317-319.

38. Jeon S.H. et al. First-principles modeling of resistance switching in perovskite oxide material // Appl Phys Lett. 2006. Vol. 89, № 4. P. 042904.

39. Chen X. et al. Direct resistance profile for an electrical pulse induced resistance change device // Appl Phys Lett. 2005. Vol. 87, № 23. P. 233506.

40. Fors R., Khartsev S.I., Grishin A.M. Giant resistance switching in metal-insulator-manganite junctions: Evidence for Mott transition // Phys Rev B. American Physical Society, 2005. Vol. 71, № 4. P. 45305.

41. Oka T., Nagaosa N. Interfaces of Correlated Electron Systems: Proposed Mechanism for Colossal Electroresistance // Phys Rev Lett. American Physical Society, 2005. Vol. 95, № 26. P. 266403.

42. Rozenberg M.J., Inoue I.H., Sánchez M.J. Nonvolatile Memory with Multilevel Switching: A Basic Model // Phys Rev Lett. American Physical Society, 2004. Vol. 92, № 17. P. 178302.

43. Rozenberg M.J., Inoue I.H., Sánchez M.J. Strong electron correlation effects in nonvolatile electronic memory devices // Appl Phys Lett. 2006. Vol. 88, № 3. P. 033510.

44. Ielmini D. Modeling the Universal Set/Reset Characteristics of Bipolar RRAM by Field- and Temperature-Driven Filament Growth // IEEE Trans Electron Devices. 2011. Vol. 58, № 12. P. 43094317.

45. Park M.H. et al. Ferroelectricity and Antiferroelectricity of Doped Thin HfO2-Based Films // Advanced Materials. 2015. Vol. 27, № 11.

46. Schenk T. et al. Complex internal bias fields in ferroelectric hafnium oxide // ACS Appl Mater Interfaces. 2015. Vol. 7, № 36.

47. Lomenzo P.D. et al. TaN interface properties and electric field cycling effects on ferroelectric Si-doped HfO2 thin films // J Appl Phys. 2015. Vol. 117, № 13.

48. Kim H.J. et al. A study on the wake-up effect of ferroelectric Hf0.5zr0.502 films by pulse-switching measurement // Nanoscale. 2016. Vol. 8, № 3.

49. Grimley E.D. et al. Structural Changes Underlying Field-Cycling Phenomena in Ferroelectric HfO2 Thin Films // Adv Electron Mater. 2016. Vol. 2, № 9.

50. Pesic M. et al. Physical Mechanisms behind the Field-Cycling Behavior of Hf02-Based Ferroelectric Capacitors // Adv Funct Mater. 2016. Vol. 26, № 25.

51. Chouprik A. et al. Ferroelectricity in Hf0.5Zr0.502 Thin Films: A Microscopic Study of the Polarization Switching Phenomenon and Field-Induced Phase Transformations // ACS Appl Mater Interfaces. 2018. Vol. 10, № 10.

52. Chouprik A. et al. Wake-up in a Hf0.5Zr0.502 film: A Cycle-by-cycle emergence of the remnant polarization via the domain depinning and the vanishing of the anomalous polarization switching // ACS Appl Electron Mater. 2019. Vol. 1, № 3.

53. Gong N. et al. Nucleation limited switching (NLS) model for HfO 2 -based metal-ferroelectric-metal (MFM) capacitors: Switching kinetics and retention characteristics // Appl Phys Lett. 2018. Vol. 112, № 26. P. 262903.

54. Khan A.K., Masafumi Y. Deep Level Transient Spectroscopy: A Powerful Experimental Technique for Understanding the Physics and Engineering of Photo-Carrier Generation, Escape, Loss and Collection Processes in Photovoltaic Materials. 2015.

55. Lang D. ~V. Deep-level transient spectroscopy: A new method to characterize traps in semiconductors // J Appl Phys. 1974. Vol. 45, № 7. P. 3023-3032.

56. Nolte D.D., Haller E.E. Optimization of the energy resolution of deep level transient spectroscopy // J Appl Phys. 1987. Vol. 62, № 3. P. 900-906.

57. Dobaczewski L. et al. Laplace transform deep-level transient spectroscopic studies of defects in semiconductors // J Appl Phys. 1994. Vol. 76, № 1. P. 194-198.

58. Тихонов А.П., Арсенин В.Я. Методы решения некорректных задач. М.: Наука, 1979. 288

p.

59. Maier D. et al. High resolution method for the analysis of admittance spectroscopy data // J Appl Phys. 1995. Vol. 77, № 8. P. 3851-3857.

60. Левин М.Н. et al. Спектроскопия глубоких уровней методом Laplace-DLTS. Кинетика ионизации метастабильных центров // Конденсированные среды и межфазные границы. 2010. Vol. 12, № 2. P. 133-142.

61. Hansen P.C. The L-Curve and Its Use in the Numerical Treatment of Inverse Problems // Computational Inverse Problems in Electrocardiology. 2001. Vol. 4. P. 119-142.

62. Левин М.Н., Татаринцев А.В., Ахкубеков А.Э. Метод Laplace-DLTS с выбором параметра регуляризации по L-кривой // Физика и техника полупроводников. 2009. Vol. 43, № 5. P. 613-616.

63. Seo Y.J. et al. Analysis of electronic memory traps in the oxide-nitride-oxide structure of a polysilicon-oxide-nitride-oxide-semiconductor flash memory // Appl Phys Lett. 2008. Vol. 92, № 13. P.132104.

64. Li H.-M., Zhang G., Yoo W.J. Deep level transient spectroscopy on charge traps in high-k ZrO2 // Thin Solid Films. 2010. Vol. 518, № 22. P. 6382-6384.

65. Microelectronics Processing Technology 6.152J / 3.155J, MOS Capacitor. Vellor: Vellore Institute of Technology, 2001. P. 9.

66. Orihara H., Hashimoto S., Ishibashi Y. A Theory of D-E Hysteresis Loop Based on the Avrami Model // J Physical Soc Japan. The Physical Society of Japan, 1994. Vol. 63, № 3. P. 1031-1035.

67. Колмогоров А.Н. К статистической теории кристаллизации металлов. Изв. АН СССР, 1937. 355 p.

68. Avrami M. Kinetics of Phase Change. I General Theory // J Chem Phys. 1939. Vol. 7, № 12. P. 1103-1112.

69. Tagantsev A.K. et al. Non-Kolmogorov-Avrami switching kinetics in ferroelectric thin films // Phys Rev B. American Physical Society, 2002. Vol. 66, № 21. P. 214109.

70. Stolichnov I. et al. Physical model of retention and temperature-dependent polarization reversal in ferroelectric films // J Appl Phys. 2005. Vol. 98, № 8. P. 084106.

71. Jo J.Y. et al. Domain Switching Kinetics in Disordered Ferroelectric Thin Films // Phys Rev Lett. American Physical Society, 2007. Vol. 99, № 26. P. 267602.

72. Arlt G., Neumann H. Internal bias in ferroelectric ceramics: Origin and time dependence // Ferroelectrics. 1988. Vol. 87, № 1.

73. Lambeck P. v., Jonker G.H. Ferroelectric domain stabilization in batio3 by bulk ordering of defects // Ferroelectrics. 1978. Vol. 22, № 1.

74. Genenko Y.A., Lupascu D.C. Drift of charged defects in local fields as aging mechanism in ferroelectrics // Phys Rev B Condens Matter Mater Phys. 2007. Vol. 75, № 18.

75. Grossmann M. et al. The interface screening model as origin of imprint in PbZrxTi1-xO3 thin films. II. Numerical simulation and verification // J Appl Phys. 2002. Vol. 92, № 5. P. 2688-2696.

76. Tagantsev A.K. et al. Nature of nonlinear imprint in ferroelectric films and long-term prediction of polarization loss in ferroelectric memories // J Appl Phys. 2004. Vol. 96, № 11. P. 66166623.

77. Müller J. et al. Ferroelectric Hafnium Oxide Based Materials and Devices: Assessment of Current Status and Future Prospects // ECS Journal of Solid State Science and Technology. 2015. Vol. 4, № 5.

78. Zhou D. et al. Wake-up effects in Si-doped hafnium oxide ferroelectric thin films // Appl Phys Lett. 2013. Vol. 103, № 19.

79. Islamov D.R. et al. Identification of the nature of traps involved in the field cycling of Hf0.5Zr0.502-based ferroelectric thin films // Acta Mater. 2019. Vol. 166.

80. Lee T.Y. et al. Ferroelectric Polarization-Switching Dynamics and Wake-Up Effect in Si-Doped HfO 2 // ACS Appl Mater Interfaces. 2019. Vol. 11, № 3.

81. Robertson J. High dielectric constant oxides // EPJ Applied Physics. 2004. Vol. 28, № 3.

82. Lin Y.S. et al. Resistive switching mechanisms relating to oxygen vacancies migration in both interfaces in Ti/HfOx/Pt memory devices // J Appl Phys. 2013. Vol. 113, № 6.

83. Markeev A. et al. Multilevel resistive switching in ternary HfxAl 1-xOy oxide with graded Al depth profile // Microelectron Eng. 2013. Vol. 109.

84. Carl K., Hardtl K.H. Electrical After-Effects In Pb(Ti, Zr)O3 Ceramics // Ferroelectrics. 1977. Vol. 17, № 1.

85. Xiong K. et al. Defect energy levels in HfO2 high-dielectric-constant gate oxide // Appl Phys Lett. 2005. Vol. 87, № 18. P. 183505.

86. Schroeder H. Poole-Frenkel-effect as dominating current mechanism in thin oxide films—An illusion?! // J Appl Phys. 2015. Vol. 117, № 21. P. 215103.

87. Chiu F.-C. A Review on Conduction Mechanisms in Dielectric Films // Advances in Materials Science and Engineering / ed. Shih C.-H. Hindawi Publishing Corporation, 2014. Vol. 2014. P. 578168.

88. Lou X. Statistical Switching Kinetics of Ferroelectrics // J Phys Condens Matter. 2009. Vol. 21. P. 012207.

89. Михеев В.В. Резистивные переключения в сегнетоэлектрических мемристорах на основе оксида гафния-циркония. Долгопрудный: МФТИ, 2021. 114 p.

90. Zhao D. et al. Depolarization of multidomain ferroelectric materials // Nat Commun. 2019. Vol. 10, № 1.

91. Hyun S.D. et al. Dispersion in Ferroelectric Switching Performance of Polycrystalline Hf0.5zr0.502 Thin Films // ACS Appl Mater Interfaces. American Chemical Society, 2018. Vol. 10, № 41. P. 35374-35384.

92. Higashi Y. et al. New Insights into the Imprint Effect in FE-Hf02 and its Recovery // IEEE International Reliability Physics Symposium Proceedings. 2019. Vol. 2019-March.

93. Rodriguez J. et al. Reliability of Ferroelectric Random Access memory embedded within 130nm CMOS // 2010 IEEE International Reliability Physics Symposium. 2010. P. 750-758.

94. Mueller S. et al. Reliability Characteristics of Ferroelectric $ \hbox{Si:Hf0}_{2}$ Thin Films for Memory Applications // IEEE Transactions on Device and Materials Reliability. 2013. Vol. 13, № 1. P. 93-97.