Исследование механизма транспорта носителей заряда в мемристорных структурах тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 00.00.00, кандидат наук Мизгинов Дмитрий Сергеевич

• Мизгинов Дмитрий Сергеевич
• кандидат наук
• 2022

Оглавление диссертации кандидат наук Мизгинов Дмитрий Сергеевич

ВВЕДЕНИЕ

ГЛАВА 1. ОБЗОР МЕХАНИЗМОВ ТРАНСПОРТА НОСИТЕЛЕЙ ЗАРЯДА В МЕМРИСТОРНЫХ СТРУКТУРАХ

1.1 Современные подходы к созданию устройств памяти на основе нитрида кремния

1.2 Методы формирования тонкой плёнки нитрида кремния для мемристорных структур

1.3 Механизмы транспорта носителей заряда в мемристорных структурах

1.4 Выводы к главе 1 и постановка задачи

ГЛАВА 2. ИЗГОТОВЛЕНИЕ МЕМРИСТОРНЫХ СТРУКТУР НА ОСНОВЕ SiзN4 И ИССЛЕДОВАНИЕ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК

2.1 Изготовление мемристорных структур на основе Si3N4 методом LPCVD

2.2 Исследование вольт-амперных характеристик изготовленных мемристорных структур

2.3 Исследование количества циклов переключения мемристора на основе нитрида кремния

2.4 Исследование сопротивления изготовленных структур при различных диаметрах верхнего электрода

2.5 Выводы к главе

ГЛАВА 3. ИССЛЕДОВАНИЕ ВРЕМЕНИ ХРАНЕНИЯ ИНФОРМАЦИИ В МЕМРИСТОРЕ НА ОСНОВЕ SiзN4

3.1 Исследование времени хранения информации в низкоомном состоянии

3.2 Экстраполяция в область низких температур для оценки времени хранения

3.3 Выводы к главе

ГЛАВА 4. МОДЕЛИРОВАНИЕ МЕХАНИЗМА ТРАНСПОРТА НОСИТЕЛЕЙ ЗАРЯДА В МЕМРИСТОРНОЙ СТРУКТУРЕ НА ОСНОВЕ НИТРИДА КРЕМНИЯ

4.1 Модель Френкеля

4.2 Модель тока, ограниченного пространственным зарядом

4.3 Выводы к главе

ГЛАВА 5. ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОФИЛЕЙ РАСПРЕДЕЛЕНИЯ ЛОВУШЕК В ЗАПРЕЩЁННОЙ ЗОНЕ НИТРИДА КРЕМНИЯ

5.1 Моделирование гауссова распределения ловушек в запрещённой зоне нитрида кремния

5.2 Моделирование экспоненциального распределения ловушек в запрещённой

зоне нитрида кремния

5.3 Сравнение моделей равномерного, экспоненциального и гауссова вариантов распределения ловушек в запрещённой зоне нитрида кремния с экспериментальной вольт-амперной характеристикой

5.4 Выводы к главе

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

СПИСОК ПУБЛИКАЦИЙ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

СПИСОК ЦИТИРУЕМОЙ ЛИТЕРАТУРЫ

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Исследование механизма транспорта носителей заряда в мемристорных структурах»

ВВЕДЕНИЕ

В настоящее время принципы работы мемристоров до конца не изучены. Главным образом это связано с недостаточностью знаний о механизме транспорта носителей заряда в активном слое мемристорных структур. Как известно, механизм транспорта носителей заряда может зависеть от таких параметров, как материал активного слоя, его толщина, а также технология изготовления [1]. В частности, для мемристорных структур на основе тонких плёнок нитрида кремния, изготовленных различными методами, есть предположение о различных механизмах переноса заряда. Механизм транспорта в плёнках нитрида кремния рассмотрен в работах О.М. Орлова, В.А. Гриценко, К.А. Насырова [2, 3, 4]. Механизм транспорта для плёнок, изготовленных методом LPCVD рассмотрен недостаточно: до сих пор неизвестен механизм переноса заряда, не определён профиль распределения ловушек в запрещённой зоне активного слоя. Метод LPCVD является одним из самых распространённых для изготовления нитридных плёнок.

Одной из важнейших проблем является разработка мемристорных структур с заданными электрическими характеристиками. Для этого необходимо понимание того, каким образом толщина плёнки нитрида кремния, изготовленная методом LPCVD, влияет на вольт-амперные характеристики структуры. Другим важнейшим аспектом является время хранения информации в мемристоре. К настоящему времени неизвестна зависимость времени хранения информации от глубины залегания ловушек в запрещённой зоне нитрида кремния.

Формирование мемристорной элементной базы невозможно без понимания физических процессов, происходящих при переносе заряда через структуру, за счёт которого происходит переключение резистивных состояний. В связи с этим, механизм транспорта носителей заряда в мемристорной структуре на основе тонкой плёнки нитрида кремния, изготовленной методом LPCVD, и профиль распределения ловушек в запрещённой зоне активного слоя требуют детального изучения. Таким образом, актуальность исследования обуславливается

необходимостью разработки мемристора, обладающего необходимыми характеристиками для реализации мемристорной элементной базы.

Целью диссертации является исследование мемристорных структур, изготовленных на основе тонкой плёнки нитрида кремния, сформированной методом LPCVD, и разработки модели механизма транспорта носителей заряда в устройствах на её основе.

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

1) Разработка мемристорных структур на основе тонкой плёнки нитрида кремния.

2) Исследование электрических характеристик изготовленных структур на основе Si3N с различными материалами верхнего электрода.

3) Разработка архитектуры, алгоритмов моделирования механизмов транспорта носителей заряда в структуре на основе тонкой плёнки нитрида кремния и программного обеспечения.

4) Моделирование профилей распределения ловушек в запрещённой зоне нитрида кремния с расчётом концентрации и глубины залегания ловушек.

Объекты и методы исследования

Объектом исследования данной работы являются мемристорные структуры p+-Si/SiO2/Si3N4/Me с различными материалами (Me) верхнего электрода.

В работе применялись следующие методы исследования:

1) Метод измерения вольт-амперных характеристик swing для переключения мемристора между состояниями с различным сопротивлением.

2) Импульсный метод циклирования мемристорных структур для определения количества циклов перезаписи.

3) Метод аппроксимации для расчёта времени хранения информации в мемристоре.

4) Метод математического моделирования механизмов транспорта носителей заряда для сравнительного анализа с экспериментально полученными

вольт-амперными характеристиками.

Научная новизна:

1) Впервые исследована мемристорная структура на основе SiзN4, в которой за счёт выбора материала верхнего электрода (Си) достигнуто значение окна памяти 107.

2) Впервые с учётом модификации стандартного уравнения Мотта -Гёрни для мемристорных структур на основе тонкой плёнки нитрида кремния, нанесённой методом LPCVD, выявлено, что транспорт носителей заряда осуществляется за счёт тока, ограниченного пространственным зарядом.

3) Впервые промоделирован и выявлен гауссов профиль распределения ловушек в запрещённой зоне нитрида кремния для мемристорных структур Me/SiO2/Si3N4/Si.

4) На основе разработанной модели транспорта носителей заряда впервые рассчитаны диапазон энергий ловушек в запрещённой зоне нитрида кремния (0,42-0,56 эВ) и концентрация ловушек (5 • 1018) для структуры Me/SiO2/Si3N4/Si.

5) Впервые определено, что в случае неглубоких ловушек (0,42-0,56 эВ) в нитриде кремния время хранения информации в мемристорной структуре составляет более 10 лет.

Основные положения, выносимые на защиту:

1) В мемристорной структуре на основе нитрида кремния при использовании Си в качестве материала верхнего электрода значение окна памяти достигает 107.

2) В мемристорных структурах на основе тонкой плёнки нитрида кремния, нанесённой методом LPCVD, процесс транспорта носителей заряда обусловлен током, ограниченным пространственным зарядом с учётом модификации стандартного уравнения Мотта-Гёрни.

3) Ловушки в запрещённой зоне нитрида кремния распределены по закону Гаусса для мемристорной структуры на основе Si3N4 (4 нм).

4) Для структуры диапазон энергий ловушек в запрещённой

зоне нитрида кремния составляет 0,42-0,56 эВ, концентрация ловушек достигает 4 • 1018.

5) В случае неглубоких ловушек (0,42-0,56 эВ) в запрещённой зоне нитрида кремния время хранения информации составляет не менее 10 лет. Научная и практическая значимость полученных результатов

Полученные результаты формируют основу мемристорных библиотечных элементов для структур на основе нитрида кремния для элементов, обладающих следующими характеристиками: напряжение записи 4,5 В, напряжение стирания -3,5 В, ток утечки 10-11А при 1 В, 1,2 • 104 циклов переключения, время хранения 10 лет при температуре 90 °С, окно памяти не менее 5 порядков для структур с никелевым электродом.

Результаты, полученные в данной работе, не только демонстрируют возможность создания мемристоров на основе тонкой плёнки нитрида кремния, сформированной методом LPCVD, но и детально характеризуют процессы транспорта носителей заряда в устройствах такого рода.

Мемристорные структуры на основе тонкой плёнки Si3N4 изготовлены и исследованы по гранту Российского фонда фундаментальных исследований (проект № 19-29-03018).

Достоверность и апробация полученных результатов

Достоверность полученных результатов обусловлена использованием современного научного оборудования, соответствующего мировому уровню, использованием современных методов исследования структур совокупностью хорошо апробированных экспериментальных методов исследования, корректных теоретических представлений при комплексном анализе полученных данных, а также воспроизводимостью полученных результатов.

Основные результаты исследования были доложены и апробированы на 4 конференциях со следующими докладами:

1) Мизгинов Д.С., Калимова И.Ф. Современное состояние и перспективы развития мемристорных систем // Труды 62-я Всероссийская научная конференция МФТИ, стр. 297-298, 2019.

2) Орлов О. М., Гриценко В. А., Гисматулин А. А., Мизгинов Д. С. Исследование изготовленных МНОП-структур на основе LPCVD Si3N4-слоя для ReRAM // 6-я Международная научная конференция «Электронная компонентная база и микроэлектронные модули», Наноиндустрия, 2020.

3) Мизгинов Д.С., Орлов О.М. Исследование эффекта резистивного переключения в элементе RERAM на основе нитрида кремния. 63 -я Всероссийская научная конференция МФТИ, 2020.

4) Мизгинов Д.С. Моделирование транспорта носителей заряда в мемристорной структуре на основе нитрида кремния. 64-я Всероссийская научная конференция МФТИ, 2021.

Результаты диссертации опубликованы в 5 статьях, входящих в перечень ведущих периодических изданий ВАК и/или индексируемых базами данных Web of Science и Scopus, и 4 публикациях в материалах российских и международных конференций. Личный вклад автора

Основные результаты, представленные в настоящей диссертационной работе, были получены автором лично, либо при непосредственном его участии. Разработка структур выполнялась совместно с к.т.н., начальником лаборатории энергонезависимой памяти АО «НИИМЭ» О.М. Орловым. Автором лично выполнено экспериментальное исследование мемристорных структур, моделирование, анализ и обобщение всех полученных результатов. Участие коллег автора в исследованиях отражено в виде их соавторства в опубликованных работах.

Структура и объём диссертации

Диссертация состоит из списка основных сокращений и обозначений, введения, 5 глав, заключения, списка публикаций по теме диссертации и списка цитируемой литературы. Объем диссертации составляет 80 страниц, включая 45 рисунков и 3 таблицы. Список цитируемой литературы содержит 92 наименования.

ГЛАВА 1. ОБЗОР МЕХАНИЗМОВ ТРАНСПОРТА НОСИТЕЛЕЙ ЗАРЯДА В

МЕМРИСТОРНЫХ СТРУКТУРАХ

1.1 Современные подходы к созданию устройств памяти на основе нитрида кремния

Существенным преимуществом нитрида кремния перед другими материалами для резистивной энергонезависимой памяти является совместимость с КМОП технологией [9]. Кроме того, Si3N4 является перспективным резистивным переключающим слоем благодаря большому количеству ловушек [10]. Также в последнее время наблюдается интерес к пленкам нитрида кремния с избытком кремния SiNx [11]. Это обусловлено возможностью его применения в качестве активной среды для элементов резистивной памяти. Известно, что незначительное увеличение концентрации избыточного кремния в нитриде может привести к увеличению проводимости диэлектрика на несколько порядков. Варьирование соотношения Si к N в слое SiNx позволяет управлять сопротивлением диэлектрического слоя.

Одной из концепций устройств энергонезависимой памяти на основе нитрида кремния является SONOS структура, впервые реализованная в 1977 году [12]. Принцип работы памяти на основе нитрида кремния (Si3N4) в целом аналогичен таковому у флеш-памяти. Однако, если в случае флеш-памяти речьидёт о свободном электрическом заряде на плавающем затворе, то в памяти типа SONOS заряд находится с связанном состоянии. Электроны содержатся на ловушках - дефектах в объёме нитрида кремния.

Авторы работы [13] показали, что преимуществом SONOS по сравнению с памятью на основе плавающего затвора являются меньшие требования к качеству туннельного диэлектрика. В случае металлического слоя заряд «распределён» по всему объёму. Соответственно, дефект оксида в любом месте по длине канала приведёт к стеканию заряда. Память на основе нитрида кремния лишена этого недостатка [13,14].

В 2021 году компания Floadia разработала прототип ячейки SONOS, способной хранить 7 бит информации [15]. Такая ячейка памяти сохраняет заряд

на протяжении 10 лет при температуре до 150 °С Однако подобное решение имеет ряд недостатков, среди которых: низкая плотность компоновки, низкое быстродействие (время записи/стирания 5-10 мс) и относительно небольшое количество циклов перезаписи (105).

Одним из основных кандидатов на роль «универсальной» памяти является резистивная память ЯЯЛМ, концепция которой известна с 2000-х годов [16], однако в последние годы исследования в этой области достигли значительных успехов. В работе [17] показана возможность реализации структуры ККЛМ с использованием в качестве функционального слоя нитрида кремния (рисунок 1). Важным преимуществом является то, что технология производства ЯКАМ совместима с текущей КМОП-технологией, то есть используются исследованные материалы и процессы, а также наличие большого количества ловушек в нитриде кремния по сравнению с другими функциональными слоями.

Войогп Вес<гхх1е

Рисунок 1. Структура элемента ЯЕЯЛМ [25]

Невысокая стоимость производства и высокая плотность компоновки делают данный вид памяти одним из наиболее вероятных кандидатов на замену флеш-памяти в области хранения больших объёмов данных [18].

Энергонезависимая память ЯЕЯЛМ, в т.ч. на основе нитрида кремния, обладает следующими преимуществами: совместимость производства с современной КМОП-технологией, высокая скорость работы [19], высокая

плотность компоновки [20], низкое энергопотребление [20,21], радиационная стойкость [22], перспектива реализации мемристора [23]. Из недостатков стоит отметить относительно невысокое количество циклов перезаписи (107) по сравнению с другими видами энергонезависимой памяти на новых физических принципах (таблица 1) [24].

Таблица 1. Сравнение различных видов энергонезависимой памяти на новых физических принципах.

ЯеЯЛМ БЯЛМ РСЯЛМ МЯЛМ БТТ-ЯЛМ

Время записи/стирания 10 - 30 нс 50 нс 20-30 нс 3-20 нс 2-20 нс

Время чтения 5 - 20 нс 20-80 нс 20-50 нс 3-20 нс 2-20 нс

Циклы перезаписи >107 1012 1012 1015 1016

Плотность компоновки Высокая Низкая Высокая Низкая Высокая

Радиационная стойкость + + + + +

Концепция мемристора известна с 1971 года [26]. Структура представляет собой конденсаторную структуру проводник-диэлектрик-проводник, которая может находиться в двух или более состояниях с различным сопротивлением. В простейшем случае с двумя состояниями высокое сопротивление элемента соответствует логическому нулю, состояние с низким сопротивлением — логической единице. В работе [27] впервые показана возможность реализации многоуровневого мемристора. Мемристорная структура с большим количеством возможных сопротивлений или даже с их непрерывным спектром является реализацией прибора, сопротивление которого зависит от прошедшего через него

заряда. Мемристор является незаменимым компонентом для аппаратной реализации нейронных сетей [28].

Изначально мемристор представляет собой конденсатор с непроводящим диэлектрическим слоем, то есть его сопротивление постоянному электрическому току велико. Переход мемристора от состояния с высоким сопротивлением (HRS) к состоянию с низким сопротивлением (LRS) называется записью («Set»), а обратный процесс — стиранием («Reset»). Авторы работы [29] утверждают, что для активации процесса резистивного переключения, необходимо предварительно провести электроформовку — приложить напряжение, большее по величине чем в операциях записи и стирания.

В работе [30] показано, что цикл работы мемристора состоит из нескольких процессов: формовка, стирание, запись, хранение, чтение, а также существование различных режимов резистивного переключения мемристора: униполярный и биполярный. В случае униполярного переключения запись и стирание элемента памяти производится напряжением одного знака, но разной величины, а в случае биполярного режима — напряжениями разных знаков. Режим переключения зависит как от материала активного слоя, так и от материала электродов.

Независимо от типа резистивного переключения, переход между состояниями с разным сопротивлением в работе [31] объясняется формированием в активном слое протяжённых проводящих нитей — филаментов, одного или нескольких, соединяющих обкладки конденсатора. В зависимости от типа резистивной памяти, филамент может состоять из атомов металла химически активного электрода, проникающих в изолятор (CBRAM) [32], обеднённого кислородом оксида (OxRAM) [33] или углерода из органических соединений [34].

Благодаря способности изменять проводимость в зависимости от подаваемого электрического сигнала, мемристоры на основе нитрида кремния могут рассматриваться как элементная база нового поколения не фон -Неймановских компьютеров с многоуровневой логикой, в качестве электронных синаптических устройств для нейроморфных систем.

1.2 Методы формирования тонкой плёнки нитрида кремния для мемристорных структур

Как известно, механизм транспорта носителей заряда может зависеть от таких параметров, как материал диэлектрика, его толщина, а также технология изготовления [12]. К настоящему времени опубликовано значительное количество работ, посвящённых поиску материалов активного слоя и технологий его формирования [13, 14]. Вместе с тем, вопросы выбора материала и технологии формирования активного слоя, обеспечивающих оптимальные параметры элементов памяти, их термическую устойчивость и стабильность параметров, а также интеграции в стандартный КМОП процесс остаются недостаточно изученными. На сегодняшний день, значительный интерес вызывают плёнки на основе нитрида кремния [35] и одним из важнейших вопросов является выбор технологии изготовления тонкой плёнки [36].

В работе [37] показано, что плёнки нитрида кремния могут быть сформированы с помощью таких методов, как: магнетронное распыление, химическое или физическое осаждение из газовой фазы (СУО и РУО соответственно). Осаждение может проводиться в высокочастотном плазменном разряде (к таким процессам относятся плазмосопровождаемое и плазмостимулированное химическое осаждение).

Методы синтеза РУО, РЕСУО и ЬРСУО предполагают разные способы создания материалов нужного состава. В первом случае твердые вещества нагреваются до получения газовой фазы, и затем в условиях высокого вакуума атомы этих веществ, например, кремния и азота осаждаются на подложке, образуя тончайшую пленку, в данном случае — нитрида кремния. В другом методе РЕСУО — плазменно-химическом осаждении из газовой фазы — молекулы осаждаемых материалов содержатся в газовой смеси, а для их разложения на свободные радикалы используется высокочастотный плазменный разряд. Авторы работы [38] утверждают, что, поскольку для получения нитрида кремния методом РЕСУО используются содержащие водород газы — моносилан ^Ш4) и аммиак

(КН3), то формирующаяся тонкая плёнка нитрида кремния содержит водород в виде Si-H и К-Н связей, и концентрация водорода тем выше, чем ниже температура подложки в процессе осаждения. Метод ЬРСУБ предполагает химическое осаждение из паровой фазы при низком давлении с использованием смеси дихлорсилана ^^СЬ) и аммиака (КН3) [39].

Авторы работы [40] сформировали тонкую плёнку нитрида кремния методом магнетронного распыления в результате распыления мишени в среде смеси газов Аг и N2 в плазме аномального тлеющего разряда. Процесс характеризуются высокой скоростью распыления, благодаря высокой плотности ионного тока, при котором плазма тлеющего разряда локализована у распыляемой поверхности сильным поперечным магнитным полем. Принцип действия МРС показан на рисунке 2. Основными элементами такой системы являются магнитная система, анод, мишень-катод, рабочий газ - аргон. Силовые линии магнитного поля запираются между полюсами магнитной системы. Поверхность мишень, расположенная между местами входа-выхода линий магнитного поля, подвергается интенсивному распылению в виде замкнутого трека, определяемого формой полюсов магнитной системы.

Рисунок 2. Принцип магнетронного нанесения покрытий [41]

В работе [41] показано, что электроны под действием ионной бомбардировки вырываются с поверхности катода. Они начинают совершать сложное циклоидальное движение у поверхности мишени, захватываясь и удерживаясь магнитным полем. Электроны под действием магнитного поля, возвращаясь на катод, который их отталкивает, находятся в ловушке. Внутри этой ловушки они циклируют пока не произойдет несколько столкновений с атомами газа, и электроны не потеряет энергию, полученную от электрического поля.

Авторы работы [42] утверждают, что магнетронное распыление обладает рядом преимуществ по сравнению с другими физическими способами нанесения покрытий: широкое разнообразие составов осаждаемого материала, хорошая адгезия плёнки с подложкой, высокая скорость распыления при низких рабочих напряжениях (600-800 В) и при небольших давлениях рабочего газа, отсутствие перегрева подложки, малая степень загрязнения плёнок и возможность получения равномерных по толщине плёнок на большой площади подложек.

Однако, при осаждении соединений, таких как нитрид кремня, могут возникать нежелательные эффекты: проблема «исчезающего анода», нестабильность параметров работы и электрические пробои. В результате данных явлений работа магнетрона может быть сильно затруднена или вовсе прекратиться.

В работе [43] плёнка нитрида кремния сформирована посредством плазмохимического осаждения из газовой фазы (РЕСУБ). Данный метод основан на реакции химического взаимодействия исходных газообразных реагентов, приводящих к образованию плёнки на поверхности твердого тела, посредством передачи энергии частицам, необходимых для протекания химических реакций. Схема установки плазмохимического осаждения показана на рисунке 3.

Процессы происходят в плазме высоко- и сверхвысокочастотных разрядов низкого давления. Температура электронов образующейся плазмы составляет вплоть до нескольких тысяч Кельвинов (типичное значение для ВЧ разряда 2-104 К). Протекание химических реакций позволяет облегчить образование большого количества активных частиц, таких как радикалы, молекулы в возбужденном

состоянии, ионы и ион-радикалы за счёт соударений высокоэнергетичных электронов с молекулами исходных реагентов [44].

При этом как облучение поверхности подложки интенсивным излучением видимого и ультрафиолетового диапазонов, так и бомбардировка ее частицами способствует более активному протеканию поверхностных процессов.

Рисунок 3. Схема плазмохимического осаждения [46]

При осаждении нитрида кремния в тлеющем ВЧ разряде обычно используются исходные реагенты в виде силана и аммиака или азота [45], и реакция протекает следующим образом: SiH4 + КН3 или N 200-400 °С ^ 81хКуИг + Н2. Когда в качестве источника азота используют молекулярный азот, то из-за его значительно меньшей скорости диссоциации по сравнению с SiH4 нужен большой избыток азота (К2/81Н4>>102 ...103) в процессе, чтобы избежать образования обогащенной кремнием плёнки. Аммиак, напротив, может диссоциировать многоступенчато с потреблением малой энергии, что обеспечивает формирование плёнки активным азотом.

2 3 4 5

Рисунок 4. Схема установки нанесения пленок Si3N4 методом ЬРСУО. 1 —

загрузочный люк; 2 — датчик давления; 3 — трёхзонный резистивный нагреватель; 4 — кварцевая труба; 5 — ловушка; 6 — вакуумный насос; 7 — кремниевые пластины; 8 — регулятор расхода газа [48]

На рисунке 4 изображена схема установки нанесения плёнок нитрида кремния методом химического осаждения из паровой фазы при низком давлении (ЬРСУБ). В работе [47] показано, что, выбрав оптимальный режим осаждения 81зК4 можно получить плёнки с механическими напряжениями, значительно ниже, чем при использовании других методов. Изменения в механических напряжениях пленки нитрида кремния можно объяснить влиянием газов, которые присутствуют в процессе осаждения методом LPCVD. Также необходимо отметить, что скорость осаждения плёнки монотонно возрастает при увеличении температуры осаждения, однако понижение температуры способствует улучшению однородности пленок нитрида кремния по толщине.

Использование метода ЬРСУО является одним из наиболее предпочтительных по ряду причин. Выбор оптимального режима осаждения позволяет получить достаточно низкие значения механических напряжений. От

показателей качества пленок нитрида кремния зависит уровень надежности при эксплуатации, так как принципиально важные для обеспечения надежности характеристики пленок (плотность дефектов структуры, величина связанных зарядов и др.) во многом определяются уровнем остаточных механических напряжений. Кроме того, при использовании данного метода в меньшей степени проявляется эффект гидрогенизации, т.е. наличия в пленке связанного водорода и образования химических связей Si-H и К-Н в процессе роста.

1.3 Механизмы транспорта носителей заряда в мемристорных структурах

Технология создания мемристоров и физика переноса заряда в диэлектрике находятся в фокусе внимания ведущих мировых исследовательских центров. Для проведения моделирования токопереноса необходим детальный анализ различных моделей транспорта носителей заряда. Задачей исследований в области мемристорной электроники является построение моделей транспорта носителей заряда, которые существенно зависят от таких параметров, как материал диэлектрика, его толщина, а также технология изготовления [48]. Данная работа посвящена исследованию механизма транспорта носителей заряда в изготовленных мемристорных структурах на основе нитрида кремния. Нитрид кремния является перспективным резистивным переключающим слоем благодаря совместимости с КМОП технологией [9] и большому количеству ловушек [10].

В работе [49] показано, что одним из возможных механизмов переноса заряда в мемристоре является транспорт носителей заряда по Пулу-Френкелю. Явлением, характеризующим механизм транспорта носителей заряда Пула-Френкеля, является термическая активация носителей заряда с ловушек, располагающихся в запрещённой зоне диэлектрического слоя с дальнейшим переходом в зону проводимости диэлектрика. При данном механизме переноса глубина залегания ловушки определяет высоту потенциального барьера, на которую захвачен туннелирующий носитель.

При данном механизме при низком падении напряжения на диэлектрическом слое структуры и при высокой температуре окружающей среды ток туннелирования определяется возбуждёнными электронами, переходящими из одного энергетического состояния в диэлектрическом слое на другое [50].

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Мизгинов Дмитрий Сергеевич, 2022 год

СПИСОК ЦИТИРУЕМОЙ ЛИТЕРАТУРЫ

1. A.A. Gismatulin, O.M. Orlov, V.A. Gritsenko, V.N. Kruchinin, D.S. Mizginov, G. Ya. Krasnikov. Charge transport mechanism in the metal-nitride-oxide-silicon forming-free memristor structure // Appl. Phys. Lett. 116, 203502 (2020).

2. D.R. Islamov, V.A. Gritsenko, T.V. Perevalov, O.M. Orlov, G.Y. Krasnikov The charge transport mechanism and electron trap nature in thermal oxide on silicon // Applied Physics Letters. 2016. Vol. 109. No 5. P. 052901.

3. A.V.Vishnyakov, Yu.N.Novikov, V.A.Gritsenko, K.A.Nasyrov The charge transport mechanism in silicon nitride: Multi-phonon trap ionization // Solid-State Electronics, Volume 53, Issue 3, March 2009, Pages 251-255.

4. K.A. Nasyrov, V.A. Gritsenko, M.K. Kim et al. Charge transport mechanism in metal-nitride-oxide-silicon structures // IEEE Electron Device Letters, Volume: 23, Issue: 6, June 2002, Pages: 336 - 338.

5. M. Koutsoureli et al. Investigation of silicon nitride charging // Microelectronic Engineering, Volume 90, February 2012, Pages 145-148.

6. M.H. White et al. Characterization of scaled SONOS EEPROM memory devices for space and military systems // Proceedings. 2004 IEEE Computational Systems Bioinformatics Conference, 2004, p. 8246659.

7. S. Jung et al. Analysis of conduction mechanism in silicon nitride-based RRAM // International Journal of Nanotechnology, 2014, pp 167-177.

8. P. Rabbani et al. A multilevel memristor-CMOS memory cell as a ReRAM // Microelectronics Journal, Volume 46, Issue 12, Part A, 2015, Pages 1283-1290.

9. H. Kim et al. Memristor-based multilevel memory // 12th International Workshop on Cellular Nanoscale Networks and their Applications (CNNA 2010).

10. P. Yao et al. Fully hardware-implemented memristor convolutional neural network // Nature, 2020, № 577, pages 641-646.

11. M. Bilgaye et al. Memristor Materials: Working Conditions And Properties // International Journal of Scientific & Technology Research, 2019 № 8(11), pages

721-727.

12. K. Sun et al. The Future of Memristors: Materials Engineering and Neural Networks // Advanced Functional Materials, 2020, Volume 31, Issue 8, p. 2006773.

13. A.T. Lucero, J. Kim Silicon Nitride Atomic Layer Deposition: A Brief Review of Precursor Chemistry // Material Matters, 2018, Volume 9, Issue 12, p. 1007.

14. L. Liu et al. Study on The Performance of PECVD Silicon Nitride Thin Films // Defence Technology, Volume 9, Issue 2, pages 121-126.

15. J.M. Olson Analysis of LPCVD process conditions for the deposition of low stress silicon nitride. Part I: Preliminary LPCVD experiments // Materials Science in Semiconductor Processing, Volume 5, Issue 1, pages 51-60.

16. О.М. Орлов, А.А. Гисматулин и др. Механизм транспорта заряда в бесформовочном мемристоре на основе нитрида кремния // Микроэлектроника, 2020, том 49, № 5, с. 1-7.

17. Красников Г.Я. Исследование влияния материала верхнего электрода на свойства МДП-структур // Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук. М.: МИЭТ, стр. 127, 1989.

18. A. A. Gismatulin, Oleg M. Orlov, V. A. Gritsenko, V. N. Kruchinin, et al. Charge transport mechanism in the metal-nitride-oxide-silicon forming-free memristor structure // Applied Physics Letters, 2020, 116, 203502.

19. Матюшкин И.В., Орлов О.М., Лебедев А.О., Мизгинов Д.С. Феномен нелинейной динамики при циклировании мемристора // Нано- и микросистемная техника, 2020, Т. 22, №3, стр 153-164.

20. Орлов О.М., Гисматулин А.А., Гриценко В.А., Мизгинов Д.С. Механизм транспорта заряда в бесформовочном мемристоре на основе нитрида кремния // Микроэлектроника, 2020, Т. 49, № 5, стр. 395-400.

21. Орлов О.М., Гисматулин А.А., Гриценко В.А., Мизгинов Д.С. Исследование МНОП-структур на основе LPCVD Sb^-слоя для RERAM // Наноиндустрия,

2020, Т. 13, № S5-3(102), стр. 670-672.

22. Красников Г.Я., Горнев Е.С., Мизгинов Д.С. Исследование электрических характеристик структур на основе нитрида кремния // Электронная техника. Серия 3: Микроэлектроника, 2022, №2 (186).

23. A.A. Gismatulin, O.M. Orlov, V.A. Gritsenko, V.N. Kruchinin, D.S. Mizginov, G.Ya. Krasnikov. Charge transport mechanism in the metal-nitride-oxide-silicon forming-free memristor structure // Applied Physics Letters 116, 203502, 2020.

24. V.A. Gritsenko, T.V. Perevalov, O.M. Orlov, G.Y. Krasnikov. Nature of traps responsible for the memory effect in silicon nitride // Applied Physics Letters. 2016. Vol. 109. No 6. P. 062904.

25. Орлов О.М., Гисматулин А.А., Гриценко В.А., Мизгинов Д.С. Механизм транспорта заряда в бесформовочном мемристоре на основе нитрида кремния // Микроэлектроника. Т. 49. №5. стр. 395-400. 2020.

26. Красников Г.Я. Исследование влияния материала верхнего электрода на свойства МДП-структур // Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук. М.: МИЭТ, стр. 127, 1989.

27. Lampert M.A., Mark P. Current injection in solids // Academic Press, стр. 34-42, 1970.

28. J.S. Meena, S. Sze, U.Chand, T.-Y. Tseng - Overview of emerging nonvolatile memory technologies// Nanoscale Research Letters. [2014]

29. P. Pavan, R. Bez, P. Olivo, E. Zanoni - Flash memory cells - an overview [1997]

30. H.-S. Philip Wong, Heng-Yuan Lee, Shimeng Yu, Yu-Sheng Chen, Yi Wu, Pang-Shiu Chen, Byoungil Lee, Frederick T. Chen, and Ming-Jinn Tsai - Metal-Oxide RRAM [2012]

31. Wong H.S.P., Lee H.Y., Yu S., Chen Y.S., Wu Y., Chen P.S., Lee B., Chen F.T., Tsai M.J. Metal-Oxide RRAM // Proceedings of the IEEE. Май 2012. Vol. 100. No. 6. pp. 1951-1970.

32. Frenkel Y. On Pre-Breakdown Phenomena in Insulators and Electronic Semi-

Conductors // Physical Review. Октябрь 1938. Vol. 54. No. 8. pp. 647-648.

33. White M.H., Adams D.A., Bu J. On the go with SONOS // IEEE Circuits

34. and Devices Magazine. July 2000. Vol. 16. No. 4. pp. 22-31.

35. Keshavan B.V., Lin H.C. MONOS memory element // Electron Devices Meeting, 1968 International. October 1968.

36. Beug M.F., Melde T., Czernohorsky M., Hoffmann R., Paul J., Knoefler R., Tilke A.T. Analysis of TANOS Memory Cells With Sealing Oxide Containing Blocking Dielectric // IEEE Transactions on Electron Devices. May 2010. Vol. 57. No. 7. pp. 1590-1596.

37. International Technology Roadmap for Semiconductors 2.0. 2015.

38. Müller J., Böscke T.S., Schröder U., Mueller S., Bräuhaus D., Böttger U.,

39. Frey L., Mikolajick T. Ferroelectricity in simple binary ZrO2 and HfO2 // Nano Letters. Июль 2012. Vol. 12. No. 8. pp. 4318-4323.

40. Meena J.S., Sze S.M., Chand U., Tseng T.Y. Overview of emerging nonvolatile memory technologies // Nanoscale Research Letters. September 2014. Vol. 9. No. 526.

41. Khvalkovskiy [et al.] // Journal of Physics D: Applied Physics. — 2013. —Vol. 46, no. 7. — P. 074001.

42. Clarke P. Patent Search Supports View 3D XPoint Based on Phase- Change // EE Times, July 2015.

43. Шерченков А.А., Лазаренко П.И., Бабич А.В., Тимошенков С.П. Фазовая память: современное состояние и перспективы использования. Уч. -изд. - М.: ИПК МИЭТ, 2016. - 135 с.

44. Kim S.B. Scalability and reliability of phase change memory: dissertation of Doctor of Philosophy / Sang Bum Kim. - 2010. - 169 р.

45. Ambrogio S., Balatti S., Gilmer D.C., Ielmini D. Analytical Modeling of Oxide-Based Bipolar Resistive Memories and Complementary Resistive Switches // IEEE Transactions on Electron Devices. June 2014. Vol. 61. No. 7. pp. 2378-2386.

46. Waser R., Aono M. Nanoionics-based resistive switching memories // Nature Materials. November 2007. Vol. 6. pp. 833-840.

47. Chudnovskii F.A., Odynets L.L., Pergament A.L., Stefanovich G.B. Electroforming and Switching in Oxides of Transition Metals: The Role of Metal-Insulator Transition in the Switching Mechanism // Journal of Solid State Chemistry. February 1996. Vol. 122. No. 1. pp. 95-99.

48. Emerging non-volatile memories. S. Hong, O. Auciello, D. Wouters (Eds.). Springer, 2014.

49. J. Ouyang. Emerging Resistive Switching Memories. Springer, 2016.

50. Орлов О.М., Гисматулин А.А., Гриценко В.А., Мизгинов Д.С. Механизм транспорта заряда в бесформовочном мемристоре на основе нитрида кремния // Микроэлектроника, Т. 49, №5, стр. 395-400, 2020.

51. I. Vourkas, G.C. Sirakoulis. Memristor-Based Nanoelectronic Computing Circuits and Architectures. Springer, 2015.

52. Memristor and Memristive Neural Networks. A. James (Ed.). IntechOpen, 2018.

53. A. A. Gismatulin, Oleg M. Orlov, V. A. Gritsenko, V. N. Kruchinin, D. S. Mizginov, G. Ya. Krasnikov. Charge transport mechanism in the metal-nitride-oxide-silicon forming-free memristor structure // Applied Physics Letters 116, 203502, 2020.

54. L. Zhu et al. J. Materiomics. 2015. V. 1 (№ 4). P. 285-295. Son, J.Y. Direct observation of conducting filaments on resistive switching of NiO thin films / J.Y. Son, Y.H. Shin // Appl. Phys. Lett. - 2008. - V. 92. - P. 222106.

56. Mattox, D.M. Handbook of Physical Vapor Deposition (PVD) Processing: Film Formation, Adhesion, Surface Preparation and Contamination Control / D.M. Mattox. - Westwood, New Jersey, USA: Noyes Publications, 1998. - 945 p.

57. Гороховатский, Ю.А. Термоактивационная токовая спектроскопия высокоомных полупроводников и диэлектриков / Ю.А. Гороховатский, Г.А. Бордовский. - М.: Наука, 1991. - 244с.

58. Nonnenmacher, M. Kelvin probe force microscopy / M. Nonnenmacher,

M.P. O'Boyle, H.K. Wickramasinghe // Appl. Phys. Lett. - 1991. - V. 58. -P. 2921-2923.

60. Intrinsic electron and hole defects in stabilized zirconia single crystals / V.M. Orera [et al.] // Phys. Rev. B. - 1990. - V. 42. - P. 9782-9789.

61. Grain Boundary Engineering to Improve Ionic Conduction in Thin Films for micro-SOFCs / A. Tarancon [et al.] // ECS Transactions. - 2015. - V. 69 (№ 16).

- P. 11-16.

62. Эпштейн, С.Л. Измерение характеристик конденсаторов / С.Л. Эпштейн. -М.; Л.: Энергия, 1965. - 235 с.

63. Орешкин, П.Т. Физика полупроводников и диэлектриков / П.Т. Орешкин. -М.: Высшая школа, 1977. - 448 с.

121

64. Wilk, D. High-к gate dielectrics: Current status and materials properties considerations / D. Wilk, R.M. Wallace, J.M. Anthony // J. Appl. Phys. - 2001. -V. 89. - P. 5243-5275.

65. Зи, С. Физика полупроводниковых приборов: в 2-х т. / С. Зи. - М.: Мир, 1984. - 456 с. - 1 т.

66. Electron conduction mechanism and band diagram of sputter-deposited Al/ZrO2/Si structure / F.-C. Chiu [et al.] // J. Appl.Phys. - 2005. - V. 97. -P. 034506.

67. Haynes, W.M. (Ed.) CRC Handbook of Chemistry and Physics 97th Edition / W.M. Haynes. - UK: Taylor & Francis Group, 2017. - 2643 p.

68. Физико-химические свойства окислов: справочник /

ред. Г.В. Самсонов и др. - M.: Металлургия, 1978. - 472 с.

70. Дмитриев, С.Г. Связь между измеряемыми токами и зарядами в образце при диагностике неоднородных диэлектрических пленок / С.Г. Дмитриев // ФТП. - 2009. - Т. 43 (№ 6). - P. 854-858.

71. Merino, R.I. Correlation between intrinsic electron traps and electrical conductivity in stabilised zirconia / R.I. Merino, V.M. Orera // Solid-State Ionics.

- 1995. - V. 76. - P. 97-102.

72. Ngai, K.L. Dynamics of interacting oxygen ions in yttria stabilized zirconia: bulk material and nanometer thin films / K.L. Ngai, J. Santamaria, C. Leon // Eur. Phys J. B - 2013. - V. 8687. - P. 1-10.

73. Овсюк, В.Н. Электронные процессы в полупроводниках с областями пространственного заряда / В.Н. Овсюк. - Новосибирск: Наука. Сиб. отд., 1984. - 252 с.

74. Ion Transport Phenomena in Insulating Films / E.H. Snow [et al.] // Journal of Applied Physics. - 2004. - V. 36. - P. 1664-1673.

75. Ielmini, D. Modeling the Universal Set/Reset Characteristics of Bipolar RRAM by Field- and Temperature-Driven Filament Growth / D. Ielmini // IEEE Transactions on Electron Devices. - 2011. - V. 58. - P. 4309-4317.

76. Ielmini, D. Resistive switching memories based on metal oxides: mechanisms, reliability and scaling / D. Ielmini // Semicond. Sci. Technol. - 2016. - V. 31. -P.063002.

77. Brivio, S. Role of metal-oxide interfaces in the multiple resistance switching regimes of Pt/HfO2/TiN devices / S. Brivio, J. Frascaroli, S. Spiga // Applied Physics Letters. - 2015. - V. 107. - P. 023504.

78. Multi-scale quantum point contact model for filamentary conduction In resistive random access memories devices / X. Lian [et al.] // Journal of Applied Physics. -2014. - V. 115. - P. 244507.

79. Lampert, M.A. Current injection in solids / M.A. Lampert, P. Mark. - New York and London: Academic Press, 1970. - 351 p.

80. A detailed understanding of the electronic bipolar resistance switching behavior in Pt/TiO2/Pt structure / K.M. Kim [et al.] // Nanotechnology. - 2011. - V. 22. -P. 254010.

82. New Semiconductor Materials. Biology systems. Characteristics and Properties [Электронный ресурс] / Режим доступа: http://www.matprop.ru/SiC_bandstr, свободный.

83. Moss, T.S. Photovoltaic and photoconductive theory applied to InSb / T.S. Moss // J. Electron. Control. - 1955. - V. 1 (№ 2). - P. 126-133.

84. Kronik, L. Surface photovoltage phenomena: theory, experiment, and applications / L. Kronik, Y. Shapira // Surface Science Reports. - 1999. - V. 37 (№ 1). - P. 1-206.

85. Resistive Switching: From Fundamentals of Nanoionic Redox Processes to Memristive Device Applications / D. Ielmini, R. Waser (Eds.). - Weinheim: Wiley-VCH, 2016. - 784 p.

86. The missing memristor found / D.B. Strukov [et al.] // Nature. - 2008. - V. 453. -P. 80-83.

87. Resistive switching random access memory - Materials, device, interconnects, and scaling considerations / Y. Wu [et al.] // Proc. 2012 IEEE International Integrated Reliability Workshop (South Lake Tahoe, CA, United States, October 14-18, 2012). - P. 16-21.

88. Vourkas, I. Memristor-Based Nanoelectronic Computing Circuits and Architectures / I. Vourkas, G.Ch. Sirakoulis. - Berlin-Heidelberg: Springer, 2015. - 241 p.

89. Memristor and Memristive Neural Networks / A. James (Ed.). - Rijeka: IntechOpen, 2018. - 162 p.

90. An overview of materials issues in resistive random access memory / L. Zhu [et al.] // J. Materiomics. - 2015. - V. 1 (№ 4). - P. 285-295.

91. Riess, I. Review of mechanisms proposed for redox based resistive switching structures / I. Riess // J. Electroceramics. - 2017. - V. 39 (№ 1 - 4). - P. 61-72.

92. Resistive Switching in Oxides / A. Mehonic, A.J. Kenyon // Defects at Oxide Surfaces. - J. Jupille, G. Thornton (Eds.). - Cham: Springer, 2015. - P. 401-428.