Резистивные переключения в сегнетоэлектрических мемристорах на основе оксида гафния-циркония тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 01.04.04, кандидат наук Михеев Виталий Витальевич

• Михеев Виталий Витальевич
• кандидат наук
• 2021

Оглавление диссертации кандидат наук Михеев Виталий Витальевич

Введение

Глава 1. Использование сегнетоэлектрического оксида гафния в современных устройствах памяти

1.1 Современные подходы к созданию устройств памяти на основе сегнетоэлектриков

1.2 Сегнетоэлектрический оксид гафния

1.3 Сегнетоэлектрический туннельный переход на основе оксида гафния и твердых растворов НШ1-х02

1.4 Сегнетоэлектрические мемристоры

Глава 2. Методы формирования и исследования систем на основе тонких пленок сегнетоэлектрического оксида гафния-циркония

2.1 Методы формирования структур на основе твердого раствора Hf0.5Zr0.5O2

2.2 Выбор толщины функционального слоя

2.3 Измерение РУ кривых и величины остаточной поляризации

2.4 Расчет прозрачности потенциального барьера

2.5 Моделирование зонной диаграммы структур металл-сегнетоэлектрик-полупроводник

2.6 Восстановление распределения потенциала в пленке сегнетоэлектрического оксида гафния-циркония

Глава 3. подходы к созданию сегнетоэлектрических туннельных переходов на основе твердых растворов Hf0.5Zr0.5O2

3.1 Исследование структур на основе сверхтонких пленок Hf0.5Zr0.5O2

3.2 Исследование роли полупроводникового электрода при создании устройств памяти на основе поликристаллических пленок

3.3 Анализ других возможных механизмов переключения

Глава 4. Расчет концентрации дефектов и кислородных вакансий в пленках сегнетоэлектрического оксида гафния-циркония

4.1 Выбор модели описания распределения потенциала в пленке

4.2 Расчет концентрации кислородных вакансий и заряженных дефектов в пленках твердого

раствора Hf0.5Zr0.5O2

Глава 5. Разработка критериев разделения механизмов резистивного переключения в оксиде

гафния-циркония

5.1 Мемристор на основе сегнетоэлектрического оксида гафния-циркония с двумя независимыми механизмами переключения

5.2 Исследование механизмов резистивного переключения

5.3 Разработка критериев верификации сегнетоэлектрической природы переключений в оксиде

гафния-циркония

5.4 Обзор современных подходов к верификации сегнетоэлектрической природы

переключений в СТП и сегнетоэлектрических мемристорах

Глава 6. Сегнетоэлектрический мемристор второго рода

6.1 Сегнетоэлектрические и транспортные свойства

6.2 Синаптические свойства

Заключение

Список сокращений и обозначений

Список литературы

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Резистивные переключения в сегнетоэлектрических мемристорах на основе оксида гафния-циркония»

ВВЕДЕНИЕ

Системы записи и хранения информации (устройства памяти) являются ключевым и динамично развивающимся компонентом в современной микро- и наноэлектронике. Скорость записи и считывания памяти являются одними из основных параметров, влияющих на производительность вычислительных систем [1], и сегодня эти параметры становятся узким местом, ограничивающим дальнейшее развитие компьютерных технологий. Следует отметить, что это справедливо не только для оперативной памяти, но и памяти жесткого диска, о чем в том числе свидетельствует популярность твердотельных накопителей, пришедших на замену накопителям на жестких магнитных дисках и значительно ускоривших процесс записи и считывания. Создание быстродействующей, энергонезависимой памяти с неограниченным ресурсом является важнейшей задачей современной микроэлектроники, решение которой позволило бы осуществить качественный скачок в работе современных устройств.

На сегодняшний день лидером на рынке энергонезависимых устройств памяти является флэш-память, использование которой, однако, ограничено сравнительно медленной скоростью работы (10-5 c) и низким числом возможных переключений (104-106) [2]. В отличие от флэш-памяти, устройства памяти на основе сегнетоэлектриков, напротив, обладают потенциально неограниченным ресурсом и высокой скоростью чтения и записи (~50 нс) [3]. Сегодня единственные коммерчески доступные устройства сегнетоэлектрической памяти — это устройства сегнетоэлектрической памяти с произвольным доступом (ferroelectric random access memory, FRAM), которые в настоящее время производятся с использованием геометрии один транзистор - один конденсатор (1 transistor - 1 capacitor, 1T1C), причём в качестве функционального слоя используются классические сегнетоэлектрики перовскитоподобного типа. Подобные сегнетоэлектрики (например, Pb[ZrxTi1-x]O3, SrBi2Ta2O9, BaTiO3) обладают рядом недостатков, связанных с высокой чувствительностью к границе раздела и стехиометрии [4,5], а также малым смещением зоны проводимости по отношению к кремнию [6], что ограничивает возможность создания сегнетоэлектрической памяти, совместимой с современной кремниевой технологией. Все эти проблемы приводят к тому, что плотность записи таких устройств значительно уступает флэш-памяти [3], а дальнейшее масштабирование ограничено минимальной толщиной сегнетоэлектрических слоев и отсутствием возможности к созданию трёхмерных конденсаторов [7]. В связи с этим, дальнейшее развитие сегнетоэлектрической памяти невозможно без исследования новых материалов, наиболее перспективным из которых является сегнетоэлектрический оксид гафния [8,9]. Оксид гафния лишен вышеуказанных недостатков и, более того, уже используется в современной кремниевой технологии в качестве

подзатворного диэлектрика, что позволит значительно упростить внедрение новых устройств памяти в существующий технологический стек материалов.

Следует отметить, что классическая структура не является оптимальной с точки

зрения масштабирования [10], в связи с чем отдельного внимания заслуживают и другие перспективные концепции сегнетоэлектрической памяти, как, например, сегнетоэлектрический туннельный переход (СТП) [11,12]. Классический СТП представляет собой структуру металл-изолятор-металл (МИМ), в которой направление поляризации модулирует туннельный ток через потенциальный барьер. Помимо высокого академического интереса, СТП обладает рядом преимуществ перед классическими устройствами FRAM, а именно, СТП не требует деструктивного считывания, а также является двухполюсным устройством и, как следствие, может быть использован для создания сверхплотных кросс-бар массивов ячеек памяти [10]. Использование сегнетоэлектрического оксида гафния для создания подобных устройств, однако, сопряжено с рядом трудностей. В первую очередь, сегнетоэлектрический оксид гафния, в подавляющем большинстве научных работ обладает поликристаллической структурой [13] (есть, однако, и работы, в которых продемонстрирован эпитаксиальный рост сегнетоэлектрических пленок [14,15]), что накладывает свои ограничения на наблюдаемые механизмы проводимости в сверхтонких пленках. Более того, оксид гафния также широко используется и для создания устройств резистивного переключения, основанных на филаментарном дрейфе кислородных вакансий, в которых применяются схожие материалы электродов и толщины функционального слоя, а характерные величины напряженности электрического поля близки к таковым для сегнетоэлектриков [16,17]. Применение одного материала при создании двух принципиально разных классов устройств поднимает вопрос о характере резистивных переключений, наблюдаемых в конкретном функциональном стеке материалов. В связи с этим, подходы к созданию СТП с применением сегнетоэлектрического оксида гафния, а также методы верификации механизмов переключения в данных устройствах требуют детального изучения, что и обуславливает актуальность исследования электронных и транспортных свойств сегнетоэлектрических пленок оксида гафния и твердых растворов Hf0.5Zr0.5O2, в частности.

Целью диссертации является разработка сегнетоэлектрического мемристора на основе тонких пленок сегнетоэлектрического оксида гафния-циркония и исследование физических механизмов резистивных переключений в устройствах на его основе.

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

1) Исследование подходов к модуляции проводимости за счет изменения направления вектора остаточной поляризации в сверхтонких поликристаллических пленках Hf0.5Zr0.5O2.

2) Исследование влияния кислородных вакансий на изменение потенциального барьера через структуру при повороте вектора поляризации и на возможную модуляцию проводимости

3) Разработка критериев однозначной верификации сегнетоэлектрической природы переключений на примере конкретного устройства памяти

4) Создание сегнетоэлектрического мемристора второго рода с применением полученных ранее результатов.

Объекты и методы исследования

Объектом исследования данной работы выступает многокомпонентный поликристаллический оксид Hf0.5Zr0.5O2 различной толщины. Однако исследование транспортных свойств диэлектрика невозможно вне конкретной структуры устройства, в связи с этим, в данном контексте уместно указать конкретные функциональные многослойные структуры, исследованные в данной работе: p+Si/HZO/TiN, p+Si/SiO2/HZO/TiN, Si/TiN/HZO/TiN. В работе применялись следующие методы исследования:

1) Метод вольт-амперных характеристик для измерения величины резистивного переключения;

2) Импульсный метод Positive Up Negative Down (PUND) для измерения величины остаточной поляризации и её динамики, коэрцитивных напряжений и их динамики;

3) Метод конечных элементов численного решения уравнения Пуассона для моделирования распределения потенциала в исследуемых структурах;

4) Высокоэнергетическая рентгеновская фотоэлектронная спектроскопия (РФС) для экстрагирования распределения потенциала в исследуемых структурах;

5) Метод вольт-фарадных характеристик для оценки напряжения плоских зон;

6) Просвечивающая электронная микроскопия (ПЭМ) для визуализации сечения функционального стека.

Научная новизна:

В данном исследовании впервые были получены следующие результаты:

1) Разработаны подходы к модуляции проводимости через области неполярной фазы сверхтонких пленок сегнетоэлектрического оксида гафния-циркония за счет изменения распределения потенциала в граничащей с полярной фазой области полупроводника.

2) На основе экспериментально восстановленного профиля потенциала рассчитана концентрация кислородных вакансий (7 • 1020 см-3) и дефектов (3 • 1020 см-3) в структуре Wmf0.5Zr0.5O2/TiN.

3) Разработан сегнетоэлектрический мемристор на основе сегнетоэлектрического оксида гафния-циркония, демонстрирующий как сегнетоэлектрический, так и несегнетоэлектрический нефиламентарный механизм изменения сопротивления в структуре, причём показано, что

несегнетоэлектрический механизм вызван изменением высоты потенциального барьера на границе сегнетоэлектрик-полупроводник за счет дрейфа кислородных вакансий.

4) Разработаны критерии верификации сегнетоэлектрической природы резистивных переключений в устройствах памяти на основе сегнетоэлектрического оксида гафния и твердых растворов HfxZr1-xO2.

5) На основе структуры Si/Hfb.5Zrb.5O2/TiN разработан сегнетоэлектрический мемристор второго рода, в котором внутренняя динамика проводимости обусловлена наличием деполяризации и конечной скоростью захвата/эмиссии электронов с дефектов на границе сегнетоэлектрик-полупроводник.

Основные положения, выносимые на защиту:

1) Использование полупроводника в качестве одного из электродов сегнетоэлектрического туннельного перехода позволяет модулировать ток через неполярные области, соседствующие с зернами сегнетоэлектрической фазы, в т.ч. зерна моноклинной фазы и границы зерен поликристаллических плёнок Hfb.5Zr0.5O2.

2) Деполяризующее поле в сегнетоэлектрическом конденсаторе на основе Hfb.5Zr0.5O2 (10 нм) экранируется встроенными заряженными дефектами и кислородными вакансиями. Для структуры W/ Hfb.5Zr0.5O2/TiN концентрация кислородных вакансий на границе Hfb.5Zr0.5O2/TiN достигает 71b20 см-3, концентрация дефектов на границе W/Hfb.5Zrb.5O2 составляет 3 1020 см-3.

3) В сегнетоэлектрическом мемристоре p+Si/Hfb.5Zrb.5O2/TiN изменение распределения заряженных дефектов (кислородных вакансий) вблизи границы раздела вызывает модуляцию формы потенциального барьера в структуре и увеличение соотношения сопротивления в высокоомном и низкоомном состояниях в 20 раз.

4) Исследование температурной зависимости отношения сопротивлений во включенном и выключенном состояниях, а также температурной зависимости порогового напряжения включения позволяет разделить резистивные переключения, вызванные дрейфом кислородных вакансий, и переключения, вызванные поворотом вектора сегнетоэлектрической поляризации.

5) В сегнетоэлектрическом мемристоре с полупроводниковым электродом p+Si/Hfb.5Zrb.5O2/TiN конечная скорость захвата/эмиссии электронов с дефектов на границе сегнетоэлектрический оксид гафния-циркония - полупроводник является причиной собственной динамики проводимости, что позволяет имитировать синаптическую пластичность. 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 продвинуть мощность современных вычислительных систем. Однако разработка подобных устройств памяти подразумевает под собой анализ ресурса полученного устройства и времени удержания записанного состояния. Подобный анализ требует под собой четкого понимания механизмов резистивного переключения и транспортных свойств функциональных слоев. Результаты, полученные в данной работе, не только демонстрируют возможность создания устройств памяти на основе сегнетоэлектрического оксида гафния и твердых растворов HfxZr1-xO2, но и в достаточной степени характеризуют возможные механизмы переключения в устройствах такого рода, что позволяет разработать критерии верификации именно сегнетоэлектрической природы наблюдаемых изменений сопротивления. Разработанные критерии являются отличным инструментом для анализа механизмов резистивных переключений в устройствах на основе сверхтонких пленок сегнетоэлектрического оксида гафния и твердых растворов HfxZr1-xO2. 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.

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

1) Mikheev V., Chouprik A., Lebedinskii Yu., Zarubin S., Matveyev Yu., Kondratyuk E., Kozodaev M. G., Markeev A.M., Zenkevich A. and Negrov D. Second-order memristor properties of HfO2-based ferroelectric tunnel junction on silicon. IEEE International Symposium on Applications of Ferroelectrics (ISAF) 2019.

2) Mikheev V., Chouprik A., Lebedinskii Yu., Zenkevich A. and Negrov D. Modulation of current transport in ultrathin FE-HfÜ2 films. European Conference on Application of Polar Dielectrics (ECAPD) 2018.

3) Михеев В.В., Чуприк А.А., Лебединский Ю.Ю., Зарубин С.С., Маркеев А.М., Зенкевич А.В., Негров Д.В. Критерии разделения механизмов переключения в мемристорах на основе сегнетоэлектрического оксида гафния. Международный форум Микроэлектроника 2020.

4) В. Михеев, А. Чуприк, Ю. Лебединский, Ю. Матвеев, С. Зарубин, Е. Кондратюк, А. Маркеев, А. Зенкевич, Д. Негров. Сегнетоэлектрический мемристор второго рода. 62 научная конференция МФТИ 2019.

5) Chouprik A.,Chernikova A.,Kozodaev M., Markeev A.,Mikheev V., Negrov D., Spiridonov M., Zarubin S., Zenkevich A. Electron transport across ultrathin ferroelectric Hf0.5Zr0.5O2 films on Si.

Insulating Films on Semiconductors. International Conference on Insulating Films on Semiconductor (INFOS) 2017.

6) Matveyev Yu., Mikheev V., Negrov D., Zarubin S., Abinashi K., Grimley E., Gloskovsky A, Tsymbal E., Zenkevich A. Electric potential distribution across nanoscale ferroelectric Hfb.5Zr0.5O2 capacitors. IEEE International Symposium on Applications of Ferroelectrics (ISAF) 2019.

7) Matveyev Yu., Negrov D., Kirtaev R., Mikheev V., Gloskovsky A., Zenkevich A., In operando synchrotron studies of ferroelectric-HfO2 based memory devices. IEEE International Symposium on Applications of Ferroelectrics (ISAF) 2018.

8) Chouprik A., Spiridonov M., Zarubin S., Kirtaev R., Mikheev V., Lebedinskii Y., Zenkevich A., Negrov D. Local internal bias fields in a ferroelectric Hf0.5Zr0.5O2 film IEEE International Symposium on Applications of Ferroelectrics (ISAF) 2019.

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

В основе диссертации лежат результаты, опубликованные в 4 статьях периодических изданий, индексируемых базами данных Web of Science и/или Scopus и входящих в перечень ведущих периодических изданий ВАК [ 18-21]. Полученные результаты были использованы при дальнейших исследованиях [22-24]. Личный вклад автора

Все исследуемые устройства памяти на основе тонких и сверхтонких пленок сегнетоэлектрического оксида гафния были изготовлены лично автором работы. Автор лично проводил все электрофизические измерения, расчеты зонных диаграмм, прозрачностей барьеров, временной динамики аккумулируемого на ловушках заряда, расчеты концентрации кислородных вакансий и дефектов в сегнетоэлектрических пленках. Автор непосредственно участвовал в обработке, интерпретации и обобщении всех полученных результатов. 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 их шести глав, введения, заключения, списка сокращений и обозначений, списка литературы; изложена на 114 листах машинописного текста, содержит 61 рисунок и 5 таблиц; список литературы включает 139 наименований. Благодарности

В первую очередь хотелось бы выразить глубокую благодарность своему научному руководителю А.А. Чуприк за огромную поддержку, ценные советы и наставления. Своим

примером Анастасия Александровна вдохновляет к научной и педагогической деятельности, к непрерывному развитию профессиональных качеств и компетенций. Без Вас эта диссертация была бы невозможна.

Также хочу поблагодарить А.В. Зенкевича и Ю.А. Матвеева за огромный полученный опыт и оказанное мне доверие в подготовке к экспериментам с применением источников синхротронного излучения в DESY. Отдельную благодарность хочу выразить Д.В. Негрову за все те знания, которые были получены в процессе интереснейших лекций и личных обсуждений. Хочу поблагодарить всех сотрудников центра коллективного пользования МФТИ и особенно Е.В. Коростылева и Р. Киртаева.

ГЛАВА 1. ИСПОЛЬЗОВАНИЕ СЕГНЕТОЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ОКСИДА ГАФНИЯ В

СОВРЕМЕННЫХ УСТРОЙСТВАХ ПАМЯТИ

1.1 Современные подходы к созданию устройств памяти на основе сегнетоэлектриков

На сегодняшний день существуют три различных концепции устройств микроэлектронной энергонезависимой памяти на основе сегнетоэлектрических материалов (Рисунок 1 ). Наиболее распространенной и при этом единственной коммерчески успешной концепцией является сегнетоэлектрическая память с произвольным доступом (ferroelectric random access memory, FRAM). Подобные устройства демонстрируют высокую скорость чтения и записи (~1b нс), огромный ресурс (~1014 переключений) и уже нашли свою нишу на рынке современной энергонезависимой памяти. Однако они не лишены и ряда недостатков. Так, состояние ячейки памяти FRAM напрямую кодируется направлением вектора остаточной поляризации, в результате чего считывание этого состояния является деструктивным. Более того, ячейка памяти в этом случае представляется структурой 1Т1С, что ограничивает дальнейшее масштабирование устройств.

Рисунок 1 Схематичное изображение различных концепций памяти на основе сегнетоэлектрических материалов.

К альтернативным концепциям памяти на основе сегнетоэлектрических материалов, не обладающим подобными недостатками, можно отнести сегнетоэлектрический полевой транзистор (ferroelectric field effect transistor, FeFET) и сегнетоэлектрический туннельный переход (СТП; ferroelectric tunnel junction, FTJ). Концепция FeFET не является новой и известна еще с 1963 года [25], однако развитие этой идеи продолжается, и за последнее десятилетие исследования в данной области совершили значительный шаг вперед. FeFET представляет собой полевой транзистор, в котором в качестве диэлектрического слоя используется сегнетоэлектрик, направление вектора остаточной поляризации которого модулирует проводимость канала транзистора. Ключевым параметром сегнетоэлектрического полевого транзистора является окно

памяти («memory window») - область напряжений на затворе, при котором два состояния сопротивления канала хорошо различимы. Данная область определяется не только величиной остаточной поляризации, но и также зависит от величины коэрцитивных полей в сегнетоэлектрике. Например, в случае если коэрцитивное поле невелико, необходимо использовать большие толщины сегнетоэлектрического слоя, иначе даже небольшие напряжения на затворе будут переключать поляризацию сегнетоэлектрика. Этим эффектом и было ограничено дальнейшее масштабирование устройств FeFET на основе классических сегнетоэлектриков [26]. Сегодня данное ограничение удалось обойти за счет использования сегнетоэлектрического оксида гафния, который, напротив, обладает куда большими коэрцитивными полями. И в результате, в сегнетоэлектрических полевых транзисторах на его основе была достигнута рекордная длина канала в 22 нм [27]. Ключевым недостатком данных устройств памяти является их малый ресурс, который во многом ограничен даже не ресурсом сегнетоэлектрического материала, а постепенной деградацией самого функционального стека [28].

СТП [29], напротив, является довольно новой концепцией памяти, а возможность его создания на основе сегнетоэлектрического оксида гафния была подтверждена всего несколько лет назад [29]. Классический сегнетоэлектрический туннельный переход представляет собой двухэлектродное устройство, в котором направление поляризации модулирует потенциальный барьер через туннельно-прозрачный сегнетоэлектрик, и, как следствие, протекающий туннельный ток (Рисунок 2). Ток, измеряемый при различных направлениях вектора поляризации, представляет собой логические «0» и «1». Огромным преимуществом данной концепции является то, что подобные двухэлектродные устройства не только относятся к недеструктивным типам памяти, но и пригодны для создания сверхплотных кросс-бар массивов памяти, что позволит значительно повысить плотность записи по сравнению, например, с классической DRAM памятью [10].

Рисунок 2 Рассчитанный профиль потенциального барьера ассиметричной МИМ структуры при различных направлениях поляризации [11].

Неэкранированные поверхностные заряды, наводимые остаточной поляризацией, создают поле, называемое деполяризующим. Данное поле вносит вклад в результирующий потенциальный барьер через структуру. Изменение знаков заряда в процессе поворота поляризации меняет и направление деполяризующего поля, модулируя при этом профиль потенциального барьера. Как следствие, такое изменение профиля потенциала при перевороте поляризации возможно только при неидеальной экранировке поверхностных зарядов, что в свою очередь обеспечивается конечной длиной экранирования в электродах или (и) наличием дополнительного слоя диэлектрика. Пример изменения потенциала, создаваемого поверхностными зарядами при повороте поляризации представлен на Рисунок 3. Следует отметить, что изменение потенциального барьера будет приводить к изменению его прозрачности (а, следовательно, к изменению туннельного тока) только в случае ассиметричного профиля потенциала. [11,12], чего можно добиться, например, за счет использования электродов с различной длиной экранирования. Хотя при этом создание СТП на основе симметричного стека все еще возможно, если, например, в процессе изменения направления поляризации меняется эффективная толщина туннелирования в структуре [30] или модулируются электронные свойства границы раздела из-за сегнетоэлектрического смещения атомов [31].

Рисунок 3 Распределения заряда в структуре металл-сегнетоэлектрик-металл (слева) и профиль потенциала, создаваемый данными зарядами (справа). Металл 1 (М1) имеет большую по сравнению с металлом 2 (М2) длину экранирования. [11]

В классических работах по СТП [11,12,32], в том числе в первых экспериментальных реализациях [33,34], в качестве электродов выступали металлы с различной длиной экранирования. Длина экранирования в металлах является сравнительно малой величиной, поэтому поляризационные заряды экранируются практически полностью, создавая при этом малое деполяризующее поле. Использование же диэлектрической прослойки [35,36] или полупроводника [37,38] в качестве одного из электродов ослабляет экранирование

поляризационных зарядов и вносит дополнительную асимметрию в структуру, что позволяет эффективнее модулировать распределение потенциала за счет поворота вектора поляризации.

Разумеется, профиль потенциального барьера в структуре во многом определяется в том числе и распределением объемного заряда в сегнетоэлектрическом слое. Наличие подобного заряда создает ряд эффектов, весьма общих для всех сегнетоэлектрических материалов. Зарядовые эффекты определяют импринт [24,39], кинетику переключений [40], приводят к постепенной эволюции доменной структуры и величины остаточной поляризации в процессе циклирования [22,41]. Все эти процессы влияют на работу сегнетоэлектрической памяти любого типа, определяя ее скорость переключения, ресурс и время хранения состояния. Как следствие, СТП является не только весьма перспективной концепцией с практической точки зрения, но и представляет высокий академический интерес. Ведь принципы, заложенные в работу данного устройства памяти, в будущем помогут взглянуть на классические для сегнетоэлектриков проблемы, вызванные объемными зарядовыми эффектами, с новой точки зрения. И дать в своем роде новый инструмент анализа распределения объемного заряда в сегнетоэлектрических пленках путем исследования изменения проводимости переходов на их основе.

Данная работа посвящена исследованию именно сегнетоэлектрического туннельного перехода. Однако описать современный статус и исторический подтекст развития этой концепции невозможно без детального анализа сегнетоэлектрического оксида гафния. Именно этот материал является ключом к созданию универсальной памяти на основе сегнетоэлектриков, и его открытие послужило мощным толчком к развитию в том числе и СТП.

1.2 Сегнетоэлектрический оксид гафния

Оксид гафния долгое время рассматривался исключительно как линейный диэлектрик (линейная зависимость наведенной поляризации от внешнего поля), и первоначальный интерес к неравновесным кристаллическим структурам на основе оксида гафния был вызван поиском материалов с высокой диэлектрической проницаемостью. Наиболее интересные в этом контексте высокотемпературные тетрагональная (к ~ 35-70 [42]) и кубическая фазы (к ~ 35 [43]) являются центросимметричными, а значит и не могут приводить к появлению сегнетоэлектрического эффекта. Более того, high-k оксиды также известны высокой концентрацией объемных дефектов, которые в свою очередь могут приводить к наблюдаемому гистерезису зависимости аккумулируемого заряда от напряжения [44]. В связи с этим, в первых работах по сегнетоэлектрическому оксиду гафния [8,9] высказывались некоторые опасения о корректности трактовки экспериментальных данных. Однако дальнейшие, как и теоретические [45,46], так и экспериментальные [47] изыскания дополнительно подтвердили именно сегнетоэлектрическую природу наблюдаемых эффектов.

Сегнетоэлектричество тесно связано с кристаллической структурой материала. Так, только кристаллические структуры с нецентросимметричной пространственной группой проявляют сегнетоэлектрические свойства. В пионерской работе о сегнетоэлектрическом оксиде гафния [8] авторами было предположено, что в результате быстрого термического отжига в семи и десяти нанометровых пленках оксида гафния, легированного кремнием, стабилизируется нецентросимметричная орторомбическая фаза Реа2\. К сожалению, подтверждение данного предположения методом рентгеновской дифракции было сопряжено с рядом трудностей, вызванных полиморфизмом исследуемой системы и близостью постоянных решеток для орторомбической и тетрагональной фаз. В дальнейшем, в работе [45] были посчитаны свободные энергии одиннадцати возможных в оксиде гафния кристаллических фаз в широком диапазоне давлений и температур. Было выявлено, что при определенных давлениях и температурах свободная энергия полярных орторомбических фаз Реа2\ и Ртп2\ становится близка (< квТ/ 5, где кв - постоянная Больцмана) к свободной энергии фаз равновесных (Рисунок 4). Дальнейшие экспериментальные исследования [47] позволили подтвердить наличие именно полярной фазы Реа2\ в тонких пленках сегнетоэлектрического оксида гафния, легированного гадолинием.

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Михеев Виталий Витальевич, 2021 год

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Wulf Wm.A., McKee S.A. Hitting the memory wall // ACM SIGARCH Computer Architecture News. Association for Computing Machinery (ACM), 1995. Vol. 23, № 1. P. 20-24.

2. Zhao C. et al. Review on Non-Volatile Memory with High-k Dielectrics: Flash for Generation Beyond 32 nm // Materials. MDPI AG, 2014. Vol. 7, № 7. P. 5117-5145.

3. Jeong D.S. et al. Emerging memories: Resistive switching mechanisms and current status // Reports on Progress in Physics, 2012. Vol. 75, № 7.

4. Celii F.G. et al. Plasma etching and electrical characterization of Ir/IrO2/PZT/Ir FeRAM device structures // Integrated Ferroelectrics. Gordon & Breach Science Publ Inc, 1999. Vol. 27, № 1. P. 227-241.

5. Watanabe T. et al. Growth Behavior of Atomic-Layer-Deposited Pb(Zr,Ti)O[sub x] Thin Films on Planar Substrate and Three-Dimensional Hole Structures // Journal of The Electrochemical Society. The Electrochemical Society, 2008. Vol. 155, № 11. P. D715.

6. Warusawithana M.P. et al. A ferroelectric oxide made directly on silicon // Science. American Association for the Advancement of Science, 2009. Vol. 324, № 5925. P. 367-370.

7. Park M.H. et al. Review and perspective on ferroelectric HfO2-based thin films for memory applications // MRS Communications. Cambridge University Press, 2018. Vol. 8, № 3. P. 795-808.

8. Böscke T.S. et al. Ferroelectricity in hafnium oxide thin films // Applied Physics Letters. 2011. Vol. 99, № 10.

9. Müller J. et al. Ferroelectric Zr0.5Hf0.502 thin films for nonvolatile memory applications // Applied Physics Letters. 2011.

10. Chen A. A review of emerging non-volatile memory (NVM) technologies and applications // Solid-State Electronics. Elsevier Ltd, 2016. Vol. 125. P. 25-38.

11. Zhuravlev M.Y. et al. Giant electroresistance in ferroelectric tunnel junctions // Physical Review Letters. 2005. Vol. 94, № 24.

12. Kohlstedt H. et al. Theoretical current-voltage characteristics of ferroelectric tunnel junctions // Physical Review B - Condensed Matter and Materials Physics. American Physical Society, 2005. Vol. 72, № 12. P. 125341.

13. Park M.H. et al. Ferroelectricity and Antiferroelectricity of Doped Thin HfO2-Based Films // Advanced Materials. Wiley-VCH Verlag, 2015. Vol. 27, № 11. P. 1811-1831.

14. Shimizu T. et al. The demonstration of significant ferroelectricity in epitaxial Y-doped HfO2 film // Scientific Reports. Nature Publishing Group, 2016. Vol. 6, № 1. P. 1-8.

15. Katayama K. et al. Orientation control and domain structure analysis of {100}-oriented epitaxial ferroelectric orthorhombic HfO2-based thin films // Journal of Applied Physics. American Institute of Physics Inc., 2016. Vol. 119, № 13. P. 134101.

16. Lee H.Y. et al. Low-power switching of nonvolatile resistive memory using hafnium oxide // Japanese Journal of Applied Physics, Part 1: Regular Papers and Short Notes and Review Papers. IOP Publishing, 2007. Vol. 46, № 4 B. P. 2175-2179.

17. Lee H.Y. et al. Low-power and nanosecond switching in robust hafnium oxide resistive memory with a thin Ti cap // IEEE Electron Device Letters. 2010. Vol. 31, № 1. P. 44-46.

18. Chouprik A. et al. Electron transport across ultrathin ferroelectric HfD.5Zr0.5O2 films on Si // Microelectronic Engineering. Elsevier B.V., 2017. Vol. 178. P. 250-253.

19. Mikheev V. et al. Ferroelectric Second-Order Memristor // ACS Applied Materials and Interfaces. American Chemical Society, 2019. Vol. 11, № 35. P. 32108-32114.

20. Matveyev Y. et al. Polarization-dependent electric potential distribution across nanoscale ferroelectric Hf0.5Zr0.5O2 in functional memory capacitors // Nanoscale. Royal Society of Chemistry, 2019. Vol. 11, № 42. P. 19814-19822.

21. Mikheev V. et al. Memristor with a ferroelectric HfO2 layer: In which case it is a ferroelectric tunnel junction // Nanotechnology. Institute of Physics Publishing, 2020. Vol. 31, № 21. P.215205.

22. Chouprik A. et al. Wake-up in a Hf0.5Zr0.5O2 film: A Cycle-by-cycle emergence of the remnant polarization via the domain depinning and the vanishing of the anomalous polarization switching // ACS Applied Electronic Materials. American Chemical Society, 2019. Vol. 1, № 3. P. 275-287.

23. Chaudhary P. et al. Electroresistance effect in MoS2-Hf0.5Zr0.5O2 heterojunctions // Applied Physics Letters. American Institute of Physics Inc., 2021. Vol. 118, № 8. P. 83106.

24. Chouprik A. et al. Origin of the retention loss in ferroelectric Hf0.5Zr0.5O2-based memory devices // Acta Materialia. Acta Materialia Inc, 2021. Vol. 204. P. 116515.

25. Moll J.L., Tarui Y. A New Solid State Memory Resistor // IEEE Transactions on Electron Devices. 1963. Vol. 10, № 5. P. 338.

26. Park J.Y. et al. A perspective on semiconductor devices based on fluorite-structured ferroelectrics from the materials-device integration perspective // Journal of Applied Physics. American Institute of Physics Inc., 2020. Vol. 128, № 24. P. 240904.

27. Dünkel S. et al. A FeFET based super-low-power ultra-fast embedded NVM technology for 22nm FDSOI and beyond // Technical Digest - International Electron Devices Meeting, IEDM. Institute of Electrical and Electronics Engineers Inc., 2018. P. 19.7.1-19.7.4.

28. Yurchuk E. et al. Charge-Trapping Phenomena in HfO2-Based FeFET-Type Nonvolatile Memories // IEEE Transactions on Electron Devices. Institute of Electrical and Electronics Engineers Inc., 2016. Vol. 63, № 9. P. 3501-3507.

29. Ambriz-Vargas F. et al. A Complementary Metal Oxide Semiconductor Process-Compatible Ferroelectric Tunnel Junction // ACS Applied Materials and Interfaces. 2017. Vol. 9, № 15. P.13262-13268.

30. Bilc D.I. et al. Electroresistance effect in ferroelectric tunnel junctions with symmetric electrodes // ACS Nano. American Chemical Society, 2012. Vol. 6, № 2. P. 1473-1478.

31. Velev J.P. et al. Effect of ferroelectricity on electron transport in Pt/BaTiO3/Pt tunnel junctions // Physical Review Letters. 2007. Vol. 98, № 13.

32. Evgeny Y., Kohlstedt H. Tunneling across a ferroelectric. Evgeny Tsymbal Publications, 2006. P. 22.

33. Garcia V. et al. Giant tunnel electroresistance for non-destructive readout of ferroelectric states // Nature. 2009. Vol. 460, № 7251. P. 81-84.

34. Gruverman A. et al. Tunneling electroresistance effect in ferroelectric tunnel junctions at the nanoscale // Nano Letters. 2009.

35. Yamada H. et al. Strong Surface-Termination Effect on Electroresistance in Ferroelectric Tunnel Junctions // Advanced Functional Materials. Wiley-VCH Verlag, 2015. Vol. 25, № 18. P.2708-2714.

36. Tsurumaki-Fukuchi A., Yamada H., Sawa A. Resistive switching artificially induced in a dielectric/ferroelectric composite diode // Applied Physics Letters. American Institute of PhysicsAIP, 2013. Vol. 103, № 15. P. 152903.

37. Wen Z. et al. Ferroelectric-field-effect-enhanced electroresistance in metal/ferroelectric/semiconductor tunnel junctions // Nature Materials. Nature Publishing Group, 2013. Vol. 12, № 7. P. 617-621.

38. Tsymbal E.Y., Gruverman A. Ferroelectric tunnel junctions: Beyond the barrier // Nature Materials. Nature Publishing Group, 2013. Vol. 12, № 7. P. 602-604.

39. Tagantsev A.K. et al. Nature of nonlinear imprint in ferroelectric films and long-term prediction of polarization loss in ferroelectric memories // Journal of Applied Physics. American Institute of PhysicsAIP, 2004. Vol. 96, № 11. P. 6616-6623.

40. Yoon S.-J. et al. Polarization switching kinetics of the ferroelectric Al-doped HfO 2 thin films prepared by atomic layer deposition with different ozone doses // Journal of Vacuum Science & Technology B. American Vacuum Society, 2019. Vol. 37, № 5. P. 050601.

41. Starschich S., Menzel S., Böttger U. Evidence for oxygen vacancies movement during wake-up in ferroelectric hafnium oxide // Applied Physics Letters. American Institute of Physics Inc., 2016. Vol. 108, № 3. P. 032903.

42. Rignanese G.M. et al. First-principles investigation of high-K dielectrics: Comparison between the silicates and oxides of hafnium and zirconium // Physical Review B - Condensed Matter and Materials Physics. American Physical Society, 2004. Vol. 69, № 18. P. 184301.

43. Zhao X., Vanderbilt D. First-principles study of structural, vibrational, and lattice dielectric properties of hafnium oxide // Physical Review B - Condensed Matter and Materials Physics. American Physical Society, 2002. Vol. 65, № 23. P. 1-4.

44. Scott J.F. Ferroelectrics go bananas // Journal of Physics Condensed Matter. 2008. Vol. 20, № 2.

45. Huan T.D. et al. Pathways towards ferroelectricity in hafnia // Physical Review B -Condensed Matter and Materials Physics. American Physical Society, 2014. Vol. 90, № 6. P. 064111.

46. Materlik R., Kunneth C., Kersch A. The origin of ferroelectricity in Hf1-xZrxO2: A computational investigation and a surface energy model // Journal of Applied Physics. American Institute of Physics Inc., 2015. Vol. 117, № 13. P. 134109.

47. Sang X. et al. On the structural origins of ferroelectricity in HfO2 thin films // Applied Physics Letters. American Institute of Physics Inc., 2015. Vol. 106, № 16. P. 162905.

48. Al-Khatatbeh Y., Lee K.K.M., Kiefer B. Phase diagram up to 105 GPa and mechanical strength of HfO 2.

49. Böscke T.S. et al. Phase transitions in ferroelectric silicon doped hafnium oxide // Applied Physics Letters. American Institute of PhysicsAIP, 2011. Vol. 99, № 11. P. 112904.

50. Park M.H. et al. The effects of crystallographic orientation and strain of thin Hf 0.5Zr0.5O2 film on its ferroelectricity // Applied Physics Letters. American Institute of Physics Inc., 2014. Vol. 104, № 7. P. 072901.

51. Müller J. et al. Ferroelectricity in simple binary ZrO 2 and HfO 2 // Nano Letters. American Chemical Society, 2012. Vol. 12, № 8. P. 4318-4323.

52. Junquera J., Ghosez P. Critical thickness for ferroelectricity in perovskite ultrathin films // Nature. Nature Publishing Group, 2003. Vol. 422, № 6931. P. 506-509.

53. Scott J.F. Ferroelectric Memories. Springer Series in Advanced Microelectronics, 2000.

54. Mulaos H. et al. Switching kinetics in nanoscale hafnium oxide based ferroelectric field-effect transistors // ACS Applied Materials and Interfaces. American Chemical Society, 2017. Vol. 9, № 4. P. 3792-3798.

55. Chernikova A. et al. Ultrathin Hf0.5Zr0.5O2 Ferroelectric Films on Si // ACS Applied Materials and Interfaces. American Chemical Society, 2016. Vol. 8, № 11. P. 7232-7237.

56. Cheema S.S. et al. Enhanced ferroelectricity in ultrathin films grown directly on silicon // Nature. Nature Research, 2020. Vol. 580, № 7804. P. 478-482.

57. Mueller S. et al. Incipient Ferroelectricity in Al-Doped HfO2 Thin Films // Advanced Functional Materials. John Wiley & Sons, Ltd, 2012. Vol. 22, № 11. P. 2412-2417.

58. Schroeder U. et al. Lanthanum-Doped Hafnium Oxide: A Robust Ferroelectric Material // Inorganic Chemistry. American Chemical Society, 2018. Vol. 57, № 5. P. 2752-2765.

59. Schenk T. et al. Strontium doped hafnium oxide thin films: Wide process window for ferroelectric memories // European Solid-State Device Research Conference. IEEE Computer Society,

2013. P. 260-263.

60. Müller J. et al. Ferroelectricity in yttrium-doped hafnium oxide // Journal of Applied Physics. American Institute of PhysicsAIP, 2011. Vol. 110, № 11. P. 114113.

61. Park M.H. et al. Ferroelectricity and Antiferroelectricity of Doped Thin HfO2-Based Films // Advanced Materials. 2015.

62. Hoffmann M. et al. Stabilizing the ferroelectric phase in doped hafnium oxide // Journal of Applied Physics. American Institute of Physics Inc., 2015. Vol. 118, № 7. P. 072006.

63. Chernikova A. et al. Confinement-free annealing induced ferroelectricity in Hf0.5Zr0.502 thin films // Microelectronic Engineering. Elsevier B.V., 2015. Vol. 147. P. 15-18.

64. Park M.H. et al. Ferroelectric properties and switching endurance of Hf 0.5 Zr 0.5 O 2 films on TiN bottom and TiN or RuO 2 top electrodes // physica status solidi (RRL) - Rapid Research Letters. Wiley-VCH Verlag, 2014. Vol. 8, № 6. P. 532-535.

65. Starschich S. et al. Chemical solution deposition of ferroelectric yttrium-doped hafnium oxide films on platinum electrodes // Applied Physics Letters. American Institute of Physics Inc.,

2014. Vol. 104, № 20. P. 202903.

66. Park M.H. et al. Study on the degradation mechanism of the ferroelectric properties of thin Hf0.5Zr0.5O2 films on TiN and Ir electrodes // Applied Physics Letters. American Institute of Physics Inc., 2014. Vol. 105, № 7. P. 072902.

67. Pesic M. et al. Conduction barrier offset engineering for DRAM capacitor scaling // Solid-State Electronics. Elsevier Ltd, 2016. Vol. 115. P. 133-139.

68. Pesic M. et al. Physical Mechanisms behind the Field-Cycling Behavior of HfO2-Based Ferroelectric Capacitors // Advanced Functional Materials. Wiley-VCH Verlag, 2016. Vol. 26, № 25. P.4601-4612.

69. Muller J. et al. Ferroelectric hafnium oxide: A CMOS-compatible and highly scalable approach to future ferroelectric memories // Technical Digest - International Electron Devices Meeting, IEDM. 2013.

70. Schenk T. et al. Electric field cycling behavior of ferroelectric hafnium oxide // ACS Applied Materials and Interfaces. American Chemical Society, 2014. Vol. 6, № 22. P. 19744-19751.

71. Bersuker G. et al. Breakdown in the metal/high-k gate stack: Identifying the "weak link" in the multilayer dielectric // Technical Digest - International Electron Devices Meeting, IEDM. 2008.

72. Chernikova A.G. et al. Improved Ferroelectric Switching Endurance of La-Doped Hf0.5zr0.502 Thin Films // ACS Applied Materials and Interfaces. American Chemical Society, 2018. Vol. 10, № 3. P. 2701-2708.

73. Kozodaev M.G. et al. Mitigating wakeup effect and improving endurance of ferroelectric HfO 2 -ZrO 2 thin films by careful La-doping // Journal of Applied Physics. American Institute of Physics Inc., 2019. Vol. 125, № 3. P. 034101.

74. Lou X.J. Statistical switching kinetics of ferroelectrics // Journal of Physics Condensed Matter. IOP Publishing, 2009. Vol. 21, № 1. P. 012207.

75. Mulaosmanovic H. et al. Interplay between Switching and Retention in HfO 2 -Based Ferroelectric FETs // IEEE Transactions on Electron Devices. Institute of Electrical and Electronics Engineers Inc., 2020. Vol. 67, № 8. P. 3466-3471.

76. Gong N. et al. Nucleation limited switching (NLS) model for HfO2-based metal-ferroelectric-metal (MFM) capacitors: Switching kinetics and retention characteristics // Applied Physics Letters. American Institute of Physics Inc., 2018. Vol. 112, № 26. P. 262903.

77. Mueller S. et al. Reliability characteristics of ferroelectric Si:HfO2 thin films for memory applications // IEEE Transactions on Device and Materials Reliability. 2013. Vol. 13, № 1. P. 93-97.

78. Ishibashi Y., Takagi Y. Note on ferroelectric domain switching // Journal of the Physical Society of Japan. The Physical Society of Japan, 1971. Vol. 31, № 2. P. 506-510.

79. Guo R. et al. Functional ferroelectric tunnel junctions on silicon // Scientific Reports. Nature Publishing Group, 2015. Vol. 5, № 1. P. 1-7.

80. Chernikova A. et al. Ultrathin Hf 0.5 Zr 0.5 O 2 Ferroelectric Films on Si // ACS Applied Materials and Interfaces. 2016.

81. Fan Z. et al. Ferroelectricity and ferroelectric resistive switching in sputtered Hf0.5Zr0.5O2 thin films // Applied Physics Letters. American Institute of Physics Inc., 2016. Vol. 108, № 23. P. 232905.

82. Yoong H.Y. et al. Epitaxial Ferroelectric Hf 0.5 Zr 0.5 O 2 Thin Films and Their Implementations in Memristors for Brain-Inspired Computing // Advanced Functional Materials. 2018. Vol. 28, № 50.

83. Chiu F.C. A review on conduction mechanisms in dielectric films // Advances in Materials Science and Engineering. Hindawi Publishing Corporation, 2014. Vol. 2014.

84. Yu S., Guan X., Wong H.S.P. Conduction mechanism of TiNHfO xPt resistive switching memory: A trap-assisted-tunneling model // Applied Physics Letters. American Institute of PhysicsAIP, 2011. Vol. 99, № 6. P. 063507.

85. Ambriz-Vargas F. et al. Tunneling electroresistance effect in a Pt/HfD.5Zr0.5O2/Pt structure // Applied Physics Letters. 2017.

86. Yoon J. et al. Understanding tunneling electroresistance effect through potential profile in Pt/Hf0.5Zr0.5O2/TiN ferroelectric tunnel junction memory // Applied Physics Letters. American Institute of Physics Inc., 2019. Vol. 115, № 15. P. 153502.

87. Cheema S.S. et al. One nanometer HfO$_2$-based ferroelectric tunnel junctions on silicon // arXiv. arXiv, 2020.

88. Fujii S. et al. First demonstration and performance improvement of ferroelectric HfO2-based resistive switch with low operation current and intrinsic diode property // Digest of Technical Papers - Symposium on VLSI Technology. Institute of Electrical and Electronics Engineers Inc., 2016. Vol. 2016-September.

89. Tian X., Toriumi A. New opportunity of ferroelectric tunnel junction memory with ultrathin HfO2-based oxides // 2017 IEEE Electron Devices Technology and Manufacturing Conference, EDTM 2017 - Proceedings. Institute of Electrical and Electronics Engineers Inc., 2017. P. 63-64.

90. Goh Y., Jeon S. Enhanced tunneling electroresistance effects in HfZrO-based ferroelectric tunnel junctions by high-pressure nitrogen annealing // Applied Physics Letters. American Institute of Physics Inc., 2018. Vol. 113, № 5. P. 052905.

91. Chen L. et al. Ultra-low power Hf0.5Zr0.5O2 based ferroelectric tunnel junction synapses for hardware neural network applications // Nanoscale. Royal Society of Chemistry, 2018. Vol. 10, № 33. P. 15826-15833.

92. Balatti S. et al. Voltage-controlled cycling endurance of HfOx-based resistive-switching memory // IEEE Transactions on Electron Devices. 2015.

93. Markeev A. et al. Multilevel resistive switching in ternary HfxAl 1-xOy oxide with graded Al depth profile // Microelectronic Engineering. Elsevier, 2013. Vol. 109. P. 342-345.

94. Zhang H. et al. Ionic doping effect in ZrO2 resistive switching memory // Applied Physics Letters. American Institute of PhysicsAIP, 2010. Vol. 96, № 12. P. 123502.

95. Simmons J.G. Generalized thermal J-V characteristic for the electric tunnel effect // Journal of Applied Physics. American Institute of PhysicsAIP, 1964. Vol. 35, № 9. P. 2655-2658.

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

97. Meyer R. et al. Oxide dual-layer memory element for scalable non-volatile cross-point memory technology // Proceedings - 2008 9th Annual Non-Volatile Memory Technology Symposium, NVMTS 2008. 2008.

98. Sawa A. et al. Interface transport properties and resistance switching in perovskite-oxide heterojunctions // Strongly Correlated Electron Materials: Physics and Nanoengineering / ed. Bozovic I., Pavuna D. SPIE, 2005. Vol. 5932. P. 59322C.

99. Yang J.J., Strukov D.B., Stewart D.R. Memristive devices for computing // Nature Nanotechnology. Nature Publishing Group, 2013. Vol. 8, № 1. P. 13-24.

100. Jo S.H. et al. Nanoscale memristor device as synapse in neuromorphic systems // Nano Letters. American Chemical Society, 2010. Vol. 10, № 4. P. 1297-1301.

101. Yu S. et al. An electronic synapse device based on metal oxide resistive switching memory for neuromorphic computation // IEEE Transactions on Electron Devices. 2011. Vol. 58, № 8. P. 2729-2737.

102. Wang Z.Q. et al. Synaptic learning and memory functions achieved using oxygen ion migration/diffusion in an amorphous InGaZnO memristor // Advanced Functional Materials. John Wiley & Sons, Ltd, 2012. Vol. 22, № 13. P. 2759-2765.

103. Krzysteczko P. et al. The memristive magnetic tunnel junction as a nanoscopic synapse-neuron system // Advanced Materials. John Wiley & Sons, Ltd, 2012. Vol. 24, № 6. P. 762-766.

104. Kim S. et al. Experimental demonstration of a second-order memristor and its ability to biorealistically implement synaptic plasticity // Nano Letters. American Chemical Society, 2015. Vol. 15, № 3. P. 2203-2211.

105. Du C. et al. Biorealistic Implementation of Synaptic Functions with Oxide Memristors through Internal Ionic Dynamics // Advanced Functional Materials. Wiley-VCH Verlag, 2015. Vol. 25, № 27. P. 4290-4299.

106. Wang Z. et al. Memristors with diffusive dynamics as synaptic emulators for neuromorphic computing // Nature Materials. Nature Publishing Group, 2017. Vol. 16, № 1. P. 101108.

107. Nicholls J.G. et al. From Neuron to Brain. 5th ed. Sinauer Associates, 2011. 621 p.

108. Chanthbouala A. et al. A ferroelectric memristor // Nature Materials. Nature Publishing Group, 2012. Vol. 11. P. 860.

109. Kim D.J. et al. Ferroelectric tunnel memristor // Nano Letters. 2012. Vol. 12, № 11. P. 5697-5702.

110. Hatzakis M., Canavello B.J., Shaw J.M. SINGLE-STEP OPTICAL LIFT-OFF PROCESS. // IBM Journal of Research and Development. 1980. Vol. 24, № 4. P. 452-460.

111. Williams K.R., Gupta K., Wasilik M. Etch rates for micromachining processing - Part II // Journal of Microelectromechanical Systems. 2003. Vol. 12, № 6. P. 761-778.

112. Sawyer C.B., Tower C.H. Rochelle salt as a dielectric // Physical Review. American Physical Society, 1930. Vol. 35, № 3. P. 269-273.

113. Pintilie L., Alexe M. Ferroelectric-like hysteresis loop in nonferroelectric systems // Applied Physics Letters. American Institute of PhysicsAIP, 2005. Vol. 87, № 11. P. 112903.

114. КМ. РАБЕ, Ч.Г. АН, Ж.М. ТРИСКОН. Физика сегнетоэлектриков. Москва: БИНОМ, 2012.

115. Ч. Киттель. Введение в физику твердого тела. Москва: Физматгиз, 1963.

116. Kim D.J. et al. Polarization relaxation induced by a depolarization field in ultrathin ferroelectric BaTiO3 capacitors // Physical Review Letters. American Physical Society, 2005. Vol. 95, № 23. P.237602.

117. Н. Ашкрофт, Н. Мермин. Физика твердого тела. Москва: МИР, 1979. Vol. 1.

118. Ando Y., Itoh T. Calculation of transmission tunneling current across arbitrary potential barriers // Journal of Applied Physics. American Institute of PhysicsAIP, 1987. Vol. 61, № 4. P. 1497-1502.

119. Grimley E.D. et al. Structural Changes Underlying Field-Cycling Phenomena in Ferroelectric HfO 2 Thin Films // Advanced Electronic Materials. Blackwell Publishing Ltd, 2016. Vol. 2, № 9. P. 1600173.

120. Grimley E.D. et al. Atomic Structure of Domain and Interphase Boundaries in Ferroelectric HfO 2 // Advanced Materials Interfaces. Wiley-VCH Verlag, 2018. Vol. 5, № 5. P. 1701258.

121. Zarubin S. et al. Fully ALD-grown TiN/Hf0.5Zr0.5O2/TiN stacks: Ferroelectric and structural properties // Applied Physics Letters. American Institute of Physics Inc., 2016. Vol. 109, № 19. P.192903.

122. Chouprik A. et al. Ferroelectricity in Hf0.5Zr0.5O2 Thin Films: A Microscopic Study of the Polarization Switching Phenomenon and Field-Induced Phase Transformations // ACS Applied Materials and Interfaces. American Chemical Society, 2018. Vol. 10, № 10. P. 8818-8826.

123. Jaffe J.E., Bachorz R.A., Gutowski M. Low-temperature polymorphs of ZrO2 and HfO2: A density-functional theory study // Physical Review B - Condensed Matter and Materials Physics. American Physical Society, 2005. Vol. 72, № 14. P. 144107.

124. Zhao X., Vanderbilt D. First-principles study of structural, vibrational, and lattice dielectric properties of hafnium oxide // Physical Review B - Condensed Matter and Materials Physics. American Physical Society, 2002. Vol. 65, № 23. P. 1-4.

125. Wilk G.D., Wallace R.M., Anthony J.M. High-к gate dielectrics: Current status and materials properties considerations // Journal of Applied Physics. American Institute of PhysicsAIP, 2001. Vol. 89, № 10. P. 5243-5275.

126. Zafar S. et al. Measurement of oxygen diffusion in nanometer scale HfO2 gate dielectric films // Applied Physics Letters. American Institute of PhysicsAIP, 2011. Vol. 98, № 15. P. 152903.

127. Akaike H. A New Look at the Statistical Model Identification // IEEE Transactions on Automatic Control. 1974. Vol. 19, № 6. P. 716-723.

128. Richter C. et al. Si Doped Hafnium Oxide-A "Fragile" Ferroelectric System // Advanced Electronic Materials. Blackwell Publishing Ltd, 2017. Vol. 3, № 10. P. 1700131.

129. Gavartin J.L. et al. Negative oxygen vacancies in HfO 2 as charge traps in high-k stacks // Applied Physics Letters. American Institute of PhysicsAIP, 2006. Vol. 89, № 8. P. 082908.

130. Grossmann M. et al. The interface screening model as origin of imprint in PbZr xTi 1-xO 3 thin films. I. Dopant, illumination, and bias dependence // Journal of Applied Physics. American Institute of PhysicsAIP, 2002. Vol. 92, № 5. P. 2680-2687.

131. Sheu S.S. et al. A 4Mb embedded SLC resistive-RAM macro with 7.2ns read-write random-access time and 160ns MLC-access capability // Digest of Technical Papers - IEEE International Solid-State Circuits Conference. 2011. P. 200-202.

132. Max B. et al. Interplay between ferroelectric and resistive switching in doped crystalline HfO2 // Journal of Applied Physics, 2018. Vol. 123, № 13. P. 134102.

133. Al-Kuhaili M.F. Optical properties of hafnium oxide thin films and their application in energy-efficient windows // Optical Materials. Elsevier, 2004. Vol. 27, № 3. P. 383-387.

134. Pezzi R.P. et al. Oxygen transport and reaction mechanisms in rhenium gate contacts on hafnium oxide films on Si // Applied Physics Letters., 2006. Vol. 88, № 24. P. 243509.

135. Zhou D. et al. Wake-up effects in Si-doped hafnium oxide ferroelectric thin films // Applied Physics Letters, 2013. Vol. 103, № 19. P. 192904.

136. Зи С. Физика полупроводниковых приборов. Москва: Мир, 1984. Vol. 1.

137. Matveyev Y.A. et al. Resistive switching effect in HfxAl1-xOy with a graded Al depth profile studied by hard X-ray photoelectron spectroscopy // Thin Solid Films. Elsevier, 2014. Vol. 563. P. 20-23.

138. Бонч-Бруевич В. Л., Калашников С. Г. Физика полупроводников. Москва: Наука, 1977. 243-247 p.