Ю.А. МАТВЕЕВ

Научный руководитель - А.В. ЗЕНКЕВИЧ, к.ф.-м.н.

Национальный исследовательский ядерный университет «МИФИ», г. Москва, Россия
Исследование эффекта обратимого резистивного переключения

в структурах Pt/ZrO_x/HfO₂/Si

В работе были экспериментально исследованы электронные и электрофизические свойства границ раздела в МДП-структурах Pt/ZrO_x/HfO₂/Si. Результаты указывают на то, что наблюдаемый эффект обратимого переключения электросопротивления в данных структурах вызывается окислением/восстановлением ZrO_x на границе раздела Pt/ZrO_x.
В настоящее время в мире ведется активный поиск альтернативных концепций энергонезависимой памяти следующего поколения взамен доминирующей в настоящее время флеш-памяти. Одной из наиболее перспективных концепций основана на эффекте обратимого резистивного переключения в «перекрестных» структурах металл-изолятор-металл [1], в том числе, потому, что позволяет достичь большего, по сравнению с флэш, уровня масштабирования. Однако, успешная коммерциализация данного типа памяти невозможна без детального понимания механизмов, вызывающих изменение электросопротивления. Для бинарных оксидов металлов, таких как HfO₂, наиболее распространенной моделью является электромиграция вакансий кислорода, однако, прямых экспериментальных доказательств данной модели не публиковалось [2,3].

В данной работе проведено детальное исследование химических и электрофизических свойств тонкопленочных структур Pt/ZrO_x/HfO₂, выращенных на p-Si⁺⁺ в состояниях с различной проводимостью. Плёнки HfO₂ толщиною 7 нм были выращенным с помощью метода атомного послойного осаждения (АПО), а затем методом импульсного лазерного осаждения в одном сверхвысоковакуумном (СВВ) цикле через теневые маски последовательно наносились слои Zr и Pt толщиной 1 и 6 нм, соответственно.

На Рис. 1 приведена типичная для структуры с резистивным переключением вольт-амперная характеристика, демонстрирующая гистерезис электросопротивления. Для анализа химических свойств границ раздела были проводились измерения методом высокоэнергетической (E=6 кэВ) рентгеновской фотоэлектронной спектроскопии (ВЭРФЭС) на синхротронном источнике PETRA III (DESY, Гамбург, Германия).




Рис. 1 Типичная ВАХ структуры Pt/ZrO_x/HfO₂/Si, демонстрирующая принцип переключения и считывания информации.



Рис. 2 Модель, иллюстрирующая эффект образования проводящих дорожек из кислородных вакансий.
Полученные экспериментальные данные можно описать следующей моделью: при осаждении Zr на поверхности формируется слой ZrO_x, который служит (туннельным) барьером для тока. При приложении отрицательного напряжения на затвор Pt заряженные атомы кислорода из слоя ZrO_x под действием поля дрейфуют в слой металлического Zr, и в слое ZrO_x формируются дополнительные кислородные вакансии, которые образуют проводящие дорожки и, как следствие, уменьшают сопротивление слоя ZrO_x. При приложении положительного напряжения происходит обратный процесс: кислород дрейфует к верхней границе ZrO_x, вызывая окисление проводящих дорожек, и электросопротивление через слой оксида резко растёт.
Список литературы

1. 
   R. Waser, R. Dittmann, G. Staikov, et.al. // Adv. Mater., vol. 21 ( 2009), pp. 2632–2663.
   
2. 
   B. Gao, B. Sun, H. Zhang, et. al. // IEEE Electron Device Lett., vol. 30 ( 2009), p. 1326.
   
3. 
   M.Y. Chan, T. Zhang, V. Hob, et. al. // Microelectr. Eng., vol. 85 ( 2008), p. 2420-2424.