Formation and Study of Memristor Elements Based on Copper and Titanium Oxides Using Magnetron Technology

Объем хранящихся в мире цифровых данных за последние десять лет кратно увеличился. Этим обстоятельствам вызван большой интерес к устройствам, демонстрирующим эффекты обратимого резистивного переключения, открывающим путь к созданию сверхъёмких модулей памяти, благодаря наложению нескольких слоев друг на друга, что позволит получить переключающий многомерный и многоканальный механизм, работающий с несколькими слоями одновременно и независимо. Мемристорная память может обладать высокими эксплуатационными характеристиками такими, как быстродействие, энергонезависимость, значительное количество циклов переключения и возможностью сохранять информацию длительное время в широком диапазоне температур

Толкование эффекта резестивного переключения в мемристивных структурах сводится к процессам миграции вакансий кислорода в диэлектрических слоях или ионов металлов, имплантированных в этот слой

В настоящей работе развивается подход к использованию в мемристорных структурах оксидов Ti и Cu, разработанным технологическим режимом осаждения диэлектрика путем магнетронного распыления составной титаново-медной мишени в кислородосодержащей среде.

Конструкция, исследуемых мемристорных структур, представляет собой структуры металл-диэлектрик-металл. В качестве нижнего и верхнего электродов применялся слой алюминия толщиной 70 нм, полученный методом термического испарения. Алюминий был выбран по причине простоты осаждения, к тому же целью данной работы являлось исследование именно диэлектрического слоя. В основе методики формирования активного слоя, рассматриваемых в настоящей работе мемристорных структур, заложены процессы, протекающие в плазме тлеющего разряда, создаваемого магнетронным источником распыления, катодом которого являлась составная мишень Ti:Cu (титан-медь). Схема магнетронной установки проиллюстрирована на рисунке 1. При этом относительная площадь, занимаемая медными дисками на составной мишени, была около ∼15 % от общей площади зоны распыления мишени. Распыление проводилось в атмосфере воздуха при парциальном давлении 6×10-3 мм рт.ст. и токе разряда 150 мА.

Рисунок 1 - Схематическое изображение магнетронной распылительной системы:

1 – постоянный магнит; 2 – медные диски; 3 – подложка; 4 – зона распыления; 5 – составная мишень (Ti:Cu)

DOI:10.23670/IRJ.2023.138.138.1

После осаждения тонкопленочных структур были сняты вольт-амперные характеристики при помощи источника постоянного напряжения и измерителя силы тока, а также был проведен анализ атомарного состава пленок с применением энергодисперсионного рентгеновского спектрометра JED-2300T. Для этого на кремниевой подложке было произведено осаждение диэлектрического слоя при тех же параметрах магнетронного распыления составной титаново-медной мишени (Приставка к электронному сканирующему микроскопу JEOL серии JCM-6000). Результат показан на рисунке 2.

Рисунок 2 - Энергодисперсионный рентгеновский спектр диэлектрического слоя, осажденного магнетронным распылением составной мишени на кремниевой подложке

DOI:10.23670/IRJ.2023.138.138.2

Исключая кремний из состава, количественный анализ дает следующие значения – кислорода 25,25%, татана 9,62 % и меди 63,33 % (атомная масса меди 63,5 а.е.м., кислорода 16 а.е.м., титана 47,9 а.е.м.). Откуда можно сделать вывод о нестехиометрическом составе пленки и преобладании оксида меди в диэлектрическом слое. Такой состав пленок приводит к образованию дефектов типа кислородных вакансий, миграция которых изменяет проводимость активного слоя.

На рисунке 3 показана типичная вольт-амперная характеристика мемристора на основе оксида титана без модификации медью с толщиной диэлектрического слоя ∼60 нм. В диапазоне напряжений от -5 В до 5 В отношение высокоомного состояния к низкоомному не превышало 3-4. Стоит отметить, что мемристивный эффект данных структур проявляется при толщине диэлектрического слоя в диапазоне от 40 нм вплоть до ∼120 нм. Такой диапазон толщины мемристора, при котором имеет место резистивное переключение, объясняется микрорельефом поверхности алюминиевых электродов. В работе

[11]

подробно рассмотрены зависимости электрической прочности диэлектрических пленок от микрорельефа электродов. Тонкие пленки алюминия, осажденные на стеклянную подложку, имеют характерные бугорки со средней высотой ∼30нм, которые резко снижают электрическую прочность пленок толщиной меньше ∼40 нм.

Рисунок 3 - Вольт-амперная характеристика структуры на основе оксида титана: 

фиолетовый - при увеличении напряжения; зелёный - в обратном направлении; красный - при увеличении напряжения в отрицательной области; синий - в обратном

DOI:10.23670/IRJ.2023.138.138.3

Рисунок 4 - Вольт-амперная характеристика структуры на основе пленок оксида меди с примесями оксида титана, полученного методом магнетронного распыления составной мишени: 

синий - при увеличении напряжения; зелёный - в обратном направлении; голубой - при увеличении напряжения в отрицательной области; фиолетовый - в обратном

DOI:10.23670/IRJ.2023.138.138.4

Рисунок 5 - Зависимость в логарифмическом масштабе для структуры на основе оксида титана: 

синяя кривая - при увеличении напряжения; красная - в обратном направлении

DOI:10.23670/IRJ.2023.138.138.5

Рисунок 6 - Зависимость в логарифмическом масштабе для структуры на основе пленок оксида меди с примесями оксида титана, полученного методом магнетронного распыления составной мишени: 

красная кривая - при увеличении напряжения; синяя - в обратном направлении

DOI:10.23670/IRJ.2023.138.138.6

Вольт-амперная характеристика мемристора, изготовленного распылением составной мишени, проиллюстрирована на рисунке 3б. Видно, что при приложении положительного напряжение около 9 В мемристор переводится в состояние с низким сопротивлением: изменение электрического сопротивления ∼102. И аналогичный переход происходит в отрицательном диапазоне напряжений порядка - 5 В, где изменение электрического сопротивления ∼ 103. Важным также стоит упомянуть, что напряжение порядка 12 В для данных структур приводит к явлению пробоя, которое требует отдельного внимания и более детального изучения. По этой причине диапазон напряжений не превышал 12 В.

Важным стоит упомянуть, что скорость формирования диэлектрического слоя методом магнетронного распыления составной мишени при токе разряда 150 мА составляла 16 нм/мин, что превышает скорость осаждения пленок диоксида титана при том же режиме напыления примерно в 4-5 раз. Этим обстоятельством вызвано преобладание оксида меди в активном слое так как скорость распыления меди кратно больше скорости распыления титана. Толщина диэлектрического слоя при котором проявляется мемристивный эффект таких структур лежит в диапазоне от ∼60 нм до ∼400 нм. На рисунке 4 показана типичная вольт-амперная характеристика мемристора с толщиной диэлектрического слоя ~ 200 нм. Стоит обозначить, что общий вид вольт-амперных характеристик не меняется от изменения толщины активного слоя, а меняется только величина напряжения переключения. По этой причине имеет место сравнительный анализ со структурами без модификаций медью. К тому же характерным для данных пленок является скачкообразный переход в низкоомное состояние.

При исследовании запоминающих свойств данных пленок важно выяснить механизм переключения, реализуемый в представленных структурах. С этой целью было снято растровое изображение торцевого скола структуры с применением TESCAN MIRA 3LMU до и после переключения в низкоомное состояние. Результат представлен на рисунке 7. Можно наблюдать вертикально-ориентируемую морфологию, которая может подтверждать, филаментарный механизм переключения. Стоит упомянуть, что основной причиной нестабильности характеристик мемристорных устройств является неоднородность распределения электрического поля в активном слое мемристора, в связи с отсутствием строгой геометрии в диэлектрическом слое резистивного элемента памяти.

Рисунок 7 - РЭМ-изображение торцевого скола мемристивных структур без воздействия электрическим полем (а), после переключения в низкоомное состояние (б).

DOI:10.23670/IRJ.2023.138.138.7

Рассмотрена методика получения пленок оксида меди с примесями оксида титана, полученных магнетронным распылением составной мишени, для создания на их основе мемристорных структур. С применением растровой электронной микроскопии были получены снимки торцевого скола тонкопленочной структуры. Результатом этого исследования является подтверждение, доминирующего в настоящий момент филаментарного механизма, реализуемого в представленных в настоящей работе мемристорных структурах. Также продемонстрировано кратное увеличение отношения высокоомного состояния мемристора к низкоомному по сравнению с мемристорами, которые были изготовлены без медных дисков на титановой подложке в процессе магнетронного осаждения.

Полученные результаты показывают целесообразность использования представленной технологии осаждения диэлектрических материалов для изготовления резистивных элементов памяти.

Механизм влияния атомов меди на свойства мемристорных структур требует проведение отдельных исследований.