RU149246U1

RU149246U1 - ELEMENT OF RESISTIVE ENERGY INDEPENDENT MEMORY

Info

Publication number: RU149246U1
Application number: RU2014131992/28U
Authority: RU
Inventors: Олег Николаевич Горшков; Александр Петрович Касаткин; Алексей Николаевич Михайлов; Иван Николаевич Антонов; Алексей Иванович Белов; Мария Евгеньевна Шенина; Александр Николаевич Шарапов
Priority date: 2014-08-01
Filing date: 2014-08-01
Publication date: 2014-12-27

Abstract

Предлагаемая полезная модель относится к области физики и электричества, а именно, к полупроводниковым цифровым запоминающим приборам, состоящим из нескольких полупроводниковых компонентов, сформированных на одной общей подложке, касается элемента резистивной энергонезависимой памяти, который может быть использован для создания устройств энергонезависимой памяти. Элемент резистивной энергонезависимой памяти включает электроды и активную область, выполненную между электродами и содержащую слой стабилизированного диоксида циркония. Новым является то, что активная область дополнительно содержит слой из GeO_x, выполненный между верхним электродом и слоем стабилизированного диоксида циркония, при этом верхний электрод выполнен из слоя циркония, на который нанесен слой золота. Техническим результатом от использования предлагаемой полезной модели является уменьшение вероятности ошибки при работе в режиме считывания записанной информации, уменьшение электропотребления. 1 Н.П.Ф., 3 З.П.Ф., 2 ФИГ. The proposed utility model relates to the field of physics and electricity, namely, to semiconductor digital storage devices consisting of several semiconductor components formed on one common substrate, concerns an element of resistive non-volatile memory, which can be used to create non-volatile memory devices. The non-volatile resistive memory element includes electrodes and an active region formed between the electrodes and containing a stabilized zirconia layer. New is that the active region additionally contains a layer of GeO _x made between the upper electrode and the stabilized zirconia layer, while the upper electrode is made of a zirconium layer on which a gold layer is deposited. The technical result of using the proposed utility model is to reduce the likelihood of errors when working in the read mode of recorded information, reducing power consumption. 1 N.P.F., 3 Z.P.F., 2 FIG.

Description

Предлагаемая полезная модель относится к области физики и электричества, а именно, к полупроводниковым цифровым запоминающим приборам, состоящим из нескольких полупроводниковых компонентов, сформированных на одной общей подложке, касается элемента резистивной энергонезависимой памяти, который может быть использован для создания устройств энергонезависимой памяти.The proposed utility model relates to the field of physics and electricity, namely, to semiconductor digital storage devices consisting of several semiconductor components formed on one common substrate, concerns an element of resistive non-volatile memory, which can be used to create non-volatile memory devices.

В настоящее время в области микроэлектроники существует ряд нерешенных проблем, связанных с необходимостью увеличения степени интеграции микросхем, в том числе микросхем памяти, что связано с необходимостью создания устройств памяти нового поколения, в частности, устройств энергонезависимой памяти. Эти устройства, как прогнозируется, должны вытеснить широко используемые в настоящее время устройства энергонезависимой памяти - так называемую флэш-память, в качестве базового элемента которых в настоящее время используются полевые транзисторы металл-диэлектрик-полупроводник (МДП) с плавающим затвором. Одним из наиболее перспективных подходов при создании устройств энергонезависимой памяти, существенно превосходящих флэш-память по характеристикам, является использование эффекта резистивного переключения в тонких пленках, в частности, в оксидных пленках. Такие интегральные схемы памяти (так называемые Resistive Random Access Memory (резистивная память с произвольным доступом), ReRAM или мемристор), как ожидается, будут проще по технологии и схемотехнике, дешевле в изготовлении. Достоинством ReRAM является также быстрое переключение (наносекунды) и низкая энергия на переключение (пикоджоули), что в сотню раз меньше, чем это необходимо для операций с элементами флэш-памяти. Другое их достоинство связано с тем, что элементы ReRAM могут иметь существенно меньшие размеры (порядка одного нанометра), чем элементы флэш-памяти, что должно привести к увеличению плотности записи.Currently, in the field of microelectronics there are a number of unresolved problems related to the need to increase the degree of integration of microcircuits, including memory microcircuits, which is associated with the need to create a new generation of memory devices, in particular, non-volatile memory devices. These devices are predicted to supersede the currently widely used non-volatile memory devices - the so-called flash memory, the base element of which is currently used metal-insulator-semiconductor (MIS) field effect transistors with a floating gate. One of the most promising approaches for creating non-volatile memory devices that significantly exceeds flash memory in performance is the use of the resistive switching effect in thin films, in particular, in oxide films. Such integrated circuits of memory (the so-called Resistive Random Access Memory (Resistive random access memory), ReRAM or memristor), as expected, will be simpler in technology and circuitry, cheaper to manufacture. The advantage of ReRAM is also fast switching (nanoseconds) and low switching energy (picojoules), which is a hundred times less than necessary for operations with flash memory elements. Their other advantage is due to the fact that ReRAM elements can have significantly smaller sizes (on the order of one nanometer) than flash memory elements, which should lead to an increase in recording density.

Эффект резистивного переключения в структурах металл-диэлектрик-металл (МДМ) заключается в обратимом изменении электропроводности диэлектрической прослойки под действием приложенной к электродам разности электрических потенциалов, превышающей некоторое пороговое значение.The effect of resistive switching in metal-dielectric-metal (MDM) structures is a reversible change in the electrical conductivity of the dielectric layer under the action of a difference in electric potentials applied to the electrodes that exceeds a certain threshold value.

Изготовление элементов ReRAM включает в себя, как правило, формирование нижних (на подложке) проводящих электродов, формирование слоя оксида (слой диэлектрика) и формирование верхних (на слое диэлектрика) электродов (US 8009454 B2, кл. G11C 11/00, опубл. 30.08.2011). Слой диэлектрика может быть выполнен из одного слоя простого или сложного оксида или из нескольких подслоев простых или сложных оксидов или других диэлектрических материалов. Управление характеристиками элементов ReRAM с целью их использования при конструировании конкретных устройств возможно посредством выбора 1) материала контактов (электродов), 2) материала и конструкции слоя диэлектрика, 3) технологических приемов, меняющих свойства слоя диэлектрика и (или) электродов.The manufacture of ReRAM elements includes, as a rule, the formation of lower (on the substrate) conductive electrodes, the formation of an oxide layer (dielectric layer) and the formation of upper (on the dielectric layer) electrodes (US 8009454 B2, class G11C 11/00, publ. 30.08 .2011). The dielectric layer may be made of one layer of a simple or complex oxide or of several sublayers of simple or complex oxides or other dielectric materials. The control of the characteristics of ReRAM elements for the purpose of their use in the design of specific devices is possible by choosing 1) the material of the contacts (electrodes), 2) the material and construction of the dielectric layer, 3) technological methods that change the properties of the dielectric layer and (or) electrodes.

Одной из задач при создании устройств резистивной энергонезависимой памяти является повышение стабильности параметров ячеек памяти. Решение этой задачи связано с правильным выбором материалов, используемых при создании устройства, и, в частности, материала диэлектрика (оксида). Выбор слоя оксида для изготовления на его основе энергонезависимых запоминающих устройств определяется его исходными свойствами, которыми он обладает после осаждения, а также возможностью контролируемой модификации этих свойств при различных воздействиях, которые применяются при изготовлении элементов резистивной памяти (см., например, WO 2011028208 A1, кл. H01L 29/40, опубл. 10.03.2011 г.).One of the tasks when creating devices of resistive non-volatile memory is to increase the stability of the parameters of memory cells. The solution to this problem is associated with the right choice of materials used to create the device, and, in particular, the material of the dielectric (oxide). The choice of an oxide layer for the manufacture of non-volatile memory devices based on it is determined by its initial properties that it possesses after deposition, as well as the possibility of controlled modification of these properties under various influences that are used in the manufacture of resistive memory elements (see, for example, WO 2011028208 A1, C. H01L 29/40, publ. 03/10/2011).

Другой важной задачей является увеличение отношения сопротивлений в высокоомном и низкоомном состояниях элемента резистивной энергонезависимой памяти. Это обусловлено следующими обстоятельствами. Во-первых, увеличение отношения сопротивлений в высокоомном и низкоомном состояниях приводит к уменьшению вероятности ошибки при работе элемента памяти в режиме считывания записанной информации. Во-вторых, увеличение этого отношения приводит, как правило, к уменьшению объемной плотности мощности, затрачиваемой при работе элемента памяти в режиме считывания в высокоомном состоянии или как в высокоомном, так и в низкоомном состояниях. В свою очередь, уменьшение объемной плотности мощности, затрачиваемой при работе элемента памяти, связано с решением задачи снижения энергопотребления при работе устройств памяти.Another important task is to increase the ratio of resistances in high-resistance and low-resistance states of an element of resistive non-volatile memory. This is due to the following circumstances. Firstly, an increase in the ratio of resistances in high-resistance and low-resistance states leads to a decrease in the probability of error when the memory element operates in the read-out mode of the recorded information. Secondly, an increase in this ratio leads, as a rule, to a decrease in the volume density of the power spent when the memory element is in read mode in the high-resistance state or in both high-resistance and low-resistance states. In turn, the decrease in the volume density of the power spent during the operation of the memory element is associated with the solution of the problem of reducing energy consumption during the operation of memory devices.

Эффект резистивного переключения изучается в пленках простых оксидов (Hickmott T.W.J. Appl. Phys. 1962, v. 33, N9, p. 2669-2682), сложных оксидов (Das N. et al. Phys. Rev. В. 2009, v. 80, p. 115411-115418), халькогенидов, более высоких, по сравнению с оксидами (Waser R. et al. Nature Mater. 2007, v. 6, p. 833-840), органических соединений (Lai Yi-Sh et al. Appl. Phys. Lett. 2005. V. 87. P. 122101-122103). При этом следует отметить, что в качестве одного из основных материалов используется диоксид циркония, а также частично стабилизированный диоксид циркония (US 8188466 B2, кл. H01L 29/12, H01L 29/10, опубл. 29.05.2012) и стабилизированный диоксид циркония, в том числе диоксид циркония, стабилизированный оксидом иттрия (US 8304754 B2, кл. G11B 11/08, опубл. 06.11.2012; EP 2410531 A3, кл. H01L 27/24, G11C 13/00, H01L 27/115, H01L 45/00, опубл. 09.05.2012).The effect of resistive switching is studied in films of simple oxides (Hickmott TWJ Appl. Phys. 1962, v. 33, N9, p. 2669-2682), complex oxides (Das N. et al. Phys. Rev. B. 2009, v. 80 , p. 115411-115418), chalcogenides higher than oxides (Waser R. et al. Nature Mater. 2007, v. 6, p. 833-840), organic compounds (Lai Yi-Sh et al. Appl. Phys. Lett. 2005. V. 87. P. 122101-122103). It should be noted that zirconia, as well as partially stabilized zirconia (US 8188466 B2, class H01L 29/12, H01L 29/10, publ. 05/29/2012) and stabilized zirconia are used as one of the main materials, including zirconia stabilized with yttrium oxide (US 8304754 B2, class G11B 11/08, publ. 11/06/2012; EP 2410531 A3, class H01L 27/24, G11C 13/00, H01L 27/115, H01L 45 / 00, published on 05.09.2012).

Известна ячейка памяти, имеющая слоистую МДМ структуру («сэндвич»-структуру), в которой в качестве диэлектрика используются тонкие диэлектрические пленки различных окислов толщиной от 10 нм до нескольких микрон, расположенные между двумя металлическими электродами (см. Дирнлей Дж., Стоунхем Α., Морган Д. // УФН, 1974, т. 112, вып. 1, стр. 83-127). После изготовления структуры она помещается в вакуум, и выполняется так называемая формовка, состоящая в подаче на электроды постоянного напряжения амплитудой до 15 В. После этого прибор под действием прикладываемого напряжения проявляет N-образные вольтамперные характеристики, что позволяет использовать такие приборы в качестве элементов памяти. Установлено, что возможность формовки зависит от состава и давления остаточной атмосферы в вакууме, а сама формовка приводит к образованию в структуре каналов, сходных с каналами пробоя между металлическими электродами. Существенным фактором для получения необходимых вольтамперных характеристик является проникновение молекул остаточной атмосферы в формируемую структуру.A known memory cell having a layered MDM structure (“sandwich” structure), in which thin dielectric films of various oxides with a thickness of 10 nm to several microns located between two metal electrodes are used as the dielectric (see Dearnley J., Stoneham Α. , Morgan D. // UFN, 1974, v. 112, issue 1, pp. 83-127). After fabrication of the structure, it is placed in a vacuum, and the so-called molding is performed, which consists in applying a constant voltage of up to 15 V to the electrodes. After that, the device exhibits N-shaped current-voltage characteristics under the influence of the applied voltage, which allows the use of such devices as memory elements. It was established that the possibility of forming depends on the composition and pressure of the residual atmosphere in vacuum, and the molding itself leads to the formation in the structure of channels similar to the breakdown channels between metal electrodes. An essential factor for obtaining the required current-voltage characteristics is the penetration of residual atmosphere molecules into the formed structure.

Недостатком такого устройства является низкая воспроизводимость характеристик, что связано с плохой контролируемостью условий проведения операции формовки.The disadvantage of this device is the low reproducibility of characteristics, which is associated with poor controllability of the conditions for the molding operation.

Также предложено для упрощения интеграции и уменьшения стоимости производства в качестве активного слоя элемента резистивной памяти использовать трехслойную структуру, состоящую из последовательно расположенных слоев полупроводника n-типа, собственного полупроводника и полупроводника p-типа толщиной несколько нанометров (см., например, WO 2011000316, кл. G11C 11/56, H01L 27/24, H01L 45/00, опубл. 06.01.2011). Дополнительным достоинством подобного мемристорного устройства является относительно высокая скорость переключения из высокоомного в низкоомное состояние и наоборот (аналогично PIN диодам). Однако характеристики таких элементов энергонезависимой памяти могут быть плохо воспроизводимы. Это обусловлено тем, что при использовании наноразмерных электродов большой вклад в сопротивление резистивной энергонезависимой ячейки будут давать концентрация и распределение легирующей примеси в легированных полупроводниковых слоях толщиной несколько нанометров.It has also been proposed to use a three-layer structure consisting of successively arranged layers of an n-type semiconductor, an intrinsic semiconductor, and a p-type semiconductor several nanometers thick (for example, WO 2011000316, cl G11C 11/56, H01L 27/24, H01L 45/00, published on January 6, 2011). An additional advantage of such a memristor device is the relatively high switching speed from a high-resistance to a low-resistance state and vice versa (similar to PIN diodes). However, the characteristics of such non-volatile memory elements may be poorly reproducible. This is due to the fact that, when using nanoscale electrodes, the concentration and distribution of the dopant in doped semiconductor layers several nanometers thick will make a large contribution to the resistance of the resistive non-volatile cell.

Известен многослойный перестраиваемый переключатель (WO 2010014064 A1, кл. H01L 29/41, опубл. 04.02.2010), содержащий активную область, заключенную между двумя электродами. Первый электрод соединен с источником напряжения, второй заземлен, активная область представляет собой тонкую полупроводниковую/диэлектрическую пленку или пленку из ионного проводника. Активная область может состоять из оксидов, которые содержат, по крайней мере, один кислородный атом (O) и, по крайней мере, один другой элемент. В частности, материалами для активной области могут выступать диоксид титана (TiO₂), диоксид циркония (ZrO₂) и диоксид гафния (HfO₂). Другие варианты конструкции для активной области включают сплавы этих оксидов парами или сплав из всех трех оксидов. Например, активная область может быть составлена из Ti_xZr_yHf_zO₂, где x+y+z=1.Known multilayer tunable switch (WO 2010014064 A1, class H01L 29/41, published 04.02.2010) containing an active region enclosed between two electrodes. The first electrode is connected to a voltage source, the second is grounded, the active region is a thin semiconductor / dielectric film or a film of an ionic conductor. The active region may consist of oxides that contain at least one oxygen atom (O) and at least one other element. In particular, titanium dioxide (TiO ₂ ), zirconium dioxide (ZrO ₂ ) and hafnium dioxide (HfO ₂ ) can be materials for the active region. Other design options for the active region include alloys of these oxides in pairs or an alloy of all three oxides. For example, the active region may be composed of Ti _x Zr _y Hf _z O ₂ , where x + y + z = 1.

Также предложены мемристоры на основе соединений металлов со смешанной валентностью (WO 2011028208 A1, кл. H01L 29/40, опубл. 10.03.2011 г.). Так резистивный эффект возникает в наноразмерных МДМ структурах за счет перемещения зарядов в сверхтонком диэлектрическом слое при приложении электрического поля, например, при движении вакансий кислорода в слое диоксида титана TiO₂ толщиной ~5 нм.Also proposed memristors based on metal compounds with mixed valency (WO 2011028208 A1, class H01L 29/40, publ. 03/10/2011). Since resistive effect occurs in nanoscale structures MDM by the movement of charges in the ultra-thin dielectric layer upon application of an electric field, such as motion of oxygen vacancies in the layer of titanium dioxide TiO ₂ of thickness ~ 5 nm.

Из патента США (US 8188466 B2, кл. H01L 29/12, H01L 29/10, опубл. 29.05.2012) известен элемент с переменным сопротивлением. Согласно этому изобретению, элемент включает слоистую структуру, содержащую первый электрод, второй электрод, первый оксидный слой, расположенный между первым и вторым электродом, и второй оксидный слой, удерживаемый в контакте с первым слоем оксида и расположенный между первым слоем оксида и вторым электродом. Первый слой оксида переключается из состояния с низким в состояние с высоким сопротивлением, отдавая ионы кислорода на второй слой оксида, и переключается из состояния с высоким сопротивлением в состояние с низким сопротивлением, принимая ионы кислорода из второго слоя оксида. Второй слой оксида переключается из состояния с низким уровнем сопротивления в состояние с высоким сопротивлением, принимая ионы кислорода с первого слоя оксида, и переключается из состояния с высоким сопротивлением в состояние с низким сопротивлением, отдавая ионы кислорода первому слою оксида. Первый слой может быть изготовлен из частично стабилизированного диоксида циркония ZrO₂ (Y, Mg, Ca).From the US patent (US 8188466 B2, CL H01L 29/12, H01L 29/10, publ. 05/29/2012) an element with variable resistance is known. According to this invention, the element includes a layered structure comprising a first electrode, a second electrode, a first oxide layer located between the first and second electrode, and a second oxide layer held in contact with the first oxide layer and located between the first oxide layer and the second electrode. The first oxide layer switches from a low state to a high resistance state, delivering oxygen ions to the second oxide layer, and switches from a high resistance state to a low resistance state, receiving oxygen ions from the second oxide layer. The second oxide layer switches from the low resistance state to the high resistance state, receiving oxygen ions from the first oxide layer, and switches from the high resistance state to the low resistance state, giving off oxygen ions to the first oxide layer. The first layer can be made of partially stabilized zirconia ZrO ₂ (Y, Mg, Ca).

Известны энергонезависимые элементы памяти (EP 2416391 A3, кл. H01L 45/00, опубл. 23.01.2013; EP 2423963 A3, кл. H01L 45/00, опубл. 23.01.2013), состоящие из запоминающего слоя, одного или нескольких буферных слоев и двух электродов. Запоминающий слой состоит из двух оксидных подслоев. В качестве материала одного из подслоев предложено использовать нестехиометрические оксиды Ta, Ti, Zr. В соответствии с примерными вариантами осуществления первый и второй буферные слои могут улучшить надежность, воспроизводимость и стабильность характеристик резистивного переключения в процессе эксплуатации элемента памяти. Без первого и второго буферных слоев, ионы кислорода и/или кислородные вакансии, которые являются частью механизма изменения сопротивления, могут двигаться в направлении электродов в процессе работы элемента памяти. Ионы кислорода и/или кислородные вакансии могут физически/химически реагировать с электродами и/или запоминающим слоем. При этом надежность, воспроизводимость и стабильность параметров резистивного переключения ухудшаются. Использование электродов из благородных металлов может уменьшить степень влияния окислительно-восстановительных реакций на работу элемента памяти, однако при этом существенно увеличивается стоимость изготовления элемента памяти.Non-volatile memory elements are known (EP 2416391 A3, class H01L 45/00, publ. 01/23/2013; EP 2423963 A3, class H01L 45/00, publ. 23.01.2013), consisting of a storage layer, one or more buffer layers and two electrodes. The storage layer consists of two oxide sublayers. It is proposed to use non-stoichiometric oxides Ta, Ti, Zr as the material of one of the sublayers. In accordance with exemplary embodiments, the first and second buffer layers can improve the reliability, reproducibility, and stability of resistive switching characteristics during operation of a memory element. Without the first and second buffer layers, oxygen ions and / or oxygen vacancies, which are part of the resistance change mechanism, can move in the direction of the electrodes during the operation of the memory element. Oxygen ions and / or oxygen vacancies can physically / chemically react with electrodes and / or storage layer. At the same time, the reliability, reproducibility and stability of the resistive switching parameters are deteriorated. The use of precious metal electrodes can reduce the degree of influence of redox reactions on the operation of the memory element, however, the cost of manufacturing the memory element is significantly increased.

Известен также мемристор Ni/GeO_x/SrTiO_x/TaN на основе активного слоя, который состоит из (активного субслоя GeO_x и активного субслоя SrTiO_x) двух слоев: слоя 1 (GeO_x) и слоя 2 (SrTiO_x) (Cheng C.H., Chin Α., Yeh F.S. // Appl. Phys. Lett. 2011. V. 98. P. 52905-52907). Технический результат изобретения заключается в том, что мемристор обладает высоким отношением сопротивлений в высокоомном и низкоомном состояниях и низкими значениями мощности переключений и демонстрирует большое число циклов переключения. Технический результат обеспечивается тем, что резистивное переключение связано с дефектами в ковалентных связях GeO_x, возникающими при электронной инжекции. Недостатком данного элемента памяти является то, что SrTiO_x относится к оксидам переходных металлов нестехиометрического состава, использование которых в мемристорах приводит к нестабильным резистивным переключениям. В частности, пороговое напряжение переходов из одного резистивного состояния в другое может меняться в процессе работы.The Ni / GeO _x / SrTiO _x / TaN memristor based on the active layer is also known, which consists of (the active GeO _x sublayer and the active SrTiO _x sublayer) two layers: layer 1 (GeO _x ) and layer 2 (SrTiO _x ) (Cheng CH , Chin Α., Yeh FS // Appl. Phys. Lett. 2011. V. 98. P. 52905-52907). The technical result of the invention lies in the fact that the memristor has a high resistance ratio in high-resistance and low-resistance states and low values of switching power and shows a large number of switching cycles. The technical result is ensured by the fact that resistive switching is associated with defects in GeO _x covalent bonds arising from electron injection. The disadvantage of this memory element is that SrTiO _x refers to non-stoichiometric transition metal oxides, the use of which in memristors leads to unstable resistive switching. In particular, the threshold voltage of the transitions from one resistive state to another can change during operation.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату к предлагаемому изобретению является мемристор на основе смешанного оксида металлов, защищенный патентом (RU 2472254, кл. H01L 45/00, B82B 1/00, опубл. 10.01.2013), принятый за ближайший аналог (прототип).The closest in technical essence and the achieved result to the proposed invention is a memristor based on mixed metal oxide, protected by patent (RU 2472254, CL H01L 45/00, B82B 1/00, publ. 10.01.2013), adopted as the closest analogue (prototype )

Мемристор по прототипу состоит, по меньшей мере, из трех чередующихся слоев, а именно, активного слоя, расположенного между двумя токопроводящими слоями, причем активным слоем является смешанный оксид, одним из элементов которого является титан, или цирконий, или гафний, вторым элементом является металл, отличающийся тем, что металл является трехвалентным с ионным радиусом, равным 0,7-1,2 ионного радиуса титана, или циркония, или гафния, причем соотношение ингредиентов смешанного оксида следующее, ат.%: первый элемент 60-99, второй элемент 40-1. Технический результат изобретения заключается в повышении стабильности и повторяемости напряжения переключения, сопротивления мемристора в высокоомном и низкоомном состояниях. Технический результат обеспечивается тем, что в активном слое энтальпия образования связи титана, или циркония, или гафния со вторым элементом является отрицательной, а энергия связи мала, и поэтому активный слой должен обладать высокой гомогенностью. Кроме того, оксиды подобного типа обладают электрофизическими и структурными свойствами, характеристики которых могут находиться в широком диапазоне, что позволяет гибко регулировать концентрацию носителей заряда и величину проводимости активного слоя.The memristor of the prototype consists of at least three alternating layers, namely, an active layer located between two conductive layers, the active layer being a mixed oxide, one of the elements of which is titanium, or zirconium, or hafnium, the second element is metal characterized in that the metal is trivalent with an ionic radius of 0.7-1.2 ionic radii of titanium or zirconium or hafnium, the ratio of the mixed oxide ingredients being the following, at.%: first element 60-99, second element 40 -one. The technical result of the invention is to increase the stability and repeatability of the switching voltage, the resistance of the memristor in high-resistance and low-resistance states. The technical result is ensured by the fact that in the active layer the enthalpy of formation of a bond of titanium, or zirconium, or hafnium with the second element is negative, and the binding energy is low, and therefore the active layer must have high homogeneity. In addition, oxides of this type have electrophysical and structural properties, the characteristics of which can be in a wide range, which allows flexible control of the concentration of charge carriers and the conductivity of the active layer.

Недостатком устройства по прототипу является малое отношение сопротивлений и большая потребляемая мощность.The disadvantage of the device according to the prototype is the low resistance ratio and high power consumption.

В задачу предлагаемой полезной модели положено усовершенствование элемента резистивной энергонезависимой памяти.The objective of the proposed utility model is the improvement of the resistive non-volatile memory element.

Техническим результатом от использования предлагаемой полезной модели является уменьшение вероятности ошибки при работе в режиме считывания записанной информации, уменьшение электропотребления.The technical result of using the proposed utility model is to reduce the likelihood of errors when working in the read mode of recorded information, reducing power consumption.

Это достигается тем, что в элементе энергонезависимой резистивной памяти, включающем электроды и активную область, расположенную между электродами и содержащую слой стабилизированного диоксида циркония, активная область дополнительно содержит слой из GeO_x, выполненный между верхним электродом и слоем стабилизированного диоксида циркония, а верхний электрод выполнен из слоя циркония, на который нанесен слой золота; что нижний электрод выполнен из проводника с высокой удельной электропроводностью, нанесенного на подложку; нижний электрод выполнен из титана, на который нанесен слой нитрида титана, нанесенных на подложку; стабилизированный диоксид циркония в качестве стабилизирующей добавки содержит оксид иттрия Y₂O₃ в количестве 9÷20 мол. %.This is achieved by the fact that in the non-volatile resistive memory element including electrodes and an active region located between the electrodes and containing a stabilized zirconia layer, the active region further comprises a GeO _x layer made between the upper electrode and the stabilized zirconia layer, and the upper electrode is made from a zirconium layer on which a gold layer is applied; that the lower electrode is made of a conductor with high electrical conductivity deposited on a substrate; the lower electrode is made of titanium, on which a layer of titanium nitride is deposited, deposited on a substrate; stabilized zirconia as a stabilizing additive contains yttrium oxide Y ₂ O ₃ in the amount of 9 ÷ 20 mol. %

На фиг. 1 изображена структура элемента энергонезависимой резистивной памяти:In FIG. 1 shows the structure of a non-volatile resistive memory element:

1 - верхний электрод,1 - upper electrode,

2 - активная область,2 - active region,

3 - слой стабилизированного диоксида циркония,3 - layer of stabilized zirconia,

4 - слой GeO_x,4 - layer GeO _x ,

5 - нижний электрод.5 - lower electrode.

На фиг. 2 приведены вольтамперные характеристики, соответствующие процессу формовки и резистивным переключениям в структуре Au/Zr/GeO_x/YZrO_x/TiN/Ti.In FIG. Figure 2 shows the current-voltage characteristics corresponding to the molding process and resistive switching in the structure of Au / Zr / GeO _x / YZrO _x / TiN / Ti.

Активная область 2 выполнена между электродами 1, 5 и содержит слой стабилизированного диоксида циркония 3.The active region 2 is made between the electrodes 1, 5 and contains a layer of stabilized zirconia 3.

Активная область 2 дополнительно содержит слой GeO_x 4, выполненный между верхним электродом 1 и слоем стабилизированного диоксида циркония 3, при этом верхний электрод 1 выполнен из слоя циркония, на который нанесен слой золота.The active region 2 further comprises a GeO _x 4 layer formed between the upper electrode 1 and the stabilized zirconia layer 3, while the upper electrode 1 is made of a zirconium layer on which a gold layer is deposited.

Нижний электрод 5 выполнен из проводника с высокой удельной электропроводностью, нанесенного на подложку, например, из титана, защищенного от окисления слоем нитрида титана TiN.The lower electrode 5 is made of a conductor with high electrical conductivity deposited on a substrate, for example, of titanium, protected from oxidation by a layer of titanium nitride TiN.

Слой стабилизированного диоксида циркония 3 в качестве стабилизирующей добавки содержит, например, оксид иттрия в количестве 9÷20 мол. %.The stabilized zirconia 3 layer as a stabilizing additive contains, for example, yttrium oxide in an amount of 9 ÷ 20 mol. %

Сборку предлагаемого элемента резистивной энергонезависимой памяти осуществляют следующим образом.The assembly of the proposed element of the resistive non-volatile memory is as follows.

Сначала формируют нижний электрод 5. Для этого на подложку SiO₂/Si методом магнетронного распыления на постоянном токе наносят слои TiN/Ti с толщинами 25 нм TiN и 25 нм Ti. Затем на полученную структуру TiN/Ti/SiO₂/Si методом ВЧ магнетронного распыления мишени проводят осаждение слоя стабилизированного оксида циркония 3 YZrO_x с содержанием Y₂O₃ 12 мол. %, толщиной 12 нм. На слой YZrO_x 3 осаждают таким же образом слой GeO_x 4 толщиной 5 нм. Верхний электрод 1 формируют следующим образом. На слой GeO_x 4 методом магнетронного распыления на постоянном токе осаждают слой циркония (Zr) толщиной 3 нм. На слой Zr этим же методом осаждают слой золота (Au). Площадь структуры определяют площадью верхнего электрода, в данном случае она составляет 1,1·10⁶ мкм². Формовку структуры производят при приложении к ней напряжения -4 В. Электрофизические параметры экспериментальной структуры исследуют с помощью измерителя параметров полупроводниковых приборов.First, a lower electrode 5 is formed. For this, TiN / Ti layers with a thickness of 25 nm TiN and 25 nm Ti are applied to the SiO ₂ / Si substrate by direct current magnetron sputtering. Then, on the obtained structure of TiN / Ti / SiO ₂ / Si by the method of RF magnetron sputtering of the target, a layer of stabilized zirconium oxide 3 YZrO _x with a content of Y ₂ O _{3 of} 12 mol. %, 12 nm thick. A 5 nm thick GeO _x 4 layer is deposited on the YZrO _x 3 layer in the same manner. The upper electrode 1 is formed as follows. A 3-nm-thick zirconium (Zr) layer is deposited on a GeO _x 4 layer by direct current magnetron sputtering. A gold (Au) layer is deposited onto the Zr layer by the same method. The area of the structure is determined by the area of the upper electrode, in this case it is 1.1 · 10 ⁶ μm ² . The structure is molded when a voltage of -4 V is applied to it. The electrophysical parameters of the experimental structure are examined using a semiconductor device parameter meter.

Предлагаемая полезная модель работает следующим образом.The proposed utility model works as follows.

При приложении к исходной структуре напряжения ~-3,5 В происходит формовка, заключающаяся в резком увеличении тока, и структура переходит в состояние с низким сопротивлением (СНС). В процессе формовки происходит формирование проводящих каналов с электронной проводимостью в слое стабилизированного диоксида циркония 3 и увеличение переноса электронов в слое GeO_x 4, осуществляемое по дефектам в ковалентных связях. После формовки в структуре наблюдается энергонезависимое резистивное биполярное переключение и эффект памяти: приложение к структуре положительного напряжения переводит ее в состояние с высоким сопротивлением (СВС). Последующее приложение к структуре отрицательного напряжения переводит ее в СНС.When a voltage of ~ -3.5 V is applied to the initial structure, molding occurs, which consists in a sharp increase in current, and the structure goes into a state with low resistance (SSS). During molding, the formation of conducting channels with electronic conductivity in the stabilized zirconia 3 layer takes place and the electron transfer in the GeO _x 4 layer increases, carried out by defects in covalent bonds. After molding, the structure exhibits non-volatile resistive bipolar switching and a memory effect: applying a positive voltage to the structure puts it in a state with high resistance (SHS). The subsequent application to the structure of negative voltage translates it into the SNA.

Управление характеристиками эффекта резистивного переключения в элементе резистивной энергонезависимой памяти основано на использовании в качестве одного из двух слоев диэлектрика стабилизированного диоксида циркония. Целесообразно осуществить выбор различного содержания стабилизирующего оксида с целью получения резистивных элементов памяти с меняющимися в определенном интервале характеристиками. Эта величина определяет ионную проводимость слоя стабилизированного диоксида циркония и скорость процессов окисления-восстановления в нем, которые являются ответственными за распределение электрического поля в слое и его электронной проводимости. Последние, в свою очередь, определяют характеристики элементов ReRAM. В качестве стабилизирующего оксида используется оксид иттрия Y₂O₃. Содержание стабилизирующего оксида в слое стабилизированного диоксида циркония составляет 9÷20 мол. %. Нижняя граница интервала определяет фазовый переход между тетрагональной и кубической фазами материала (Кузьминов Ю.С., Ломонова Е.Е., Осико В.В. Тугоплавкие материалы из холодного тигля. - М.: Наука, 2004. - 369 с.), а верхняя граница соответствует существенному понижению удельной электропроводности материала (примерно в два раза) (Feng Pan. Experimental and Simulation Study of Resistive Switches for Memory Applications // A dissertation submitted in partial satisfaction of the requirements for the degree of Doctor of Philosophy. EECS Department University of California, Berkeley, 2012).The control of the characteristics of the effect of the resistive switching in the element of the resistive non-volatile memory is based on the use of stabilized zirconia as one of the two layers of the dielectric. It is advisable to select a different content of stabilizing oxide in order to obtain resistive memory elements with characteristics changing in a certain interval. This value determines the ionic conductivity of the stabilized zirconia layer and the rate of oxidation-reduction processes in it, which are responsible for the distribution of the electric field in the layer and its electronic conductivity. The latter, in turn, determine the characteristics of the ReRAM elements. Yttrium oxide Y ₂ O _{3 is} used as a stabilizing oxide. The content of the stabilizing oxide in the layer of stabilized zirconia is 9 ÷ 20 mol. % The lower boundary of the interval determines the phase transition between the tetragonal and cubic phases of the material (Kuzminov Yu.S., Lomonova E.E., Osiko VV Refractory materials from a cold crucible. - M .: Nauka, 2004. - 369 p.), and the upper bound corresponds to a significant decrease in the conductivity of the material (about two times) (Feng Pan. Experimental and Simulation Study of Resistive Switches for Memory Applications // A dissertation submitted in partial satisfaction of the requirements for the degree of Doctor of Philosophy. EECS Department University of California, Berkeley, 2012).

Вольтамперные характеристики, соответствующие процессу формовки и резистивным переключениям в структуре Au/Zr/GeO_x/YZrO_x/TiN/Ti подтверждают возможность использования структуры в качестве элемента памяти. Напряжение на структуре соответствует разности потенциалов верхнего и нижнего электродов (содержание Y₂O₃ в YZrO_x составляет 12 мол. %).The current-voltage characteristics corresponding to the molding process and resistive switching in the Au / Zr / GeO _x / YZrO _x / TiN / Ti structure confirm the possibility of using the structure as a memory element. The voltage on the structure corresponds to the potential difference between the upper and lower electrodes (the content of Y ₂ O ₃ in YZrO _x is 12 mol.%).

Технические характеристики резистивного переключения: отношение сопротивлений в СВС и СНС, измеренных при напряжении 0,5 В, составляет 10² и демонстрирует высокую стабильность в процессе циклических резистивных переключений после наработки элемента памяти, включающей около 40 циклов резистивного переключения. Средние (по толщине активного слоя) значения объемной мощности, затрачиваемой при считывании в СНС и СВС составляют 5,0·10^-17 Вт·нм^-3 и 3,9·10^-19 Вт·нм^-3 при напряжении 0,5 В и 8,3·10^-18 Вт·нм^-3 и 8,9·10^-20 Вт·нм^-3 при напряжении 0,2 В, соответственно.Technical characteristics of resistive switching: the ratio of resistances in SHS and SNA, measured at a voltage of 0.5 V, is 10 ² and demonstrates high stability during cyclic resistive switching after the operating time of a memory element, which includes about 40 cycles of resistive switching. The average (over the thickness of the active layer) values of the volumetric power consumed when reading in the SNA and SHS are 5.0 · 10 ^-17 W · nm ^-3 and 3.9 · 10 ^-19 W · nm- ³ at a voltage of 0.5 V and 8.3 · 10 ^-18 W · nm ^-3 and 8.9 · 10 ^-20 W · nm ^-3 at a voltage of 0.2 V, respectively.

Таким образом, наличие в активной области слоя из GeO_x между верхним электродом, выполненным из слоя циркония, на который нанесен слой золота, и слоем стабилизированного диоксида циркония обеспечивает увеличение отношения сопротивлений в высокоомном и низкоомном состояниях, что приводит к уменьшению вероятности ошибки при работе элемента памяти в режиме считывания записанной информации, а также уменьшение объемной плотности мощности, затрачиваемой при работе элемента памяти в режиме считывания в высокоомном состоянии, или как в высокоомном, так и в низкоомном состояниях, что, в свою очередь, приводит к уменьшению энергопотребления при работе.Thus, the presence in the active region of a GeO _x layer between an upper electrode made of a zirconium layer on which a gold layer is deposited and a layer of stabilized zirconium dioxide provides an increase in the ratio of resistances in the high-resistance and low-resistance states, which leads to a decrease in the probability of error during operation of the element memory in the read mode of recorded information, as well as a decrease in the volume density of the power spent when the memory element is in read mode in a high-resistance state, or as in a high mnom, and in the low-resistance state, which in turn leads to a reduction in power consumption during operation.

Claims

1. The element of non-volatile resistive memory, comprising electrodes and an active region made between the electrodes and containing a stabilized zirconia layer, characterized in that the active region further comprises a GeO _x layer made between the upper electrode and the stabilized zirconia layer, the upper electrode made of zirconium, on which a layer of gold is applied.

2. The non-volatile resistive memory element according to claim 1, characterized in that the lower electrode is made of a conductor with high electrical conductivity deposited on the substrate.

3. The non-volatile resistive memory element according to claim 2, characterized in that the lower electrode is made of titanium, on which a layer of titanium nitride is deposited, deposited on a substrate.

4. The non-volatile resistive memory element according to claim 1, characterized in that the stabilized zirconia layer as a stabilizing additive contains 9 ÷ 20 mol.% Yttrium oxide.