eng
Выпуск #1/2016
А.Петров, Л.Алексеева, А.Иванов, В.Лучинин, А.Романов, T.Чикев, Т.Набатамэ
На пути к нейроморфной мемристорной компьютерной платформе
На пути к нейроморфной мемристорной компьютерной платформе
Просмотры: 5678
Эффекты переключения сопротивления в наноразмерных пленках открыли перспективы создания резистивной памяти произвольного доступа (ReRAM), в ячейках которой данные сохраняются за счет изменения сопротивления материала.
DOI:10.22184/1993-8578.2016.63.1.94.109
DOI:10.22184/1993-8578.2016.63.1.94.109
С
енсационное заявление сотрудников HP не нашло бы отклика в научной среде если бы не очевидное уже тогда понимание фундаментальных проблем функционирования базовых устройств микро- и наноэлектроники, связанных с удержанием заряда в непрерывно уменьшающемся объеме, что делало сомнительным перспективы экстенсивного развития элементной базы, и, в частности, памяти.
Актуальные проблемы
энергонезависимой памяти
Очевидна необходимость создания альтернативной энергонезависимой памяти c высокой плотностью записи данных, низкой потребляемой мощностью и высокой скоростью работы. Альтернативной, в смысле построенной на иных, по сравнению с существующими, физических принципах, позволяющих перейти к универсальной процессорной среде с интеграцией оперативной и долговременной памяти, реализацией многоуровневости логических состояний с формированием абсолютно новой, так называемой нейроморфной компьютерной платформы. Актуальность проблемы очевидна, учитывая, что практически любое электронное устройство содержит память, внутреннюю или внешнюю, а появление персональной электроники значительно повышает требования к устройствам памяти.
Электронная промышленность вынуждена постоянно совершенствовать технологию памяти и, в конечном счете, ее базовые параметры. Во-первых, необходимо увеличивать плотность памяти, ее способность хранить все больший объем информации при уменьшении стоимости бита информации. Во-вторых, память должна характеризоваться большим временем наработки, связанным с числом циклов переключения (операций записи и стирания). В-третьих, требуется увеличение времени хранения – это вполне очевидный параметр, не вызывающий особых проблем в большинстве предлагаемых устройств памяти. Наконец, память должна обладать высокой скоростью программирования и доступа, то есть время чтения и записи должно быть минимизировано. В последнее время особое внимание уделяется энергопотреблению, что очевидно коррелирует с плотностью (емкостью) памяти и с мобильностью оснащенных ею устройств.
Очевидно, что совместить все перечисленные требования (как достоинства) едва ли возможно, тем не менее меняются кандидаты, а стремление к созданию "идеальной" памяти остается. Не останавливаясь подробно на обсуждении большого количества возможных вариантов, отметим как наиболее перспективные технологии MRAM, FeRAM, PCM, ReRAM и, не забывая Flash, как базовую энергонезависимую память современных электронных устройств, проведем краткое их сопоставление в стремлении нащупать направления создания "идеальной" памяти.
Фундаментальные физические принципы, лежащие в основе Flash-памяти, накладывают естественные ограничения на ее возможности и на перспективы развития. Во-первых, невозможно достигнуть одновременно быстрого программирования, высокой плотности и произвольного доступа. NAND Flash предлагает быстрое программирование и высокую плотность, но в то же время имеет проблемы произвольного доступа и относительно медленную скорость чтения. С другой стороны, NOR Flash, у которой нет проблем с произвольным доступом, уступает по объему памяти и ряду других параметров. Основным недостатком памяти типа Flash является малое число циклов перезаписи – в зависимости от условий эксплуатации можно рассчитывать на 103–104 циклов. К другим недостаткам Flash следует отнести низкую скорость записи, а также поблочный характер стирания/записи ячеек памяти. Существует мнение, что размер элемента традиционной Flash-памяти нецелесообразно уменьшать ниже 20 нм, поскольку возникают ограничения, связанные с фундаментальными принципами ее функционирования. Во-первых, уменьшение размеров неминуемо приведет к возрастанию токов утечки, и, следовательно, к деградации элемента памяти и потери информации. То есть очевидна проблема дальнейшего масштабирования и наращивания плотности памяти. Во-вторых, уменьшение размера чипа приведет к сокращению количества сохраняемых в нем "информационных" электронов и, как следствие, вызовет заметный телеграфный шум, а также связанные с этим проблемы надежности. Указанные недостатки Flash являются основным стимулом для поиска новой энергонезависимой памяти.
Поиск энергонезависимой
памяти нового поколения
Краткий обзор кандидатов на роль перспективной энергонезависимой памяти, удовлетворяющей отмеченным выше требованиям, начнем с памяти на основе фазового перехода (PCM, PRAM, PCRAM, Ovonic Unified Memory, Chalcogenide RAM) [1, 11]. На фундаментальном уровне память на фазовом переходе использует нагрев, чтобы вызвать фазовый переход в материале, например, теллуриде сурьмы-германия (GST) [12, 13], в результате которого изменится его сопротивление. Как правило, подразумевается фазовый переход между аморфным и кристаллическим состояниями. Характерной особенностью типичной ячейки PCM является нагреватель, включенный в слой изолятора между энергоемким материалом и нижним электродом. Цель этого нагревателя состоит в том, чтобы увеличить эффективность и уменьшить "мощность" программирования. Существенное преимущество такого подхода – сокращение программного тока из-за эффекта его локализации. Для переключения ячейки PCM из аморфного в кристаллическое состояние, определенного как процесс набора (SET), применяется термический нагрев. Во время этого процесса, используют импульс большей продолжительности и умеренного напряжения / тока. Температура ячейки PCM повышается до температуры кристаллизации (Tкрист), но остается ниже температуры плавления (Tплавл). Поскольку кристаллизация материала происходит не мгновенно, очень важно, чтобы импульс был достаточно длинным, а температура в материале PCM оставалась высокой в течение достаточного времени. После завершения кристаллизации, устройство переходит из высокоомного в низкоомное состояние. Процесс считывания относительно простой по сравнению со сбросом и набором. Во время считывания используется импульс относительно небольшой амплитуды, не нарушающей состояние памяти устройства. Одной из основных проблем, связанных с PCM, является энергопотребление. Чтобы изменить кристаллическую структуру пленки, необходимы относительно высокая температура и, как следствие, достаточно большой ток. Оценки показывают, что даже для PCM с размером до 15 нм, необходим ток сброса около 40 µA [12].
Сегнетоэлектрическая энергонезависимая память (FeRAM) по своему устройству схожа с DRAM (конденсатор на основе сегнетоэлектрика). Запись происходит путем изменения вектора поляризации сегнетоэлектрического слоя разностью потенциалов между электродами. Среди преимуществ FeRAM перед Flash-памятью можно выделить низкое энергопотребление, быструю запись информации и существенно увеличенное максимальное число циклов перезаписи, превышающее 1014. К недостаткам FeRAM относят гораздо более низкую плотность записи, ограниченную емкость и более высокую стоимость [13–17]. Одним из мировых лидеров в области разработки и производства электронных компонентов самого различного назначения по запатентованной технологии создания энергонезависимых сегнетоэлектрических ОЗУ (FeRAM) является Ramtron International. В число лицензиатов или партнеров по освоению технологии FeRAM входят такие крупные компании, как Texas Instruments, Fujitsu, Toshiba, Samsung, Hynix и др. В работах [18] и [19] даны прогнозы дальнейшего развития устройств FeRAM, рассмотрены перспективы замены Flash-памяти и сделан вывод о том, что устройства перепрограммируемой памяти на основе сегнетоэлектриков имеют все шансы занять прочную конкурентоспособную позицию среди прочих устройств энергонезависимой памяти при условии, что будут решены проблемы их старения и надежности, а также обеспечена возможность неразрушающего считывания информации. Современным подходом к повышению плотности записи информации является использование сегнетоэлектрического эффекта, обнаруженного в наноразмерных пленках, например, легированного оксида гафния.
Магниторезистивная память (MRAM) – запоминающее устройство с произвольным доступом, в котором, в отличие от других типов памяти, информация хранится не в виде электрических зарядов или токов, а в магнитных элементах. Последние сформированы из двух ферромагнитных слоев, разделенных тонким слоем диэлектрика. Магниторезистивная память обладает быстродействием, сравнимым с памятью типа SRAM, такой же плотностью ячеек, но меньшим энергопотреблением, чем у памяти типа DRAM. Она более быстрая и не деградирует во времени по сравнению с Flash-памятью.
Резистивная память произвольного доступа (ReRAM) отличается хранением данных в ячейках за счет изменения сопротивления материала, а не электрического заряда. Речь идет о создании альтернативной энергонезависимой памяти, имеющей высокую плотность записи данных, низкую потребляемую мощность и высокую скорость работы. Сегнетоэлектрическая (FeRAM) и магнитная память (MRAM) не вполне отвечают современным требованиям и даже в перспективе едва ли составят конкуренцию Flash-памяти, во всяком случае, по плотности записи данных. Однако можно считать общепризнанным, что ниже 20 нм с Flash-памятью, построенной на удержании заряда, начнутся проблемы. Представляется, что мемристоры как по масштабированию, так и по скорости переключения соответствуют требованиям современной энергонезависимой памяти. Более того, привлекательным является низкое энергопотребление при записи информации, а также способность мемристора к многоуровневым состояниям и, как следствие, перспективы его применения в искусственных нейроморфных компьютерных системах с новой технологией хранения, обработки и передачи данных.
Мемристор – новый представитель
электронной компонентной базы
Мемристор был описан в 1971 году Леоном Чуа [20, 21, 22], но вызвал значительный интерес только после ряда работ Стенли Вильямса и группы исследователей лаборатории HP [23], заявивших о создании твердотельной структуры, реализующей мемристорные свойства. Предполагается, что наблюдаемые уже более 40 лет эффекты переключения и памяти в МОМ-структурах являются проявлением мемристивности. Тот факт, что наблюдаются они при варьировании большого числа материалов тонких пленок оксидных слоев (ZnO, NiO, SiO2, TiO2, ZrO2, SrTiO3, Pr0,7Ca0,3MnO3 и др.) и электродов (Pt, Au, Ag, Al, TiN и др.), говорит в пользу гипотезы Л.Чуа о существовании четвертого базового элемента электрических цепей [24–38]. Это стимулирует интерес к поиску механизмов, ответственных за эффекты переключения и памяти в структурах МДМ. Существуют различные теории и физические модели, объясняющие механизмы переключения сопротивления в подобных устройствах. К наиболее известным можно отнести модели проводимости с механизмами формирования и разрыва проводящих нитей в пределах активного слоя [38, 39], модуляции барьеров Шоттки [40, 41], связанные с процессами заполнения и освобождения ловушек [35], основанные на переходах Мотта-Андерсона [36], а также на протекании термохимических и электрохимических окислительно-восстановительных реакций [44, 45].
Наиболее популярными подходами к пониманию механизмов переключения сопротивления (как би-, так и униполярных процессов) являются модели, основанные на формировании и разрыве нитей проводимости. Как правило, речь идет о вариации концентрации кислородных вакансий в "каналах проводимости". Собственно, последнее является общим местом и признается большинством исследователей как основной механизм, приводящий к явлению переключения сопротивления в структурах МДМ. Однако разногласия возникают при обсуждении механизмов управления "каналами проводимости" – формировании и разрыве, изменении свойств материала и т.п. Добавляет накала в дискуссию наблюдаемое разделение эффекта на биполярное и униполярное переключение, в зависимости от полярности прикладываемого напряжения. Все это усложняется возможными зависимостями от материала и толщины рабочего слоя (оксида), размера верхнего электрода и других факторов. Хотя многие вопросы все еще остаются без ответа, можно уверенно констатировать, что как тип, так и концентрация точечных дефектов в пределах слоя имеют прямое отношение к процессам переключения.
Помимо механизмов переключения, существует и ряд других нерешенных проблем, затрудняющих выход на рынок высокоинтегрированной памяти (ReRAM). К ним относятся интеграция и совместимость с существующей технологией, неоднородность при переключении структур, нестабильность параметров ячеек памяти. Особо следует отметить необходимость в большинстве случаев применять процедуру электроформовки (подачи импульсов достаточно большой амплитуды и определенной полярности), что само по себе представляет определенную проблему, а также связано с неоднозначностью параметров сформированных структур энергонезависимой памяти. Несмотря на обилие нерешенных проблем, интерес к приборной реализации, к оптимизации рабочих структур мемристоров с использованием разных методов синтеза активной среды (чаще всего оксидов), разнообразных конфигураций многослойных структур, вариации конструктивных особенностей устройств не ослабевает. Это позволяет надеяться на создание универсального устройства памяти, которое станет энергонезависимым, как Flash, обеспечит быстрое программирование и время доступа, как SRAM, а также высокую плотность и низкое энергопотребление. Если такая универсальная память осуществима, она сможет заменить не только Flash, но также возможно и DRAM, а значит, будет выступать в качестве универсального носителя, который, в конечном счете, изменит принципы вычислительных систем. Резюмируя, можно констатировать, что именно резистивная память произвольного доступа (ReRAM) является кандидатом на роль такой универсальной памяти.
В завершении данного раздела приведем таблицу сравнения параметров используемой и перспективной памяти (табл.1), понимая, что их значения для последней являются ориентировочными.
На пути к созданию мемристорной памяти
Технология производства структур резистивной памяти включает подготовку подложек, нанесение нижнего электрода, как правило, из металла (Pt, Au, Al,… и TiN), синтез рабочего слоя (чаще всего из оксидов металлов) и нанесение верхнего электрода диаметром не более 100–300 мкм. Отметим, что речь идет об экспериментальных образцах. Для нанесения металлов используются технологии магнетронного распыления, электроннолучевого испарения и др. Синтез металлооксидов осуществляется методами реактивного магнетронного распыления и атомно-слоевого осаждения (Atomic Layer Deposition, ALD). Последний получил достаточно широкое распространение, так как позволяет получать тонкие пленки оксидов металлов хорошего качества (широкий спектр материалов, оптимальная стехиометрия, однородность по толщине, многослойность с резким интерфейсом и т.п.), при этом на рынке представлены ALD-установки достаточно высокого уровня, например, TFS 200 финской компании Beneq.
Ниже приведены полученные авторами данной статьи результаты по реализации элементов резистивной памяти на базе мемристорных двухслойных структур TiO2/Al2O3 и Al2O3/TiO2, изготовленных методом атомно-слоевого осаждения с использованием в качестве прекурсоров триметилалюминия (TMA) и тетракис (диметиламино) титана (TDMAT) и H2O при температуре подложки Pt/Ti/SiO2/Si 200°C. Пленки оксидов титана TiO2 и алюминия Al2O3 осаждались на подложки Si/SiO2 (пластины монокристаллического кремния с термически выращенным окислом) с нанесенным нижним Pt-электродом на установке TFS 200 компании Beneq (рис.1 и табл.2). После осаждения образцы отжигались в атмосфере кислорода при температуре 200°C в течение 30 с.
Схематические изображения используемых в работе двухслойных структур приведены на рис.2. Слой SiO2 толщиной 100 нм сформирован на подложке термически окисленного кремния (100) p-типа. Адгезионный слой титана толщиной 10 нм депонирован на слой SiO2 с последующим нанесением нижнего платинового электрода электроннолучевым испарением. Верхние электроды Pt сформированы электроннолучевым испарением с использованием металлической маски. Площадь верхних электродов составила 10–4 см2.
Вариация последовательности слоев оксидов алюминия и титана преследовала исследовательские цели. Предполагалось, что это позволит расширить функциональные возможности и повысить основные параметры рабочих структур с эффектом резистивного переключения и памяти. Формально системы Pt/TiO2/Al2O3/Pt являются симметричными, однако имеют различные электрические свойства: например, величины сопротивления структур после изготовления отличаются на семь порядков. Здесь и далее измерение сопротивления производилось при подаче небольшого (0,1 В) постоянного напряжения. Подразумевается, что в этом случае не происходит заметного изменения свойств исследуемых структур. Возможная причина столь заметного различия величин сопротивления многослойных структур может быть связана с особенностями технологий их получения, в частности, с различной продолжительностью теплового воздействия во время синтеза пленок (температура подложки 200°С) и возможным влиянием атмосферы при отжиге после нанесения слоев (200°С, 30 с). В первом случае "нижняя" пленка при синтезе находится при повышенной температуре в два раза дольше. При отжиге существенным может оказаться влияние атмосферы на "верхний" слой. Отметим, что в настоящей работе слои отсчитываются от подложки – "снизу вверх".
Структуры Pt/Al2O3/TiO2/Pt
ВАХ структур Pt/Al2O3/TiO2/Pt типична для мемристоров и демонстрирует биполярное переключение сопротивления между двумя устойчивыми энергонезависимыми состояниями (рис.3a). Именно такое поведение является базовым для создания энергонезависимой резистивной памяти. Устойчивое биполярное переключение сопротивления с отношением Ron/Roff около 102, управляемое небольшим напряжением ±0,8 В (табл.3), наблюдалось после предварительной двухстадийной электроформовки. Сопротивление в высокоомном состоянии (HRS) составляло 2 000 Ом, а в низкоомном состоянии (LRS) – 28 Ом.
Мы предполагаем, что первый шаг нетривиального процесса двухстадийной электроформовки связан с необратимым пробоем Al2O3-слоя: при приложении положительного напряжения (+5 В) на верхнем Pt-электроде (с ограничением тока 10 мА) ток между электродами резко увеличивался до уровня ограничения, происходило значительное выделение Джоулева тепла и, как следствие, возникал тепловой, необратимый пробой слоя Al2O3. Сопротивление при этом изменялось на два порядка, а система переходила из начального в "промежуточное" состояние.
Второй шаг связан с созданием слоя TiO2-x, обогащенного кислородными вакансиями вблизи верхнего Pt-электрода при подаче на него –2,2 В. Слой вблизи верхнего Pt-электрода обогащается кислородными вакансиями, то есть формируется обедненный по кислороду слой оксида титана TiO2-x. В этом случае система изменяет свое состояние от "промежуточного" до высокоомного (HRS).
Процесс включения (ON) происходит, когда на верхний электрод подается +0,8 В (рис.3b), и система изменяет состояние от HRS до LRS. Величина сопротивления изменяется на два порядка: от 2 000 до 28 Ом. Противоположное переключение (OFF) и возвращение к HRS (рис.3c) происходит при подаче –0,8 В. В этом типе структур наблюдается устойчивое переключение между двумя состояниями, причем оба демонстрируют эффект энергонезависимой памяти.
Структуры Pt/TiO2/Al2O3/Pt
При противоположном расположении слоев TiO2 и Al2O3 сопротивление структур более чем на семь порядков выше. Очевидно, что такую его величину может обеспечить только слой Al2O3 (удельное сопротивление 1013–1015 Ом·см, против 104–107 Ом·см для оксида титана). Удельное сопротивление нелегированного анатаза и рутила находятся в диапазоне 104–107 Ом·см, но при формировании Ti3+ оно уменьшается до 10 Ом·см для анатаза и до 100 Ом·см для рутила [46].
Есть основания полагать, что активный переключающийся слой в этом случае Al2O3, а слой TiO2 выступает в качестве резервуара кислородных вакансий. Такая структура уверенно демонстрирует многоуровневое переключение, причем без предварительного проведения процесса формовки. Это означает, что двухслойная структура данного типа готова к переключению непосредственно после ее синтеза (рис.4a), то есть процесс формовки осуществляется уже на этапе изготовления: синтеза и высокотемпературного отжига. Такая технология является, очевидно, предпочтительной в смысле согласования с "классическими" КМОП-процессами при создании специализированных вычислительных систем.
Процесс набора (SET) для Pt/TiO2/Al2O3/Pt структур происходит при отрицательном напряжении на верхнем электроде, а процесс сброса (RESET) – при положительном напряжении, то есть переключение происходит по часовой стрелке (в то время как в предыдущем случае – против часовой стрелки). Эти циклы устойчиво повторяются с изменениями сопротивления на семь порядков по величине, то есть от 8·1012 до 6·105 Ом. Уровень переключения зависит от величины напряжения, уменьшающего запоминаемое сопротивление.
Когда отрицательное напряжение прикладывается к верхнему электроду, наблюдается дрейф кислородных вакансий из TiO2-x в Al2O3, что обеспечивает смещение зонной диаграммы, приводящее к инжекции носителей заряда (рис.6a).
Увеличение концентрации кислородных вакансий приводит к увеличению концентрации ловушек (1,5 эВ энергии [47]) в запрещенной зоне Al2O3 (рис.5b) и появлению проводимости в Al2O3-слое (рис.5а). Концентрация ловушек зависит от приложенного напряжения, именно поэтому мы можем наблюдать появление проводимости и изменения уровней переключения. Прыжковый транспорт по ловушечным центрам объясняет значительный рост проводимости при небольшом изменении потенциала на верхнем электроде.
Зависимость проводимости слоя Al2O3 от разности потенциалов между электродами и, как предполагается, от концентрации в нем локализованных состояний (N), определяется механизмом прыжкового транспорта, когда проводимость обусловлена неупругим туннелированием между ближайшими центрами [48, 49]. Очевидно, что в этом случае сопротивление слоя диэлектрика будет определяться сеткой случайных сопротивлений (Абрахамса-Миллера) и в первом приближении перколяционным радиусом r = 0,085N–1/3:
,
где а = ε – боровский радиус. Инжекция в объем может осуществляться туннелированием по механизму Фаулера-Нордгейма или термоэлектронной эмиссией и термостимулированным туннелированием. Термостимулированное туннелирование доминирует в средних полях и средних температурах, когда тепловая энергия недостаточна, чтобы преодолеть потенциальный барьер на контакте.
Электронная компонентная база мемристорной нейроморфной платформы
Используя двухслойные МДМ-системы Pt/TiO2/Al2O3/Pt и Pt/Al2O3/TiO2/Pt с заметно различающимися свойствами, получены мемристивные структуры с устойчивым биполярным переключением. Предложенный механизм переключения открывает перспективы разработки многоуровневых систем на основе многослойных структур. Создание современной элементной базы микро- и наноэлектроники, основанной на новых физических принципах, открывает неограниченные перспективы повышения параметров устройств энергонезависимой памяти и разработки аналоговых вычислительных систем, в том числе нейроморфных.
Конечной целью создания нового энергонезависимого устройства памяти – мемристора, функционирование которого основано на изменении (переключении) сопротивления, – является формирование систем, обеспечивающих ранее недостижимые параметры и возможности:
• энергонезависимость и энергоэффективность (хранение в памяти не заряда, а состояния, соответствующего определенной проводимости);
• многоуровневость логических состояний (хранение в одной ячейке памяти более одного бита информации);
• сверхвысокая плотность записи информации (многослоевая трехуровневая композиция с минимальным энерговыделением);
• сверхвысокая скорость обмена данными (интеграция оперативной и долговременной памяти);
• неограниченное время хранения информации ("хранение" не заряда, а уровня сопротивления).
Совокупность вышеуказанных функциональных возможностей определила перспективы так называемой нейроморфной мемристорной компьютерной платформы, характеризующейся следующими основными особенностями:
• ОЗУ на мемристорных ячейках памяти (кроссбарах);
• оптическая система коммутации функциональных модулей;
• новая компьютерная архитектура и технология вычислений, включая:
• интеграцию оперативной и долговременной памяти и новую технологию их обмена,
• архитектуру, в которой память играет ключевую роль в выполнении вычислений,
• новую технологию хранения данных;
• новая операционная система.
Основным исполнителем данного проекта, получившего название "Machine", является лаборатория LAB8 фирмы HP. Значительная роль в его реализации отводится фирме Sandisk, которая взяла на себя разработку технологии SCM (Storage Class Memory) с целью построения системы по принципу Memory Driving Computing. Среди разработчиков программного обеспечения, ориентированного на нейроморфную мемристорную компьютерную платформу, следует отметить Бостонский университет, который создает специализированное программное обеспечение MONETA (Modular Neural Exploring Traveling Agent) для мемристорной памяти с целью имитации элементов функциональной деятельности мозга млекопитающих. В рамках эволюции компьютерных платформ, безусловно, важное место занимает европейский проект "The EU Human Brain Project" в рамках программы Horizon 2020. Значительную роль в его реализации занимают нейроморфные физические модели (например, 20-уровневая нейронная искусственная сеть с базовым уровнем 4 млн. нейронов и 1 млрд синапсов) и компьютерные кластеры (4Тflop/s).
В качестве основных информационно-коммуникационных платформ, ориентированных на нейроморфные компьютерные среды с различной конструкторско-технологической реализацией, определены:
• нейроинформационная платформа;
• медицинская информационная платформа;
• платформа для моделирования мозга;
• платформа высокопроизводительных вычислений;
• нейроморфная вычислительная платформа;
• нейроробототехническая платформа.
Представленные экспериментальные результаты [50, 51] по созданию мемристорных структур как основы новой нейроморфной компьютерной платформы получены авторами данной статьи, представляющими NIMS (Национальный институт материаловедения, Япония) и Санкт-Петербургский государственный электротехнический университет ("ЛЭТИ") в рамках реализации международного проекта "Управляемый синтез мемристорных структур на основе наноразмерных композиций оксидов металлов путем осаждения атомных слоев" (работа выполнялась в рамках проекта 14.584.21.0005, финансируемого Минобрнауки РФ).
ЛИТЕРАТУРА
1. Костылев С. А., Шкут В. А. Электронное переключение в аморфных полупроводниках. – Киев: Наукова думка, 1978. 203 с.
2. Казакова Л.П., Лебедев Э.А., Сморгонская Э.А. и др. / Отв. ред. К.Д.Цэндин. – СПб.: Наука, 1996. 486 с.
3. Yamada N., Ohno E., Nishiuchi K. et al. Rapid phase transitions of GeTe-Sb2Te3 pseudobinary amorphous thin films for an optical disk memory // J. Appl. Phys. 1991. Vol. 69. No. 5. PP. 2849–2856.
4. Bruns G., Merkelbach P., Schlockermann C.
et al. Nanosecond switching in GeTe phase change memory cells // Appl. Phys. Lett. 2009. Vol. 95. 043108.
5. Burr G.W., Breitwisch M.J., Franceschini M. et al. Phase change memory technology // J. Vac. Sci. Technol. B. 2010. Vol. 28/ No. 2. PP. 223–262.
6. Lai S. Current status of the phase change memory and its future // IEDM Tech.Dig. 2003. 10.1. PP. 255–258.
7. Chen Y.-C., Rettner C.T., Raoux S. et al. Ultra-Thin Phase-Change Bridge Memory Device Using GeSb // IEDM Technical Digest. 2006. S30P3.
8. Choi Y., Song I., Park M-H. et al. A 20nm 1.8V 8Gb PRAM with 40MB/s Program Bandwidth // IEEE International Solid-State Circuits Conference. 2012.
9. Wong H.-S.P., Raoux S., Kim S., Liang J., Reifenberg J.P., Rajendran B., Asheghi M., Kenneth E. Goodson "Phase change memory", Proceedings of IEEE Vol.98. No. 12. 2010.
10. Pellizzer F., Benvenuti A., Gleixner B., Kim Y., Johnson B., Magistretti M., Marangon T., Pirovano A., Bez R., Atwood G. Symp. VLSI Technology, 2006. С. 150.
11. Boniardi M., Redaelli A., Pirovano A., Tortorelli I., Ielmini D., Pellizzer F. A physicsbased model of electrical conduction decrease with time in amorphous Ge2Sb2Te5, Journal of Applied Physics. 2009. Vol. 105. № 8. PP. 084506.
12. Bae B.-J., Kim S., Zhang Y., Kim Y., Baek I.-G., Park S., Yeo I.-S., Choi S., Moon J.-T., Wong H.-S.P., Kim K. 1D thickness scaling study of phase change material (Ge2Sb2Te5) using a pseudo 3-terminal device, in Proc. IEEE International Electron Devices Meeting, pp. 93–96, 2009.
13. Celii F., Thakre M., Gay M., Summerfelt S. Plasma Etch Processes for Embedded FRAM Integration // Integr. Ferroelectr. 2003. V. 53. P. 269–277.
14. Lee S., Noh K., Kang H., Hong S., Yeom S., Park Y.
Characterization of Hynix 16M Feram Adopted Novel Sensing Scheme // Integr. Ferroelectr. 2003. V. 53. P. 343–351.
15. Fujii E., Uchiyama K. First 0,18 µm SBT-Based Embedded FeRAM Technology with Hydrogen Damage Free Stacked Cell Structure // Integr. Ferroelectr. 2003. V. 53. P. 317–323.
16. Kim K., Song Y. Current and Future High Density FRAM Technology // Integr. Ferroelectr. 2004. V. 61. P. 3–15.
17. Fujitsu Semiconductor Memory Manual. FRAM Guide Book / FUJITSU LIMITED Electronic Devices. Japan., 2005.
18. Scott J.F. New developments on FRAMs: 3D structures and all-perovskite FETs // Mat. Science and Eng. B. 2005. V. 120. P. 6–12.
19. Kenji Maruyama. New Ferroelectric Material for Embedded FRAM LSIs – Fujitsu // FUJITSU J. Sci. Tech. 2007. V. 43. №. 4. P. 37–42.
20. Chua L.O. Resistance switching memories are memristors, Appl. P hys. A. 2011. No. 102. PP. 765783.
21. Chua L.O. Circuit Theory. – IEEE T rans. 1971. No. CT 18. PP. 507.
22. Chua L.O., Kang S.M. P roc. – IEEE. 1976. No. 64. PP. 209.
23. Strykov D.B., Snider G.S., Stewart D.R., Williams R.S. Nature. 2008. No. 453. PP. 8083.
24. Lin C.Y., Wu C.Y., Lee T.C., Yang F.L., Hu C., Tseng T.Y. IEEE Electron Device Lett. No. 28. PP. 366.
25. Liu Q., Long S., Wang W., Zuo Q., Zhang S., Chen J., Liu M. IEEE Electron Device Lett. 2009. No. 30. PP. 1335.
26. Lin C.Y., Wu C.Y., Tseng T.Y., Hu C. J. Appl. Phys. No. 102. PP. 094101, 2007.
27. Wang S.Y., Lee D.Y., Tseng T.Y., Lin C.Y. Appl. Phys. Lett. 2009. No. 95. PP. 112904.
28. Wu M.C., Lin Y.W., Jang W.Y., Lin C.H., Tseng T.Y. IEEE Electron Device Lett. 2011. No. 32. PP. 1026.
29. Panda D., Dhar A., Ray S.K. IEEE T rans. Nanotechnol. 2011. No. 11. PP. 51.
30. Kim K.M., Choi B.J., Jeong D.S., Hwang C.S., Hun S. Appl. P hys. Lett. 2006. No. 89. PP. 162912.
31. Choi B.J., Choi S., Kim K.M., Shin Y.C., Hwang C.S., Hwang S.Y., Cho S.S., Park S., Hong S.K.
Appl. P hys. Lett. 2006. No. 89. PP. 012906.
32. Sawa A., Fujii T., Kawasaki M., Tokura Y. Appl. Phys. Lett. 2004. No. 85. PP. 4073.
33. Lin M.H., Wu M.C., Lin C.H., Tseng T.Y. J. Appl. Phys. 2010. No. 107. PP. 12411.
34. Lin M.H., Wu M.C., Lin C.H., Tseng T.Y. IEEE Trans. Electron Device. 2010. No. 57. PP. 1801.
35. Xu N., Liu L.F., Sun X., Wang Y., Han D.D.,
Liu X.Y., Han R.Q., Kang J.F., Yu B. Semicond. Sci. T echnol. 2008. No. 23. PP. 075019.
36. Chen M.C., Chang T.C., Tsai C.T., Hung S.Y., Chen S.C., Hu C.W., Simon M.C., Tsai M.J. Appl. Phys. Lett. 2010. No. 96. PP. 262110.
37. Panda D., Dhar A., Ray S.K. J. Appl. Phys. 2010. No. 108. PP. 104513.
38. Ielmini D., Nardi F., C.Cagli. Nanotechnology. 2011. No. 22. PP. 254022.
39. Zhirnov V.V., Reade R., Cavin R.K., Sandhu G. Nanotechnology. 2011. No. 22. PP. 254027.
40. Kim D.C., Seo S., Ahn S.E., Suh D.S., Lee M.J.,
Park B.H., Yoo I.K., Baek I.G., Kim H.J., Yim E.K.,
Lee J.E., Park S.O., Kim H.S., Chung U.In., Moon J.T.,
Ryu B.I. Appl. Phys. Lett. 2006. No. 88. PP. 202102.
41. Lee S.B., Lee J.S., Chang S.H., Yoo H.K., Kang B.S., Kahng B., Lee M.J., Kim C.J., Noh T.W. Appl. Phys.Lett. 2011. No. 98. PP. 033502.
42. Hur J.H., Lee M.J., Lee C.B., Kim Y.B., Kim C.J. Phys. Rev. B. 2010. No. 82. PP. 15532.
43. Wuttig N.Y. Nature Mater. 2007. No. 6. PP. 824.
44. Waser R. Electrochemical and thermochemical memories. – IEEE International Electron Devices Meeting, Tech. Dig. 2008. PP. 289292.
45. Waser R., Aono M. Nanoionics-based resistive switching memories // NatureMater. 2007. No. 6. PP. 833840.
46. Tang H., Prasad K., Sanjines R., Schmid P.E., Levy F. Electrical and optical properties of TiO2 anatase thin films // Journal of Applied Physics. 1994. V. 75. № 4. P. 2042–2047.
47. Nasyrov K.A., Gritsenko V.A. Phys. Usp. 2013. V. 183, № 10. P. 1099.
48. Hopping transport in solids (eds. M. Pollak, B. Shklovskii). North-Holland, 1991.
49. Shklovskii B.I., Efros A.L. Electronic Properties of Doped Semiconductors (Berlin: Springer-Verlag, 1984) Translated from Russian: Elektronnye Svoistva Legirovannykh Poluprovodnikov. – Moscow: Nauka, 1979.
50. Alekseeva L., Chigirev D., Chikyow T., Nabatame T., Osachev E., Petrov A., Romanov A. Resistive switching and memory effects in metal oxide thin films grown by atomic-layer deposition, INC 11 Japan NanoDay, Hilton Fukuoka Sea Hawk, Fukuoka, Japan, May 11–13, 2015.
51. Alekseeva L., Petrov A., Romanov A., Chikyow T., Nabatame T., Chigirev D., Osachev E. Resistive Switching and Memory Effects in BE-Pt/Al2O3/TiO2/Pt-TE and BE-Pt/TiO2/Al2O3/Pt-TE Systems Fabricated by Atomic Layer Deposition, Dielectric thin films for future electron devices (Science and technology) IWDTF-2015, November 2–4, 2015, Miraikan, National Museum of Emerging Science and Innovation, Tokyo, Japan, pp. 65–66.
енсационное заявление сотрудников HP не нашло бы отклика в научной среде если бы не очевидное уже тогда понимание фундаментальных проблем функционирования базовых устройств микро- и наноэлектроники, связанных с удержанием заряда в непрерывно уменьшающемся объеме, что делало сомнительным перспективы экстенсивного развития элементной базы, и, в частности, памяти.
Актуальные проблемы
энергонезависимой памяти
Очевидна необходимость создания альтернативной энергонезависимой памяти c высокой плотностью записи данных, низкой потребляемой мощностью и высокой скоростью работы. Альтернативной, в смысле построенной на иных, по сравнению с существующими, физических принципах, позволяющих перейти к универсальной процессорной среде с интеграцией оперативной и долговременной памяти, реализацией многоуровневости логических состояний с формированием абсолютно новой, так называемой нейроморфной компьютерной платформы. Актуальность проблемы очевидна, учитывая, что практически любое электронное устройство содержит память, внутреннюю или внешнюю, а появление персональной электроники значительно повышает требования к устройствам памяти.
Электронная промышленность вынуждена постоянно совершенствовать технологию памяти и, в конечном счете, ее базовые параметры. Во-первых, необходимо увеличивать плотность памяти, ее способность хранить все больший объем информации при уменьшении стоимости бита информации. Во-вторых, память должна характеризоваться большим временем наработки, связанным с числом циклов переключения (операций записи и стирания). В-третьих, требуется увеличение времени хранения – это вполне очевидный параметр, не вызывающий особых проблем в большинстве предлагаемых устройств памяти. Наконец, память должна обладать высокой скоростью программирования и доступа, то есть время чтения и записи должно быть минимизировано. В последнее время особое внимание уделяется энергопотреблению, что очевидно коррелирует с плотностью (емкостью) памяти и с мобильностью оснащенных ею устройств.
Очевидно, что совместить все перечисленные требования (как достоинства) едва ли возможно, тем не менее меняются кандидаты, а стремление к созданию "идеальной" памяти остается. Не останавливаясь подробно на обсуждении большого количества возможных вариантов, отметим как наиболее перспективные технологии MRAM, FeRAM, PCM, ReRAM и, не забывая Flash, как базовую энергонезависимую память современных электронных устройств, проведем краткое их сопоставление в стремлении нащупать направления создания "идеальной" памяти.
Фундаментальные физические принципы, лежащие в основе Flash-памяти, накладывают естественные ограничения на ее возможности и на перспективы развития. Во-первых, невозможно достигнуть одновременно быстрого программирования, высокой плотности и произвольного доступа. NAND Flash предлагает быстрое программирование и высокую плотность, но в то же время имеет проблемы произвольного доступа и относительно медленную скорость чтения. С другой стороны, NOR Flash, у которой нет проблем с произвольным доступом, уступает по объему памяти и ряду других параметров. Основным недостатком памяти типа Flash является малое число циклов перезаписи – в зависимости от условий эксплуатации можно рассчитывать на 103–104 циклов. К другим недостаткам Flash следует отнести низкую скорость записи, а также поблочный характер стирания/записи ячеек памяти. Существует мнение, что размер элемента традиционной Flash-памяти нецелесообразно уменьшать ниже 20 нм, поскольку возникают ограничения, связанные с фундаментальными принципами ее функционирования. Во-первых, уменьшение размеров неминуемо приведет к возрастанию токов утечки, и, следовательно, к деградации элемента памяти и потери информации. То есть очевидна проблема дальнейшего масштабирования и наращивания плотности памяти. Во-вторых, уменьшение размера чипа приведет к сокращению количества сохраняемых в нем "информационных" электронов и, как следствие, вызовет заметный телеграфный шум, а также связанные с этим проблемы надежности. Указанные недостатки Flash являются основным стимулом для поиска новой энергонезависимой памяти.
Поиск энергонезависимой
памяти нового поколения
Краткий обзор кандидатов на роль перспективной энергонезависимой памяти, удовлетворяющей отмеченным выше требованиям, начнем с памяти на основе фазового перехода (PCM, PRAM, PCRAM, Ovonic Unified Memory, Chalcogenide RAM) [1, 11]. На фундаментальном уровне память на фазовом переходе использует нагрев, чтобы вызвать фазовый переход в материале, например, теллуриде сурьмы-германия (GST) [12, 13], в результате которого изменится его сопротивление. Как правило, подразумевается фазовый переход между аморфным и кристаллическим состояниями. Характерной особенностью типичной ячейки PCM является нагреватель, включенный в слой изолятора между энергоемким материалом и нижним электродом. Цель этого нагревателя состоит в том, чтобы увеличить эффективность и уменьшить "мощность" программирования. Существенное преимущество такого подхода – сокращение программного тока из-за эффекта его локализации. Для переключения ячейки PCM из аморфного в кристаллическое состояние, определенного как процесс набора (SET), применяется термический нагрев. Во время этого процесса, используют импульс большей продолжительности и умеренного напряжения / тока. Температура ячейки PCM повышается до температуры кристаллизации (Tкрист), но остается ниже температуры плавления (Tплавл). Поскольку кристаллизация материала происходит не мгновенно, очень важно, чтобы импульс был достаточно длинным, а температура в материале PCM оставалась высокой в течение достаточного времени. После завершения кристаллизации, устройство переходит из высокоомного в низкоомное состояние. Процесс считывания относительно простой по сравнению со сбросом и набором. Во время считывания используется импульс относительно небольшой амплитуды, не нарушающей состояние памяти устройства. Одной из основных проблем, связанных с PCM, является энергопотребление. Чтобы изменить кристаллическую структуру пленки, необходимы относительно высокая температура и, как следствие, достаточно большой ток. Оценки показывают, что даже для PCM с размером до 15 нм, необходим ток сброса около 40 µA [12].
Сегнетоэлектрическая энергонезависимая память (FeRAM) по своему устройству схожа с DRAM (конденсатор на основе сегнетоэлектрика). Запись происходит путем изменения вектора поляризации сегнетоэлектрического слоя разностью потенциалов между электродами. Среди преимуществ FeRAM перед Flash-памятью можно выделить низкое энергопотребление, быструю запись информации и существенно увеличенное максимальное число циклов перезаписи, превышающее 1014. К недостаткам FeRAM относят гораздо более низкую плотность записи, ограниченную емкость и более высокую стоимость [13–17]. Одним из мировых лидеров в области разработки и производства электронных компонентов самого различного назначения по запатентованной технологии создания энергонезависимых сегнетоэлектрических ОЗУ (FeRAM) является Ramtron International. В число лицензиатов или партнеров по освоению технологии FeRAM входят такие крупные компании, как Texas Instruments, Fujitsu, Toshiba, Samsung, Hynix и др. В работах [18] и [19] даны прогнозы дальнейшего развития устройств FeRAM, рассмотрены перспективы замены Flash-памяти и сделан вывод о том, что устройства перепрограммируемой памяти на основе сегнетоэлектриков имеют все шансы занять прочную конкурентоспособную позицию среди прочих устройств энергонезависимой памяти при условии, что будут решены проблемы их старения и надежности, а также обеспечена возможность неразрушающего считывания информации. Современным подходом к повышению плотности записи информации является использование сегнетоэлектрического эффекта, обнаруженного в наноразмерных пленках, например, легированного оксида гафния.
Магниторезистивная память (MRAM) – запоминающее устройство с произвольным доступом, в котором, в отличие от других типов памяти, информация хранится не в виде электрических зарядов или токов, а в магнитных элементах. Последние сформированы из двух ферромагнитных слоев, разделенных тонким слоем диэлектрика. Магниторезистивная память обладает быстродействием, сравнимым с памятью типа SRAM, такой же плотностью ячеек, но меньшим энергопотреблением, чем у памяти типа DRAM. Она более быстрая и не деградирует во времени по сравнению с Flash-памятью.
Резистивная память произвольного доступа (ReRAM) отличается хранением данных в ячейках за счет изменения сопротивления материала, а не электрического заряда. Речь идет о создании альтернативной энергонезависимой памяти, имеющей высокую плотность записи данных, низкую потребляемую мощность и высокую скорость работы. Сегнетоэлектрическая (FeRAM) и магнитная память (MRAM) не вполне отвечают современным требованиям и даже в перспективе едва ли составят конкуренцию Flash-памяти, во всяком случае, по плотности записи данных. Однако можно считать общепризнанным, что ниже 20 нм с Flash-памятью, построенной на удержании заряда, начнутся проблемы. Представляется, что мемристоры как по масштабированию, так и по скорости переключения соответствуют требованиям современной энергонезависимой памяти. Более того, привлекательным является низкое энергопотребление при записи информации, а также способность мемристора к многоуровневым состояниям и, как следствие, перспективы его применения в искусственных нейроморфных компьютерных системах с новой технологией хранения, обработки и передачи данных.
Мемристор – новый представитель
электронной компонентной базы
Мемристор был описан в 1971 году Леоном Чуа [20, 21, 22], но вызвал значительный интерес только после ряда работ Стенли Вильямса и группы исследователей лаборатории HP [23], заявивших о создании твердотельной структуры, реализующей мемристорные свойства. Предполагается, что наблюдаемые уже более 40 лет эффекты переключения и памяти в МОМ-структурах являются проявлением мемристивности. Тот факт, что наблюдаются они при варьировании большого числа материалов тонких пленок оксидных слоев (ZnO, NiO, SiO2, TiO2, ZrO2, SrTiO3, Pr0,7Ca0,3MnO3 и др.) и электродов (Pt, Au, Ag, Al, TiN и др.), говорит в пользу гипотезы Л.Чуа о существовании четвертого базового элемента электрических цепей [24–38]. Это стимулирует интерес к поиску механизмов, ответственных за эффекты переключения и памяти в структурах МДМ. Существуют различные теории и физические модели, объясняющие механизмы переключения сопротивления в подобных устройствах. К наиболее известным можно отнести модели проводимости с механизмами формирования и разрыва проводящих нитей в пределах активного слоя [38, 39], модуляции барьеров Шоттки [40, 41], связанные с процессами заполнения и освобождения ловушек [35], основанные на переходах Мотта-Андерсона [36], а также на протекании термохимических и электрохимических окислительно-восстановительных реакций [44, 45].
Наиболее популярными подходами к пониманию механизмов переключения сопротивления (как би-, так и униполярных процессов) являются модели, основанные на формировании и разрыве нитей проводимости. Как правило, речь идет о вариации концентрации кислородных вакансий в "каналах проводимости". Собственно, последнее является общим местом и признается большинством исследователей как основной механизм, приводящий к явлению переключения сопротивления в структурах МДМ. Однако разногласия возникают при обсуждении механизмов управления "каналами проводимости" – формировании и разрыве, изменении свойств материала и т.п. Добавляет накала в дискуссию наблюдаемое разделение эффекта на биполярное и униполярное переключение, в зависимости от полярности прикладываемого напряжения. Все это усложняется возможными зависимостями от материала и толщины рабочего слоя (оксида), размера верхнего электрода и других факторов. Хотя многие вопросы все еще остаются без ответа, можно уверенно констатировать, что как тип, так и концентрация точечных дефектов в пределах слоя имеют прямое отношение к процессам переключения.
Помимо механизмов переключения, существует и ряд других нерешенных проблем, затрудняющих выход на рынок высокоинтегрированной памяти (ReRAM). К ним относятся интеграция и совместимость с существующей технологией, неоднородность при переключении структур, нестабильность параметров ячеек памяти. Особо следует отметить необходимость в большинстве случаев применять процедуру электроформовки (подачи импульсов достаточно большой амплитуды и определенной полярности), что само по себе представляет определенную проблему, а также связано с неоднозначностью параметров сформированных структур энергонезависимой памяти. Несмотря на обилие нерешенных проблем, интерес к приборной реализации, к оптимизации рабочих структур мемристоров с использованием разных методов синтеза активной среды (чаще всего оксидов), разнообразных конфигураций многослойных структур, вариации конструктивных особенностей устройств не ослабевает. Это позволяет надеяться на создание универсального устройства памяти, которое станет энергонезависимым, как Flash, обеспечит быстрое программирование и время доступа, как SRAM, а также высокую плотность и низкое энергопотребление. Если такая универсальная память осуществима, она сможет заменить не только Flash, но также возможно и DRAM, а значит, будет выступать в качестве универсального носителя, который, в конечном счете, изменит принципы вычислительных систем. Резюмируя, можно констатировать, что именно резистивная память произвольного доступа (ReRAM) является кандидатом на роль такой универсальной памяти.
В завершении данного раздела приведем таблицу сравнения параметров используемой и перспективной памяти (табл.1), понимая, что их значения для последней являются ориентировочными.
На пути к созданию мемристорной памяти
Технология производства структур резистивной памяти включает подготовку подложек, нанесение нижнего электрода, как правило, из металла (Pt, Au, Al,… и TiN), синтез рабочего слоя (чаще всего из оксидов металлов) и нанесение верхнего электрода диаметром не более 100–300 мкм. Отметим, что речь идет об экспериментальных образцах. Для нанесения металлов используются технологии магнетронного распыления, электроннолучевого испарения и др. Синтез металлооксидов осуществляется методами реактивного магнетронного распыления и атомно-слоевого осаждения (Atomic Layer Deposition, ALD). Последний получил достаточно широкое распространение, так как позволяет получать тонкие пленки оксидов металлов хорошего качества (широкий спектр материалов, оптимальная стехиометрия, однородность по толщине, многослойность с резким интерфейсом и т.п.), при этом на рынке представлены ALD-установки достаточно высокого уровня, например, TFS 200 финской компании Beneq.
Ниже приведены полученные авторами данной статьи результаты по реализации элементов резистивной памяти на базе мемристорных двухслойных структур TiO2/Al2O3 и Al2O3/TiO2, изготовленных методом атомно-слоевого осаждения с использованием в качестве прекурсоров триметилалюминия (TMA) и тетракис (диметиламино) титана (TDMAT) и H2O при температуре подложки Pt/Ti/SiO2/Si 200°C. Пленки оксидов титана TiO2 и алюминия Al2O3 осаждались на подложки Si/SiO2 (пластины монокристаллического кремния с термически выращенным окислом) с нанесенным нижним Pt-электродом на установке TFS 200 компании Beneq (рис.1 и табл.2). После осаждения образцы отжигались в атмосфере кислорода при температуре 200°C в течение 30 с.
Схематические изображения используемых в работе двухслойных структур приведены на рис.2. Слой SiO2 толщиной 100 нм сформирован на подложке термически окисленного кремния (100) p-типа. Адгезионный слой титана толщиной 10 нм депонирован на слой SiO2 с последующим нанесением нижнего платинового электрода электроннолучевым испарением. Верхние электроды Pt сформированы электроннолучевым испарением с использованием металлической маски. Площадь верхних электродов составила 10–4 см2.
Вариация последовательности слоев оксидов алюминия и титана преследовала исследовательские цели. Предполагалось, что это позволит расширить функциональные возможности и повысить основные параметры рабочих структур с эффектом резистивного переключения и памяти. Формально системы Pt/TiO2/Al2O3/Pt являются симметричными, однако имеют различные электрические свойства: например, величины сопротивления структур после изготовления отличаются на семь порядков. Здесь и далее измерение сопротивления производилось при подаче небольшого (0,1 В) постоянного напряжения. Подразумевается, что в этом случае не происходит заметного изменения свойств исследуемых структур. Возможная причина столь заметного различия величин сопротивления многослойных структур может быть связана с особенностями технологий их получения, в частности, с различной продолжительностью теплового воздействия во время синтеза пленок (температура подложки 200°С) и возможным влиянием атмосферы при отжиге после нанесения слоев (200°С, 30 с). В первом случае "нижняя" пленка при синтезе находится при повышенной температуре в два раза дольше. При отжиге существенным может оказаться влияние атмосферы на "верхний" слой. Отметим, что в настоящей работе слои отсчитываются от подложки – "снизу вверх".
Структуры Pt/Al2O3/TiO2/Pt
ВАХ структур Pt/Al2O3/TiO2/Pt типична для мемристоров и демонстрирует биполярное переключение сопротивления между двумя устойчивыми энергонезависимыми состояниями (рис.3a). Именно такое поведение является базовым для создания энергонезависимой резистивной памяти. Устойчивое биполярное переключение сопротивления с отношением Ron/Roff около 102, управляемое небольшим напряжением ±0,8 В (табл.3), наблюдалось после предварительной двухстадийной электроформовки. Сопротивление в высокоомном состоянии (HRS) составляло 2 000 Ом, а в низкоомном состоянии (LRS) – 28 Ом.
Мы предполагаем, что первый шаг нетривиального процесса двухстадийной электроформовки связан с необратимым пробоем Al2O3-слоя: при приложении положительного напряжения (+5 В) на верхнем Pt-электроде (с ограничением тока 10 мА) ток между электродами резко увеличивался до уровня ограничения, происходило значительное выделение Джоулева тепла и, как следствие, возникал тепловой, необратимый пробой слоя Al2O3. Сопротивление при этом изменялось на два порядка, а система переходила из начального в "промежуточное" состояние.
Второй шаг связан с созданием слоя TiO2-x, обогащенного кислородными вакансиями вблизи верхнего Pt-электрода при подаче на него –2,2 В. Слой вблизи верхнего Pt-электрода обогащается кислородными вакансиями, то есть формируется обедненный по кислороду слой оксида титана TiO2-x. В этом случае система изменяет свое состояние от "промежуточного" до высокоомного (HRS).
Процесс включения (ON) происходит, когда на верхний электрод подается +0,8 В (рис.3b), и система изменяет состояние от HRS до LRS. Величина сопротивления изменяется на два порядка: от 2 000 до 28 Ом. Противоположное переключение (OFF) и возвращение к HRS (рис.3c) происходит при подаче –0,8 В. В этом типе структур наблюдается устойчивое переключение между двумя состояниями, причем оба демонстрируют эффект энергонезависимой памяти.
Структуры Pt/TiO2/Al2O3/Pt
При противоположном расположении слоев TiO2 и Al2O3 сопротивление структур более чем на семь порядков выше. Очевидно, что такую его величину может обеспечить только слой Al2O3 (удельное сопротивление 1013–1015 Ом·см, против 104–107 Ом·см для оксида титана). Удельное сопротивление нелегированного анатаза и рутила находятся в диапазоне 104–107 Ом·см, но при формировании Ti3+ оно уменьшается до 10 Ом·см для анатаза и до 100 Ом·см для рутила [46].
Есть основания полагать, что активный переключающийся слой в этом случае Al2O3, а слой TiO2 выступает в качестве резервуара кислородных вакансий. Такая структура уверенно демонстрирует многоуровневое переключение, причем без предварительного проведения процесса формовки. Это означает, что двухслойная структура данного типа готова к переключению непосредственно после ее синтеза (рис.4a), то есть процесс формовки осуществляется уже на этапе изготовления: синтеза и высокотемпературного отжига. Такая технология является, очевидно, предпочтительной в смысле согласования с "классическими" КМОП-процессами при создании специализированных вычислительных систем.
Процесс набора (SET) для Pt/TiO2/Al2O3/Pt структур происходит при отрицательном напряжении на верхнем электроде, а процесс сброса (RESET) – при положительном напряжении, то есть переключение происходит по часовой стрелке (в то время как в предыдущем случае – против часовой стрелки). Эти циклы устойчиво повторяются с изменениями сопротивления на семь порядков по величине, то есть от 8·1012 до 6·105 Ом. Уровень переключения зависит от величины напряжения, уменьшающего запоминаемое сопротивление.
Когда отрицательное напряжение прикладывается к верхнему электроду, наблюдается дрейф кислородных вакансий из TiO2-x в Al2O3, что обеспечивает смещение зонной диаграммы, приводящее к инжекции носителей заряда (рис.6a).
Увеличение концентрации кислородных вакансий приводит к увеличению концентрации ловушек (1,5 эВ энергии [47]) в запрещенной зоне Al2O3 (рис.5b) и появлению проводимости в Al2O3-слое (рис.5а). Концентрация ловушек зависит от приложенного напряжения, именно поэтому мы можем наблюдать появление проводимости и изменения уровней переключения. Прыжковый транспорт по ловушечным центрам объясняет значительный рост проводимости при небольшом изменении потенциала на верхнем электроде.
Зависимость проводимости слоя Al2O3 от разности потенциалов между электродами и, как предполагается, от концентрации в нем локализованных состояний (N), определяется механизмом прыжкового транспорта, когда проводимость обусловлена неупругим туннелированием между ближайшими центрами [48, 49]. Очевидно, что в этом случае сопротивление слоя диэлектрика будет определяться сеткой случайных сопротивлений (Абрахамса-Миллера) и в первом приближении перколяционным радиусом r = 0,085N–1/3:
,
где а = ε – боровский радиус. Инжекция в объем может осуществляться туннелированием по механизму Фаулера-Нордгейма или термоэлектронной эмиссией и термостимулированным туннелированием. Термостимулированное туннелирование доминирует в средних полях и средних температурах, когда тепловая энергия недостаточна, чтобы преодолеть потенциальный барьер на контакте.
Электронная компонентная база мемристорной нейроморфной платформы
Используя двухслойные МДМ-системы Pt/TiO2/Al2O3/Pt и Pt/Al2O3/TiO2/Pt с заметно различающимися свойствами, получены мемристивные структуры с устойчивым биполярным переключением. Предложенный механизм переключения открывает перспективы разработки многоуровневых систем на основе многослойных структур. Создание современной элементной базы микро- и наноэлектроники, основанной на новых физических принципах, открывает неограниченные перспективы повышения параметров устройств энергонезависимой памяти и разработки аналоговых вычислительных систем, в том числе нейроморфных.
Конечной целью создания нового энергонезависимого устройства памяти – мемристора, функционирование которого основано на изменении (переключении) сопротивления, – является формирование систем, обеспечивающих ранее недостижимые параметры и возможности:
• энергонезависимость и энергоэффективность (хранение в памяти не заряда, а состояния, соответствующего определенной проводимости);
• многоуровневость логических состояний (хранение в одной ячейке памяти более одного бита информации);
• сверхвысокая плотность записи информации (многослоевая трехуровневая композиция с минимальным энерговыделением);
• сверхвысокая скорость обмена данными (интеграция оперативной и долговременной памяти);
• неограниченное время хранения информации ("хранение" не заряда, а уровня сопротивления).
Совокупность вышеуказанных функциональных возможностей определила перспективы так называемой нейроморфной мемристорной компьютерной платформы, характеризующейся следующими основными особенностями:
• ОЗУ на мемристорных ячейках памяти (кроссбарах);
• оптическая система коммутации функциональных модулей;
• новая компьютерная архитектура и технология вычислений, включая:
• интеграцию оперативной и долговременной памяти и новую технологию их обмена,
• архитектуру, в которой память играет ключевую роль в выполнении вычислений,
• новую технологию хранения данных;
• новая операционная система.
Основным исполнителем данного проекта, получившего название "Machine", является лаборатория LAB8 фирмы HP. Значительная роль в его реализации отводится фирме Sandisk, которая взяла на себя разработку технологии SCM (Storage Class Memory) с целью построения системы по принципу Memory Driving Computing. Среди разработчиков программного обеспечения, ориентированного на нейроморфную мемристорную компьютерную платформу, следует отметить Бостонский университет, который создает специализированное программное обеспечение MONETA (Modular Neural Exploring Traveling Agent) для мемристорной памяти с целью имитации элементов функциональной деятельности мозга млекопитающих. В рамках эволюции компьютерных платформ, безусловно, важное место занимает европейский проект "The EU Human Brain Project" в рамках программы Horizon 2020. Значительную роль в его реализации занимают нейроморфные физические модели (например, 20-уровневая нейронная искусственная сеть с базовым уровнем 4 млн. нейронов и 1 млрд синапсов) и компьютерные кластеры (4Тflop/s).
В качестве основных информационно-коммуникационных платформ, ориентированных на нейроморфные компьютерные среды с различной конструкторско-технологической реализацией, определены:
• нейроинформационная платформа;
• медицинская информационная платформа;
• платформа для моделирования мозга;
• платформа высокопроизводительных вычислений;
• нейроморфная вычислительная платформа;
• нейроробототехническая платформа.
Представленные экспериментальные результаты [50, 51] по созданию мемристорных структур как основы новой нейроморфной компьютерной платформы получены авторами данной статьи, представляющими NIMS (Национальный институт материаловедения, Япония) и Санкт-Петербургский государственный электротехнический университет ("ЛЭТИ") в рамках реализации международного проекта "Управляемый синтез мемристорных структур на основе наноразмерных композиций оксидов металлов путем осаждения атомных слоев" (работа выполнялась в рамках проекта 14.584.21.0005, финансируемого Минобрнауки РФ).
ЛИТЕРАТУРА
1. Костылев С. А., Шкут В. А. Электронное переключение в аморфных полупроводниках. – Киев: Наукова думка, 1978. 203 с.
2. Казакова Л.П., Лебедев Э.А., Сморгонская Э.А. и др. / Отв. ред. К.Д.Цэндин. – СПб.: Наука, 1996. 486 с.
3. Yamada N., Ohno E., Nishiuchi K. et al. Rapid phase transitions of GeTe-Sb2Te3 pseudobinary amorphous thin films for an optical disk memory // J. Appl. Phys. 1991. Vol. 69. No. 5. PP. 2849–2856.
4. Bruns G., Merkelbach P., Schlockermann C.
et al. Nanosecond switching in GeTe phase change memory cells // Appl. Phys. Lett. 2009. Vol. 95. 043108.
5. Burr G.W., Breitwisch M.J., Franceschini M. et al. Phase change memory technology // J. Vac. Sci. Technol. B. 2010. Vol. 28/ No. 2. PP. 223–262.
6. Lai S. Current status of the phase change memory and its future // IEDM Tech.Dig. 2003. 10.1. PP. 255–258.
7. Chen Y.-C., Rettner C.T., Raoux S. et al. Ultra-Thin Phase-Change Bridge Memory Device Using GeSb // IEDM Technical Digest. 2006. S30P3.
8. Choi Y., Song I., Park M-H. et al. A 20nm 1.8V 8Gb PRAM with 40MB/s Program Bandwidth // IEEE International Solid-State Circuits Conference. 2012.
9. Wong H.-S.P., Raoux S., Kim S., Liang J., Reifenberg J.P., Rajendran B., Asheghi M., Kenneth E. Goodson "Phase change memory", Proceedings of IEEE Vol.98. No. 12. 2010.
10. Pellizzer F., Benvenuti A., Gleixner B., Kim Y., Johnson B., Magistretti M., Marangon T., Pirovano A., Bez R., Atwood G. Symp. VLSI Technology, 2006. С. 150.
11. Boniardi M., Redaelli A., Pirovano A., Tortorelli I., Ielmini D., Pellizzer F. A physicsbased model of electrical conduction decrease with time in amorphous Ge2Sb2Te5, Journal of Applied Physics. 2009. Vol. 105. № 8. PP. 084506.
12. Bae B.-J., Kim S., Zhang Y., Kim Y., Baek I.-G., Park S., Yeo I.-S., Choi S., Moon J.-T., Wong H.-S.P., Kim K. 1D thickness scaling study of phase change material (Ge2Sb2Te5) using a pseudo 3-terminal device, in Proc. IEEE International Electron Devices Meeting, pp. 93–96, 2009.
13. Celii F., Thakre M., Gay M., Summerfelt S. Plasma Etch Processes for Embedded FRAM Integration // Integr. Ferroelectr. 2003. V. 53. P. 269–277.
14. Lee S., Noh K., Kang H., Hong S., Yeom S., Park Y.
Characterization of Hynix 16M Feram Adopted Novel Sensing Scheme // Integr. Ferroelectr. 2003. V. 53. P. 343–351.
15. Fujii E., Uchiyama K. First 0,18 µm SBT-Based Embedded FeRAM Technology with Hydrogen Damage Free Stacked Cell Structure // Integr. Ferroelectr. 2003. V. 53. P. 317–323.
16. Kim K., Song Y. Current and Future High Density FRAM Technology // Integr. Ferroelectr. 2004. V. 61. P. 3–15.
17. Fujitsu Semiconductor Memory Manual. FRAM Guide Book / FUJITSU LIMITED Electronic Devices. Japan., 2005.
18. Scott J.F. New developments on FRAMs: 3D structures and all-perovskite FETs // Mat. Science and Eng. B. 2005. V. 120. P. 6–12.
19. Kenji Maruyama. New Ferroelectric Material for Embedded FRAM LSIs – Fujitsu // FUJITSU J. Sci. Tech. 2007. V. 43. №. 4. P. 37–42.
20. Chua L.O. Resistance switching memories are memristors, Appl. P hys. A. 2011. No. 102. PP. 765783.
21. Chua L.O. Circuit Theory. – IEEE T rans. 1971. No. CT 18. PP. 507.
22. Chua L.O., Kang S.M. P roc. – IEEE. 1976. No. 64. PP. 209.
23. Strykov D.B., Snider G.S., Stewart D.R., Williams R.S. Nature. 2008. No. 453. PP. 8083.
24. Lin C.Y., Wu C.Y., Lee T.C., Yang F.L., Hu C., Tseng T.Y. IEEE Electron Device Lett. No. 28. PP. 366.
25. Liu Q., Long S., Wang W., Zuo Q., Zhang S., Chen J., Liu M. IEEE Electron Device Lett. 2009. No. 30. PP. 1335.
26. Lin C.Y., Wu C.Y., Tseng T.Y., Hu C. J. Appl. Phys. No. 102. PP. 094101, 2007.
27. Wang S.Y., Lee D.Y., Tseng T.Y., Lin C.Y. Appl. Phys. Lett. 2009. No. 95. PP. 112904.
28. Wu M.C., Lin Y.W., Jang W.Y., Lin C.H., Tseng T.Y. IEEE Electron Device Lett. 2011. No. 32. PP. 1026.
29. Panda D., Dhar A., Ray S.K. IEEE T rans. Nanotechnol. 2011. No. 11. PP. 51.
30. Kim K.M., Choi B.J., Jeong D.S., Hwang C.S., Hun S. Appl. P hys. Lett. 2006. No. 89. PP. 162912.
31. Choi B.J., Choi S., Kim K.M., Shin Y.C., Hwang C.S., Hwang S.Y., Cho S.S., Park S., Hong S.K.
Appl. P hys. Lett. 2006. No. 89. PP. 012906.
32. Sawa A., Fujii T., Kawasaki M., Tokura Y. Appl. Phys. Lett. 2004. No. 85. PP. 4073.
33. Lin M.H., Wu M.C., Lin C.H., Tseng T.Y. J. Appl. Phys. 2010. No. 107. PP. 12411.
34. Lin M.H., Wu M.C., Lin C.H., Tseng T.Y. IEEE Trans. Electron Device. 2010. No. 57. PP. 1801.
35. Xu N., Liu L.F., Sun X., Wang Y., Han D.D.,
Liu X.Y., Han R.Q., Kang J.F., Yu B. Semicond. Sci. T echnol. 2008. No. 23. PP. 075019.
36. Chen M.C., Chang T.C., Tsai C.T., Hung S.Y., Chen S.C., Hu C.W., Simon M.C., Tsai M.J. Appl. Phys. Lett. 2010. No. 96. PP. 262110.
37. Panda D., Dhar A., Ray S.K. J. Appl. Phys. 2010. No. 108. PP. 104513.
38. Ielmini D., Nardi F., C.Cagli. Nanotechnology. 2011. No. 22. PP. 254022.
39. Zhirnov V.V., Reade R., Cavin R.K., Sandhu G. Nanotechnology. 2011. No. 22. PP. 254027.
40. Kim D.C., Seo S., Ahn S.E., Suh D.S., Lee M.J.,
Park B.H., Yoo I.K., Baek I.G., Kim H.J., Yim E.K.,
Lee J.E., Park S.O., Kim H.S., Chung U.In., Moon J.T.,
Ryu B.I. Appl. Phys. Lett. 2006. No. 88. PP. 202102.
41. Lee S.B., Lee J.S., Chang S.H., Yoo H.K., Kang B.S., Kahng B., Lee M.J., Kim C.J., Noh T.W. Appl. Phys.Lett. 2011. No. 98. PP. 033502.
42. Hur J.H., Lee M.J., Lee C.B., Kim Y.B., Kim C.J. Phys. Rev. B. 2010. No. 82. PP. 15532.
43. Wuttig N.Y. Nature Mater. 2007. No. 6. PP. 824.
44. Waser R. Electrochemical and thermochemical memories. – IEEE International Electron Devices Meeting, Tech. Dig. 2008. PP. 289292.
45. Waser R., Aono M. Nanoionics-based resistive switching memories // NatureMater. 2007. No. 6. PP. 833840.
46. Tang H., Prasad K., Sanjines R., Schmid P.E., Levy F. Electrical and optical properties of TiO2 anatase thin films // Journal of Applied Physics. 1994. V. 75. № 4. P. 2042–2047.
47. Nasyrov K.A., Gritsenko V.A. Phys. Usp. 2013. V. 183, № 10. P. 1099.
48. Hopping transport in solids (eds. M. Pollak, B. Shklovskii). North-Holland, 1991.
49. Shklovskii B.I., Efros A.L. Electronic Properties of Doped Semiconductors (Berlin: Springer-Verlag, 1984) Translated from Russian: Elektronnye Svoistva Legirovannykh Poluprovodnikov. – Moscow: Nauka, 1979.
50. Alekseeva L., Chigirev D., Chikyow T., Nabatame T., Osachev E., Petrov A., Romanov A. Resistive switching and memory effects in metal oxide thin films grown by atomic-layer deposition, INC 11 Japan NanoDay, Hilton Fukuoka Sea Hawk, Fukuoka, Japan, May 11–13, 2015.
51. Alekseeva L., Petrov A., Romanov A., Chikyow T., Nabatame T., Chigirev D., Osachev E. Resistive Switching and Memory Effects in BE-Pt/Al2O3/TiO2/Pt-TE and BE-Pt/TiO2/Al2O3/Pt-TE Systems Fabricated by Atomic Layer Deposition, Dielectric thin films for future electron devices (Science and technology) IWDTF-2015, November 2–4, 2015, Miraikan, National Museum of Emerging Science and Innovation, Tokyo, Japan, pp. 65–66.
Отзывы читателей
