Атомно-силовая микроскопия мемристорных структур на основе эпитаксиальных слоев Ge на Si с дислокациями

X Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся
Старт в науке

Атомно-силовая микроскопия мемристорных структур на основе эпитаксиальных слоев Ge на Si с дислокациями

Дубовкин Г.С. 1
1Муниципальное автономное общеобразовательное учреждение "Школа № 49"
Никифорова И.Е. 1Круглов А.В. 2
1Муниципальное автономное общеобразовательное учреждение "Школа № 49"
2Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Национальный исследовательский Нижегородский государственный университет им. Н.И. Лобачевского" (ННГУ)
Автор работы награжден дипломом победителя III степени
Текст работы размещён без изображений и формул.
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF

Введение

Направление развития микро- и наноэлектроники в последнее время связано с динамичным ростом современных информационных технологий, которые требуют разработки и создания емких и быстродействующих устройств для хранения информации. Одно из важнейших направлений – разработка новых типов полупроводниковой памяти.

В последние годы наряду с традиционными типами запоминающих устройств (токовых или магнитных элементов памяти), большое внимание уделяется резистивной памяти (RRAM), которая сочетает достоинства быстрой оперативной памяти с энергонезависимостью программируемой памяти. В основе этого типа памяти лежит тонкопленочная структура металл – диэлектрик – металл (МДМ), сопротивление активного слоя которой может принимать два (или несколько) значений, переключение между которыми осуществляется путем приложения внешнего напряжения (протекания тока через диэлектрик).

Впервые эффект мемристивности был экспериментально продемонстрирован при использовании в качестве слоя диэлектрика диоксида титана TiO2. В настоящий момент, широкому практическому применению мемристоров препятствует низкая стабильность параметров РП (электросопротивление и напряжение переключения между состояниями), а также их деградация в ходе эксплуатации, что связано с вариациями параметров мемристоров из-за неконтролируемой динамики филаментов.

В последние годы предложен ряд альтернативных материалов для использования в качестве функционального слоя мемристора. В данной работе в таком качестве используется эпитаксиальный слой Ge на Si, естественные дислокации в котором могут использоваться как каналы проводимости, параметры которых можно контролировать в процессе роста и селективного химического травления. При этом улучшение параметров РП может быть достигнуто за счет одномерного ограничения проводящих филаментов в расширенных дислокационных трубах.

Увидеть нанообъекты в обычный оптический микроскоп невозможно, т.к. их размеры значительно меньше длины волны видимого света. Для их исследования могут применяться методы электронной микроскопии, однако наибольших результатов в последнее десятилетие удалось получить с использованием методов сканирующей зондовой микроскопии (СЗМ), в частности метода атомно-силовой микроскопии (АСМ). Именно метод АСМ применен в данной работе для исследования параметров поверхностных дислокаций в эпитаксиальном слое Ge на Si.

Цель работы:

Исследование мемристорных структур на основе эпитаксиальных слоев Ge на Si с дислокациями методом атомно-силовой микроскопии.

Задачи работы:

Использование метода атомно-силовой микроскопии для контроля параметров слоев мемристорных структур, визуализации поверхностных дислокаций в эпитаксиальном слое Ge после селективного химического травления.

Глава 1. Мемристор – недостающий элемент электроники

Недостающий мемристор найден.

Из школьного учебника физики всем нам хорошо известны три пассивных строительных блока, составляющих основу всей современной схемотехники – резистор (обладает электрическим сопротивлением), конденсатор (сохраняет электрический заряд) и катушка индуктивности (преобразует электрический ток в магнитное поле). Обычно при отключении питания состояние этих электронных компонентов возвращается в исходное. Электрические параметры каждого из пассивных элементов электрических цепей определяются линейными соотношениями между двумя из четырех фундаментальных параметров электрических схем: силой электрического тока, напряжением, зарядом и магнитным потоком.

Мемристор можно определить как пассивный элемент электрической цепи, сопротивление которого некоторым образом зависит от прошедшего через него заряда. После отключения напряжения в цепи мемристор не изменяет свое состояние, т.е. "запоминает" последнее значение сопротивления. Отсюда и его название (англ. memristor сокращение от memory resistor резистор с памятью).

Достаточно много работ, которые показывали резистивное переключение в различных материалах, были опубликованы задолго до того, как мемристор был обнаружен (до 2008 года), однако авторы этих работ не понимали, что наблюдаемое поведение является мемристивностью.

Проведенные исследования показали, что мемристивный эффект наблюдается в большом классе материалов на основе окислов: MgO, TiOх, ZrOx, HfOx, VОx, NbOx, TaOx, CrOx, MoOx, WOx, MnOx, FeOx, CoOx, NiOx, CuOx, ZnOx, AlOx, GaOx, SiOx, SiOxNy, GeOx, SnOх, BiOx, SbOx; окислов редкоземельных металлов: Y, Ce, Sm, Gd, Eu, Pr, Er, Dy и Nd; перовскитов: SrTiO3, Ba0,7Sr0,3TiO3, SrZrO3, BiFeO3) и в нитридах, например таких как AlN [1].

Параметры мемристров как элементов памяти.

Простейшая система параметров мемристора (при наличии режима формовки, биполярного управления, позитивного переключения) определяется его гистерезисной ВАХ (рис. 1). Режим работы мемристора в схемах определяют его рабочие (управляющие) напряжения:

UF – напряжение "формовки"; UW – напряжение установки (записи); UE – напряжение восстановления (стирания); UR – напряжение считывания.

Рис. 1. Упрощенная ВАХ мемристора с указанием определяющих точек.

Механизмы резистивного переключения в мемристорных структурах.

Обратимый эффект изменения проводимости мемристора называют эффектом резистивного переключения. Существует несколько общепринятых механизмов резистивного переключения.

Самым распространенным типом мемристора является МДМ-структура, резистивный эффект в которой обусловлен реакцией восстановления/окисления (reduction/oxidation) оксида, используемого в качестве диэлектрика. Реакции восстановления/окисления оксида сопутствует дрейф ионов кислорода и, соответственно, вакансий кислорода по глубине слоя оксида. Положительно заряженные вакансии кислорода, расположенные в диэлектрическом слое, являются ловушками для электронов, поэтому механизм токопереноса в канале, образованном вакансиями кислорода, связан с туннелированием электронов через ловушки от одного металлического электрода к другому. В зависимости от концентрации вакансий кислорода и их распределения в оксиде МДМ-структура может находиться в высокоомном или низкоомном состоянии.

Дефекты в твердых телах. Дислокации.

Все механизмы резистивного переключения основаны на перестройке атомной структуры, происходящей в функциональном слое мемристора или вблизи границы с одним из электродов при приложении электрического напряжения. Несмотря на то, что толщина слоя диэлектрика в МДМ-структуре мемристора составляет от нескольких единиц до нескольких десятков нанометров, необходимо учитывать, что его кристаллическая структура отличается от идеального кристалла благодаря наличию некоторого количество дефектов [2].

Существует несколько способов классификации дефектов. Самый простой из них – деление дефектов на собственные и примесные. Наиболее детальной является классификация по геометрическим признакам: точечные, линейные, поверхностные и объемные.

Наибольший интерес для данной работы имеют линейные дефекты в виде дислокаций. Дислокации возникают при росте кристаллов, их пластической деформации и при их дальнейшей механической обработке. Основные разновидности дислокаций – краевые и винтовые (рис. 2).

Рис. 2. Краевые и винтовые дислокации.

Метод атомно-силовой микроскопии (АСМ)

Для детального исследования поверхности твердых тел существует много разнообразных методов. Микроскопия, как средство получения увеличенного изображения, зародилась еще XV в., когда впервые были изготовлены простые увеличительные стекла для изучения насекомых.

СЗМ состоит из следующих основных элементов (рис. 3): образец; зонд в виде острой иглы; сканирующее устройство (пьезоэлектрические двигатели x, y, z) для прецизионного перемещения зонда над поверхностью исследуемого образца или образца под зондом (на рисунке); система грубого и прецизионного подвода зонда к поверхности образца; датчик вертикального положения зонда (сенсор), детектирующий величину локального взаимодействия между зондом и образцом; система обратной связи для поддержания величины локального взаимодействия на заданном уровне, управляющая положением зонда по оси z; электронное контролирующее устройство (блок электроники), а так же компьютер, управляющий процессом сканирования и получением изображения.

Рис. 3. Общая схема сканирующего зондового микроскопа.

Для исследования непроводящих (плохопроводящих) образцов на воздухе используется метод атомно-силовой микроскопии (АСМ), который подобно механическому профилометру, основан на использовании механического зонда для получения изображения поверхности. Традиционным датчиком силового взаимодействия является кремниевая микробалка, консоль или кантилевер (от англ. cantilever) с оптической схемой регистрации величины изгиба кантилевера, возникающего вследствие силового взаимодействия между образцом и зондом, расположенным на конце кантилевера (рис. 4).

Рис. 4. Схема силового сенсора и принцип действия АСМ в режиме постоянной силы.

В процессе сканирования зонд может находиться над участками поверхности имеющими неровности (рис. 4), т.е. будет изменяться расстояние DZ между зондом и поверхностью, соответственно будет изменяться и величина локального взаимодействия.

Глава 2. Практическая часть работы

Изготовление мемристорных структур на основе эпитаксиальных слоев Ge на Si с дислокациями 1

Выращивание эпитаксиальных слоев Ge/Si(001) проводили методом разложения моногермана (GeH4) на «горячей проволоке» в высоком вакууме (англ. Hot Wire Chemical Vapor Deposition, HW CVD). В качестве финишной операции подготовки поверхности подложки кремния для эпитаксиального роста использовали ее отжиг при Ts = 900 °C. После отжига температуру подложки снижали до (500 – 700) °C и проводили выращивание методом сублимации кремния тонкого буферного слоя кремния толщиной 0,2 мкм. После этого проводили выращивание активного слоя Ge разной толщины при Ts = (325 – 350) °C при напуске в камеру роста газа моногермана GeH4 до давления (0,053 – 0,08) Па. При нагреве «горячей проволоки» из тантала до (1300 – 1500) °C на ней происходило разложение моногермана и осаждение продуктов этой реакции на поверхности подложки. После выращивания слоя Ge заданной толщины проводили рост легированного приконтактного слоя Ge. Для этого одновременно с осаждением слоя Ge проводили испарение донорной примеси – фосфора (P2). Фосфор испарялся из эффузионной ячейки путем разложения в ней соединения GaP.

Толщина слоев Ge для разных образцов варьировалась от 70 до 800 нм, контролировалась методом атомно-силовой микроскопии (рис. 5).

Нанесение верхнего металлического электрода осуществлялось методом магнетронного распыления на постоянном токе. Толщина слоя серебра составляла ~ 100 нм на всех образцах.

Качество поверхности эпитаксиальных структур и верхнего металлического электрода контролировались методом атомно-силовой микроскопии (рис. 6).

Рис. 5. Определение толщины эпитаксиальных слоев Ge/Si(001) методом атомно-силовой микроскопии.

Рис. 6. Морфология поверхности эпитаксиального слоя Ge/Si.

Использование метода селективного химического травления для выявления и расширения поверхностных дислокаций в эпитаксиальном Ge2

Существует достаточно много экспериментальных методов наблюдения дислокаций. Например, за дислокациями можно наблюдать с помощью электронного микроскопа с высокой разрешающей способностью, с помощью рентгеновской топографии.

Однако особенно широкое распространение при изучении дислокаций получил метод избирательного (селективного) травления, основанный на том, что вблизи дислокаций энергия связи атомов гораздо слабее, чем в недеформированной решетке. В результате такого травления на поверхности кристалла возникают ямки травления. Подсчет их позволяет определять одну из важнейших для полупроводниковых кристаллов характеристик – плотность дислокаций, выражаемую числом ямок травления на квадратный сантиметр. Расположение на поверхности кристалла и форма ямок травления дают возможность исследовать свойства дислокаций.

В работе варьировался состав травителя, а так же время травления образцов. Использовалось три типа травителя:

(1) Хромовый травитель – CrO3 (0.6 моль/л) : HF (12 моль/л) : H2O;

(2) Йодидный травитель – CH3COOH (35 мл) : HNO3 (10 мл) : HF (5 мл) : J2 (8 мл);

(3) Травитель на основе плавиковой кислоты – HF:H2O2:CH3COOH (1:2:3).

3.Получение, обработка и численная характеризация АСМ изображений поверхностных дислокаций в эпитаксиальных слоях Ge на Si

Методом атомно-силовой микроскопии исследована морфология поверхности образцов после селективного химического травления с целью выявления поверхностных дислокаций и исследования их характеристик. Определялись поверхностная плотность дислокаций (рис. 7) и параметры ямок травления дислокаций (рис. 8):

ширина (а)

глубина (б).

В табл. 2 приведена морфология поверхности образцов эпитаксиальных слоев Ge на Si в зависимости от условий травления.

На образцах 11-761 и 11-762 с толщиной эпитаксиального слоя Ge hGe=190 нм выявлены классические ямки травления от дислокаций. Плотность дислокаций на образце 11-761 составила 3,2 × 108 см2, на образце 11-762 – 2,6 × 108 см2. Построены гистограммы распределения геометрических параметров ямок травления – ширины и глубины, определены средние значения указанных величин (см. табл. 1). На указанных образцах были проведены также электрические измерения и обнаружен эффект резистивного переключения. Однако, поскольку образцы 11-761 и 11-762 были пробными, то условия их травления не контролировались.

Рис. 7. АСМ изображения поверхности образцов 11-761 (а) и 11-762 (б) после селективного химического травления.

Рис. 8. Определение параметров ямок травления из АСМ изображения поверхности образца 11-761: ширины (а) и глубины (б).

Табл. 1. Морфология поверхности образцов эпитаксиальных слоев Ge на Si в зависимости от условий травления.

№ образца, условия травления

Морфология поверхности

Характеристики структур

11-761

hGe=190нм

Пробный образец, условия травления не контролировались

 

h =5,1 ± 2,0 нм d = 206 ± 38 нм

11-762

hGe=190 нм

Пробный образец, условия травления не контролировались

 

h =4,3 ± 2,6 нм d = 162 ±20нм

11-775(2)-2

hGe=75 нм

Травление в хромовом травителе 2 мин.

 

Четкие ямки травления не выявлены

11-775(2)-4

hGe=75 нм

Травление в хромовом травителе 3 мин.

 

Четкие ямки травления не выявлены

11-775(2)-5

hGe=75 нм

Травление в йодидном травителе 2 сек.

 

Четкие ямки травления не выявлены

Поэтому был дополнительно выращен образец 11-775, в котором толщина эпитаксиального слоя Ge составила hGe=75 нм. Условия его травления контролировались – варьировался состав травителя и время травления. Однако в результате АСМ измерений выявить четкие ямки травления, подобные тем, которые наблюдались на пробных образцах, не удалось. По-видимому, наблюдаемые на образце 11-775 неровности поверхности обусловлены вершинами неполностью заросших нанокластеров Ge, образовавшихся на поверхности Si в начальной стадии рости из-за недостаточности толщины слоя Ge (формирования однородной гладкой поверхности не произошло).

Экспериментально уже давно установлено, что при осаждении из паровой фазы наблюдаются три типа начальной стадии роста эпитаксиального слоя на подложке (рис. 9):

а) послойный (двумерный) рост слоя по механизму Франка – ван дер Мерве. Он происходит, если материал В «смачивает» подложку, т.е. обладает большим сцеплением с ней, и его постоянная решетки мало отличается от постоянной решетки материла А;

б) островковый (трехмерный) рост слоя по механизму Фольмера – Вебера. Он имеет место при плохом смачивании;

в) промежуточный механизм роста по механизму Странски – Крастанова, когда сначала происходит послойный рост слоя В, который при некоторой толщине смачивающего слоя сменяется островковым ростом. Этот механизм наблюдается при наличии смачивания и значительном рассогласовании решеток А и В (несколько процентов).

Известно, что при осаждении Ge на поверхность Si при малых толщинах Ge (несколько монослоев) в результате механизма Странски – Крастанова формируются нанокластеры. Их высота может составлять от нескольких единиц до нескольких десятков нанометров. Однако, если продолжить нанесение Ge, то происходит заполнение атомами Ge промежутков между кластерами, а так же рост самих нанокластеров. В результате заполнение всех промежутков и выравнивание поверхности Ge происходит при некоторой толщине слоя Ge (рис. 10). На образце 11-775 толщина слоя Ge (hGe=75 нм) была недостаточной для формирования однородной поверхности, в результате чего на измеренной морфологии поверхности наблюдаются вершинки островков Ge, сформировавшиеся на исходной поверхности Si, в отличие от образцов 11-761 и 11-762 (hGe=190 нм) (см. табл. 1).

Рис. 9. Механизмы самоорганизованного роста тонкого слоя на поверхности подложки: а – механизм Франка – ван дер Мерве, б – механизм Фольмера – Вебера, в – механизм Странски – Крастанова, г – нанокластеры Ge/Si (размер скана – 2,5  2,5 мкм, получен в лаборатории СЗМ НОЦ ФТНС ННГУ).

Рис. 10. Не полностью зарощенные наноостровки Ge на поверхности Si, препятствующие выявлению ямок травления от дислокаций.

4.Связь параметров поверхностных дислокаций и характеристик мемристорных структур на основе эпитаксиального Ge

Измерения ВАХ проводились в темноте на анализаторе параметров полупроводниковых приборов AgilentB1500 A 3, напряжение подавалось на верхний электрод, нижний заземлён, температура комнатная, давление атмосферное. Напряжение менялось посредством ступенчатой развёртки от 0 до +2 В или -2 В и обратно до 0. Типичная ВАХ представлена на рис. 11.

Структура обладает биполярным типом резистивного переключения (РП). Процесс reset - переход из состояния с низким сопротивлением (Low Resistance State - LRS) в состояние с высоким (High Resistance State - HRS) является постепенным в области напряжений от -1 до -1.5 В, иногда в более широкой области. Обратный процесс set наблюдается в положительной области, происходит преимущественно скачками.

Соотношение значений электросопротивлений RON / ROFF не превышает 10, что достаточно мало для практического использования подобных структур.

Рис. 11. Типичная ВАХ структуры Ag/Ge(P)/Si в линейном (а) и полулогарифмическом (б) виде. 1 - 6 – порядковые номера разверток.

Заключение

Метод атомно-силовой микроскопии использован для контроля параметров слоев мемристорных структур (качества поверхности эпитаксиального слоя Ge/Si, верхнего Ag электрода, толщины указанных слоев), визуализации поверхностных дислокаций в эпитаксиальном слое Ge после селективного химического травления.

На пробных образцах с толщиной эпитаксиального слоя Ge hGe=190 нм выявлены классические ямки травления от дислокаций. Определены поверхностная плотность дислокаций, построены гистограммы распределения геометрических параметров ямок травления – ширины и глубины, определены средние значения указанных величин.

На образце с толщиной эпитаксиального слоя Ge hGe=75 нм выявить четкие ямки травления не удалось несмотря на вариации в составе селективного травителя и времени травления. Это объясняется, по-видимому, недостаточностью толщины слоя Ge для формирования однородной поверхности, в результате чего на измеренной методом АСМ морфологии поверхности наблюдаются вершинки наноостровков Ge.

В связи с этим можно предложить увеличить толщину эпитаксиального слоя Ge или использовать в качестве функционального слоя мемристорной структуры твердый раствор GeSi вместо чистого Ge.

К настоящему времени электрические измерения выполнены лишь на пробных образцах, поэтому сопоставить полученные методом атомно-силовой микроскопии результаты исследования параметров селективного травления с электрическими характеристиками этих структур не представляется возможным.

Однако можно предположить, что управление параметрами травления позволит создавать контролируемые проводящие филаменты в дислокациях, что должно привести к уменьшению вариации параметров вольтамперных характеристик от цикла к циклу, увеличить отношение токов в высокоомном и низкоомном состояниях мемристора. В результате это должно привести к улучшению стабильности и повышению ресурса (числа циклов переключений) мемристоров.

Литература

1 Образцы для исследований выращены в лаборатории молекулярно-лучевой эпитаксии НИФТИ ННГУ и предоставлены Денисовым Сергеем Александровичем. Формирование верхнего металлического электрода выполнено в лаборатории ВЧ магнетронного распыления Антоновым Иваном Николаевичем.

2 Селективное химическое травления образцов выполнено Денисовым Сергеем Александровичем.

3 Электрические измерения выполнены учащимся 11 класса Лицея № 38 Серовым Дмитрием Александровичем.

1. Гудков А., Гогин А., Кик М., Козлов А., Самусь А. Мемристоры – новый тип элементов резистивной памяти для наноэлектроники. – Электроника: Наука, Технология, Бизнес, 2014, спецвыпуск 00137, с. 156–162.

2. Павлов П.В., Хохлов А.Ф. Физика твердого тела – М., Высшая школа, 1999. - 491с.

 

Просмотров работы: 99