بخشی از مقاله
چکیده
افزارههای مقاومت حافظهای - ممریستور - به واسطه طیف وسیع کاربردهای ویژه خود نظیر حافظههای غیرفرار، محاسبات برپایه نئورومورفیک و غیره، توانستهاند توجه زیادی را در بین محققین به خود اختصاص دهند. بررسی نقش زبری سطح الکترود در عملکرد افزاره مقاومت حافظهای با نانوساختار ساندویچ سه لایهای فلز/اکسید/فلز نه تنها اطلاعات مفیدی را برای فهم مکانیزم نحوه کار افزاره فراهم میآورد، بلکه به بهینه ساختن کارائی و عملکرد نیز کمک میکند.
به این منظور، نانوساختار سه لایهای Au/TiO2/Au مورد بررسی قرار گرفت که در این افزاره لایه نازکی از دی اکسید تیتانیوم به ضخامت 60 نانومتر بین دو لایه الکترود الگودهی شده پائین و بالا از فلز طلا به ترتیب با ضخامتهای 60 و 40 نانومتر، لایهنشانی گردید. مساحت سطح فعال این افزاره برابر با 900 µm2 طراحی شد. براساس نتایج اندازهگیریها، مشخص شد که با افزایش زبری سطح فصلمشترک الکترود پائین/لایهفعال، ولتاژ تنظیم - Vset - در منحنی جریان-ولتاژ افزاره کاهش می یابد. در تحقیق حاضر اطلاعات مهمی برای فهم بهتر مکانیزم کلیدزنی افزارههای مقاومت حافظهای برپایه دی اکسید تیتانیوم ارائه خواهد شد.
مقدمه
محققان را به خود جلب کند. این کاربردها حوزه های مختلفی را در بر میگیرند که میتوان به حافظههای نیمههادی نوظهور مقاومت حافظهای - ممریستور - با رفتار کلیدزنی مقاومت توانسته است بدلیل گستره وسیع کاربردهایی که دارد، توجه بسیاری از - RRAM1 - ، مدارهای منطقی محاسباتی و علوم اعصاب - شبیهسازی رفتار نورونهای مغز - اشاره کرد . به لحاظ تاریخی، مقاومت حافظهای با ساختار نانو مقیاس سهلایه ای فلز-عایق-فلز - MIM - برای نخستین بار در سال 2008م. توسط گروهی از محققان در آزمایشگاههای شرکت HP تولید شد .[2] در ساخت این ابزار از لایه نازک دیاکسید تیتانیوم ساندویچشده بین دو الکترود فلزی از جنس پلاتین به عنوان الکترودهای پایین و بالا استفاده شده بود .
آنها نشان دادند که این افزاره تولید شده توانایی کلیدزنی مقاومت الکتریکی لایه فعال خود - برای مثال - TiO2 بین دو مقدار حالت مقاومت الکتریکی بالا - HRS2 - و حالت مقاومت الکتریکی پایین - LRS3 - را دارد. ممریستورها به خاطر امکان طراحی خطوط متقاطع4، مصرف انرژی پایین، سرعت بالای کلیدزنی و پایداری خواندن/نوشتن بالا یکی از گزینههای محتمل برای جایگزینی حافظههای غیرفرار فعلی میباشد؛ که منجر به رشد سریع تحقیقات از سال 2008م. بر روی این افزاره شده است .
پذیرفته شدهترین مکانیزم کلیدزنی در افزارههای ممریستور برپایه لایه اکسیدی - مانند سیستم فلز-دیاکسید تیتانیوم-فلز - ، تشکیل/نابودی رشتههای رسانا - CF - 5 متشکل از جاخالیهای اکسیژنی6 در اثر اعمال ولتاژ بایاس مناسب به افزاره میباشد. این اتفاق درون لایه فعال افزاره ممریستور باعث کلیدزنی مقاومت الکتریکی بین دو حالت مقاومت بالا و پایین میشود. کلیدزنی در این افزاره میتواند به دو صورت اصلی انجام شود: تکقطبی و دو-
قطبی. در مد تکقطبی، کلیدزنی مقاومت تنها وابسته به مقدار ولتاژ اعمالی میباشد؛ در حالیکه در مد دو قطبی کلیدزنی مقاومت وابسته به نحوه قطبش ولتاژ اعمالی نیز میباشد، بعبارت دیگر در این مد ولتاژهایی که باعث کلیدزنی مقاومت الکتریکی میشوند در دو بایاس مختلف مثبت و منفی قرار دارند .
فیزیک پدیده تشکیل/نابودی رشتههای رسانا درون لایه فعال اکسیدی کماکان نقطه مبهم این حوزه تحقیقاتی بوده و مورد بحث محققان قرار دارد؛ با این حال مشهود است که میدان الکتریکی ناشی از ولتاژ اعمالی نقش مهمی را در مهاجرت یونها درون لایه فعال و درنتیجه منجر به تشکیل/نابودی رشتههای رسانا دارد. کنترل توزیع میدان الکتریکی در فصلمشترک الکترود پایین/لایه فعال برای بهبود عملکرد افزاره ممریستور از اهمیت زیادی برخوردار است .
بنابراین، تراکم خطوط میدان میتواند منجر به تسهیل تشکیل رشته-های رسانا در ولتاژهای اعمالی کمتر شود. نقاط نوک تیز بر روی سطح زبر - سطح الکترود پایین در این تحقیق - باعث افزایش موضعی شدت میدان الکتریکی میشود .
این میدان الکتریکی به صورت موضعی افزایش یافته، منجر به کاهش ولتاژ بایاس تنظیم - Vset - افزاره میشود. همچنین هی و همکارانش نشان دادهاند[8] که استفاده شکل:1 - الف - تصویر شماتیک از ساختار سه لایه ای Au/TiO2/Au و - ب - تصویر میکروسکوپ اپتیکی از ساختار مربوطه با خطوط متقاطع ساخته شده از فصلمشترک با زبری زیاد احتمال مشاهده کلیدزنی مقاومت و همین طور پایداری ولتاژهای کلیدزنی تنظیم - Vset - و بازتنظیم - Vreset - را افزایش میدهد. در تحقیق حاضر، به بررسی اثر زبری فصلمشترک الکترود پایین/لایه فعال در کلیدزنی افزاره ممریستور با ساختار سه لایه ای Au/TiO2/Au در اثر استفاده از الکترودهای پایین با زبری سطح مختلف پرداخته شده است.
تصویر شماتیک افزاره با لایه فعال دیاکسید تیتانیوم با الکترودهای
طلا در شکل - 1الف - نشان داده شده است. برای ساخت افزاره از زیرلایه سیلیکون پوشیده شده با اکسید سیلیکون - SiO2 - استفاده گردید که لایه نازک طلا به ضخامت 60 نانومتر به عنوان الکترود پایین به روش اسپاترینگ DC در دمای اتاق لایه نشانی شد و سپس به روش الگودهی لیتوگرافی نوری خطوط با عرض 30 میکرومتر بر روی این لایه ایجاد گردید.
لایه نازکی از دیاکسید تیتانیوم با ضخامت 60 نانومتر به روش اسپاترینگ RF - با فشار 4x10-7 Torr و فشار کاری گاز آرگون/اکسیژن 5x10-2 Torr و فرکانس MHz - 13/56 بر روی این الکترود الگودهی شده قرار گرفت و در مرحله بعد مجددا لایه نازکی از جنس طلا با ضخامت 40 نانومتر به عنوان الکترود بالا بر روی لایه فعال لایه نشانی گردید. در مرحله آخر، به روش الگودهی لیتوگرافی نوری خطوط با عرض 30 میکرومتر بر روی این لایه الکترود بالا ایجاد گردید. تصویر حاصل از میکروسکوپ اپتیکی از نمونه سه لایهای ایجاد شده در شکل - 1ب -
شکل:2 تغییرات زبری سطح مشاهده شده توسط آنالیز AFM - با مقیاس ʽm2 - 5x5 تحت دو زمان مختلف زدایش تر، - الف - 10 - RMS=4,2 nm ثانیه - و - ب - 20 - RMS=13,1 nm ثانیه -
شکل:3 رفتار کلیدزنی افزاره ممریستور Au/TiO2/Au در دو متوسط زبری مختلف سطح فصل مشترک الکترود پایین/لایه فعال مشاهده میشود. کلیه اندازهگیریهای جریان-ولتاژ - I-V - با دقت 2x10-9 A انجام شدهاند.
از فرآیند زدایش تر1 برای کنترل زبری متوسط سطح الکترود پایین استفاده شد که به این منظور نسبتهای با درصد حجمی مختلف از ترکیب HCl:HNO3:H2O مورد بررسی قرار گرفت.
درصد حجمی بهینه ترکیب بالا برای زدایش لایه طلا به نحوی که فرآیند زدایش و تغییر زبری سطح قابل کنترل باشد؛ به صورت 15:7:15 بدست آمد که عمل زدایش برای چند زمان مختلف 10، 20 و 40 ثانیه انجام شد. مشاهدات آنالیز AFM نشان داد، متوسط زبری سطح برای زمان های مذکور به ترتیب برابر با 4,2، 13,1 و 7,7 نانومتر هستند که موید این نکته میباشد که با افزایش زمان، زبری متوسط تا حد بیشینهای افزایش یافته و سپس با از بین رفتن یک لایه سطحی از نمونه، مجددا زبری کاهش مییابد و این فرآیند تا زدایش کامل لایه، تکرار گردید.
مشخصهیابی جریان-ولتاژ - I-V - کلیدزنی افزارههای با دو زبری سطح فصلمشترک الکترود پایین/ لایه فعال مختلف - برای دو حالت متوسط زبری سطح 13,1 و 4,2 نانومتر که در شکل 2 نشان داده شده است - انجام شد.
