danДоклады Национальной академии наук БеларусиDoklady of the National Academy of Sciences of Belarus1561-83232524-2431The Republican Unitary Enterprise Publishing House "Belaruskaya Navuka"10.29235/1561-8323-2025-69-1-23-31dan-1232Research ArticleФИЗИКАPHYSICSМеханизмы резистивного переключения в мемристорах на основе слоев нестехиометрического нитрида кремнияResistive switching mechanisms in memristor structures based on nonstoichiometric silicon nitride layersРомановИ. А.RomanovI. A.

Романов Иван Александрович – заведующий лабораторией

ул. Курчатова, 5, 220108, Минск

Romanov Ivan A. – Head of the Laboratory

5, Kurchatov Str., 220108, Minsk

romivan@bsu.byКовальчукН. С.KovalchukN. S.

Ковальчук Наталья Станиславовна – канд. техн. наук, заместитель генерального директора–главный инженер

ул. Казинца, 121А, 220108, Минск

Kovalchuk Natalia S. – Ph. D. (Engineering), Deputy General Director – Chief Engineer

121A, Kazinets Str., 220108

nkovalchuk@integral.byВласуковаЛ. А.VlasukovaL. A.

Власукова Людмила Александровна – канд. физ.-мат. наук, заведующий лабораторией

ул. Курчатова, 5, 220108, Минск

Vlasukova Liudmila A. – Ph. D. (Physics and Mathe matics), Head of the Laboratory

5, Kurchatov Str., 220108, Minsk

vlasukova@bsu.byПархоменкоИ. Н.ParkhomenkoI. N.

Пархоменко Ирина Николаевна – канд. физ.-мат. наук, вед. науч. сотрудник

ул. Курчатова, 5, 220108, Минск

Parkhomenko Irina N. – Ph. D. (Physics and Mathe matics), Leading Researcher

5, Kurchatov Str., 220108, Minsk

parkhomenko@bsu.byКомаровФ. Ф.KomarovF. F.

Комаров Фадей Фадеевич – академик, д-р физ.-мат. наук, заведующий лабораторией

ул. Курчатова, 7, 220108, Минск

Komarov Fadei F. – Academician, D. Sc. (Physics and Mathematics), Head of the Laboratory

7, Kurchatov Str., 220108, Minsk

komarovf@bsu.byДемидовичС. А.DemidovichS. A.

Демидович Сергей Александрович – ведущий инженер

ул. Казинца, 121А, 220108, Минск

Demidovich Sergey A. – Leading Engineer

121A, Kazinets Str., 220108

sdemidovich@integral.byБелорусский государственный университетBelarusian State UniversityОАО «Интеграл»Joint Stock Company “Integral”Институт прикладных физических проблем имени А. Н. Севченко Белорусского государственного университетаA. N. Sevchenko Institute of Applied Physical Problems2025260220256912331Copyright © Романов И.А., Ковальчук Н.С., Власукова Л.А., Пархоменко И.Н., Комаров Ф.Ф., Демидович С.А., 20252025Романов И.А., Ковальчук Н.С., Власукова Л.А., Пархоменко И.Н., Комаров Ф.Ф., Демидович С.А.Romanov I.A., Kovalchuk N.S., Vlasukova L.A., Parkhomenko I.N., Komarov F.F., Demidovich S.A.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://doklady.belnauka.by/jour/article/view/1232

Исследованы электрофизические свойства и эффект резистивного переключения мемристорной структуры Ni/SiNx/p+Si/Ni. Пленки нитрида кремния толщиной ~40–60 нм осаждались в индуктивно-связанной плазме из смеси SiH4–N2–Ar при соотношениях [SiH4]/[N2], равных 2,19 и 2,55, что обеспечивало получение SiNx с избытком кремния в сравнении со стехиометрией. Для оценки воздействия термоотжига на резистивные свойства SiNx одна из пластин с нитридной пленкой проходила быструю термообработку (БТО, 1200 °С, 3 мин в Ar). Эффект резистивного переключения наблюдался при приложении напряжения от −4 до +10 В для тестовых структур на основе нитридных пленок, характеризующихся показателями преломления 2,34 и 2,5. Показано, что проводимость и механизм транспорта заряда в пленках с резистивными свойствами зависят от условий осаждения и последующей термообработки нитридной пленки. Обсуждаются возможные механизмы резистивного переключения.

The electrophysical properties and the resistive switching effect of the Ni/SiNx/p+Si/Ni memristor structure are investigated. Silicon nitride films with a thickness of ~40–60 nm were deposited in inductively coupled plasma from a SiH4– N2–Ar mixture at [SiH4]/[N2] ratios of 2.19 and 2.55, which ensured the formation of SiNx with an excess of Si compared to stoichiometry. To investigate the effect of thermal annealing on the resistive properties of SiNx, one of the wafers with a nitride film was annealed using rapid thermal annealing (RTA, 1200 °C, 3 minutes in Ar). The resistive switching effect was observed when applying a voltage from −4 to +10 V for test structures based on nitride films with refractive indices of 2.34 and 2.5. It is shown that the conductivity and charge transport mechanism in SiNx films with resistive properties depend on the deposition conditions and subsequent heat treatment. Possible mechanisms of resistive switching are discussed.

нитрид кремнияпоказатель преломлениявольт-амперные характеристикимемристорперенос зарядаsilicon nitridememristorcurrent-voltage characteristicscharge transportРабота выполнена при поддержке Государственной программы научных исследований «Фотоника и электроника для инноваций» (грант 3.8.1, № ГР20212595).ReferencesГриценко, В. А. Запоминающие свойства мемристоров на основе оксида и нитрида кремния / В. А. Гриценко, А. А. Гисматулин, О. М. Орлов // Российские нанотехнологии. – 2021. – Т. 16, № 6. – С. 751–760. https://doi.org/10.1134/s1992722321060078Gritsenko V. A., Gismatulin A. A., Orlov O. M. Memory properties of SiOx and SiNx-based memristors. Nanobiotechnology Reports, 2021, vol. 16, no. 6, pp. 722–731. https://doi.org/10.1134/s2635167621060070a-SiNx:H-based ultra-low power resistive random access memory with tunable Si dangling bond conduction paths / X. Jiang, Z. Ma, J. Xu [et al.] // Scientific Reports. – 2015. – Vol. 5. – Art. 15762. https://doi.org/10.1038/srep15762Jiang X., Ma Z., Xu J., Chen K., Xu L., Li W., Huang X., Feng D. a-SiNx:H-based ultra-low power resistive random access memory with tunable Si dangling bond conduction paths. Scientific Reports, 2015, vol. 5, art. 15762. https://doi.org/10.1038/srep15762Yen, T. J. High performance all nonmetal SiNx resistive random access memory with strong process dependence / T. J. Yen, A. Chin, V. Gritsenko // Scientific Reports. – 2020. – Vol. 10. – Art. 2807. https://doi.org/10.1038/s41598-020-59838-yYen T. J., Chin A., Gritsenko V. High performance all nonmetal SiNx resistive random access memory with strong process dependence. Scientific Reports, 2020, vol. 10, art. 2807. https://doi.org/10.1038/s41598-020-59838-yCharge transport mechanism in the forming-free memristor based on PECVD silicon oxynitride / A. A. Gismatulin, G. N. Kamaev, V. A. Volodin, V. A. Gritsenko // Electronics. – 2023. – Vol. 12, N 3. – Art. 598. https://doi.org/10.3390/electronics12030598Gismatulin A. A., Kamaev G. N., Volodin V. A., Gritsenko V. A. Charge transport mechanism in the forming-free memristor based on PECVD silicon oxynitride. Electronics, 2023, vol. 12, no. 3, art. 598. https://doi.org/10.3390/electronics12030598Understanding the role of defects in Silicon Nitride-based resistive switching memories through oxygen doping / N. Vasileiadis, P. Karakolis, P. Mandylas [et al.] // IEEE Transactions on Nanotechnology. – 2021. – Vol. 20. – P. 356–364. https://doi.org/10.1109/tnano.2021.3072974Vasileiadis N., Karakolis P., Mandylas P., Ioannou-Sougleridis V., Normand P., Perego M., Komninou P., Ntinas V., Fyrigos I.-A., Karafyllidis I. G., Sirakoulis G. Ch., Dimitrakis P. Understanding the role of defects in Silicon Nitride-based resistive switching memories through oxygen doping. IEEE Transactions on Nanotechnology, 2021, vol. 20, pp. 356–364. https://doi.org/10.1109/tnano.2021.3072974Nature of traps responsible for the memory effect in silicon nitride / V. A. Gritsenko, T. V. Perevalov, O. M. Orlov, G. Ya. Krasnikov // Applied Physics Letters. – 2016. – Vol. 109, N 6. – Art. 062904. https://doi.org/10.1063/1.4959830Gritsenko V. A., Perevalov T. V., Orlov O. M., Krasnikov G. Ya. Nature of traps responsible for the memory effect in silicon nitride. Applied Physics Letters, 2016, vol. 109, no. 6, art. 062904. https://doi.org/10.1063/1.4959830Memory properties and short-range order in silicon oxynitride-based memristors / Yu. N. Novikov, G. N. Kamaev, I. P. Prosvirin, V. A. Gritsenko // Applied Physics Letters. – 2023. – Vol. 122, N 23. – Art. 232903. https://doi.org/10.1063/5.0151211Novikov Yu. N., Kamaev G. N., Prosvirin I. P., Gritsenko V. A. Memory properties and short-range order in silicon oxynitride-based memristors. Applied Physics Letters, 2023, vol. 122, no. 23, art. 232903. https://doi.org/10.1063/5.0151211Redox-based resistive switching memories – nanoionic mechanisms, prospects, and challenges / R. Waser, R. Dittmann, G. Staikov, K. Szot // Advanced Materials. – 2009. – Vol. 21, N 25–26. – P. 2632–2663. https://doi.org/10.1002/adma.200900375Waser R., Dittmann R., Staikov G., Szot K. Redox-based resistive switching memories – nanoionic mechanisms, prospects, and challenges. Advanced Materials, 2009, vol. 21, no. 25–26, pp. 2632–2663. https://doi.org/10.1002/adma.200900375Механические напряжения в пленках SiNx при химическом осаждении из газовой фазы в плазме высокой плотности / Н. С. Ковальчук, С. А. Демидович, Л. А. Власукова [и др.] // Неорганические материалы. – 2022. – Т. 58, № 9. – С. 938–944. https://doi.org/10.31857/s0002337x2209007xKoval’chuk N. S., Demidovich S. A., Vlasukova L. A., Parkhomenko I. N., Komarov F. F. Mechanical stress in SiNx films grown by high density plasma enhanced chemical vapor deposition. Inorganic Materials, 2022, vol. 58, no. 9, pp. 906– 911. https://doi.org/10.1134/s0020168522090072Effect of rapid thermal annealing on Si-based dielectric films grown by ICP-CVD / I. Parkhomenko, L. Vlasukova, F. Komarov [et al.] // ACS Omega. – 2023. – Vol. 8, N 33. – P. 30768–30775. https://doi.org/10.1021/acsomega.3c04997Parkhomenko I., Vlasukova L., Komarov F., Kovalchuk N., Demidovich S., Zhussupbekova A., Zhussupbekov K., Shvets I. V., Milchanin O., Zhigulin D., Romanov I. Effect of rapid thermal annealing on Si-based dielectric films grown by ICP-CVD. ACS Omega, 2023, vol. 8, no. 33, pp. 30768–30775. https://doi.org/10.1021/acsomega.3c04997Voltage-programmable negative differential resistance in memristor of single-crystalline lithium niobate thin film / J. Wang, X. Pan, W. Luo [et al.] // Applied Physics Letters. – 2022. – Vol. 120, N 3. – Art. 032901. https://doi.org/10.1063/5.0070132Wang J., Pan X., Luo W., Shuai Y., Zeng H., Xie Q., Huang S., Wu C., Zhang W. Voltage-programmable negative differential resistance in memristor of single-crystalline lithium niobate thin film. Applied Physics Letters, 2022, vol. 120, no. 3, art. 032901. https://doi.org/10.1063/5.0070132A deep study of resistance switching phenomena in TaOx ReRAM cells: system‐theoretic dynamic route map analysis and experimental verification / A. Ascoli, S. Menzel, V. Rana [et al.] // Advanced Electronic Materials. – 2022. – Vol. 8, N 8. – Art. 2200182. https://doi.org/10.1002/aelm.202200182Ascoli A., Menzel S., Rana V., Kempen T., Messaris I., Demirkol A. S., Schulten M., Siemon A., Tetzlaff R. A deep study of resistance switching phenomena in TaOx ReRAM cells: system‐theoretic dynamic route map analysis and experimental verification. Advanced Electronic Materials, 2022, vol. 8, no. 8, art. 2200182. https://doi.org/10.1002/aelm.202200182Electron trap level of hydrogen incorporated nitrogen vacancies in silicon nitride / K. Sonoda, E. Tsukuda, M. Tanizawa, Y. Yamaguchi // Journal of Applied Physics. – 2015. – Vol. 117, N 10. – Art. 104501. https://doi.org/10.1063/1.4914163Sonoda K., Tsukuda E., Tanizawa M., Yamaguchi Y. Electron trap level of hydrogen incorporated nitrogen vacancies in silicon nitride. Journal of Applied Physics, 2015, vol. 117, no. 10, art. 104501. https://doi.org/10.1063/1.4914163Creation and properties of nitrogen dangling bond defects in silicon nitride thin films / W. L. Warren, C. H. Seager, J. Robertson [et al.] // Journal of the Electrochemical Society. – 1996. – Vol. 143, N 11. – P. 3685–3691. https://doi.org/10.1149/1.1837272Warren W. L., Seager C. H., Robertson J., Kanicki J., Poindexter E. H. Creation and properties of nitrogen dangling bond defects in silicon nitride thin films. Journal of the Electrochemical Society, 1996, vol. 143, no. 11, pp. 3685–3691. https://doi.org/10.1149/1.1837272Васильев, В. Ю. Технология получения тонких пленок нитрида кремния для микроэлектроники и микросистемной техники. Ч. 8: Влияние водорода в пленках на их свойства / В. Ю. Васильев // Нано- и микросистемная техника. – 2019. – Т. 21, № 6. – С. 352–367.Vasilyev V. Yu. Silicon nitride thin film deposition for microelectronics and microsystems technologies. Part 8: Hydrogen influence on basic film properties. Nano- i mikrosistemnaya tekhnika = Nano and Microsystems technology, 2019, vol. 21, no. 6, pp. 352–367 (in Russian).

The authors declare that there are no conflicts of interest present.