Механизмы резистивного переключения в мемристорах на основе слоев нестехиометрического нитрида кремния

Исследованы электрофизические свойства и эффект резистивного переключения мемристорной структуры Ni/SiN_x/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 SiN_x с избытком кремния в сравнении со стехиометрией. Для оценки воздействия термоотжига на резистивные свойства SiN_x 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.

1. Гриценко, 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/s1992722321060078

2. a-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/srep15762

3. Yen, 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-y

4. Charge 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/electronics12030598

5. Understanding 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.2021.3072974

6. Nature 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/10.1063/1.4959830

7. Memory 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/10.1063/5.0151211

8. Redox-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.200900375

9. Механические 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/s0002337x2209007x

10. Effect 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.3c04997

11. Voltage-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/10.1063/5.0070132

12. A 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.202200182

13. Electron 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/10.1063/1.4914163

14. Creation 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/10.1149/1.1837272

15. Васильев, 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.