Вестник Военного инновационного технополиса «ЭРА», 2022, T. 3, № 1, стр. 52-56

ВВЕДЕНИЕ

Мемристоры – устройства, способные изменять свою проводимость под действием приложенного напряжения, превышающего некоторый порог, а также сохранять резистивное состояние после прекращения внешнего воздействия [1–4]. По этой причине одним из наиболее перспективных направлений их применения является использование в качестве синапсов (весовых связей) в аппаратных формальных и импульсных нейронных вычислительных сетях (НВС). В рамках такого подхода в последнее время были реализованы, например, перцептроны [5, 6], кратковременная–долговременная память [7], резервуарные вычислители [8], а также распознаватели простых образов [9] и обучение шумовым сигналом [10] в спайковых нейронных сетях. Использование мемристоров в таких системах позволяет снизить их энергопотребление, однако для решения сложных задач необходимо большое количество весовых связей. В связи с этим требуется создание массивов мемристоров с высокой плотностью их расположения на подложке. На практике это достигается за счет формирования мемристивных элементов в матричном исполнении в кроссбар-геометрии (элементы находятся на пересечениях взаимно перпендикулярных электродных шин “строк” и “столбцов”) [11, 12].

Необходимым условием возможности создания НВС являются невысокие рабочие напряжения мемристоров кроссбара для совместимости с современной КМОП-логикой на комплементарных транзисторах металл–оксид–полупроводник, работающих при напряжениях не более 3 В, а кроме того, относительно небольшой разброс характеристик мемристоров от устройства к устройству [13].

Настоящая работа посвящена исследованию резистивных переключений (РП) мемристивных элементов кроссбара 4 × 4 при использовании относительно тонких шин (≤100 нм), а также обнаруженной при этом зависимости их вольт-амперных характеристик (ВАХ) от места подключения к проводящим шинам элементов. Получающийся разброс напряжений переключения в низкоомное состояние (U_set) может быть критичным для уменьшения энергопотребления систем на основе таких кроссбаров, а также вариабельности параметров мемристоров от устройства к устройству [14]. Один из возможных способов решения данной проблемы предлагается в работе.

МЕТОДЫ

Как показано в [15–17], многообещающим направлением в разработке мемристоров с низким энергопотреблением является использование двухслойных структур типа металл/нанокомпозит/диэлектрик/метал (М/НК/Д/М) на    основе нанометровых слоев НК = = (Co₄₀Fe₄₀B₂₀)_x(LiNbO₃)_100 – x и Д = LiNbO₃ (LNO) с суммарной толщиной активной области ≤100 нм. Одной из проблем при создании кроссбар-структур с относительно толстыми шинами (≥100 нм) являются краевые эффекты, которые могут приводить к утечкам тока и локальному диэлектрическому пробою структуры. В связи с этим в работе использовали относительно тонкие шины из Au (толщиной не более 100 нм). Дополнительно формировали изоляцию нанокомпозита от проводящих шин с использованием плазмохимического осаждения (например, Si₃N₄) при температуре 300°С. В этом случае формируется плотный диэлектрик, поэтому при относительно небольшой толщине диэлектрической пленки (5–10 нм) эффекты туннелирования электронов должны быть пренебрежимо малы.

Мемристивные матрицы были созданы с использованием лазерной фотолитографии (литограф Heidelberg 66fs с разрешением 1 мкм), плазмохимического осаждения (Trion Oracle III) и ионно-лучевого распыления составной мишени на оригинальной установке, позволяющей получать слои НК различного состава в едином цикле [18]. Важная особенность при создании структур состояла в том, что при осаждении НК- и LNO‑слоев использовали теневые маски, что позволило сформировать полоски НК необходимых размеров без использования химического травления, которое трудноосуществимо при различных составах НК. Шины из Au создавали с помощью термического напыления на предварительно нанесенные адгезионные слои из Ti (Cr) толщиной ~25 нм.

Как верхний, так и нижний защитные слои Si₃N₄ создавали с помощью плазмохимического осаждения. Для подавления нежелательного влияния краевых эффектов, результатом которых могут быть токовые утечки и локальный электрический пробой структуры, размер окон в защитном слое Si₃N₄ на обеих шинах был выбран заметно меньшим, чем их ширина (50 мкм) (рис. 1). Были изготовлены массивы мемристоров в кроссбар-геометрии с числом элементов 4 × 4 площадью S = 50 × 50 мкм² каждый. Содержание металла в НК составляло x ≈ 19 ат. %.

Рис. 1.

Схематическое изображение сечения отдельного мемристивного кроссбар-элемента на базе структур М/(CoFeB)_x(LiNbO₃)_100 – x/LiNbO₃/М с защитными изолирующими слоями Si₃N₄, выращенными плазмохимическим осаждением.

Электрофизические измерения мемристивных свойств М/НК/LNO/М кроссбар-элементов проводили при комнатной температуре с помощью многофункционального источника-измерителя Keithley 2636B и аналитической зондовой станции EPS4 (Swin).

РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ

Механизм РП в НК-мемристорах основан на движении вакансий кислорода под действием электрического поля по большому числу филаментов [17]. На рис. 2 представлены ВАХ для одного из мемристоров кроссбара, измеренные для двух разных способов подключения зондов к нижней и верхней шинам. Скорость развертки по напряжению составляла 2 В/с, тогда как токи ограничения были установлены на уровне 100 мА для обеих полярностей приложенного напряжения. Для каждого метода подключения было измерено по пять кривых ВАХ. Отметим, что различия от цикла к циклу при одинаковом подключении невелики, однако ВАХ для разных подключений различаются между собой весьма заметно – как общим наклоном петель гистерезиса, так и напряжением достижения ограничения по току при положительных напряжениях на структурах (напряжение включения, U_set), при этом общий вид кривых принципиальных различий не имеет.

Рис. 2.

Вольт-амперные характеристики одного из мемристоров массива. Схематично изображены его положение в кроссбаре и способы подключения зондов к шинам при каждом из измерений.

Это может быть вызвано собственным последовательным сопротивлением участков шин от выбранного контакта до исследуемого мемристора. Это приводит к падению части приложенного напряжения на шинах, эффективно увеличивая сопротивление мемристора и напряжение U_set с ростом суммарной длины задействованных частей шин.

Для проверки этой гипотезы были измерены ВАХ для всех 16 мемристоров одного кроссбар-массива. Подключение при этом происходило только с двух сторон (с одной для нижних шин и одной для верхних). После этого по полученным кривым были найдены значения напряжения U_set для каждого мемристора при данном подключении.

Полученные значения представлены в виде “тепловой” карты на рис. 3. Нетрудно заметить, что напряжение монотонно возрастает при увеличении суммарного расстояния от мемристора до контактов, которые используются для измерения ВАХ. Этот факт подтверждает предположение о влиянии сопротивления шин на эффективные мемристивные параметры кроссбар-элементов массива. Прямые измерения сопротивления шин дают значения 7.6 и 22.6 Ом для верхней и нижней шин соответственно, т.е. удельное сопротивление нижних шин превосходит сопротивление верхних. По этой причине для мемристоров, расположенных ниже главной диагонали, для которых суммарная длина участков шин до контактов приходится в большей степени на нижние шины (вертикальные на рисунке), напряжение U_set превосходит U_set для мемристоров, симметричных первым относительно главной диагонали (т.е. таких, для которых при прежнем суммарном расстоянии до контактов, оно в большей степени приходится на верхние горизонтальные шины).

Рис. 3.

Тепловая карта напряжений перевода в высокопроводящее состояние мемристоров кроссбар-массива. Стрелками показаны места подключения к шинам.

На рис. 4 показана гистограмма распределения напряжений U_set для всех 16 мемристоров кроссбар-массива. Форма гистограммы близка к гауссовой, однако разброс напряжений преимущественно связан с влиянием сопротивления шин кроссбара. Разброс характеристик оказывается довольно велик, максимальное и минимальное значения U_set различаются почти в 2 раза.

Рис. 4.

Гистограмма распределения напряжений U_set мемристоров кроссбара.

Значительная деградация характеристик препятствует эффективному использованию для создания импульсных и формальных нейронных сетей всего кроссбар-массива целиком, ограничивая его рабочую область матрицы мемристорами, расположенными вблизи центра структуры (четыре мемристора для кроссбаров 4 × 4, т.е. всего 25%). Это обстоятельство снижает преимущество кроссбар-геометрии, состоящее в высокой плотности упаковки мемристивных элементов. Кроме того, энергоэффективность матрицы снижается за счет повышения напряжений РП.

Решением данной проблемы может являться увеличение внутреннего сопротивления кроссбар-мемристоров в матрице, например, посредством использования дополнительных тонких оксидных слоев с большой шириной запрещенной зоны и низкими значениями подвижности вакансий (Al₂O₃, SiO₂), а также уменьшения сопротивления металлических шин за счет увеличения их толщины. При этом, очевидно, влияние сопротивления шин на характеристики РП окажется несущественным.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Сформированы массивы мемристивных кроссбар-элементов на основе нанокомпозита CoFeB–LiNbO₃ с прослойкой чистого LiNbO₃ на кремниевой подложке, демонстрирующие обратимые РП с хорошей повторяемостью от цикла к циклу. Обнаружена зависимость величины напряжений U_set от способа подключения к кроссбару, которая, как показано, вызвана влиянием конечного сопротивления токопроводящих шин структуры. Предложен способ решения данной проблемы с помощью увеличения внутреннего сопротивления мемристоров.

Исследования выполнены на оборудовании Ресурсного центра электрофизических методов Национального исследовательского центра “Курчатовский институт” (приказ № 2753).