Эффект резистивного переключения в анодном оксиде вольфрама

Министерство образования и науки Российской Федерации 
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение 
высшего образования 
”ПЕТРОЗАВОДСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ”
Кафедра информационно-измерительных систем и физической электроники









Эффект резистивного переключения в анодном оксиде вольфрама



ВЫПУСКНАЯ РАБОТА
на квалификацию бакалавра
по направлению подготовки
12.03.01 “Приборостроение”



Автор работы: 
студент группы 21416
 Орлов Павел Александрович
 «8» июня 2016 г.

Научный руководитель:
                                            профессор, д.ф.-м.н.,  
                                                        Стефанович Генрих Болеславович
  «8» июня 2016 г.
 
  







Петрозаводск  2016
     РЕФЕРАТ
     Для развития рынка радиоэлектроники необходимы новые материалы для производства различного рода чипов. Наиболее перспективными материалами выглядят оксиды металлов. В них наблюдается эффект резистивного переключения, заключающийся в резком и обратимом переходе между двумя состояниями с различным сопротивлением. Полученные результаты показывают, что этот эффект может быть реализован на анодных оксидах вольфрама, включенных в состав простой металл-оксид-металл (МОМ) структуры. Продолжение этой работы позволит разработать научную базу создания электронной памяти (энергонезависимой, перезаписываемой) на основе оксида, получаемого низкотемпературным способом, что допускает её включение в состав электронных компонентов на низкотемпературных (например, полимерных) подложках.
     Цель работы: получить экспериментальные данные и модельные представления об эффекте резистивного переключения в анодном оксиде вольфрама.
     
     Работа содержит 46 страниц, 34 рисунков, 3 таблицы, 21 источников.
     
     Ключевые слова: Анодные оксидные плёнки, вольфрам, резистивное переключение, оксидные ReRAM









СОДЕРЖАНИЕ
ОБОЗНАЧЕНИЯ И СОКРАЩЕНИЯ ИСПОЛЬЗУЕМЫЕ В РАБОТЕ	4
ВВЕДЕНИЕ………………………………………………………………………..5
1 ЛИТЕРАТУРНЫЙ ОБЗОР	6
1.1. Элементы памяти на основе резистивного переключения
в оксидах металлов	6
1.2 Эффект резистивного переключения……………………………………...8
1.3.Классификация феноменологического проявления резистивного переключения…………………………………………………………………...9
1.4. Основные характеристики униполярного переключения	11
Влияние площади электрода	11
Влияние толщины оксидного слоя	14
Температурные зависимости	15
1.5. Анодные оксидные плёнки на вольфраме	17
2 МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТА	19
2.1. Подготовка подложек и напыление металла	19
2.2.Методика получения оксидных плёнок	20
2.3. Определение толщины анодной оксидной плёнки	22
2.4. Зондовый метод исследование поверхности анодных плёнок WO3	24
Атомно-силовая микроскопия	24
2.5. Измерение вольтамперных характеристик	25
3 РЕЗУЛЬТАТЫ ЭКСПЕРИМЕНТА	27
3.1. Получение исходных образцов АОП WO3	27
3.2. Спектрофотометрия	29
3.3. Исследование поверхности оксида вольфрама	30
3.4. Экспериментальное изучение электрофизических свойств структур Me/WO3/Me	31
3.5.  Формовка тонкопленочных структур	32
3.6. Резистивное переключение с памятью	33
3.7. Вольтамерные характеристики в высокоомном и низкоомном состояниях	37
3.8 Обсуждение результатов	40
4 ЗАКЛЮЧЕНИЕ	43
СПИСОК ИСПОЛЬЗУЕМОЙ ЛИТЕРАТУРЫ	44






ОБОЗНАЧЕНИЯ И СОКРАЩЕНИЯ ИСПОЛЬЗУЕМЫЕ В РАБОТЕ

АОП
Анодно-окисленная плёнка
ВС
Высокоомное состояние
НС
Низкоомное состояние
МОМ
Металл-оксид-металл
ReRAM
Резистивная память с произвольной выборкой
CMOS(КМОП)
комплементарный металлооксидный полупроводник







ВВЕДЕНИЕ
     Резистивная память с произвольным доступом (Resistive random access memory - ReRAM) активно изучается и привлекает значительное внимание в связи с возможностью ее использования в следующем поколении микросхем энергонезависимой памяти. Работа данных устройств  памяти основана на эффекте резистивного переключения, который заключается в быстром и обратимом переходе материала между двумя устойчивыми состояниями с различными сопротивлениями.  Эффект переключения с памятью наблюдается во многих оксидах металлов (например, в NiO, Nb2O5, Ta2O5 и др.)[1,2], однако WO3 в этом ряду упоминается редко. Так в работе [3] сообщается об эффекте резистивного переключения в оксиде вольфрама, полученном методом термического окисления. 
     Оксид вольфрама широко используется в электохромных приборах, в которых посредством электрохимических процессов с изменением зарядовых состояний ионов вольфрама (+6, +5 и +4), происходит его обратимое окрашивание/обесцвечивание [4]. Это электро- и фотохромные дисплеи, электрохромные зеркала и «умные окна», изменяющие свою прозрачность при подаче на них определенного электрического потенциала, а так же светораспределяющие фильтры.
     Кроме того, в анодных пленках оксида вольфрама наблюдается пороговое переключение [5] (т.е. переключение с S-образной ВАХ без эффекта памяти), а переключение с памятью исследовано недостаточно. Этим определяется  актуальность работы, которая также связана с растущими потребностями рынка электронных компонентов нового типа, где могут быть использованы полученные плёнки. 
     Цель работы: получить экспериментальные данные и модельные  представления об эффекте резистивного переключения в анодном оксиде вольфрама.
     
1 ЛИТЕРАТУРНЫЙ ОБЗОР
1.1. Элементы памяти на основе резистивного переключения
в оксидах металлов
.      В последние годы основной упор в разработке новой памяти делается на попытке использования эффекта резистивного переключения, заключающегося в резком и обратимом переходе между двумя различающимися сопротивлениями состояниями конденсаторной тонкопленочной структуры под действием электрического поля. Особый интерес представляют оксидные структуры, которые интенсивно изучаются в последние годы и, что принципиально важно, технологические приемы их получения могут быть основаны на CMOS технологии. 
      Схематический вид ячейки памяти ReRAM представлен на рисунке 1. Такую ячейку можно классифицировать как сэндвич структуру, в которой активный оксидный слой с резистивным переключением расположен между двумя металлическими электродами.
        
      Рисунок 1 - Схематический вид ячейки ReRAM [1].



       Такая структура ячейки легко масштабируема и обладает высокой скоростью переключения. 
     Изучение возможности использования оксидных пленок для разработки универсальной памяти проводится во всех крупных электронных компаниях и исследовательских центрах рисунок 2.    
   
   
   
   
      Рисунок 2 - Схематичное представление ReRAM




        Основная проблематика может быть условно разделена на два основных направления. Так в исследовательских лабораториях IBM и Intel исследования сосредоточены на применении биполярного переключения. Исследователи компании «Samsung» и «Нitachi» основные усилия направляют на изучение униполярного резистивного переключения. Прототипы ReRAM были продемонстрированы целым рядом научных центров (University of Huston, Fujitsu Laboratories Ltd) и крупнейшими  производственными компаниями (Samsung Electronics, Sharp) [8].
          Несмотря на явное преимущество резистивного переключения для разработки новой памяти, отсутствие ясного понимания механизмов переключения серьезно сдерживает научно-обоснованный подход к материаловедческим и инженерным задачам разработки ReRAM. Именно поэтому изучение эффектов резистивного переключения и механизмов этого явления актуально и необходимо.
1.2. Эффект резистивного  переключения
     Явление резистивного переключения, которое заключается в значительном и обратимом изменении величины проводимости полупроводников или изоляторов под действием электрического поля и сохраняющимся при отключении напряжения, наблюдается в широком классе веществ: в тонких пленках халькогенидных стеклообразных полупроводников, аморфном кремнии, полупроводниковых полимерах и в целом ряде фторидов и оксидов металлов (TiO2, Cu2O, NiO, Nb2O5 SiOx  и др). В настоящее время считается, что структуры на основе оксидов с резистивным переключением, особенно простого бинарного состава, перспективны для разработки энергонезависимой перезаписываемой памяти – ReRAM (Resistive Random Access Memory).
     
     
     
     
     
     
     
     
     
     
     
     
     
     
     
     
     

1.3.Классификация ReRAM: униполярное и биполярное переключение 
     Резистивное переключение может различным образом проявляться в различных материалах. Однако, по внешнему виду вольтамперных характеристик (ВАХ) резистивное переключение может быть феноменологически разделено на 2 больших класса: униполярное и биполярное рисунок 3 .
     
                       
      Рисунок  3 - Схематическое изображение ВАХ униполярного и биполярного переключения [2]
     При униполярном переключении скачок сопротивления зависит от амплитуды прикладываемого напряжения, полярность напряжения роли не играет. При биполярном переключении изменение сопротивления структуры контролируется полярностью прикладываемого напряжения. 
     Так как целью данной работы является изучение эффекта униполярного резистивного переключения, рассмотрим его более подробно. Изначально ячейка памяти, находится в состоянии с высоким сопротивлением, переход в низкоомное состояние (НС) происходит под действием высокого напряжения (формовка). После формовки, ячейки в НС могут переключаться  в высокоомное состояние (ВС), при приложении порогового напряжения (Reset процесс). Переключение от ВС к НС (Set процесс), достигается приложением большего порогового напряжения, чем напряжение стирания. Отношение сопротивлений в ВС и НС RBC/RHC в зависимости от используемых материалов и параметров структур составляет 102 – 103. На рисунке 4  приведены значения сопротивлений ВС и НС структуры на основе ZnO. [10]

                          
      Рисунок 4  - Сопротивление структуры ITO/ZnO/ITO в высокоомном (ВС) и низкоомном (НС) состояниях [10]
     Отметим, что как при формовке, так и при переходе от ВС к НС принципиально важно выбрать адекватный ток ограничения процесса. Без ограничения тока структура переходит в необратимое низкоомное состояние. Данный тип переключения, как правило, наблюдается в бинарных оксидах с низкой проводимостью (дефектные изоляторы или высокоомные полупроводники). Для пленок изоляторов с хорошими диэлектрическими свойствами процесс формовки приводит к диэлектрическому пробою пленки с переходом в НС, которое не может быть разрушено последующим электрическим нагружением. 
            



 1.4. Основные характеристики униполярного переключения

     На основе исследований эффекта переключения в устройствах на основе оксидов NiO, Nb2O5, TiO, Fe2O3 и др. можно выделить следующие общие черты униполярного резистивного переключения. А именно:
Влияние площади электрода
     Установлена сильная зависимость сопротивления в ВС от площади электродов сэндвич структур, тогда как сопротивление НС не зависит от площади электродов рисунок 5.[17] Подобное поведение указывает на различный характер проводимости оксидов в ВС и НС.
     
                                         



Рисунок 5  - Значение тока в проводящем (НС) и непроводящем (ВС) состояниях при напряжении V = 0.1 В, при различной площади верхнего Pt электрода [17]
     
     В высокоомной фазе (непроводящем состоянии) проводимость, как правило, нелокальная, распределенная по всей площади электродов, тогда как в низкоомной фазе наблюдается явно локализованное распределение тока. Такая зависимость может быть объяснена образованием в процессе переключения в низкоомное состояние, проводящего канала, размеры которого существенно меньше площади электрода рисунок 6.
                                       
      Рисунок 6  - Схематическое изображение канала проводимости
      

     Возможность образования такого канала подтверждается исследованием переключения в планарных оксидных структурах на основе CuO [18]. Схема исследуемой планарной структуры показана на рисунке 7 . В зависимости от расстояния между электродами и условий формовки наблюдалось образование или одиночного или множественных каналов проводимости рисунок 8.
     
     
                                                  




Рисунок 7  - Схема планарной структуры [18]
                         


      Рисунок  8 - Электронно–микроскопический снимок одиночного локального проводящего канала (а), множественных каналов проводимости (б). [19]
      
      Резистивное переключение наблюдалось только при образовании одиночного канала. Затем сформированный канал разрушали сфокусированным ионным лучом, при этом структура переходила в высокоомное состояние R = 196 КОм. Для перевода структуры в низкоомное состояние R=3.3 КОм процесс формовки проводился повторно, при этом также наблюдалось образование локального канала проводимости. Рисунок 9.
      
         


      Рисунок  9 - а) Разрушение канала сфокусированным ионным пучком б) Образование канала после повторной формовки [19]
      
      
                                  Влияние толщины оксидного слоя
     В отличие от напряжений переключения, напряжение формовки увеличивается с ростом толщины пленки оксидного слоя рисунок 10. [17]
     
                                                  

      Рисунок 10  - Зависимости напряжения формовки, напряжения переключения set и reset процессов от толщины оксидного слоя [17]
      
     Таким образом, напряжения переключения не зависят от напряженности поля, а определяются только приложенным напряжением. В рамках модели образования проводящего канала переключение происходит вследствие формирования и разрушения проводящего шнура. Такую зависимость напряжений переключений от толщины оксидного слоя  можно объяснить тем, что процессы разрыва и восстановления проводящего канала локализованы в некоторой малой области шнура. Локализация места разрыва вытекает из неоднородности шнуров, которые имеют слабые места вследствие их роста в аморфном диэлектрике.
                             




Температурные зависимости
     В ходе переключения от ВС к НС характер проводимости меняется от полупроводникового к металлическому рисунок 11. 

                               

     Рисунок 11  - Температурные зависимости сопротивлений структуры Ni/CuO/Ni [19]


     Также исследована температурная зависимость тока проходящего через структуры Pt/TiO2/Pt при малых напряжениях  в диапазоне температур: 20 – 140 °С, рисунок 12.
                                                                 
      Рисунок  12 - Температурная зависимость тока в высокоомном (ВС) и низкоомном (НС) состояниях при напряжении V = 0.4 В [20]
     Как видно из графиков, НС и ВС состояния характеризуются разной по характеру проводимостью. С ростом температуры сопротивление структуры в высокоомном состоянии уменьшается, что соответствует температурной зависимости проводимости полупроводников, тогда как для НС наблюдается рост сопротивления, что характерно для металлов. Рост сопротивления с ростом температуры в НС наблюдается в диапазоне температур 50К – 300К. При более  низких температурах наблюдается переход к температурнонезависимому поведению сопротивления рисунок 13.
     
                 
      Рисунок 13  - Температурные зависимости сопротивления оксидной структуры на основе NiO в ВС (OFF)  и НС (ON)
     Таким образом, низкоомное состояние показывает свойства металла с металлической проводимостью, подчиняющегося закону Грюнайзена: 
                                               (1)
      где: pсom – общее сопротивление структуры,     
     pimp - температурнонезависимое сопротивление примесей и структурных дефектов (остаточное сопротивление),    
pMe – металлическое температурнозависимое сопротивление (сопротивление определяется рассеянием на фононах). 
     Так как переход от температурнонезависимого поведения к температурнозависимому наблюдается при достаточно низких значениях температуры (концентрация примеси мала), в [1] делается вывод, что проводящий канал состоит из чистого элементарного металла (не сплава и не сильно дефектного металлоподобного материала). При переходе в ВС происходит локальное разрушения канала [1,18].
     Общепринятой точки зрения на механизм образования и разрыва металлического канала в оксидной матрице  не существует.
              
1.5. Анодные оксидные пленки на вольфраме
     
     Электрохимическое (анодное) окисление - это процесс получения оксидных плёнок на поверхности металлов и полупроводников при анодной поляризации в кислородосодержащих средах с ионной проводимостью: в растворах и расплавах электролитов, в плазме газового разряда в кислороде, а также в контакте с твёрдыми электролитами. По  сравнению  с  другими  способами получения собственных оксидов на поверхности металлов (термическое, химическое оксидирование), электрохимическое (ЭХ) окисление   имеет  ряд  преимуществ. В частности, анодное окисление является одним из наиболее удобных способов  получения  тонких  окисных плёнок, в которых наблюдается эффект переключения в сэндвич структурах.[5]
     Среди оксидов вольфрама с данной стехиометрией ( ?-W03, ? -W03, ?-W03, ?-W03, ?-W03, orth-W03 и h-W03) стабильной при комнатной температуре является ? - фаза, которая обладает моноклинной кристаллической решеткой. При температурах выше 300 0С ее решетка трансформируется в орторомбическую [7].
     Наноструктурированный оксид вольфрама с губкообразной структурой и диаметром пор 50 – 100 нм получают анодированием W в 0,5М растворе щавелевой кислоты. Анодирование при 40-60 В в потенциостатическом режиме в электролите на основе HF характеризуется постоянной роста толщины анодного оксида вольфрама 1,8 нм/В. 
     Размер пор варьируется от 50 нм до 200 нм, а толщина нанопористых пленок может достигать 10 мкм. При попытках сформировать более толстые пористые пленки происходит их отслаивание от подложки. 
     Получаемые анодированием нанопористые пленки образованы аморфным оксидом вольфрама, для кристаллизации которого проводят отжиг при 450 0С. Из WO3 легко высвобождается кислород, и вакантные места занимают ионы щелочных металлов и водород. Тонкие двойные стенки WO3 могут восстанавливаться при внедрении Na или удалении О из стенок.  
     Непористые (т.е. сплошные, или “барьерные”) АОП на вольфраме получаются при анодировании в водных растворах серной кислоты [6].
     
     
     
     
     
     
     
     
     
     
     
     
     
     
     
     
     

2 МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТА
                              
 2.1. Подготовка подложек и напыление металла

     В качестве подложки был выбран кремний с электронной проводимостью, на котором был произведён скол. Образцы прошли предварительную чистку и были помещены в вакуумный универсальный пост ВУП-5М, где также прошли плазменную обработку и последующее напыление вольфрама.
     Вакуумный универсальный пост ВУП-5М представленный на рисунке 17 , предназначен для получения пленок из различных материалов с высокой производительностью методом магнетронного распыления, а также для подготовки объектов, исследуемых с помощью аналитических приборов.
      
                                  
            
                                                Рисунок  17 - ВУП-5М


     Конструктивно ВУП-5М изображён на рисунке 18  состоит из колпака, вакуумной системы, магнетронов  и системы управления.
     
     




                               Рисунок 18  - Конструктивное описание ВУП-5М.

2.2.Методика получения оксидных плёнок

     Для проведения анодного окисления (или анодирования) в ходе работы был использован электроизмерительный стенд: прецизионный источник-измеритель KEITHLEY Model 2410, управляемый компьютером, для осуществления и контроля процесса анодного окисления. Схема стенда представлена на рисунке 19  и состоит из: источника, измерителя KEITHLEY Model 2410 (1), персонального компьютера (2), электрохимической ячейки (3), анода (4), катода в.т. нержавеющая сталь (5). 
     Металл, покрытый окисной пленкой, помещается в качестве анода в электролитическую ячейку с электролитом, не растворяющим окисел и металл. При пропускании тока через электрохимическую ячейку, в которой окисляемый образец является анодом, происходит перенос ионов кислорода из электролита в металл и образование на его поверхности анодной оксидной пленки (АОП).  Анодирование  осуществлялось  в гальваностатическом (ГС) режиме, т.е. при постоянном токе. После окисления в электролите образцы промывались в дистиллированной  воде и высушивались в потоке воздуха.
     
     
                


Рисунок  19 - Электроизмерительный стенд на базе Keithley 2410


     В качестве источника тока в работе использовался  программируемый Источник/Измеритель Keithley 2410, который представляет собой комбинацию прецизионного, малошумящего, высокостабильного источника питания постоянного тока с малошумящим, высокоимпедансным мультиметром. Установка параметров анодирования и вывод результатов осуществлялся через ПК.  Интерфейс программы представлен на рисунке 20. 
     Данная программа позволяет устанавливать параметры анодирования, отображать и сохранять результаты – график зависимости напряжения от времени.
     


Рисунок 20- Интерфейс программного комплекса мультиметра Keithley. 1 - поле для указания времени анодирования (с), 2 – поле для указания тока анодирования (мА), 3 – поле для указания площади поверхности анодирования (см2), 4 -  вывод рассчитанной плотности тока (А/ см2), 5 – область отображения зависимости напряжения анодирования от времени.
2.3. Определение толщины анодной оксидной плёнки
     Измерение толщины или, по крайней мере, приращения толщины существенно при любом исследовании кинетики образования пленок. Разработаны многочисленные физические методы определения толщины тонкопленочных структур – эллипсометрия, определение толщины из измерений электрической емкости, по спектральной зависимости коэффициента отражения. Такие исследования расширяют и углубляют знания о взаимосвязи физических характеристик, технологических режимов и рабочих параметров тонкопленочных устройств.
     Для определения толщины применялся оптический метод спектрофотометрического измерения коэффициента отражения от длины волны. Для этого был использован спектрофотометр СФ-56, представленный на рисунке 21. В основу работы спектрофотометра положен принцип измерения отношения двух световых потоков: потока, прошедшего через исследуемы образец, и потока, падающего на исследуемы образец (или прошедшего через контрольный образец).
     
      
  
      Рисунок 21 – Спектрофотометр СФ-56
     С помощью спектрофотометра СФ-56 исследовались спектры отражения и пропускания полученных плёнок в диапазоне длин волн от 200 до 1000 нм. 
     В основе оптического метода лежит интерференционная природа спектральной зависимости коэффициента отражения R (?). Расстояние между двумя ближайшими экстремумами на кривой R (?) определяется оптической разностью хода лучей света, отражённых от внутренней и внешней границ плёнки.
     Для оценки толщины плёнки используется формула 2, 
d =
?min * ?max

(4 * nWO3 * cos? * (?min-?max))
      
     где: 
     ? – угол падения (12?)
     nwo3 – коэффициент преломления (для WO3 (3,04))















2.4. Зондовый метод исследование поверхности анодных плёнок WO3
Атомно-силовая микроскопия

    Для проведения анализа поверхности исследуемых структур была применена АСМ и, в частности, сканирующий зондовый микроскоп СММ-2000 и приложенное к нему ПО (рисунок 22). Данный микроскоп является мультирежимным, т. е. способным работать как в режиме СТМ, так и в режиме АСМ. Микроскоп позволяет достигать чрезвычайно высокого разрешения до 0,1 ? и способен показывать отдельные атомы даже в условиях учебной лаборатории. Данные микроскопы не требуют вакуумирования и подготовки образцов, просты, надежны и распространены больше, чем электронные микроскопы.

Рисунок 22 – Общий вид сканирующего зондового 
микроскопа СММ-2000
     В режиме АСМ можно анализировать непроводящие объекты. Здесь используется кремниевая игла на упругой балке (кантилевер), которая при касании образца отгибается. Отгиб меряется с точностью до 1 ? лазерным датчиком и при сканировании поддерживается постоянным путем изменения высоты зависания основания балки. Из этих высот, также как и в режиме СТМ, складывается трехмерный кадр рельефа. Разрешение высот рельефа в АСМ находится на уровне разрешения СТМ в доли ангстрем, а латеральное разрешение АСМ определяется радиусом заострения его иглы и обычно составляет 5–20 ?.
     
                          2.5. Измерение вольтамперных характеристик

     В качестве основных методов исследования электрофизических свойств сэндвич структур использовались методики измерения вольтамперных характеристик. В работе использовались структуры на основе оксида WO3 с толщиной окисла в интервале 100 – 200 нм. Изучаемые структуры были получены анодным окислением поверхности металлов с последующим нанесением на оксидную пленку Au электрод; в некоторых случаях использовался также металлический прижимной контакт. Исследуемый образец помещался на зондовую установку, позволяющую устанавливать измерительный зонд на контактную площадку.
     Для снятия статических ВАХ использовался стенд на основе источника – измерителя Keythley. Измерительный стенд предназначен для измерения вольтамперных характеристик микро и наноструктур в гальваностатическом режимах. Схема стенда представлена на рисунке 23. Исследуемый образец помещается на зондовую установку, позволяющую устанавливать измерительный зонд на контактную площадку с размером порядка 50 мкм. На структуры подавалось медленно изменяющееся  линейно-нарастающее напряжение одной полярности до 15V. Скорость нарастания напряжения выбиралась такой, чтобы все релаксационные процессы в структуре успевали завершиться. Отметим, что в дальнейшем, на всех экспериментальных графиках, полярность подаваемого на структуры напряжения соответствует знаку напряжения на верхнем электроде. Для предотвращения необратимого пробоя структуры, ограничивалась величина пропускаемого через них тока. 
     Основной особенностью источника-измерителя Keythley  Model 2410   является возможность задавать ограничения по току и напряжению в широком диапазоне, что предоставляет широкие возможности для проведения прецизионной электрической формовки канала исследуемых структур, а также для защиты измеряемых структур от выхода рабочей точки в нежелательный диапазон.
     Для управления стендом, использована компьютерная программа. Данная программа позволяет задавать значения напряжения, ограничительного тока, скорость нарастания напряжения, а также проводить серию измерений и отображать результаты в логарифмической шкале.
           
      Рисунок 23  - Схема стенда. 1- источник-измеритель Keythley  Model 2410; 2 – персональный компьютер; 3 – исследуемый образец.
                   
    
    
    
    
    
    



3 РЕЗУЛЬТАТЫ ЭКСПЕРИМЕНТА

 3.1. Получение исходных образцов АОП WO3
     
     В данной работе проводилось анодное окисление вольфрама.  В качестве подложки использовался кремний (КЭФ), на котором был сделан скол. Было подготовлено 4 образца размерами 10X50 мм. Образцы были «продуты» сжатым воздухом и помещены в ВУП-5М. Далее в вакууме образцы прошли плазменную чистку и последующее напыление вольфрама. Вакуумное напыление осуществлялось методами электронно-лучевого распыления.
     Окисление проводилось в 0,1 N  водном растворе  серной кислоты (Н2SО4)  при комнатной температуре. Анодирование  осуществлялось  в гальваностатическом режиме, т.е. при постоянном токе. После окисления в электролите образцы промывались в дистиллированной  воде и высушивались в потоке сжатого воздуха. Типичная зависимость напряжения на окисных слоях от времени показана на рисунке 24.

      Рисунок 24 – График зависимости напряжения на окисном слое от времени. Ток анодирования I = 1 мА.
     АОП полученные на образцах были однородны по цвету и имели яркую интерференционную окраску, определяемую оптическими постоянными и толщиной плёнки рисунок 25. Режимы анодного окисления приведены в таблице 1.
      Таблица 1  - Режимы анодного окисления
Образец
I, мА
Ua, В
t, с
dU/dt В/с
Цвет плёнки
1
1
20
94
0,21
Оранжевый
2
1
30
146
0,2
Голубой
3
1
40
157
0,25
Синий
4
1
60
214
0,28
Светло-серый
      
      
      
      
      
      
                       Рисунок 25 – Цвета плёнки после анодирования
      
      




3.2. Спектрофотометрия
     После получения оксидных плёнок на поверхности кремния была произведена спектрофотометрия образцов. Данные спектрофотометрии представлены на рисунке 26 и в таблице 2.
     

     
      Рисунок 26  – График зависимости коэффициента пропускания R от длины волны ?
      
     Среднее значение постоянной анодирования dx/dU составило 3,55 В/нм, погрешность вызвана тем, что параллельно процессу анодирования протекает процесс травления.
      
      
      
      
      
      Таблица 2.  – Параметры анодирования и толщины плёнок
      
Образец
Uанод, В
tанод, с
d, нм
1
20
94
70
2
30
146
100
3
40
157
140
4
60
214
220

3.3. Исследование поверхности оксида вольфрама
     АОП WO3 исследовалась при помощи сканирующего зондового микроскопа СММ-2000. Сама структура оксида равномерно покрыта зёрнами. Среднеквадратичная высота зёрен составляет около 4,104 нм, а ширина 164,7 нм, рисунок 27.
     
     
                              а)       
                         б)        
      Рисунок  27 - АСМ снимок микроструктуры WO3 (107 нм) полученный на микроскопе СММ2000. Общий вид оксида вольфрама (а), 3D-модель поверхности  (б). 
     
     3.4. Экспериментальное изучение электрофизических свойств структур Me/WO3/Me 
     
     В данном разделе приведены результаты исследования электрических свойств резистивного переключения и переключательных структур на основе оксида вольфрама. В качестве основных методов исследования электрофизических свойств сэндвич структур использовались методики измерения вольтамперных характеристик, описанные выше.
     В процессе экспериментального исследования проводились:
* Снятие статических вольтамперных характеристик
* Снятие статических вольтамперных характеристик структур в высокоомном и низкоомном состояниях.
* Снятие частотных, емкостных, импедансных характеристик
     Схематический вид исследуемых структур на основе анодного оксида вольфрама представлен на рисунке 28.
     

Рисунок  28  - Различные варианты сэндвич структур: а) с прижимным контактом б) с напыленным контактом. 1 – подложка, 2 – металл, 3 – АОП, 4- прижимной электрод, 5 – напыленный контакт, 6 – выводы
                      3.5.  Формовка тонкопленочных структур
     Процесс формовки необходим для перевода структур из исходного высокоомного состояния в новое состояние, в котором наблюдается переключение с устойчивыми характеристиками. Формовка производилась следующим образом: на верхний электрод структуры подавалось линейно-нарастающее напряжение, нижний электрод при этом был заземлен. В процессе поляризации образца возможный ток через структуру был ограничен заранее задаваемым значением IОГР. Переход структур в новое состояние происходил при некотором пороговом напряжении Uф. Наблюдался разброс этих напряжений – 6