= МИКРО- И НАНОСТРУКТУРЫ =
УДК 621.377.622
ИССЛЕДОВАНИЕ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК ЭЛЕМЕНТОВ ПАМЯТИ НА САМОФОРМИРУЮЩИХСЯ ПРОВОДЯЩИХ НАНОСТРУКТУРАХ В ВИДЕ ОТКРЫТОЙ "СЭНДВИЧ"-СТРУКТУРЫ TiN—SiO2—W © 2013 г. В. М. Мордвинцев, С. Е. Кудрявцев
Ярославский филиал Физико-технологического института Российской АН E-mail: Mordvintsev-Viktor@yandex.ru Поступила в редакцию 20.04.2012 г.
Приведены результаты экспериментальных исследований процесса электроформовки и квазистатических вольтамперных характеристик (ВАХ) отформованных открытых "сэндвич"-структур TiN—SiO2—W в сравнении со структурами Si—SiO2—W. Показано, что в них наблюдаются аналогичные эффекты памяти и переключения, связанные с процессом самоформирования проводящих наноструктур на поверхности открытого торца диэлектрической пленки (диоксида кремния) толщиной около 20 нм. В то же время, особенностями структур с нижним электродом из нитрида титана являются заметно большие значения тока, на 0.7 В меньшее значение порогового напряжения переключения из низко- в высокопроводящее состояние и более пологая форма ВАХ при напряжениях меньших порогового. Отмеченные особенности могут быть объяснены уменьшением сопротивлением растекания от образующейся при электроформовке проводящей наноструктуры в материал нижнего электрода для нитрида титана по сравнению с кремнием (их удельные сопротивления отличаются в четыре раза) и меньшей высотой потенциального барьера на границе раздела TiN—SiO2 по сравнению с Si—SiO2. Элемент энергонезависимой электрически перепрограммируемой памяти со структурой TiN—SiO2—W обладает лучшими техническими характеристиками и технологичностью.
Б01: 10.7868/80544126913010031
ВВЕДЕНИЕ
Память на самоформирующихся проводящих наноструктурах [1, 2] основана на явлении электроформовки [3, 4] в специальным образом изготовленных структурах (рис. 1), имеющих открытую в разреженную газовую среду (она должна содержать кислород [5]) поверхность 3 диоксида кремния (изолирующую щель), расположенную между двумя электродами (1 и 4), находящимися на расстоянии порядка нескольких десятков нанометров. Практически изолирующая щель выполняется в виде свободного торца диэлектрической пленки 2 (8Ю2) толщиной d ~ 20 нм в открытой "сэндвич"-структуре БЮ2—W [2]. При приложении к электродам напряжения больше порогового значения за счет протекания тока происходит деструкция поверхностных молекул 8Ю2, активируемая электронным ударом, кислород удаляется в газовую фазу, а поверхность изолирующей щели обогащается атомами кремния, которые играют роль частиц проводящей фазы (ЧПФ). Накопление ЧПФ приводит к формированию связного поводящего кластера 5 (проводящей среды), увеличению тока через структуру, ее разогреву и повторному термически активируемому окислению атомов кремния кислоро-
дом из газовой фазы, что эквивалентно исчезновению ЧПФ. Эти процессы происходят в виде развития неустойчивости, результатом которого является появление у структуры ^-образной вольтамперной характеристики (ВАХ). Баланс процессов образования и исчезновения ЧПФ устанавливается за счет формирования в проводящей среде нанометрового изолирующего зазора 6, ограничивающего ток, с равновесной шириной Н, зависящей от величины приложенного напряжения. Появление ^-образной ВАХ и является признаком того, что нанометровый изолирующий зазор в образовавшейся проводящей среде сформирован. В этом состоит физическая сущность явления электроформовки. Ток через такую самосформировавшуюся проводящую наноструктуру определяется туннелированием через изолирующий зазор, сохраняющийся неограниченное время после отключения напряжения, и может меняться на много порядков за счет небольшого изменения ширины зазора при приложении импульсов напряжения определенной амплитуды и длительности. Поэтому элек-троформованные структуры могут выполнять функции энергонезависимой электрически перепрограммируемой памяти. Неразрушающее считывание информации возможно путем изме-
Рис. 1. Схематическое изображение открытой "сэндвич"-структуры после выполнения электроформовки: 1 — верхний электрод 2 — слой диэлектрика (8Ю2) толщиной ¿1 ~ 20 нм; 3 —изолирующая щель в виде свободного торца слоя диэлектрика; 4 — нижний электрод (81 или ТГЫ); 5 — проводящая среда на поверхности изолирующей щели; 6 — изолирующий зазор переменной ширины к. — сопротивление растекания от проводящей наноструктуры в нижний электрод.
рения тока при напряжениях меньше порогового, когда процессы образования и исчезновения ЧПФ еще не происходят.
Такая память обладает уникальным сочетанием технических характеристик: высокое быстродействие (время записи порядка 10 нс), высокая надежность различения состояний (проводимости состояний ON и OFF отличаются на несколько порядков), высокая радиационная стойкость [6] (поскольку информация кодируется не зарядовым состоянием, как в традиционной полупроводниковой памяти, а размерами проводящей наноструктуры), высокая термическая стойкость (информация сохраняется при температурах больших 200° С), потенциально высокая плотность записи информации (сам элемент памяти может занимать площадь порядка 100 нм2 и менее), возможность изготовления методами традиционной кремниевой технологии. Память на основе элек-троформованных структур можно рассматривать и как один из вариантов реализации устройств с кроссбар-архитектурой [7]. Приведенный набор достоинств делает актуальными усилия по дальнейшему совершенствованию конструкции и технологии изготовления матрицы ячеек памяти на самоформирующихся проводящих наноструктурах.
КОНСТРУКЦИЯ И ТЕХНОЛОГИЯ
ИЗГОТОВЛЕНИЯ МАТРИЦЫ ПАМЯТИ
Конструкция элемента памяти в виде открытой "сэндвич"-структуры Si—SiO2—W, в которой нижним электродом служит n+-Si эмиттерной области п-р-п-транзистора (или диода, или стока МОП-транзистора), обладает очевидным недостатком — элемент памяти "привязан" к поверх-
ности кремния, поскольку в такой ячейке слой кремния выполняет сразу две функции: и нижнего электрода открытой "сэндвич"-структуры, и эмиттера (стока) транзистора (диода). Это затрудняет изготовление матрицы памяти методами серийной кремниевой технологии, которая использует, как минимум, два—три слоя металлизации (их суммарная толщина составляет несколько микрометров), поскольку требование доступа газовой среды к изолирующей щели элемента памяти приводит к необходимости формирования глубоких узких колодцев (рис. 2). Последнее если и возможно в принципе, то очень нетехнологично. Кроме того, совмещение слоем высоколегированного кремния функций сразу двух элементов конструкции ячейки (транзистора и собственно элемента памяти) приводит к неоптимальности ее характеристик и в других отношениях.
Техническое решение, устраняющее эти проблемы, может состоять во введении дополнительного проводящего слоя (помимо я+-крем-ния) [8] в качестве нижнего электрода открытой "сэндвич"-структуры (рис. 3). Тогда элемент памяти можно пространственно оторвать от поверхности кремния, в частности, вынести на поверхность многослойной металлизации, обеспечив, естественно, электрическое соединение его с транзисторной (диодной) структурой в кремнии. Это позволяет также независимо менять характеристики слоев высоколегированного кремния и нижнего электрода открытой "сэндвич"-структуры, оптимизируя свойства ячейки памяти в целом. В то же время, изменение материала нижнего электрода элемента памяти потребовало выполнения отдельных исследований с целью выяснения возможных особенностей его поведения.
(а)
А-А
(б)
В-В
5 16
Рис. 2. Схематические изображения фрагментов матрицы памяти в плане и поперечных сечений ячейки с полупроводниковыми структурами, обеспечивающими электрическую развязку ячеек, выполненными по КНИ-технологии: (а) — в виде диода, (б) — в виде МОП-транзистора. 1 — верхний электрод элемента памяти и верхняя проводящая шина матрицы; 2 — слой диэлектрика толщиной ~20 нм; 3 — изолирующая щель в виде свободного торца слоя диэлектрика;
4 — локальная область кремния п+-типа и нижний электрод элемента памяти; 5 — нижняя проводящая шина матрицы; 6 — канал в многослойной металлизации, обеспечивающий доступ газовой среды к поверхности изолирующей щели.
Были изготовлены образцы матриц памяти с конструкцией, показанной на рис. 3. Нижний электрод 6 открытой "сэндвич"-структуры (теперь TiN—SiO2—W) выполнялся из нитрида титана. Этот материал широко применяется в современной кремниевой технологии, а главное, он обладает высокой стабильностью структуры, в частности, очень слабо окисляется даже при повышенных температурах, что существенно, поскольку его поверхность при эксплуатации принципиально должна быть открыта в газовую фазу, содержащую кислород. Пленка нитрида титана толщиной 50—70 нм получалась реактивным магнетронным распылением титановой мишени в атмосфере азота. Тонким диэлектриком 2
по-прежнему служил диоксид кремния, что позволило, в частности, сохранить физико-химические механизмы образования проводящей среды при электроформовке и переключениях элемента памяти. Пленка SiO2 толщиной около 20 нм уже не могла формироваться методом термического окисления кремния, как это было ранее для открытых "сэндвич"-структур Si—SiO2—W, поэтому применялись методы низкотемпературного осаждения: плазмохимического (ПХ) из смеси SiH4 и N0, либо реактивного магнетрон-ного распыления (РМР) кремниевой мишени в атмосфере кислорода.
Технология получения остальных элементов конструкции ячейки памяти оставалась прежней
2
3
3
2
4
1
A-A
Рис. 3. Фрагмент матрицы в плане и поперечное сечение ячейки памяти для варианта с биполярным транзистором и нижним электродом элемента памяти в виде дополнительного проводящего слоя. Размеры даны в мкм. Пунктиром показана площадь одной ячейки матрицы: 1 — верхний электрод элемента памяти и верхняя проводящая шина матрицы 2 — слой диэлектрика (8102) толщиной ~20 нм; 3 — изолирующая щель в виде свободного торца слоя диэлектрика; 4 — локальная область кремния п+-типа, эмиттер транзистора; 5 — область кремния р-типа, нижняя проводящая шина матрицы и база транзистора; 6 — нижний электрод изолирующей щели (ТЖ); 7 — слой толстого (
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.