МИКРОЭЛЕКТРОНИКА, 2007, том 36, № 6, с. 423-436
ТОНКИЕ ПЛЕНКИ
УДК 621.377.622
ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОВОДИМОСТИ И ЭЛЕКТРОФОРМОВКИ ОТКРЫТЫХ "СЭНДВИЧ"-СТРУКТУР Si-SiO2-W НА ВЫСОКОЛЕГИРОВАННОМ КРЕМНИИ
© 2007 г. В. М. Мордвинцев, С. Е. Кудрявцев
Институт микроэлектроники и информатики Российской АН E-mail: Mordvintsev- Viktor@yandex.ru Поступила в редакцию 15.02.2007 г.
Приведены результаты экспериментального исследования проводимости открытых "сэндвич"-структур Si-SiO2-W, изготовленных на высоколегированном кремнии с обоими типами легирующей примеси и толщиной диоксида кремния около 20 нм, до их электроформовки, в процессе электроформовки, а также после ее выполнения. Продемонстрирована возможность выполнения электроформовки при обеих полярностях напряжения, что дало новую информацию о механизмах проводимости в таких структурах. Показано наличие нескольких механизмов проводимости: ионной, "второстепенной" электроформовки за счет автоэмиссии с острия вольфрама при положительной полярности напряжения, основной электроформовки, которая качественно не зависит ни от полярности напряжения, ни от типа примеси в кремнии, ни от ее концентрации. В то же время, особенности вольт-амперных характеристик структур после выполнения электроформовки определяются типом и концентрацией легирующей примеси.
ВВЕДЕНИЕ
Физика процесса электроформовки в структурах металл-изолятор-металл (МИМ-структурах) исследуется уже длительное время [1, 2]. Явление электроформовки состоит в постепенном и необратимом увеличении на несколько порядков проводимости специально приготовленной МИМ-структуры, помещающейся в вакууме, при подаче на ее металлические электроды напряжения, большего некоторого критического значения, после определенной экспозиции в таких условиях структура приобретает К-образные вольт-амперную характеристику (ВАХ), в ней наблюдаются эффекты переключения и памяти. В [3, 4] описан механизм электроформовки, позволяющий объяснить и адекватно смоделировать все известные экспериментальные факты. Он включает образование частиц проводящей фазы (ЧПФ) из молекул, расположенных на поверхности изолирующей щели, открытой в вакуум, за счет их диссоциации под воздействием электронного удара при прохождении тока через структуру. После накопления ЧПФ до некоторой критической концентрации (порог перколяции) ток резко увеличивается и начинается их термическое удаление за счет разогрева поверхности изолирующей щели, в ней возникает пространственная неустойчивость, которая приводит к локальной самоорганизации в образующейся проводящей среде изолирующего зазора, ограничивающего ток. Ширина зазора определяется равновесием процессов образования и удаления ЧПФ и является переменной, равновес-
ное значение которой зависит от приложенного напряжения, но всегда лежит в диапазоне нескольких нанометров. Таким образом, суть процесса электроформовки состоит в самоорганизации в возникающей проводящей среде нанометрового изолирующего зазора, свойства которого позволяют объяснить все наблюдающиеся экспериментально эффекты. В [5] предложена и опробована конструкция МИМ-структуры, подвергающейся электроформовке, в виде открытой "сэндвич"-структуры металл-диэлектрик-металл (МДМ): в ней изолирующей щелью, открытой в вакуум, служит торец диэлектрической пленки обычной "сэндвич"-МДМ-структуры, в которой локально травятся верхний металлический электрод и диэлектрическая пленка, имеющая толщину в диапазоне 15-30 нм. Наличие исходно открытой изолирующей щели с такой малой шириной (нано-МИМ-диода) дает возможность избежать разрушений конструкции в субмикронном диапазоне, обычно имеющих место на начальных этапах электроформовки, что в итоге позволяет говорить о такой структуре как приборе наноэлектроники. Следующим шагом развития его конструкции было выполнение одного из электродов (нижнего) из полупроводника [6], а именно кремния (структура при этом
прибор приобретал выпрямляющие ВАХ, что расширяло его функциональные возможности. Следует отметить, что такие структуры являются готовыми элементами для использования в перспективной идеологии "кроссбар"-наноэлектроники [7, 8].
Рис. 1. Схематическое изображение профиля открытой "сэндвич"-структуры 81-8102^ после выполнения электроформовки: 1 - пленка вольфрама, 2 -пленка диоксида кремния, 3 - открытый торец пленки диоксида кремния (изолирующая щель), 4 - кремний, 5 - проводящая среда, образованная в результате электроформовки, 6 - "остаточный" окисел с переменной толщиной к.
Один из продвинутых вариантов практического использования таких приборов - это матрица энергонезависимой электрически перепрограммируемой памяти [9]. Ее технические характеристики могут быть значительно улучшены, если вместо упомянутого выше "диодного" варианта ячейки использовать "транзисторный" [10]. При этом элемент памяти - самоформирующийся нанометро-вый изолирующий зазор переменной ширины -встраивается в эмиттер биполярного транзистора, т.е. открытая "сэндвич"-структура 8ь8Ю2^ должна быть сформирована на поверхности высоколегированного кремния. Электроформовка в таких структурах до настоящего времени не исследовалась, ее возможные особенности могут повлиять на детали проектирования и эксплуатации ячейки матрицы памяти с "транзисторной" конструкцией. С другой стороны, такая задача представляет и чисто научный интерес, поскольку впервые открывается возможность исследовать электроформовку в открытых "сэндвич" -структурах 8ь8Ю2^ при обеих полярностях напряжения. До этого, когда эксперименты проводились на кремнии с малой и средней концентрацией легирующей примеси [6], при запирающей полярности напряжения электроформовка была невозможна, поскольку почти все прикладываемое напряжение падало на обедненном слое в кремнии.
ОБРАЗЦЫ И МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТА
Конструкция и технология изготовления образцов была аналогична описанным в [10].Слои высоколегированного кремния n+- и р+-типа формировались диффузией соответственно фосфора и бора в исходные подложки противоположного типа проводимости (легированные бором до удельного сопротивления 10 Ом см и фосфором - до 4.5 Ом см соответственно) из примесных слоев, полученных центрифугированием жидкого состава на основе тетраэтоксисилана [11]. Поверхностные концентрации фосфора и бора в кремнии измерялись с помощью вторично-ионной массспектрометрии. Тонкий слой диоксида кремния (толщиной 15-20 нм, которая контролировалась емкостным методом) получался термическим окислением, пленка вольфрама (толщиной 0.12 мкм) осаждалась магнетрон-ным распылением, все слои травились через маску фоторезиста, рисунок в которой создавался контактной фотолитографией, а открытые торцы пленки SiO2 (изолирующие щели) формировались прецизионным жидкостным травлением диоксида кремния с емкостным контролем момента окончания процесса [12], что обеспечивало воспроизводимость геометрических характеристик в нанометро-вом масштабе. На рис. 1 показано схематическое изображение поперечного сечения получающейся открытой "сэндвич"-структуры с профилями травления, близкими к реальным (они исследовались на сколах образцов с помощью растровой электронной микроскопии). В плане топология открытого торца структуры была близка к квадрату (радиус скругле-ния углов около 1 мкм) с периметром 32 мкм.
Для выполнения и in situ исследования процесса электроформовки использовалась обычная методика, состоящая в подаче на структуру треугольных импульсов напряжения с постепенно увеличивающейся амплитудой и одновременном измерении протекающего через нее тока. Скорость изменения напряжения не должна быть большой, что связано с медленностью самого процесса электроформовки (во всех экспериментах она составляла 0.5 В/с). Наряду с предельной простотой, метод измерения ВАХ в данном случае обладает очень высокой чувствительностью к процессам, имеющим место в изолирующей щели в нанометровых масштабах, а получаемая при этом информация не только характеризует сущность исследуемого объекта, но и является как раз той конечной информацией о проводимости структуры, которая необходима для ее прикладных применений, т.е. метод ВАХ является идеальным для исследования таких объектов. Реально в экспериментах измерялось напряжение U, прикладываемое между вольфрамовым электродом и высоколегированным слоем кремния, а ток J измерялся в цепи вольфрамового электрода. Во всех случаях, кроме специально оговоренных, образцы находились в вакууме, создаваемом диффузионным насо-
J
100 мкА
и, В -10
и
1— ч 1 и
2 ^ 1
и
1 ^_х 10 1 1
8 10
и, В
Рис. 2. ВАХ, отражающие процесс электроформовки в открытых "сэндвич"-структурах 8ь8Ю2^ на р+-кремнии. Поверхностная концентрация бора _ _ 4 - четвертый, 5 - первый.
ностная концентрация бора 1.2 х 10 см . Толщина 8Ю2 17.5 нм. Порядок проходов: 1 - первый, 2 - второй, 3 - третий,
сом ("маслянный" вакуум ~10-3 Па), т.е. атмосфера была традиционной для выполнения электроформовки. ВАХ фиксировались с помощью двухкоор-динатного самописца. Балластное сопротивление, включаемое иногда в подобных экспериментах последовательно структуре, не использовалось.
В обычных "закрытых", т.е. не имеющих открытых торцов пленки 8Ю2 "сэндвич"-структурах 81-8Ю2^, изготовленных в одном технологическом цикле с исследуемыми открытыми структурами, и в остальном полностью им аналогичных, ток отсутствовал во всем диапазоне напряжений, используемых при выполнении электроформовки (до 12-13 В). Так при толщине пленки диоксида кремния 19 нм он появлялся (на уровне 1 нА) только при напряжениях больших 18 В. Таким образом, процессы проводимости по объему 8Ю2 не могли проявляться в экспериментах по электроформовке открытых "сэндвич"-структур, в которых весь ток протекал по открытому торцу пленки 8Ю2.
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ
На рис. 2 и 3 приведены наборы типичных ВАХ, отражающих процесс электроформовки в открытых структурах на кремнии п+- и р+-типов при обеих полярностях напряжений. Положительные значения напряжения и соответствуют "минусу" на вольфрамовом электроде, при этом следует обратить внимание на то, что на п+-кремнии реализуется ситуация обеднения поверхност
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.