Лаборатория физики и технологии наноструктур

Заведующий лабораторией д.ф-м.н. Мордвинцев В.М.

Основные направления исследований

Исследование процессов самоформирования проводящих наноструктур в сильных электрических полях

Рис. 1. РЭМ-изображение планарной МИМ (металл-изолятор-металл)-структуры после электроформовки (видна самосформировавшаяся изолирующая щель в плёнке золота) и схематическое изображение возникающей наноструктуры с шириной изолирующего зазора h=1 – 4 нм. 1 – диэлектрическая подложка, 2 – металлические электроды, 3 – возникающая проводящая среда, 4 – молекулы в газовой фазе.

Изучаются процессы самоформирования проводящих наноструктур в виде изолирующего зазора (рис. 1) нанометровой ширины в возникающей проводящей среде при воздействии высоких электрических полей (создаваемых напряжением U) и протекании тока J по поверхности изолирующей щели шириной H (процесс электроформовки). Проводящая среда формируется за счёт деструкции молекул диэлектрика (поверхностных слоёв изолятора) при электронном ударе. Её состояние меняется при взаимодействии с молекулами газовой фазы и потоком электронов. Ширина h изолирующего зазора зависит от приложенного напряжения, но в любом случае она находится в диапазоне нескольких нанометров. Образующиеся проводящие наноструктуры обладают рядом нетривиальных электрических свойств: N-образными вольтамперными характеристиками (ВАХ), эффектами бистабильности (переключения) и памяти.

Рис. 2. Схематическое изображение открытой «сэндвич»-МИМ-структуры. 1, 2 – металлические электроды; 3 – диэлектрическая плёнка толщиной d; 4 – изолирующая щель шириной H; 5 – формирующаяся проводящая среда.

Экспериментальные исследования выполняются на объектах в виде открытых «сэндвич»-МДМ (металл-диэлектрик-металл)-структур (рис. 2), в которых ширина H изолирующей щели в виде свободного торца, диэлектрической плёнки, открытого в газовую фазу (вакуум), задаётся её толщиной d. Толщина плёнки диэлектрика находится в диапазоне 15 – 30 нм, что позволяет создавать высокие электрические поля, а открытость в газовую фазу обеспечивает проводимость структуры без разрушения металлических электродов. Изучается влияние на процесс электроформовки и свойства формирующихся наноструктур различных физических и технологических факторов: материалов электрода и диэлектрика, ширины изолирующей щели, амплитуды, длительности и формы импульсов напряжения U между электродами, состава и давления газовой фазы, различных обработок поверхности и др.

Рис. 3. Типичные N-образные ВАХ и эффект переключения в открытых «сэндвич»-структурах Si-SiO2-W после электроформовки.

Рис. 3 иллюстрирует основные электрические свойства электроформованных структур: N-образные ВАХ, а также эффекты переключения и памяти. Исходно структура находилась в низкопроводящем состоянии (OFF) с относительно большой шириной h изолирующего зазора. После достижения порогового напряжения Uth происходит быстрое переключение структуры в высокопроводящее состояние (ON) с малым (около 1 нм) значением h. Отношение токов в состояниях OFF и ON может составлять 3 – 4 порядка. Обратное переключение осуществляется импульсом напряжения длительностью менее 10-2 с и амплитудой, превышающей напряжение максимума ВАХ. Неразрушающее считывание информации о состоянии структуры возможно при напряжениях меньше Uth. Такие свойства позволяют создать на основе электроформованных структур энергонезависимое электрически перепрограммируемое запоминающее устройство (память на самоформирующихся проводящих наноструктурах), информация в котором кодируется фактически шириной h нанометрового изолирующего зазора.

Разработка физико-технологических основ энергонезависимой электрически перепрограммируемой памяти на самоформирующихся проводящих наноструктурах

Элемент памяти выполняется в виде электроформованной открытой «сэндвич»-МИМ-структуры (рис. 2), электроды и диэлектрическая плёнка которой могут изготавливаться из различных материалов. В ходе работ над памятью были опробованы несколько вариантов конструкции ячеек. В таблице 1 приведены этапы её разработки и исследований.

Табл. 1. Этапы разработки и исследования памяти
Базовая конструкция элемента памяти Какие проблемы решены Какие проблемы поставлены
Al-Al2O3-W
1995 – 1997 гг.
1. Проверка идеи открытой «сэндвич» структуры для выполнения электроформоки.
2. Демонстрация эффектов переключения и памяти.
1. Низкая стабильность состояний элементов памяти.
2. Невозможность соединить элементы памяти в матрицу.
pSi-SiO2-W
1998 – 2002 гг.
1. Соединение элементов памяти в матрицу.
2. Состояния элементов памяти стали термически и радиационно стойкими.
Малая достижимая размерность матрицы памяти из-за высокого сопротивления шин р-Si и больших токов утечки
n+Si-SiO2-W
2003 – 2006 гг.
1. Сняты жёсткие ограничения на размерность матрицы памяти.
2. Возможность увеличения скорости записи на несколько порядков.
Плохое согласование технологии изготовления матрицы памяти с типовой кремниевой технологией
n+Si-TiN-SiO2-W
2007 – 2012 гг.
Конструкция согласована с типовой кремниевой технологией, поэтому возможно изготовление матрицы памяти на одном чипе со схемами управления Высокая вероятность электрического пробоя структуры при выполнении электроформовки для матриц больших размерностей
n+Si-TiN-TiO2-SiO2-W
2012 – 2016 гг.
Существенное уменьшение вероятностей электрических пробоев структур при изготовлении (электроформовке) и эксплуатации Жесткие требования к составу и давлению газовой среды над матрицей памяти

Рис. 4. Схематическое изображение фрагмента матрицы памяти в плане и сечения ячейки памяти для варианта конструкции на основе открытой «сэндвич»-структуры n+Si-SiO2-W. 1 – верхняя проводящая шина W (верхний электрод элемента памяти), 2 – слой тонкого SiO2, 3 – эмиттер транзистора (нижний электрод элемента памяти), 4 – нижняя проводящая шина р-Si (база транзистора), 5 – подложка n-Si (коллектор транзистора), 6 – изолирующая щель (открытый торец диоксида кремния), 7 – слой толстого диоксида кремния. Размеры даны в микрометрах.

На рис. 4 показана конструкция ячейки и матрицы памяти на основе элемента памяти со структурой n+Si-SiO2-W. Открытый торец 6 плёнки диоксида кремния – собственно элемент памяти – представляет собой квадрат в плане и встроен в эмиттер биполярного транзистора, который обеспечивает электрическую развязку ячеек в матрице. РЭМ-изображение образца такой матрицы размерностью 3×3 ячейки показано на рис. 5. Разработана лабораторная технология изготовления экспериментальных образцов матрицы памяти, которые продемонстрировали полный набор функций энергонезависимого электрически перепрограммируемого запоминающего устройства: запись, стирание, хранение, неразрушающее считывание информации, а также возможность выборки индивидуальной ячейки во всех режимах.

Рис. 5. РЭМ-изображение матрицы памяти размерностью 3×3 ячейки. Горизонтальные полосы – шины W.

В настоящее время решаются проблемы ослабления жёстких требований к составу и давлению газовой среды над поверхностью матрицы памяти.

Исследование характеристик памяти на самоформирующихся проводящих наноструктурах

Высокая радиационная стойкость энергонезависимой электрически перепрограммируемой памяти на проводящих наноструктурах связана с тем, что в отличие от традиционной полупроводниковой памяти, где носителем информации является зарядовое состояние диэлектрика, в ней информация кодируется размерами проводящей наноструктуры. Это свойство является одним из основных технических достоинств, делающих перспективным применение такой памяти в космической, атомной и военной отраслях.

Наиболее критичным параметром для энергонезависимой электрически перепрограммируемой памяти вообще является величина накопленной дозы облучения, при которой не происходит нарушение состояния ячейки. В связи с этим, методика испытаний состояла в измерении ВАХ ячеек, находящихся в различных состояниях (высоко- и низкопроводящем), в процессе облучения.

Выполнен большой объём исследований радиационной стойкости для различных вариантов конструкции ячейки памяти. На рис. 6 показаны типичные результаты для конструкции на базе открытой «сэндвич»-структуры TiN-SiO2-W. В этих образцах не было зафиксировано заметных изменений ВАХ каждого из 9 элементов памяти (ЭП) в матрице для двух режимов функционирования: хранения и считывания информации, - и для обоих состояний: высоко и низкопроводящего, - при дозах облучения более 1 Мрад.

Рис. 6. ВАХ ячеек матрицы памяти до облучения (а) и после облучения (б) дозой 1 Мрад последовательно в режиме хранения и считывания информации.

Таблица – Режимы функционирования матрицы памяти со структурой TiN-SiO2-W
Режим Выбранный элемент памяти (m, n) Невыбранный
элемент памяти (i, j)
Считывание U(Wn): импульс амплитудой (–1÷1,5) В,
длительность (1÷100) мкс; U(Pm) = 0 В.
Ток в W шине (или подложке):
OFF – менее 0,1 мкА, ON – более 1 мкА
U(Wj) = 0 В;
U(Pi) = (–1÷1,5) В;
Uп = 0 В
«Включение» (OFF→ON) 1. U(Wn): импульс амплитудой – 5 В,
длительность 1 мс (Rb=10 – 15 кОм); U(Pm)=0 В;
2. Считывание состояния;
3. Если оно не ON, повторение пп. 1
U(Wj) = 0 В;
U(Pi) = –6 B;
Uп = 0 В
«Выключение» (ON→OFF) U(Wn): импульс амплитудой – 6 В,
длительность 200 нс; U(Pm) = 0 В
U(Wj) = 0 В;
U(Pi) = –6 B;
Uп = 0 В
U(W) – напряжение на вольфрамовой шине; U(P) – напряжение на кремниевой шине; Uп – напряжение на подложке.

В таблице приведены основные характеристики управляющих импульсов для всех режимов функционирования матрицы памяти на основе открытой «сэндвич»-структуры TiN-SiO2-W.

Уникальное сочетание достоинств энергонезависимой электрически перепрограммируемой памяти на проводящих наноструктурах: потенциально высокая плотность записи информации, высокое быстродействие при записи и считывании, высокая термическая и радиационная стойкости, возможность изготовления методами традиционной кремниевой технологии и на одном чипе со схемами управления, - делают её практическое использование не только возможным, но и привлекательным. Кроме того, достигнутые результаты по исследованию конструкций ячеек памяти, условий их функционирования и основных характеристик демонстрируют высокую степень готовности к практическому использованию.

Основные публикации
  1. Мордвинцев В.М., Левин В.Л. Модель возникновения N-образной стационарной вольт-амперной характеристики нано-металл-изолятор-металл-диода с углеродистой активной средой // ЖТФ. 1996. Т. 66. Вып. 7. С. 83-95.
  2. Валиев К.А., Левин В.Л., Мордвинцев В.М. Электроформовка как процесс самоорганизации нанометрового зазора в углеродистой среде // ЖТФ. 1997. Т. 67. Вып. 11. С. 39-44.
  3. Мордвинцев В.М., Левин В.Л. Модель нано-МИМ-диода с углеродистой активной средой с учётом перколяции в изолирующей щели // Микроэлектроника. 1998. Т. 27. № 4. С. 265-274.
  4. Мордвинцев В.М., Кудрявцев С.Е. Исследование проводимости и электроформовки открытых «сэндвич»-структур Si-SiO2-W на высоколегированном кремнии // Микроэлектроника, 2007, Т. 36, № 6, С. 423-436.
  5. Мордвинцев В.М., Кудрявцев С.Е., Левин В.Л. Электроформовка как процесс самоформирования проводящих наноструктур для элементов энергонезависимой электрически перепрограммируемой памяти // Российские нанотехнологии. 2009. Т. 4. № 1-2. С. 174-182.
  6. Мордвинцев В.М., Кудрявцев С.Е., Левин В.Л. Высокостабильная энергонезависимая электрически перепрограммируемая память на самоформирующихся проводящих наноструктурах // Российские нанотехнологии. 2009. Т. 4. № 1-2. С. 183-191.
  7. Мордвинцев В.М, Кудрявцев С.Е., Левин В.Л., Цветкова Л.А. Влияние давления газовой среды и длительности управляющих импульсов на стабильность характеристик элементов памяти на основе электроформованных структур Si-SiO2-W // Микроэлектроника. 2010. Т. 39. № 5. С. 337-347.
  8. Мордвинцев В.М., Согоян А.В., Кудрявцев С.Е., Левин В.Л. Исследование радиационного поведения ячеек энергонезависимой электрически перепрограммируемой памяти на самоформирующихся проводящих наноструктурах. I. Режим хранения информации // Микроэлектроника. 2011. Т. 40. № 2. С. 98-108.
  9. Мордвинцев В.М., Кудрявцев С.Е. Исследование электрических характеристик элементов памяти на самоформирующихся проводящих наноструктурах в виде открытой «сэндвич»-структуры TiN-SiO2-W // Микроэлектроника. 2013. Т. 42. № 2. С. 93-104.
  10. Мордвинцев В.М., Кудрявцев С.Е., Левин В.Л. Память на основе явления электроформовки // Кремниевые наноструктуры. Физика. Технология. Моделирование. Ярославль. Издательство ИНДИГО. 2014. С. 493-559. ISBN 978-5-91722-225-7.
  11. Мордвинцев В.М., Наумов В.В., Симакин С.Г. Исследование процесса образования окисной плёнки нанометровой толщины на поверхности нитрида титана методом вторично-ионной масс-спектрометрии // Микроэлектроника. 2016. Т. 45. № 4. С. 258-272.
  12. Мордвинцев В.М., Кудрявцев С.Е. Влияние особенностей конструкции изолирующей щели открытых «сэндвич»-структур TiN-SiO2-W и Si-SiO2-W на процесс их электроформовки // Микроэлектроника. 2017. Т. 46. № 4. С. 266-274.

Лаборатории

Новости и события
Конкурс на замещение вакантной научной должности
14.05.2018
Поздравляем!
15.03.2018
Семинар 14 марта 2018
13.03.2018
Конкурс на замещение вакантных научных должностей
01.02.2018
Конкурс на замещение вакантных научных должностей
09.01.2018
Семинар 20 декабря 2017
18.12.2017
Конкурс на замещение вакантной научной должности
06.12.2017
Конкурс на замещение вакантной научной должности
05.12.2017
Подготовка индивидуальных рейтинговых показателей
20.11.2017
Конкурс на замещение вакантной научной должности
01.11.2017
Контактная информация
Корпус А
150007, г. Ярославль, ул. Университетская, д. 21
+7 (4852) 24-65-52 (приемная)
+7 (4852) 24-09-55 (бухгалтерия)
Корпус Б
150055, г. Ярославль, ул. Красноборская, д. 3
+7 (4852) 24-53-53