Лаборатория физики и технологии наноструктур
Руководитель структурного подразделения 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.
| 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.
| 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.
- 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.
- 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.
- 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.
- 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.
- 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.
- 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.
- 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.
- 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.
- 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.
- 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.
- 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.
- 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.