ЯФ ФТИАН РАН

Лаборатория физики и технологии наноструктур

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

Основные направления исследований

1. Исследование процессов самоформирования проводящих наноструктур в сильных электрических полях
2. Энергонезависимая электрически перепрограммируемая память на самоформирующихся проводящих наноструктурах
3. Исследование радиационной стойкости памяти на самоформирующихся проводящих наноструктурах
4. Исследование открытых «сэндвич»-структур методами зондовой микроскопии

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.

Исследуются 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 (электроформовка). Проводящая среда формируется путем разложения молекул диэлектрика (поверхностных слоёв изолятора) при электронном ударе. Ширина h изолирующего зазора зависит от приложенного напряжения, но в любом случае она находится в диапазоне нескольких нанометров. Образующиеся проводящие наноструктуры обладают рядом уникальных электрических свойств: N-образными вольт-амперными характеристиками (ВАХ), эффектами 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 вертикального торца диэлектрической плёнки задаётся её толщиной d. Толщина плёнки диэлектрика находится в диапазоне 15 – 20 нм, что позволяет обеспечить высокие электрические поля и проводимость структуры без разрушения металлических электродов. Исследовано 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 нетривиальные электрические свойства электроформованных структур: N-образные ВАХ и эффект переключения. Исходно структура находилась в низкопроводящем состоянии (OFF), после достижения порогового напряжения U_th происходит переключение её в высокопроводящее состояние (ON). Отношение токов в состояниях OFF и ON составляет 3 – 5 порядков. Обратное переключение возможно импульсом напряжения длительностью менее 10^-2 с и амплитудой, превышающей напряжение максимума ВАХ. Такие свойства позволяют создать на базе самоформирующихся проводящих наноструктур энергонезависимую электрически перепрограммируемую память, поскольку ширина нанометрового зазора зависит от приложенного напряжения, а его проводимость определяется туннелированием и поэтому сильно зависит от ширины зазора. Информация в такой памяти будет кодироваться фактически размерами проводящей наноструктуры.

Энергонезависимая электрически перепрограммируемая память 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 исследования.

Табл. 1. Этапы разработки и исследования памяти

Базовая конструкция элемента памяти	Какие проблемы решены	Какие проблемы поставлены
Al-Al2O3-W 1995 – 1997 гг.	Проверка идеи открытой «сэндвич» структуры для выполнения электроформоки. Демонстрация эффектов переключения и памяти.	Низкая стабильность состояний элементов памяти. Невозможность соединить элементы памяти в матрицу.
pSi-SiO2-W 1998 – 2002 гг.	Соединение элементов памяти в матрицу. 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.	Сняты жёсткие ограничения на размерность матрицы памяти. Возможность увеличения скорости записи на несколько порядков.	Плохое согласование технологии изготовления матрицы памяти с типовой кремниевой технологией
TiN-SiO2-W с 2007 г.	Конструкция согласована с типовой кремниевой технологией, поэтому возможно изготовление матрицы памяти на одном чипе со схемами управления	?

На рис. 4 показана конструкция ячейки и матрицы памяти на основе элемента памяти со структурой n⁺Si-SiO₂-W. Открытый торец плёнки диоксида кремния элемента 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 энергонезависимой электрически перепрограммируемой памяти: запись, стирание, хранение, неразрушающее считывание информации, а также возможность выборки индивидуальной ячейки во всех режимах.

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.

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

Достигнутые в настоящее время результаты по исследованию конструкций ячеек памяти, условий их функционирования и основных характеристик демонстрируют высокую степень готовности к практическому использованию энергонезависимой электрически перепрограммируемой памяти на проводящих наноструктурах структурах. Кроме того, уникальное сочетание достоинств такой памяти: потенциально высокой плотности записи информации, высокого быстродействия, высокой термической и радиационной стойкости, возможности изготовления методами традиционной кремниевой технологии, - делают её практическое использование не только возможным, но и привлекательным.

Исследование радиационной стойкости 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 проводящих наноструктур. Это её свойство является одним из основных технических достоинств, делающих перспективным применение такой памяти в космической, атомной и военной отраслях.

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

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 вольт-амперных характеристик (ВАХ) ячеек, находящихся в различных состояниях (высоко- и низкопроводящем), в процессе облучения. Испытания проводились в ЭНПО СПЭЛС.

Выполнен большой объём исследований радиационной стойкости для всех вариантов конструкции ячейки памяти, при этом наилучшие результаты были получены для последней конструкции на базе открытой «сэндвич»-структуры TiN-SiO₂-W. В этих образцах не было зафиксировано заметных изменений ВАХ (рис. 6) каждого из 9 элементов памяти (ЭП) в матрице для обоих режимов функционирования: хранения и считывания информации, - и для обоих состояний: высоко и низкопроводящего, - при дозах облучения более 1 Мрад, что является уникальным результатом для памяти такого функционального назначения.

Исследование открытых «сэндвич»-структур методами зондовой микроскопии

Все основные процессы в электроформованных открытых «сэндвич»-структурах происходят на вертикальном торце плёнки диэлектрика (SiO₂) толщиной около 20 нм, причём образующиеся на нём проводящие наноструктуры имеют размеры порядка единиц нанометров. Поэтому перечень возможных методов их прямого исследования чрезвычайно ограничен. Одним из таких методов является зондовая микроскопия. В частности, с её помощью можно надеяться получить информацию об особенностях процесса накопления частиц проводящей фазы и формирования нанометрового зазора при электроформовке. В то же время, поскольку исследованию подлежит вертикальный торец плёнки, разработка соответствующей методики становится отдельной задачей, имеющей самостоятельное значение.

Исследования проводились с использованием атомно-силового микроскопа (АСМ) Omicron UHV AFM/STM в высоком вакууме (поряка 10⁻⁸ Торр). В качестве образцов использовались специально изготовленные тестовые «сэндвич»-структуры Si-SiO₂-W. Для проведения АСМ-измерений верхний электрод (W) удалялся с целью обеспечения доступа зонда к вертикальному торцу SiO₂ на подложке Si. Поскольку АСМ Omicron предназначен, прежде всего, для исследования атомарно ровных поверхностей малой площади, то при работе на требуемых масштабах наблюдалось появление целого ряда искажений (артефактов), таких как нелинейность, гистерезис и крип пьезосканера. Исследования, проводимые, в том числе, с использованием калибровочных решеток, позволили выработать оптимальный режим АСМ-измерений вертикального торца плёнки, устраняющий подобные нежелательные эффекты.

На рис. 7 приведено характерное АСМ-изображение участка периметра открытого торца структуры SiO₂/Si и его сечение, полученные в оптимальном режиме. При данных параметрах АСМ-сканирования результаты соответствуют данным электронной микроскопии, однако позволяют наблюдать особенности открытого торца с гораздо большим разрешением.

На следующем этапе работы проводились АСМ-исследования в режиме измерения локального сопротивления, когда одновременно с микрорельефом измерялась карта проводимости (тока) того же участка поверхности. На рис. 8 представлено АСМ-изображение тестовой «сэндвич»-структуры SiO₂/Si, полученное в токовом режиме, при этом черному цвету на изображении соответствует нулевой ток и отсутствие проводимости (область пленки диоксида кремния). Наиболее важным результатом является наблюдение перехода от изолирующего к проводящему слою «сэндвич»-структуры с нанометровым разрешением (см. рис. 8б и 8в).

Рис. 7. Трехмерное АСМ-изображение (а) открытой «сэндвич»-структуры SiO₂/Si и типичная профилограмма (б) открытого торца изолирующей щели.

Рис. 8. Характерное АСМ-изображение «сэндвич»-структуры SiO₂/Si в режиме измерения сопротивления растекания (а); профиль открытого торца изолирующей щели (б) и соответствующий сигнал тока (в)