Способ формирования обладающего эффектом переключения проводимости диэлектрического слоя



Способ формирования обладающего эффектом переключения проводимости диэлектрического слоя
Способ формирования обладающего эффектом переключения проводимости диэлектрического слоя
Способ формирования обладающего эффектом переключения проводимости диэлектрического слоя

 


Владельцы патента RU 2449416:

Учреждение Российской академии наук Физико-технологический институт РАН (RU)

Изобретение относится к области микро- и наноэлектроники, а именно к способам формирования приборных систем микро- и наноэлектроники. Сущность изобретения: способ формирования обладающего эффектом переключения проводимости диэлектрического слоя заключается в нанесении композитного материала, представляющего собой диэлектрическую матрицу на базе кремния с включениями кластеров. Такая структура материала позволяет обеспечить реализацию эффекта переключения проводимости. Нанесение осуществляется путем осаждения кремнийсодержащего материала из смеси силана с кислородсодержащими и/или азотсодержащими газами в плазме низкочастотного тлеющего разряда частотой 3-200 кГц. Техническим результатом изобретения является получение диэлектрических слоев, обладающих эффектом переключения, полностью совместимых с материалами, а также с большинством технологических воздействий, применяемых в традиционной кремниевой технологии интегральных микросхем. 3 ил.

 

Изобретение относится к области микро- и наноэлектроники, а именно к способам формирования приборных систем микро- и наноэлектроники.

Суть изобретения заключается в способе формирования диэлектрического слоя на базе кремния, обладающего эффектом переключения проводимости.

Известен способ формирования ячейки памяти, функционирующей на базе эффекта переключения проводимости, со структурой проводящий слой - диэлектрический слой -проводящий слой, использующий в качестве диэлектрического слоя твердый электролит (см. M.N. Kozicki, С.Gopalan, M. Balakrishnan, M. Park, and M. Mitkova, «Non-volatile memory based on solid electrolytes». Proceedings of the 2004 Non-Volatile Memory Technology Symposium (NVMTS), 10-17 (2004)). Процесс изготовления диэлектрического слоя сводится к нанесению на проводящую подложку твердого электролита с последующим нанесением верхнего проводящего слоя из материала, ионы которого обладают высокой подвижностью в твердом электролите. В качестве твердого электролита используется GeSe или GeS или WO3. В качестве верхнего проводящего слоя используется серебро или медь. Для того чтобы такая структура обладала эффектом переключения проводимости необходимо производить дополнительную формовку структуры, в результате которой в диэлектрическом слое вырастают тонкие металлические нити, благодаря которым осуществляется переключение проводимости диэлектрического слоя в проводящее и/или непроводящее состояние.

Существенным недостатком данного способа является сложность технологии изготовления электролита, необходимость дополнительной формовки диэлектрического слоя, низкая совместимость меди и серебра с традиционной кремниевой технологией интегральных микросхем вследствие высокой диффузионной подвижности этих материалов в кремнии.

Наиболее близким по совокупности признаков к заявляемому (прототип) является способ формирования диэлектрического слоя, обладающего эффектом переключения проводимости, на базе полимерного материала для получения ячеек энергонезависимой памяти со структурой проводящий слой - диэлектрический слой - проводящий слой (см. А.Н.Алешин, Е.Л.Александрова, ФТТ, 2008, том 50, вып.10, стр.1895-1900). Этот диэлектрический слой представляет собой композитные пленки из полимера на основе производных тиофена, полифениленвинилена или карбазола и неорганических наночастиц ZnO и Si, обладающих сильными акцепторными свойствами. Процесс изготовления диэлектрического слоя сводится к нанесению композитного материала методом центрифугирования коллоидного раствора неорганических частиц в 20%-ном растворе полимера в хлороформе с последующим их высушиванием при 100°С в течение 10 мин.

Недостатком данного способа формирования диэлектрического слоя на основе полимерных материалов является сложность его интегрирования в стандартные технологические процессы кремниевой микроэлектроники. В частности, полимерные материалы не могут быть подвергнуты отжигам и другим высокотемпературным операциям, используемым в кремниевой технологии.

Технической задачей, решаемой настоящим изобретением, является создание способа формирования диэлектрического слоя, обладающего эффектом переключения проводимости, полностью совестимого с традиционной (классической) кремниевой технологией интегральных микросхем.

Указанная техническая задача решается тем, что в известном способе формирования обладающего эффектом переключения проводимости диэлектрического слоя путем нанесения композитного материала нанесение диэлектрического слоя проводят осаждением кремнийсодержащего материала из смеси силана с кислородсодержащими и/или азотсодержащими газами в плазме низкочастотного тлеющего разряда частотой 3-200 кГц.

Новым в способе является то, что формирование обладающего эффектом переключения проводимости диэлектрического слоя проводят осаждением кремнийсодержащего материала в плазме тлеющего низкочастотного разряда частотой 3-200 кГц.

Заявляемый частотный диапазон обусловлен тем, что при таких частотах длина дрейфа ионов в прикладываемом электрическом поле сопоставим с характерными размерами плазмохимического реактора. В результате этого возможно формирование композитного слоя, представляющего собой диэлектрическую матрицу с включениями кремнийсодержащих кластеров. Выбор состава и пропорций газовой смеси, а также других технологических параметров процесса осаждения обусловлен оптимизацией свойств диэлектрического слоя.

Диэлектрический слой с указанными выше структурными особенностями может обладать эффектом переключения проводимости (см. Орликовский А.А., Бердников А.Е., Мироненко А.А., Попов А.А., Черномордик В.Д. Ячейка памяти со структурой проводящий слой - диэлектрик - проводящий слой, патент 2376677, H01L 27/105, 20.12.2009).

Предложенный способ получения диэлектрического слоя предполагает следующие возможные механизмы появления структурных особенностей материала, обеспечивающих эффект переключения проводимости:

Механизм 1. Избыток нестехиометрического кремния выделяется в виде наноразмерных кластеров кремния в условиях низкочастотного разряда. Аналогичные эффекты выделения наноразмерных кластеров под воздействием иных внешних факторов описаны в литературе (см. В.А.Трехов, К.А.Панков и др. Формирование нанокластеров элементарного кремния в матрице оксида кремния при отжиге пленок SiOx по данным XANES и USXES. // Сб. трудов VI международной конференции «Аморфные и микрокристаллические полупроводники», С-Пб., 2008, стр.152-153.).

Механизм 2. В области газового разряда в результате газофазных реакций формируются наноразмерные кремнийсодержащие кластеры, которые в условиях низкочастотного газового разряда встраиваются в растущую пленку.

Аналогичный эффект формирования порошкообразных частиц в области газового разряда широко описан в литературе (см. А.А. Fridman, L. Boufendi, Т. Hbid, B.V. Potapkin, A. Bouchoule. Dusty plasma formation: Physics and critical phenomena. Theoretical approach. // Jom.Appl.Phys. Vol.79. N3. (feb. 96) p.1303-1314. и J.Perrin, C.Bohm, R.Etemadi, A.Lioret. Possible Routes for cluster growth and particle formation in RF silane discharges. // Plasma Sources Sci. Technol. 3 (1994) p.252-261.). Однако встраивание этих частиц в растущую пленку в больших количествах наблюдается только в условиях низкочастотного разряда.

Заявляемое техническое решение неизвестно из уровня техники, что дает основание сделать вывод о его новизне. Кроме того, оно явным образом не следует из уровня техники, что говорит о его изобретательском уровне.

Сущность предлагаемого изобретения поясняется следующим описанием.

Кремниевая подложка загружается в плазмохимический реактор, в котором осуществляется осаждение пленки на базе кремния (SiOx, SiNx или SiOxNy, с возможными добавками элементов, модифицирующих электрофизические свойства этих материалов) в плазме низкочастотного разряда из соответствующих газовых смесей на базе силана.

Пример реализации способа получения диэлектрического слоя с эффектом переключения проводимости.

На кремниевую подложку р-типа проводимости наносится слой SiOx с содержанием кремния 34 ат. процента толщиной 60 нм. Сверху формируются металлические контактные площадки размером от 0,4×0,4 до 5×5 мм2 (фиг.1). При приложении напряжения между подложкой и верхним металлическим электродом наблюдается биполярный бистабильный эффект переключения проводимости (фиг.2 и 3).

Характерные пороговые напряжения составляют порядка 30-50 В. Максимальные токи, наблюдаемые в тестовых структурах, в открытом состоянии, составляют величины порядка от 1 мА до 10 мА.

Таким образом, как следует из приведенного примера, предлагаемый способ позволяет формировать диэлектрические слои, обладающие эффектом переключения проводимости. Данный способ формирования таких диэлектрических слоев может быть использован для изготовления двухэлектродных ячеек энергонезависимой памяти со структурой проводящий слой - диэлектрик - проводящий слой и перепрограммируемых логических матриц.

Благодаря использованию предлагаемого способа достигаемые технические результаты имеют следующие особенности:

1. Получаемые диэлектрические слои полностью совместимы с материалами, применяемыми в традиционной (классической) кремниевой технологии интегральных микросхем.

2. Сформированные на базе таких диэлектрических слоев приборные структуры электроники могут быть подвержены большинству технологических воздействий, применяемых в технологии интегральных схем.

Для оптимизации свойств диэлектрических слоев, обладающих эффектом переключения проводимости, следует подбирать технологические параметры процесса их осаждения.

Способ формирования обладающего эффектом переключения проводимости диэлектрического слоя путем нанесения композитного материала, отличающийся тем, что нанесение проводят осаждением кремнийсодержащего материала из смеси силана с кислородсодержащими и/или азотсодержащими газами в плазме низкочастотного тлеющего разряда частотой 3-200 кГц.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к полупроводниковой технике. .

Изобретение относится к полупроводниковой технологии и может быть использовано для изготовления приборных структур. В способе изготовления структуры кремний-на-изоляторе в аморфный изолирующий слой SiO2 подложки кремния осуществляют имплантацию ионов легко диффундирующей примеси, удаляющей нерегулярные связи и насыщающей оборванные связи в слое SiO2 и/или на границе раздела между слоем SiO2 и поверхностным слоем кремния - F+. Формируют область локализации имплантированной примеси при условиях, обеспечивающих концентрацию внедряемой примеси не менее 0,05 ат.% и не более 1 ат.%, достаточную для устранения негативных проявлений нерегулярных и оборванных связей, при дозах не менее 3×1014 см-2 и менее 5×1015 см-2. Соединяют со слоем SiO2 подложки кремниевую подложку-донор и проводят сращивание с формированием поверхностного слоя кремния требуемой толщины на SiO2, изготавливая структуру кремний-на-изоляторе. В финале осуществляют отжиг при условиях, обеспечивающих диффузию внедренной примеси с удалением нерегулярных связей и насыщением оборванных связей в SiO2 и/или на границе раздела между слоем SiO2 и поверхностным слоем SiO, при температурах 700-1100°C, длительности более 0,5 часа, в инертной атмосфере. Изобретение обеспечивает повышение качества структуры, расширение сферы применения способа - для создания устройств с повышенной стойкостью к воздействию ионизирующего излучения. 11 з.п. ф-лы, 2 ил.

Изобретение относится к полупроводниковой технологии. В аморфный изолирующий слой SiO2 подложки Si осуществляют имплантацию ионов легко сегрегирующей примеси, способной формировать нанокристаллы в объеме слоя SiO2-Si+ или Ge+. Получают область локализации имплантированной примеси. Режимы имплантации обеспечивают концентрацию внедряемой примеси, достаточную для формирования нанокристаллов не менее 10 ат.% и не более 20 ат.%, при которой расстояние между внедренными примесными атомами меньше их диффузионной длины при отжиге, и расположение области локализации имплантированной примеси на расстоянии от поверхностного слоя полупроводника не менее длины диффузии внедренной примеси при отжиге. Соединяют со слоем SiO2 подложки полупроводниковую подложку-донор из Si и проводят сращивание с формированием поверхностного слоя Si требуемой толщины на SiO2, изготавливая структуру полупроводник-на-изоляторе. В финале осуществляют отжиг, обеспечивающий диффузию внедренной примеси, коалесценцию и формирование нанокристаллов в аморфном изолирующем слое. За счет формирования нанокристаллов, являющихся ловушками отрицательных зарядов, компенсируется негативное влияние встроенного положительного заряда в диэлектрике, обеспечивая повышение качества структуры, устранение последствий ионизирующего излучения, расширение сферы применения способа - для создания устройств с повышенной стойкостью к воздействию ионизирующего излучения. 13 з.п. ф-лы, 4 ил.

Изобретение относится к области микро- и наноэлектроники. Способ изготовления диэлектрического слоя МДП структур, обладающих эффектом переключения, заключается в нанесении нанокомпозитной пленки оксинитрида кремния с включенными кластерами кремния. Нанесение осуществляют методом плазменного распыления кремниевой мишени при скорости осаждения 5-7 нм/мин в среде аргона с добавками 3-5% об. кислорода и 6-8% об. азота. Техническим результатом изобретения является получение диэлектрических слоев, обладающих эффектом переключения проводимости, полностью совместимых с материалами, а также с большинством технологических воздействий, применяемых в традиционной кремниевой технологии интегральных микросхем. 1 з.п. ф-лы, 3 ил.

Изобретение относится к полупроводниковой технологии и может быть использовано для изготовления приборных структур. В подложку из кремния проводят имплантацию ионов с формированием слоя, предназначенного для переноса. Осуществляют активирующую обработку поверхности, по которой проводят сращивание. Подложки кремния и сапфира соединяют в пары поверхностями, предназначенными для сращивания. Предварительно придают им температуру, соответствующую состояниям их материалов, обусловленных термическим расширением, гарантирующим при соединении в пары и последующих термических воздействиях отсутствие вызывающих разрушение внутренних механических напряжений. Выполняют сращивание поверхностей подложки из кремния и подложки сапфира друг с другом и расслоение, осуществляя перенос слоя кремния на подложку сапфира и получая структуру. За счет предварительного, перед соединением в пары, нагрева до температур 200-400°C подложек достигают повышения устойчивости к механическому разрушению структуры кремний-на-сапфире при нагреве/остывании, снижения концентрации дефектов в кремнии. 10 з.п. ф-лы, 4 ил.

Изобретение относится к области микро- и наноэлектроники, а именно к конструкции диэлектрического слоя МДП структур, обладающих эффектом переключения проводимости. Особенность предлагаемой конструкции состоит в том, что внутри основной диэлектрической пленки - широкозонного полупроводника из оксида и/или нитрида кремния или их сплавов с углеродом или германием, со встроенными наноразмерными кластерами кремния - сформированы 1-5 слоев материала на базе кремния толщиной 1-5 нм, отличающихся от материала основного слоя химическим составом и меньшей шириной запрещенной зоны. Техническим результатом изобретения является получение диэлектрических слоев на базе кремния для МДП структур, обладающих эффектом переключения проводимости, позволяющее получать МДП структуры малой площади при повышении выхода годных структур. 2 ил.
Наверх