Способ изготовления диэлектрического слоя мдп структур, обладающих эффектом переключения проводимости



Способ изготовления диэлектрического слоя мдп структур, обладающих эффектом переключения проводимости
Способ изготовления диэлектрического слоя мдп структур, обладающих эффектом переключения проводимости
Способ изготовления диэлектрического слоя мдп структур, обладающих эффектом переключения проводимости

 


Владельцы патента RU 2529442:

Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Физико-технологический институт Российской академии наук (RU)

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 области микро- и наноэлектроники, а именно к способу изготовления диэлектрического слоя МДП структур, обладающих эффектом переключения проводимости на основе нанокомпозитных пленок из оксинитрида кремния со встроенными наноразмерными кластерами кремния, и может быть использовано при изготовлении ячеек памяти в интегральных БИС и СБИС.

В настоящее время большой интерес проявляется к исследованию структур, обладающих S-образными вольт-амперными характеристиками (ВАХ) при одной полярности приложенного напряжения и N-образными при другой (биполярный эффект переключения проводимости). Таким образом, переключение проводящего состояния структуры происходит в зависимости от полярности приложенного напряжения, превышающего определенный порог. Биполярный эффект переключения проводящего состояния наблюдался в структурах типа проводник - диэлектрик - проводник с различными диэлектриками (широкозонными полупроводниками). В частности, в халькогенидных стеклообразных полупроводниках, один из контактных электродов к которому был выполнен из серебра (см. Б.Т.Коломиец, Г.А.Андреева, Н.П.Калмыкова, Э.А.Лебедев, И.А.Таксами, В.Х.Шпунт. Приборы и системы управления, 4, 27, 1980), во фториде эрбия (см. Рожков В.А., Шалимова М.Б. ФТП, 27 (03), 438, 1993), оксиде иттербия (см. Байбурин В.Б., Волков Ю.П., Рожков В.А. ПЖТФ, 24 (12), 21, 1998), оксиде титана (см. D.S.Jeong, H.Schroeder, R.Waser. ESL 10, 51. 2007), в полимерах, в том числе в многослойных, с промежуточной тонкой металлической пленкой (см. J.Campbell Scott, Luisa D.Bozano. Adv. Mater. 19, 1452, 2007), представляющей из себя наноразмерные металлические кластеры. В настоящее время проводятся широкие исследования по разработке приборов RRAM и CBRAM, использующих эффект переключения проводимости в оксиде гафния и оксиде тантала (см. M-J.Lee, Ch.B.Lee, D.Lee et al. Nature Materials, 10, 625, 2011), а также в некоторых других структурах.

Известен способ формирования ячейки памяти, обладающей эффектом переключения проводимости со структурой металл - изолятор - металл (МИМ), в которой в качестве изолятора используются тонкие пленки различных окислов толщиной от 10 нм до нескольких микрон, расположенных между двумя металлическими электродами (см. Дирнлей Дж., Стоунхем А., Морган Д. «УФН, 1974, т.112, вып.1, стр.83-127).

После изготовления подобной структуры она помещается в вакуум и выполняется формовка, состоящая в подаче на электроды постоянного напряжения амплитудой до 15 В. После этого прибор под действием прикладываемого напряжения проявляет N-образные вольт-амперные характеристики, что позволяет использовать такие приборы в качестве элементов памяти. Установлено, что возможность формовки зависит от состава и давления остаточной атмосферы в вакууме, а сама формовка приводит к образованию в структуре каналов, сходных с каналами пробоя между металлическими электродами. Существенным фактором для получения необходимых вольт- амперных характеристик является проникновение молекул остаточной атмосферы в формируемую структуру. Недостатком такого устройства является низкая воспроизводимость характеристик, что связано с плохой контролируемостью условий проведения операции формовки.

Наиболее близким по совокупности признаков к заявленному (прототип) является способ изготовления диэлектрического слоя МДП структур, обладающих эффектом переключения проводимости, в соответствии с которым диэлектрический слой изготавливают путем осаждения кремнийсодержащего композитного материала из смеси моносилана с кислородсодержащими и/или азотсодержащими газами в плазме низкочастотного тлеющего разряда частотой 3-20 кГц (см. патент РФ №2449416 на изобретение, H01L 21/762, 02.09.2010).

Известный способ позволяет формировать диэлектрическую матрицу из диоксида кремния со встроенными кластерами аморфного гидрогенизированного кремния с размерами 1-4 нм, пригодного для изготовления двухэлектродных ячеек энергонезависимой перепрограммируемой памяти со структурой металл-диэлектрик-полупроводник (МДП).

Положительной стороной данного способа является его полная совместимость с оборудованием и материалами, применяемыми в традиционной технологии интегральных микросхем.

Однако недостатком рассмотренного способа изготовления диэлектрического слоя является использование в технологическом цикле токсичного, взрывоопасного и самовоспламеняющегося газа моносилана.

Технической задачей, решаемой предлагаемым изобретением, является создание безопасного способа изготовления диэлектрического слоя МДП структур, обладающих эффектом переключения проводимости на основе нанокомпозитных пленок из оксинитрида кремния со встроенными наноразмерными кластерами кремния, со всеми положительными сторонами способа, изложенного при описании прототипа, но без использования токсичного, взрывоопасного и легковоспламеняющегося газа моносилана.

Указанная техническая задача решается тем, что в известном способе изготовления диэлектрического слоя МДП структур, обладающих эффектом переключения проводимости, путем плазменного нанесения кремнийсодержащего материала, нанесение осуществляют методом магнетронного распыления кремниевой мишени в среде аргона с добавками кислорода и азота с получением нанокомпозитной пленки оксинитрида кремния с включенными наноразмерными кластерами кремния. Нанесение пленки проводят при скорости осаждения 5-7 нм/мин и концентрации кислорода и азота 6-8% об. и 3-5% об. соответственно.

Новым в предлагаемом способе является то, что нанесение осуществляют методом плазменного распыления кремниевой мишени в среде аргона с добавками кислорода и азота с получением нанокомпозитной пленки оксинитрида кремния с включенными кластерами кремния.

Дополнительное отличие заключается в том, что нанесение ведут при скорости осаждения 5-7 нм/мин и концентрации кислорода и азота 6-8% об. и 3-5% об. соответственно.

Заявленное техническое решение неизвестно из уровня техники, что дает основание сделать вывод о его новизне.

Выбор состава и пропорций газовой смеси (а также других технологических параметров) обусловлен оптимизацией свойств диэлектрического слоя.

Кроме того, оно явным образом не вытекает из уровня техники, что говорит о соответствии его критерию изобретательского уровня.

Сущность предлагаемого изобретения поясняется следующим описанием.

Кремниевая подложка устанавливается в рабочей камере установки магнетронного напыления. Источником кремния для формирования нанокомпозитной пленки диэлектрика с включениями наноразмерных кластеров кремния служит мишень из монокристаллического кремния. В установке магнетронного напыления формируется плазма из смеси газов аргона, кислорода и азота. При бомбардировке плазмой кремниевой мишени на подложке осаждается нанокомпозитная пленка, состоящая из оксинитрида кремния SiOxNy с включениями наноразмерных кластеров кремния.

Пример реализации способа изготовления диэлектрического слоя МДП структур, обладающих эффектом переключения проводимости.

На кремниевую подложку p-типа проводимости магнетронным напылением кремния наносят нанокомпозитную пленку толщиной 55-60 нм, состоящую из оксинитрида кремния SiOxNy с включениями наноразмерных кластеров кремния. Давление аргона с кислородом и азотом в рабочей камере поддерживают в пределах 1-5·10-4 Торр, содержание O2 в Ar2 составляет 6-8 объемных %, а N2 составляет 3-5 объемных %.

Химический состав пленки определяют методом Оже-спектроскопии. В зависимости от режимов нанесения содержание кремния в пленке составляет 36-42 ат.%, азота 4-6 ат.% и кислорода 52-57 ат.%.

Для изготовления МДП структуры на осажденной пленке формируют 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, который иллюстируется вольт-амперными характеристиками структур (фиг.2, 3).

Изготовленная исходная МДП структура находится в закрытом состоянии. При подаче отрицательного напряжения к металлическому электроду структуры (прямое включение) ток через структуру не идет. При подаче положительного напряжения к металлическому электроду МДП структуры (обратное включение) при напряжении 2-3 В протекающий через структуру ток резко возрастает до 200 мкА (Фиг.2). При последующем снижении напряжения ток плавно уменьшается примерно по параболическому закону. Это означает, что структура переключилась в открытое состояние.

При подаче отрицательного напряжения к металлическому электроду МДП структуры, находящейся в открытом состоянии, (прямое включение) ток структуры возрастает примерно до 200 мкА (Фиг.3). При напряжении 3-4 В протекающий через структуру ток резко, на 3-4 порядка уменьшается. Структура переходит в закрытое состояние.

При последующем обратном включении закрытая МДП структура вновь переходит в открытое состояние, а при последующем обратном включении структура вновь переходит в закрытое состояние. Таким образом, можно переключать структуру в проводящее или непроводящее состояние приложением напряжения соответствующей полярности и величиной более чем порог переключения.

Состояние проводимости структуры сохраняется в течение длительного времени, минимум год. Факты спонтанного переключения проводимости не наблюдаются.

Характерные пороговые напряжения включения Uon и выключения Uoff составляют величину порядка 2-5 В. Максимальные токи, наблюдаемые в МДП-структурах в открытом состоянии, составляют величины от 1 до 50 мкА.

Из приведенного примера следует, что предлагаемый способ позволяет формировать нанокомпозитные диэлектрические слои из оксинитрида кремния с включенными наноразмерными кластерами кремния, пригодные для изготовления двухэлектродных ячеек энергонезависимой памяти со структурой металл - диэлектрик - полупроводник и перепрограммируемых логических матриц. Особенностью предлагаемого способа в отличие от прототипа является то, что при его реализации не используются токсичные и взрывоопасные газы.

1. Способ изготовления диэлектрического слоя МДП структур, обладающих эффектом переключения проводимости, путем плазменного нанесения кремнийсодержащего материала, отличающийся тем, что нанесение кремнийсодержащего материала осуществляют методом магнетронного распыления кремниевой мишени с использованием плазмы, генерируемой электрическим разрядом постоянного тока в среде аргона с контролируемыми добавками кислорода и азота с получением нанокомпозитной пленки оксинитрида кремния с включенными наноразмерными кластерами кремния.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что нанесение пленки ведут при скорости осаждения 5-7 нм/мин и концентрации кислорода и азота 6-8% об. и 3-5% об. соответственно.



 

Похожие патенты:

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+.

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+.

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

Изобретение относится к полупроводниковой технике. .

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