Конструкция диэлектрического слоя для мдп cтруктур, обладающих эффектом переключения проводимости



Конструкция диэлектрического слоя для мдп cтруктур, обладающих эффектом переключения проводимости
Конструкция диэлектрического слоя для мдп cтруктур, обладающих эффектом переключения проводимости

 


Владельцы патента RU 2563553:

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

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.

 

Изобретение относится к области микро- и наноэлектроники, а именно к конструкции диэлектрического слоя МДП структур, обладающих эффектом переключения проводимости на основе многослойных нанокомпозитных пленок из оксида и нитрида кремния или их сплавов с углеродом или германием со встроенными наноразмерными кластерами кремния, и может быть использовано при изготовлении ячеек памяти и перепрограммируемых логических матриц 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 структуре 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, с.83-127), в халькогенидных стеклообразных полупроводниках, один из контактных электродов, который 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, Н. Schroeder, R. Waser. ESL 10, 51. 2007) обнаружен биполярный эффект переключения проводимости МИМ структур.

В настоящее время проводятся широкие исследования по разработке приборов PvRAM и CBPvAM, 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), a также в некоторых других диэлектриках.

Известна конструкция ячейки памяти, обладающей эффектом переключения проводимости с применением в качестве диэлектрика многослойных полимеров с промежуточной тонкой металлической пленкой (см. J. Campbell Scott, Luisa D. Bozano. Adv. Mater. 19, 1452, 2007), которая, по мнению авторов, теряет сплошность и представляет из себя наноразмерные металлические кластеры (прообраз).

Наиболее близким по совокупности признаков к заявленному (прототип) является диэлектрический слой, обладающий эффектом переключения проводимости, выполненный в виде сплошной диэлектрической пленки нестехиометрического оксида или оксинитрида кремния с возможными добавками элементов, модифицирующих электрофизические свойства этих материалов, сформированный путем осаждения кремнийсодержащего диэлектрического материала из смеси моносилана с кислородсодержащими или азотсодержащими газами в плазме низкочастотного тлеющего разряда (см. Патент РФ №2449416, H01L 21/762, заявленный 02.09.2010).

Положительной стороной данного диэлектрического материала является его полная совместимость с оборудованием и материалами, применяемыми в традиционной технологии интегральных микросхем, и отсутствие необходимости создания особых условий для формирования канала проводимости.

Однако недостатком указанного диэлектрического слоя является разброс напряжения переключения проводимости МДП структур, сформированных на данном диэлектрическом материале и уменьшение количества работающих элементов памяти при уменьшении площади верхнего электрода структуры. Это обусловлено случайным характером распределения кремниевых кластеров внутри диэлектрической пленки, в результате чего плотность мест, где создаются условия для возникновения канала проводимости и его последующего включения и выключения, мала.

Технической задачей, решаемой предлагаемым изобретением, является создание конструкции диэлектрического слоя МДП структур, обладающих эффектом переключения проводимости на основе нанокомпозитных пленок из оксида и нитрида кремния или сплавов кремния с углеродом или германием, со встроенными наноразмерными кластерами кремния, обеспечивается уменьшение площади МДП структур, обладающего эффектом переключения проводимости, и повышение выхода годных.

Указанная техническая задача решается тем, что в известной конструкции диэлектрического слоя для МДП структур, обладающих эффектом переключения проводимости, выполненной в виде диэлектрической пленки - широкозонного полупроводника из оксида и/или нитрида кремния или их сплава с углеродом или германием, со встроенными наноразмерными кластерами кремния, внутри диэлектрической пленки дополнительно сформировано 1-5 слоев материала на базе кремния толщиной 1-5 нм с отличающимся от основной диэлектрической пленки химическим составом и имеющих меньшую, чем у материала основной диэлектрической пленки, ширину запрещенной зоны при общей толщине диэлектрического слоя 30-120 нм.

Новым является то, что внутри диэлектрической пленки дополнительно сформировано 1-5 слоев материала на базе кремния толщиной 1 -5 нм с отличающегося от основной диэлектрической пленки химическим составом и имеющих меньшую, чем у материала основной диэлектрической пленки, ширину запрещенной зоны при общей толщине диэлектрического слоя 30-120 нм.

Сущность изобретения заключается в том, что дополнительно сформированные внутри диэлектрической пленки нанометровые слои материала на базе кремния выполняют функции кластеров материала с меньшей шириной запрещенной зоны, причем слои обладают одинаковыми размерами в направлении металл - полупроводник и местом расположения между границами диэлектрика в различных местах площади подложки, и поэтому обеспечивается улучшенная воспроизводимость параметров эффекта переключения проводимости и возможность существенного уменьшения площади МДП структур при сохранении у них эффекта переключения проводимости. Для получения такой конструкции диэлектрика процесс его формирования методом плазмохимического осаждения разбивается на несколько этапов, которые отличаются составом газовой смеси и продолжительностью, которая выбирается исходя из предлагаемых толщин слоев. При формировании внутри основной диэлектрической пленки дополнительных слоев материала, отличающегося от основной диэлектрической пленки химическим составом и имеющего меньшую, чем у основного материала ширину запрещенной зоны, уменьшается содержание газа - источника кислорода и увеличивается содержание газа - источника азота, кроме того, шириной запрещенной зоны можно управлять, делая добавки германия. Для увеличения ширины запрещенной зоны в состав основной диэлектрической пленки вводится углерод. Избыток газообразного источника кремния в процессе осаждения слоев также влияет на ширину запрещенной зоны в сторону ее уменьшения и, кроме того, выбирается исходя из предлагаемого количества кластеров кремния внутри осаждаемых слоев. Конкретные технологические параметры выбираются в результате оптимизации электрических параметров эффекта переключения проводимости получаемой МДП структуры. Число встроенных в основной диэлектрик слоев также выбирается при оптимизации свойств получаемых структур и может составлять от 1 до 5. Выбор толщины, количества и взаимного расположения слоев, а также их состава обусловлен оптимизацией свойств МДП структуры с такой диэлектрической пленкой.

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

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

Сущность предлагаемого изобретения поясняется следующим описанием. На полупроводниковую подложку наносят слои, состоящие из оксида и/или нитрида кремния или их сплавов с углеродом или германием, с включениями кремниевых нанокластеров. Толщина отдельных слоев составляет от 1 до 100 нм, общая толщина многослойной диэлектрической пленки составляет 30-120 нм. После чего на полученный многослойный диэлектрик наносят металлические электроды

Пример реализации конструкции диэлектрического слоя МДП структур, обладающих эффектом переключения проводимости, см. фиг.1.

На кремниевую подложку p-типа проводимости методом низкочастотного (55 кГц) плазмохимического осаждения наносят диэлектрическую пленку, состоящую из слоя SiOx (х~1,95) толщиной 6 нм (1), слоя SiNy (у~1,33) толщиной 2 нм (2), слоя SiOx (х~1,95) толщиной 6 нм(3), слоя SiNy (у~1,33) толщиной 2 нм(4), слоя SiOx (х~1,95) толщиной 40 нм (5). Параметры процесса плазмохимического осаждения следующие. Общие: температура 380°С, режим горения разряда пульсирующий tвкл.=1,2 мс, tвыкл.=4,8 мс; при осаждении SiOx: давление 170 Па, мощность 150 Вт, отношение силана к окиси азота 1:6; при осаждении SiNy: давление 225 Па, мощность 400 Вт, отношение силана к аммиаку 1:15.

Для изготовления МДП структуры на осажденной пленке формируют алюминиевые контактные площадки размером от 6x6 до 1000x1000 мкм. При приложении напряжения между подложкой и верхним металлическим электродом наблюдается биполярный бистабильный эффект переключения проводимости, который иллюстрируется вольт-амперными характеристиками, см. фиг.2.

Изготовленная исходная МДП структура находится в непроводящем состоянии, т.е. в состоянии с низкой проводимостью. При подаче отрицательного напряжения к металлическому электроду структуры (прямое включение) ток через структуру не идет. При подаче положительного напряжения к металлическому электроду МДП структуры при напряжении 15-20 В протекающий через структуру ток резко возрастает до 0,6-0,7 мА (Фиг.2). При последующем снижении напряжения ток плавно уменьшается примерно по параболическому закону. Это означает, что структура переключилась в проводящее состояние.

При подаче отрицательного напряжения к металлическому электроду МДП структуры, находящейся в проводящем состоянии, ток структуры возрастает примерно до 0,3-0,5 мА (Фиг.2). При напряжении 5-10 В протекающий через структуру ток резко, на 3-4 порядка уменьшается. Структура переходит в непроводящее состояние.

При последующей подаче положительного напряжения закрытая МДП структура вновь переходит в проводящее состояние, а при последующей подаче отрицательного напряжения структура вновь переходит в непроводящее состояние. Таким образом, можно переключать структуру в проводящее или непроводящее состояние приложением напряжения соответствующей полярности и величиной более чем порог переключения. Узнать состояние проводимости структуры можно, приложив напряжение меньшее, чем напряжения переключения, и измерив протекающий ток. Состояние проводимости структуры сохраняется в течение длительного времени, минимум 3 года. Факты спонтанного переключения проводимости не наблюдаются.

Эффект переключения проводимости наблюдается в МДП структурах разной площади, причем электрические параметры, характеризующие эффект от площади, зависят слабо. Характерные пороговые напряжения включения Uon и выключения Uoff составляют величину порядка 15-20 и 5-10 В соответственно. Максимальные токи, наблюдаемые в МДП структурах в открытом состоянии, составляют величины от 0,3 до 1 мА.

Последующие опыты отличаются от описанного тем, что менялись соотношения активных газов, толщины осаждаемых слоев, их количество, а также в ряде случаев при осаждении оксида кремния в исходную газовую смесь добавлялась углеродсодержащее вещество в виде метана, а при осаждении нитрида кремния в газовую смесь добавлялся источник германия в виде германа. Полученные МДП структуры также обладают эффектом переключения проводимости.

Из приведенных примеров следует, что предлагаемая конструкция позволяет формировать МДП элементы, содержащие диэлектрические многослойные пленки, состоящие из диэлектрика (широкозонного полупроводника), внутри которого имеются слои из материала с меньшей шириной запрещенной зоны, пригодные для использования их в качестве двухэлектродных ячеек энергонезависимой перепрограммируемой памяти и перепрограммируемых логических матриц.

Таким образом, предлагаемая конструкция диэлектрического слоя, в отличие от прототипа, позволяет получать работоспособные МДП элементы малой площади при повышении выхода годных МДП структур.

Конструкция диэлектрического слоя для МДП структур, обладающих эффектом переключения проводимости, выполненная в виде диэлектрической пленки - широкозонного полупроводника из оксида и/или нитрида кремния или их сплавов с углеродом или германием, со встроенными наноразмерными кластерами кремния, отличающаяся тем, что внутри диэлектрической пленки дополнительно сформировано 1-5 слоев материала на базе кремния толщиной 1-5 нм, отличающихся от диэлектрической пленки химическим составом и имеющих меньшую, чем у материала диэлектрической пленки, ширину запрещенной зоны при общей толщине диэлектрического слоя 30-120 нм.



 

Похожие патенты:

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.

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.

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 электронной технике СВЧ. В мощном полевом транзисторе СВЧ на полупроводниковой гетероструктуре упомянутая полупроводниковая гетероструктура выполнена в виде последовательности следующих основных слоев, по меньшей мере, одного буферного слоя GaAs толщиной не менее 200 нм, группы проводящих слоев, формирующих канал полевого транзистора, в составе собственно канального слоя InyGa1-yAs толщиной 12-18 нм и, по меньшей мере, двух δn-слоев, легированных донорной примесью, и двух спейсерных i-слоев AlxGa1-xAs толщиной каждый 1-3 нм, попарно расположенных по обе стороны собственно канального слоя, двух групп барьерных слоев AlxGa1-xAs, каждая в виде i-p-i системы барьерных слоев, одна из которых расположена с одной стороны группы проводящих слоев - подложечная, другая - с противоположной стороны - затворная, при этом барьерные слои в каждой i-p-i системе имеют толщину (100-200, 4-15, 2-10) нм в подложечной, (2-10, 4-10, 4-15) нм в затворной соответственно, уровень легирования акцепторной примесью (4-20)×1018 см-2 соответственно, барьерного слоя i-GaAs толщиной 5-30 нм, слоя омического контакта n+-GaAs толщиной (10-60) нм электродов истока и стока, при этом электрод затвора выполнен длиной не более 0,5 мкм.

Изобретение относится к электронной технике. Полупроводниковая гетероструктура для мощного полевого транзистора СВЧ содержит на монокристаллической полуизолирующей подложке арсенида галлия последовательность полупроводниковых слоев каждый с заданными функциональными свойствами и техническими характеристиками - толщиной слоев, составом - качественным и количественным, концентрацией легирующей примеси.

Изобретение относится к экспериментальной медицине и может быть использовано при ранней диагностике и лечении опухолей, индуцированных в эксперименте. Для раннего МРТ выявления опухолей, инвазий и метастазов животному вводят комбинации МРТ-негативных контрастных нанопрепаратов с позитивными МРТ контрастными препаратами.

Изобретение относится к электронной технике СВЧ. В мощном полевом транзисторе СВЧ на полупроводниковой гетероструктуре упомянутая гетероструктура выполнена в виде последовательности следующих основных слоев: по меньшей мере одного буферного слоя GaAs толщиной не менее 200 нм, группы проводящих слоев, формирующих канал полевого транзистора, в составе собственно канального слоя InyGa1-yAs толщиной 12-20 нм и по меньшей мере двух δn-слоев, легированных донорной примесью, и двух спейсерных i-слоев AlxGa1-xAs, толщиной каждый 1-3 нм, двух групп барьерных слоев AlxGa1-xAs, одна из которых расположена с одной стороны группы проводящих слоев - подложечная, другая - с противоположной стороны - затворная, при этом подложечная группа барьерных слоев выполнена в виде акцепторно-донорной p-i-δn системы барьерных слоев, затворная группа барьерных слоев - в виде донорно-акцепторной δn-i-p системы барьерных слоев, при этом в каждой группе барьерных слоев i-слой выполнен толщиной 0,5-10 нм, p-слой выполнен с уровнем легирования, обеспечивающим высоту потенциальных барьеров 0,4-0,8 ширины запрещенной зоны AlxGa1-xAs, δn-слой выполнен с избыточным уровнем легирования, обеспечивающим разницу поверхностной плотности донорной и акцепторной примеси равной (1-10)×1012 см-2.

Изобретение относится к ядерной технике, а именно к материалам для защиты от ионизирующего излучения, и предназначено для использования при изготовлении элементов радиационно-защитных экранов.

Изобретение относится к химической промышленности, а именно к технологическим составам, используемым для покрытия поверхностей твердого материала (тела) и получения многофункциональной (защитной) наноразмерной пленки (конкретно для модификации поверхностей с целью улучшения их свойств), и может найти применение в приборостроении, электронике, машиностроении, топливо-энергетическом комплексе, ЖКХ и иных отраслях, например, в металлообработке.
Изобретение относится к акриловым клеевым композициям (варианты) термического отверждения для прочного соединения металлических поверхностей, в том числе алюминиевых субстратов.

Изобретение относится к области производства резиновых смесей и изделий из этих смесей, в частности для изготовления пневмошин. Резиновая смесь содержит каучук и наполнители.

Изобретение относится к области термоэлектрического преобразования энергии. Сущность: термоэлектрический материал содержит полупроводниковую подложку, полупроводниковую оксидную пленку, образованную на полупроводниковой подложке, и термоэлектрический слой, выполненный на полупроводниковой оксидной пленке.

Изобретение относится к области строительного производства в автодорожной отросли и может быть применено при изготовлении асфальтобетона, в том числе с использованием нанотехнологий.

Изобретение относится к медицине и представляет собой биорезорбируемую полимерную клеточную матрицу для тканеинженерии. Матрица содержит каркас-носитель для клеточных культур и биологических агентов. Каркас выполнен собираемым из N ориентированных друг относительно друга двумерных матриц с N≥1 с возможностью их фиксации в стопку после заселения клетками для тканевой инженерии. Каждая из двумерных матриц сформирована с помощью литографии в виде пленки полимера с поверхностными массивами микро- и/или нанообъектов. Массивы характеризуются индивидуальной архитектурой, системностью и взаимосвязанностью расположения в архитектуре микро- и/или нанообъектов, с возможностью задания структуры костной ткани, подлежащей формированию, учета ее биологических функций, с возможностью обеспечения механической поддержки, управления процессами дифференцировки и пролиферации клеток. Технический результат заключается в управлении процессом регенерации ткани, локализации и направленности процесса, повышении эффективности регенерации ткани, достижении воспроизводимости в процессах и результатах регенерации ткани. 9 з.п. ф-лы, 19 ил.
Наверх