КОНСТРУКЦИЯ ДИЭЛЕКТРИЧЕСКОГО СЛОЯ ДЛЯ МДП CТРУКТУР, ОБЛАДАЮЩИХ ЭФФЕКТОМ ПЕРЕКЛЮЧЕНИЯ ПРОВОДИМОСТИ
STRUCTURE OF DIELECTRIC LAYER FOR MIS STRUCTURES HAVING CONDUCTIVITY SWITCHING EFFECT

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.
x
y
x
вкл.
выкл.
x
y
На кремниевую подложку p-типа проводимости методом низкочастотного (55 кГц) плазмохимического осаждения наносят диэлектрическую пленку, состоящую из слоя SiO (х~1,95) толщиной 6 нм (1), слоя SiN (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 SiO (х~1,95) толщиной 40 нм (5). Параметры процесса плазмохимического осаждения следующие. Общие: температура 380°С, режим горения разряда пульсирующий t=1,2 мс, t=4,8 мс; при осаждении SiO: давление 170 Па, мощность 150 Вт, отношение силана к окиси азота 1:6; при осаждении SiN: 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.
on
off
Эффект переключения проводимости наблюдается в МДП структурах разной площади, причем электрические параметры, характеризующие эффект от площади, зависят слабо. Характерные пороговые напряжения включения U и выключения U 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.