СПОСОБ ФОРМИРОВАНИЯ ОБЛАДАЮЩЕГО ЭФФЕКТОМ ПЕРЕКЛЮЧЕНИЯ ПРОВОДИМОСТИ ДИЭЛЕКТРИЧЕСКОГО СЛОЯ
METHOD FOR FORMATION OF DIELECTRIC LAYER WITH CONDUCTIVITY SWITCHING EFFECT

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.
3
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 WO. 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.
2
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 мм (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.