Способ формирования диэлектрических пленок анодированного сплава алюминий-кремний, обладающих эффектом переключения проводимости
METHOD FOR FORMING DIELECTRIC FILMS OF ANODIZED ALUMINUM-SILICON ALLOY HAVING EFFECT OF SWITCHING CONDUCTIVITY

Изобретение относится к области микро- и наноэлектроники, а именно к способу изготовления диэлектрического слоя МДП структур, обладающих эффектом переключения проводимости на основе пленок анодированного сплава алюминий-кремний. Сущность изобретения: способ формирования диэлектрических пленок анодированного сплава алюминий-кремний, обладающих эффектом переключения проводимости.
В настоящее время большой интерес проявляется к исследованию структур, обладающих S-образными вольтамперными 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.
Известно, что эффект переключения проводимости наблюдался в оксидах металлов [Рожков В.А, Шалимова М.Б. // ФТП, 27 (03), 438 (1993); Байбурин В.Б., Волков Ю.П., Рожков В.А. // ПЖТФ, 24 (12), 21 (1998); M-J. Lee, Ch. B. Lee, D. Lee et al // Nature Materials, 10, 625 (2011)]. Детального исследования этого эффекта авторами проведено не было. Можно предположить, что в исследованных оксидах были недоокисленные участки, представляющие из себя наноразмерные металлические кластеры.
Известен способ формирования пленки оксинитрида кремния с включенными кластерами кремния методом магнетронного распыления кремниевой мишени в среде аргона с добавками кислорода и азота [Бердников А.Е., Геращенко В.Н., Гусев В.Н., Мироненко А.А., Орликовский А.А., Попов А.А., Рудый А.С. Способ изготовления диэлектрического слоя МДП структур, обладающих эффектом переключения проводимости // Патент РФ на изобретение №2529442 от 1 августа 2014 г.].
Наиболее близким по совокупности признаков к заявленному (прототип) является: способ формирования обладающего эффектом переключения проводимости диэлектрического слоя на основе кремнийсодержащего композитного материала [Бердников А.Е., Орликовский А.А., Мироненко А.А., Попов А.А., Черномордик В.Д. Ячейка памяти со структурой проводящий слой - диэлектрик - проводящий слой // Патент на изобретение №2376677от 20 декабря 2009 г., Орликовский А.А., Бердников А.Е., Мироненко А.А., Попов А.А., Черномордик В.Д., Перминов А.В. Способ формирования обладающего эффектом переключения проводимости диэлектрического слоя // Патент РФ на изобретение №2449416 от 27 апреля 2012 г.; А.Е. Бердников, В.Н. Гусев, А.А. Мироненко, А.А. Попов, А.В. Перминов, А.С. Рудый, В.Д. Черномордик. Эффект переключения проводимости в МДП структурах с диэлектриками на базе кремния, полученными методом низкочастотного плазмохимического осаждения / ФТП. 2013, том 47, вып. 5, стр. 626-632].
Процесс изготовления диэлектрического слоя МДП структур, обладающих эффектом переключения проводимости, сводится к нанесению композитного материала со встроенными наноразмерными кластерами кремния из смеси моносилана с кислородсодержащими газами в плазме низкочастотного тлеющего разряда. Основным 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 уменьшается вероятность возникновения каналов, обеспечивающих переключения проводимости сформированных МДП структур.
Техническим результатом, достигаемым настоящим изобретением, является создание способа формирования диэлектрических пленок анодированного сплава алюминий-кремний, обладающих эффектом переключения проводимости, полностью совместимого с кремниевой технологией интегральных микросхем. Формируемый материал представляет собой диэлектрик, в который встроены наноразмерные кластеры кремния. Такой материал может приобретать и сохранять электрический заряд, что позволяет использовать его для создания устройств энергонезависимой перепрограммируемой памяти, мемристоров, нейронных сетей.
На практике оксидные пленки формируют электрохимическим методом или более простым и удобным химическим. Преимуществом химического метода оксидирования является небольшая продолжительность процесса, простота его выполнения и несложное и доступное оборудование.
Технический результат достигается тем, что в способе формирования обладающего эффектом переключения проводимости диэлектрического слоя путем нанесения композитного материала, представляющего собой диэлектрик, в который встроены наноразмерные кластеры кремния, согласно изобретению, формирование материала производят химическим анодированием сплава алюминий-кремний.
Сущность предлагаемого изобретения поясняется следующим описанием.
17
-3
Кремниевая подложка КДБ 12 (100) легировалась бором с обеих сторон до поверхностных концентраций порядка 10 см. На лицевую сторону подложки методом магнетронного распыления наносился сплав АК-1,5 толщиной 0,5-0,6 0 мкм.
Химическое оксидирование на всю толщину пленки проводили в фосфорнокислом растворе следующего состава, г/л:
Фосфорная кислота
40-50
Хромовый ангидрид
5-7
Фтористый натрий
3-4
Затем на обратную сторону подложки напыляли сплошной слой Al, а на лицевую сторону через маску с отверстиями диаметром 3 мм напыляли контакты из Al. Сформированная МДП структура представлена на фиг. 1.
Вольтамперные характеристики (ВАХ) ячеек измерялись на приборе ИППП - 1/2. Для прямого включения сформированной МДП структуры положительное напряжение прикладывалось к верхнему алюминиевому электроду. Сформированные МДП структуры на пленке оксидированного сплава АК 1,5 обладают эффектом переключения проводимости, ВАХ которого представлена на фиг. 2.
При измерении ВАХ развертка по напряжению подавалась таким образом, чтобы измерялся ток при изменении напряжения от минус 3 В до плюс 3 В и обратно. На фиг. 2 мы видим шесть характерных участков ВАХ.
Участок 1. От начала подачи напряжения от -3 В до 0 В, характеризуется нелинейным изменением тока от напряжения. Изменения тока от напряжения близки к параболическому закону.
Участок 2. При подаче напряжения 1,8-2,2 В также имеет место параболический закон изменения тока от напряжения.
Участок 3. Характеризуется резким падением тока от напряжения.
Участки 4 и 5. Характеризуются высоким сопротивлением структуры.
Участок 6. Характеризуется резким увеличением тока при увеличении отрицательного напряжения и имеет обратимый характер.
Таким образом, на ВАХ сформированной МДП структуры можно наблюдать переключение проводимости. Состояние с низким сопротивлением (открытое состояние МДП структуры) на фиг. 2 представлено участком 2. Участок 4 характеризуется высоким сопротивлением (закрытое состояние МДП структуры).
Таким образом, МДП структуры, сформированные на пленках оксидированного сплава АК 1,5, обладают эффектом переключения проводимости.
Высокая стабильность пленок оксидированного сплава АК 1,5 позволяет длительное время сохранять проводимость МДП структур. Факты спонтанного переключения проводимости МДП структур не наблюдались в течение трех лет.
Положительной стороной данного способа является его полная совместимость с оборудованием и материалами, применяемыми в традиционной технологии интегральных микросхем.