Способ получения активной структуры элемента энергонезависимой резистивной памяти
METHOD FOR PRODUCING ACTIVE STRUCTURE OF NON-VOLATILE RESISTIVE MEMORY ELEMENT

Техническое решение относится к технике накопления информации, к вычислительной технике, в частности, к элементам резистивной памяти, к элементам памяти электрически перепрограммируемых постоянных запоминающих устройств, сохраняющих информацию при отключенном питании, и может быть использовано при создании устройств памяти, например, вычислительных машин, микропроцессоров, электронных паспортов, электронных карточек.
Работа элемента энергонезависимой резистивной памяти основана на эффекте резистивного переключения, который заключается в быстром и обратимом переходе между двумя устойчивыми состояниями с различными сопротивлениями материала активного слоя, являющегося конструктивным элементом активной структуры.
2
2
16
18
-3
Известен способ получения активной структуры элемента энергонезависимой резистивной памяти (описание изобретения к патенту US №10475994 В2, опубликовано 12.11.2019), включающий формирование на подложке активного слоя, обладающего филаментарным механизмом проводимости, в объеме которого сформированы наночастицы. Указанный слой формируют в виде слоя диэлектрика, содержащего наночастицы из полупроводникового материала, каждая из которых капсулирована диэлектриком. В качестве диэлектрика, в частности, используют SiO, в качестве полупроводникового материала - Si. Для формирования слоя сначала проводят магнетронное распыление мишеней SiO и Si, осаждая соответствующие материалы на подложку, затем осуществляют высокотемпературную обработку для формирования наночастиц. Магнетронное распыление мишеней осуществляют посредством бомбардировки Ar. Высокотемпературную обработку - отжиг проводят в течение 1 часа при температуре 900°C. В результате получают слой толщиной от 3 нм до 1 мкм, в предпочтительном варианте реализации толщиной от 10 до 50 нм, с размером наночастиц в поперечнике от 1 до 15 нм, соответственно, в предпочтительном варианте реализации с размером от 2 до 10 нм, с содержанием наночастиц в слое с характерной концентрацией от 10 до 10 см.
Рассмотренный способ не решает техническую проблему обеспечения производства устройств энергонезависимой резистивной памяти на основе полупроводниковой технологии с использованием традиционных для нее материалов, направленного на увеличение процента выхода годных изделий и, соответственно, снижение их стоимости, а также изготовления элементов энергонезависимой резистивной памяти в матричном исполнении.
Недостатком приведенного технического решения является необходимость проведения формовки в отношении элементов энергонезависимой резистивной памяти, изготавливаемых на основе получаемой данным способом активной структуры, - операции, в ходе которой из-за прикладываемого значительного электрического поля высока вероятность необратимого пробоя диэлектрика, выход из строя элемента памяти и, как следствие, снижение процента выхода годных изделий с соответствующим увеличением их стоимости. Кроме того, следует отметить случайный характер распределения наночастиц в объеме слоя и формирования контактов для реализации филаментарного механизма проводимости. Формирование наноконтактов может происходить неконтролируемо и характеризоваться большим разбросом по параметрам, отражаясь на параметрах элемента памяти. Получение в активном слое наночастиц тем образом, каким реализовано в данном способе, не является оптимальным для обеспечения хороших рабочих характеристик мемристора.
2
2
2
2
Известен способ получения активной структуры элемента энергонезависимой резистивной памяти (Chih-Yi Liu, Jyun-Jie Huang, Chun-Hung Lai and Chao-Han Lin, Influence of embedding Cu nano-particles into a Cu/SiO/Pt structure on its resistive switching, - Nanoscale Research Letters 8, Article number: 156 (2013)), включающий формирование на подложке активного слоя с филаментарным механизмом проводимости, в объеме которого сформированы наноконцентраторы электрического поля в виде наночастиц. Указанный слой формируют в виде слоя диэлектрика, содержащего наночастицы меди, каждая из которых капсулирована диэлектриком. Сначала на подложке осуществляют формирование слоя SiO толщиной 20 нм посредством радиочастотного распыления (ВЧ распыление) при комнатной температуре, затем на слой SiO осаждают слой Cu толщиной 10 нм посредством термического испарения. После получения указанных слоев проводят высокотемпературную обработку - быстрый термический отжиг при температуре 600°C в течение 5 с в инертной атмосфере азота для формирования Cu-наночастиц. Затем осаждают второй слой SiO толщиной 20 нм.
Раскрытый в указанной статье способ не решает техническую проблему обеспечения производства устройств энергонезависимой резистивной памяти на основе полупроводниковой технологии с использованием традиционных для нее материалов, отвечающего условию увеличению процента выхода годных изделий и, соответственно, снижению их стоимости, а также способствующего реализации возможности изготовления элементов энергонезависимой резистивной памяти в матричном исполнении.
2
Наличие в объеме активного слоя из SiO наночастиц Cu приводит к локализации электрического поля в активном слое, что сказывается на снижении величины напряжения формовки. Указанные наночастицы в объеме активного слоя также стабилизируют переключение с большим окном переключения и улучшают характеристики в отношении количества переключений. Тем не менее, как указывают в статье авторы, для достижения эффекта резистивного переключения, на основе которого будет функционировать элемент энергонезависимой резистивной памяти с активной структурой, получаемой в соответствии с рассмотренным способом, необходима операция формовки путем приложения высокого напряжения положительной полярности - операции, в ходе которой из-за прикладываемого электрического поля высока вероятность необратимого пробоя диэлектрика, выход из строя элемента памяти и, как следствие, снижение процента выхода годных изделий с соответствующим увеличением их стоимости. Следует отметить также случайный характер распределения наночастиц, локализованных в плоскости, расположенной в объеме слоя, и формирования наноконтактов для реализации филаментарного механизма проводимости. Формирование контактов происходит неконтролируемо по плоскости и может характеризоваться большим разбросом по параметрам, что скажется на однородности параметров непосредственно элемента памяти. Кроме того, при многократном осуществлении цикла переключения наночастицы Cu частично растворяются и меняют свою форму, что приводит к ухудшению параметров элемента памяти.
2
2
5
2
2
3
2
2
3
2
3
2
2
3
2
3
2
3
3
x
y
x
y
x
y
x
y
x
y
x
y
x
y
x
y
x
y
В качестве ближайшего аналога выбран способ получения активной структуры элемента энергонезависимой резистивной памяти (описание изобретения к патенту RU №2468471 С1, опубликовано 27.11.2012), включающий формирование на подложке низкотемпературными методами примыкающих друг к другу слоя, обеспечивающего формирование наноконтактов для реализации филаментарного механизма проводимости, и активного слоя, обеспечивающего филаментарный механизм проводимости. Слой, обеспечивающий формирование наноконтактов для реализации филаментарного механизма проводимости, получают на основе оксида с высокой диэлектрической проницаемостью, выбирая его из группы диэлектриков: SiO, ТаО, TiO, AlO, HfO, YO, LaO, ZrO, GdO, ErO, ScO, SrTiO. Формирование активного слоя осуществляют с использованием нестехиометричного бинарного оксида переходного металла из группы оксидов: TiO, ZrO, HfO, VO, NbO, TaO, CrO, MoO, WO. Указанные слои формируют низкотемпературным (менее 350°C) вакуумным напылением.
2
2
2
5
2
5
Так, при реализации способа в качестве подложки используют оксидированную кремниевую подложку Si-SiO (КДБ кремний р-типа, толщина оксида 100 нм), с готовым SiO слоем, обеспечивающим формирование наноконтактов для реализации филаментарного механизма проводимости, на который методом термического распыления VO порошка в вакууме на промышленной установке ВУП-5М при комнатной температуре подложки (20°C) производят напыление оксидной пленки пентаоксида ванадия (VO) толщиной 100 нм, чем формируют активный слой, обеспечивающий филаментарный механизм проводимости.
Раскрытый в описании к патенту способ не решает техническую проблему обеспечения производства устройств энергонезависимой резистивной памяти на основе полупроводниковой технологии с использованием традиционных для нее материалов, отвечающего условию увеличению процента выхода годных изделий и, соответственно, снижению их стоимости, а также способствующего реализации возможности изготовления элементов энергонезависимой резистивной памяти в матричном исполнении.
6
5
Исходно структура находится в состоянии с высоким сопротивлением, определяемым слоем, обеспечивающим формирование наноконтактов для реализации филаментарного механизма проводимости. Для достижения эффекта резистивного переключения, на основе которого функционирует элемент энергонезависимой резистивной памяти с активной структурой, получаемой в соответствии с рассмотренным способом, необходима операция электрической формовки путем подачи напряжения. При подаче на верхний проводящий электрод положительного напряжения величиной, достаточной для электрического пробоя слоя, обеспечивающего формирование наноконтактов для реализации филаментарного механизма проводимости (в зависимости от его материала и толщины), структура резко (скачкообразно) переходит в состояние с низким сопротивлением. Конкретная величина напряжения формовки обусловлена достижением электрического пробоя слоя, обеспечивающего формирование наноконтактов для реализации филаментарного механизма проводимости, и зависит от материала данного слоя и его толщины. В результате электрической формовки в слое, обеспечивающем формирование наноконтактов для реализации филаментарного механизма проводимости, образуется проводящий канал с формированием контакта наноразмерного масштаба к активному слою, обеспечивающему филаментарный механизм проводимости и обладающему способностью к резистивному переключению. Для получения контакта наноразмерного масштаба ограничивают ток во время формовки (10-10 А) при помощи источника напряжения или последовательного сопротивления. В условиях ограничения тока основным источником энергии, выделяемой при электрической формовке, является разряд конденсаторной структуры, образованной слоем, обеспечивающим формирование наноконтактов для реализации филаментарного механизма проводимости. Наличие контакта наноразмерного масштаба к активному слою (слою, материал которого обеспечивает возможность резистивного переключения) локализует область переключения. При этом изменяются параметры элемента памяти: увеличивается отношение сопротивлений в низкоомном и высокоомном состояниях, стабилизируются параметры переключения, снижается вероятность деградации структуры, увеличивая общее количество циклов переключения. Формовка структуры происходит при приложении к структуре достаточно высокого напряжения, после чего структура переходит в состояние, в котором она способна обеспечить функционирование резистивного энергонезависимого элемента памяти.
2
2
5
6
5
Таким образом, недостатком данного способа является обязательное технологическое требование формовки при больших прикладываемых электрических полях и, как следствие, высока вероятность необратимого пробоя диэлектрика. В части описания осуществления изобретения указано, что формовка структуры происходит при приложении к структуре напряжения 100 В (толщина SiO - слоя, обеспечивающего формирование наноконтактов для реализации филаментарного механизма проводимости, и VO - активного слоя, обеспечивающего филаментарный механизм проводимости, составляет 100 нм), после чего структура переходит в состояние, обладающее переключением с памятью. Тем самым необходимость формовки может существенно уменьшать процент выхода годных приборов, и, как следствие, может заметно увеличивать стоимость изделий. Для элемента памяти, в котором использована рассматриваемая активная структура, характерно высокое напряжение переключения. Кроме того, для получения контакта наноразмерного масштаба необходимо ограничить ток во время формовки (10-10 А) при помощи источника напряжения или последовательного сопротивления, что делает способ малоприменимым при производстве энергонезависимых элементов памяти в матричном исполнении. Также следует обратить внимание на то, что сам процесс формирования контакта нанометрового масштаба носит случайный, неуправляемый, характер, контакт будет формироваться неконтролируемо по площади и иметь большой разброс по параметрам (диаметр, сопротивление), что скажется на однородности параметров самого энергонезависимого элемента памяти, стабильности режимов переключения элемента памяти.
Предлагаемый способ направлен на решение технической проблемы обеспечения производства устройств энергонезависимой резистивной памяти на основе полупроводниковой технологии с использованием традиционных для нее материалов, отвечающего условию увеличения процента выхода годных изделий и, соответственно, снижения их стоимости, а также условию возможности реализации производства элементов энергонезависимой резистивной памяти в матричном исполнении за счет достигаемого технического результата.
Техническим результатом является:
- снижение величины напряжения формовки вплоть до достижения нулевого значения, то есть, до значения, равного напряжению переключения из высокоомного состояния в низкоомное состояние, с реализацией возможности образования в слое, обеспечивающем формирование наноконтактов для реализации филаментарного механизма проводимости, проводящего канала с формированием контакта наноразмерного масштаба к активному слою, обеспечивающему филаментарный механизм проводимости и обладающему резистивным переключением, без протекания электрического пробоя;
- предотвращение возможного выхода из строя элемента памяти;
- повышение стабильности и повторяемости характеристик элемента энергонезависимой резистивной памяти - улучшение стабильности режимов переключения элемента памяти между двумя устойчивыми состояниями, соответствующими низкоомному и высокоомному сопротивлениям активного слоя;
- снижение напряжения переключения.
К дополнительным преимуществам предлагаемого способа относится его высокая технологическая совместимость с используемыми процессами в производстве микроэлектроники. Изготовление активной структуры для элемента энергонезависимой резистивной памяти по предлагаемому способу позволяет не только удешевить изготовление энергонезависимых элементов памяти, но и обеспечить трехмерную (3D) интеграцию микросхем на их основе, значительно увеличивая объем памяти.
Технический результат достигается способом получения активной структуры элемента энергонезависимой резистивной памяти, включающим изготовление на подложке примыкающих друг к другу слоя, обеспечивающего формирование наноконтактов для реализации филаментарного механизма проводимости, и активного слоя, обеспечивающего филаментарный механизм проводимости, причем слой, обеспечивающий формирование наноконтактов для реализации филаментарного механизма проводимости, изготавливают с образованием системы слоев в составе туннельно-тонкого слоя сплошного диэлектрика и слоя диэлектрика со встроенными нанокластерами полупроводника толщиной, равной диаметру нанокластеров, для этого на подложку осаждают слой аморфного полупроводника - гидрогенизированного аморфного кремния a-Si:H, затем проводят прокисление в кислородосодержащей плазме со стороны его поверхности, которая доступна для воздействия плазмы, приводящее к получению диэлектрика - нестехиометрического оксида кремния, при этом осуществляют частичное прокисление, за счет механизма островкового роста обеспечивающее со стороны поверхности, относительно которой ведут прокисление, образование системы слоев в составе туннельно-тонкого слоя сплошного нестехиометрического оксида кремния и примыкающего к нему слоя в виде непрерывного перколяционного кластера нестехиометрического оксида кремния со встроенными в него нанокластерами аморфного полупроводника - гидрогенизированного аморфного кремния a-Si:H толщиной, равной диаметру указанных нанокластеров, после чего прокисление прекращают, чем завершают изготовление слоя, обеспечивающего формирование наноконтактов для реализации филаментарного механизма проводимости, либо завершают изготовление слоя, обеспечивающего формирование наноконтактов для реализации филаментарного механизма проводимости, осуществлением последующей термообработки системы указанных слоев, приводящей к выходу водорода, трансформации нестехиометрического оксида кремния в стехиометрический оксид кремния с диффузией избытка атомов полупроводника - кремния к встроенным нанокластерам, трансформации гидрогенизированного аморфного кремния a-Si:H нанокластеров в аморфный кремний.
2
3
2
n
2
В способе для образования системы слоев в составе туннельно-тонкого слоя сплошного диэлектрика и слоя диэлектрика со встроенными нанокластерами полупроводника толщиной, равной диаметру нанокластеров на подложку осуществляют осаждение в качестве слоя аморфного полупроводника - гидрогенизированного аморфного кремния a-Si:H, в котором атомы водорода ковалентно связаны с образованием локально связанных конфигураций дигидрида (-SiH-), тригидрида (-SiH-), полимера (-SiH-), а при последующем прокислении в кислородосодержащей плазме со стороны поверхности указанного слоя, которая доступна для воздействия плазмы, приводящем к получению диэлектрика - нестехиометрического оксида кремния, в ходе которого осуществляют частичное прокисление, за счет механизма островкового роста обеспечивающее со стороны поверхности, относительно которой ведут прокисление, образование системы слоев в составе туннельно-тонкого слоя сплошного нестехиометрического оксида кремния и примыкающего к нему слоя в виде непрерывного перколяционного кластера нестехиометрического оксида кремния со встроенными в него нанокластерами аморфного полупроводника - гидрогенизированного аморфного кремния a-Si:H толщиной, равной диаметру указанных нанокластеров, осуществляют относительно указанного слоя последовательное замещение кислородом связей Si-Si на связи Si-Ο через образование комплексов SiHO(O) и полимеризацию последних, приводящую к получению нестехиометрического оксида кремния.
2
3
2
n
4
-6
3
В способе осаждение слоя гидрогенизированного аморфного кремния a-Si:H, в котором атомы водорода ковалентно связаны с образованием локально связанных конфигураций дигидрида (-SiH-), тригидрида (-SiH-), полимера (-SiH-), проводят плазмохимическим осаждением из газовой фазы в реакторе с остаточным давлением в его объеме менее 10 Торр в течение 10-15 с при подаче потока моносилана SiH, который разбавляют аргоном до получения газовой смеси с составом по объему 10% моносилана, 90% аргона, с расходом смеси 10 см/мин, при осаждении высокочастотную мощность и температуру подложки поддерживают на уровне 150 Вт и 200°C, соответственно.
2
2
3
В способе последующее прокисление в кислородосодержащей плазме со стороны поверхности указанного слоя, которая доступна для воздействия плазмы, приводящее к получению диэлектрика - нестехиометрического оксида кремния, в ходе которого осуществляют частичное прокисление, за счет механизма островкового роста обеспечивающее со стороны поверхности, относительно которой ведут прокисление, образование системы слоев из туннельно-тонкого слоя сплошного нестехиометрического оксида кремния и примыкающего к нему слоя в виде непрерывного перколяционного кластера нестехиометрического оксида кремния со встроенными в него нанокластерами аморфного полупроводника - гидрогенизированного аморфного кремния a-Si:H толщиной, равной диаметру указанных нанокластеров, при котором осуществляют относительно указанного слоя последовательное замещение кислородом связей Si-Si на связи Si-O через образование комплексов SiHO(O) и полимеризацию последних, приводящую к получению нестехиометрического оксида кремния, проводят в плазме кислорода в течение 10-20 минут при подаче потока О с расходом 60 см/мин, при этом высокочастотную мощность и температуру подложки поддерживают, соответственно, на уровне 150 Вт и 200°C.
В способе при завершении изготовления слоя, обеспечивающего формирование наноконтактов для реализации филаментарного механизма проводимости, осуществлением последующей термообработки системы указанных слоев, приводящей к выходу водорода, трансформации нестехиометрического оксида кремния в стехиометрический оксид кремния с диффузией избытка атомов полупроводника - кремния к встроенным нанокластерам, трансформации гидрогенизированного аморфного кремния a-Si:H нанокластеров в аморфный кремний, термообработку проводят в инертной среде - отжиг при температуре от 400 до 900°C продолжительностью от 20 до 30 минут.
В способе осуществление изготовления активного слоя, обеспечивающего филаментарный механизм проводимости, проводят до изготовления слоя, обеспечивающего формирование наноконтактов для реализации филаментарного механизма проводимости, либо в процессе изготовления слоя, обеспечивающего формирование наноконтактов для реализации филаментарного механизма проводимости, либо после изготовления слоя, обеспечивающего формирование наноконтактов для реализации филаментарного механизма проводимости.
Сущность технического решения поясняется нижеследующим описанием и прилагаемыми фигурами.
На Фиг. 1 схематически показана конструкция элемента энергонезависимого резистивной памяти с активной структурой, получаемой в соответствии с предлагаемым способом в составе примыкающих друг к другу слоя, обеспечивающего формирование наноконтактов для реализации филаментарного механизма проводимости, и активного слоя, обеспечивающего филаментарный механизм проводимости, где: 1, 1' - нижний и верхний проводящие электроды, соответственно; 2 - активный слой; 3 - слой, обеспечивающий формирование наноконтактов для реализации филаментарного механизма проводимости; 4 - полупроводниковые нанокластеры.
На Фиг. 2 представлена полученная электронной микроскопией высокого разрешения фотография фрагмента поперечного сечения слоя, обеспечивающего формирование наноконтактов для реализации филаментарного механизма проводимости, слой расположен на подложке кремния, на поверхности которой сформирован тонкий слой диоксида кремния, являющийся технологическим слоем, где: 4 - полупроводниковые нанокластеры; 5 - диэлектрик.
-1
-1
-1
n
На Фиг. 3 представлены спектры КРС (комбинационное рассеяние света) слоев гидрогенизированного аморфного кремния, полученных при разной мощности ВЧ-возбуждения плазмы - 50 Вт, 150 Вт, 250 Вт, демонстрирующие область спектра 2000-2150 см, связанную с колебаниями различных групп Si-H - колебания Si-H с положением пика при 2000 см и колебания Si-H в диапазоне 2090-2150 см.
Предлагаемый способ получения активной структуры элемента энергонезависимой резистивной памяти (см. Фиг. 1) так же, как и приведенный ближайший аналог, включает изготовление на подложке примыкающих друг к другу активного слоя 2 и слоя, обеспечивающего формирование наноконтактов для реализации филаментарного механизма проводимости, 3.
К отличиям предлагаемого способа относится особенность получения слоя, обеспечивающего формирование наноконтактов для реализации филаментарного механизма проводимости, 3. Указанный слой получают с образованием системы слоев, содержащей туннельно-тонкий слой сплошного оксида кремния и слой оксида кремния - диэлектрика 5 со встроенными нанокластерами 4 полупроводника - кремния (см. Фиг. 1 и Фиг. 2), толщина последнего сопоставима с диаметром нанокластеров. Капсулированные диэлектриком встроенные нанокластеры 4 полупроводника, обеспечивающие наноконтакты, как показывает электронная микроскопия (см. Фиг. 2), при реализации предлагаемого способа сосредотачиваются в тонком слое толщиной, сопоставимой с размером их диаметра, располагаясь в одной плоскости. При этом, как видно по фотографии (см. Фиг. 2) фрагмента поперечного сечения слоя, обеспечивающего формирование наноконтактов для реализации филаментарного механизма проводимости, нанокластеры, являющиеся наноконцентраторами электрического поля, благодаря тому, что их образование задается толщиной исходного слоя гидрогенизированного аморфного кремния, они равномерно распределены между собой и характеризуются сопоставимыми размерами в поперечнике. Получение слоя, обеспечивающего формирование наноконтактов для реализации филаментарного механизма проводимости, которому присущи перечисленные особенности, приводит к пространственно упорядоченной локализации концентраторов электрического поля и формированию проводящей электрический ток нити (филамента) через активный слой из диэлектрика, посредством которого происходит резистивное переключение, что обеспечивает повышение стабильности и повторяемости характеристик элемента энергонезависимой резистивной памяти - улучшение стабильности режимов переключения элемента памяти между двумя устойчивыми состояниями, соответствующими низкоомному и высокоомному сопротивлениям активного слоя, способствует снижению напряжения переключения. Формирование наноконтактов имеет упорядоченный, управляемый, характер. Контакты формируются контролируемо по площади без большого разброса по их параметрам (диаметр, сопротивление), что отражается на однородности параметров самого элемента памяти, стабильности режимов переключения элемента памяти. При получении наноконтактов отпадает необходимость ограничения тока во время формовки при помощи источника напряжения или последовательного сопротивления, что делает способ приемлемым при изготовлении элементов энергонезависимой резистивной памяти в матричном исполнении.
Изготовление в качестве слоя, обеспечивающего формирование наноконтактов для реализации филаментарного механизма проводимости, системы слоев в составе туннельно-тонкого слоя сплошного оксида кремния и тонкого слоя диэлектрика 5 с являющимися наноконцентраторами электрического поля встроенными нанокластерами 4 устраняет необходимость в проведении специальной операции по осуществлению пробоя специально создаваемого слоя диэлектрика (буферного изоляционного слоя согласно описанию приведенного ближайшего аналога) для образования проводящего канала, который обеспечивает контакт наноразмерного масштаба к слою, обладающему резистивным переключением (активному слою). Таким образом, преимущество предлагаемого способа при его использовании заключается в том, что формовка требуется, при необходимости, только в отношении активного слоя, и осуществляется при значительно меньших напряжениях по сравнению с напряжением, указанным в описании приведенного ближайшего аналога. Это предотвращает возможный выход из строя элемента памяти.
Получение необходимого для достижения указанного технического результата слоя, обеспечивающего формирование наноконтактов для реализации филаментарного механизма проводимости, 3 с образованием системы слоев в составе туннельно-тонкого слоя сплошного оксида кремния и тонкого слоя диэлектрика 5 со встроенными нанокластерами 4 из полупроводника (Фиг. 2), с толщиной сопоставимой с диаметром нанокластеров, осуществляют в два или три этапа.
На первом этапе на подложку (в частности, в составе которой выполнен нижний проводящий электрод 1 (см. Фиг. 1)) проводят осаждение аморфного слоя полупроводника, в качестве его осаждают слой гидрогенизированного аморфного кремния a-Si:H. Осаждением слоя гидрогенизированного аморфного кремния a-Si:H создаются предпосылки для формирования при прокислении за счет механизма островкового роста непрерывного перколяционного кластера нестехиометрического оксида кремния со встроенными в него кремниевыми нанокластерами, равными размерами в поперечнике, с локализацией их в тонком слое перколяционного кластера упорядоченным образом, в одной плоскости, с равномерным/однородным распределением друг относительно друга, как показано на Фиг. 2.
На втором этапе в отношении осажденного слоя гидрогенизированного аморфного кремния a-Si:H проводят частичное прокисление в кислородосодержащей плазме со стороны его поверхности, которая доступна для воздействия плазмы (противоположной поверхностью слой расположен на подложке).
В результате прокисления в областях слоя аморфного гидрогенизированного кремния a-Si:H, которые подверглись воздействию плазмы, формируется диэлектрик нестехиометрический оксид кремния. Формирование слоя при прокислении протекает за счет механизма островкового роста. Механизм островкового роста обеспечивает в течение достаточного времени воздействия плазмой со стороны поверхности, относительно которой ведут прокисление, формирование сплошного слоя нестехиометрического оксида кремния. Получение слоя, обеспечивающего формирование наноконтактов для реализации филаментарного механизма проводимости, предопределено предлагаемым способом в виде системы слоев - туннельно-тонкого слоя нестехиометрического оксида кремния и примыкающего к нему тонкого слоя в виде непрерывного перколяционного кластера нестехиометрического оксида кремния со встроенными в него нанокластерами аморфного полупроводника - аморфного гидрогенизированного кремния a-Si:H, толщина которого сопоставима с диаметров нанокластеров. Формирование туннельно-тонкого слоя нестехиометрического оксида кремнию является сигналом о том, что слой, обеспечивающий формирование наноконтактов для реализации филаментарного механизма проводимости, получен. На этом прокисление прекращают, чем завершают изготовление слоя, обеспечивающего формирование наноконтактов для реализации филаментарного механизма проводимости. Образование тонкого слоя в виде непрерывного перколяционного кластера нестехиометрического оксида кремния со встроенными в него нанокластерами аморфного полупроводника - аморфного гидрогенизированного кремния a-Si:H, что обуславливает достижение технического результата за счет строгой объемной локализации в нем нанокластеров, являющихся наноконцентраторами электрического поля, сопровождается образованием туннельно-тонкого слоя сплошного нестехиометрического оксида кремния. Важно, что последний является туннельно-тонким слоем.
В ходе реализации этапа прокисления в отношении осажденного слоя аморфного гидрогенизированного кремния a-Si:H возможно также получение активного слоя 2, обеспечивающего филаментарный механизм проводимости, который формируется со стороны прокисления. В этом случае осаждение слоя гидрогенизированного аморфного кремния a-Si:H осуществляют толщиной от 9 до 10 нм, в отличие от случая, когда проводят формирование только слоя, обеспечивающего формирование наноконтактов для реализации филаментарного механизма проводимости, в составе системы указанных слоев, и исходный слой осаждают толщиной до 7 нм.
В результате этапа прокисления, в ходе которого формируют оба конструктивных слоя - активного слоя 2 и слоя, обеспечивающего формирование наноконтактов для реализации филаментарного механизма проводимости, 3 (см. Фиг. 1), активную структуру получают в одном и том же реакторе, с осуществлением в нем обоих этапов, общей толщиной от 10 до 15 нм.
Следует подчеркнуть, что независимо от формирования активного слоя в процессе прокисления или же вне его, в отношении полученной частичным прокислением системы слоев в составе сплошного туннельно-тонкого слоя из нестехиометрического оксида и тонкого слоя нестехиометрического оксида кремния со встроенными в него нанокластерами гидрогенизированного аморфного кремния a-Si:H, возможно проведение этапа термообработки, которым завершают изготовление слоя, обеспечивающего формирование наноконтактов для реализации филаментарного механизма проводимости. Осуществление этого этапа дополнительно влияет на достижение указанного технического результата - приводит к дополнительному повышению стабильности и повторяемости характеристик элемента энергонезависимой резистивной памяти - улучшению стабильности режимов переключения элемента памяти между двумя устойчивыми состояниями, соответствующими низкоомному и высокоомному сопротивлениям активного слоя. Кроме того, в результате реализации данного этапа происходит повышение отношения сопротивления, соответствующего переключению в высокоомное состояние, к сопротивлению, соответствующему переключению в низкоомное состояние. В целях достижения технического результата в большей степени изготовление слоя, обеспечивающего формирование наноконтактов для реализации филаментарного механизма проводимости, завершают термообработкой, сопровождающейся выходом водорода, приводящей к трансформации нестехиометрического оксида кремния в стехиометрический оксид кремния с диффузией избытка атомов полупроводника - кремния к встроенным нанокластерам, с выходом водорода из гидрогенизированного аморфного кремния a-Si:H нанокластеров и трансформацией в аморфный кремний без содержания в нем водорода.
Таким образом, изготовление слоя, обеспечивающего формирование наноконтактов для реализации филаментарного механизма проводимости, включает два или три этапа.
2
3
2
n
На первом этапе на подложку (в частности, в составе которой выполнен нижний проводящий электрод 1, либо которая сама выполняет функцию указанного электрода (см. Фиг. 1)) проводят осаждение аморфного слоя полупроводника. Осаждают слой гидрогенизированного аморфного кремния a-Si:H, в котором атомы водорода ковалентно связаны с образованием локально связанных конфигураций дигидрида (-SiH-), и/или тригидрида (-SiH-), и/или полимера (- SiH-).
-1
-1
-1
-1
-1
Изучение содержания водорода в пленках гидрогенизированного аморфного кремния методом спектроскопии комбинационного рассеяния света (КРС) показало, что водород находится в слое после выращивания преимущественно в виде ковалентно связанных с кремнием полисилановых конфигураций (см. Фиг. 3). На Фиг. 3 представлены спектры КРС для слоев, полученных при разной мощности ВЧ-возбуждения плазмы. В спектрах КРС присутствует широкий пик с максимумом в районе 480 см, который соответствует хорошо известным по литературе особенностям в плотности колебательных состояний Si-Si связей аморфного кремния. Пик при 520 см связан с сигналом от кристаллической подложки. Также показана область спектра 2000-2150 см, связанная с колебаниями различных групп Si-H: колебания Si-H с положением пика при 2000 см и связи Si-Hn в диапазоне 2090-2150 см. Во всех случаях наблюдаются оба пика с преобладанием Si-Hn связей. В осаждаемом слое гидрогенизированного аморфного кремния a-Si:H содержание водорода составляет не менее 25-30 ат.%. В целях получения слоя гидрогенизированного аморфного кремния a-Si:H, для формирования указанных туннельно-тонкого слоя и тонкого слоя на последующем этапе или также и формирования активного слоя, параметры процесса осаждения задают согласованными с получением требуемой для исходного слоя толщины и содержания в нем водорода. Параметры процесса - высокочастотная мощность, расходы прекурсора и газа-разбавителя, время осаждения, температура подложки в этих целях вариабельны.
-6
3
4
Так, формирование исходного слоя гидрогенизированного аморфного кремния a-Si:H проводят плазмохимическим осаждением из газовой фазы в установке осаждения с широкоапертурным источником и индуктивным возбуждением с использованием частоты возбуждения 13,56 МГц. Подложку вводят посредством загрузочного устройства в реактор, размещая ее с возможностью подачи на ее поверхность потока, газовой смеси, содержащей прекурсор осаждаемого материала и газ-разбавитель. Реактор установки откачивают до величины остаточного давления в его объеме менее 10 Торр. Осаждение осуществляют в течение 10-15 с при подаче постоянного потока моносилана SiH, который разбавляют аргоном до получения газовой смеси с составом по объему 10% моносилана, 90% аргона. Общий расход газовой смеси составляет 10 см/мин. При ведении процесса осаждения высокочастотную мощность и температуру подложки поддерживают, соответственно, на уровне 150 Вт и 200°C. Контроль толщины получаемого слоя осуществляют посредством датчика контроля толщины, например, кварцевого датчика ТМ-400, Maxtec.Inc, которым может быть оснащен реактор установки, с расположением его вблизи подложки, на которую осаждают слой гидрогенизированного аморфного кремния a-Si:H, в зоне падения газового потока. После получения требуемой толщины осаждение прекращают. Момент прекращения процесса устанавливают также либо, исходя из скорости осаждения и времени, либо устанавливают посредством эллипсометрического контроля in situ, если реактор оснащен эллипсометром. Приведенные параметры процесса осаждения с учетом времени осаждения 15 с соответствуют случаю реализации изготовления в одном и том же реакторе обоих слоев.
2
На втором этапе осуществляют частичное прокисление полученного в ходе реализации первого этапа аморфного слоя полупроводника в кислородосодержащей плазме. Проводят частичное прокисление с поверхности слоя гидрогенизированного аморфного кремния а-Si:H, которая доступна воздействию плазмы, и на которой впоследствии возможно формирование активного слоя 2 (см. Фиг. 1). В результате прокисления в отношении исходного аморфного слоя осуществляют последовательное замещение кислородом связей Si-Si на связи Si-Ο с образованием комплексов SiHO(O) и полимеризацию последних. Полимеризация приводит к образованию нестехиометрического оксида кремния. При этом образование указанного оксида при полимеризации и формирование слоя происходит за счет механизма островкового роста, поскольку процесс окисления - это многостадийная реакция в неравновесных условиях. Последующее ее протекание приводит к разрастанию «островков» диэлектрика - нестехиометрического оксида кремния, обеспечивает формирование, во-первых, сплошного туннельно-тонкого слоя нестехиометрического оксида кремния, во-вторых, непрерывного перколяционного кластера нестехиометрического оксида кремния со встроенными в него кремниевыми нанокластерами (см. Фиг. 2) в виде тонкого слоя нестехиометрического оксида кремния со встроенными в него нанокластерами гидрогенизированного аморфного кремния a-Si:H, а также обеспечивает формирование на туннельно-тонком слое нестехиометрического оксида кремния активного слоя, если изготовление последнего осуществляют прокислением в том же реакторе, при получении исходного слоя соответствующей толщины. Параметры процесса прокисления (время и расход кислорода, подаваемого потоком) вариабельны, их задают согласованными с получением в конечном счете системы двух слоев - туннельно-тонкого сплошного слоя нестехиометрического оксида кремния и слоя в виде непрерывного перколяционного кластера нестехиометрического оксида кремния со встроенными в него нанокластерами гидрогенизированного аморфного кремния a-Si:H, а также активного слоя из нестехиометрического оксида кремния, если его изготавливают в ходе реализации этапа прокисления.
2
2
3
Частичное прокисление с поверхности слоя гидрогенизированного аморфного кремния a-Si:H, в частности, проводят в плазме кислорода в течение 20 минут при подаче потока О с расходом 60 см/мин. Для получения на подложке системы в составе двух слоев - туннельно-тонкого сплошного слоя нестехиометрического оксида кремния и слоя нестехиометрического оксида кремния со встроенными в него кремниевыми нанокластерами, а также активного слоя посредством прокисления, процесс изготовления указанных слоев проводят в одном том же реакторе, используют источник кислорода, от которого кислород О подают расходящимся пучком на подложку. При ведении процесса прокисления высокочастотную мощность и температуру подложки поддерживают, соответственно, на уровне 150 Вт и 200°C. Приведенные параметры процесса прокисления соответствуют случаю реализации изготовления в данном этапе обоих слоев - слоя в виде системы слоев и активного слоя.
В случае частичного прокисления и получения на подложке только системы в составе двух слоев - туннельно-тонкого сплошного слоя нестехиометрического оксида кремния и слоя нестехиометрического оксида кремния со встроенными в него кремниевыми нанокластерами, прокисление исходного слоя с изготовлением его соответствующей толщиной проводят в течение 10 минут при прочих параметрах процесса, равных вышеуказанным.
После завершения этапа прокисления и формирования слоя в виде системы в составе сплошного туннельно-тонкого слоя нестехиометрического оксида кремния и тонкого слоя нестехиометрического оксида кремния со встроенными в него нанокластерами гидрогенизированного аморфного кремния a-Si:H, являющегося слоем, обеспечивающим формирование наноконтактов для реализации филаментарного механизма проводимости, 3, на котором в дальнейшем изготавливают активный слой, или формирования слоя в виде системы в составе сплошного туннельно-тонкого слоя нестехиометрического оксида кремния и тонкого слоя нестехиометрического оксида кремния со встроенными в него нанокластерами гидрогенизированного аморфного кремния a-Si:H, являющегося слоем, обеспечивающим формирование наноконтактов для реализации филаментарного механизма проводимости, а также активного слоя, обеспечивающего филаментарный механизм проводимости, из нестехиометрического оксида кремния, возможно проведение третьего этапа. На данном этапе осуществляют термообработку в инертной среде - отжиг при температуре от 400 до 900°C продолжительностью от 20 до 30 минут.
x
y
x
y
x
y
x
y
x
y
x
y
x
y
x
y
x
y
x
x
x
y
При реализации способа, как уже упомянуто выше, изготовление активного слоя может быть осуществлено на этапе частичного прокисления, направленного на изготовление слоя, обеспечивающего формирование наноконтактов для реализации филаментарного механизма проводимости. Кроме того, получение активного слоя, обеспечивающего филаментарный механизм проводимости, возможно до изготовления слоя, обеспечивающего формирование наноконтактов для реализации филаментарного механизма проводимости, либо после изготовления слоя, обеспечивающего формирование наноконтактов для реализации филаментарного механизма проводимости. Указанный порядок используют, например, в случаях, когда в качестве материала активного слоя используют не оксид кремния, а иной материал, в частности, нестехиометричные оксиды металлов и полупроводников или нитрид, оксинитрид полупроводника: TiO, ZrO, HfO, VO, NbO, TaO, CrO, MoO, WO, SiO, SiN, SiON. Принимая во внимание обстоятельство, согласно которому предлагаемый способ обеспечивает возможность изготовления активной структуры элемента энергонезависимой резистивной памяти с использованием традиционной технологии и сниженных температур (вплоть до 200°C), дополнительным преимуществом предлагаемого способа является возможность обеспечить трехмерную (3D) интеграцию, значительно увеличивая объем памяти, что не возможно осуществить посредством известных аналогов из-за применяемых достаточно высоких температур, являющихся причиной выхода из строя изделия в попытке выполнения 3D интеграции.
В качестве сведений, подтверждающих возможность реализации способа с достижением указанного технического результата, приводим нижеследующие примеры реализации.
Пример 1.
При изготовлении активной структуры элемента энергонезависимой резистивной памяти, включающем изготовление на подложке примыкающих друг к другу слоя, обеспечивающего формирование наноконтактов для реализации филаментарного механизма проводимости, и активного слоя, обеспечивающего филаментарный механизм проводимости, указанный первым слой изготавливают в виде системы слоев в составе туннельно-тонкого слоя сплошного нестехиометрического оксида кремния и примыкающего к нему слоя диэлектрика со встроенными нанокластерами полупроводника толщиной, равной диаметру нанокластеров.
2
3
2
n
4
-6
3
На подложку высоколегированного кремния марки КЭМ-0,002 осаждают слой аморфного полупроводника - гидрогенизированного аморфного кремния a-Si:H толщиной 9 нм. Осуществляют осаждение гидрогенизированного аморфного кремния a-Si:H, в котором атомы водорода ковалентно связаны с образованием локально связанных конфигураций дигидрида (-SiH-), и/или тригидрида (-SiH-), и/или полимера (-SiH-). Процесс проводят плазмохимическим осаждением из газовой фазы в реакторе с остаточным давлением в его объеме менее 10 Торр в течение 15 с при подаче потока моносилана SiH, который разбавляют аргоном до получения газовой смеси с составом по объему 10% моносилана, 90% аргона. Осаждение проводят с расходом указанной газовой смеси, равным 10 см/мин. При осаждении высокочастотную мощность и температуру подложки поддерживают на уровне 150 Вт и 200°C, соответственно.
После осаждения проводят частичное прокисление в кислородосодержащей плазме со стороны поверхности слоя гидрогенизированного аморфного кремния a-Si:H, которая доступна для воздействия плазмы. Воздействие плазмы приводит к образованию нестехиометрического оксида кремния. При этом осуществляют частичное прокисление, за счет механизма островкового роста обеспечивающее со стороны поверхности, относительно которой ведут прокисление, образование системы слоев в составе туннельно-тонкого слоя сплошного нестехиометрического оксида кремния и примыкающего к нему тонкого слоя в виде непрерывного перколяционного кластера нестехиометрического оксида кремния со встроенными в него нанокластерами аморфного полупроводника - гидрогенизированного аморфного кремния a-Si:H толщиной, равной диаметру указанных нанокластеров. Кроме того, при прокислении получают активный слой из нестехиометрического оксида кремния, поскольку время осаждения исходного слоя составляет 15 с, что дает возможность осадить исходный слой достаточной толщины для перехода от получения указанной системы слоев к получению активного слоя.
2
Реакцию получения всех слоев осуществляют за счет механизма островкового роста. Осуществляют последовательное замещение кислородом связей Si-Si на связи Si-O с образованием комплексов SiHO(O) и полимеризацией последних с получением нестехиометрического оксида кремния.
2
3
Процесс прокисления в плазме кислорода ведут в том же реакторе, в котором проводят осаждение исходного слоя, в течение 20 минут при подаче потока О с расходом 60 см/мин. Высокочастотную мощность и температуру подложки поддерживают, соответственно, на уровне 150 Вт и 200°C.
По истечении указанного времени прокисление прекращают, чем завершают изготовление активного слоя и слоя, обеспечивающего формирование наноконтактов для реализации филаментарного механизма проводимости.
Относительно полученной активной структуры проведены при комнатной температуре (22-25°C) измерения ΒΑΧ. Структура для проведения измерений снабжена посредством электронно-лучевого испарения проводящим электродом 1', расположенным на активном слое 2 (см. Фиг. 1), а в качестве проводящего электрода 1 использована подложка.
Измерения показали, что при первоначальной подаче на структуру положительного напряжения смещения от 0 до «плюс» 3 В в целях осуществления формовки (первоначальное создание проводящего канала) при достижении напряжения «плюс» 1,6 В наблюдается скачок тока и переход источника в токовый режим в виду ограничения величины тока (в данном случае 10 мА). В состоянии указанного ограничения структура пребывает вплоть до достижения напряжения смещения «плюс» 3 В. Таким образом, при напряжении смещения «плюс» 1,6 В произошел переход из исходного высокоомного состояния в низкоомное состояние. То есть, напряжение формовки составляет «плюс» 1,6 В.
OFF
On
Далее при циклировании переключений первый цикл начинают при положительном напряжении смещения. До достижения напряжения «плюс» 1,5 В устанавливается режим ограничения по току. В интервале от «плюс» 1,5 В до «минус» 1,5 В измерения показывают соответствие низкоомному состоянию. При «минус» 1,5 В наблюдается насыщение по току, а при напряжении смещения «минус» 2 В происходит переключение в высокоомное состояние. Таким образом, в отношении полученной структуры наблюдается биполярный режим переключений, то есть проявляется обратимый эффект памяти. При последующих циклах развертки напряжение переключения из высокоомного состояния в низкоомное состояние составило «плюс» 1,8 В, что несколько больше напряжения формовки. Сопротивление, соответствующее переключению в высокоомное состояние, измеренное при напряжении смещения «минус» 1 В равно R=128 Ом, а соответствующее переключению в низкоомное состояние - R=34 Ом.
Пример 2.
При изготовлении активной структуры элемента энергонезависимой резистивной памяти, включающем изготовление на подложке примыкающих друг к другу слоя, обеспечивающего формирование наноконтактов для реализации филаментарного механизма проводимости, и активного слоя, обеспечивающего филаментарный механизм проводимости, указанный первым слой изготавливают в виде системы слоев в составе туннельно-тонкого слоя сплошного нестехиометрического оксида кремния и примыкающего к нему слоя диэлектрика со встроенными нанокластерами полупроводника толщиной, равной диаметру нанокластеров.
2
3
2
n
4
-6
3
На подложку высоколегированного кремния марки КЭМ-0,002 осаждают слой аморфного полупроводника - гидрогенизированного аморфного кремния a-Si:H толщиной 9 нм. Осуществляют осаждение гидрогенизированного аморфного кремния a-Si:H, в котором атомы водорода ковалентно связаны с образованием локально связанных конфигураций дигидрида (-SiH-), и/или тригидрида (-SiH-), и/или полимера (-SiH-). Процесс проводят плазмохимическим осаждением из газовой фазы в реакторе с остаточным давлением в его объеме менее 10 Торр в течение 15 с при подаче потока моносилана SiH, который разбавляют аргоном до получения газовой смеси с составом по объему 10% моносилана, 90% аргона. Осаждение проводят с расходом указанной газовой смеси, равным 10 см/мин. При осаждении высокочастотную мощность и температуру подложки поддерживают на уровне 150 Вт и 200°C, соответственно.
После осаждения проводят частичное прокисление в кислородосодержащей плазме со стороны поверхности слоя гидрогенизированного аморфного кремния a-Si:H, которая доступна для воздействия плазмы. Воздействие плазмы приводит к образованию нестехиометрического оксида кремния. При этом осуществляют частичное прокисление, за счет механизма островкового роста обеспечивающее со стороны поверхности, относительно которой ведут прокисление, образование системы слоев в составе туннельно-тонкого слоя сплошного нестехиометрического оксида кремния и примыкающего к нему тонкого слоя в виде непрерывного перколяционного кластера нестехиометрического оксида кремния со встроенными в него нанокластерами аморфного полупроводника - гидрогенизированного аморфного кремния a-Si:H толщиной, равной диаметру указанных нанокластеров. Кроме того, при прокислении получают активный слой из нестехиометрического оксида кремния, поскольку время осаждения исходного слоя составляет 15 с, что дает возможность осадить исходный слой достаточной толщины для перехода от получения указанной системы слоев к получению активного слоя.
2
Реакцию получения всех слоев осуществляют за счет механизма островкового роста. Осуществляют последовательное замещение кислородом связей Si-Si на связи Si-Ο с образованием комплексов SiHO(O) и полимеризацией последних с получением нестехиометрического оксида кремния.
2
3
Процесс прокисления в плазме кислорода ведут в том же реакторе, в котором проводят осаждение исходного слоя, в течение 20 минут при подаче потока О с расходом 60 см/мин. Высокочастотную мощность и температуру подложки поддерживают, соответственно, на уровне 150 Вт и 200°C.
По истечении указанного времени прокисление прекращают и завершают изготовление слоя, обеспечивающего формирование наноконтактов для реализации филаментарного механизма проводимости, осуществлением последующей термообработки системы указанных слоев, приводящей к трансформации нестехиометрического оксида кремния в стехиометрический оксид кремния с диффузией избытка атомов полупроводника - кремния к встроенным нанокластерам, с выходом водорода гидрогенизированного аморфного кремния a-Si:H нанокластеров и трансформацией в аморфный кремний. При этом термообработке подвергается также формируемый активный слой, в отношении которого также происходит трансформация нестехиометрического оксида кремния в стехиометрический оксид кремния. Термообработку проводят в инертной среде - в аргоне, при температуре 400°C продолжительностью 30 минут.
Относительной полученной активной структуры проведены при комнатной температуре (22-25°C) измерения ΒΑΧ, для чего структура снабжена проводящим электродом 1', расположенным на активном слое 2 (см. Фиг. 1). В качестве проводящего электрода 1 использована подложка.
Измерения показали, что отжиг приводит к улучшению характеристик мемристора относительно их воспроизводимости при циклировании.
Пример 3.
При изготовлении активной структуры элемента энергонезависимой резистивной памяти, включающем изготовление на подложке примыкающих друг к другу слоя, обеспечивающего формирование наноконтактов для реализации филаментарного механизма проводимости, и активного слоя, обеспечивающего филаментарный механизм проводимости, указанный первым слой изготавливают в виде системы слоев в составе туннельно-тонкого слоя сплошного нестехиометрического оксида кремния и примыкающего к нему слоя диэлектрика со встроенными нанокластерами полупроводника толщиной, равной диаметру нанокластеров.
2
3
2
n
4
-6
3
На подложку высоколегированного кремния марки КЭМ-0,002 осаждают слой аморфного полупроводника - гидрогенизированного аморфного кремния a-Si:H толщиной 9 нм. Осуществляют осаждение гидрогенизированного аморфного кремния a-Si:H, в котором атомы водорода ковалентно связаны с образованием локально связанных конфигураций дигидрида (-SiH-), и/или тригидрида (-SiH-), и/или полимера (-SiH-). Процесс проводят плазмохимическим осаждением из газовой фазы в реакторе с остаточным давлением в его объеме менее 10 Торр в течение 15 с при подаче потока моносилана SiH, который разбавляют аргоном до получения газовой смеси с составом по объему 10% моносилана, 90% аргона. Осаждение проводят с расходом указанной газовой смеси, равным 10 см/мин. При осаждении высокочастотную мощность и температуру подложки поддерживают на уровне 150 Вт и 200°C, соответственно.
После осаждения проводят частичное прокисление в кислородосодержащей плазме со стороны поверхности слоя гидрогенизированного аморфного кремния a-Si:H, которая доступна для воздействия плазмы. Воздействие плазмы приводит к образованию нестехиометрического оксида кремния. При этом осуществляют частичное прокисление, за счет механизма островкового роста обеспечивающее со стороны поверхности, относительно которой ведут прокисление, образование системы слоев в составе туннельно-тонкого слоя сплошного нестехиометрического оксида кремния и примыкающего к нему тонкого слоя в виде непрерывного перколяционного кластера нестехиометрического оксида кремния со встроенными в него нанокластерами аморфного полупроводника - гидрогенизированного аморфного кремния a-Si:H толщиной, равной диаметру указанных нанокластеров. Кроме того, при прокислении получают активный слой из нестехиометрического оксида кремния, поскольку время осаждения исходного слоя составляет 15 с, что дает возможность осадить исходный слой достаточной толщины для перехода от получения указанной системы слоев к получению активного слоя.
2
Реакцию получения всех слоев осуществляют за счет механизма островкового роста. Осуществляют последовательное замещение кислородом связей Si-Si на связи Si-Ο с образованием комплексов SiHO(O) и полимеризацией последних с получением нестехиометрического оксида кремния.
2
3
Процесс прокисления в плазме кислорода ведут в том же реакторе, в котором проводят осаждение исходного слоя, в течение 20 минут при подаче потока О с расходом 60 см/мин. Высокочастотную мощность и температуру подложки поддерживают, соответственно, на уровне 150 Вт и 200°C.
По истечении указанного времени прокисление прекращают и завершают изготовление слоя, обеспечивающего формирование наноконтактов для реализации филаментарного механизма проводимости, осуществлением последующей термообработки системы указанных слоев, приводящей к выходу водорода, трансформации нестехиометрического оксида кремния в стехиометрический оксид кремния с диффузией избытка атомов полупроводника - кремния к встроенным нанокластерам и частичной их кристаллизацией на границе раздела диэлектрик - полупроводник, с выходом водорода из гидрогенизированного аморфного кремния a-Si:H нанокластеров и трансформацией в аморфный кремний. При этом термообработке подвергается также формируемый активный слой, в отношении которого также происходит трансформация нестехиометрического оксида кремния в стехиометрический оксид кремния. Термообработку проводят в инертной среде - в аргоне, при температуре 900°C продолжительностью 20 минут.
Относительной полученной активной структуры проведены при комнатной температуре (22-25°C) измерения ΒΑΧ, для чего структура снабжена проводящим электродом 1', расположенным на активном слое 2 (см. Фиг. 1). В качестве проводящего электрода 1 использована подложка.
OFF
On
Измерения показали, что отжиг приводит к улучшению характеристик мемристора относительно их воспроизводимости при циклировании. Происходит повышение отношения сопротивления, соответствующего переключению в высокоомное состояние, к сопротивлению, соответствующему переключению в низкоомное состояние. Сопротивление, соответствующее переключению в высокоомное состояние, измеренное при напряжении смещения «минус» 1 В равно R=54050 Ом, а соответствующее переключению в низкоомное состояние - R=429,5 Ом.
Пример 4.
При изготовлении активной структуры элемента энергонезависимой резистивной памяти, включающем изготовление на подложке примыкающих друг к другу слоя, обеспечивающего формирование наноконтактов для реализации филаментарного механизма проводимости, и активного слоя, обеспечивающего филаментарный механизм проводимости, указанный первым слой изготавливают в виде системы слоев в составе туннельно-тонкого слоя сплошного нестехиометрического оксида кремния и примыкающего к нему слоя диэлектрика со встроенными нанокластерами полупроводника толщиной, равной диаметру нанокластеров.
2
5
2
5
На подложке высоколегированного кремния марки КЭМ-0,002 изготавливают активный слой посредством нанесения на ее поверхность слоя оксида ванадия VO. Указанный слой получают термическим распылением порошка оксида ванадия в вакууме рабочей камере установки ВУП - 5М. Температуру подложки поддерживают на уровне 20°C. Слой оксида ванадия VO наносят толщиной 40 нм.
После изготовления активного слоя, обеспечивающего филаментарный механизм проводимости, приступают к изготовлению слоя, обеспечивающего формирование наноконтактов для реализации филаментарного механизма проводимости.
2
3
2
n
4
-6
3
Осаждают слой аморфного полупроводника - гидрогенизированного аморфного кремния a-Si:H толщиной 7 нм. Осуществляют осаждение гидрогенизированного аморфного кремния a-Si:H, в котором атомы водорода ковалентно связаны с образованием локально связанных конфигураций дигидрида (-SiH-), и/или тригидрида (-SiH-), и/или полимера (-SiH-). Процесс проводят плазмохимическим осаждением из газовой фазы в реакторе с остаточным давлением в его объеме менее 10 Торр в течение 11 с при подаче потока моносилана SiH, который разбавляют аргоном до получения газовой смеси с составом по объему 10% моносилана, 90% аргона. Осаждение проводят с расходом указанной газовой смеси, равным 10 см/мин. При осаждении высокочастотную мощность и температуру подложки поддерживают на уровне 150 Вт и 200°C, соответственно.
После осаждения проводят частичное прокисление в кислородосодержащей плазме со стороны поверхности слоя гидрогенизированного аморфного кремния a-Si:H, которая доступна для воздействия плазмы. Воздействие плазмы приводит к образованию нестехиометрического оксида кремния. При этом осуществляют частичное прокисление, за счет механизма островкового роста обеспечивающее со стороны поверхности, относительно которой ведут прокисление, образование системы слоев в составе туннельно-тонкого слоя сплошного нестехиометрического оксида кремния и примыкающего к нему тонкого слоя в виде непрерывного перколяционного кластера нестехиометрического оксида кремния со встроенными в него нанокластерами аморфного полупроводника - гидрогенизированного аморфного кремния a-Si:H толщиной, равной диаметру указанных нанокластеров.
2
Реакцию получения слоя, обеспечивающего формирование наноконтактов для реализации филаментарного механизма проводимости, осуществляют за счет механизма островкового роста с последовательным замещением кислородом связей Si-Si на связи Si-CD с образованием комплексов SiHO(O) и полимеризацией последних с получением нестехиометрического оксида кремния.
2
3
Процесс прокисления в плазме кислорода ведут в том же реакторе, в котором проводят осаждение исходного слоя, в течение времени от 10 до 15 минут при подаче потока О с расходом 60 см/мин. В течение указанного времени формируется туннельно-тонкий слой сплошного нестехиометрического оксида кремния толщиной от 4 до 5 нм и примыкающий к нему тонкий слой в виде непрерывного перколяционного кластера нестехиометрического оксида кремния со встроенными в него нанокластерами аморфного полупроводника - гидрогенизированного аморфного кремния a-Si:H, толщина которого составляет до 4 нм. Высокочастотную мощность и температуру подложки в процессе прокисления поддерживают, соответственно, на уровне 150 Вт и 200°C.
По истечении указанного времени прокисление прекращают и этим завершают изготовление слоя, обеспечивающего формирование наноконтактов для реализации филаментарного механизма проводимости, получая активную структуру.
Относительно полученной активной структуры проведены при комнатной температуре (22-25°C) измерения ΒΑΧ, для чего структура снабжена проводящим электродом, расположенным на слое, обеспечивающем формирование наноконтактов для реализации филаментарного механизма проводимости. В качестве второго проводящего электрода использована подложка.
Тестирование показало, что в отношении полученной структуры наблюдается биполярный режим переключений. Напряжение формовки достигает нулевого значения, то есть, значения, равного напряжению переключения из высокоомного состояния в низкоомное состояние, которое составляет «плюс» 2,9 В. Достижение напряжения формовки нулевого значения, то есть, значения, равного напряжению переключения из высокоомного состояния в низкоомное состояние, означает, что при формовке отсутствует электрический пробой.
Пример 5.
При изготовлении активной структуры элемента энергонезависимой резистивной памяти, включающем изготовление на подложке примыкающих друг к другу слоя, обеспечивающего формирование наноконтактов для реализации филаментарного механизма проводимости, и активного слоя, обеспечивающего филаментарный механизм проводимости, указанный первым слой изготавливают в виде системы слоев в составе туннельно-тонкого слоя сплошного нестехиометрического оксида кремния и примыкающего к нему слоя диэлектрика со встроенными нанокластерами полупроводника толщиной, равной диаметру нанокластеров.
2
3
2
n
4
-6
3
На подложку высоколегированного кремния марки КЭМ-0,002 осаждают слой аморфного полупроводника - гидрогенизированного аморфного кремния a-Si:H толщиной 7 нм. Осуществляют осаждение гидрогенизированного аморфного кремния a-Si:H, в котором атомы водорода ковалентно связаны с образованием локально связанных конфигураций дигидрида (-SiH-), и/или тригидрида (-SiH-), и/или полимера (-SiH-). Процесс проводят плазмохимическим осаждением из газовой фазы в реакторе с остаточным давлением в его объеме менее 10 Торр в течение 11 с при подаче потока моносилана SiH, который разбавляют аргоном до получения газовой смеси с составом по объему 10% моносилана, 90% аргона. Осаждение проводят с расходом указанной газовой смеси, равным 10 см/мин. При осаждении высокочастотную мощность и температуру подложки поддерживают на уровне 150 Вт и 200°C, соответственно.
2
После осаждения проводят частичное прокисление в кислородосодержащей плазме со стороны поверхности слоя гидрогенизированного аморфного кремния a-Si:H, которая доступна для воздействия плазмой. Воздействие плазмой при прокислении приводит к образованию нестехиометрического оксида кремния. При этом осуществляют частичное прокисление, за счет механизма островкового роста обеспечивающее со стороны поверхности, относительно которой ведут прокисление, образование системы слоев в составе туннельно-тонкого слоя сплошного нестехиометрического оксида кремния и примыкающего к нему тонкого слоя в виде непрерывного перколяционного кластера нестехиометрического оксида кремния со встроенными в него нанокластерами аморфного полупроводника - гидрогенизированного аморфного кремния a-Si:Η толщиной, равной диаметру указанных нанокластеров. В отношении осажденного слоя осуществляют последовательное замещение кислородом связей Si-Si на связи Si-Ο с образованием комплексов SiHO(O) и полимеризацию последних с получением нестехиометрического оксида кремния. В ходе этапа частичного прокисления формируют только слой, обеспечивающий формирование наноконтактов для реализации филаментарного механизма проводимости.
2
3
Процесс прокисления в плазме кислорода ведут в том же реакторе, в котором проводят осаждение исходного слоя, в течение 10 минут при подаче потока О с расходом 60 см/мин. В течение указанного времени формируется туннельно-тонкий слой сплошного нестехиометрического оксида кремния толщиной, сопоставимой с величиной 4 нм, и примыкающий к нему тонкий слой в виде непрерывного перколяционного кластера нестехиометрического оксида кремния со встроенными в него нанокластерами аморфного полупроводника - гидрогенизированного аморфного кремния a-Si:H, толщина которого составляет до 4 нм. Высокочастотную мощность и температуру подложки поддерживают, соответственно, на уровне 150 Вт и 200°C.
По истечении указанного времени прокисление прекращают и завершают изготовление слоя, обеспечивающего формирование наноконтактов для реализации филаментарного механизма проводимости, осуществлением последующей термообработки системы указанных слоев, приводящей к выходу водорода, трансформации нестехиометрического оксида кремния в стехиометрический оксид кремния с диффузией избытка атомов полупроводника - кремния к встроенным нанокластерам и частичной их кристаллизацией на границе раздела диэлектрик - полупроводник, с выходом водорода из гидрогенизированного аморфного кремния a-Si:H нанокластеров и трансформацией в аморфный кремний. Термообработку проводят в инертной среде - в аргоне, при температуре 850°C продолжительностью 24 минуты.
2
5
2
5
Затем приступают к изготовлению активного слоя. На подложке высоколегированного кремния марки КЭМ-0,002 с изготовленным на ней слоем, обеспечивающим формирование наноконтактов для реализации филаментарного механизма проводимости, на поверхности последнего изготавливают активный слой посредством нанесения слоя оксида ванадия VO. Указанный слой получают термическим распылением порошка оксида ванадия в вакууме рабочей камере установки ВУП - 5М. Температуру подложки поддерживают на уровне 20°C. Слой оксида ванадия VO наносят толщиной 40 нм. Этим завершают изготовление активной структуры резистивного энергонезависимого элемента памяти.
Относительно полученной активной структуры проведены при комнатной температуре (22-25°C) измерения ΒΑΧ, для чего структура снабжена проводящим электродом 1', расположенным на активном слое 2 (см. Фиг. 1). В качестве проводящего электрода 1 использована подложка.
Измерения показали хорошую воспроизводимость характеристик мемристора при циклировании. Кроме того, тестирование показало, что в отношении полученной структуры наблюдается биполярный режим переключений. Напряжение формовки достигает нулевого значения, то есть, значения, равного напряжению переключения из высокоомного состояния в низкоомное состояние, которое составляет «плюс» 2,38 В. Достижение напряжения формовки нулевого значения, то есть, значения, равного напряжению переключения из высокоомного состояния в низкоомное состояние, означает, что при формовке отсутствует электрический пробой.