RU2194334C1

RU2194334C1 - Method for producing nanometric-size ferrite conductor

Info

Publication number: RU2194334C1
Application number: RU2001106446/28A
Authority: RU
Inventors: В.М. Мордвинцев; вцев С.Е. Кудр; С.Е. Кудрявцев; В.Л. Левин
Original assignee: Институт микроэлектроники и информатики РАН
Priority date: 2001-03-07
Filing date: 2001-03-07
Publication date: 2002-12-10

Abstract

FIELD: micro- and nanoelectronics. SUBSTANCE: method for producing nanostructures on solid body surface involving formation of nanometric-size conductor between two electrodes of structure separated by insulating slit, 2-100 nm wide, includes introduction of organic material in insulating slit, with material conductance varying when electron flux is passed through this slit, application of voltage of sufficient magnitude across structure to ensure current flow, said voltage being supplied from device of high output resistance, and structure holding in energized condition. Novelty is that conductor is produced in two stages: voltage is raised up to abrupt increase or jump of structure conductivity (U₀) at maximal output resistances which are still ensuring reliable detection of structure conductivity jump on the background of noise and voltage across energized structure is maintained between 2 V and U₀ at low output resistances. In this way nanometric-size conductor is produced in insulating slit between structure electrodes having different characteristics due to its self-organizing process. EFFECT: enhanced reliability and enlarged capabilities of implementing proposed process. 4 cl, 7 dwg

Description

Изобретение относится к технологии микро- и наноэлектроники, а именно к технологии формирования наноструктур на поверхности твердого тела. The invention relates to the technology of micro- and nanoelectronics, and in particular to a technology for the formation of nanostructures on the surface of a solid.

Традиционный способ формирования проводящего элемента с нанометровыми размерами, расположенного на поверхности изолирующей подложки между двумя электродами, состоит в использовании процесса литографии [1]: на поверхность проводящего слоя, находящегося на изолирующей подложке, наносится слой резиста (материала, чувствительного к воздействию, например, электронного или рентгеновского облучения и устойчивого в процессе травления материала проводящего слоя). Он локально, с нанометровым разрешением, экспонируется потоком электронов или рентгена. Скрытое изображение в резисте проявляется при химической обработке, формируя защитную маску, через которую путем травления открытых участков рисунок переносится в проводящий слой. Затем маска селективно удаляется. The traditional way of forming a nanometer-sized conductive element located on the surface of an insulating substrate between two electrodes is to use the lithography process [1]: a resist layer (a material sensitive to the effects of, for example, electronic) is applied to the surface of the conductive layer located on the insulating substrate or X-ray irradiation and conductive layer material stable during etching). It is locally, with nanometer resolution, exposed to a stream of electrons or X-rays. The latent image in the resist manifests itself during chemical treatment, forming a protective mask through which the pattern is transferred to the conductive layer by etching open areas. Then the mask is selectively removed.

Такой способ требует применения прецизионного оборудования и сложных резистных композиций, работа с которыми означает наличие дополнительных операций. This method requires the use of precision equipment and complex resistive compositions, work with which means the presence of additional operations.

Известен способ формирования проводящего элемента с нанометровыми размерами на поверхности подложки с применением безрезистной литографии [2]. Подложка помещается в пары металлоорганического вещества, что приводит к образованию на ее поверхности соответствующего адсорбированного слоя, который локально подвергается воздействию остро сфокусированного электронного луча. Деструкция молекул металлоорганики под лучом и удаление летучих продуктов вызывает локальное формирование проводящего материала, обогащенного атомами металла. Таким образом может быть сформирован проводящий элемент нанометровых размеров. A known method of forming a conductive element with nanometer dimensions on the surface of the substrate using an uninterrupted lithography [2]. The substrate is placed in pairs of organometallic substances, which leads to the formation on its surface of the corresponding adsorbed layer, which is locally exposed to a sharply focused electron beam. The destruction of organometallic molecules under the beam and the removal of volatile products causes local formation of a conductive material enriched in metal atoms. In this way, a nanometer-sized conductive element can be formed.

В этом способе отсутствует слой резиста и все операции, необходимые для его обработки, однако оборудование должно быть еще более сложным, чем в предыдущем случае. In this method, there is no resist layer and all the operations necessary for its processing, however, the equipment should be even more complex than in the previous case.

Аналогичный процесс может быть проведен с помощью более простого оборудования - сканирующего туннельного микроскопа (СТМ) [3]. Локальность воздействия потока электронов с острия зонда, приводящая к формированию проводящего элемента с нанометровыми размерами, обеспечивается нанометровой величиной изолирующего зазора между зондом СТМ и поверхностью образца и высокой напряженностью электрического поля в зазоре. Поэтому отпадает нужда в системах фокусировки электронного пучка. A similar process can be carried out using simpler equipment - a scanning tunneling microscope (STM) [3]. The locality of the influence of the electron flux from the tip of the probe, leading to the formation of a conductive element with nanometer dimensions, is ensured by the nanometer size of the insulating gap between the STM probe and the sample surface and a high electric field in the gap. Therefore, there is no need for electron beam focusing systems.

Тем не менее, учитывая необходимость прецизионного выведения зонда СТМ в заданную область на поверхности, оборудование остается еще сложным. However, given the need for precision removal of the STM probe to a given area on the surface, the equipment remains complex.

Известен способ формирования проводящей среды между двумя металлическими электродами, изолирующая щель между которыми образована путем пережигания металлической пленки при подаче импульса напряжения (это гарантирует наличие остаточных частиц металла в изолирующей щели, что обеспечивает начальную проводимость структуры), за счет процесса электроформовки [4], состоящего в следующем. Созданная планарная структура металл-изолятор-металл (МИМ-структура) с небольшой начальной проводимостью помещается в пары органического вещества таким образом, что обеспечивается поступление органических молекул в изолирующую щель, и на нее подается постоянное или медленно циклирующее напряжение с амплитудой от 5 до 20 В. Выдержка в таких условиях приводит к деструкции адсорбированных молекул органики за счет прохождения тока и образованию углеродистой проводящей среды, по составу близкой к графиту, что проявляется в увеличении проводимости структуры на несколько порядков. A known method of forming a conductive medium between two metal electrodes, an insulating gap between which is formed by burning a metal film when a voltage pulse is applied (this ensures the presence of residual metal particles in the insulating gap, which ensures the initial conductivity of the structure), due to the electroforming process [4], consisting in the following. The created planar metal-insulator-metal (MIM-structure) structure with a small initial conductivity is placed in pairs of organic matter in such a way that organic molecules enter the insulating gap and a constant or slowly cycling voltage with an amplitude of 5 to 20 V is applied to it Exposure under such conditions leads to the destruction of adsorbed organic molecules due to the passage of current and the formation of a carbon conductive medium, similar in composition to graphite, which manifests itself in an increase in imosti structure of several orders of magnitude.

Выполнение этого процесса не требует сложного оборудования, однако формирование изолирующей щели с начальной проводимостью является разрушающим процессом, и происходит он в пространственных масштабах порядка микрометра, а углеродистая проводящая среда образуется вдоль всей длины изолирующей щели. This process does not require complicated equipment, however, the formation of an insulating gap with initial conductivity is a destructive process, and it occurs on a spatial scale of the order of a micrometer, and a carbon conductive medium is formed along the entire length of the insulating gap.

В [5] предложено электроформовку выполнять в МИМ-структурах с изолирующей щелью, не содержащей частиц металла, при этом необходимая начальная проводимость в том же диапазоне напряжений обеспечивается за счет малой ширины изолирующей щели, величина которой лежит в диапазоне от 2 до 100 нм, что приводит к существованию в ней электрических полей с высокой напряженностью. В этом случае исключается разрушение элементов конструкции МИМ-структуры, и все процессы происходят в нанометровых (по ширине изолирующей щели) пространственных масштабах. In [5], it was proposed that electroforming be performed in MIM structures with an insulating gap that does not contain metal particles, and the necessary initial conductivity in the same voltage range is ensured by the small width of the insulating gap, the value of which lies in the range from 2 to 100 nm, which leads to the existence in it of electric fields with high intensity. In this case, the destruction of the structural elements of the MIM structure is excluded, and all processes occur on a nanometer scale (along the width of the insulating gap).

Однако образование проводящей среды по-прежнему возможно вдоль всей длины изолирующей щели. However, the formation of a conductive medium is still possible along the entire length of the insulating gap.

Техническое решение, наиболее близкое к предлагаемому, описано в [6]. В изолирующую щель МИМ-структуры, аналогичной предыдущей, выполненной в виде открытой "сэндвич"-структуры Al-Al₂O₃-W с шириной щели несколько десятков нанометров, путем размещения ее в вакууме с парами органических вакуумных масел вводится органический материал, проводимость которого меняется при прохождении через него потока электронов. На структуру подают напряжение (катод - W), достаточное для протекания тока, приводящего к необратимому увеличению проводимости структуры, но не превышающего напряжения разрушающего электрического пробоя, причем напряжение подается с помощью устройства с высоким выходным сопротивлением, представляющим собой просто источник напряжения с последовательно включенным постоянным балластным сопротивлением величиной несколько МОм. Структуру выдерживают под напряжением, величину которого на источнике напряжения периодически меняют между нулем и 10 В до достижения стационарного значения проводимости структуры, определяемого значением балластного сопротивления. Роль этого последовательного сопротивления, кроме ограничения роста проводимости структуры в конце процесса электроформовки и предотвращения разрушающего ее электрического пробоя, состоит также в выделении, путем ограничения напряжения на структуре с увеличением тока в начале процесса электроформовки, единственного наноострия на поверхности катода, эмиссия электронов с которого приводит к локальному образованию углеродистой проводящей среды. Поэтому в таких условиях имеет место самоорганизация, за счет механизма автоматической селекции области с наилучшими условиями для автоэмиссии, только одного проводящего элемента, имеющего нанометровые размеры по всем трем измерениям, из большого количества потенциально возможных в изолирующей щели. Возникший элемент растет до тех пор, пока увеличение проводимости МИМ-структуры и, соответственно, тока через нее, не приведет к уменьшению напряжения собственно на МИМ-структуре до порогового значения, находящегося около 3 В, ниже которого электроформовка не идет. Это техническое решение выбрано в качестве прототипа.The technical solution closest to the one proposed is described in [6]. An organic material whose conductivity is introduced into a vacuum slit of a MIM structure similar to the previous one, made in the form of an open sandwich structure of Al-Al ₂ O ₃ -W with a slit width of several tens of nanometers, is placed in a vacuum with vapors of organic vacuum oils changes when an electron stream passes through it. A voltage (cathode - W) is applied to the structure, sufficient for the current to flow, leading to an irreversible increase in the structure's conductivity, but not exceeding the voltage that destroys electrical breakdown, and the voltage is supplied using a device with a high output resistance, which is simply a voltage source with a constant voltage connected in series ballast resistance of several megohms. The structure is kept under voltage, the value of which at the voltage source is periodically changed between zero and 10 V until a stationary value of the conductivity of the structure is determined, determined by the value of the ballast resistance. The role of this series resistance, in addition to limiting the growth of the conductivity of the structure at the end of the electroforming process and preventing the breakdown that destroys it, also consists in isolating, by limiting the voltage on the structure with increasing current at the beginning of the electroforming process, the only nano point on the surface of the cathode, the electron emission from which to local formation of a carbon conductive medium. Therefore, under such conditions, self-organization takes place, due to the mechanism of automatic selection of the region with the best conditions for field emission, only one conductive element, which has nanometer dimensions in all three dimensions, from a large number of potential in the insulating gap. The resulting element grows until an increase in the conductivity of the MIM structure and, accordingly, of the current through it, leads to a decrease in the voltage on the MIM structure itself to a threshold value of about 3 V, below which the electroforming does not go. This technical solution is selected as a prototype.

Поскольку последовательное балластное сопротивление выполняет сразу несколько различных функций, при постоянном его значении невозможно обеспечить наилучшие условия для реализации каждой из них, особенно в широком диапазоне характеристик структур, с которыми приходится иметь дело. Например, увеличение ширины изолирующей щели требует больших значений напряжения для начала эмиссии электронов. Последнее резко увеличивает вероятность разрушающего электрического пробоя структуры, а при использовании слишком большого балластного сопротивления не дает возможности довести проводимость МИМ-структуры до заданной величины, т.е. сформировать проводящий элемент нужных размеров и проводимости. Что касается функции выделения (самоорганизации) проводящего элемента нанометровых размеров, она становится возможной из-за пространственной неоднородности эмиссионных характеристик на разных участках изолирующей щели МИМ-структуры. В случае идеальной однородности процесс образования углеродистой проводящей среды развивался бы одновременно по всей длине щели, и наоборот, чем выше неоднородность, тем легче выделить один проводящий элемент. Требования к величине балластного сопротивления для обеспечения условий селекции единственного элемента и для формирования элемента нужных размеров и проводимости тоже противоречивы. Кроме того, существует целый ряд факторов, затрудняющих и даже делающих невозможным процесс образования единственного проводящего элемента по этому способу. Во-первых, наличие заметной начальной проводимости структуры, приводящей к существованию при подаче напряжения равномерно распределенного по периметру изолирующей щели тока, что может иметь место в реальных системах, будет сглаживать пространственную неоднородность эмиссионных характеристик и способствовать зарождению проводящих элементов сразу на многих участках. Во-вторых, в случае использования в структуре электрода (анода) из материала с низкой удельной проводимостью, например полупроводника, последовательно каждому участку изолирующей щели оказываются подключены значительные сопротивления растекания. При этом между собой последние включены параллельно и поэтому работают на подавление пространственной неоднородности проводимости в щели, затрудняя выделение единственного проводящего элемента и приводя к развитию процесса электроформовки параллельно на всех участках. Since sequential ballast resistance performs several different functions at once, with its constant value it is impossible to provide the best conditions for the implementation of each of them, especially in a wide range of characteristics of the structures with which it is necessary to deal. For example, increasing the width of the insulating gap requires large voltage values to start electron emission. The latter sharply increases the probability of destructive electrical breakdown of the structure, and when using too much ballast resistance it does not make it possible to bring the conductivity of the MIM structure to a given value, i.e. to form a conductive element of the desired size and conductivity. As for the function of separation (self-organization) of the nanometer-sized conductive element, it becomes possible due to the spatial heterogeneity of the emission characteristics in different parts of the insulating gap of the MIM structure. In the case of perfect homogeneity, the process of formation of a carbon conductive medium would develop simultaneously along the entire length of the gap, and vice versa, the higher the heterogeneity, the easier it is to single out one conductive element. The requirements for the value of ballast resistance to ensure the selection conditions of a single element and for the formation of an element of the desired size and conductivity are also contradictory. In addition, there are a number of factors that complicate and even make impossible the process of formation of a single conductive element by this method. First, the presence of a noticeable initial conductivity of the structure, which leads to the existence of a current evenly distributed along the perimeter of the insulating gap, which can occur in real systems, will smooth out the spatial inhomogeneity of the emission characteristics and contribute to the nucleation of conductive elements in many areas at once. Secondly, if a structure with an electrode (anode) made of a material with a low conductivity, for example, a semiconductor, is used, significant spreading resistances are connected in series to each section of the insulating gap. Moreover, the latter are connected in parallel with each other and therefore work to suppress spatial heterogeneity of conductivity in the gap, making it difficult to isolate a single conductive element and leading to the development of the electroforming process in parallel in all areas.

Недостатком прототипа является низкая надежность процесса формирования единичного нанометрового проводящего элемента и возможность его реализации только в отдельных случаях, когда имеется относительно высокая пространственная неоднородность условий для эмиссии в изолирующей щели. The disadvantage of the prototype is the low reliability of the process of forming a single nanometer conductive element and the possibility of its implementation only in some cases, when there is a relatively high spatial heterogeneity of the conditions for emission in the insulating gap.

Задачей изобретения является увеличение надежности процесса формирования единичного проводящего элемента нанометровых размеров в изолирующей щели между электродами структур с различными характеристиками за счет процесса его самоорганизации и расширения возможностей реализации этого процесса. The objective of the invention is to increase the reliability of the process of forming a single conductive element of nanometer size in the insulating gap between the electrodes of structures with different characteristics due to the process of self-organization and expanding the possibilities for implementing this process.

Поставленная задача решается тем, что в предлагаемом способе формирования проводящего элемента нанометровых размеров между двумя электродами структуры, разделенными изолирующей щелью шириной от 2 до 100 нм, включающем введение в изолирующую щель материала, проводимость которого меняется при прохождении через него потока электронов, например органического материала, подачу на структуру напряжения, достаточного для протекания тока, приводящего к необратимому увеличению проводимости структуры, но не превышающего напряжения разрушающего электрического пробоя, причем напряжение подается с помощью устройства с высоким выходным сопротивлением, и выдержку структуры под напряжением, в отличие от прототипа с помощью указанного устройства обеспечивают изменяемую отрицательную обратную связь между током через структуру и напряжением на ней, при подаче напряжения его повышают до резкого увеличения (скачка) проводимости структуры (U₀), причем выходное сопротивление устройства в это время поддерживают в диапазоне от 1 МОм до максимального значения, которое еще обеспечивает уверенное обнаружение скачка проводимости структуры на фоне шумов, а при выдержке напряжение на структуре поддерживают в диапазоне от 2 В до U₀ при меньших, чем на предыдущей операции, значениях выходного сопротивления устройства.The problem is solved in that in the proposed method for the formation of a conductive element of nanometer size between two electrodes of the structure, separated by an insulating gap with a width of 2 to 100 nm, including the introduction of a material into the insulating gap, the conductivity of which changes when an electron flow passes through it, for example, organic material, supplying the structure with a voltage sufficient for the flow of current, leading to an irreversible increase in the conductivity of the structure, but not exceeding the destructive voltage electrical breakdown, moreover, the voltage is supplied using a device with a high output resistance, and the exposure of the structure under voltage, in contrast to the prototype using the specified device, provides a variable negative feedback between the current through the structure and the voltage on it, when voltage is applied, it is increased to a sharp increase (jump) of the conductivity of the structure (U ₀ ), and the output impedance of the device at this time is maintained in the range from 1 MΩ to the maximum value, which still provides early detection of a jump in the conductivity of the structure against the background of noise, and during exposure, the voltage on the structure is maintained in the range from 2 V to U ₀ at lower values of the output resistance of the device than in the previous operation.

В заявленном способе с помощью соответствующего устройства обеспечивают изменяемую отрицательную обратную связь между током и напряжением на структуре, что позволяет каждую из двух последовательных стадий формирования проводящего элемента: стадию зарождения и стадию роста и стабилизации, - проводить в своих оптимальных для их выполнения условиях. Сначала, при подаче напряжения на структуру (стадия зарождения проводящего элемента), его постепенно повышают до резкого увеличения (скачка) ее проводимости (напряжение зарождения U₀). При этом наличие сильной, обеспечиваемой высоким выходным сопротивлением устройства, отрицательной обратной связи между током и напряжением на структуре приводит к тому, что, если за счет роста проводимости структуры ток начнет увеличиваться, напряжение на ней будет автоматически резко падать. Поэтому как только из-за высокой напряженности электрического поля начинается эмиссия с первого случайного наноострия на реальной поверхности катода и образуется углеродистая проводящая среда (УПС), условия для эмиссии на других остриях сразу ухудшаются, что и обеспечивает единичность возникающего проводящего элемента. Верхняя граница диапазона выходного сопротивления устройства обусловлена необходимостью уверенного обнаружения скачка проводимости структуры на фоне шумов, иначе будет невозможно зафиксировать момент зарождения и соответствующее напряжение U₀. Уровень шумов в системе зависит от многих, в том числе случайных, факторов. Поэтому конкретное значение максимального выходного сопротивления указать невозможно. В то же время, приведенный функциональный признак, будучи максимально точным, ясно указывает процедуру его определения при реализации предлагаемого способа. Нижняя граница получена экспериментально и соответствует величине, при которой после последующей выдержки проводящий элемент может вырасти до ширины порядка 100 нм, что можно считать верхним пределом области нанометровых размеров. Во время выдержки (стадия роста и стабилизации проводящего элемента) напряжение на структуре поддерживают в диапазоне от порогового напряжения для процесса электроформовки, которое определяется энергией электронов, необходимой для деструкции органических молекул и образования проводящей фазы, и обычно имеет величину около 2-3 В [4], до напряжения зарождения U₀, превышение которого недопустимо, поскольку может привести к появлению новых проводящих элементов в изолирующей щели. На этой стадии не только растут размеры элемента, но и меняется состав и структура материала, что проявляется в увеличении его удельной проводимости и стабилизации характеристик проводящего элемента. Относительно высокое выходное сопротивление устройства, обеспечивающего отрицательную обратную связь между током через структуру и напряжением на ней, на этой операции необходимо для предотвращения развития разрушающего электрического пробоя структуры. Однако его величина должна быть меньше, чем на предыдущей операции (подаче напряжения), иначе, из-за уменьшения с ростом тока напряжения собственно на структуре, становится невозможным рост проводящего элемента, увеличение его проводимости и стабилизация характеристик.In the inventive method, using the appropriate device, a variable negative feedback between the current and voltage on the structure is provided, which allows each of two successive stages of the formation of the conductive element: the nucleation stage and the growth and stabilization stage, to be carried out in their optimal conditions. First, when applying voltage to the structure (the stage of nucleation of the conductive element), it is gradually increased to a sharp increase (jump) in its conductivity (nucleation voltage U ₀ ). Moreover, the presence of a strong, provided by a high output resistance of the device, negative feedback between the current and voltage on the structure leads to the fact that if, due to an increase in the conductivity of the structure, the current begins to increase, the voltage on it will automatically drop sharply. Therefore, as soon as due to the high electric field strength, emission begins from the first random nano point on the real surface of the cathode and a carbon conductive medium (UPS) is formed, the conditions for emission at other tips immediately worsen, which ensures the unity of the resulting conductive element. The upper limit of the output resistance range of the device is due to the need for reliable detection of a jump in the conductivity of the structure against the background of noise, otherwise it will be impossible to fix the nucleation moment and the corresponding voltage U ₀ . The noise level in the system depends on many, including random, factors. Therefore, the specific value of the maximum output resistance cannot be indicated. At the same time, the above functional sign, being as accurate as possible, clearly indicates the procedure for determining it when implementing the proposed method. The lower boundary is obtained experimentally and corresponds to the value at which, after subsequent exposure, the conductive element can grow to a width of about 100 nm, which can be considered the upper limit of the nanometer-sized region. During exposure (the stage of growth and stabilization of the conductive element), the voltage on the structure is maintained in the range from the threshold voltage for the electroforming process, which is determined by the electron energy necessary for the destruction of organic molecules and the formation of the conductive phase, and usually has a value of about 2-3 V [4 ], up to the nucleation voltage U ₀ , the excess of which is unacceptable, since it can lead to the appearance of new conductive elements in the insulating gap. At this stage, not only the size of the element grows, but also the composition and structure of the material changes, which is manifested in an increase in its specific conductivity and stabilization of the characteristics of the conductive element. The relatively high output impedance of a device that provides negative feedback between the current through the structure and the voltage across it is necessary in this operation to prevent the development of a destructive electrical breakdown of the structure. However, its value should be less than in the previous operation (applying voltage), otherwise, due to a decrease in the voltage of the actual structure, it becomes impossible to increase the conductive element, increase its conductivity and stabilize the characteristics.

Кроме того, поставленная задача решается тем, что во время подачи напряжения выходное сопротивление устройства поддерживают максимальным, которое еще обеспечивает уверенное обнаружение скачка проводимости структуры на фоне шумов. In addition, the task is solved in that during the voltage supply, the output impedance of the device is kept maximum, which still provides reliable detection of a jump in the conductivity of the structure against the background of noise.

При максимальном выходном сопротивлении из возможного диапазона при подаче напряжения достигается наиболее сильная обратная связь между током и напряжением на структуре и обеспечивается зарождение единичного проводящего элемента (и подавление других) даже в наиболее неблагоприятных для этого условиях, когда пространственная неоднородность эмиссионных характеристик вдоль изолирующей щели минимальна, либо она подавляется внешними факторами. At the maximum output resistance from the possible range, when the voltage is applied, the strongest feedback between the current and voltage on the structure is achieved and the nucleation of a single conductive element (and suppression of others) is ensured even under the most unfavorable conditions for this, when the spatial inhomogeneity of the emission characteristics along the insulating gap is minimal, or it is suppressed by external factors.

Дополнительно поставленная задача решается тем, что во время выдержки сканируют напряжением на структуре внутри диапазона от 2 В до значения U₀.Additionally, the problem is solved by the fact that during exposure scan voltage on the structure within the range from 2 V to the value of U ₀ .

Если во время выдержки напряжение на структуре будет зафиксировано вблизи верхней границы диапазона, увеличивается вероятность развития разрушающего электрического пробоя, а также выгорания УПС, проявляющееся в уменьшении проводимости структуры. В случае его поддержания вблизи нижней границы диапазона для роста проводящего элемента может потребоваться неприемлемо большое время, поскольку скорость образования углеродистой проводящей среды будет низкой. Кроме того, сама величина порогового напряжения для различных структур может случайным образом меняться в диапазоне от 2 до 3 В, поэтому время развития процесса электроформовки при таких низких напряжениях может стать неопределенно большим. В случае же сканирования напряжением в диапазоне от минимального значения, при котором возможны акты электроформовки (образования УПС), до максимального значения, находящихся внутри диапазона от 2 В до U₀, устраняются все эти недостатки.If during exposure the voltage on the structure is fixed near the upper limit of the range, the likelihood of developing destructive electrical breakdown, as well as burnout of the UPS, increases, which manifests itself in a decrease in the conductivity of the structure. If it is maintained near the lower end of the range, the growth of the conductive element may take an unacceptably long time, since the rate of formation of the carbon conductive medium will be low. In addition, the magnitude of the threshold voltage for various structures can randomly vary in the range from 2 to 3 V, so the development time of the electroforming process at such low voltages can become indefinitely long. In the case of scanning with a voltage in the range from the minimum value at which acts of electroforming (formation of UPS) are possible to the maximum value within the range from 2 V to U ₀ , all these disadvantages are eliminated.

Кроме того, поставленная задача решается тем, что с помощью устройства, обеспечивающего изменяемую отрицательную обратную связь между током и напряжением на структуре, стабилизируют ток через структуру. In addition, the task is solved in that using a device that provides a variable negative feedback between the current and voltage on the structure, stabilize the current through the structure.

При этом устройство автоматически отслеживает изменения проводимости структуры, соответствующим образом меняя напряжение на ней. Во время подачи напряжения величину стабилизируемого тока задают относительно малой, что эквивалентно наличию относительно высокого выходного сопротивления устройства. В сравнении с постоянным значением выходного сопротивления поддержание фиксированного тока делает обратную связь более сильной, а ситуацию более определенной и контролируемой, поскольку именно ток ответственен за образование углеродистой проводящей среды. Во время выдержки величину стабилизируемого тока увеличивают, что эквивалентно уменьшению выходного сопротивления устройства и позволяет расти проводимости элемента, а значит, и его размерам. Причем при резком увеличении проводимости возможность быстрого уменьшения напряжения до значения, фиксирующего ток, гарантирует от развития разрушающего электрического пробоя структуры. В то же время стабилизация значения тока обеспечивает высокую эффективность роста проводящего элемента, поскольку поддерживается постоянной скорость образования УПС, несмотря на характерную немонотонность процесса электроформовки, проявляющуюся не только в быстрых увеличениях, но и в резких уменьшениях проводимости структуры, связанных с локальным выжиганием проводящей среды. In this case, the device automatically monitors changes in the conductivity of the structure, accordingly changing the voltage on it. During voltage supply, the stabilized current is set relatively small, which is equivalent to having a relatively high output impedance of the device. Compared to a constant value of the output resistance, maintaining a fixed current makes feedback more powerful, and the situation is more defined and controlled, since it is the current that is responsible for the formation of a carbon conducting medium. During exposure, the value of the stabilized current is increased, which is equivalent to a decrease in the output resistance of the device and allows the conductivity of the element to grow, and hence its size. Moreover, with a sharp increase in conductivity, the ability to quickly reduce the voltage to a value that fixes the current guarantees from the development of a destructive electrical breakdown of the structure. At the same time, stabilization of the current value provides a high growth efficiency of the conductive element, since the formation of an UPS is constant, despite the characteristic non-monotonicity of the electroforming process, which manifests itself not only in rapid increases, but also in sharp decreases in the structure conductivity associated with local burning of the conductive medium.

В источниках информации не обнаружено сведений, аналогичных предложенному способу формирования проводящего элемента нанометровых размеров, что позволяет сделать вывод о его новизне. No information was found in the sources of information similar to the proposed method for forming a conductive element of nanometer sizes, which allows us to conclude that it is new.

Кроме того, совокупность признаков предлагаемого способа не очевидна для специалиста из достигнутого уровня техники для достижения поставленной задачи, что подтверждает соответствие способа критерию "изобретательский уровень". In addition, the set of features of the proposed method is not obvious to a specialist from the achieved level of technology to achieve the task, which confirms the compliance of the method with the criterion of "inventive step".

На фиг.1 схематически изображена открытая "сэндвич"-структура с изолирующей щелью нанометровой ширины после электроформовки: (а) - вид спереди, (б) - поперечное сечение. Figure 1 schematically shows an open "sandwich" structure with an insulating gap of a nanometer width after electroforming: (a) a front view, (b) a cross section.

На фиг.2 показана типичная вольт-амперная характеристика (последовательное сопротивление отсутствует) единичного проводящего элемента из УПС, сформированного путем электроформовки в открытой "сэндвич"-структуре Al-Al₂O₃-W при помощи источника напряжения с выходным сопротивлением 5 МОм после выдержки структуры под напряжением до состояния, когда ее проводимость перестала увеличиваться. Н=24 нм. ВАХ получена с помощью самописца, скорость изменения напряжения 1 В/с.Figure 2 shows a typical current-voltage characteristic (there is no series resistance) of a single conductive element from UPS, formed by electroforming in an open "sandwich" Al-Al ₂ O ₃ -W structure using a voltage source with an output resistance of 5 MΩ after exposure structures under voltage to a state when its conductivity has ceased to increase. H = 24 nm. The CVC is obtained using a recorder, the rate of change of voltage is 1 V / s.

На фиг.3 показана блок-схема простейшего устройства для электроформовки, обеспечивающего изменяемую отрицательную обратную связь между током через структуру и напряжением на ней. Figure 3 shows a block diagram of a simple device for electroforming, providing a variable negative feedback between the current through the structure and the voltage on it.

На фиг.4 показан набор вольт-амперных характеристик (ВАХ) для структуры Al-Al₂O₃-W, отражающих процессы зарождения (а) и роста (б)-(г) проводящего элемента, а также ВАХ собственно сформированного проводящего элемента (д). Величина балластного (выходного) сопротивления R_b, МОм: а - 100, б - 50, в - 20, г - 7,5, д - 0. Кривые (а) получены при первом цикле изменения напряжения V: 1 - фаза нарастания V, 2 - фаза убывания V. Кривые (б) - (г) получены после выдержки под воздействием напряжения треугольной формы при соответствующем значении R_b в течение 1-2 мин. Прямые линии - ВАХ соответствующих балластных сопротивлений. H= 24 нм. ВАХ получены с помощью самописца, скорость изменения напряжения 1 В/с.Figure 4 shows a set of current-voltage characteristics (CVC) for the structure of Al-Al ₂ O ₃ -W, reflecting the processes of nucleation (a) and growth (b) - (d) of the conductive element, as well as the I-V characteristic of the formed conductive element ( e). The value of the ballast (output) resistance R _b , MOhm: a - 100, b - 50, c - 20, g - 7.5, d - 0. Curves (a) were obtained during the first cycle of voltage change V: 1 - rise phase V , 2 - decreasing phase V. Curves (b) - (d) are obtained after holding under the influence of a voltage of triangular shape with the corresponding value of R _b for 1-2 minutes. Straight lines are the I – V characteristics of the corresponding ballast resistances. H = 24 nm. I – V characteristics obtained using a recorder, the rate of change of voltage 1 V / s.

На фиг.5 показан набор ВАХ для структуры Si-SiO₂-W, отражающих процессы зарождения (а) и роста (б)-(д) проводящего элемента, а также ВАХ собственно сформированного проводящего элемента (е). Величина балластного (выходного) сопротивления R_b, МОм: а - 100, б - 50, в - 20, г - 10, д - 4,7, е - 0. При каждом значении R_b выполнялся один цикл изменения напряжения V. ВАХ получены с помощью самописца, скорость изменения напряжения 0,25 В/с. Прямые линии - ВАХ соответствующих балластных сопротивлений. H=17 нм.Figure 5 shows a set of CVCs for the structure of Si-SiO ₂ -W, reflecting the processes of nucleation (a) and growth (b) - (e) of the conductive element, as well as the current-voltage characteristic of the formed conductive element (e). The value of the ballast (output) resistance R _b , MOhm: a - 100, b - 50, c - 20, g - 10, d - 4.7, e - 0. For each value of R _b , one cycle of voltage variation V was performed. obtained using a recorder, the rate of change of voltage is 0.25 V / s. Straight lines are the I – V characteristics of the corresponding ballast resistances. H = 17 nm.

На фиг. 6 приведена принципиальная электрическая схема устройства для электроформовки, обеспечивающего изменяемую отрицательную обратную связь между током через структуру и напряжением на ней за счет стабилизации значения тока. In FIG. Figure 6 shows a circuit diagram of a device for electroforming, providing a variable negative feedback between the current through the structure and the voltage on it due to the stabilization of the current value.

На фиг. 7 показаны зависимости напряжения U на открытой "сэндвич"-структуре Al-Al₂O₃-W и тока J через нее от времени при формировании проводящего элемента с помощью устройства стабилизации тока. Кривые получены с помощью самописца. H=24 нм.In FIG. Figure 7 shows the dependences of the voltage U on the open "sandwich" structure of Al-Al ₂ O ₃ -W and the current J through it as a function of time during the formation of the conductive element using a current stabilization device. Curves obtained using a recorder. H = 24 nm.

Проще всего изолирующую щель нанометровой ширины между двумя электродами получить в открытой "сэндвич"-структуре (фиг.1). В обычном "сэндвиче" локально стравливаются верхний металлический слой 1, в дальнейшем являющийся одним из электродов (катодом), и диэлектрическая пленка 2 нанометровой толщины. Торец 3 диэлектрической пленки открывается для доступа материала, проводимость которого меняется при прохождении через него потока электронов (обычно используется органика). Этот торец и служит изолирующей щелью, расположенной между катодом 1 и анодом, роль которого выполняет нижняя металлическая пленка 4, ее ширина определяется толщиной диэлектрической пленки. Возможно использование и планарной структуры, когда электроды лежат в одной плоскости, однако при этом надо владеть одним из методов нанолитографии. Органический материал попадает в изолирующую щель либо при размещении структуры в соответствующей газовой или жидкой среде, либо при нанесении на структуру твердой органической пленки. Возможно также применение просто традиционной "сэндвич"-структуры с диэлектрическим слоем в виде тонкой (нанометровой толщины) органической пленки, которая одновременно служит и опорой для электродов, и материалом с проводимостью, изменяемой при прохождении через него потока электронов. The easiest way is to insulate a nanometer-wide insulating gap between two electrodes in an open "sandwich" structure (Fig. 1). In a conventional sandwich, the upper metal layer 1, which later becomes one of the electrodes (cathode), and the dielectric film 2 of nanometer thickness are locally etched. The end face 3 of the dielectric film is opened for access of the material, the conductivity of which changes as the electron stream passes through it (organics is usually used). This end serves as an insulating gap located between the cathode 1 and the anode, the role of which is played by the lower metal film 4, its width being determined by the thickness of the dielectric film. It is also possible to use a planar structure, when the electrodes are in the same plane, but one of the methods of nanolithography must be mastered. Organic material enters the insulating gap either when the structure is placed in an appropriate gas or liquid medium, or when a solid organic film is applied to the structure. It is also possible to use just a traditional “sandwich” structure with a dielectric layer in the form of a thin (nanometer-thick) organic film, which simultaneously serves as a support for the electrodes and a material with conductivity that changes when an electron stream passes through it.

На фиг. 1 условно показан проводящий элемент 5, образованный в открытой "сэндвич"-структуре из углеродистой проводящей среды в результате процесса электроформовки, причем на всей изолирующей щели он является единственным. Его положение по периметру щели определяется расположением области с оптимальными условиями для эмиссии электронов из катода и, в общем случае, - случайно. В реальных условиях наблюдать проводящий элемент непосредственно, с помощью известных средств микроскопии, практически невозможно из-за малых геометрических размеров, слабого материального контраста и неудобства расположения (на вертикальном торце нанометровой ширины Н). Поэтому судить о его форме и размерах можно только по косвенным данным, а также пользуясь общими очевидными соображениями. In FIG. 1 conventionally shows a conductive element 5 formed in an open "sandwich" structure of a carbon conductive medium as a result of an electroforming process, and it is the only one on the entire insulating gap. Its position along the slit perimeter is determined by the location of the region with optimal conditions for the emission of electrons from the cathode and, in the general case, by chance. In real conditions, it is practically impossible to directly observe a conductive element using known microscopy methods due to the small geometric dimensions, weak material contrast and inconvenience of location (at the vertical end of the nanometer width H). Therefore, one can judge its shape and size only by indirect data, as well as using general obvious considerations.

Факт единственности проводящего элемента в изолирующей щели структуры устанавливается следующим простым контрольным экспериментом [6]. Несколько идентичных, но топологически не связанных структур, изготовленных на одном чипе и соединенных параллельно, подвергаются электроформовке по предлагаемому способу одновременно. Если в результате проводимость необратимо возрастает только у одной структуры, а остальные остаются в исходном состоянии, то это означает, что и в изолирующей щели одной структуры реализуются условия зарождения и роста единственного проводящего элемента. Если бы УПС образовывалась сразу в нескольких, тем более многих, точках изолирующей щели (а значит, и в нескольких структурах одновременно), такой результат был бы невозможен. Приведенная на фиг.1 форма элемента обоснована очевидными представлениями о расходимости потока электронов, инжектируемых в изолирующую щель с наноострия на поверхности катода, причем эта расходимость обусловлена как расфокусирующим влиянием микрополей, так и рассеянием их в органическом материале. The fact of the uniqueness of the conducting element in the insulating gap of the structure is established by the following simple control experiment [6]. Several identical, but topologically unrelated structures made on the same chip and connected in parallel are electroformed by the proposed method simultaneously. If, as a result, the conductivity irreversibly increases only in one structure, and the rest remain in the initial state, then this means that the conditions of nucleation and growth of a single conducting element are realized in the insulating gap of one structure. If the UPS were formed at once in several, especially many, points of the insulating gap (and, therefore, in several structures at the same time), such a result would be impossible. The shape of the element shown in Fig. 1 is justified by obvious notions of the divergence of the flux of electrons injected into the insulating gap from the nano point on the cathode surface, and this divergence is due to both the defocusing effect of the microfields and their scattering in the organic material.

Размер l (ширину) сформированного проводящего элемента можно оценить из следующих соображений. В определенных условиях (см. фиг.2) его ВАХ имеет характерный для электроформованных структур вид с максимумом вблизи 4 В, который соответствует началу выгорания УПС. Предполагая идентичность УПС и ее окружения на молекулярном уровне в случае единичного проводящего элемента и при электроформовке традиционной планарной МИМ-структуры [4], когда УПС образуется вдоль всей длины изолирующей щели, можно утверждать, что максимум ВАХ соответствует в обоих случаях одинаковой плотности тока. Тогда при известном периметре (длине) изолирующей щели в традиционной планарной МИМ-структуре, для которой он обычно составляет десятки и сотни микрометров и поэтому легко измеряется, можно определить линейную (на единицу длины щели, заполненной УПС) плотность тока в максимуме ВАХ. Она составляет 400 мкА/мкм [6] . Для данных, приведенных на фиг.2, ток в максимуме равен 2 мкА, однако, поскольку фактически процесс электроформовки представляет собой серию коротких импульсов тока с характерной длительностью импульса порядка 10 мкс, которые сглаживаются и усредняются самописцем, имеющим большую постоянную времени, реальный ток в несколько раз больше. Измерения с большим временным разрешением, с применением быстродействующего АЦП и ЭВМ, дали его значение в максимуме около 8 мкА, поэтому размер l проводящего элемента в данном случае составляет около 8/400=0,02 мкм=20 нм. Учитывая, что толщина слоя УПС имеет порядок единиц нм, а ширина Н изолирующей щели не превышает несколько десятков нанометров, можно говорить о проводящем элементе нанометровых размеров. The size l (width) of the formed conductive element can be estimated from the following considerations. Under certain conditions (see Fig. 2), its I – V characteristic has a characteristic form for electroformed structures with a maximum near 4 V, which corresponds to the onset of burnout of the UPS. Assuming that the UPS and its environment are identical at the molecular level in the case of a single conducting element and during the electroforming of the traditional planar MIM structure [4], when the UPS is formed along the entire length of the insulating gap, it can be argued that the maximum I – V characteristic corresponds in both cases to the same current density. Then, with the known perimeter (length) of the insulating gap in the traditional planar MIM structure, for which it is usually tens or hundreds of micrometers and therefore easily measured, it is possible to determine the linear (per unit length of the gap filled by OPS) current density at the maximum I – V characteristic. It is 400 μA / μm [6]. For the data shown in Fig. 2, the maximum current is 2 μA, however, since in fact the electroforming process is a series of short current pulses with a characteristic pulse duration of the order of 10 μs, which are smoothed and averaged by a recorder with a large time constant, the real current in several times more. Measurements with a high temporal resolution, using high-speed ADCs and computers, gave its value at a maximum of about 8 μA, therefore, the size l of the conductive element in this case is about 8/400 = 0.02 μm = 20 nm. Considering that the thickness of the OPS layer is of the order of units nm, and the width H of the insulating gap does not exceed several tens of nanometers, we can speak of a conductive element of nanometer sizes.

Полученные оценки являются обоснованием нижнего значения выходного сопротивления (1 МОм) при подаче напряжения на структуру, приведенного в формуле изобретения. Поскольку ВАХ фиг.2 соответствует проводящему элементу, сформированному путем выдержки напряжения при помощи источника с выходным сопротивлением 5 МОм, а размер l элемента имеет значение около 20 нм, то уменьшение сопротивления до значений, меньших 1 МОм, будет приводить к образованию проводящих элементов шириной более 100 нм, что можно считать верхней границей области нанометровых размеров. The estimates obtained are the rationale for the lower value of the output resistance (1 MΩ) when applying voltage to the structure given in the claims. Since the I – V characteristic of FIG. 2 corresponds to a conductive element formed by holding a voltage with a source with an output resistance of 5 MΩ, and the element size l has a value of about 20 nm, a decrease in resistance to values less than 1 MΩ will result in the formation of conductive elements with a width of more than 100 nm, which can be considered the upper boundary of the nanometer-sized region.

Несмотря на значительную неопределенность формы и размеров элемента, его электрические характеристики (проводимость, ВАХ) можно контролировать достаточно точно, а во многих задачах именно последние представляют основной интерес. С этой точки зрения важны не только размеры проводящего элемента и удельная проводимость его материала, но и величина h остающегося изолирующего зазора между проводящим элементом 5 и анодом 4 (фиг.1), именно этот зазор туннельной (несколько нанометров) ширины наиболее сильно влияет на проводящие свойства структуры. Регулировать величины l и h можно как путем выращивания УПС до определенного значения проводимости, так и путем выжигания лишнего проводящего материала при подаче на структуру импульса напряжения достаточно большой (более 5 В) амплитуды, однако последний вариант является плохо контролируемым. Despite the significant uncertainty in the shape and size of the element, its electrical characteristics (conductivity, CVC) can be controlled quite accurately, and in many tasks it is the latter that are of primary interest. From this point of view, not only the dimensions of the conductive element and the specific conductivity of its material are important, but also the value h of the remaining insulating gap between the conductive element 5 and the anode 4 (Fig. 1), it is this gap of the tunnel (several nanometers) width that most affects the conductive structure properties. The values of l and h can be controlled both by growing the UPS to a certain conductivity value, and by burning off excess conductive material when a voltage pulse of a sufficiently large (more than 5 V) amplitude is applied to the structure, but the latter option is poorly controlled.

Пример 1. Проводящие элементы нанометровых размеров формировались в изолирующей щели открытой "сэндвич"-структуры Al-Al₂O₃-W, которая изготавливалась методами тонкопленочной технологии. На окисленную кремниевую пластину напылялась пленка алюминия, в которой с помощью фотолитографии создавался рисунок проводящих шин (нижний электрод 4), на них жидкостным анодированием выращивалась пленка окисла толщиной 20-30 нм (диэлектрическая пленка нанометровой толщины 2), сверху напылялся слой W, в котором также создавался рисунок (верхний электрод 1). Далее в локальных областях травлением через маску фоторезиста удалялись два верхних слоя: W и Аl₂О₃, - открытый торец 3 последней служил изолирующей щелью. Даже если слой окисла алюминия стравливался на всю толщину, в дальнейшем на поверхности алюминиевого электрода образовывалась тонкая пленка естественного окисла, поэтому формировался профиль, показанный на фиг.1,б.Example 1. Conducting elements of nanometer sizes were formed in the insulating gap of the open "sandwich" structure Al-Al ₂ O ₃ -W, which was produced by thin-film technology. An aluminum film was sprayed onto an oxidized silicon wafer, in which a pattern of conductive tires was created using photolithography (bottom electrode 4), an oxide film of 20–30 nm thick was grown on them by liquid anodization (a dielectric film of nanometer thickness 2), and a layer W was sprayed on top, in which a pattern was also created (upper electrode 1). Further, in the local areas, by etching through the photoresist mask, the two upper layers were removed: W and Al ₂ O ₃ — the open end 3 of the latter served as an insulating gap. Even if the layer of aluminum oxide was etched to the entire thickness, a thin film of natural oxide was formed on the surface of the aluminum electrode, therefore, the profile shown in Fig. 1, b was formed.

Введение в изолирующую щель органического материала осуществлялось путем размещения структуры в вакууме, создаваемом стандартными механическим и паромасляным насосами. Это обеспечивало присутствие паров органических вакуумных масел над поверхностью структуры и свободное поступление их в изолирующую щель, а также - отсутствие в ней кислорода, что необходимо для выполнения электроформовки. Напряжение на структуру 6 (см. фиг.3) подавалось с помощью устройства, включавшего генератор 7 треугольного импульса (амплитудой V до 20 В, длительностью около 10 с), и последовательно включенный балластный резистор, который выполнял роль выходного сопротивления устройства и величина R_b которого могла дискретно меняться в диапазоне от 100 до 1 МОм. ВАХ фиксировались двухкоординатным самописцем 8. Такое простейшее устройство обеспечивало наличие отрицательной обратной связи между током через структуру и напряжением U на ней, а смена балластного резистора, определявшего выходное сопротивление устройства, позволяло изменять глубину обратной связи. Сигналы, пропорциональные току и напряжению, через АЦП 9 выводились на ЭВМ 10.Organic material was introduced into the insulating gap by placing the structure in a vacuum created by standard mechanical and steam-oil pumps. This ensured the presence of vapors of organic vacuum oils above the surface of the structure and their free entry into the insulating gap, as well as the absence of oxygen in it, which is necessary to perform electroforming. The voltage to the structure 6 (see Fig. 3) was applied using a device that included a triangular pulse generator 7 (amplitude V to 20 V, duration of about 10 s), and a series-connected ballast resistor, which served as the output resistance of the device and the value of R _b which could change discretely in the range from 100 to 1 MΩ. The I – V characteristics were recorded by a two-coordinate recorder 8. Such a simple device ensured the presence of negative feedback between the current through the structure and the voltage U on it, and a change in the ballast resistor that determined the output resistance of the device allowed changing the feedback depth. Signals proportional to current and voltage through ADC 9 were output to computer 10.

При подаче напряжения использовался балластный резистор с максимальным сопротивлением (100 МОм). Это, во-первых, предохраняло структуру от разрушающего электрического пробоя (для напряжений зарождения U₀, больших 12 В, вероятность пробоя при меньших R_b становилась неприемлемо большой), во-вторых, обеспечивало единичность возникающего проводящего элемента на стадии его зарождения за счет автоматического резкого уменьшения напряжения на структуре с появлением и ростом ее проводимости. На первом цикле роста напряжения V до появления заметной проводимости структуры U=V, поскольку сопротивление структуры много больше балластного сопротивления. При достижении напряжения зарождения U₀ (см. фиг.4,а) ток скачком увеличивается (за счет необратимого увеличения проводимости структуры) и ограничивается уже балластным сопротивлением, а напряжение U на структуре резко падает и остается меньше U₀, несмотря на продолжающийся рост напряжения V. Поскольку при максимальном R_b= 100 МОм скачок тока, тем не менее, составляет более порядка величины, не возникает проблем с обнаружением его на фоне шумов, которые в данном случае незначительны. Во время выдержки структуры под напряжением балластное (выходное) сопротивление дискретно, но постепенно, уменьшали от 100 до 7,5 МОм. При каждом значении R_b структуру выдерживали под напряжением, меняющимся от 0 до максимального значения в течение 1-2 мин, после чего ВАХ выходили на почти стационарные кривые, показанные на фиг.4,б-г. Эти данные отражают рост возникшего при подаче напряжения единичного проводящего элемента за счет постепенного накопления УПС. Аналогичный результат наблюдался при изменении напряжения V не от 0, а от больших значений, подтверждая несущественность для роста проводящего элемента малых значений V, поскольку для напряжений U на структуре, меньше 2 В, процессы электроформовки (образования УПС) не идут, что проявляется, в частности, в плавности ВАХ на начальном участке. Поэтому при выдержке структуры напряжение V может меняться (сканироваться) от значения, соответствующего U=2 В, до максимального, соответствующего U₀. Однако максимальные значения V также уменьшали (фиг.4, б-г) по мере понижения R_b, что было необходимо для снижения вероятности разрушающего электрического пробоя по мере роста проводимости структуры, а также для уменьшения количества и глубины "отключений" структуры, проявляющихся в резком уменьшении ее проводимости за счет выгорания УПС. На фиг.4,д приведена ВАХ проводящего элемента, сформированного в ходе выполнения описанной процедуры, в качестве иллюстрации обычности его поведения и хорошей согласованности с фиг.2.When applying voltage, a ballast resistor with a maximum resistance (100 MΩ) was used. This, firstly, protected the structure from destructive electrical breakdown (for nucleation voltages U ₀ greater than 12 V, the probability of breakdown at lower R _b became unacceptably large), and secondly, ensured the unity of the emerging conductive element at the stage of its nucleation due to automatic a sharp decrease in voltage on the structure with the appearance and growth of its conductivity. In the first cycle of voltage increase V until a noticeable conductivity of the structure is U = V, since the resistance of the structure is much greater than the ballast resistance. Upon reaching the nucleation voltage U ₀ (see Fig. 4, a), the current increases abruptly (due to an irreversible increase in the conductivity of the structure) and is already limited by ballast resistance, and the voltage U on the structure drops sharply and remains less than U ₀ , despite the continued increase in voltage V. Since at the maximum R _b = 100 MΩ the current jump, however, is more than an order of magnitude, there are no problems with detecting it against the background of noise, which in this case is insignificant. During the exposure of the structure under voltage, the ballast (output) resistance was discretely, but gradually, reduced from 100 to 7.5 MΩ. At each value of R _{b, the} structure was kept under voltage varying from 0 to the maximum value for 1-2 min, after which the I – V characteristics came to almost stationary curves shown in Fig. 4, b-d. These data reflect the growth of a single conductive element that occurred when voltage was applied due to the gradual accumulation of UPS. A similar result was observed when the voltage V did not change from 0, but from large values, confirming the insignificance for the growth of the conductive element of small values of V, since for voltages U on the structure, less than 2 V, the processes of electroforming (formation of UPS) do not go, which manifests itself in in particular, in the smoothness of the I – V characteristic in the initial section. Therefore, when the structure is exposed, the voltage V can change (scan) from the value corresponding to U = 2 V to the maximum value corresponding to U ₀ . However, the maximum values of V also decreased (Fig. 4, b-d) with decreasing R _b , which was necessary to reduce the likelihood of destructive electrical breakdown with increasing conductivity of the structure, as well as to reduce the number and depth of “shutdowns” of the structure, manifested in a sharp decrease in its conductivity due to burnout of UPS. Figure 4, e shows the CVC of the conductive element formed during the execution of the described procedure, as an illustration of the usual behavior and good consistency with figure 2.

Пример 2. Открытая "сэндвич"-структура Si-SiО₂-W создавалась термическим окислением пластины кремния р-типа, легированного бором до удельного сопротивления 0,1 Ом•см (КДБ-0,1), вакуумным напылением тонкой пленки вольфрама и последующими фотолитографией и травлением слоев W и SiO₂, после чего получалась конструкция, показанная на фиг.1. Анодом 4 служила кремниевая пластина, катодом 1 - вольфрамовая шина, диэлектрической пленкой 2 нанометровой толщины являлся слой термического окисла кремния.Example 2. An open "sandwich" Si-SiO ₂ -W structure was created by thermal oxidation of a p-type silicon wafer doped with boron to a resistivity of 0.1 Ohm cm (KDB-0.1), vacuum deposition of a thin tungsten film and subsequent photolithography and etching of the W and SiO ₂ layers, after which the structure shown in Fig. 1 was obtained. A silicon wafer served as anode 4, a tungsten bus bar as cathode 1, and a layer of thermal silicon oxide was a dielectric film of 2 nanometer thickness.

Введение в изолирующую щель структуры органического материала осуществлялось путем нанесения на нее тонкого слоя (около 1 мкм) фоторезиста ФП-051МК методом центрифугирования с последующей сушкой при 95^oС в течение 30 мин. Полученная таким образом пленка фоторезиста, кроме того, надежно защищала изолирующую щель от доступа кислорода, что необходимо для успешного выполнения электроформовки. Напряжение на структуру, как и в предыдущем случае, подавалось с помощью устройства, показанного на фиг.3.The structure of the organic material was introduced into the insulating gap by applying a thin layer (about 1 μm) of the FP-051MK photoresist by centrifugation followed by drying at 95 ^° C for 30 minutes. The photoresist film thus obtained, in addition, reliably protected the insulating gap from oxygen access, which is necessary for the successful completion of electroforming. The voltage on the structure, as in the previous case, was applied using the device shown in Fig.3.

Процесс формирования проводящего элемента иллюстрируется ВАХ фиг.5. Структуры Si-SiO₂-W отличались от структур на основе алюминия на один - два порядка большей начальной (до скачка при U₀) проводимостью по торцу диэлектрической пленки (сравнить фиг.4,а и 5,а), что служило осложняющим обстоятельством для зарождения единичного проводящего элемента, поскольку могло инициировать процесс образования УПС сразу в нескольких местах. Это требовало как более тщательного выполнения стадии зарождения проводящего элемента, так и более плавного изменения R_b на стадии его роста и стабилизации. Другой особенностью структуры Si-SiO₂-W является относительно высокое удельное сопротивление материала анода (кремния), что может приводить к включению последовательно каждому участку изолирующей щели значительного сопротивления растекания в кремниевой пластине. Этот фактор также является неблагоприятным для формирования единичного проводящего элемента, поскольку уменьшает разницу напряжений на отдельных участках изолирующей щели с различной проводимостью, однако, как показали эксперименты, при удельном сопротивлении кремния 0,1 Ом•см он еще не сказывается существенно на процессе электроформовки.The process of forming a conductive element is illustrated by the CVC of FIG. 5. The Si-SiO ₂ -W structures differed from aluminum-based structures by one to two orders of magnitude greater than the initial (before the jump at U ₀ ) conductivity at the end face of the dielectric film (compare Figs. 4 a and 5, a), which served as a complicating factor for nucleation of a single conductive element, since it could initiate the process of formation of UPS in several places at once. This required a more thorough implementation of the nucleation stage of the conductive element, as well as a smoother change in R _b at the stage of its growth and stabilization. Another feature of the Si-SiO ₂ -W structure is the relatively high resistivity of the anode material (silicon), which can lead to the inclusion of significant spreading resistance in the silicon wafer in succession to each section of the insulating gap. This factor is also unfavorable for the formation of a single conductive element, since it reduces the voltage difference in individual sections of the insulating gap with different conductivities, however, as shown by experiments, with a specific resistivity of silicon of 0.1 Ohm • cm, it still does not significantly affect the electroforming process.

При подаче напряжения использовался балластный резистор (он определяет выходное сопротивление устройства) с сопротивлением 100 МОм (фиг.5,а). Напряжение зарождения в данном случае существенно меньше, чем для структуры Al-Al₂O₃-W, очевидно, из-за большей начальной проводимости. Величина необратимого скачка проводимости при U₀ уже менее порядка, но еще достаточно уверенно обнаруживается на фоне шумов. С точки зрения обеспечения оптимальных условий для зарождения единичного проводящего элемента значение R_b должно быть максимальным, тогда за счет большой глубины обратной связи падение напряжения на структуре при появлении проводимости на первом случайном участке изолирующей щели будет очень резким, и образование УПС на других участках будет невозможно. Однако увеличение значения R_b, приводящее к уменьшению амплитуды тока, ограничено сверху возможностью уверенно обнаружить скачок проводимости (соответствующий скачок тока - около 30 нА) на фоне шумов, которые уже видны на фиг.5,а (их размах - около 7 нА) и принципиально сопровождают процесс электроформовки. В данном случае величина выходного сопротивления, которое должно использоваться при подаче напряжения, не может превышать 100•30/7=430 МОм.When applying voltage, a ballast resistor was used (it determines the output resistance of the device) with a resistance of 100 MΩ (Fig. 5, a). The nucleation voltage in this case is significantly lower than for the Al-Al ₂ O ₃ -W structure, obviously, due to the higher initial conductivity. The value of the irreversible jump in conductivity at U _{0 is} already less than an order of magnitude, but it is still quite confidently detected against the background of noise. From the point of view of providing optimal conditions for the nucleation of a single conductive element, the value of R _b should be maximum, then due to the large depth of feedback, the voltage drop across the structure when the conductivity appears in the first random portion of the insulating gap will be very sharp, and the formation of OPS in other areas will be impossible . However, an increase in the value of R _b , which leads to a decrease in the amplitude of the current, is limited from above by the ability to reliably detect a conductivity jump (the corresponding current jump is about 30 nA) against the background of noises that are already visible in Fig. 5, and (their magnitude is about 7 nA) and fundamentally accompany the electroforming process. In this case, the value of the output resistance, which should be used when applying voltage, cannot exceed 100 • 30/7 = 430 MΩ.

Во время выдержки структуры напряжение V линейно менялось (сканировалось) в диапазоне от нуля до максимального значения (фиг.5,б-д), которое в данном случае постоянно, поскольку разрушительных пробоев структуры не происходит даже в таких условиях, благодаря, очевидно, высокому сопротивлению растекания в кремнии, которое играет роль дополнительного локального балластного резистора. С каждым циклом величина R_b уменьшалась приблизительно в два раза. Такая постепенность гарантировала, что напряжение U собственно на структуре за все время электроформовки не превышало U₀. На фиг.5,е приведена ВАХ сформированного таким образом проводящего элемента, в качестве иллюстрации хорошей согласованности с предыдущими данными.During the exposure of the structure, the voltage V linearly changed (scanned) in the range from zero to the maximum value (Fig. 5, bd), which is constant in this case, since destructive breakdowns of the structure do not occur even in such conditions, due to, obviously, high spreading resistance in silicon, which plays the role of an additional local ballast resistor. With each cycle, the value of R _b decreased approximately twice. This gradualness ensured that the voltage U on the structure itself during the whole time of electroforming did not exceed U ₀ . Figure 5, e shows the I-V characteristic of the conductive element thus formed, as an illustration of good consistency with previous data.

Пример 3. Использовалась структура Al-Al₂O₃-W, аналогичная описанной в Примере 1. Введение в изолирующую щель структуры органического материала осуществлялось как в Примере 2, т.е. путем нанесения на нее тонкого слоя фоторезиста. Напряжение на структуру подавалось с помощью устройства (фиг. 6), которое обеспечивало изменяемую отрицательную обратную связь между током через структуру и напряжением на ней за счет стабилизации значения тока через структуру. Последний мог плавно задаваться в диапазоне от 1 нА до 10 мкА. Устройство позволяло также регулировать максимальное выходное напряжение U_max от 3 до 20 В. Структура включалась в цепь обратной связи операционного усилителя 574УД1, имеющего следующие параметры: частота единичного усиления - 20 МГц, скорость нарастания выходного напряжения - 5 В/мкс, - что позволяло быстро отслеживать изменения проводимости структуры. Выходное сопротивление устройства в диапазоне рабочих токов без труда могло быть сделано порядка нескольких ГОм. В ходе электроформовки с помощью самописца контролировалось напряжение U на структуре при заданном значении тока.Example 3. The Al-Al ₂ O ₃ -W structure used was similar to that described in Example 1. The structure of the organic material was introduced into the insulating gap as in Example 2, i.e. by applying a thin layer of photoresist to it. The voltage to the structure was applied using the device (Fig. 6), which provided a variable negative feedback between the current through the structure and the voltage on it due to the stabilization of the current value through the structure. The latter could be smoothly set in the range from 1 nA to 10 μA. The device also allowed you to adjust the maximum output voltage U _max from 3 to 20 V. The structure was included in the feedback circuit of the operational amplifier 574UD1, which has the following parameters: unit amplification frequency - 20 MHz, output voltage rise rate - 5 V / μs, which allowed fast track changes in the conductivity of the structure. The output impedance of the device in the range of operating currents could easily be made on the order of several GΩ. During electroforming using a recorder, the voltage U on the structure was controlled at a given current value.

На фиг.7 показан типичный пример процесса формирования проводящего элемента. При подаче напряжения (первые 30 с) оно плавно увеличивалось за счет увеличения напряжения U_max до резкого скачка проводимости структуры, что проявлялось в уверенно различимом уменьшении напряжения U на структуре. Эта точка определяет значение U₀ (фиг.7,а). Выходное сопротивление устройства при этом устанавливалось максимальным из используемых в дальнейшем, что соответствовало минимальному значению стабилизируемого тока (12 нА при U=U₀=12 В, т. е. выходное сопротивление было около 1 ГОм). До напряжения U=U₀ ток J растет пропорционально U_max (фиг.7,б), при фиксации U_max ток поддерживается постоянным, и его величина определяется автоматически подстраиваемым выходным сопротивлением. Поскольку стабилизируется суммарный ток через структуру и резистор 1 ГОм (фиг. 6), ток собственно через структуру становится равным стабилизируемому значению только после того, как ее сопротивление будет много меньше 1 ГОм. Практически это условие выполняется сразу после скачка проводимости.7 shows a typical example of the process of forming a conductive element. When voltage was applied (the first 30 s), it gradually increased due to an increase in voltage U _max until a sharp jump in the conductivity of the structure, which manifested itself in a reliably distinguishable decrease in the voltage U on the structure. This point determines the value of U ₀ (Fig.7, a). In this case, the output resistance of the device was set to the maximum of those used in the future, which corresponded to the minimum value of the stabilized current (12 nA at U = U ₀ = 12 V, i.e., the output resistance was about 1 GOhm). To a voltage of U = U _{0, the} current J grows proportionally to U _max (Fig. 7, b), when fixing U _{max, the} current is kept constant, and its value is determined automatically by the adjustable output resistance. Since the total current through the structure and the 1 GΩ resistor is stabilized (Fig. 6), the current through the structure itself becomes equal to the stabilized value only after its resistance is much less than 1 GΩ. In practice, this condition is satisfied immediately after the jump in conductivity.

Напряжение U после резкого падения стохастически колеблется (фиг.7,а) в соответствии с изменением проводимости структуры, имея тенденцию к постепенному понижению. Во время выдержки структуры под напряжением в несколько приемов увеличивалось значение стабилизируемого тока (фиг.7,б), т.е. уменьшалось выходное сопротивление устройства, и при каждом значении тока среднее напряжение на структуре, обратно пропорциональное ее проводимости, постепенно уменьшалось до некоторой, мало меняющейся, величины (фиг.7,а). Мгновенные значения напряжения U при этом случайно колебались в диапазоне от 3 В до U_max (по показаниям самописца), амплитуда колебаний со временем уменьшалась. Величину U_max также ступенчато уменьшали с целью исключения разрушительного электрического пробоя структуры. Этот процесс можно было продолжать до достижения определенного значения средней проводимости структуры. В данном случае он остановлен при U=5 В для тока 1000 нА, что соответствует параметрам сформированного проводящего элемента с ВАХ, аналогичной приведенной на фиг.4,д.The voltage U after a sharp drop stochastically fluctuates (Fig.7, a) in accordance with the change in the conductivity of the structure, with a tendency to a gradual decrease. During the exposure of the structure under voltage in several stages, the value of the stabilized current increased (Fig. 7, b), i.e. the output resistance of the device decreased, and at each current value, the average voltage on the structure, inversely proportional to its conductivity, gradually decreased to a certain, slightly changing value (Fig. 7, a). In this case, the instantaneous voltage values U randomly ranged from 3 V to U _max (according to the recorder), the amplitude of the oscillations decreased with time. The value of U _{max is} also stepwise reduced in order to eliminate destructive electrical breakdown of the structure. This process could be continued until a certain value of the average conductivity of the structure was reached. In this case, it is stopped at U = 5 V for a current of 1000 nA, which corresponds to the parameters of the formed conductive element with a current-voltage characteristic similar to that shown in Fig. 4, d.

Ступени перехода к большему значению тока и последующей выдержки могут быть очень малыми, тогда их будет много. В пределе зависимость устанавливаемого тока от времени из ступенчатой превращается фактически в плавную кривую, важно, однако, чтобы скорость увеличения значения тока не превышала допустимой, которая определяется скоростью процесса электроформовки. The stages of transition to a larger current value and subsequent exposure can be very small, then there will be many of them. In the limit, the dependence of the set current on time from a stepped one actually turns into a smooth curve, it is important, however, that the rate of increase in the current value does not exceed the permissible one, which is determined by the speed of the electroforming process.

Все результаты пока получены только для органических веществ в качестве материалов, проводимость которых меняется при прохождении через них потока электронов. В то же время понимание механизма процессов позволяет утверждать, что аналогичные результаты должны иметь место, например, в среде металлсодержащих летучих веществ, в частности металлоорганических, а получаемые при этом проводящие элементы будут состоять не из графитоподобного материала, а содержать значительные количества соответствующего металла, и могут обладать дополнительными полезными свойствами. All the results so far have been obtained only for organic substances as materials whose conductivity changes when an electron stream passes through them. At the same time, an understanding of the mechanism of processes suggests that similar results should take place, for example, in the environment of metal-containing volatile substances, in particular organometallic, and the resulting conductive elements will not consist of graphite-like material, but contain significant amounts of the corresponding metal, and may have additional useful properties.

Единичные самоорганизующиеся проводящие элементы нанометровых размеров должны привлечь внимание в связи со следующими принципиальными особенностями, делающими их полезными в нанотехнологии и наноэлектронике:
- в определенных, легко контролируемых, условиях они возникают самопроизвольно и не требуют для их формирования внешних локальных воздействий с соответствующим пространственным разрешением, например нанолитографии, что делает простым и воспроизводимым процесс их создания и исключает использование сложного оборудования;
- они образуются между проводящими электродами и, тем самым, сразу оказываются подключенными для измерений и коммутации во внешние цепи;
- автоматически решается проблема идентичности электрических характеристик наноструктур - определенного тока через них при заданном напряжении, - поскольку они формируются под действием этих же электрических величин (тока и напряжения), т.е. для обеспечения определенной ВАХ в конечном состоянии, в первом приближении, достаточно просто выдерживать определенные ток и напряжение в процессе их формирования;
- наличие нелинейной и неоднозначной (перестраиваемой за счет изменения ширины изолирующего зазора) вольт-амперной характеристики, обусловленной процессом самоорганизации наноструктуры, дает возможность выполнять сложные функции при максимально простой топологии всего элемента; совместно с очень малыми площадью поперечного сечения и занимаемым наноструктурой объемом это позволяет рассчитывать на высокую степень интеграции устройств, построенных на их основе, в частности энергонезависимой памяти.Single self-organizing conductive elements of nanometer sizes should attract attention in connection with the following fundamental features that make them useful in nanotechnology and nanoelectronics:
- in certain conditions that are easily controlled, they arise spontaneously and do not require external local influences with appropriate spatial resolution, for example, nanolithography, for their formation, which makes the process of their creation simple and reproducible and eliminates the use of complex equipment;
- they are formed between conductive electrodes and, thus, immediately turn out to be connected for measurement and switching to external circuits;
- the problem of the identity of the electrical characteristics of nanostructures — a certain current through them at a given voltage — is automatically solved, because they are formed under the influence of the same electrical quantities (current and voltage), i.e. to ensure a certain I – V characteristic in the final state, to a first approximation, it is enough to simply withstand certain current and voltage in the process of their formation;
- the presence of non-linear and ambiguous (tunable by changing the width of the insulating gap) current-voltage characteristics due to the process of self-organization of the nanostructure makes it possible to perform complex functions with the simplest topology of the entire element; Together with a very small cross-sectional area and the volume occupied by the nanostructure, this allows us to expect a high degree of integration of devices based on them, in particular non-volatile memory.

Предлагаемый способ апробирован в Институте микроэлектроники и информатики РАН (г.Ярославль). The proposed method was tested at the Institute of Microelectronics and Informatics RAS (Yaroslavl).

Источники информации
1. Моро У. Микролиторгафия. Т. 1. М.: Мир, 1990. 606 с.Sources of information
1. Moro W. Microlithorgia. T. 1. M.: Mir, 1990. 606 p.

2. Моро У. Микролиторгафия. Т. 2. М.: Мир, 1990. 606 с. 2. Moro W. Microlithorgia. T. 2. M.: Mir, 1990. 606 p.

3. Shedd G.M., Russell P.E. The scanning tunneling microscope as a tool for nanofabrication // Nanotechnology. 1990. V. 1. P. 67-80. 3. Shedd G.M., Russell P.E. The scanning tunneling microscope as a tool for nanofabrication // Nanotechnology. 1990. V. 1. P. 67-80.

4. Pagnia H. , Sotnik N. Bistable Switching in Electroformed Metal-Insulator-Metal Devices // Phys. stat. sol. (a). 1988. V. 108. 11. P. 11-65. 4. Pagnia H., Sotnik N. Bistable Switching in Electroformed Metal-Insulator-Metal Devices // Phys. stat. sol. (a). 1988. V. 108. 11. P. 11-65.

5. Мордвинцев В.М., Левин В.Л. Элемент устройства памяти со структурой металл-изолятор-металл // Патент РФ 2072591. 1997. 5. Mordvintsev V.M., Levin V.L. An element of a memory device with a metal-insulator-metal structure // RF Patent 2072591. 1997.

6. Мордвинцев В.М., Кудрявцев С.E., Левин В.Л. Особенности процесса самоорганизации углеродистых проводящих наноструктур при электроформовке открытой "сэндвич"-структуры металл-изолятор-металл с нанометровой изолирующей щелью // Журнал технической физики. 1998. Т. 68. Вып. 11. С. 85-93. 6. Mordvintsev V.M., Kudryavtsev S.E., Levin V.L. Peculiarities of the process of carbon nanostructure self-organization during electroforming of an open "sandwich" metal-insulator-metal structure with a nanometer-sized insulating gap // Journal of Technical Physics. 1998.V. 68. Issue. 11.P. 85-93.

Claims

1. A method of forming a nanometer-sized conductive element between two electrodes of a structure separated by an insulating gap with a width of 2 to 100 nm, comprising introducing into the insulating gap a material whose conductivity changes when an electron stream, for example, organic material, passes through it, applying a sufficient voltage to the structure for the flow of current, leading to an irreversible increase in the conductivity of the structure, but not exceeding the voltage destructive electrical breakdown, and the voltage is supplied a device with a high output impedance, and maintaining the structure under tension, characterized in that the device provides a variable negative feedback between the current through the structure and the voltage thereon, when applying its voltage is increased to a sharp increase (jump) conduction structure (U ₀ ), and the output impedance of the device at this time is maintained in the range from 1 MΩ to the maximum value, which still provides reliable detection of a jump in the conductivity of the structure against the background of noise, when exposed to stress structure maintained in the range from 2 V to U ₀ at lower than in the previous operation, the resistance values of the output device.

2. The method according to p. 1, characterized in that during the supply of voltage the output impedance of the device is kept maximum, which still provides reliable detection of a jump in the conductivity of the structure against the background of noise.

3. The method according to p. 1, characterized in that during the exposure scan voltage on the structure within the range from 2 V to the value of U ₀ .

4. The method according to p. 1, characterized in that using a device that provides a variable negative feedback between the current and voltage on the structure, stabilize the current through the structure.