RU2749028C1 - Способ получения активной структуры элемента энергонезависимой резистивной памяти - Google Patents
Способ получения активной структуры элемента энергонезависимой резистивной памяти Download PDFInfo
- Publication number
- RU2749028C1 RU2749028C1 RU2020125960A RU2020125960A RU2749028C1 RU 2749028 C1 RU2749028 C1 RU 2749028C1 RU 2020125960 A RU2020125960 A RU 2020125960A RU 2020125960 A RU2020125960 A RU 2020125960A RU 2749028 C1 RU2749028 C1 RU 2749028C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- layer
- formation
- nanoclusters
- silicon oxide
- implementation
- Prior art date
Links
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 title claims abstract description 79
- 229910021417 amorphous silicon Inorganic materials 0.000 claims abstract description 138
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 claims abstract description 135
- VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N Silicium dioxide Chemical compound O=[Si]=O VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 113
- 229910052814 silicon oxide Inorganic materials 0.000 claims abstract description 110
- 230000007246 mechanism Effects 0.000 claims abstract description 109
- 230000020477 pH reduction Effects 0.000 claims abstract description 76
- 238000000034 method Methods 0.000 claims abstract description 63
- 239000004065 semiconductor Substances 0.000 claims abstract description 63
- 239000000758 substrate Substances 0.000 claims abstract description 61
- QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N atomic oxygen Chemical compound [O] QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 35
- 239000001301 oxygen Substances 0.000 claims abstract description 35
- 229910052760 oxygen Inorganic materials 0.000 claims abstract description 35
- 230000036961 partial effect Effects 0.000 claims abstract description 25
- 229910052710 silicon Inorganic materials 0.000 claims abstract description 24
- 239000010703 silicon Substances 0.000 claims abstract description 24
- 229910052739 hydrogen Inorganic materials 0.000 claims abstract description 22
- 238000005325 percolation Methods 0.000 claims abstract description 20
- 230000009466 transformation Effects 0.000 claims abstract description 20
- 238000010438 heat treatment Methods 0.000 claims abstract description 18
- 239000001257 hydrogen Substances 0.000 claims abstract description 16
- 125000004435 hydrogen atom Chemical class [H]* 0.000 claims abstract description 13
- 239000007787 solid Substances 0.000 claims abstract description 10
- 125000004429 atom Chemical group 0.000 claims abstract description 9
- 238000009792 diffusion process Methods 0.000 claims abstract description 9
- 239000000203 mixture Substances 0.000 claims description 40
- XKRFYHLGVUSROY-UHFFFAOYSA-N Argon Chemical compound [Ar] XKRFYHLGVUSROY-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 38
- 238000000151 deposition Methods 0.000 claims description 37
- 230000008021 deposition Effects 0.000 claims description 36
- 239000007789 gas Substances 0.000 claims description 20
- 229910052786 argon Inorganic materials 0.000 claims description 19
- BLRPTPMANUNPDV-UHFFFAOYSA-N Silane Chemical compound [SiH4] BLRPTPMANUNPDV-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 16
- 229910008045 Si-Si Inorganic materials 0.000 claims description 10
- 229910006411 Si—Si Inorganic materials 0.000 claims description 10
- 229920000642 polymer Polymers 0.000 claims description 10
- 238000006116 polymerization reaction Methods 0.000 claims description 10
- LIVNPJMFVYWSIS-UHFFFAOYSA-N silicon monoxide Inorganic materials [Si-]#[O+] LIVNPJMFVYWSIS-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 8
- 238000006467 substitution reaction Methods 0.000 claims description 8
- 238000000137 annealing Methods 0.000 claims description 6
- 229910018557 Si O Inorganic materials 0.000 claims description 4
- 230000009471 action Effects 0.000 claims description 3
- 238000005234 chemical deposition Methods 0.000 claims description 2
- 239000006071 cream Substances 0.000 claims 1
- XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N Silicon Chemical compound [Si] XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 abstract description 15
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 abstract description 9
- 230000000694 effects Effects 0.000 abstract description 4
- 238000003860 storage Methods 0.000 abstract description 3
- 230000002265 prevention Effects 0.000 abstract description 2
- 230000009467 reduction Effects 0.000 abstract description 2
- 238000009825 accumulation Methods 0.000 abstract 1
- 239000000126 substance Substances 0.000 abstract 1
- 230000008569 process Effects 0.000 description 22
- 239000002105 nanoparticle Substances 0.000 description 15
- 239000000463 material Substances 0.000 description 14
- 238000005259 measurement Methods 0.000 description 11
- 230000015556 catabolic process Effects 0.000 description 10
- 230000005684 electric field Effects 0.000 description 9
- UFHFLCQGNIYNRP-UHFFFAOYSA-N Hydrogen Chemical compound [H][H] UFHFLCQGNIYNRP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 8
- 238000000465 moulding Methods 0.000 description 8
- 229910004298 SiO 2 Inorganic materials 0.000 description 7
- 239000010949 copper Substances 0.000 description 7
- 238000005229 chemical vapour deposition Methods 0.000 description 6
- 230000007423 decrease Effects 0.000 description 6
- 238000013461 design Methods 0.000 description 6
- GNTDGMZSJNCJKK-UHFFFAOYSA-N divanadium pentaoxide Chemical compound O=[V](=O)O[V](=O)=O GNTDGMZSJNCJKK-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 6
- 239000011159 matrix material Substances 0.000 description 6
- 150000002431 hydrogen Chemical class 0.000 description 5
- 238000009434 installation Methods 0.000 description 5
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 description 4
- 230000001351 cycling effect Effects 0.000 description 4
- 230000005284 excitation Effects 0.000 description 4
- 230000004807 localization Effects 0.000 description 4
- 150000003376 silicon Chemical class 0.000 description 4
- 238000001237 Raman spectrum Methods 0.000 description 3
- 239000012298 atmosphere Substances 0.000 description 3
- 230000008901 benefit Effects 0.000 description 3
- 238000005137 deposition process Methods 0.000 description 3
- 230000006870 function Effects 0.000 description 3
- 230000010354 integration Effects 0.000 description 3
- 230000002427 irreversible effect Effects 0.000 description 3
- 239000000843 powder Substances 0.000 description 3
- 230000007704 transition Effects 0.000 description 3
- 238000001069 Raman spectroscopy Methods 0.000 description 2
- XHCLAFWTIXFWPH-UHFFFAOYSA-N [O-2].[O-2].[O-2].[O-2].[O-2].[V+5].[V+5] Chemical compound [O-2].[O-2].[O-2].[O-2].[O-2].[V+5].[V+5] XHCLAFWTIXFWPH-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 230000008859 change Effects 0.000 description 2
- 238000002425 crystallisation Methods 0.000 description 2
- 230000008025 crystallization Effects 0.000 description 2
- 239000003085 diluting agent Substances 0.000 description 2
- 238000009826 distribution Methods 0.000 description 2
- 239000012634 fragment Substances 0.000 description 2
- 230000000670 limiting effect Effects 0.000 description 2
- 238000001755 magnetron sputter deposition Methods 0.000 description 2
- 239000002243 precursor Substances 0.000 description 2
- 230000002441 reversible effect Effects 0.000 description 2
- 235000012239 silicon dioxide Nutrition 0.000 description 2
- 238000001228 spectrum Methods 0.000 description 2
- 238000004544 sputter deposition Methods 0.000 description 2
- 238000012360 testing method Methods 0.000 description 2
- 238000007751 thermal spraying Methods 0.000 description 2
- 229910001935 vanadium oxide Inorganic materials 0.000 description 2
- 229910018072 Al 2 O 3 Inorganic materials 0.000 description 1
- RYGMFSIKBFXOCR-UHFFFAOYSA-N Copper Chemical compound [Cu] RYGMFSIKBFXOCR-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910004140 HfO Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910021193 La 2 O 3 Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910008065 Si-SiO Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910006405 Si—SiO Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910002367 SrTiO Inorganic materials 0.000 description 1
- -1 Ta 2 O 5 Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910010413 TiO 2 Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000003990 capacitor Substances 0.000 description 1
- 229910052802 copper Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000013078 crystal Substances 0.000 description 1
- 238000006731 degradation reaction Methods 0.000 description 1
- 230000006866 deterioration Effects 0.000 description 1
- 239000003989 dielectric material Substances 0.000 description 1
- 238000005566 electron beam evaporation Methods 0.000 description 1
- 238000001493 electron microscopy Methods 0.000 description 1
- 238000001239 high-resolution electron microscopy Methods 0.000 description 1
- 238000011065 in-situ storage Methods 0.000 description 1
- 230000001939 inductive effect Effects 0.000 description 1
- 230000003446 memory effect Effects 0.000 description 1
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000002184 metal Substances 0.000 description 1
- 150000002739 metals Chemical class 0.000 description 1
- 238000004377 microelectronic Methods 0.000 description 1
- 238000003541 multi-stage reaction Methods 0.000 description 1
- 150000004767 nitrides Chemical class 0.000 description 1
- 239000012299 nitrogen atmosphere Substances 0.000 description 1
- 230000003647 oxidation Effects 0.000 description 1
- 238000007254 oxidation reaction Methods 0.000 description 1
- 229920000548 poly(silane) polymer Polymers 0.000 description 1
- 239000010453 quartz Substances 0.000 description 1
- 238000001552 radio frequency sputter deposition Methods 0.000 description 1
- 238000004151 rapid thermal annealing Methods 0.000 description 1
- 230000002829 reductive effect Effects 0.000 description 1
- 238000011160 research Methods 0.000 description 1
- 238000007493 shaping process Methods 0.000 description 1
- 239000000377 silicon dioxide Substances 0.000 description 1
- 238000002207 thermal evaporation Methods 0.000 description 1
- 229910000314 transition metal oxide Inorganic materials 0.000 description 1
- 230000005641 tunneling Effects 0.000 description 1
- 238000009827 uniform distribution Methods 0.000 description 1
- 238000001771 vacuum deposition Methods 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- G—PHYSICS
- G11—INFORMATION STORAGE
- G11C—STATIC STORES
- G11C13/00—Digital stores characterised by the use of storage elements not covered by groups G11C11/00, G11C23/00, or G11C25/00
- G11C13/0002—Digital stores characterised by the use of storage elements not covered by groups G11C11/00, G11C23/00, or G11C25/00 using resistive RAM [RRAM] elements
-
- H—ELECTRICITY
- H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- H10B—ELECTRONIC MEMORY DEVICES
- H10B63/00—Resistance change memory devices, e.g. resistive RAM [ReRAM] devices
- H10B63/20—Resistance change memory devices, e.g. resistive RAM [ReRAM] devices comprising selection components having two electrodes, e.g. diodes
- H10B63/22—Resistance change memory devices, e.g. resistive RAM [ReRAM] devices comprising selection components having two electrodes, e.g. diodes of the metal-insulator-metal type
-
- H—ELECTRICITY
- H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- H10B—ELECTRONIC MEMORY DEVICES
- H10B99/00—Subject matter not provided for in other groups of this subclass
Landscapes
- Semiconductor Memories (AREA)
Abstract
Изобретение 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. Способ получения активной структуры элемента энергонезависимой резистивной памяти включает изготовление на подложке 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, изготавливают с образованием системы слоев в составе туннельно-тонкого слоя сплошного диэлектрика и слоя диэлектрика со встроенными нанокластерами полупроводника толщиной, равной диаметру нанокластеров. На подложку осаждают слой гидрогенизированного аморфного кремния а-Si:H. Затем проводят прокисление в кислородосодержащей плазме со стороны его поверхности, которая доступна для воздействия плазмы, приводящее к получению диэлектрика - нестехиометрического оксида кремния. Осуществляют частичное прокисление, за счет механизма островкового роста обеспечивающее 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 этого прокисление прекращают, чем завершают изготовление слоя, обеспечивающего формирование наноконтактов для реализации филаментарного механизма проводимости. Либо завершают изготовление последующей термообработкой 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. Изобретение обеспечивает снижение величины напряжения формовки вплоть до достижения нулевого значения; предотвращение возможного выхода из строя элемента памяти; повышение стабильности и повторяемости характеристик; снижение напряжения переключения. 5 з.п. ф-лы, 3 ил., 5 пр.
Description
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.
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 SiO2, в качестве полупроводникового материала - Si. Для формирования слоя сначала проводят магнетронное распыление мишеней SiO2 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 1016 до 1018 см-3.
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.
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/SiO2/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 Si2O толщиной 20 нм посредством радиочастотного распыления (ВЧ распыление) при комнатной температуре, затем на слой Si2O 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 Si2O 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.
Наличие в объеме активного слоя из SiO2 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.
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: SiO2, Та2О5, TiO2, Al2O3, HfO2, Y2O3, La2O3, ZrO2, Gd2O3, Er2O3, Sc2O3, SrTiO3. Формирование активного слоя осуществляют с использованием нестехиометричного бинарного оксида переходного металла из группы оксидов: TixOy, ZrxOy, HfxOy, VxOy, NbxOy, TaxOy, CrxOy, MoxOy, WxOy. Указанные слои формируют низкотемпературным (менее 350°C) вакуумным напылением.
Так, при реализации способа в качестве подложки используют оксидированную кремниевую подложку Si-SiO2 (КДБ кремний р-типа, толщина оксида 100 нм), с готовым SiO2 слоем, обеспечивающим формирование наноконтактов для реализации филаментарного механизма проводимости, на который методом термического распыления V2O5 порошка в вакууме на промышленной установке ВУП-5М при комнатной температуре подложки (20°C) производят напыление оксидной пленки пентаоксида ванадия (V2O5) 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.
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 (106-105 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.
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 SiO2 - слоя, обеспечивающего формирование наноконтактов для реализации филаментарного механизма проводимости, и V2O5 - 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 (106-105 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.
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 (-SiH2-), тригидрида (-SiH3-), полимера (-SiH2-)n, 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(O2) и полимеризацию последних, приводящую к получению нестехиометрического оксида кремния.
В способе осаждение слоя гидрогенизированного аморфного кремния a-Si:H, в котором атомы водорода ковалентно связаны с образованием локально связанных конфигураций дигидрида (-SiH2-), тригидрида (-SiH3-), полимера (-SiH2-)n, проводят плазмохимическим осаждением из газовой фазы в реакторе с остаточным давлением в его объеме менее 10-6 Торр в течение 10-15 с при подаче потока моносилана SiH4, который разбавляют аргоном до получения газовой смеси с составом по объему 10% моносилана, 90% аргона, с расходом смеси 10 см3/мин, при осаждении высокочастотную мощность и температуру подложки поддерживают на уровне 150 Вт и 200°C, соответственно.
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(O2) и полимеризацию последних, приводящую к получению нестехиометрического оксида кремния, проводят в плазме кислорода в течение 10-20 минут при подаче потока О2 с расходом 60 см3/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.
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-1, связанную с колебаниями различных групп Si-H - колебания Si-H с положением пика при 2000 см-1 и колебания Si-Hn в диапазоне 2090-2150 см-1.
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.
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 (-SiH2-), и/или тригидрида (-SiH3-), и/или полимера (- SiH2-)n.
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-1, который соответствует хорошо известным по литературе особенностям в плотности колебательных состояний Si-Si связей аморфного кремния. Пик при 520 см-1 связан с сигналом от кристаллической подложки. Также показана область спектра 2000-2150 см-1, связанная с колебаниями различных групп Si-H: колебания Si-H с положением пика при 2000 см-1 и связи Si-Hn в диапазоне 2090-2150 см-1. 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.
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 10-6 Торр. Осаждение осуществляют в течение 10-15 с при подаче постоянного потока моносилана SiH4, который разбавляют аргоном до получения газовой смеси с составом по объему 10% моносилана, 90% аргона. Общий расход газовой смеси составляет 10 см3/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.
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(O2) 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.
Частичное прокисление с поверхности слоя гидрогенизированного аморфного кремния a-Si:H, в частности, проводят в плазме кислорода в течение 20 минут при подаче потока О2 с расходом 60 см3/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 О2 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.
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: TixOy, ZrxOy, HfxOy, VxOy, NbxOy, TaxOy, CrxOy, MoxOy, WxOy, SiOx, SiNx, SiOxNy. 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.
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 (-SiH2-), и/или тригидрида (-SiH3-), и/или полимера (-SiH2-)n. Процесс проводят плазмохимическим осаждением из газовой фазы в реакторе с остаточным давлением в его объеме менее 10-6 Торр в течение 15 с при подаче потока моносилана SiH4, который разбавляют аргоном до получения газовой смеси с составом по объему 10% моносилана, 90% аргона. Осаждение проводят с расходом указанной газовой смеси, равным 10 см3/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.
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(O2) и полимеризацией последних с получением нестехиометрического оксида кремния.
Процесс прокисления в плазме кислорода ведут в том же реакторе, в котором проводят осаждение исходного слоя, в течение 20 минут при подаче потока О2 с расходом 60 см3/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.
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 ROFF=128 Ом, а соответствующее переключению в низкоомное состояние - ROn=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.
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 (-SiH2-), и/или тригидрида (-SiH3-), и/или полимера (-SiH2-)n. Процесс проводят плазмохимическим осаждением из газовой фазы в реакторе с остаточным давлением в его объеме менее 10-6 Торр в течение 15 с при подаче потока моносилана SiH4, который разбавляют аргоном до получения газовой смеси с составом по объему 10% моносилана, 90% аргона. Осаждение проводят с расходом указанной газовой смеси, равным 10 см3/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.
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(O2) и полимеризацией последних с получением нестехиометрического оксида кремния.
Процесс прокисления в плазме кислорода ведут в том же реакторе, в котором проводят осаждение исходного слоя, в течение 20 минут при подаче потока О2 с расходом 60 см3/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.
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 (-SiH2-), и/или тригидрида (-SiH3-), и/или полимера (-SiH2-)n. Процесс проводят плазмохимическим осаждением из газовой фазы в реакторе с остаточным давлением в его объеме менее 10-6 Торр в течение 15 с при подаче потока моносилана SiH4, который разбавляют аргоном до получения газовой смеси с составом по объему 10% моносилана, 90% аргона. Осаждение проводят с расходом указанной газовой смеси, равным 10 см3/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.
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(O2) и полимеризацией последних с получением нестехиометрического оксида кремния.
Процесс прокисления в плазме кислорода ведут в том же реакторе, в котором проводят осаждение исходного слоя, в течение 20 минут при подаче потока О2 с расходом 60 см3/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.
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 ROFF=54050 Ом, а соответствующее переключению в низкоомное состояние - ROn=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.
На подложке высоколегированного кремния марки КЭМ-0,002 изготавливают активный слой посредством нанесения на ее поверхность слоя оксида ванадия V2O5. 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 V2O5 наносят толщиной 40 нм.
После изготовления активного слоя, обеспечивающего филаментарный механизм проводимости, приступают к изготовлению слоя, обеспечивающего формирование наноконтактов для реализации филаментарного механизма проводимости.
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 (-SiH2-), и/или тригидрида (-SiH3-), и/или полимера (-SiH2-)n. Процесс проводят плазмохимическим осаждением из газовой фазы в реакторе с остаточным давлением в его объеме менее 10-6 Торр в течение 11 с при подаче потока моносилана SiH4, который разбавляют аргоном до получения газовой смеси с составом по объему 10% моносилана, 90% аргона. Осаждение проводят с расходом указанной газовой смеси, равным 10 см3/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.
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(O2) и полимеризацией последних с получением нестехиометрического оксида кремния.
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 О2 с расходом 60 см3/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.
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 (-SiH2-), и/или тригидрида (-SiH3-), и/или полимера (-SiH2-)n. Процесс проводят плазмохимическим осаждением из газовой фазы в реакторе с остаточным давлением в его объеме менее 10-6 Торр в течение 11 с при подаче потока моносилана SiH4, который разбавляют аргоном до получения газовой смеси с составом по объему 10% моносилана, 90% аргона. Осаждение проводят с расходом указанной газовой смеси, равным 10 см3/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 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(O2) и полимеризацию последних с получением нестехиометрического оксида кремния. В ходе этапа частичного прокисления формируют только слой, обеспечивающий формирование наноконтактов для реализации филаментарного механизма проводимости.
Процесс прокисления в плазме кислорода ведут в том же реакторе, в котором проводят осаждение исходного слоя, в течение 10 минут при подаче потока О2 с расходом 60 см3/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.
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 V2O5. 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 V2O5 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.
Claims (6)
1. Способ получения активной структуры элемента энергонезависимой резистивной памяти, включающий изготовление на подложке примыкающих друг к другу слоя, обеспечивающего формирование наноконтактов для реализации филаментарного механизма проводимости, и активного слоя, обеспечивающего филаментарный механизм проводимости, отличающийся тем, что 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. Способ по п. 1, отличающийся тем, что 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 (-SiH2-), тригидрида (-SiH3-), полимера (-SiH2-)n, а при последующем прокислении в кислородосодержащей плазме со стороны поверхности указанного слоя, которая доступна для воздействия плазмы, приводящего 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-O через образование комплексов SiHO(O2) и полимеризацию последних, приводящую к получению нестехиометрического оксида кремния.
3. Способ по п. 2, отличающийся тем, что осаждение слоя гидрогенизированного аморфного кремния a-Si:H, в котором атомы водорода ковалентно связаны с образованием локально связанных конфигураций дигидрида (-SiH2-), тригидрида (-SiH3-), полимера (-SiH2-)n, проводят плазмо-химическим осаждением из газовой фазы в реакторе с остаточным давлением в его объеме менее 10-6 Торр в течение 10-15 с при подаче потока моносилана SiH4, который разбавляют аргоном до получения газовой смеси с составом по объему 10% моносилана, 90% аргона, с расходом смеси 10 см3/мин, при осаждении высокочастотную мощность и температуру подложки поддерживают на уровне 150 Вт и 200°C, соответственно.
4. Способ по п. 2, отличающийся тем, что 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(O2) и полимеризацию последних, приводящую к получению нестехиометрического оксида кремния, проводят в плазме кислорода в течение 10-20 минут при подаче потока О2 с расходом 60 см3/мин, при этом высокочастотную мощность и температуру подложки поддерживают, соответственно, на уровне 150 Вт и 200°C.
5. Способ по п. 1, отличающийся тем, что 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.
6. Способ по п. 1, отличающийся тем, что 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.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2020125960A RU2749028C9 (ru) | 2020-07-29 | 2020-07-29 | Способ получения активной структуры элемента энергонезависимой резистивной памяти |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2020125960A RU2749028C9 (ru) | 2020-07-29 | 2020-07-29 | Способ получения активной структуры элемента энергонезависимой резистивной памяти |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2749028C1 true RU2749028C1 (ru) | 2021-06-03 |
| RU2749028C9 RU2749028C9 (ru) | 2021-09-07 |
Family
ID=76301358
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2020125960A RU2749028C9 (ru) | 2020-07-29 | 2020-07-29 | Способ получения активной структуры элемента энергонезависимой резистивной памяти |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2749028C9 (ru) |
Citations (7)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2292606C2 (ru) * | 2004-12-14 | 2007-01-27 | Институт микроэлектроники и информатики РАН | Способ получения квантоворазмерных структур на основе аморфных кремниевых нанокластеров, встроенных в диэлектрическую матрицу |
| RU2343587C2 (ru) * | 2006-12-07 | 2009-01-10 | Федеральное государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования Санкт-Петербургский государственный университет (СПбГУ) | Запоминающее устройство с диэлектрическим слоем на основе пленок диэлектриков и способ его получения |
| RU2468471C1 (ru) * | 2011-04-07 | 2012-11-27 | Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Петрозаводский государственный университет" | Способ получения энергонезависимого элемента памяти |
| RU2524415C1 (ru) * | 2013-04-18 | 2014-07-27 | Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Национальный исследовательский ядерный университет "МИФИ" (НИЯУ МИФИ) | Мемристор на основе смешанного оксида металлов |
| CN107403866A (zh) * | 2016-05-20 | 2017-11-28 | 科洛斯巴股份有限公司 | 非随机电阻式切换内存装置和制造方法 |
| US10319906B2 (en) * | 2016-05-02 | 2019-06-11 | Stmicroelectronics (Rousset) Sas | Process for fabricating resistive memory cells |
| US10475994B2 (en) * | 2011-07-05 | 2019-11-12 | Ucl Business Plc | Oxide memory resistor including semiconductor nanoparticles |
-
2020
- 2020-07-29 RU RU2020125960A patent/RU2749028C9/ru active
Patent Citations (7)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2292606C2 (ru) * | 2004-12-14 | 2007-01-27 | Институт микроэлектроники и информатики РАН | Способ получения квантоворазмерных структур на основе аморфных кремниевых нанокластеров, встроенных в диэлектрическую матрицу |
| RU2343587C2 (ru) * | 2006-12-07 | 2009-01-10 | Федеральное государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования Санкт-Петербургский государственный университет (СПбГУ) | Запоминающее устройство с диэлектрическим слоем на основе пленок диэлектриков и способ его получения |
| RU2468471C1 (ru) * | 2011-04-07 | 2012-11-27 | Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Петрозаводский государственный университет" | Способ получения энергонезависимого элемента памяти |
| US10475994B2 (en) * | 2011-07-05 | 2019-11-12 | Ucl Business Plc | Oxide memory resistor including semiconductor nanoparticles |
| RU2524415C1 (ru) * | 2013-04-18 | 2014-07-27 | Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Национальный исследовательский ядерный университет "МИФИ" (НИЯУ МИФИ) | Мемристор на основе смешанного оксида металлов |
| US10319906B2 (en) * | 2016-05-02 | 2019-06-11 | Stmicroelectronics (Rousset) Sas | Process for fabricating resistive memory cells |
| CN107403866A (zh) * | 2016-05-20 | 2017-11-28 | 科洛斯巴股份有限公司 | 非随机电阻式切换内存装置和制造方法 |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| RU2749028C9 (ru) | 2021-09-07 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| JP5184357B2 (ja) | バナジウム酸化物薄膜の製造方法 | |
| Porro et al. | Multiple resistive switching in core–shell ZnO nanowires exhibiting tunable surface states | |
| KR20140144222A (ko) | 원자층 퇴적 | |
| TW201241922A (en) | Nonvolatile memory element and method for manufacturing method same | |
| CN113285020B (zh) | 一种单通道忆阻器及其制备方法 | |
| Chandra et al. | Structural and electrical properties of radio frequency magnetron sputtered tantalum oxide films: Influence of post-deposition annealing | |
| KR20170093428A (ko) | 수소 처리된 NbO2 박막, NbO2 박막의 제조방법 및 NbO2 박막을 구비한 전자소자의 제조방법 | |
| RU2749028C1 (ru) | Способ получения активной структуры элемента энергонезависимой резистивной памяти | |
| Mohanty et al. | Interface engineering for 3-bit per cell multilevel resistive switching in AlN based memristor | |
| CN109728162B (zh) | 相变薄膜、相变存储单元及其制备方法及相变存储器 | |
| Seong et al. | Bipolar resistive switching behavior of a Pt/NiO/TiN device for nonvolatile memory applications | |
| CN115275004A (zh) | 一种基于离子扩散和相变机制实现忆阻器忆阻的方法 | |
| Xiang et al. | An innovative method to achieve large-scale high-quality VO2 thin films: Oxidation of vanadium nitride material deposited by sputtering | |
| Zhang et al. | Effects of stacking sequence and top electrode configuration on switching behaviors in ZnO-HfO2 hybrid resistive memories | |
| CN110224064B (zh) | 一种基于BN（Al）薄膜的电阻开关及制备方法 | |
| Zhao et al. | Highly improved performance in Ta/MoO3/Pt structure by optimizing molybdenum oxide sputtering process for resistive switching memory | |
| Verrelli et al. | Cluster beam synthesis of metal and metal-oxide nanoparticles for emerging memories | |
| Gul et al. | Formation of a Ti→ TiO2-graded layer and its effect on the memristive properties of TiO x (/Ti/TiO x) structures | |
| WO2020139141A1 (ru) | Способ изготовления мемристора с наноконцентраторами электрического поля | |
| Ortiz et al. | Effect of annealing on the electrical properties of insulating aluminum nitride in MIM and MIS structures | |
| KR102069239B1 (ko) | 원자 스위칭 장치 | |
| RU2812881C1 (ru) | Способ получения активного слоя элемента энергонезависимой резистивной памяти | |
| Bharadwaj et al. | Effect of RF sputtering process parameters on silicon nitride thin film deposition | |
| Ling et al. | Atomic layer engineering on resistive switching in sub-4 nm AlN resistive random access memory devices | |
| Yin et al. | In situ growth and characterization of TiN/HfxZr1− xO2/TiN ferroelectric capacitors |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| TK4A | Correction to the publication in the bulletin (patent) |
Free format text: CORRECTION TO CHAPTER -FG4A- IN JOURNAL 16-2021 FOR INID CODE(S) (72) |
|
| TH4A | Reissue of patent specification |