ЭЛЕМЕНТ УСТРОЙСТВА ПАМЯТИ СО СТРУКТУРОЙ МЕТАЛЛ - ИЗОЛЯТОР - МЕТАЛЛ Российский патент 1997 года по МПК H01L29/49 

Изобретение относится к микро- и наноэлектронике, а именно к устройствам памяти, реализуемым с помощью методов микро- и нанотехнологии.

Известны приборы, имеющие "сэндвич"-структуру (слоистую структуру) металл-изолятор-металл (МИМ), в которой в качестве изолятора используются тонкие диэлектрические пленки различных толщиной от 100 нм до нескольких микрон, расположенные между металлическими электродами (Дирнлей Дж. Соунхэм М. Морган Д. УФН, т. 112, вып. 1, с. 83 127). При этом нижний электрод оказывается закрыт пленками диэлектрика и металла верхнего электрода. После изготовления структуры она помещается в вакуум и выполняется операция, называемая формовкой и состоящая в подаче на электроды напряжения амплитудой около 15 В. После этого прибор приобретает вольт-амперные характеристики (ВАХ) аналогичные (фиг. 2) и поэтому может выполнять функцию элемента памяти. Установлено, что возможность формовки зависит от состава и давления остаточной атмосферы в вакууме, а сама формовка приводит к образованию в структуре каналов сходных с каналами пробоя между нижним и верхним электродами, т. е. существенным для получения необходимых ВАХ является проникновение молекул остаточной атмосферы в формируемую структуру.

Недостатком такого устройства является низкая воспроизводимость характеристик, что связано с плохой контролируемостью операции формовки.

Описан элемент устройства памяти в виде планарной МИМ-структуры, которая представляет собой два пленочных металлических электрода, напыленных на диэлектрическую подложку, разделенных зазором в виде микрощели (Pagnia H. Sotnik N. Phys. Stat. Sol. (a). 1988, v. 108, N 11, p 11 65). Микрощель получается, как правило, путем электрического пробоя более тонкой пленки металла, осажденной между толстыми частями электродов. При этом на поверхности диэлектрика в зазоре возникает сильно нерегулярная пространственно неоднородная структура со случайно расположенными островками (частицами) металла самых разных размеров. Характерная ширина микрощели несколько микрометров. Операция ее создания называется базовой формовкой. Наличие частиц металла в микрощели всегда обнаруживается в такой структуре и является, очевидно, принципиальным моментом для возникновения в дальнейшем ВАХ необходимой формы. Сформированная таким образом структура помещается в вакуум, остаточная атмосфера которого содержит органические молекулы (обычно эти молекулы масла из вакуумных насосов). Планарная конструкция МИМ-структуры обеспечивает при этом свободный доступ органических молекул к зазору. Далее выполняется операция формовки с участием адсорбции органических молекул на повеpхности зазора (А-формовка), состоящая в подаче на электроды, как правило, циклически меняющегося напряжения с амплитудой от 0 до 15 В. А-формовка приводит к созданию проводящих путей в виде нитей из углеродистой фазы, образующейся из органических молекул, в зазоре между электродами, что проявляется в увеличении проводимости структуры и формовании ВАХ, аналогичных показанным на фиг.2. Это позволяет созданному прибору, называемому МИМ-диодом, выполнять функцию элемента памяти и быть выбранным в качестве прототипа, совпадающего с предлагаемым изобретением по большинству существенных признаков. Считается, что механизмом, ответственным за образование ВАХ с областью отрицательного дифференциального сопротивления, является формирование в зазоре и пережигание при некотором значении тока нитей из углеродистой фазы. Плавность ВАХ объясняется большим количеством нитей и неоднородностью их свойств.

Недостатком описанного элемента устройства памяти является наличие нерегулярной пространственно неоднородной структуры, содержащей частицы металла, расположенной в зазоре между электродами. Большая ширина этой области (несколько микрометров) не позволяет уменьшить размеры прибора, ограничивая тем самым возможную плотность записи информации. Кроме того, нерегулярность структуры в зазоре, связанная со случайным характером электрического пробоя, приводит к значительному разбросу характеристик прибора.

Техническая задача изобретения увеличение плотности записи информации за счет уменьшения размера элемента устройства памяти и кроме того, уменьшение разброса характеристик устройства ( может быть достигнуто теми же средствами).

Задача достигается тем, что в известном элементе устройства памяти, включающем два металлических электрода, разделенных электроизолирующим зазором, и частицы углеродистой фазы в зазоре, размещенные в среде, содержащей органическое вещество, таким образом, что обеспечен доступ молекул этого вещества к зазору, зазор выполнен в виде промежутка, не содержащего частиц металла, причем его ширина находится в интервале 2 100 нм.

Уменьшение размеров элемента достигается как выполнением зазора в виде обычного промежутка, не содержащего частиц металла, что устраняет область с пространственно неоднородной металлической структурой, создаваемой в ходе базовой формовки и имеющей размеры несколько микрометров, так и ограничением величины зазора, которое кроме того позволяет обеспечить N-образную ВАХ прибора, дающую возможность использовать его в качестве элемента памяти. Устранение из зазора нерегулярной структуры, содержащей частицы металла, может также уменьшить разброс характеристик устройства.

Кроме того, с целью упрощения технологии изготовления металлические электроды разделены слоем твердого диэлектрика, образуя слоистую структуру, торец слоя диэлектрика открыт для доступа молекул органического вещества, а толщина слоя диэлектрика задает ширину зазора.

Упрощение технологии связано с отсутствием необходимости выполнять нанолитографию для формирования зазора, вся конструкция элемента устройства памяти может быть получена с помощью хорошо контролируемых операций микротехнологии.

В источниках информации не обнаружено сведений, аналогичных предложенному элементу устройства памяти, что позволяет сделать вывод о его новизне.

Кроме того, совокупность признаков предлагаемого изобретения не очевидна для специалиста из достигнутого уровня техники для решения поставленной задачи, что подтверждает соответствие предлагаемого критерию "изобретательский уровень".

Обоснование предлагаемого устройства вместе со сведениями, подтверждающими возможность его осуществления, приводятся ниже с использованием графических материалов. На фиг. 1 изображены варианты конкретного исполнения элемента устройства памяти: (а) планарная конструкция; (б) конструкция на основе открытой "сэндвич"-структуры; (в) - конструкция на основе зонда сканирующего туннельного микроскопа; 1 катод (эмиттер); 2 анод; 3 изолирующий зазор; 4 частицы углеродистой фазы; 5 - диэлектрическая подложка; 6 молекулы органического вещества; 7 тонкая пленка диэлектрика; 8 адсорбированный слой из молекул органического вещества.

На фиг. 2 показаны схематичные вольт-амперные характеристики МИМ-структуры с частицами углеродистой фазы в зазоре.

На фиг. 3 представлены потенциальные диаграммы МИМ-структуры в различные моменты времени после начала протекания тока при подаче на нее напряжения U: (а) в начальный момент; (б) в промежуточный момент после начала образования частиц углеродистой фазы в области шириной l; (в) после установления равновесия.

Ф_э высота барьера на границе катод (эмиттер)-зазор;
Ф_a высота барьера на границе анод зазор;
U напряжение, приложенное к электродам;
d ширина зазора;
V падение напряжения на зазоре, V U + Ф_э Ф_a;
δ, δ′, δ_к ширина барьеров для туннелирующих электронов на уровне Ферми катода;
l, l_k ширины области, в которой выделяются частицы углеродистой фазы;
ε_н начальное значение относительной диэлектрической проницаемости органического вещества в зазоре;
ε_к конечное значение относительной диэлектрической проницаемости формованного диэлектрика;
E₁, E₂ напряженности электрического поля на соответствующих участках зазора.

На фиг. 4 изображэена экспериментальная зависимость проводимости зазора σ в относительных единицах от напряжения между электродами U для варианта устройства на основе СТМ.

Вариант элемента устройства памяти в виде планарной конструкции (фиг. 1, а) включает электроды (катод 1 и анод 2) и электроизолирующий зазор 3 размером d, лежащим в диапазоне от 2 до 100 нм, с частицами углеродистой фазы 4. Электроды расположены на диэлектрической подложке 5. Молекулы органического вещества 6 попадают в зазор из газовой среды. Такая конструкция обеспечивает минимальную собственную емкость структуры из-за малой площади перекрытия элементов, а значит максимальную скорость функционирования прибора, однако она требует выполнения нанолитографии для формирования зазора с требуемой величиной, что технологически сложно.

Вариант элемента памяти в виде открытой с торца "сэндвич"-структуры показан на фиг. 1,б. Электроды 1 и 2 расположены друг над другом и разделены тонким слоем твердого диэлектрика 7, толщина d которого задает ширину электроизолирующего зазора 3 с частицами углеродистой фазы 4. Такая структура получается путем последовательного напыления трех слоев материала на диэлектрическую положку 5. Торец диэлектрического слоя открыт для доступа молекул органического вещества 6 путем локального стравливания, как минимум, верхних двух слоев структуры. Поскольку торцы диэлектрического слоя и верхнего электрода могут находиться не на одном уровне, например, диэлектрик может выступать, то толщина d не обязательно совпадает с шириной зазора, а именно, d может быть несколько меньше. Однако эта разница не должна быть большой, поэтому путь от одного электрода до другого по открытой поверхности диэлектрика, который равен ширине зазора, задается толщиной d. В такой конструкции будет относительно большая собственная емкость прибора из-за значительной площади перекрытия электродов и малой толщиной диэлектрика, однако структура может быть реализована обычными методами микротехнологии, без применения нанолитографии, поскольку зазор здесь определяется толщиной слоя диэлектрика, которую относительно легко получить и контролировать в необходимом диапазоне размеров.

Вариант элемента памяти с использованием зонда сканирующего туннельного микроскопа (СТМ) показан на фиг. 1,в. Острие зонда СТМ, являющееся катодом 1, имеет обычно радиус кривизны около 30 нм и менее. Величина d зазора 3 может контролироваться с высокой точностью в диапазоне от единиц до десятков нанометров от проводящей поверхности анода 2. Частиц углеродистой фазы 4 в зазоре образуются из молекул органического вещества, которые поступают (в основном) из адсорбированного на поверхности анода слоя8, формирующегося из молекул органического вещества, находящихся в газовой среде. Такая конструкция удобна для получения единичных элементов памяти, имеющих нанометровые размеры по всем трем координатам, с целью исследования их характеристик.

ВАХ МИМ-структуры с частицами углеродистой фазы в зазоре (фиг. 2) имеют N-образный вид и характерны для различных конструкций приборов. Верхняя кривая соответствует квазистационарной (при медленном изменении напряжения U на электродах) зависимости. Ее максимум располагается, как правило, в диапазоне от 3 до 5 В, после которого наблюдается более или менее выраженная область с отрицательным дифференциальным сопротивлением. В первом приближении эта зависимость обратима. Однако если, находясь в какой-то из точек спадающей ветви ВАХ с напряжением U_к, быстро уменьшать его до нуля, то обратная ветвь не будет проходить через максимум (например, кривая OFF), а при повторном росте U ток будет практически равен нулю вплоть до некоторого порогового напряжения U_пор, зависящего от U_к. После превышения U_пор ток быстро восстанавливается до значения, соответствующего квазистационарной ВАХ.

Таким образом, в зависимости от предыстории МИМ-структура может находиться в одном из двух стабильных состояний, существование которых не требует поддержания тока: включенном ON, или выключенном OFF, значительно отличающихся проводимостями. Такой характер ВАХ позволяет использовать МИМ-структуры с углеродистыми частицами в зазоре в качестве элемента устройства памяти.

Предлагаемый элемент устройства памяти работает следующим образом.

На фиг. 3,а показана потенциальная диаграмма МИМ-структуры с нанометровым зазором до ее формовки, т. е. когда зазор заполнен адсорбированными молекулами органического вещества, представляющими собой диэлектрик с относительной диэлектрической проницаемостью e_н однородный по всей ширине d зазора. Заметный туннельный ток потечет, когда ширина барьера δ на уровне Ферми-катода станет достаточно малой (около 2 нм) за счет увеличения напряжения U. Поскольку ширина зазора не превышает нескольких десятков нм, такая ситуация достигается при реальных и не слишком больших напряжениях. Структура при этом находится в режиме ограничения тока эмиссией из катода, т. е. пройдя барьер, электроны эффективно вытягиваются электрическим полем из диэлектрика, что обусловлено большими напряженностями поля из-за малой ширины зазора. Электроны, проходя через диэлектрик из органических молекул, вызывают их диссоциацию, следствием которой является обуглераживание органического вещества, находящегося в зазоре, т. е. образование частиц углеродистой (с избыточным содержанием углерода) фазы с повышенными проводимостью и относительной диэлектрической проницаемостью. При этом внутри барьера, т. е. вблизи катода, образования углеродистой фазы не происходит. Первым результатом такого процесса будет изменение распределения потенциала в зазоре (фиг. 3,б), приводящее к уменьшению ширины барьера до значения d′, что увеличит ток и расширит область, где возможна диссоциация органических молекул. Такой процесс расстояния диэлектрика по своим результатам совпадает с формовкой и будет продолжаться до тех пор, пока для заданного значения U не установится равновесие, определяемое конечной концентрацией частиц углеродистой фазы, которая зафиксирует величину относительной диэлектрической проницаемости ε_к этой, назовем ее формованной, части диэлектрика. На фиг.3,в показано конечное равновесное состояние, ширина l_к области формованного диэлектрика, а значит и δ_к для которого в случае одномерной модели могут быть вычислены из решения системы уравнений электростатики
E₁δ_к+ E₂l_к=V, E₁=εE₂, d=l_к+ δ_к,E₁δ=Φ_э.(1)
Тогда

где V U + Ф_э Ф_a, ε=ε_к/ε_н,. Условием такого равновесия является совпадение ширины барьера на уровне Ферми-эмиттера и ширины области неформованного диэлектрика, что выражается уравнением (1), т. е. МИМ-структура, приходит к новому, устойчивому в условиях протекания тока, равновесному состоянию, характеризующемуся другим составом и пространственной неоднородностью диэлектрика.

Увеличение тока через структуру за счет уменьшения ширины барьера приводит к дополнительному выделению энергии в формованном диэлектрике и его разогреву, что запускает некоторый термически активируемый механизм, противодействующий увеличению концентрации углеродистой фазы. Таким механизмом может быть, например, окисление избыточного углерода при взаимодействии с молекулами из газовой фазы, который понижает количество проводящих частиц в формованном диэлектрика, а значит уменьшает величину ε в выражении (2). Последнее приводит к уменьшению l_к, поэтому растет ширина барьера d_к= d-l_к и падает ток.

Таким образом, именно разогрев формованного диэлектрика определяет равновесную величину ε_к для заданного напряжения U, а в конечном итоге ток через структуру.

Поскольку с ростом U будет расти и мощность, рассеиваемая в формованном диэлектрике и приводящая к увеличению его температуры, то при этом будет уменьшаться концентрация частиц проводящей фазы, и падать ток. Это объясняет наличие области отрицательного дифференциального сопротивления на ВАХ. Такой механизм ее возникновения можно назвать модуляцией ширины барьера за счет расслоения диэлектрика. Фактически он основан на процессе самоформирования неоднородной структуры из углеродистого материала в зазоре нанометровых размеров при прохождении электрического тока. Существенным элементом такого механизма является также ограничение тока через структуру туннелированием на границе катод-диэлектрик, т. е. из-за высокого поля, связанного с малой шириной зазора, прохождение электронов в формованном диэлектрике не лимитирует проводимость структуры.

При быстром уменьшении напряжения на МИМ-структуре от некоторого значения U_к (фиг. 2) на ветви с отрицательным дифференциальным сопротивлением из-за инерционности процессов, приводящих к уменьшению концентрации частиц углеродистой фазы, "замораживается" значение ε_к и соответствующее распределение потенциала в зазоре. При последующей подаче напряжения заметный ток может появится только при некотором пороговом значении U_пор, когда ширина барьера δ для туннелирующих электронов будет достаточно мала. Естественно, что это значение будет значительно меньше, чем при первичной формовке, поскольку новое распределение потенциала (фиг. 3,в) существенно отличается от первоначального (фиг. 3, а). Кроме того, U_пор будет функций U_к, потому что последнее определяет "замороженное" распределение потенциала в зазоре.

При малых напряжениях U ход стационарной ВАХ (фиг. 2) определяется тем, что ток через МИМ-структуру ограничивается пространственным зарядом в материале зазора, т. е. проводимостью формованного диэлектрика, что соответствует обычному описанию ВАХ с помощью проводящих нитей.

Информация в таком элементе устройства памяти кодируется состоянием материала (формованного диэлектрика) в изолирующем зазоре: либо это материал с высокой концентрацией углеродистой фазы, что приводит к большой величине относительной диэлектрической проницаемости и проводимости, либо с низкой концентрацией углеродистой фазы, что сдвигает состояние материала в сторону идеального диэлектрика с малой величиной диэлектрической проницаемости.

Предлагаемый элемент устройства памяти, помимо того, что может быть реализован с нанометровыми размерами и является поэтому прибором наноэлектрики, имеет ряд важных достоинств: может работать в широком диапазоне температур: от гелиевых до существенно выше комнатных; существенно также, что на основе этого элемента можно построить устройство памяти с электрической выборкой, которая будет осуществляться коммутацией электродов соответствующих МИМ-структур.

Практически был реализован вариант конструкции элемента устройства памяти на основе СТМ (фиг. 3,в). Поскольку напряжения, при которых проявляются особенности ВАХ (фиг. 2) превышает несколько вольт, СТМ функционировал в эмиссионном режиме. Зондом (катодом) служило острие, изготовленное из вольфрамовой проволоки методом электро-химического травления. Анодом являлась тонкая пленка сплава вольфрам-титан (10 Ti), напыленная методом ионно-плазменного распыления на кремниевую пластину. СТМ работал на воздухе в стандартных условиях гермозоны. При этом на поверхности пленки сплава образовывался естественный адсорбированный слой, который, как известно, состоит в основном из органики, присутствующей в воздухе, и молекул воды. Использовался режим постоянного туннельного тока, т. е. обратная связь СТМ стабилизировала заданное значение тока за счет изменения величины туннельного зазора d (фиг. 1,в), что было необходимо в таких условиях, поскольку объект, находящийся в зазоре, был недостаточно стабилен. В силу этого измерялась не ВАХ, а зависимость величины туннельного зазора, которая пропорциональна его проводимости, от напряжения U между зондом и пленкой сплава.

На фиг. 4 показана экспериментальная зависимость эквивалентной проводимости зазора в относительных единицах от напряжения U, хорошо соответствующая ВАХ (фиг. 2), ясно демонстрируя наличие области с отрицательным дифференциальным сопротивлением (проводимостью). Качественно также выглядит соответствующая зависимость величины туннельного зазора. Причем максимальные значения зазора, измеренные с помощью СТМ, достигали 100 нм, что является обоснованием верхней границы, приведенной в формуле изобретения. После резкого снятия напряжения с зонда на поверхности сплава остается "холмик" из углеродистого материала, демонстрируя тем самым эффект памяти, эквивалентный, тому который возникает при анализе ВАХ (фиг. 2). Нижняя граница зазора, равная 2 нм, обусловлена максимальной шириной барьера, при которой становится заметным туннельный ток.

Использование: устройства памяти, реализуемые с помощью методов микро- и нанотехнологии. Сущность изобретения: элемент устройства памяти включает два металлических электрода, разделенных электроизолирующим зазором, и частицы углеродистой фазы в зазоре, размещенные в среде, содержащей органическое вещество. В структуре обеспечен доступ молекул органического вещества к зазору. Зазор выполнен в виде промежутка, не содержащего частиц металла, причем его ширина находится в интервале 2 - 100 нм. Металлические электроды могут разделяться слоем твердого диэлектрика, образуя слоистую структуру, тогда торец слоя диэлектрика открыт для доступа молекул органического вещества, а толщина слоя диэлектрика задает ширину зазора. 1 з. п. ф-лы, 4 ил.

1. Элемент устройства памяти со структурой металл изолятор металл, включающий два металлических электрода, разделенных электроизолирующим зазором, и частицы углеродистой фазы в зазоре, размещенные в среде, содержащей органическое вещество, так, что обеспечен доступ молекулам этого вещества к зазору, отличающийся тем, что зазор выполнен в виде промежутка, не содержащего частиц металла, причем его ширина находится в интервале 2 100 нм. 2. Элемент по п.1, отличающийся тем, что металлические электроды разделены слоем твердого диэлектрика, образуя слоистую структуру, торец слоя диэлектрика, являющийся зазором, открыт для доступа молекул органического вещества, а толщина слоя диэлектрика задает ширину зазора.