ЭЛЕМЕНТ УСТРОЙСТВА ПАМЯТИ СО СТРУКТУРОЙ МЕТАЛЛ-ИЗОЛЯТОР-МЕТАЛЛ Российский патент 1998 года по МПК G11C11/21 G11C11/24 

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

Известен элемент устройства памяти, имеющий "сэндвич"-структуру (слоистую структуру) металл-изолятор-металл (МИМ), в которой в качестве изолятора используются тонкие диэлектрические пленки различных окислов толщиной от 10 нм до нескольких микрон, распложенные между металлическими электродами [1] . При этом нижний электрод оказывается закрыт пленками диэлектрика и металла верхнего электрода. После изготовления такой структуры она помещается в вакуум и выполняется операция, называемая электроформовкой и состоящая в падаче на электроды напряжения амплитудой около 15 В. В результате прибор приобретает вольт-амперные характеристики (ВАХ), аналогичные показанным на фиг. 4,б, и может поэтому выполнять функцию элемента памяти. Установлено, что возможность электроформовки зависит от состава и давления остаточной атмосферы в вакуумной камере, а ее результатом является образование в структуре формованных каналов, сходных с каналами пробоя (см. Гапоненко В.М.//Изв. вузов. Физика. 1992. N 5. с. 115-120) между нижним и верхним электродами, которые и ответственны за возникновение необычных электрических характеристик. 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 последствий операции электроформовки.

Описан элемент устройства памяти в виде планарной МИМ-структуры, которая представляет собой два пленочных металлических электрода, напыленных на диэлектрическую подложку, разделенных изолирующей микрощелью [2]. Последняя получается, как правило, путем электрического пережигания тонкой пленки металлической шины, осажденной между ее более толстыми участками. Характерная ширина микрощели, получающейся при такой технологии, - порядка микрометра. Поверхность диэлектрической подложки в этом месте модифицируется и содержит частицы металла, оставшиеся после испарения материала шины, что является принципиальным для возникновения в дальнейшем ВАХ необходимой формы. Говоря о металле, как материале электродов, имеют в виду только высокую концентрацию свободных носителей и соответственно - низкое удельное сопротивление. В частности, могут использоваться и электроды из графита, который в строгом смысле металлом не является.

Сформированная таким образом структура помещается в вакуум, остаточная атмосфера которого содержит органические молекулы (обычно это молекулы масла из вакуумных насосов). Планарная конструкция МИМ-структуры обеспечивает при этом свободный доступ органических молекул к изолирующей щели. Далее выполняется операция электоформовки с участием адсорбции органических молекул на поверхности щели, состоящая в подаче на электроды, как правило, циклически меняющегося от 0 до 15 В напряжения. Электроформовка приводит к созданию в изолирующей щели между электродами проводящих путей из углеродистой фазы, образующейся из органических молекул, что проявляется в увеличении проводимости структуры и формировании ВАХ, аналогичных показанным на фиг. 4,б, включая эффекты переключения и памяти. Квазистационарная ВАХ имеет N-образную форму для обоих направлений изменения напряжения, при малых значениях которого она соответствует включенному состоянию (ON).

Переключение структуры в состояние OFF осуществляется путем резкого снятия напряжения, когда она располагается на спадающей ветви ВАХ. Обратное переключение происходит при увеличении напряжения до некоторого порогового значения U_th, находящегося вблизи 2 В, при котором структура резко переходит в состояние ON. В отсутствии напряжения оба состояния могут сохраняться неограниченно долго. Все это позволяет такой структуре, называемой МИМ-диодом с углеродистыми проводящими путями, выполнять функцию элемента памяти. Он выбран в качестве прототипа, совпадающего с изобретением по большинству существенных признаков. Очевидно, механизм функционировния такого МИМ-диода (Мордвинцев В.М., Левин В.Л.//ЖТФ. 1994. Т. 64. Вып. 12. С. 88-011) состоит в образовании в изолирующей щели углеродистой проводящей фазы (УПФ), а в последней - изолирующего зазора нанометровой ширины, которая изменяется в соответствии с величиной напряжения на структуре за счет процессов нарастания УПФ, стимулируемого прохождением потока электронов через органическое вещество, и удаления ее частиц, активируемого разогревом вещества в зазоре за счет джоулева тепла. Существенную роль при этом играет модуляция прозрачности потенциального барьера, который определяет ток через изолирующий зазор. Определенному значению напряжения соответствует равновесная ширина изолирующего зазора. Если структура находится в состоянии, которое описывается точкой на спадающей ветви ВАХ, и напряжение резко отключается, то из-за относительной медленности процесса образования УПФ равновесный изолирующий зазор с большой шириной "замораживается". Это соответствует состоянию OFF. При последующем увеличении напряжения ток отсутствует вплоть до порогового напряжения U_th, при котором из-за увеличения прозрачности потенциального барьера с ростом напряжения появляется небольшой ток и происходит "размораживание" углеродистой структуры. При этом быстро восстанавливается равновесный зазор меньшей ширины, соответствующей этому меньшему напряжению, и резко увеличивается ток, что означает переключение прибора из состояния OFF в ON.

Недостатками описанного элемента устройства памяти являются узкий диапазон напряжений, соответствующий устойчивому существованию выключенного состояния (от 0 до U_th = 2 В) и большие токи через структуру во включенном состоянии, что приводит к большим рассеиваемым в приборе мощностям. Это связано, в частности, с малыми величинами изолирующего зазора в УПФ, которые, по результатам измерения с помощью сканирующего туннельного микроскопа, оказываются меньше 1 нм (Pagnia H., Sotnik N., Wirth W. // Int. J. Electron. 1990. Vol. 69. N 1. P. 25-32).

Целью изобретения является увеличение диапазона напряжений устойчивого существования выключенного состояния МИМ-диода с углеродистой активной средой. Другой целью, которая может быть достигнута теми же средствами, является уменьшение величины тока через прибор во включенном состоянии.

Поставленная цель достигается тем, что в известном элементе устройства памяти со структурой металл-изолятор-металл, включающем два металлических электрода, разделенных электроизолирующей щелью, и углеродистую проводящую фазу в щели, размещенные в среде, содержащей органическое вещество, таким образом, что обеспечен доступ молекул этого вещества к щели, последовательно углеродистой проводящей фазе в изолирующей щели со стороны анода расположен слой диэлектрика, исключающий возможность приближения углеродистой проводящей фазы к поверхности анода на расстояния, меньшие толщины слоя диэлектрика, которая находится в интервале 1 - 100 нм.

Наличие в структуре жестко встроенного последовательно УПФ слоя диэлектрика (фиг. 2), задающего минимально возможную ширину изолирующего зазора (когда УПФ заполняет всю изолирующую щель, вплоть до слоя диэлектрика, что соответствует включенному состоянию прибора), которая по своей величине больше обычно формирующего подвижного изолирующего зазора в УПФ в прототипе (менее 1 нм), приводит к уменьшению токов в приборе во включенном состоянии, поскольку теперь их величина ограничивается проводимостью слоя диэлектрика. Форма и размеры слоя диэлектрика, в частности его размеры в плоскости, перпендикулярной направлению анод - катод, должны исключать возможность приближения УПФ к поверхности анода на расстояния, меньшие толщины слоя диэлектрика, которое происходит за счет роста УПФ в направлении протекания потока электронов. Если эти боковые размеры слоя диэлектрика будут слишком малыми, УПФ может просто "обтекать" слой диэлектрика, приближаясь к аноду. Переход в выключенное состояние происходит в случае достижения напряжения электрического пробоя слоя диэлектрика (без необратимых изменений его структуры). При этом проводимость диэлектрика резко увеличивается, и все напряжение прикладывается к УПФ, что приводит к ее частичному "выгоранию" со стороны анода и установлению равновесной величины изолирующего зазора, соответствующей данному напряжению. Увеличение ширины зазора понижает напряженность поля в слое диэлектрика и резко восстанавливает высокое сопротивление, возвращая его в состояние изолятора, что автоматически добавляет к равновесной ширине зазора величину равную толщине диэлектрика. Эта увеличенная в сравнении с равновесной ширина изолирующего зазора и обуславливает повышение порогового напряжения U_th при последующем включении структуры.

Кроме того, с целью упрощения технологии изготовления элемента памяти анод выполнен из алюминия.

Это связано с тем, что на поверхности алюминия в обычных условиях самопроизвольно образуется сплошной слой естественного окисла толщиной около 2 нм, который является высококачественным диэлектриком. Это исключает необходимость использования специальных технологических приемов для его формирования.

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

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

На фиг. 1 схематически изображена открытая "сэндвич"-МИМ-структура с изолирующей щелью нанометровой ширины, где а - профиль, б - топология в плане; 1 - диэлектрическая пленка анодного окисла алюминия; 2 - изолирующая щель; 3 - верхний металлический электрод; 4 - нижний металлический электрод.

На фиг. 2 схематически изображен элемент памяти со структурой металл-изолятор-металл в виде открытой "сэндвич"-структуры со слоем диэлектрика между УПФ и анодом (МИМ-диода со слоем диэлектрика), где а - вид в открытый торец; б - профиль структуры; 1 - диэлектрическая пленка анодного окисла алюминия; 2 - изолирующая щель; 3 - верхний металлический электрод (катод); 4 - нижний металлический электрод (анод); 5 - слой диэлектрика, исключающий приближение УПФ к поверхности анода; 6 - углеродистая проводящая фаза (УПФ).

На фиг. 3 показаны вольт-амперные характеристики открытой "сэндвич"-МИМ-структуры, отражающие процесс ее электроформовки (толщина пленки окисла H = 24 нм; периметр открытого торца 40 мкм; балластное сопротивление R_b = 5 МОм; номера последовательных проходов: 1 - 1-ый, 2 - 3-ий, 3 - 5-ый, 4 - после 10-го, 5 - ВАХ балластного сопротивления без структуры.

На фиг. 4 показаны вольт-амперные характеристики; (а) - элемента памяти со структурой металл-изолятор-металл в виде открытой "сэндвич"-структуры со слоем диэлектрика между УПФ и анодом (МИМ-диода со слоем диэлектрика); структура отформована с балластным сопротивлением R_b = 5 МОм до состояния 4 на фиг. 3; толщина пленки окисла 24 нм, периметр открытого торца R_b = 0; (б) - традиционного планарного МИМ-диода с углеродистыми проводящими путями, полученного пережиганием пленки золота толщиной 15 нм; ширина шины 20 мкм; 1 - медленная (квазистатическая) развертка напряжения; 2 - быстрое отключение напряжения, 3 - медленное увеличение напряжения после быстрого его отключения.

Элемент памяти со структурой металл-изолятор-металл со слоем диэлектрика между УПФ и анодом с наиболее контролируемыми геометрическими и электрическими характеристиками может быть изготовлен в виде открытой "сэндвич"-структуры (фиг. 1, а) с нанометровой толщиной диэлектрической пленки 1. В этом случае изолирующая щель 2, открытая для доступа органических молекул, создается путем локального травления верхнего металлического электрода 3 и диэлектрической пленки 1 обычной трехслойной МИМ-структуры. Ширина щели H при этом задается толщиной диэлектрической пленки, а ее нанометровая величина определяет высокие напряженности поля при обычных напряжениях на металлических электродах, что обеспечивает возникновение начальной проводимости в структуре.

В качестве подложки использовались кремниевые пластины, покрытые окислом кремния. Металлические пленки получались вакуумным напылением, их толщина составляла 0,2 - 0,3 мкм. Диэлектрическая пленка 1 окисла алюминия, являющегося одним из лучших изоляторов в тонкопленочном состоянии, формировалась жидкостным анодированием нижнего алюминиевого электрода 4. При этом получается высококачественный диэлектрик, который сам по себе не поддается электроформовке в "сэндвич"-структурах. В данном случае это является полезным свойством, исключающим формовку вне пределов открытого торца диэлектрической пленки, который создавался прецизионным травлением анодного окисла алюминия. Толщина H составляла от 15 до 40 нм. В плане (фиг. 1,б) изготовленные структуры представляли собой перекрещивающиеся металлические шины (электроды) 3 и 4, разделенные диэлектрической пленкой 1 анодного окисла. В верхнем электроде вытравливалось квадратное окно, через которое далее травился окисел и которое на несколько микрометров отстояло от краев нижнего электрода, чтобы исключить возможные краевые эффекты. Размеры окна варьировались от 3 до 16 мкм. После травления анодного окисла, даже если он удален полностью, на поверхности нижнего алюминиевого электрода существует, как минимум, естественный окисел алюминия, толщина которого составляет около 2 нм. На фиг. 2, б схематично показана, в частности, структура сформированной изолирующей щели с учетом близкого к реальному профиля травления. Слой диэлектрика 5 в виде остаточного (т.е. после травливания анодного окисла) окисла толщиной h закрывает всю поверхность металлического анода 4, исключая тем самым возможность приближения образующейся в дальнейшем при электроформовке УПФ 6 к аноду на расстоянии, меньшие толщины слоя диэлектрика.

Изготовленные таким образом открытые "сэндвич"-МИМ-структуры помещались в вакуумную камеру, которая откачивалась последовательно механическим и паромасляным насосами, обеспечивая тем самым обычную для электроформовки газовую среду, содержащую пары органических молекул. На электроды подавалось напряжение треугольной формы с амплитудой 10-20 В и периодом около 10 с, а ток после предварительного усиления фиксировался самописцем. Последовательно МИМ-структурам включалось балластное сопротивление, предотвращающее развитие в ней катастрофического пробоя. На фиг. 3 приведены типичные кривые, отражающие процесс электроформовки (образования УПФ и превращения, таким образом, МИМ-структуру в МИМ-диод) и характеризующие развитие тока через структуру с изолирующей щелью шириной H порядка 20 нм за несколько циклов изменения (проходов) напряжения U на металлических электродах при балластном сопротивлении R_b = 5 МОм.

На первом проходе ток отсутствует вплоть до U=9 В, при котором он появляется скачком ("точка отрыва"), после чего заметная проводимость существует для значительно меньших напряжений и имеет тенденцию к увеличению. Приблизительно через 10 проходов ВАХ выходит на кривую 4 и в дальнейшем меняется вблизи нее слабо, если U не превышает некоторой величины. В случае нарушения последнего условия возможны резкое (скачком) уменьшение тока и последующее постепенное его восстановление до исходных значений. Эта предельная ВАХ зависит от величины балластного сопротивления, роль которого сводится к автоматическому ограничению роста напряжения на структуре при росте тока в цепи. Для сравнения на фиг. 3 приведена прямая, соответствующая включению одного только балластного сопротивления.

Видно, что при больших напряжениях наклон предельной кривой 4 почти совпадает с наклоном прямой. Это означает, что в данной области, несмотря на рост U, напряжение собственно на структуре меняется слабо. Если R_b = 0 или его величина слишком малы, постепенное нарастание тока завершается катастрофическим пробоем.

На фиг. 4,а показаны типичные ВАХ полученного элемента устройства памяти (МИМ-диода со слоем диэлектрика), который при R_b = 5 МОм выведен на предельную кривую 4 (фиг. 3), а затем балластное сопротивление отключено. Период развертки напряжения сохранен тем же. Для сравнения на фиг. 4,б приведена характеристика ВАХ традиционного формованного МИМ-диода планарной конструкции с углеродистыми проводящими путями, полученного пережиганием проводящей шины с шириной, имеющей тот же порядок, что и периметр открытого торца "сэндвич"-МИМ-структуры (40 мкм). Сходство формы кривых говорит о близости процессов, происходящих в обоих случаях. В то же время существуют заметные отличия ВАХ на фиг. 4,а и 4,б. Во-первых, величина тока в случае МИМ-диода со слоем диэлектрика на 3 - 4 порядка меньше при почти одинаковом их периметре. Во-вторых, будучи "отключенной" при нарастании U до значений, соответствующих полному отключению (минимуму ВАХ), открытая "сэндвич"-структура обычно не "включается" в этом диапазоне напряжений при любом количестве проходов, оставаясь на ветви OFF как в случае прямого, так и - обратного изменения U.

Для перехода на ветвь ON необходимо, подключив балластное сопротивление, подать напряжение на несколько вольт большее амплитуды развертки при отключении. В этом случае развивается процесс ускоренной формовки в отличие от первоначальной более медленной (фиг. 3). Традиционный же МИМ-диод (фиг. 4,б) переходит во включенное состояние просто на обратном ходе U, демонстрируя, правда, значительный гистерезис. Кроме того, будучи отключенным импульсом напряжения с коротким задним фронтом, при последующей плавной развертке он резко включается при некотором пороговом значении U_th, находящемся около 2 В. В случае МИМ-диода со слоем диэлектрика подобного эффекта, как отмечено выше, не наблюдается, т. е. пороговые напряжения U_th значительно больше и превышает амплитуду развертки при отключении структуры.

Меньшие токи в МИМ-диоде со слоем диэлектрика частично связаны с тем, что формуется относительно небольшая часть ее периметра. Однако, если бы эти отформованные участки были полностью аналогичны традиционному МИМ-диоду, N-образная ВАХ, хоть и с меньшими токами, наблюдалась бы и при обратном ходе напряжения. Отсутствие же роста с уменьшением U означает, что УПФ в изолирующем зазоре не успевает восстанавливаться, поскольку малы не просто токи, но и плотности тока на отформованных участках, которые ограничиваются некоторым дополнительным фактором, отсутствующим в традиционном МИМ-диоде.

Все отмеченные особенности МИМ-диода со слоем диэлектрика связаны с наличием в нем слоя диэлектрика 5 в виде остаточного окисла, включенного последовательно с областью УПФ 6 (фиг. 2). Тогда ток действительно должен лимитироваться проводимостью остаточного окисла, поскольку его толщина (не менее 2 нм) заметно больше ширины изолирующего зазора традиционного МИМ-диода во включенном состоянии (менее 1 нм). В этом случае ситуация при формовке развивается несколько иначе, а МИМ-диод со слоем диэлектрика работает следующим образом. При достижении "точки отрыва" (фиг. 3), учитывая неидеальность поверхностей раздела, начинается автоэмиссия с некоторого случайного наноострия на поверхности катода 3 (фиг. 2,а). Электроды, инжектированные в органический диэлектрик, вызывают диссоциацию молекул и образование частиц УПФ 6. Из-за расфокусирующего действия электрического поля вблизи наноострия и рассеяния электронов плотность тока по мере удаления от катода уменьшается, а поскольку она ограничена проводимостью остаточного окисла, температуры, вызванные джоулевым нагревом, не достигают значений необходимых для исчезновения частиц УПФ (их "выжигания"). Поэтому образование связного проводящего кластера углеродистых частиц (т.е. сплошного участка углеродистой проводящей фазы) начинается, в отличие от традиционного МИМ-диода, со стороны катода (из-за большей плотности тока в этой области).

Таким образом, УПФ зарождается вблизи катода и по мере формовки распространяется в сторону анода, увеличивая проводимость изолирующей щели, что проявляется в постепенном увеличении тока. Если в электрической цепи находится соответствующим образом подобранное балластное сопротивление, автоматически ограничивающее напряжение на структуре по мере нарастания тока, то УПФ заполняет всю изолирующую щель и упирается в остаточный окисел 5. Это состояние соответствует предельной кривой 4 на фиг.3.

При условии, что сопротивление УПФ достаточно мало (а это действительно так, поскольку она по составу близка к графиту), начальная ветвь кривой ON на фиг. 4,а - это просто ВАХ остаточного окисла, на котором падает все приложенное напряжение. Учитывая реальные его толщины и высокое качество, можно ожидать, что основные механизмом проводимости является туннелирование, что качественно объясняет характер нелинейности кривой в этой области. Далее с ростом U в остаточном окисле достигаются напряженности поля, вызывающие возникновение ударной ионизации и зарождения лавины (электрического пробоя). Сопротивление слоя диэлектрика резко падает, а ток через структуру соответственно увеличивается, "пережигая" отдельные участки УПФ, что и наблюдается на спадающей ветви ВАХ. Пробой диэлектрика не вызывает в нем необратимых изменений, поскольку раньше "выгорает" УПФ прежде всего из-за худшего теплового контакта ее с подложкой. Это резко уменьшает напряженность поля в остаточном окисле за счет перераспределения потенциала, и лавина гаснет.

Самописец не успевает отреагировать на эти короткие импульсы тока, отражая лишь их последствия. Именно такие процессы приводят к уменьшению проводимости структуры и появлению максимума на ее квазистационарной ВАХ. С наличием слоя диэлектрика связано и отсутствие включения структуры во всем диапазоне U, меньших того, при котором произошло отключение. В случае возникновения лавины в остаточном окисле почти все напряжение прикладывается к УПФ, при этом за счет частичного "выжигания" последней устанавливается равновесная ширина изолирующего зазора (промежутка между УПФ и слоем диэлектрика, находящимся в состоянии с высокой проводимостью), соответствующая этому значению U. После же завершения процесса (восстановления начального сопротивления остаточного окисла) общая ширина изолирующего зазора оказывается больше на величину толщины остаточного окисла. Поэтому для появления тока, необходимого для "включения" структуры (повторной формовки), требующего определенной напряженности поля в зазоре, приходится прикладывать напряжения U_th заметно большие тех, при которых произошло отключение.

Из описанного механизма работы элемента устройства памяти (МИМ-диода со слоем диэлектрика) можно получить и оценку максимальной толщины слоя диэлектрика, включаемого последовательно с УПФ: основное условие состоит в том, чтобы электрический пробой происходил при не слишком высоких напряжениях, которые, учитывая характерные применяемые напряжения в устройствах микроэлектроники, можно ограничить величиной U = 10 В. Для типичных значений напряженности поля E электрического пробоя, при которых диэлектрик является еще достаточно качественным, около 10⁶ В/см, получаем оценку максимальной толщины слоя диэлектрика h=U/E=100 нм. Эта величина включена в формулу изобретения в качестве верхней границы диапазона. При этом подразумевается, что в слое диэлектрика существует проводимость, обеспечивающая возможность электроформовки структуры.

Таким образом, приведенные сведения достаточно подробно поясняют конструктивные и технологические особенности предлагаемого элемента устройства памяти, описывают принципы его действия и подтверждают возможность его осуществления.

Изобретение относится к устройствам памяти, реализуемым с помощью методов микро- и нанотехнологии. Сущность: элемент устройства памяти включает два металлических электрода, разделенных электроизолирующей щелью, и углеродистую проводящую фазу в щели, размещенные в среде, содержащей органическое вещество, таким образом, что обеспечен доступ молекул этого вещества к щели, последовательно углеродистой проводящей фазе в изолирующей щели со стороны анода расположен слой диэлектрика, исключающий возможность приближения углеродистой проводящей фазы к поверхности анода на расстояния, меньшие толщины слоя диэлектрика, которая находится в интервале 1 - 100 нм. Анод целесообразно выполнить из алюминия. 1 з.п.ф-лы, 4 ил.

1. Элемент устройства памяти со структурой металл-изолятор-металл, включающий два металлических электрода, разделенных электроизолирующей щелью, и углеродистую проводящую фазу в щели, размещенные в среде, содержащей органическое вещество, таким образом, что обеспечен доступ молекул этого вещества к щели, отличающийся тем, что последовательно с углеродистой проводящей фазой в изолирующей щели со стороны анода расположен слой диэлектрика, исключающий возможность приближения углеродистой проводящей фазы к поверхности анода на расстояние, меньшее толщины слоя диэлектрика, которая находится в интервале 1 - 100 нм. 2. Элемент по п.1, отличающийся тем, что анод выполнен из алюминия.