Способ изготовления запоминающего элемента Советский патент 1984 года по МПК G11C11/00 

Изобретение относится к вычислительной технике,а именно к технологии изготовления эапоминаклдих элементов (ЗЭ) лля создания памяти электронных вычислительных машин. Известен способ изготовления запоминающего элемента, основан на по лучении МДМ-структур с диэлектриком из халькогенидного стекла 1. Недостатком таких структур является Низкая надежность из-за самопроизвольного перехода МДМ-структуры S высокопроводящее состояние. Наиболее близким к предлагаемо1 у является способ изготовления запоми наюсцего элемента на основе системы металл-окисная пленка-металл, проше шей электрическую формовку и помещенной в вакуум. Этот способ состоит из операций нанесения пленкибазового металла (А1, Та, Nb) толщино более 100 нм, слоя окисла (SiOg, AljOa, , толщиной 10-1000 нм и слоя металла (Ад, Аи, Си, А1) толщиной 10-20 нм, помещения напыленной системы в вакуумно плотный корпус, откачки его до давления 10 -10%а, выдержки МДМ-струк туры под напряжением определенной величины в течение заданного време-ни (так называемая формовка) и, наконец, герметизации корпуса. После выполнения этих операций получается работоспособный запоминающий элемен Подавая переключающие импульсы на металлические электроды МДМ-структу р1ы через вакуумно-плотные выводы корпуса ЗЭ, можно переключать прибор в два различных состояния памяти: состояние с высоким сопротивлением (ВС) или состояние с высокой проводимостью (ВП). Отношение сопро тивлений в этих состояниях « - 9-3. ВП 10-10. Лобое из этих состояний сохраняется длительное (годы) время при снятии напряжения. Амплитуда.пе реключающих импульсов не превышает 10-12 В. Таким образом, описанный ЗЭ удобен для устройств постоянной и репрограммируемой памятью, Следуе особо отметить, что собственно-МДИструктура не является запоминающим элементом. Эффект памяти реализуется лишь при помещении МДМ-структуры в герметичный корпус, степень разряже,ния в котором не хуже и проведении в вакууме- операции формовки, Для последующей работы ЗЭ также необходим вакуум. Нарушение герметичности корпуса немедленно превращает 33 в обычный тонкопленочный конденсатор. Это обусловлено тем, что физика эффекта памяти связана с накоплением заряда на поверхностных состояниях в формованных каналах в диэлектрике, А для этого необходимо /чтобы спектр поверхностных состояНИИ не искажался адсорбированными молекулами газа из окружающей атмос-. феры, т.е. функционирование ЗЭ воз-. можно только при наличии вакуумированного объема 2. Основными недостатками вакуумного ЗЭ является невысокое значение fc и большой разброс значений рс ВП достигающий 100%. Это приводит к сбоям при считывании записанной информации, т.е. надежность элемента невысока. .Кроме того, ЗЭ функционирует в вакууме, что приводит к усложнению технологии его изготовления, так как требуется проведение ряда операций (прогревы, обезгаживания), необходимых для поддержания в корпусе высокого вакуума в течение срока службы ЗЭ. Дэль изобретения - повышение надежности ЗЭ путем уменьшения разброса сопротивления МДМ-структуры при переключениях ее. : Поставленная цель достигается тем, что согласно способу изготовления запоминающего элемента, заключающемуся в размещении МДМ-структуры в корпусе, создания вакуума в корпусе порядка , основном формовании ВДМ-структуры путем подачи постоянного напряжения на выводы корпуса, герметизации корпуса с размещенной 9 нем МДМ-структурой, после основного формования проводится дополнительное формование МДМ-структуры путем заполнения корпуса газоврй сме- . СЬЮ, состоящей из 99,0-99,5% инертного газа и 0,5-1% кислорода при давлении Ю-Ю ПА и подачи на корпус напряжения, равного напряжению в режиме основного формования. Процесс изготовления 33 состоит из следующих операций,: На диэлектрическую подложку методом термического испарения в вакууме наносится пленка алюминия толщиной 200 нм, затем также методом термического испарения напыляется защитный слой из моноокиси кремния толщиной 1 мкм. Назначение этого слоя ограничение размеров рабочей области и предотвращение краевых пробоев тонкопленочной ЩМ-структуры, Далее наносится слой рабочего диэлектрика из нитрида, кремния толщиной 30 нм, Метод нанесения - реактивное катодное распьшение. Затем следует напыление верхнего алюминиевого электрода толщиной 50 нм. Подложку с напыленной МДМ-структурой помещают в стеклянный баллон с двумя электрическими выводами. Баллон через стеклянный штенгель соединяют с откачным вакуумным постом и производят откачку его до остаточного давления 10 Па, Через электрические выводы металлические электроды МДМ-структу-пы подключают к источнику постоянного напряжения, устанавливают величнI ну напряжения 12 В (минус{-)- на верхний электрод, плюс(-|-)- на нижний) и вьвдерживают образец под напряжением в течение 15 мин. По окончании выдержки (формовки) в баллон напускают газовую емесь, состоящую из 99 аргона и 1% кислорода до давления Ю Па. ВДМ-структура при этом остается под напряжением. Затем пи танйе образца отключают и запаивают баллон, отсекая его от вакуумного поста...

Такой способ изготовления ЗЭ позволил уменьшить ток через образец в состоянии ВС в 5-ДО раз по сравнению с током в вакууме, в то время как ток в состоянии ВП остается неиз менным. в результате й возрастает. Если напускать кислород и не подавать напряжение на МДМ-систему или уменьйшть его амплитуду ниже 10 В, описанное увеличение сб не наблюдается. Вторым существенным фактом является стабилизация параметров ЗЭ при работе его в атмосфере инертного газа по сравнению с вакуумом. Например при парциальном давлении аргона 10Па разброс значений Rgg и R gi, не превышает 10-15%, в то время как в вакууме он достигает 100%.

.Объяснение этих результатов базируется на физической картине эффекта памяти в формованных ВДМ-структурах. Как. отмечено выше, состояние ВС образуется за счет отрицательного заряда, подавляющего проводимость, запасенного на поверхностных состояниях на границах микрочастиц формованных каналов. Поскольку ка- налы сообщаются с атмосферойчерез микроотверстия в верхнем электроде, то проникающий газ может адсорбироваться на поверхностях микрочастиц. Известно, что кислород является типичным акцепторным адсорбатом, обладакицим поизваенной адсорбционной способностью на отрицательно заряженные поверхности. Значит напуск кислорода должен быть наиболее эффективен тогда, когда образец находится в состоянии ВС, а поскольку это акцепторный адсорбат, то он понижает проводимость. Сзпцественное значение имеет парциальное давление кислорода. Так, если РОИ 10 Па, то увеличение ei практически не заметно, если же POZ , то влияние адсорбции настолько сильно, что

увеличивается не только R вс О и Wtif т.е. 06 не увеличивается.

Стабилизирующее действие атмосферы инертного газа связано с тем/ что с одной стороны инертные газы не относятся к активным адсорОатам, и потому, если их парциальное давление не очень велико, не искажают энергетический спектр поверхностных состояний, т.9 не нарушают эффекта

0 памяти. С другой стороны, присутствие инертного газа в корпусе ЗЭ при давлении, сравнимом с атмосферным, предотвращает гаэовыщелени со стенок корпуса и элементов монта5 жа, KOTOjpoe всегда имеет место в вакууме. Значит газовый состав атмосферы в корпусе должен быть более стабильным, а это, в свою очередь, определяет и стабильность n aMef0 ров ЗЭ. Давление инертного газа также имеет принципиальное значение, т.к. при Р - 2102 Па эффект .стабилизации параметров не наблюдается из-за того, что при столь низком

5 давлении атмосфера в корпусе не остается стабильной. Если же Р , то наблюдается уменьшение «f, T.e.v начинают сказываться акцепторные свойства адсорбированного газа, в котором кроме того возможно наличие

0 микропримесей активных адсорбатов типа кислорода.

Таким образом, если корпус ЗЭ заполнить смесью инертного газа с кислородом с тгисим расчетом, чтобы получить указанные парциальные дав ления, т.е. надо взять 99,0-99,5% ййертного газа к ,0% клслароцл и напустить смесь до давления , то мы должны получить одновременно и стабилизацию параметров и увеличение «6 , т.е. иными оловами, надежность ЗЭ повышается.

Предлагаемый способ обеспечилает получение более надежныхв работе ЗЭ, а это является определяющим фактором при создании матриц ЗЭ для . запоминающих устройств с большим объемом памяти. Такие матрицы состоят из сотен или тысяч элементов.

и сбой даже одного ЗЭ в такой ситуации соверщенно недопустим. Поэтому очевидно, что надежность ЗЭ является в данной ситуации найглавнейшиК паргиметром. Предлагаемый способ про-. ще, а значит и дешевле базового, так. как в предлагаемом меньше операций, чем в базовом.

СПОСОБ ИЗГОТОВЛШИЯ ЗАПС 4ЙЯЯОгЦБШ ЭЛЕМЕНТА/ эакАючаюьщйСЯ 8 МДМг-структуры в корпусе, созданий вакуума в корпусе порядка ItrПа, основном формовании :МДМ-струкТУ иа путем подачи постоянного напряжения на выводы корпуса, герметизации корпуса с размещеннойВ нем МДМ-структурой, о т л и ч а ю т и йс я тем, что, с целью повышения надёжности запоминающего элемента путем уменх ения разброса сопротивления МДМ-структуры при переключениях ее, после основного формования проверится дополнительное формование М Щ-структу1мл путем заполнения корпуса газЬвой смесью, состоящей из 99,0-99,5% инертного газа и 0,5-1% кислорода давлении Па и подачи ка напряжения, равнохю напряжению в режиме основного I формования, i