Захаров Павел Сергеевич. Эффект обратимого переключения электрической проводимости в тонких плёнках нестехиометрического оксида кремния

brief description

Захаров Павел Сергеевич. Эффект обратимого переключения электрической проводимости в тонких плёнках нестехиометрического оксида кремния: диссертация ... кандидата Физико-математических наук: 05.27.01 / Захаров Павел Сергеевич;[Место защиты: ФГБУН Институт проблем технологии микроэлектроники и особочистых материалов Российской академии наук], 2017

Акционерное общество «Научно-исследовательский институт молекулярной
электроники» (АО «НИИМЭ»)
Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования «Московский физико-технический институт (государственный университет)» (МФТИ)
На правах рукописи
ЗАХАРОВ ПАВЕЛ СЕРГЕЕВИЧ
ЭФФЕКТ ОБРАТИМОГО ПЕРЕКЛЮЧЕНИЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ПРОВОДИМОСТИ В ТОНКИХ ПЛЁНКАХ НЕСТЕХИОМЕТРИЧЕСКОГО ОКСИДА КРЕМНИЯ
Специальность 05.27.01 - твердотельная электроника, радиоэлектронные компоненты, микро- и наноэлектроника, приборы на квантовых эффектах
Диссертация на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук
Научный руководитель: доктор физико-математических наук
Итальянцев А.Г.
Москва - 2016

2
ОГЛАВЛЕНИЕ
ВВЕДЕНИЕ 4
ГЛАВА 1. СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ ИССЛЕДОВАНИЙ ЭФФЕКТА ОБРАТИМОГО ПЕРЕКЛЮЧЕНИЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ПРОВОДИМОСТИ НЕСТЕХИОМЕТРИЧЕСКОГО ОКСИДА КРЕМНИЯ 15
1.1. Обзор эффектов обратимого переключения проводимости в тонких диэлектрических плёнках 15
1.2. Первичные исследования переключения проводимости в тонких плёнках SiO2 с локальным нарушением стехиометрии 20
1.3. Анализ существующих модельных представлений механизма переключения проводимости в тонких плёнках SiO2 с локальным нарушением стехиометрии 32
1.4. Переключение проводимости в тонких плёнках оксида кремния с нестехиометрическим составом во всём объеме 40
1.5. Выводы по первой главе 44
ГЛАВА 2. МОДЕЛЬНЫЕ ПРЕДСТАВЛЕНИЯ ЭФФЕКТА ПЕРЕКЛЮЧЕНИЯ ПРОВОДИМОСТИ В ТОНКИХ ПЛЁНКАХ НА ОСНОВЕ SiO2 С ПОЗИЦИЙ ДИФФУЗИОННО-ЛИМИТИРУЕМЫХ ФАЗОВЫХ ПЕРЕСТРОЕК 48
2.1. Экспериментальный базис модельных представлений 49
2.2. Феноменология эффекта ОПЭП в тонких плёнках SiO2 с локальным нарушением стехиометрии 52
2.3. Основные уравнения количественной модели. Допущения и приближения 59
2.4. Расчёт объёмного распределения температуры в области филамента проводимости 62
2.5. Первое приближение решения основных уравнений количественной модели 68
2.6 Оптимизация значений параметров уравнений количественной модели и сопоставление с экспериментом 71
2.7. Выводы по второй главе 79
ГЛАВА 3. МЕТОДЫ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ И ИЗГОТОВЛЕНИЯ ТЕСТОВЫХ СТРУКТУР 80
3.1. Тестовые структуры на основе SiO2 80
3.2. Тестовые структуры на основе SiOx 86

3
3.3. Измерение электрических характеристик 97
3.4. Исследование состава активного слоя 100
3.5. Выводы по третьей главе 105
ГЛАВА 4. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ЭФФЕКТА ПЕРЕКЛЮЧЕНИЯ ПРОВОДИМОСТИ В ТОНКИХ ПЛЁНКАХ SiOx 106
4.1. Переключение проводимости в структурах с индуцированным локальным нарушением стехиометрии вблизи вакуумированной торцевой поверхности активного слоя 107
4.2. Эффект ОПЭП в исходно нестехиометрическом SiOx. Влияние химического состава активного слоя и материала электродов 110
4.3. Масштабирование тестовых структур с исходно нестехиометрическим оксидом кремния 120
4.4. Температурные характеристики эффекта в исходно нестехиометрическом оксиде кремния 125
4.5. Принципиальные различия эффектов ОПЭП для исходного и индуцированного электроформовкой SiOx 134

bibliography

ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Основным результатом диссертационной работы является решение актуальной научной и технической задачи, направленной на теоретическое и экспериментальное исследование механизма обратимого переключения электрической проводимости в тонких плёнках нестехиометрического оксида кремния, имеющей существенное значение для разработки перспективных микросхем энергонезависимой резистивной памяти, максимально совместимой с методами кремниевой микроэлектроники.
По результатам выполненной работы получены следующие положения научной новизны:
1. Построена оригинальная феноменологическая модель, описывающая фазовые превращения в SiOx-матрице, индуцированной электроформовкой вблизи открытой поверхности тонкой (10-60 нм) плёнки SiO2. В основу таких фазовых превращений положено диффузионно-лимитируемое взаимодействие многокомпонентного твёрдого раствора подвижных точечных дефектов типа Sib SiO и VO с кластерами кремния в SiO2, впервые позволившее адекватно прогнозировать экспериментально наблюдаемое изменение степени дисперсности коллектива Si-включений и связанное с ней состояние продольной и поперечной электрической проводимости SiOx.
2. Впервые разработана количественная модель динамики изменения размеров кремниевых включений в неизотермическом процессе локальных фазовых перестроек в SiOx-матрице, позволяющая с единых позиций описать зависимость степени дисперсности Si-включений и связанной с ней электрической проводимости от амплитуды, длительности и крутизны заднего фронта электрического импульса перезаписи. Модель включает систему уравнений, в том числе уравнение массового баланса на поверхности Si-кластера при его обмене точечными дефектами с их твердым раствором, а также уравнение для изменения температуры в области филамента.

138
3. Впервые экспериментально установлены размерные и электрофизические характеристики филаментов в исходно нестехиометрических пленках SiOx в низкоомном состоянии, включая их диаметр - оценка сверху 600 нм, удельное электрическое сопротивление 2 10- Ом см, а также «металлический» характер температурной зависимости электрического сопротивления в диапазоне температур 298-398 К с температурным коэффициентом сопротивления
3 1
филамента 2,110- К-, позволяющие прогнозировать минимальный топологический размер элемента хранения памяти на основе SiOx, а также электрическую проводимость в состоянии логической «1» в диапазоне рабочих температур.
4. Впервые установлено различие между ReRAM на основе исходного и индуцированного SiOx в части механизмов потери логических состояний на верхней границе рабочих температур: ReRAM на основе исходного SiOx характеризуется неустойчивостью логической «1», ReRAM на основе исходного SiO2 - неустойчивостью логического «0».
Основные практически значимые результаты работы:
1. Разработана оригинальная приборная структура элемента хранения ReRAM на основе исходно стехиометрической тонкой (10-60 нм) пленки SiO2, защищенная патентом на полезную модель №157291, имеющая герметичную полость, которая формируется в технологическом процессе микроэлектроники в конденсаторной структуре, и в отличие от известных аналогов обеспечивающая реализацию устойчивого механизма переключения логического состояния без ее вакуумирования.
2. Впервые получены и экспериментально исследованы элементы резистивной памяти на основе нестехиометрического SiOx толщиной 20-40 нм, имеющие субмикронные топологические размеры элемента хранения 0,6*0,6 мкм близкие к размеру единичного филамента, обладающие напряжениями переключения менее 3 В и «окном памяти», характеризующимся отношением проводимости в
-5
состоянии логической «1» и «0», выше 10 с устойчивой работой вплоть до 200°С.

139
В ходе диссертационной работы достигнута ее цель, а именно: выполнены теоретические и экспериментальные исследования по всему комплексу поставленных задач механизма обратимого переключения электрической проводимости в тонких пленках нестехиометрического оксида кремния, получены результаты в области построения физико-математических моделей изучаемого эффекта, экспериментальных исследований и анализа физических механизмов, обладающие высоким уровнем научной новизны, а также предложены практически значимые решения в области разработки новых приборных структур на основе SiO2 и SiOx.
Результаты диссертационной работы могут быть положены в основу дальнейших физических и технологических исследований в области создания перспективных структур энергонезависимой памяти.