Книги по разным темам Pages:     | 1 | 2 | Журнал технической физики, 2002, том 72, вып. 4 06;12 Условия формирования единичной проводящей наноструктуры при электроформовке й В.М. Мордвинцев, С.Е. Кудрявцев Институт микроэлектроники и информатики РАН, 150007 Ярославль, Россия e-mail: mvm@imras.yar.ru (Поступило в Редакцию 22 января 2001 г.) Экспериментально показано, что при электроформовке (образовании углеродистой проводящей среды при прохождении тока через органический материал в условиях сильного электрического поля) в открытых ФсандвичФ-структурах с изолирующей щелью шириной несколько десятков нанометров существуют факторы, которые способствуют (внешнее балластное сопротивление) или препятствуют (локальное сопротивление растекания и наличие начальной проводимости по изолирующей щели) формированию единичного проводящего элемента между электродами. В терминах эквивалентной электрической схемы построена простая модель, которая позволила сформулировать баланс этих факторов и получить диаграмму токЦнапряжение, демонстрирующую наличие области, в пределах которой при выполнении электроформовки можно сформировать единичную проводящую наноструктуру. Получено выражение для минимального возможного значения сопротивления наноструктуры, связанного с ее геометрическими параметрами.

Введение С точки зрения практического использования наноМИМ диода в качестве элемента энергонезависимой Процесс электроформовки в структурах металЦизопамяти, оказалась перспективной его конструкция в виляторЦметалл (МИМ) [1,2] исследуется уже в течение де открытой ФсандвичФ-структуры SiЦSiO2ЦW (кремний - длительного времени. На основании анализа большого диоксид кремнияЦвольфрам) [6], характер электрофорколичества экспериментальных результатов и с учетом мовки в которой существенно изменился по сравнению последних полученных данных было установлено [3], что со структурой AlЦAl2O3ЦW. Эти отличия проявляются электроформовку (или просто формовку) можно рассмав четко выраженной тенденции к образованию углеротривать как процесс самоорганизации в углеродистой дистой проводящей среды сразу по всему периметру проводящей среде, возникающей в изолирующей щели изолирующей щели, что сужает возможности формимежду металлическими электродами МИМ структуры, рования единичной проводящей наноструктуры. Основизолирующего зазора принципиально нанометровой шиными факторами, приводящими к такому результату, рины. Углеродистая среда образуется за счет поступаявляются высокое удельное сопротивление материала ющего извне органического вещества (из газовой фазы кремниевого электрода и наличие значительной начальили из пленки, например фоторезиста, нанесенной на ной проводимости по поверхности изолирующей щели.

структуру), проводимость которого меняется из-за деВ данной работе обсуждаются механизмы процессов струкции органических молекул при электронном ударе и исследуются условия, в которых при наличии этих в результате прохождения через него тока.

неблагоприятных факторов тем не менее возможно форВ [4] была предложена конструкция прибора, намирование единичных проводящих наноструктур.

званного нано-МИМ диодом с углеродистой активной средой, в форме открытой ФсандвичФ-МДМ (метал - Экспериментальные результаты диэлектрикЦметалл) структуры, в которой изолирующая щель, свободная для доступа органического и механизмы процессов материала, образуется в виде торца диэлектрической пленки толщиной несколько десятков наноме- Как показано в [5], наличие последовательного балтров при локальном травлении двух верхних сло- ластного сопротивления Rb при выполнении электроев обычной ФсандвичФ-МДМ структуры. Эксперименты формовки способствует образованию единичного провопо электроформовке в открытых ФсандвичФ-структурах дящего элемента (наноструктуры) в изолирующей щели AlЦAl2O3ЦW (алюминийЦоксид алюминияЦвольфрам) с открытой ФсандвичФ-структуры AlЦAl2O3ЦW с толщиной толщиной окисла 20-40 nm [5] показали, что в опреде- диэлектрика несколько десятков нанометров. Механизм ленных условиях образование углеродистой проводящей этого процесса состоит в следующем. Включение высреды происходит только в одном месте периметра сокого (не менее нескольких M) последовательного открытого торца на длине, сравнимой с шириной изоли- сопротивления при плавном увеличении напряжения V рующей щели. Это позволило говорить о возникновении источника питания обеспечивает наличие сильной отриединичной проводящей структуры, имеющей нанометро- цательной обратной связи между током и напряженивые размеры по всем трем измерениям. ем U на структуре. Если за счет роста проводимости 54 В.М. Мордвинцев, С.Е. Кудрявцев изолирующей щели структуры ток начнет увеличиваться, напряжение на ней будет автоматически резко падать.

Поэтому, как только с увеличением напряжености поля в щели начинается эмиссия с первого случайного наноострия на поверхности катода (вольфрама) и образуется углеродистая проводящая среда, условия для эмиссии на всех других участках сразу ухудшаются, что и обеспечивает единичность возникающего проводящего элемента. По мере роста последнего увеличиваются его проводимость, ток, а значит, и падение напряжения на балластном сопротивлении. Это продолжается до тех пор, пока при заданном Rb напряжение U собственно на МИМ структуре не уменьшится ниже порогового Uth (около 3 V), после чего образование углеродистой проводящей среды становится невозможным (см. ниже) и рост наноструктуры и увеличение ее проводимости прекращаются. В случае Rb = 0вструктуреAlЦAl2O3ЦW развивается локальный разрушительный электрический пробой.

Процесс электроформовки в открытых ФсандвичФструктурах SiЦSiO2ЦW, создававшихся на пластинах кремния p-типа, легированного бором, с разным удельным сопротивлением, имеет целый ряд особенностей [6].

Рис. 1. Временные зависимости тока через открытые Во-первых, наблюдается значительная начальная (до ФсандвичФ-структуры SiЦSiO2ЦW при фиксированных напряжевыполнения формовки) проводимость по изолирующей ниях. Структуры закрыты слоем резиста. Удельное сопротивление кремния 10 cm, толщина слоя SiO2 11.4 nm. U, V:

щели структур, пропорциональная длине их периметра и a Ч3.6, b Ч4.0, c Ч4.4.

обусловленная, очевидно, использованием определенной химической обработки при травлении окисла кремния (детали конструкции и технологии изготовления структур приведены в [6]). Во-вторых, формовка возможна последовательного проводящей наноструктуре сопротибез балластного сопротивления, при этом в отличие вления должно стимулировать параллельную электроот структур AlЦAl2O3ЦW разрушающего электрического формовку и затруднять формирование единичной нанопробоя не происходит, а в высокопроводящем состоянии структуры. Эксперименты со структурами SiЦSiO2ЦW достигаются токи, на несколько порядков большие. Этот на высокоомном кремнии (с удельным сопротивленирезультат означает, что электроформовка развивается ем 10 cm) подтвердили правильность этих сообрапараллельно по всей изолирующей щели, т. е. углероди- жений. Все попытки реализовать режим образования стая проводящая среда одновременно образуется по всем единичной проводящей наноструктуры оказались безусоткрытому периметру структуры.

пешными: во всех случаях развивалась параллельная Причиной последних особенностей является относи- формовка.

тельно высокое удельное сопротивление кремния, при- Существование начальной распределенной по изоливодящее к тому, что последовательно каждой возника- рующей щели проводимости в структуре также способющей в изолирующей щели проводящей наноструктуре ствует одновременной электроформовке на различных включается значительное локальное сопротивление Rs участках, поскольку соответствующие потоки электрорастекания носителей заряда в кремниевый электрод.

нов инициируют зарождение углеродистой проводящей Как показывают оценки [6], величина Rs для кремния с среды сразу во многих местах. Если эта проводимость удельным сопротивлением 10 cm имеет порядок 1 M, слишком высока, то, как показали эксперименты, дапоэтому сопротивление растекания может оказывать же в структурах на низкоомном кремнии (с удельным существенное влияние на все процессы. Его наличие, сопротивлением 0.1 cm) не удается сформировать в частности, предотвращает локальные разрушающие единичную проводящую наноструктуру.

электрические пробои. Кроме того, падение напряже- Наличие заметного тока до начала процесса электрония на локальном сопротивлении растекания уменьшает формовки позволяет зафиксировать собственно порогонапряжение на образующемся проводящем элементе, вое напряжение Uth начала образования углеродистой не влияя на общее напряжение на изолирующей щели. проводящей среды из органических молекул, которое Поэтому рост соответствующей наноструктуры замедля- проявляется как напряжение переключения электрофорется и при достижении порогового значения напряжения мованной структуры из низко- в высокопроводящее сопрекращается вовсе, в то время как на других участках стояние и обычно составляет около 3 V [2]. В данном изолирующей щели возможно зарождение новых прово- случае оно уже не связано с напряжением, необходимым дящих элементов. Это означает, что наличие локального для появления тока в изолирующей щели, как это было Журнал технической физики, 2002, том 72, вып. Условия формирования единичной проводящей наноструктуры при электроформовке в структурах AlЦAl2O3ЦW [5]. На рис. 1 приведены временные зависимости тока при фиксированных напря жениях U на структуре SiЦSiO2ЦW. Если U не превышает некоторого порогового значения Usf, то наблюдается только плавный начальный ток. При напряжениях U, больших Usf, с некоторым запаздыванием, тем меньшим, чем выше значение U, начинается процесс электроформовки, что видно по характерным скачкам тока с постепенным увеличением его среднего значения. Величина Usf лежит в диапазоне 4Ц5 V и практически не меняется при варьировании толщины пленки SiO2 в диапазоне от 10 до 40 nm. Тот факт, что она несколько больше характерных 3 V, говорит о падении части напряжения на каких-то элементах структуры. На величину Usf не влияет также радиус кривизны края вольфрамового электрода (он мог меняться выбором режимов травления пленки вольфрама), что представляется вполне естественным в отличие от формовки в структурах AlЦAl2O3ЦW.

Приведенные результаты позволяют утверждать, что в данном случае именно начальный плавный ток является фактором, инициирующим процесс электроформовки (образования углеродистой проводящей среды), а последний включается, когда напряжение U превышает пороговое значение Usf. Все это хорошо соответствует представлениям, предложенным в [7]. Углеродистая проводящая среда возникает при деструкции органических молекул в потоке медленных электронов за счет процесса диссоциативного прилипания электрона к молекуле, состоящего в том, что при захвате электрона молекула переходит на автораспадный отталкивательный терм отрицательного иона [8]. Зависимость эффективного Рис. 2. Упрощенные потенциальные диаграммы МИМ струксечения такого процесса от кинетической энергии E туры, поясняющие механизм, приводящий к наличию пороэлектронов (рис. 2) имеет резонансный характер с мак- гового напряжения Usf около 3Ц4 V при электроформовке.

Качественно показана зависимость сечения диссоциативного симумом, который может быть очень близок к нулевому прилипания электрона к адсорбированной молекуле от кинетизначению E [9]. Для молекул, адсорбированных на ческой энергии электрона. 1 Ч адсорбированный органический поверхности твердого тела, что имеет место в рассмадиэлектрик, 2 Ч металл, K Ч катод, A Ч анод.

триваемой системе, распределение (E) будет несколько смещено вниз от уровня вакуума V0, как качественно показано на рис. 2, a. Диссоциация молекулы возможна только в том случае, если электрон окажется в соответ- тела с помощью сканирующего туннельного микроскопа, ствующем энергетическом положении. Это происходит которое тоже составляет обычно 3Ц4 V [10Ц12], а такпри приложении к структуре с нанометровой шириной H же приводит к появлению максимума вблизи 3Ц4 V на изолирующей щели напряжения U, несколько большего квазистатических вольт-амперных характеристиках элеквысоты потенциального барьера (или несколько мень- троформованных МИМ структур, что является одной шего потенциала работы выхода 0), когда становится из характерных ее особенностей [2]. Наличие максивозможным туннелирование электрона на автораспадный мума при уменьшении напряжения связано с тем, что отталкивательный терм молекулы (рис. 2, b). Поскольку только при напряжениях, больших порогового, возможно типичная величина выхода составляет 4.5-5 eV, порого- образование углеродистой проводящей среды, а значит вое напряжение Usf должно быть близко к физически вы- уменьшение ширины изолирующего зазора и изменение деленному значению Uth, которое несколько меньше состава диэлектрика в нем.

и бывает обычно около 3 V. Та же величина Uth будет Следует подчеркнуть, что пороговое напряжение Uth, получаться, если электрон туннелирует через барьер определяемое описанным выше механизмом, не могло меньшей высоты и затем ускоряется электрическим по- быть выявлено при исследовании начала электроформовлем до необходимой кинетической энергии.

ки в структурах AlЦAl2O3ЦW, поскольку в них отсутИменно такой механизм определяет, очевидно, и по- ствовала начальная проводимость и процесс образования роговое напряжение для модификации (состоящей в углеродистой проводящей среды лимитировался током, деструкции молекулярных связей) поверхности твердого который начинал протекать только при напряжении, Журнал технической физики, 2002, том 72, вып. 56 В.М. Мордвинцев, С.Е. Кудрявцев сопротивления растекания, приводящим к тому, что эффект стимулирования параллельной формовки выражен очень слабо: отдельные пики тока Ч это акты формовки на одном или нескольких участках изолирующей щели, на которых углеродистая проводящая среда успевает образоваться и выгореть раньше, чем начинается ее образование на других участках. Поэтому амплитуды тока разнесены во времени и не складываются, как это имеет место на рис. 3, a.

На низкоомном кремнии путем использования высокого балластного сопротивления с дискретно меняющимся номиналом без проблем может быть реализован режим формирования единичной проводящей наноструктуры [6], аналогичный тому, который характерен для МИМ структур AlЦAl2O3ЦW.

Pages:     | 1 | 2 |    Книги по разным темам