Лаборатория физических основ материаловедения кремния

РАЗРАБОТКИ

  1. Радиационно стойкие КНИ структуры, созданные методом водородного переноса и ионного синтеза на границе сращивания

    Метод создания структур КНИ с ионно-модифицированным слоем SiO2, разработанный в ИФП СО РАН (И.Е. Тысченко, В.П. Попов и др. Solid State Phenom. 2005, 2008, Phys. Stat. Sol, 2008, NIM B 2006, 2009, ФТП 2007, 2009, 2011, и др.) позволил встроить процесс ионно-лучевого синтеза в технологию водородно-индуцированного переноса без нарушений в приборном слое кремния. Физический подход, положенный в основу данного метода, базируется на способности атомов примеси сегрегировать из слоев кремния и оксида кремния к границе сращивания Si/SiO2, что позволяет заметно изменить кинетику накопления нарушений и захват заряда на эту границу при последующих технологических или радиационных воздействиях. На рисунке 1a представлено изображение поперечного среза КНИ структуры с азотированным захороненным диэлектриком имплантацией ионов N+ с энергией 40 кэВ дозой 6×1015 см-2 после отжига при температуре 1000 °С в течение 30 минут в атмосфере N2.

    Из рисунка видно, что по сравнению с атомарно гладкой неазотированной границей раздела Si/SiO2, в структурах, содержащих азот, граница сращивания имеет переходный слой между слоями окисла и перенесенного кремния. Этот слой не является атомарно гладким, но его структура повторяет структуру слоя Si. Причиной формирования переходного слоя является диффузия атомов азота из имплантированной области SiO2 к границе раздела Si/SiO2 из-за слабого химического взаимодействия атомов азота внутри матрицы оксида кремния. Присутствие оборванных связей Si на границе сращивания обеспечивает формирования Si-N связей. Возможная структура расположения атомов азота на границе раздела Si/SiO2 может соответствовать рассчитанному расположению атомов на гетерогранице Si/Si3N4 (рисунок 1b).

    Рисунок 1. (а) Электронно-микроскопическое изображение высокого разрешения поперечного среза КНИ структуры захороненным диэлектриком, азотированным имплантацией ионов N+ с энергией 40 кэВ дозой 6×1015 см-2, после отжига при температуре 1000 °С в течение 30 минут в атмосфере N2. (b) Возможное положение атомов азота (чёрные шары) относительно атомов кремния (серые шары) на разной глубине в промежуточном слое SiON на границе Si/SiO2 [K. Kato, et al., Phys. Rev. B 2008].

    Стандартные DeleCut КНИ структуры, изготовленные в ИФП, демонстрируют повышенную стойкость к воздействию ионизирующего излучения по сравнению с аналогичными SIMOX и Smart Cut структурами [O.V. Naumova, et al., NATO Science Series, II, 185, 2005]. На рисунке 2a представлено значение эффективного объемного и поверхностного заряда, приведенного к верхней границе Si/SiO2, в зависимости от дозы ионизирующего излучения для КНИ структур со слоем захороненного SiO2 толщиной 300-400 нм, изготовленных методами SIMOX, Smart Cut и DeleCut, а также для DeleCut КНИ структуры со слоем SiO2, имплантированным ионами N+ с энергией 40 кэВ дозой 6×1015 см-2. Из рисунка видно, что плотность встроенного фиксированного заряда в диэлектрике DeleCut КНИ структур в ~2 раза ниже её значения в диэлектрике структур, сформированных методами SIMOX и Smart Cut, в диапазоне доз облучения 105-106 рад. Азотирование слоя SiO2 имплантацией ионов N+ дополнительно уменьшает плотность накопленного положительного заряда на порядок величины. На рисунке 2б представлены зависимости плотности эффективного встроенного и поверхностного зарядов, приведенные к границе сращивания (1) и термической границе раздела (2) после имплантации ионов N+, от дозы ионизирующего облучения.

    а)

    б)

    Рисунок 2. (а) Плотность эффективного объемного и поверхностного заряда в захороненном диэлектрике КНИ структур различных типов, определённая: по сдвигу порогового напряжения транзисторов (1) SIMOX и (2) Smart Cut, и по изменению напряжения плоских зон для конденсаторов (3, 4) DeleCut, приведённая к верхней границе раздела «полупроводник/диэлектрик». 3 - DeleCut КНИ с неазотированным SiO2, 4 - DeleCut КНИ с SiO2, имплантированным ионами N+.
    (б) Плотность эффективного объемного заряда в захороненном диэлектрике, приведенного к верхней (1) и нижней (2) границам раздела DeleCut КНИ структур со слоем SiO2, имплантированным разными ионами N+, в зависимости от дозы ионизирующего облучения.

  2. Разработка и исследование радиационно стойких КМОП интегральных схем на КНИ транзисторах с частичным обеднением

    В.П. Попов, А.А. Французов, О.В. Наумова, Л.Н. Сафронов, М.А.Ильницкий, И.Е. Тысченко, Н.И. Бояркина, Д.В. Николаев, Б.И. Фомин, Ю.В. Настаушев, Т.А. Гаврилова, Д.А. Насимов, А.В. Латышев, А.Л. Асеев

    Теоретически и экспериментально исследованы параметры КНИ КМОП тестовых интегральных схем с логическими элементами, разработанными и изготовленными в Институте физики полупроводников СО РАН, на основе 90 нм КНИ КМОП нанотранзисторов с частичным обеднением сильно легированных каналов (Рис. 1а). Низкие значения порогового напряжения (±0,6 В) получены уменьшением толщины азотированного подзатворного оксида до 5 нм и изотипным ионным легированием затворов n- и p-канальных КНИ МОП нанотранзисторов с высоким уровнем легирования каналов ~1018 см-3. Показано, что разработанные и изготовленные в ИФП СО РАН логические элементы интегральных схем (ИС) на основе 90 нм КНИ КМОП транзисторов с частичным обеднением с сильно легированными каналами обладают повышенными температурной и радиационной стойкостью, соответствующей классу «стратегически радиационно-стойких ИС» по классификации, принятой в США [O.V. Naumova, A.A. Frantsuzov, V.P. Popov, Proc. SPIE 5401, 332-336, 2004; O.V. Naumova, A.A. Frantsuzov, et al. in: Silicon-on-Insulator Technology and Devices XII, PV-2005-03, 255-260, 2005; I.E. Tyschenko, A.A. Frantsuzov, et al. Solid State Phenomena, 77-82, 2005; O.V. Naumova, A.A. Frantzusov, et al. In: Science and Technology of Semiconductor-on-insulator Structures and Devices Operating in a harsh environment. NATO Science Series, 185, 227-232, 2005]. Малые изменения характеристик тестовых КНИ КМОП интегральных схем при высоких температурах (до 300 °С) и дозах ионизирующего излучения (до 30 Мрад) открывают перспективы создания СБИС на КНИ структурах, работоспособных в условиях, как повышенных температур, так и импульсного и непрерывного ионизирующего излучений. При проведении радиационных испытаний КНИ нанотранзисторов и логических элементов при повышенных температурах в диапазоне 20-250 °C и уровнях радиации в диапазоне доз 105-107 рад было получено, что:

    • уменьшение пороговых напряжений с ростом температуры n- и р- канальных транзисторов не превышает 100 мВ;

    • токи утечек Ioff n- и р- канальных транзисторов увеличиваются с ростом температуры от 2×10-10 всего до 4×10-9A/мкм, что обусловлено высокой концентрацией легирующей примеси в канале;

    • токи насыщения n- канальных транзисторов при VG > 1,5 В уменьшаются с ростом температуры на 20%, тогда как токи насыщения р- канальных транзисторов только на 10%, из-за уменьшения подвижности электронов и дырок. Передаточные характеристики инверторов с ростом температуры практически не изменяются;

    • при облучении гамма-квантами (137Cs) после дозы 3×107рад КНИ КМОП транзисторы полностью работоспособны, а токи утечки за счет накопления заряда в полевом (межслойном) диэлектрике и скрытом окисле структур не превышают заданных;

    • независимо от режима работы транзисторов во время облучения в системе р-Si/подзатворный SiO2 превалирует накопление отрицательного заряда; тогда как для р-канальных транзисторов (в системе n-Si/подзатворный SiO2) доминирует накопление положительного заряда;

    • максимальный сдвиг порогового напряжения КНИ КМОП транзисторов после облучения дозой гамма-квантов 10 Мрад составляет 50 мВ при исходном значении порогового напряжения около 600 мВ (Рис. 3б);

    • инверторы, подвергшиеся радиационному воздействию дозой гамма-излучения свыше 10 Мрад, имеют нормальную характеристику переключения и токи потребления в ждущем режиме не более 2×10-8 А, аналогично необлученным инверторам (Рис. 1в).

    a)

    б)

    в)

    Рисунок 3. (а) АСМ изображение 90 нм затвора, лежащего между областями исток-стока; (б) изменение порогов n- (1) и р-канальных (2) транзисторов в зависимости от дозы гамма-облучения; (в) зависимость тока в инверторе от входного напряжения после дозы гамма-облучения 10 Мрад.

  3. Модель неоднородного канала: вклад квазибаллистического переноса носителей заряда и дефектов в эффективную подвижность в нанометровых полевых транзисторах

    Для уменьшения коротко-канальных эффектов разработчики КМОП СБИС придерживались т.н. “хороших технологических правил”, позволявшим получать близкие к идеальным характеристики полевых транзисторов. Однако в реальных приборах на объёмном кремнии отношение глубины обеднения к электрической длине канала tdep/Lel ~ 1 вместо ½ из-за невозможности увеличения уровня легирования в канале, ведущего к генерационно-рекомбинационным и зона-зонным утечкам, а также деградации эффективной подвижности носителей заряда μeff по сравнению с объёмной μ0. В работах, посвященных определению μ0 из экспериментальных ВАХ, μeff уменьшается в короткоканальных транзисторах (например, C. Dupré, T. Ernst, J.-M. Hartmann, et al. Journ. Appl. Phys., 102, 104505 (2007)) с уменьшением длины канала L.

    В работах [В.П. Попов, А.А. Французов, М.А. Ильницкий и др. ECS Transactions, 25 (7) 2009, ФТП 2003, 2007, 2007, 2009, 2014] аналитически и численно было показано, что уменьшение μeff является следствием вклада в длину канала L областей с низкой подвижностью, который можно учесть экстраполяцией прямой на графиках 1/μeff от 1/L (рис.4). Истинная величина 1/μ0 определяется пересечением прямой с осью ординат, откуда видно, что μ0 в 1,5 раза меньше для L < 50 нм, чем для L > 300 нм. Снижение подвижности может быть следствием дефектов, вводимых при технологических обработках, или результатом существенных квазибаллистических эффектов, обусловленных характером инжекции носителей заряда из истока в канал нанометровых транзисторов.

    a)

    б)

    в)

    Рисунок 4. (а) изменение μeff-1 в зависимости от 1/L для исходного (bulk Si) и напряженного (bulk sSi) объёмного кремния в сравнении с КНИ с обычными (SOI) и напряженными (sSOI) слоями кремния по данным [C. Dupré, T. Ernst, J.-M. Hartmann, et al. Journ. Appl. Phys., 102, 104505 (2007)] в короткоканальных транзисторах (L<100 нм) по модели [1]; (б) то же, но для 1/μeff длинно-канальных транзисторов (L > 300нм); (в) то же, но для двух партий КНИ транзисторов с различным легированием Na по данным [1].

    Важно отметить, что снижение подвижности может быть также следствием влияния уровня легирования истоков и стоков, рассеяние носителей в которых даже в классическом диффузионно-дрейфовом приближении, ведет к существенной деградации эффективной подвижности, подчиняющейся той же зависимости μeff-1 в зависимости от 1/L (Рис. 5). Исследование работы транзистора осуществлялось с помощью моделирования в пакете SYNOPSYS TCAD.

    a)

    б)

    Рисунок 5. (а) 2D-распределение подвижности электронов при напряжении на затворе VGS = 1 в и напряжении стока VDS = 0.1 В для NMOS транзистора с длиной затвора L = 100 nm, dox = 5 nm, и уровнем легирования канала 1×1017 cm-3, (б) изменение μeff-1 в зависимости от 1/L для объёмного кремния.

    Уменьшение подвижности μeff в нанометровых транзисторах ограничивает возможности улучшения параметров полевых транзисторов в суб-десятинанометровой оьласти. Причины уменьшения μeff в нанотранзисторах хорошо описываются с помощью модели неоднородного канала (неоднородной зависимости транспортных свойств носителей заряда вдоль канала), расширенной на случай квазибаллистического переноса. Мы также показали, что вопреки устоявшемуся мнению, масштабированное уменьшение размеров комплементарных металл-оксид-полупроводниковых интегральных схем (КМОП ИС) и переход к нанометровым размерам не оказывает неблагоприятное воздействие на стойкость кремниевых СБИС к радиационному излучению.

    Зачастую требуется только оптимизация узкой траншейной (щелевой) изоляции и встроенного оксида кремния для технологии, использующей вместо объёмного кремния структуры кремний-на-изоляторе (КНИ). С точки зрения надежности, ущерб от ионизационных потерь при прохождении тяжелых ионов в подзатворных диэлектриках может привести к радиационно-индуцированным токам утечки, радиационно-индуцированному мягкому пробою, разрыву в диэлектрике или созданию скрытых повреждений при однократном проходе таких частиц. Причем, для нанометровой толщины диэлектрика наблюдается существенное уменьшение последнего эффекта вследствие сокращения времени релаксации выделенной частицей энергии.

  4. Динамика электронно-дырочной плазмы в силовых полупроводниковых приборах нового поколения. Радиационные и полевые методы управления динамикой плазмы

    Целью работ (Е.В. Чернявский, А.В. Шереметьев, В.П. Попов и др., Полупроводники 2004, AIP Conf., Proc. 2005) по изучению свойств силовых приборов на высокоомном кремнии являлись фундаментальные исследования (как модельные, так и экспериментальные) динамики электронно-дырочной плазмы в управляемых высоковольтных полупроводниковых приборах, созданных методами микроэлектроники, а также способы управления этой динамикой при высокой плотности с учетом пространственной неоднородности, центров рекомбинации и неустойчивости в плазме. Моделирование этих неустойчивостей, разработка методов их регулирования и оптимизации конструкции прибора являлись объектом исследований. Для управления динамикой применялась как радиационная технология – регулирование времени жизни носителей методом введения рекомбинационных центров, так и полевая с помощью электрического поля - изменением формы накачивающих импульсов. Использовался электронный ускоритель серии ИЛУ, позволивший получать пучки электронов с энергией 2 МэВ для введения центров рекомбинации как исходных структур, так и корпусированных приборов, а также различные способы их переключения с линейно и синусоидально изменяющимся высоким напряжением в диапазоне 10 нс – 100 мкс.

    Моделирование динамики переключения трехмерных структур осуществлялось с помощью совместного решения двумерного уравнения Пуассона и уравнения непрерывности с учетом неоднородного распределения носителей заряда, их рассеяния и рекомбинации, неоднородных распределений поля и центров захвата и рекомбинации. Для p-i-n структур с низколегированным изотипным переходом показано, что кривая обратного восстановления зависит от времени жизни и концентрации свободных носителей, при её повышении монотонность кривой нарушается и появляется пик тока, связанный с ударной ионизацией. Область ударной ионизации при высокой концентрации локализована вблизи поверхности за изотипным переходом p++-p и связана с разностью зарядов неравновесных носителей. Показано существование нескольких решений для таких структур, которые зависят от начальных и граничных условий (режимов переключения).

    Для проведения экспериментальных исследований были спроектированы и изготовлены совместно с ФГУП «Восток» высоковольтные (1200 В) биполярно-полевые транзисторы (IGBT) на ток до 50 А с падением напряжения в открытом состоянии до 2,5 В и быстровосстанавливающиеся диоды (FRD) (Рис.6а). Для измерений в динамическом режиме с максимальным напряжением до 5000 В и максимальным током до 120 А были спроектированы и изготовлены стенды, а также проведены испытания диодных, транзисторных и тиристорных структур в виде кристаллов с прижимными контактами и корпусированных приборов с металлизацией TiNiAg, и проведено измерение кривых обратного восстановления (Рис. 6б). На необлученных диодах величина заряда обратного восстановления Qrr составила 20 μС, а на облученных электронами - 0,6 μС. Падение напряжения в прямом направлении при токе 8 А увеличилось от 1,0 В до облучения до 2,5 В после него (Рис. 6в). Разработанные методы экспресс-контроля напряжений лавинного пробоя и определения временных параметров переключения приборов (диодов, транзисторов, тиристоров) позволили оптимизировать конструкции и способы управления параметрами приборов. Для уменьшения падения напряжения в прямом смещении предложено использовать транзисторы и диоды с малой толщиной дрейфовой области, в частности, для биполярно-полевых транзисторов (IGBT) и быстровосстанавливающихся диодов (FRD) с тонкой базой (100-200 мкм) разработана новая мембранная технология, позволяющая производить современные силовые приборы на стандартном отечественном оборудовании микроэлектронного производства.

    a)

    б)

    в)

    Рисунок 6. (а) топологическая схема части кристалла IGBT с охранной изоляцией и расчетное распределение электрического поля на ней и в FRD при напряжении 1200 В; (б) падение напряжения на открытом IGBT при токе 60 А; (в) восстановление прямосмещенного FRD.

    Оптимизация режимов облучения высоковольтных (до 3 кВ) МОП управляемых тиристоров позволила устранить участки длинного спада тока, который стал линейным со временем 3.5 μс. Рассчитанное тепловыделение в этом случае составило ~ 20 mДж, что означает уменьшение динамических потерь в 2 раза. При этом в два раза (до 100 А) выросла плотность управляемого тока. На основе анализа экспериментальных данных разработан критерий оценки управляемой плотности тока МОП-тиристора.

    С помощью численного моделирования, измерений и вариаций характеристик быстровосстанавливающегося диода было показано, что в процессе восстановления обратносмещенного диода после прохождения тока плотностью 5×103-5×104 А/см2 наблюдаются осцилляции тока по механизму ударной ионизации, которые позволяют создать новый прибор силовой электроники - semiconductor opening switch (SOS) диод. Прибор основан на эффекте наносекундного обрыва сверхплотных токов в полупроводниковых диодах. Была предложена и экспериментально реализована конструкция высоковольтного (1000 В) SOS диода, основанная на малозатратной технологии изготовления диодных структур большой площади, полученных методом водородного легирования, на пластинах кремния Чохральского.

  5. Нанопроволочные КНИ транзисторы с полным обеднением для электронных фемтомольных детекторов одиночных частиц и химически активных молекул в биожидкостях и газах

    О.В. Наумова, Б.И. Фомин, Д.А. Насимов, Л.Н. Сафронов, М.А. Ильницкий, Н.В. Дудченко, С.Ф. Девятова, Э.Д. Жанаев, В.П. Попов, А.В. Латышев, А.Л. Асеев

    В ИФП СО РАН в 2006-2014 гг. была разработана универсальная технология создания матриц КНИ нанопроволочных транзисторов (КНИ НПТ) с открытым каналом на основе нанометровых слоев кремния-на-изоляторе (КНИ) и виртуальным затвором из адсорбированных веществ (Рис. 7) для высокочувствительных био- и химических сенсоров, в частности, детекторов органических молекул в жидкостях и токсичных и/или взрывчатых веществ в атмосфере. Совместно с коллегами из ИБМХ РАМП и ИХБФМ СО РАН показано [Sol. St. Technol. 2010, Lab-on-Chip 2012, Adv. Mater. 2013, Автометрия 2013, Вестник НГУ 2013, BioMed 2014], что предложенный технологический маршрут, основанный на переносе стандартных высокотемпературных КМОП процессов в начальную фазу, а формирование низкофектных кремниевых нанопроволок без подтрава изолирующего диоксида кремния во фторидной газо-плазменной среде в конечную стадию техпроцесса, обеспечивает:

    • значения эффективной подвижности в нанометровых КНИ транзисторах с толщиной отсеченного слоя кремния 10-50 нм - 400 см2В-1с-1 и 100 см2В-1с-1 для электронов в аккумуляции и дырок в инверсии, соответственно. Ограничения определяются рассеянием носителей заряда на границе сращивания Si/SiO2 структур КНИ. Полученные значения сравнимы с данными для термических окислов на объемном кремнии.

    • чувствительность к адсорбированным веществам в диапазоне концентраций 10-14-10-16 моль/литр.

    a)

    б)

    в)

    Рисунок 7. Фотографии: (а) отдельного КНИ нанопроволочного транзистора в матрице, состоящего из областей истока (S), стока (D) и открытого канала с размерами 30×50×10000 нм между ними после электронной литографии и фторидного газо-плазменного травления; (б) корпусированный чип с матрицей КНИ нанотранзисторов с микрожидкостной ячейкой; (в) тестовый модуль для подключения к многоканатной измерительной системе.

    В техпроцессе формируются нелегированные каналы транзисторов с сильно легированными контактными областями. КНИ нанопроволочные транзисторы изолированы друг от друга с помощью TEOS диэлектрика (Рис. 7), допускающего многократное экспонирование биосенсоров в различных газах и биожидкостях. Исследованы перспективы применения матриц, содержащих открытые каналы КНПТ, в качестве сенсорных элементов для обнаружения химически и биологически активных молекул в жидкостях и газах. Показано, что отрицательно заряженные ионы хлора в деионизованной (DI) воде регистрируются в концентрациях не менее чем 10-14 моля/литр с установлением стационарной проводимости за время < 2 мин (Рис. 8). Конструкция сенсоров обеспечивает воспроизводимость результатов измерений содержания тестовых молекул бычьего cывороточного альбумина (БСА) в растворах (10-15 – 10-4 моля/литр) при неспецифическом захвате молекул БСА на открытый канал в биожидкости с 5 mM буферным раствором PBS (KH2PO4) с pH = 7.4 (Рис. 3).

    Подтвержденная измерениями чувствительность к молекулам БСА не хуже 1 фемтомоля (10-15 М или ~ 600 молекул/мм3) находится на уровне лучших мировых достижений в этой области и позволяет рассчитывать по уровню шумов на предельную чувствительность до единиц аттомолей (Рис. 9), а также возможность регистрации в специфических реакциях иммобилизации одиночных молекул, клеток, токсических и патогенных веществ с помощью данного сенсора, что исключительно важно как для обеспечения безопасности, так и для ранней диагностики и лечения опасных заболеваний.

    Таким образом, разработан технологический процесс формирования КНИ нанопроволочных транзисторов, максимально совместимый со стандартной КМОП-технологией и позволяющий формировать КНИ-нанопроволочные транзисторы на последней стадии технологического процесса. Для этого разработан способ “бездефектного” (сохраняющего высокие значения подвижности носителей заряда, соответственно, проводимости и чувствительности сенсорного элемента) низкотемпературного наноструктурирования слоев КНИ на основе газо-плазменного травления и способ формирования контактов к нанопроволокам нанесением слоев поликремния с последующим ионным легированием.

    a)

    б)

    Рисунок 8. (а) изменение тока стока КНИ нанотранзистора с ростом содержания HCl- молекул в DI воде, подаваемой в микрожидкостную ячейку на Рис. 1; (б) то же, но в линейном масштабе.

    a)

    б)

    Рисунок 9. (а) изменение индуцированного заряда КНИ НПТ до (1) и после осаждения молекул БСА с содержанием в буферном растворе от - 10-135 М до 10-17 М. Линейные размеры КНПТ: толщина – 25 нм, ширина – 100 нм. Vds = 0.15 В; предел обнаружения молекул БСА в биожидкости около 10 aM (10-17 M) определен по уровню шумов транзисторов. На вставках микрофотография и сток-затворные характеристики КНИ нанопроволочного транзистора с изменением концентрации БСА.

    На основе данного техпроцесса изготовлены чипы с матрицами КНИ-нанопроволочных транзисторов и подтверждена их фемтомольная чувствительность к тестовым органическим и неорганическим молекулам, не уступающая уровню лучших мировых результатов. Совместно с НИИ БМХ РАМН (академик РАМН А.И. Арчаков, д.б.н. Ю.Д. Иванов) проведены доклинические испытания и разработаны методы иммобилизации антител и их синтетических аналогов – аптамеров на КНИ нанопроволочные транзисторы. Получены результаты по чувствительности КНИ-транзисторов с линейными размерами 15 нм × 100 нм × 10 мкм (толщина × ширина × длина) к тестовым молекулам BSA, антигенам гепатита В и С, онкомаркерам альфа-фетопротеина и D-NFATc1 на уровне 10-15 М, которые отражены уже в двух десятках публикаций и являются одними из лучших в мире при детектировании различного рода биочастиц нанопроволочными сенсорами (рис. 9б).

  6. Разработка и исследование механизмов резистивного переключения в оксидах металлов для создания элементов резистивной памяти ReRAM

    Группа д.ф.-м.н. В.А. Гриценко в рамках контрактов с компанией Samsung Electronics занималась разработкой и исследованиями флэш памяти на основе нитрида кремния Si3N4 с использованием high-k диэлектриков (Charge Trap Flash Memory, CTFM). За время этих исследований был накоплен значительный опыт по разработке флэш памяти и изучению high-k диэлектриков, являющихся наиболее перспективным материалом для создания энергонезависимой резистивной флэш-памяти, получившей название ReRAM, с нанометровыми размерами элементов. Такие размеры обеспечивают создание терабитных схем памяти.

    Ключевым компонентом ReRAM является активная среда, диэлектрический слой, который обладает резистивным эффектом памяти. В качестве активной среды, в настоящее время активно изучаются слои HfO2, TiO2, Ta2O5, ZrO2, SiOx, GeOx, Al2O3.

    В группе накоплен большой опыт работы по синтезу, теоретическому и экспериментальному изучению атомной и электронной структуры объёма, собственных дефектов, а также транспорта заряда, в неорганических диэлектриках, таких, как SiO2, Si3N4, SiOxNy, Al2O3, TiO2, HfO2, ZrO2, Ta2O5, SiOx, GeOx. К наиболее значимым результатам, полученным соавторами коллектива, можно отнести следующие:

    • В период с 2009 по 2013 годы получено шесть патентов на флэш элементы памяти. Получен патент на изобретение резистивного элемента памяти с повышенной воспроизводимостью в режиме перепрограммирования.

    • Изучен мемристорный элемент памяти на основе GeOx. Предложена модель проводимости, количественно объясняющая проводимость GeOx в высокоомном и низкоомном состояниях (Рисунок 11). Определена энергия (1.6 эВ) и концентрация (2×1020 см-3) ловушек в GeOx [1].

    Рисунок 10. Гистерезис I-V структуры Ni/GeO2/TaN. Кривые 1 и 2 соответствуют HRS и LRS состояниям, соответственно. Сплошные линии - эксперимент, пунктирные - теория. Вставки в левом верхнем и правом нижнем углах иллюстрируют процесс транспорта в низкоомном и высокоомном состояниях, соответственно [6].

    • Разработана модель крупномасштабных флуктуаций потенциала, обусловленных пространственной неоднородностью SiOx [2], SiNx [3] и HfOx.

    • Теоретически методом квантово-химического моделирования из первых принципов изучена атомная и электронная структура кислородных вакансий и поливакансий в диэлектриках с высокой диэлектрической проницаемостью Al2O3 [4, 5], HfO2 [6], TiO2 [7] и Ta2O5 [8].

    • Разработан метод разделения электронной и дырочной составляющих тока в диэлектриках. В полупроводниках подобная информация получается в помощью измерения эффекта Холла. В диэлектриках такие измерения невозможны из-за пренебрежимо малой концентрации подвижных носителей заряда. Установлено, что проводимость HfO2 [9], TiO2 [10] и GeOx [11] является двузонной, при этом дырочная компонента проводимости играет ключевую роль.

    • В рамках модели многофононной теории ионизации разработана методика определения ключевых параметров ловушек (термической энергии ионизации Wt, оптической энергии ионизации Wopt, концентрации N, и эффективной массы m*) путём сопоставления расчётных и экспериментальных I-V-T кривых (Рисунок 12) [12].

    Рисунок 11. (a) Гистерезис экспериментальных (символы) и расчётных (линии) I-V характеристик TaN/HfOx/Ni структуры при комнатной температуре. (b) Экспериментальные (символы) и расчётные (линии) I-V характеристики n-Si/HfOx/Ni структуры при различных температурах.

    • Развита теория многофононной ионизации ловушек при высокой концентрации ловушек. Теория подтверждается экспериментом [13, 14].

    • Показано, что проводимость Si3N4 [15] и Al2O3 [16] в широком диапазоне электрических полей и температур количественно описывается теорией многофононной ионизации глубоких центров. Широко известная модель Пула-Френкеля количественно не описывает проводимость [14-16].

    • Изучена проводимость SiO2 в структуре нитрид тантала-оксид алюминия-нитрид кремния-оксид кремния-кремний. Полученные экспериментальные данные хорошо согласуются с моделью туннельной инжекции дырок через ловушки в SiO2 [17].

    • Изучена аморфная фаза нитрида кремния и дефектов в нём методом молекулярной динамики Кара-Паринелло [18].

    • Выявлена природа ловушек, ответственных за локализацию электронов и дырок в нитриде кремния [21].

    Теоретический и экспериментальный задел авторского коллектива проекта является прочной базой для изучения механизмов резистивного переключения, наблюдаемого в оксидах металлов.

Публикации

  1. A.S. Shaposhnikov, T.V. Perevalov, V.A. Gritsenko, C.H. Cheng, A. Chin, Mechanism of GeO2 resistive switching based on the multi-phonon assisted tunneling between traps, Appl. Phys. Lett. 100, 243506 (2012).
  2. В.А. Гриценко, Ю.Н. Новиков, Р.В.М. Квок, И. Белло, Ближний порядок и крупномасштабные флуктуации потенциала в аморфном SiNx, ЖЭТФ 125, с. 868-878 (2004).
  3. Yu.N. Novikov, V.A. Gritsenko, Short-range order in amorphous SiOx by x ray photoelectron spectroscopy, J. Appl. Phys. 110, 014107 (2011).
  4. Т.В. Перевалов, В.А. Гриценко, Применение и электронная структура диэлектриков с высокой диэлектрической проницаемостью, УФН 180, 587–603 (2010) [T V Perevalov, V A Gritsenko, Application and electronic structure of high-permittivity dielectrics, Physics Uspekhi 53, 561–575 (2010)].
  5. В.А. Пустоваров, В.Ш. Алиев, Т.В. Перевалов, В.А. Гриценко, А.П. Елисеев, Электронная структура вакансии кислорода в Al2O3 по данным ab initio квантово-химических расчетов и экспериментов по фотолюминесценции, ЖЭТФ 138, 1119–1126 (2010).
  6. Electronic structure of oxygen vacancies in hafnium oxide, T.V. Perevalov, V.Sh. Aliev, V.A. Gritsenko, A.A. Saraev, V.V. Kaichev, Microelectronic Engineering 109, 21–23 (2013).
  7. Т.В. Перевалов, В.А. Гриценко, Электронная структура рутила TiO2 с вакансиями кислорода: расчеты из первых принципов и сравнение с экспериментом, ЖЭТФ 139, 359–366 (2011).
  8. Т.В. Перевалов, А.В. Шапошников, Моделирование ab initio электронной структуры кристаллических модификаций Ta2O5, ЖЭТФ 143, 1153–1160 (2013).
  9. D.R. Islamov, V.A. Gritsenko, C.H. Cheng, A. Chin, Bipolar conductivity in amorphous HfO2, Appl. Phys. Lett. 99, 072109 (2011).
  10. D.R. Islamov, V.A. Gritsenko, C.H. Cheng, A. Chin, Bipolar conductivity in nanocrystallized TiO2, Appl. Phys. Lett. 101, 032101 (2012).
  11. D.R. Islamov, V.A. Gritsenko, C.H. Cheng, A. Chin, Evolution of the conductivity type in Germania by varying the stoichiometry, Appl. Phys. Lett. 103, 232904 (2013).
  12. Damir R. Islamov, T. V. Perevalov, V. A. Gritsenkov, et al., Origin of defects responsible for charge transport in resistive random access memory based on hafnia, arXiv:1309.0071 (2013).
  13. K.A. Nasyrov, V.A. Gritsenko, Charge transport in dielectrics via tunneling between traps, J. Appl. Phys. 109, 097705 (2011).
  14. К.А. Насыров, В.А. Гриценко, Механизмы переноса электронов и дырок в диэлектрических пленках, УФН 183, 1099–1114 (2013).
  15. A.V. Vishnyakov, Yu.N. Novikov, V.A. Gritsenko, K.A. Nasyrov, The charge transport mechanism in silicon nitride: Multi-phonon trap ionization, Solid-State Electronics 53, 251–255 (2009).
  16. N. Novikov, V.A. Gritsenko, K.A. Nasyrov, Charge transport mechanism in amorphous alumina, Appl. Phys. Lett. 94, 222904 (2009).
  17. K.A. Nasyrov, V.A. Gritsenko, Charge transport in dielectrics via tunneling between traps, J. Appl. Phys. 109, 097705 (2011).
  18. С.С. Некрашевич, А.В. Шапошников, В.А. Гриценко, Изучение атомной и электронной структуры аморфного нитрида кремния и дефектов в нём. Письма в ЖЭТФ 94, 220–223 (2011).
  19. S.S. Nekrashevich, V.V. Vasilev, A.V. Shaposhnikov, V.A. Gritsenko, Electronic structure of memory traps in silicon nitride, Microelectronic Engineering 86, 1866–1869 (2009).
  20. S.S. Shaimeev, V.A. Gritsenko, H. Wong, Wigner crystallization due to electrons localized at deep traps in two-dimensional amorphous dielectric, Appl. Phys. Lett. 96, 263510 (2011).
  21. V.A. Gritsenko, H. Wong, Atomic and Electronic Structure of Traps in Silicon Oxide and Silicon Oxynitride, Critical Review in Solid State and Material Sciences 36, 129–147 (2011).