Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Литературный обзор 16
1.1. Перспективы использования энергонезависимой фазовой памяти 16
1.1.1. Оценка рынка запоминающих энергонезависимых устройств 16
1.1.2. Память нового поколения (PCM, MRAM, FRAM, RRAM) 19
1.1.3. История создания фазовой памяти 21
1.1.4. Принцип действия PCM: операции записи, считывания и перезаписи информации в фазовой памяти 25
1.2. Программируемые материалы PCM 27
1.2.1. Общие свойства тонких пленок квазибинарного разреза Sb2Te3 -
GeTe 28
1.2.2. Особенности фазовых переходов материалов квазибинарного разреза Sb2Te3 - GeTe 30
1.3. Электрофизические свойства тонких пленок материалов фазовой памяти. 33
1.3.1. Модели распределения плотности состояний в щели по
подвижности и механизмы переноса носителей заряда в ХСП 33
1.3.1.1. Модели энергетических зон неупорядоченных полупроводников 33
1.3.1.2. Особенности распределения энергетических состояний в
ХСП. Концепция U-минус центров. 36
1.3.1.3. Механизмы переноса носителей заряда в ХСП 39
1.3.2. Вольт-амперные характеристики тонких пленок ХСП 39
1.3.3. Эффект переключения в ХСП 41
1.4. Требования к программируемым материалам PCM-ячеек 43
1.5. Влияние модифицирующих примесей на свойства тонких пленок Ge2Sb2Te5 44
1.6. Постановка задач исследования 48
Выводы по главе 50
Глава 2. Технологии изготовления образцов и методики проведения экспериментов 52
2.1. Синтез халькогенидных полупроводников 52
2.2. Технология осаждения тонких пленок ХСП 53
2.2.1. Обоснование выбора метода напыления наноразмерных пленок ХСП 53
2.2.2. Вакуумно-термическое испарение 56
2.2.3. Магнетронное распыление 57
2.3. Методы и методики исследований свойств халькогенидных тонких пленок 58
2.3.1. Методы исследования состава и структуры 58
2.3.1.1. Рентгенофазовый анализ. 59
2.3.1.2. Резерфордовское обратное рассеяние 59
2.3.1.3. Рентгеноспектральный микроанализ 60
2.3.2. Методы исследования морфологии поверхности 60
2.3.2.1. Растровая электронная микроскопия 61
2.3.2.2. Атомно-силовая микроскопия 61
2.3.3. Методики исследования электрофизических свойств 62
2.3.3.1. Технология изготовления планарных структур для
измерений электрофизических характеристик. 62
2.3.3.2. Измерение ВАХ при нагреве 65
2.3.3.3. Измерение ВАХ при охлаждении 69
2.3.3.4. Измерение термо-ЭДС 70
Выводы по главе 73
ГЛАВА 3. Исследование свойств тонких пленок и планарных структур на основе материалов квазибинарного разреза Sb2Te3 - GeTe 75
3.1 Исследование состава и структуры 75
3.1.1. Рентгенофазовый анализ 75
3.1.2. Резерфордовское обратное рассеяние 76
3.1.3. Рентгеноспектральный микроанализ 78
3.1.3.1. РСМА пленок GST225, осажденных методом ВТИ 78
3.1.3.2. РСМА пленок GST225, осажденных ВЧ магнетронным напылением 80
3.2. Влияние термообработки на удельное сопротивление и морфологию поверхности 81
3.2.1. Температурные зависимости удельного сопротивления 81
3.2.2. Влияние термообработки на морфологию поверхности тонких пленок GST225 83
3.2.2.1. АСМ анализ морфологии тонких пленок GST225 83
3.2.2.2. РЭМ анализ морфологии планарных образцов 86
3.3. Оптимизация тестовой планарной структуры 88
3.3.1. Защитный слой TiOx 89
3.3.2. Защитный слой SiO2 91
3.4. Электрофизические и температурные характеристики
оптимизированных планарных структур тонких пленок на основе
материалов квазибинарного разреза Sb2Te3 - GeTe 96
3.5. Влияние метода напыления на свойства тонких пленок GST225 100
Выводы по главе 103
Глава 4. Электрофизические свойства тонких пленок на основе материалов системы Ge-Sb-Te 105
4.1. Вольтамперные характеристики аморфных тонких пленок на основе материалов квазибинарного разреза Sb2Te3 - GeTe 105
4.2. Механизмы переноса носителей заряда в аморфных тонких пленках на основе материалов квазибинарного разреза Sb2Te3 - GeTe 106
4.2.1. Диапазон низких напряженностей электрического поля (Е < 1103 В/см) 108
4.2.2. Диапазон средних напряженностей электрического поля (1103 < Е < 1104 В/см) 112
4.2.3. Диапазон высоких напряженностей электрического поля (Е > 1104 В/см) 120
4.2.4. Анализ влияния состава на электрофизические свойства и
механизмы переноса в тонких пленках материалов системы Ge-Sb-Te 120
4.3. Эффекты переключения и памяти в тонких пленках Ge2Sb2Te5 122
4.3.1. Эффект памяти в структурах с вертикальным расположением электродов 122
4.3.2. Электрическое переключение с памятью в тонких пленках при воздействии постоянным напряжением 125
4.3.3. Электрическое переключение с памятью в тонких пленках при воздействии импульсным напряжением 129
4.3.3.1. Разработка исследовательского комплекса для исследования электрического переключения в тонких пленках при импульсном напряжении 129
4.3.3.2. Электрическое переключение тонких пленок GST225 при импульсном напряжении 130
Выводы по главе 134
ГЛАВА 5. Влияние модифицирующей примеси висмута на электрофизические характеристики Ge2Sb2Te5 137
5.1. Состав и структура тонких пленок системы Ge-Sb-Te-Bi 137
5.1.1. Исследование структуры методом РФА 137
5.1.2. Элементный состав тонких пленок 138
5.2. Влияние Bi на электрофизические свойства тонких пленок Ge2Sb2Te5 139
5.2.1. Температурные зависимости удельного сопротивления 139
5.2.2. Вольт-амперные характеристики 141
5.2.2.1. Диапазон низких напряженностей электрического поля (Е < 1103 В/см) 144
5.2.2.2. Диапазон средних напряженностей электрического поля (1103 < Е < 1104 В/см) 146
5.2.2.3. Диапазон высоких напряженностей электрического поля (Е > 1104 В/см) 148
5.2.3. Анализ влияния модифицирующей примеси висмута на электрофизические свойства и механизмы переноса носителей заряда в тонких пленках материалов системы Ge-Sb-Te 149
5.3. Практические рекомендации для оптимизации и совершенствования технологии создания фазовой памяти 150
Выводы по главе 156
Основные результаты и выводы 159
Список используемых источников
- Память нового поколения (PCM, MRAM, FRAM, RRAM)
- Обоснование выбора метода напыления наноразмерных пленок ХСП
- Влияние термообработки на удельное сопротивление и морфологию поверхности
- Эффект памяти в структурах с вертикальным расположением электродов
Память нового поколения (PCM, MRAM, FRAM, RRAM)
На данный момент основными конкурентами флэш-памяти и наиболее перспективными кандидатами на память нового поколения считаются следующие виды энергонезависимой памяти: фазовая (Phase Change Memory - PCM), магниторезистивная (MRAM), сегнетоэлектрическая (FRAM) и резистивная (RRAM) [15-17].
Технология памяти с изменением фазового состояния основывается на быстротекущих, обратимых фазовых переходах «аморфное кристаллическое состояние», происходящих в нанообъеме материала под действием внешних низкоэнергетических воздействий и сопровождающихся скачкообразным изменением оптических и/или электрических характеристик материала.
Ячейки магниторезистивной памяти состоят из двух ферромагнитных слоев с расположенным между ними тонким изоляционным слоем. Один из ферромагнитных слоев обладает намагниченностью определенного направления. Намагниченность второго слоя изменяется вследствие воздействия внешним магнитным полем при проведении операции записи информации [15-17]. В зависимости от взаимной ориентации векторов, характеризующих магнитное состояние слоев, сопротивление ячейки памяти изменяется за счет проявления эффекта туннельного магнитосопротивления.
Запоминающее устройство FRAM-типа представляет собой конденсаторную структуру, в которой сегнетоэлектрик может принимать два состояния поляризации. При приложении напряжения к электродам конденсатора сегнетоэлектрик оказывается в одном из этих состояний, оно сохраняется и после снятия электрического поля. Приложение электрического поля той же величины, но противоположного направления, переключает сегнетоэлектрик во второе стабильное состояние поляризации [15-17].
Принцип работы RRAM заключается в формировании токопроводящих каналов в тонких пленках оксидов металлов при приложении к ним определенного напряжения. Запись логического «0» и «1» происходит либо в результате диффузии атомов кислорода и увлечения его концентрации на границе метал/активный слой, либо в результате восстановления приграничной области под действием нагрева. В таблице 1.2 представлены основные характеристики наиболее перспективных типов памяти на данный момент.
Анализ параметров запоминающих устройств, представленных в Таблице 1.2, показывает, что на данный момент нельзя выделить тот или иной тип ЗУ в качестве лидера по всем технологическим показателям.
Однако, следует отметить, что фазовая память PCM, основанная на электрическом переключении, не уступает своим конкурентам (MRAM, FRAM, RRAM) в таких важных параметрах, как скорость записи и считывания, время хранения, количество циклов перезаписи информации, потребляемая мощность, топологические размеры ячеек, радиационная стойкость. При этом она обладает существенным преимуществом - более низкой стоимостью. Экономичность затрат при производстве PCM объясняется возможностью использования стандартных производственных технологий микроэлектроники при изготовлении данных запоминающих устройств, что позволяет получить существенно более низкую стоимость за гигабайт (Гб) хранимой информации по сравнению с MRAM и FRAM (см. Таблицу 1.2).
В настоящее время такие устройства считаются наиболее перспективными кандидатами для нового поколения устройств памяти, которые смогут заменить, не только флэш-память, но и современные накопители на основе жестких магнитных дисков, динамическую (DRAM) и статическую (SRAM) оперативную память. Перспективны они и для применения в радиационно-стойких схемах специального назначения.
Полупроводниковые свойства халькогенидных стекол впервые были обнаружены Б.Т.Коломийцем и Н.А.Горюновой в середине 1950-х годов в ФТИ им. А.Ф.Иоффе [18]. В 60-х годах XX в. Б.Т. Коломиец и Э.А. Лебедев в ФТИ им. А.Ф.Иоффе [19] и Стэнфорд Овшинский в США [20] наблюдали и исследовали так называемый эффект переключения, лежащий в основе работы фазовой памяти.
И уже в 1966 году Стэнфорд Овшинский, основавший компанию Energy Conversion Laboratories, позже переименованную в Energy Conversion Devices (ECD), получает первый патент на материал с изменяющимся фазовым состоянием, а в 1969-м – патент на компьютерную память, построенную на этом материале.
Однако первые прототипы устройств фазовой памяти, основанные на многокомпонентных сплавах с высоким содержанием теллура, в частности Te81Ge15Sb2S2, обладали большими размерами, токами программирования, временами фазового перехода, невоспроизводимыми и нестабильными характеристиками, а также в процессе эксплуатации отдельные ячейки самопроизвольно переходили из одного состояния в другое [4].
Только в 1987 г. благодаря открытию исследовательской группой Нобору Ямады [21] быстрой кристаллизации халькогенидных сплавов, лежащих на линии квазибинарного разреза Sb2Te3 - GeTe в системе Ge-Sbe, был достигнут прорыв в разработке технологии PCM и, как следствие, коммерческий успех оптической фазовой памяти (CD-RW, DVD-RW и Blu-Ray диски). В отличие от многокомпонентных халькогенидных полупроводников с высоким содержанием теллура, материалы системы Ge-Sbe обладают низкой стеклообразующей способностью и легко кристаллизуются [22]. Для того, чтобы получить такой материал в аморфном состоянии, нужно охладить расплав за несколько десятков или сотен наносекунд, т. е. скорость охлаждения должна быть порядка 1010 К/с, но именно высокая скорость кристаллизации позволяет в современных ячейках памяти записывать информацию за время менее 50 нс [22].
Новые сплавы, полученные на основе системы Ge-Sbe, не разделялись на фазы при кристаллизации, в отличие от сплавов с высоким содержанием теллура, что привело к созданию перезаписываемых оптических дисков DVD-RW и Blu-Ray, а также увеличению интереса к устройствам фазовой памяти, основанным на изменении электрических свойств материала [23].
В 1999 году ECD Inc. создает компанию Ovonix Inc. и патентует память на основе фазового перехода, названную Ovonic Universal Memory (OUM).
Вскоре интерес к фазовой памяти проявили компании Intel и STMicroelectronics (STM), и в 2000 году получили лицензию на технологию OUM у компании Ovonix. В 2003 году Intel и STM начинают совместную программу “Joint Development Program” (JDP), итогом которой стало подписанное в марте 2008 года трехстороннее соглашение (компаниями Intel, STM и Francisco Partners) о создании предприятия Numonyx, специализирующегося на производстве устройств фазовой памяти.
В 2005 году японская компания Elpida Memory подписывает с Ovonix соглашение о лицензировании технологии OUM, подразумевающее полное содействие Elpida Memory со стороны Ovonix в разработке устройств фазовой памяти.
К 2007 году обладателями лицензии становятся также такие крупные производители, как Samsung, Toshiba, Mitsubishi и Hynix Semiconductor.
В феврале 2008 года на международной конференции International Solid-State Circuits Conference (ISSCC) Intel и STM демонстрируют первые опытные образцы многоуровневой матрицы PCM (так называемые MLC - Multi-Level Сell), выполненные по 90-нм технологии [24].
Обоснование выбора метода напыления наноразмерных пленок ХСП
Халькогенидные стеклообразные пленки, предназначенные для устройств фазовой памяти, наиболее часто получают методами вакуумного напыления [23, 49, 63, 71-84]. Технология вакуумного нанесения аморфных пленок является наиболее универсальной и может быть использована в массовом производстве. Согласно [71] структура и свойства пленок, синтезируемых путем конденсации в вакууме из паровой фазы, определяются следующими факторами: химическим составом, состоянием исходного испаряемого вещества, максимальной температурой испарения, температурой и свойствами подложки, остаточным давлением газовой среды, в которой осуществляется процесс испарения и конденсации, толщиной пленки.
Особенности состава и структуры исходного испаряемого вещества определяют характер диссоциации испаряемого вещества и механизм его конденсации. Так, при получении пленок из многокомпонентных материалов состав паровой фазы меняется во времени, так как первоначально испаряются легколетучие компоненты (фракции).
Температура испарения влияет на процесс диссоциации, состояние, энергию и молекулярный состав паровой фазы. Все это, в конечном счете, определяет и особенности формирования пленок, т.е. фазовый и химический составы, степень термодинамической неравновесности аморфных пленок.
Физико-химическая природа и температура подложки определяют механизм конденсации, а также оказывают влияние на степень фазовой и структурной неравномерности.
Таким образом, при использовании методов вакуумной конденсации пленок полупроводников сложного состава возможно возникновение проблемы отклонения состава осаждаемой пленки от состава испаряемого материала. Компоненты, попадая на подложку, участвуют в реакциях и различных физико-химических процессах на ее поверхности. Результатом этого может являться широкий набор структурных и фазовых состояний аморфных пленок [71, 85].
Перевод материала в газовую фазу в процессе нанесения тонкой пленки в вакууме может осуществляться рядом способов, которые делят на две группы.
К первой группе способов генерации молекулярного состояния вещества относятся процессы, в которых энергия сообщается атому или молекуле путем прямого или косвенного взаимодействия через каскад столкновений высокоэнергетических частиц с поверхностью. К этим методам относятся: катодное, магнетронное распыление и др.
Ко второй группе относятся процессы, в которых генерация осуществляется термическим путем. По способу передачи энергии, необходимой для процесса испарения вещества, выделяют следующие способы: резистивно-термический, электронно-лучевой, лазерный, электродуговой и другие.
В Таблице 2.1 представлены наиболее широко используемые методы получения халькогенидных тонких пленок. применение или неприменение метода в работе, ПТ – магнетронное распыление на постоянном токе, ВЧ – высокочастотное магнетронное распыление.
Наиболее распространенным методом получения аморфных тонких пленок материалов системы Ge-Sbe является высокочастотное магнетронное распыление [63, 72-77]. Считается, что данный метод позволяет с высокой воспроизводимостью получать тонкие пленки, близкие к исходному составу мишени, что связано с более близкими значениями коэффициентов распыления элементов при ВЧ-распылении по сравнению с сильно разнящимися давлениями паров при вакуумно-термическом испарении (ВТИ).
В то же время, магнетронное распыление является значительно менее оперативным и более дорогостоящим процессом по сравнению с вакуумно-термическим испарением. Дороговизна процесса в первую очередь связана с необходимостью изготовления мишени (формирование матриц для прессования, синтезирование большого количества дорогостоящего материала и т.д.) под каждый исследуемый состав.
В связи с вышесказанным, с целью минимизации времени подготовки образцов и экономических затрат при проведении исследований и оптимизации характеристик за счет вариации состава на стадии разработки и оптимизации технологии устройств фазовой памяти был использован метод вакуумно-термического испарения форсированного («взрывного») типа.
При этом для оценки влияния метода получения на осаждаемые пленки ХСП в диссертационной работе был проведен сравнительный анализ характеристик тонких пленок Ge2Sb2Te5, полученных методами вакуумно-термического испарения и ВЧ магнетронного распыления.
В связи с вышесказанным в диссертационной работе проводилось исследование свойств тонких пленок, осажденных методом вакуумно-термического испарения.
Получение тонких пленок методом ВТИ проводилось на установке УВН-2М-1 в НИУ МИЭТ. Осаждение тонких пленок проводилось в форсированном («взрывном») режиме, при котором исходный материал испарялся из молибденовой лодочки, которая резко разогревалась за счет протекания высокого тока.
Остаточное давление в камере составляло порядка 210-5 мм рт. ст., расстояние между разогревающейся лодочкой и подложкой равнялось 15 см, температура подложки не превышала 50 С, что позволяло получать халькогенидные тонкие пленки, как правило, в аморфном состоянии [70].
Наиболее распространенным методом получения аморфных тонких пленок материалов системы Ge-Sbe является высокочастотное магнетронное распыление [63, 72-77]. Достоинством данного метода является высокая воспроизводимость осаждаемых тонких пленок по составу и свойствам, что особенно важно на этапе промышленного производства PCM-устройств.
Осаждение тонких пленок методом ВЧ магнетронного распыления осуществлялось в Нижегородском государственном университете им. Н.И. Лобачевского на модернизированном вакуумном универсальном посту ВУП-4К, предназначенном для осаждения пленок металлов, полупроводников и диэлектриков.
Установка распыления состоит из двух стоек: вакуумной и электрической. В вакуумной стойке размещена вакуумная система, система напуска газов, распределительный щиток, электропитание для подогрева подложек, пульт управления. Электрическая стойка состоит из источника ВЧ-напряжения, блоков питания и управления. В подколпачном устройстве смонтирована магнетронная распылительная система, схематическое изображение которой приведено на Рисунке 2.1.
Влияние термообработки на удельное сопротивление и морфологию поверхности
На Рисунке 3.17 представлены температурные зависимости удельного сопротивления планарных образцов Ge2Sb2Te5 без защитного слоя и с защитным слоем SiOx толщиной 0,2 мкм [107].
Сравнительный анализ температурных зависимостей удельного сопротивления показал, что исходные тонкопленочные образцы GST225 без защитного слоя и с защитным слоем SiOx обладают близкими значениями удельного сопротивления - 1,2 105 Ом см при комнатной температуре, а также активационными зависимостями проводимости в диапазоне температур от комнатной до 120 С . Это является косвенным свидетельством того, что исходные пленки данных типов образцов находятся в аморфном состоянии. Таким образом, напыление защитного слоя диоксида кремния методом электронно-лучевого испарения не приводит к кристаллизации нижележащего слоя ХСП.
Следует также отметить, что из Рисунка 3.17 видно, что использование защитного слоя SiOx позволяет зафиксировать более ярко выраженную ступеньку, обусловленную кристаллизацией, значительно уменьшить бессистемные изменения удельного сопротивления при высоких температурах, а также значительно увеличить значение температуры, с которой начинаются бессистемные колебания удельного сопротивления.
РЭМ-анализ образцов без защитной пленки и с защитной пленкой SiOx показал, что исходные образцы обладают схожей морфологией поверхности (Рисунки 3.18,а и 3.18,б). При этом формирование защитной пленки SiOx существенно снижает изменения морфологии поверхности при кристаллизации (Рисунок 3.18,г) по сравнению с образом без защитной пленки (Рисунок 3.18,в).
РЭМ-снимки планарных структур Ge2Sb2Te5: a - образец без защитного слоя до термообработки; б - образец с SiOx (0,2 мкм) до термообработки; в - образец без защитного слоя после термообработки выше 300 С; г - образец с SiOx (0,2 мкм) после термообработки выше 300 С; д - область 1 на изображении «г» в приближении [102] Тем не менее, при более детальном исследовании области вблизи интерфейса халькогенидная пленка – электрод (Рисунки 3.18,г и 3.18,д) было выявлено, что использование диэлектрика толщиной 0,2 мкм не позволило полностью избежать отслаивания от боковой поверхности электрода тонкой пленки халькогенидного полупроводника, что отражается в возрастании удельного сопротивления при высоких температурах (Рисунок 3.17,б).
В связи с этим толщина SiOx была увеличена до 0,5 мкм. Как видно из Рисунка 3.19, для образцов с увеличенной толщиной защитного слоя SiOx не наблюдается отклонений на температурных зависимостях удельного сопротивления при температурах выше температуры кристаллизации [102].
Температурные зависимости удельного сопротивления тонкопленочных образцов Ge2Sb2Te5 с защитным слоем SiOx РЭМ-анализ планарных структур, прошедших термообработку выше 300 С, также подтвердил, что использование защитной пленки SiOx толщиной 0,5 мкм позволяет избежать нарушения сплошности поверхности пленки и нарушения электрического контакта халькогенидная пленка – электрод.
Таким образом, удалось снизить воздействие изменения морфологии поверхности при фазовом переходе халькогенидных пленок на электрофизические свойства планарных образцов за счет введения поверхностного защитного слоя и подбора его материала и толщины. Можно предположить, что такой эффект связан с более равномерным изменением толщины пленки при кристаллизации по всей площади и, возможно, обусловлен изменением механизма кристаллизации по сравнению со свободно кристаллизующейся пленкой ХСП. В связи с тем, что введение дополнительного диэлектрического слоя изменяет условия теплоотвода, было проанализировано возможное его влияние на электрофизические свойства и температуру фазового перехода пленки Ge2Sb2Te5.
В таблице 3.5 приведены данные по Tп = Tx - Ty и удельным сопротивлениям тонких пленок при 25 (а) и 200 С (кр). Как видно из данных, представленных в Таблице 3.5 и на Рисунке 3.19, для образцов без защитной пленки и с защитной пленкой различной толщины значения удельного сопротивления аморфной фазы и температуры перехода из аморфного состояния в кристаллическое близки для всех планарных структур, что свидетельствует о минимальном влиянии защитного слоя на них.
В то же время, использование защитного слоя SiOx позволяет избежать деградации электрического контакта, что позволяет существенно снизить удельное сопротивление планарных образцов после кристаллизации, а соответственно и зафиксировать действительный перепад удельного сопротивления между двумя фазовыми состояниями исследуемых пленок. Это объясняется более надежными измерениями закристаллизовавшейся пленки, поэтому все последующие измерения электрофизических характеристик проводились на образцах с защитным слоем SiOx толщиной не менее 0,5 мкм. 3.4. Электрофизические и температурные характеристики оптимизированных планарных структур тонких пленок на основе материалов квазибинарного разреза Sb2Te3 - GeTe
Анализ температурных зависимостей удельного сопротивления оптимизированных планарных структур (Рисунок 3.20), измеренных при напряженности поля E = 1103 В/см (U = 0,7 В), характерной для линейной зависимости тока от напряжения в тонких пленках ХСП [108], показал, что для всех исследуемых составов на основе материалов системы Ge-Sbe, можно выделить три диапазона с общими закономерностями изменения удельного сопротивления от температуры. Первые два диапазона изменения от комнатной температуры до 100 С и от 100 до 170 C согласуются с диапазонами, описанными ранее в разделе 3.2.1. Однако за счет использования оптимизированных структур удалось зафиксировать удельное сопротивление тонких халькогенидных пленок при температурах выше 170 С.
Эффект памяти в структурах с вертикальным расположением электродов
Генератор импульсов Г5-61 формирует на образце и последовательно соединенном с ним сопротивлении нагрузки (R1 = 700 Ом) прямоугольный импульс напряжения с задаваемыми амплитудой от 0,1 до 5 В и длительностью от 1 до 9999 нс [133]. Формируемый импульс напряжения обладает малой длительностью фронта и среза импульса, что является обязательным условием для стабильного проведения операций записи/перезаписи информации в ячейках энергонезависимых устройств фазовой памяти.
Падение напряжения на вертикальной структуре фиксируется цифровым запоминающим осциллографом LeCroy WaveRunner 44Xi с использованием высокоомного активного пробника LeCroy ZS-1000.
Стандартные пассивные пробники, обладающие высоким входным сопротивлением и емкостью, имеют хорошую АЧХ на низких частотах, но их входное сопротивление уменьшается на высоких частотах, что приводит к значительным искажениям сигнала из-за низкого параллельного сопротивления в схеме [135]. В связи с этим для измерения падения напряжения на структуре был использован активный пробник LeCroy ZS-1000, обладающий высоким входным сопротивлением 1 МОм и малой входной емкостью 0,9 пФ. Использование данного пробника позволило уменьшить влияние сопротивления цепи и обеспечило высокую достоверность сигнала.
Запоминающий осциллограф LeCroy WaveRunner 44Xi является многоканальным, что позволяет одновременно проводить измерение напряжения на исследуемой структуре и контролировать подаваемый импульс на выходе с генератора.
Электрическое переключение тонких пленок GST225 при импульсном напряжении Основываясь на результатах электрического переключения на постоянном напряжении (см. раздел 4.3.2), амплитуда подаваемого одинарного прямоугольного импульса была выбрана равной 4 В. Продолжительность импульса задавалась равной 600 нс.
На Рисунке 4.22 представлены формируемый импульс напряжения на выходе с генератора и изменение напряжения на исследуемой тонкопленочной структуре, фиксируемые запоминающим осциллографом.
В таблице 4.3 представлены характеристики импульса на выходе с генератора, определенные в соответствии с [136]. Амплитуда импульса (U0) составила 4В, выброс на вершине (h1) - 0,15 В (3,75 %), неравномерность вершины (hn), характеризующая отклонение вершины от горизонтальной линии, не превысила 0,1 В (2,5 %). Длительность импульса (tимп) составила 597 нс, длительности фронта (tф) и среза (tc) по 22 нс (3,7 %). Процентное соотношение параметров рассчитывалось относительно значений амплитуды и длительности импульса. 5 Измерения: импульс на выходе генератора напряжение на структуре 4 Б ftW4W . f
Величина тока, протекающего по измерительной электрической схеме (Рисунок 4.23), определялась по напряжению (U1) на сопротивлении нагрузки (R1), а напряжение на сопротивлении нагрузки — как разность поданного напряжения (U0) и напряжения (U2) на исследуемой структуре (RGST).
Б-В. По прошествии 160 нс с момента подачи импульса амплитудой 4 В (E = 2,6105 В/см) на структуру на ВАХ наблюдается область с отрицательным дифференциальным сопротивлением, связанным с переходом исследуемой тонкой пленки из ВС в НС. Продолжительность перехода составляет 10 нс.
В-Г. Тонкая пленка GST225 находится в низкоомном состоянии и после снятия напряжения сохраняет его, что было подтверждено подачей повторного импульса напряжения (Рисунок 4.25).
По напряжению, измеренному на тонкой пленке Ge2Sb2Te5, были определенны следующие параметры: сопротивление пленки, находящейся в высокоомном состоянии (RВС); сопротивление пленки, находящейся в низкоомном состоянии (RНС); время начала переключения (tth) и время окончания переключения (tsw) из ВС в НС, определяемые по линиям тренда (см. Рисунок 4.22). Данные результаты представлены в Таблице 4.4.
В результате, проведенные исследования показали, что падение напряжения на тонкой пленке GST225 наблюдалось через 160 нс с момента подачи импульса. Данное падение напряжения связано с переходом от ВС (0,02 МОм) в НС (0,2 кОм). Время перехода составляет 10 нс, время нахождения в НС 430 нс. Повторное измерение показало, что тонкая пленка сохраняет НС, что подтверждает сохранение информации после снятия напряжения со структуры (см. Рисунок 4.24) [133]. Таким образом, время записи логической «1» составляет 170 нс, что значительно меньше, чем время записи информации в флэш-памяти ( 10 000 нс [2]).
1. Анализ полученных ВАХ тонких пленок материалов на основе квазибинарного разреза Sb2Te3 - GeTe в диапазоне от комнатной температуры до 70 С выявил три характерных участка с различными зависимостями тока от напряжения при слабых (E 1103 В/см, U 0,7 В), средних (1103 В/см E 1104 В/см, 0,7 U 7 В) и сильных (E 1104 В/см, U 7 В) электрических полях. Показано, что для слабых полей характерна линейная зависимость тока от напряжения, для средних – степенная зависимость, для сильных – степенная или экспоненциальная зависимости.
2. Оценены энергии активации проводимости для тонких пленок GST147, GST124, GST225 в области слабых полей. Построены энергетические диаграммы данных тонких пленок, показавшие, что энергия активации проводимости GST225 (0,29 эВ) и GST124 (0,28 эВ) для линейного участка ВАХ лежат вблизи середины щели по подвижности (Eg = 0,61 эВ для GST225 и 0,54 эВ для GST124). Наблюдаемое увеличение энергии активации проводимости при переходе по квазибинарному разрезу Sb2Te3 - GeTe от GST147 к GST225 связано с изменением ширины щели по подвижности и плотности состояний в ней. Для состава GST147 Ea = 0,22 эВ смещена несколько ближе к потолку валентной зоны (Eg = 0,51 эВ), что можно объяснить увеличением вклада в проводимость переноса носителей заряда по локализованным состояниям, а также смещением уровня Ферми ближе к потолку валентной зоны из-за изменения распределения плотности состояний в щели по подвижности и/или изменения подвижности носителей заряда.
3. Показано, что в двойном логарифмическом масштабе ВАХ образцов исследуемых составов в диапазоне 1103 E 1104 В/см имеют линейные участки, которые аппроксимируются степенными зависимостями тока от напряжения. Подобная зависимость характерна для токов, ограниченных пространственным зарядом. Оценено положение уровня Et, наиболее сильно ограничивающего протекание тока для тонких пленок GST147 (0,20 эВ), GST124 (0,28 эВ) и GST225 (0,29 эВ) в области средних полей, расположение которого близко или несколько ниже энергии активации проводимости для линейного участка. При движении по квазибинарному разрезу от GeTe к Sb2Te3 наблюдается изменение положение уровня Et, что может быть связано с увеличением ширины щели по подвижности и перераспределением плотности состояний в щели по подвижности. В частности, было установлено, что при переходе от GST225 к GST147 плотность состояний Nt увеличивается с 8,01014 до 2,11016 см-3, что может быть обусловлено увеличением количества оборванных связей с ростом концентрации более слабых связей Sbe.
4. Исследования структур с вертикальным расположением электродов подтвердили, что на основе тонких пленок GST225 могут формироваться ячейки переходящие из состояния логического «0» в «1» за счет электрического переключения. Успешная запись логической “1” подтверждается повторными измерениями, продемонстрировавшими, что кристаллизация программируемой области в структуре с вертикальным расположением электродов не приводит к разрушению пленки халькогенидного полупроводника и появлению закоротки или обрыва контакта между алюминиевыми электродами.
5. Исследовано электрическое переключение тонких пленок GST225 при измерении ВАХ на статическом напряжении с использованием прижимного зонда. При достижении порогового значения напряжения Uth = 3,6 В (Eth 2,4105 В/см) происходит электрическое переключение активной области из высокоомного состояния в низкоомное. Переключение сопровождается резким увеличением тока, протекающего через структуру, и уменьшением сопротивления активной области с 2 МОм до 0,2 кОм. При этом при переключении на ВАХ наблюдается область отрицательного дифференциального сопротивления (ОДС). Повторное измерение ВАХ, показало, что активная область сохранила низкоомное состояние c сопротивлением 200 Ом, что свидетельствует об электрическом переключении с эффектом памяти, соответствующим переходу материала из аморфного состояния в кристаллическое.
