Содержание к диссертации
ОГЛАВЛЕНИЕ 2
ВВЕДЕНИЕ 4
1 Энергонезависимые устройства памяти с фазовыми переходами 11
1.1 Два поколения микросхем энергонезависимой памяти на основе элементов с
; фазовыми переходами. Конструкции элементов памяти 11
Основные функциональные характеристики элементов памяти с фазовыми переходами 21
Электронные процессы в активной области элемента памяти с фазовыми переходами при его перезаписи 28
Экспериментальные характеристики включения элементов памяти при фазовом переходе запоминающего объема из аморфного в кристаллическое состояние 28
Модель переключения, основанная на допущении о генерации и трансформации дефектов в сильных электрических полях 32
Генерационно-рекомбинационная модель переключения элемента памяти в состояние с высокой проводимостью 35
Кристаллизационная модель переключения элемента памяти в состояние с высокой проводимостью 39
1.4. Выводы и постановка задачи исследования 45
2. Получение экспериментальных образцов и разработка методики их измерения
46
Методика исследования 46
Экспериментальные образцы 48
і 2.2.1. Типы экспериментальных образцов 48
Исходный материал активной области (GST) 52
Нанесение пленок GST . 57
Свойства пленок GST 61
2.3. Методика измерений 62
Требования к измерительным устройствам 62
Экспериментальный стенд для измерения статических характеристик элементов памяти с фазо-переменной средой 63
Экспериментальный стенд для измерения динамических характеристик элементов памяти с фазо-переменной средой 66
2.4. Разработка методики измерения образцов 67
\ 2.4.1. Статические характеристики 67
2.4.2. Динамические характеристики 69
2.5. Выводы 71
3. Исследование включения ячеек памяти с фазовыми переходами 72
3.1. Экспериментальное исследование включения в ячейках памяти с фазовыми
переходами 72
Статические характеристики 72
Динамические характеристики 80
3.2. Разработка модели включения ячейки памяти. Сравнение экспериментальных и
расчетных результатов 88
Формулировка модели и основные допущения '. 88
Расчет порогового напряжения 95
Расчет характеристик халькогенидного полупроводника в сильных электрических полях 108
Расчет вольт-амперной характеристики 116
Расчет эмиссионной емкости 118
Расчет времени задержки 120
3.3. Разработка методики определения параметров аморфного материала с применением
эмиссионной модели 125
Разработка методики определения параметров аморфного материала из термо-полевых измерений 125
Разработка методики определения параметров активной области из
характеристик элемента памяти с фазовыми переходами 139
3.4 Выводы 145
Заключение 146
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 147
Приложения 153
Приложение 1 153
Введение к работе
Актуальность темы
Развитие современной полупроводниковой памяти является одним из основных факторов развития и внедрения современных информационных технологий. При этом особое значение имеют разработки принципиально новых типов памяти^ обладающих расширенными функциональными возможностями. Разработка технологии энергонезависимой памяти ("Flash") не только способствовало расширению функциональных возможностей и надежности традиционных аппаратных средств, но и по существу, обеспечило развитие новых быстро развивающихся сегментов рынка информационных технологий; например, мобильных средств связи (мобильные телефоны, коммуникаторы и пр.), автономных компьютерных систем (переносные компьютеры, автономные системы мониторинга и сбора данных и т.п.). Дальнейшее совершенствование энергонезависимой памяти и развитие ее технологии будет способствовать повышению быстродействия внешних устройств памяти, снижению их энергоемкости, габаритов, веса и в конечном счете стоимости. Уже в настоящее время рядом фирм на основе энергонезависимой памяти этого типа разработаны накопители емкостью 64 и более Гбайт. Что позволило применять эти микросхемы вместо жестких дисков с магнитными носителями информации.
Успех Flash памяти стимулировал исследования в области новых принципов записи и долговременного хранения информации. Ряд фирм начало практические работы в области разработки микросхем с самыми разными принципами хранения информации, поскольку устройства Flash вплотную приблизились к пределу масштабирования.
Производители микроэлектронных устройств для Flash памяти такие как Intel, Samsung и ST Electronics и др. в последние несколько лет активно
занимаются разработкой принципиально новых ячеек для хранения информации, отличных от базирующихся на сохранении заряда. Хранение данных в новых ячейках памяти основывается на различие свойств проводимости, кристаллической и аморфной фаз одного материала. Такая память получила название Phase Random Access Memory (PRAM) или память на фазовых переходах. Несмотря на то, что идея создания такого типа запоминающих ячеек была предложена пять десятилетий назад, только современные халькогенидные соединения полупроводников (ХСП), могут обеспечить параметры не уступающие параметрам характерным для Flash. Как следствие разработка и развитие PRAM устройств может привести к значительному увеличению скорости записи и объему хранимой информации. Радиационная стойкость материала будет способствовать расширению областей применения микросхем памяти с фазовыми переходами.
Для создания элементов энергонезависимой памяти нового поколения необходимо не только изучить физические процессы, происходящие в этих приборах, но и иметь расчетные соотношения, позволяющие их проектировать.
В настоящее время расчет приборов осуществляется в основном численными методами при этом основную трудность вызывает стадия включения прибора (переход из аморфной фазы в кристаллическую), поскольку отсутствует модель, удовлетворительно описывающая поведение аморфных материалов в сильных электрических полях.
До сих пор ни одна из моделей предложенных для эффекта переключения запоминающей фазо-переменной ячейки (ФПЯ) из высокоомного в низкоомное состояние не нашла широкого применения, поскольку обладает низкой точностью, либо имеются противоречия экспериментальными результатами. Адекватная модель процесса переключения в ФПЯ позволит спрогнозировать характеристики приборов на
стадии их разработки, а также создать соответствующие библиотеки для схемотехнического проектирования.
В связи с этим, основная цель работы заключалась: В комплексном исследовании свойств материала Ge2Sb2Te5 (GST 225), активной области элементов фазовой памяти, и влияние конструктивных параметров ячейки на ее функциональные характеристики. На основе полученных данных разработать аналитическую модель, адекватно описывающую стадию включения, из высокоомного в низкоомное состояние.
Для достижения поставленных целей необходимо было решить следующие задачи:
1. Разработать и ввести в эксплуатацию программно аппаратный
комплекс для исследования свойств полупроводниковых материалов в
заданном диапазоне токов, напряжений и температур.
2. Синтезировать необходимые составы ХСП и предложить технологию
изготовления экспериментальных образцов.
Изучить электрофизические свойства активного материала GST 225 в сильных электрических полях (>104В/см)
На основе детального анализа экспериментальных, а так же литературных данных, выделить основные этапы функционирования запоминающей ячейки и для каждого из них определить критические процессы и возможные классы моделей, пригодные для их описания.
Для каждого процесса стадии включения элемента памяти разработать модель позволяющую связать функциональные характеристики ячейки с физическими процессами в ней, параметрами материала, режимами перезаписи информации, условиями эксплуатации.
На базе разработанной физической модели получить расчетные
соотношения, пригодные для вычисления основных параметров ФПЯ. 7. Выполнить численный расчет процесса включения ячейки памяти и сравнить результаты расчетов с экспериментом.
Объекты и методы исследований
Основными объектами исследований являются тонкие пленки
халькогенидных стеклообразных полупроводников, предназначенные
для изготовления элементов энергонезависимой памяти на основе ХСП,
а также активные области элементов памяти PRAM.
Основные методы исследования элементов памяти заключались в
исследовании процессов происходящих в статическом и динамическом
режимах.
Основными методами оценки достоверности полученных результатов
является их сравнение с экспериментальными и литературными
данными.
Научная новизна:
Выполнены комплексные исследования и впервые получены экспериментальные данные влияния сильных электрических полей на характеристики полупроводников на основе GST.
На основе результатов экспериментального исследования выдвинуто предположение, о доминировании в сильных полях эмиссионных процессов, разработана модель, описывающая электропроводность аморфного материала. Выполнены численные расчеты и сравнение их с экспериментальными исследованиями подтверждающими адекватность данной модели.
На основе исследования статических и динамических характеристик показано, что параметры переключения запоминающего элемента в
состояние с высокой проводимостью наиболее достоверно описываются моделью перколяционного пробоя. Предложено описывающее перколяцию соотношение, позволяющее выполнить аналитический расчет основных параметров переключения и влияния на них температуры окружающей среды и режима переключения.
4. Предложен метод исследования динамики фазовых переходов путем
наложения дополнительного токового смещения, что позволило управлять средней температурой активной области.
5. Впервые в параметрах PRAM ячейки предложено учитывать значение
эмиссионной емкости.
Практическая ценность. Полученные результаты позволяют описать стадию переключения из состояния с высоким сопротивлением в состояние с-высокой проводимостью. Большинство расчетных соотношений согласуются с физическими процессами, наблюдаемыми в пленках ХСП, в сильных электрических полях. Результаты работы могут быть использованы в* разработке микросхем фазо-переменной памяти на основе тонких пленок ХСП.
Программно-аппаратный комплекс, разработанный при выполнении данной работы, может быть использован для дальнейшего исследования свойств полупроводниковых приборов и материалов.
Основные положения, выносимые на защиту:
Аналитические соотношения для перколяционной модели пробоя и выполненные на их основе численные расчеты для описания включения ФПЯ.
Модель описывающая поведение тонких пленок Ge2Sb2Te5 в высоких электрических полях.
Параметры модели, удовлетворяющие экспериментальным результатам
исследования статических и динамических характеристик элементов
памяти при различных условиях записи информации. Реализация результатов. Основные результаты исследования вошли составной частью в работу, поддержанную грантом 08-03-006 51 РФФИ.
Разработанные в процессе выполнения работы отдельные программно-аппаратные модули были использованы на кафедре «Полупроводниковая электроника» МЭИ(ТУ) в качестве лабораторного практикума для обучения студентов второго курса, специализирующихся по направлению «Твердотельная электроника», а также в соответствующий раздел курса "Системы памяти"для магистров. Кроме того, результаты разработок программно-аппаратного комплекса переменны в ИОНХ им. Н.С. Курнакова РАН, где они будут использованы для исследования характеристик новых материалов.
Апробация работы. Результаты работы изложены в 5 работах, которые приведены в списке опубликованных работ, а также докладывались на следующих конференциях и семинарах:
Международная научно-техническая конференция «Информационные средства и технологии»,Москва, МЭИ. 17-19 октября 2006 г
Международный научно-технический семинар "Шумовые и деградационные процессы в полупроводниковых приборах", Москва, МЭИ. 2004 г.г.
Научная сессия Центра хемотроники стекла им. В.В. Тарасова, посвященной 100-летию со дня рождения профессора Б.Т. Коломийца. 15 апреля 2008 г., Москва, Российский химико-технологический университет им. Д.И. Менделеева.
VI Международная конференция "Аморфные и микрокристаллические полупроводники", Санкт-Петербург, 7-9 июля 2008 г.
Первая всероссийская школа-семинар студентов, аспирантов и молодых
ученых «Наноматериалы - 2008», Рязань, 1-6 декабря 2008 г.
Личный вклад автора.
Автору принадлежит основная часть аналитических выражений описывающих эффект переключения стекло-кристалл в ячейках энергонезависимой памяти с фазовым переходом, их сравнение с экспериментальными результатами, создание измерительных установок для исследования электрических свойств тонких пленок ХСП и результаты экспериментальных исследований выполненных с их помощью. Разработка технологии получения исходных сплавов ХСП и пленок на их основе.
