Исследование стадии включения элементов энергонезависимой памяти на фазовых переходах тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.27.01, кандидат технических наук Ануфриев, Юрий Владимирович

• Ануфриев, Юрий Владимирович
• кандидат технических наук
• 2009

Оглавление диссертации кандидат технических наук Ануфриев, Юрий Владимирович

ОГЛАВЛЕНИЕ.

ВВЕДЕНИЕ.

1 Энергонезависимые устройства памяти с фазовыми переходами.

1.1 Два поколения микросхем энергонезависимой памяти на основе элементов с I фазовыми переходами. Конструкции элементов памяти.

1.2. Основные функциональные характеристики элементов памяти с фазовыми переходами.

1.3. Электронные процессы в активной области элемента памяти с фазовыми переходами при его перезаписи.

1.3.1. Экспериментальные характеристики включения элементов памяти при фазовом переходе запоминающего объема из аморфного в кристаллическое состояние.

1.3.2. Модель переключения, основанная на допущении о генерации и трансформации дефектов в сильных электрических полях.

1.3.3. Генерационно-рекомбинационная модель переключения элемента памяти в состояние с высокой проводимостью.

1.3.4. Кристаллизационная модель переключения элемента памяти в состояние с высокой проводимостью.

1.4. Выводы и постановка задачи исследования.

2. Получение экспериментальных образцов и разработка методики их измерения

2.1. Методика исследования.

2.2. Экспериментальные образцы.

2.2.1. Типы экспериментальных образцов.

2.2.2. Исходный материал активной области (GST).

2.2.3. Нанесение пленок GST.•.

2.2.4. Свойства пленок GST.

2.3. Методика измерений.

2.3.1. Требования к измерительным устройствам.

2.3.2. Экспериментальный стенд для измерения статических характеристик элементов памяти с фазо-переменной средой.

2.3.3. Экспериментальный стенд для измерения динамических характеристик элементов памяти с фазо-переменной средой.

2.4. Разработка методики измерения образцов.

2.4.1. Статические характеристики.

2.4.2. Динамические характеристики.

2.5. Выводы.

3. Исследование включения ячеек памяти с фазовыми переходами.

3.1. Экспериментальное исследование включения в ячейках памяти с фазовыми переходами.

3.1.1. Статические характеристики.

3.1.2. Динамические характеристики.

3.2. Разработка модели включения ячейки памяти. Сравнение экспериментальных и расчетных результатов.

3.2.1. Формулировка модели и основные допущения.1.

3.2.2. Расчет порогового напряжения.

3.2.3. Расчет характеристик халькогенидного полупроводника в сильных электрических полях.

3.2.4. Расчет вольт-амперной характеристики.

3.2.5. Расчет эмиссионной емкости.

3.2.6. Расчет времени задержки.

3.3. Разработка методики определения параметров аморфного материала с применением эмиссионной модели.

3.3.1. Разработка методики определения параметров аморфного материала из термополевых измерений.

3.3.2. Разработка методики определения параметров активной области из характеристик элемента памяти с фазовыми переходами.

3.4 Выводы.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Исследование стадии включения элементов энергонезависимой памяти на фазовых переходах»

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, л 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.

3. Изучить электрофизические свойства активного материала GST 225 в сильных электрических полях (>104В/см)

4. 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.

5. 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.

6. 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:

1. Выполнены комплексные исследования и впервые получены экспериментальные данные влияния сильных электрических полей на характеристики полупроводников на основе GST.

2. 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.

3. 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:

1. Аналитические соотношения для перколяционной модели пробоя и выполненные на их основе численные расчеты для описания включения ФПЯ.

2. Модель описывающая поведение тонких пленок Ge2Sb2Te5 в высоких электрических полях.

3. 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:

1. Международная научно-техническая конференция «Информационные средства и технологии»,Москва, МЭИ. 17-19 октября 2006 г

2. Международный научно-технический семинар "Шумовые и деградационные процессы в полупроводниковых приборах", Москва, МЭИ. 2004 г.г.

3. 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.

4. VI Международная конференция "Аморфные и микрокристаллические полупроводники", Санкт-Петербург, 7-9 июля 2008 г.

5. 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.

Заключение диссертации по теме «Твердотельная электроника, радиоэлектронные компоненты, микро- и нано- электроника на квантовых эффектах», Ануфриев, Юрий Владимирович

Результаты работы могут быть использованы разработчиками электронных

PRAM устройств, при расчете стадии включения элементов памяти с фазовыми переходами.

Заключение

На основании проведенной экспериментальной работы и результатов численного моделирования можно сделать следующие выводы:

1. Предложена аналитическая модель эффекта переключения в халькогенидных аморфных материалах. Выполнены расчеты влияния температуры на электропроводность тонких пленок GST согласующиеся с экспериментальными данными.

2. Разработана методика получения и исследования образцов ФПЯ на основе GST. Разработана методика изучения динамики фазовых переходов в ФЕИ путем наложения на образец, помимо возбуждающего импульса, постоянного токового смещения.

3. Разработан программно-аппаратный комплекс для измерения статических и динамических характеристик тонких пленок GST и элементов ФПЯ в диапазоне температур 173-400 К.

4. Выполнено экспериментально исследование влияния электрических полей и температуры на электропроводность тонких пленок GST.

5. Выполнено экспериментальное исследование статических и динамических характеристик ФПЯ

6. Выполнен согласующийся с экспериментальными данными расчет для вольтамперной характеристики элемента памяти для выключенного состояния.

7. Выполнены расчеты влияния параметров материала и температуры на пороговое напряжение. Результаты расчетов согласуются с экспериментальными данными.

8. Показано, что при эффекте переключения возникает эмиссионная емкость, которая может оказывать влияние на надежность работы прибора, при напряжениях включения превышающих пороговое.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Ануфриев, Юрий Владимирович, 2009 год

1. Горюнова Н.А., Коломиец Б.Т. Новые стеклообразные полупроводники // Изд. АН СССР. Сер. физ. 1956. Т.20, №12. С. 1496-1501.

2. Коломиец Б.Т., Лебедев Э.А. Вольтамперная характеристика точечного контакта со стеклообразным полупроводником.// Радиотехника и электроника. 1963, т.8, вып. 12, С. 2097 - 2098.

3. Ovshinsky S.R. Symmetrical current controlling device. Pat. USA, cl. 307 -885, № 3281591, publ. 20 IX 1963.

4. Усов H.H., Беляев Е.Я. Переключатели из стеклообразных полупроводников. //Электронная техника. Полупроводниковые приборы, 1971, № 5, С. 92 - 104.

5. Lacaita A.L. Phase change memories: State-of-art, challenges and perspective. //Solid-State Electronics 50 (2006). P. 24 - 31.

6. Lateral design for phase-change random acess memory cells with low current consumptions /Haring Bolivar, F. Merget, D.-H. Kim, H. Kurz //Europeansymposium on phase-cange and ovonic science. EPCOS Tech. Dig. 2004.

7. Non-volotile memory. A 0.18pm 3.0V 64Mb Non-Volatile Phase-Transition Random-Access Memory (PRAM)./Woo Yeong Cho, Beak-hyung Cho, Byung-gil Choi, Hyung-rok Oh, et al.//. Tech. Dig. S2. ISSCC 2004.

8. Multiple programming method and circuitry method of phase-change nonvolatile random access memory (PRAM)./ Takata M., NAKAYAMA Kazuya, KASAI Toshihiko, KITAGAWA Akio /ЛЕСЕ Trans Electron, v. E87-C, №;10. 2004, P. 1679.

9. Owen A.E., Robertson M. Electronic conduction and switching in Chalcogenide Glasses.// Electron Devices, IEEE Transactions 1973. Vol. 20, Issue 2, P. 105 122.

10. S.R.Ovshinsky, H. Fritzsche. Amorphous semiconductors for switching, memory, and imaging applications //Electron Devices, IEEE Transactions 1973. V. 20, Issue 2, P. 91-105.

11. D. Adler, H.Henisch, N. Mott. The mechanism of threshold switching in amorphous alloys //Rev. Mod. Phys. 1978 Vol.50. P.209-220.

12. Threshold Switching in chalcogenide-glass thin films./Adler D., Shur M., Silver M., Ovshinsky S.// J. Appl. Phys. 1980 Vol. 51, Issue 2, № 6. P. 3289.

13. Костылев С.А., Шкут В.А. Электронное переключение в аморфных полупроводниках.// Киев. Наукова думка. 1978. - 203 с.

14. Мотт Н., Дэвис Э. Электронные процессы в некристаллических веществах (в 2-х томах). -// М., Мир. 1982.

15. Меден А., Шо М. Физика и применение аморфных полупроводников.//1. М., Мир, 1991.-670 с.

16. Электронные явления в халькогенидных стеклообразных полупроводниках. //Под ред. Цэндина К.Д. Санк-Петербург, Наука, 1997. - 486 с.

17. Глебов А.С., Петров И.М. Физика и применение токовой неустойчивости в стеклообразных полупроводниках.// Рязань, Узорочье, 2000. - 256 с.

18. Воронков Э.Н. Импульсный пробой пленок стеклообразных полупроводников в присутствии магнитного поля. // ФТП, 1999. т. 33., вып. 8, С.997.

19. Privitera S., Bongoriono С, Zonca R. Crystal nucleation and growth processes in Ge2Sb2Ne5. //Appl. Phys. Lett. V. 84, № 22. 2004. P. 4448.

20. Nucleation switching in phase change memory./ Karpov V.G., Kryukov Y.A., Savransky S.D., Karpov IN Л Applied Physics Letters, 2007. Volume 90, Issue 12, id. 123504

21. Scaling analysis of Random Access Memory technology./ Pirovano A., Lacaita A.L, Pellizzer F., Hudgens S., Bez R. //PARM IEDM St. Microelectronic, 2003. P.29.6.1- 29.6.4

22. Se Ho Lee, Yeonwoong J, Ritesh Agarwall. Highly scalable phase-change nanowire memory.// Nature nanotechnology, vol.2, №10. 2007, P. 626

23. Kastner Ml Bonding bands, lone-pair bands, and impurity states in chalcogenide semiconductors // Phys. Rev. Lett. 1972. Vol. 28, № 6. P. 355357.

24. Ridley B.K. .Negative conductivity in semiconductors. // Proc. Phys. Soc. v.82 1963, p. 954.

25. Файрушин A.P. Влияние электрического поля на электронные процессы в полупроводниках. Диссертация. МЭИ, 2004, 133с.

26. Electronic switching in phase-change memories./Pirovano A., Lacaita A.L,

27. Benvenuty A, Pelizzer F, Bez R.// IEEE transactions jn ED, v.51, № 3, 2004, -P. 452-459.

28. Okuto К and Crowell C.R. Threshold energy effects on avalanche breakdown voltage in semiconductor junctions.// Solid State Electron., Vol.18, №2, 1975. -P. 161- 166.

29. Temperature Dependence of Phase-Change Random Access Memory Cell /Miao X.S., Shi I.P., Lee H.K., Zhao R., Tan P.K., Lim K.G., Yang H.X., Chong T.C. //Jpn. J. Appl. Phys. Part 1, 2006 ,V. 45, p. 3955.

30. Gotoh Т., Sugawara K., Tanaka K. Minimal Phase-Change Marks Produced in Amorphous Ge2Sb2Te5 Films // Jpn. J. Appl. Phys. Part. 2, 2004 V.43, p. L818.

31. Sun Z., Zhou J, Ahuja R. Structure of Phase Change Materials for Data Storage // Phys. Rev. Lett., 2006 V.96. id 055507.

32. Application of Bond Constraint Theory to the Switchable Optical Memory Material Ge2Sb2Te5 /Baker D.A., Paesler V.F., Lucovsky G, Agarwal S.C. //• Phys. Rev. Lett., 2006, V.96. id 255501.

33. Percolation breakdown of amorphous semiconductors /Voronkov E.N., Popov A.I., Savinov I.S., Fairushin A.R. // Journal of Non-Crystalline Solids, 2006, V. 352,P.1578-1581.

34. Threshold switching in chalcogenide-glass films /Adler D., Shur M.S., Silver M., Ovshinsky S.R. // J. Appl. Phys. 1980. Vol. 51, № 6. P. 3289-3309.

35. Топология фазовой диаграммы системы Ge-Sb-Te / Косяков В.И., Шестаков В.А., Шелимова Л.Е., Кузнецов Ф.А., Земсков B.C. // Неорганические материалы. 2000. - Т.36, N 10. - С.1196-1209.

36. И.Х. Абрикосов, Л.В. Порецкая, И.П. Иванова.// Ж. Неорганическая химия, 1959, №4, 2225 с.

37. E.N. Voronkov Crystallization in chalcogenide glass by differential thermal analysis measurements //J. Optoelectron. and Adv. Mater., 2002, V.4 №4 P.863-866.

38. Ануфриев. Ю.В. Температурная зависимость напряжения включения ячеек энергонезависимой памяти на основе халькогенидных полупроводников// Вестник Московского Энергетического института -М.: МЭИ, 2007. №6, С. 144-147.

39. Threshold switching in chalcogenide-glass thin films //D.Adler, M.S. Shur, M.Silver, S. Ovshinsky. J. Appl. Phys. ,1980, Vol.51, № 6 id. 3289.

40. Voronkov E. N. Calculation of threshold voltage for phase-change memory device//J. Non-Cryst. Solids, 2007,Vol.353 P. 2591-2594.

41. Stauffer D., Aharany A. Introduction to Percolation Theory. //2nd ed (Taylor and Francis, London, 1992).

42. Low-field amorphous state resistance and threshold voltage drift in chalcogenide materials /Pirovano A., Lacaita A.L., Pelizzer F., Kostylev S.A., Benevenuti А. /ЯЕЕЕ Trans on ED, 2004, Vol.51 Issue 5 P.714-719.

43. Ridley B.K. Specific negative resistance in solids. //Proc. Phys. Soc. London. 1963,Vol.82, P. 954-966.

44. Owen A.E., Robertson M. Electronic conduction and switching in chalcogenide glasses //IEEE Trans on ED. 1973, Vol. 20, issue 2, P.l05-122.

45. N.F. Mott, E.A. Davis Electron processes in non-crystalline materials. /Clarendon Press. Oxford. 1979. 2nd ed., p. 113.

46. Rudenko A.I., Arkhipov. Drift and diffusion in materials with traps.//Philosophical Magazine.Part B. 1982. Vol.45, № 2. P.209 - 226.

47. Ламперт M., Марк П. Инжекционные токи в твердых телах.//-М.: Мир, 1973.

48. S. Hudgens, В. Jonnson. Overview of phase change chalcogenide nonvolatile memory technology//MRS Bulletin 2004 vol. 29, P.829-832

49. Воронков Э.Н. Напряжение переключения элементов памяти с фазовыми переходами.//Вестник МЭИ, 2007, №4 С.105-108.