Функциональные характеристики элементов энергонезависимой памяти на основе халькогенидных полупроводников

Савинов, Иван Сергеевич

Функциональные характеристики элементов энергонезависимой памяти на основе халькогенидных полупроводников тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.10 ВАК РФ

Савинов, Иван Сергеевич АВТОР

кандидата технических наук УЧЕНАЯ СТЕПЕНЬ

Москва МЕСТО ЗАЩИТЫ

2006 ГОД ЗАЩИТЫ

01.04.10 КОД ВАК РФ

Диссертация по физике на тему «Функциональные характеристики элементов энергонезависимой памяти на основе халькогенидных полупроводников»

Автореферат диссертации на тему "Функциональные характеристики элементов энергонезависимой памяти на основе халькогенидных полупроводников"

На правах рукописи

САВИНОВ Иван Сергеевич

ФУНКЦИОНАЛЬНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ЭЛЕМЕНТОВ ЭНЕРГОНЕЗАВИСИМОЙ ПАМЯТИ НА ОСНОВЕ ХАЛЬКОГЕНИДНЫХ ПОЛУПРОВОДНИКОВ

Специальность: 01.04.10. - Физика полупроводников

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва 2006

Работа выполнена на кафедре "Полупроводниковая электроника" Московского энергетического института (технического университета)

Научный руководитель: доктор физико-математических наук, профессор

Воронков Эдуард Николаевич

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор

Усов Николай Николаевич

кандидат технических наук Боровов Герман Иванович

Ведущая организация: Рязанская Радиотехническая Академия

Защита состоится 19 мая 2006 г. в К-102 в 15 час. 30 мин. на заседании диссертационного совета Д 212.157.06 при Московском энергетическом институте (техническом университете) по адресу: Москва, Красноказарменная ул., д. 14.

Отзывы (в двух экземплярах, заверенные печатью) просим направлять по адресу: 111250, Москва, Красноказарменная ул., д. 14, Ученый совет МЭИ.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке МЭИ (ТУ).

Автореферат разослан «__» 2006 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета Д 212.157.06

д.т.н., доцент Мирошникова И. Н.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ Актуальность темы.

За десятилетия, прошедшие с момента открытия халькогенидных стеклообразных полупроводников (ХСП) и изготовления первых энергонезависимых устройств памяти, произошло существенное повышение степени интеграции схем, а так же общего технологического уровня производства микросхем, что позволило создать схемы энергонезависимой памяти ("флэш-память"), которые в значительной степени стимулировали развитие не только промышленной, но и бытовой электроники. В ряде ведущих фирм начались разработки микросхем памяти на основе ХСП. Проектировщиков привлекает, прежде всего, возможность разработки на их основе схем большой емкости, превосходящих современную флэш-память как по объему, так и по скорости записи. Для создания элементов энергонезависимой памяти нового поколения необходимо выполнить исследования комплексных быстрых процессов, протекающих в малых объемах ХСП в условиях высокой энергетической накачки. Отсутствие надежных физических инструментов для таких исследований делает особо актуальными численные расчеты, основанные на адекватных моделях, которым и посвящена настоящая работа. Создание адекватных моделей запоминающей ячейки и соответствующих расчетных программ позволит оптимизировать проектировании таких элементов и схем на их основе. Кроме того, как показывает практика, наличие расчетных инструментов позволяет значительно сократить сроки и стоимость разработки.

В связи с этим, основная цель работы заключалась:

1. в создании физико-математической модетти. адекватно описывающей процессы в запоминающей ячейке на основе ХСП;

2. в численном моделировании динамики процессов, происходящих в активной среде на различных стадиях функционирования запоминающей ячейки;

3. выполнения численных расчетов основных характеристик ячейки;

4. подтверждение адекватности использованных моделей путем сравнения расчетных и экспериментальных результатов.

Для достижения поставленных целей необходимо было решить следующие задачи:

1. На основе детального анализа литературных, а так же собственных

данных, ___- -У^вчвные этапы

экспериментальных

(ИОНАЛЬНАЯ| БИБЛИОТЕКА С.1 0«

функционирования запоминающей ячейки и для каждого из них определить критические процессы и возможные классы моделей, пригодных для их описания.

2. Для каждого из критических процессов разработать модели позволяющие связать функциональные характеристики ячейки с физическими процессами в ней, параметрами материала, режимами перезаписи информации, условиями эксплуатации.

3. Разработать расчетные методы и соответствующие алгоритмы, пригодные для выполнения компьютерного эксперимента на базе использованных физических моделей.

4. Выполнить численный расчет основных процессов, определяющих функционирование ячейки.

5. На основе сравнения экспериментальных результатов и резульгатов численного моделирования оценить адекватность использованных моделей и возможности их использования при оптимизации параметров энергонезависимых запоминающих ячеек с фазовыми переходами. Объекты и методы исследований.

• Основными объектами исследований являются тонкие пленки халькогенидных стеклообразных полупроводников, предназначенные для изготовления элементов энергонезависимой памяти на основе ХСП, а также сами элементы памяти, разрабатываемые для их применения в PRAM.

• Основным методом исследования процессов и характеристик элементов памяти является численное моделирование.

• Основными методами оценки достоверности полученных результатов является их сравнение с опубликованными экспериментальными результатами, а так же отдельные целевые эксперименты.

Научная новизна:

1. Разработана физико-математическая модель многостадийного процесса перезаписи информации в запоминающей ячейке на основе ХСП, пригодная для выполнения численных экспериментов при инженерном проектировании ячеек, используемых в PRAM,

2. Показано, что параметры переключения запоминающего элемеша в состояние с высокой проводимостью наиболее достоверно описываются моделью перколяаионного пробоя;

3. Показано, что такие параметры включения ячейки как пороговое напряжение, время задержки определяются параметрами электрическою

пробоя пленки ХСП и на их величину тепловые процессы оказывают малое влияние:

4. Показано, что хаотические флуктуации электрического поля, генерируемого и захваченного заряда приводят к развитию случайных перколяционных путей, которые стабилизируются тепловыми эффектами. При этом на заключительной стадии перколяционного пробоя в разрядном промежутке возникает один канал, соединяющий электроды по кратчайшему пути.

5. Выполнено численное моделирование фазового перехода из расплавленного в стеклообразное состояние, результаты которого удовлетворительно описывают наблюдающуюся в экспериментах зависимость теплоемкости материала от температуры и скорости закалки.

6. Выполнено численное моделирование динамики процессов кристаллизации при различных режимах перезаписи для запоминающей среды с различными характеристическими параметрами.

Практическая ценность. Полученные результаты закладывают базу для расчета и проектирования новою поколения микросхем энергонезависимой памяти.

Результаты, полученные в данной работе, могут быть использованы в разработках микросхем энергонезависимой памяти, основанных на фазовых переходах и электромиграции примесей.

Результаты работы могут способствовать поиску новых материалов, перспективных для применения в элементах памяти с фазовыми переходами.

Измерительно-программный комплекс, разработанный при выполнении данной работы может быть использован для создания автоматизированного лабораторного практикума, предназначенного для изучения студентами параметров полупроводниковых приборов и материалов.

Основные положения, выносимые на защиту:

1. Физико-математическая модель многостадийного процесса перезаписи информации в ячейке энергонезависимой памяти на основе ХСП.

2. Перколяционная модель пробоя и выполненные на ее основе численные расчеты.

3. Результаты численного моделирования фазовых превращений, происходящих в запоминающей ячейке на основе ХСП

4. Результаты анализа влияния ионизации дефектов в приконтактной области на высоту барьера и вероятность инжекции заряда в объеме ХСП.

Реализация результатов. Основные результаты исследования вошли составной частью в работу, выполненную совместно МЭИ (ТУ) и НПО Всероссийский электротехнический институт но федеральной целевой программе "Интеграция" (тема № 1155970 2001 - 2004 г.г.), результаты по численному моделированию перколяционного пробоя вошли составной частью в работу, поддержанную фантом 05-02-164 91 РФФИ.

Разработанные в процессе выполнения работы отдельные программные модули моделирования полупроводниковых приборов были использованы при создании работ дистанционного учебного практикума по курсу "Электроника и микроэлектроника". Лабораторный практикум для моделирования и экспериментального определения параметров полупроводниковых приборов, разработанный с использованием результатов диссертационной работы, демонстрировался на выставке "Современная образовательная среда" (ВВЦ, 29 октября - 1 ноября 2003, 2004 г.г.). На разработанный программно-аппаратный комплекс "Твердотельная электроника" Федеральной службой по интеллектуальной собственности выдано свидетельство о решетрации № 2004611555 от 13.09.2004 г.

Апробация работы. Результаты работы изложены в 9 работах, которые приведены в списке опубликованных рабо1, а также докладывались на следующих конференциях и семинарах:

1. IV Международная конференция "Аморфные и микрокристаллические полупроводники". Санкт-Петербург, 5-8 июля 2004 г.

2. Международный научно-технический семинар "Шумовые и деградационные процессы в полупроводниковых приборах". Москва, МЭИ. 2003,2004 гл.

3. Международная научно-техническая конференция студентов и аспирантов "Радиоэлектроника, этекгротехника и энергетика", Москва, МЭИ 2003, 2004 г.г.

Личный вклад автора.

Автору принадлежат основные физические идеи, положенные в основу моделей функционирования ячейки энергонезависимой памяти с фазовым переходом стекло-кристалл, их реализация путем создания программных средств и выполнения численного моделирования, модернизация измерительных установок для контроля оптических и электрических свойств тонких пленок ХСП. В разработке модели перколяционного пробоя автору

принадлежат идеи, положенные в основу расчетного алгоритма, создание программы, выполнение численного эксперимента и сравнение результатов расчета с экспериментом.

Объем и структура работы.

Диссертация состоит из введения, трех глав, заключения, списка публикаций автора и списка цитируемой литературы. Объем работы составляет 141 страниц, включая 78 рисунков, 3 таблиц, 2 приложений. Список цитируемой литературы включает 118 наименований.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении дано обоснование актуальности темы и практической значимости работы, а также сформулированы её цели, научная новизна, перечислены положения, выносимые на защиту.

В первой главе на основе литературных данных рассмотрено применение стеклообразных полупроводников в современных элементах энергонезависимой памяти. Рассмотрены принципы функционирования этих элементов, их конструкции и характеристики.

Функциональная область в ячейках энергонезависимой памяти с ХСП средой может находиться в различных фазовых состояниях. В процессе перезаписи информации она может быть как в твердом, так и в размягченном состояниях, в процессе хранения информации она может быть в кристаллическом (поликристаллическом) или стеклообразном (аморфном) состоянии. Переход из одного состояния в другое осуществляется импульсами тока, обеспечивающими определенный режим разогрева или охлаждения рабочей области. В связи с этим в данной главе особое внимание уделено рассмотрению обратимых фазовых переходов расплав - стекло - кристалл и методов их моделирования. Подробно рассмотрены особенности фазовых переходов в халькогенидных стеклообразных материалах, приведены примеры фазовых диаграмм соединений наиболее перспективных для применения устройствах памяти.

Для применения в устройствах энергонезависимой памяти с обратимыми фазовыми переходами жидкость - стекло - кристалл требуются материалы со сравнительно невысокими энергиями фазовых переходов и соответственно низкими температурами стеклования. В поисках оптимальных составов были исследованы как двухкомпонентные, так трехкомпонентные и четырехкомпонентные системы на основе халькогенидов Те, Se, S При выборе

системы, пригодной в качестве запоминающей среды, одно из основных условий заключалось в том, чтобы кристаллическая фаза обладала низким сопротивлением. С этой точки зрения наиболее интересными оказались сосланы на основе Ое 8Ь;Тег, со столбчатой структурой. Для этих материалов при переходе из стеклообразного в кристаллическое (поликристаллическое; состояние электропроводность изменяется более чем на четыре порядка, что следует считать вполне приемлемым для энергонезависимых ячеек памяти.

Однако помимо наличия проводящей поликрис галлической фазы для устройств памяти чрезвычайно важным параметром является скорость перехода из стеклообразного в поликристаллическое состояние, поскольку именно 'поI параметр, в конечном счете, определяет быстродействие ячейки, и, соответственно, всего устройства. Причем, если скоростью плавления поликристаллического шнура можно управлять, изменяя мощность импульса стирания, то скорость кристаллизации определяется, в основном, физико-химическими свойствами материала. Было обнаружено, что для многокомпонентных систем эта скорость выше, чем для систем с простым составом. Кроме того, эта скорость тем выше, чем ниже температура размягчения стекла Тг; кроме того, скорость перехода из разупорядоченного в упорядоченное состояние наиболее высокая в материалах, отвечающих псевдобинарным составам.

На стабильность параметров запоминающих элементов значительное влияние может оказывать структурная релаксация. Величина и скорость структурной релаксации в значительной степени зависят от предыстории образца. Отмечено, что структурную релаксацию можно связать с необратимым уменьшением дефектных конфигураций и соответственным уменьшением избыточного свободного объема. Уменьшение дефектных конфигураций в процессе релаксации должно проявляться в изменении электрофизических свойств материала, и при температуре Тя концентрация замороженных дефектов должна достигать равновесного значения. При этом соответственно должны стабилизироваться и свойства материала.

В литературном обзоре так же рассмотрен вопрос о влиянии сильных электрических полей на электронные свойства ХСП. Отмечены недостатки модели пробоя ХСП, основанной на механизме умножения носителей путем ударной ионизации. Кратко рассмотрен механизм пробоя, основанный на рекомбинации с участием возбужденных близнецовых пар, не требующего разгона свободных электронов до высоких энергий, позволивший объяснить наблюдающиеся в эксперименте аномальные 1емпературные зависимости.

На основании результатов анализа литературных данных, делается вывод

о том, что физико-математические модели, достаточно полно описывающие основные стадии функционирования запоминающих ячеек на основе ХСП и пригодные для численного моделирования их характеристик, отсутствуют.

Имеющихся в публикациях данных недостаточно для понимания электронных процессов, происходящих в ХСП в сильных электрических полях, и приводящих к электрическому пробою халькогенидных стеклообразных полупроводников.

Вторая глава посвящена исследованию начальной стадии цикла перезаписи, а именно образованию токового канала в среде находящейся в стеклообразном состоянии и помещенной в сильное электрическое поле.

Известно, что стеклообразные полупроводники имеют высокую концентрацию свободных носителей заряда по сравнению с диэлектриками, однако, эти носители значительную часть времени проводят в локализованном состоянии, что и является причиной низкой проводимости этих материалов. Сильное электрическое поле способно увеличивать время, проводимое носителями заряда в свободном состоянии. Именно это свойство аморфных материалов и легло в основу модели перколяционного пробоя, результаты численного расчета которой изложены в данной главе.

При построении модели допускалось, что плоский разрядный промежуток заполнен материалом, в котором происходит случайная генерация свободного заряда, локализованного в некоторой области. Вероятность генерации заряда возрастает с увеличением значения температуры и напряженности электрического поля. Через некоторое время, за счет захвата ловушками, свободный заряд исчезает, однако он може1 появиться в другом месте, так что при заданных условиях должна существовать некоторая, определяемая статистикой, средняя концентрация свободных носителей. Пространственное распределение носителей в каждый отдельный момент является случайным. В равновесных условиях функция, описывающая генерацию в каждой точке непрерывного пространства (в модельном представлении клеточного), одна и та же. Какая-либо пространственная корреляция отсутствует, следствием чего является однородность электрических свойств образца по всему объему. Равновесные условия сохраняются до тех пор, пока на образец не наложено электрическое поле. Влияние электрического поля проявляется в гом, что вероятность генерации свободного заряда возрастает. Падение напряжения на областях с повышенной концентрацией свободного заряда оказывается меньшим, чем на аналошчных областях, не содержащих свободный заряд. Благодаря этому эффекту приложенное напряжение оказывается в основном сосредоточенным на областях с низкой проводимостью, что в свою очередь,

повышает вероятность образования в них свободного заряда и в конечном счете приводит к нарушению пространственной однородности образца. Предполагается, что интенсивность исчезновения свободного заряда слабо зависит от значения приложенного напряжения и в первом приближении может считаться постоянной.

При достаточно большой напряженности электрического поля вероятность смыкания отдельных областей с повышенной проводимостью увеличивается и возрастает вероятность образования проводящего канала, соединяющего электроды и приводящего к возникновению электрического пробоя. В том случае, когда концентрация проводящих областей достигает некоторого порогового значения, между электродами возникает перколяционный путь. Таковы исходные физические предпосылки модели, свойства которой были исследованы численным моделированием.

В использованной модели влияние электрического поля на вероятность генерации заряда учитывалось с помощью следующей зависимое!и:

, ,В-С-Е\ ...

р = \- Лехр(----) (1)

где р - вероятность генерации заряда, Е и Г, соответственно, нормированные значения напряженности электрического поля и температуры, А, В, С, у -зависящие от свойств материала параметры.

Момент возникновения пути, замыкающего электроды, принималась за начало пробоя. Время от момента приложения заданного напряжения до момента образования непрерывного, проводящего пути между электродами рассматривается как время задержки пробоя. Напряжение, соответствующее возникновению проводящего пути при фиксированном времени наблюдения, считалось пороговым (напряжением включения).

Численные расчеты начальной стадии включения выполнены как с учетом, так и без учета тепловых эффектов. При этом показано, что введение тепловых эффектов не оказывало заметного влияния на начальной стадии развития пробоя, поскольку их роль становится доминирующей после возникновения перколяционных путей. При дальнейшем развитии пробоя под действием выделяющегося тепла перколяционный путь может измениться и так же как и количество перколяционных каналов. Выделяющееся тепло приводит к стабилизации флуктуаций таким образом, что на заключительной стадии перколяционного пробоя в разрядном промежутке остается один канал, соединяющий электроды по кратчайшему пути.

На основе рассмотренной модели были рассчитаны такие характеристики начальной стадии пробоя как зависимости времени задержки от напряжения

включения, зависимости времени задержки от 1емпературы, зависимости порогового напряжения от температуры, гистограммы, характеризующие при повторных включениях отклонения от средних значений как порогового напряжения так и времени задержки. Во всех случаях наблюдалось хорошее соответствие между общим характером рассчитанных и экспериментальных зависимостей.

На рис.1 в качестве примера показаны расчетные и экспериментальные характеристики переходного процесса, возникающего в том случае, когда приложенное напряжение было примерно равно среднему значению напряжения включения. Как видно из расчетных графиков, вход в пробой характеризуется возникновением и исчезновением перколяционных каналов.

1Е-006 8Е-0Э? г 6Е-С07 4Е-007 2Е-007-

I, мА

20-

10-

I 1 I ■ I1 ■—I—■—I

20 40 60 80 100

Время (отн.ед.)

0 0

о 1'° Время, мс

-I—

Рис 1. Переходной процесс при включении ячейки, результаты расчета (а), результаты эксперимента ве^Тез! А84(б)

С помощью метода Монге-Карло были рассчитаны зависимости вероятности образования проводящего пути от доли проводящих узлов решетки. Зависимости получены для квадратных решеток различных размеров. Усреднение каждой точки характеристики проводилось по 1000 выборкам, полученным при соответствующей степени заселенности.

Было также исследовано влияние геометрии облас ги на порог перколяции. Полученные результаты иллюстрируют рис. 2 и рис. 3.

Была выполнена оценка возможного влияния геометрии рабочей области на разброс электрических параметров включения. На рис.4 показано влияние площади различных решеток на относительное среднеквадратичное отклонение порога протекания №ге1 = IV, ,'(хс) от его среднего значения. Ширина решетки 1 равна 40 ячейкам, а по оси абсцисс на рис.4, откладывается ее высота.

Напротив, у решетки 2 на оси абсцисс откладывается ширина, а высота данной решетки также равна 40. Решетка 3 квадратная и размер боковой стороны квадрата равен \'40 ■ т . Таким образом, при любом значении параметра х решетки имеют равную площадь. Из рис.4, следует, что кривые ¡¥ге1 практически совпадают для всех трех решеток. Это иллюстрирует тот факт, что значение 1¥ге1 для любой двумерной решетки с квадратными ячейками зависит от общего числа ячеек в решетке и не зависит от соотношения между размерами боковых сторон.

Vм 40

+++

г-30'л

ООО

Ч9/

в м

и» Ц0 НС

Рис.2. Зависимость порога протекания от высоты решетки при

Рис.3. Зависимость дисперсии порога протекания от высоты решетки при

различных значениях ширины решетки различных значениях ширины решетки

Так как значение 1¥1е1 для порога протекания в значительной степени определяет 1¥1е1 времени задержки и разброса порогового напряжения, то можно сделать предположение о том, что увеличение общей площади образца может привести к достижению более стабильных характеристик пробоя.

Рис.4. Влияние площади решеток различного типа на относительное среднеквадратичное отклонение порога протекания от его среднею

значения

В случае, когда активная область запоминающего элемент имеег малую толщину, преимущественная эмиссия заряда с ловушек может иметь место в приконтактной области, что будет сопровождаться появлением локальною заряда и эффектом модуляции высоты барьера

Поскольку генерация заряда имеет случайный характер, так же случайной должна быть и модуляция контактного барьера. При этом локальное снижение барьера может оказывать влияние на напряжение включения. В работе был оценен этот эффект и показано, что его влияние будет усиливаться по мере уменьшения толщины пленки. На рис.5 приведен пример, демонстрирующий влияние этого эффекта на форму барьера.

Е зБ

Идеалишй еарьер

Рис.5. Семейство диаграмм потенциального барьера при различных расстояниях между цилиндрическими поверхностями траектории движения электрона

и положения иона.

В третьей I лаве описываются модели процессов кристаллизации и стеклования, излагается методика численного расчета. Также здесь приводятся результаты, полученные при моделировании основных стадий функционирования запоминающей ячейки.

Важную роль в функционировании запоминающей ячейки играет сильная взаимосвязь между процессом токопереноса и фазовым состоянием среды. В связи с этим необходимо рассмотрение динамики процесса кристаллизации, позволяющее дать ответ на вопрос о размере и пространственном расположении областей кристаллической фазы в требуемый момент времени.

Для решения этой задачи в работе был применен метод фазового поля. Данный метод отличается значительной универсальностью и применяется для исследования разнообразных фазовых переходов. Метод фазовых полей успешно используется для описания процесса кристаллизации и позволяет учесть ряд эффектов, среди которых переохлаждение на границе раздела фаз,

учет упругих деформаций, граничные эффекты в поликристаллической фазе и т.д.

Метод фазовых полей основан на следующей из теории Гинзбурга-Ландау возможности разложения плотности свободной энергии по степеням некоторого параметра <р:

/(р.Г)= /о{т)+\сср2 - \Ьф' +\сф* + ... (2)

Параметр <р носит название параметра порядка и в общем случае характеризует изменение симметрии, сопровождающее фазовый переход. Данный параметр описывает фазовое состояние системы и может быть как скалярной, так и векторной величиной.

Функционал свободной энергии системы имеет вид

Н<р.т. )={(/(«>,(3)

и может включать дополнительные члены, связанные с химическим составом, плотностью, деформациями и т.д.. Как правило, в выражении для свободной энергии учитывается вклад химической свободной энергии и энергии упругих деформаций. В этом случае переменная часть плотности свободной энергии имеет вид

Г) = +/,„< = Р(<Р,Т)< Л^^-Л^М (4)

Здесь - тензор модулей упругости, е - деформация, е''(ф) -ненапряженная деформация материала, характеризующегося параметром порядка <р. Р{'р,Т) - некоторый полином, описывающий зависимость плотности химической свободной энергии от температуры и параметра порядка. Данный полином обычно имеет вид "двойного колодца", т.е. содержит две точки минимума, разделенных точкой максимума на интервале значений, принимаемых параметром порядка.

Релаксация параметра порядка описывается зависящим от времени уравнением Гинзбурга-Ландау: да дР

5/ д<р

Здесь некоторый кинешческий коэффициент, г/г - член,

учитывающий флуктуационные процессы.

Эволюция деформаций описывается с помощью уравнений движения перемещений для случая динамической вязкоупругости:

р-е"-{С,г1*ск,)= 0 (6)

Здесь * - обозначение свертки Стилтьеса, С, - функция релаксации. Данные уравнения дополняются нестационарным уравнением теплопроводности:

рс> т- = v^:(^í)v7 + ^ (г,/) - /.<%>('>') (7)

где р- плотность, С, - объемная теплоемкость, К - теплопроводность, Т -температура, Ь - теплота плавления, ^(г,/)- плотность источников тепла, связанных с джоулевым нагревом.

На основании уравнений (5),(6) и (7) были рассчитаны зависимости доли закристаллизовавшегося материала от времени для нескольких заданных распределений температуры. На основе известных экспериментальных данных была выполнена корректировка параметров модели.

Динамика процессов стеклования и размя!чения аморфной фазы тесно связана с динамикой теплового профиля и имеет ряд важных особенностей. Так, следует отметить зависимость поглощаемой или выделяемой в единицу времени латентной теплоты от значения температуры и предыстории образца, факт протекания процессов стеклования и размягчения в достаточно широком температурном интервале, зависимость ширины данного интервала и температур размягчения и стеклования от скорости изменения температуры и т.д. Данные явления объясняются спецификой процессов структурной релаксации стекла. В работе предпола1 ается, что структурная релаксация является кооперативным иерархическим процессом, связанным с вязкоупругими свойствами среды. Для описания этого процесса в выражение (4) вводится дополнительный член, учитывающий вязкость

/•(?),£.г)= /,„ + /;„ , , = + (8)

где 7,/(и - тензор модулей вязкости, зависящий от температуры и параметра порядка. Полином Рк/(с,Г) записан таким образом, что учитывает сдвиг первого минимума п сторону больших значений <р при переохлаждении жидкости. Эго позволяет описать возрастание упорядочения жидкости при снижении температуры.

Для процессов стеклования и размягчения были рассчитаны зависимости термодинамических величин (свободная энергия, энтальпия, теплоемкое 1ь) от температуры для различных скоростей изменения температуры, построено поле параметра порядка и поле деформаций. Также построена зависимость релаксации термодинамических величин от времени.

При моделировании функционирования запоминающей ячейки одновременно учитывались все рассмотренные выше процессы. Для расчета тока было сделано упрощающее предположение о линейной зависимости тока от напряжения в объеме устройства. Благодаря этому задачу расчета распределения токов можно свести к задаче расчета сетки резисторов, сопротивление которых зависит от значения параметра порядка и температуры

Моделирование запоминающей ячейки проводилось для двухмерного случая, конструкция ячейки (рис.6) представляла собой упрощенный вариант ячейки фирмы Оуопух, отражающий основные особенности структуры. Были рассчитаны вольт-амперные характеристики ячейки (рис.7), вольт-омические (рис.8) и ампер-омические (рис.9) характеристики.

1E-006-I

3 2

-г

01 02 03 Напряжение, В

Рис.6. Схематическая конструкция исследуемой запоминающей ячейки. 1 электрическая и тепловая изоляция (диоксид кремгшя), 2 электроды, 3 -нагреватель

Рис.7. Вольт-амперные характеристики запоминающей ячейки. Кривая 1 - ячейка находится в состоянии SET. Кривые 2,3,4 соответствуют R£SET состоянию ячейки, которое было достигнуто при различных напряжениях стирания (2 -0.57 В, 3-0.63 В, 4- 0.7 В).

60000Е+008

г 40000F+008 О

20000Е+008

ОООООЕ+ООО

60000Е+008 -I

02 04 06 Напряжение В

Рис.8. Вольт-омические характеристики

ячейки при различном размере окна нагревателя. 1 - 8 нм, 2-20 нм, 3-40 нм

0) 4 OOOOE+OOS ■

о 2 ООООЕ-КЮ8 -

ОООООЕ+ООО-

•Л

t \\ I-

4Е007

Ток, А

8Е-007

1 2Е-006

Рис.9. Ампер-омические характеристики

ячейки при различном размере окна нагревателя 1 - 8 нм, 2-20 нм. 3-40 нм.

Также были получены распределение температуры (рис.11) при различных длительностях импульса стирания и зависимость минимального тока стирания от размера окна нагревателя (рис.10). Из результатов расчета следует, что при изменении размеров окна в основном изменяются ампер-омические характеристики.

При этом при увеличении размера окна увеличиваегся минимальный ток стирания и уменьшается сопротивление ячейки. Было выполнено сравнение характеристик ячейки при различных толщинах пленки GST. Установлено, чго изменение толщины пленки влияет в основном на сопротивление ячейки в состоянии SET и слабо влияет на значения тока и напряжения при записи и стирании.

1Е-006'

8Е-007-

6Е-007'

¿E-007

10-100 НС

---1-■-1---1---1

О 10 20 30 40 Ширина контактного окна нм

Рис.10. Зависимость юка стирания от размера окна нагревателя.

-г

0 40 80 120

Расстояние от центра ячейки,нм

Рис. 11. Распределение температуры при различных длительностях токового импульса стирания.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

На основании проведенной экспериментальной работы и результатов

численного моделирования можно сделать следующие выводы.

1. Разработана физико-математическая модель функционирования запоминающей ячейки на основе ХСП, удовлетворительно описывающая основные стадии ей работы: включение, запись и стирание информации.

2. Показано, что перколяционная модель пробоя удовлетворительно объясняет процессы, происходящие при включении запоминающей ячейки (setting) и может быть принята за основу при численных расчетах.

3. Результаты численного моделирования стадии включения, и их сравнение с экспериментом, свидетельствуют о том, что такие параметры как

пороговое напряжение и время задержки определяются параметрами элекгрического пробоя пленки ХСП, при этом тепловые процессы оказывают слабое влияние на их значения.

4. Численные расчеты, выполненные на основе перколяционной модели, дают правильную зависимость от температуры порогового напряжения и времени задержки, а так же зависимость времени задержки от величины приложенного напряжения.

5. Покачано, что применение перколяционной модели пробоя позволяет оценить влияние характеристик материала и геометрии рабочей области на разброс параметров включения ячейки.

6. Показано, что хаотические флуктуации электрического поля, генерируемого и захваченного заряда, приводят к развитию случайных перколяционных путей, которые стабилизируются тепловыми эффектами таким образом, что на заключительной стадии включения в разрядном промежутке возникает один канал, соединяющий электроды по кратчайшему пути.

7. Показано, что возникновение в результате полевой эмиссии заряда с ловушек, локализованного в приконтактной области, может приводить к снижению барьера и, соответственно, будет способствовать снижению порогового напряжения и локализации тока уже на начальной стадии пробоя. Данный эффект, в принципе может быть ответственным за то, что в длинных зазорах развитие стримерною пробоя в ХСП, как правило, происходи со стороны анода.

8. Показано, что при увеличении размера окна увеличивается минимальный ток стирания и уменьшается сопротивление ячейки.

9. Установлено, что изменение толщины пленки халькогена влияет в основном на сопротивление ячейки в состоянии SET и слабо влияет на значения тока и напряжения при записи и стирании

Таким образом можно считать, что в результате выполнения данной работы были созданы физико-математические модели, описывающие основные стадии функционирования запоминающей ячейки на основе ХСП, предложен алгоритм их расчета; выполнен численный расчет динамики процессов для основных функциональных областей работы ячейки; проведено сравнение полученных результатов с экспериментальными, которое показало адекватность использованных моделей и возможность их применения при проектировании элементов памяти на основе ХСП.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ ИЗЛОЖЕНЫ В СЛЕДУЮЩИХ РАБОТАХ

1. Савинов И.С. Возникновение электроусталости в МОП структурах в результате снижения высоты потенциального барьера при полевой ионизации атомов диэлектрика // ФТП. - 2005. - №5. - С. 623 - 626.

2. Файрушин А.Р., Савинов И.С. Влияние полевой ионизации атомов диэлектрика на ток утечки в МОП структуре // Радиоэлектроника, электротехника и энергетика: Тез. докл. 10 Международной научн.-техн. конф. аспирантов и студентов. Изд-во МЭИ. - 2004. - С.246 -248.

3. Савинов И.С., Файрушин А.Р. Моделирование динамики пробоя с использованием стохастических закономерностей// Радиоэлектроника, электротехника и энергетика: Тез. докл. 10 Международной научн.-техн. конф. аспирантов и студентов. Изд-во МЭИ. - 2004. - С.242 - 244.

4. Файрушин Л.Р., Савинов И.С. Формирование стримерного пробоя в тонких пленках стеклообразных полупроводников // Шумовые и деградационные процессы в полупроводниковых приборах (метрология, диагностика, технология). Материалы докл. науч. - техн. семинара (Москва, 3-6 декабря 2002 г.). М.:МНТОРЭС им. A.C. Попова. МЭИ. -2003. - С.224-228.

5. Воронков Э.Н., Савинов И.С., Файрушин А.Р. Моделирование динамики электрического пробоя стеклообразных полупроводников// Вестник МЭИ. - 2004. - №5. - С. 86 - 90.

6. Савинов И С., Файрушин А.Р., Воронков Э.Н. Моделирование динамики пробоя аморфных полупроводников. // Шумовые и дарадационные процессы в полупроводниковых приборах (метрология, диагностика, технология): Материалы докл. науч. - техн. семинара (Москва, 1-5 декабря 2003 г.). М.:МНТОРЭС им. A.C. Попова, МЭИ. - 2004. - С.168-172.

7. Савинов И.С., Дудников A.C., Воронков Э.Н. Анализ причин нестабильности тонкого подзатворного диэлектрика МОП транзисторов. // Шумовые и деградационные процессы в полупроводниковых приборах (метрология, диагностика, техноло1ия): Материалы докл. науч. - техн. семинара (Москва, 3-6 декабря 2002 г.). М.:МНТОРЭС A.C. Попова, МЭИ. - 2003.-С.215-220.

8. Файрушин А.Р., Савинов И.С., Дудников A.C., Воронков Э.Н. Формирование стримерного пробоя в тонких пленках стеклообразных полупроводников// Шумовые и деградационные процессы в полупроводниковых приборах (метрология, диагностика, технология):

J(?P6A

20 »-7B65

Материалы докл. науч. - техн. семинара. М..МНТОРЭС A.C. Попова, МЭИ. - 2004.-С.215-220.

Воронков Э.Н., Савинов И.С., Файрушин А.Р. Моделирование динамики пробоя стеклообразных полупроводников. Аморфные и микрокристаллические полупроводники. Сборник трудов IV Международной конференции (5-7 июля 2004 г. Санкт-Петербург). РАН, Физико-технический институт им. А.Ф. Иоффе РАН. С.Пб. СпбГУ. -2004.-С. 9-10.

Подписано в печать0& зак. Ш Тир. №С' Пл. Полиграфический центр МЭИ (ТУ) Красноказарменная ул., д. 13

Содержание диссертации автор исследовательской работы: кандидата технических наук, Савинов, Иван Сергеевич

ВВЕДЕНИЕ.

1. ЭЛЕМЕНТЫ ЭНЕРГОНЕЗАВИСИМОЙ ПАМЯТИ НА ОСНОВЕ СТЕКЛООБРАЗНЫХ ПОЛУПРОВОДНИКОВ.

1.1. Свойства стеклообразных полупроводников как среды памяти.

1.1.1. Фазовые состояния халькогепидпых полупроводников.

1.1.2. Структурные особенности стекла.

1.1.3. Электрофизические свойства.

1.2. Применение стеклообразных полупроводников в ячейках энергонезависимой памяти.

1.2.1. Эффект переключения в стеклообразных полупроводниках.

1.2.2. Применение ячеек памяти на основе ХСП в современных устройствах энергонезависимой памяти (PRAM).

1.3. ПРИМЕНЕНИЕ МОДЕЛЕЙ МОЛЕКУЛЯРНОЙ ДИНАМИКИ ДЛЯ

ИССЛЕДОВАНИЯ ФАЗОВЫХ ТРАНСФОРМАЦИЙ.

1.3.1. Рост кристаллов из аморфной фазы.

1.4. Постановка и обоснование задач исследования.

2. МОДЕЛИРОВАНИЕ НАЧАЛЬНОЙ СТАДИИ ЦИКЛА ЗАПИСИ -ОБРАЗОВАНИЯ ТОКОВОГО КАНАЛА В СРЕДЕ, НАХОДЯЩЕЙСЯ В СТЕКЛООБРАЗНОМ СОСТОЯНИИ.

2.1. Механизм перколяциопного пробоя.

2.2. Построение модели модели перколяциопного пробоя.

2.3. Результаты численного расчета.

2.4. Оценка возможности влияния заряда, в приконтактпой области па высоту барьера и локализацию тока.

2.5. Сравнение численных расчетов с экспериментальными данными.

2.6. Выводы.

3. МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССОВ ПРИ ФАЗОВЫХ ПЕРЕХОДАХ С

УЧАСТИЕМ СТЕКЛООБРАЗНОГО СОСТОЯНИЯ.

3.1. Моделирование переходов стекло-расплав, расплав-стекло.

3.1.1. Построение модели.

3.1.2. Результаты моделирования.

3.2. Моделирование процесса кристаллизации.

3.2.1. Построение модели.

3.2.2.Результаты моделирования.

3.3. Выводы.

Введение диссертация по физике, на тему "Функциональные характеристики элементов энергонезависимой памяти на основе халькогенидных полупроводников"

Актуальность темы. Халькогенидные стеклообразные полупроводники (ХСП) были открыты в середине 50-х годов Н.А. Горюновой и Б.Т. Коломийцем [1]. Исследования, выполненные в физико-техническом институте им. А.Ф. Иоффе РАН, а также в ведущих исследовательских центрах мира, стимулировали интерес к электронным свойствам не только стеклообразных полупроводников, но и вообще к аморфным материалам и их применению. Совместными усилиями теоретиков и экспериментаторов были разработаны основы физики полупроводниковых материалов с неупорядоченной структурой, что позволило понять особенности электронных процессов в них и приступить к созданию принципиально новых материалов с аморфной или близкой к ним структурой [2-19]. В качестве успешных примеров реализации этого направления в технических устройствах можно отметить широкое применение аморфных полупроводников в солнечных панелях, устройствах отображения информации, а также в качестве оптических запоминающих сред.

В начале 60-х годов Б.Т. Коломийцем с сотрудниками был открыт и исследован эффект переключения, проявлявшийся в резком уменьшении сопротивления изготовленных из ХСП образцов при приложении к ним напряжения, большего некоторой величины [20]. С. Овшинским был предложен ряд применений этого эффекта в микроэлектронике [21]. Им был изготовлен ряд составов, на основе которых были разработаны ячейки памяти, остававшиеся после переключения в состоянии с высокой проводимостью и после отключения источников энергии [22]. Энергонезависимое запоминание проводящего состояния осуществлялось поликристаллической нитью, которая образовывалась в канале, соединяющем два электрода, находившиеся па разных сторонах образца. Расплавление и быстрая закалка рабочей области короткими электрическими импульсами вновь переводили материал рабочей области в стеклообразное состояние, обладающее низкой проводимостью. Таким образом, на основе фазовых переходов стекло - кристалл - расплав - стекло, были созданы первые энергонезависимые элементы памяти. В этих элементах ХСП использовалось в качестве активной среды [23,24]. Применение кремниевой технологии и тонких пленок ХСП позволило создать первые энергонезависимые микросхемы памяти, которые выдерживали до 106 циклов перезаписи, при длительности цикла перезаписи не превышающим несколько мс [25]. Однако, низкая надежность этих схем не позволила им найти широкого применения. Основной причиной их ненадежности был сравнительно низкий технологический уровень того времени.

За десятилетия, прошедшие с момента открытия ХСП и изготовления первых энергонезависимых устройств памяти, произошло существенное повышение степени интеграции схем, а так же общего технологического уровня производства микросхем. Это позволило создать схемы энергонезависимой памяти ("флэш-память"), которые в значительной степени стимулировали развитие не только промышленной, но и бытовой электроники. По существу было создано новое, высокорентабельное и быстро развивающееся направление. Стремление улучшить параметры существующих схем энергонезависимой памяти заставило разработчиков вновь обратить внимание на функциональные двухэлектродные элементы памяти. В ряде ведущих фирм начались разработки микросхем памяти на основе ХСП. Проектировщиков привлекает, прежде всего, возможность разработки на их основе схем большой емкости, превосходящих, современную флэш-память кок по объему, так и по скорости записи. Для создания элементов энергонезависимой памяти нового поколения необходимо выполнить исследования комплексных быстрых процессов, протекающих в чрезвычайно малых объемах ХСП в условиях высокой энергетической накачки. Отсутствие надежных физических инструментов для таких исследований делает особо актуальными численные расчеты, основанные на адекватных моделях, чему и посвящена настоящая работа. Создание моделей запоминающей ячейки и соответствующих расчетных программ позволит оптимизировать проектирование таких элементов и схем на их основе. Кроме того, как показывает практика, наличие расчетных инструментов позволяет значительно сократить сроки и стоимость разработки.

В связи с этим, основная цель работы заключалась:

1. в создании физико-математической модели, адекватно описывающей процессы в запоминающей ячейке па основе ХСП;

3. выполнения численных расчетов основных характеристик ячейки;

Для достижения поставленных целей необходимо было решить следующие задачи:

1. На основе детального анализа литературных, а так же собственных экспериментальных данных, выделить основные этапы функционирования запоминающей ячейки и для каждого из них определить критические процессы и возможные классы моделей, пригодных для их описания.

2. Для каждого из критических процессов разработать модели, позволяющие связать функциональные характеристики ячейки с физическими процессами в ней, параметрами материала, режимами перезаписи информации, условиями эксплуатации.

4. Выполнить численный расчет основных процессов, определяющих функционирование ячейки.

5. На основе сравнения экспериментальных результатов и результатов численного моделирования оценить адекватность использованных моделей и возможности их использования при оптимизации параметров энергонезависимых запоминающих ячеек с фазовыми переходами.

Объекты и методы исследований.

Основными объектами исследований являются тонкие пленки халькогенидных стеклообразных полупроводников, предназначенные для изготовления элементов энергонезависимой памяти на основе ХСП, а также сами элементы памяти, разрабатываемые для их применения в PRAM.

Основным методом исследования процессов и характеристик элементов памяти является численное моделирование.

Основными методами оценки достоверности полученных результатов является их сравнение с опубликованными экспериментальными результатами, а так же отдельные целевые эксперименты.

Научная новизна:

Разработана физико-математическая модель, многостадийного процесса перезаписи информации в запоминающей ячейке на основе ХСП, пригодная для выполнения численных экспериментов при инженерном проектировании ячеек, используемых в PRAM,

Показано, что параметры переключения запоминающего элемента в состояние с высокой проводимостью наиболее достоверно описываются моделью перколяционного пробоя;

3. Показано, что такие параметры включения ячейки как пороговое напряжение и время задержки определяются параметрами электрического пробоя пленки ХСП и па их величину тепловые процессы оказывают малое влияние:

4. Показано, что хаотические флуктуации генерируемого и захваченного заряда, вызывающие перераспределение напряженности электрического поля, приводят к развитию случайных перколяционных путей, которые стабилизируются тепловыми эффектами. При этом на заключительной стадии перколяционного пробоя в разрядном промежутке возникает один канал, соединяющий электроды по кратчайшему пути.

5. Выполнено численное моделирование фазового перехода из расплавленного в стеклообразное состояние, результаты которого правильно описывают наблюдающуюся в экспериментах зависимость теплоемкости материала от температуры и скорости закалки.

Практическая ценность. Полученные результаты закладывают базу для расчета и проектирования нового поколения микросхем энергонезависимой памяти.

Результаты, полученные в данной работе, могут быть использованы в разработках микросхем энергонезависимой памяти, основанных па фазовых переходах и электромиграции примесей.

Измерительно-программный комплекс, разработанный при выполнении данной работы, может быть использован для создания автоматизированного лабораторного практикума, предназначенного для изучения студентами параметров полупроводниковых приборов и материалов.

Основные положения, выносимые на защиту:

1. Физико-математическая модель, многостадийного процесса перезаписи информации в ячейке энергонезависимой памяти на основе ХСП.

2. Перколяционная модель пробоя и выполненные на ее основе численные расчеты.

3. Результаты численного моделирования фазовых превращений, происходящих в запоминающей ячейке на основе ХСП;

Реализация результатов. Основные результаты исследования вошли составной частью в работу, выполненную совместно МЭИ (ТУ) и НПО Всероссийский электротехнический институт по федеральной целевой программе "Интеграция" (тема № 1155970 2001 - 2004 г.г.), результаты по численному моделированию перколяциопного пробоя вошли составной частью в работу, поддержанную грантом 05-02-164 91 РФФИ.

Апробация работы. Результаты работы изложены в 8 работах, которые приведены в списке опубликованных работ, а также докладывались на следующих конференциях и семинарах:

1. IV Международная конференция "Аморфные и микрокристаллические полупроводники", Санкт-Петербург, 5-8 июля 2004 г.

2. Международный научно-технический семинар "Шумовые и деградационные процессы в полупроводниковых приборах", Москва, МЭИ. 2003, 2004 г.г.

3. Международная научно-техническая конференция студентов и аспирантов "Радиоэлектроника, электротехника и энергетика", Москва, МЭИ 2003, 2004 г.г.

Личный вклад автора.

Заключение диссертации по теме "Физика полупроводников"

Выводы

Предложенная модель кристаллизации и стеклования удовлетворительно объясняет основные процессы, происходящие при фазовых переходах типа расплав-стекло, расплав-кристалл и может быть принята за основу при численных расчетах.

Показано, что при увеличении размера окна увеличивается минимальный ток стирания и уменьшается сопротивление ячейки. Установлено, что изменение толщины пленки халькогена влияет в основном на сопротивление ячейки в состоянии SET и слабо влияет на значения тока и напряжения при записи и стирании.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

На основании результатов численного моделирования, выполненных экспериментов, а так же анализа литературных данных можно сделать следующие выводы.

3. Результаты численного моделирования стадии включения, и их сравнение с экспериментом, свидетельствуют о том, что такие параметры как пороговое напряжение и время задержки определяются параметрами электрического пробоя пленки ХСП, при этом тепловые процессы оказывают слабое влияние на их значения.

4. Численные расчеты, выполненные на основе перколяциоиной модели, дают правильную зависимость от температуры порогового напряжения и времени задержки, а так же зависимость времени задержки от величины приложенного напряжения.

5. Показано, что применение перколяциоиной модели пробоя позволяет оценить влияние характеристик материала и геометрии рабочей области на разброс параметров включения ячейки.

6. Показано, что хаотические флуктуации электрического поля, генерируемого и захваченного заряда приводят к развитию случайных перколяционных путей, которые стабилизируются тепловыми эффектами таким образом, что на заключительной стадии включения в разрядном промежутке возникает один канал, соединяющий электроды по кратчайшему пути.

7. Показано, что возникновение в результате полевой эмиссии заряда с ловушек, локализованного в приконтактной области, может приводить к снижению барьера и, соответственно, будет способствовать снижению порогового напряжения и локализации тока уже на начальной стадии пробоя. Данный эффект, в принципе может быть ответственным за то, что в длинных зазорах развитие стримерного пробоя в ХСП, как правило, происходи со стороны анода.

СПИСОК ОПУБЛИКОВАННЫХ РАБОТ

Савинов И.С. Возникновение электроусталости в МОП структурах в результате снижения высоты потенциального барьера при полевой ионизации атомов диэлектрика. // ФТП. - 2005. - № 5. - С. 623 - 626. Файрушин А.Р., Савинов И.С. Влияние полевой ионизации атомов диэлектрика на ток утечки в МОП структуре // Радиоэлектроника, электротехника и энергетика: Тез. докл. 10 Международной научн.-техн. конф. аспирантов и студентов. Изд-во МЭИ. - 2004. - С.246. Савинов И.С., Файрушин А.Р. Моделирование динамики пробоя с использованием стохастических закономерностей// Радиоэлектроника, электротехника и энергетика: Тез. докл. 10 Международной научн.-техн. конф. аспирантов и студентов. Изд-во МЭИ. - 2004. - С.242. Файрушин А.Р., Савинов И.С. Формирование стримерного пробоя в тонких пленках стеклообразных полупроводников // Шумовые и деградационные процессы в полупроводниковых приборах (метрология, диагностика, технология): Материалы докл. науч. - техн. семинара (Москва, 3-6 декабря 2002 г.). - М.:МНТОРЭС им. А.С. Попова, МЭИ. - 2003. - С.224-228.

Воронков Э.Н., Савинов И.С., Файрушин А.Р. Моделирование динамики электрического пробоя стеклообразных полупроводников// Вестник МЭИ. - 2004. - № 5. - С. 86 - 90.

Савинов И.С., Файрушин А.Р., Воронков Э.Н. Моделирование динамики пробоя аморфных полупроводников. // Шумовые и деградационные процессы в полупроводниковых приборах (метрология, диагностика, технология): Материалы докл. науч. - техн. семинара (Москва, 1-5 декабря 2003 г.). - М.:МНТОРЭС им. А.С. Попова, МЭИ. - 2004. - С. 168-172.

Савинов И.С., Дудников А.С., Воронков Э.Н. Анализ причин нестабильности тонкого подзатворного диэлектрика МОП транзисторов. // Шумовые и деградационные процессы в полупроводниковых приборах (метрология, диагностика, технология): Материалы докл. науч. - техн. семинара (Москва, 3-6 декабря 2002 г.).

- М.:МНТОРЭС А.С. Попова, МЭИ. - 2004. - С.215-220. Файрушин А.Р., Савинов И.С., Дудников А.С., Воронков Э.Н. Формирование стримерного пробоя в тонких пленках стеклообразных полупроводников// Шумовые и деградационные процессы в полупроводниковых приборах (метрология, диагностика, технология): Материалы докл. науч. - техн. семинара (Москва, 3-6 декабря 2002 г.).

- М.:МНТОРЭС А.С. Попова, МЭИ. - 2004. - С.215-220.

Воронков Э.Н., Савинов И.С., Файрушин А.Р. Моделирование динамики пробоя стеклообразных полупроводников. Аморфные и микрокристаллические полупроводники. Сборник трудов IV Международной конфернеции (5-7 июля 2004 г. Санкт-Петербург). РАН, Физико-технический институт им. А.Ф. Иоффе РАН. С.Пб. СпбГУ. - 2004. - С. 9-10.

Список источников диссертации и автореферата по физике, кандидата технических наук, Савинов, Иван Сергеевич, Москва

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

2. Мотт Н., Дэвис Э. Электронные процессы в некристаллических веществах. М.: Мир, 1974. - 368 с.

3. Губанов А. И. Квантово-электронная теория аморфных полупроводников. М.-Л.: Изд-во АН СССР, 1963. - 467 с.

4. Электронные явления в халькогенидных стеклообразных полупроводниках / Л. П. Казакова, Э. А. Лебедев, Э. А. Сморгонская; Под. ред. К. Д. Цэндина. СПб.: Наука, 1996. - 319 с.

5. Устройства памяти на основе халькогенидных стеклообразных полупроводников / А.И. Попов, Э.В. Воронков, Н.Н. Усов и др. // Сборник научных трудов по проблемам микроэлектроники. МИЭТ. Москва. 1979.-С. 113-122.

6. Ioffe A. F., Regel A. R. Non-Crystalline, amorphous and liquid electronic semiconductors // Progress in semiconductors. London. 1960. - V. 4. - P. 231-238.

7. Kastner M. Bonding bands, lone-pair bands, and impurity states in chalcogenide semiconductors // Phys. Rev. Lett. 1972. - V. 28, - № 6. - P. 355-357.

8. Anderson P.W. Model for the electronic structure of amorphous semiconductors // Phys. Rev. Lett. 1975. - V. 34. - № 15. - P. 953-955.

9. Adler D., Yoffa E.J. Electronic structure of Amorphous semiconductors // Phys. Rev. Lett. 1976. - V. 36. - №20. - P. 1197-1200.

10. Habbard J. Electron correlation in narrow energy bands // Proc. Roy. Soc. A. 1963.- V. 276.- P.238.

11. Street R.A., Mott N.F. States in the gap in glassy semiconductors // Phys. Rev. Lett. 1975.-V. 35.-№ 19.-P. 1293-1296.

12. Kastner M., Adler D., Fritzsche H. Valence-alternation model for localized gap states in lone-pair semiconductors // Phys. Rev. Lett. 1976. - V. 37. -№22.-P. 1504-1507.

13. Неупорядоченные полупроводники / Под. ред. Айвазова А.А. М.: Высшая, школа, 1995.

14. Kastner М., Hudgens S.J. Evidence for the neutrality of luminescence centres in chalcogenide glasses//Phil. Mag. B. 1978. - V.37.-№2. - P. 199-215.

15. Kastner M. Defects in lone-pair semiconductors: the valence-alternation model and new directions // Journ. of Non-Cryst. Solids. 1980. - V. 35. - P. 807-817.

16. Попов H.A. Новая модель в халькогепидных стеклообразных полупроводниках // Письма в ЖЭТФ. 1980. - Т.31. - № 8. - С. 139-142.

17. Попов Н.А. Квазимолекулярные дефекты в халькогенидных стеклообразных полупроводниках// ФТП. 1981. - Т. 15. -№ 2. - С.369-374.

18. Фельц. А. Аморфные и стеклообразные неорганические твердые тела. -М.: Мир, 1986.

19. Дембовский С.А., Зюбин А.С., Григорьев Ф.В. Моделирование гипервалентиых конфигураций, пар с переменной валентностью, деформированной структуры и свойств a-S и a-As2S3 // ФТП. 1998. -Т.32. -№8. С. 944-951.

20. Коломиец Б.Т., Лебедев Э.А. Вольтамперная характеристика точечного контакта со стеклообразным полупроводником. Радиотехника и электроника. 1964. - Т.8. - С. 2097 - 2098.

21. Ovshisky S.R. Symmetrical current controlling device.// Pat. USA. № 3281591, publ. 20.11.1963.-P.307-885.

22. Ovshisky S.R., Fritzsche H. Amorphous semiconductjrs for switching,memory, and imaging applications.// IEEE Trans, on ED 1073. V. ED-20. -№2.-P. 91 - 105.

23. Усов II.H. и др. Способ изготовления тонкоплепочных переключателей. Авт. Свидетельство Кл. 2910423.

24. Боровов Г.И. Устойчивость фазовых состояний в стеклообразных полупроводниках и устройствах памяти па их основе. Кандидатская диссертация. М. МЭИ. - 1981.

25. Усов Н.Н. и др. Свойства некристаллических ПИЗУ на основе аморфных переключателей. // Микроэлектроника. 1980. - Т.6. - вып.4 - С. 134.

26. Рылов Б.Н. Размытые фазовые переходы. Рига. Зинатне. 1972. 312 с.

27. Mayer J.E., Streeter S.F. On the classification of phase transitions J. Chem. Phys. - 1939. - V. 7. — № 3. - P. 1019-1027.

28. Ландау Л.Д., Лифшиц E.M. Статистическая физика. M. Наука, 1976. -584 с.

29. Золотухин И.В., Калинин Ю.Е., Стогней О.В. Новые направления физического материаловедения. Воронеж. Изд. ВГУ. 2000. с. 157.

30. Ulhman D.// J. Non.-Cryst. Sol. 1972. - V. 7.-№4-P.337.

31. Ковнеристый Ю.К., Осипов Ю.А, Трифонов Е.А. Физико-химические основы создания аморфных металлических сплавов. — М.: Наука. 1990. 195 с.

32. Виноградова Г.З. Стеклообразовапие и фазовые равновесия в халькогнидных системах М.: Наука 1984. - 174 с.

33. Feltz A., Lipmann F.J., Maul W. About the vitreous systems GeTeJ and GeTeSi and the influence of microphase separation on semiconducting behavior of Ge-Te glasses. J. Non-Cryst. Solids. 1972. - V. 8. - P. 64 - 71.

34. Ovonic Unified Memory. ECD. 2002. - paper 12/99 (Non-Confidential).

35. Даринский Б.М., Калинин Ю.е. Дефекты струтктуры в аморфных материалах.// Структура, структурные превращения и магнитные свойства аморфных металлических сплавов. М.: Металлургия. - 1986.-С. 48-51.

36. Судзуки К., Фудзимири X., Хасимото К. Аморфные металлы. М.: Металлургия, 1987. - 328 с.

37. Иванова B.C., Баланкин А.С., Бунин И.Ж., Оксогенов А.А. Синергетика и фракталы в материаловедении. М.: Наука, 1994. - с.269.

38. Тамман Г. Стеклообразное состояние. M.-JT. ОНТИ, 1935.

39. Zahariasen W.H. The atomic arrangement in glass // J. Amer. Chem. Soc. -1932. V. 54. - № 10. - P. 3842 - 3851.

40. Немилов C.B. Стеклообразное состояние. Наука: Санкт-Петербург, 1988.

41. Тарасов В.В. Проблемы физики стекла. М.: Стройиздат, 1979. - 255 с.

42. Бартенев Г.М. Сверхпрочные и высокопрочные неорганические стекла.- М.: Стройиздат, 1974.

43. Бартенев Г.М. Строение и механические свойства неорганических стекол. М.: Стройиздат, 1966.

44. Дембовский С.А. Чечеткина Е.А. Стеклообразовапие. М.: Наука, 1990. -278 с.

45. Закис Ю.Р. Дефекты в стеклообразном состоянии вещества Рига: Зинатне, 1984.-202 с.

46. Landa L., Landa К., Thomsen S. Uncommon description of common glasses.- V. 1 Fundamentals of the united theory of glass formation and glass transition. St. Pt. Yanus. 2004. - P. 136.

47. Бакай А.С. Поликластерные аморфные тела. М.: Энергоатомиздат, 1987- 192 с.

48. Graham I.S., Piche L., Grant Martin Model for dynamics of structural glasses / Phys. Rev. E. Vol. 55. -№3 - 1997. - P.2132 - 2144.

49. Popov A. Atomic structure and structural modification of glass/ Semiconductors and semimetals. 2004. - V. 78. - P. 51-95.

50. Мюллер P.Jl. Электропроводность стеклообразных веществ. JI. ДГУ,1968.-252с.

51. Джуа М. История химии. М.: Мир, 1975.-480 с.

52. Hot electrons in amorphous silicon / G. Juska, K.Arlauskas, К. Kocka et al.// Phys. Rev. Lett. 1995.-V. 75.-№16.-P. 2984-2987.

53. Колобаев B.B. Возникновение генерационно-рекомбипационной неустойчивости в тонкопленочных структурах // ФТП. 1999. - Т.ЗЗ. -Вып.4. - С.423 - 424.

54. Arkhipov V.I., Kasap S.O. Is there avalanche multiplication in amorphous semiconductors? // J. of Non-Cryst. Solids. 2000. - V. 266-269. - P. 959 -963.

55. Коломиец Б.Т., Лебедев Э.А. Вольт-амперная характеристика точечного контакта со стеклообразным полупроводником // Радиотехника и электроника. 1963. - Т. 8. - Вып. 12. - С. 2097-2098.

56. Ovshinsky S.R. Reversible electrical switching phenomena in disordered structures//Phys. Rev. Lett. 1968. - V. 21.-№20.-P. 1450-1453.

57. Ovshinsky S.R., Fritzsche H. Amorphous semiconductors for switching, memory and imaging applications // IEEE Trans. Electron. Dev. 1973. — V. ED-20. - №2. - P. 91 -105.

58. Adler D., Shur M.S., Silver M., Ovshinsky S.R. Threshold switching in chalcogenide-glass films //J. Appl. Phys. 1980. - V. 51. -№ 6. - P. 32893309.

59. Petersen E.A., Adler D. A model for the on-state of amorphous chalcogenide threshold switches // J. Appl. Phys. 1979. - V. 50. - № 7. - P. 5065-5072.

60. Adler D., Henisch H.K., Mott N. The mechanism of threshold switching in amorphous alloys // Reviews of modern physics. 1978. - V. 50. - № 2. - P. 209-221.

61. Petersen E.A., Adler D. On state of amorphous threshold switches // J. Appl. Phys. 1976. - Vol. 47 - № 1. - P. 256-263.

62. Petersen E.A., Adler D. Electronic nature of amorphous threshold switching //

63. Appl. Phys. Lett. 1975. - V. 27. - № 11. - P. 625-627.

64. Adler D. Switching phenomena in thin films // J. Vac. Sci. Technol. 1973. -V. 10.-№5.-P. 728-738.

65. Adler D., Moss S.C. Amorphous memories and bistable switches // J. Vac. Sci. Technol. 1972. - V. 9. - № 4. - P. 1182-1190.

66. Walsh P.J., Vogel R., Evans E. Conduction and electrical switching in amorphous chalcogenide semiconductor films // Phys. Rev. 1969. - V. 178. -№3. - P. 1274-1279.

67. Vezzolli G.C., Walsh P.J., Doremus L.W. Threshold switching and the on-state in non-crystalline semiconductors. An interpretation of threshold switching research // J. Non-Ciyst. Solids. 1975. - V. 18. - № 3. - P. 333373.

68. Коломиец Б.Т., Лебедев Э.А., Цэндин К.Д. Электронно-тепловая природа низкоомного состояния, возникающего при переключении ХСП //ФТП.- 1981.-Т. 15.-№ 2.-С. 304-310.

69. Henisch Н.К., Pryor R.W., Ventura G.J. Characteristics and mechanism of threshold switching // J. Non-Cryst. Solids. 1972. - V. 8-10. - P. 415-421.

70. Бонч-Бруевич В.Л., Звягин И.П., Миронов А.Г. Доменная электрическая неустойчивость в полупроводниках. М.:Наука, 1972.

71. Костылев С.А., Шкут В.А. Электронное переключение в аморфных полупроводниках. К.: Наукова думка, 1978.

72. Меден А., Шо М. Физика и применение аморфных полупроводников. — М.: Мир, 1991.

73. Глебов А.С., Петров И.М. Физика и применение токовой неустойчивости в стеклообразных полупроводниках. Рязань: Узорочье, 2000.

74. Gill М., Lowrey Т., Park J. Ovonic Unified Memory A High-performance Nonvolatile Memory Technology for Stand Alone Memory and Embedded Applications // Proceedings of 2002 IEEE International Solid State Circuits1. Conference, 2002.

75. Lai S. "OUM A 180 nm Non-Volatile Memory Cell Element Technology For Stand Alone and Embedded Applications" // Proceedings of IEEE International Electron Devices Meeting (IEDM), 2001.

76. Ovshinsky S.R. Amorphous materials the key to new devices // IEEE Proc. of CAS. - 1998. - V. l.-P. 33.

77. Chalcogenide-based non-volatile memory technology / J. Maimon, E. Spall, R. Quinn, S. Schnurr // IEEE Aerospace, 2001.

78. Total dose radiation response and high temperature imprint characteristics of chalcogenide based RAM resistor elements / S.Bernacki, K. Hunt, S. Tyson et al. // IEEE Trans. Nuc. Sci. 2000. Vol. 47. - № 6. - P. 2528-2533.

79. Neale R. Amorphous nonvolatile memory: the past and the future // Electronic Engineering. 2001. - P. 67-78.

80. Full integration and reliability evaluation of phase-change RAM based on O.24um-CMOS technologies / Y.N. Hwang, S.H. Lee, S.Y. Lee et al. // Proceedings of VLSI technology, 2003.

81. Gopalan C., Balakrishnan M., Kozicki M.N. Programmable Metallization Cell memory// Observed laboratory results, Arizona State University, 2003.

82. Коломиец Б.Т., Лебедев Э.А., Рогачев 11.А. Шпунт B.X. Световое излучение при переключении в халькогенидных стеклах // ФТП. 1972. -Т. б.-Вып 1.-С. 197-199.

83. Walsh P.J., Sachio I., Adler D. Electroluminescence from the on state of a thin-film chalcogenide glass // Appl. Phys. Lett. 1978. - V. 37. - № 7. - P. 593-595.

84. Vezzolli G.C. Radative emission during the threshold on-state of a chalcogenide amorphous semiconductor // J. Appl. Phys. — 1978. V. 49. -№6.-P. 3614-3615.

85. Thompson M.J., Pooladej D., Walsh P.J. Norrow band infrared emission studies from chalcogenide threshold switches // J. Non. Cryst. Solids. 1980.1. V.35.-P. 1111-1116.

86. Van Roosbroeck W. Electronic basis of switching in amorphous semiconductor alloys // Phys. Rev. Lett. 1972. - V. 28. - № 17. - P. 11201126.

87. Исследование процессов восстановления и природа низкоомного состояния, возникающего при переключении в халькогенидных стеклообразных полупроводниках / Коломиец Б.Т., Лебедев Э.А., Таксами И.А., Цэндин К.Д.//ФТП. 1983. - Т. 17.-№ 1. - С. 119-124.

88. Chen H.S., Wang Т.Т. On the theory of switching phenomena in semiconducting glasses // Phys. Status. Solid. 1970. - V.2. - № 1. - P. 7984.

89. Mott N.F. Conduction in non-crystalline systems. VII. Nonohmic behaviour and switching//Phil. Mag. 1971. - V. 24. -№ 190. - P. 911-934.

90. Mott N.F. Conduction in non-crystalline systems. II. The on-state of the threshold switches // Phil. Mag. 1975. - V. 32. - № 11. - P. 159-171.

91. Ламперт M., Марк П. Ипжекционные токи в твердых телах. М.: Мир, 1973.

92. Shaw М.Р., Holmberg D.H., Kostylev S.A. Reversible switching in thin amorphous chalcogenide films-electronic effects // Phys. Rev. Lett. 1973. V. 31.-№8.-P. 542-545.

93. Fritzsche H., Ovshinsky S.R. Electronic conduction in amorphous semiconductors and the physics of the switching phenomena // J. Non-Cryst. Solids. 1970. - V. 2. - P. 393-405.

94. Lai Stefan. Current Status of phase change memory and its future. Presentation of Intel Corporation. 2003

95. Cho W.Y., et el. "A 0.18 цт 3.0 V 64 Mb nonvolatile phase-transition random access memory (PRAM) // IEEE Journal of solid-state circuits. -2005 V. 40. - № 1. - P. 293 - 300.

96. Bording J.K., Tato J. Molecular-dynamics simulation of growth ofnanocrystalls in amorphous matrix // Phys. Rev. В. V. 62. - № 12. - P. 8098 -8103.

97. Karpov V.G., Oxtoby D.W. Nucleation in disordered systems // Phys. Rew. В. 1996. -V. 54. -№ 14.-P. 9734-9745.

98. Самарский A.A., Михайлов А.П. Математическое моделирование. Идеи, методы, примеры. М.: ФИЗМАТЛИТ, 2002. - 320с.

99. Воронков Э.Н., Савинов И.С., Файрушин А.Р. Моделирование динамики электрического пробоя стеклообразных полупроводников // Вестник МЭИ. 2004. - №5. - С. 86 - 90.

100. Воронков Э.Н., Савинов И.С., Файрушин А.Р. Моделирование динамики пробоя аморфных полупроводников. Аморфные и микрокристаллические полупроводники. // Сб. трудов IV международной конференции. РАИ РФ, ФТИ им. А.Ф. Иоффе РАН. -Изд. СПбГУ. 2004. - С. 9-10.

101. Файрушин А.Р.Влияние электрического поля на электронные процессы в стеклообразных полупроводниках. Кандидатская диссертация. М.: МЭИ. 2005.

102. Шкловский Б.И., Эфрос А.Л. Электронные свойства легированных полупроводников. М.: Наука, 1979.

103. Briere О., Halimaoui A., Chibaudo G. Breakdown characteristics of ultra thin gate oxides foloolwing field and temperature stress // Solid-State Electronics.- 1997. V.41. - №. 7. - P. 347 - 349.

104. Brozek Т., Szyper E.C., Viswanathan C.R. Polarity dependence of cumulative properties of charge to breakdown in very thin gate oxides // Solid-State

105. Electronics. 1997. - V.41. - №. 7. - P. 995 - 999.

106. Дудников A.C., Зайцев H.A. Эффект «горячих» носителей в короткоканальных КМОП-приборах // Электронная техника, сер. 3. Микроэлектроника. 2001.-вып. 1.-С. 33-37.

107. Shmidlin F.W. Enhanced tunneling through Dielectric Films due to ionic defects // J. of Appl. Phys. 1966. - V. 37. - № 7. - P. 2823 - 2832.

108. Frenkel J. On pre-breakdown phenomena in insulators and electronic semiconductors // Phys. Rev. 1938. - V. 54. - P. 647-648.

109. Suehle J.S. Ultrathin Gate Oxide Reliability: Physical Models, Statistics, and Characterization // IEEE Transactions on electron devices. 2002. - V. 49. -№6.-P. 958-971.

110. Quasi-breakdown of ultrathin gate oxide under high Field stress / S.H. Lee et al. // IEDM Tech. Dig. 1994. - P. 605-608.

111. Voronkov E.N. Pulsed breakdown of chalcogenide glassy semiconductor Films. // J. of Optoelectronics and Advanced Materials. 2002 - V. 4. - № 3. - P. 793-798.

112. L. Langa Fundamentals of the unityed theory of glass formation and glass transition. Yanus publishing house, 2004. - 18 p.

113. Ландау Л.Д., Лифшиц Е. М., Теория упругости. М. Наука, 1987. - 248 с.

114. А. Г. Угодчиков, Н.М. Хуторянский., Метод граничных элементов в механике деформируемого твердого тела. Изд. Казанского университета, 1986. - 283 с.

115. A. A. Wheeler. Phase-field model for isothermal phase transition // Phys. Rev.

116. A. 1992. - V. 28. - № 17. - P. 7424-7429.

117. G. Caginalp. Phase-field methods for interfacial boundaries // Phys. Rev. B. -1986. V. 33. - № 11. - P. 7792-7794.

118. G. Caginalp. Higher order phase model and detailed anisotropics // Phys. Rev.

119. B. 1986. - V. 34. - № 7. - P. 4940-4943.

120. Паташинский А.З., Покровский В.Л., Флуктуационная теория фазовых переходов. -М.: Наука, 1982. -382 с.

121. G. Caginalp. Phase-field models for anisotropic interfaces boundaries // Phys. Rev. E. 1993. - V. 48. - № 3. - P. 2016-2024