WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

загрузка...
   Добро пожаловать!

Pages:     | 1 || 3 |

Приведены основные характеристики современных элементов памяти второго поколения с активной областью на основе GST 225. Проведено сравнение характеристик PRAM первого на основе Sb, Te, As, Ge (STAG) и второго поколения GST 225. К основным причинам, приведшим к провалу первых энергонезависимых элементов памяти, с фазовыми переходами следует отнести отсутствие теоретической и технологической базы в то время. Ни одна из предложенных моделей на количественном уровне не могла предсказать параметры прибора. При этом эмпирические кривые, полученные для одного прибора, оказывались не применимыми для другого. Слабой была и технологическая база, поскольку объем непосредственно используемый для записи информации, составлял ничтожную часть от остального активного объема, так что повторная запись, как правило, осуществлялась, в новых, отличающихся по своим свойствам областях.

Показано, что развитее современных материалов и технологической базы для изготовления микросхем, позволили не только повысить надежность работы PRAM, но и значительно увеличить скорость перезаписи. Это стимулировало резкий рост исследований характеристик активной области ФПЯ.

Основные модели, описанные в данной главе, использовали следующие эффекты: механизм двойной инжекции, физико-химические изменения в программируемой области, процессы ударной ионизации и рекомбинации, зарождение центров кристаллизации вызванных полем. Была предложена модель эмиссионного пробоя, которая основывалась на концепции автоэлектронной эмиссии с ионизационных ловушек. Этот тип пробоя был назван перколяционным пробоем, он вызван физическим контактом фрагментов проводящих материалов.

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 или имеют ряд существенных недостатков:

  1. Несоответствие экспериментальным данным (термическая, кристаллизационная, ударная ионизации).
  2. Отсутствие аналитических решений, используется в основном машинный расчет.

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

Во второй главе приведены данные о синтезе исходного материала, методике изготовления образцов, методах измерения их параметров, описана созданная для измерений аппаратура.

В качестве базового в работе использован материал Ge2Sb2Te5. Выбор этого материала объясняется тем, что он обладает наиболее высокой скоростью кристаллизации и являются наиболее распространенным для изготовления активной области ячеек PRAM, что позволяет сравнивать параметры образцов, предназначенных для измерений, с имеющимися в литературе параметрами "эталонов". Отдельные измерения выполнены на материалах других составов.

Измерения выполнялись на пленках с толщиной от 20 нм до 2 мкм, полученных при вакуумной конденсации термически испаряемого материала на подложках из стекла или кварца. Термокомпенсатор присоединенный к подложке во время напыления обеспечивал равномерное охлаждение, предотвращая кристаллизацию образца.

Для контроля поверхности использовались: растровый электронный микроскоп "BS300 Tesla" (мин разр 100 нм/см), атомно-силовой микроскоп "Soever Pro-НТ-МДТ" (мин разр 10 нм/см), сканирующий электронный микроскоп "JEOL-840A". Толщина пленок контролировалась по интерференции (микроскоп "МИИ-4").

Показано, что изготовленные пленки ХСП имели состав и морфологию, типичную для стеклообразных полупроводников.

Электрические измерения в статическом режиме проводились в диапазоне токов от 10-13А до 10-2А при помощи автоматизированной установки с использованием пикоамперметра “ KEITHLEY KE 6485”. Для измерений в диапазоне температур использовался охлаждаемый жидким азотом вакуумный криостат. Динамические измерения выполнялись с помощью программируемого генератора Г5-61 и специально собранных электронных схем на импульсах длительностью от 5 нс при напряжениях до 200В и запоминающего цифрового осциллографа LeCroy 440. Для получения больших массивов данных использовалась измерительная плата National Instruments 6014, данные с которой поступали на компьютер. Математическая обработка экспериментальных данных осуществлялась с помощью стандартных математических пакетов.

В третьей главе изложены экспериментальные и расчетные результаты.

В начале главы представлены результаты измерения статических и динамических характеристик образцов.

Измерения вольтамперных характеристик аморфной пленки GST 225 при слабых электрических полях <104 В/см (планарная конструкция контактов с зазором 100 мкм) показало, что образец имел линейную зависимость ВАХ. В низких полях аморфная пленка GST ведет себя как высокоомный полупроводниковый резистор. Оценочное удельное сопротивление =11010 Омсм.

Исследования предпробойной области ВАХ в сильных электрических полях показали, что зависимость характеристики носит экспоненциальный характер. При этом с увеличением поля значительно изменяется проводимость образца вплоть до момента переключения. Тестовые измерения показали, что в тонкой пленке ХСП вплоть до напряжения переключения не происходит никаких структурных изменений. Выполнены измерения вольтамперных характеристик (ВАХ) до момента переключения при различной температуре образца. С понижением температуры напряжение переключения увеличивается. Если при комнатной температуре он для данного образца оно находилось в районе 1-3 вольта, то при -1000С может увеличится до 5 и более Вольт.

Были исследованы электропроводности GST 225 при различных температурах. Энергия активации GST 225 составила следующие значения Ea = 0.29-0.31 эВ (это примерно половина ширины запрещенной зоны GST 225), что согласуется с литературными данными.

В рамках данной работы выполнено исследование зависимости порогового напряжения от толщины пленки, пример соответствующих характеристик приведен на рис.1.

Рис. 1. ВАХ переключения пленки GST 225 для пленок разной толщины. Образец №99. (23.09.08)

Анализ зависимости толщины пленки от напряжения переключения показал линейную зависимость порогового напряжения от толщины.

Для исследования динамических характеристик на ФПЯ подавался импульс длительностью 100 нс и амплитудой Uset выше порогового напряжения для обеспечения режима “set”,подавался короткий импульс с длительностью 30 нс и амплитудой

2Uset для обеспечения режима “Reset” и импульс с амплитудой ниже пороговой ( 0,3Uset) для считывания состояния точки.

Динамические характеристики показали, что среднее время задержки для исследованных образцов варьируется от 24 до 50 нс. При длительности импульса меньше времени задержки переключение образца не происходит. Для стирания образца требуется короткий импульс с резким задним фронтом. Если длительность импульса не превышала 80 нс, запоминание проводящего состояния не происходило, вне зависимости от амплитуды импульса.

После первого цикла переключения предположительно происходит процесс формовки активной области. При этом сопротивление экспериментальной точки в аморфной фазе снижается до величин порядка 100 кОм, а время задержки снижается до нескольких наносекунд.

Для исследования динамики фазовых переходов по изменению электропроводности ячейки памяти, был предложен метод дополнительного смещающего тока. Применение постоянного токового смещения позволило регулировать среднюю температуру активной области, изменяя время процессов плавления и кристаллизации. Показано, что при определенных значениях смещающего тока возникают хаотические процессы, которые могут привести к ошибкам записи информационного бита.

Эффект переключения является одной из стадий функционирования ФПЯ и составляет предмет рассмотрения в данной диссертации, одной из задач которой является не только его экспериментальное исследование, но и создание расчетной модели.

Поскольку любая модель должна адекватно объяснять поведение прибора, наблюдаемое в эксперименте, перечислим основные особенности эффекта переключения.

  • Процесс включения происходит через время задержки td после того, как к электродам прибора приложено напряжение, превосходящее по амплитуде Vth.
  • Пороговое напряжение Vth уменьшается с ростом температуры.
  • Пороговое напряжение пропорционально расстоянию между электродами d, т.е. пороговое поле Eth. Величина порогового поля (14) 105 В/см.
  • Время задержки td уменьшается с ростом амплитуды переключающего импульса. Время задержки является уменьшающейся функцией температуры.
  • Через время td возникает нестабильность, приводящая к установлению включенного состояния. Время переключения td не более чем 10-10 с.
  • Во включенном состоянии ток протекает в токовом канале (шнуруется).
  • В ФПЯ после переключения требуется некоторое время tf для того, чтобы зафиксировать проводящее состояние переводом запоминающего объема в кристаллическое состояние, таким образом, время записи 1

составляет t =td +tf.

На рис. 2 приведены упрощенные энергетические диаграммы и распределение плотностей состояний использованные в теоретической модели. Через Ec и Ev обозначены края разрешенных зон, Eg – ширина запрещенной псевдо зоны, B – эмиссионный барьер для дырок, F – уровень Ферми. Поскольку эмиссия идет с ловушек, расположенных вблизи уровня Ферми, принималось B = F. На диаграмме показаны ловушки вблизи уровня Ферми (Ne). и валентной зоны (Nt). Мелкие ловушки равномерно распределены в энергетическом зазоре E0. Величина E0 характеризует только те ловушки, которые взаимодействуют с зоной в течение времени задержки td. Мелкие ловушки участвуют в захвате дырок с последующим их освобождением (уровни прилипания), однако они не могут служить первичными источниками дырок. В запрещенной зоне могут присутствовать другие энергетические уровни. Они не показаны на рис. 2, поскольку не оказывают значительного влияния на рассматриваемые процессы.

Рис. 2. Распределение энергетических уровней участвующих в эмиссионной проводимости и схема распределения заряда: a. перераспределение заряда между уровнями в сильных электрических полях. Обозначения на рисунке: e – электроны, h – дырки;

б. распределение плотности электронных состояний.

Наложение электрического поля должно способствовать увеличению вероятности эмиссии дырок, что должно привести к появлению на зависимости тока от напряжения сверх линейного участка. Вероятность эмиссионного вклада в проводимость рассчитывалась по следующей формуле:

, (1)

где Е – напряженность электрического поля, k – постоянная Больцмана, T – температура (K), B – ионизационный барьер, q – заряд электрона, – длина свободного пробега, A – масштабный коэффициент. Величина q··E характеризует разогрев носителей полем. При этом в образце появляются отдельные области с высокой проводимостью.

Ток ФПЯ имеет две компоненты: Ic ток проводимости, создаваемый равновесными дырками, и Iem – эмиссионный ток, создаваемый дырками эмитированными под действием высокого поля с центров Ne. При полях близких к пороговому Eth, величина равновесной концентрации пренебрежимо меньше концентрации эмиттерованных дырок.

Модель, используемая для расчета начальной стадии процесса переключения ФПЯ в проводящее состояние, базируется на допущении, что в высоком электрическом поле возникают динамические проводящие области, локализованные в пространстве. Проводящая область содержит, по крайней мере, одну проводящую ячейку с длиной ребра. Эти модельные ячейки формируют пространственную структуру с кубической симметрией. Заряд распределен по объему не равномерно, т.е. возникают динамические проводящие области локализованные в пространстве. Пространственное распределение проводящих ячеек в структуре изменяется через время = /v, где v – средняя тепловая скорость. Если приложенное поле постоянно, то их пространственное распределение может изменяться, однако общее число проводящих ячеек постоянно и ток через структуру так же постоянен. Число дырок, которые дают вклад в эмиссионную проводимость равно числу проводящих ячеек: NeP(E), таким образом P(E) характеризует долю пространства, заполненную проводящими ячейками. Согласно рассмотренной модели, расчет сводится к определению электрического поля, при котором заполнение пространства проводящими областями достигает перколяционного порога. При этом соотношение между порогом перколяции и полем переключения примет вид:

, (2)

где Pth – порог перколяции, Eth – пороговое значение электрического поля.

С повышением температуры член, обусловленный перколяцией, приводит к уменьшению пороговой напряженности, однако это уменьшение весьма малo (~kT) и не может объяснить наблюдаемую в экспериментах температурную зависимость порогового напряжения.

Это свидетельствует о том, что в расчетах должна быть учтена температурная зависимость длины свободного пробега.

Для кубической решетки Pth = 0.3 и из (2) для материалов типа GST получим:

, (3)

Влияние температуры на пороговое напряжение могут оказывать два члена TlnPth и (T). Температурной зависимостью эмиссионного порога в сравнительно небольшом диапазоне рабочих температур микросхем можно пренебречь.

Для длины свободного пробега дырок было получено следующее выражение:

(4)

где v ­ тепловая скорость дырок, mp – эффективная масса дырок и – характеристическая длина, величина которой зависит от концентрации ловушек и их энергетического спектра.

На рис. 3 показаны кривые, характеризующие зависимость порогового поля от температуры в некоторых стеклообразных полупроводниках, обладающих эффектом порогового переключения. Точками на рис. 3 обозначены значения, полученные из эксперимента, линиями рассчитанные результаты. Значения параметров, при которых результаты расчета совпадают с экспериментальными, приведены в подписи к рисунку, они близки к параметрам состава GST.

Рис. 3. Зависимости порогового напряжения от температуры: 1. – Nt= 1.61019 см-3, 2 Nt= 1.51019 см-3, 3 Nt= 1.41019 см-3

Pages:     | 1 || 3 |






© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»