Способ регулирования сопротивления твердотельных приборов и резистивная матрица памяти на основе полярнозависимого электромассопереноса в кремнии

Способ регулирования сопротивления твердотельных приборов и резистивная матрица памяти на основе полярнозависимого электромассопереноса в кремнии

Реферат

Изобретение относится к полупроводниковой (и в первую очередь кремниевой) микроэлектронике и может быть использовано при создании и многократном регулировании сопротивления металлических перемычек (МП), соединяющих электроды твердотельных приборов, работа которых основана на полярнозависимом электромассопереносе в кремнии (ПЭМП).

Известен способ соединения электродов в приборах на основе твердого тела [1] путем формирования металлической перемычки при приложении к электродам напряжения. Согласно этому способу для обеспечения формирования перемычки заданного уровня проводимости с энергонезависимым хранением состояния в процессе включения измеряют зависимость проводимости перемычки от тока, при заданном напряжении U₀ определяют величину тока I₀, обеспечивающего заданную проводимость перемычки, последовательно с прибором включают сопротивление нагрузки, величину R_H которого определяют по формуле R_H=(U₀σ₀-I₀)/σ₀I₀, где σ₀ - заданная проводимость перемычки, пропускают через них ток величиной I₀ при заданном напряжении U₀.

Основными (принципиальными) недостатками этого способа является то, что:

а) величина заданного уровня проводимости должна быть больше исходного уровня проводимости;

б) невозможность оперативного формирования перемычки конкретного заданного уровня проводимости, так как для этого необходимо совершить самостоятельное исследование с проведением следующих операций:

- измерения зависимости проводимости перемычки, сформированной в процессе включения, от тока, т.е. снятие импульсной вольтамперной характеристики (ВАХ) с использованием запоминающего осциллографа;

- определения величина тока, обеспечивающего заданную проводимость перемычки при заданном напряжении;

- вычисления величины сопротивления нагрузки по приводимой формуле;

- подключения последовательно с прибором сопротивления нагрузки;

- пропускания по этой цепи определенной величины тока, в результате чего формируют металлическую перемычку, соединяющую электроды в приборах на основе твердого тела;

- отключения сопротивления нагрузки и других элементов и приборов схемы для измерения импульсной ВАХ.

Известен способ соединения электродов металлической перемычкой (МП) в твердотельных приборах, работа которых основана на ПЭМП [2], который наиболее близок к предлагаемому способу (прототип). Согласно прототипу к электродам твердотельного прибора прикладывают напряжение, пропускают ток и формируют МП в первый раз, т.е. производят процесс формовки. По сформированной МП пропускают возрастающий ток в направлении, совпадающим с направлением тока при формовке, и по достижении заданной величины сопротивления МП ток отключают. Величина сопротивления МП определяет сопротивление твердотельного прибора, так как сопротивление контакта МП с металлическим электродом пренебрежимо мало по сравнению с сопротивлением МП.

Общими с заявленным способом являются признаки: сохранение любого выставленного состояния по сопротивлению энергонезависимо (т.е. сохранение при отключении питания); предварительное формирование (формовка) МП в первый раз; пропускание по сформированной МП возрастающего тока в направлении, совпадающим с направлением тока при формовке; отключение тока при уменьшении сопротивления до заданной величины.

Недостатки прототипа:

1. Подстройку сопротивления МП осуществляют только за счет уменьшения сопротивления предварительно сформированной МП. В этом случае возможна такая ситуация, когда исходное сопротивление МП меньше заданной величины и регулировка сопротивления невозможна.

2. В прототипе не указано, какая величина сопротивления МП получается в результате формовки и как проводить процесс формовки, чтобы сопротивление МП равнялось заданной величине или превышало ее.

3. В прототипе не указано, в каком режиме происходит пропускание возрастающего тока: в режиме генератора тока или в режиме генератора напряжения.

4. В прототипе не указано, как в процессе пропускания возрастающего тока через МП производят измерение ее сопротивления.

5. В прототипе не указано, от чего зависит и чем определяется точность регулирования сопротивления.

6. В прототипе не указано, как можно ускорить процесс регулирования сопротивления твердотельных приборов до заданной величины и при этом сократить потери энергии.

Технический результат предлагаемого изобретения заключается в том, что в процессе формовки оперативно регулируют сопротивление металлической перемычки до заданной величины электрическим сигналом во всем интервале физически возможных значений сопротивления [(10⁵-10⁶) Ом - максимальное исходное сопротивление неформованного прибора, -10^-1 Ом - минимальная величина сопротивления твердотельного прибора, у которого МП имеет максимальное поперечное сечение]; оперативно увеличивают или уменьшают сопротивление сформированной металлической перемычки до заданной величины электрическим сигналом во всем интервале физически возможных значений сопротивления: [(10⁵-10⁴) Ом (сопротивление твердотельного прибора, у которого МП с разрывом максимальной величины, равным межэлектродному расстоянию) -10^-1 Ом (минимальная величина сопротивления твердотельного прибора)]; в процессе регулирования сопротивления МП производят измерение ее сопротивления; определяют и реализуют точность регулирования сопротивления, ускоряют процесс регулирования сопротивления твердотельного прибора до заданной величины и при этом сокращают потери энергии; сохраняют любое выставленное состояние энергонезависимо с рекордно высокой стойкостью к внешним воздействиям. Это позволяет создавать приборы и устройства с качественно новыми физико-техническими характеристиками и, как следствие, реализовать качественно новые функциональные возможности.

Технический результат достигается тем, что регулирование сопротивления твердотельных приборов на основе полярнозависимого электромассопереноса в кремнии до заданной величины осуществляют за счет приложения к электродам прибора электрических сигналов и контроля величины его сопротивления. В случае регулирования за счет уменьшения сопротивления, т.е. когда твердотельный прибор не формован и у него сопротивление максимальное или когда твердотельный прибор формован и сопротивление МП больше заданной величины, через электроды прибора пропускают возрастающий ток в режиме генератора тока в направлении, совпадающем с направлением тока формовки, и по достижении заданной величины сопротивления ток отключают. Это обусловлено тем, что в процессе формирования МП в первый раз (формовки) и в процессе регулирования сопротивления МП формованных приборов экспериментально показано, что вольтамперная характеристика имеет S-образный вид, т.е. она однозначна по току.

В этом случае необходимо использовать режим генератора тока, так как в противном случае в режиме генератора напряжения при уменьшении сопротивления МП возможна реализация режима короткого замыкания, при котором неуправляемо вся энергия источника ЭДС расходуется на увеличение тока в цепи. В результате могут выйти из строя как задающий генератор, так и твердотельный пробор.

В случае регулирования сопротивления формованного прибора за счет увеличения сопротивления (т.е. когда исходное сопротивление МП перемычки меньше заданной величины сопротивления) вольтамперная характеристика имеет N-образный вид, т.е. она однозначна по напряжению. В этом случае к электродам прибора прикладывают возрастающее напряжение в режиме генератора напряжения, полярность которого противоположна полярности напряжения формовки, и по достижении сопротивлением заданной величины напряжение отключают.

Контроль величины сопротивления производят следующим образом: в случае регулирования сопротивления в сторону уменьшения через электроды пропускают последовательность импульсов тока в режиме генератора тока, возрастающие по амплитуде, после каждого импульса производят измерение сопротивления между электродами и по достижении сопротивлением заданной величины импульсы отключают; в случае регулирования в сторону увеличения сопротивления к электродам структуры прикладывают последовательность импульсов напряжения в режиме генератора напряжения возрастающих по амплитуде, после каждого импульса производят измерение сопротивления между электродами и по достижении сопротивлением заданной величины импульсы отключают.

Точность регулирования сопротивления пропорциональна чувствительности измерительного прибора и обратно пропорциональна длительности импульсов (с уменьшением длительности точность регулирования сопротивления увеличивается). Для любой конкретной конструкции твердотельного прибора каждому номеру импульса соответствует своя величина сопротивления твердотельного прибора. В этом случае, с целью ускорения процесса регулирования сопротивления и уменьшения потерь энергии, для реализации заданной величины сопротивления воздействуют на твердотельный прибор импульсом (тока или напряжения), номер которого соответствует заданной величине сопротивления, либо начинают регулировку сопротивления с импульса, номер которого на несколько единиц (1, 2, …) меньше соответствующего номера.

Таким образом, процедура регулирования сопротивления твердотельных приборов, работа которых основана на ПЭМП, заключается в следующем: измеряют исходное сопротивление твердотельного прибора, сопоставляют его величину с заданной величиной сопротивления, включают соответствующие электрические сигналы и получают конечный результат: сопротивление твердотельного прибора равно заданной величине.

ПЭМП обнаружен в ИРЭ РАН [3], наблюдается как на объемных, так и на планарных структурах и заключается в протекании электронных процессов и полярнозависимого электромассопереноса вещества электродов в межэлектродном пространстве под действием соответствующих электрических сигналов. Элементарная структура, на которой наблюдается ПЭМП, состоит из двух электродов, нанесенных на поверхность кремния, при этом если электроды нанесены с одной стороны кремниевой пластины - то это будет планарная структура, а если на противоположных - объемная. Необходимо подчеркнуть, что процессы ПЭМП одинаковы как для планарных, так и для объемных структур.

Физическая модель отдельных процессов ПЭМП заключается в следующем.

В процессе формовки, т.е. в процессе формирования МП в первый раз, вольтамперная характеристика однозначна по току. Это означает, что необходимо использовать режим генератора тока. В результате прохождения возрастающего импульса тока в режиме генератора тока между электродами в объеме кремния образуется высокотемпературный тепловой шнур, поперечное сечение которого определяется токовым режимом. Затем область теплового шнура заполняется жидким металлоподобным сплавом (ЖМС), который после отключения электрического сигнала остывает и представляет собой капилляр, который расположен в объеме кремния, соединяет электроды структуры и заполнен остывшим ЖМС. Такой капилляр и является металлической перемычкой (МП), соединяющей электроды твердотельного прибора.

Необходимо отметить, что электроды структуры формируют в технологическом процессе изготовления и очевидно, что их местоположение фиксировано на пластине кремния, а следовательно, длина МП фиксирована и всегда остается постоянной. Из этого следует, что регулирование сопротивления твердотельных приборов в процессе уменьшения сопротивления, в том числе и в процессе формовки, производят за счет увеличения поперечного сечения МП.

Исследования показали, что в процессе формовки диаметр МП, а следовательно, и ее сопротивление определяется токовым режимом процесса формовки в интервале 0.1 мкм -10 мкм. Например, для расстояния между электродами в 20 мкм регулирование сопротивления осуществляют в диапазоне 50-1 Ом в результате пропускания импульсов тока с амплитудой от 0,05 до 0,6 А соответственно. Недостатком такого способа регулирования сопротивления является то, что процесс формовки, а следовательно, и процесс регулирования сопротивления, однократны.

В процессе выключения к электродам прикладывают нарастающий импульс напряжения, полярность которого противоположна напряжению формовки, в режиме генератора напряжения. Это обусловлено тем, что вольтамперная характеристика процесса разрыва МП имеет N-образный вид, т.е. она однозначна по напряжению. В этом случае используют режим генератора напряжения, т.к. в режиме генератора тока также развивается неуправляемая неустойчивость.

При достижении напряжением пороговой величины, определяемой величиной сопротивления МП, происходит оплавление МП и ее разрыв за счет термодиффузии. Как правило, это происходит в месте соединения (контакте) МП с противоположным электродом, изготовленным либо из другого металла, либо сформированным из n⁺ области в кремнии. В результате разрыва МП в капилляре, ранее полностью заполненном ЖМС, образуется «пустое (те незаполненное ЖМС) место», длина которого вдоль оси капилляра является величиной разрыва. С увеличением напряжения величина разрыва, а следовательно, и величина сопротивления увеличиваются. После отключения регулирующего импульса ЖМС остывает, переходит в твердую фазу и таким образом образуется металлическая перемычка с разрывом. Так как электрический ток в «пустом месте» протекает по стенкам капилляра в кремнии и удельное сопротивление кремния (после прекращения действия импульса) на три и более порядка больше удельного сопротивления МП, то величина сопротивления структуры практически пропорциональна величине разрыва.

Таким образом, увеличивая величину прикладываемого напряжения, увеличивают величину разрыва и регулируют сопротивление между электродами. В этом случае процесс выключения можно рассматривать как процесс подгонки сопротивления в сторону увеличения.

В процессе включения через электроды структуры пропускают нарастающий импульс тока в режиме генератора тока в том же направлении, что и при формовке. В результате последовательно во времени происходят следующие стадии процесса включения: по достижении током некоторой пороговой величины за счет выделения джоулева тепла МП переходит в жидкую фазу, т.е. опять образуется ЖМС; в «пустой» части капилляра под действием одновременного увеличения электрического поля и температуры происходит принудительное смачивание стенок пустой части капилляра ЖМС и растекания ЖМС по стенкам в виде трубчатого потока. Толщина стенок трубчатого потока пропорциональна величине тока и длительности импульса. В процессе включения толщина стенок трубчатого потока увеличивается вплоть до полного заполнения «пустой» части капилляра ЖМС. Отключение тока приводит к охлаждению ЖМС и образованию МП, заполняющей частично или полностью весь капилляр. Очевидно, что толщина стенок пропорциональна площади поперечного сечения и соответственно определяет сопротивление трубчатой или цилиндрической конфигурации МП. Процесс включения можно прервать в любой момент времени, в зависимости от величины сопротивления между электродами, которое складывается из сопротивления МП, существовавшей до начала процесса включения, и сопротивления МП, сформированной в процессе включения. Регулировка сопротивления в процессе включения позволяет сформировать МП с точностью порядка 0,1 Ом.

Подстройка сопротивления электрическим сигналом. Было обнаружено, что пропускание нарастающего импульса тока (в режиме генератора тока) по сформированной МП (в том же направлении, что и при формовке) приводит, после достижения током некоторого порогового значения, к скачкообразным осцилляциям сопротивления, при которых после каждого «скачка» сопротивление МП уменьшается. Выявлены следующие закономерности обнаруженного эффекта: 1) величина порогового значения тока обратно пропорциональна исходному значению сопротивления МП; 2) частота скачкообразных осцилляций сопротивления: - пропорциональна величине скорости нарастания тока, пропускаемого через МП; - определяется свойствами металла, из которого формируется МП. Так, замена золота на алюминий приводит к увеличению частоты осцилляции примерно на порядок. Из этого следует, что точность подстройки сопротивления также увеличивается на порядок. Экспериментально показано, что вышеизложенный эффект позволяет подстраивать электрическим сигналом сопротивление МП с точностью до одного «скачка». Для электродов из алюминия величина одного скачка соответствует уменьшению сопротивления примерно на 1 Ом.

Экспериментально было зафиксировано 150-200 «скачков».

Отметим основные процессы регулировки сопротивления предлагаемым способом. Подстройку сопротивления в случае уменьшения производят в процессе формовки, включения и электрической подстройки сопротивления. Для этого пропускают ток в направлении тока формовки в режиме генератора тока. В результате происходит либо формирование металлической перемычки заданной величины поперечного сечения (а следовательно, и сопротивления) в первый раз, либо уменьшение сопротивления целой перемычки до заданной величины за счет увеличения ее поперечного сечения.

Подстройку сопротивления в случае увеличения производят в процессе выключения. Это происходит за счет приложения к электродам напряжения, полярность которого противоположна напряжению формовки, т.е. за счет пропускания тока через сформированную металлическую перемычку в направлении, противоположном току формовки в режиме генератора напряжения. В результате происходит формирование металлической перемычки с разрывом. При увеличении напряжения увеличивается величина разрыва и пропорционально этому увеличивается сопротивление перемычки с разрывом.

Таким образом, полный цикл переключения содержит процессы включения и выключения, при этом в процессе включения имеется возможность регулировать сопротивление электрическим сигналом в сторону уменьшения сопротивления, а в процессе выключения - в сторону увеличения сопротивления. Каждое выставленное состояние по сопротивлению при отключении электрического сигнала сохраняется энергонезависимо и обладает повышенной стойкостью к внешним воздействиям. В любом твердотельном приборе, работа которого основана на ПЭМП, имеется возможность реализовать любое из К=М+Р равновероятных состояний по сопротивлению МП, где М - количество равновероятных состояний по сопротивлению, реализованных в случае подгонки сопротивления за счет его уменьшения (процессы формовки, включения, подстройки сопротивления электрическим сигналом), Р -количество равновероятных состояний по сопротивлению, реализованных в случае подгонки сопротивления за счет его увеличения (процесс выключения). Очевидно, что М равно количеству вариантов конструкции целых металлических перемычек с различной величиной поперечного сечения (сопротивления), а Р равно количеству вариантов конструкции металлических перемычек с наличием разрыва с различной величиной разрыва (сопротивления). При проведении процессов формовки, включения и подстройки сопротивления происходит уменьшение сопротивления, при этом в процессе включения происходит преобразование МП - Р типа в МП - М типа, а в процессе выключения происходит либо процесс увеличения сопротивления МП - Р типа, либо процесс увеличения сопротивления за счет преобразования МП - М типа в МП - Р типа.

Общая величина К=М+Р определяется природой процессов ПЭМП, длительностью импульсов подстройки и чувствительностью измерительной аппаратуры. Оценки показывают, что в настоящий момент величина К порядка 500. Не исключено, что дальнейшее проведение исследований процессов ПЭМП, а также совершенствование технологии, измерительной аппаратуры и методики процессов регулирования сопротивления приведут к существенному увеличению величины К.

Можно констатировать, что величина поперечного сечения МП элементарной структуры, однозначно связанная с сопротивлением МП, и является носителем информации.

Известен целый ряд полупроводниковых запоминающих устройств, в которых под действием электрических сигналов осуществляется многократная перезапись и энергонезависимое хранение информации. В настоящее время получили наибольшее распространение подобные устройства, у которых в качестве элемента памяти используют разновидности конструкции на базе полевого транзистора с изолированным затвором.

Основными недостатками таких устройств являются:

- низкая стойкость к внешним воздействиям (температура, электромагнитное излучение, начиная с оптического диапазона и далее в сторону коротких длин волн, электрические и магнитные поля, статическое электричество, внешние химически агрессивные среды и др.);

- сложность технологии изготовления;

- запись и хранение информации только в двоичной системе счисления.

Известно полупроводниковое интегральное запоминающее устройство [4], которое наиболее близко к предлагаемому устройству (прототип). Прототип представляет собой матрицу памяти, в каждой ячейке которой находится элемент памяти, работа которого основана на ПЭМП. Состояние ячейки матрицы определяется состоянием элемента памяти. Элемент памяти обладает двумя стабильными состояниями: высокопроводящим, когда его электроды соединены металлической перемычкой, и низкопроводящим состоянием, когда металлическая перемычка разорвана. Перевод из низкопроводящего состояния в высокопроводящее и обратно производится под действием управляющих электрических сигналов, прикладываемых к электродам элемента памяти. Каждое из состояний, высокопроводящее и низкопроводящее, сохраняются энергонезависимо. Таким образом, в каждой ячейке матрицы памяти записывается информация только в двоичной системе.

Недостатком прототипа является невозможность записи информации в различных системах счисления и в различных комбинациях из них, т.е. в смешанной системе счисления (ССС).

Технический результат предлагаемой конструкции заключается в том, что, используя способ регулирования твердотельных приборов на основе ПЭМП, она позволяет в каждой ячейки многократно записывать электрическим сигналом любое из К равновероятных состояний по сопротивлению, стирать, записывать вновь и энергонезависимо хранить, т.е. осуществлять многократную запись, стирание и энергонезависимое хранение информации в смешанной системе счисления. Матрица памяти, в которой осуществляется запись информации в ССС, обладает следующими принципиальными преимуществами перед обычной матрицей памяти с записью информации в двоичной системе:

1) количество информации, хранящейся в каждой ячейке РМП, равно log₂K бит, где K - количество равновероятных состояний по сопротивлению, любое из которых можно реализовать с вероятностью, равной единице. Это означает, что плотность записи информации в РМП в log₂K раз больше, чем при записи в двоичной системе счисления.

2) число возможных вариантов записи информации в РМП равно K^k, где k количество ячеек в РМП. Вероятность определить хранимую информацию методом перебора вариантов равна 1/K^k. Если K=256, k=64, то вероятность несанкционированного доступа к информации, которая хранится в РМП размером 8×8 ячеек, при записи информации в ССС равна 2^-512, а при k=1024 вероятность «взлома» равна 2^-8192! Из вышеизложенного следует вывод, что процесс записи информации на РМП в ССС фактически можно рассматривать как процесс шифрования с плотностью записи информации в log₂K большей, чем при записи в обычной, двоичной системе счисления. Эти преимущества позволяют существенно расширить функциональные возможности радиоэлектронных устройств при использовании такой матрицы памяти. Технический результат достигается тем, что в каждом элементе памяти, выполненном с наличием целой металлической перемычки, содержится один из нескольких (М) заданных вариантов конструкции с различной величиной поперечного сечения, а в каждом элементе памяти, выполненном с наличием разрыва, содержится один из нескольких заданных вариантов (Р) конструкции с различной величиной разрыва, при этом выбор варианта конструкции определяют в зависимости от информации, записываемой в конкретную ячейку, а каждый элемент памяти содержит один из К=М+Р вариантов конструкции. Следует подчеркнуть, что у любой целой металлической перемычки величина поперечного сечения однозначно связана с величиной ее сопротивления и, таким образом, в каждом элементе памяти, где сформирована целая перемычка, сопротивление равно одному из нескольких М заданных вариантов конструкции с различной величиной поперечного сечения.

Для любой перемычки с разрывом величина ее сопротивления в большей степени определяется величиной разрыва и таким образом в каждом элементе памяти, где сформирована перемычка с разрывом, сопротивление равно одному из нескольких Р заданных вариантов конструкции с различной величиной разрыва. Из этого следует, что в каждой ячейке матрицы сформирован (записан) один из К=М+Р заданных вариантов конструкции по сопротивлению, а такая матрица называется резистивной матрицей памяти.

Источники информации

1. Патент РФ №1311536. Способ соединения электродов в приборах на основе твердого тела. Панфилов Б.А.

2. Патент РФ №1389135. Способ соединения электродов металлической перемычкой в твердотельных приборах. Панфилов Б.А.

3. Панфилов Б.А. Исследование бистабильного переключателя с массопереносом

вещества электродов в структурах металл-кремний-металл. Дис.....канд. физ.-мат.

наук. М.: ИРЭ АН СССР, 1981.

4. Панфилов Б.А. Физико-технические и функциональные характеристики унифицированной структуры ячейки памяти, работа которой основана на полярнозависимом электромассопереносе в кремнии. РНТОРЭС им.А.С.Попова, LVII Научная сессия, посвященная дню радио, труды т.2, Москва 2002, стр.255-258.

1. Способ регулирования сопротивления твердотельных приборов на основе полярнозависимого электромассопереноса в кремнии до заданной величины, включающий многократное регулирование величины сопротивления металлических перемычек в приборе приложением к электродам прибора электрических сигналов при сохранении выставленного состояния энергонезависимо с повышенной стойкостью к внешним воздействиям, причем для регулирования в процессе формовки металлических перемычек и в процессе включения, т.е. для случая регулирования за счет уменьшения сопротивления, через электроды твердотельного прибора пропускают последовательность импульсов тока в режиме генератора тока, возрастающих по амплитуде, после каждого импульса производят измерение сопротивления между электродами, по достижении сопротивлением заданной величины импульсы отключают, а для регулирования сопротивления формованного твердотельного прибора для случая регулирования за счет увеличения сопротивления к электродам твердотельного прибора прикладывают последовательность импульсов напряжения в режиме генератора напряжения, возрастающих по амплитуде, после каждого импульса производят измерение сопротивления между электродами и по достижении сопротивлением заданной величины импульсы отключают.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что для увеличения точности регулирования сопротивления увеличивают чувствительность измерительного прибора и уменьшают длительность импульсов.

3. Резистивная матрица памяти, сформированная на пластине кремния и содержащая в каждой ячейке твердотельный прибор на основе полярнозависимого электромассопереноса в кремнии, в котором способом по п.1 регулируют сопротивление до заданной величины, при этом элементом памяти является либо целая металлическая перемычка, соединяющая электроды твердотельного прибора, либо металлическая перемычка с разрывом, где для записи информации в смешанной системе счисления в каждом элементе памяти, выполненном с наличием целой металлической перемычки, содержится один из нескольких (М) заданных вариантов конструкции с различной величиной поперечного сечения, а в каждом элементе памяти, выполненном с наличием перемычки с разрывом, содержится один из нескольких (Р) заданных вариантов конструкции с различной величиной разрыва, при этом выбор варианта конструкции определяют в зависимости от информации, записываемой в конкретную ячейку, а каждый элемент памяти содержит один из К=М+Р вариантов конструкции.