ФЛЭШ-ЭЛЕМЕНТ ПАМЯТИ ЭЛЕКТРИЧЕСКИ ПЕРЕПРОГРАММИРУЕМОГО ПОСТОЯННОГО ЗАПОМИНАЮЩЕГО УСТРОЙСТВА

Полезная модель относится к электронике, в частности, к вычислительной технике, а именно, к флэш электрически перепрограммируемым постоянным запоминающим устройствам (ЭППЗУ), сохраняющим информацию при отключенном питании, и может быть использована в устройствах памяти вычислительных машин, микропроцессорах, флэш-памяти, в различных портативных устройствах с функцией хранения и переноса информации, таких как ноутбуки, цифровые видеокамеры и фотоаппараты, МП3 плееры, USB-память, электронные биометрические паспорта и другие документы, электронные карты (смарт-карты).
2
2
Известен флэш элемент памяти электрически перепрограммируемого постоянного запоминающего устройства (S.Minami, Y.Kamigaki, New Scaling Guidelines for MNOS Nonvolatile Memory Devices, IEEE Transactions on Electron Devices, V.38, N.11, p.p.2519-2526, 1991), содержащий полупроводниковую подложку со сформированными в ней с планарной стороны истоком и стоком и последовательно выполненные на подложке между истоком и стоком туннельный слой, запоминающий слой и электропроводящий затвор. При этом полупроводниковая подложка изготовлена из кремния р-типа, туннельный слой - из оксида кремния (SiO), запоминающий слой - из пиролитического нитрида кремния, блокирующий слой - из оксида кремния (SiO), а электропроводящий затвор - из поликремния. Толщины указанных слоев составляют: туннельного - 1,8 нм, запоминающего 27 нм.
Время перепрограммирования (записи/стирания) информации в таком элементе памяти составляет 3 мсек., напряжение перепрограммирования составляет 12÷15 В.
Недостатками приведенного элемента памяти являются:
- большое время перепрограммирования;
- большая величина напряжения перепрограммирования;
- низкая надежность в режиме хранения информации при повышенных температурах.
Указанные недостатки связаны с низким значением диэлектрической проницаемости нитрида кремния (ε=7), который использован в качестве материала для запоминающего слоя, и паразитной инжекцией носителей из затвора в запоминающую среду (нитрид кремния).
2
В качестве ближайшего аналога выявлен флэш элемент памяти электрически перепрограммируемого постоянного запоминающего устройства (J.Bu, V.Y.White, Design consideration in scaled SONOS nonvolatile memory devices. Solid State Electronics, V.45, p.p.113-120, 2001), содержащий полупроводниковую подложку со сформированными в ней с планарной стороны истоком и стоком и последовательно выполненные на подложке между истоком и стоком туннельный слой, запоминающий слой, блокирующий слой и электропроводящий затвор. При этом полупроводниковая подложка изготовлена из кремния р-типа, туннельный слой - из оксида кремния, запоминающий слой - из нитрида кремния, блокирующий слой - из оксида кремния (SiO). Толщины указанных слоев составляют: туннельного - 2,0 нм, запоминающего 4,0 нм, блокирующего 5,0 нм.
Время перепрограммирования в таком элементе памяти составляет 1 мсек., напряжение перепрограммирования составляет 9÷10 В. В приведенном элементе памяти паразитная инжекция носителей заряда из электропроводящего затвора в нитрид кремния подавляется блокирующим слоем оксида кремния.
Недостатками указанного ближайшего аналога являются:
- большое время перепрограммирования;
- большая величина напряжения перепрограммирования;
- низкая надежность в режиме хранения информации при повышенных температурах.
Перечисленные недостатки, также как и у первого приведенного аналога, связаны с низким значением диэлектрической проницаемости нитрида кремния (ε=7), из которого выполнен запоминающий слой. Благодаря низкому значению диэлектрической проницаемости в режиме перепрограммирования на нитриде кремния падает большая доля приложенного напряжения. Поэтому падение напряжения и электрическое поле в туннельном оксиде относительно небольшое. Уровень инжекционного тока электронов и дырок в туннельном оксиде экспоненциально зависит от электрического поля в туннельном оксиде. Низкая напряженность электрического поля в туннельном оксиде приводит к небольшому уровню инжекционного тока, и, как следствие, к большому времени накопления заряда в нитриде кремния, то есть к низкому быстродействию в режиме перепрограммирования (большое время записи/стирания информации) и большому напряжению перепрограммирования. Толщина, 2 нм, туннельного слоя не является оптимальной для надежного хранения информации.
Техническим результатом полезной модели является:
- понижение напряжения записи/стирания информации до 6÷8 В;
- понижение времени записи/стирания информации до 10÷100 мксек;
- повышение надежности в режиме хранения информации при повышенных температурах.
Технический результат достигается во флэш элементе памяти электрически перепрограммируемого постоянного запоминающего устройства, содержащего полупроводниковую подложку со сформированными в ней с планарной стороны истоком и стоком, последовательно выполненные на подложке между истоком и стоком туннельный слой, запоминающий слой, блокирующий слой и затвор, в котором запоминающий слой выполнен из диэлектрика с большим значением диэлектрической проницаемости в диапазоне от 10 до 100, с концентрацией электронных и дырочных ловушек, свойственной запоминающей среде.
2
2
5
x
y
z
x
y
z
x
y
2
x
y
x
y
2
3
2
3
2
x
y
x
y
z
x
y
z
x
2
3
2
3
2
3
x
y
Во флэш элементе памяти запоминающий слой выполнен из диэлектрика с большим значением диэлектрической проницаемости в диапазоне от 10 до 100, с концентрацией электронных и дырочных ловушек, свойственной запоминающей среде, любого из перечисленных: TiO, TaO, AlTaO, AlHfO, TaON, HfO, HfSiON, HfON, ErO, LaO, ZrO, ZrON, ZrHfO, AlZrO, ZrSiO, GdO, YO, GaO, AlON.
Во флэш элементе памяти запоминающий слой выполнен толщиной 4,0÷30,0 нм.
Во флэш элементе памяти туннельный слой выполнен из оксида кремния толщиной 2,0÷5,0 нм.
Во флэш элементе памяти блокирующий слой выполнен из оксида кремния или диэлектрика с диэлектрической проницаемостью большей, чем у оксида кремния.
2
6
x
1-x
3
x
1-x
6
x
1-х
3
x
1-x
3
3
1-x
x
3
12
2
2
x
4
3
12
2
2
9
2
x
1-x
9
1-x
x
3
2
2
7
2
6
3
3
3
3
2
2
5
x
y
z
x
y
2
x
y
x
y
2
3
2
3
2
x
y
x
2
3
2
3
x
y
x
y
2
3
Во флэш элементе памяти блокирующий слой выполнен из любого диэлектрика: BaTaO, BaSrTiO, BaSrNbO, PbZnNbО, PbZrTiO, LiNbO, BiLaTiO, BiSrCuO, BiTiO, SrBiTaO, SrBiTaVO, SrTiNbO, SrNbO, SrTaO, SrZrO, PbTiO, LaAlO, КТаО, TiO, TaO, AlTaO, TaON, HfO, HfSiON, HfON, ErO, LaO, ZrO, ZrON, ZrSiO, GdO, YO, SiON, AlON, AlO.
Во флэш элементе памяти блокирующий слой выполнен толщиной 3,0÷100,0 нм.
Во флэш элементе памяти затвор выполнен из поликремния, или тугоплавкого металла, или силицида тугоплавкого металла.
Во флэш элементе памяти полупроводниковая подложка выполнена из кремния р-типа проводимости, исток и сток - n-типа проводимости.
Сущность полезной модели поясняется нижеследующим описанием и прилагаемой фигурой. На Фиг. схематически показана структура флэш элемента памяти электрически перепрограммируемого постоянного запоминающего устройства, где 1 - полупроводниковая подложка, 2 и 3 - исток и сток, 4 - туннельный слой, 5 - запоминающий слой, 6 - блокирующий слой, 7 - затвор.
Достижение технического результата базируется на следующих предпосылках.
2
5
2
5
2
2
Известны материалы, которые подобно нитриду кремния имеют высокую концентрацию электронных и дырочных ловушек и обладают большей, по сравнению с нитридом кремния, величиной диэлектрической проницаемости. Так, пленки оксида тантала TaO (V.A.Svets, V.Sh.Aliev, D.V.Gritsenko, S.S.Shaimeev, E.V.Fedosenko, S.V.Rykhlitski, V.V.Atuchin, V.A.Gritsenko, V.M.Tapilin, H.Wong, Electronic Structure and Charge Transport Properties of Amorphous TaO films, J. Non-Crystal. Solids, 354, p.p.3025-3033, 2008) и оксида циркония ZrO (D.V.Gritsenko, S.S.Shaimeev, M.A.Lamin, О.Р.Pcheljakov, V.A.Gritsenko, V.G.Lifshits, Two band conduction of ZrO fabricated by MBE, JETP Lett., V.81, N.11, p.p.721-723, 2005) подобно пленкам нитрида кремния обладают высокой концентрацией электронных и дырочных ловушек и имеют по сравнению с нитридом кремния (ε=7) высокое значение диэлектрической проницаемости (ε=25), что обуславливает возможность использования их в качестве запоминающих слоев.
Выполнение запоминающего слоя вместо нитрида кремния из диэлектрика с более высокой диэлектрической проницаемостью и, наряду с этим, со свойственной ему высокой концентрацией электронных и дырочных ловушек, приводит к уменьшению падения напряжения на нем и, следовательно, к увеличению падения напряжения на туннельном слое из оксида кремния. Последнее приводит к увеличению электрического поля в туннельном слое и, в результате, к экспоненциально сильному (на порядки) увеличению туннельного инжекционного тока программирования флэш элемента памяти.
В свою очередь, увеличение тока программирования обеспечивает уменьшение времени (длительности импульса) записи/стирания информации флэш элемента памяти до 10÷100 мксек., то есть увеличение быстродействия флэш элемента памяти в режимах записи и стирания информации (режим перепрограммирования). Также, не изменяя (ухудшая) быстродействия, увеличение тока программирования позволяет уменьшить напряжение перепрограммирования до 6÷8 В.
Факт увеличения туннельного инжекционного тока программирования позволяет оптимизировать, в частности, увеличить толщину туннельного слоя. Поэтому увеличение электрического поля в туннельном слое из оксида кремния, с другой стороны, позволяет увеличить толщину туннельного слоя из оксида кремния с 2 нм до 3÷5 нм. Большая толщина туннельного слоя из оксида кремния является более предпочтительной, поскольку обеспечивает блокирование растекания заряда электронов и дырок из запоминающей среды в направлении кремниевой подложки. Таким образом, в результате обеспечивается повышение надежности флэш элемента памяти в режиме хранения информации при повышенных температурах (85°С). Стандартное требование к коммерчески доступным флэш устройствам состоит в том, что информация должна храниться 10 лет при 85°С.
Итак, при неизменных быстродействии и напряжении перепрограммирования применение диэлектрика с высокой диэлектрической проницаемостью и со свойственной ему высокой концентрацией электронных и дырочных ловушек в качестве запоминающей среды позволяет увеличить толщину туннельного оксида с 2 нм до 3÷5 нм, что приводит к увеличению надежности флэш элемента памяти в режиме хранения информации при повышенных температурах.
В целях достижения технического результата целесообразно выполнение запоминающего слоя из диэлектрика с большим значением диэлектрической проницаемости - в диапазоне 10÷100, что обеспечит усиление электрического поля в туннельном слое и, как следствие, увеличение тока инжекции электронов и дырок из кремниевой подложки. Большой ток инжекции позволяет накопить заряд в запоминающем слое из указанного диэлектрика при меньшем напряжении и длительности перепрограммирующего импульса. С другой стороны, при неизменных быстродействии и величине напряжения перепрограммирования, применение в качестве запоминающей среды указанного диэлектрика позволит увеличить толщину туннельного слоя из оксида кремния, что приведет к повышению надежности флэш элемента памяти в режиме хранения информации при повышенных температурах (85°С).
Туннельный слой выполняют из оксида кремния толщиной более 2,0 нм, наиболее предпочтительны толщины 3÷5 нм. При толщинах туннельного слоя менее 1,0÷2,0 нм резко ускоряется отекание заряда в элементе памяти за счет туннелирования носителей заряда через туннельный слой в кремниевую подложку. Стекание заряда приводит к уменьшению пороговых напряжений, соответствующих логическим «0» и «1», и, следовательно, к снижению надежности элементов памяти электрически перепрограммируемых постоянных запоминающих устройств (ЭППЗУ). Увеличение толщины туннельного слоя, предотвращая явление растекания носителей заряда, обеспечивает большее время хранения информации во флэш элементе памяти ЭППЗУ.
2
2
5
x
y
z
x
y
z
x
y
2
x
y
x
y
2
3
2
3
2
x
y
x
y
z
x
y
z
x
2
3
2
3
2
3
x
y
В связи с вышесказанным, в качестве материалов запоминающего слоя, как диэлектрики, удовлетворяющие приведенным требованиям, могут быть использованы следующие материалы: TiO, TaO, AlTaO, AlHfO, TaON, HfO, HfSiON, HfON, ErO, LaO, ZrO, ZrON, ZrHfO, AlZrO, ZrSiO, GdO, YO, GaO, AlON.
Флэш Элемент памяти ЭППЗУ (см. Фиг.) содержит: полупроводниковую подложку (1), выполненные в ней исток (2) и сток (3), туннельный слой (4), запоминающий слой (5), блокирующий слой (6) и затвор (7).
2
2
5
x
y
z
x
y
z
x
y
2
x
y
x
y
2
3
2
3
2
x
y
x
y
z
x
y
z
x
2
3
2
3
2
3
x
y
2
3
2
6
x
1-x
3
x
1-x
6
x
1-х
3
x
1-х
3
3
1-x
x
3
12
2
2
x
4
3
12
2
2
9
2
x
1-x
9
1-x
x
3
2
2
7
2
6
3
3
3
3
2
2
5
x
y
z
x
y
2
x
y
x
y
2
3
2
3
2
x
y
x
2
3
2
3
x
y
x
y
Полупроводниковая подложка выполнена из кремния р-типа проводимости, а исток (2) и сток (3) - n-типа проводимости. Между истоком (2) и стоком (3) на подложке выполнены последовательно: туннельный слой (4), запоминающий слой (5), блокирующий слой (6) и затвор (7). Туннельный слой (4) выполнен из оксида кремния толщиной от 2 до 5 нм. Запоминающий слой (5) выполнен из диэлектрика с высокой диэлектрической проницаемостью, равной от 10 до 100, и высокой концентрацией электронных и дырочных ловушек, любого из приведенного перечня: TiO, TaO, AlTaO, AlHfO, TaON, HfO, HfSiON, HfON, ErO, LaO, ZrO, ZrON, ZrHfO, AlZrO, ZrSiO, GdO, YO, GaO, AlON. Толщина запоминающего слоя (5) составляет от 4,0 до 30 нм. Блокирующий слой (6) выполнен из оксида кремния, либо он выполнен из диэлектрика с большей, чем у оксида кремния (ε=3,9) диэлектрической проницаемостью, и толщиной в совокупности с последней, обеспечивающей соотношение величин поля в слоях (4) - (6), приводящее к экспоненциально сильному (на порядки) увеличению туннельного инжекционного тока программирования. В частности, блокирующий слой (6) выполняют из AlO. В качестве диэлектрика для блокирующего слоя (6) могут быть также материала, например: ВаТаО, BaSrTiO, BaSrNbO, PbZnNbО, PbZrTiО, LiNbO, BiLaTiO, BiSrCuO, BiTiO, SrBiTaO, SrBiTaVO, SrTiNbO, SrNbO, SrTaO, SrZrO, PbTiO, LaAlO, KTaO, TiO, TaO, AlTaO, TaON, HfO, HfSiON, HfON, ErO, LaO, ZrO, ZrON, ZrSiO, GdO, YO, SiON, AlON. Блокирующий слой (6) выполняют толщиной от 3,0 до 100 нм. При выполнении блокирующего слоя (6) толщиной менее 3,0 нм возможна прямая туннельная инжекция носителей из затвора (7), приводящая к уменьшению заряда, накопленного в запоминающем слое (5) за счет инжекции из полупроводниковой подложки (1). При выполнении блокирующего слоя (6) толщиной более 100,0 нм возможно увеличение паразитного падения напряжения на блокирующем слое (6), которое вызывает уменьшение поля в туннельном слое (4), и, как следствие, уменьшение заряда, накопленного в запоминающем слое (5). Таким образом, оптимальная толщина блокирующего слоя (6) лежит в интервале 3,0÷100,0 нм. Затвор (7) - проводящий электрод, выполнен из поликремния, или тугоплавкого металла, или силицида тугоплавкого металла.
6
Флэш (быстрый) элемент памяти ЭППЗУ работает следующим образом. Исходное пороговое напряжение элемента памяти (транзистора) ЭППЗУ близко к нулю. Запись информации (логический «0») осуществляется подачей на затвор (7) относительно полупроводниковой подложки (1) из кремния положительного импульса напряжения с амплитудой, вызывающей возникновение напряженности электрического поля в туннельном слое (4) на уровне (9÷14)×10 В/см. Электроны туннелируют через туннельный слой (4) из оксида кремния, и захватываются ловушками в запоминающем слое (5) с высокой плотностью электронных и дырочных ловушек и большим значением диэлектрической проницаемости. Захват электронов на ловушки в запоминающем слое (5) приводит к накоплению отрицательного заряда и переводит элемент памяти (транзистор) в непроводящее состояние с высоким положительным пороговым напряжением (логический «0»). В отличие от известного элемента памяти, в котором существенная часть приложенного напряжения падает на запоминающем слое (5) из нитрида кремния, в предлагаемом элементе памяти за счет высокой диэлектрической проницаемости запоминающего слоя (5) падение напряжения на запоминающем слое (5) мало. В результате, существенно увеличивается падение напряжения на туннельном слое (4) из оксида кремния, что приводит к увеличению поля в туннельном слое (4) из оксида кремния, и экспоненциально сильному увеличению тока инжекции электронов из полупроводниковой подложки (1) через туннельный слой (4) из оксида кремния, и последующему захвату электронов в запоминающем слое (5).
Перепрограммирование флэш элемента памяти ЭППЗУ (запись логической «1») осуществляется приложением к затвору (7) относительно полупроводниковой подложки (1) из кремния отрицательного перепрограммирующего напряжения. В туннельном слое (4) из оксида кремния возникает электрическое поле, стимулирующее инжекцию дырок из кремниевой подложки (1). Инжектированные дырки захватываются в запоминающем слое (5), в нем накапливается положительный заряд. Положительный заряд в запоминающем слое (5) приводит к сдвигу порогового напряжения в направлении отрицательного потенциала. В результате, канал транзисторного флэш элемента памяти ЭППЗУ переходит в проводящее состояние (логическая «1»).
SiO2
За счет высокой диэлектрической проницаемости ε запоминающего слоя (5) падение напряжения на нем, по сравнению с падением напряжения на туннельном слое (4), в ε/ε раз меньше. Таким образом, падение напряжения на туннельном слое (4) из оксида кремния относительно запоминающего слоя (5) будет больше. Ток инжекции электронов и дырок через туннельный слой (4) во флэш элементе памяти с использованием запоминающего слоя (5) из диэлектрика с высокой диэлектрической проницаемостью будет существенно (на порядки) выше. Это позволяет уменьшить напряжение и длительность перепрограммирующего импульса. Так работает флэш элемент памяти для ЭППЗУ, в котором перепрограммирование осуществляется путем туннельной инжекции электронов и дырок из кремниевой подложки в запоминающий слой.