Сегнетоэлектрический элемент памяти и сумматор
FERROELECTRIC ELEMENT OF MEMORY AND SUMMATOR

Изобретение относится к запоминающим устройствам с сегнетоэлектрическими элементами памяти.
Известны сегнетоэлектрические элементы памяти, содержащие сегнетоэлектрические конденсаторы, т.е. конденсаторы, в которых диэлектриком служит слой сегнетоэлектрического материала (US 2717372, 2695397, 2695398). Устройства памяти содержат массив таких элементов со средствами записи и считывания. Например, устройство памяти может содержать слой сегнетоэлектрика, на противоположные стороны которого нанесены проводящие дорожки перпендикулярно друг другу - в месте их пересечения (в плане) могут быть записаны логические «0» или «1» путем подачи импульса напряжения нужной полярности между противоположными шинами. Считывание может производиться, например, по величине тока при подаче считывающего импульса напряжения, или иным образом.
Основным недостатком таких элементов является разрушающий способ считывания.
Известен сегнетоэлектрический элемент памяти (US 3832700), в котором одной из обкладок сегнетоэлектрического конденсатора служит область канала МДП-транзистора (МДП - металл-диэлектрик-полупроводник). Поляризация сегнетоэлектрика вызывает изменение порога транзистора (или тока канала - в вариантах), что позволяет определять состояние поляризации без нарушения этого состояния.
Недостатком приведенного элемента является быстрая деградация, связанная с диффузией материалов через границу раздела между полупроводником и сегнетоэлектриком, приводящей как к изменению параметров канала, так и к деградации сегнетоэлектрика.
Для замедления деградации между сегнетоэлектриком и полупроводником МДП-структуры выполняют слои из материалов, замедляющих диффузию материалов (А. Сигов, «Сегнетоэлектрические тонкие пленки в микроэлектронике.,» Соросовский образовательный журнал. Физика., т. 10, 1996).
Известны многочисленные устройства в виде сложенных МДП-транзистора и сегнетоэлектрического конденсатора (начиная с R. W. J.T. Evans, «Аn experimental 512-bit nonvolatile memory with ferroelectric storage cell,» IEEE Journal of Solid-State Circuits, т. 23, №5, 1988), в т.ч. МДП-транзистора с плавающим затвором (US 5877977), считывание в которых производится по контролю направления поляризации сегнетоэлектрика с помощью МДП-транзистора.
К недостаткам этих элементов памяти можно отнести то, что они имеют лишь два состояния, соответствующие логическим «0» и «1».
Известны сегнетоэлектрические элементы памяти, которые рассчитаны на возможность записи и считывания более чем двух состояний. Для этого они снабжены средствами для создания не только насыщающей поляризации, но и промежуточных уровней поляризации сегнетоэлектрика, а также средствами считывания, позволяющими определять имеющуюся степень поляризации сегнетоэлектрика запоминающего элемента. Для задания требуемого уровня поляризации, в т.ч. промежуточного, на сегнетоэлектрик подают импульсы поля заданной амплитуды (US 7304881, US 20170250196) или заданной длительности (US 20170249983, ЕР 3143650).
Недостатком этих элементов является необходимость оперирования аналоговыми сигналами, что, вместе с разбросом параметров отдельных элементов, приводит к уменьшению надежности устройств памяти, содержащих массивы таких элементов.
Наиболее близким аналогом предлагаемого изобретения по функционалу является элемент памяти, в котором использован сегнетоэлектрический слой из нескольких слоев различных сегнетоэлектриков (US 20170250196) с отличающимися коэрцитивными полями, чем в значительной степени задается дискретный ряд возможных состояний результирующей поляризации.
Недостатком такого элемента памяти является необходимость выработки ряда разных напряжений для задания разных состояний сегнетоэлектрика. Другим недостатком является необходимость создания пакета слоев из разных сегнетоэлектрических материалов, что значительно усложняет технологию изготовления.
Наиболее близким аналогом по конструкции является элемент памяти с двумя отдельными сегнетоэлектрическими конденсаторами, нижние обкладки которых служат плавающими затворами над одним и тем же каналом МДП-транзистора (US 7700985). Сегнетоэлектрики предлагается поддерживать в состоянии противоположной поляризации для уменьшения деполяризации. Считывание производят, подавая смещение на один из конденсаторов, оставляя второй «плавающим».
Недостатком его является ограниченный функционал.
Широко известны и применяются многочисленные сумматоры на логических элементах (например, И-НЕ, ИЛИ-НЕ и др.), реализованных на МДП-транзисторах (например, ЕР 1111791, RU 2454703), позволяющие получать на выходе результат, соответствующий сумме сигналов на входе.
Их недостатком является энергозависимость и сложность.
Целью предлагаемого изобретения является создание надежного сегнетоэлектрического элемента памяти с дискретным набором возможных состояний числом больше двух, а также создание сумматора с энергонезависимым сохранением результата суммирования.
Предлагаемый сегнетоэлектрический элемент памяти, как и ряд аналогов, содержит сегнетоэлектрический диэлектрический слой из одного или нескольких слоев одинаковых или разных сегнетоэлектриков, содержит или не содержит другие диэлектрические слои и/или вспомогательные слои, содержит проводящие слои и средства записи и считывания, включающие МДП-транзистор, и отличается от аналогов тем, что:
- слой сегнетоэлектрика выполнен (в плане) сплошным или из отдельных (в плане) частей,
- с одной стороны слоя сегнетоэлектрика, со стороны МДП-транзистора, выполнен сплошной проводящий слой, перекрывающий (в плане) площадь сегнетоэлектрического слоя, - общий электрод, выполненный в виде плавающего затвора МДП-транзистора,
- с другой стороны слоя сегнетоэлектрика выполнен проводящий слой в виде двух или более непересекающихся частей - электродов записи,
- поверх электродов, над областью затвора МДП-транзистора, выполнен электрически изолированный от этих электродов сплошной проводящий слой - электрод считывания.
Описанную структуру (МДП-транзистор)-(плавающий затвор)-(сегнетоэлектрик)-(любой из электродов записи)-(электрод считывания) с необходимыми диэлектрическими и/или вспомогательными слоями будем далее называть ячейкой.
Под словами «проводящий слой», «сегнетоэлектрический слой» и «диэлектрический слой» имеются ввиду как слои из одного материала, так и комбинации слоев соответствующих материалов, например, комбинация слоев платины и иридия в качестве проводящего слоя. В явном виде в настоящем описании не упоминаются вспомогательные слои, которые могут использоваться в предлагаемом устройстве, но использование которых общеизвестно и не влияет на смысл предложения (защитные, пассивирующие, адгезионные, разгрузочные, буферные, противодиффузионные, ориентирующие, коммутационные и т.п.).
Подача достаточного по величине напряжения между полупроводником МДП-структуры и одним из электродов записи приведет к поляризации части сегнетоэлектрика, расположенной под этим электродом, т.е. к поляризации сегнетоэлектрика ячейки. При подаче на электрод считывания смещения (считывающее смещение) проводимость канала будет зависеть от направления поляризации сегнетоэлектрика под данным электродом. Если последовательно или одновременно подать поляризующие напряжения любых знаков на несколько электродов записи, то области слоя сегнетоэлектрика под ними поляризуются в соответствующих направлениях, оказывая, благодаря общему электроду, свое влияние на проводимость канала и на величину тока стока МДП-транзистора при подаче считывающего смещения на электрод считывания при заданном напряжении исток-сток.
Считывающее смещение, как и в случае аналогов, должно быть меньше смещения, приводящего к переполяризации сегнетоэлектрика.
Для расширения возможностей регистрации состояния элемента памяти при любом сочетании знаков и величины поляризации областей сегнетоэлектрика под разными электродами записи может быть использован МДП-транзистор со встроенным каналом, сопротивление которого монотонно зависит от того, на сколько электродов записи подано положительное смещение (или на сколько электродов подано отрицательное смещение).
После подачи между полупроводником МДП-транзистора и одним из электродов записи напряжения, достаточного для поляризации сегнетоэлектрика (например, для выхода поляризации на насыщение), состояния данной ячейки и элемента памяти в целом изменяются, и проводимость канала, при подаче затем считывающего смещения, станет уже другой, и по этому изменению может производиться считывание. Если последовательно или одновременно подать поляризующие напряжения (относительно полупроводника) любых знаков на все электроды записи, области сегнетоэлектрика, находящиеся под этими электродами, поляризуются в соответствии со знаком соответствующего смещения и внесут свой вклад, тоже с учетом знака, в изменение проводимости канала. Алгебраическое (с учетом знака) суммирование воздействия происходит благодаря тому, что имеется общий электрод, выполняющий одновременно функцию плавающего затвора МДП-транзистора.
Общий электрод, являющийся плавающим затвором, с расположенными над ним слоями ячеек, может выходить, в плане, за пределы канала МДП-транзистора, а ячейки или их части могут не находиться непосредственно над каналом МДП-транзистора.
насыщ
насыщ
Если для поляризации (переполяризации) использовать только импульсы смещения амплитудой +U или -U, обеспечивающей насыщение поляризации сегнетоэлектрика, то с помощью предлагаемого элемента памяти можно получать дискретный ряд значений считываемого сигнала.
Если записывающих электрода два, то элемент памяти может иметь три состояния:
«1» - обе области под электродами записи поляризованы в одном направлении - (+1;+1) или, пользуясь принятыми логическими значениями, («1»; «1»);
«2» - обе области под электродами поляризованы в противоположном направлении - (-1; -1) или («0»; «0»);
«3» - одна из областей поляризована в одном направлении, другая поляризована в противоположном направлении -(+1;-1)и(-1;+1) или («1»; «0») и («0»; «1») - в обоих случаях проводимость канала одинакова.
Аналогично, если записывающих электродов N штук, то количество отличающихся состояний будет N+1 (число возможных единиц + вариант из одних нулей).
насыщ
насыщ
Если для поляризации (переполяризации) использовать не только крайние значения напряжений (+U или -U), но и промежуточные, то можно получать множество других состояний сегнетоэлектрика с остаточной поляризацией в широких пределах и, следовательно, множество состояний элемента памяти и, следовательно, логических состояний. При этом для сохранения надежной работы устройства необходимы высокая стойкость к деградации сегнетоэлектрика (для воспроизводимой поляризации) и высокие характеристики МДП-транзистора (для достаточного разрешения).
Работа предложенного устройства основана на фактическом суммировании, благодаря общему электроду, эффекта поляризации разных участков сегнетоэлектрического слоя элемента памяти (разных ячеек элемента) и влиянии этого суммарного эффекта на проводимость канала, поэтому предложенное устройство выполняет функцию сумматора сигналов в виде импульсов смещений, подаваемых на записывающие электроды относительно полупроводника МДП-транзистора. Проводимость канала однозначно, хотя, возможно, и нелинейно, определяется суммарной поляризацией отдельных ячеек, поэтому при одинаковых параметрах импульсов записи (амплитуда и длительность) по проводимости канала может быть - с помощью подходящих средств считывания - восстановлено просуммированное и сохраненное значение.
На фиг. 1 приведена схема предлагаемого элемента памяти в разрезе (вдоль оси канала МДП-транзистора) для случая с двумя электродами записи, т.е. с двумя ячейками (схема условна и не содержит общеизвестных элементов: вспомогательных слоев, дорожек разводки, адгезионных и защитных покрытий и т.п.).
На фиг. 2 приведен разрез предлагаемого элемента памяти с двумя электродами записи и слоем сегнетоэлектрика, состоящего из двух отдельных частей.
На фиг. 3 приведена схема предлагаемого элемента памяти в разрезе (поперек оси канала МДП-транзистора) для одного из возможных вариантов с тремя ячейками, две из которых находятся за границами канала.
Цифрами на чертежах обозначены:
1 - полупроводник;
2 - диэлектрические слои;
3 - электрод считывания;
4 - электроды записи;
5 - сегнетоэлектрик;
6 - общий электрод, плавающий затвор МДП-транзистора;
7 - встроенный канал МДП-транзистора;
8 - области стока и истока МДП-транзистора.
Примером конкретного исполнения предлагаемого устройства может служить элемент памяти, две ячейки памяти которого выполнены над каналом кремниевого МДП-транзистора на кремнии р-типа со встроенным каналом n-типа длиной 2,5 мкм и шириной 2 мкм в виде пакета слоев:
2
- изолирующего и пассивирующего слоя SiO толщиной 0,1 мкм,
2
2
- формирующих общий электрод (плавающий затвор) комбинации слоев W-TiN-Ir-IrO-Pt (50-50-100-50-100 нм), включающих, в частности, противодиффузионные (Ir-IrO) и ориентирующий (Pt),
2
2
9
- слоя сегнетоэлектрика SrBiTaO,
2
- барьерного слоя IrO,
- двух отдельных разнесенных вдоль канала слоев (фиг. 1) записывающих электродов Ir-Pt-Ni (50-50-50-150 нм) размерами в плане 1×1 мкм каждый,
2
- изолирующего слоя SiO толщиной 0,1 мкм,
- проводящего слоя считывающего электрода - Ni (150 нм).
Другим примером конкретного исполнения может служить элемент памяти с таким же транзистором и с таким же составом слоев, как в предыдущем примере, но с общим электродом, выступающим в плане за пределы канала и имеющим размеры 2,5×7 мкм, со слоем сегнетоэлектрика из трех отдельных в плане частей размерами 2×2 мкм, с электродами записи, совпадающими в плане с соответствующими частями сегнетоэлектрика, и со считывающим электродом размером 2,5×7 мкм.
Как первый, так и второй примеры конкретного исполнения могут служить примерами устройств для использования как в качестве элементов памяти, так и в качестве сумматоров.
При расширенном по сравнению с прототипом функционале предлагаемого устройства его изготовление не требует усложнения технологии.