ФЛЭШ ЭЛЕМЕНТ ПАМЯТИ ЭЛЕКТРИЧЕСКИ ПЕРЕПРОГРАММИРУЕМОГО ПОСТОЯННОГО ЗАПОМИНАЮЩЕГО УСТРОЙСТВА
FLASH MEMORY ELEMENT FOR ELECTRICALLY PROGRAMMABLE READ-ONLY MEMORY

Изобретение относится к вычислительной технике, в частности к электрически перепрограммируемым постоянным запоминающим устройствам (ЭППЗУ), сохраняющим информацию при отключенном питании, и может быть использовано в устройствах памяти вычислительных машин, микропроцессорах, флэш-памяти, в портативных электронных устройствах, электронных карточках.
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 с выполненными в ней истоком и стоком, на которой между последними последовательно выполнены туннельный слой, запоминающий слой и затвор. При этом использована кремниевая подложка р-типа, туннельный слой выполнен из оксида кремния, толщиной 1,8 нм, запоминающий слой выполнен из нитрида кремния, толщиной 27,0 нм, а проводящий затвор выполнен из поликремния.
Время перепрограммирования (записи/стирания) информации в таком элементе памяти составляет 3 мс, а напряжение перепрограммирования - 12-15 В.
К недостаткам приведенного технического решения относится:
1) большое время перепрограммирования;
2) большая величина напряжения перепрограммирования.
Указанные недостатки связаны с большой толщиной нитрида кремния запоминающего слоя, а также низким значением диэлектрической проницаемости нитрида кремния (ε=7) и паразитной инжекцией носителей заряда из проводящего затвора.
Известен 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 с выполненными в ней истоком и стоком, на которой между последними последовательно выполнены туннельный слой, блокирующий слой и затвор. При этом использована кремниевая подложка р-типа, туннельный слой выполнен из оксида кремния, толщиной 2,0 нм, запоминающий слой выполнен из нитрида кремния, толщиной 4,0 нм, блокирующий слой выполнен из оксида кремния, толщиной 5,0 нм, на котором расположен проводящий затвор.
Время перепрограммирования в таком элементе памяти составляет 1 мс, а напряжение перепрограммирования - 9÷10 В. Паразитная инжекция носителей заряда из проводящего затвора в отличие от вышеприведенного технического решения подавляется блокирующим слоем оксида кремния.
К недостаткам рассматриваемого технического решения относится:
1) большое время записи/стирания информации;
2) большая величина напряжения записи/стирания информации.
Указанные недостатки связаны с низким значением диэлектрической проницаемости нитрида кремния (ε=7). Благодаря низкому значению диэлектрической проницаемости в режиме перепрограммирования на запоминающем слое нитрида кремния падает значительная часть приложенного напряжения. В связи с этим падение напряжения и, как следствие, электрическое поле в туннельном слое из оксида кремния относительно невелико. Уровень инжекционного тока электронов и дырок в туннельном слое из оксида кремния экспоненциально зависит от электрического поля в нем. Низкая напряженность электрического поля в туннельном слое приводит к небольшому уровню инжекционного тока и, как следствие, к большому времени накопления заряда в запоминающем слое нитрида кремния, то есть к низкому быстродействию в режиме перепрограммирования (большое время записи/стирания информации). С другой стороны, стремление скомпенсировать низкую напряженность электрического поля в туннельном слое и приподнять уровень инжекционного тока обеспечивает большую величину напряжения перепрограммирования.
Техническим результатом изобретения является:
1) понижение напряжения записи/стирания информации до 6÷8 В;
2) понижение времени записи/стирания информации до 10÷100 мкс.
Технический результат достигают тем, что во флэш элементе памяти электрически перепрограммируемого постоянного запоминающего устройства, содержащем полупроводниковую подложку с выполненными в ней истоком и стоком, на которой между истоком и стоком выполнены последовательно туннельный слой, запоминающий слой и затвор, запоминающий слой выполнен из диэлектрика с высокой концентрацией электронных и дырочных ловушек и значением диэлектрической проницаемости, превосходящим значение диэлектрической проницаемости нитрида кремния.
Во флэш элементе памяти запоминающий слой выполнен из диэлектрика со значением диэлектрической проницаемости 10÷100, толщиной 4,0÷100,0 нм.
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
2
3
x
y
Во флэш элементе памяти запоминающий слой выполнен с использованием материала: TiO, TaO, AlTaO, TaON, HfO, HfSiON, HfON, ErO, LaO, ZrO, ZrON, ZrSiO, GdO, YO, AlO, AlON.
Во флэш элементе памяти туннельный слой выполнен из оксида кремния толщиной 1,0÷2,0 нм.
Во флэш элементе памяти выполнен между запоминающим слоем и затвором блокирующий слой из материала, обладающего диэлектрической проницаемостью от 5 до 2000, толщиной 7,0÷100,0 нм.
Во флэш элементе памяти в качестве подложки использована кремниевая подложка р-типа проводимости, а выполнены в ней исток и сток n-типа проводимости.
Сущность изобретения поясняется нижеследующим описанием и прилагаемым чертежом, на котором схематически изображен флэш элемент памяти ЭППЗУ, где 1 - полупроводниковая подложка, 2 - исток, 3 - сток, 4 - туннельный слой, 5 - запоминающий слой, 6 - блокирующий слой, 7 - затвор.
Достижение указанного технического результата обеспечивается следующим образом.
Величина инжекционного тока через туннельный слой (4) определяет длительность и величину перепрограммирующего импульса элемента памяти (см. Фиг.). Как правило, чем выше инжекционный ток, тем меньше время записи/стирания информации и величина перепрограммирующего импульса. Величина инжекционного тока через туннельный слой (4) зависит от электрического поля в нем и, следовательно, от доли падения напряжения перепрограммирующего импульса на туннельном слое (4) при осуществлении записи/стирания. Повышение величины электрического поля в туннельном слое (4) возможно, в частности, за счет выполнения запоминающего слоя (5) из материалов с большей диэлектрической проницаемостью, чем у материала запоминающего слоя вышеприведенных известных технических решений.
2
3
2
3
4
2
5
2
2
x
y
z
x
y
2
x
y
x
y
2
3
2
3
x
y
x
2
3
2
3
2
3
x
Y
Известно, что слои оксида тантала TaO и оксида циркония ZrO подобно слоям нитрида кремния SiN характеризуются высокой концентрацией электронных и дырочных ловушек (М.Houssa, M.Tuominen, M.Naili, V.Afanas'ev, A.Stesmans, S.Haukka, M.M.Heyns, «Trap-assisted tunneling in high permittivity gate dielectric stacks», J. Applied Physics, v.87, p.p.8615-8620, 2000), что позволяет их использовать в качестве запоминающей среды. Более того, TaO и ZrO обладают по сравнению с нитридом кремния, превосходящим значением диэлектрической проницаемости: ε=25. Кроме указанных материалов аналогичными свойствами, диэлектрической проницаемостью, превосходящей нитрид кремния и концентрацией электронных и дырочных ловушек, сравнимой с концентрацией в нитриде кремния, обладают материалы: TiO, AlTaO, TaON, HfO, HfSiON, HfON, ErO, LaO, ZrON, ZrSiO, GdO, YO, AlO, AlON. Выполнение запоминающего слоя (5) вместо нитрида кремния из диэлектрика с высокой диэлектрической проницаемостью приводит к уменьшению падения напряжения на запоминающем слое (5), доля падения напряжения перепрограммирующего импульса на туннельном слое (4), соответственно, увеличивается и, следовательно, увеличивается величина электрического поля в нем. Увеличение электрического поля в туннельном слое (4) приводит к повышению значения инжекционного тока, что дает возможность уменьшить напряжение перепрограммирования (величину импульса) и время (длительность импульса) записи/стирания информации.
Таким образом, выполнение запоминающего слоя (5) из какого-либо вышеуказанного материала, каждый из которых представляет собой диэлектрик с большим значением диэлектрической проницаемости в диапазоне 10÷100, приводит к усилению электрического поля в туннельном слое и, как следствие, к увеличению тока инжекции электронов и дырок из подложки (1). Большой ток инжекции позволяет накопить заряд в запоминающем слое (5) при меньшем напряжении и длительности перепрограммирующего импульса.
Флэш элемент памяти ЭППЗУ содержит полупроводниковую подложку (1) исток (2), сток (3), туннельный слой (4), запоминающий слой (5), блокирующий слой (6) и затвор (7) (см. Фиг.).
Флэш элемент памяти ЭППЗУ имеет транзисторную структуру: на полупроводниковой подложке (1) с планарной стороны выполнены исток (2) и сток (3); между истоком (2) и стоком (3) на этой же стороне подложки (1) последовательно выполнены туннельный слой (4), запоминающий слой (5), блокирующий слой (6) и затвор (7).
В качестве полупроводниковой подложки (1) может быть использована кремниевая подложка р-типа проводимости. Исток (2) и сток (3) выполнены из материала с противоположным типом проводимости.
Туннельный слой (4) выполнен из оксида кремния толщиной 1,0÷2,0 нм. При толщинах туннельного слоя менее 1,0 нм резко ускоряется стекание заряда в элементе памяти за счет туннелирования носителей заряда через туннельный слой в кремниевую подложку (1). Стекание заряда приводит к уменьшению пороговых напряжений, соответствующих логическим 0 и 1. Увеличение толщины туннельного слоя (4) более 2,0 нм приводит к нежелательному увеличению длительности и амплитуды перепрограммирующего импульса за счет падения напряжения на туннельном слое (4).
Запоминающий слой (5) выполнен с использованием вышеуказанных материалов, приведенные материалы обеспечивают запоминающему слою (5) способность захватывать и накапливать заряд. Толщина его составляет 4,0÷100,0 нм.
2
6
x
1-x
3
x
1-x
6
x
1-x
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
x
y
2
Блокирующий слой (6) выполняют из материалов, обладающих высокой диэлектрической проницаемостью. Например: BaTaO, BaSrTiO, BaSrNbO, PbZnNbO, PbZrTiО, LiNbO, BiLaTiO, BiSrCuO, BiTiO, SrBiTaO, SrBiTaVO, SrTiNbO, SrNbO, SrTaO, SrZrO, PbTiO, LaAlO, КТаО, SiON. Значения диэлектрических проницаемостей указанных материалов лежат в интервале от 5 до 2000. В указанных материалах отсутствуют электронные и дырочные ловушки, наличие которых делало бы их неподходящими для изготовления блокирующего слоя (6). Кроме того, блокирующий слой (6) может быть традиционно выполнен из SiO.
Толщина блокирующего слоя (6) составляет от 7,0 до 100 нм. Толщина блокирующего слоя (6) менее 7,0 нм вызывает «паразитную» туннельную инжекцию носителей заряда из проводящего электрода (затвор (7)), которая приводит к уменьшению заряда, накопленного в запоминающем слое (5) за счет инжекции из полупроводниковой подложки (1). Толщина блокирующего слоя (6) более 100,0 нм вызывает увеличение «паразитного» падения напряжения на блокирующем слое (6) и ведет к уменьшению электрического поля в туннельном слое (4) и, как следствие, к уменьшению заряда, накопленного в запоминающем слое (5).
Затвор (7) выполняют из поликремния, или тугоплавкого металла (например, вольфрама), или силицида тугоплавкого металла (силицида вольфрама).
Флэш элемент памяти ЭППЗУ работает следующим образом.
6
Исходное пороговое напряжение элемента памяти (транзистора) ЭППЗУ близко к нулю. Запись информации (логический 0) осуществляют подачей на затвор (7) (см. чертеж) относительно подложки (1), например, р-типа проводимости, положительного напряжения с амплитудой, обеспечивающей напряженность электрического поля в туннельном слое (4), равной по величине (9÷14)×10 В/см. Электроны из подложки (1) туннелируют через туннельный слой (4) из оксида кремния и захватываются в запоминающем слое (5) с высокой плотностью ловушек и большим значением диэлектрической проницаемости. Захват электронов приводит к накоплению отрицательного заряда и переводит флэш элемент памяти (транзистор) в непроводящее состояние (поскольку канал транзистора находится в непроводящем состоянии) с высоким положительным пороговым напряжением, соответствующим логическому 0.
В отличие от вышеуказанных известных элементов памяти, в которых 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 нем мало. В результате существенно увеличивается падение напряжения на туннельном слое (4) из оксида кремния, что приводит к увеличению электрического поля в туннельном слое (4) из оксида кремния, экспоненциальному увеличению тока инжекции электронов из подложки (1) через туннельный слой (4) из оксида кремния, последующему захвату и накоплению электронов в запоминающем слое (5).
Перепрограммирование флэш элемента памяти ЭППЗУ (запись логической 1) осуществляют приложением к затвору (7) относительно подложки (1) отрицательного напряжения. При этом в туннельном слое (4) возникает электрическое поле, стимулирующее уход захваченных электронов в подложку (1) и инжекцию дырок из подложки (1). В результате инжектированные дырки захватываются запоминающим слоем (5) и в нем накапливается положительный заряд. Наличие положительного заряда в запоминающем слое (5) обуславливает сдвиг порогового напряжения в направлении отрицательного потенциала, и канал транзистора (флэш элемент памяти ЭППЗУ) переходит в проводящее состояние, что соответствует логической 1.
SiO2
За счет высокой диэлектрической проницаемости ε у запоминающего слоя (5) падение напряжения на нем, по сравнению с падением напряжения на туннельном слое (4), будет меньше в ε/ε раз; а падение напряжения на туннельном слое, соответственно, больше во столько же раз. Ток инжекции электронов через туннельный слой (4) в элементе памяти с запоминающим слоем (5), изготовленным из диэлектрика с высокой диэлектрической проницаемостью, существенно (на порядки) выше. Это позволяет уменьшить напряжение и длительность перепрограммирующего импульса. Таким образом происходит достижение указанного технического результата при использовании предлагаемого флэш элемента памяти ЭППЗУ, в котором перепрограммирование осуществляется путем туннельной инжекции электронов и дырок из полупроводниковой подложки (1) в запоминающий слой (5).