ЭНЕРГОНЕЗАВИСИМЫЙ ЭЛЕМЕНТ ПАМЯТИ ТИПА FETRAM

Предполагаемая полезная модель относится к области электроники и вычислительной техники, конкретно к оперативным запоминающим устройствам (ОЗУ).
Известен аналог заявляемого объекта элемент памяти ОЗУ [US Patent №US 2010/0073988 A1 от 05 марта 2010 года], содержащий структуру полевого транзистора, состоящую из кремниевой подложки со сформированными в ней областями истока и стока с металлизированными контактами к ним, в подзатворной области которой между областями истока и стока на поверхности подложки располагается емкостная структура на основе слоя ферроэлектрика, к которой сформирован металлический контакт управляющего электрода (затвора).
Данный элемент памяти позволяет осуществлять запись, хранение и считывание информации.
Признаками аналога, совпадающими с существенными признаками заявляемого объекта, являются: кремниевая подложка, области стока и истока с металлизированными контактами к ним, металлический контакт управляющего электрода (затвор), слой ферроэлектрического материала в подзатворной области между областями истока и стока.
Причинами, препятствующими достижению технического результата, являются: непосредственный контакт материала ферроэлектрика с материалом подложки, малая подвижность носителей в кремниевой подложке, низкое качество кристаллической структуры материала ферроэлектрика и, как следствие, большие значения токов утечки, низкая стабильность характеристик и слабая маштабируемость элемента.
Известен аналог заявляемого объекта элемент памяти ОЗУ [WO Patent № WO 01/6960 A2 от 10 марта 2000 года], содержащий структуру полевого транзистора, состоящую из кремниевой подложки со сформированными в ней областями истока и стока с металлизированными контактами к ним, в подзатворной области которой между областями истока и стока на поверхности подложки располагается емкостная структура, включающая в себя последовательно слой диэлектрика, металлический слой и слой ферроэлектрика, к которой сформирован металлический контакт управляющего электрода (затвора).
Данный элемент памяти позволяет осуществлять запись, хранение и считывание информации.
Признаками аналога, совпадающими с существенными признаками заявляемого объекта, являются: кремниевая подложка, области стока и истока с металлизированными контактами к ним, металлический контакт управляющего электрода (затвор), слой ферроэлектрика и слой диэлектрика в подзатворной области между областями истока и стока.
Причинами, препятствующими достижению технического результата, являются: малая подвижность носителей в кремниевой подложке, низкое качество кристаллической структуры материала ферроэлектрика, частичное экранирование заряда, наводимого ферроэлектриком, нижележащим слоем металла и, как следствие, слабая масштабируемость элемента.
Из известных наиболее близким по технической сущности к заявляемому объекту является элемент ОЗУ [WO Patent № WO 2013/183547 A1 от 30 мая 2013 года], содержащий структуру полевого транзистора, состоящую из кремниевой подложки со сформированными в ней областями истока и стока с металлизированными контактами к ним, в подзатворной области которой между областями истока и стока на поверхности подложки располагается емкостная структура, включающая барьерный слой диэлектрика и функциональный слой ферроэлектрика на основе оксидов висмута, тантала, стронция, кальция, к которой сформирован металлический контакт управляющего электрода (затвора).
Данный элемент памяти позволяет осуществлять запись, хранение и считывание информации.
Признаками прототипа, совпадающими с существенными признаками заявляемого объекта, являются: кремниевая подложка, области стока и истока с металлизированными контактами к ним, металлический контакт управляющего электрода (затвор), барьерный слой диэлектрика и функциональный слой ферроэлектрика в подзатворной области между областями истока и стока.
Причинами, препятствующими достижению технического результата, являются: малая подвижность носителей в кремниевой подложке, низкое качество кристаллической структуры материала ферроэлектрика, низкое значение поляризуемости материала ферроэлектрика и, как следствие, слабая масштабируемость элемента.
x
1-x
x
1-x
x
1-x
x
1-x
3
3
4
3
Задача предполагаемого изобретения - уменьшение энергопотребления, повышение помехоустойчивости, быстродействия элемента памяти, увеличение плотности записываемой информации, энергонезависимость. Это достигается за счет использования вместо структуры обычного полевого транзистора структуры селективно-легированного гетероструктурного SiGe транзистора (SiGe СЛГТ), включающей в себя высокоомную кремниевую подложку, нелегированный буферный слой переменного состава SiGe с линейно возрастающей долей германия, отрелаксированный нелегированный буфер фиксированного состава SiGe, дельта-легированный слой, нелегированный слой SiGe спейсера, нелегированный Si канал со слоем двумерного электронного газа (ДЭГ), материал которого находится в упруго растянутом состоянии, второй нелегированный слой SiGe спейсера, области стока и истока со сформированными к ним металлизированными контактами, а также использованием в емкостной структуре в качестве функционального слоя монокристаллического мультиферроика BiFeO, отделенного от транзисторной структуры слоем диэлектрика SiN, выступающего в качестве диффузионного и потенциального барьера, и буферным слоем диэлектрика DyScO.
3
3
4
3
Технический результат достигается тем что, в известном устройстве ОЗУ вместо структуры обычного полевого транзистора используется структура SiGe СЛГТ, а емкостная структура в подзатворной области транзистора выполнена из монокристаллического мультиферроика BiFeO в качестве функционального слоя, отделенного от транзисторной структуры барьерным слоем диэлектрика SiN и буферным слоем диэлектрика DyScO.
x
1-x
x
1-x
x
1-x
x
1-x
3
3
4
3
Для достижения необходимого технического результата в запоминающем элементе ОЗУ, включающем структуру полевого транзистора, состоящую из кремниевой подложки со сформированными в ней областями истока и стока с металлизированными контактами к ним, в подзатворной области которой между областями истока и стока на поверхности подложки располагается емкостная структура, включающая в себя слой диэлектрика и слой ферроэлектрика на основе оксидов висмута, тантала, стронция, кальция, к которой сформирован металлический контакт управляющего электрода (затвора), структура обычного полевого транзистора заменена на структуру SiGe СЛГТ, включающего в себя высокоомную кремниевую подложку, нелегированный буферный слой переменного состава SiGe с линейно возрастающей долей германия, отрелаксированный нелегированный буфер фиксированного состава SiGe, дельта-легированный слой, нелегированный слой SiGe спейсера, нелегированный Si канал со слоем ДЭГ, материал которого находится в упруго растянутом состоянии, второй нелегированный слой SiGe спейсера, области стока и истока с сформированными к ним металлизированными контактами, а в емкостной структуре в подзатворной области транзистора в качестве функционального слоя используется слой монокристаллического мультиферроика BiFeO, между которым и поверхностью транзисторной структуры дополнительно введены барьерный слой диэлектрика SiN и буферный слой диэлектрика DyScO.
На Фиг. 1. приведено сечение предлагаемого элемента памяти ОЗУ.
x
1-x
x
1-x
x
1-x
x
1-x
3
4
3
3
Запоминающий элемент ОЗУ (Фиг. 1) включает в себя структуру SiGe СЛГТ, которая содержит высокоомную кремниевую подложку 1, нелегированный буферный слой переменного состава SiGe с линейно возрастающей долей германия 2, отрелаксированный нелегированный буфер фиксированного состава SiGe 3, дельта-легированный слой 4, нелегированный слой SiGe спейсера 5, нелегированный 81 канал со слоем ДЭГ 6, материал которого находится в упруго растянутом состоянии, второй нелегированный слой SiGe спейсера 7, области стока 8 и истока 9 со сформированными к ним металлизированными контактами, на поверхности которой между областями сток 8 и истока 9 сформирована емкостная структура, состоящая из слоя диэлектрика SiN 10, выступающего в качестве диффузионного и потенциального барьера, буферного слоя диэлектрика DyScO 11, функционального слоя монокристаллического мультиферроика BiFeO 12, к которому сформирована металлизированный управляющий контакт (затвор) 13.
Работает запоминающий элемент следующим образом.
3
3
3
Принцип действия предлагаемого устройства основан на модуляции проводимости канала SiGe СЛГТ за счет изменения характеристик емкостной DyScO/BiFeO структуры (величины и знака заряда на обкладках) в подзатворной области прибора, которые, в свою очередь, задаются направлением и степенью поляризации слоя мультиферроика BiFeO.
3
3
3
3
3
3
Считывание информации осуществляется путем приложения между электродами стока и истока внешнего смещения между стоком и истоком и регистрации тока сток-исток через транзисторную структуру: если ток велик (прибор находится в низкоомном состоянии), то считается, что в ячейке записан ноль (информация отсутствует), если мал (высокоомное состояние) - единица (бит информации); запись информации в ячейку осуществляется путем приложения между затвором и стоком внешнего смещения такой величины и полярности, что в слое BiFeO возникает напряженность поля, достаточная для поляризации слоя так, что нижняя его сторона - граница DyScO/BiFeO - заряжается отрицательно, возникающий в подзатворной области нескомпенсированный заряд за счет кулоновского взаимодействия приводит к снижению концентрации и подвижности носителей заряда в слое ДЭГ в канале проводимости транзисторной 8Юе-структуры, что, в свою очередь, приводит к снижению тока сток-исток и, как следствие, росту сопротивления структуры, переключая прибор в высокоомное состояние, что эквивалентно записи в ячейку единицы; стирание информации осуществляется путем подачи внешнего смещения между стоком и затвором такой же величины, как и при записи, но обратной полярности, в результате чего слой BiFeO поляризуется в противоположном первоначальному направлении, и на границе DyScO/BiFeO возникает положительный поверхностный заряд, что приводит к возрастанию концентрации электронов в слое ДЭГ и росту тока сток-исток через транзистор - элемент переключается в низкоомное состояние, эквивалентное отсутствию информации в ячейке.
3
4
3
3
Таким образом, предлагаемое устройство представляет собой запоминающий элемент ОЗУ, позволяющий осуществлять запись, хранение и считывание информации в одной функционально интегрированной структуре. Использование структуры Sige СЛГТ с элементами 1-9 и емкостной структуры, включающей барьерный слой диэлектрика SiN 10, буферный слой диэлектрика DyScO 11 и функциональный слой монокристаллического мультиферроика BiFeO 12 позволяет увеличить быстродействие, помехоустойчивость, плотность записи информации, снизить токи утечки и энергопотребление.
Таким образом, по сравнению с аналогичными устройствами, предлагаемый запоминающий элемент позволяет уменьшить размер запоминающего элемента, снизить потребляемую мощность, повысить помехоустойчивость и быстродействие прибора.