ЯЧЕЙКА ПАМЯТИ СО СТРУКТУРОЙ ПРОВОДЯЩИЙ СЛОЙ-ДИЭЛЕКТРИК-ПРОВОДЯЩИЙ СЛОЙ
MEMORY CELL WITH CONDUCTING LAYER-DIELECTRIC-CONDUCTING LAYER STRUCTURE

Изобретение относится к области микро- и наноэлектроники, а именно к устройствам памяти, реализуемым с помощью методов микро- и наноэлектроники.
В литературе описана ячейка памяти в виде структуры металл-окисел-полупроводник (МОП-структура) (см. патент США №7209384 от 24.04.2007). Такая МОП-структура включает один полевой транзистор, состоящий из выделенной области полупроводника со сформированными областями истока и стока, к которым подключены металлические электроды. На поверхности этой области сформирован изолирующий слой, в котором расположены управляющий электрод и специальная электрически изолированная область ("плавающий" затвор - floating gate), находящаяся между управляющим электродом и полупроводниковой областью, способная хранить заряд в течение длительного времени. Расстояние между полупроводником и плавающим электродом от 10 до 50 нм. Наличие или отсутствие заряда на плавающем электроде кодирует один бит информации.
Считывание состояния ячейки осуществляется по уровню проводимости канала «сток-исток». При чтении, в отсутствие заряда на "плавающем" затворе, под воздействием положительного поля на управляющем затворе, образуется n-канал в подложке между истоком и стоком, и возникает ток.
Наличие заряда на "плавающем" затворе меняет вольт-амперные характеристики транзистора таким образом, что при обычном для чтения напряжении канал не появляется, и тока между истоком и стоком не возникает.
При программировании на сток и управляющий затвор подается высокое напряжение (причем на управляющий затвор напряжение подается приблизительно в два раза выше). Электроны из канала инжектируются на плавающий затвор и изменяют вольт-амперные характеристики транзистора.
При стирании высокое напряжение подается на исток. Электроны туннелируют из изолированной области на исток.
Недостатком такой ячейки памяти является сложность схемотехнических решений реализации элементов памяти и технологии их изготовления из-за наличия трех электродов для записи и считывания информации.
Известна ячейка памяти, имеющая слоистую структуру («сэндвич»-структуру) - металл-изолятор - металл (МИМ), в которой в качестве изолятора используются тонкие диэлектрические пленки различных окислов толщиной от 10 нм до нескольких микрон, расположенные между двумя металлическими электродами (см. Дирнлей Дж., Стоунхем А., Морган Д. // УФН, 1974, т.112, вып.1, стр.83-127). После изготовления структуры она помещается в вакуум и выполняется так называемая формовка, состоящая в подаче на электроды постоянного напряжения амплитудой до 15 В. После этого прибор под действием прикладываемого напряжения проявляет N-образные вольт-амперные характеристики, что позволяет использовать такие приборы в качестве элементов памяти. Установлено, что возможность формовки зависит от состава и давления остаточной атмосферы в вакууме, а сама формовка приводит к образованию в структуре каналов, сходных с каналами пробоя между металлическими электродами. Существенным фактором для получения необходимых вольт-амперных характеристик является проникновение молекул остаточной атмосферы в формируемую структуру.
Недостатком такого устройства является низкая воспроизводимость характеристик, что связано с плохой контролируемостью условий проведения операции формовки.
Наиболее близкой к заявляемой (прототип) является ячейка памяти со структурой проводящий слой - диэлектрик - проводящий слой (см. Мордвинцев В.М., Левин В.Л. Патент РФ №2072591, 1997), которая включает: два металлических электрода - электрод первого уровня, расположенный на изолирующей подложке, электрод второго уровня, разделяющий электроды двух уровней слой диэлектрика толщиной от 3 до 100 нм, изолирующую щель в форме открытого торца слоя диэлектрика в областях перекрещивания электродов первого и краев электрода второго уровней, находящийся в изолирующей щели углеродистый активный материал, проводимость которого меняется при прохождении через него потока электронов, и среду над поверхностью изолирующей щели, обеспечивающую поступление исходного углеродсодержащего (органического) материала и возможность удаления частиц углеродистого материала с поверхности изолирующей щели. В случае подачи на металлические электроды достаточного напряжения и прохождения через изолирующую щель электрического тока из органического вещества за счет деструкции его молекул при электронном ударе образуется углеродистый активный материал (процесс электроформовки), проводимость которого меняется в широких пределах в зависимости от его состава и структуры, зависящих от значений тока и прошедшего заряда. При этом элемент может переводиться в высокопроводящее состояние. Подача импульса напряжения большей амплитуды приводит к термическому удалению образовавшегося углеродистого проводящего материала и переводу элемента в низкопроводящее состояние. Оба состояния сохраняются неограниченно долго при отключенном питании, и переключения между ними возможны многократно. Такой элемент может служить основой для построения устройства энергонезависимой электрически перепрограммируемой памяти. Существенным недостатком такого элемента устройства энергонезависимой памяти является невысокая воспроизводимость характеристик, связанная с использованием углеродистого активного материала, подвергающегося химическим превращениям в процессе записи информации в ячейку памяти.
Технической задачей изобретения является создание двухэлектродной энергонезависимой перепрограммируемой ячейки памяти с воспроизводимыми параметрами, использующей эффект сохранения электрического заряда.
Поставленная задача решается тем, что в известной ячейке памяти со структурой проводящий слой - диэлектрик - проводящий слой, включающая два электрода с расположенным между ними слоем диэлектрика, слой диэлектрика имеет дефекты, обеспечивающие электрическую проводимость путем туннелирования носителей заряда по дефектам, и содержит включения полупроводникового материала, расположенные вблизи одного из электродов и обеспечивающие приобретение, сохранение и удаление электрического заряда, блокирующего протекание тока по дефектам в слое диэлектрика.
Достигаемые при этом технические результаты состоят в следующем.
Во-первых, в предлагаемой конструкции исключается нестабильность свойств ячейки памяти, вызванная использованием углеродистых материалов, подверженных деградации в процессе эксплуатации, за счет отсутствия материалов, претерпевающих химические превращения в процессе эксплуатации.
Во-вторых, изготовление предлагаемой ячейки памяти и устройств памяти на ее основе возможно с использованием стандартных технологических приемов и конструкций современной микроэлектроники.
В источниках информации не обнаружено сведений, аналогичных предложенной ячейке памяти, что позволяет сделать вывод о ее новизне.
Кроме того, совокупность признаков заявляемой ячейки неочевидна для специалиста из достигнутого уровня техники для решения поставленной задачи, что подтверждает соответствие способа критерию «изобретательский уровень».
Обоснование предлагаемой ячейки памяти вместе со сведениями, подтверждающими возможность ее осуществления, приводятся ниже на примере конкретной ячейки, реализованной нами.
Сущность предлагаемого изобретения поясняется чертежами:
Фиг.1. - Схематическое изображение ячейки памяти со структурой проводящий слой-диэлектрик-проводящий слой, где 1, 3 - проводящий электрод, 2 - слой диэлектрика, 4 - включения полупроводникового материала.
Фиг.2. - Экспериментальные вольт-амперные характеристики ячейки памяти проводящий слой-диэлектрик-проводящий слой на примере структуры металл-диоксид кремния-полупроводник.
Фиг.3. - Примерный вид энергетической диаграммы ячейки памяти со структурой металл-диоксид кремния-полупроводник.
2
+
l9
-3
Пример реализации заявляемой ячейки памяти проводящий слой-диэлектрик-проводящий слой при использовании структуры металл-диоксид кремния-полупроводник с включениями (кластерами) аморфного гидрогенизированного кремния размером 1-4 нм в диоксиде кремния, расположенными вблизи металлического электрода. Металлический электрод представляет собой напыленную пленку никеля Ni площадью ~7 мм, в качестве слоя диэлектрика используют пленку диоксида кремния SiO толщиной ~70 нм, полупроводниковая подложка представляет собой кремниевую пластину дырочного типа проводимости pSi с концентрацией основных носителей заряда ~10 cм.
Сущность изобретения подтверждается результатами измерений электрофизических параметров. Электрофизические параметры экспериментальной структуры исследуют с помощью измерителя параметров полупроводниковых приборов. Вольт-амперные характеристики структуры металл - диоксид кремния - полупроводник с включениями в изолирующий слой полупроводникового материала (Фиг.2а-г) подтверждают возможность использования ее в качестве ячейки памяти.
При подаче положительного напряжения на кремниевую подложку (Фиг.2а) ток возрастает примерно до 250 микроампер. При напряжении ~5 вольт протекающий через структуру ток резко падает. Ячейка переходит в непроводящее состояние.
При повторном приложении напряжения той же полярности ток через ячейку практически не протекает (Фиг.2б). Это соответствует считыванию закрытого состояния.
При подаче отрицательного напряжения на кремниевую подложку величиной порядка ~20 В наблюдается резкое увеличение тока (Фиг.2в).
При последующей подаче положительного напряжения на кремниевую подложку напряжением до 5 В наблюдается протекание тока величиной до 250 микроампер (Фиг.2г), что соответствует считыванию открытого состояния ячейки.
Таким образом, запись открытого состояния осуществляется приложением большого отрицательного напряжения на кремниевую подложку, запись закрытого состояния - приложением большого положительного напряжения, а считывание состояния ячейки производится небольшим положительным напряжением.
Установлено, что закрытое и открытое состояния ячеек после записи не изменяется, по крайней мере, в течение месяца. При протекании тока при напряжении 3 вольта через открытую ячейку, его значение с течением времени практически не меняется.
Также экспериментально исследованы структуры, отличающиеся от описанной материалом и типом проводимости подложки (кремниевая подложка электронного типа проводимости n+Si, металлическая подложка (алюминий, никель)), толщиной диоксида кремния 50-130 нм, типом материла металлического электрода (алюминий Аl). Получены результаты, аналогичные описанным выше.
Предложенная ячейка памяти, очевидно, имеет следующий механизм работы. На фиг.3 показан примерный вид энергетической диаграммы ячейки памяти металл-диэлектрик-полупроводник с включениями в изолирующий слой кластеров аморфного гидрогенизированного кремния. При низких положительных напряжениях на кремниевой подложке происходит протекание тока путем туннелирования электронов между дефектами диоксида кремния. Этому соответствует параболический вид вольтамперной характеристики ячейки (Фиг.2а и 2г). При этом электроны не могут попасть в кластер аморфного кремния, поскольку у него достаточно большая ширина запрещенной зоны. При таких напряжениях можно осуществить считывание состояния ячейки («открыто» или «закрыто»).
При дальнейшем увеличении напряжения электроны преодолевают потенциальный барьер посредством туннелирования, попадают в кластер и там локализуются. В результате происходит блокирование цепочек протекания тока по дефектам диоксида кремния, следствием чего является прекращение протекания тока через ячейку (Фиг.2а). Этот эффект аналогичен явлению, именуемому в литературе «кулоновская блокада» (См. М.Д.Ефремов, Г.Н.Камаев и др.. Физика и техника полупроводников, 2005, том 39, вып.8, стр.945-952). Туннелирование электронов из кластера на кремниевую подложку незначительно, поскольку расстояние между кластерами и кремнием значительно больше, чем между металлическим электродом и кластерами.
При подаче на кремниевую подложку отрицательного напряжения, обеспечивающего туннелирование носителей заряда с кластеров на металлический электрод, электроны из кластеров туннелируют в металл. При этом исчезает эффект блокирования цепочек протекания тока по дефектам диоксида кремния. Это означает, что ячейка переходит в открытое состояние.
Таким образом, в предложенной ячейке памяти информация кодируется наличием заряда в области включений полупроводникового материала, располагаемых около металлического электрода.
Из приведенного описания механизма работы ячейки памяти следует, что подобный механизм записи и считывания информации может быть реализован при использовании в конструкции ячейки большинства проводящих, диэлектрических материалов и материала полупроводниковых включений.