ФЛЭШ-ЭЛЕМЕНТ ПАМЯТИ ЭЛЕКТРИЧЕСКИ ПЕРЕПРОГРАММИРУЕМОГО ПОСТОЯННОГО ЗАПОМИНАЮЩЕГО УСТРОЙСТВА

Полезная модель относится к вычислительной технике, в частности, к электрически перепрограммируемым постоянным запоминающим устройствам (ЭППЗУ), сохраняющим информацию при отключенном питании (флэш-память), и может быть использована в устройствах памяти вычислительных машин, микропроцессорах, в различных портативных электронных устройствах (цифровые фотоаппараты, видеокамеры, мобильные телефоны, съемные диски персональных компьютеров - USB флэш память), а также в различных электронных платежных средствах и документах, удостоверяющих личность, таких, как например, электронные банковские карты, карты оплаты проезда на транспорте, электронные паспорта и водительские удостоверения.
x
2
2
2
5
2
2
3
Известен флэш элемент памяти электрически перепрограммируемого постоянного запоминающего устройства (V.A.Gritsenko, К.A.Nasyrov, D.V.Gritsenko Yu.N.Novikov, J.H.Lee, J.-W.Lee, C.W.Kirn, H.Wong «Modeling of a EEPROM device based on silicon quantum dots embedded in high-k dielectrics» Microelectronic engineering, v.81, p.p.530-534, 2005), содержащий полупроводниковую подложку с выполненными в ней истоком и стоком, на которой между последними последовательно выполнены туннельный слой, запоминающий слой, блокирующий слой и затвор. При этом использована кремниевая подложка, туннельный слой выполнен из диоксида кремния, толщиной 5 нм, запоминающий слой выполнен толщиной 5 нм из окиси кремния SiO, содержащей кремниевые нанокластеры, блокирующий слой выполнен из диэлектрика с высокой диэлектрической проницаемостью, толщиной 10 нм. В качестве блокирующего слоя использован диэлектрик с высокой диэлектрической проницаемостью - оксид гафния НfO (диэлектрическая проницаемость ε=20), или оксид циркония ZrO (диэлектрическая проницаемость ε=22), или оксид тантала ТаO (диэлектрическая проницаемость ε=28), или оксид титана TiO (диэлектрическая проницаемость ε=80), или оксид алюминия AlО (диэлектрическая проницаемость ε=10).
Активную роль в функции запоминания выполняют кремниевые нанокластеры.
Благодаря высокой диэлектрической проницаемости диэлектрика блокирующего слоя, паразитное падение напряжения на нем мало, что способствует увеличению падения напряжения на туннельном слое и, как следствие, увеличению инжекционного тока при осуществлении перепрограммирования, повышая быстродействие флэш элемента памяти. С другой стороны, благодаря высокой диэлектрической проницаемости диэлектрика
блокирующего слоя, электрическое поле в нем мало, и, следовательно, мала паразитная (нежелательная) инжекция электронов и дырок из проводящего затвора.
Однако к недостаткам приведенного технического решения относится его низкая надежность в режиме хранения информации. Недостаток обусловлен паразитным растеканием заряда из кремниевых нанокластеров в проводящий затвор из-за существования больших токов утечки через диэлектрик с высокой диэлектрической проницаемостью, возникающих в результате наличия дефектов в диэлектрике, которые выступают в качестве ловушек для электронов и дырок. Флэш элемент памяти должен обеспечивать хранение информации (накопленный в запоминающей среде заряд), по крайней мере, в течение 10 лет при 85°С.
В качестве ближайшего технического решения известен флэш элемент памяти электрически перепрограммируемого постоянного запоминающего устройства (заявка №2003109077/09 (009508) на выдачу патента РФ на изобретение, МПК: 7 G11С 14/00), содержащий полупроводниковую подложку с выполненными в ней истоком и стоком, на которой между последними последовательно выполнены туннельный слой, запоминающий слой, блокирующий слой и затвор. При этом использована кремниевая подложка, туннельный слой выполнен из оксида или оксинитрида кремния, толщиной от 1 до 10 нм, запоминающий слой выполнен из диэлектрика, содержащего нанокластеры из полупроводника или металла, блокирующий слой выполнен из диэлектрика с высокой диэлектрической проницаемостью от 4,5 до 4000.
Приведенное в качестве ближайшего технического решения устройство обладает тем же недостатком, обусловленным теми же причинами.
Техническим результатом полезной модели является повышение надежности флэш элемента памяти ЭППЗУ в режиме хранения информации.
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 туннельный слой, запоминающий слой из диэлектрика с нанокластерами полупроводника или металла, блокирующий слой и затвор, между запоминающим слоем и блокирующим слоем выполнен дополнительный блокирующий слой из оксида кремния, обладающего значением диэлектрической проницаемости, значительно меньшим, чем диэлектрическая проницаемость материала блокирующего слоя.
2
Во флэш элементе памяти туннельный слой выполнен из оксида кремния SiO толщиной от 1,0 до 10,0 нм.
Во флэш элементе памяти блокирующий слой выполнен из материала со значением диэлектрической проницаемости от 4,5 до 4000, толщиной от 7,0 до 100 нм.
2
6
х
1-х
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
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
2
3
x
y
Во флэш элементе памяти в качестве материала для блокирующего слоя использован диэлектрик из приведенного перечня материалов: ВаТаО, ВаSrTiO, BaSrNbO, PbZnNbО, PbZrTiO, LiNbO, BiLaTiO, BiSrCuO, ВiTiO, SrBiTaO9, SrBiTaVO, SrTiNbO, SrNbO, SrТаO, SrZrO, РbTiO, LаАlO, КТаО, TiO, TaO, AlTaO, TaON, НfO, HfSiON, HfON, ЕrО, LаO, ZrO, ZrON, ZrSiO, GdO, YO, SiON, AlО, AlON.
2
Во флэш элементе памяти дополнительный блокирующий слой из оксида кремния SiO выполнен толщиной от 3 до 5 нм.
x
Во флэш элементе памяти запоминающий слой из диэлектрика с нанокластерами полупроводника или металла выполнен из окиси кремния SiO или двуокиси кремния толщиной от 4,0 до 300,0 нм.
Во флэш элементе памяти затвор выполнен из поликремния, или тугоплавкого металла, или силицида тугоплавкого металла.
Во флэш элементе памяти использована подложка кремния р-типа проводимости, исток и сток выполнены в виде карманов n-типа проводимости.
Сущность полезной модели поясняется нижеследующим описанием и прилагаемой фигурой. На Фиг. схематически изображен флэш элемент памяти ЭППЗУ, где 1 - полупроводниковая подложка, 2 - исток, 3 - сток, 4 - туннельный слой, 5 - запоминающий слой, 6 - дополнительный блокирующий слой, 7 - блокирующий слой, 8 - затвор.
Достижение указанного технического результата обеспечивается выполнением в конструкции элемента памяти системы блокирующих слоев.
Время хранение информации, заряда в запоминающем слое, в общем случае, определяется толщиной туннельного и блокирующего слоев и их диэлектрической проницаемостью, чем выше значения указанных параметров, тем больше время хранения. Для надежного и длительного хранения эти слои должны быть выполнены из диэлектрика с высокой диэлектрической проницаемостью и достаточно толстыми, причем диэлектрик должен быть удовлетворительного качества в отношении дефектов.
При выборе материалов для указанных слоев необходимо руководствоваться также следующими обстоятельствами.
Во-первых, в отношении туннельного слоя. Известно, что главным фактором, влияющим на длительность и величину перепрограммирующего импульса, является
2
величина инжекционного тока через туннельный слой. Чем выше величина тока, тем меньше время записи/стирания информации. При этом величина инжекционного тока определяется следующими факторами: качеством диэлектрика, его диэлектрической проницаемостью и толщиной туннельного слоя. Диэлектрик должен обеспечить предельно низкие токи утечки и удовлетворять условию отсутствия в нем дефектов, которые могут выступать в качестве ловушек для электронов и дырок при их инжекции из подложки в запоминающий слой. Относительно диэлектрической проницаемости, она не должна быть чрезмерно высокой, чтобы обеспечить требуемые инжекционные свойства туннельному слою. Наиболее подходящий материал для изготовления туннельного слоя в соответствии с изложенными критериями - SiO с диэлектрической проницаемостью 3,9. Желательно, по возможности, выполнять туннельный слой меньшей толщиной. Соблюдение этого условия позволит уменьшить величину напряжения перепрограммирования. Однако, чрезмерное уменьшение толщины вызывает отекание заряда из запоминающего слоя в режиме «хранения».
Во-вторых, в отношении блокирующего слоя. Инжекционный ток через туннельный слой зависит от величины электрического поля. Повышение величины электрического поля в туннельном слое возможно, также за счет выполнения блокирующего слоя из материалов с большей диэлектрической проницаемостью, чем у материала туннельного слоя. Блокирующий слой, выполненный из материала со значением диэлектрической проницаемости большим по сравнению с диэлектрической проницаемостью материала туннельного слоя, приводит к усилению электрического поля в туннельном слое при подаче перепрограммирующего импульса напряжения. Значительное электрическое поле в туннельном слое ведет к увеличению тока инжекции электронов и дырок из полупроводниковой подложки. Этот инжекционный ток позволяет накапливать заряд в запоминающем слое при использовании перепрограммирующего импульса меньшего напряжения и меньшей длительности. Существенным аргументом в пользу использования материалов с высокой диэлектрической проницаемостью для блокирующего слоя является также то, что электрическое поле в таких слоях мало и, следовательно, мала паразитная (нежелательная) инжекция электронов/дырок из проводящего затвора.
Однако материалы с высоким значением диэлектрической проницаемости, как правило, обладают высокой плотностью дефектов, которые выступают в качестве ловушек для электронов и дырок, обеспечивают высокие токи утечки, что способствует растеканию заряда, захваченного нанокластерами, из запоминающего слоя через блокирующий слой к проводящему затвору.
2
Выполнение блокирующего слоя из оксида кремния SiO приведет к увеличению длительности и величины перепрограммирующего импульса, поскольку такой слой должен быть достаточно толстым.
2
2
В связи с вышеизложенным, компромиссным вариантом является создание во флэш элементе памяти ЭППЗУ системы блокирующих слоев. В предлагаемом техническом решении система блокирующих слоев выполнена в составе дополнительного блокирующего слоя (6) из относительно тонкого слоя оксида кремния SiO, расположенного на запоминающем слое (5), и блокирующего слоя (7) из диэлектрика с высокой диэлектрической проницаемостью (4,5÷4000), расположенного на дополнительном блокирующем слое (6). Дополнительный блокирующий слой (6), благодаря своему материалу - SiO, препятствует отеканию заряда, а блокирующий слой (7) из диэлектрика с диэлектрической проницаемостью 4,5÷4000 обеспечивает высокое электрическое поле в туннельном слое (4) для высокого тока инжекции электронов/дырок в режиме перепрограммирования, сохраняя быстродействие элемента памяти.
2
6
х
1-х
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
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
2
3
x
y
Диэлектрическая проницаемость оксида кремния, из которого выполнен первый дополнительный блокирующий слой (6), составляет величину 3,9. Значение диэлектрической проницаемости материала второго блокирующего слоя должна быть больше данной величины. Выполнение данного условия обеспечивается путем использования в качестве диэлектрика для блокирующего слоя материала, например: ВаТаО, ВаSrTiO, BaSrNbO, PbZnNbО, PbZrTiO, LiNbO, BiLaTiO, BiSrCuO, ВiTiO, SrBiTaO9, SrBiTaVO, SrTiNbO, SrNbO, SrТаO, SrZrO, РbTiO, LаАlO, КТаО, TiO, TaO, AlTaO, TaON, НfO, HfSiON, HfON, ЕrО, LаO, ZrO, ZrON, ZrSiO, GdO, YO, SiON, AlО, AlON. Значения диэлектрических проницаемостей указанных материалов лежат в интервале от 4,5 до 4000.
Флэш элемент памяти ЭППЗУ (см. Фиг.) имеет транзисторную структуру, в которой 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), дополнительный блокирующий слой (6), блокирующий слой (7) и затвор (8) (см. Фиг.).
В качестве полупроводниковой подложки (1) может быть использована кремниевая подложка р-типа проводимости. Исток (2) и сток (3) созданы в виде карманов с противоположным типом проводимости кремния.
2
Туннельный слой (4) из оксида кремния SiO выполнен толщиной 1,0÷10,0 нм. Диэлектрические свойства оксида кремния и указанная толщина обеспечивают
необходимые инжекционные свойства для инжекции электронов/дырок в запоминающий слой (5) в режиме записи/стирания. При толщинах туннельного слоя (4) менее 1,0 нм в элементе памяти резко ускоряется отекание заряда из запоминающего слоя (5) за счет туннелирования носителей заряда через туннельный слой (4) в подложку (1). Стекание заряда приводит к уменьшению окна памяти (разница пороговых напряжений в состояниях «0» и «1») и, следовательно, к снижению надежности. Выполнение туннельного слоя (4) толщиной более 10,0 нм, с одной стороны, способствует увеличению времени хранения информации флэш элементом памяти, однако, с другой стороны, вызывает нежелательное увеличение длительности и амплитуды перепрограммирующего импульса в связи с уменьшением электрического поля в нем.
x
2
Запоминающий слой (5) выполнен из окиси кремния SiO, или двуокиси кремния SiO. В запоминающем слое (5) выполнены нанокластеры из полупроводника или металла, например, кремния, или германия, или вольфрама, или платины. Использование приведенных материалов обеспечивает запоминающему слою (5) способность захватывать и накапливать заряд. Активную функцию в запоминании информации выполняют присутствующие в нем нанокластеры. Толщина запоминающего слоя (5) составляет 4,0÷300,0 нм.
2
Дополнительный блокирующий слой (6) выполняют из оксида кремния SiO толщиной 3,0÷5,0 нм. Выбор толщины обусловлен следующими обстоятельствами. При толщине дополнительного блокирующего слоя (6) менее 3,0 нм возможна туннельная инжекция электронов/дырок из запоминающего слоя (5) в проводящий затвор (8) через блокирующий слой (7), выполненный из диэлектрика с высокой диэлектрической проницаемостью, которому, как было упомянуто выше, свойственно наличие дефектов, обуславливающих большие токи утечки. При толщинах дополнительного блокирующего слоя (6) более 5,0 нм на нем увеличивается паразитное падение напряжения, приводя к снижению падения напряжения на туннельном слое (4), уменьшению электрического поля в нем, снижению инжекционного тока носителей заряда и уменьшению заряда, накопленного в запоминающем слое (5).
2
6
х
1-х
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
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
2
3
x
y
Блокирующий слой (7) выполняют из материалов, обладающих высокой диэлектрической проницаемостью. Например: ВаТаО, ВаSrTiO, BaSrNbO, PbZnNbО, PbZrTiO, LiNbO, BiLaTiO, BiSrCuO, ВiTiO, SrBiTaO9, SrBiTaVO, SrTiNbO, SrNbO, SrТаO, SrZrO, РbTiO, LаАlO, КТаО, TiO, TaO, AlTaO, TaON, НfO, HfSiON, HfON, ЕrО, LаO, ZrO, ZrON, ZrSiO, GdO, YO, SiON, AlО, AlON.
Толщина блокирующего слоя (7) составляет от 7,0 до 100 нм. Толщина блокирующего слоя (7) менее 7,0 нм вызывает «паразитную» туннельную инжекцию носителей заряда из проводящего электрода (затвор (8)), которая приводит к уменьшению заряда, накопленного в запоминающем слое (5) за счет инжекции из полупроводниковой подложки (1). Толщина блокирующего слоя (7) более 100,0 нм вызывает увеличение «паразитного» падения напряжения на блокирующем слое (7) и ведет к уменьшению электрического поля в туннельном слое (4), и, как следствие, к уменьшению заряда, накопленного в запоминающем слое (5).
Затвор 8 выполняют из поликремния, или тугоплавкого металла (например, вольфрама), или силицида тугоплавкого металла (силицида вольфрама).
Флэш элемент памяти ЭППЗУ работает следующим образом.
6
x
Исходное пороговое напряжение флэш элемента памяти ЭППЗУ (транзистора) имеет небольшую отрицательную величину, транзистор находится в проводящем состоянии (логическая «1»). Запись информации (логический «0») осуществляют подачей на затвор (8) (см. Фиг.) относительно подложки (1) кремния р-типа проводимости положительного напряжения с амплитудой, обеспечивающей напряженность электрического поля в туннельном слое (4), равной по величине (9÷14)×10 В/см. Это приводит к туннелированию электронов из подложки (1) через туннельный слой (4) в запоминающий слой (5) и последующему захвату электронов в запоминающем слое (5), например, на кремниевые нанокластеры, в случае выполнения запоминающего слоя (5) из окиси кремния SiO. 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».
Перепрограммирование флэш элемента памяти ЭППЗУ (запись логической «1») осуществляют приложением к затвору (8) относительно подложки (1) кремния р-типа проводимости отрицательного напряжения. При этом в запоминающей среде (запоминающий слой 5) и 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 элемента памяти ЭППЗУ) переходит в проводящее состояние, что соответствует логической «1».
SiO2
2
Наличие высокой диэлектрической проницаемости ε у блокирующего слоя (7) приводит к тому, что 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 (4) из оксида кремния, соответственно, больше. Ток инжекции электронов через туннельный слой (4) в элементе памяти с дополнительным блокирующим слоем (6) из оксида кремния SiO и блокирующим слоем (7), который изготовлен из диэлектрика с высокой диэлектрической проницаемостью, существенно (на порядки) выше. Это в качестве дополнительного положительного эффекта позволяет уменьшить напряжение и длительность перепрограммирующего импульса.
Уменьшение напряжения и длительности перепрограммирующего импульса при повышении надежности хранения информации также возможно для флэш элемента памяти ЭППЗУ, в котором перепрограммирование осуществляется путем инжекции горячих электронов из канала полупроводниковой подложки в запоминающий слой.