ФЛЭШ ЭЛЕМЕНТ ПАМЯТИ
FLASH ELEMENT OF MEMORY

Техническое решение относится к микроэлектронике, вычислительной технике, в частности, к флэш электрически перепрограммируемым постоянным запоминающим устройствам (ЭППЗУ), сохраняющим информацию при отключенном питании (быстрая или флэш-память), и может быть использовано в устройствах памяти вычислительных машин, в планшетниках, в микропроцессорах, в электронных паспортах, в портативных электронных устройствах, в электронных карточках.
Известен флэш элемент памяти (Т.-К. Kim, S. Chang, J.-H. Choi, Floating gate technology for high perfomance 8-level 3 bit NAND flash memory, Solid-State Electronics, v. 53, p.p.792-797, 2009), содержащий полупроводниковую подложку с истоком и стоком, сформированными в ней, и последовательно выполненные на подложке между истоком и стоком туннельный слой, запоминающий слой, блокирующий слой и проводящий затвор. Полупроводниковая подложка изготовлена из кремния р-типа, туннельный слой - из оксида кремния, толщиной от 6 до 10 нм, запоминающий слой - из легированного поликремния, толщиной от 200 до 400 нм, блокирующий слой - в составе трехслойного диэлектрика, а именно, в составе последовательности слоев оксида кремния, нитрида кремния, оксид кремния.
К причинам, препятствующим достижению технического результата, который обеспечивается в предлагаемом решении, относится следующее.
В приведенном решении используется плавающий затвор из поликремния. Толщина поликремния значительна, 200 до 400 нм. Для используемой конструкции с использованием поликремния значительной толщины характерны: эффект интерференции, возникновение между соседними плавающими затворами элементов памяти паразитной емкости, стирание информации. Кроме того, в результате интерференции, паразитной емкости существует ограничение на возможность уменьшения проектной нормы размеров элемента до экстремально малых размеров, что препятствует наращиванию информационной емкости.
Наиболее близким техническим решением к заявляемому является флэш элемент памяти (В. Govoreanu, R. Degraeve, Understanding the potential and limitations of HfAlO as interpoly dielectric, Microelectronic Engineering, v. 86, p.p.1807-1811, 2009), содержащий полупроводниковую подложку с истоком и стоком, сформированными в ней, и последовательно выполненные на подложке между истоком и стоком туннельный слой, запоминающий слой, блокирующий слой и проводящий затвор. Полупроводниковая подложка изготовлена из кремния р-типа, туннельный слой - из оксида кремния, толщиной от 6 до 10 нм, запоминающий слой - из легированного поликремния толщиной от 200 до 400 нм, блокирующий слой - из диэлектрика с высокой диэлектрической проницаемостью.
В отношении ближайшего аналога к причинам, препятствующим достижению технического результата, который обеспечивается в предлагаемом решении, относится следующее.
В приведенном решении используется плавающий затвор из поликремния значительной толщины - от 200 до 400 нм. Для используемой конструкции на основе поликремния значительной толщины характерны: эффект интерференции, возникновение между соседними плавающими затворами элементов памяти паразитной емкости, стирание информации. Кроме того, в результате интерференции, паразитной емкости существует ограничение на возможность уменьшения проектной нормы размеров элемента до экстремально малых размеров, что препятствует наращиванию информационной емкости.
Техническим результатом предлагаемого решения является:
- снижение паразитной емкости между плавающими затворами соседних флэш элементов памяти;
- предотвращение стирания информации соседних флэш элементов памяти;
- достижение возможности наращивания информационной емкости устройства памяти в целом.
Технический результат достигают тем, что во флэш элементе памяти, содержащем полупроводниковую подложку с истоком и стоком, сформированными в ней, и последовательно выполненные на подложке между истоком и стоком туннельный слой, запоминающий слой, блокирующий слой и проводящий затвор, запоминающий слой выполнен в виде сплошного инертного проводящего слоя из нитрида тантала TaN или нитрида титана TiN, нижний предел толщины запоминающего слоя ограничен возможностью существования сплошного слоя, а верхний предел - желанием снизить эффект интерференции и величину паразитной емкости.
Во флэш элементе памяти запоминающий слой получен путем термического напыления металлического тантала Та или титана Ti с характерным островковым механизмом роста с переходом от роста отдельных островков к сплошной пленке, обладающей проводимостью, и последующим азотированием в азотной плазме, минимальной толщины, при которой возможно существование сплошного слоя, - от 20 нм до 30 нм включительно.
Во флэш элементе памяти запоминающий слой из нитрида тантала TaN или нитрида титана TiN сформирован минимально возможной толщины.
Во флэш элементе памяти в качестве диэлектрика для блокирующего слоя использован материал со значением диэлектрической проницаемости от 4,5 до 4000.
2
6
x
1-x
3
x
1-x
6
x
1-x
3
x
1-x
3
3
4-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
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 диэлектрика для блокирующего слоя использован материал: BaTaO, BaSrTiO, BaSrNbO, PbZnNbO, PbZrTiO, LiNbO, BiLaTiO, BiSrCuO, BiTiO, SrBiTaO, SrBiTaVO, SrTiNbO, SrNbO, SrTaO, SrZrO, PbTiO, LaAlO, KTaO, TiO, TaO, AlTaO, TaON, HfO, HfSiON, HfON, ErO, LaO, ZrO, ZrON, ZrSiO, GdO, YO, SiON, AlO, AlON.
Во флэш элементе памяти блокирующий слой выполнен трехслойным в составе слоев: оксид кремния-нитрид кремния-оксид кремния.
Во флэш элементе памяти туннельный слой выполнен из оксида кремния толщиной 3,0÷5,0 нм.
Во флэш элементе памяти блокирующий слой выполнен толщиной 3,0÷100,0 нм.
Во флэш элементе памяти затвор выполнен из поликремния, или тугоплавкого металла, или силицида тугоплавкого металла, или нитридов тантала или титана.
Сущность решения поясняется нижеследующим описанием и прилагаемой фигурой. На Фиг. схематически изображен флэш элемент памяти, где 1 - полупроводниковая подложка, 2 - исток, 3 - сток, 4 - туннельный слой, 5 - запоминающий слой, 6 - блокирующий слой, 7 - затвор.
Достижение технического результата в предлагаемом решении (см. Фиг.) базируется на устранении эффекта интерференции, возникновения между соседними плавающими затворами элементов памяти паразитной емкости, стирания информации. Как следствие, в результате устранения интерференции, паразитной емкости снимается ограничение на возможность уменьшения проектной нормы размеров элемента памяти до экстремально малых размеров, открывается возможность наращивания информационной емкости ЭППЗУ. Указанное достигается путем отказа использования во флэш элементе памяти поликремния в качестве материала запоминающего слоя 5, что обуславливает использование запоминающих слоев значительной толщины, и перехода к использованию в этих целях нитрида тантала TaN или титана TiN, из которых формируют инертные проводящие слои, выполняющие функцию запоминающего слоя.
Устранение эффекта интерференции и возникновения между соседними плавающими затворами элементов памяти паразитной емкости в случае использования в качестве материала запоминающего слоя нитрида тантала TaN или титана TiN обусловлено тем, что толщина плавающего затвора может быть уменьшена существенным образом, в частности, до величины 20÷30 нм, что невозможно в случае поликремния. Влияние эффекта интерференции и возникновения между соседними плавающими затворами элементов памяти паразитной емкости уменьшается значительным образом - в отношении толщины плавающего затвора из поликремния к толщине плавающего затвора из нитрида тантала TaN или титана TiN. Запоминающий слой 5 формируют минимально возможной толщины. Чем меньше его толщина, тем сильнее выражен эффект устранения. Минимальная толщина соответствует величине, при которой возможно существование сплошного слоя.
Флэш элемент памяти (Фиг.) содержит полупроводниковую подложку 1, исток 2, сток 3, туннельный слой 4, запоминающий слой 5, блокирующий слой 6, затвор 7.
Флэш элемент памяти представляет собой транзистор. На полупроводниковой подложке 1 с пленарной 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. При этом в качестве подложки 1 использована пластина кремния р-типа проводимости, а исток 2 и сток 3 выполнены в виде областей с противоположным типом проводимости, n-типа.
Туннельный слой 4, например, традиционно выполнен из оксида кремния. Его толщина составляет 3,0÷5,0 нм. Данный интервал толщин обусловлен следующими причинами. При толщинах туннельного слоя 4 менее 3,0 нм в элементе памяти происходит резкое ускорение стекания заряда за счет туннелирования носителей заряда через туннельный слой 4 в подложку 1. Стекание заряда обуславливает уменьшение пороговых напряжений, соответствующих логическим «0» и «1», и, следовательно, к снижению надежности флэш элементов памяти. С другой стороны, чрезмерное увеличение толщины туннельного слоя 4, до величин более 5,0 нм, обуславливает наличие падения напряжения на туннельном слое 4, вызывающего нежелательное увеличение длительности и амплитуды перепрограммирующего импульса. Таким образом, оптимальная толщина туннельного слоя 4 из оксида кремния лежит в диапазоне 3,0÷5,0 нм.
Также для предотвращения нежелательного увеличения длительности и амплитуды перепрограммирующего импульса в качестве материала блокирующего слоя 6 предпочтительно использовать материал с более высоким значением диэлектрической проницаемости (4,5÷4000), чем у материала туннельного слоя. Диэлектрическая проницаемость оксида кремния, из которого выполнен туннельный слой 4, составляет величину 3,9. Блокирующий слой 6 выполняют из материала со значением диэлектрической проницаемости большим, чем значение диэлектрической проницаемости туннельного слоя 4, что обеспечивает усиление электрического поля в туннельном слое 4. Последнее приводит к увеличению тока инжекции электронов и дырок из подложки 1. Большой ток инжекции позволяет накапливать заряд в запоминающем слое 5 при использовании перепрограммирующего импульса меньшего напряжения и меньшей длительности.
2
6
x
1-x
3
x
1-x
6
x
1-x
3
x
1-x
3
3
4-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
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
Выполнение данного условия обеспечивается путем использования в качестве диэлектрика для блокирующего слоя материала, например: BaTaO, BaSrTiO, BaSrNbO, PbZnNbO, PbZrTiO, LiNbO, BiLaTiO, BiSrCuO, BiTiO, SrBiTaO, SrBiTaVO, SrTiNbO, SrNbO, SrTaO, SrZrO, PbTiO, LaAlO, KTaO, TiO, TaO, AlTaO, TaON, HfO, HfSiON, HfON, ErO, LaO, ZrO, ZrON, ZrSiO, GdO, YO, SiON, AlO, AlON.
Блокирующий слой 6 может быть выполнен трехслойным в составе слоев оксид кремния-нитрид кремния-оксид кремния.
Блокирующий слой 6 выполняют толщиной от 3,0 до 100 нм. При выполнении блокирующего слоя 6 толщиной менее 3,0 нм возможна прямая туннельная инжекция носителей из проводящего электрода (затвора 7), приводящая к уменьшению заряда, накопленного в запоминающем слое 5 за счет инжекции из полупроводниковой подложки 1. При выполнении блокирующего слоя 6 толщиной более 100,0 нм возможно увеличение паразитного падения напряжения на блокирующем слое 6, которое вызывает уменьшение поля в туннельном слое 4, и как следствие, уменьшение заряда, накопленного в запоминающем слое 5. Таким образом, оптимальная толщина блокирующего слоя 6 лежит в интервале 3,0÷100,0 нм.
Запоминающий слой 5 выполнен в виде сплошного инертного проводящего слоя из нитрида тантала TaN или нитрида титана TiN минимальной толщины, при которой возможно существование сплошного слоя. В частности, его выполняют толщиной от 20 до 30 нм. Запоминающий слой 5 получен путем термического напыления металлического тантала Та или титана Ti с характерным островковым механизмом роста с переходом от роста отдельных островков к сплошной пленке и последующим азотированием в азотной плазме. В случае формирования запоминающего слоя 5 с использованием термического напыления минимальная толщина его не может быть меньше 20 нм, так как при меньших толщинах при напылении происходит только образование отдельных островков металла. Пленка не обладает проводимостью, она не является сплошной.
Запоминающий слой 5 формируют минимально возможной толщины. Возможность использования меньших толщин может быть достигнута при других методиках формирования запоминающего слоя.
Нижний предел толщины запоминающего слоя ограничивается возможностью существования сплошного слоя, верхний предел - желанием снизить эффект интерференции и величину паразитной емкости. При использовании термического напыления величины толщин 20÷30 нм гарантируют наличие сплошного слоя.
Затвор 7 выполнен из поликремния, или тугоплавкого металла (например, вольфрама), или силицида тугоплавкого металла (силицида вольфрама), или нитридов тантала или титана.
Предлагаемый флэш элемент памяти работает следующим образом.
6
Допустим, что транзистор, которым является флэш элемент памяти, находится в проводящем состоянии, соответствующем логической «1». Для записи информации (логического «0») на затвор 7 (см. Фиг. 1) подают относительно подложки 1 положительное напряжение с амплитудой, обеспечивающей напряженность электрического поля в туннельном слое 4, равную по величине (9÷14)×10 В/см. При этом электроны туннелируют из подложки 1 через туннельный слой 4 в запоминающий слой 5, характеризующийся высокой плотностью электронных ловушек, в котором впоследствии захватываются ловушками. Захват электронов на ловушки в нитриде тантала или титана приводит к накоплению отрицательного заряда и переводит транзистор в непроводящее состояние (поскольку канал транзистора находится в непроводящем состоянии) с высоким положительным пороговым напряжением, соответствующим логическому «0».
Для перепрограммирования флэш элемента памяти (запись логической «1») к затвору 7 относительно подложки 1 прикладывают отрицательное напряжение. При этом в туннельном слое 4 возникает электрическое поле, стимулирующее уход из запоминающего слоя 5 захваченных ловушками электронов в подложку 1 и инжекцию дырок из подложки 1. В результате инжектированные дырки захватываются запоминающим слоем 5, накапливая в нем положительный заряд. Положительный заряд, накопленный в запоминающем слое 5, обуславливает сдвиг порогового напряжения в направлении отрицательного потенциала, и канал транзистора переходит в проводящее состояние, соответствующее логической «1».