Флэш-элемент памяти электрически перепрограммируемого постоянного запоминающего устройства

Изобретение относится к вычислительной технике, в частности к электрически перепрограммируемым постоянным запоминающим устройствам (ЭППЗУ), сохраняющим информацию при отключенном питании (флэш-память), и может быть использовано в устройствах памяти вычислительных машин, микропроцессорах, в различных портативных электронных устройствах, а также в различных электронных платежных средствах и документах. Техническим результатом является повышение надежности флэш-элемента памяти ЭППЗУ в режиме хранения информации. Флэш-элемент памяти электрически перепрограммируемого постоянного запоминающего устройства содержит полупроводниковую подложку с выполненными в ней истоком и стоком, на которой между истоком и стоком выполнены туннельный слой, запоминающий слой, блокирующий слой и затвор, при этом 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. 7 з.п. ф-лы, 1 ил.

 

Изобретение относится к вычислительной технике, в частности к электрически перепрограммируемым постоянным запоминающим устройствам (ЭППЗУ), сохраняющим информацию при отключенном питании (флэш-память), и может быть использовано 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.

Известен флэш-элемент памяти электрически перепрограммируемого постоянного запоминающего устройства (С.Н.Lee, S.H.Hur, Y.С.Shin, J.H.Choi, D.G.Park, К.Kim Applied Physics letters, v.86, p.152908, 2005), содержащий полупроводниковую подложку одного типа проводимости с выполненными в ней истоком и стоком другого типа проводимости, на которой между истоком и стоком последовательно выполнены туннельный слой, запоминающий слой, блокирующий слой и затвор. При этом полупроводниковая подложка изготовлена из кремния p-типа, туннельный слой - из оксида кремния толщиной 3,0 нм, запоминающий слой - из нитрида кремния толщиной 7,1 нм, блокирующий слой - из обладающего высокой диэлектрической проницаемостью оксида алюминия (Аl₂О₃) толщиной 8,0 нм.

В качестве ближайшего технического решения известен флэш-элемент памяти электрически перепрограммируемого постоянного запоминающего устройства (заявка №2003103143/09 на выдачу патента РФ на изобретение, МПК: 7 G11С 16/14), содержащий полупроводниковую подложку одного типа проводимости с выполненными в ней истоком и стоком другого типа проводимости, на которой между истоком и стоком последовательно выполнены туннельный слой, запоминающий слой, блокирующий слой и затвор. Блокирующий слой выполнен из диэлектрика с большим значением диэлектрической проницаемости в диапазоне от 4,5 до 4000. Туннельный слой выполнен из оксида или оксинитрида кремния толщиной 1,0÷5,0 нм.

Наличие высокой диэлектрической проницаемости у материала блокирующего слоя обуславливает малое значение паразитного падения напряжения на нем, что способствует увеличению падения напряжения на туннельном слое. В результате величина инжекционного тока при осуществлении перепрограммирования увеличивается и повышается 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 приведенных технических решений относится их низкая надежность в режиме хранения информации. Недостаток обусловлен паразитным растеканием заряда с ловушек запоминающего слоя 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.

Техническим результатом изобретения 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, 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.

Во флэш-элементе памяти туннельный слой выполнен из оксида кремния SiO₂ 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.

Во флэш-элементе памяти в качестве материала для блокирующего слоя использован диэлектрик из приведенного перечня материалов: ВаТа₂О₆, Ba_xSr_1-хТiO₃, Ba_xSr_1-xNbO₆, PbZn_xNb_1-хО₃, PbZr_xTi_1-xO₃, LiNbO₃, Bi_1-xLa_xTi₃O₁₂, Bi₂Sr₂CuO_x, Bi₄Ti₃O₁₂, SrBi₂Ta₂O₉, SrBi₂Ta_xV_1-xO₉, SrTi_1-xNb_xO₃, Sr₂Nb₂O₇, SrТа₂O₆, SrZiО₃, PbТiO₃, LаАlO₃, KТаО₃, TiO₂, Ta₂O₅, Al_xTa_yO_z, TaO_xN_y, HfO₂, HfSiO_xN_y, HfO_xN_y, Еr₂O₃, Lа₂О₃, ZrO₂, ZrO_xN_y, ZrSiO_x, Gd₂O₃, Y₂O₃, SiO_xN_y, Аl2О₃, AlO_xN_y.

Во флэш-элементе памяти дополнительный блокирующий слой из оксида кремния SiO₂ выполнен толщиной от 3 до 5 нм.

Во флэш-элементе памяти запоминающий слой выполнен из нитрида кремния, или оксинитрида 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.

Сущность изобретения поясняется нижеследующим описанием и прилагаемым чертежом. На чертеже 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 хранения информации, заряда в запоминающем слое, 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 величина инжекционного тока через туннельный слой. Чем выше величина тока, тем меньше время записи/стирания информации. При этом величина инжекционного тока определяется 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 - SiO₂ 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 из запоминающего слоя через блокирующий слой к проводящему затвору.

Выполнение блокирующего слоя из оксида кремния SiO₂ привело бы к увеличению длительности и величины перепрограммирующего импульса.

В связи с вышеизложенным, компромиссным вариантом является создание во флэш-элементе памяти ЭППЗУ системы блокирующих слоев. В предлагаемом изобретении система блокирующих слоев выполнена в составе дополнительного блокирующего слоя (6) из относительно тонкого слоя оксида кремния SiO₂, 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 свойствам материала, из которого он изготовлен - SiO₂, 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.

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: ВаТа₂О₆, Ba_xSr_1-xTiO₃, Ba_xSr_1-xNbO₆, PbZn_xNb_1-хО₃, PbZr_xTi_1-xO₃ LiNbO₃, Bi_1-xLa_xTi₃O₁₂, Bi₂Sr₂CuO_x, Bi₄Ti₃O₁₂, SrBi₂Ta_zO₉, SrBi₂Ta_xV_1-xO₉, SrTi_1-xNb_xO₃,

Sr₂Nb₂O₇, SrTа₂O₆, SrZrO₃, РbТiO₃, LаАO₃, KТаО₃, TiO₂, Ta₂O₅, Al_xTa_yO_z, TaO_xN_y, HfO₂, HfSiO_xN_y, HfO_xN_y, Еr₂O₃, Lа₂O₃, ZrO₂, ZrO_xN_y, ZrSiO_x, Gd₂O₃, Y₂O₃, SiO_xN_y, Аl₂О₃,

AlO_xN_y. Значения диэлектрических проницаемостей указанных материалов лежат в интервале от 4,5 до 4000.

Флэш-элемент памяти ЭППЗУ (см. чертеж) 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. чертеж).

В качестве полупроводниковой подложки (1) может быть использована кремниевая подложка p-типа проводимости. Исток (2) и сток (3) созданы из материала с противоположным типом проводимости.

Туннельный слой (4) из оксида кремния SiO₂ 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.

Запоминающий слой (5) выполнен из нитрида кремния или оксинитрида кремния. Использование приведенных материалов обеспечивает запоминающему слою (5) способность захватывать и накапливать заряд. Активную функцию в запоминании информации выполняют ловушки, свойственные материалу запоминающего слоя. Толщина запоминающего слоя (5) составляет 4,0÷300,0 нм.

Дополнительный блокирующий слой (6) выполняют из оксида кремния SiO₂ 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).

Блокирующий слой (7) выполняют из материалов, обладающих высокой диэлектрической проницаемостью. Например: ВаТа₂О₆, Ba_xSr_1-хТiO₃, Ba_xSr_1-xNbO₆, PbZn_xNb_1-xO₃, PbZr_xTi_1-хО₃, LiNbO₃, Bi_1-xLa_xTi₃O₁₂, Bi₂Sr₂CuO_x, Вi₄Ti₃O₁₂, SrBi₂Ta₂O₉, SrBi₂Ta_xV_1-xO₉, SrTi_1-xNb_xO₃, Sr₂Nb₂O₇, SrТа₂O₆, SrZrO₃, РbТiO₃, LаАlO₃, KТаО₃, TiO₂, Та₂O₅, Al_xTa_yO_z, TaO_xN_y, HfO₂, HfSiO_xN_y, HfO_xN_y, Еr₂O₃, La₂O₃, ZrO₂, ZrO_xN_y, ZrSiO_x,

Gd₂O₃, Y₂O₃, SiO_xN_y, Аl₂О₃, AlO_xN_y.

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.

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. чертеж) относительно подложки (1) кремния p-типа проводимости положительного напряжения с амплитудой, обеспечивающей напряженность электрического поля в туннельном слое (4), равной по величине (9÷14)×10⁶ 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), выполненном из нитрида кремния, или оксинитрида кремния, на ловушки. 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 p-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».

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 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 SiO₂ 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.

1. Флэш-элемент памяти электрически перепрограммируемого постоянного запоминающего устройства, содержащий полупроводниковую подложку с выполненными в ней истоком и стоком, на которой между истоком и стоком выполнены туннельный слой, запоминающий слой, блокирующий слой и затвор, отличающийся тем, что 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. Флэш-элемент памяти по п.1, отличающийся тем, что туннельный слой выполнен из оксида кремния SiO₂ толщиной от 1,0 до 10,0 нм.

3. Флэш-элемент памяти по п.1, отличающийся тем, что блокирующий слой выполнен из материала со значением диэлектрической проницаемости от 4,5 до 4000, толщиной от 7,0 до 100,0 нм.

4. Флэш-элемент памяти по п.3, отличающийся тем, что в качестве материала для блокирующего слоя использован диэлектрик из приведенного перечня материалов: BaTa₂O₆, Ba_xSr_1-xTiO₃, Ba_xSr_1-xNbO₆, PbZn_xNb_1-xO₃, PbZr_xTi_1-xO₃, LiNbO₃, Bi_1-xLa_xTi₃O₁₂, Bi₂Sr₂CuO_x, Bi₄Ti₃O₁₂, SrBi₂Ta₂O₉, SrBi₂Ta_xV_1-xO₉, SrTi_1-xNb_xO₃, Sr₂Nb₂O₇, SrTa₂O₆, SrZiO₃, PbTiO₃, LaAlO₃, KTaO₃, TiO₂, Ta₂O₅, Al_xTa_yO_z, TaO_xN_y, HfO₂, HfSiO_xN_y, HfO_xN_y, Er₂O₃, La₂O₃, ZrO₂, ZrO_xN_y, ZrSiO_x, Gd₂O₃, Y₂O₃, SiO_xN_y, Al₂O₃, AlO_xN_y.

5. Флэш-элемент памяти по п.1, отличающийся тем, что дополнительный блокирующий слой из оксида кремния SiO₂ выполнен толщиной от 3 до 5 нм.

6. Флэш-элемент памяти по п.1, отличающийся тем, что запоминающий слой выполнен из нитрида кремния или оксинитрида кремния толщиной от 4,0 до 300,0 нм.

7. Флэш-элемент памяти по п.1, отличающийся тем, что затвор выполнен из поликремния, или тугоплавкого металла, или силицида тугоплавкого металла.

8. Флэш-элемент памяти по п.1, отличающийся тем, что использована подложка кремния p-типа проводимости.