Элемент памяти для электрически перепрограммируемого постоянного запоминающего устройства
Предлагаемая полезная модель относится к области полупроводниковой нанотехнологии и технологии формирования элементов компьютерной памяти, в частности, к области тонкопленочного материаловедения, и может быть использована для прецизионного получения тонких и сверхтонких пленок полупроводников и диэлектриков в микро- и оптоэлектронике, а также при создании энергонезависимых перепрограммируемых запоминающих устройств. Технический результат состоит в повышении быстродействия, надежности, стабилизации памяти возможности управления характеристиками захвата и хранения зарядовой информации, увеличения объема и плотности записываемой и хранимой информации, что особенно важно для целей оптоэлектроники для преобразования разного уровня светового сигнала в пропорциональный электрический сигнал. 1 н.п. ф-лы; 1 илл.
Полезная модель относится к области полупроводниковой нанотехнологии и технологии формирования элементов компьютерной памяти, в частности, к области тонкопленочного материаловедения, и может быть использована для прецизионного получения тонких и сверхтонких пленок полупроводников и диэлектриков в микро- и оптоэлектронике, а также при создании энергонезависимых перепрограммируемых запоминающих устройств.
Известны элементы памяти для электрически перепрограммируемого постоянного запоминающего устройства двух видов памяти: на основе плавающего затвора и на основе нитрида кремния. В обоих случаях информация записывается в двоичном коде (0 или 1), например, состоянию «1» соответствует наличие избыточного заряда в диэлектрическом слое, который формируется путем инжекции носителей заряда в диэлектрический слой и их последующего захвата на соответствующие центры, расположенные в объеме диэлектрического слоя. Состоянию «0» в этом случае соответствует отсутствие заряда в окисном слое. Переход из одного состояния в другое происходит за счет подачи напряжения соответствующей величины и полярности на металлический электрод.
Известен элемент памяти для электрически перепрограммируемого
постоянного запоминающего устройства [1] на кремниевой основе с нанесенными на нее туннельным, запоминающим и блокирующим слоями, последний из которых выполнен из диэлектрика с большим значением диэлектрической проницаемости в диапазоне 4,5-4000; туннельный слой выполнен из оксида или оксинитрида кремния толщиной 1-5 нм. Однако в известном элементе памяти информационный заряд накапливается в объеме нитрида кремния на ловушечных центрах захвата, поэтому точное его распределение остается неизвестным. Это влияет на точность и надежность устройства.
Известен элемент памяти для электрически перепрограммируемого постоянного запоминающего устройства [2], имеющий кремниевую подложку с последовательно выполненными на ней слоями: туннельным, запоминающим и из диэлектрика с нанокластерами, блокирующий слой и проводящий электрод. Блокирующий слой у известного устройства выполнен из диэлектрика с большим значением диэлектрической проницаемости в диапазоне 4,5-4000, а кремниевая подложка содержит исток и сток. Туннельный слой в этом устройстве может быть выполнен из оксида или оксинитрида кремния толщиной 1,0-10,0 нм, а запоминающий слой - из диэлектрика с нанокластерами, причем нанокластеры могут быть выполнены из полупроводника или из металла. Однако в известном устройстве недостаточно высокие надежность и стабильность элемента памяти.
Известен элемент памяти на основе кремниевых кластеров в альтернативном диэлектрике [3], наиболее близкий к заявляемой полезной модели, выбранный в качестве прототипа, который выполнен на основе нитрида кремния с использованием в качестве блокирующего слоя диэлектриков ZrO2 и Аl 2O3 и альтернативных диэлектриков с высокой диэлектрической проницаемостью (10-50), такие как ZrO 2, HfO2, Ta2 O5, Al2O 3, BaSrTiO3, которые в настоящее время рассматриваются как
кандидаты на замену двуокиси кремния в полевых транзисторах и конденсаторах оперативных заменяющих устройств. Информационный заряд в известном устройстве накапливается на нанокластерах, специально вводимых в диэлектрический слой. Изменение состояния происходит при инжекции заряда пороговой величины в слой нитрида кремния (Si3N4). Известное устройство работает в режиме двух устойчивых состояний 0-1 (т.е. да-нет), поэтому оно фиксирует только факт: есть заряд или нет заряда. Величина его не влияет на информацию.
Недостатками прототипа являются недостаточно высокий объем записываемой и хранимой зарядовой информации (ее количественные и качественные характеристики), быстродействие и надежность.
Технический результат заявленного устройства состоит в повышении быстродействия, надежности и создании структуры с управляемыми характеристиками захвата и хранения зарядовой информации, увеличения объема и плотности (на 1 ед. площади подложки) записываемой информации, что особенно важно для целей оптоэлектроники для преобразования разного уровня светового сигнала в пропорциональный электрический сигнал.
Указанный технический результат достигается тем, что в известном элементе памяти для электрически перепрограммируемого постоянного запоминающего устройства, содержащем полупроводниковую подложку, диэлектрический слой, проводящий слой, токоподводящие электроды, в соответствии с заявленной полезной моделью, диэлектрический слой состоит из первой пленки широкозонного диэлектрика, наносимой на поверхность полупроводниковой подложки, пленки узкозонного диэлектрика и второй пленки широкозонного диэлектрика.
Кроме этого, указанный технический результат достигается тем, что пленки широкозонного диэлектрика выполнены из материала с относительной диэлектрической проницаемостью 8-15.
Помимо этого, указанный технический результат достигается тем,
что пленка узкозонного диэлектрика выполнена из материала с относительной диэлектрической проницаемостью 20-40.
Кроме того, указанный технический результат достигается тем, что толщину пленки широкозонного диэлектрика выбирают равной 5-95 нм.
Вместе с тем, указанный технический результат достигается тем, что толщину пленки узкозонного диэлектрика выбирают равной 1-3 нм.
Помимо того, указанный технический результат достигается тем, что пленки щирокозонных диэлектриков и пленка узкозонного диэлектрика изготовлены из оксидов металлов.
При этом указанный технический результат достигается тем, что в качестве оксидов металлов для широкозонных диэлектриков используют оксиды алюминия, гафния, циркония.
Кроме того, в качестве оксидов металлов для узкозонного диэлектрика используют оксиды титана, тантала.
Отличие заявляемой полезной модели, позволяющей получить указанный технический результат, состоит в принципиально ином (по сравнению с прототипом) диэлектрике, который имеет узкозонный диэлектрик, расположенный в заданном месте и заданной толщины в объеме широкозонного диэлектрика, что позволяет менять не только механические характеристики устройства, но (что особенно важно) управлять электрическими параметрами, изменяя тем самым объем записываемой и хранимой информации, повышая при этом быстродействие и надежность всего устройства.
Сущность заявленной полезной модели поясняется Фиг.1(а), Фиг.1(б) и Фиг.1(в), на которых представлена схема формируемой структуры для элемента памяти для электрически перепрограммируемого постоянного запоминающего устройства. Каждая из представленных схем состоит из одних и тех же элементов и визуально они отличаются только расположением в них одного из элементов устройства - узкозонного диэлектрика, разделяющего широкополосный диэлектрик на две его части.
Элементы памяти для электрически перепрограммируемого постоянного запоминающего устройства состоит из полупроводниковой подложки (1), широкозонного диэлектрика заданной толщины, который состоит условно из двух частей, одна из которых (2) расположена [Фиг.1(а)] на подложке и отделяется узкозонным диэлектриком («прослойкой») (3) от второй части широкозонного диэлектрика (4), расположенным между узкозонным диэлектриком (3), и полевым электродом (5).
Разнос расстояние между узкозонным диэлектриком (4) и подложкой (1) и/или узкозонным диэлектриком (3) и полевым электродом (5) отражает предварительно заданные условия управления объемом записываемой и хранимой информации.
Конструктивная особенность заявляемого элемента памяти состоит в том, «прослойкам (т.е. узкозонный диэлектрик) находится на разном расстоянии от подложки, причем, величина захваченного заряда монотонно зависит от конкретного расстояния и определяется величиной этого расстояния при прочих равных условиях. В примерах на Фиг.1 будут рассмотрены три из множества возможных вариантов 3 положения, отличающиеся сильно захватом, но возможности расположения прослойки - неограниченное число, т.к. узкозонный диэлектрик может располагаться на разных расстояниях от подложки и иметь разную толщину.
Преимущество заявленной полезной модели состоит в расширении функциональных возможностей элемента памяти за счет одновременного получения качественных и количественных характеристик, существенного расширения объема и плотности записываемой и хранимой информации. Такое устройство, в отличие от прототипа, позволяет записывать информацию как в цифровой форме - по наличию или отсутствию заряда в слоистом диэлектрике [качественная характеристика - логические 0 и 1 (т.е. режим двух устойчивых состояний 0-1 «да-нет»)], так и в аналоговой форме - по величине этого заряда (количественная характеристика).
Примеры конкретной реализации полезной модели.
Технический результат заявленной полезной модели был подтвержден многочисленными экспериментальными исследованиями, проведенными в лабораториях Санкт-Петербургского государственного университета.
На Фиг.1 (а, б, в) иллюстрируются конкретные результаты экспериментальных исследований, подтверждающих указанный технический результат. Диэлектрик во всех трех примерах выбран толщиной 100 нм.
Слоистый диэлектрик (гетерооксид) был изготовлен на основе матрицы оксида алюминия, в которую в едином процессе синтеза были помещены сверхтонкие слои (4 монослоя - минимальная толщина, при которой формируется элементарная структурная ячейка вещества с характерными для него физико-химическими свойствами) оксида титана (оксида хрома). Была синтезирована серия образцов, в которых слои оксида титана находились на расстояниях 5 нм, 50 и 95 нм от кремниевой подложки, при неизменной общей толщине диэлектрика - 100 нм. На Фиг.1 (а), Фиг.1 (б) и Фиг.1 (в) представлена схема структур кремний-диэлектрик-алюминий со слоистым диэлектрическим слоем:
Фиг.1 (а): Аl2O 3 (5 нм) - ТiO2 (1 нм) - Аl 2O3 (95 нм)
Фиг.1 (б): Аl 2O3 (50 нм) - TiO 2 (1 нм) - Аl2O3 (50 нм)
Фиг.1 (в): Аl2O 3 (95 нм) - TiO2 (1 нм) - Аl 2O3 (5 нм)
Синтез слоев диэлектрика осуществлялся методом молекулярного наслаивания. Пленка оксида алюминия задаваемой и/или необходимой толщины синтезировалась при температуре 300°С, затем температуру подложки снижали до 250°С и путем подачи соответствующих реагентов синтезировали 4 монослоя оксида титана, далее температуру повышали до 300°С и при соответствующей замене реагентов синтезировали слой оксида алюминия требуемой толщины. Аналогичным образом были
синтезированы структуры, содержащие в качестве узкозонного диэлектрика слои оксида хрома. В качестве полевого электрода использовался термически напыленный через соответствующую маску алюминий.
Повышение стабильности элементов памяти для электрически перепрограммируемого постоянного запоминающего устройства реализуется за счет локализации заряда электронов в узкозонном диэлектрике в отличие от известных устройств. При этом структуры со слоистым диэлектриком, подвергнутым отжигу, при полевых воздействиях эффективно захватывали заряд, на величину которого оказывало влияние пространственное положение слоя узкозонного диэлектрика (оксида титана). Уменьшение величины захваченного заряда в структурах после термообработки связано с диффузионным размытием профиля структур и, как следствие, снижения эффективности процесса захвата заряда. Результаты экспериментальных исследований показали возможность заявленным элементом памяти сохранять (записывать) заряд в пленке Аl2 O3 в узкозонном диэлектрики даже после длительного отжига в атмосфере кислорода, чего не наблюдается в пленке, не содержащей узкозонной прослойки в широкозонном диэлектрике.
Заявленная полезная модель, в отличие от известных элементов памяти для электрически перепрограммируемого постоянного запоминающего устройства, позволяет существенно увеличивать объем, плотность, а также качество и количество записываемой и хранимой информации, которая может содержаться как в величине инжектированного в составной диэлектрик заряда, так и хранящегося в области локализации узкозонного диэлектрика. Это важное достоинство заявленной полезной модели позволяет реально осуществлять управление величиной захваченного заряда при неизменных условиях инжекции по заранее задаваемому пространственному положению узкозонного
диэлектрика относительно полупроводниковой подложки и повышать стабильность элементов памяти.
Список использованной литературы:
1. Заявка на выдачу патента РФ на изобретение «Элемент памяти для электрически перепрограммируемого постоянного запоминающего устройства» (№2003103143).
2. Заявка на выдачу патента РФ на изобретение «Элемент памяти для электрически перепрограммируемого постоянного запоминающего устройства» (№2003109077/09).
3. В.А.Гриценко, К.А.Насыров, Ю.Н.Новиков, А.Л.Асеев, Элемент памяти на основе кремниевых кластеров в альтернативном диэлектрике, Физика и Техника Полупроводников, т.39, вып.6, с.748-753, 2005) - прототип (к п.1 формулы).
1. Элемент памяти для электрически перепрограммируемого постоянного запоминающего устройства, содержащее полупроводниковую подложку, диэлектрический слой, проводящий слой, токоподводящие электроды, отличающийся тем, что диэлектрический слой состоит из первой пленки широкозонного диэлектрика, наносимой на поверность полупроводниковой подложки, пленки узкозонного диэлектрика и второй пленки широкозонного диэлектрика.
2. Элемент памяти по п.1, отличающийся тем, что пленки широкозонного диэлектрика выполнены из материала с относительной диэлектрической проницаемостью 8-15.
3. Элемент памяти по п.2, отличающийся тем, что пленка узкозонного диэлектрика выполнена из материала с относительной диэлектрической проницаемостью 20-40.
4. Элемент памяти по п.3, отличающийся тем, что толщину пленки широкозонного диэлектрика выбирают равной 5-95 нм.
5. Элемент памяти по п.4, отличающийся тем, что толщину пленки узкозонного диэлектрика выбирают равной 1-3 нм.
6. Элемент памяти по п.5, отличающийся тем, что пленки широкозонных диэлектриков и пленка узкозонного диэлектрика изготовлены из оксидов металлов.
7. Элемент памяти по п.6, отличающийся тем, что в качестве оксидов металлов для широкозонных диэлектриков используют оксиды алюминия, гафния, циркония.
8. Элемент памяти по п.7, отличающийся тем, что в качестве оксидов металлов для узкозонного диэлектрика используют оксиды титана, тантала.
