Флэш элемент памяти электрически перепрограммируемого постоянного запоминающего устройства

Флэш элемент памяти электрически перепрограммируемого постоянного запоминающего устройства предназначен для использования в устройствах памяти вычислительных машин, микропроцессорах, флэш-памяти, в портативных электронных устройствах. На подложке (1) из кремния р-типа между истоком (2) и стоком (3) последовательно выполнены туннельный (4), запоминающий (5), блокирующий (6) слои и затвор (7). Запоминающий слой (5) выполнен из поликремния в виде плавающего затвора. Для блокирующего слоя (6) использован диэлектрик со значением диэлектрической проницаемости большим, чем у материала туннельного слоя (4): от 5 до 2000. Туннельный слой (4) выполнен из оксида кремния толщиной 3,5-8,0 нм. Толщины запоминающего (5) и блокирующего (6) слоев равны, соответственно, 4,0-300,0 нм и 7,0-100,0 нм. Этим в совокупности обеспечивается уменьшение напряжения (до 6-9 В) и времени (до 10-100 мксек) записи/стирания информации. 1 ил.

Изобретение относится к вычислительной технике, в частности, к электрически перепрограммируемым постоянным запоминающим устройствам (ЭППЗУ), сохраняющим информацию при отключенном питании (быстрая или флэш-память), и может быть использовано в устройствах памяти вычислительных машин, микропроцессорах, флэш-памяти, в портативных электронных устройствах, таких как, цифровые видеокамеры и фотоаппараты, плееры, электронные карточки (смарт-карты).

Известен флэш элемент памяти электрически перепрограммируемого постоянного запоминающего устройства (J. Bu, V. Y. White «Design consideration in scaled SONOS nonvolatile memory devices» Solid State Electronics, v. 45, p.p.113-120, 2001), содержащий полупроводниковую подложку с выполненными в ней истоком и стоком, на которой между истоком и стоком последовательно выполнены туннельный слой, запоминающий слой, блокирующий слой и проводящий затвор, при этом в качестве полупроводниковой подложки использована кремниевая подложка р-типа, туннельный слой выполнен из оксида кремния, толщиной 2,0 нм, запоминающий слой выполнен из нитрида кремния, толщиной 4,0 нм, блокирующий слой выполнен из оксида кремния, толщиной 5,0 нм.

Время перепрограммирования в таком элементе памяти составляет 10 мсек., а напряжение перепрограммирования - 9÷10 В.

К недостаткам известного технического решения относится большое время перепрограммирования и большая величина напряжения перепрограммирования. Указанные недостатки обусловлены наличием относительно тонкого, 5,0 нм, блокирующего слоя, толщина которого способствует явлению туннельной инжекции носителей заряда из проводящего затвора, что приводит к уменьшению накопленного, за счет инжекции из подложки, заряда в запоминающем слое.

Наиболее близким техническим решением к заявляемому является флэш элемент памяти электрически перепрограммируемого постоянного запоминающего устройства (L. Pan, J. Zhu, Z. Liu, Y Zeng, J. Liu «Novel Self-Convergent Programming Method Using Sorce-Induced Band-to-Band Hot Electron Injection» IEEE Electron Device Letters, v. 23, N. 11, p.p.652-654, 2002), содержащий полупроводниковую подложку с выполненными в ней

истоком и стоком, на которой между истоком и стоком последовательно выполнены туннельный слой, запоминающий слой в виде плавающего затвора, блокирующий слой и проводящий затвор, при этом в качестве полупроводниковой подложки использована кремниевая подложка р-типа, туннельный слой выполнен из оксида кремния, толщиной 10,0 нм, запоминающий слой выполнен из легированного поликремния, толщиной 300,0 нм, блокирующий слой выполнен в составе трехслойного диэлектрического слоя из оксида и нитрида кремния: SiO₂-Si ₃N₄-SiO₂, суммарной толщиной 20,0 нм, а проводящий затвор выполнен из поликремния.

К недостаткам известного технического решения относится большое время перепрограммирования и большая величина напряжения перепрограммирования, от 15 до 17 В. Указанные недостатки обусловлены относительно низкой эффективной диэлектрической проницаемостью запоминающего слоя и, как следствием этого, большим паразитным падением напряжения на блокирующем слое.

Техническим результатом изобретения является:

- понижение напряжения записи/стирания информации (до 6÷9 В);

- уменьшение времени записи/стирания информации (до 10÷100 мксек.).

Указанный 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 последовательно выполнены туннельный слой, запоминающий слой в виде плавающего затвора из поликремния, блокирующий слой и затвор, блокирующий слой выполнен из диэлектрика со значением диэлектрической проницаемости большим, чем у материала туннельного слоя.

Во флэш элементе памяти в качестве диэлектрика для блокирующего слоя использован материал со значением диэлектрической проницаемости от 5 до 2000.

Во флэш элементе памяти в качестве диэлектрика для блокирующего слоя использован материал: ВаТа ₂O₆, Ва_хSr _1-xТiO₃, Ba_x Sr_1-xNbO₆, PbZn _xNb_1-xO₃, PbZr _xTi_1-хO₃, LiNbO ₃, Bi_1-xLa_x Ti₃O₁₂, Bi ₂Sr₂CuO_x, Bi ₄Ti₃O₁₂, SrBi ₂Ta₂O₉, SrBi ₂Ta_xV_1-xO ₉, SrTi_1-xNb_x O₉, Sr₂Nb2C>7, 8Па20б, SrZrOs, РЬТЮз, LaAlOs, КТаОз, Ti02, Ta205, AlxTayOz, TaOxNy,Hf02, HfSiOxNy, HfOxNy, Ег20з, Ьа20з, ZrCb, ZrOxNy, ZrSiOx, Gd203, Y203, SiOxNy, А120з, AlOxNy.

Во флэш элементе памяти туннельный слой выполнен из оксида кремния толщиной 3,5-8,0 нм.

Во флэш элементе памяти блокирующий слой выполнен толщиной 7,0-100,0 нм.

Во флэш элементе памяти затвор выполнен из поликремния, или тугоплавкого металла, или силицида тугоплавкого металла.

Во флэш элементе памяти полупроводниковая подложка выполнена из кремния р-типа проводимости, исток и сток - n-типа проводимости; запоминающий слой в виде плавающего затвора из поликремния выполнен толщиной 4,0÷300,0 нм.

Сущность изобретения поясняется нижеследующим описанием и прилагаемой фигурой, на которой схематически изображен флэш элемент памяти ЭППЗУ, где 1 - полупроводниковая подложка, 2 - исток, 3 - сток, 4 - туннельный слой, 5 - запоминающий слой, 6 - блокирующий слой, 7 - затвор.

Достижение технического результата в предлагаемом изобретении базируется на следующих предпосылках.

Выполнение блокирующего слоя 6 из материала со значением диэлектрической проницаемости большим, чем диэлектрическая проницаемость материала туннельного слоя 4 обеспечивает усиление электрического поля в туннельном слое 4. Это приводит к увеличению тока инжекции электронов и дырок из кремниевой подложки 1. Большой ток инжекции позволяет накапливать заряд в запоминающем слое 5 при использовании перепрограммирующего импульса меньшего напряжения и меньшей длительности.

Диэлектрическая проницаемость оксида кремния, из которого выполнен туннельный слой 4, составляет величину 3,9. Поэтому значение диэлектрической проницаемости материала блокирующего слоя должно быть больше данной величины. Выполнение данного условия обеспечивается путем использования в качестве диэлектрика для блокирующего слоя материала, например: ВаТазОб, BaxSri.xTiOs, BaxSri. xNb06, PbZnxNbi-хОз, PbZrxTii.xOs, LiNb03, Bil.xLaxTisOn, Bi2Sr2CuOx, Bi4Ti30i2, SrBi2Ta209, SrBi2TaxVi.x09, SrTii-xNbxOs, Sr2Nb207,8 гТа20б, SrZrOa, РЬТЮз, LaAlOs, КТаОз, Ti02, Та205, AlxTayOz, TaOxNy, НГО2, HfSiOxNy, HfOxNy, Ег20з, I^Os, Zr02, ZrOxNy, ZrSiOx, Gi^Os, ¥203, SiOxNy, А^Оз, AlOxNy. Значения диэлектрических проницаемостей указанных материалов лежат в интервале от 5 до 2000.

Флэш элемент памяти ЭППЗУ содержит полупроводниковую подложку 1, исток 2, сток 3, туннельный слой 4, запоминающий слой 5, блокирующий слой 6, затвор 7.

Флэш элемент памяти 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, 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 из оксида кремния выполняют толщиной 3,5-8,0 нм как наиболее оптимальной. Выполнение туннельного слоя 4 толщиной более 8,0 нм обуславливает нежелательное увеличение длительности и амплитуды перепрограммирующего импульса в связи с падением напряжения на туннельном слое 4. Оптимальные, не вызывающие падения напряжения на туннельном слое 4, толщины лежат в интервале до 8,0 нм. Однако, при толщинах туннельного слоя 4 менее 3,5 нм резко ускоряется отекание заряда в элементе памяти за счет туннелирования носителей заряда через туннельный слой 4 в кремниевую подложку и приводит к уменьшению разницы пороговых напряжений, соответствующих логическим «0» и «1», что определяет нижнюю границу используемого интервала толщин туннельного слоя 4.

Запоминающий слой 5 выполнен в виде плавающего затвора из легированного поликремния, поскольку такой слой обладает способностью захватывать носители заряда и накапливать заряд. Толщина запоминающего слоя 5 составляет 4,0-300,0 нм.

Для выполнения блокирующего слоя 6 могут быть использованы обеспечивающие высокую диэлектрическую проницаемость материалы: ВаТагОб, BaxSri-хТЮз, BaxSn.xNb06, PbZnxNbi-хОз, PbZfxTii.xOa, LiNbOs, Bil-xLaxTisOiz, Bi2Sr2CuOx, ВиПзОи, SrBi2Ta209, SrBi2TaxVi.x09, SrTii.xNbxOs, 812^07, 8 гТа20б, SrZi-Оз, РЬТЮз, LaAlOa, КТаОз, Ti02, T^Os, AlxTayOz, TaOxNy, НЮ2, HfSiOxNy, HfOxNy, Ег20з, LazOa, Zr02, ZrOxNy, ZrSiOx, Gd20s, ¥203, SiOxNy, А^Оз, AlOxNy.

Блокирующий слой 6 выполняют толщиной от 7,0 до 100 нм. Выполнение блокирующего слоя 6 толщиной менее 7,0 нм обуславливает возможность прямой туннельной инжекции носителей из проводящего электрода (затвора 7), которая приводит к уменьшению заряда, накопленного в запоминающем слое 5 за счет инжекции из полупроводниковой подложки 1. Выполнение блокирующего слоя 6 толщиной более 100,0 нм обуславливает 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 7,0-100,0 нм.

Затвор 7 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 7 (см. Фиг.) относительно подложки 1 положительного напряжения с амплитудой,

обеспечивающей напряженность электрического поля в туннельном слое 4 равной по величине (9÷14)×10 ⁶ В/см. При этом происходит туннелирование электронов из подложки 1 через туннельный слой 4 в запоминающий слой 5 и последующий захват электронов в запоминающем слое 5, выполненном в виде плавающего затвора из легированного поликремния. 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 7 относительно подложки 1 отрицательного напряжения. При этом в запоминающей среде (запоминающий слой 5) и туннельном слое 4 создается электрическое поле, стимулирующее уход захваченных электронов в подложку 1 и инжекцию дырок из подложки 1. В результате инжектированные дырки захватываются запоминающим слоем бив 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 _блок У блокирующего слоя 6 приводит к тому, что падение напряжения на нем, по сравнению с падением напряжения на туннельном слое 4, будет меньше в _блок/_SiO2 раз, а падение напряжения на туннельном слое 4 из оксида кремния, соответственно, больше. Ток инжекции электронов через туннельный слой 4 в элементе памяти с блокирующим слоем 6, который изготовлен из диэлектрика с высокой диэлектрической проницаемостью, существенно (на порядки) выше. Это позволяет уменьшить напряжение и длительность перепрограммирующего импульса. Таким образом происходит достижение указанного технического результата для флэш элемента памяти ЭППЗУ, в котором перепрограммирование осуществляется путем туннельной инжекции электронов и дырок из полупроводниковой подложки 1 в запоминающий слой 5.

Уменьшение напряжения и длительности перепрограммирующего импульса 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 последовательно выполнены туннельный слой, запоминающий слой в виде плавающего затвора из поликремния, блокирующий слой и затвор, отличающийся тем, что блокирующий слой выполнен из диэлектрика со значением диэлектрической проницаемости большим, чем у материала туннельного слоя.

2. Флэш элемент памяти по п.1, отличающийся тем, что в качестве диэлектрика для блокирующего слоя использован материал со значением диэлектрической проницаемости от 5 до 2000.

3. Флэш элемент памяти по п.2, отличающийся тем, что в качестве диэлектрика для блокирующего слоя использован материал: ВаТа₂0₆ , Ba_xSr_1-xTiO ₃, Ba_xSr_1-x NbO₆, PbZn_xNb _1-xO₃, PbZr_x Ti_1-хОз, LiNbO₃, Bi_1-xLa_xTi ₃O₁₂, Bi₂Sr ₂CuO_x, Bi₄Ti ₃O₁₂, SrBi₂ Ta₂O₉, SrBi ₂Ta_xV_1-xO ₉, SrTi_1-xNb_x O₃, Sr₂Nb ₂O₇, SrTa₂O ₆, SrZrO₃, PbTiO₃ , LaAlO₃, КТаО₃, TiO₂, Ta₂O ₅, Al_xTa_yO _z, TaO_xN_y, HfO₂, HfSiO_xN _y, HfO_xN_y, Er₂O₃, La ₂O₃, ZrO₂, ZrO_xN_y, ZrSiO _x, Gd₂O₃, Y ₂O₃, SiO_xN _y, Al₂O₃, AlO _xN_y.

4. Флэш элемент памяти по п.1, отличающийся тем, что туннельный слой выполнен из оксида кремния толщиной 3,5-8,0 нм.

5. Флэш элемент памяти по п.2, отличающийся тем, что туннельный слой выполнен из оксида кремния толщиной 3,5-8,0 нм.

6. Флэш элемент памяти по п.1, отличающийся тем, что блокирующий слой выполнен толщиной 7,0-100,0 нм.

7. Флэш элемент памяти по п.2, отличающийся тем, что блокирующий слой выполнен толщиной 7,0-100,0 нм.

8. Флэш элемент памяти по п.3, отличающийся тем, что блокирующий слой выполнен толщиной 7,0-100,0 нм.

9. Флэш элемент памяти по п.4, отличающийся тем, что блокирующий слой выполнен толщиной 7,0-100,0 нм.

10. Флэш элемент памяти по п.5, отличающийся тем, что блокирующий слой выполнен толщиной 7,0-100,0 нм.

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

12. Флэш элемент памяти по п.2, отличающийся тем, что затвор выполнен из поликремния, или тугоплавкого металла, или силицида тугоплавкого металла.

13. Флэш элемент памяти по п.3, отличающийся тем, что затвор выполнен из поликремния, или тугоплавкого металла, или силицида тугоплавкого металла.

14. Флэш элемент памяти по п.4, отличающийся тем, что затвор выполнен из поликремния, или тугоплавкого металла, или силицида тугоплавкого металла.

15. Флэш элемент памяти по п.5, отличающийся тем, что затвор выполнен из поликремния, или тугоплавкого металла, или силицида тугоплавкого металла.

16. Флэш элемент памяти по п.6, отличающийся тем, что затвор выполнен из поликремния, или тугоплавкого металла, или силицида тугоплавкого металла.

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

18. Флэш элемент памяти по п.8, отличающийся тем, что затвор выполнен из поликремния, или тугоплавкого металла, или силицида тугоплавкого металла.

19. Флэш элемент памяти по п.9, отличающийся тем, что затвор выполнен из поликремния, или тугоплавкого металла, или силицида тугоплавкого металла.

20. Флэш элемент памяти по п.10, отличающийся тем, что затвор выполнен из поликремния, или тугоплавкого металла, или силицида тугоплавкого металла.

21. Флэш элемент памяти по любому из пп.1-20, отличающийся тем, что полупроводниковая подложка выполнена из кремния р-типа проводимости, исток и сток - n-типа проводимости; запоминающий слой в виде плавающего затвора из поликремния выполнен толщиной 4,0-300,0 нм.