Флэш элемент памяти электрически перепрограммируемого постоянного запоминающего устройства
Флэш элемент памяти электрически перепрограммируемого постоянного запоминающего устройства относится к вычислительной технике и предназначен для хранения информации при отключенном питании. На кремниевой подложке с истоком и стоком между последними расположены последовательно блокирующий, запоминающий, туннельный слои и проводящий затвор. Запоминающий слой выполнен в виде нанокластеров из материала со значением величины работы выхода, что препятствует стеканию заряда, захваченного запоминающей средой, в сравнении с нитридом кремния. В качестве указанного материала использован металл с большой величиной потенциального барьера для стекания заряда, более 3,1 эВ. В результате достигается повышение надежности в режиме хранения информации при повышенных температурах, увеличение процента выхода годных изделий. 4 з.п. ф-лы, 1 ил.
Полезная модель относится к электронике, в частности, к вычислительной технике, а именно, к флэш электрически перепрограммируемым постоянным запоминающим устройствам (ЭППЗУ), сохраняющим информацию при отключенном питании, и может быть использована в устройствах памяти вычислительных машин, микропроцессорах, флэш-памяти, в различных портативных устройствах с функцией хранения и переноса информации, таких как ноутбуки, цифровые видеокамеры и фотоаппараты, МП3 плееры, навигаторы, USB-память, электронные биометрические паспорта и другие документы, электронные карты (смарт-карты).
Известен флэш элемент памяти электрически перепрограммируемого постоянного запоминающего устройства (М.She, Y.Takeushi, Т.S.King, «Silicon Nitride as Tunnel Dielectric for Improved SONOS-Type Flash Memory», IEEE Electron Device Letters, V.24, N.5, p.p.309-311, 2003), содержащий полупроводниковую подложку с выполненными в ней с планарной стороны истоком и стоком, на которой между последними расположены последовательно туннельный слой, запоминающий слой, блокирующий слой и проводящий затвор. При этом подложка выполнена из кремния р-типа проводимости, туннельный слой выполнен из нитрида кремния, запоминающий слой - из нитрида кремния, блокирующий слой - из оксида кремния (SiO2), проводящий затвор - из поликремния.
К недостаткам данного технического решения относится низкая надежность элемента памяти. Низкая надежность возникает из-за деградации границы раздела кремний-нитрид кремния, обусловленной инжекцией электронов и дырок через указанную границу раздела в режиме перепрограммирования. Программирование флэш элемента памяти осуществляется путем попеременной инжекцией электронов и дырок из проводящего затвора через туннельный нитрид кремния в запоминающую среду из нитрида кремния.
Благодаря большой толщине туннельного слоя в приведенном флэш элементе памяти происходит блокирование растекания заряда, что обеспечивает его надежное хранение в течение 10 лет при 85°С.
Однако фактором, приводящим к недостатку, заключающемуся в низкой надежности элемента в режиме хранения информации, в данном техническом решении является наличие малой величины (1,5 эВ) энергии запоминающих ловушек в нитриде кремния.
Другим недостатком является низкий процент выхода годных приборов при производстве флэш элементов памяти. Приведенный недостаток обусловлен конструктивным выполнением, приводящим к наличию паразитной инжекции электронов в сформированный из нитрида кремния запоминающий слой из поликремниевого затвора.
В качестве ближайшего технического решения известен флэш элемент памяти электрически перепрограммируемого постоянного запоминающего устройства (S.Minami, К.Ujiie, M.Terasawa, К.Komori, К.Furusawa, Y.Kamigaki «A 3-volt 1 Mbit full-Featured EEPROM Using a Highly-Reliable MONOS Device Technology», IECE Transaction on Electronics, v.E77-C, N.8, p.p.1260-1269, 1990), содержащий полупроводниковую подложку с выполненными в ней с планарной стороны истоком и стоком, на которой между последними расположены последовательно туннельный слой, запоминающий слой, блокирующий слой и проводящий затвор. При этом подложка выполнена из кремния р-типа проводимости, туннельный слой выполнен из оксида кремния (SiO2), запоминающий слой - из нитрида кремния, блокирующий слой - из оксида кремния (SiO2), проводящий затвор - из поликремния n-типа проводимости. Толщина туннельного слоя составляет 1,8 нм, толщина запоминающего слоя - 14,5 нм, толщина блокирующего слоя - 3,0 нм.
Величина окна памяти (разница пороговых напряжений, соответствующих логическим «0» и «1») в приведенном флэш элементе памяти через 10 лет при 85°С составляет 0,8 В.
К недостаткам данного технического решения относится низкая надежность элемента памяти. Низкая надежность возникает из-за деградации границы раздела кремний - оксид кремния, обусловленной инжекцией электронов и дырок через указанную границу раздела в режиме перепрограммирования. Перепрограммирование флэш элемента памяти ЭППЗУ осуществляется за счет попеременной инжекции в запоминающий слой, выполненный из нитрида кремния, электронов и дырок из кремниевой подложки через границу раздела подложка - туннельный слой. Фактором, отвечающим за низкую надежность элемента в режиме хранения, является и малая величина (1,5 эВ) энергии запоминающих ловушек в нитриде кремния.
Другим недостатком является низкий процент выхода годных изделий при производстве флэш элементов памяти ЭППЗУ. Приведенный недостаток обусловлен конструктивным выполнением, приводящим к наличию паразитной инжекции электронов в изготовленный из нитрида кремния запоминающий слой из поликремниевого затвора n-типа проводимости.
Техническим результатом изобретения является повышение надежности флэш элемента памяти и повышение процента выхода годных изделий.
Технический результат достигается тем, что во флэш элементе памяти электрически перепрограммируемого постоянного запоминающего устройства, содержащем полупроводниковую подложку с выполненными в ней с планарной стороны истоком и стоком, блокирующий слой, запоминающий слой, туннельный слой и проводящий затвор, блокирующий слой размещен на планарной стороне подложки между истоком и стоком, запоминающий слой выполнен на блокирующем, туннельный слой выполнен на запоминающем слое, а проводящий затвор - на туннельном слое, при этом запоминающий слой выполнен в виде нанокластеров из материала, имеющего значение величины работы выхода, препятствующее стеканию заряда, захваченного запоминающей средой, в сравнении с нитридом кремния.
Во флэш элементе памяти подложка выполнена из кремния р-типа проводимости, блокирующий слой выполнен из оксида кремния (SiO2), туннельный слой выполнен из оксида кремния (SiO2), а затвор - из поликремния n-типа проводимости.
Во флэш элементе памяти туннельный слой выполнен толщиной 1,5÷2,5 нм, блокирующий слой выполнен толщиной около 4 нм.
Во флэш элементе памяти запоминающий слой выполнен в виде нанокластеров из материала, имеющего значение величины работы выхода, препятствующее стеканию заряда, захваченного запоминающей средой, в сравнении с нитридом кремния, а именно, металла с большой величиной потенциального барьера для стекания заряда, более 3,1 эВ.
Во флэш элементе памяти запоминающий слой выполнен из нанокластеров, диаметр которых равен 0,5÷5,0 нм.
Сущность изобретения поясняется нижеследующим описанием и прилагаемой фигурой. На Фиг. схематически показана структура флэш элемента памяти ЭППЗУ, где 1 - подложка, 2 - исток, 3 - сток, 4 - блокирующий слой, 5 - запоминающий слой, 6 - туннельный слой, 7 - проводящий затвор.
Повышение надежности флэш элемента памяти процента и повышение процента выхода годных изделий и обеспечивается следующим.
Во-первых, радикальным устранением деградации границы раздела подложка - туннельный слой, возникающей в результате инжекции электронов и дырок через указанную границу раздела при перепрограммировании флэш элемента памяти и негативно влияющей на электрофизические параметры указанной границы раздела, которые непосредственно обуславливают рабочие характеристики изделия. Устранение деградации границы раздела подложка (1) - туннельный слой (6) и повышение надежности изделия в режиме перепрограммирования в предлагаемом техническом решении базируется на возможности осуществления перепрограммирования флэш элемента памяти ЭППЗУ за счет инжекции электронов и дырок в запоминающую среду (запоминающий слой (5) из металлических нанокластеров) из верхнего поликремниевого проводящего электрода (проводящий затвор (7)). В этом случае туннельный слой (6) выполняют между запоминающим слоем (5) и проводящим затвором (7). В режиме перепрограммирования инжекцию электронов и дырок в запоминающий слой (5) осуществляют из проводящего затвора (7), устраняя, таким образом, негативное воздействие на границу раздела кремниевая подложка - диэлектрик. Существующая в результате инжекции деградация границы раздела проводящий затвор (7) - туннельный слой (6) не оказывает влияния на рабочие характеристики флэш элемента памяти, поскольку изменение, ухудшение, электрофизических параметров данной границы раздела в этом случае не обуславливает ухудшения рабочих характеристик флэш элемента памяти.
Во-вторых, выполнением запоминающего слоя (5) в виде нанокластеров из материала, имеющего значение величины работы выхода, препятствующее стеканию заряда, захваченного запоминающей средой. Выбор материала нанокластеров, выполняющих функцию ловушек носителей заряда запоминающего слоя (5), в отношении которого значение величины работы выхода превышает величину энергии ловушек носителей заряда в нитриде кремния, обеспечивает предотвращение явления стекания заряда, приводящего к уменьшению пороговых напряжений, соответствующих логическим «0» и «1», является фактором, приводящим к повышению надежности. Более «глубокие» ловушки обеспечивают большую надежность. При этом для усиления эффекта повышения надежности толщину туннельного слоя (6) выбирают предотвращающей стекание заряда за счет туннелирования носителей заряда через туннельный слой (6) к проводящему затвору (7), то есть в поликремний.
Кроме того, конструктивное выполнение флэш элемента памяти ЭППЗУ, а именно, выполнение туннельного слоя (6) между запоминающим слоем (5) и проводящим затвором (7), не только препятствует стеканию заряда в результате деградации границы раздела, но и в отличие от известных технических решений предотвращает паразитную инжекцию из проводящего затвора (7), что и обеспечивает повышение процента выхода годных изделий.
Флэш элемент памяти ЭППЗУ (см. Фиг.) содержит подложку (1), исток (2), сток (3), блокирующий слой (4), запоминающий слой (5), туннельный слой (6), проводящий затвор (7). Конструктивной основой флэш элемента памяти является транзисторная структура. В подложке (1) с планарной стороны выполнены исток (2) и сток (3). С этой же стороны подложки (1) на ней между истоком (2) и стоком (3) последовательно выполнены блокирующий слой (4), запоминающий слой (5), туннельный слой (6), а на туннельном слое (6) - проводящий затвор (7). При этом в качестве подложки (1) использована пластина кремния р-типа проводимости. Для блокирующего слоя (4), расположенного на подложке (1), использован оксид кремния (SiO2), например, толщиной 4,0 нм. Выбор двуокиси кремния в качестве материала для блокирующего слоя (4) обусловлен высоким значением величины пробивного поля данного материала. Для запоминающего слоя (5), выполненного на блокирующем слое (4), использован в качестве материала металл с большой работой выхода, предотвращающей явление стекания. Сам запоминающий слой (5) сформирован в виде слоя нанокластеров, например, с диаметром 0,5÷5,0 нм. Для туннельного слоя (6), расположенного на запоминающем слое (5), использован оксид кремния (SiO2 ). Проводящий затвор (7) выполнен из поликремния n-типа проводимости. Основным критерием, которому должен удовлетворять запоминающий слой (5), является выполнение его из материала, в частности, металла с большой величиной потенциального барьера для стекания заряда (больше 3,1 эВ). Большой потенциальный барьер для стекания заряда из металлического нанокластера обеспечивает надежное хранение информации при повышенных температурах.
Выбор толщины туннельного слоя (6) осуществлен из достижения условий предотвращения стекания заряда посредством туннелирования носителей заряда через туннельный слой (6) в проводящий затвор (7) из поликремния. Толщина туннельного слоя (6) составляет 1,5÷2,5 нм. При толщинах туннельного слоя (6) менее 1,5 нм стекание заряда во флэш элементе памяти резко ускоряется. Явление стекания заряда приводит к уменьшению пороговых напряжений, соответствующих логическим «0» и «1», и, следовательно, к уменьшению надежности. Увеличение толщины туннельного слоя (6) приводит к увеличению времени хранения информации флэш элементом памяти ЭППЗУ. Однако увеличение толщины туннельного слоя (6) до величины более 2,5 нм является причиной нежелательного увеличения длительности и амплитуды перепрограммирующего импульса в результате падения напряжения на туннельном слое. Таким образом, оптимальная толщина туннельного слоя из диоксида кремния лежит в диапазоне 1,5÷2,5 нм.
Флэш элемент памяти функционирует нижеследующим образом.
Исходное пороговое напряжение флэш элемента памяти ЭППЗУ (транзистора) близко к нулю. Запись информации (логический «0») осуществляют подачей на проводящий затвор (7) (см. Фиг.) относительно подложки (1) отрицательного напряжения амплитудой, обеспечивающей электрическое поле в туннельном слое (6) с напряженностью равной по величине (1,0÷1,4)×10 7 В/см. При этом происходит туннелирование электронов из поликремния проводящего затвора (7), через туннельный слой (6), выполненный из диоксида кремния, в запоминающий слой (5) из нанокластеров. Захват электронов ловушками, функцию которых выполняют нанокластеры, (в частности, металлические кластеры) запоминающего слоя (5) 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 проводящему затвору (7) (см. Фиг.) относительно подложки (1) положительного напряжения. При этом в туннельном слое (6) из диоксида кремния возникает электрическое поле, стимулирующее инжекцию дырок из поликремния проводящего затвора (7), происходит ионизация ловушек (в частности, металлических нанокластеров) с захваченными электронами и уход электронов на проводящий затвор (7). В результате инжектированные дырки захватываются ловушками запоминающего слоя (5), и в нем накапливается положительный заряд. Наличие положительного заряда в запоминающем слое (5) приводит к сдвигу порогового напряжения в направлении отрицательного потенциала, и канал транзисторного флэш элемента памяти ЭППЗУ переходит в проводящее состояние, соответствующее логической «1».
Таким образом, в предлагаемом техническом решении устранена низкая надежность хранения информации при повышенных температурах посредством оптимизации величины потенциального барьера для стекания заряда и достигнуто повышение процента выхода годных изделий при производстве.
1. Флэш элемент памяти электрически перепрограммируемого постоянного запоминающего устройства, содержащий полупроводниковую подложку с выполненными в ней с планарной стороны истоком и стоком, блокирующий слой, запоминающий слой, туннельный слой и проводящий затвор, отличающийся тем, что блокирующий слой размещен на планарной стороне подложки между истоком и стоком, запоминающий слой выполнен на блокирующем, туннельный слой выполнен на запоминающем слое, а проводящий затвор - на туннельном слое, при этом запоминающий слой выполнен в виде нанокластеров из материала, имеющего значение величины работы выхода, препятствующее стеканию заряда, захваченного запоминающей средой, в сравнении с нитридом кремния.
2. Флэш элемент памяти по п.1, отличающийся тем, что подложка выполнена из кремния р-типа проводимости, блокирующий слой выполнен из оксида кремния (SiO2), туннельный слой выполнен из оксида кремния (SiO2), а затвор - из поликремния n-типа проводимости.
3. Флэш элемент памяти по п.1 или 2, отличающийся тем, что туннельный слой выполнен толщиной 1,5÷2,5 нм, блокирующий слой выполнен толщиной около 4 нм.
4. Флэш элемент памяти по п.1, отличающийся тем, что запоминающий слой выполнен в виде нанокластеров из материала, имеющего значение величины работы выхода, препятствующее стеканию заряда, захваченного запоминающей средой в сравнении с нитридом кремния, а именно, металла с большой величиной потенциального барьера для стекания заряда, более 3,1 эВ.
5. Флэш элемент памяти по п.1 или 4, отличающийся тем, что запоминающий слой выполнен из нанокластеров, диаметр которых равен 0,5÷5,0 нм.
