Флэш элемент памяти электрически перепрограммируемого постоянного запоминающего устройства
Владельцы патента RU 2403631:
Учреждение Российской академии наук Институт физики полупроводников им. А.В. Ржанова Сибирского отделения РАН (ИФП СО РАН) (RU)
Институт автоматики и электрометрии Сибирского отделения Российской Академии наук (ИАиЭ СО РАН) (RU)
Изобретение относится к вычислительной технике и предназначено для хранения информации при отключенном питании. Сущность изобретения: флэш элемент памяти электрически перепрограммируемого постоянного запоминающего устройства содержит 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 составе подслоя нитрида кремния с поверхностной областью, содержащей избыточный кремний, обуславливающий присутствие поверхностных ловушек, причем запоминающий слой выполнен толщиной, обеспечивающей доминирование в запоминающей среде указанных ловушек. В результате достигается повышение надежности хранения информации в условиях температур до 85°С. 8 з.п. ф-лы, 2 ил.
Изобретение относится к вычислительной технике, в частности к флэш электрически перепрограммируемым постоянным запоминающим устройствам (ЭППЗУ), сохраняющим информацию при отключенном питании, и может быть использовано в устройствах памяти вычислительных машин, микропроцессорах, флэш-памяти, в портативных электронных устройствах, электронных карточках.
Известен флэш элемент памяти электрически перепрограммируемого 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 истоком и стоком, сформированными в ней, и последовательно выполненные на подложке между истоком и стоком туннельный слой, запоминающий слой, блокирующий слой и проводящий затвор, при этом полупроводниковая подложка изготовлена из кремния р-типа, туннельный слой - из оксида кремния, толщиной 2,0 нм, запоминающий слой - из нитрида кремния, толщиной 4,0 нм, блокирующий слой - из оксида кремния, толщиной 5,0 нм.
К недостаткам приведенного технического решения относится низкая надежность при температурах до 85°С. Недостаток обусловлен растеканием заряда при указанной температуре. Явлению растекания способствует малая толщина туннельного слоя из окисла кремния и малая величина энергии ловушек запоминающего слоя, равная для нитрида кремния 1,5 эВ.
Наиболее близким техническим решением к заявляемому является флэш элемент памяти электрически перепрограммируемого запоминающего устройства (С.Н.Lee, S.Н.Hur, Y.С.Shin, J.Н.Choi, D.G.Park, К.Kirn. Applied Physics letters, v.86, p.152908, 2005), 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, при этом полупроводниковая подложка изготовлена из кремния р-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 (Al2O3), толщиной 8,0 им.
Тестирование данного технического решения на растекание заряда при 85°С проводилось в отношении временного интервала до 6×104 сек. Оценки показывают, что для типичной величины энергии ловушек запоминающего слоя, выполненного из нитрида кремния, равной 1,5 эВ, время хранения заряда составляет 106 сек.
К недостаткам ближайшего технического решения относится низкая надежность при температурах до 85°С. Недостаток обусловлен растеканием заряда при указанной температуре. Явлению растекания способствует малая толщина туннельного слоя из окисла кремния и малая величина энергии ловушек запоминающего слоя, равная для нитрида кремния 1,5 эВ.
Техническим результатом изобретения является повышение надежности в условиях температур до 85°С.
Технический результат достигают тем, что во флэш элементе памяти электрически перепрограммируемого постоянного запоминающего устройства, 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 составе подслоя нитрида кремния с поверхностной областью, содержащей избыточный кремний, обуславливающий присутствие поверхностных ловушек, причем запоминающий слой выполнен толщиной, обеспечивающей доминирование в запоминающей среде указанных ловушек.
Во флэш элементе памяти запоминающий слой выполнен из нитрида кремния, подвергшегося окислению во влажном кислороде и последующему полному стравливаю сформированного окисла кремния до толщины, обеспечивающей доминирование в запоминающей среде ловушек, обусловленных избыточным кремнием, образующимся при окислении нитрида кремния, равной 1-3 нм.
Во флэш элементе памяти термическая энергия ловушки, обусловленной избыточным кремнием, образующимся при окислении нитрида кремния, равна 1,8 эВ.
Во флэш элементе памяти в качестве диэлектрика для блокирующего слоя использован материал со значением диэлектрической проницаемости от 4,5 до 4000.
Во флэш элементе памяти в качестве диэлектрика для блокирующего слоя использован материал: BaTa2O6, BaxSr1-xTiO3, BaxSr1-xNbO6, PbZnxNbl-xO3, PbZrxTi1-xO3, LiNbO3, Bi1-xLaxTi3O12, Bi2Sr2CuOx, Bi4Ti3O12, SrBi2Ta2O9, SrBi2TaxV1-xO9, SrTi1-xNbxO3, Sr2Nb2O7, SrTa2O6, SrZrO3, PbTiO3, LaAlO3, КТаО3, TiO2, Ta2O5, AlxTayOz, TaOxNy, HfO2, HfSiOxNy, HfOxNy, Er2O3, La2O3, ZrO2, ZrOxNy, ZrSiOx, Gd2O3, Y2O3, SiOxNy, Al2O3, 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 прилагаемыми чертежами. На Фиг.1 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. На Фиг.2 приведены расчетные зависимости изменения потенциала плоских зон от времени при 85°С, где 8 - зависимость для структуры Si/SiO2 3,5 нм/Si3H4 7 нм/Al2O3 15 нм/TaN с энергией электронных ловушек в запоминающем слое из нитрида кремния, равной 1,5 эВ, 9 - зависимость для структуры Si/SiO2 3,5 нм/Si3N4 2 нм/Al2O3 20 нм/TaN с энергией электронных ловушек на границе раздела тонкого запоминающего слоя с подслоем нитрида кремния и блокирующего слоя из оксида алюминия, равной 1,8 эВ.
Достижение технического результата в предлагаемом изобретении (см. Фиг.1) базируется на увеличении до 1,8 эВ энергии электронных ловушек, наличие которых в запоминающем слое 5 является необходимым условием функционирования флэш элемента памяти ЭППЗУ. Причем в предлагаемом флэш элементе памяти в качестве запоминающего слоя 5 используют слой, являющийся относительно тонким слоем, порядка 1-3 нм, из нитрида кремния, подвергшегося окислению во влажном кислороде и последующему полному стравливанию сформированного окисла кремния в конечном счете до толщин, обеспечивающих при записи/стирании информации доминирование глубоких ловушек, обусловленных избыточным кремнием, образующимся при окислении нитрида кремния в приграничной нитрид/оксид кремния области со стороны нитрида кремния. Таким образом, запоминающий слой 5 представляет собой подслой нитрида кремния с поверхностной областью, содержащей избыточный кремний, обуславливающий присутствие поверхностных глубоких ловушек. Причем запоминающий слой 5 может содержать более одного подслоя нитрида кремния с поверхностной областью с избыточным кремнием и, следовательно, поверхностными ловушками.
Известно, что термическая энергия электронных ловушек для объемного нитрида кремния составляет 1,5 эВ (К.A.Nasyrov, V.A.Gritsenko, Yu.N.Novikov, E.-H.Lee, S.Y.Yoon, C.W.Kirn. J. Appl. Phys. V.96, N.8, p.4293, 2004). Наличие таких ловушек характерно для относительно толстых запоминающих слоев нитрида кремния вышеприведенного уровня техники.
Так же известно, что окисление нитрида кремния приводит к образованию на границе раздела нитрид/оксид кремния электронных ловушек (Z.A.Weinberg, К.J.Stein. Appl. Phys. Lett, v.57, p.1248, 1990, Н.Т.Lue, Y.H.Shih. IEEE Electron Device Letters, v.25, p.816, 2004). Данные электронные ловушки обусловлены избыточным кремнием, который образуется при окислении нитрида кремния (V.A.Gritsenko, I.P.Petrenko. Appl. Phys. Lett. 1997, V.72, N.4, p.462, V.A.Gritsenko, J.В.Xu. Phys. Rev. Lett, V.81, N.5, 1054, 1998, V.A.Gritsenko, H.Wong. Journal of Applied Physics, V.86, N.6, p.3234, 1999, V.A.Gritsenko, S.N.Svitasheva. Journal of the Electrochemical Society, V.146, N.2, p.780,1999). Энергия электронных ловушек на границе раздела нитрид/оксид кремния имеет величину 1,8 эВ (М.Naich, G.Rosenman. Thin Solid Films, v.471, p.166, 2005).
Наличие электронных ловушек в запоминающем слое с большей величиной энергии по сравнению с известными техническими решениями и является фактором, обеспечивающим надежное хранение информации при температурах до 85°С.
Для обеспечения доминирующей роли данного фактора необходим переход от толстых, с наличием ловушек, характерных для объемного нитрида кремния (1,5 эВ), слоев к слоям, в которых отсутствуют ловушки, характерные для объемного нитрида кремния, а присутствуют более глубокие ловушки, характерные для нитрида кремния, примыкающего к границе раздела нитрид/оксид кремния. Иными словами, вместо запоминающей среды с мелкими ловушками (1,5 эВ) следует выполнить запоминающую среду с глубокими ловушками (1,8 эВ). В связи с этим в предлагаемом флэш элементе памяти ЭППЗУ запоминающий слой 5 изготовлен из подвергшегося окислению во влажном кислороде нитрида кремния с электронными ловушками, обусловленными избыточным кремнием, формирующимся в результате окисления в приповерхностной области нитрида кремния, граничащей со сформированным окислом. При этом толщина запоминающего слоя 5 - от 1 до 3 нм выбрана с учетом устранения вклада влияния характерных для объемного нитрида кремния ловушек с энергией 1,5 эВ в процессы функционирования запоминающего элемента и обеспечения доминирующего влияния ловушек с энергией 1,8 эВ, образованных избыточным кремнием на поверхности нитрида кремния при его окислении.
На Фиг.2 приведены данные, подтверждающие целесообразность использования во флэш элементе памяти тонких слоев (подслой) нитрида кремния с поверхностными ловушками, образованными избыточным кремнием при окислении во влажном кислороде, с целью повышения надежности хранения информации. Зависимость 8 изменения потенциала плоских зон от времени при 85°С для структуры Si/SiO2/Si3N4/Al2O3/TaN с энергией электронных ловушек в запоминающем, толщиной 7 мн, слое из нитрида кремния, равной 18 эВ, показывает, что за 10 лет (3×08 сек) потенциал плоских зон (который близок по величине к пороговому напряжению транзисторного элемента памяти) уменьшается от 3 В до 0,5 В в результате явления растекания заряда. Зависимость 9 изменения потенциала плоских зон от времени при 85°С для структуры Si/SiO2/Si2N4/Al2O3/TaN с энергией электронных ловушек на границе раздела тонкого, 2 нм, запоминающего слоя с подслоем нитрида кремния и блокирующего слоя из оксида алюминия, равной 1,8 эВ, показывает, что за это же время потенциал плоских зон уменьшается от 3 В до 2,3 В.
Флэш элемент памяти ЭППЗУ (Фиг.1) содержит полупроводниковую подложку 1, исток 2, сток 3, туннельный слой 4, запоминающий слой 5, блокирующий слой 6, затвор 7.
Флэш элемент памяти представляет собой транзисторную структуру. 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 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 отекания заряда за счет туннелирования носителей заряда через туннельный слой 4 в подложку 1. Отекание заряда обуславливает уменьшение пороговых напряжений, соответствующих логическим «0» и «1», и, следовательно, к снижению надежности флэш элементов памяти ЭППЗУ. 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 им.
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, например, из оксида алюминия, 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.
Выполнение данного условия обеспечивается путем использования в качестве диэлектрика для блокирующего слоя материала, например: BaTa2O6, BaxSr1-xTiO3, BaxSr1-xNbO6, PbZnxNbl-xO3, PbZrxTi1-xO3, LiNbO3, Bi1-xLaxTi3O12, Bi2Sr2CuOx, Bi4Ti3O12, SrBi2Ta2O9, SrBi2TaxV1-xO9, SrTi1-xNbxO3, Sr2Nb2O7, SrTa2O6, SrZrO3, PbTiO3, LaAlO3, КТаО3, TiO2, Ta2O5, AlxTayOz, TaOxNy, HfO2, HfSiOxNy, HfOxNy, Er2O3, La2O3, ZrO2, ZrOxNy, ZrSiOx, Gd2O3, Y2O3, SiOxNy, Al2O3, A1OxNy.
Блокирующий слой 6 выполняют толщиной от 3,0 до 100 нм. При выполнении блокирующего слоя 6 толщиной менее 3,0 им 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.
Затвор 7 выполнен из нитрида тантала, также он может быть выполнен из поликремния, или тугоплавкого металла (например, вольфрама), или силицида тугоплавкого металла (силицида вольфрама).
Заявляемый флэш элемент памяти ЭППЗУ работает следующим образом.
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)×106В/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 глубокие ловушки в нитриде кремния 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 ЭППЗУ (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».
1. Флэш элемент памяти электрически перепрограммируемого постоянного запоминающего устройства, 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, отличающийся тем, что запоминающий слой выполнен в составе подслоя нитрида кремния с поверхностной областью, содержащей избыточный кремний, обуславливающий присутствие поверхностных ловушек, причем запоминающий слой выполнен толщиной, обеспечивающей доминирование в запоминающей среде указанных ловушек.
2. Флэш элемент памяти по п.1, отличающийся тем, что запоминающий слой выполнен из нитрида кремния, подвергшегося окислению во влажном кислороде и последующему полному стравливанию сформированного окисла кремния до толщины, обеспечивающей доминирование в запоминающей среде ловушек, обусловленных избыточным кремнием, образующимся при окислении нитрида кремния, равной 1÷3 нм.
3. Флэш элемент памяти по п.2, отличающийся тем, что термическая энергия ловушки, обусловленной избыточным кремнием, образующимся при окислении нитрида кремния, равна 1,8 эВ.
4. Флэш элемент памяти по п.1, отличающийся тем, что в качестве диэлектрика для блокирующего слоя использован материал со значением диэлектрической проницаемости от 4,5 до 4000.
5. Флэш элемент памяти по п.4, отличающийся тем, что в качестве диэлектрика для блокирующего слоя использован материал:
BaTa2O6, BaxSr1-xTiO3, BaxSr1-xNbO6, PbZnxNb1-xO3, PbZrxTi1-xO3, LiNbO3, Bi1-xLaxTi3O12, Bi2Sr2CuOx, Bi4Ti3O12, SrBi2Ta2O9, SrBi2TaxV1-xO9, SrTi1-xNbxO3, Sr2Nb2O7, SrTa2O6, SrZrO3, PbTiO3, LaAlO3, KTaO3, TiO2, Ta2O5, AlxTayOz, TaOxNy, HfO2, HfSiOxNy, HfOxNy, Er2O3, La2O3, ZrO2, ZrOxNy, ZrSiOx, Gd2O3, Y2O3, SiOxNy, Al2O3, AlOxNy.
6. Флэш элемент памяти по п.1, отличающийся тем, что туннельный слой выполнен из оксида кремния толщиной 3,5÷8,0 нм.
7. Флэш элемент памяти по п.1, отличающийся тем, что блокирующий слой выполнен толщиной 7,0÷100,0 нм.
8. Флэш элемент памяти по п.1, отличающийся тем, что затвор выполнен из поликремния, или тугоплавкого металла, или силицида тугоплавкого металла.
9. Флэш элемент памяти по п.1, 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.
