Элемент памяти для флэш электрически перепрограммируемого постоянного запоминающего устройства

Элемент памяти для флэш электрически перепрограммируемого постоянного запоминающего устройства

Реферат

Изобретение относится к вычислительной технике, а именно к запоминающим устройствам, в частности к электрически перепрограммируемым постоянным запоминающим устройствам (ЭППЗУ), сохраняющим информацию при отключении питания, и может быть использовано в устройствах памяти вычислительных машин, микропроцессорах, в портативных запоминающих устройствах, флэш-памяти, электронных карточках.

Известен элемент памяти для флэш (быстрого) 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 на планарной стороне истоком и стоком, туннельный слой, расположенный на подложке, запоминающий слой, расположенный на туннельном слое, блокирующий слой, расположенный на запоминающем слое, и проводящий затвор, расположенный на блокирующем слое. При этом подложка выполнена из кремния р-типа, 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 данном элементе памяти через 10 лет при 85°С составляет 0,8 В.

Недостатком известного технического решения является низкий процент выхода годных приборов при производстве элементов памяти. Для данного технического решения характерна малая величина окна памяти. Приведенный недостаток обусловлен конструктивным выполнением элемента памяти, приводящим к наличию паразитной инжекции электронов в выполненный из нитрида кремния запоминающий слой из поликремниевого затвора n-типа проводимости.

Другим недостатком является низкая надежность прибора в режиме считывания информации. Приведенный недостаток связан с величиной толщины туннельного слоя, которая составляет 1,8 нм.

Наиболее близким техническим решением к заявляемому является элемент памяти для флэш (быстрого) электрически перепрограммируемого постоянного запоминающего устройства (F.R.Libsch, M.H.White "Charge Transport and Storage of Low Programming Voltage SONOS/MONOS Memory Device" Solid State Electronics, v.33, pp.105-126, 1994), содержащий полупроводниковую подложку с выполненными на планарной стороне истоком и стоком, туннельный слой, расположенный на подложке, запоминающий слой, расположенный на туннельном слое, блокирующий слой, расположенный на запоминающем слое, и проводящий затвор, расположенный на блокирующем слое. При этом подложка выполнена из кремния р-типа, туннельный слой выполнен из оксида кремния (SiO₂), запоминающий слой - из нитрида кремния, блокирующий слой - из оксида кремния (SiO₂), проводящий затвор - из золота. Толщина туннельного слоя составляет 2,0 нм, толщина запоминающего слоя - 10,0 нм, толщина блокирующего слоя 5,0 нм.

Недостатком ближайшего технического решения является низкий процент выхода годных приборов при производстве элементов памяти. Приведенный недостаток обусловлен выбором конструктивных материалов, а именно выбором в качестве материала для изготовления проводящего затвора золота, характеризуемого плохой адгезией к двуокиси кремния, из которой изготовлен блокирующий слой. Плохая адгезия золота является причиной выхода приборов из строя на стадии изготовления затвора элемента памяти при проведении операции фотолитографии.

Другим недостатком является низкая надежность прибора в режиме считывания информации. Приведенный недостаток связан с величиной толщины туннельного слоя, которая составляет 1,8÷2,0 нм.

Техническим результатом изобретения является повышение выхода годных приборов при производстве элементов памяти и повышение надежности элемента памяти в режиме считывания.

Технический результат достигается тем, что в элементе памяти для флэш электрически перепрограммируемого постоянного запоминающего устройства, содержащем полупроводниковую подложку с выполненными на планарной стороне истоком и стоком, туннельный слой, расположенный на подложке, запоминающий слой, расположенный на туннельном слое, блокирующий слой, расположенный на запоминающем слое, и проводящий затвор, расположенный на блокирующем слое, подложка выполнена из кремния р-типа, туннельный слой выполнен из оксида кремния (SiO₂), запоминающий слой - из нитрида кремния (Si₃N₄), блокирующий слой - из оксида кремния (SiO₂), a проводящий затвор выполнен из силицида платины (PtSi), и толщина туннельного слоя составляет 1,8-5,0 нм.

В элементе памяти запоминающий слой может быть выполнен из нитрида кремния, обогащенного избыточным кремнием (SiN_x).

Сущность изобретения поясняется нижеследующим описанием и прилагаемом чертежом. На чертеже показана конструкция элемента памяти для флэш ЭППЗУ, где 1 - полупроводниковая подложка, 2 - исток, 3 - сток, 4 - туннельный слой, 5 - запоминающий слой, 6 - блокирующий слой, 7 - проводящий затвор.

Повышение выхода годных приборов при производстве элементов памяти для флэш ЭППЗУ достигается в результате применения в качестве материала проводящего затвора силицида платины. Такой затвор характеризуется большой работой выхода (4,2 эВ), применение его позволяет блокировать паразитную инжекцию электронов при отрицательном смещении. Силицид платины обладает хорошей адгезией к двуокиси кремния, из которой изготовлен блокирующий слой, поэтому на стадии изготовления элементов памяти при проведении операции фотолитографии по силициду платины это позволяет существенно снизить процент бракованных изделий.

Повышение надежности элемента памяти для флэш ЭППЗУ обеспечивается за счет оптимизации выбора толщины туннельного слоя, оптимальная толщина его лежит в диапазоне 1,8÷5,0 нм.

Элемент памяти для флэш ЭППЗУ содержит (см. чертеж) полупроводниковую подложку (1), исток (2), сток (3), туннельный слой (4), запоминающий слой (5), блокирующий слой (6), проводящий затвор (7). При этом исток (2) и сток (3) выполнены на планарной стороне подложки, на этой же стороне подложки выполнены последовательно туннельный слой (4), запоминающий слой (5), блокирующий слой (6), а сверху на блокирующем слое выполнен проводящий затвор (7). В качестве материалов используют: для подложки - кремний р-типа, для туннельного слоя - оксид кремния (SiO₂), для запоминающего слоя - нитрид кремния (Si₃N₄), для блокирующего слоя - оксид кремния (SiO₂), для проводящего затвора - силицид платины (PtSi). В качестве материала запоминающего слоя может использоваться также нитрид кремния, обогащенный избыточным кремнием SiN_x. Основным требованием к запоминающему слою является наличие высокой плотности ловушек. Выбор двуокиси кремния для создания туннельного и блокирующего слоев связан с высокими пробивными полями данного материала.

Туннельный слой (4) выполнен толщиной 1,8÷5,0 нм. При толщине туннельного слоя (4) менее 1,8÷2,0 нм резко ускоряется стекание заряда в элементе памяти за счет туннелирования носителей через туннельный слой (4) в подложку (1). Стекание заряда приводит к уменьшению пороговых напряжений, соответствующих логическим "0 и "1, и, следовательно, к уменьшению надежности и процента выхода годных элементов памяти флэш ЭППУ при производстве изделий. Увеличение толщины туннельного слоя (4) приводит к увеличению времени хранения информации в элементе памяти флэш ЭППЗУ. Однако увеличение толщины туннельного слоя (4) до величины более 5,0 нм приводит к нежелательному увеличению длительности и амплитуды перепрограммирующего импульса за счет падения напряжения на туннельном слое (4). Таким образом, оптимальная толщина туннельного слоя (4) лежит в диапазоне 1,8÷5,0 нм.

Элемент памяти для флэш ЭППЗУ используют следующим образом.

Исходное пороговое напряжение элемента памяти (транзистора) для флэш ЭППЗУ близко к нулю. Запись информации (логический "0") осуществляют подачей на проводящий затвор (7) относительно подложки (1) положительного напряжения амплитудой, создающего электрическое поле в туннельном слое (4) с напряженностью, равной по величине (9÷14)×10⁶ В/см. При этом происходит туннелирование электронов через туннельный слой (4) в запоминающий слой (5) и захват их на ловушки, высокой плотностью которых характеризуется запоминающий слой (5). Захват электронов ловушками запоминающего слоя (5) приводит к накоплению отрицательного заряда и переводит элемент памяти в непроводящее состояние (поскольку канал транзисторного элемента памяти находится в непроводящем состоянии) с высоким положительным пороговым напряжением, что соответствует 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, то есть запоминающем слое (5), создается электрическое поле, стимулирующее ионизацию электронных ловушек с захваченными электронами с уходом их в подложку (1) и инжекцию дырок из подложки (1). 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 элемента памяти флэш ЭППЗУ переходит в проводящее состояние, что соответствует логической "1".

Таким образом работает элемент памяти для флэш ЭППЗУ, в котором перепрограммирование осуществляется путем туннельной инжекции электронов и дырок из подложки в запоминающий слой.

Сам способ функционирования заявляемого устройства открывает возможность увеличения толщины туннельного слоя, выполненного из оксида кремния, с 1,8 до 5,0 нм с целью увеличения величины порогового напряжения через 10 лет хранения информации при 85°С за счет подавления растекания электродов из запоминающего слоя на основе нитрида кремния.

Уменьшение напряжения и длительности перепрограммируемого импульса может быть достигнуто в флэш элементе памяти для ЭППУ за счет осуществления перепрограммирования путем инжекции горячих электронов и дырок из канала подложки в запоминающий слой.

1. Элемент памяти для флэш электрически перепрограммируемого постоянного запоминающего устройства, содержащий полупроводниковую подложку с выполненными на планарной стороне истоком и стоком, туннельный слой, расположенный на подложке, запоминающий слой, расположенный на туннельном слое, блокирующий слой, расположенный на запоминающем слое, и проводящий затвор, расположенный на блокирующем слое, при этом подложка выполнена из кремния р-типа, туннельный слой выполнен из оксида кремния (SiO₂), запоминающий слой - из нитрида кремния (Si₂N₄), блокирующий слой - из оксида кремния (SiO₂), отличающийся тем, что проводящий затвор выполнен из силицида платины (PtSi), а толщина туннельного слоя составляет 1,8÷5,0 нм.

2. Элемент памяти по п.1, отличающийся тем, что запоминающий слой выполнен из нитрида кремния, обогащенного избыточным кремнием (SiN_x).