ЯЧЕЙКА ПАМЯТИ Российский патент 2006 года по МПК H01L27/115 

Изобретение относится к микроэлектронике и может быть использовано при изготовлении запоминающих устройств, в том числе современных динамических запоминающих устройств со случайной выборкой (DRAM), а также электрически программируемых постоянных запоминающих устройств, т.н. флэш-памяти.

В современных динамических запоминающих устройствах со случайной выборкой основным запоминающим элементом ячейки памяти является управляемый транзистором конденсатор, который либо заряжается до величины логического «1», либо разряжается до величины логического «0». Основным недостатком известных ячеек памяти, выполненных указанным образом, является то, что тонкий слой диэлектрика, расположенный между электродами конденсатора, не в состоянии обеспечить длительное хранение заряда. Обычно по прошествии 10 мс после размещения в ячейке памяти информации происходит утечка заряда, конденсатор разряжается, и установить, какое именно значение - «0» или «1» - в нем содержалось, не представляется возможным. Для решения данной проблемы применяют метод так называемой регенерации заряда - через короткие промежутки времени, меньшие, чем время разрядки запоминающего конденсатора (например, через каждые 2 мс) конденсатор подключают к шине питания. Если он хранил «1», то конденсатор восстанавливает потерянное за время саморазряда значение напряжения. Если «0» - подзарядка не производится. Данный вариант решения проблемы разрядки конденсатора приводит к необходимости усложнения конструктивного выполнения ячейки памяти в отдельности и всей микросхемы памяти, содержащей подобные ячейки. Кроме того, очевидно, ячейки памяти подобного типа характеризуются высоким уровнем энергозависимости, что при перепадах напряжения или аварийном отключении устройства, содержащего микросхемы памяти с ячейками подобного типа, приводит к потере информации, а также сбоям в работе и «зависанию» устройства. С учетом этого, с целью снижения уровня энергозависимости ячеек памяти в динамических запоминающих устройствах, продолжаются также попытки решить проблему потери заряда конденсатора за счет улучшения диэлектрических характеристик слоя, расположенного между электродами.

Однако усилия разработчиков направлены преимущественно на получение новых, а также физическую или химическую модификацию уже известных пленочных материалов, что требует значительных энергозатрат и финансовых ресурсов.

Известна, например, ячейка памяти, запоминающий элемент которой выполнен в виде первого электрода, второго электрода и расположенной между указанными электродами пленки диэлектрика (см. US 6525365, Basceri et al., H 01 L 27/108, опубл.25.02.2003). Пленка диэлектрика выполнена из титансодержащих материалов и имеет основной слой и промежуточный слой. Промежуточный слой нанесен на первый электрод, а основной слой нанесен на промежуточный слой, и при этом толщина промежуточного слоя составляет меньше половины толщины всей пленки диэлектрика, а содержание титана в промежуточном слое меньше либо равно содержанию титана в основном слое. В качестве материалов для изготовления пленки диэлектрика предлагается использовать, в частности, барий-стронций титанат BaSrTiO₃, титанат бария BaTiO₃, титанат стронция SrTiO₃, ти-танат свинца PbTiO₃, цирконий-титанат свинца Pb(Zr, Ti)О₃, взятые в отдельности или в комбинации. Технология изготовления диэлектрической пленки из указанных сегнетоэлектриков в два неравных слоя с различным содержанием титана в каждом из них очевидным образом сопряжена с большими экономическими и трудовыми затратами, что приводит к существенному удорожанию чипов памяти, содержащих выполненные указанным образом ячейки. Кроме того, следует учесть, что вектор развития микроэлектроники направлен на все большую миниатюризацию всех элементов, в том числе уменьшение размеров ячеек памяти. При этом неизбежно встает вопрос об уменьшении толщины слоя диэлектрика в запоминающем конденсаторе ячейки памяти. Как это отмечается в US 6525365, уменьшение толщины сегнетоэлектрических пленок до предельных значений приводит к снижению электрической прочности и пробою запоминающего конденсатора. Таким образом, дальнейшая миниатюризация ячеек памяти вновь потребует разработки новых дорогостоящих диэлектрических материалов, поскольку неотвратимо возникает проблема энергозависимости памяти, которая не может быть решена даже при помощи используемых в настоящее время сегнетоэлектриков.

В качестве еще одного примера можно привести ячейку памяти, запоминающий элемент которой также содержит первый электрод, второй электрод и расположенный между ними слой диэлектрика (см. US 6727140, Basceri et al., H 01 L 21/8242, опубл. 27.04.2004). В качестве диэлектрика так же, как и в US 6525365, предлагается использовать доступные в настоящее время однослойные сегнетоэлектрики с высоким значением диэлектрической проницаемости, в частности, титанат бария. В известном техническом решении решается еще одна проблема, связанная с использованием сегнетоэлектриков для формирования диэлектрического слоя запоминающего конденсатора - утечка заряда, обусловленная недостатком используемой в настоящее время технологии нанесения пленки из кислородсодержащего сегнетоэлектрика на первый (нижний) электрод запоминающего конденсатора - методом напыления в присутствии кислорода при повышенной температуре. В результате электрод окисляется, что и приводит впоследствии к утечке заряда. В US 6727140 предлагается перед нанесением слоя диэлектрика пассивировать первый (нижний) электрод, что приводит к усложнению технологии изготовления запоминающего конденсатора и, соответственно, к удорожанию конечного изделия - чипа памяти, содержащего выполненные таким образом ячейки памяти.

Другой областью возможного применения настоящего изобретения является изготовление электрически программируемых постоянных запоминающих устройств - флэш-памяти.

Известные в настоящее время чипы флэш-памяти представляют собой матрицы из ячеек, каждая из которых выполнена в виде полевого транзистора, включающего первый электрод (плавающий затвор), второй электрод (управляющий затвор) и размещенный между электродами слой диэлектрика, включающий обычно последовательно расположенные слои оксида кремния, нитрида кремния и снова оксида кремния (отсюда и известное обозначение структуры диэлектрика в ячейке флэш-памяти - ONO). Структура электрод-диэлектрик-электрод (ЭДЭ) размещена на кремниевой подложке, в которой в окрестностях структуры ЭДЭ путем имплантации организуются зоны истока и стока электронов. Между структурой ЭДЭ и подложкой располагается тонкий оксидный канальный слой. При программировании ячейки флэш-памяти положительное напряжение подается на электрод управляющего затвора и в зону стока (меньшей величины, чем на электрод управляющего затвора), а подложка и зона истока при этом заземляются. Под действием наведенного электрического поля электроны из зоны истока перемещаются по оксидному канальному слою в направлении зоны стока, и часть из них, имеющая наибольший уровень энергии, под действием электрического поля, наводимого электродом управляющего затвора, захватывается электродом плавающего затвора. Вследствие образования на электроде плавающего затвора отрицательного заряда происходит уменьшение разности потенциалов между электродом управляющего затвора и участком захвата электронов из оксидного туннельного канала, и при определенной величине заряда на электроде плавающего затвора захват электронов из оксидного канального слоя прекращается. Значение «1» или «0» определяется по величине заряда на электроде плавающего затвора. Стирание описанной ячейки флэш-памяти осуществляется путем подачи положительного напряжения в зону истока с одновременным заземлением зоны стока и электрода управляющего затвора.

Как и в описанном выше случае с ячейкой памяти динамического запоминающего устройства со случайной выборкой, миниатюризация ячейки флэш-памяти привела к необходимости уменьшения толщины слоя диэлектрика, расположенного между электродами управляющего затвора и плавающего затвора. В результате уменьшения толщины слоя диэлектрика до предельных значений уменьшается его электрическая прочность и электрическое сопротивление, что может приводить к пробою или быстрому стеканию заряда с электрода плавающего затвора на электрод управляющего затвора.

Кроме того, как это подробно описано, в частности, в US 6153469, Yun et al., H 01 L 21/336, опубл. 28.11.2000, раскрывающем ячейку памяти, запоминающий элемент которой включает первый электрод, второй электрод и расположенный между электродами слой диэлектрика, способность последнего к восприятию электрических зарядов и уменьшению их утечки (релаксации), предпочтительно увеличивать с целью обеспечения точности программирования ячейки флэш-памяти, а также с целью предотвращения ошибок программирования в известных схемах И/НЕ (NOR) флэш-памяти.

Настоящее изобретение направлено на усовершенствование ячейки памяти путем нового выполнения слоя диэлектрика, расположенного между электродами запоминающего элемента, обеспечивающего увеличение способности диэлектрика к заряжению и длительному сохранению электрических зарядов между электродами.

Указанная цель достигается тем, что в ячейке памяти, запоминающий элемент которой включает первый электрод, второй электрод и слой диэлектрика, расположенный между указанными электродами, согласно изобретению слой диэлектрика выполнен из N отдельных однотипных пленок по существу равной толщины d<80 мкм, объединенных в стопу, где N>1.

Под стопой в рамках настоящего изобретения следует понимать многослойную структуру, имеющую нижний слой, верхний слой и, при N>2, промежуточные слои, каждый из которых размещен любым известным способом на ближайшем к нему снизу слое. Под однотипными следует понимать пленки, полученные из одного и того же материала одинаковым способом. Идеальная ситуация, когда все пленки, полученные из одинакового материала одинаковым способом, являются абсолютно идентичными по своим размерам и физическим свойствам, в рамках настоящего изобретения желательна, но на практике трудно достижима, именно поэтому пленки характеризуются как однотипные и имеющие по существу равную толщину. Характеристика «отдельные» применительно к пленкам, из которых формируется стопа, подразумевает отсутствие каких-либо взаимосвязей (физических или химических) между каждыми двумя соседними пленками.

В частном случае запоминающий элемент представляет собой полевой транзистор, в котором первый электрод является электродом плавающего затвора, а второй электрод является электродом управляющего затвора.

В другом частном случае запоминающий элемент представляет собой конденсатор, причем первый и второй электроды являются его первой и второй обкладками, а ячейка памяти дополнительно содержит транзистор, соединенный с конденсатором с возможностью управления зарядом на обкладках последнего.

Настоящее изобретение основано на обнаруженном авторами неожиданном эффекте высокого и сверхвысокого усиления присущих твердым телам и полимерам физических характеристик в многослойной (многоэлементной) структуре, составленной из отдельных однотипных тонких пленок из этого материала по существу равной толщины, объединенных в стопу. Указанный неожиданный эффект наблюдается при толщине d₀<80 мкм. В частности, при размещении отдельных однотипных пленок диэлектрика по существу равной толщины менее 80 мкм в стопу суммарная способность к восприятию и сохранению заряда стопы нарастает нелинейно с увеличением количества слоев и одновременном уменьшении толщины пленок.

Сущность изобретения и достигаемый им технический результат раскрываются далее более подробно со ссылкой на прилагаемый чертеж, на котором приведены результаты экспериментов по измерению зависимости накопленного в стопе заряда (в мВ) от времени для различного количества тонкопленочных слоев различной толщины. Все образцы были выполнены из одного материала - полиимида ПМ-А. Заряд наносили путем подачи постоянного напряжения U=20 В при температуре Т=293 К.

На чертеже соответствующими позициями обозначены:

1 - изотерма спада остаточного заряда, нанесенного на однослойную (N=1) пленку ПМ-А толщиной d=40 мкм;

2 - изотерма спада остаточного заряда, нанесенного на двухслойную (N=2) стопу, образованную однотипными отдельными пленками ПМ-А толщиной d=20 мкм каждая, суммарная толщина стопы 40 мкм;

3 - изотерма спада остаточного заряда, нанесенного на четырехслойную (N=4) стопу из однотипных отдельных пленок ПМ-А толщиной d=10 мкм каждая, суммарная толщина стопы 40 мкм;

4 - изотерма спада остаточного заряда, нанесенного на стопу из 5 однотипных отдельных пленок ПМ-А толщиной d=3 мкм каждая, суммарная толщина стопы 15 мкм;

5 - изотерма спада остаточного заряда, нанесенного на стопу из 8 однотипных отдельных пленок ПМ-А толщиной d=3 мкм каждая, суммарная толщина стопы 24 мкм;

6 - изотерма спада остаточного заряда, нанесенного на стопу из 11 однотипных отдельных пленок ПМ-А толщиной d=3 мкм каждая, суммарная толщина стопы 33 мкм;

7 - изотерма спада остаточного заряда, нанесенного на стопу из 4 однотипных отдельных пленок ПМ-А толщиной d=0,1 мкм каждая, суммарная толщина стопы 0,4 мкм.

Как это хорошо видно на чертеже, в многослойных стопах полиимидных пленок ПМ-А заданной толщины и с числом слоев N>1 (кривые 2-6 на чертеже) суммарная величина нанесенного электростатического заряда превышала величину заряда, нанесенного на монопленку той же и большей толщины (кривая 1), причем при толщине d_o=3 мкм каждого слоя в стопе и числе слоев N=11 (т.е. при общей толщине стопы 33 мкм - кривая 6) величина нанесенного заряда превышает величину заряда нанесенного на монопленку большей толщины d=40 мкм (кривая 1) в 5,5 раз. Из представленного графика также следует, что с увеличением числа N слоев пленок в стопе с одновременным снижением толщины каждой пленки достигается также эффект нелинейного усиления электретных характеристик. На представленных на графике изотермах видно, что электретные свойства в любой момент времени у многослойных стопок выше в несколько раз по сравнению с однослойным диэлектриком той же или большей толщины - по истечении времени t=600s величина остаточного заряда стабилизируется и сохраняется постоянной, причем значение этой величины в стопе при N=11 в 5,5 раз выше, чем у однослойного диэлектрика. Снижение толщины пленки до 0,1 мкм с одновременным увеличением числа пленок в стопке до N=4 приводит к сверхвысоким значениям электретных характеристик - величина нанесенного и остаточного заряда увеличиваются более чем в 100 раз. Столь существенное увеличение значения нанесенного и остаточного заряда позволяет значительно увеличить емкость запоминающего элемента ячейки памяти, выполненного с использованием стопы из тонких пленок, по сравнению с запоминающими элементами известных на данный момент ячеек памяти, в конструкции которых предусмотрено использование однослойного диэлектрика.

Высокое значение остаточного заряда в стопе из отдельных однотипных тонких пленок позволяют при использовании стопы в запоминающих конденсаторах ячеек памяти динамических запоминающих устройств со случайной выборкой значительно снизить энергозависимость этих устройств и по существу полностью отказаться от проведения периодической регенерации заряда для сохранения накопленной информации. При сбоях и внезапном отключении электропитания использование многослойных стопок вместо однослойного диэлектрика в запоминающем элементе ячейки памяти позволит полностью восстанавливать информацию, накопленную до отключения, даже по прошествии 1,5 лет. Использование многослойных стопок по изобретению в ячейках флэш-памяти позволит существенно увеличить емкость, образованную между электродами управляющего и плавающего затворов, что повысит надежность и точность программирования и стирания информации.

Следует отметить, что наряду с увеличением способности к восприятию и сохранению зарядов в многослойной стопе нелинейно увеличивается электрическая и механическая прочность, что позволяет увеличить число циклов записи-стирания и, следовательно, увеличить срок службы микросхемы памяти, выполненной с использованием ячеек памяти по изобретению.

При изготовлении ячейки памяти по изобретению в качестве материалов, из которых выполняются тонкие пленки, объединяемые в стопу, могут с успехом использоваться любые диэлектрические тонкие пленочные материалы, в частности, современные полупроводниковые пленочные материалы из германия, кремния и их соединений, продукты современной нанотехнологии, а также классические полимерные пленки, производимые промышленным способом, типа полиимидов, полистиролов, полиамидов, полиэтилентерефталатов и т.д.

Ячейка памяти по изобретению может быть изготовлена при помощи уже хорошо известных и широко применяемых на практике методов, включающих в себя обычные в данной области техники операции без использования каких-либо новых дорогостоящих приемов или их неочевидной последовательности, что является еще одним неоспоримым преимуществом настоящего изобретения.

В частности, в процессе изготовления запоминающего элемента ячейки динамической памяти со случайно выборкой, включающем в себя обычно этапы формирования первого электрода, нанесения на по меньшей мере часть его поверхности диэлектрика и формирования второго электрода на поверхности диэлектрика, на этапе нанесения диэлектрика производят формирование стопы из отдельных пленок. На по меньшей мере часть поверхности первого электрода напыляют нижний слой стопы заданной толщины, после чего этот слой подвергается термообработке (например, при температуре 1000 К в течение 5 минут) для создания оксидного слоя на его поверхности, препятствующего в дальнейшем образованию молекулярных связей между двумя прилежащими пленками стопы, в результате чего предотвращается нарушение одного из основных принципов настоящего изобретения - принципа отдельности слоев в стопе. Далее на окисленную поверхность нижнего слоя стопы напыляют следующий слой той же толщины и подвергают его поверхность термообработке аналогичным образом. Указанную последовательность действий повторяют до тех пор, пока не будет сформирована стопа с необходимым количеством слоев (например, 10), после чего на верхнем слое стопы формируют второй электрод. Аналогичным образом формируется стопа при изготовлении ячейки флэш-памяти на этапе формирования изолирующего слоя между электродами плавающего и управляющего затворов.

В заключение следует особо отметить, что вышеприведенные примеры предназначены лишь для лучшего понимания сущности заявленного изобретения и ни в коей мере не охватывают все возможные варианты его осуществления. Специалисту будут очевидны и другие примеры его реализации, не выходящие за рамки заявленного объема притязаний, определяемого прилагаемой формулой.

Изобретение относится к микроэлектронике и может быть использовано при изготовлении запоминающих устройств. Сущность изобретения: в ячейке памяти, запоминающий элемент которой включает первый электрод, второй электрод и слой диэлектрика, расположенный между указанными электродами, слой диэлектрика выполнен из N>1 отдельных полимерных пленок по существу равной толщины d<80 мкм, полученных из одного и того же материала одинаковым способом, объединенных в стопу. Техническим результатом изобретения является увеличение способности диэлектрика к заряжению и длительному сохранению электрических зарядов между электродами. 2 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Ячейка памяти, запоминающий элемент которой включает первый электрод, второй электрод и слой диэлектрика, расположенный между указанными электродами, отличающаяся тем, что слой диэлектрика выполнен из N>1 отдельных полимерных пленок, по существу, равной толщины d<80 мкм, полученных из одного и того же материала одинаковым способом, объединенных в стопу.2. Ячейка по п.1, отличающаяся тем, что запоминающий элемент представляет собой полевой транзистор, в котором первый электрод является электродом плавающего затвора, а второй электрод является электродом управляющего затвора.3. Ячейка по п.1, отличающаяся тем, что запоминающий элемент представляет собой конденсатор, причем первый и второй электроды являются его первой и второй обкладками, а ячейка памяти дополнительно содержит транзистор, соединенный с конденсатором с возможностью управления зарядом на обкладках конденсатора.