ФЛЭШ ЭЛЕМЕНТ ПАМЯТИ ЭЛЕКТРИЧЕСКИ ПЕРЕПРОГРАММИРУЕМОГО ПОСТОЯННОГО ЗАПОМИНАЮЩЕГО УСТРОЙСТВА Российский патент 2009 года по МПК H01L27/115 B82B1/00 

Изобретение относится к вычислительной технике, в частности к 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, таких как цифровые видеокамеры и фотоаппараты, плееры, электронные карточки (смарт-карты).

Известен флэш элемент памяти электрически перепрограммируемого постоянного запоминающего устройства (Young-Bog Park and Dieter К. Schroder "Degradation of thin tunnel gate oxide under constant Fowler-Nordheim current stress for a Flash EEPROM", IEEE TRANSACTION ON ELECTRON DEVICE, V.45, N 6, 1998), 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. В качестве материала подложки использован кремний. Туннельный слой выполнен из оксида кремния толщиной от 10 до 20 нм. Запоминающий слой выполнен в виде плавающего затвора из поликремния толщиной 150 нм. Блокирующий слой включает в себя SiO₂ толщиной 5 нм, Si₃N₄ толщиной 10 нм и SiO₂ толщиной 5 нм. Помещение и удаление заряда на плавающий затвор (запись/стирание) реализуется по механизму туннелирования Фаулера-Нордгейма.

К причинам, препятствующим достижению технического результата, относится следующее.

Основной недостаток приведенного флэш элемента памяти заключается в том, что туннельный оксид является достаточно толстым. Для перенесения заряда на плавающий затвор по механизму Фаулера-Нордгейма требуются высокие электрические поля примерно 10⁷ В/см. Под воздействием высоких электрических полей туннельный оксид деградирует - в нем образуются проводящие поры. Наличие хотя бы одной поры достаточно для того, что бы весь записанный заряд в плавающем затворе стек в кремниевую подложку, и информация оказалась потерянной. Другой недостаток - это емкостная связь между плавающими затворами соседних (ближайших) элементов памяти при реализации ЭППЗУ. В процессе постоянного масштабирования флэш устройств осуществляется уменьшение длины канала и уменьшение расстояния между соседними элементами памяти, что приводит к их взаимному электрическому влиянию. Емкостная связь между соседними элементами памяти является причиной ошибок в процессе записи/стирания и хранения информации. Также приведенному известному устройству свойственно большое время, порядка 1 мс, необходимое для записи/стирания информации, обусловленное достаточно толстым туннельным слоем.

Ближайшим техническим решением к заявляемому изобретению является флэш элемент памяти электрически перепрограммируемого постоянного запоминающего устройства (патент RU 2310929, опубликованный 20.11.2007), 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. В качестве материала подложки использован кремний. Туннельный слой выполнен из оксида кремния, запоминающий слой выполнен в виде плавающего затвора из поликремния, блокирующий слой выполнен из диэлектрика с высокой диэлектрической проницаемостью.

При реализации ЭППЗУ на базе приведенного флэш элемента памяти наблюдается сильное влияние емкостной связи между плавающими затворами соседних (ближайших) элементов памяти. Емкостная связь между соседними элементами приводит к ошибкам в процессе записи/стирания и хранения информации.

Техническим результатом изобретения является:

- уменьшение влияния проводящих пор в туннельном оксиде на процессы хранения информации;

- уменьшение влияния емкостной связи между соседними элементами памяти;

- увеличение окна памяти после воздействия импульса записи/стирания (до 5÷7 В) достижением возможности инжектировать и накапливать в запоминающей среде электроны и дырки;

- увеличение времени хранения информации (до 10-12 лет) при температуре 300 К с окном памяти через 12 лет порядка 4÷6 В;

- понижение напряжения записи/стирания (до 3÷5 В);

- уменьшение времени записи/стирания информации (до 10^-6÷10^-7 с).

Технический результат достигается 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 выполнены последовательно туннельный слой, запоминающий слой, блокирующий слой и затвор, между туннельным слоем и запоминающим слоем выполнен дополнительный туннельный слой из материала с высоким значением диэлектрической проницаемости, превосходящим диэлектрическую проницаемость материала туннельного слоя, а запоминающий слой выполнен в виде матрицы нанокластеров.

Во флэш элементе памяти туннельный слой выполнен из оксида кремния толщиной от 1,5 до 4,0 нм.

Во флэш элементе памяти дополнительный туннельный слой выполнен из материала со значением диэлектрической проницаемости от 5 до 2000 толщиной от 7,0 до 100,0 нм.

Во флэш элементе памяти в качестве материала для дополнительного туннельного слоя использован диэлектрик из приведенного перечня материалов: BaTa₂O₆, Ba_xSr_1-xTiO₃, Ba_xSr_1-xNbO₆, PbZn_xNb_1-xO₃, PbZr_xTi_1-xO₃, LiNbO₃, Bi_1-xLa_xTi₃O₁₂, Bi₂Sr₂CuO_x, Bi₄Ti₃O₁₂, SrBi₂Ta₂O₉, SrBi₂Ta_xV_1-xO₉, SrTi_1-xNb_xO₃, Sr₂Nb₂O₇, SrTa₂O₆, SrZrO₃, PbTiO₃, LaAlO₃, KTaO₃, TiO₂, Ta₂O₅, Al_xTa_yO_z, TaO_xN_y, HfO₂, HfSiO_xN_y, HfO_xN_y, Er₂O₃, La₂O₃, ZrO₂, ZrO_xN_y, ZrSiO_x, Gd₂O₃, Y₂O₃, SiO_xN_y, Al₂O₃, AlO_xN_y.

Во флэш элементе памяти блокирующий слой выполнен из материала со значением диэлектрической проницаемости от 5 до 2000 толщиной от 7,0 до 100,0 нм.

Во флэш элементе памяти в качестве материала для блокирующего слоя использован диэлектрик из приведенного перечня материалов: BaTa₂O₆, Ba_xSr_1-xTiO₃, Ba_xSr_1-xNbO₆, PbZn_xNb_1-xO₃, PbZr_xTi_1-xO₃, LiNbO₃, Bi_1-xLa_xTi₃O₁₂, Bi₂Sr₂CuO_x, Bi₄Ti₃O₁₂, SrBi₂Ta₂O₉, SrBi₂Ta_xV_1-xO₉, SrTi_1-xNb_xO₃, Sr₂Nb₂O₇, SrTa₂O₆, SrZrO₃, PbTiO₃, LaAlO₃, KTaO₃, TiO₂, Ta₂O₅, Al_xTa_yO_z, TaO_xN_y, HfO₂, HfSiO_xN_y, HfO_xN_y, Er₂O₃, La₂O₃, ZrO₂, ZrO_xN_y, ZrSiO_x, Gd₂O₃, Y₂O₃, SiO_xN_y, Al₂O₃, AlO_xN_y.

Во флэш элементе памяти запоминающий слой в виде матрицы нанокластеров выполнен из проводящих нанокластеров размером от 1,0 до 50,0 нм.

Во флэш элементе памяти проводящие нанокластеры выполнены из металла, или полупроводника, или соединений с шириной запрещенной зоны менее 2 эВ.

Во флэш элементе памяти в качестве материала проводящих нанокластеров использован металл или полупроводник из приведенного перечня: Al, Au, In, Ta, Sr, La, Hf, Ti, Pb, Zr, Ag, Ge, Si, GaAs, InSb.

Сущность изобретения поясняется нижеследующим описанием и прилагаемым чертежом.

На чертеже схематически изображен флэш элемент памяти ЭППЗУ, где 1 - полупроводниковая подложка, 2 - исток, 3 - сток, 4 - первый туннельный слой, 5 - второй (дополнительный) туннельный слой, 6 - матрица проводящих нанокластеров, 7 - блокирующий слой, 8 - затвор.

Достижение указанного технического результата обеспечивается следующим образом.

Применение в качестве запоминающего слоя матрицы проводящих нанокластеров (6) (см. чертеж) вместо одного кластера (плавающий затвор) обеспечивает то, что пробой (появление проводящей поры) в туннельном оксиде приводит к стеканию заряда только из одного кластера. В других кластерах заряд сохраняется, и полной потери информации в элементе памяти не происходит. В результате достигается уменьшение влияния проводящих пор в туннельном оксиде на процессы хранения информации.

Далее, в отношении емкостной связи между элементами ЭППЗУ. В известных технических решениях запоминающий слой в виде кластера (плавающий затвор) одного элемента памяти образует паразитную емкость (электрическую связь) с запоминающим слоем, или кластером (плавающим затвором), другого, соседнего, элемента памяти - емкостная связь. Это приводит к тому, что заряд, инжектированный в плавающий затвор, не распределяется равномерно по всему кластеру, а может быть преимущественно локализован (перетекать) в некоторых местах. Например, инжектированные в плавающий затвор дырки могут взаимодействовать с инжектированными в соседний плавающий затвор электронами, вплоть до туннельных эффектов (рекомбинацией носителей) между двумя соседними плавающими затворами, что приводит к потере информации. Для нормальной работы флэш-памяти требуется равномерное распределение заряда под затвором (8) (см. чертеж). Равномерное распределение заряда под затвором (8) (см. чертеж) достигается в предложенном изобретении, то есть флэш-памяти, основанной на матрице проводящих кластеров. Проводимость вдоль кластеров в такой системе отсутствует, так как кластеры разделены между собой диэлектриком с высокой диэлектрической проницаемостью. Таким образом, заряд, инжектированный в матрицу кластеров, распределяется в них равномерно по всей площади под затвором (8). В результате масштабирования, сближения соседних элементов памяти, паразитное взаимодействие будет происходить не с полным записанным зарядом, а с небольшой его частью, сосредоточенной в отдельном кластере матрицы. Таким образом, достигается уменьшение емкостной связи между соседними флэш элементами памяти.

Известно, что окно памяти определяется величиной заряда инжектированного в запоминающий слой в результате воздействия импульса записи/стирания. Величина инжекционного тока Фаулера-Нордгейма через туннельный диэлектрик зависит от: величины электрического поля в туннельном слое и величины энергетического барьера Si/SiO₂ для электронов (дырок). Падение напряжения и, следовательно, величина электрического поля в туннельном слое (4) тем больше, чем меньше падение напряжения на блокирующем (7), запоминающем слое и дополнительном туннельном слое (5). Выполнение запоминающего слоя в виде матрицы проводящих нанокластеров (6) из полупроводника и, тем более, из металла приводит к уменьшению падения напряжения на нем практически до нуля. Выполнение блокирующего слоя (7) и дополнительного туннельного слоя (5) из материала с высоким значением диэлектрической проницаемости также позволяет значительно снизить падение напряжения на этих слоях и, следовательно, увеличить падение напряжение и величину электрического поля в туннельном слое (4). Таким образом, в сумме указанное выполнение этих конструктивных слоев способствует достижению увеличения электрического поля на туннельном слое (4) и, следовательно, величины инжектированного заряда в запоминающий слой, выполненный в виде матрицы проводящих нанокластеров (6), увеличивая окно памяти.

В предлагаемом флэш элементе памяти появляется возможность уменьшить толщину туннельного SiO₂ до 1,5÷4,0 нм за счет применения проводящих нанокластеров, выполненных из полупроводника или металла, а блокирующего и дополнительного туннельного слоев - из материала с высоким значением диэлектрической проницаемости. Через тонкий слой SiO₂, таким образом, появляется возможность инжектировать в запоминающий слой, выполненный из проводящих нанокластеров, как электроны, так и дырки, то есть отрицательный или положительный заряд.

В изобретении туннельный слой (4) дополнен дополнительным туннельным слоем (5), система туннельных слоев состоит из двух диэлектриков. Для достижения максимальной величины тока Фаулера-Нордгейма через двухслойный туннельный диэлектрик электрические поля должны быть достаточными, чтобы носители туннелировали, главным образом, через диэлектрик (SiO₂). Это достигается при условии, что падение напряжения на туннельном SiO₂ превысит энергетический барьер на границе Si/(диэлектрик с высоким значением диэлектрической проницаемости), то есть достижение максимальной величины тока возможно путем снижения энергетического барьера посредством подбора материалов. Выполнение условия (ограничения) по высоте этого барьера определяется шириной запрещенной зоны материала проводящего кластера. Материал проводящего кластера должен быть выбран с шириной запрещенной зоны как можно меньшей, для чего идеально подходят металлы. Минимальная ширина запрещенной зоны материала проводящего кластера позволяет использовать в качестве материала дополнительного туннельного слоя диэлектрик по возможности с минимальной шириной запрещенной зоны, что положительно сказывается на достигаемой максимальной величине тока Фаулера-Нордгейма. С другой стороны, величина барьера на границе (проводящий кластер)/(диэлектрик с высоким значением диэлектрической проницаемости) должна быть достаточной, что бы препятствовать паразитной инжекции заряда из кластера через блокирующий слой (7) в затвор (8) в режиме записи/стирания и предотвратить стекание заряда из кластера в режиме хранения. Выполнение проводящего кластера из узкозонного полупроводника (менее 2 эВ), а тем более из металла, ширина запрещенной зоны которого равна нулю, предпочтительно еще и по этой причине. Известно эмпирическое соотношение, чем меньше ширина запрещенной зоны материала, тем выше значение его диэлектрической проницаемости. Поэтому в качестве материала дополнительного туннельного слоя используют диэлектрики с высокой диэлектрической проницаемостью. Таким образом, использование диэлектрика с небольшой запрещенной зоной и высоким значением диэлектрической проницаемости в дополнительном туннельном слое позволяет снизить напряжение импульса записи/стирания.

Время хранение информации заряда в проводящих кластерах определяется толщиной дополнительного туннельного и блокирующего слоев и их диэлектрической проницаемостью, чем выше их значения, тем больше время хранения. Для длительного хранения эти слои должны быть выполнены из диэлектрика с высокой диэлектрической проницаемостью и должны быть достаточно толстыми, чтобы обеспечить время хранения информации 10 лет при 300 К. Высокое значение диэлектрической проницаемости обеспечивает малое значение падение напряжение на этих слоях и, следовательно, маленький ток утечек из проводящего кластера. С другой стороны, время хранения определяется величиной энергетического барьера на границе (проводящий кластер)/(диэлектрик с высоким значением диэлектрической проницаемости), который должен иметь достаточную высоту. Выполнение проводящего кластера из узкозонного полупроводника или металла позволяет получить максимальную величину этого барьера. Таким образом, использование в предложенном флэш элементе памяти в качестве дополнительного туннельного и блокирующего слоя диэлектрика с высоким значением диэлектрической проницаемости в сочетании с узкозонным полупроводником или металлом - в качестве проводящего кластера позволяет существенно увеличить время хранения заряда (до 10-12 лет) при температуре 300 К.

Наличие второго, дополнительного, туннельного слоя (5), выполненного из материала со значением диэлектрической проницаемости, превосходящим значение диэлектрической проницаемости материала первого туннельного слоя (4), позволяет уменьшить толщину первого туннельного слоя, тем самым еще больше усилить электрическое поле в нем. Выполнение запоминающего слоя в виде матрицы проводящих нанокластеров (6) из полупроводника и тем более из металла приводит к уменьшению падения напряжения на нем практически до нуля. Выполнение блокирующего слоя (7) из материала с высоким значением диэлектрической проницаемости также позволяет значительно снизить падение напряжения на этом слое и, следовательно, увеличить падение напряжение и величину электрического поля в туннельном слое (4). В совокупности реализации этих трех условий позволяет значительно усилить электрическое поле в туннельном слое (4), что способствует увеличению инжекционного тока из полупроводниковой подложки (1) и снижает величину импульса перепрограммирования (до 3÷5 В).

Время записи/стирания флэш элемента памяти определяется величиной туннельного тока через составной туннельный диэлектрик, то есть величиной падения напряжения на нем. Падение напряжения и, следовательно, величина электрического поля в туннельном слое из SiO₂ тем больше, чем меньше падение напряжения на блокирующем, запоминающем слое и дополнительном туннельном слое. Уменьшение падение на запоминающем слое в результате выполнения его в виде матрицы проводящих нанокластеров из полупроводника или металла и уменьшение падения напряжения на блокирующем и дополнительном туннельном слое за счет использования материала с высоким значением диэлектрической проницаемости приводит к тому, что ток Фаулера-Нордгейма через тонкий туннельный слой SiO₂ будет значительным, а время записи/стирания сокращено до величины 10^-6÷10^-7 с.

Диэлектрическая проницаемость оксида кремния, из которого выполнен туннельный слой (4), составляет величину 3,9. Значение диэлектрической проницаемости проводящих кластеров значительно превышает эту величину. Значение диэлектрической проницаемости материала дополнительного туннельного и блокирующего слоев также выбирается по величине больше, чем величина диэлектрической проницаемости туннельного слоя. Выполнение последнего условия обеспечивается путем использования в качестве диэлектрика для второго туннельного и блокирующего слоев материала, например: BaTa₂O₆, Ba_xSr_1-xTiO₃, Ba_xSr_1-xNbO₆, PbZn_xNb_1-xO₃, PbZr_xTi_1-xO₃, LiNbO₃, Bi_1-xLa_xTi₃O₁₂, Bi₂Sr₂CuO_x, Bi₄Ti₃O₁₂, SrBi₂Ta₂O₉, SrBi₂Ta_xV_1-xO₉, SrTi_1-xNb_xO₃, Sr₂Nb₂O₇, SrTa₂O₆, SrZrO₃, PbTiO₃, LaAlO₃, KTaO₃, TiO₂, Ta₂O₅, Al_xTa_yO_z, TaO_xN_y, HfO₂, HfSiO_xN_y, HfO_xN_y, Er₂O₃, La₂O₃, ZrO₂, ZrO_xN_y, ZrSiO_x, Gd₂O₃, Y₂O₃, SiO_xN_y, Al₂O₃, AlO_xN_y. Значения диэлектрических проницаемостей указанных материалов лежат в интервале от 5 до 2000.

Таким образом, туннельный слой может быть выполнен достаточно тонким за счет больших величин диэлектрической проницаемости проводящих кластеров, блокирующего и дополнительного туннельного слоев. Это позволяет снизить величину напряжения и времени перепрограммирования. В то же время достаточно толстый блокирующий и дополнительный туннельные слои обеспечивают длительное время хранения информации.

Флэш элемент памяти ЭППЗУ содержит полупроводниковую подложку (1), исток (2), сток (3), первый туннельный слой (4), второй, дополнительный, туннельный слой (5), матрицу проводящих нанокластеров (6), блокирующий слой (7) и затвор (8).

Флэш элемент памяти ЭППЗУ 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 первый туннельный слой (4), второй, дополнительный, туннельный слой (5), запоминающий слой в виде матрицы проводящих нанокластеров (6), блокирующий слой (7) и затвор (8).

В качестве полупроводниковой подложки (1) может быть использована кремниевая подложка n- или p-типа проводимости. Исток (2) и сток (3) выполнены из материала с противоположным типом проводимости.

Первый туннельный слой (4) из оксида кремния выполнен толщиной 1,5÷4,0 нм. Диэлектрические свойства его и указанная толщина обеспечивают ему необходимые свойства для инжекции электронов/дырок в матрицу проводящих нанокластеров (6) в режиме записи/стирания. Выполнение туннельного слоя (4) толщиной более 4,0 нм вызывает нежелательное увеличение длительности и амплитуды перепрограммирующего импульса в связи с падением напряжения на нем. Второй (дополнительный) туннельный слой (5) из диэлектрика с высокой диэлектрической проницаемостью выполняют толщиной 7,0÷100,0 нм как наиболее оптимальной для усиления электрического поля в первом туннельном слое (4), улучшении его инжекционных свойств в режиме перепрограммирования и предотвращения явления стекания заряда из матрицы проводящих нанокластеров (6) через туннельные слои (4) и (5) в подложку (1) в режиме «хранения». Для слоя (5) в качестве диэлектрика могут быть использованы материалы с высокой диэлектрической проницаемостью: BaTa₂O₆, Ba_xSr_1-xTiO₃, Ba_xSr_1-xNbO₆, PbZn_xNb_1-xO₃, PbZr_xTi_1-xO₃, LiNbO₃, Bi_1-xLa_xTi₃O₁₂, Bi₂Sr₂CuO_x, Bi₄Ti₃O₁₂, SrBi₂Ta₂O₉, SrBi₂Ta_xV_1-xO₉, SrTi_1-xNb_xO₃, Sr₂Nb₂O₇, SrTa₂O₆, SrZrO₃, PbTiO₃, LaAlO₃, KTaO₃, TiO₂, Ta₂O₅, Al_xTa_yO_z, TaO_xN_y, HfO₂, HfSiO_xN_y, HfO_xN_y, Er₂O₃, La₂O₃, ZrO₂, ZrO_xN_y, ZrSiO_x, Gd₂O₃, Y₂O₃, SiO_xN_y, Al₂O₃, AlO_xN_y.

Матрица проводящих нанокластеров (6) выполнена из проводящего материала, полупроводника, или металла, или соединений. Ширина запрещенной зоны материала проводящих кластеров не должна превышать 2 эВ. Эти материалы обеспечивают запоминающему слою в виде матрицы проводящих нанокластеров (6) способность оптимально захватывать и накапливать заряд. Размеры кластеров составляют 1,0÷50 нм. Проводящие кластеры должны обеспечить небольшое падение напряжение на запоминающем слое из них в режиме записи/стирания. Они могут быть выполнены, например, из Al, Au, In, Ta, Sr, La, Hf, Ti, Pb, Zr, Ag, Ge, Si, GaAs, InSb.

Блокирующий слой (7) выполняют из материалов, обладающих высокой диэлектрической проницаемостью. Например: BaTa₂O₆, Ba_xSr_1-xTiO₃, Ba_xSr_1-xNbO₆, PbZn_xNb_1-xO₃, PbZr_xTi_1-xO₃, LiNbO₃, Bi_1-xLa_xTi₃O₁₂, Bi₂Sr₂CuO_x, Bi₄Ti₃O₁₂, SrBi₂Ta₂O₉, SrBi₂Ta_xV_1-xO₉, SrTi_1-xNb_xO₃, Sr₂Nb₂O₇, SrTa₂O₆, SrZrO₃, PbTiO₃, LaAlO₃, KTaO₃, TiO₂, Ta₂O₅, Al_xTa_yO_z, TaO_xN_y, HfO₂, HfSiO_xN_y, HfO_xN_y, Er₂O₃, La₂O₃, ZrO₂, ZrO_xN_y, ZrSiO_x, Gd₂O₃, Y₂O₃, SiO_xN_y, Al₂O₃, AlO_xN_y.

Толщина блокирующего слоя (7) составляет от 7,0 до 100 нм. Толщина блокирующего слоя (7) менее 7,0 нм вызывает «паразитную» туннельную инжекцию носителей заряда из проводящих нанокластеров в затвор (8), которая приводит к уменьшению заряда, накопленного в матрице проводящих нанокластеров (6) за счет инжекции из полупроводниковой подложки (1). Толщина блокирующего слоя (7) более 100,0 нм вызывает увеличение «паразитного» падения напряжения на блокирующем слое (7) и ведет к уменьшению электрического поля в первом туннельном слое (4) и, как следствие, к уменьшению заряда, накопленного в матрице проводящих нанокластеров (6).

Для обеспечения хранения заряда, например, в течение 10 лет при температуре 300 К толщины второго туннельного слоя (5) и блокирующего слоя (7) должны быть примерно одинаковыми.

Затвор (8) 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 (8) (см. чертеж) относительно подложки (1), например, p-типа проводимости, положительного напряжения с амплитудой, обеспечивающей напряженность электрического поля в туннельном слое (4), равной по величине (9÷14)×10⁶ В/см. При этом происходит туннелирование электронов из подложки (1) в основном через первый туннельный слой (4) в матрицу проводящих нанокластеров (6) и последующий захват электронов в кластерах, выполненных из металла или полупроводника. 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 (8) относительно подложки (1) отрицательного напряжения. При этом в матрице проводящих нанокластеров (6) и в первом туннельном слое (4) создается электрическое поле, стимулирующее уход захваченных электронов в подложку (1) и инжекцию дырок из подложки (1). В результате инжектированные дырки захватываются в кластерах, и в них накапливается положительный заряд. Наличие положительного заряда в запоминающем слое, выполненном в виде матрицы проводящих нанокластеров (6), обуславливает сдвиг порогового напряжения в отрицательное значение, и канал транзистора (флэш элемента памяти ЭППЗУ) переходит в проводящее состояние, что соответствует логической «1».

Наличие высокой диэлектрической проницаемости ε у блокирующего слоя (7) и второго, дополнительного, туннельного слоя (5), а также выполнение запоминающей среды из проводящих кластеров приводит к тому, что падение напряжения на них, по сравнению с падением напряжения на первом туннельном слое (4), будет меньше в

ε/ε_SiO2 раз, а падение напряжения на первом туннельном слое (4) из оксида кремния соответственно больше. Ток инжекции электронов через туннельный слой (4) в элементе памяти с дополнительным туннельным слоем (5) и блокирующим слоем (7), которые изготовлены из диэлектрика с высокой диэлектрической проницаемостью, существенно (на порядки) выше. Это позволяет уменьшить напряжение и длительность перепрограммирующего импульса. В то же время достаточно толстые второй туннельный и блокирующий слои предотвращают стекание заряда из запоминающего слоя в режиме «хранения».

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 матрицу проводящих нанокластеров (6).

Изобретение относится к вычислительной технике. Сущность изобретения: флэш элемент памяти электрически перепрограммируемого постоянного запоминающего устройства предназначен для хранения информации при отключенном питании. На полупроводниковой подложке между истоком и стоком выполнены туннельный слой, дополнительный туннельный слой, запоминающий слой, блокирующий слой и затвор. При этом дополнительный туннельный и блокирующий слои выполнены из материала с высоким значением диэлектрической проницаемости, от 5 до 2000, превосходящим диэлектрическую проницаемость материала туннельного слоя (выполненного из SiO₂). Запоминающий слой выполнен в виде матрицы проводящих нанокластеров размером от 1,0 до 50 нм. В результате обеспечивается: уменьшение влияния проводящих пор в туннельном оксиде на хранение заряда, увеличение окна памяти (до 7 В), возможность инжекции положительного и отрицательного заряда, снижение времени (до 10^-7 с) записи/стирания информации, увеличение времени хранения информации (до 12 лет). 8 з.п. ф-лы, 1 ил.

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 выполнены последовательно туннельный слой, запоминающий слой, блокирующий слой и затвор, отличающийся тем, что между туннельным слоем и запоминающим слоем выполнен дополнительный туннельный слой из материала с высоким значением диэлектрической проницаемости, превосходящим диэлектрическую проницаемость материала туннельного слоя, запоминающий слой выполнен в виде матрицы нанокластеров.

2. Флэш элемент памяти по п.1, отличающийся тем, что туннельный слой выполнен из оксида кремния толщиной от 1,5 до 4,0 нм.

3. Флэш элемент памяти по п.1, отличающийся тем, что дополнительный туннельный слой выполнен из материала со значением диэлектрической проницаемости от 5 до 2000, толщиной от 7,0 до 100,0 нм.

4. Флэш элемент памяти по п.3, отличающийся тем, что в качестве материала для дополнительного туннельного слоя использован диэлектрик из приведенного перечня материалов: BaTa₂O₆, Ba_xSr_1-xTiO₃, Ba_xSr_1-xNbO₆, PbZn_xNb_1-xO₃, PbZr_xTi_1-xO₃, LiNbO₃, Bi_1-xLa_xTi₃O₁₂, Bi₂Sr₂CuO_x, Bi₄Ti₃O₁₂, SrBi₂Ta₂O₉, SrBi₂Ta_xV_1-xO₉, SrTi_1-xNb_xO₃, Sr₂Nb₂O₇, SrTa₂O₆, SrZrO₃, PbTiO₃, LaAlO₃, KTaO₃, TiO₂, Ta₂O₅, Al_xTa_yO_z, TaO_xN_y, HfO₂, HfSiO_xN_y, HfO_xN_y, Er₂O₃, La₂O₃, ZrO₂, ZrO_xN_y, ZrSiO_x, Gd₂O₃, Y₂O₃, SiO_xN_y, Al₂O₃,
AlO_xN_y.

5. Флэш элемент памяти по п.1, отличающийся тем, что блокирующий слой выполнен из материала со значением диэлектрической проницаемости от 5 до 2000, толщиной от 7,0 до 100,0 нм.

6. Флэш элемент памяти по п.5, отличающийся тем, что в качестве материала для блокирующего слоя использован диэлектрик из приведенного перечня материалов: BaTa₂O₆, Ba_xSr_1-xTiO₃, Ba_xSr_1-xNbO₆, PbZn_xNb_1-xO₃, PbZr_xTi_1-xO₃, LiNbO₃, Bi_1-xLa_xTi₃O₁₂, Bi₂Sr₂CuO_x, Bi₄Ti₃O₁₂, SrBi₂Ta₂O₉, SrBi₂Ta_xV_1-xO₉, SrTi_1-xNb_xO₃, Sr₂Nb₂O₇, SrTa₂O₆, SrZiО₃, PbTiO₃, LaAlO₃, KTaO₃, TiO₂, Ta₂O₅, Al_xTa_yO_z, TaO_xN_y, HfO₂, HfSiO_xN_y, HfO_xN_y, Er₂O₃, La₂O₃, ZrO₂, ZrO_xN_y, ZrSiO_x, Gd₂O₃, Y₂O₃, SiO_xN_y, Al₂O₃,
AlO_xN_y.

7. Флэш элемент памяти по п.1, отличающийся тем, что запоминающий слой в виде матрицы нанокластеров выполнен из проводящих нанокластеров размером от 1,0 до 50,0 нм.

8. Флэш элемент памяти по п.7, отличающийся тем, что проводящие нанокластеры выполнены из металла, или полупроводника, или соединения с шириной запрещенной зоны менее 2 эВ.

9. Флэш элемент памяти по п.8, отличающийся тем, что в качестве материала проводящих нанокластеров использован металл или полупроводник из приведенного перечня: Al, Au, In, Ta, Sr, La, Hf, Ti, Pb, Zr, Ag, Ge, Si, GaAs, InSb.