РЕЗИСТИВНЫЙ ФЛЭШ ЭЛЕМЕНТ ПАМЯТИ Российский патент 2014 года по МПК G11C16/02 

Техническое решение относится к электронике, в частности к вычислительной технике, а именно 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 различных портативных устройствах с функцией хранения и переноса информации, таких как ноутбуки, планшетники, электронные книги, цифровые видеокамеры и фотоаппараты, мобильные телефоны, смартфоны, МПЗ плееры, навигаторы, USB-память, электронные биометрические паспорта и другие документы, электронные карты.

Известен резистивный флэш элемент памяти (D.-H. Kwon, К. М. Kim, J. Н. Jang, J.M. Jeon, M. H. Lee, G.H. Kim, X.-Sh. Li, G.-S. Park, B. Lee, S. Han, M. Kim, Ch. S. Hwang, «Atomic structure of conducting nanofilaments in ТiO₂ resistive switching memory», Nature Nanotechnology, v.5, p.p.148-153, 2010), содержащий полупроводниковую подложку с нанесенным на ее рабочую поверхность проводящим электродом, на котором расположен слой диэлектрика, на слое диэлектрика выполнен второй проводящий электрод. Слой диэлектрика выполнен из ТiO₂. Проводящие электроды выполнены в виде пленки из металла - Pt. В качестве полупроводниковой подложки использована подложка из кремния со слоем SiO₂, на который нанесена пленка из Pt - первый проводящий электрод. Толщина слоя диэлектрика из ТiO₂ - 40 нм.

К недостаткам приведенного решения, относится отсутствие воспроизводимости окна гистерезиса резистивного элемента памяти.

Недостатки обусловлены следующим.

Принцип действия резистивного элемента памяти заключается в том, что при приложении короткого импульса напряжения диэлектрик, расположенный между обкладками конденсатора, переходит из высокоомного состояния, характеризующегося малым током утечки (логический 0), в низкоомное состояние, характеризующееся большим током утечки (логическая 1). Этот переход соответствует режиму записи информации. Стирание информации, переход в высокоомное состояние, осуществляют путем приложения к диэлектрику напряжения противоположной полярности. Переход резистивного элемента памяти со слоем диэлектрика из ТiO₂ из высокоомного состояния в низкоомное состояние осуществляется за счет формирования проводящих электрический ток металлических нитей через диэлектрик (conducting filaments). Формирование нитей происходит случайным образом по площади металлического электрода. Случайный характер является причиной невоспроизводимости окна гистерезиса (разница в величинах тока, соответствующих высокоомному и низкоомному состояниям), а также большой величины напряжения перепрограммирования.

В качестве ближайшего аналога выбран резистивный флэш элемент памяти (Y. Lu, B.Gao, Y. Fu, В. Chen, L. Liu, X. Liu, J. Kang, «A Simplified Model for Resistive Switching of Oxide-Based Resistive Random Access Memory Devices», IEEE Electron Device Letters, v.33, N. 3, p.p.306-308, 2012), содержащий полупроводниковую подложку с нанесенным на ее рабочую поверхность проводящим электродом, на котором расположен слой диэлектрика, на слое диэлектрика выполнен второй проводящий электрод. Слой диэлектрика выбран оксидного типа и выполнен из НfO_х. Толщина слоя диэлектрика из НfO_х от 10 до 30 нм. Проводящие электроды выполнены в виде пленки из металла.

К недостаткам приведенного решения относится отсутствие воспроизводимости окна гистерезиса резистивного элемента памяти.

Недостатки обусловлены следующим.

Принцип действия резистивного элемента памяти со слоем диэлектрика из НfO_х аналогичен вышеприведенному для элемента памяти со слоем диэлектрика из TiO₂. Запись и стирание информации резистивного элемента памяти со слоем диэлектрика оксида гафния осуществляется также за счет образования и диссипации проводящего металлического мостика (conducting filaments) через диэлектрик. Формирование мостика здесь также носит случайный характер, что и обуславливает указанные недостатки.

Техническим результатом является:

- достижение воспроизводимости окна гистерезиса резистивного элемента памяти.

Технический результат достигается в резистивном флэш элементе памяти, содержащем полупроводниковую подложку с выполненным на ее рабочей поверхности проводящим электродом, на котором расположен слой диэлектрика, на слое диэлектрика выполнен второй проводящий электрод, в котором проводящий электрод со стороны диэлектрика снабжен выступом, обеспечивающим локализацию формирования проводящей электрический ток нити через диэлектрик и необходимую напряженность электрического поля для формирования нити и протекания электрического тока.

В резистивном флэш элементе памяти со стороны диэлектрика выступом, обеспечивающим локализацию формирования проводящей электрический ток нити через диэлектрик и необходимую напряженность электрического поля для формирования нити и протекания электрического тока, снабжен проводящий электрод, выполненный на рабочей поверхности подложки, или второй проводящий электрод, выполненный на слое диэлектрика.

В резистивном флэш элементе памяти проводящий электрод, на котором расположен слой диэлектрика, и второй проводящий электрод на слое диэлектрика выполнены слоем толщиной от 10 до 100 нм с использованием следующего материала: Ni, Cr, Pt, Au, Сu, Ti, Та, Al, TiN, TaN.

В резистивном флэш элементе памяти слой диэлектрика, расположенный на проводящем электроде на рабочей поверхности полупроводниковой подложки, на котором выполнен второй проводящий электрод, сформирован толщиной от 2 до 100 нм с использованием следующего материала: ТiO₂, Та₂O₅, NiO, Nb₂O₃, Сr₂О₃, НfO₂, ZrO₂, GeO₂, SiO₂, SrTiO₃.

В резистивном флэш элементе памяти выступ со стороны диэлектрика, обеспечивающий локализацию формирования проводящей электрический ток нити через диэлектрик и необходимую напряженность электрического поля для формирования нити и протекания электрического тока, выполнен диаметром от 1 до 20 нм.

Сущность технического решения поясняется нижеследующим описанием и прилагаемыми фигурами.

На Фиг. приведены схематические изображения резистивного элемента памяти: а) проводящие выступающие особенности выполнены на проводящем слое обкладки конденсатора, расположенном на подложке; б) проводящие выступающие особенности выполнены со стороны проводящего слоя обкладки конденсатора, расположенном на слое диэлектрика, разделяющего обкладки.

Достижение технического результата обеспечивается следующим.

При пояснении причин, препятствующих достижению технического результата, отмечен случайный характер формирования проводящих электрический ток нитей через диэлектрик (conducting filaments) по площади электрода. Необходимо перейти от случайного к детерминированному характеру формирования проводящих электрический ток нитей через диэлектрик. Случайный характер может быть обусловлен наличием неконтролируемых микрошероховатостей поверхностей в сочетании с неконтролируемой неоднородностью качества диэлектрика, влияющих на формируемое при приложении напряжения записи электрическое поле и, как следствие, образование проводящей электрический ток нити через диэлектрик (conducting filaments) случайным образом. Подавление указанных негативных особенностей возможно осуществить путем целенаправленного формирования локальной выступающей особенности, имеющей доминирующее влияние на формируемое электрическое поле, - выступа на границе раздела проводящего электрода и слоя диэлектрика, то есть на поверхности проводящего электрода со стороны слоя диэлектрика (см. Фиг.). Выступ из проводящего материала, в частности того же материала, что и проводящий электрод, расположенный в слое диэлектрика, с геометрической конфигурацией и размерами выполняют обеспечивающим локализацию формирования проводящей электрический ток нити через диэлектрик и необходимую напряженность электрического поля для формирования нити и протекания электрического тока. Переход резистивного элемента памяти со слоем диэлектрика, расположенным между двумя проводящими электродами, из высокоомного состояния в низкоомное состояние осуществляется за счет детерминированного по площади электрода формирования проводящих электрический ток нитей через диэлектрик (conducting filaments) в отличие от вышеуказанных аналогов. Таким образом, устраняется причина невоспроизводимости окна гистерезиса (разница в величинах тока, соответствующих высокоомному и низкоомному состояниям).

В общем случае выполнения резистивный флэш элемент памяти содержит полупроводниковую подложку, два проводящих электрода, слой диэлектрика. На рабочей поверхности полупроводниковой подложки выполнен проводящий электрод, на котором расположен слой диэлектрика. На слое диэлектрика выполнен второй проводящий электрод. При этом проводящий электрод со стороны диэлектрика снабжен выступом, обеспечивающим локализацию формирования проводящей электрический ток нити через диэлектрик и необходимую напряженность электрического поля для формирования нити и протекания электрического тока (см. Фиг.).

Со стороны диэлектрика выступом, обеспечивающим локализацию формирования проводящей электрический ток нити через диэлектрик и необходимую напряженность электрического поля для формирования нити и протекания электрического тока, снабжен проводящий электрод, выполненный на рабочей поверхности подложки (см. Фиг.а)), или второй проводящий электрод, выполненный на слое диэлектрика (см. Фиг.б)).

Проводящий электрод, на котором расположен слой диэлектрика, и второй проводящий электрод на слое диэлектрика выполнены в виде слоя толщиной от 10 до 100 нм. При их выполнении с использован материал: Ni, Сr, Pt, Au, Сu, Ti, Та, Al, TiN, TaN.

Слой диэлектрика, который расположен на проводящем электроде на рабочей поверхности полупроводниковой подложки и на котором выполнен второй проводящий электрод, имеет толщину от 2 до 100 нм. Указанный слой сформирован из следующего материала: ТiO₂, Ta₂O₅, NiO, Nb₂O₃, Сr₂O₃, НfО₂, ZrO₂, GeO₂, SiO₂, SrTiO₃.

Выступ со стороны диэлектрика, обеспечивающий локализацию формирования проводящей электрический ток нити через диэлектрик и необходимую напряженность электрического поля для формирования нити и протекания электрического тока, выполнен размером в диаметре от 1 до 20 нм. Указанные размеры согласованы с вышеприведенными размерами толщин слоя диэлектрика и конкретными материалами. Другие параметры диэлектрика потребуют других характерных размеров локального выступа.

Предлагаемое устройство используется следующим образом.

При подаче на проводящие электроды короткого импульса напряжения амплитуды (от 0,5 до 5 В и длительности от 1 нс до 1 мкс) - напряжения записи информации в области локализации выступа возникает требуемая напряженность электрического поля ((1÷2)×10⁷ В/см) для формирования нити и протекания электрического тока. Диэлектрик, расположенный между обкладками конденсатора (проводящими электродами), переходит из высокоомного состояния, характеризующегося малым током утечки, соответствующего логическому 0, в низкоомное состояние, характеризующееся большим током утечки, соответствующего логической 1. Происходит формирование проводящей электрический ток нити, по которой начинает протекать электрический ток. Осуществляется запись информации. Для стирания записанной информации к диэлектрику прикладывают напряжение противоположной полярности той же величины и длительности - от 0,5 до 5 В и длительности от 1 нс до 1 мкс. При этом осуществляется переход диэлектрика, расположенного между обкладками конденсатора, в высокоомное состояние.

Изобретение относится к вычислительной технике. Технический результат заключается в достижении воспроизводимости окна гистерезиса резистивного элемента памяти. Резистивный флэш элемент памяти содержит полупроводниковую подложку с выполненным на ее рабочей поверхности проводящим электродом, на котором расположен слой диэлектрика, на слое диэлектрика выполнен второй проводящий электрод, причем проводящий электрод со стороны диэлектрика снабжен выступом, обеспечивающим локализацию формирования проводящей электрический ток нити через диэлектрик и необходимую напряженность электрического поля для формирования нити и протекания электрического тока, при этом со стороны диэлектрика выступом, обеспечивающим локализацию формирования проводящей электрический ток нити через диэлектрик и необходимую напряженность электрического поля для формирования нити и протекания электрического тока, снабжен проводящий электрод, выполненный на рабочей поверхности подложки, или второй проводящий электрод, выполненный на слое диэлектрика. 3 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Резистивный флэш элемент памяти, содержащий полупроводниковую подложку с выполненным на ее рабочей поверхности проводящим электродом, на котором расположен слой диэлектрика, на слое диэлектрика выполнен второй проводящий электрод, отличающийся тем, что проводящий электрод со стороны диэлектрика снабжен выступом, обеспечивающим локализацию формирования проводящей электрический ток нити через диэлектрик и необходимую напряженность электрического поля для формирования нити и протекания электрического тока, при этом со стороны диэлектрика выступом, обеспечивающим локализацию формирования проводящей электрический ток нити через диэлектрик и необходимую напряженность электрического поля для формирования нити и протекания электрического тока, снабжен проводящий электрод, выполненный на рабочей поверхности подложки, или второй проводящий электрод, выполненный на слое диэлектрика.

2. Резистивный флэш элемент памяти по п.1, отличающийся тем, что проводящий электрод, на котором расположен слой диэлектрика, и второй проводящий электрод на слое диэлектрика выполнены слоем толщиной от 10 до 100 нм с использованием следующего материала: Ni, Cr, Pt, Au, Cu, Ti, Ta, Al, TiN, TaN.

3. Резистивный флэш элемент памяти по п.1, отличающийся тем, что слой диэлектрика, расположенный на проводящем электроде на рабочей поверхности полупроводниковой подложки, на котором выполнен второй проводящий электрод, сформирован толщиной от 2 до 100 нм с использованием следующего материала: TiO₂, Ta₂O₅, NiO, Nb₂O₃, Cr₂O₃, HfO₂, ZrO₂, GeO₂, SiO₂, SrTiO₃.

4. Резистивный флэш элемент памяти по п.1, отличающийся тем, что выступ со стороны диэлектрика, обеспечивающий локализацию формирования проводящей электрический ток нити через диэлектрик и необходимую напряженность электрического поля для формирования нити и протекания электрического тока, выполнен диаметром от 1 до 20 нм.