ФЛЭШ ЭЛЕМЕНТ ПАМЯТИ ЭЛЕКТРИЧЕСКИ ПЕРЕПРОГРАММИРУЕМОГО ПОСТОЯННОГО ЗАПОМИНАЮЩЕГО УСТРОЙСТВА Российский патент 2016 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 K. Schroder "Degradation of thin tunnel gate oxide under constant Fowler-Nordheim current stress for a Flash EEPROM", IEEE TRANSACTION ON ELECTRON DEVICE, V.45, N6, 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.

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 требуется 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 (заявка РФ на изобретение №2007104605/28(004966), МПК: 8 H01L 29/78), 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 3,5 до 8,0 нм. Запоминающий слой выполнен в виде плавающего затвора из поликремния, толщиной от 4,0 до 300 нм. Блокирующий слой выполнен из диэлектрика с высокой диэлектрической проницаемостью (ε от 5 до 2000) толщиной от 7,0 до 100 нм.

Помещение и удаление заряда на плавающий затвор (процесс записи/стирания) реализуется методом туннелирования Фаулера-Нордгейма.

К недостаткам данного технического решения относятся - достаточно толстый туннельный оксид - от 3,5 до 8,0 нм, который обеспечивает хранение заряда 10 лет при 85°С. Величина перепрограммирующих импульсов напряжения является достаточно большой для достижения требуемого туннельного тока Фаулера-Нордгейма через толстый туннельный оксид, что приводит к деградации туннельного оксида (образование проводящих пор). Более того, из-за высокого барьера для дырок на границе Si/SiO₂ (около 3,8 эВ) такая структура не позволяет накапливать положительный заряд в плавающем затворе, что приводит к небольшому окну памяти (разница пороговых напряжений элемента памяти в состояниях логический "0" и "1") в результате воздействия импульсов записи/стирания. Время записи стирания из-за применения толстого туннельного оксида является большим, порядка 1 мс. 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.

Целью предлагаемого изобретения является:

- уменьшение влияния емкостной связи между соседними элементами памяти;

- увеличение окна памяти;

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

- снижение напряжения импульса записи/стирания;

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

Поставленная цель достигается в 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, отличающемся тем, что между туннельным слоем и запоминающим слоем выполнен дополнительный туннельный слой из материала со значением диэлектрической проницаемости, превосходящим диэлектрическую проницаемость материала туннельного слоя, а запоминающий слой выполнен из графена. При этом туннельный слой может быть выполнен из оксида кремния толщиной от 1,5 до 4,0 нм; дополнительный туннельный слой из материала со значением диэлектрической проницаемости от 5 до 2000, толщиной от 7,0 до 100,0 нм; в качестве материала для дополнительного туннельного слоя может быть 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; блокирующий слой выполнен из материала со значением диэлектрической проницаемости от 5 до 2000, толщиной от 7,0 до 100,0 нм, а 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, A1O_xN_y.

Сущность изобретения поясняется нижеследующим описанием и прилагаемыми рисунками. На Фиг. 1 схематически изображен предлагаемый флэш элемент памяти ЭППЗУ, где 1 - полупроводниковая подложка, 2 - исток, 3 - сток, 4 - первый туннельный слой, 5 - второй (дополнительный) туннельный слой, 6 - графен, 7 - блокирующий слой, 8 - затвор.

Достижение указанного технического результата обеспечивается следующим образом.

В отношении емкостной связи между элементами ЭППЗУ необходимо отметить следующее. В известных технических решениях запоминающий слой в виде проводящего слоя (плавающий затвор из поликремния) одного элемента памяти образует паразитную емкость (электрическую емкостную связь) с запоминающим слоем в виде проводящего слоя (плавающим затвором из поликремния) другого соседнего элемента памяти, т.е. образуется емкостная связь. Это приводит к тому, что заряд, инжектированный в плавающий затвор, не распределяется равномерно по всему слою, 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. Уменьшение толщины запоминающего слоя уменьшает емкостную связь соседних элементов памяти. В результате масштабирования, сближения соседних элементов памяти, паразитное взаимодействие будет уменьшено. Таким образом, достигается уменьшение емкостной связи между соседними флэш элементами памяти.

В отношении окна памяти необходимо отметить следующее. 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). На Фиг. 2 изображена энергетическая диаграмма элемент памяти ЭППЗУ без приложенного напряжения (вверху), при положительном "запись" и отрицательном "стирание" потенциалах на поликремнии (poly-Si). В качестве первого туннельного слоя используется SiO₂ в качестве второго (дополнительного) туннельного и блокирующего оксидов используются HfO₂, в качестве запоминающего слоя используется графен (grafen). Выполнение запоминающего слоя в виде графена приводит к уменьшению падения напряжения на нем практически до нуля (см. Фиг. 2). 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) (Фиг. 2) и, следовательно, увеличению инжектированного заряда в запоминающий слой из графена и соответственно увеличению окна памяти.

В предлагаемом флэш элементе памяти появляется возможность уменьшить толщину туннельного SiO₂ до 1,5÷4,0 нм, за счет применения графена. Через тонкий слой SiO₂ появляется возможность инжектировать в запоминающий слой, выполненный из графена как электроны, так и дырки, что также обеспечивает увеличение окна памяти.

Время хранение информации заряда в графене определяется величиной работы выхода для электронов в этом материале, 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 слоя. С другой стороны, время хранения определяется величиной энергетического барьера на границе (проводящий слой)/(диэлектрик с высоким значением диэлектрической проницаемости), который должен иметь достаточную высоту. Использование графена с большой работой выхода для электронов позволяет уменьшить толщину второго туннельного и блокирующего слоев. Выполнение проводящего слоя 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 графеном в качестве запоминающего слоя позволяет существенно увеличить время хранения заряда (до 10-12 лет) при температуре 300 К.

В отношении снижения напряжения импульса записи/стирания необходимо отметить следующее.

В предлагаемом 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, что бы 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 слоя. Материал проводящего слоя должен быть выбран с шириной запрещенной зоны, как можно меньшей, для чего идеально подходит графен. Отсутствие запрещенной зоны у графена 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 слой)/(диэлектрик с высоким значением диэлектрической проницаемости) должна быть достаточной, что бы препятствовать паразитной инжекции заряда из графена через блокирующий слой (7) в затвор (8) в режиме записи/стирания и предотвратить стекание заряда из слоя в режиме хранения. Выполнение запоминающего слоя из графена, 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.

В отношении уменьшения времени записи/стирания информации необходимо отметить следующее.

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 графена (6) 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).

На Фиг. 3 изображены характеристики записи стирания (напряжение плоских зон U_FB в зависимости от времени) элемент памяти ЭППЗУ при положительном "запись" и отрицательном "стирание" потенциалах на поликремнии. На Фиг. 4 изображены характеристики время хранения информации (зависимость U_FB от времени при нулевом потенциале на поликремнии) элемент памяти ЭППЗУ. Расчеты выполнены при следующих параметрах: толщины диэлектриков HfO₂ 5.0 нм, SiO₂ 1.5 нм, диэлектрические проницаемости HfO₂ 40, SiO₂ 3.8, напряжение записи 11 В, стирания 11 В, температура 300 K. Время записи/стирания флэш элемента памяти (Фиг. 3) 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 (Фиг. 2). Уменьшение падение на запоминающем слое в результате выполнения его в виде графена уменьшает 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 сокращены 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 слоев значительно превышает эту величину. Значение диэлектрической проницаемости материала дополнительного туннельного и блокирующего слоев также выбираются 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.

Следует отметить, что туннельный слой может быть выполнен достаточно тонким за счет больших величин диэлектрической проницаемости проводящих слоев, 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.

Таким образом, предлагаемый флэш элемент памяти ЭППЗУ содержит полупроводниковую подложку (1) исток (2), сток (3), первый туннельный слой (4), второй, дополнительный туннельный слой (5), графен (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 графене (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 проводящем слое (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 проводящего слоя (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.

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 проводящего слоя в затвор (8), которая приводит к уменьшению заряда, накопленного в проводящем слое (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 проводящем слое (6).

Для обеспечения хранения заряда (рис. 4), например, в течение 10 лет при температуре 300 К толщины второго (дополнительного) туннельного слоя (5) и блокирующего слоя (7) должны быть примерно одинаковыми.

Затвор (8) выполняют из поликремния (poly-Si), 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. Фиг. 2) относительно подложки (1), например, р-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 графен (6) и последующий захват электронов в нем. Захват электронов в графене приводит к накоплению отрицательного заряда (Фиг. 3) 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 (Фиг. 2). При этом в графене (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 графене и в них накапливается положительный заряд. Наличие положительного заряда в запоминающем слое, выполненном в виде графена (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 графена, 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 (Фиг. 2), 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 тоже время большая работа выхода у графена и достаточно толстые второй туннельный и блокирующий слои предотвращают стекание заряда из запоминающего слоя в режиме «хранения» (Фиг. 3). 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 запоминающий слой (6).

Флэш элемент памяти электрически перепрограммируемого постоянного запоминающего устройства предназначен для хранения информации при отключенном питании. На полупроводниковой подложке с истоком и стоком между последними 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 графена. В результате обеспечивается увеличение времени хранение заряда, увеличение окна памяти до 7 В, возможность инжекции положительного и отрицательного заряда, снижение времени записи/стирания информации, увеличение времени хранения информации до 12 лет. 5 з.п. ф-лы, 4 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 со значением диэлектрической проницаемости, превосходящим диэлектрическую проницаемость материала туннельного слоя, а запоминающий слой выполнен из графена.

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, 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.