Способ записи информации в запоминающий элемент на МДП-структурах Советский патент 1992 года по МПК G11C7/00 

Изобретение относится к области вычислительной техники и может быть использовано при изготовлении запоминающих устройств на основе транзисторов или емкостей типа НДП (мёталл-диэлектрик-полупроводник) с двухслойным диэлектриком, в частности МНОП-типа (металл-нитрид кремнияокись кренния-полупрбводник).

Известен способ записи информации в запоминающий элемент, который заключается в подаче напряжения, которое создает поле в нитриде кремния k 6 мВ/см, а в окисле кремния - 8 12 мВ/см. При таких полях туннельный ток в окиси кремния значительно больше тока термополевой эмиссии в нитриде кремния, происходит захват электронов на кулоновских ловушках в нитриде кремния. Ловушкой в диэлектрике называется дефект, имею1чий энергию для эгйктрона на 1-2 эВ меньше энергии эткгктрона в зоне проводимости; при

этом, если незанятая электроном ловушка заряжена положительно, то такой центр захвата будет кугюновским

см2 и иметь

с сечением захвата 10

эффект Френкеля - понижение энергии активации захваченного электрона во внешнем поле.

Накопленный заряд изменяет поверхностный потенциал полупроводника и тем самым отражает записайную информацию в элементе памяти. Суть физиЮ

XI ческого процесса программирования заключается в пропускании через диоэлектрики определенного заряда величиной 10 Кл/см2 и менее. При этом в силу относительно большого сечения захвата кулоновских ловушек, эффективность захвата заряда ими велика и почти весь протекающий заряд накапливается на них,

По окончании записи заряд, распределенный по объему нитрида кремния, начинает растекаться в сторону

полевого электрода и частично - .в | сторону кремния - записанная информация разрушается. Наличие собственного поля Е накопленного заряда уменьшает энергию активации Е растекания электронов (разрушения информации)

а- И,.

(.1)

где Р ,- глубина ловушки,

/2 - постоянная Пула-Френкеля, При считывании информации на полевой электрод элемента памяти подается, напряжение считывания С g, дополнительное к собственному Е;, Это прийодит к уменьшению энергии активации

.

увеличению скорости разрушения информации в 50-150 раз, нто является недостатком, т.к. приводит к снижению . надежности устройств, использующих такие -элементы памяти. С ростом температУ|А( скорость разруше 1ил информации экспоненциально возрастает.

Наиболее близким, по технической суьцности к данному изобретению являет ей способ записи информации увеличиваюУ ий Е5ремя хранения информации, основанный на подаче напряжения на диэлектрик и пропускании заряда при предварительном подогреве запоминай inero элемента до 120-200 С, Этот способ эффективен при использовании МНОП-структур с туннельно-тпнким окис лоМ кремния (порядка А) f пос КОЛЬКУ растекание заряда в них происходит в сторону кремнияе,Подогрев структуры при Записи приводит, к томУэ что инжектированный и протекший чв рез МНОП-структуру заряд, распределяется глубже в нитрид кремния ,, дальше от границы с окислом кремния и кремния. Величина npoTefouero заряда практически не изменяется, однако за. ряд, захваченный дальше от окисла кремния и подложки хранится более продолжителвное время, так при растекании он переносится к границе окисел кремния - нитрид кремния из глуЬины пленки нитрида кремния и перезахватывается на ловушках большее число раз, чем, если бы он был распотюжен бли)йе к.границе окисел крем ния-нитрид крения. Последнее обстоятельство приводит к- увеличению време-ни -хранения информации.

Но этот способ практически трудно

реализовать, так как подогрев матричного накопителя из МНОП-транзистора приводит к понижению помехоустойчивости в режиме программирования, изза уменьшения крутизны МДП-транзис0 торов обрамления, увеличения.утечек р-п-переходов с ростом температуры на порядков величины и др. причин. В случае МДП-элемента с туннельно-5олстым окислом к-ремния (более

5 3f А) такой способ увеличивает ско рость разрушения информации, вследствие того, что при подогреве структуры во время записи заряд записывается дальше от кремниевом подложки.

) Поскольку растекание заряда в таких структурах происходит по направлению к полевому электроду, то и время хранения его уменьшится при,повышении температуры, при которой происходит 5 запись. Это является недостатком известного способа записи информации в запоминающий элемент на МЛП Транзисторах.

Целью изобретения является повы30 шение надежности записи за счет увеличения времени хранения записанной инфс)рмации.

Цель достигается тем, что в споеобе записи информации в запоминаю„ щий элемент на МДП-структурах., основанном на инжекции основного заряда путем подачи напряжения на диэлектрик МДП-транзистора, осуществляют дополнительную инжекцию заряда, путем .0 подачи напряжения на диэлектрик МДПтранзистора, создающего заряд 10 1 к/см 5. превышающий основной заряд в 100-1000 раз.

В основе предлагаемого способа

записи летит ранее не известное свойство лoвiшeк в диэлектрике типа нитрида кремния захватывать два носите™ ля заряда на одну ловушку. Это подтверждает предположение., что ловушки в нитриде кремния имеют природу УАР-центров (валентно-переменная пара). При этом в диэлектрике, используемом .как запоминающая среда (диэлектрик с ловушками), становятся активными нейтральные ловушки, которые также способны захватывать заряд. Нейтральной ловушкой для электронов называется незаряженный в исходном состоянии дефект в диэлектрике, имещий энергию для электрона на 1-2 эВ и меньше, чем энергия эгектрона в проводимости. Такая ловушка не имеет эффекта Френкеля т.е. энерт гия активаци(1 заряда с нее не зависит от внешнего поля и равна ;энергии ловушки. После захеатэ электрона нейтральная ловушка становится отрицательно заряженной (для дырок аналогично)о Поскольку сечение захвата нейтральных ловушек на 2-3 порядка (в 100-1000 раз) меньше, чем у кулоновских ловушек, то и эффективность захвата заряда ими также меньше. Поэтому необходимо пропустить через диэлектрик заряд на 2-3 порядка больше чтобы получить достаточно большой (соответствуюичий, например, сдвигу пороговых напряжений МДП-транзиСтора около 3-6 В) заряд, накопленный на нейтральных центрах-ловушках.

Для получения возможности пропускания через диэгюктрик заряда более - VO-2 Кл/см2, можно, например, подать напряжение на затвор МДП-транзистора такое, чтобы напряженность поля в нитриде кремния была в 1,3-2 раза больше, чем при известном способе записи. При этом ток через МДП- . транзистор возрастает в 10-100 раз и за время 0,1-30 с можно реализовать условия когда протечет необходимый заряд. При этом если протекший заряд будет меньше 10 Кл/см (т.е. в 100. раз меньше основного заряда), то доля дополнительного заряда (на нейтральных ловушках, которые захватили заряд) будет мала по сравнению с об04им накопленным зарядом и цель не будет достигнута. Если протекший заряд будет больше чем 10-2 Кл/см (в TOGO раз больше первоначального заряда), то процесс накопления заря-, да на нейтральных ловушка-х выйдет на насыщение, а в диэлектрике начнут проходить нежелательны.е явления деградации свойств материалов элемента памяти запоминающей среды . нитрида кремния и инжектирующего слоя окиси кремния.

На фиг.1 приведен график изменения порогового напряжения; на фиг.2 график хранения заряда.

Пример осуществления способа. Работа проводилась на МНОП-структуре, выполненной на полупроводниковой подложке с нанесенными на нее последова тельнр слоями двуокиси кремния (50 А нитрида кремния 380 А и алоииния..

До записи информационного заряда состояние логического О, соответствующее пороговому напряжению транзистора, равно , В. После того, как произошла инжекция заряда и }0 захват его на кулоновские ловушки (для этого к диэлектрику прикладывали положительное напряжение 23 В в течение 5 мс), через диэлектрик пропускают заряд в 100-1000 раз превышающий основной заряд.

15

На фиГо1 приведен график изменения порогового напряжения (ось ординат) в МНОП-структуре (от време ни - ось абсцисс). На участке з;

20 (программирование в режиме l) происходит известный процесс накопления заряда на кулоновских ловушках.Как правило, далее по времени исследования не проводились, считалось, что

25 участок насыщения II свидетельствует о конце переходных процессов поляризации (накопление заряда) МНОПструктуры. Однако эксперименты показали, что имеется участок III (запись в режиме III) накопления заряда на нейтральных ловушках.

На фиг.2 приведен график хранения заряда. Без внешнего поля в известно режиме 1а, в предлагаемом 2а. С внеш35 ним полем в известном режиме 16, в предлагаемом 26. Виден существенный выигрыш от предлагаемого способа записи с увеличением тока, протекающего через диэлектрик, указанную ве4D личину протекшего заряда можно достичь раньше по времени. Это позволяет уменьшить время записи. Например, при применении подсветки поверхности кремния во время записи 45 можно существенно увеличить протекающий через МДП-структуру ток, и существенно (до единиц милисекунд) сократить время записи.

В таблице приведены результаты 50 сравнения времени хранения информации по предлагаемому способу записи и известному способу записи в элемент памяти К558РР-1. Время хранения.увеличивается при температуре в 55300 раз, а при температуре в 120 раз.

СПОСОБ ЗАПИСИ ИНФОРМАЦИИ В ЗАПОМИИА1а и1Й ЭЛЕМЕНТ НА МДП-СТРУКЛШЩ. БИ6ЛИОТЕКД ТУРАХ, основанный на инжекции основного йаряда путем подачи напряжения на диэлектрик МДП-транзистора, о тл ич а ю щи йс я тем, что, с целью повышения надежности записи за счет увеличения времени хранения записанной информации, осу1чествляют дополнительную инжекцию заряда путем подачи напряжения на диэлектрик МДПтранзистора, создающего заряд Ю-з Кл/см, превышающий основной заряд в 100-1000 раз.