ЭЛЕМЕНТ ПАМЯТИ ДЛЯ ПОСТОЯННОГО ЗАПОМИНАЮЩЕГО УСТРОЙСТВА Советский патент 1997 года по МПК G11C11/40 

Изобретение относится к области вычислительной техники и может быть использовано в электрически репрограммируемых постоянных запоминающих устройствах (РПЗУ), сохраняющих информацию при отключении источника питания, нашедших широкое применение в блоках памяти вычислительных машин, в устройствах автоматики и микропроцессорах.

Известен элемент памяти для постоянного запоминающего устройства [1] содержащий подложку первого типа проводимости, в приповерхностном слое которой расположены диффузионные области стока и истока, на поверхности подложки расположены последовательно туннельно толстый слой окисла кремния, слой нитрида кремния и затвор из металла (алюминия). Запись осуществляется инжекцией электронов при напряжении на затворе V_G>0. С целью получения возможности стирания при напряжении V_G<0, увеличение способности окисла инжектировать дырки на границу окисел кремний нитрид кремния достигается легированием неактивными металлами (типа вольфрама, молибдена и т.д.). Однако характеристики такого элемента памяти очень критичны к концентрации неактивного металла. Малое его количество не обеспечивает инжекцию дырок в нитрид кремния; большая величина приводит к электрическому контакту между зернами металла и стеканию заряда через поры в окисле кремния.

Наиболее близким техническим решением к данному изобретению является элемент памяти [2] содержащий полупроводниковую подложку первого типа проводимости, в приповерхностном слое которой расположены диффузионные области второго типа проводимости, образующие сток и исток, над которыми размещен первый диэлектрический слой, выполненный, например, из окисла кремния толщиной 40 100 , над первым диэлектрическим слоем размещен второй диэлектрический слой, выполненный, например, из нитрида кремния толщиной 200 500 , и металлический затвор.

Недостатком этого элемента памяти являются невысокие надежность и быстродействие при стирании информации, так как при получении достаточно большого времени хранения информации за счет увеличения энергии ловушек, проводимость нитрида кремния может оказаться так мала, что практически невозможно произвести стирание заряда.

Этого недостаточно для современных РПЗУ. Кроме того, при непрерывном считывании информации из-за большого поля считывания (которое связано, в частности, с внешними приложенными к затвору напряжением считывания) (время непрерывного считывания также удается получить около 30 100 ч. Невелика также и стойкость к переключениям у данного элемента памяти. Поскольку заряд электронов по мере циклирования (записи-стирания) протекает через окисел кремния и нитрид кремния по одной зоне проводимости, то происходит неравновесная заселенность глубоких центров в нитриде кремния, которая приводит к необратимому возрастанию порогового напряжения к ухудшению функциональных свойств элементов памяти.

Целью изобретения является повышение быстродействия при стирании информации и надежности элемента памяти.

Указанная цель достигается тем, что предлагаемый элемент памяти содержит третий диэлектрический слой, выполненный, например, из окисла кремния толщиной 10 30 , и расположенный между проводящим электродом и вторым диэлектрическим слоем.

Предлагаемый элемент памяти показан на чертеже.

Он содержит полупроводниковую подложку первого типа проводимости 1, диффузионные области второго типа проводимости 2 и 3, первый диэлектрический слой 4 из окисла кремния, второй диэлектрический слой 5 из нитрида кремния, третий диэлектрический слой 6 из окисла кремния, проводящий электрод 7.

Элемент памяти функционирует следующим образом.

Запись информации осуществляется при подаче на проводящий электрод 7 положительного напряжения такой величины, что во втором диэлектрическом слое 5 достигаются поля 5 8 МВ/см, а в первом диэлектрическом слое 4 соответственно около 10 16 МВ/см; электронный ток туннельной инжекции через первый диэлектрический слой 4 толщиной 50 100 много больше, чем ток через второй диэлектрический слой 5 или дырочный ток туннельной инжекции через третий диэлектрический слой 6. Во втором диэлектрическом слое 5 накапливается суммарный отрицательный заряд, что соответствует сдвигу порогового напряжения МНОП-элемента памяти. Приведенные значения характерны для элемента памяти МДП-типа.

При стирании информации на проводящий электрод 7 подается положительное напряжение такой величины, чтобы поля во втором диэлектрическом слое 5 и в первом диэлектрическом слое 4 достигали величины примерно в 1,5 2,5 раза меньше, чем при записи. При этом туннельный ток через первый диэлектрический слой 4 много меньше тока второго диэлектрического слоя 5, и много меньше тока туннельной инжекции дырок через третий диэлектрический слой 6. Дырки переносятся в поле, в область, где локализован заряд электронов, рекомбинируют с электронами, а также частично компенсируют заряд электронов зарядом захваченных дырок. Пороговое напряжение изменяется в противоположную сторону, чем при записи заряда. По существу, в основе работы элемента памяти лежит принцип "встречного включения" двух МНОП-элементов памяти. В МНОП-элементах памяти аналогах основные физические процессы протекают в области из трех слоев: нитрид кремния окисел кремния. Причем каждый слой играет свою роль: полупроводник поставляет в диэлектрик носители заряда (эту роль могут выполнять и проводники из металлов) за счет того, что ε_N≈ 2•ε_ох где ε_N и ε_ох
диэлектрические проницаемости нитрида кремния и окисла кремния, после в окисле в 2 раза больше и через него инжектируются по механизму туннелирования заряд в нитрид кремния, нитрид является запоминающей средой. Металл в МНОП-структуре необходим для подачи напряжения на диэлектрики, эту функцию могут выполнять и полупроводники. В представленном элементе памяти имеется два НОП-элемента: нитрид кремния окись кремния полупроводник (металл). Один состоит из полупроводниковой подложки 1 и слоев окисла кремния 4 и нитрида кремния 5; второй состоит из металлического затвора, окисла кремния 6 и нитрида кремния 5. Первый НОП-элемент служит для записи информации, второй для стирания. Их "встречное" включение с использованием общей среды для хранения заряда нитрида кремния 5 позволяет создать НОП-структуру, которая является элементом памяти.

При больших толщинах окисла кремния 4 проводимость его за счет туннелирования дырок практически равна нулю. В силу соотношения величин потенциальных барьеров, равного приблизительно 1,5 2, толщины хорошо проводящих слоев окисла кремния 4 для дырок и электронов отличаются приблизительно в 2 4 раза. Если толщину второго окисла кремния 6 сделать больше, то инжекция дырок будет затруднена и элемент памяти не будет функционировать. Если толщина первого окисла кремния 4 будет больше чем в четыре раза толщины второго, будет ослаблена инжекция электронов и сдвиг порогового напряжения будет мал, что ухудшит помехоустойчивость в работе схем обрамления БИС. Если толщина первого окисла кремния 4 будет меньше чем в два раза, то начнет проявляться механизм растекания заряда за счет туннелирования в кремний, и это не даст возможности получить большое время хранения. Большое время хранения заряда и непрерывного считывания достигается тем, что поскольку нет необходимости переносить заряд по зоне проводимости при стирании, можно использовать нитрид кремния 5, имеющий большую (до 2 эВ) энергию ловушек. Таким свойством обладает, например, нитрид кремния, полученный аммонолизом моносилана в потоке водорода (для прототипа, чтобы обеспечить время стирания 100 с используется нитрид кремния, полученный аммонолизом моносилана в реакторе пониженного давления который дает величину энергии ловушек около 1,5 эВ). Энергия ловушек 2 эВ позволяет получить время хранения более 10 лет и время непрерывного считывания более 1 года.

Скорость стирания в данном элементе памяти зависит не от глубины ловушек для электронов, а от туннельной прозрачности барьера для дырок на границе нитрида кремния проводящий электрод и проводимости нитрида кремния по валентной зоне. Туннельная прозрачность барьера нитрид кремния алюминий из-за высоты барьера для дырок около 3 эВ практически равна нулю. Введение подслоя туннельно-тонкого окисла кремния 6 с толщиной 10 30 позволяет получить хорошую инжекцию дырок в нитрид кремния и стирание электронного заряда. При этом для типичных энергий ловушек для дырок в нитриде кремния около 1,5 эВ время стирания можно получить менее 100 мс.

Достоинством предлагаемого элемента памяти является достаточно высокая стойкость его к деградации при сохранении им свойства монополярного напряжения перепрограммирования. Это связано с тем, что как указывалось, в прототипе функционирование ячейки памяти основано на переносе заряда электронов при записи и стирании по одной зоне (проводимости) и в одном направлении, т.е. и при записи и при стирании работают одни и те же элементы конструкции, поэтому они сильнее подвержены деградации. В предлагаемой конструкции при записи идет инжекция электронов через первый окисел кремния. Благодаря такому разделению "обязанностей" между элементами конструкции ее деградационная стойкость возрастает.

Имеется возможность улучшить характеристики быстродействия при стирании. Для этого необходимо дальнейшее увеличение проводимости (туннельной прозрачности) контакта со стороны затвора (полевого электрода) для дырок. Применение золота в качестве затвора позволяет уменьшить высоту барьера для дырок на 1 эВ, что позволит получить уменьшение напряжения стирания или сокращение времени стирания. Можно использовать менее дорогостоящий материал в качестве затвора поликристаллический кремний p-типа, который также имеет высоту барьера для дырок на 1,1 эВ меньше, чем у алюминия, и более эффективно инжектирует дырки в нитрид кремния. Для повышения помехоустойчивости работы схем обрамления матрицы элементов памяти часто бывает необходимо увеличить петлю гистерезиса (разность пороговых напряжений лог. "0" лог. "1"), это можно достичь использованием в предлагаемой конструкции подлегирования границы раздела неактивными металлами.

В качестве базового аналога следует рассмотреть серийно выпускаемые микросхемы БИС РПЗУ на 2 кбит с элементом памяти на основе МНОП-структуры К558РЕI, достигнутое время хранения у которых около 3 т.ч. час и время непрерывного считывания около 30 ч. Применение предлагаемого элемента памяти в подобном типе БИС позволит увеличить надежность в части увеличения времени хранения и непрерывного считывания до 10 лет и 1 года соответственно. При этом упростится технология их изготовления, в частности из-за предлагаемого монополярного программирования не будет необходимости делать изолированный карман для матричного накопителя БИС РПЗУ.

Элемент памяти для постоянного запоминающего устройства, содержащий полупроводниковую подложку первого типа проводимости, в приповерхностном слое которой расположены диффузионные области второго типа проводимости, образующие сток и исток, над которыми размещен первый диэлектрический слой, выполненный, например, из окисла кремния толщиной 40 - 100 над первым диэлектрическим слоем размещен второй диэлектрический слой, выполненный, например, из нитрида кремния толщиной 200 - 500 и проводящий электрод, отличающийся тем, что, с целью повышения быстродействия при стирании информации и надежности элемента, он содержит третий диэлектрический слой, выполненный, например, из окиси кремния толщиной 10 - 30 и расположенный между проводящим электродом и вторым диэлектрическим слоем.

Элемент памяти для постоянного запоминающего устройства, содержащий полупроводниковую подложку первого типа проводимости, в приповерхностном слое которой расположены диффузионные области второго типа проводимости, образующие сток и исток, над которыми размещен первый диэлектрический слой, выполненный, например, из окисла кремния толщиной 40 100 над первым диэлектрическим слоем размещен второй диэлектрический слой, выполненный, например, из нитрида кремния толщиной 200 500 и проводящий электрод, отличающийся тем, что, с целью повышения быстродействия при стирании информации и надежности элемента, он содержит третий диэлектрический слой, выполненный, например, из окиси кремния толщиной 10 30 и расположенный между проводящим электродом и вторым диэлектрическим слоем.