ЭЛЕМЕНТ ПАМЯТИ Советский патент 1997 года по МПК G11C17/00 

Изобретение относится к области вычислительной техники, в частности к элементам памяти постоянных запоминающих устройств, сохраняющих информацию при отключенном источнике питания, и может быть использовано в блоках памяти вычислительных машин.

Известны элементы памяти на основе п-канальных МПД (металл-диэлектрик-полупроводник) транзисторов с плавающим затвором [1] в которых накопление отрицательного заряда в плавающем затворе осуществляются за счет инжекции горячих электродов из кремниевой подложки. Элементы памяти этого типа содержат кремниевую подложку первого типа проводимости, в поверхностной области которой расположены области истока и стока второго типа проводимости. На поверхности подложки расположены диэлектрический слой двуокиси кремния (SiO₂) толщиной 500 1000 . Поверх двуокиси кремния расположен поликремниевый электрически изолированный "плавающий затвор" перекрывающий область истока и стока. Поверх "плавающего затвора" расположен слой SiO₂ толщиной 1000 , на SiO₂ лежит управляющий поликремниевый затвор.

Запись единичной информации в таком элементе (логический "0" или "1") осуществляется при подаче на сток напряжения (приблизительно +15 В), вызывающего разогрев электронов в канале либо инжекцию электронов из лавинной плазмы стокового p-n-перехода. Горячие электроны, имеющие температуру 5000 К, инжектируются через потенциальный барьер (3 эВ) на границе кремний двуокись кремния в плавающий затвор и захватываются в последнем. Стирание информации в таком элементе осуществляется облучением ультрафиолетовым светом.

Недостатком таких элементов является большая амплитуда программирующих импульсов.

Известен элемент памяти с пониженной амплитудой программирующих импульсов. Понижение напряжения осуществляется путем замены двуокиси кремния на нитрид кремния. Меньшее значение (2 эВ) потенциального барьера на границе кремний нитрид кремния обеспечивает более высокий уровень инжекции и, следовательно, при неизменной длительности импульса меньшее напряжение программирования [2]
Конструктивно такой элемент отличается от описанного только тем, что вместо двуокиси кремния использует тонкие слои нитрида кремния (100 ).

Одним из недостатков этого элемента памяти является невозможность получить нитридный слой толщиной больше 100 , а при малых толщинах слои нитрида кремния являются дефектными, что приводит к низкой надежности схем памяти.

Другим недостатком известного элемента памяти является низкое быстродействие в режиме программирования (приблизительно 10^-3с).

Целью настоящего изобретения является повышение быстродействия элемента памяти.

Поставленная цель достигается тем, что в элементе памяти, содержащем полупроводниковую подложку первого типа проводимости, в приповерхностном слое которой расположены истоковые и стоковые полупроводниковые области второго типа проводимости, на поверхности полупроводниковой подложки первого типа проводимости расположены последовательно слои первого диэлектрика, плавающего затвора, второго диэлектрика и управляющего затвора, слой первого диэлектрика выполнен из Si_xGe_(1-x)O₂ с переменным по толщине составом, где x 0,23 + 3,7•10^-3•Z, расстояние от границы раздела полупроводниковая подложка первого типа проводимости слой диэлектрика из Si_xGe_(1-x)O₂.

На фиг. 1, 2 и 3 изображены диаграммы потенциальных барьеров в статическом состоянии, при приложении отрицательного потенциала к подложке и при хранении заряда на плавающем затворе соответственно.

На фиг. 4 изображена структура элемента памяти.

Элемент памяти содержит подложку 1, область истока 2, область стока 3, "плавающий" затвор 4, диэлектрик переменного состава 5, диэлектрик постоянного состава 6, управляющий затвор 7.

В статическом состоянии потенциальный барьер Φ (Z) возрастает от значения F_o на границе кремний диэлектрик до значения Φ₁ на границе диэлектрик плавающий затвор (см. фиг. 1).

Потенциальный барьер переменной конфигурации Φ (Z) обусловлен изменением состава диэлектрика в направлении Z.

При приложении отрицательного потенциала к подложке полный потенциальный барьер имеет максимум (фиг. 2), здесь среднее поле в диэлектрике.

Положение максимума потенциала Z_o находится из условия обращения в нуль первой производной от потенциала
.

Значение потенциального барьера в точке Z_o при заданном среднем поле E определяется величиной Z_o. Вероятность P₁ преодоления такого барьера горячим электроном составляет

Здесь T_e 5000 K температура горячих электронов, K постоянная Больцмана.

Состав приконтактного слоя диэлектрика, через который осуществляется инжекция, подбирается таким образом, чтобы функция, описывающая конфигурацию барьера Φ (Z), обеспечила при заданной амплитуде V программирующего импульса (d полная толщина диэлектрика) минимальное значение потенциала в точке, соответствующей максимуму барьера. Оптимизация функции Φ (Z) следует из решения уравнения (1).

В режиме хранения заряда (фиг. 3) потенциальный барьер для стекания заряда из плавающего затвора в направлении подложки соответствует выражению:

где
T температура решетки (300 K).

Таким образом, барьер предлагаемой конфигурации обеспечивает высокий уровень инжекции при записи за счет того, что барьер достаточно мал, и большое время хранения информации благодаря тому, что значение барьера Ф₁ достаточно велико.

На кремниевой подложке p-типа (фиг.4) ориентации 100 с помощью диффузии фосфора формируются области истока и стока. Поверх подложки наращивается аморфный слой Si_x>Ge_(i-x)O₂ толщиной 200 . При изменении x в диапазоне от 0 до 1 потенциальный барьер для электронов на границе Si-Si_xGe_(i-x)O₂ изменяется от 0,4 до 3 эВ.

Состав Si_xGe_(i-x)O₂ меняется от подложки таким образом, что потенциальный барьер Ф(Z) изменяется по линейному закону
Φ(Z) = Φ_o+C•Z
здесь Φ_o 1 эВ,


Поверх Si_xGe_(i-x)O₂ наносится слой кремния толщиной 100 далее слой SiO₂ толщиной 100 и управляющий кремниевый затвор.

При подаче на сток отрицательного потенциала амплитудой 10 B в области вблизи стока между подложкой и плавающим затвором напряженность электрического поля составляет
.

Поверхностная плотность электронов в канале транзистора при этом составляет N_S=5•10¹² эл/см². Плотность тока j_u инжекции электронов из подложки в плавающий затвор составит:

где ν ≃ 10¹⁴c^-1 частотный фактор электрона,
тогда при Φ_o1 эВ, KT_e=5000 K значение j_u составит
.

Для обеспечения сдвига порогового напряжения ΔV_{пор. =}5 B транзистора необходимо, чтобы в плавающем затворе накопился заряд
,
где d толщина слоя диэлектрика переменного состава (200 ),
ε_и диэлектрическая проницаемость диэлектрика,
ε_o= 8,85•10^-14 Ф/см².
Подставляя в (3) численные значения, получаем Q ≃ 4•10^-7 К/см². Для накопления такого заряда длительность программирующего импульса составит

Таким образом, предлагаемый элемент памяти при амплитуде программирования импульса 10 B обеспечивает большое время хранения информации.

Кроме того, использование достаточно толстого по сравнению с прототипом слоя диэлектрика (толщиной 200 ) повышает надежности схем памяти.

Элемент памяти имеет следующие технико-экономические данные:
1. Обладает высоким быстродействием в режиме программирования информации (не хуже 10^-10; для базового объекта -10^-3c).

2. Позволят повысить надежность схемы памяти за счет возможности увеличения толщины слоя диэлектрика, разделяющего подложку и плавающий затвор.

Элемент памяти, содержащий полупроводниковую подложку первого типа проводимости, в приповерхностном слое которой расположены истоковые и стоковые полупроводниковые области второго типа проводимости, на поверхности полупроводниковой подложки первого типа проводимости расположены последовательно слои первого диэлектрика, плавающего затвора, второго диэлектрика и управляющего затвора соответственно, отличающийся тем, что, с целью повышения быстродействия элемента памяти, в нем слой первого диэлектрика выполнен из Si_xGe_(1-x)O₂ с переменным по толщине составом, где x = 0,23 + 3,7 •10^- 3•Z; расстояние от границы раздела полупроводниковая подложка первого типа проводимости - слой диэлектрика из Si_xGe_(1-x)O₂.

Элемент памяти, содержащий полупроводниковую подложку первого типа проводимости, в приповерхностном слое которой расположены истоковые и стоковые полупроводниковые области второго типа проводимости, на поверхности полупроводниковой подложки первого типа проводимости расположены последовательно слои первого диэлектрика, плавающего затвора, второго диэлектрика и управляющего затвора соответственно, отличающийся тем, что, с целью повышения быстродействия элемента памяти, в нем слой первого диэлектрика выполнен из Si_xGe_(1-x)O₂ с переменным по толщине составом, где x 0,23 + 3,7 •10^- 3•z; расстояние от границы раздела полупроводниковая подложка первого типа проводимости слой диэлектрика из Si_xGe_(1-x)O₂.