ЭЛЕМЕНТ ПАМЯТИ Советский патент 1996 года по МПК H01L27/11 

Изобретение относится к области микроэлектроники, в частности к элементам памяти.

Известна структура металл-нитрид кремния арсенид галлия, в которой существуют эффекты памяти, обусловленные долговременным гистерезисным явлением. При этом захват и хранение заряда осуществляются слоем нитрида кремния с локализацией захваченного заряда вблизи границы раздела изолятор-полупроводник.

Однако в указанной структуре существует большая плотность состояний на границе раздела нитрид кремния арсенид галлия (≈10¹² см^-2), что приводит к потере быстродействия в МДП-приборах, использующих данную структуру.

Наиболее близким по технической сущности к изобретению является элемент памяти, содержащий полупроводниковую подложку из арсенида галлия и активный полупроводниковый слой на ней с контактами стока и истока, а также электрод затвора, отделенный от активного слоя изолирующим слоем с захватом заряда.

Недостатком указанного элемента памяти является низкое быстродействие (в частности времена записи составляют несколько секунд), а также большие величины пороговых напряжений записи и стирания (превышающие 30 В), что вызывает трудности при согласовании указанных элементов памяти с ТТЛ-логикой. Низкое быстродействие данного элемента памяти при записи обусловлено ограниченной инжекционной способностью контакта арсенид галлия изолирующий слой, а низкое быстродействие при считывании большой плотностью состояний на границе раздела изолирующего и активного слоев.

Целью изобретения является повышение быстродействия и уменьшение величин пороговых напряжений записи и стирания.

Цель достигается тем, что в элементе памяти, содержащем полупроводниковую подложку из арсенида галлия и активный полупроводниковый слой на ней с контактами стока и истока, а также электрод затвора, отделенный от активного слоя изолирующим слоем с захватом заряда, изолирующий слой расположен между активным слоем и подложкой и выполнен из монокристаллического слоя твердого раствора Ga_1-xAl_xAs(0,1 ≲ X ≲ 0,6) содержащего кислород в количестве 10¹⁷ 5·10¹⁹ см^-3 и германий в количестве 5·10¹⁵ 5·10¹⁷ см^-3, при этом концентрация легирующей примеси в активном слое находится в диапазоне 10¹⁵ 10¹⁷ см^-3, а подложка выполнена из сильнолегированного арсенида галлия.

Для увеличения информационной емкости между подложкой и изолирующем слоем под последним введены по крайней мере один дополнительный активный и дополнительный изолирующий слои, на противоположных концах каждого дополнительного активного слоя сформированы омические контакты, которые изолированы от активных слоев.

Указанные признаки предлагаемого элемента памяти являются существенными и взаимосвязанными. Уменьшение содержания алюминия в изолирующем слое ниже уровня 0,1 приводит к потере способности к длительному энергонезависимому удержанию захваченного в слое заряда (так, например, при Х 0,05 реализуется только динамический режим памяти при Т 100 К время хранения здесь соответствует лишь нескольким секундам). Увеличение содержания алюминия в изолирующем слое твердого раствора выше уровня Х 0,6 приводит к потере неограниченной инжекционной способности контакта арсенида галлия изолирующий слой, связанной, по-видимому, с нарушением структурного совершенства на границе раздела активного и изолирующего слоев (это подтверждается данными электронографических исследований), а также резкой потерей способностей энергонезависимого удержания заряда в слое, что подтверждается данными табл. 1.

Здесь τ_хр время хранения заряда в изолирующем слое (экспериментальные данные получены при температуре 77 К).

Увеличение концентрации вводимых в изолирующий слой кислорода и германия вызывает появление электрических неустойчивостей при процессах записи считывания (см. табл. 2). Уменьшение концентраций вводимых в изолирующий слой кислорода и германия ниже указанных пределов практически невыгодно, так как уменьшается степень модуляции проводимости канала полем встроенного в изолятор заряда.

Здесь N_Ge концентрация германия в изолирующем слое;
I_uc и ΔIмаксuc

Таким образом, таблицы 1 и 2 подтверждают на существенность выбранных диапазонов изменения параметра х и концентраций германия и кислорода.

Выполнение подложки из сильнолегированного материала вызвано тем обстоятельством, что, кроме несущей функции, она выполняет функцию проводящего электрода затвора и, следовательно, должна иметь низкое сопротивление. Исходя из этих требований оптимальный диапазон концентраций легирующей примеси в подложке составляет величину 5·10¹⁷ 5·10¹⁹ см^-3.

Быстродействие процессов записи и считывания объясняется тем, что в элементе памяти контакт, указанный активный слой из арсенида галлия предлагаемый изолятор обладает практически неограниченной инжекционной способностью (в реализованном элементе памяти токи инжекции заряда в изолятор составляют величину 1-2 мА уже при величине напряжения записи равной 4 В и при площади инжектирующего контакта равной 10^-4 см²). Это позволяет понизить время записи до 90-100 нс, т.е. на семь порядков по сравнению с известным устройством. Действительно, в известном устройстве время записи составляет около нескольких секунд. Для модуляции проводимости канала транзистора в нем (при указанной геометрии и степени легирования активного слоя) на 50% необходима локализация заряда в изолирующем слое порядка 10^-11 Кл, т.е. ток зарядки составляет в среднем ≈10^-11 А, что существенно меньше, чем в предлагаемом устройстве. Увеличение быстродействия при записи и считывании зарядов и понижение величин пороговых напряжений записи и считывания подтверждаются данными таблицы 3.

Здесь использованы следующие обозначения:
N_обр номер испытанного образца элемента памяти;
I_uc ток канала транзистора;
U_uc напряжение на исток-стоке;
τ_з длительность импульса записи;
τ_сч длительность импульса считывания;
τ_стир длительность импульса стирания;
τ_хр длительность хранения информативного заряда;
Е_з напряженность поля при записи;
Е_ст напряженность поля при стирании;
Q величина информативного заряда.

Данные табл. 3 получены при температуре 77 К.

Концентрационный диапазон легирования активного слоя определяется следующими обстоятельствами. Снизу диапазон ограничен требованием быстродействия, а сверху незначительностью глубины модуляции проводимости активного слоя от встроенного заряда. Действительно, при концентрации легирующей примеси порядка 10¹⁴ см^-3 удельное сопротивление активного слоя равно 1 Ом·см, что приводит к ограничению быстродействия элемента памяти. При концентрации легирующей примеси равной 10¹⁸ см^-3 глубина модуляции активного слоя составит (при локализации заряда 10^-11 Кл) ≈0,06 мкм, т.е. мала, что вынуждает создавать его субмикронной толщины, а значит, с малыми токами насыщения. Это приводит к ограничению токов записи, а значит, и к увеличению времени записи заряда в изолирующий слой.

Благодаря свойствам контакта арсенид галлия изолирующий слой (близкие энергии сродства и хорошее структурное соответствие) понижаются пороги напряжений записи и стирания даже при более толстых по сравнению с известным устройством изолирующих слоях до уровня 4-5 В, что соответствует уровням напряжений, используемых в ТТЛ.

Предлагаемая нами конструкция элемента памяти имеет два независимых затвора, один из которых выполнен в виде барьера Шоттки, а второй в виде изолирующего затвора, проводящим электродом которого является сильнолегированная подложка, а подзатворным изолятором указанный выше монокристаллический изолирующий слой с захватом заряда. Это позволяет реализовать на предлагаемом элементе полную систему логических функций, что невозможно осуществить в известном устройстве.

Изобретение удовлетворяет критерию существенного отличия, так как заявляемая конструкция, использующая контакт изолятор арсенид галлия, с неограниченной инжекционной способностью, реализующая указанные цели, ранее не применялась.

Для увеличения степени интеграции предложенный элемент памяти дополнен двумя дополнительными слоями, один из которых является активным полупроводниковым слоем из арсенида галлия и граничит с изолирующим слоем, а второй является дополнительным изолирующим слоем с захватом заряда и помещен между подложкой и дополнительным активным слоем; при этом дополнительный активный слой снабжен по концам двумя контактами. Создание заявляемой многослойной конструкции возможно благодаря тому, что изолирующий слой с захватом заряда является монокристаллическим, с параметрами решетки, близкими к арсениду галлия.

На фиг. 1 и фиг. 2 представлены конструкции предлагаемого элемента памяти и обозначены: сильнолегированная подложка из арсенида галлия 1, изолирующий слой с захватом заряда 2, активный слой 3, контакты истока и стока, соответственно 4 и 5, электрод затвора 6, дополнительный активный слой 7, дополнительный изолирующий слой с захватом заряда 8, омические контакты 9, 10 и 11.

Предлагаемый элемент памяти по фиг. 1 работает следующим образом. При записи на подложку, являющуюся проводящим электродом изолированного затвора, подается импульс инжектирующего напряжения, приводящий к инжекции в изолирующий слой с захватом заряда 2 электронов либо дырок (в зависимости от выбранного типа проводимости активного слоя). Это, в свою очередь, приводит к частичному, либо полному обеднению (в зависимости от толщины и степени легирования активного слоя) подзатворной области активного слоя 3. Считывание информации осуществляется либо по току путем подачи опрашивающего импульса по каналу активного слоя между истоком-стоком, либо по изменению порогового напряжения открытия канала активного слоя при наличии постоянного смещения на контактах истока-стока.

Выполнение логических функций осуществляется подачей управляющих импульсов на электроды 6 и 11, например в случае выполнения функции И на электроды 6 и 11 подаются одновременно два импульса ниже пороговых; при этом в случае отсутствия информативного заряда в изолирующем диэлектрике уровень тока в активном слое будет один (условный 0), а в случае присутствия заряда другой (условная 1).

Аналогично выполняются логические функции ИЛИ и НЕ. При этом управляющий импульс подается только на один из электродов 6 и 11.

Работа конструкции, представленной на фиг. 2, происходит аналогичным образом с тем лишь исключением, что для осуществления записи в канале, образованном дополнительным активным слоем 7 и дополнительным изолирующим слоем 8, достаточно подать инжектирующий импульс на любой из омических контактов 9 или 10 относительно подложки 1. Стирание заряда осуществляется подачей обедняющего импульса на электрод затвора 6, превышающего пороговое значение. При записи информативного заряда одновременно в оба изолирующих слоя 2 и 8 необходимо подать положительный относительно подложки и контакта истока активного слоя 3 потенциал на один из омических контактов 9 и 10, превышающий пороговое значение.

При считывании информации подают импульсы напряжений считывания на истоковый 4 и стоковый 5 контакты к активному слою 3 и на омические контакты 9 и 10 к дополнительному активному слою 7, и по уровню токовых импульсов судят о зарядовом состоянии элемента памяти. Для стирания информативного заряда в обоих изолирующих слоях достаточно подать обедняющий потенциал на электрод затвора 6 относительно подложки (минус в случае активного слоя n-типа), превышающий пороговое значение для изолирующего слоя 8.

Для удаления заряда только из слоя 2 достаточно подать обедняющий потенциал на электрод затвора 6, превышающий пороговое значение для изолирующего слоя 2. При этом заряд в дополнительном изолирующем слое 8 сохраняется.

Предельная глубина залегания дополнительного изолирующего слоя определяется пробойным полем и степенью легирования активного слоя, что в случае арсенида галлия и легирования до уровня 10¹⁷ см^-3 соответствует примерно 0,4 мкм.

Для стирания заряда в слое 8 не стирая заряд в слое 2, слой 7 следует брать Р-типа проводимости, что с учетом отличия пороговых напряжений инжекций электронов и дырок позволяет это сделать. Осуществить же стирание заряда в слое 8 без изменения зарядового состояния слоя 2 при однотипных активных слоях невозможно.

Таким образом, предлагаемый элемент памяти позволяет по сравнению с известным устройством существенно повысить быстродействие процессов записи и считывания зарядов приблизительно в 10³ 10⁴ раз, и уменьшить пороговые напряжения записи и считывния ≈ в 2 раза, при этом элемент памяти обладает расширенными функциональными возможностями, позволяя выполнять также логические функции как И, ИЛИ, НЕ.

1. Элемент памяти, содержащий полупроводниковую подложку из арсенида галлия и активный полупроводниковый слой на ней с контактами стока и истока, а также электрод затвора, отделенный от активного слоя изолирующим слоем с захватом заряда, отличающийся тем, что, с целью повышения быстродействия и уменьшения величин пороговых напряжений записи и стирания, изолирующий слой расположен между активным слоем и подложкой и выполнен из монокристаллического слоя твердого раствора Ga_1-xAl_xAs•(0,1 ≲ X ≲ 0,6), содержащего кислород в количестве 10^1 7 - 5 • 10^1 9 см^- 3 и германий в количестве 5 • 10^1 5 - 5 • 10^1 7 см^- 3, при этом концентрация легирующей примеси в активном слое находится в диапазоне 10^1 5 - 10^1 7 см^- 3, а подложка выполнена из сильнолегированного арсенида галлия.

2. Элемент памяти по п. 1, отличающийся тем, что, с целью увеличения информационной емкости между подложкой и изолирующим слоем, под последним введены по крайней мере один дополнительный активный и дополнительный изолирующий слой, а на противоположных концах каждого дополнительного активного слоя сформированы омические контакты, которые изолированы от активных слоев.

1. Элемент памяти, содержащий полупроводниковую подложку из арсенида галлия и активный полупроводниковый слой на ней с контактами стока и истока, а также электрод затвора, отделенный от активного слоя изолирующим слоем с захватом заряда, отличающийся тем, что, с целью повышения быстродействия и уменьшения величин пороговых напряжений записи и стирания, изолирующий слой расположен между активным слоем и подложкой и выполнен из монокристаллического слоя твердого раствора Ga_1-xAl_xAs•(0,1 ≲ X ≲ 0,6), содержащего кислород в количестве 10^1 7 5 • 10^1 9 см^- 3 и германий в количестве 5 • 10^1 5
5 • 10^1 7 см^- 3, при этом концентрация легирующей примеси в активном слое находится в диапазоне 10^1 5 10^1 7 см^- 3, а подложка выполнена из сильнолегированного арсенида галлия. 2. Элемент памяти по п. 1, отличающийся тем, что, с целью увеличения информационной емкости между подложкой и изолирующим слоем, под последним введены по крайней мере один дополнительный активный и дополнительный изолирующий слой, а на противоположных концах каждого дополнительного активного слоя сформированы омические контакты, которые изолированы от активных слоев.