Патент на изобретение №2310929

(54) ФЛЭШ ЭЛЕМЕНТ ПАМЯТИ ЭЛЕКТРИЧЕСКИ ПЕРЕПРОГРАММИРУЕМОГО ПОСТОЯННОГО ЗАПОМИНАЮЩЕГО УСТРОЙСТВА

(57) Реферат:

Изобретение относится к вычислительной технике, в частности к электрически перепрограммируемым постоянным запоминающим устройствам, сохраняющим информацию при отключении питания. Техническим результатом является повышение надежности флэш элемента памяти. Флэш элемент памяти электрически перепрограммируемого постоянного запоминающего устройства содержит полупроводниковую подложку с выполненными в ней на планарной стороне истоком и стоком, туннельный слой, запоминающий слой, блокирующий слой и затвор, блокирующий слой размещен на планарной стороне подложки, запоминающий слой выполнен на блокирующем, туннельный слой выполнен на запоминающем слое, а затвор на туннельном слое, при этом туннельный слой выполнен толщиной, предотвращающей отекание заряда за счет туннелирования носителей заряда через туннельный слой к затвору. Толщина туннельного слоя составляет 1,5÷2,5 нм. Запоминающий слой может быть выполнен из нитрида кремния, обогащенного избыточным кремнием (SiN_x). 4 з.п. ф-лы, 1 ил.

Изобретение относится к электронной технике и, в частности, к вычислительной технике, а именно 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 различных портативных устройствах с функцией запоминания, таких как цифровые видеокамеры и фотоаппараты, плееры, электронные паспорта и карточки (смарт-карты).

Известен флэш элемент памяти электрически перепрограммируемого постоянного запоминающего устройства (S.Minami, К.Ujiie, M.Terasawa, К.Komori, К.Furusawa, Y.Kamigaki “A 3-volt 1 Mbit full-Featured EEPROM Using a Highly-Reliable MONOS Device Technology” IECE Transaction on Electronics, v.E77-C, N.8, p.1260-1269, 1990), содержащий полупроводниковую подложку с выполненными в ней на планарной стороне истоком и стоком, туннельный слой, расположенный на подложке, запоминающий слой, расположенный на туннельном слое, блокирующий слой, расположенный на запоминающем слое, и проводящий затвор, расположенный на блокирующем слое. При этом подложка выполнена из кремния p-типа, туннельный слой выполнен из оксида кремния (SiO₂), запоминающий слой – из нитрида кремния, блокирующий слой – из оксида кремния (SiO₂), проводящий затвор – из поликремния n-типа проводимости. Толщина туннельного слоя составляет 1,8 нм, толщина запоминающего слоя – 14,5 им, толщина блокирующего слоя – 3,0 нм.

Величина окна памяти (разница пороговых напряжений, соответствующих логическим «0» и «1») в приведенном флэш элементе памяти через 10 лет при 85°С составляет 0,8 В.

К недостаткам данного технического решения относится низкая надежность прибора в режиме перепрограммирования из-за деградации границы раздела кремний – оксид кремния, обусловленной инжекцией электронов, и дырок через указанную границу раздела. Перепрограммирование данного флэш элемента памяти ЭППЗУ осуществляется за счет попеременной инжекции в запоминающий слой, выполненный из нитрида кремния, электронов и дырок из кремниевой подложки через границу раздела подложка – туннельный слой.

Другим недостатком является низкий процент выхода годных приборов при производстве флэш элементов памяти ЭППЗУ. Приведенный недостаток обусловлен конструктивным выполнением, приводящим к наличию паразитной инжекции электронов в выполненный из нитрида кремния запоминающий слой из поликремниевого затвора n-типа проводимости.

Наиболее близким техническим решением к заявляемому является флэш элемент памяти электрически перепрограммируемого постоянного запоминающего устройства (М.She, Y.Takeushi, T.S.King, “Silicon Nitride as Tunnel Dielectric for Improved SONOS-Type Flash Memory”, IEEE Electron Device Letters, V.24, N.5, p.309-311, 2003), содержащий полупроводниковую подложку с выполненными в ней на планарной стороне истоком и стоком, туннельный слой, расположенный на подложке, запоминающий слой, расположенный на туннельном слое, блокирующий слой, расположенный на запоминающем слое, и проводящий затвор, расположенный на блокирующем слое. При этом подложка выполнена из кремния p-типа, туннельный слой выполнен из нитрида кремния, запоминающий слой – из нитрида кремния, блокирующий слой – из оксида кремния (SiO₂), проводящий затвор – из поликремния. Толщина туннельного слоя составляет 2,5 нм, толщина запоминающего слоя – 5,0 нм, толщина блокирующего слоя – 4,0 нм.

Благодаря большой толщине туннельного слоя в приведенном флэш элементе памяти происходит блокирование растекания заряда, что обеспечивает его надежное хранение в течение 10 лет при 85°С. Программирование такого флэш элемента памяти осуществляется путем попеременной инжекции горячих электронов и дырок через туннельный нитрид кремния в запоминающую среду из нитрида кремния.

К недостаткам данного технического решения относится низкая надежность прибора в режиме перепрограммирования из-за деградации границы раздела кремний – нитрид кремния, обусловленной инжекцией электронов и дырок через указанную границу раздела.

Другим недостатком является низкий процент выхода годных приборов при производстве флэш элементов памяти ЭППЗУ. Приведенный недостаток обусловлен конструктивным выполнением, приводящим к наличию паразитной инжекции электронов в выполненный из нитрида кремния запоминающий слой из поликремниевого затвора.

Техническим результатом изобретения является повышение процента выхода годных и повышение надежности флэш элемента памяти ЭППЗУ.

Технический результат достигается тем, что в флэш элементе памяти электрически перепрограммируемого постоянного запоминающего устройства, содержащем полупроводниковую подложку с выполненными в ней на планарной стороне истоком и стоком, туннельный слой, запоминающий слой, блокирующий слой и затвор, блокирующий слой размещен на планарной стороне подложки, запоминающий слой выполнен на блокирующем, туннельный слой выполнен на запоминающем слое, а затвор – на туннельном слое, при этом туннельный слой выполнен толщиной, предотвращающей отекание заряда за счет туннелирования носителей заряда через туннельный слой к затвору.

Подложка выполнена из кремния p-типа проводимости, блокирующий слой выполнен из оксида кремния (SiO₂), запоминающий слой выполнен из нитрида кремния (Si₃N₄), туннельный слой выполнен из оксида кремния (SiO₂), а затвор – из поликремния n-типа проводимости.

В флэш элементе памяти ЭППЗУ туннельный слой выполнен толщиной 1,5÷2,5 нм.

В флэш элементе памяти ЭППЗУ запоминающий слой выполнен из нитрида кремния, обогащенного избыточным кремнием (SiN_x).

Сущность изобретения поясняется нижеследующим описанием и прилагаемой фигурой. На чертеже схематически показана структура флэш элемента памяти ЭППЗУ, где 1 – подложка, 2 – исток, 3 – сток, 4 – блокирующий слой, 5 – запоминающий слой, 6 -туннельный слой, 7 – затвор.

Устранение деградации границы раздела подложка – туннельный слой и повышение надежности прибора в режиме перепрограммирования в предлагаемом изобретении базируется на осуществлении перепрограммирования флэш элемента памяти ЭППЗУ за счет инжекции электронов и дырок в запоминающую среду (запоминающий слой 5) из верхнего поликремниевого проводящего электрода (затвор 7). При этом туннельный слой 6 расположен между запоминающим слоем 5 и затвором 7 и выполнен толщиной, предотвращающей отекание заряда за счет туннелирования носителей заряда через туннельный слой 6 к затвору 7, то есть в поликремний. Предотвращение явления отекания заряда, обуславливающего уменьшение пороговых напряжений, соответствующих логическим «0» и «1», является дополнительным фактором, приводящим как к повышению надежности, так и повышению процента выхода годных изделий.

Флэш элемент памяти ЭППЗУ (Фиг.) содержит подложку 1, исток 2, сток 3, блокирующий слой 4, запоминающий слой 5, туннельный слой 6, затвор 7. В основе выполнения флэш элемента памяти лежит транзисторная структура. В подложке 1, с планарной стороны, выполнены исток 2 и сток 3. С этой же стороны подложки 1 на ней последовательно выполнены блокирующий слой 4, запоминающий слой 5, туннельный слой 6 и сверху, на туннельном слое 6, затвор 7. При этом для подложки 1 использована пластина кремния p-типа проводимости, для блокирующего слоя 4, лежащего на подложке 1, использован оксид кремния (SiO₂), например, толщиной 4,0 нм, для запоминающего слоя 5, лежащего на блокирующем слое 4, – нитрид кремния (Si₃N₄), например, толщиной 5,0 нм, для туннельного слоя 6, лежащего на запоминающем слое 5, – оксид кремния (SiO₂), а затвор 7 выполнен из поликремния n-типа проводимости. Для запоминающего слоя 5 может бьпъ использован также нитрид кремния, обогащенный избыточным кремнием, SiN_x. Основным критерием, которому должен удовлетворять запоминающий слой, является наличие высокой плотности ловушек. Выбор двуокиси кремния в качестве материала для блокирующего и туннельных слоев обусловлен высокими пробивными полями данного материала.

Выбор толщины туннельного слоя 6 осуществлен из достижения условий предотвращения отекания заряда посредством туннелирования носителей заряда через туннельный слой 6 в поликремний затвора 7. Толщина туннельного слоя 6 составляет 1,5÷2,5 нм. При толщинах туннельного слоя 6 менее 1,5 нм отекание заряда в элементе памяти резко ускоряется. Явление отекания заряда приводит к уменьшению пороговых напряжений, соответствующих логическим «0» и «1», и, следовательно, к уменьшению надежности и процента выхода годных флэш элементов памяти ЭППЗУ при производстве. Увеличение толщины туннельного слоя 6 приводит также к увеличению времени хранения информации флэш элементом памяти ЭППЗУ. Однако увеличение толщины туннельного слоя 6 до величины более 2,5 нм является причиной нежелательного увеличения длительности и амплитуды перепрограммирующего импульса в результате падения напряжения на туннельном слое. Таким образом, оптимальная толщина туннельного слоя из диоксида кремния лежит в диапазоне 1,5÷2,5 нм.

При этом туннельный слой 6 может быть изготовлен несколькими способами, например, окислением нитрида кремния в кислороде, или окислением нитрида в кислородной плазме, или окислением силана в кислороде.

Флэш элемент памяти ЭППЗУ работает следующим образом.

Исходное пороговое напряжение флэш элемента памяти ЭППЗУ (транзистора) близко к нулю. Запись информации (логический «0») осуществляют подачей на затвор 7 относительно подложки 1 отрицательного напряжения такой амплитуды, чтобы обеспечить электрическое поле в туннельном слое 6 с напряженностью равной по величине (1,0÷1,4)х10⁷ В/см. При этом происходит туннелирование электронов из поликремния затвора 7 через туннельный слой 6, выполненный из диоксида кремния, в запоминающий слой 5 из нитрида кремния и захват их на ловушки, высокой плотностью которых характеризуется запоминающий слой 5. Захват электронов ловушками запоминающего слоя 5 приводит к накоплению отрицательного заряда 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 7 относительно подложки 1 положительного напряжения. При этом в туннельном слое 6 из диоксида кремния возникает электрическое поле, стимулирующее инжекцию дырок из поликремния затвора 7, и происходит ионизация электронных ловушек с захваченными электронами с уходом их на затвор 7. В результате инжектированные дырки захватываются ловушками запоминающего слоя 5, и в нем накапливается положительный заряд. Наличие положительного заряда в запоминающем слое 5 приводит к сдвигу порогового напряжения в направлении отрицательного потенциала, и канал транзисторного флэш элемента памяти ЭППЗУ переходит в проводящее состояние, соответствующее логической «1».

Таким образом, в предлагаемом техническом решении устранена деградация границы раздела туннельный слой – подложка, предотвращено посредством оптимизации толщины туннельного слоя явление отекания заряда, обуславливающего уменьшение пороговых напряжений, соответствующих логическим «0» и «1», и в результате обеспечено повышение надежности флэш элемента памяти ЭППЗУ в режиме перепрограммирования и повышение процента выхода годных изделий при производстве.

Формула изобретения

1. Флэш элемент памяти электрически перепрограммируемого постоянного запоминающего устройства, содержащий полупроводниковую подложку с выполненными в ней на планарной стороне истоком и стоком, туннельный слой, запоминающий слой, блокирующий слой и затвор, отличающийся тем, что блокирующий слой размещен на планарной стороне подложки, запоминающий слой выполнен на блокирующем, туннельный слой выполнен на запоминающем слое, а затвор – на туннельном слое, при этом туннельный слой выполнен толщиной, предотвращающей стекание заряда за счет туннелирования носителей заряда через туннельный слой к затвору.

2. Флэш элемент памяти по п.1, отличающийся тем, что подложка выполнена из кремния р-типа проводимости, блокирующий слой выполнен из оксида кремния (SiO₂), запоминающий слой выполнен из нитрида кремния (Si₃N₄), туннельный слой выполнен из оксида кремния (SiO₂), а затвор – из поликремния n-типа проводимости.

3. Флэш элемент памяти по п.1, отличающийся тем, что туннельный слой выполнен толщиной 1,5÷2,5 нм.

4. Флэш элемент памяти по п.2, отличающийся тем, что туннельный слой выполнен толщиной 1,5÷2,5 нм.

5. Флэш элемент памяти по любому из пп.1-4, отличающийся тем, что запоминающий слой выполнен из нитрида кремния, обогащенного избыточным кремнием (SiN_x).

РИСУНКИ