RU2357324C1 - Flash memory element for electrically programmable read-only memory - Google Patents
Flash memory element for electrically programmable read-only memory Download PDFInfo
- Publication number
- RU2357324C1 RU2357324C1 RU2008100827/28A RU2008100827A RU2357324C1 RU 2357324 C1 RU2357324 C1 RU 2357324C1 RU 2008100827/28 A RU2008100827/28 A RU 2008100827/28A RU 2008100827 A RU2008100827 A RU 2008100827A RU 2357324 C1 RU2357324 C1 RU 2357324C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- layer
- flash memory
- memory element
- tunnel layer
- tunnel
- Prior art date
Links
Landscapes
- Non-Volatile Memory (AREA)
Abstract
Description
Изобретение относится к вычислительной технике, в частности к электрически перепрограммируемым постоянным запоминающим устройствам (ЭППЗУ), сохраняющим информацию при отключенном питании (флэш-память), и может быть использовано в устройствах памяти вычислительных машин, микропроцессорах, флэш-памяти, в портативных электронных устройствах, таких как цифровые видеокамеры и фотоаппараты, плееры, электронные карточки (смарт-карты).The invention relates to computing, in particular to electrically reprogrammable read-only memory (EEPROM), which stores information when the power is off (flash memory), and can be used in memory devices of computers, microprocessors, flash memory, in portable electronic devices, such as digital video cameras and cameras, players, electronic cards (smart cards).
Известен флэш элемент памяти электрически перепрограммируемого постоянного запоминающего устройства (J.Bu, V.Y.White «Design consideration in scaled SONOS nonvolatile memory devices» Solid State Electronics, v.45, p.113-120, 2001), содержащий полупроводниковую подложку с выполненными в ней истоком и стоком, на которой между последними последовательно выполнены туннельный слой, запоминающий слой, блокирующий слой и затвор. При этом использована кремниевая подложка р-типа, туннельный слой выполнен из оксида кремния толщиной 2,0 нм, запоминающий слой выполнен из нитрида кремния толщиной 4,0 нм, блокирующий слой выполнен из оксида кремния толщиной 5,0 нм.A flash memory element of an electrically reprogrammable read-only memory device (J.Bu, VYWhite "Design consideration in scaled SONOS nonvolatile memory devices" Solid State Electronics, v.45, p.113-120, 2001) containing a semiconductor substrate with a source and a drain, on which a tunnel layer, a storage layer, a blocking layer and a shutter are successively made between the latter. In this case, a p-type silicon substrate was used, the tunnel layer was made of silicon oxide 2.0 nm thick, the storage layer was made of silicon nitride 4.0 nm thick, the blocking layer was made of silicon oxide 5.0 nm thick.
Время перепрограммирования в приведенном флэш элементе памяти составляет 10-3 с, а напряжение перепрограммирования - от 9 до 10 В.The reprogramming time in the given flash memory element is 10 -3 s, and the reprogramming voltage is from 9 to 10 V.
К недостаткам известного технического решения относится большое время перепрограммирования и высокая величина напряжения перепрограммирования, а также ограниченное время хранения информации при температуре 300 К. Последнее обусловлено явлением стекания заряда через относительно тонкий (порядка 2,0 нм) туннельный SiO2. При этом увеличение толщины туннельного SiO2 приводит к уменьшению окна памяти (разница пороговых напряжений в состояниях «0» и «1»). Первые из указанных недостатков обусловлены наличием относительно тонкого (порядка 5,0 нм) блокирующего слоя, толщина которого способствует туннельной инжекции носителей заряда из проводящего затвора, что приводит к уменьшению накопленного, за счет инжекции из подложки, заряда в запоминающем слое.The disadvantages of the known technical solution include the large reprogramming time and the high value of the reprogramming voltage, as well as the limited information storage time at a temperature of 300 K. The latter is due to the phenomenon of charge draining through a relatively thin (about 2.0 nm) tunneling SiO 2 . In this case, an increase in the thickness of tunnel SiO 2 leads to a decrease in the memory window (the difference in threshold voltages in the states “0” and “1”). The first of these drawbacks is due to the presence of a relatively thin (about 5.0 nm) blocking layer, the thickness of which facilitates tunneling injection of charge carriers from the conducting gate, which leads to a decrease in the charge accumulated due to injection from the substrate in the storage layer.
Известен флэш элемент памяти электрически перепрограммируемого постоянного запоминающего устройства (V.A.Gritsenko, К.A.Nasyrov, D.V.Gritsenko, Yu.N.Novikov, J.H.Lee, J.-W.Lee, C.W.Kirn, H.Wong «Modeling of a EEPROM device based on silicon quantum dots embedded in high-k dielectrics» Microelectronic engineering, v.81, p.530-534, 2005), содержащий полупроводниковую подложку с выполненными в ней истоком и стоком, на которой между последними последовательно выполнены туннельный слой, блокирующий слой и затвор. При этом в качестве блокирующего слоя использован слой с высокой диэлектрической проницаемостью - ZrO2. Активную роль в функции запоминания выполняют кремниевые нанокластеры, встроенные в блокирующий слой ZrO2, и расположены на поверхности туннельного слоя. В качестве материала подложки использован кремний. Блокирующий слой из ZrO2 выполнен толщиной 8,0 нм, размер кремниевого нанокластера - 5,0 нм, толщина туннельного SiO2 - 5,0 нм.A known flash memory element is an electrically reprogrammable read-only memory device (VAGritsenko, K.A.Nasyrov, DVGritsenko, Yu.N. Novikov, JHLee, J.-W.Lee, CWKirn, H.Wong "Modeling of a EEPROM device based on silicon quantum dots embedded in high-k dielectrics (Microelectronic engineering, v.81, p.530-534, 2005), containing a semiconductor substrate with a source and a drain therein, on which a tunnel layer, a blocking layer and a gate are successively made between the latter. In this case, a layer with a high dielectric constant, ZrO 2, was used as a blocking layer. An active role in the memory function is played by silicon nanoclusters embedded in the blocking layer of ZrO 2 and located on the surface of the tunnel layer. Silicon is used as the substrate material. The blocking layer of ZrO 2 is made with a thickness of 8.0 nm, the size of the silicon nanocluster is 5.0 nm, the thickness of the tunneling SiO 2 is 5.0 nm.
К недостаткам известного технического решения относится высокое напряжение перепрограммирования, относительно большое время перепрограммирования, ограниченное время хранения информации при температуре 300 К. Данный флэш элемент памяти обладает достаточно толстым туннельным слоем SiO2, порядка 5 нм. В результате это обуславливает большое время перепрограммирования, порядка 10-3 с, и напряжение перепрограммирования. Из-за большого энергетического барьера для дырок на границе Si/SiO2 такая структура не позволяет инжектировать и накапливать в запоминающей среде положительный заряд. Толстый туннельнный слой понижает разницу пороговых напряжений в состояниях «0» и «1», приводя к уменьшению окна памяти.The disadvantages of the known technical solution include a high reprogramming voltage, a relatively long reprogramming time, a limited storage time of information at a temperature of 300 K. This flash memory element has a rather thick tunnel layer of SiO 2 , of the order of 5 nm. As a result, this leads to a long reprogramming time, of the order of 10 -3 s, and reprogramming voltage. Due to the large energy barrier for holes at the Si / SiO 2 interface, such a structure does not allow the positive charge to be injected and accumulated in the storage medium. A thick tunnel layer reduces the difference in threshold voltages in the states “0” and “1”, leading to a decrease in the memory window.
Ближайшим техническим решением к заявляемому является флэш элемент памяти электрически перепрограммируемого постоянного запоминающего устройства (патент РФ на изобретение №2310929, МПК 8 G11C 14/00), содержащий полупроводниковую подложку с выполненными в ней истоком и стоком, на которой между истоком и стоком последовательно выполнены туннельный слой, запоминающий слой, блокирующий слой и проводящий затвор. В качестве материала подложки использован кремний. Туннельный слой выполнен из оксида кремния, толщиной от 3,5 до 8,0 нм. Запоминающий слой выполнен в виде плавающего затвора из поликремния, толщиной от 4,0 до 300 нм. Блокирующий слой выполнен из диэлектрика с высокой диэлектрической проницаемостью (ε от 5 до 2000), толщиной от 7,0 до 100 нм.The closest technical solution to the claimed is a flash memory element of an electrically reprogrammable read-only memory device (RF patent for the invention No. 2310929, IPC 8 G11C 14/00), containing a semiconductor substrate with a source and a drain made in it, on which a tunnel tunnel is made between the source and the drain a layer, a storage layer, a blocking layer and a conductive gate. Silicon is used as the substrate material. The tunnel layer is made of silicon oxide, with a thickness of 3.5 to 8.0 nm. The storage layer is made in the form of a floating shutter made of polysilicon, with a thickness of 4.0 to 300 nm. The blocking layer is made of a dielectric with high dielectric constant (ε from 5 to 2000), thickness from 7.0 to 100 nm.
К недостаткам этого технического решения относится высокое напряжение перепрограммирования, относительно большое время перепрограммирования, ограниченное время хранения информации при температуре 300 К. Ограничение времени хранения информации происходит из-за стекания заряда через относительно тонкий (порядка 2,0 нм) туннельный SiO2. При этом увеличение толщины туннельного SiO2 приводит к уменьшению окна памяти (разница пороговых напряжений в состояниях «0» и «1»). Для понижения напряжения перепрограммирования необходимо уменьшить толщину туннельного слоя, однако это приведет к стеканию заряда, то есть уменьшению времени хранения. Для уменьшения времени перепрограммирования также требуется уменьшение толщины туннельного слоя, однако это также приведет к стеканию заряда, то есть уменьшению времени хранения.The disadvantages of this technical solution include a high reprogramming voltage, a relatively long reprogramming time, a limited information storage time at a temperature of 300 K. Information storage time is limited due to charge draining through a relatively thin (about 2.0 nm) tunneling SiO 2 . In this case, an increase in the thickness of the tunneling SiO 2 leads to a decrease in the memory window (the difference in threshold voltages in the states “0” and “1”). To reduce the reprogramming voltage, it is necessary to reduce the thickness of the tunnel layer, however, this will lead to drainage of the charge, i.e., a decrease in the storage time. To reduce the reprogramming time, a decrease in the thickness of the tunnel layer is also required, however, this will also lead to drainage of the charge, i.e., a decrease in the storage time.
Перепрограммирование этих типов флэш элементов памяти ЭППЗУ основано на эффекте Фаулера-Нордгейма или на горячих электронах.The reprogramming of these types of flash EEPROM memory elements is based on the Fowler-Nordheim effect or on hot electrons.
Техническим результатом изобретения является:The technical result of the invention is:
- понижение напряжения записи/стирания информации (до 4÷7 В);- lowering the voltage of recording / erasing information (up to 4 ÷ 7 V);
- уменьшение времени записи/стирания информации (до 10-6-10-7 с);- reducing the time of recording / erasing information (up to 10 -6 -10 -7 s);
- увеличение времени хранения информации (до 10-12 лет) при температуре 300 К с окном памяти через 12 лет порядка 3В.- increase the storage time of information (up to 10-12 years) at a temperature of 300 K with a memory window after 12 years of the order of 3V.
Технический результат достигают тем, что во флэш элементе памяти электрически перепрограммируемого постоянного запоминающего устройства, содержащем полупроводниковую подложку с выполненными в ней истоком и стоком, на которой между истоком и стоком выполнены туннельный слой, запоминающий слой, блокирующий слой и затвор, между туннельным слоем и запоминающим слоем выполнен дополнительный туннельный слой из материала с высоким значением диэлектрической проницаемости, превосходящим диэлектрическую проницаемость материала туннельного слоя.The technical result is achieved in that in a flash memory element of an electrically reprogrammable read-only memory device containing a semiconductor substrate with a source and a drain provided therein, on which a tunnel layer is made between the source and drain, a storage layer, a blocking layer and a gate, between the tunnel layer and the storage an additional tunnel layer made of a material with a high dielectric constant exceeding the dielectric constant of the tunnel material layer.
Во флэш элементе памяти туннельный слой выполнен из оксида кремния толщиной от 1,5 до 4,0 нм.In the flash memory element, the tunnel layer is made of silicon oxide with a thickness of 1.5 to 4.0 nm.
Во флэш элементе памяти дополнительный туннельный слой выполнен из материала со значением диэлектрической проницаемости от 5 до 2000, толщиной от 7,0 до 100 нм.In the flash memory element, an additional tunnel layer is made of material with a dielectric constant of 5 to 2000, and a thickness of 7.0 to 100 nm.
Во флэш элементе памяти в качестве материала для дополнительного туннельного слоя использован диэлектрик из приведенного перечня материалов: ВаТа2O6, BaxSr1-хTiO3, ВахSr1-хNbO6, PbZnxNb1-хО3, PbZrxTi1-xO3, LiNbO3, Bi1-xLaxTi3O12, Bi2Sr2CuOx, Bi4Ti3O12, SrBi2Та2O9, SrBi2TaxV1-xO9, SrTi1-xNbxO3, Sr2Nb2O7, SrTa2O6, SrZrO3, PbTiO3, LaAlO3, КТаО3, TiO2, Ta2O5, AlTayOz, TaOxNy, HfO2, HfSiOxNy, HfOxNy, Er2O3, La2O3, ZrO2, ZrOxNy, ZrSiOx, Gd2O3, Y2O3, SiOxNy, Al2О3, AlOxNy.In the flash memory element, a dielectric from the above list of materials was used as material for the additional tunnel layer: BaTa 2 O 6 , Ba x Sr 1-x TiO 3 , Ba x Sr 1-x NbO 6 , PbZn x Nb 1-x O 3 , PbZr x Ti 1-x O 3 , LiNbO 3 , Bi 1-x La x Ti 3 O 12 , Bi 2 Sr 2 CuO x , Bi 4 Ti 3 O 12 , SrBi 2 Ta 2 O 9 , SrBi 2 Ta x V 1 -x O 9 , SrTi 1-x Nb x O 3 , Sr 2 Nb 2 O 7 , SrTa 2 O 6 , SrZrO 3 , PbTiO 3 , LaAlO 3 , KtaO 3 , TiO 2 , Ta 2 O 5 , AlTa y O z , TaO x N y , HfO 2 , HfSiO x N y , HfO x N y , Er 2 O 3 , La 2 O 3 , ZrO 2 , ZrO x N y , ZrSiO x , Gd 2 O 3 , Y 2 O 3 , SiO x N y , Al 2 O 3 , AlO x N y .
Во флэш элементе памяти блокирующий слой выполнен из материала со значением диэлектрической проницаемости от 5 до 2000, толщиной от 7,0 до 100 нм.In the flash memory element, the blocking layer is made of material with a dielectric constant of 5 to 2000, a thickness of 7.0 to 100 nm.
Во флэш элементе памяти в качестве материала для блокирующего слоя использован диэлектрик из приведенного перечня материалов: ВаТа2O6, ВахSr1-хTiO3, BaxSr1-xNbO6, PbZnxNb1-xO3, PbZrxTi1-xO3, LiNbO3, Bi1-xLaxTi3O12, Bi2Sr2CuOx, Bi4Ti3O12, SrBi2Ta2O9, SrBi2TaxV1-xO9, SrTi1-xNbxO3, Sr2Nb2O7, SrTa2O6, SrZrO3, PbTiO3, LaAlO3, КТаО3, TiO2, Ta2O3, AlxTayOz, TaOxNy, HfO2, HfSiOxNy, HfOxNy, Er2О3, La2О3, ZrO2, ZrOxNy, ZrSiOx, Gd2O3, Y2O3, SiOxNy, Al2О3, AlOxNy.In the flash memory element, the dielectric from the above list of materials was used as material for the blocking layer: BaTa 2 O 6 , Ba x Sr 1-x TiO 3 , Ba x Sr 1-x NbO 6 , PbZn x Nb 1-x O 3 , PbZr x Ti 1-x O 3 , LiNbO 3 , Bi 1-x La x Ti 3 O 12 , Bi 2 Sr 2 CuO x , Bi 4 Ti 3 O 12 , SrBi 2 Ta 2 O 9 , SrBi 2 Ta x V 1- x O 9 , SrTi 1-x Nb x O 3 , Sr 2 Nb 2 O 7 , SrTa 2 O 6 , SrZrO 3 , PbTiO 3 , LaAlO 3 , CTaO 3 , TiO 2 , Ta 2 O 3 , Al x Ta y O z , TaO x N y , HfO 2 , HfSiO x N y , HfO x N y , Er 2 О 3 , La 2 О 3 , ZrO 2 , ZrO x N y , ZrSiO x , Gd 2 O 3 , Y 2 O 3 , SiO x N y , Al 2 O 3 , AlO x N y .
Во флэш элементе памяти запоминающий слой выполнен из поликремния, или нитрида кремния, или оксинитрида кремния, толщиной от 4,0 до 300,0 нм.In the flash memory element, the storage layer is made of polysilicon, or silicon nitride, or silicon oxynitride, with a thickness of 4.0 to 300.0 nm.
Сущность изобретения поясняется нижеследующим описанием и чертежом, на котором схематически изображен флэш элемент памяти ЭППЗУ, где 1 - полупроводниковая подложка, 2 - исток, 3 - сток, 4 - первый туннельный слой, 5 - второй (дополнительный) туннельный слой, 6 - запоминающий слой, 7 - блокирующий слой, 8 - затвор.The invention is illustrated by the following description and drawing, which schematically shows a flash memory element EEPROM, where 1 is a semiconductor substrate, 2 is a source, 3 is a drain, 4 is a first tunnel layer, 5 is a second (additional) tunnel layer, 6 is a storage layer , 7 - blocking layer, 8 - shutter.
Достижение указанного технического результата обеспечивается следующим образом.The achievement of the specified technical result is provided as follows.
Основным фактором, влияющим на длительность и величину перепрограммирующего импульса, является величина инжекционного тока через туннельный слой. Чем выше величина тока, тем меньше время записи/стирания информации. При этом величина инжекционного тока зависит от толщины туннельного слоя и желательно, по возможности, выполнять данный слой меньшей толщиной. Уменьшение толщины туннельного слоя позволяет уменьшить величину напряжения перепрограммирования. Однако уменьшение его толщины вызывает стекание заряда из запоминающего слоя в режиме «хранения». Инжекционный ток через туннельный слой зависит от величины электрического поля. Повышение величины электрического поля в туннельном слое возможно, в частности, за счет выполнения блокирующего слоя из материалов с большей диэлектрической проницаемостью, чем у материала туннельного слоя.The main factor affecting the duration and magnitude of the reprogramming pulse is the magnitude of the injection current through the tunnel layer. The higher the current value, the shorter the time for recording / erasing information. Moreover, the magnitude of the injection current depends on the thickness of the tunnel layer, and it is desirable, if possible, to make this layer smaller. Reducing the thickness of the tunnel layer allows you to reduce the value of the reprogramming voltage. However, a decrease in its thickness causes the charge to drain from the storage layer in the “storage” mode. The injection current through the tunnel layer depends on the magnitude of the electric field. An increase in the electric field in the tunnel layer is possible, in particular, due to the implementation of the blocking layer of materials with a higher dielectric constant than the material of the tunnel layer.
Блокирующий слой, выполненный из материала со значением диэлектрической проницаемости, большим по сравнению со значением диэлектрической проницаемости материала туннельного слоя, приводит к усилению электрического поля в туннельном слое при подаче перепрограммирующего импульса напряжения. Значительное электрическое поле в туннельном слое ведет к увеличению тока инжекции электронов и дырок из полупроводниковой подложки. Этот инжекционный ток позволяет накапливать заряд в запоминающем слое при использовании перепрограммирующего импульса меньшего напряжения и меньшей длительности.A blocking layer made of a material with a dielectric constant greater than the dielectric constant of the tunnel layer material leads to an increase in the electric field in the tunnel layer when a reprogramming voltage pulse is applied. A significant electric field in the tunnel layer leads to an increase in the injection current of electrons and holes from the semiconductor substrate. This injection current allows the accumulation of charge in the storage layer when using a reprogramming pulse of lower voltage and shorter duration.
Наличие второго, дополнительного, туннельного слоя (5), выполненного из материала со значением диэлектрической проницаемости, превосходящим значение диэлектрической проницаемости материала первого туннельного слоя (4), позволяет уменьшить толщину первого туннельного слоя, тем самым еще больше усилить электрическое поле в нем. Усиление электрического поля в туннельном слое (4) способствует увеличению инжекционного тока из полупроводниковой подложки (1), что позволяет снизить величину и длительность импульса перепрограммирования.The presence of a second, additional tunnel layer (5) made of a material with a dielectric constant greater than the dielectric constant of the material of the first tunnel layer (4), allows to reduce the thickness of the first tunnel layer, thereby further strengthening the electric field in it. The amplification of the electric field in the tunnel layer (4) contributes to an increase in the injection current from the semiconductor substrate (1), which makes it possible to reduce the magnitude and duration of the reprogramming pulse.
Время хранение информации, заряда в запоминающем слое, определяется толщиной второго туннельного и блокирующего слоев и их диэлектрической проницаемостью, чем выше их значения, тем больше время хранения. Для надежного и длительного хранения эти слои должны быть выполнены из диэлектрика с высокой диэлектрической проницаемостью и достаточно толстыми, чтобы обеспечить время хранения информации 10 лет при 300 К.The storage time of information, charge in the storage layer, is determined by the thickness of the second tunnel and blocking layers and their dielectric constant, the higher their value, the longer the storage time. For reliable and long-term storage, these layers should be made of a dielectric with high dielectric constant and thick enough to provide an information storage time of 10 years at 300 K.
При этом существенным условием является выполнение дополнительного туннельного слоя из материала с диэлектрической проницаемостью, превосходящей по своей величине диэлектрическую проницаемость материала туннельного слоя. Именно такая разница этих параметров приводит к достижению указанного технического результата. Выполнение первого туннельного слоя (4) из материала с меньшей диэлектрической проницаемостью, чем у второго туннельного и блокирующего слоев, обуславливает высокое электрическое поле в нем и, следовательно, значительный инжекционный в режиме перепрограммирования.An essential condition is the implementation of an additional tunnel layer of a material with a dielectric constant exceeding the dielectric constant of the material of the tunnel layer in magnitude. It is such a difference of these parameters that leads to the achievement of the specified technical result. The implementation of the first tunnel layer (4) from a material with a lower dielectric constant than that of the second tunnel and blocking layers causes a high electric field in it and, therefore, a significant injection in the reprogramming mode.
Диэлектрическая проницаемость оксида кремния, из которого выполнен первый туннельный слой (4), составляет величину 3,9. Значения диэлектрической проницаемости материала второго туннельного и блокирующего слоев должны быть больше данной величины. Выполнение данного условия обеспечивается путем использования в качестве диэлектрика для второго туннельного и блокирующего слоев материала, например: ВаТа2O6, ВахSr1-хTiO3, BaxSr1-xNbO6, PbZnxNb1-хО3, PbZrxTi1-xO3, LiNbO3, Bi1-xLaxTi3O12, Bi2Sr2CuOx, Bi4Ti3O12, SrBi2Ta2O9, SrBi2TaxV1-xO9, SrTi1-xNbxO3,The dielectric constant of silicon oxide, of which the first tunnel layer (4) is made, is 3.9. The dielectric constant of the material of the second tunnel and blocking layers should be greater than this value. The fulfillment of this condition is ensured by using as a dielectric for the second tunnel and blocking layers of material, for example: BaTa 2 O 6 , Ba x Sr 1-x TiO 3 , Ba x Sr 1-x NbO 6 , PbZn x Nb 1-x O 3 , PbZr x Ti 1-x O 3 , LiNbO 3 , Bi 1-x La x Ti 3 O 12 , Bi 2 Sr 2 CuO x , Bi 4 Ti 3 O 12 , SrBi 2 Ta 2 O 9 , SrBi 2 Ta x V 1-x O 9 , SrTi 1-x Nb x O 3 ,
Sr2Nb2O7, SrTa2O6, SrZrO3, PbTiO3, LaAlO3, КТаО3, TiO2, Ta2O5, AlxTayOz, TaOxNy, HfO2,Sr 2 Nb 2 O 7 , SrTa 2 O 6 , SrZrO 3 , PbTiO 3 , LaAlO 3 , KTaO 3 , TiO 2 , Ta 2 O 5 , Al x Ta y O z , TaO x N y , HfO 2 ,
HfSiOxNy, HfOxNy, Er2O3, La2O3, ZrO2, ZrOxNy, ZrSiOx, Gd2O3, Y2O3, SiOxNy, Al2О3, AlOxNy. Значения диэлектрических проницаемостей указанных материалов лежат в интервале от 5 до 2000.HfSiO x N y , HfO x N y , Er 2 O 3 , La 2 O 3 , ZrO 2 , ZrO x N y , ZrSiO x , Gd 2 O 3 , Y 2 O 3 , SiO x N y , Al 2 O 3 , AlO x N y . The dielectric constant of these materials are in the range from 5 to 2000.
Таким образом, первый туннельный слой может быть выполнен достаточно тонким за счет наличия дополнительного туннельного слоя. Это позволяет снизить величину напряжения и времени перепрограммирования. В то же время достаточно толстый второй, дополнительный, туннельный слой обеспечивает длительное время хранения информации.Thus, the first tunnel layer can be made thin enough due to the presence of an additional tunnel layer. This reduces the voltage and reprogramming time. At the same time, the rather thick second, additional, tunnel layer provides a long storage time for information.
Флэш элемент памяти ЭППЗУ содержит полупроводниковую подложку (1), исток (2), сток (3), первый туннельный слой (4), второй, дополнительный, туннельный слой (5), запоминающий слой (6) и затвор (8).An EEPROM flash memory element contains a semiconductor substrate (1), a source (2), a drain (3), a first tunnel layer (4), a second, additional, tunnel layer (5), a storage layer (6), and a shutter (8).
Флэш элемент памяти ЭППЗУ имеет транзисторную структуру, в которой на полупроводниковой подложке (1) с планарной стороны выполнены исток (2) и сток (3). Между истоком (2) и стоком (3) на этой же стороне подложки (1) последовательно выполнены первый туннельный слой (4), второй туннельный слой (5), запоминающий слой (6), блокирующий слой (7) и затвор (8).The flash memory element of the EEPROM has a transistor structure in which the source (2) and drain (3) are made on the planar side on the semiconductor substrate (1). Between the source (2) and the drain (3) on the same side of the substrate (1), a first tunnel layer (4), a second tunnel layer (5), a storage layer (6), a blocking layer (7) and a shutter (8) are successively made .
В качестве полупроводниковой подложки (1) может быть использована кремниевая подложка n- или р-типа проводимости. Исток (2) и сток (3) выполнены из материала с противоположным типом проводимости.As the semiconductor substrate (1), an n- or p-type silicon substrate can be used. The source (2) and drain (3) are made of a material with the opposite type of conductivity.
Первый туннельный слой (4) из оксида кремния выполнен толщиной 1,5÷4,0 нм. Диэлектрические свойства его и указанная толщина обеспечивают ему необходимые инжекционные свойства для инжекции электронов/дырок в запоминающий слой (6) в режиме записи/стирания. Выполнение туннельного слоя (4) толщиной более 4,0 нм вызывает нежелательное увеличение длительности и амплитуды перепрограммирующего импульса в связи с падением напряжения на нем. Второй (дополнительный) туннельный слой (5) из диэлектрика с высокой диэлектрической проницаемостью выполняют толщиной 7,0÷100,0 нм как наиболее оптимальной для усиления электрического поля в первом туннельном слое (4), улучшении его инжекционных свойств в режиме перепрограммирования и предотвращения явления стекания заряда из запоминающего слоя (6) через систему туннельных слоев (4) и (5) в подложку (1) в режиме «хранения». Для слоя (5) в качестве диэлектрика могут быть использованы материалы с высокой диэлектрической проницаемостью: ВаТа2O6,The first tunnel layer (4) of silicon oxide is made with a thickness of 1.5 ÷ 4.0 nm. Its dielectric properties and the indicated thickness provide it with the necessary injection properties for injection of electrons / holes into the storage layer (6) in the write / erase mode. The implementation of the tunnel layer (4) with a thickness of more than 4.0 nm causes an undesirable increase in the duration and amplitude of the reprogramming pulse due to a voltage drop on it. The second (additional) tunnel layer (5) of a dielectric with high dielectric constant is 7.0–100.0 nm thick as the most optimal for amplifying the electric field in the first tunnel layer (4), improving its injection properties in the reprogramming mode and preventing the phenomenon charge draining from the storage layer (6) through the system of tunnel layers (4) and (5) into the substrate (1) in the “storage” mode. For the layer (5), materials with a high dielectric constant can be used as dielectric: BaTa 2 O 6 ,
BaxSr1-хTiO3, BaxSr1-xNbO6, PbZnxNb1-хО3, PbZrxTi1-хО3, LiNbO3, Bi1-xLaxTi3O12, Bi2Sr2CuOx, Bi4Ti3O12, SrBi2Ta2O9, SrBi2TaxV1-xO9, SrTi1-xNbxO3, Sr2Nb2O7, SrTa2O6, SrZrO3, PbTiO3, LaAlO3, КТаО3, TiO2, Ta2O5, AlxTayOz, TaOxNy, HfO2, HfSiOxNy, HfOxNy, Er2O3, La2О3, ZrO2, ZrOxNy, ZrSiOx, Gd2O3, Y2O3, SiOxNy, Al2О3, AlOxNy.Ba x Sr 1-x TiO 3 , Ba x Sr 1-x NbO 6 , PbZn x Nb 1-x 3 , PbZr x Ti 1-x 3 , LiNbO 3 , Bi 1-x La x Ti 3 O 12 , Bi 2 Sr 2 CuO x , Bi 4 Ti 3 O 12 , SrBi 2 Ta 2 O 9 , SrBi 2 Ta x V 1-x O 9 , SrTi 1-x Nb x O 3 , Sr 2 Nb 2 O 7 , SrTa 2 O 6 , SrZrO 3 , PbTiO 3 , LaAlO 3 , KTaO 3 , TiO 2 , Ta 2 O 5 , Al x Ta y O z , TaO x N y , HfO 2 , HfSiO x N y , HfO x N y , Er 2 O 3 , La 2 O 3 , ZrO 2 , ZrO x N y , ZrSiO x , Gd 2 O 3 , Y 2 O 3 , SiO x N y , Al 2 O 3 , AlO x N y .
Запоминающий слой (6) выполнен из поликремния, или нитрида кремния, или оксинитрида кремния. Приведенные материалы обеспечивают запоминающему слою (6) способность захватывать и накапливать заряд. Толщина его составляет 4,0÷300,0 нм.The storage layer (6) is made of polysilicon, or silicon nitride, or silicon oxynitride. These materials provide the storage layer (6) the ability to capture and accumulate charge. Its thickness is 4.0–300.0 nm.
Блокирующий слой (7) выполняют из материалов, обладающих высокой диэлектрической проницаемостью. Например: ВаТа2O6, BaxSr1-хTiO3, BaxSr1-xNbO6, PbZnxNb1-хО3, PbZrxTi1-хО3, LiNbO3, Bi1-xLaxTi3O12, Bi2Sr2CuOx, Bi4Ti3O12, SrBi2Ta2O9, SrBi2TaxV1-xO9, SrTi1-xNbxO3, Sr2Nb2O7, SrTa2O6, SrZrO3, PbTiO3, LaAlO3, КТаО3, TiO2, Ta2O5, AlxTayOz, TaOxNy, HfO2, HfSiOxNy, HfOxNy, Er2O3, La2O3, ZrO2, ZrOxNy, ZrSiOx,The blocking layer (7) is made of materials having a high dielectric constant. For example: BaTa 2 O 6 , Ba x Sr 1-x TiO 3 , Ba x Sr 1-x NbO 6 , PbZn x Nb 1-x O 3 , PbZr x Ti 1-x O 3 , LiNbO 3 , Bi 1-x La x Ti 3 O 12 , Bi 2 Sr 2 CuO x , Bi 4 Ti 3 O 12 , SrBi 2 Ta 2 O 9 , SrBi 2 Ta x V 1-x O 9 , SrTi 1-x Nb x O 3 , Sr 2 Nb 2 O 7 , SrTa 2 O 6 , SrZrO 3 , PbTiO 3 , LaAlO 3 , KTaO 3 , TiO 2 , Ta 2 O 5 , Al x Ta y O z , TaO x N y , HfO 2 , HfSiO x N y , HfO x N y , Er 2 O 3 , La 2 O 3 , ZrO 2 , ZrO x N y , ZrSiO x ,
Gd2O3, Y2O3, SiOxNy, Al2О3, AlOxNy.Gd 2 O 3 , Y 2 O 3 , SiO x N y , Al 2 O 3 , AlO x N y .
Толщина блокирующего слоя (7) составляет от 7,0 до 100 нм. Толщина блокирующего слоя (7) менее 7,0 нм вызывает «паразитную» туннельную инжекцию носителей заряда из проводящего электрода (затвор (8)), которая приводит к уменьшению заряда, накопленного в запоминающем слое (6) за счет инжекции из полупроводниковой подложки (1). Толщина блокирующего слоя (7) более 100,0 нм вызывает увеличение «паразитного» падения напряжения на блокирующем слое (7) и ведет к уменьшению электрического поля в первом туннельном слое (4) и, как следствие, к уменьшению заряда, накопленного в запоминающем слое (6).The thickness of the blocking layer (7) is from 7.0 to 100 nm. The thickness of the blocking layer (7) less than 7.0 nm causes a “parasitic” tunneling injection of charge carriers from the conducting electrode (gate (8)), which leads to a decrease in the charge accumulated in the storage layer (6) due to injection from the semiconductor substrate (1 ) The thickness of the blocking layer (7) more than 100.0 nm causes an increase in the “parasitic” voltage drop across the blocking layer (7) and leads to a decrease in the electric field in the first tunnel layer (4) and, as a result, to a decrease in the charge accumulated in the storage layer (6).
Для обеспечения хранения заряда, например, в течение 10 лет при температуре 300 К толщины второго туннельного слоя (5) и блокирующего слоя (7) должны быть примерно одинаковыми.To ensure charge storage, for example, for 10 years at a temperature of 300 K, the thickness of the second tunnel layer (5) and the blocking layer (7) should be approximately the same.
Затвор 8 выполняют из поликремния, или тугоплавкого металла (например, вольфрама), или силицида тугоплавкого металла (силицида вольфрама).The shutter 8 is made of polysilicon, or a refractory metal (for example, tungsten), or a silicide of a refractory metal (tungsten silicide).
Флэш элемент памяти ЭППЗУ работает следующим образом.The flash memory element EEPROM works as follows.
Исходное пороговое напряжение флэш элемента памяти ЭППЗУ (транзистора) имеет небольшую отрицательную величину, транзистор находится в проводящем состоянии (логическая «1»). Запись информации (логический «0») осуществляют подачей на затвор 8 (см. чертеж) относительно подложки (1), например, р-типа проводимости, положительного напряжения с амплитудой, обеспечивающей напряженность электрического поля в туннельном слое (4), равной по величине (9÷14)×106 В/см. При этом происходит туннелирование электронов из подложки (1) в основном через первый туннельный слой (4) в запоминающий слой (6) и последующий захват электронов в запоминающем слое (6), выполненном из поликремния, или нитрида кремния, или оксинитрида кремния. Захват электронов 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».The initial threshold voltage of the flash memory element EEPROM (transistor) has a small negative value, the transistor is in a conductive state (logical "1"). Information is recorded (logical “0”) by applying to the gate 8 (see the drawing) relative to the substrate (1), for example, p-type conductivity, a positive voltage with an amplitude providing the electric field strength in the tunnel layer (4), equal in magnitude (9 ÷ 14) × 10 6 V / cm. In this case, the tunneling of electrons from the substrate (1) occurs mainly through the first tunnel layer (4) into the storage layer (6) and the subsequent capture of electrons in the storage layer (6) made of polysilicon, or silicon nitride, or silicon oxynitride. The capture of electrons leads to the accumulation of a negative charge and puts the flash memory element (transistor) into a non-conducting state (since the transistor channel is in a non-conducting state) with a high positive threshold voltage corresponding to a logical “0”.
Перепрограммирование флэш элемента памяти ЭППЗУ (запись логической «1») осуществляют приложением к затвору (8) относительно подложки (1) отрицательного напряжения. При этом в запоминающей среде (запоминающий слой 6) и в первом туннельном слое (4) создается электрическое поле, стимулирующее уход захваченных электронов в подложку (1) и инжекцию дырок из подложки (1). В результате инжектированные дырки захватываются запоминающим слоем (6) и в нем накапливается положительный заряд. Наличие положительного заряда в запоминающем слое (6) обуславливает сдвиг порогового напряжения в направлении отрицательного потенциала, и канал транзистора (флэш элемента памяти ЭППЗУ) переходит в проводящее состояние, что соответствует логической «1».The reprogramming of the flash memory element of the EEPROM memory (recording logical “1”) is carried out by applying a negative voltage to the gate (8) relative to the substrate (1). In this case, an electric field is created in the storage medium (storage layer 6) and in the first tunnel layer (4), which stimulates the escape of trapped electrons into the substrate (1) and the injection of holes from the substrate (1). As a result, the injected holes are captured by the storage layer (6) and a positive charge is accumulated in it. The presence of a positive charge in the storage layer (6) causes a shift in the threshold voltage in the direction of the negative potential, and the channel of the transistor (flash memory element EEPROM) goes into a conducting state, which corresponds to a logical "1".
Наличие высокой диэлектрической проницаемости ε у блокирующего слоя (7) и второго, дополнительного, туннельного слоя (5) приводит к тому, что падение напряжения на них, по сравнению с падением напряжения на первом туннельном слое (4), будет меньше в ε/εSiO2 раз, а падение напряжения на первом туннельном слое (4) из оксида кремния, соответственно, больше. Ток инжекции электронов через туннельный слой (4) в элементе памяти с дополнительным туннельным слоем (5) и блокирующим слоем (7), которые изготовлены из диэлектрика с высокой диэлектрической проницаемостью, существенно (на порядки) выше. Это позволяет уменьшить напряжение и длительность перепрограммирующего импульса. В то же время достаточно толстые второй туннельный и блокирующий слои предотвращают стекание заряда из запоминающего слоя в режиме «хранения». Таким образом, происходит достижение указанного технического результата для флэш элемента памяти ЭППЗУ, в котором перепрограммирование осуществляется путем туннельной инжекции электронов и дырок из полупроводниковой подложки (1) в запоминающий слой (6).The presence of a high dielectric constant ε at the blocking layer (7) and the second, additional tunnel layer (5) leads to the fact that the voltage drop on them, compared with the voltage drop on the first tunnel layer (4), will be less in ε / ε SiO2 times, and the voltage drop on the first tunnel layer (4) of silicon oxide, respectively, is greater. The electron injection current through the tunnel layer (4) in the memory element with an additional tunnel layer (5) and a blocking layer (7), which are made of a dielectric with high dielectric constant, is significantly (by orders of magnitude) higher. This reduces the voltage and duration of the reprogramming pulse. At the same time, the sufficiently thick second tunnel and blocking layers prevent the charge from draining from the storage layer in the “storage” mode. Thus, the indicated technical result is achieved for the flash memory element EEPROM, in which reprogramming is carried out by tunneling injection of electrons and holes from the semiconductor substrate (1) into the storage layer (6).
Уменьшение напряжения и длительности перепрограммирующего импульса также возможно для флэш элемента памяти ЭППЗУ, в котором перепрограммирование осуществляется путем инжекции горячих электронов из канала полупроводниковой подложки в запоминающий слой.Reducing the voltage and duration of the reprogramming pulse is also possible for the flash memory element EEPROM, in which reprogramming is carried out by injection of hot electrons from the channel of the semiconductor substrate into the storage layer.
Claims (7)
Sr2Nb2O7, SrTa2O6, SrZrO3, PbTiO3, LaAlO3, KTaO3, TiO2, Ta2O5, AlxTayOz, TaOxNy, HfO2,
HfSiOxNy, HfOxNy, Er2O3, La2O2, ZrO2, ZrOxNy, ZrSiOx, Gd2О3, Y2O3, SiOxNy, Al2О3, AlOxNy.4. The flash memory element according to claim 3, characterized in that a dielectric from the above list of materials is used as material for the additional tunnel layer: BaTa 2 O 6 , Ba x Sr 1-x TiO 3 , Ba x Sr 1-x NbO 6 , PbZn x Nb 1-x O 3 , PbZr x Ti 1-x O 3 , LiNbO 3 , Bi 1-x La x Ti 3 O 12 , Bi 2 Sr 2 CuO x , Bi 4 Ti 3 O 12 , SrBi 2 Ta 2 O 9 , SrBi 2 Ta x V 1-x O 9 , SrTi 1-x Nb x O 3 ,
Sr 2 Nb 2 O 7 , SrTa 2 O 6 , SrZrO 3 , PbTiO 3 , LaAlO 3 , KTaO 3 , TiO 2 , Ta 2 O 5 , Al x Ta y O z , TaO x N y , HfO 2 ,
HfSiO x N y , HfO x N y , Er 2 O 3 , La 2 O 2 , ZrO 2 , ZrO x N y , ZrSiO x , Gd 2 O 3 , Y 2 O 3 , SiO x N y , Al 2 O 3 , AlO x N y .
Bi1-xLaxTi3O12, Bi2Sr2CuOx, Bi4Ti3O12, SrBi2Ta2O9, SrBi2TaxV1-xO9, SrTi1-xNbxO3, Sr2Nb2O7, SrTa2O6, SrZrO3, PbTiO3, LaAlO3, КТаО3, TiO2, Та2O5, AlxTayOz, TaOxNy, HfO2, HfSiOxNy, HfOxNy, Er2O3, La2O3, ZrO2, ZrOxNy, ZrSiOx, Gd2O3, Y2O3, SiOxNy, Al2О3, AlOxNy.6. The flash memory element according to claim 5, characterized in that a dielectric from the above list of materials is used as the material for the blocking layer: BaTa 2 O 6 , Ba x Sr 1-x TiO 3 , Ba x Sr 1-x NbO 6 , PbZn x Nb 1-x O 3 , PbZr x Ti 1-x O 3 , LiNbO 3 ,
Bi 1-x La x Ti 3 O 12 , Bi 2 Sr 2 CuO x , Bi 4 Ti 3 O 12 , SrBi 2 Ta 2 O 9 , SrBi 2 Ta x V 1-x O 9 , SrTi 1-x Nb x O 3 , Sr 2 Nb 2 O 7 , SrTa 2 O 6 , SrZrO 3 , PbTiO 3 , LaAlO 3 , KTaO 3 , TiO 2 , Ta 2 O 5 , Al x Ta y O z , TaO x N y , HfO 2 , HfSiO x N y , HfO x N y , Er 2 O 3 , La 2 O 3 , ZrO 2 , ZrO x N y , ZrSiO x , Gd 2 O 3 , Y 2 O 3 , SiO x N y , Al 2 O 3 , AlO x N y .
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2008100827/28A RU2357324C1 (en) | 2008-01-09 | 2008-01-09 | Flash memory element for electrically programmable read-only memory |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2008100827/28A RU2357324C1 (en) | 2008-01-09 | 2008-01-09 | Flash memory element for electrically programmable read-only memory |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2357324C1 true RU2357324C1 (en) | 2009-05-27 |
Family
ID=41023614
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2008100827/28A RU2357324C1 (en) | 2008-01-09 | 2008-01-09 | Flash memory element for electrically programmable read-only memory |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2357324C1 (en) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2584728C1 (en) * | 2015-04-22 | 2016-05-20 | Российская Федерация, От Имени Которой Выступает Министерство Промышленности И Торговли Российской Федерации | Flash memory element for electrically programmable read-only memory |
-
2008
- 2008-01-09 RU RU2008100827/28A patent/RU2357324C1/en not_active IP Right Cessation
Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| RU 2310929 C1, 20 11.2007. * |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2584728C1 (en) * | 2015-04-22 | 2016-05-20 | Российская Федерация, От Имени Которой Выступает Министерство Промышленности И Торговли Российской Федерации | Flash memory element for electrically programmable read-only memory |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| US7420256B2 (en) | Nonvolatile semiconductor memory device having a gate stack and method of manufacturing the same | |
| US7247538B2 (en) | Methods of fabricating floating trap non-volatile semiconductor memory devices including high dielectric constant blocking insulating layers | |
| KR100594266B1 (en) | SONOS type memory device | |
| KR100979661B1 (en) | Dielectric storage memory cell MONOS having high permittivity top dielectric and method therefor | |
| US20070297244A1 (en) | Top Dielectric Structures in Memory Devices and Methods for Expanding a Second Bit Operation Window | |
| US20090067256A1 (en) | Thin gate stack structure for non-volatile memory cells and methods for forming the same | |
| KR20090071743A (en) | Quantum trap nonvolatile memory device | |
| US7599229B2 (en) | Methods and structures for expanding a memory operation window and reducing a second bit effect | |
| RU2357324C1 (en) | Flash memory element for electrically programmable read-only memory | |
| US7473959B2 (en) | Non-volatile semiconductor memory devices and methods of fabricating the same | |
| RU2368037C1 (en) | Flash memory element of electrically alterable read-only memory | |
| Zhao et al. | A low voltage SANOS nonvolatile semiconductor memory (NVSM) device | |
| Blomme et al. | Write/erase cycling endurance of memory cells with SiO/sub 2//HfO/sub 2/tunnel dielectric | |
| RU2402083C1 (en) | Flash memory element for electrically programmable read-only memory | |
| US7512013B2 (en) | Memory structures for expanding a second bit operation window | |
| RU78005U1 (en) | FLASH MEMORY ELEMENT OF ELECTRICALLY REPROGRAMMABLE PERMANENT MEMORY DEVICE | |
| US20080121980A1 (en) | Bottom Dielectric Structures and High-K Memory Structures in Memory Devices and Methods for Expanding a Second Bit Operation Window | |
| RU2584728C1 (en) | Flash memory element for electrically programmable read-only memory | |
| RU81593U1 (en) | ELECTRICALLY REPROGRAMMABLE PERMANENT PERMANENT MEMORY FLASH FLASH ELEMENT | |
| RU79708U1 (en) | FLASH MEMORY ELEMENT OF ELECTRICALLY REPROGRAMMABLE PERMANENT MEMORY DEVICE | |
| RU2381575C1 (en) | Flash memory element for electrically programmable read-only memory | |
| RU97215U1 (en) | FLASH MEMORY ELEMENT OF ELECTRICALLY REPROGRAMMABLE PERMANENT MEMORY DEVICE | |
| KR101177277B1 (en) | Non-volatile memory device using metal-insulator transition material | |
| US7715241B2 (en) | Method for erasing a P-channel non-volatile memory | |
| RU2403631C1 (en) | Flash memory element for electrically reprogrammable read-only memory |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20130110 |