WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Pages:     || 2 |
Физика и техника полупроводников, 2005, том 39, вып. 6 Новый элемент памяти на кремниевых нанокластерах в диэлектрике с высокой диэлектрической проницаемостью ZrO2 для электрически перепрограммируемого постоянного запоминающего устройства ¶ + + © В.А. Гриценко, К.А. Насыров, Д.В. Гриценко, Ю.Н. Новиков, А.Л. Асеев, Д.Х. Ли, Д.-В. Ли, Ч.В. Ким+ Институт физики полупроводников Сибирского отделения Российской академии наук, 630090 Новосибирск, Россия Институт автоматики и электрометрии Сибирского отделения Российской академии наук, 630090 Новосибирск, Россия + Samsung Advanced Institute of Technology, P. O. Box 111, Suwon 440-600, Korea (Получена 11 августа 2004 г. Принята к печати 14 октября 2004 г.) Моделировались характеристики записи / стирания и хранения заряда в элементе памяти для электрически перепрограммируемого постоянного запоминающего устройства на основе структуры кремний / оксид / кремниевая-точка / оксид / полупроводник, в котором в качестве блокирующего диэлектрика использовались SiO2 и альтернативный диэлектрик с высокой диэлектрической проницаемостью ZrO2. Установлено, что применение альтернативного диэлектрика приводит к ряду эффектов: уменьшается паразитная инжекция из поли-Si, увеличивается поле в туннельном оксиде, появляется возможность увеличить толщину туннельного диэлектрика и, следовательно, увеличить время хранения информации, появляется возможность использовать более низкие напряжения записи / стирания. Программирование импульсом амплитудой ±11 В и длительностью 10 мс позволяет получить через 10 лет окно памяти 3В.

1. Введение тронов в плавающем затворе) в течение 10 лет при 85C для гражданских применений и при 125C для В настоящее время электрически перепрограммируеспециальных применений.

мые постоянные запоминающие устройства (ЭППЗУ Для терабитных схем памяти в настоящее время или ФЛЭШ память) имеют рынок сбыта, превышаосуществляется интенсивная разработка ЭППЗУ, осноющий рынки ОЗУ и микропроцессоров вместе взяванных на проводящих нанокластерах в диэлектритых [1]. На гражданском рынке доминируют ЭППЗУ ке [6–12]. В качестве запоминающей среды в таких с плавающим затвором [2]. Для специальных приЭППЗУ выступают полупроводниковые (Si, Ge, SixGey ) менений используются радиационно стойкие кремили металлические кластеры наноразмеров (1-10 нм).

ний / окисел / нитрид / окисел / кремний (КОНОП) приПринципиальным преимуществом ЭППЗУ на наноклаборы на основе эффекта памяти в нитриде кремстерах перед ЭППЗУ с плавающим затвором являетния [3]. Согласно прогнозам, при разработке терабитных ся то, что нанокластеры изолированы друг от друга (1012 бит / кристалл) схем ЭППЗУ элементы памяти с в направлении, параллельном границе раздела кремплавающим затвором будут вытеснены КОНОП струкний / диэлектрик. Благодаря этому дефекты (поры) в турами [4].

туннельном диэлектрике не приводят к стеканию всего Недостатком ЭППЗУ с плавающим затвором является заряда, накопленного в нанокластерах.

невозможность их дальнейшего масштабирования от В качестве туннельного диэлектрика в приборах пагига- до терабитного масштаба. В настоящее время в мяти с нанокластерами обычно используется двуокись ЭППЗУ гигабитной емкости используется туннельный кремния SiO2 [6–11], нитрид кремния Si3N4 [10], оксид окисел между кремниевой подложкой и плавающим гафния HfO2 [11,12]. Блокирующий диэлектрик между затвором толщиной 7.0 нм. Уменьшение длины кананокластерами и затвором изготавливают обычно из нала сопровождается уменьшением толщины туннельSiO2 [6–11]. Поскольку двуокись кремния имеет низкое ного окисла. Однако дальнейшее уменьшение толщины значение диэлектрической проницаемости ( 3.9), в туннельного окисла приводит к быстрому стеканию электронов из поликремния в подложку из-за деградации блокирующем диэлектрике в процессе записи / стирания (увеличения) проводимости туннельного окисла при информации (перепрограммирования) создается сильное перепрограммировании (чередование импульсов разной электрическое поле и, следовательно, большое паразитполярности на затворе). При перепрограммировании в ное падение напряжения. Паразитное падение напряжетуннельном диэлектрике образуются ловушки, приводя- ния на блокирующем SiO2 приводит к нежелательному щие к увеличению тока утечки (stress induced leakage увеличению напряжения записи / стирания информации.

current SILC) [5]. Утечка туннельного окисла (SILC) Сильное поле в блокирующем окисле может приводить, создает проблему хранения информации (заряда элеккроме того, к паразитной инжекции электронов и дырок ¶ E-mail: grits@isp.nsc.ru из поликремниевого затвора и, таким образом, к уменьНовый элемент памяти на кремниевых нанокластерах в диэлектрике с высокой... шению окна памяти (разница пороговых напряжений (Si-нанокластер) использовался собственный полупроэлемента памяти в состояних логический „0“ и „1“). водник. Концентрация акцепторов в кремниевой подВ последнее время предпринимаются интенсив- ложке составляет 2 · 1014 см3, концентрация акцепторов ные усилия для замены двуокиси и оксинитрида в поликремниевом затворе 2 · 1014 см3. Толщина тункремния SiOxNy в комплементарных МОП транзи- нельного окисла варьировалась в диапазоне 1.5-5.0нм.

сторах на альтернативные диэлектрики, так назы- Размер кремниевых нанокластеров был фиксирован во ваемые high-k диэлектрики. Альтернативные диэлек- всех случаях и равен 5.0 нм. Квантованием электронного трики имеют высокую диэлектрическую проницае- и дырочного спектра, а также эффектом кулоновской мость [13–15]. Наиболее перспективными альтернатив- блокады в Si-точках пренебрегалось. Толщина блокируными диэлектриками считаются ZrO2, HfO2 ( 25), ющего SiO2 составляет 5.0 нм. Толщина блокирующего Y2O3 ( 15), Al2O3 ( 10). Ранее теоретически ZrO2 составляет 8.0 нм. Использовалась одномерная, и экспериментально было показано, что замена бло- двухзонная модель, учитывающая инжекцию электронов кирующего SiO2 в КОНОП-элементе памяти на аль- из отрицательного смещенного и инжекцию дырок из тернативный диэлектрик, например, ZrO2 [16–18] или положительного смещенного электрода (рис. 1).

Al2O3 [19], приводит к уменьшению падения напря- В работе для расчета туннельного тока использоважения на блокирующем диэлектрике и, следователь- лась модифицированная формула Фаулера–Нордгейма.

но, к уменьшению напряжения перепрограммирования Для полей и толщины диэлектрика, таких, что КОНОП-ЭППЗУ. Цель настоящей работы заключается Fox · dox >, где dox — толщина диэлектрика, —велив изучении запоминающих свойств элементов памяти чина энергетического барьера на границе Si / диэлектрик, ЭППЗУ на основе структуры кремний / оксид / кремниFox — поле в диэлектрике, туннелирование осуществляевая-точка / оксид / полупроводник (КОТОП), путем моется через треугольный барьер, в этом случае делирования процессов перепрограммирования и хра- 4 2m 3/нения (растекания) заряда. В качестве блокирующего j = AFox exp -. (1) диэлектрика использованы двуокись кремния и двуокись 3 e Fox циркония.

Здесь A = 2.2 · 10-6 А/ В2, e — заряд электрона. Величины туннельной эффективной массы m для электронов 2. Энергетическая диаграмма КОТОП и дырок в SiO2 и ZrO2 принимались равными 0.5me [20].

структур с разными блокирующими диэлектриками На рис. 1 представлена энергетическая диаграмма КОТОП-структур с SiO2 в качестве блокирующего оксида (слева на рисунке) и ZnO2 (справа на рисунке) без приложенного напряжения, при отрицательном и положительном потенциалах на поликремнии. Высота барьера для электронов и дырок на границе Si / SiO2 составляет 3.14 и 3.8 эВ соответственно [20,21]. В литературе приводятся разные данные о величине барьера для электронов на границе Si / ZrO2: 1.95 ± 0.08 [22], 2.0 [23] и 1.23 эВ [24]. Для величины запрещенной зоны ZrOприводятся величины 5.4 [23] и 5.5 эВ [24]. В настоящей работе при расчетах использовалась ширина запрещенной зоны 5.5 эВ. Для электронного и дырочного барьера на границе Si / ZrO2 использовались величины 2.0 и 2.4 эВ соответственно. В качестве контрольного параметра, который можно измерять в запоминающей структуре, использовалось напряжение плоских зон UFB. Это напряжение, которое необходимо приложить к затвору запоминающей структуры для того, чтобы поле в кремнии на границе кремний / диэлектрик обратилось в нуль.

3. Теоретическая модель Рис. 1. Энергетические диаграммы КОТОП-структур с блокирующим диэлектриком SiO2 (слева) или ZrO2 (справа): вверху В настоящей работе моделировались запоминающие без приложенного напряжения, в середине при отрицательном свойства структур КОТОП с двуокисью кремния в потенциале на затворе, внизу при положительном потенциале качестве блокирующего слоя и структуры КОТОП, в на затворе. Энергии приведены в эВ. Для простоты на рисунке которых в качестве блокирующего слоя используется не показано падение напряжения на кремниевой подложке и альтернативный диэлектрик ZrO2. В качестве Si-точки кремниевом затворе.

Физика и техника полупроводников, 2005, том 39, вып. 750 В.А. Гриценко, К.А. Насыров, Д.В. Гриценко, Ю.Н. Новиков, А.Л. Асеев, Д.Х. Ли, Д.-В. Ли, Ч.В. Ким В случае трапецеидального барьера (Fox · dox < ) для расчета туннельного тока использовалась формула 4 2m 3/2 - ( - Foxdox)3/j = AFox exp -.

3 e Fox (2) 4. Сравнение запоминающих свойств КОТОП-структур с SiO2 и ZrOв качестве блокирующего диэлектрика Вначале было проведено моделирование записи / стирания и хранения заряда в структурах КОТОП Рис. 3. Характеристики записи / стирания КОТОП-структуры, с блокирующим диэлектриком SiO2 при толщине тунгде в качестве блокирующего диэлектрика используется SiOнельного окисла 1.5 нм (рис. 2). Длительность запис толщиной 5.0 нм. Темными точками показано накопление сывающего и стирающего импульса во всех случаях отрицательного заряда, светлыми точками положительного.

составляла 10 мс. Положительный потенциал +11 В на Напряжение импульса записи / стирания ±11 В с длительнополикремниевом затворе приводит к инжекции электро- стью 10 мс. Темными и светлыми квадратами показан пронов из кремниевой подложки через туннельный окисел цесс стекания заряда в закороченном состоянии. Толщина Siнанокластера 5.0 нм, туннельного окисла 2.5 нм в Si-нанокластер, накоплению отрицательного заряда и сдвигу плоских зон до величины +4 В. Окно памяти в этом случае составляет +6 В. В режиме записи и стирания наблюдалась паразитная инжекция заряда через Для увеличения времени хранения информации до блокирующий оксид по механизму Фаулера–Нордгейма.

10 лет ( 3 · 108 с) естественно увеличивать толщину Стекание отрицательного и положительного заряда из туннельного окисла для блокирования туннелирования Si-нанокластера в режиме хранения информации (заэлектронов и дырок из Si-точки в подложку. Однако короченное состояние) происходит за 10-5 с. Стекание увеличение толщины туннельного окисла до 2.5 нм при электронов и дырок из Si-нанокластера происходит за амплитуде перепрограммирующего импульса ±11 В присчет туннелирования носителей через туннельный окиводит к уменьшению окна памяти до 1В (рис. 3).

сел в кремниевую подложку. Разрядка за счет туннелиТуннельный окисел толщиной 2.5 нм резко уменьшает рования носителей через блокирующий окисел в затвор инжекцию электронов и полностью блокирует инжекпренебрежима из-за его большой толщины.

цию дырок из подложки. Напряжение импульса стирания -11 В не приводит к накоплению положительного заряда. Наблюдается накопление незначительного отрицательного заряда. Это происходит из-за паразитной инжекции электронов из поликремниевого затвора. Увеличение толщины туннельного окисла до 2.5 нм приводит к замедлению стекания заряда и увеличению времени хранения до 10 с. Однако эта величина более чем на 8 порядков меньше времени хранения информации, требуемого от ЭППЗУ (10 лет). Дальнейшее увеличение толщины туннельного окисла сопровождается драматическим уменьшением окна памяти из-за экспоненциального уменьшения тока инжекции электронов и дырок в Si-нанокластеры.

На рис. 4 приведен график зависимости окна памяти от толщины туннельного окисла в режиме записи / стирания для напряжений ±8 и ±11 В. Примечательно, что при уменьшении записывающего / стирающего Рис. 2. Характеристики записи / стирания КОТОП-структуры, напряжения от 11 до 8 В окно памяти увеличивается где в качестве блокирующего диэлектрика используется SiO2 с на 2-3 В. Этот эффект связан с уменьшением паразиттолщиной 5.0 нм. Темными точками показано накопление отриной инжекции через блокирующий диэлектрик. Из рис. цательного заряда, светлыми — положительного. Напряжение видно, что при толщинах туннельного оксида более чем импульса записи / стирания ±11 В, длительность 10 мс. Темны2.5 нм окно памяти становится меньше 1 В.

ми и светлыми квадратами показан процесс стекания заряда в закороченном состоянии. Толщина Si-нанокластера 5.0 нм, Таким образом, анализ показывает, что эффект памятуннельного окисла 1.5 нм. ти (накопление электронов и (или) дырок в КОТОПФизика и техника полупроводников, 2005, том 39, вып. Новый элемент памяти на кремниевых нанокластерах в диэлектрике с высокой... структурах) проявляется только в условиях, когда толщина нижнего окисла меньше толщины верхнего. В этом случае за счет большего тока прямого туннелирования через нижний окисел в кремниевых точках накапливается заряд. Если толщины нижнего и блокирующего окислов превышают туннельную длину в диэлектрике и толщины нижнего и блокирующего диэлектриков одинаковы, то КОТОП-структура эффектом памяти не обладает. Это связано с тем, что ток инжекции электронов из подложки в кремниевую точку равен току инжекции электронов из кремниевой точки в затвор.

Рис. 6. Зависимость окна памяти КОТОП-структуры от толщины туннельного (нижнего) диэлектрика в режиме записи и хранения. В качестве блокирующего диэлектрика использовался ZrO2 с толщиной 8.0 нм. Для записи / стирания структуры использовались импульсы напряжения +11 В (темные квадраты), -11 В (светлые квадраты) с длительностью 10 мс.

Толщина туннельного окисла изменялась от 1.5 до 5.0 нм. На рисунке показано окно памяти через 10 лет (темные и светлые точки).

Замена блокирующего диэлектрика SiO2 на ZrOпозволяет при толщине туннельного окисла 5.0 нм и Рис. 4. Зависимость окна памяти КОТОП-структуры от толамплитуде программирующего импульса +11 В полущины туннельного окисла в режиме записи. В качестве блокичить сдвиг плоских зон +2.5В (рис. 5). Стирающий рующего диэлектрика использовался SiO2 с толщиной 5.0 нм.

импульс -11 В приводит лишь к незначительному наДля записи / стирания структуры использовались импульсы коплению положительного заряда (-0.4В). Однако в напряжения +8В (темные точки), -8В (светлые точки) и отличие от случая, когда в качестве блокирующего +11 В (темные квадраты), -11 В (светлые квадраты) с длидиэлектрика используется SiO2, в случае использования тельностью 10 мс. Толщина туннельного окисла изменялась от ZrO2 не наблюдается паразитной инжекции электронов 1.5 до 3.5 нм.

Pages:     || 2 |



© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.