Некоммерческая организация «Ассоциация московских вузов» ГОУ ВПО МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ИНСТИТУТ

Некоммерческая организация «Ассоциация московских вузов»
ГОУ ВПО МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ИНСТИТУТ
ЭЛЕКТРОННОЙ ТЕХНИКИ (ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ)
Полное название вуза
Научно-информационный материал
Разработка энергонезависимой памяти на основе наноразмерных слоев в МОНОП структурах.
Перспективы развития энергонезависимой памяти на основе наноразмерных слоев
в МОНОП структурах.
Полное название НИМ или НОМ
Москва 2009 г.
Перспективы развития энергонезависимой памяти на основе наноразмерных слоев в
МОНОП структурах.
В
настоящее
запоминающие
время
устройства
электрически
(ЭППЗУ
или
перепрограммируемые
ФЛЭШ
память)
имеют
постоянные
рынок
сбыта,
превышающий рынки ОЗУ и микропроцессоров вместе взятых. На гражданском рынке
доминируют ЭППЗУ с плавающим затвором. Существует два основных вида ЭППЗУ. В
приборах
с
поликремний,
плавающим
затвором
изолированный
от
в
качестве
канала
и
запоминающей
затвора
среды
транзистора
выступает
диэлектриком.
Программирование такого элемента памяти осуществляется путем инжекции электронов
из кремния в плавающий затвор туннельным механизмом Фаулера-Нордгейма, либо за
счет разогрева электронов в канале. Накопление электронов в плавающем затворе
(поликремнии) приводит к переводу запоминающего транзистора в непроводящее
состояние (отсутствие канала - логический “0”). Перепрограммирование осуществляется
путем подачи на управляющий затвор отрицательного потенциала - электроны из
плавающего затвора туннелируют обратно в кремниевую подложку. При этом в подложке
образуется проводящий инверсионный канал (логическая “1”).
Недостатком ЭППЗУ с плавающим затвором является невозможность их
дальнейшего масштабирования от гига до терабитного масштаба. Масштабирование
такого элемента памяти связано с серьезными трудностями из-за стекания заряда через
окисел в кремниевую подложку. В то же время именно масштабирование (уменьшение
размеров) и приводит к увеличению информационной емкости флэш-памяти. В настоящее
время максимальная емкость флэш-памяти, доступной на рынке, составляет 4Гб
(109бит/кристалл).
Естественный способ расширить
масштабируемость
приборов с плавающим
затвором состоит в том, чтобы заменить хранение заряда на плавающем затворе
диэлектрическим материалом, в котором заряд накапливается на глубоких ловушках.
Другой тип ЭППЗУ основан на эффекте локализации электронов в тонких (~5нм)
аморфных пленках нитрида кремния Si3N4. Нитрид кремния обладает эффектом памяти 2
свойством локализовать инжектированные в него электроны и дырки. Время жизни
электронов в локализованном состоянии составляет более 10 лет. В качестве
запоминающих структур в таких элементах памяти МОНОП выступают silicon-oxidenitride-oxide structures-SONOS (Si-SiO2-Si3N4-SiO2-polySi,) (рис.1.). Радиационно-стойкие
МОНОП приборы используются для специальных применений. Согласно прогнозам, при
разработке терабитных (1012 бит/ кристалл) схем ЭППЗУ элементы памяти с плавающим
затвором будут вытеснены МОНОП структурами.
Через нижний туннельный окисел SiO2 толщиной ≈1.8нм электроны или дырки
туннелируют в нитрид кремния и захватываются в нем на ловушки. Верхний “толстый”
окисел толщиной ~5нм блокирует инжекцию электронов из поликремниевого затвора в
нитрид кремния.
Рис. 1.- Структурная схема элементарной ячейки памяти
Срок хранения информации в обеих структурах находится на одном уровне, но
элемент памяти на основе плавающего затвора имеет ряд недостатков. Данный элемент
сложнее технически исполнить. В случае наличия дефектов весь заряд стекает с затвора.
Кроме того, такие структуры чувствительны к ионизирующему излучению.
Одним из недостатков МОНОП приборов, ограничивающий возможность
масштабирования, состоит в том, что при уменьшении толщины блокирующего окисла
электроны, стираемые через нижний оксид с помощью электронов или дырок, могут
восполняться туннелирующими электронами через верхний оксид в нитрид. В результате
3
происходит насыщение режима стирания, которая ограничивает скорость стирания при
данной толщине нижнего оксида.
Очень тонкая толщина нижнего оксида порядка ~1 нм также не допустима, потому
что заданные требования хранения могут быть не достигнуты.
В перспективе применение новых материалов с высокой диэлектрической
проницаемостью (high-k) будет способствовать преодолению указанных ограничений и
расширит область применения МОНОП приборов.
Исследования оксинитрида, так же как и окиси гафния, окисла алюминия и других
материалов в качестве возможной альтернативы нитриду кремния актуальны и
перспективны для создания новых приборов.
4