Энергонезависимая память на нанокристаллах, синтезированных ионными пучками
Рис. 2. Схематическое сечение МОП транзистора с плавающим затвором.
Элементарные ячейки флэш-памяти могут состоять как из одного, так и из двух транзисторов. В простейшем случае каждая ячейка хранит один бит информации и состоит из одного полевого транзистора со специальной электрически изолированной областью (плавающим затвором), способной хранить заряд многие годы. Ячейка флэш-памяти представляет собой одиночный многовходовый МОП-транзистор (рис. 2). Проводящий поликремниевый слой между внешне доступным затвором и подложкой обозначен как плавающий затвор (FG). Диэлектрики между FG и подложкой (обычно термический оксид кремния), а также между FG и контрольным входом обычно называются туннельным и управляющим диэлектриком соответственно.
Одно из главных преимуществ памяти на нанокристаллах по сравнению с обычными устройствами на основе плавающих затворов состоит в использовании взаимно изолированных узлов хранения заряда вместо непрерывного поликремниего слоя. Такой неоднородный плавающий затвор уменьшает потерю зарядов через дефекты в окисле, где происходит туннелирование, позволяя все более уменьшать толщины туннельного окисла. Кроме того, как в большом числе современных технологий, для улучшения работы памяти на основе плавающего затвора с нанокристаллами, могут быть использованы эффекты квантовой локализации, кулоновской блокады, а также дискретные ловушки, распределенные в нитридном слое.
Параметры памяти на нанокристаллах и в первую очередь ее производительность сильно зависят от следующих факторов: (а) возможности создания простым и гибким методом, совместимым с существующей КМОП-технологией, однородных, воспроизводимых и перестраиваемых структур; (б) выбора технологии производства, совмещающей в себе введение примеси, управление оксидом и освобождение от дефектов границы раздела SiO2/Si для производства нанокристаллов в нужном месте подзатворного окисла; (в) структурных характеристик изолированных кластеров (размер, форма, плотность), которые влияют на потенциальную энергию захваченных электронов, энергии кулоновской блокады, эффективное экранирование канала и электрическую изоляцию хранимых зарядов.
Поскольку оптимальный средний размер нанокристалла ниже современной разрешающей способности литографии, весьма привлекательным оказался способ изготовления нанокристаллов путем самоформирования.
Среди различных способов получения захороненного слоя нанокристаллов, исследуемых в течение последних лет, методика ионно-лучевого синтеза обратила на себя большое внимание из-за своей гибкости и производственных преимуществ.
Один из механизмов создания области затвор-диэлектрик, состоящей из управляющего оксида (верхний слой), слоя оксида с захороненными нанокристаллами германия (средний слой) и туннельного оксида (нижний слой), представлен на рис. 5..
Рис. 5. Формирование слоя нанокристаллов Ge в подзатворном диэлектрике для хранения заряда в устройствах памяти.
Такая техника создания нанокристаллов позволяет очень точно контролировать толщину оксидов окружающих захороненный слой нанокристаллов. В первую очередь на поверхности кремниевой подложки создается тонкий эпитаксиальный слой Si1-xGex с последующим высокотемпературным влажным окислением, которое заставляет имплантированный Ge скапливаться на границе раздела Si/SiO2 (вследствие отделения растущего оксида в данных условиях окисления). После удаления слоя высокотемпературного оксида верхний слой оксида выращивается при 800°С в атмосфере сухого О2. В таких условиях Ge не взаимодействует с растущим оксидом. Затем слой Si1-xGexO2 выращивается при 650оС во влажной среде таким образом, что Ge проникает в область затвор-диэлектрик. На заключительном этапе выращивается туннельный оксид при 800оС в атмосфере сухого О2, а затем структура отжигается при температуре 900оС, что приводит к образованию преципитатов Ge и формированию захороненного слоя нанокристаллов.
Возможность ионно-лучевого синтеза применительно к памяти на нанокристаллах была недавно расширена за счет синтеза в режиме сверхнизкой энергии (1 кэВ) двумерных массивов кремниевых нанокристаллов в тонких слоях SiO2. Комбинация сверхнизкой энергии ионно-лучевого синтеза и толщины оксида позволяет формировать нанокристаллы Si вблизи границы раздела SiO2/Si, что может быть применено в создании ОЗУ и ПЗУ типов памяти.