Устройство памяти на тонкопленочной структуре кремния на стекле

Изобретение относится к полупроводниковым приборам оптоэлектроники и устройствам памяти. Сущность изобретения: в устройстве памяти, включающем подложку с нанесенными тонкими слоями оксида церия и кремния, и металлическими электродами для записи и стирания информации, подложка выполнена из стекла, подвергнутого предварительной очистке ацетоном, изопропиловым спиртом, на которую нанесен слой оксида церия при температуре, превышающей 600°С, толщиной более 3 нм и пленка кремния толщиной 50-100 нм. Изобретение позволяет увеличить время хранения информации, упростить технологию изготовления и снизить затраты на производство. 3 з.п. ф-лы, 4 ил.

 

Описание изобретения:

Изобретение относится к полупроводниковым приборам оптоэлектроники и устройствам памяти.

Известно устройство памяти [1], содержащее наноструктуру с каналом исток-сток с кремнием на изоляторе, в котором методом электронной литографии сформирована квантовая точка из поликристаллического кремния с размерами 40 нм и 240 нм. Запись производится путем запасания одноэлектронного заряда на емкости квантовой точки под действием потенциала затвора. При этом емкость определяется толщиной оксидного слоя и геометрией квантовой точки. Недостатками такого устройства являются сложность технологических операций напыления слоев и травления, достаточно большие размеры ячейки памяти, приводящие в невысокой степени интеграции. Также недостатком является недолговечность прибора, обусловленная деградацией оксидного слоя. Также известно устройство [2] памяти, выполненное в виде полевого транзистора по схеме расположения кремний-на-изоляторе с шириной канала 30 нм и длиной до 1 мкм. Нанокристаллы кремния со средним размером около 8 нм и поверхностной плотностью 2-4×10 см^-2 напылялись на кремний методом вакуумно-плазменного осаждения. Подзатворный диэлектрик SiO₂ толщиной 30 нм напылялся методом вакуумно-плазменного осаждения при низком давлении. Недостатками этого устройства являются сложная и дорогостоящая технология изготовления устройства памяти, заключающаяся в напылении различных слоев и высокого уровня флуктуаций шума при малых размерах ширины канала, обусловленные случайным распределением по поверхности напыленных нанокристаллов кремния.

Следующим известным устройством является устройство [3] памяти на массиве нанокристаллов кремния площадью до 100 мм² с размерами одного элемента 90 нм. Плотность распределения нанокристаллов на поверхности составляет 10¹² см^-2. Длина затвора была равна 120 нм при толщине оксида кремния 5 нм.

Недостатками этого устройства являются низкая скорость перезаписи, обусловленная оксидом кремния, и недолговечность, связанная с деградацией диэлектрика из-за диффузии примесей и дефектов.

Следующим известным устройством является устройство памяти [4], состоящее из электродов сток-исток, затвора, управляющего туннелированием электронов, слоя нанокристаллического кремния, внедренного в оксид кремния SiO₂, и слоя оксида алюминия Аl₂О₃, напыленного методом пиролиза молекул триметилалюминия на поверхности оксида кремния. Это устройство обладает сравнительно большой плотностью нанокристаллов и высокой степенью интеграции. Контроль за поверхностной плотностью нанокристаллов и поверхностным распределением достигается за счет использования химических свойств слоя оксида алюминия, на котором выращиваются нанокристаллы кремния.

Недостатками этого устройства являются значительное время переключения, обусловленное слоями диэлектриков SiO₂ и Аl₂О₃. Другим недостатком является влияние эффекта Кулоновской блокады на процессы записи в элемент памяти, так как он производится путем туннелирования электронов в нанокристаллы. Также энергетические потенциальные характеристики ловушек электронов варьируют эмиссию электронов благодаря эффекту Фаулера-Нордгейма, что сказывается на разбросе пороговых значений потенциала.

Наиболее близким к заявляемому является устройство [5], включающее в себя слой 3.5 нм оксида церия СеO₂, слой кремния толщиной 2.5 нм, тонкий слой оксида церия толщиной 3.5 нм, нанесенный на подложку монокристаллического кремния Si (111), подвергнутую предварительной химической очистке ацетоном, изопропиловым спиртом и раствором плавиковой кислоты и покрытую буферным слоем Si толщиной 20 нм. Запасание заряда происходит в тонкий слой кремния при туннелировании зарядов через барьер, создаваемый диэлектрическим слоем оксида церия.

Основным недостатком такого устройства является малое время хранения заряда за счет распада состояния через тонкие стенки потенциального барьера, создаваемого оксидом церия. Другими недостатками этого устройства являются технологическая сложность изготовления прибора, дорогостоящая технология изготовления, сравнительно низкая степень интеграции, обусловленная размерами прибора.

Технической задачей предлагаемого изобретения является увеличение времени хранения информации, а также степени интеграции, уменьшение размеров прибора, снижение технологической сложности и затрат на производство при использовании технологии.

Техническим решением поставленной задачи является устройство памяти, включающее электроды для записи информации, тонкопленочную структуру кремния напыленного на тонкий слой диэлектрического материала двухоксида церия толщиной от 3 нм до 10 нм, напыленного на подложку стекла. При этом на обратную сторону этой подложки прямо под структурой кремний-двухоксид церия нанесена токопленочная спираль алюминия с металлическими выводами, служащая для разогрева подложки и стирания накопленной информации. Алюминиевая спираль наносится методом термического испарения алюминия и маскирования подложки и имеет толщину около 1 мкм.

На фиг.1 представлены спектры комбинационного рассеяния структуры кремний на оксиде церия, нанесенные на поверхность стекла после предварительного нагревания до 190°С при последующем приложении электрического поля с различными значениями напряженностей электрического поля, реализующего запись информации. На фиг.2 представлена схемы устройства памяти, включающая в себя подложку стекла 1, подвергнутую предварительной химической очистке ацетоном, изопропиловым спиртом и деионизованной водой и травлению в растворе кислоты HF, и термическому нагреванию в вакууме до температуры, превышающей 600°C с нанесенными последовательно тонкими диэлектрическими слоями оксида церия 2 толщиной более 3 нм, и оксида кремния или нитрида кремния 3, и пленки кремния 4 толщиной 50 нм, металлическими электродами, выполненными из металлов, таких как золото, индий, никель, кобальт, сплава MoW для записи и стирания информации 5 и 6. Запись производится путем подачи электрического импульса на электрод 5. Стирание производится приложенным электрическим потенциалом к электроду 6.

На фиг.3 представлена схема устройства памяти с возможностью считывания информации и ее стирание оптическим излучением. Устройство включает в себя подложку, выполненную из стекла 1, тонкий слой 2, выполненный из напыленного материала СеО₂, тонкий слой 3 из диэлектрического материала SiO₂ или нитрида кремния, пленки поликристаллического кремния 4, электрод 5, выполненный из тонкопленочного материала индий-олово-оксид (ITO), прозрачного для излучения, и металлического электрода 6. Импульс электрический, подаваемый на электрод 6, осуществит запись информации в устройстве памяти, а стирание производится с использованием излучения, проникающего со стороны стеклянной подложки и прозрачного ITO слоя. Также считывание информации может быть реализовано с использованием излучения с использованием регистрации оптического сигнала фиксированных спектральных компонент комбинационного рассеяния, как показано на фиг.1.

На фиг.4 представлена схема устройства, включающего в себя подложку 1 из стекла Corning 1737 или Corning 7059, тонкий слой 2 из материала диэлектрика СеО₂, слой оксида кремния 3, пленку кремния 4, тонкопленочную спираль нагревателя 5, выполненную из платины или алюминия, слой легированного поликристаллического кремния 6, металлические электроды 7. Запись осуществляется путем подачи электрического импульса на один из электродов 7, а стирание информации путем прогрева активного слоя до 190°С [6] с использованием нагревателя 5. Считывание информации производится оптически с использованием лазерного излучения [6]. Примером конкретного исполнения может служить устройство, включающее также нагреватель, который реализуется при нанесении на обратную сторону стеклянной подложки тонкой алюминиевой пленки толщиной 1 мкм позволяющая осуществлять нагревание подложки до температуры 190°С, соединяющуюся с металлическими выводами для реализации нагрева.

Источники информации

1. Устройство памяти, включающее в себя подложку с нанесенными тонкими слоями оксида церия и кремния и металлическими электродами для записи и стирания информации, отличающееся тем, что подложка выполнена из стекла, подвергнутого предварительной очистке ацетоном, изопропиловым спиртом, на которую нанесен слой оксида церия при температуре, превышающей 600°С, толщиной более 3 нм и пленка кремния толщиной 50-100 нм.

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что, с целью увеличения степени интеграции, тонкая пленка кремния подвергнута травлению методом лучевой литографии, и полученные островки кремния служат отдельными ячейками памяти, а металлические электроды нанесены непосредственно на кремний.

3. Устройство по п.1, отличающееся тем, что на стеклянную подложку с обратной стороны нанесена алюминиевая пленка толщиной 1 мкм, позволяющая осуществлять нагревание подложки до температуры 190°С, соединяющаяся с металлическими выводами для реализации нагрева.

4. Устройство по п.1, отличающееся тем, что устройство памяти, содержащее структуру, состоящую из тонкой пленки кремния, напыленной на тонкий слой оксида церия, содержит оптически прозрачную пленку проводящего слоя ITO (индий-цинк-оксид), на который нанесен слой прозрачного оксида кремния, позволяющие осуществлять стирание информации с помощью света от источника излучения.