Дипломная работа: Методика расчета и оптимизации ячеек памяти низковольтовых последовательных ЭСППЗУ

Микросхемы ПЗУ хранят информацию при отключении источника питания, тогда как в микросхемах ОЗУ она теряется.

Важнейшими параметрами элемента памяти являются площадь, занимаемая им на кристалле, и потребляемая мощность. Для достижения максимальной информационной емкости площадь элемента, а значит, и размеры транзисторов (длина, ширина канала и др.) должны быть минимальными. Они зависят от разрешающей способности фотолитографии, задающей минимальный топологический размер. При сравнении элементов памяти разных типов удобно оценивать их площадь не в абсолютных, а в относительных единицах — числом литографических квадратов со стороной. Относительная площадь характеризует «качество» схемотехники и топологического проектирования элементов памяти.

Репрограммируемые ПЗУ хранят информацию при отключенном источнике питания. Ввод информации называют программированием. Установку элементов памяти в исходное одинаковое состояние, соответствующее хранению лог. О (или лог. 1), называют стиранием информации. В зависимости от типа элементов памяти оно может осуществляться электрическим или неэлектрическим способом. Соответствующие устройства обозначают ЭСППЗУ (электрически стираемые программируемые ПЗУ) или СППЗУ. В СППЗУ стирание осуществляется сразу для всех элементов накопителя, в ЭСППЗУ его можно произвести в отдельной строке и даже в произвольно выбранном одном элементе. Стирание и последующее программирование образуют цикл перепрограммирования.

Элементы памяти основываются на бистабильных МДП-транзисторах, которые могут находиться в одном из двух состояний, соответствующих хранению лог. 1 или лог. О. Наиболее распространенными являются транзисторы с «плавающим» затвором, у которых между управляющим затвором и подложкой расположен второй затвор, со всех сторон окруженный диэлектриком. Потенциал второго затвора изменяется в зависимости от заряда на нем, отсюда и название «плавающий». Хранимая информация определяется зарядом на плавающем затворе.

2.1 Элементы СППЗУ

В отличие от постоянных запоминающих устройств (ПЗУ) и однократно программируемых постоянных запоминающих устройств (ППЗУ), которые не допускают изменения однажды записанной информации, в стираемых ПЗУ информацию можно перезаписывать многократно. Стирание информации производится с помощью ультрафиолетового облучения. Длительность хранения записанной информации может доходить до нескольких лет и более. Поэтому стираемые ПЗУ часто называют энергонезависимой памятью (памятью с сохранением информации при выключении электропитания). Существует много различных типов стираемых ПЗУ незначительно отличающихся принципами действия и структурой, причем каждый тип имеет свои разновидности.

Электрически программируемые ПЗУ (ЭППЗУ) не требуют для стирания информации ультрафиолетового облучения. Запись и удаление информации из запоминающего элемента производится с помощью приложения высокого напряжения. Примером ЭППЗУ является структура с плавающим затвором и туннельным переходом (ПЛТМОП). В таких ПЗУ информация стирается электрически последовательно бит за битом.

В настоящее время моделирование и оптимизация конструкции ЭСППЗУ осложнено отсутствием модели запоминающего элемента, основой которого является участок с туннельным окислом. Для модели требуется создание схемы замещения этого участка на основе анализа элементной базы низковольтовых ЭСППЗУ, а также методики расчета и оптимизации конструкции ячейки.

В случае хранения лог. 1 на плавающем затворе существует отрицательный заряд электронов и пороговое напряжение по управляющему затвору, получается высоким (несколько вольт). Если хранится лог. О, то заряд на плавающем затворе равен нулю или положителен, тогда пороговое напряжение, низкое (или даже отрицательное). Так как токи утечки диэлектрика ничтожно малы, то время хранения, являющееся важным параметром элемента памяти, большое. По оценкам оно превышает 10 лет при повышенной температуре (70...100'С), когда токи утечки максимальны.

В режиме считывания на шину выбранной строки подают напряжение, лежащее в пределах порогового, а на шины остальных строк — напряжение, меньшее порогового, так что в элементах памяти этих строк транзисторы закрыты. В выбранной строке транзисторы будут открытыми или закрытыми в зависимости от хранимой информации. Следовательно, в шине выбранного столбца в случае хранения лог. 0 будет протекать ток, а в случае хранения лог. 1 ток равен О. Ток в шине столбца воспринимается усилителем считывания. Время считывания определяется значением тока, чувствительностью и быстродействием усилителя и других схем обслуживания. Оно того же порядка, что и в СБИС ОЗУ.

В режиме программирования напряжение на шине выбранного столбца устанавливается высоким (около 15..20 В), если необходимо создать отрицательный заряд на плавающем затворе (запрограммировать лог. 1). В противном случае это напряжение равно 0. Напряжение на шине выбранной строки также устанавливается высоким, причем большим напряжения программирования столбца. Программирование основано на инжекции горячих электронов в окисел у стокового конца канала. Они генерируются в сильном электрическом поле, высокая напряженность которого обусловлена малой длиной канала и большим напряжением программирования. Число инжектированных электронов пропорционально току канала, составляющему несколько миллиампер. Так как напряжение на управляющем затворе выше, чем на стоке, в диэлектрике существует вертикальная составляющая вектора напряженности электрического поля, благодаря которой инжектированные в окисел электроны дрейфуют к плавающему затвору и накапливаются на нем. Ток через диэлектрик очень мал (единицы пикоампер), поэтому время программирования одного элемента памяти весьма велико (около 1 мс) и на 4 порядка превышает время считывания.

Стирание (удаление электронов с плавающего затвора) производится облучением кристалла ультрафиолетовым светом, для чего в корпусе микросхемы предусматривается окно с кварцевым стеклом. Под действием света электроны приобретают энергию, достаточную для перехода с плавающего затвора в диоксид. Далее они дрейфуют в подложку, потенциал которой должен быть выше, чем на управляющем затворе. Время стирания порядка 1 мин. Для проведения этой операции микросхема должна быть извлечена из устройства и поставлена в специальную установку стирания, что практически не всегда удобно, причем стирается содержимое всего накопителя.

В каждом цикле перепрограммирования происходят небольшие изменения в физической структуре элемента. Протекание токов через диоксид приводит к захвату в нем электронов ловушками и образованию дополнительного поверхностного заряда. Установлено, что после большого числа циклов разность порогового напряжения 0 и 1 уменьшается. Поэтому существует максимально допустимое число циклов перепрограммирования (около 10³ ).

Достоинством рассмотренного элемента является его простота и малая площадь (6...10 литографических квадратов). Это позволяет создавать СБИС большой информационной емкости (1 Мбит и выше).

2.1.1 Элементы ЭСППЗУ, программируемые с помощью туннельного эффекта

Ha рисунке 1 показана структура, а на рисунке 2 эквивалентная схема элемента памяти. Левая часть структуры образует бистабильный транзистор (1 — исток, 2 — сток, 3 — управляющий затвор, совмещенный с шиной программирования строки Х_прог , 4 — плавающий затвор). Слой диоксида 5, отделяющий сток 2 от затвора 4, имеет очень малую толщину — порядка 10 нм (туннельно-тонкий диоксид). При программировании на шину Х_прог выбранной строки подают высокое напряжение (20 В). Если на плавающий затвор надо ввести заряд (запрограммировать лог. 1), то на стоке следует установить нулевое напряжение. Тогда происходит туннелирование электронов из стока в слой 5 и их дрейф на плавающий затвор. Если же не надо вводить заряд, то на стоке устанавливают такое же напряжение, как и на управляющем затворе. Для стирания (удаления заряда) на управляющий затвор необходимо подать нулевое напряжение, а на сток — высокое. Тогда электроны совершают обратный переход с плавающего затвора в сток. Таким образом, программирование и стирание идут с одинаковой скоростью. Эти процессы отличаются только знаком напряженности электрического поля в слое 5 и направлением движения электронов.

Достоинством рассмотренного элемента является возможность стирания информации в произвольно выбранном элементе памяти за малое время (менее 1 мс). Максимальное число циклов перепрограммирования достигает 10⁶ — больше, чем для элементов, использующих инжекцию горячих электронов. 0днако площадь элемента памяти в 3...4 раза больше, чем у элементов ПЗУ и составляет 30...40 литографических квадратов. Недостатком также является необходимость получения тонкого высококачественного диоксида, что сложно технологически и ухудшает надежность.

Рисунок 1

Рисунок 2

Толщина диоксида может быть увеличена в несколько раз, если использовать туннелирование с шероховатой поверхности поликремния. Структура элемента памяти содержит три слоя поликремния, взаимное расположение которых показано на рисунок 3 (области истока, стока и шины Х, Y для простоты не показаны). Источником электронов при программировании служит электрод 1 первого слоя поликремния, являющийся общей шиной (он соединяется с областью истока транзистора). Плавающий затвор 2 создают нанесением второго, а затвор управления 8 — третьего слоя поликремния. Толщина диоксида между слоями 1 и 2, 2 и 3 около 0,04 мкм. В такой структуре возможно только одностороннее туннелирование с электрода 1 вверх. Обратное туннелирование вниз невозможно, так как нижняя поверхность плавающего затвора гладкая, а напряженность электрического поля из-за большой толщины диэлектрика мала.

Для удаления электронов с плавающего затвора при стирании используют туннелирование вверх и дрейф электронов на управляющий затвор. В обоих режимах программирования и стирания на управляющий затвор (шину Х_прог )подают высокое напряжение 15...20 В. Чтобы при программировании не было перехода электронов с плавающего затвора на управляющий, а при стирании- с электрода 1 на плавающий затвор, между плавающим затвором и специальной управляющей шиной У_прог создают конденсатор связи C_св . При программировании (рисунок 3) на У_прог подают положительное напряжение U₀ , дополнительно повышающее потенциал плавающего затвора. Разность потенциалов между ним и управляющим затвором получается малой, и туннелирование с плавающего затвора вверх отсутствует. При стирании (рисунок 4) на управляющей шине У_прог устанавливают нулевое напряжение, понижающее потенциал плавающего затвора. В результате разность потенциалов между затворами 3 и 2 получается высокой и идет интенсивное туннелирование электронов с затвора 2 вверх. В то же время разность потенциалов между электродами 2 и 1 мала и туннелирование с электрода 1 отсутствует.

Элемент памяти по сравнению с предыдущим характеризуется меньшей площадью (15…20 литографических квадратов), что позволяет создать СБИС с большей информационной емкостью (256 Кбит…1Мбит). Из-за гораздо больших токов туннелирования время программирования получается меньше (0,003 мс/байт).

Рисунок 3

Рисунок 4

3. МОДЕЛИРОВАНИЕ ЯЧЕЙКИ ЭСППЗУ

В данной работе будет рассмотрен теоретический анализ и экспериментальные данные по программированию и стиранию ячейки памяти программируемой туннельным током.

Структура такой ячейки изображена на рисунке 5. Это n-канальный транзистор с плавающим затвором. Тонкий окисел (~100 ангстрем) между плавающим затвором и стоком способен пропускать электроны (туннелирование) инжектируемые и поглощаемые плавающим затвором во время операций записи/стирания согласно эффекту Фаулера-Нордхайма.

Во время записи плавающий затвор заряжается отрицательно электронами, туннелирующими из стоковой области через тонкий оксид. Это достигается за счет приложения положительного потенциала к верхнему (управляющему) затвору, в то время как сток и подложка заземлены. Накопившийся отрицательный заряд на плавающем затворе сдвигает пороговое напряжение транзистора на большую положительную величину. При последующем считывании транзистор будет закрыт.

Операция стирания заключается в снятии отрицательного заряда с плавающего затвора с помощью приложенного к стоку высоковольтного импульса, в то время как исток свободен (не подключен), а оба затвора и подложка заземлены. Величина порогового напряжения смещается в отрицательном направлении, и транзистор открывается при последующем чтении.