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

В схемах памяти используется двухтранзисторная ячейка. Дополнительный транзистор вводится для изоляции ячейки от воздействия сигналов соседних ячеек во время циклов записи/стирания.

В данной работе рассматривается анализ и моделирование режимов записи/стирания, учитывая эффекты, которые возникают во время стирания.

Рисунок 5

3.1 Упрощенная модель ячейки памяти

Для того чтобы получить представления о работе ячейки используется упрощенная модель эквивалентной схемы прибора, представленная на рисунке 6. Более детальный анализ будет рассмотрен в главе 3.2.

Плотность тока текущего через тонкий окисел приближенно вычисляется при помощи уравнения Фаулера-Нордхайма:

J_tun = aE_tun * (exp ( -b/E_tun )); (1)

где E_tyn это электрическое поле в окисле, а a и b - константы. Электрическое поле в тонком окисле рассчитывается так:

E_tyn = êV_tun ê/X_tun ; (2)

где V_tun это напряжение туннелирования через окисел, а X_tun это толщина тонкого окисла. Напряжение туннелирования может быть рассчитано через емкостную эквивалентную схему ячейки

Рисунок 6

3.1.1 Расчет V_tun

C_pp это емкость между плавающим и управляющим затвором, C_{t u n} это емкость тонкого окисла, C_gox это емкость подзатворного окисла между плавающим затвором и подложкой, Q_fg это заряд, накопившийся на плавающем затворе. V_tun может быть рассчитан для электрически нейтрального затвора по простому соотношению коэффициентов:

êV_tun ê_запись = V_g * K_w ; (3)

Где K_w = C_pp /(C_pp + C_gox + C_tun ); (4)

и êV_tun ê_{стирание} = V_d * K_e ; (5)

где K_e = 1 - (C_tun /(C_pp + C_gox + C_tyn ); (6)

где V_g и V_d напряжения на затворе и истоке соответственно, а коэффициенты K_e и K_w обозначают напряжение, которое проходить сквозь тонкий окисел при стирании и записи соответственно. Формулы (3) и (5) справедливы, только если Q_fg =0. Во время записи сохраненный на плавающем затворе потенциал понижает пороговое напряжение тонкого окисла согласно следующей формуле:

êV_tun ê_запись = V_g * K_w + (Q_fg /(C_pp + C_gox + C_tyn ) (3’)

Во время стирания отрицательный начальный потенциал плавающего затвора повышает пороговое напряжение тонкого окисла согласно соотношению:

êV_tun ê_{стирание} = V_d * K_e – (Q_fg /(C_pp + C_gox + C_tyn ); (5’)

После завершения операции стирания, когда затвор заряжен положительно последний коэффициент уравнения (5) понижает напряжение потенциал тонкого окисла.

3.1.2 Расчет пороговых напряжений

Начальное пороговое напряжение ячейки, которое соответствует Q_fg =0, обозначается как V_ti . Начальный заряд смешает порог согласно соотношению:

DV_ti = -Q_fg /C_pp (7)

Используя соотношения (3') и (5') для определения Q_fg при снятии импульса записи/стирания пороговые напряжения определяются так:

V_tw = V_ti - Q_fg /C_pp = V_ti + V_g (1 - (V’_tun /K_w * V_g )) (8)

V_te = V_ti - Q_fg /C_pp = V_ti - V_d (K_e /K_w - (V’_tun /K_w * V_d )) (9)

Здесь V_tw это порог записи ячейки, а V_te это порог стирания ячейки.V_g и V_d это амплитуды импульсов записи и стирания соответственно, а V’_tun это напряжение в тонком окисле после снятия импульса. Предположим, что импульс записи/стирания по времени достаточно длинный, тогда электрическое поле в тонком окисле уменьшится до значений близких 1*10⁷ В/см. При такой напряженности поля туннелирование практически прекращается. Приближенное значение V_tun может быть получено из выражения (2) и подставлено в (8) и (9) для получения приближенных значений окна программирования ячейки, зависимости параметров ячейки и напряжения программирования. Типичные результаты представлены графиками на рисунке 7.

Для того чтобы увеличить окно ячейки нужно увеличить толщину тонкого окисла и напряжение записи/стирания, причем значения связывающих коэффициентов должны быть максимально приближены друг к другу. Оба связывающих коэффициента должны увеличиваться при уменьшении C_tun и увеличении C_pp . При увеличении толщины тонкого окисла это обычно достигается за счет уменьшения площади тонкого окисла и внедрения дополнительной поликремниевой области перекрытия в транзисторе ячейки. Типичное значение связующих коэффициентов равно 0,7, причем K_e всегда больше K_w . Увеличение емкости подзатворного окисла C_gox увеличивает K_e , но уменьшает K_w .