Репрограммируемые полупроводниковые запоминающие

РЕПРОГРАММИРУЕМЫЕ
ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ
ЗАПОМИНАЮЩИЕ
УСТРОЙСТВА НА ОСНОВЕ
МДП-ТРАНЗИСТОРОВ
(для Flash-памяти)
Пионером разработки методов размещения и считывания заряда была
компания Intel, которая разработала тестовый чип 32Мб по данной
технологии.
Первый тестовый
чип: Intel 1944г.
Параметры:
Напряжение
питания – 2.7-3.6
В

Время
считывания – 120
нс

Время записи –
11.3 мс

Время стирания
– 0.55с
Контролируемая инжекция заряда: программирование
ячейки flash-памяти должно очень хорошо
программироваться. Во время программирования нужно
подводить к ячейке ток на строго определенное время.
Контролируемое считывание инжектированного заряда:
операция чтения MLC-памяти – аналогово-цифровое
преобразование заряда, сохраненного в ячейке, в
цифровые данные.

Рабочая
температура - -40
- +85 °С

Надежное сохранение заряда на плавающем затворе: для
сохранения заряда на долгое время ставилась цель
сделать его утечку меньше одного электрона в день.
МДП - транзисторы



На основе этой системы (резистор –
МДП-транзистор) реализуется
элементарная логическая ячейка с
двумя значениями – 1 и 0.
Если в такой схеме М Д П транзистор открыт,
сопротивление его канала
составляет десятки или сотни
Ом, все напряжение питания
падает на нагрузочном
сопротивлении RH и выходное
напряжение Uвых близко к
нулю.
Если М Д П - транзистор при
таком соединении и закрыт,
сопротивление между областями
и стока и стокa велико
(сопротивление р - n перехода
при обратном включении), все
напряжение питания падает на
транзисторе и выходное
напряжение Uвых близко к
напряжению питания Uпит.

Для
изменения
величины
порогового
напряжения
необходимо
изменять
встроенный
в
диэлектрик
заряд Qox

В МНОП ПТ в качестве подзатворного диэлектрика используется двухслойное
покрытие. 1-й диэлектрик – туннельно прозрачный (d ox<50Å) слой двуокиси
кремния, 2-й диэлектрик – толстый (d≈1000Å) cлой нитрида кремния. Нитрид
кремния имеет глубокие ловушки в запрещенной зоне и значение
диэлектрической постоянной в два раза более высокое, чем диэлектрическая
постоянная двуокиси кремния. Ширина запрещенной зоны нитрида меньше
ширины запрещенной зоны окисла.

В МОП транзисторах с плавающим затвором используется второй затвор,
изготовленный из материала с высокой проводимостью, находящийся в объеме
подзатворного диэлектрика.
МНОП-транзистор

При подаче импульса положительного напряжения +Vgs на затвор в окисле возникает
сильное электрическое поле. Оно вызывает туннельную инжекцию электронов из п/п
через окисел в нитрид. Инжектированные электроны захватываются в «ловушки» в
запрещенной зоне нитрида кремния, обуславливая отрицательный встроенный в
диэлектрик заряд.(б)

После снятия напряжения заряд может долго храниться в «ловушках».

При подаче отрицательного напряжения на затвор происходит туннелирование
электронов с ловушек в зону проводимости.(в)

При снятии напряжения инверсионный канал исчезает.(а)
МОП ПТ с плавающим затвором



ПТ с ПЗ работает аналогично МНОП-Т, только
заряд хранится на плавающем затворе между
двумя подзатворными диэлектрическими
слоями.
Материал: например, кремний, легированный
фосфором.
Основной прибор для флэш-элементов памяти.
Характеристики флэш-памяти

Рассмотрим, как изменяются
характеристики МДПтранзисторов с плавающим
затвором при изменении
заряда на плавающем
затворе.

Для р-канальных
транзисторов запись
положительного заряда
увеличивает пороговое
напряжение в область
отрицательных напряжений,
а для n-канальных
транзисторов запись
отрицательного заряда
увеличивает пороговое
напряжение в область
положительных
напряжений.
Характеристики флэш-памяти
Устройства flash-памяти реализованы на базе МДП-транзистора с плавающим затвором,
который позволяет хранить электроны. Операция программирования производится
лавинной инжекцией электронов из стоковой области канала МДП-транзистора.
Если заряд плавающего затвора у однобитного транзистора <5000 электронов, то это
логическая «1», если >30000 электронов, то – логический «0».
Заряд ячейки вызывает изменение порогового напряжения, а по нему определяется кол-во
заряда на плавающем затворе.
Механизм записи информационного заряда на
плавающий затвор в р- и n-канальном МДП-транзисторе
В МДП-транзисторах с плавающим затвором при реализации их в качестве
элемента флэш-памяти используется три физических механизма
записи/стирания информационного заряда на плавающий затвор.

Первый — туннельная (автоэлектронная) инжекция по механизму Фаулера—
Нордгейма

Второй — инжекция горячих электронов из области канала вблизи стока,
обусловленная разогревом электронного газа в сильном электрическом поле
в этой области

Третий — инжекция горячих электронов или дырок, инициированная
туннельным пробоем зона—зона, полупроводниковой подложки.
В зависимости от конструкции и характеристик элементов флэш-памяти
используется тот или иной физический механизм.
Туннельная инжекция ФаулераНордгейма






При подаче на электрод затвора напряжения в подзатворном
диэлектрике возникает электрическое поле и протекает
инжекционный ток. Рассмотрим основные соотношения,
определяющие характер накопления инжектированного заряда
на плавающем затворе полевого транзистора. Величина заряда
(Qох(т) равна:
Qox(r) = ∫ l( t )dt где l(t) — величина инжекционного тока в
момент времени t.
Величина туннельного тока I(t) описывается соотношением для
туннельного тока Фаулера-Нордгейма из полупроводника в зону
проводимости диэлектрика через треугольный барьер:
I(t) = А(E )*ехр(-E /E )
где А и Е0 — параметры, характерные для туннельного
контакта.
Это уравнение называют уравнением Фаулера-Нордгейма.
0x
0
0x

Основной вклад в туннельный ток из полупроводника дают
электроны, расположенные вблизи дна зоны проводимости
полупроводника, а из металла – электроны, имеющие энергию
вблизи уровня Ферми в металле. Накапливаемый на плавающем
затворе инжектированный заряд Q(т) будет вызывать уменьшение
напряженности электрического поля Ет в первом диэлектрике.

Величина электрического поля Ет, обуславливающая
туннелирование, равна:

Из уравнений следует, что при малых временах х наполненный
заряд Q(x) мал и линейно возрастает с временем т, поскольку поле в
окисле Еох и туннельный ток l(t) постоянны.
Инжекция горячих электронов при лавинном умножении в
области канала вблизи стока
Двухмерный
характер
распределения
электрического
поля вблизи
стока
обуславливает
наличие как
продольной, так
и поперечной
составляющей
поля за счет
приложенного
напряжения к
стоку Vd.
Схема, иллюстрирующая разогрев и инжекцию горячих электронов
из области канала вблизи стока в подзатворный диэлектрик для nи р- канальных МДП транзисторов с плавающим затвором
Характеристики программирования для флэш-элементов памяти с использованием инжекции горячих электронов:
Инжекция горячих электронов и дырок при межзонном
туннелировании
Режимы записи/стирания в МДП-транзисторах
флэш-элементов памяти

На рисунке показаны три рабочих режима
дляn-канальных МДП-транзисторов. В
первом режиме запись (VG = 10 В, Vs = 0, Vn
= 5 В,= 0) осуществляется инжекцией
горячих электронов при лавинном
умножении в области канала вблизи стока,
а стирание (Va = -10 В, Vs = 4 В, VD —
плавающий, Vss = 0) осуществляется по
механизму Фаулера — Нордгейма в область
истока. Во втором ре жиме запись (Vg = 20
В, Vs = 0, VD — плавающий, = 0)
осуществляется туннелирова нием ФаулераНордгейма из области канала, стиранием
(VG = —10 В, Vs — плавающий, VD = 5 В, Vss
= 0) осуществляется туннелированием
Фаулера — Нордгейма в область сто ка. В
третьем режиме запись (VG = 20 В, Vs = 0,
VD = 0, Vss = 0) осуществляется
туннелированием Фаулера-Нордгейма из
области канала, стирание (VG = 0, —
плавающий, VD — плавающий, Vss = 20 В)
осуществляется туннелированием ФаулераНордгейма в область канала.
СПАСИБО ЗА ВНИМАНИЕ!
Кулдавлетова Ольга, Сорокин Дмитрий.
21302