Исследование ячейки КМОП-совместимого

МЭС-2014
Ермаков Игорь Владимирович
«ИССЛЕДОВАНИЕ ЯЧЕЙКИ КМОП-СОВМЕСТИМОГО ЭСППЗУ»
НИУ «МИЭТ», ОАО «НИИМЭ»
Научный руководитель:
д.т.н., Шелепин Н.А.
Зеленоград – 2014
Классификация некоторых видов п/п памяти
п/п память
Энергозависимая (Volatile)
ОЗУ (RAM)
ЭнергоНЕзависимая (Non-volatile)
ОДНОкратно
программируемая
или ПЗУ (ROM)
 масочное ПЗУ (mask ROM)
 статическое (SRAM)
 динамическое (DRAM)  пережигаемая перемычка (fuse)
 антипрожигаемая или пробиваемая
перемычка (antifuse)
МНОГОкратно
программируемая
 EPROM
ЭСППЗУ (EEPROM)
 флеш-память (flash)
по физическому принципу хранения данных:
 плавающий затвор
 захват заряда (МНОП или МОНОП)
 сегнетоэлектрическая (FeRAM)
 магнитная (MRAM)
 изменение сопротивления
2
Основной принцип работы элементов ЭСППЗУ
с плавающим затвором
рис. 1. Основной принцип работы элементов
ЭСППЗУ с плавающим затвором
рис. 2. Влияние заряда на плавающем
затворе n-МОП-транзистора на его
проходную характеристику
3
Современная типовая ячейка ЭСППЗУ (EEPROM)
рис. 1. Электрическая схема
ячейки EEPROM
рис. 2. Разрез структуры ячейки EEPROM
рис. 3. Топология 8-битного слова из ячеек EEPROM
4
«плюсы» и «минусы» ЭСППЗУ в стандартной
КМОП-технологии
Достоинства:
 полная совместимость со
стандартной КМОП-технологией
 отсутствие затрат на
дополнительные шаблоны и
технологические операции
 КСП (PDK) не требует изменения
Недостатки:
– площадь ячейки в несколько раз
больше, чем у ячейки в
специализированной технологии
– плохая перспектива
масштабирования
– предназначена для небольших
объемов памяти
Области применения:
 хранение различной служебной информации
 хранение кодов доступа к микросхеме
 хранение различных ключей
 память для идентификационных чипов небольшого объема (< 1Кбит)
 хранение подгоночных коэффициентов или подстроечных кодов для высокоточных
аналоговых блоков, таких как АЦП и ЦАП, прецизионные ИОН, системы ФАПЧ
5
Цели и задачи работы
Целью работы является исследование и разработка ячейки электрически
перепрограммируемой энергонезависимой памяти (ЭСППЗУ) в КМОПтехнологии с проектными нормами 0,18 мкм.
Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:
1. Анализ существующих конструктивно-технологических методов реализации
ячейки электрически перепрограммируемой энергонезависимой памяти в
стандартной КМОП- технологии.
2. Моделирование структуры ячейки памяти при помощи средств приборнотехнологического моделирования Synopsys Sentaurus TCAD. Создание
модели ячейки памяти в TCAD.
3. Проектирование
тестового
кристалла,
содержащего
различные
конструктивные варианты ячейки памяти и набор тестовых структур.
4. Исследование характеристик экспериментальных образцов ячейки памяти.
Анализ
экспериментальных
данных.
Сравнение
эксперимента
с
результатами моделирования, корректировка модели ячейки памяти.
5. Разработка схемно-конструктивных решений микросхем ЭСППЗУ и создание
на базе полученной ячейки блока памяти, а так же его экспериментальное
исследование.
6
Ячейка ЭСППЗУ в КМОП-технологии уровня 0,18 мкм
без дополнительных технологических операций
рис. 1. Электрическая схема ячейки памяти
рис. 2. Топология ячейки памяти
рис. 3. Разрез структуры ячейки памяти
7
Исследование характеристик ячейки памяти
Зависимость Vпор. от времени и напряжения записи/стирания
8
Исследование характеристик ячейки памяти
Зависимость Vпор. от кол-ва циклов перезаписи
9
Исследование времени хранения заряда
Зависимость Vth от времени хранения при повышенной T ºC
Режим Vpp=9 В, tpp=30 мс
10
Исследование времени хранения заряда
Зависимость Vth от времени хранения при повышенной T ºC
для ячейки с 3,2 нм туннельным окислом
Исследуемые режимы
Кол-во
№
Vpp, В
tpp, с
1
6,0
0,1
1
2
7,5
0,001
1
циклов
11
Энергия активации Ea, эВ
Зависимость Ea от режимов записи/стирания
0.45
0.43
0.41
0.39
0.37
0.35
0.33
0.31
0.29
0.27
0.25
1-100
7,5 В, 1 с
8 В, 300 мс
9 В, 30 мс
10 В, 1 мс
1000
10000
100000
количество циклов перезаписи
k  ln( t кр .ф1 )  ln( t кр .ф 2 ) 
Ea 
1
1

Tкр .ф1 Tкр .ф 2
tкр.ф1 – время, за которое пороговое напряжение
ячейки уменьшится на 50% при температуре Tкр.ф1;
tкр.ф2 – время, за которое пороговое напряжение
ячейки уменьшится на 50% при температуре Tкр.ф2.
k – постоянная Больцмана, равная 8,6·10-5 эВ/ºК.
12
Время хранения заряда, лет
Зависимость времени хранения заряда ячейки
При 50 ºС от режимов записи/стирания
E
t хр  tкр .ф  exp  a
 k
70
60
50
7,5 В, 1 с
8 В, 300 мс
9 В, 30 мс
10 В, 1 мс
40
30
20
10
1-100
1000
10000
100000
количество циклов перезаписи


1
1



 T  273 T  273 
кр .ф
 хр

tхр – время хранения заряда при
температуре Tхр=50 ºС;
tкр.ф – время воздействия ускоряющего
фактора (повышенной температуры Tкр.ф).
k – постоянная Больцмана, равная 8,6·10-5
эВ/ºК.
13
Практическое применение результатов работы
Чип ИС синтезатора
частот
1,8х1,8 мм2
Чип ИС
идентификационной
метки
0,42х0,37 мм2
Блок ЭСППЗУ
14