Коледов Л.А. - Технология ИС (1086443), страница 29
Текст из файла (страница 29)
Решение проблемы, как оказалось, нашлось на том пути, который сначала представлялся невозможным. После исследования многих методов генерирования электронов с высокой энергией (горячих) было решено подойти к проблеме с другой стороны: найти способ проникновения электронов с низкой энергией через окисел. Реализовать такой способ можно было с помощью туннелирования Фаулера — Иордхсйма, предсгавляющего собой хорошо известный физический механизм, который проиллюстрирован с помощью зонной диаграммы на рис.
3.39. По существу, дело здесь заключается в том, что когда электрическое поле в диэлектрике становится 124 больше примерно 10 В/см, электроны с отрицательно заряженно- 7 го электрола (на рнс. 3.39, а — это поликремний) могут попасть в зону проводимости диэлектрика. Пройдя лишь очень короткое расстояние через его запрещенную зону, этн электроны свободно достигают положительного электрода. Однако на пути к использованию этого механизма возникли две большие трудности. Во-первых, всегда считалось, что при электрических полях около 10' В/см в двуокиси кремния происходит катастрофический пробой, и поэтому в нормальных режимах работы поля в МДП-транзисторах были на порядок ниже. Во-вторых, для возникновения тунпелировапия по указанному механизму при приемлемых с практической точки зрения напряжениях (20 В) толщина окисла должна быть меньше 20 нм.
Окисные пленки толщиной менее 50 нм редко изготавливались даже при экспериментальных исследованиях, поэтому были опасения, что плотность лефектов в таких тонких пленках может оказаться недопустимо высокой. Однако этим недостаткам противостоят следующие достоинства. Процесс туннелирования в обигем случае идет с малым расходом энергии и с высокой эффективностью, что обусловливает малое потребление мощности. Туннелирование электронов через диэлектрик по данному механизму — процесс двусторонний, и его можно использовать как лля заряда, так и для разряда затвора. Г! наконец, область туннельного окисла может быть сделана очень малой по площади, что, естественно, хорошо согласуется с требованием получения высокой плотности упаковки. Вследствие этих побудительных причин были начаты работы по асозланию методов выращивания надежных окисных и нитрилных пленок толщиной менее 20 нм с малой плотностью дефектов.
К настоящему времени рекордным в этом отношении прибором является МДП-транзистор с окисно-нитридным диэлектриком толщиной 1П' га' -г , ' гп ю )а' Я. Ь га" '- 1П' м П П 1П 13 14 ГП )ага )гелалмеиие, П 6) Пееп епаг и) Р ис.
3.39. Механизм туниелирования электронов через тонкий окисел (о), структура запоминающего злемента с туннельным окислом (б), вольт-ампериая характеристика эффекта туннелирования по механизму Фаулера-Норахейма (е) 125 10 нм (0,01 мкм). Подзатворный диэлектрик такой толщины полу. чается при термическом окислении пленки нитрида кремния, выращенной перед этим путем термической нитридизации поверхности кремния прн температурах свыше 1!00 'С в среде аммиака.
Чистый подзатворный нитридный диэлектрик трудно вырастить термическим способом с необходимой заранее толщиной, целостностью и требуемой электрической прочностью, а слои окисла толп~иной менее 20 нм обычно имеют слишком много дефектов. Разработанные окисно-нитридные диэлектрики имеют толщину 10...!5 нм, обладают приемлемой воспроизводимостью и вместе с тем имеют вполне приемлемые пробивные напряжения. После окисления пленки ингрида кремния чистый нитрид остается только иа границе с подложкой, а далее диэлектрик плавно переходит в двуокись кремния. Используя такой подзагворный диэлектрик, можно получить МДПчэрибор с дифференцированным потенциальным барьером; высота этого барьера со стороны подложки при программировании ЭСППЗУ получается намного меньше высоты барьера, действующего в противоположном направлении.
В результате может быть получен запоминающий элемент с напряжением программирования менее !2 В, имеющий хорошие характеристики хранения информации. Успехи технологии формирования тонких бездефектных диэлектрических слоев на кремнии позволили разработать конструкции электрически перепрограммируемых ячеек памяти, работающих на эффекте туннелирования (рис. 3.40).
На плавающем и управляющем кремниевых затворах в этих конструкциях имеются ступеньки в областях перехода к более тонкому туннельному диэлекгрику. В варианте конструкции, изображенном на рис. 3.40, а, туннельный окисел располагается над областью канала. При подаче на верхний затвор напряжения соответствующей полярности при нулевом напряжении на остальных электродах. на плавающий затвор УЗДЗ 4 3 З ! УЗГсЗ 3 4 с ь" л л+ а) Рис.
3.40. Варианты эапоминаинпих элементов ЭСППЗУ иа л-канальных МДП-эран. эисторах с двумя поликремниевыми затворами и тонким подзатворным туннельным Лнэлексрикам: й- олссмй оннсел; й — металл неонам шнна, Э вЂ” неманснорный анеле» рнн, Š— сонннй суннельнмй ЛнеленсЭнн 126 через емкостную связь передается положительное напряжение. Электроны прн этом проходят через туннельный окисел и заряжают плаваюп!ий затвор.
И наоборот, при подаче к областям стока, истока и подложки положительного потенциала (+17 В) при нулевом потенциале на управляющем затворе происходит разрядка плавающего затвора. Для создания на основе запоминающего элемента, изображенного на рис. 3.40, а, схемы ЭСППЗУ необходимо осуществить развязку между матричным накопителем и схемой управления. С этой целью запоминающий элемент размещают в р -кармане, сформированном в подложке п-типа. Во втором вагйуиаите (рис.
3.40, б) туннельный окисел расположен над стоковой и -областью. Сформировать топкий окисел над п~- областью сложнее, однако преодоление этих технологических трудностей позволяет создать схему' ЭСППЗУ, в которой кроме избирательной (побайтовой) записи можно осуществить и избирательное стирание. Под действием разности потенциалов между плавающим затвором и стоком в туннельном окисле можно создавать электрическое поле разной направленности — вытягивающее электроны с области стока на плавающий затвор и снимающего заряд с плавающего затвора. Таким образом, структуры с туннельным окислом позволяют просто и воспроизводимо выполнять как программирование, так и стирание запоминающего элемента.
Но возникает вопрос о том, насколько надежно будет сохраняться записанный заряд и не понадобится ли регенерация информации при таком тонком окисле. Ответом на этот вопрос является график, показанный на ерис. 3.39, в, который свидетельствует об очень сильной зависимости туннельного тока от напряжения на окисле. Как видно из графика, туннельцый ток возрастает на порядок при увеличении приложенного напряжения на каждые.-0,8 В.
Если выполнить сформулированное выше требование о различии токов программирования и утечки на ! 1 порядков, то становится ясным, что разница между напряжением на туннельном окисле во время программирования и во время считывания должна превышать 8,8 В. Такая величина, дополненная соответствующими запасами на технологические разбросы, является вполне приемлемой. Кроме того, надо учесть, что в процессе считывания и хранения никакого разрушения информации не происходит, и поэтому при нормальных условиях работы ЗУ или пассивного хранения в нем информации никакая ее регенерация не нужна.
Экспериментальные исследования подтвердили, что структура, изображенная на рис. 3.40, б, может сохранять информацию в течение более 10 лет при температуре 125'С. Другим важным моментом является поведение электрически стираемого запоминающего элемента при многократных повторениях циклов запись — стирание. Эта характеристика обычно называется долговечностью элемента памяти и связана с деградацией свойств диэлектрика, вызванной захватом электронов на его ловушках и 127 Ц„,8 )2 8 4 8 тз Ца!,8 С уз пз 2 р 8 4 Рис.
3 41. Изменение пороговык напряжения Кд и Ом запомнпакэщего элемента ЗСП!!ЗУ С увеличением числа циклов программирование — стирание ииформапии при незаряженном (кривая !) и заряткспном (криван 2) сос. гоянии плавающего затвора образованием в нем обьемного заряда. Как показано на рис. 3.41, по мере возрастания количества циклов запись — стирание пороговые напряжения запоминающего элемента и в заряженном и в незаряженном состояниях изменяются таким образом, что их разность уменыцается и становится меньше 8,8 В, что означает, по существу, отказ элемента памяти.
К счастью, это п(уоисходит только после очень большого количества циклов (10'...10'), что практически обеспечивает необходимый срок службы запоминающего элемента В ячейке ЭСППЗУ структура и топологии которой приведены на рис. 3.42, использован ряд новых конструктивных усовершенствований. В ней применяется и-канальный МДП-транзистор с коротким (3,5 мкьг) каналом и с поликремниевым управляющим затвором, расположенным над плавающим затвором. Последний перекрывает лишь часть канала, прилежащую к стоковой области, и в стороне от канала лежит над небольшим участком области истока.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
