Диссертация (1091051), страница 6
Текст из файла (страница 6)
Компактность,высокая интегрируемость и низкое энергопотребление делает ее незаменимойпрактически во всех современных высокотехнологичных изделиях.На данный момент созданы десятки типов элементов хранения заряда.Практически каждая компания разрабатывает собственную ячейку памяти исходяиз требований к энергопотреблению, топологическим нормам и функциональнымвозможностям изделия. Для достижения наилучшей интеграции массива памяти вустройство разрабатывается архитектура построения и определяется механизмзаписи/стирания ячеек памяти. Многообразие механизмов записи/стирания,архитектур построения и типов ячеек памяти привело к необходимости обобщитьи классифицировать постоянные запоминающие устройства на основе хранениязаряда.1.3.1 Классификация ПЗУ на основе хранения зарядаПолупроводниковая энергонезависимая память занимает особое место вобласти ЗУ.
Если энергозависимая память способна увеличить скоростьобработки информации, то полупроводниковая энергонезависимая памятьспособна десятилетия хранить данные и обладает огромным потенциаломмасштабирования и интеграции. Существует несколько разновидностей ПЗУ(Рисунок 1.21).ЭнергонезависимаяпамятьROMEPROMEEPROMFLASHРисунок 1.21 – Классификация энергонезависимой памяти35Устройства, программируемые фотошаблономТиповыемикросхемыПЗУтакженазываютсяпрограммируемымифотошаблоном или масочными (MROM), поскольку любые содержащиеся в нихданные жестко прошиваются в процессе производства с помощью фотошаблона.Фотошаблоны используются для создания транзисторов и соединяющих их накремниевом кристалле металлических проводников, которые также называютслоями металлизации.УФиэлектрическистираемыепрограммируемыеПЗУ(ППЗУ)(EPROM,EEPROM)Транзистор в ППЗУ имеет плавающий затвор.
Этот затвор окружен оченьтонким изолирующим слоем оксида кремния. Существенным отличием вфункционировании элементов хранения EPROM (Erasable Programmable ReadOnly Memory) и EEPROM (Electrically Erasable Programmable Read Only Memory)является механизм стирания данных. Микросхемы памяти с ячейками типаEPROMоборудованыспециальнымкварцевымстеклом,черезкотороепосредством ультрафиолетового излучения осуществляется удаление электроновс плавающего затвора. Для элементов хранения EEPROM процесс стиранияорганизован посредством специальных электрический сигналов и не требуетдополнительных изменений корпуса микросхемы.Flash-технологияТехнология, известная как flash, происходит от технологии изготовлениякак EPROM, так и EEPROM. Первоначально название flash было присвоеноустройствам, выполненным по этой технологии, чтобы отразить характерное дляних чрезвычайно малое время стирания по сравнению с устройствами EPROM.Компоненты, выполненные по flash-технологии, могут быть реализованы вомножествеархитектур.Такиеустройствамогутиметьячейкипамяти,выполненные на транзисторе с плавающим затвором такой же площади, как вячейках EPROM, но с гораздо более тонкими изолирующими слоями оксидакремния.
Такие устройства могут стираться электрическим способом, но при этом36толькопутёмочисткибольшихсекторовпамяти(Рисунок 1.22) [51-53].Рисунок 1.22 – Кросс-секция ячейки flash-памятиСамымраспространеннымибыстроразвивающимсятипомэнергонезависимой полупроводниковой памяти является flash-память.Классификация flash-памяти по видам организации ячеекСуществует несколько вариантов организации ячеек памяти, рассмотримсамые распространенные:1.Конструкция NOR использует классическую двумерную матрицупроводников, в которой на пересечении строк и столбцов установлено по однойячейке.
При этом проводник строк подключается к затвору транзистора, астолбцов к стоку. Исток подключается к общей для всех подложке. В такойконструкциилегкосчитатьсостояниеконкретноготранзистора,подавположительное напряжение на один столбец и одну строку.2.Архитектура NAND представляет собой трёхмерный массив. В основета же самая матрица, что и в NOR, но вместо одного транзистора в каждомпересечении устанавливается столбец из последовательно включенных ячеек. Втакой конструкции получается много затворных цепей в одном пересечении.Плотность компоновки можно резко увеличить, однако алгоритм доступа кячейкам для чтения и записи заметно усложняется.3.ВархитектуреDINORиспользуютсясуббитныестрокивполикремнии.
Отчасти является комбинацией NAND и NOR. Преимуществамиявляются низкий уровень рассеиваемой мощности, произвольный доступ.374.В архитектуре AND - битовые линии из металла заменены надиффузионные линии. Это обеспечивает уменьшение размера ячейки. В режимепроизвольного доступа, устройство работает медленнее, чем NOR, но можетнормально функционировать при скорости операций в 50 нс. На рисунке 1.23представлен обзор flash-архитектур [54,93].Рисунок 1.23 – Виды архитектур flash-памяти [54]Несколькокрупныхкомпанийподдерживаюттолькоодинтипflash-архитектуры (Рисунок 1.24).Рисунок 1.24 – Производители flash-памяти [55]Классификация flash-памяти по механизмам записи/стиранияВсе существующие ячейки flash-памяти работают на квантовых иинжекционных механизмах записи/стирания. В зависимости от архитектуры и38типа применяемой ячейки, производители варьируют использование механизмовзаписи/стирания для нахождения наилучших характеристик по напряжению искорости:1.Туннелирование Фаулера-Нордхейма (Fowler–Nordheim-FN).2.Горячая инжекция электронов (channel hot-electron injection-CHEI).3.Квантовый эффект туннелирования через полиоксид (Enhancedtunneling through polyoxides-ETP).4.Горячая инжекция электронов в подложку (substrate hot - electronInjection-SHEI).5.Горячая инжекция электронов со стороны истока (source - side hot -electron injection SSI).6.Вторичнаяударнаяионизация,вызваннаягорячейинжекциейэлектронов (secondary impact ionization-SII).Классификация памяти по механизмам помещения/снятия заряда зависит отархитектуры (Рисунок 1.25) [56-61].Рисунок 1.25 – Классификация памяти по механизмам помещения/снятия заряда взависимости от архитектуры памятиКлассификация flash-памяти по типам ячеекОпираясь на имеющиеся данные, рассмотрим существующие виды ячеекпамяти и классифицируем их (Рисунок 1.26).39Рисунок 1.26 – Классификация ячеек памяти [62-84]Всесуществующиетипыячеекflash-памятисхожипосвоимфундаментальным принципам работы, но по структуре, технологическомупроцессу производства и применяемым материалам существенно различаются.Предложено разделить все рассмотренные виды ячеек памяти на два класса:ячейки с поликремневым плавающим затвором (Floating gate – FG) и ячейки словушкой заряда (Charge-Trap – CT) [62-69].1.3.2 Ячейки памяти с плавающим затворомВ основе ячейки с плавающим затвором лежит полевой транзистор,имеющий некоторое отличие от классического аналога в виде еще одного, такназываемого плавающего затвора.
Этот затвор является неотъемлемой частьювсех модификаций flash-памяти: он играет ту же роль, что и конденсатор вDRAM, т.е. хранит запрограммированное значение. На плавающий затвор путемквантового процесса туннелирования помещается заряд, который влияет на полеуправляющего затвора. Таким образом, состояние транзистора зависит в данномслучае сразу от двух затворов. Плавающий затвор изолируется от стока, истока иуправляющего затвора тончайшим слоем окиси кремния.40Ячейки ATW (Asymmetrical Tunnel Window)Особенность ATW заключается в ассиметричной толщине туннельногооксида вдоль канала.
Это позволяет улучшить процесс программированияметодом инжекции горячих электронов, уменьшить энергопотребление иповысить коэффициент инжекции к плавающему затвору flash-ячейки [68].Ячейки с дополнительной местной изоляцией (TDI-LOCOS)Ячейки TDI-LOCOS интегрированы в основном в технологию PD-SOI иизготавливаются по 0,6 мкм техпроцессу для космической отрасли. Ячейки flashпамяти имеют дополнительную местную изоляцию (LOCOS) для минимизациитоков утечки при увеличении общей дозы ионизирующего излучения (TDI).Эксперименты показывают, что ток утечки не увеличивается при облучении1 мрад, а чип памяти в целом хорошо работает и при дозе в 100 крад. При этомпотребление активной мощности в режиме чтения увеличилось на 50% [70].Двухтранзисторная ячейка с тонким слоем оксида (Two Transistor ThinOxide Cell)Внедрениевтороготранзисторапозволяетизбавитьсяотмногихнедостатков, присущих однотранзисторным ячейкам (Рисунок 1.27).
Второйтранзистор используется для изоляции ячейки от битовой линии. Напряжениястирания и программирования несколько снижены за счет формированиянебольшойзоныболеетонкогослояокисдакремния(8,5 нм).Токпрограммирования достигает всего 10 пA – значительный шаг вперед посравнению с однотранзисторным типом ячейки (1 мA).
В двухтранзисторнойячейкевсеоперациитуннелирования[66].сплавающимзатворомоснованынаэффекте41Рисунок 1.27 – Кросс-секция двухтранзисторной ячейки памятиЯчейки с сопряженным расщепленный затвором и истоком SCSG (Thesource-coupled split–gate)SCSG-ячейка создана для оптимальной интеграции в существующиетехнологические решения компании Motorola. Структура SCSG-ячейки состоит изполикремневого плавающего затвора со стороны стока и управляющегополикремневогозатворарасщепленнымзатворомсостороны(Рисунокистока1.28).образующихструктуруПрограммированиесячейкиосуществляется горячей инжекцией электронов в стоковой области.
Стираниедостигаетсяпутемэкстракцииэлектроновчерезтуннельныйслой,перекрывающий линию истока (данная особенность отражена в названии ячейки)за счет квантового эффекта туннелирования Фаулера-Нордгейма. Основнойцелью включения управляющего затвора в данную конфигурацию являетсяпреодоление эффекта избыточного удаления, свойственного однотранзисторнымячейкам [67].Рисунок 1.28 – Ячейка памяти SCSG42Ячейка типа MoneTДанный вид ячеек получил свое название в честь французскогоимпрессиониста Клода Моне. Ячейка типа MoneT имеет уникальную структуру(Рисунок 1.29).
Компания Motorola разработала данную конфигурацию ячеекпамяти для увеличения плотности компоновки ячеек и скорости чтения. В основеданной разработки лежит технология FETMOS (floating-gate electron tunnelingMOS). Запись и стирания происходит за счет квантового эффекта туннелированияФаулера-Нордгейма [71].Рисунок 1.29 – Ячейка памяти MoneTЯчейка SuperFlash 1-го поколенияВ сравнении с вышеописанными устройствами, ячейка SuperFlash выглядитнемного иначе (Рисунок 1.30).
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
