Диссертация (1091051), страница 7
Текст из файла (страница 7)
Ячейки объединены вдоль линий слов в страницы,а линий бит в сектора. Ячейки, соединенные управляющими затворами, образуютслова, а ячейки, соединенные стоками – битовые линии. Четные и нечетные биты,связанные общим истоком, называют страницей, которая удаляется как единыйэлемент. Страничная организация частично снимает вопрос перекрестноговлияния операций удаления и программирования, ограничивая этот эффектпределами одной страницы.Процессудалениязаключаетсявснятиисплавающегозатвораотрицательного заряда за счет эффекта туннелирования Фаулера-Нордгеймамеждууправляющимиплавающимзатворами.Вовремяудалениякуправляющему затвору (линия слов) прикладывается высокое напряжение (15 В),43в то время как исток и сток ячейки заземляются. За счет выгнутой области у краяплавающегозатвораобразуютсявесьмаблагоприятныеусловиядлятуннелирования.
Под воздействием сильного электрического поля электроны,составлявшие отрицательный заряд плавающего затвора, переносятся черезтонкий слой диэлектрика-оксида на управляющий затвор. В конце концов, на"истощенном" плавающем затворе формируется положительный заряд. Припрограммировании необходимо сообщить плавающему затвору отрицательныйзаряд, своим полем преграждающий путь электронам от истока к стоку. Здесьприменяется эффект горячих электронов. Сток заземляется, а к истокуприкладывают напряжение 12 В. На управляющий затвор подается напряжение,которое открывает часть канала составного транзистора вплоть до области,контролируемойплавающимзатвором.Высокоенапряжениеимощноеэлектрическое поле, возникающее между истоком и стоком, генерируют, такназываемые, горячие тепловые электроны, обладающие высокой энергией,достаточной,чтобыпреодолетьбарьер3,2 эВ,создаваемыйоксиднымизолирующим слоем, и присоединиться к заряду плавающего затвора.
Процессостанавливается естественным путем, когда емкость плавающего затвораисчерпывается.Технология SuperFlash является абсолютным лидером по совокупностиположительных качеств. Процесс производства ее прост – 14 масочных слоевпротив 19 или 21, требуемых для одно- и двухтранзисторных ячеек. Толстый слойокиси(40 нм)Страничнаяснижаетвероятностьорганизациявозникновенияуменьшаетэффектутечкиэлектронов.взаимовлиянияприпрограммировании и стирании. Поскольку канал управляется плавающимзатвором лишь частично исключен эффект чрезмерного стирания.
Более того,особаяформаплавающегозатвораснижаеттребованиякнапряжениюпрограммирования и стирания, а также повышает скорость выполнения данныхопераций.44Рисунок 1.30 – Кросс-секция ячейки flash-памяти SuperFlash 1-го поколенияПреимуществамиSuperFlash1-гопоколенияявляетсяупрощеннаяконструкция, низкое энергопотребление, хорошая масштабируемость от 1 мкм до65 нм технологии и низкая интенсивность отказов [72].Ячейка SuperFlash 2-го поколенияЭлементы хранения SuperFlash 2-го поколения применяются как вавтономных ИС памяти, так и во встроенной flash-памяти с 2006 г. Эти ячейкитакже используют архитектуру расщепленного затвора и имеют плавающийзатвор в качестве элемента хранения.УлучшениеSuperFlashвторогопоколениязаключаетсявпростотеформирования ячейки памяти в технологическом процессе, тем самым уменьшаяколичество масок, необходимых для создания ячейки памяти.
Ячейка второгопоколения была уменьшено с 180 нм до 110 нм (Рисунок 1.31) [73].Рисунок 1.31 – Ячейки flash-памяти SuperFlash 2-го поколения45Ячейка SuperFlash 3-го поколенияПо состоянию на середину 2012 года, SST и ее партнеры произвели более400 млн. ИС, основанных на этой архитектуре. Эти ячейки также используютархитектуру расщепленного затвора и имеют плавающий затвор в качествеэлемента хранения с 5 узлами для чтения, стирания и программирования(Рисунок 1.32).Рисунок 1.32 – Ячейки flash-памяти SuperFlash 3-го поколенияПроцесс формирования ячейки третьего поколения является более простым,чемформированиеячейкивторогопоколения,несмотрянаналичиедополнительных узлов, повышающих производительность и масштабирование.Третье поколение SuperFlash ячеек сохраняет архитектуру технологии первогопоколения. Во время операции стирания, напряжение подается на стирающийзатвор (EG), который стирает все ячейки за один импульс.
Ячейки могут бытьзапрограммированы с помощью битовых линий или страниц относительнонизким напряжением от линии источника (SL) [74].1.3.3 Ячейки памяти, выполненные по технологии захвата зарядаЯчейки, выполненные по технологии захвата заряда (Charge-Trap),отличаются от ячеек с плавающим затвором использованием нитрида кремния(Si3N4) вместо поликристаллического кремния для материала накопления заряда,что обеспечивает более высокое качество хранения заряда. Это происходит из-загладкой однородной пленки Si3N4 в отличие от поликристаллической пленки,которая имеет крошечные неровности.
Число циклов перезаписи превышает46100 млн., что в 10000 раз больше чем у памяти с плавающим затвором (ПЗ). Вданной технологии решена проблема электростатических помех в ультра-малыхячейках памяти [75,76].Ячейка SONOS (полупроводникоксиднитридоксидполупроводник)Ячейка SONOS является разновидностью flash-памяти выполненной потехнологии захвата заряда (Рисунок 1.33). Элемент хранения SONOS позволяетиспользовать более низкое напряжение при программировании и обладаетбольшим числом циклов перезаписи, чем flash-память на основе поликремния.Продукцию на основе технологии SONOS предлагают следующие компании:GlobalFoundries,CypressSemiconductor,Macronix,Toshiba,иUnitedMicroelectronics Corporation.Рисунок 1.33 – Ячейка типа SONOS в сравнении с ячейкой с плавающим затворомТак же существует двух транзисторная ячейка памяти типа SONOS(Рисунок 1.34). Ее принцип точно такой же, как у ее более старого аналога ячейкиEEPROM.47Рисунок 1.34 – Двухтранзисторная ячейка типа SONOS [75]Ячейка на основе тонкопленочного транзистора с дополнительнымбарьерным слоем SONOS (TFT BE SONOS - Thin-Film Transistor bandgapengineered)Повышение качества туннельного слоя сделает данный тип ячеек наиболеепригодным для 3D масштабирования.
Дополнительный слой нитрида позволяетулучшить инжекцию дырок, что в свою очередь повышает скорость стирания(Рисунок 1.35). Дополнительный слой BE-туннельного барьера обеспечиваетэффективное стирание и исключает утечку при прямом туннелировании (записи).Рисунок 1.35 – Ячейка типа TFT (BE) SONOS [77]Так же одной из разновидностей ячейки типа SONOS является JL-SONOS,процесс ее изготовления представлен на рисунке 1.36. Особенностью являетсяминимальное число этапов производства и размеры, не превышающие 10 нм [77].48Рисунок 1.36 – Процесс изготовления ячейки типа JL-SONOS [78]Ячейка Ω-GateБлагодаря угловатой форме Омега-образного затвора (Ω-затвор) в TFTSONOS повышена эффективность электрических полей, проходящих черезтуннельный оксид, тем самым улучшены скоростные характеристики памяти. ΩGate TFT SONOS показал отличную эффективность записи/стирания иувеличение объёма памяти по сравнению с 2D-ячейками.
Кроме того, в связи сбольшей управляемостью затвора, Ω-Gate TFT SONOS также показываетпревосходную производительность транзисторов при меньшем пороговомнапряжении [78].Ячейка MONOS (металлоксиднитридоксидполупроводник)Данный тип ячеек широко применяется в контроллерах смарт-карт.
Ееосновное преимущество состоит в том, что в отличие от обычных ячеекразличные дефекты могут возникнуть только в области стока, в связи сособенностями техпроцесса. Этим и объясняется значительное увеличениенадежности с сохранением размером ячейки или даже с последующимуменьшениемтопологии.Применениеметаллическогозатворапозволяетувеличить скорость чтения до 10 нс в широком спектре температур (от -40°С доболее чем +150°С) (Рисунок 1.37).49Преимуществамиявляетсявысокаяскоростьчтенияинизкоеэнергопотребление при чтении (произвольный доступ на частоте выше 100 МГц),а так же низкая стоимость [79].Рисунок 1.37 – Ячейка памяти MONOS и Split Gate MONOS фирмы RENESASЯчейка TANOS (титан оксид алюминиянитридоксидполупроводник)Применение оксида алюминия в качестве блокирующего диэлектрикапозволяет уменьшить порог напряжения стирания до менее чем 3В.
Даннуютехнологию применяют для более качественной работы с низкими уровнямиэнергии заряда (1,28 эВ).Ячейки памяти, выполненные по данной технологии, обладают лучшейпомехоустойчивостью и меньшим количеством дефектов.Считается, что данная технология является единственной реальнойальтернативой технологии с плавающим затвором, но имеются некоторыевопросы с масштабированием вследствие наличия металлического затвора, и непозволяет существенно уменьшить напряжение необходимое для процессастирания.Существует несколько видов ячеек памяти, работающих по принципуловушки заряда (Рисунок 1.38) [80].50Рисунок 1.38 – Существующие виды ячеек Charge-Trap [79,82]Ячейка MANOS (металл-алюминий-нитрид-оксид-полупроводник)Основным отличием от TANOS является применение других металлов вкачестве управляющего затвора, что в свою очередь удешевляет производство, ноухудшает характеристики транзисторов (Рисунок 1.39).Рисунок 1.39 – Ячейка памяти MANOS [81]1.3.4 Многоуровневые запоминающие устройства (MLC)Существуют типы ячеек flash-памяти способные хранить несколько уровнейзаряда.
Предложено ввести отдельную классификацию многоуровневых ячеек(Рисунок 1.40).МногоуровневыеячейкиMirror BitSTRATAFLASHNROMTLCQLCРисунок 1.40 – Классификация многоуровневых ячеек памяти51Основной задачей многоуровневых ячеек является возможность храненияболее чем одного бита информации в одной стандартной ячейке. Типичнымнаправлением для развития является хранение четырех состояний в одной ячейке,таким образом, разбив количество ячеек надвое (четыре состояния из двух бит:00, 01, 10 и 11).Ячейка StrataFlashStrataFlash. за счет технологии MLC, позволяет хранить два битаинформации в каждой ячейке. Это достигается тем, что StrataFlash оперируетчетырьмя уровнями заряда, кодирующими два бита. Уровень заряда определяетнапряжение, которое необходимо приложить к управляющему затвору, чтобыоткрыть транзистор.
Проведено сравнение показателей однобитовой ячейки иячейки StrataFlash (Таблица 1.8) [83].Скорость чтения одного блока для Strataflash-памяти превосходит скоростьчтения для обычной памяти более чем в полтора раза. Это связано с тем, что изодной ячейки памяти читаются сразу два бита, а не один, при этом увеличиваетсявремя задержки, связанное с расшифровкой значения битов. Это же относится крежимам записи и стирания.Таблица 1.8 – Показатели однобитовой ячейки и ячейки StrataFlash [83]ХарактеристикиРазмер (Mbit)Размер одного блока (Kb)Напряжение питания (В)Время чтения (ns)Время записи (ms)Время стирания (s)Рабочая температура (°C)Количество циклов записиОднобитовая flash32642.7 - 3.612011.30.55От -40 до +851000005В StrataFlash641284.5 - 5.515012.60.7От -20 до +701000003В StrataFlash1281282.7 - 3.615013.61.2От -20 до +70100000На сегодняшний момент реализуется уже четвертое поколение Strataflashячеек.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
