62612 (588808), страница 2

Просмтор этого файла доступен только зарегистрированным пользователям. Но у нас супер быстрая регистрация: достаточно только электронной почты!

Текст из файла (страница 2)

Рисунок 1

Рисунок 2

Толщина диоксида может быть увеличена в несколько раз, если использовать туннелирование с шероховатой поверхности поликремния. Структура элемента памяти содержит три слоя поликремния, взаимное расположение которых показано на рисунок 3 (области истока, стока и шины Х, Y для простоты не показаны). Источником электронов при программировании служит электрод 1 первого слоя поликремния, являющийся общей шиной (он соединяется с областью истока транзистора). Плавающий затвор 2 создают нанесением второго, а затвор управления 8 — третьего слоя поликремния. Толщина диоксида между слоями 1 и 2, 2 и 3 около 0,04 мкм. В такой структуре возможно только одностороннее туннелирование с электрода 1 вверх. Обратное туннелирование вниз невозможно, так как нижняя поверхность плавающего затвора гладкая, а напряженность электрического поля из-за большой толщины диэлектрика мала.

Для удаления электронов с плавающего затвора при стирании используют туннелирование вверх и дрейф электронов на управляющий затвор. В обоих режимах программирования и стирания на управляющий затвор (шину Х_прог )подают высокое напряжение 15...20 В. Чтобы при программировании не было перехода электронов с плавающего затвора на управляющий, а при стирании- с электрода 1 на плавающий затвор, между плавающим затвором и специальной управляющей шиной У_прог создают конденсатор связи C_св. При программировании (рисунок 3) на У_прог подают положительное напряжение U₀, дополнительно повышающее потенциал плавающего затвора. Разность потенциалов между ним и управляющим затвором получается малой, и туннелирование с плавающего затвора вверх отсутствует. При стирании (рисунок 4) на управляющей шине У_прог устанавливают нулевое напряжение, понижающее потенциал плавающего затвора. В результате разность потенциалов между затворами 3 и 2 получается высокой и идет интенсивное туннелирование электронов с затвора 2 вверх. В то же время разность потенциалов между электродами 2 и 1 мала и туннелирование с электрода 1 отсутствует.

Элемент памяти по сравнению с предыдущим характеризуется меньшей площадью (15…20 литографических квадратов), что позволяет создать СБИС с большей информационной емкостью (256 Кбит…1Мбит). Из-за гораздо больших токов туннелирования время программирования получается меньше (0,003 мс/байт).

Рисунок 3

Рисунок 4

3. МОДЕЛИРОВАНИЕ ЯЧЕЙКИ ЭСППЗУ

В данной работе будет рассмотрен теоретический анализ и экспериментальные данные по программированию и стиранию ячейки памяти программируемой туннельным током.

Структура такой ячейки изображена на рисунке 5. Это n-канальный транзистор с плавающим затвором. Тонкий окисел (~100 ангстрем) между плавающим затвором и стоком способен пропускать электроны (туннелирование) инжектируемые и поглощаемые плавающим затвором во время операций записи/стирания согласно эффекту Фаулера-Нордхайма.

Во время записи плавающий затвор заряжается отрицательно электронами, туннелирующими из стоковой области через тонкий оксид. Это достигается за счет приложения положительного потенциала к верхнему (управляющему) затвору, в то время как сток и подложка заземлены. Накопившийся отрицательный заряд на плавающем затворе сдвигает пороговое напряжение транзистора на большую положительную величину. При последующем считывании транзистор будет закрыт.

Операция стирания заключается в снятии отрицательного заряда с плавающего затвора с помощью приложенного к стоку высоковольтного импульса, в то время как исток свободен (не подключен), а оба затвора и подложка заземлены. Величина порогового напряжения смещается в отрицательном направлении, и транзистор открывается при последующем чтении.

Во время считывания прикладывается достаточно низкое напряжение, поэтому туннельный ток незначительный и плавающий затвор практически изолирован. При таких условиях считывания заряд нужной величины (информация) может храниться до 10 лет.

В схемах памяти используется двухтранзисторная ячейка. Дополнительный транзистор вводится для изоляции ячейки от воздействия сигналов соседних ячеек во время циклов записи/стирания.

В данной работе рассматривается анализ и моделирование режимов записи/стирания, учитывая эффекты, которые возникают во время стирания.

Рисунок 5

3.1 Упрощенная модель ячейки памяти

Для того чтобы получить представления о работе ячейки используется упрощенная модель эквивалентной схемы прибора, представленная на рисунке 6. Более детальный анализ будет рассмотрен в главе 3.2.

Плотность тока текущего через тонкий окисел приближенно вычисляется при помощи уравнения Фаулера-Нордхайма:

J_tun = E_tun (exp ( -/E_tun)); (1)

где E_tyn это электрическое поле в окисле, а и - константы. Электрическое поле в тонком окисле рассчитывается так:

E_tyn = V_tun /X_tun; (2)

где V_tun это напряжение туннелирования через окисел, а X_tun это толщина тонкого окисла. Напряжение туннелирования может быть рассчитано через емкостную эквивалентную схему ячейки

Рисунок 6

3.1.1 Расчет V_tun

C_pp это емкость между плавающим и управляющим затвором, C_tun это емкость тонкого окисла, C_gox это емкость подзатворного окисла между плавающим затвором и подложкой, Q_fg это заряд, накопившийся на плавающем затворе. V_tun может быть рассчитан для электрически нейтрального затвора по простому соотношению коэффициентов:

V_{tun запись} = V_g K_w; (3)

Где K_w = C_pp/(C_pp + C_gox + C_tun); (4)

и V_{tun стирание} = V_d K_e; (5)

где K_e = 1 - (C_tun/(C_pp + C_gox + C_tyn); (6)

где V_g и V_d напряжения на затворе и истоке соответственно, а коэффициенты K_e и K_w обозначают напряжение, которое проходить сквозь тонкий окисел при стирании и записи соответственно. Формулы (3) и (5) справедливы, только если Q_fg=0. Во время записи сохраненный на плавающем затворе потенциал понижает пороговое напряжение тонкого окисла согласно следующей формуле:

V_{tun запись}= V_g K_w + (Q_fg/(C_pp + C_gox + C_tyn) (3’)

Во время стирания отрицательный начальный потенциал плавающего затвора повышает пороговое напряжение тонкого окисла согласно соотношению:

V_{tun стирание} = V_d K_e – (Q_fg/(C_pp + C_gox + C_tyn); (5’)

После завершения операции стирания, когда затвор заряжен положительно последний коэффициент уравнения (5) понижает напряжение потенциал тонкого окисла.

3.1.2 Расчет пороговых напряжений

Начальное пороговое напряжение ячейки, которое соответствует Q_fg=0, обозначается как V_ti. Начальный заряд смешает порог согласно соотношению:

V_ti = -Q_fg/C_pp (7)

Используя соотношения (3') и (5') для определения Q_fg при снятии импульса записи/стирания пороговые напряжения определяются так:

V_tw = V_ti - Q_fg/C_pp = V_ti + V_g(1 - (V’_tun/K_w V_g)) (8)

V_te = V_ti - Q_fg/C_pp = V_ti - V_d(K_e/K_w - (V’_tun/K_w V_d)) (9)

Здесь V_tw это порог записи ячейки, а V_te это порог стирания ячейки.V_g и V_d это амплитуды импульсов записи и стирания соответственно, а V’_tun это напряжение в тонком окисле после снятия импульса. Предположим, что импульс записи/стирания по времени достаточно длинный, тогда электрическое поле в тонком окисле уменьшится до значений близких 110⁷В/см. При такой напряженности поля туннелирование практически прекращается. Приближенное значение V_tun может быть получено из выражения (2) и подставлено в (8) и (9) для получения приближенных значений окна программирования ячейки, зависимости параметров ячейки и напряжения программирования. Типичные результаты представлены графиками на рисунке 7.

Для того чтобы увеличить окно ячейки нужно увеличить толщину тонкого окисла и напряжение записи/стирания, причем значения связывающих коэффициентов должны быть максимально приближены друг к другу. Оба связывающих коэффициента должны увеличиваться при уменьшении C_tun и увеличении C_pp. При увеличении толщины тонкого окисла это обычно достигается за счет уменьшения площади тонкого окисла и внедрения дополнительной поликремниевой области перекрытия в транзисторе ячейки. Типичное значение связующих коэффициентов равно 0,7, причем K_e всегда больше K_w. Увеличение емкости подзатворного окисла C_gox увеличивает K_e, но уменьшает K_w.

Рисунок 7

3.1.3 Зависимость порогов во время записи/стирания

Аналитическое выражение зависимости пороговых напряжений ячейки от времени программирования получается при решении следующего дифференциального уравнения:

DQ_fg/dt = A_tun J_tun; (10)

Подставляя это уравнение в (1),(2),(3’),(5’) и (7) получим:

V_tw(t) = V_ti + V_g – (1/K_w) (B/ln(A B t + E₁); (11)

V_te (t) = V_ti – (V_d K_e)/K_w + 1/K_w [ B /(ln (A B t + E₂)) ]; (12)

Где A = (A_tun )/(X_tun (C_pp + C_gox + C_tun)); (13)

B = X_tun; (14)

E₁ = exp[ B/(K_w (V_g + V_ti - V_t(0))) ]; (15)

E₂ = exp[ B/(V_d K_e + K_w V_t(0) + K_w V_ti) ]; (16)

V_t(0) это пороговое напряжение ячейки при t = 0, которое не может быть спутано с V_ti – пороговое напряжение нейтральной ячейки. A_tun это область тонкого окисла. Надо отметить, что в уравнении (11) пороговое напряжение остается практически неизменным при t = 0, если V_g прикладывается на время меньшее, чем “характеристическая временная константа” , которая определяется следующим выражением:

= (1/AB) exp[ B/(K_w (V_g + V_ti – V_t(0)) ]; (17)

При больших значениях времени t пороговое напряжение асимптотически приближается к кривой описанной следующим уравнением:

Характеристики

Список файлов ВКР