|
| |
 |
Электронные компоненты Мануалы выбранном узле запоминающей матрицы отсутствует запоминающий элемент («-канальный МДП-транзистор), т. е. если не вскрыто окно для его формирования, что соответствует считыванию «1 И наоборот, на соответствующей информационной шине появляется низкий уровень напряжения, если запоминающий МДП-транзис-; тор сформирован (окно вскрыто), что соответствует считыванию «О», j В описанном фрагменте БИС ПЗУ информация заносится один-1 единственный раз в процессе изготовления и хранится бесконечно] долгое время. Однако такой способ записи не всегда удобен, так как корректировка однажды записанной информации невозможна. Для микропроцессорных систем с целью оперативного изменения решаемых ими задач необходимо иметь устройства перепрограм-мируемон памяти: перепрограммируемые постоянные запоминающие устройства (ППЗУ), в которых информация могла бы храниться годами и в которых имелась бы возможность стирать эту информа- цию полностью или частично и заносить новую. Элементной базой современных БИС ППЗУ служат: лавинно-] инжекционные МДП-транзисторы с плавающим затвором (тран-3 зисторы ЛИПЗМДП); лавинно-инжекционные МДП-транзисторы! с плавающим и управляющим затворами; МДП-транзисторы со структурой металл - нитрид - окисел - полупроводник (транзисторы МНОП-типа, см. § 3.4). Структура лавинно-инжекционного МДП-транзистора с плавающим поликремниевым затвором, созданного на основе р-канальной технологии, представлена на рис. 3.29, а. Подложкой служит пласти-] на кремния «-типа с удельным сопротивлением 4...8 ОмХсм. j Механизм зарядки плавающего затвора пояснен на рис. 3.29, б.j Он основан на следующих эффектах. На стоковую область р-ка-j нального МДП-транзистора подается отрицательный потенциал. По мере увеличения отрицательного смещения обедненный слой и1 электрическое поле в нем будут расти. Под действием электрического! поля обедненного слоя неосновные носители - электроны - из сто- ковой р+-области будут выноситься в «-область подложки. С увели-   Рис. 3.29. Структура ЛИПЗМДП-транзистора (а) и механизм записи информации - зарядки плавающего затвора (б): ) р+-о6ласть стока, 2-граница области пространственного заряда; 3-граница р-и-перехода сток-подложка; 4- область лавинного умножения электронов; 5- подложка лтипа; 6- подзатворный диэлек рнк; 7- поликремниевый плавающий затвор; в- защитный диэлектрик чением напряженности этого поля будет возрастать дрейфовая скорость электронов и при определенном критическом значении напряженности поля становится возможным лавинное умножение электронов в «-области. Одновременно за счет емкостной связи Сзс на плавающем затворе индуцируется положительный заряд, который будет искривлять обедненную область в р+-слое вблизи поверхности и формировать электрическое поле, направленное от плавающего затвора к стоку. Таким образом, электрическое поле в обедненной области обратносмещенного стокового -«-перехода формирует значительное количество высокоэнергетических (горячих) электронов, обладающих достаточным запасом энергии, чтобы преодолеть потенциальный барьер границы раздела кремний - окисел кремния и тонкий подзатворный диэлектрик. Преодолев подзатворный окисел, горячие электроны стекают на плавающий затвор, так как на него предварительно за счет емкостной связи подается притягивающее их положительное напряжение смещения. По мере зарядки плавающего затвора на нем аккумулируется отрицательный заряд, который будет создавать поле, препятствуюш,ее процессу зарядки. При этом ток лавинной инжекции через диэлектрик будет уменьшаться и при определенной величине заряда снизится до нуля. Практически для зарядки электронами плавающего затвора на сток ЛИПЗМДП-транзистора необходимо подать отрицательный импульс напряжения, при этом величина аккумулированного заряда на плавающем затворе Q будет зависеть от амплитуды и длительности импульса приложенного напряжения, геометрических размеров и свойств материалов затвора и подзатворного диэлектрика: -ln{l+e.p[-K,U+ln(-K,K,U.)}, (3.11) где Uc - амплитуда импульса приложенного напряжения, Сз„ - емкость структуры плавающий затвор - подложка, Тс -длительность импульса записи, К\, /(2 - коэффициенты, характеризующие геометрические размеры канала (длину, ширину), толщину подзатворного диэлектрика, глубину и площадь р-п перехода сток - подложка. Типичные значения: t/c=30...50 В, Тс=1...10 не, h„= = 0,1 мкм, Лтд=1 мкм. После зарядки плавающего затвора электронами в области канала МДП-транзистора р-типа возникает инверсионный слой, транзистор переходит в открытое состояние, т. е. хранит «О»! Поскольку плавающий затвор со всех сторон окружен двуокисью кремния, представляющей собой один из лучших существующих диэлектрических материалов, заряд на плавающем затворе сохраняется длительное время (рис. 3.30). Исследования стабильности заряда показали, что даже при 125°С за 10 лет заряд может уменьшиться лишь на 30% своей первоначальной величины. 0,8 0,6 О,* 0,2 т-зоос VT1 5 10 t,C VT2 Рис. 3.30. Экспериментальная зависимость изменения заряда на плавающем затворе от времени хранения при 125 и 300°С, начальной удельной плотности заряда q(0)/(?= 1,8-10 электронов/ cм (кривые /, 3) и 3,0-10 электронов/см (кривые 2, 4). Толщина подзатворного диэлектрика Л,= 0,12 мкм Рис. 3.31. Схема запоминающег элемента ППЗУ на ЛИПЗМДГ транзисторе VT2 с электрическо! записью информации и стира" ннем ультрафиолетовым освещ нием Стирание хранимой в ППЗУ информации осуществляется при облучении информационного поля ультрафиолетовыми лучами. При этом длина волны излучения должна быть достаточной для того, чтобы фотоны могли передать электронам энергию, необходимую для преодоления потенциального барьера на границе кремний - двуокись кремния в обратном направлении при возвращении в подложку. В обычно используемых для этой цели источниках ультрафиолетового излучения (ртутная лампа) указанному требованию отвечает длина волны Л=253,7 нм (£=4,9 эВ). Корпуса БИС ППЗУ на ЛИПЗМДП-транзисторах с электри ческой записью и ультрафиолетовым стиранием информации должнь иметь специальное окно с вставленным в него кварцевым стеклом прозрачным для ультрафиолетового излучения, что делает эти кор пуса черезвычайно дорогими. Стирание информации при ультрафиолетовом облучении происходит во всех ячейках БИС ППЗУ одновременно. Стирание информации и ее перезапись осуществляются на изолироВанных БИС, изъятых из устройств, в которых они установлены и эксплуатируются. Для формирования запоминающих элементов ППЗУ на ЛИПЗМДП-транзисторах необходим по крайней мере еще один МДП-транзистор, затвор которого выводится на адресную шину (рис. 3.31). ЛИПЗМДП-транзистор может находиться в двух устойчивых состояниях: открытом (плавающий затвор несет на себе заряд Q, достаточный для формирования инверсионного канала) или закрытом (плавающий затвор не заряжен), что соответствует хранению запоминающим элементом «О» или «1». Адресный транзистор VT} запоминающего элемента - обычный /э-канальный МДП-транзистор. Если на адресной шине АШ низкий уровень напряжения. то он подключает запоминающий транзистор VT2 к разрядной шине РШ. Дальнейшим развитием описанной выше конструкции транзистора явилась структура с двумя затворами - плавающим и управляющим (рис. 3.32). Эту структуру изготавливают по р-ка-нальнон МДП-технологии на кремниевой пластине п-типа электропроводности с удельным сопротивлением 5 ОмХсм с ориентацией (100). После выращивания подзатворного окисла толщиной порядка 0,1 мкм формируют пленку поликристаллического кремния для плавающего затвора, после чего создают металлическую разводку и формируют управляющий затвор. Толщина диэлектрика между плавающим и управляющим затворами, создаваемого осаждением SiOo из газрвой фазы, равна примерно 0,2 мкм. Зарядка плавающего затвора в таком приборе осуществляется также за счет лавинной инжекции носителей с обратносмещенного р-п перехода. В процессе зарядки плавающего затвора электронами на управляющий затвор подается положительное напряжение, что повышает уровень инжекции, а следовательно, и эффективность записи. Для запоминающего транзистора, изображенного на рис. 3.32, возможен процесс стирания информации (удаление накопленного заряда с плавающего, затвора) с помощью электрического импульса. Приборы постоянной памяти с электрическим стиранием информации позволяют осуществить перезапись не всей, а только части информации, и, кроме того, это можно сделать в БИС электрически стираемого перепрограммируемого ПЗУ (ЭСППЗУ), не изымая ее из электронной системы устройства (например, одноплатной микро-ЭВМ). В режиме стирания к управляющему затвору прикладывается положительный потенциал. Ток разрядки, протекающий через межзатворнын диэлектрик между плавающим и управляющим затворами, определяется формулами /р = Л,£2ехр( -Лг/гг), (3.12) S 8 МЗ мзд мзд > Сзп + С. зп + С„з + С -зП + мз + ЗС q) , (3.13) где Е2 - напряженность поля в межзатворном диэлектрике; Смз, зп, Сзс-емкости между затворами, плавающим затвором и подложкой и плавающим затвором и стоком соответственно, 5„з - площадь межзатворного промежутка; е„з - диэлектрическая посто- Рис. 3.32. Структура ЛИПЗМДП-транзистора с Плавающим и управляющим затворами; с электрическим стиранием и электрической записью Информации янная материала межзатворного диэлектрика; Л и Аг - коэффициенты, зависящие от величины потенциального барьера фв между поликремниевым плавающим затвором и межзатворным диэлектриком. Очень важно то, что величина фб может меняться в довольно широких пределах (1,0...1,6 эВ) в зависимости от способов форми-)ования пленки поликремния и пленки межзатворного диэлектрика, асчет и экспериментальные данные говорят о том, что уменьшение фб на 0,1 эВ влечет за собой снижение времени стирания минимум на порядок! Это еще раз указывает на теснейшую связь технологии изготовления и конструкции элементов с получением необходимых электрических характеристик приборов. Снижение времени стирания возможно и за счет увеличения напряжения стирания на управляющем затворе. В обоих случаях уменьшение времени стирания происходит за счет возрастания тока разрядки. Согласно имеющимся данным р-канальные МДП-транзисторы с двумя затворами выдерживают более пятисот циклов перезаписи без существенных изменений характеристик. К недостаткам приборов такого типа относятся черезвычайно высокие напряжения стирания (около 80 В). Для устранения этого недостатка было предложено несколько других конструкций запоминающего транзистора. В первой из них (рис. 3.33, а) управляющий электрод служит только для стирания информации и изолирован от плавающего затвора слоем нитрида кремния толщиной около 0,07 мкм (3.12), (3.13). Во второй конструкции запоминающего элемента (рис. 3.33, б) перезарядка плавающего затвора осуществляется при лавинной инжекции горячих дырок и электронов, генерируемых в электрических по./Тях обратносмещенных п-р и р-п переходов соответственно. Инжекция электронов на плавающий затвор осуществляется за счет подачи на сток сравнительно большого отрицательного смещения, когда на управляющем затворе поддерживается нулевой либо положительный потенциал. Для инжекции дырок из обратно- ПлаВашщий СтирпющиЛ затйор электрод ,Слой 5(3Nj,   ?W ПЗ Инжекиия Инжекция п дырок злетрокоВ Инжекиия „ Инжекция Оышлектт Рис. 3.33. Структуры ЛИПЗМДП запоминающих транзисторов с различными вариантами стирания информации  Рис. 3.34. Варианты структуры запоминающих элементов БИС ЭСППЗУ на основе п-канальных МДП-транзисторов с двумя поликремниевыми затворами смещенного «"-р-перехода на подложку подается положительный потенциал относительно истока, а на затвор - отрицательный потенциал. Для данного запоминающего элемента характерны два уровня порогового напряжения, измеряемого по управляющему затвору: первый, когда плавающий затвор заряжен электронами (пороговое напряжение имеет положительное значение), и второй, когда плавающий затвор заряжен дырками- (отрицательное). В модифицированном варианте конструкции данного запоминающего элемента ППЗУ область инжекции дырок располагается непосредственно в области истока (рис. 3.33,в). Общим для всех запоминающих элементов, изображенных на рис. 3.29, 3.32, 3.33, является то, что запись информации в них осуществляется лавинной инжекцией электронов из области обратносмещенного р-п перехода. Это приводит к формированию проводящего канала в р-канальном МДП-транзисторе, поэтому запоминающая ячейка для осуществления выборки информации должна содержать дополнительные транзисторы, что, естественно, не ведет к экономии площади кристалла. Кроме того, память на р-канальных МДП-транзисторах имеет сравнительно малое быстродействие из-за низкой подвижности дырок в кремнии по сравнению с электронами. Перспективными запоминающими элементами СБИС ЭСППЗУ большой информационной емкости и высокого быстродействия являются «-канальные МДП-транзисторы с плавающим и управляющим затворами, изготовляемые на основе совмещенной технологии с применением пленок поликремния для обоих затворов, самосовмещения и ионного легирования. На рис. 3.34 показаны три варианта структуры таких запоминающих МДП-элементов СБИС перепрограммируемой памяти, отличающихся конфигурацией и взаимным расположением затворов. Управление запоминающим элементом осуществляется за счет емкостной связи управляющий затвор - плавающий затвор и плавающий затвор - подложка. Для достижения максимальной емкостной связи толщина межзатворного диэлектрика должна быть соизмерима с толщиной подзатворного диэлектрика. Различные 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 [ 19 ] 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60 61 62 63 64 65 66 |