Методика расчета и оптимизации ячеек памяти низковольтовых последовательных ЭСППЗУ

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:

Jtun = Etun (exp ( -/Etun)); (1)

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

Etyn = Vtun /Xtun; (2)

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

Рисунок 6

3.1.1 Расчет Vtun

Cpp это емкость между плавающим и управляющим затвором, Ctun это емкость тонкого окисла, Cgox это емкость подзатворного окисла между плавающим затвором и подложкой, Qfg это заряд, накопившийся на плавающем затворе. Vtun может быть рассчитан для электрически нейтрального затвора по простому соотношению коэффициентов:

Vtun запись = Vg Kw; (3)

Где Kw = Cpp/(Cpp + Cgox + Ctun); (4)

и Vtun стирание = Vd Ke; (5)

где Ke = 1 - (Ctun/(Cpp + Cgox + Ctyn); (6)

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

Vtun запись= Vg Kw + (Qfg/(Cpp + Cgox + Ctyn) (3')

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

Vtun стирание = Vd Ke - (Qfg/(Cpp + Cgox + Ctyn); (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 Qfg=0, обозначается как Vti. Начальный заряд смешает порог согласно соотношению:

Vti = -Qfg/Cpp (7)

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

Vtw = Vti - Qfg/Cpp = Vti + Vg(1 - (V'tun/Kw Vg)) (8)

Vte = Vti - Qfg/Cpp = Vti - Vd(Ke/Kw - (V'tun/Kw Vd)) (9)

Здесь Vtw это порог записи ячейки, а Vte это порог стирания ячейки.Vg и Vd 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 Vtun 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 Ctun и увеличении Cpp. 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 Ke всегда больше Kw. Увеличение емкости подзатворного окисла Cgox увеличивает Ke, но уменьшает Kw.

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:

DQfg/dt = Atun Jtun; (10)

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

Vtw(t) = Vti + Vg - (1/Kw) (B/ln(A B t + E1); (11)

Vte (t) = Vti - (Vd Ke)/Kw + 1/Kw [ B /(ln (A B t + E2)) ]; (12)

Где A = (Atun )/(Xtun (Cpp + Cgox + Ctun)); (13)

B = Xtun; (14)

E1 = exp[ B/(Kw (Vg + Vti - Vt(0))) ]; (15)

E2 = exp[ B/(Vd Ke + Kw Vt(0) + Kw Vti) ]; (16)

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

= (1/AB) exp[ B/(Kw (Vg + Vti - Vt(0)) ]; (17)

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

Vtw(t) = Vti + Vg - [ B/(Kw ln(A B t)) ]; (18)

Аналогичное выражение для операции стирания выводится из уравнения (12). Это приближение полезно использовать при проектировании ячеек памяти, а также оно может быть применено для оценки времени программирования, порога окна, операционного времени для любого набора параметров ячейки(A, B, Vti, Kw, Ke).

3.2 Полная модель ячейки

3.2.1 Расчет плавающего затвора и потенциалов канала

Эквивалентная схема ячейки памяти ЭСППЗУ с учетом паразитных емкостей и емкостей обедненного слоя представлена на рис.8. Эффект утечки дырок в подложку исключен и предположим, что ячейка у нас спроектирована. Cgs и Cgd это емкости перекрытия подзатворного диэлектрика, Cfld это емкость области окисла между плавающим затвором и подложкой. Падение напряжения на емкости обедненного слоя равно s и sn для канала и n+ области соответственно. Накопившийся на плавающем затворе заряд Qfg это сумма зарядов всех емкостей:

Qfg = Cpp(Vfg - Vg) + Cgd(Vfg - Vd) + Cfld(Vfg - Vsub)

+ Ctun(Vfg - (VD - sn))+ Cgs(Vfg-Vs)

+ Cgox(Vsub +s)); (19)

Во время записи в области n+ накапливается заряд и sn принимается равным нулю. Канал формируется так, что поверхность канала и свободный исток составляют напряжение на стоке Vd = 0. Таким образом, Vfg может быть вычислено из соотношения (19).

Во время стирания sn принимается постоянной. Состояние поверхности канала определяет следующий способ нахождения Qfg: во-первых, истощение принято и последний часть в уравнении (17) может быть заменена следующим выражением:

Qdep = Ach (2q si 0 Nb s)-2 (20)

Для предполагаемого условия Vfg связано с s следующим соотношением:

Vfg = Vfb + s + Ach/Cgox (2q si 0 s)-2 (21)

Это выражение включенное в выражение (17) и равнодействующее квадратичное уравнение решено для (s)-2. Если уравнение не имеет положительных решений, то поверхность канала накоплена и s берется равным 0. Напряжение на истоке эквивалентно s. Уравнение (17) решено для Vfg с учетом s.

Рисунок 8

4. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ

4.1 Запоминающая ячейка

В настоящее время на НПО “Интеграл” используются две разновидности конструкции запоминающей ячейки для ЭСППЗУ: обычная и её масштабированная (уменьшенная) топологическая модификация. Конструктивно ячейки состоят из адресного транзистора (транзистора выборки) и транзистора с «плавающим» затвором, на котором хранится информация.

Для сравнения нами был проведен анализ аналогов ЭСППЗУ, производимых некоторыми зарубежными фирмами: Siemens и Philips.

На всех проанализированных образцах ЭСППЗУ, произведенных фирмой Philips (PCF 8582, PCF 8594, PCF 85116), используются различные топологические рисунки запоминающего элемента. Аналогична ситуация и у фирмы Siemens (SDA 2586, SDE 2526).

На рисунке 9 приведена электрическая схема запоминающей ячейки ЭСППЗУ одного из иностранных аналогов, а на рисунке 10 - ее топологический чертеж.

Основные отличия в электрических схемах запоминающих ячеек ЭСППЗУ отечественной разработки и ее иностранного аналога состоит в том, что они имеют различную организацию.

Топологическая площадь запоминающего элемента аналога 5,0 мкм 11,25 мкм 56,25 мкм2, а площадь ячейки, разработанной на НПО “Интеграл” равна 11,0 мкм х 18,5 мкм = 203,5 мкм2. Это связано с разными нормами топологического проектирования элементной базы (0,6 мкм у аналога и 1,0 мкм на НПО “Интеграл”).

Необходимо отметить, что корректное сравнение различных запоминающих ячеек затруднительно. Выбор конкретного варианта реализации топологии зависит от множества факторов: норм проектирования элементной базы и технологического процесса их изготовления, схем электрических блоков обрамления матрицы запоминающего устройства (дешифраторы, разрядная схема, усилители считывания, схемы управления напряжением программирования), статических, динамических, надежностных характеристик всего устройства, режимов программирования и многого другого.

Более детальный анализ и формирование требований к параметрам ячейки могут быть осуществлены после моделирования микросхемы.

Рисунок 9. Схема электрическая запоминающей ячейки

Рисунок 10. Топология запоминающей ячейки

4.1.1 Методика исследования элементной базы ЭСППЗУ

Физика работы запоминающего элемента ЭСППЗУ требует подачи на нее довольно высоких уровней напряжения при записи информации. Что накладывает ряд специфических требований на элементную базу как самой запоминающей ячейки, так и кристалла микросхемы целиком.

Напряжение поступающее на запоминающую ячейку в режиме программирования составляет ~ 15 20 В и формируется встроенным на кристалле источником и подается к ячейке посредством цепочки коммутирующих п-канальных транзисторов. Типовая схема передачи напряжения от источника к запоминающей ячейке приведена на рисунке 11.

Необходимость использования для передачи напряжения программирования п-канальных транзисторов определяет потери в его величине на выводах ячейки относительно напряжения источника.

Напряжение Uпрог. поступающее на запоминающую ячейку определяется следующим образом:

Uпрог = Uист - 2 (UTN + Uпрог) (22),

где: UTN - порог п-канального транзистора (без смещения подложки);

- коэффициент влияния подложки;

Uист- напряжение источника вырабатывающего высокое напряжение на кристалле.

Максимально достижимое значение напряжения источника ограничивается пробивными и пороговыми напряжениями его элементов. Достижение режима работы запоминающей ячейки при записи информации с учетом соотношения емкостей управляющего и туннельного окисла иллюстрируется на рисунке 12

Схема передачи

Рисунок 11

Рабочий режим запоминающей ячейки

Рисунок 12

Основными характеристиками, которые определяют работоспособность и надежность ячейки, являются соотношение емкостей между обкладками транзистора с “плавающим” затвором (параметр отвечает за величину напряжения на “плавающем” затворе при программировании) и разность токов при чтении информации различных состояний ячейки.

Для эффективного программирования соотношение ёмкостей должно быть  1,0. При соотношении 1,0 к туннельному окислу в режиме программирования прилагается напряжение, равное половине “высокого”, что достаточно для протекания туннельного тока при dox = 80 - 85 . У анализируемого образца данное соотношение равно 1,1.

Ток ячейки, при прочих равных условиях, определяется эффективной шириной адресного и “плавающего” транзисторов и, безусловно, уровнем заряда, записанного на “плавающем” затворе.

Для элементной базы ЭСППЗУ в отличие от стандартных КМОП ИС очень важными параметрами элементной базы являются:

1. Значения и разброс пороговых напряжений рабочих транзисторов.

2. Пробивные напряжения элементов, с помощью которых формируется и подается к запоминающей ячейке программирующее напряжение.

3. Пороговые напряжения паразитных структур, прилегающих к элементам обеспечивающим формирование Uпрог.

4. Тип подложки и собственная структура транзисторов, определяющие коэффициент влияния напряжения смещения истока относительно напряжения подложки на пороговое напряжение ключевых транзисторов, осуществляющих передачу программирующего напряжения к выбранному запоминающему элементу.

5. Емкости туннельного и межслойного (между управляющим и плавающим затвором) окислов.

4.2 Результаты исследования элементной базы

Учитывая приведенные выше требования, были отобраны тестовые структуры, на которых проводились комплексные измерения параметров элементной базы ЭСППЗУ.

4.2.1 Исследование характеристик туннельного окисла запоминающего элемента

Вольтамперные характеристики туннельного окисла снимались непосредственно на структуре, входящей в состав запоминающей ячейки. Измерения проводились для напряжения обоих полярностей при температуре +20, +85 и +125С.

Результаты измерений (представлены в форме графиков в приложении 2) были подвергнуты компьютерной математической обработке и приведены на рисунке 13.

Полученные результаты показывают симметричность вольт-амперной характеристики туннельного окисла при разной полярности приложенного напряжения и слабую зависимость от температуры, что подтверждается научными литературными источниками. Для упрощения рисунке 14, на нем не приведены кривые, полученные при температуре +85оС.

4.2.2 Эквивалентная схема замещения туннельного окисла

Важным этапом разработки микросхем ЭСППЗУ является моделирование электрической схемы. В настоящее время полное моделирование затруднено в связи с отсутствием модели запоминающей ячейки. Основным препятствием к ее созданию является отсутствие схемы замещения туннельного окисла в составе библиотек программных пакетов систем проектирования.

Страницы: 1, 2, 3