МДП–элементы полупроводниковых постоянных запоминающих устройств

Элементной базой полупроводниковых постоянных запоминающих устройств (ПЗУ) служат интегральные диоды, биполярные транзисторы или транзисторы МДП–типа, размещенные в узлах двухкоординатной матрицы. Информация в ПЗУ определяется наличием диода или транзистора в узле матрицы (например, хранение “0”) или их отсутствие (хранение “1”). Запись информации в диодные ПЗУ или ПЗУ на транзисторах проводится либо выжиганием соответствующих диодов, либо пережиганием специально предусмотренных в каждом узле матрицы плавких перемычек, либо отсутствием соответствующего окна в окисле для создания контактов к транзистору. В последнем случае информация фактически содержится на фотошаблоне для формирования контактных окон.

Наибольшее распространение получили ПЗУ на МДП–транзисторах в связи с возможностью достижения высоких степеней интеграции и соответственно большой информационной емкости, а также благодаря малому потреблению энергии. Запись информации в ПЗУ на МДП–транзисторах осуществляется либо пробоем конденсатора, входящего в состав запоминающего элемента, либо конструированием шаблона для вскрытия окон под тонкий окисел.

В такие ПЗУ информация заносится один 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 перепрограммируемой памяти: перепрограммируемы постоянные запоминающие устройства (ППЗУ), в которых информация могла бы храниться годами и в которых бы имелась возможность стирать эту информацию полностью или частично и заносить новую.

Элементной базой современных БИС ППЗУ служат: лавинно–инжекционные МДП–транзисторы с плавающим затвором (транзисторы ЛИПЗМДП); лавинно–инжекционные МДП–транзисторы с плавающим и управляющим затворами; МДП–транзисторы со структурой металл—нитрид—окисел—полупроводник (транзистор МНОП–типа).

Структура лавинно–инжекционного МДП–транзистора с плавающим поликремниевым затвором, созданного на основе p–канальной технологии, представлена на рис. 25, а. Подложкой служит пластина кремния n–типа с удельным сопротивлением 4…8 Ом´см.

Механизм зарядки плавающего затвора основан на следующих эффектах. На стоковую область p–канального МДП–транзистора подается отрицательный потенциал. По мере увеличения отрицательного смещения обедненный слой и электрическое поле в нем будут расти. Под действием электрического поля обедненного слоя неосновные носители – электроны – из стоковой p⁺–области будут выноситься в n–область подложки. С увеличением напряженности этого поля будет возрастать дрейфовая скорость электронов и при определенном критическом значении напряженности поля становится возможным лавинное умножение электронов в n–области. одновременно за счет емкостной связи С_ЗС на плавающем затворе индуцируется положительный заряд, который будет искривлять обедненную область в p⁺–слое вблизи поверхности и формировать электрическое поле, направленное от плавающего затвора к стоку.

Таким образом, электрическое поле в обедненной области обратносмещенного стокового p–n–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, препятствующее процессу зарядки. При этом ток лавинной инжекции через диэлектрик будет уменьшаться и при определенной величине заряда снизится до нуля.

После зарядки плавающего затвора электронами в области канала МДП–транзистора p–типа возникает инверсный слой, транзистор переходит в открытое состояние, т.е. хранит “0”.

Поскольку плавающий затвор со всех сторон окружен двуокисью кремния, представляющей собой один из лучших существующих диэлектрических материалов, заряд на плавающем затворе сохраняется длительное время. Исследования стабильности заряда показали, что даже при 125 °С за 10 лет заряд может уменьшиться лишь на 30% своей первоначальной величины.

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 l=253,7 нм.

Дальнейшим развитием описанной выше конструкции транзистора явилась структура с двумя затворами — плавающим и управляющим (рис. 26, а). Эту структуру изготавливают по p–канальной МДП–технологии на кремниевой пластине n–типа электропроводности с удельным сопротивлением 5 Ом´см 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 плавающими и управляющим затворами, создаваемого осаждением SiO₂ из газовой фазы, равна примерно 0,2 мкм. Зарядка плавающего затвора в таком приборе осуществляется также за счет лавинной инжекции носителей с обратносмещенного p–n–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. 26, а, возможен процесс стирания информации (удаление накопленного заряда с плавающего затвора) с помощью электрического импульса. Приборы постоянной памяти с электрическим стиранием информации позволяет 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 микроЭВМ). В режиме стирания к управляющему затвору прикладывается положительный потенциал.

Согласно имеющимся данным p–канальные МДП–транзисторы с двумя затворами выдерживают более пятисот циклов перезаписи без существенных изменений характеристик. К недостаткам приборов такого типа относятся чрезвычайно высокие напряжения стирания (около 80 В). Для устранения этого недостатка было предложено несколько других конструкций запоминающего транзистора. В первой из них (рис. 26, а) управляющий электрод служит только для стирания информации и изолирован от плавающего затвора слоем нитрида кремния толщиной около 0,07 мкм.

Во второй конструкции запоминающего элемента (рис. 26, б) перезарядка плавающего затвора осуществляется при лавинной инжекции горячих дырок и электронов, генерируемых в электрических полях обратносмещенных n⁺–p и p⁺–n переходов соответственно. Инжекция электронов на плавающий затвор осуществляется за счет подачи на сток большого отрицательного смещения, когда на управляющем затворе поддерживается нулевой или положительный потенциал. Для инжекции дырок из обратносмещенного n⁺–p–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. 26, в).

Общим для всех запоминающих элементов, изображенных на рис. 25, 26, является то, что запись информации в них осуществляется лавинной инжекцией электронов из области обратносмещенного p–n–перехода. Это приводит к формированию проводящего канала в p–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 p–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 является n–канальные МДП–транзисторы с плавающим и управляющим затворами, изготовляемые на основе совмещенной технологии с применением пленок поликремния для обоих затворов, самосовмещения и иного легирования . На рис. 27 показан вариант структуры такого запоминающего МДП–элемента СБИС.

Управления 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 состояния транзистора определяются зарядом на плавающем затворе. Зарядка плавающего затвора, как и для других описанных выше ячеек, осуществляется горячими электронами, проходящими через слой подзатворного диэлектрика толщиной 0,05...0,1 мкм, однако механизм разогрева электронов в данном приборе иной. В режиме зарядки плавающего затвора на сток и затвор одновременно подается большое положительное напряжение (около 20 В). При этом наличия электрического поля вблизи стокового перехода еще не достаточно, чтобы вызвать его пробой на подложку, но достаточно, чтобы вызвать ударную ионизацию в канале транзистора. Число горячих электронов будет определяться током в канале МДП–транзистора. Инжекция горячих электронов в плавающий затвор осуществляется под действием тянущего поля со стороны управляющего затвора. Очень важно то, что величина накопленного заряда определяется геометрическими параметрами ячейки памяти и амплитудой импульсов записи, прикладываемых к управляющему затвору и стоку ячейки.

Успехи технологии формирования тонких бездефектных диэлектрических слоев на кремнии позволили разработать конструкции электрически перепрограммируемых ячеек памяти, работающих на эффекте туннелирования (рис. 28). На плавающем и управляющем кремниевых затворах в этих конструкциях имеются ступеньки в областях перехода к более тонкому туннельному диэлектрику.

В варианте конструкции, изображенном на рис. 28, а, туннельной окисел располагается над областью канала. При подаче на верхний затвор напряжения соответствующей полярности при нулевом напряжении на остальных электродах на плавающий затвор через емкостную связь передается положительное напряжение. Электроны при этом проходят через туннельный окисел и заряжают плавающий затвор. И наоборот, при подаче к областям стока, истока и подложки положительного потенциала (+17 В) при нулевом потенциале на управляющем затворе происходит разрядка плавающего затвора. Для создания на основе запоминающего элемента, изображенного на рис. 28, а, схемы ЭСППЗУ необходимо осуществить развязку между матричным накопителем и схемой управления. С этой целью запоминающий элемент размещают в p^––кармане, сформированном в подложке n–типа.

Во втором варианте (рис.28,б) туннельный окисел расположен над стоковой n⁺–областью. Сформировать тонкий окисел над n⁺–областью сложнее, однако преодоление этих технологических трудностей позволяет создать схему ЭСППЗУ, в которой кроме избирательной (побайтовой) записи можно осуществить и избирательное стирание. Под действием разности потенциалов между плавающим затвором и стоком в туннельном окисле можно создавать электрическое поле разной направленности–вытягивающее электроны с области стока на плавающий затвор и снимающего заряд с плавающего затвора. Таким образом, структуры с туннельным окислом позволяют просто и воспроизводимо выполнять как программирование, так и стирание запоминающего элемента. Экспериментальные исследования показали, что структура, изображенная на рис.28, б, может сохранять информацию в течение 10 лет при температуре 125° С.

В ячейки ЭСППЗУ, структура и топология которой приведена на рис.29, использован ряд новых конструктивных усовершенствований. В этой конструкции применен n–канальный МДП–транзистор с коротким (3,5 мкм) каналом и с поликремниевым управляющим затвором, расположенным над плавающим затвором. Последний перекрывает только часть канала, прилежащую к стоковой области, и в стороне от канала лежит над не большим участком области истока. Управляющий затвор перекрывает плавающий затвор и область канала.

Толщина межзатворного и подзатворного диэлектриков (окись кремния) имеет значение 0,07…0,12 мкм, а толщина тунельного окисла в области стирания составляет 0,03…0,05 мкм. Эта конструкция не требует введения в схему ячейки памяти дополнительных транзисторов выборки, что уменьшает площадь. Программирование осуществляется одновременным подключением напряжения к стоку и управляющему затвору при заземленном истоке. В канале возникают горячие электроны, которые инжектируют в плавающий затвор (ПЗ) и изменяют пороговое напряжение МДП–транзистора. Пороговое напряжение незапрограммируемой ячейки равно приблизительно 1 В. В процессе программирования оно повышается до 8 В. При этом хранении “0” соответствует состоянию транзистора с незаряженным плавающем затвором. Считывание осуществляется дискриминацией двух состояний с помощью считывающего импульса с напряжением 5 В, прикладываемого к управляющему электроду.

Электрическое стирание информации, т.е. разрядка плавающего затвора, производится над областью истока. Для этого импульс стирания амплитудой примерно +35 В прикладывается к истоку И, при этом управляющий затвор УЗ заземляется, а сток С остается свободным. За счет емкостной связи в туннельном диэлектрике создается сильное электрическое поле, под действием которого осуществляется туннелирование электронов с плавающего затвора в исток.

На основе рассмотренных структур можно спроектировать репрограммируемые логические устройства для быстрого изготовления заказных логических микросхем.