Конструктивно-технологические типы современных программируемых элементов

Программируемые перемычки типа «antifuse» (рис. 11.2, а, б) в исходном состоянии (до программирования) имеют чрезвычайно большие сопротивления (токи утечки порядка фемтоампер). Программирующий импульс напряжения пробивает трехслойный диэлектрик с чередованием слоев «оксид - нитрид - оксид» и создает поликремниевый канал между поликремниевым электродом и диффузионной областью n+, причем в зависимости от тока через перемычку в режиме ее программирования можно получить проводящий участок с сопротивлениями порядка 100 Ом при очень малой паразитной емкости.

Рис. 11.2. Схематическое представление программируемой перемычки типа «antifuse»: до программирования (а) и после него (б)

Элементы ЕЕРROМ и Flash реализуются на ЛИЗМОП-транзисторах (название транзистора отражает процесс лавинной инжекции заряда в плавающий затвор). На рис. 11.3 показан ЛИЗМОП-транзистор с двумя затворами - плавающим и обычным.

Плавающий затвор не имеет внешнего вывода и как бы погружен в диэлектрик (оксид, т. е. двуокись кремния). В этом затворе может создаваться или ликвидироваться заряд электронов. При подаче на обычный затвор повышенного значения программирующего напряжения через тонкий слой оксида электроны туннелируют в плавающий затвор, в котором создается заряд отрицательного знака. После снятия программирующего напряжения и возврата напряжения на затворе к уровню рабочих напряжений электроны оказываются в ловушке, где могут сохраняться в течение десятков лет. При этом транзистор будет заперт, так как отрицательный заряд плавающего затвора создает электрическое поле, противодействующее полю положительно заряженного затвора. При отсутствии заряда в плавающем затворе рабочее положительное напряжение на внешнем затворе обеспечивает отпирание транзистора (создает между стоком и истоком прово­дящий канал). На рис. 11.3,а показан режим программирования ЛИЗМОП-транзистора, а на рис. 11.3,6 - режим стирания заряда. Стрелками показаны пути туннелирования элек­тронов через тонкий слой оксида.

Память конфигурации типа ЕЕРROМ на основе ЛИЗМОП для обновления содержимого не требует извлечения микросхемы из устройства и допускает большое число циклов стирания данных (от десятков тысяч до миллиона). Стирание старой информации и запись новой занимают время порядка миллисекунд.

Программирование заряда в плавающем затворе используется и в технике ЕРROМ, причем в этом случае возможно применение ЛИЗМОП-транзисторов с одним плавающим затвором при стирании заряда путем облучения кристалла ультрафиолетовыми лучами через специальное окошко в корпусе микросхемы. Стирание информации в памяти конфигурации типа ЕРROМ является длительным процессом, занимающим десятки минут, и производится на специальном программаторе. Число циклов стирания существенно ограничено (сотни, тысячи). В последнее время схемотехника ЕЕРROМ быстро совершенствуется и все больше вытесняет схемотехнику ЕРROМ, широко распространенную в предыдущих программируемых схемах.

Вариантом схемотехники ЕЕРROМ является так называемая Flash -память. Принцип работы элементов этой памяти не отличается от принципа работы описанных ЛИЗМОП-транзисторов, но новый технологический уровень их реализациии и полученные вследствие этого улучшенные технико-экономические характеристики, как и блочное стирание данных, выделили Flash-память в отдельный класс, который

Рис.11.3. Схематическое представление ЛИЗМОП-транзистора с двойным затвором

считается вершиной достижений в области памяти с электрическим стиранием данных, хранимых в виде зарядов плавающих затворов.

В схемах со статической памятью конфигурации роль программируемого соединения играет транзисторный ключ. Такой ключ, управляемый триггером памяти конфигурации, показан на рис. 11.4. Ключевой транзистор Т2 замыкает или размыкает участок аb в зави­симости от состояния триггера, подключенного к затвору транзистора.

Рис. 11.4. Ключевой транзистор, управляемый триггером памяти конфигурации

При программировании сигналом с линии выборки включается транзистор Т1 и с линии записи/чтения подается сигнал установки или сброса триггера. В рабочем режиме транзистор Т1 заперт, а триггер сохраняет заданное ему состояние. Соответственно характеру памяти конфигурации (статическая триггерная) схемы такого типа называют SRAM-based.

Загрузка тех или иных данных в память конфигурации программирует микросхему. Процесс программирования может производиться неограниченное число раз и с высокой скоростью. При выключении питания конфигурация разрушается, поэтому после каждого включения питания требуется новая загрузка данных в память конфигурации. Такая загрузка может производиться из какой-либо энергонезависимой памяти за время порядка миллисекунд (в зависимости от объема файла конфигурации за еди

ницы, десятки, сотни миллисекунд или даже больше). Триггеры памяти конфигурации распределены по всей площади кристалла и размещаются вблизи тех схем, которые они конфигурируют.

В современных микросхемах программируемой логики триггерная память конфигурации занимает важнейшее место.

Завершая обсуждение общих вопросов, связанных с особенностями микросхем программируемой логики, следует подчеркнуть, что они выпускаются промышленностью как полностью готовые. При использовании таких схем потребитель не обращается к изготовителю для проведения каких-либо завершающих разработку операций и выполняет программирование микросхем самостоятельно. Это дает основание отнести ИС ПЛ к стандартной продукции электронной промышленности, что ведет к известным положительным последствиям - массовости производства и снижению стоимости микросхем.