Материал: Эффект поля в микроэлектронике

Рис. 16. Электрические символы, передаточные и выходные характеристики четырех типов МДП-транзисторов.

5. Энергонезависимые элементы памяти

Если модифицировать затвор обычного МДП- транзистора таким образом, чтобы в подзатворном диэлектрике мог храниться электрический заряд, то мы получим новый прибор- энергонезависимый элемент памяти. С тех пор как в 1967 г. был предложен первый такой прибор, энергонезависимые элементы памяти получили широкое развитие и распространение. На их основе в настоящее время разрабатывается и изготавливается широкий класс полупроводниковых интегральных запоминающих устройств (ЗУ), таких как электрически репрограммируемые постоянные ЗУ (ПЗУ с электрической перезаписью), программируемые ПЗУ со стиранием, энергонезависимые ЗУ с произвольной выборкой и т.п. Энергонезависимые элементы памяти можно разделить на два класса: приборы с плавающим затвором (рис. 17б) и структуры с двухслойным диэлектриком - МДОП (металл- диэлектрик- окисел- полупроводник, рис. 17а).

«Запись» заряда в них осуществляется инжекцией носителей из кремния через слой окисла. Заряд храниться либо в плавающем затворе, либо на границе окисла со вторым диэлектриком (в МДОП-структурах). Этот заряд, изменяя пороговое напряжение МДП-транзистора, «сдвигает» прибор в состояние с высоким порогом. В хорошо сконструированной ячейке такое состояние сохраняется более 100 лет. «Стирание» хранящегося заряда (возврат прибора в исходное состояние с низким порогом) в современных устройствах осуществляется электрически.

В структуре с плавающим затвором (рис. 17б) на первом тонком слое окисла расположен металлический электрод - плавающий затвор, отделенный вторым, толстым слоем диэлектрика от внешнего металлического затвора. Зонные диаграммы структуры с плавающим затвором, соответствующие режимам записи, хранения и стирания, приведены на рис. 18. При приложении к такой структуре постоянного

Рис. 17. Энергонезависимые элементы памяти.

Рис. 18. Зонные диаграммы элемента памяти с плавающим затвором: а - зарядка (операция записи); б - хранение заряда; в - разрядка плавающего затвора.

напряжения V из-за различия полных электропроводностей диэлектрических слоев на границе их раздела будет происходить накопление заряда, величина которого определяется из следующей системы уравнений:

 , (141)

 ,  (142)

 , (143)

где  и  - диэлектрическая проницаемости слоев;  и  - напряженности поля в этих слоях;  и  - соответствующие плотности тока;  и  - толщина слоев;  - поверхностная плотность накапливаемого заряда. Решение системы уравнений (141) - (143) в общем виде встречает большие трудности. Достаточно простым и практически важным оказывается случай, когда в начальные моменты времени один из токов много меньше другого и им можно пренебречь. Положим для определенности =0. Наиболее типичной является зависимость плотности тока от напряженности поля вида

,  (144)

где , a и n - константы, зависящие от конкретного механизма электропроводности диэлектрика, к которым могут относиться механизмы Пула-Френкеля (n=1/2) или Фаулера-Нордгейма (n=-1). Для решения системы уравнений (141) - (143) в аналитическом виде запишем разложение

, (145)

где  - значение напряженности поля в момент времени t=0 и

При n=1 равенство (145) строгое, а в противном случае справедливо, если в рассматриваемые интервалы времени имеет место неравенство . В общем случае, когда на границе раздела к моменту времени t=0 уже имеется некоторый начальный заряд , решение системы уравнений (141) - (144) при использовании разложения (145) приводит к следующей зависимости

, (147)

где ,

 (148)

верхний знак в выражении (147) берется при

 ,  (149)

а нижний - при неравенстве, обратном (149).

Выражение (147) описывает как процесс накопления заряда под действием внешнего напряжения, так и процесс его релаксации с течением времени в отсутствии внешнего напряжения. В последнем случае при t<t₀ вторым слагаемым под знаком логарифма можно пренебречь по сравнению с экспонентой. Тогда

При t>t₀, пренебрегая экспонентой в (147), получаем, что заряд будет уменьшается пропорционально логарифму времени

.

Качественно зависимость заряда от времени показана на рис. 25. Время хранения заряда в современных элементах памяти достигает значений свыше 100 лет.

В первых программируемых ПЗУ со стиранием в качестве материала плавающего затвора использовался сильнолегированный поликремний. В этих приборах, получивших название МДП- ЗУ с плавающим затвором и лавинной инжекцией, поликремниевый затвор со всех сторон окружен слоем окисла. Довольно большая толщина слоя окисла ( d₁»1000А) выбрана для того, чтобы исключить в окисле слабые места и закоротки , через которые поликремниевый плавающий затвор мог бы быть электрически связан с подложкой.

Для электрического стирания используется аналогичная ячейка памяти с двумя поликремниевыми затворами. Внешний затвор, кроме того, улучшает эффективность записи. Иногда в приборах этого типа изоляция между поликремниевыми затворами осуществляется слоем SiO₂ обогащенным кремнием.

Рассмотрим теперь элементы памяти на основе двухслойных струстур, или МДОП- структур. Среди различных запоминающих устройств со структурой металл- диэлектрик- SiO₂ -Si (МДОП) наиболее популярны МНОП- структуры (металл- Si ₃N₄- SiO₂-Si). Кроме того, известны МДОП- структуры, в которых вместо нитрида кремния используются другие диэлектрические пленки, такие, как окись алюминия, окись тантала и окись титана. К этому типу приборов относится также структура, содержащая только один слой двуокиси кремния, во внешнюю часть которого имплантированы ионы золота (или других металлов). Такая имплантация изменяет проводимость в соответствующей части окисла, а также приводит к возникновению пограничных центров, способных захватывать и хранить заряд. На рис. 19 приведены зонные диаграммы МНОП - структуры, соответствующие операциям записи и стирания информационного заряда.

Рис. 19. Операции записи (а) и стирания (б) в МНОП - структуре.

Ток в окисле обусловлен туннелированием Фаулера - Нордгейма, в то время как ток через нитрид соответствует эмиссии Пула - Френкеля.

В качестве одного из способов улучшения рабочих характеристик МДОП- элементов памяти было предложено легировать границу раздела между диэлектриками (например, вольфрамом) для создания дополнительных центров захвата заряда. Оказывается, что соответствующее значительное увеличение плотности поверхностных ловушек позволяет существенно снизить времена записи и стираний.

Литература

1. Бонч-Бруевич В.П., Калашников С.Г. Физика полупроводников.- М.: Наука, 2007. - 672 с., ил.

. Свойства структур металл-диэлектрик-полупроводник. П/р Ржанова А.В. - М.: Наука, 2006. - 280с., ил.

. Зи С. Физика полупроводниковых приборов. Москва. Мир, 1984г., т.1, с. 456.

. Овсюк В.Н. Электронные процессы в полупроводниках с областями пространственного заряда. - Новосибирск: Наука, 2014.

. В.Г. Грановский. Радиоэлектроника. Ростов-на-Дону: «Феникс», 2010. - 352с.