МДП элементы полупроводниковых ПЗУ

Элементной базой полупроводниковых ПЗУ служат интегральные диоды, биполярные транзисторы или МДП транзисторы, размещенные в узлах двухкоординатной матрицы. Запись информации в таких ПЗУ производится либо на стадии производства, либо прожиганием специальных элементов. В такие ПЗУ информация заносится однократно и не может быть изменена.

В микропроцессорных системах с целью изменения информации применяется перепрограммируемые ПЗУ (ППЗУ). Элементной базой современных ППЗУ являются лавинно- инжекционные МДП транзисторы с плавающим затвором (ЛИПЗМДП), ЛИПЗМДП с плавающим и управляющим затвором и МНОП транзисторы. Исторически первой и самой простой является конструкция на основе p – канальной технологии.

Толщина подзатворного диэлектрика 0,1 мкм.

Для заряда электронами плавающего затвора на сток подается отрицательный импульс напряжения. Величина аккумулированного заряда на плавающем затворе зависит от амплитуды и длительности импульсов, геометрических размеров и свойств материалов подзатворного диэлектрика. После заряда плавающего затвора в области канала образуется инверсионный слой p – типа и транзистор открыт (хранит 0), т.к. плавающий затвор со всех сторон окружает диэлектрик, то заряд не рассасывается. Исследования стабильности показали, что за 10 лет при 125^оС заряд уменьшился не более, чем на 30%.

Стирание информации в таком транзисторе осуществляется УФ лучами. Для этого корпус ППЗУ снабжается окном из очень дорогого кварцевого стекла, что делает ППЗУ этого класса очень дорогим.

Недостатком этого типа транзисторов является также стирание информации сразу во всех ячейках и необходимость еще одного МДП транзистора для организации выборки:

Дальнейшим развитием данной конструкции стала конструкция с двумя затворами (плавающим и управляющим).

В процессе заряда на управляющей затвор подается положительный потенциал, что повышает уровень инжекции и эффективность записи. Стирание информации производится электрически подачей на управляющей затвор импульса высокого положительного потенциала. Эти транзисторы позволяют стирать информацию выборочно без изъятия из устройства, и они называются ЭСППЗУ.

Недостаток: большое время и напряжение стирания (примерно 80В).

Транзистор выдерживает до 500 циклов перезаписи.

Для устранения этих недостатков применяются следующие конструкции:

В а) УЗ служит только для стирания информации и изолирован от плавающего затвора слои нитрида кремния примерно равный 0,07 мкм. Это позволяет производить перезапись быстрее и при низких напряжениях.

В конструкциях б) и в) запись информации производится обычным образом за счет инжекционных электронов из обратносмещенного p⁺–n перехода, а стирание за счет инжекции дырок из обратносмещенного n⁺–p перехода при положительном U_ПИ и отрицательном потенциале на управляющем затворе. Поэтому эти транзисторы имеют 2 пороговых напряжения по управляющему затвору- положительное и отрицательное.

Недостатком этой конструкции является необходимость в дополнительном транзисторе, как и в предыдущем случае. Кроме этого память на p – канальных МДП транзисторах имеет малое быстродействие из-за низкой подвижности дырок в кремнии по сравнению с электронами.

Перспективными являются СБИС ЭСППЗУ большой емкости и высокого быстродействия на основе n- канальных МДП транзисторов с плавающим и управляющими затворами, изготовленными по совмещенной технологии с применением пленок поликремния для обоих затворов, самосовмещением и ионным легированием.

Управление осуществляется за счет емкостных связей, управляющий затвор – плавающий затвор и плавающий затвор – подложка. Для достижения максимальной емкостной связи толщина межзатворного диэлектрика делается соизмеримой с толщиной подзатворного диэлектрика. Величина накопленного заряда Q определяется геометрическим размером ячейки и амплитудой импульсов записи, прикладывающийся к управляемому затвору и стоку (приблизительно равно +20В).

В незаряженном состоянии пороговое напряжение ячейки имеет низкое значение (U₀≈ 2..3В). А после заряда плавающего затвора оно увеличивается на величину Q/С_м3 (С_м3 - межзатворная емкость).

Т.о. если на управляющий затвор подать напряжение 2ВU₀(3+ Q/С_м3), то незаряженная ячейка откроется, а заряженная останется закрытой. Это позволяет в узле ЭСППЗУ обойтись без дополнительного транзистора.

Но в рассмотренной конструкции есть противоречия между быстротой записи информации и длительностью хранения. Диэлектрик должен с одной стороны быстро пропускать через себя горячие электроны при заряде, а с другой должен их надежно удерживать.

Поэтому были разработаны конструкции в которых заряд производится не за счет горячих электронов, а за счет туннельного эффекта. Заряд производится через тонкий подзатворный туннельный окисел толщиной (10 - 20)мкм из нитрида кремния. Вырастить такой тонкий окисел технологически трудно. Однако это окупается следующим преимуществами:

ü малый расход энергии и высокая эффективность заряда и хранения;

ü туннельный эффект двухсторонний, поэтому его можно использовать как для заряда, так и разряда;

ü малая площадь туннельного окисла, и как следствие, высокая степень интеграции.

В а) туннельный окисел располагается над каналом. При подаче на управляющий затвор напряжения при нулевом потенциале на стоке и истоке происходит заряд транзистора. И наоборот – при подаче положительного напряжения (≈17В) на сток, исток и подложку и "нулевого" потенциала на управляющем затвор происходит разряд ячейки. Запоминающий элемент располагается в p – кармане, что позволяет осуществлять развязку между матричным накопителем и схемой управления.

В б) туннельный окисел расположен над стоковой n⁺ – областью. Сформировать такой окисел значительно труднее, но преодоление таких трудностей позволяет создать ЭСППЗУ с побайтовой записью и стиранием информации.

На практике широко применяется также следующая конструкция:

В этой конструкции короткий примерно 3,5мкм канал. Плавающий затвор лишь частично перекрывает канал, принадлежащий к стоковой области и немного перекрывает область истока. Туннельный эффект используется только для стирания информации, а запись производится обычными горячими электронами. Эта конструкция не требует введения в ячейку дополнительных транзисторов, что существенно уменьшает площадь ячейки памяти. Подобная конструкция n – канального транзистора используется в программируемых логических матрицах, в которых конфигурация электрических цепей может изменяться программирование ключей.

Тема 5. Проектирование гибридных (ГИС) и больших гибридных ИМС и микросборок.

ГИС представляют собой микросхемы, в которых в качестве части пассивных и активных элементов используются дискретные бескорпусные ЭРЭ и ИМС. Основная часть пассивных элементов и коммутационных соединений выполнены в виде пленок на поверхности диэлектрической подложки.

Разновидностью ГИС являются совмещенные микросхемы, в которых все активные элементы и часть пассивных выполнены по полупроводниковой технологии в толще кристалла, а часть пассивных элементов и коммутационные соединения – по тонкопленочной технологии на поверхности кремневой пластины.

ГИС – изделие широкого применения. Микросборка (МСб) – это ГИС частного применения, изготавливаемая на предприятии с целью улучшения показателей микроминиатюризации конкретной ЭВА. В отличие от ГИС в МСб могут использоваться корпусные ЭРЭ и микросхемы. Корпуса для МСб могут выбираться из стандартного ряда или проектироваться специально.

Тонкопленочные ГИС применяются при изготовлении ИС, в которых число пассивных компонентов намного превышает число активных или в случае, когда для работы микросхемы важна высокая точность пассивных элементов. Поэтому ГИС чаще всего используются при проектировании линейных и аналоговых ИС.

В большинстве логических схем число пассивных компонентов невелико, и они играют вспомогательную роль и к ним не предъявляются требования повышенной точности. Поэтому логические ИС чаще всего производят по полупроводниковой технологии.

Низкая цена оборудования для производства тонкопленочных ГИС и меньшая сложность проектирования ГИС обусловили широкое применение на предприятиях МСб и заказных и полузаказных совмещенных ГИС на основе БМК (базово-материальные кристаллы).

Дата добавления: 2014-01-11