Правильная ссылка на эту страницу
http://az-design.ru/Support/HardWare/HughesAircraft/D19800731Elc027.shtml

Микромощное электрически стираемое ППЗУ с высокой скоростью репрограммирования

Е.Шелтон (Е.К.Shelton)
Исследовательский центр фирмы Hughes Aircraft Co. (Ньюпорт-Бич, шт.Калифорния)

Е.К.Shelton. Low-power EE-PROM can be reprogrammed fast, pp.89—92.

Описано электрически стираемое ППЗУ, в котором для получения малой потребляемой мощности матрица n-канальных запоминающих элементов с плавающими затворами окружена периферийными К/МОП-схемами. Применение в запоминающих элементах плавающих затворов обеспечивает наивысшую длительность сохранения информации, а применение туннелирования электронов для заряда и разряда этих плавающих затворов — высокую долговечность ЭСППЗУ (большое количество циклов стирание — программирование). Информационная емкость нового прибора памяти равна 8К; в режиме считывания он работает от одного источника питания напряжением 5 В, в режимах стирания и программирования — от источника питания напряжением 17 В. Полное время стирания и нового программирования прибора составляет всего около 0,1 с.

При необходимости внутрисхемного репро-граммирования ПЗУ приборы с электрическим стиранием информации оказываются намного удобнее приборов, стираемых ультрафиолетовым светом. Поэтому со временем программируемые ПЗУ с ультрафиолетовым стиранием (СППЗУ) должны уступить часть занимаемого ими сейчас большого рынка сбыта электрически стираемым ППЗУ (ЭСППЗУ).

Новое ЭСППЗУ емкостью 8К, помимо электрического стирания информации, имеет два других достоинства — малое потребление мощности и относительно небольшие токи стирания и программирования, — которые делают его особенно привлекательным для применения в портативной аппаратуре типа переносных измерительных приборов. Его программирование осуществляется очень быстро — примерно за 0,1 с, так как операция стирания всего ЗУ и операция программирования одного его байта в типовом случае занимают по 100 мкс каждая. Время выборки ЭСППЗУ составляет менее 600 нс.

Малое потребление мощности достигнуто в ЭСППЗУ HNVM 3008 благодаря применению К/МОП-схем во всей периферийной электронике кристалла, окружающей плотноупакованную матрицу n-канальных запоминающих МОП-элементов. Высокая плотность упаковки обеспечивается благодаря структурному совмещению в этом элементе запоминающего транзистора и транзистора выборки; нитрид кремния используется в данном случае только для улучшения электрической связи между ними. В подложке n-типа этого кристалла имеется большой карман p-типа, в котором размещены 8192 энергонезависимых запоминающих элемента, организованных с внешней точки зрения в 1024 байт. За пределами этого кармана в самой подложке выполнены р-канальные транзисторы, а n-канальные приборы изготовлены в других, меньших карманах р-типа, как это обычно делается в К/МОП ИС.

Типовая мощность, потребляемая новым прибором в режимах программирования и стирания, составляет всего 25 мВт, в режиме считывания — 10 мВт и в режиме пассивного хранения — менее 500 мкВт. Эти цифры отражают использование туннелирования электронов в качестве меха- низма переноса зарядов, а также высокую эффективность К/МОП-схем. В электрических стираемых ППЗУ на структурах металл-нитрид-окисел-полупроводник также используется туннелирование электронов, однако для них требуется программирующее напряжение, как минимум, 25 В. В то же время для программирования и стирания ЭСППЗУ HNVM 3008 достаточно напряжения 17 В; во всех остальных режимах напряжение его единственного источника питания равно 5 В.

Это энергонезависимое ЗУ, в котором используются плотноупакованная матрица n-канальных запоминающих элементов и периферийные К/МОП-схемы, потребляет о
Рис.1. Это энергонезависимое ЗУ, в котором используются плотноупакованная матрица n-канальных запоминающих элементов и периферийные К/МОП-схемы, потребляет очень небольшую мощность. В его запоминающих элементах для получения максимального времени сохранения информации используются плавающие затворы, а для обеспечения высокой долговечности работы — перенос заряда с помощью туннелирования электронов.

Использование плавающего затвора в качестве элемента хранения информации обеспечивает оптимальные характеристики хранения нового прибора памяти — по оценке, время сохранения информации в нем составляет 10 лет при температуре 125°С. А сочетание механизма туннелирования с плавающими затворами обеспечивает отличное сохранение информации и минимальную деградацию характеристик в процессе повторения циклов стирание — программирование — долговечность работы нового прибора оценивается величиной более 105 циклов.

Разводка выводов этого кристалла аналогична разводке выводов СППЗУ 2708, программируемого фотошаблонами ПЗУ 2308 и ПЗУ НСМР 1834 фирмы Hughes.

Преимущества плавающего затвора

В СППЗУ с плавающими затворами заряд хранится на электрически изолированном затворном электроде и стирается с помощью ультрафиолетового света. С другой стороны, в МНОП ЗУ заряд захватывается на ловушки на границе нитрид-окисел, поэтому они стираются и программируются электрически. СППЗУ с плавающими затворами хранят заряд лучше, чем МНОП-приборы, так как у них толще слой изолирующего окисла.

Чтобы сделать прибор с плавающим затвором электрически стираемым таким же способом, как МНОП ЗУ, в нем должен быть сформирован тонкий туннельный окисел. Однако в приборе с плавающим затвором он не должен быть таким же тонким, как в МНОП-приборах (достаточно, чтобы его толщина составляла менее 20 нм вместо примерно 2,5 нм в МНОП-приборах), поэтому и утечка заряда в нем будет происходить не так быстро. Действительно, прибор с плавающим затвором должен иметь примерно в 100 раз большее время сохранения информации по сравнению с МНОП-прибором.

Для передачи зарядов в МНОП-структурах используется механизм туннелирования электронов. Его реализация требует настолько малой толщины окисла, что в первых конструкциях электрически программируемых структур с плавающим затвором разработчики избегали применения этого механизма. Вместо него они отдавали предпочтение таким методам, как лавинная инжекция заряда сквозь окисел большей толщины, несмотря даже на то, что этот механизм по мере повторения циклов стирания-программирования существенно деградирует — другими словами, обеспечивает очень невысокую долговечность приборов. Сочетание же плавающего затвора с тонким туннельным окислом дает наилучшие долговечность и время сохранения информации.

Так как применение туннелирования электронов в структурах с плавающим затвором оказалось наилучшим вариантом для построения электрически стираемых ППЗУ, то фирма Hughes провела обширную трехлетнюю программу разработки технологии изготовления надежного туннельного окисла с высоким выходом годных приборов и конструкции запоминающего элемента с плавающим затвором на базе данного механизма передачи зарядов. Одновременно с этим была разработана и освоена в производстве технология плавающих затворов, которая и была впоследствии применена для разработки запоминающего элемента с плавающим затвором. Были разработаны и сравнены между собой по рабочим характеристикам, надежности и выходу годных несколько различных конструкций таких элементов.

Выбранный в конце концов элемент по времени сохранения информации и долговечности близок к оптимуму. По сравнению с МНОП-элементом он позволяет реализовать ЗУ с временем сохранения информации, по крайней мере на порядок величины большим, и, как уже говорилось, программируется меньшим по величине напряжением.

Поперечное сечение этого элемента показано на рис.2. Он представляет собой всего один транзистор с расщепленным (двойным) затвором. Левая часть транзистора представляет собой двухзатворный запоминающий участок элемента, где один из затворов — это поликремниевый плавающий затвор, а второй, расположенный поверх него, — алюминиевый управляющий затвор. Слой алюминия покрывает также и правую часть транзистора, где он выполняет функцию затвора выборки элемента.

В левой половине транзистора имеется поликремниевый плавающий затвор. Над ним находится алюминиевый управляющий затвор, который продолжается и в праву
Рис.2. В левой половине транзистора имеется поликремниевый плавающий затвор. Над ним находится алюминиевый управляющий затвор, который продолжается и в правую половину транзистора, где он выполняет функцию затвора выборки элемента. Для улучшения емкостной связи между управляющим и плавающим затворами использован тонкий составной нитридно-окисный диэлектрик.

Поликремниевый плавающий затвор в структуре изолирован от расположенного под ним канала МОП-транзистора туннельным окислом и обычным затворным окислом, а от находящегося над ним управляющего затвора — составным окисно-нитридным диэлектриком. Этот тонкий составной диэлектрик выполняет очень важную функцию, так как обеспечивает настолько сильную емкостную связь между затворами, что для заряда и разряда плавающего затвора оказывается достаточно напряжения 17 В.

Считывание и запись

Стирание запоминающего элемента происходит, когда электроны с поликремниевого плавающего затвора туннелируют в карман р-типа (рис.3,а). Для этого сначала заземляется управляющий затвор, а затем на р-карман подается программирующее напряжение +17 В. Электроны туннелируют сквозь тонкий окисел, в результате чего плавающий затвор структуры приобретает положительный заряд.

Для полного стирания матрицы памяти (а) на карман p-типа подается программирующее напряжение 17 В, в результате чего электроны уходят с плавающего зат
Рис.3. Для полного стирания матрицы памяти (а) на карман p-типа подается программирующее напряжение 17 В, в результате чего электроны уходят с плавающего затвора. Для записи информации (б) на управляющий затвор элемента подается высокое напряжение, однако переход электронов на плавающий затвор из кармана p-типа будет происходить только при заземленной шине ввода данного. При высоком напряжении на этой шине плавающий затвор не зарядится.

Для записи информации в стертый запоминающий элемент используется обратная процедура — создаются условия для туннелирования электронов из кармана р-типа на плавающий затвор (рис.3,б). Во время программирования этот р-карман остается заземленным, а сток транзистора запоминающего элемента через нагрузочное сопротивление подключается к источнику программирующего напряжения. Исток при этом подключается либо к источнику программирующего напряжения, либо к земле — в зависимости от того, записывается в элемент логическая 1 или логический 0.

После этого для запуска цикла программирования на управляющий затвор подается напряжение +17В. Если при этом напряжение на истоке также равно +17В (случай программирования логического 0), то транзистор не включается и участок поверхности р-кармана под плавающим затвором оказывается обедненным электронами. В результате туннелирование электронов на плавающий затвор не происходит, потенциал плавающего затвора не изменяется и запоминающий элемент остается стертым (в состоянии логического 0).

С другой стороны, при нулевом напряжении на истоке (при программировании логической 1) транзистор включается. Поверхностный потенциал под плавающим затвором уменьшается почти до нуля, и электроны из инверсного слоя туннелируют сквозь тонкий туннельный окисел на плавающий затвор, который в результате приобретает отрицательный потенциал.

Для управляющего затвора заряд и разряд плавающего затвора «выглядят» как изменения порогового напряжения запоминающего транзистора. Для стертого элемента это пороговое напряжение лежит в диапазоне от —1 до —3 В; в записанном состоянии оно превышает нормальное пороговое напряжение транзисторов на величину от 1 до 5 В.

Состояние запоминающего элемента считы-вается выходным регистром-защелкой (фиксатором), который сравнивает проводимость запоминающего элемента с проводимостью опорного элемента (рис.4). Опорный элемент представляет собой такой же запоминающий элемент с той лишь разницей, что в нем нет туннельного окисла, а его плавающий затвор для обеспечения неизменности порогового напряжения соединен с управляющим затвором.

Логическое состояние запоминающего элемента определяется путем его сравнения с состоянием опорного элемента. Опорный элемент отличается от запоминающе
Рис.4. Логическое состояние запоминающего элемента определяется путем его сравнения с состоянием опорного элемента. Опорный элемент отличается от запоминающего только отсутствием туннельного окисла и постоянством своего порогового напряжения. Выходной усилитель с фиксатором сравнивает проводимости запоминающего и опорного элементов.

Простота управления

В схеме HNVM 3008 операции стирания и програмирования запускаются просто подачей на контакт питания ЗУ программирующего напряжения +17 В с последующей подачей на входы включения кристалла (C̅E̅) и включения выхода (O̅E̅) сигналов с ТТЛ-уровнями. Внутренний детектор напряжения следит за величиной напряжения питания и при ее возрастании выше +8 В автоматически переключает кристалл в режим стирания и программирования. После этого подача импульсного сигнала логического 0 на вход O̅E̅ вызывает стирание всего ЗУ, а подача импульсного сигнала логического 0 на вход C̅E̅ — ввод в байт с адресом, установленным на адресных входах кристалла, числе, установленного на шине данного. Во время стирания или программирования выходные шинные формирователи автоматически выключаются, так что повышенное напряжение питания ЭСППЗУ не может повредить никакие подключенные к нему ИС.

Прибор HNVM 3008 находится в режиме стирания и программирования при высоком напряжении (логической 1) на шине питания. Как уже говорилось, логической 1 на этой шине соответствуют напряжения питания около 8 В и более. При нормальном напряжении питания (4-5 В) входы C̅E̅, O̅E̅ и CS (выбор кристалла) используются для считывания информации из ЗУ. Входы CS и O̅E̅ управляют работой выходных формирователей, подключаемых к 8-разрядной шине данного.

Когда на входе CS установлен логический 0 и/или на входе O̅E̅ установлена логическая 1, выходные формирователи выключены и находятся в состоянии с высоким импедансом, что позволяет осуществлять независимый выбор любого прибора из числа подключенных к общей выходной шине. Когда на входе C̅E̅ устанавливается логический 0, входной адрес должен быть уже установлен; по этому сигналу адресуемый байт данных считывается и фиксируется в выходных усилителях считывания.

Дочерние статьи:

Широкое применение тонких туннельных окислов в ЭСППЗУ

Выходные данные:

Журнал "Электроника" том 53, No.17 (595), 1980г - пер. с англ. М.: Мир, 1980, стр.21

Electronics Vol.53 No.13 July 31, 1980 A McGraw-Hill Publication

Е.К.Shelton. Low-power EE-PROM can be reprogrammed fast, pp.89—92.

Раздел: МЕТОДЫ, СХЕМЫ, АППАРАТУРА

Тема:     Запоминающие устройства





Дата последнего изменения:
Thursday, 21-Aug-2014 09:10:44 MSK


Постоянный адрес статьи:
http://az-design.ru/Support/HardWare/HughesAircraft/D19800731Elc027.shtml