Физика полупроводниковых приборов Книга 2 - Зи С.
Скачать (прямая ссылка):
произвольной выборкой и т. п.
Энергонезависимые элементы памяти можно разделить на два класса: приборы
с плавающим затвором и структуры с двухслойным диэлектриком - МДОП
(металл-диэлектрик-окисел- полупроводник). "Запись" заряда в них
осуществляется инжек-цией носителей из кремния через слой окисла. Заряд
хранится
МОП-транзисторы
79
либо в плавающем затворе, либо на границе окисла со вторым диэлектриком
(в МДОП-структурах). Этот заряд, изменяя пороговое напряжение МОП-
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) осуществляется либо электрически (с помощью
соответствующих импульсов напряжения на затворе), либо некоторыми другими
способами, например ультрафиолетовым облучением структуры.
8.6.1. Приборы с плавающим затвором
В структуре с плавающим затвором (рис. 60) на первом, тонком слое окисла
/ (1) расположен металлический электрод М (1) - плавающий затвор,
отделенный вторым, толстым слоем диэлектрика I (2) от внешнего
металлического затвора М (2). Зонные диаграммы структуры с плавающим
затвором, соответствующие режимам записи, хранения и стирания, приведены
на рис. 61.
Рис. 60. Энергонезависимый элемент памяти с плавающим затвором (с) и
энергонезависимый элемент памяти типа МДОП (б).
80
Глава 8
Плавающий затвор
ls?r W К2)
F
(€f)
(е,)
а
а
М(2)
6'
Рис. 61. Зонные диаграммы элемента памяти с плавающим затвором [71].
а - зарядка (операция записи); б - хранение заряда; в - разрядка
плавающего затвора (операция стирания).
Е,
F
7777777.if,
а
у6*о
Ш7/У//Лег
Напряжение VGi приложенное к внешнему затвору структуры М (2), делится
между обоими диэлектрическими слоями (рис. 61, а):
* Ki + = dx& 1 + (105)
где &x и (В2- напряженность электрического поля в этих слоях. Поскольку,
согласно закону Гаусса,
1= 62^ 2 "Ь Q * (1 Об)
электрическое поле в каждом из слоев (например, в первом) можно записать
в виде
#1 =
di d2 (81/82)
+
Q
8i 4~ e2 (di/dz)
(107)
М ОП-транзисторы
81
где Q _ заряд в плавающем затворе, а и е2 - диэлектрические проницаемости
первого и второго диэлектрических слоев.
Если токи в обоих диэлектрических слоях не равны друг другу, заряд
плавающего затвора Q будет изменяться во времени:
t
<?(/) = } [J, (<Г,) - Л(<У2)]dt [Кл-см"2], (108)
0
где Jt (S'j) и J2 (&г) - плотности тока в диэлектриках 1 и 2.
Обычно токи в диэлектриках сильно зависят от напряженности электрического
поля. Так, например, при туннелировании по механизму Фаулера-Нордгейма
J = С-$г ехр (- &01<$), (109)
где В - электрическое поле, a Ci и S'q- константы, зависящие от
эффективной массы носителей и высоты барьера. Как уже говорилось в гл. 7,
данный механизм проводимости играет основную роль в тонких слоях SiOa и
А1203. Когда транспорт заряда в диэлектрике осуществляется по механизму
Пула-Френкеля, как, например, в Si3N4, тогда
J = G<i& exp [-q (фв - ]/ qSlnE^/kT], (НО)
где С2 - константа, пропорциональная плотности ловушек в диэлектрике; фв
- глубина ловушки, а е* - динамическая диэлектрическая проницаемость.
В результате разбаланса токов в диэлектриках 1 и 2 за время действия
большого положительного напряжения VG, приложенного к внешнему затвору
(импульса записи), в плавающем затворе накапливается заряд Q (рис. 61,
б), который сдвигает пороговое напряжение структуры на величину
дуг = _А<э. (П1)
Стирание хранящегося заряда осуществляется импульсом противоположной
полярности VG < 0 (рис. 61, в).
На рис. 62 приведены результаты теоретического расчета динамики записи
заряда по формулам (105)-(109) для следующих значений параметров: dx = 50
А, 8, = 3,85е0 (для Si02); d2 = = 1000 А, &2 ~ 30е0 (для Zr02), при
напряжении VG = 50 В и в предположении </2 - 0. Как видно из рис. 62, в
начальной стадии записи заряд Q линейно увеличивается со временем, но
затем эта зависимость насыщается. В свою очередь ток инжек-ции сначала
слабо меняется, а затем начинает резко уменьшаться. Такое поведение можно
объяснить следующим образом. В начале записи при t = 0 заряд Q также
равен нулю, а электрическое поле в слое 1 максимально {&1 = VGl[dx + (е^)
da]). Пока Q
82
Глава S
10 14
-10(
10 9
J_________ 1 1б~3
t, с
Рис. 62. Расчетные зависимости тока зарядки и накопленного заряда от
времени 171].
мало и соответствующее уменьшение незначительно, ток Ji уменьшается
слабо. Поэтому Q в начале процесса увеличивается линейно во времени.
Однако в дальнейшем увеличение Q становится существенным и приводит к
уменьшению поля<§Г1( в результате чего ток J1 начинает заметно снижаться,
а его интеграл (заряд Q) насыщаться.
На рис. 62 приведен также соответствующий заряду Q сдвиг порогового
напряжения AVT (выражение (111)). В реальных приборах время зарядки
(время записи), необходимое для сдвига порогового напряжения на 1 В, не
превышает 10-7 с. Экспериментально сдвиг порогового напряжения можно
