Структура транзисторов статических микросхем памяти

Применение МОП-структур позволяет получить микросхемы для постоянных запоминающих устройств (ПЗУ), оперативных запоминающих устройств (ОЗУ).

Перепрограммируемые (репрограммируемые) постоянные запоминающие устройства ПЗУ (РПЗУ), сохраняют записанную в них информацию в течение длительного времени даже при отключении источника питания. В то же время они допускают стирание записанной информации и запись новой информации.

РПЗУ обычно выполняют на основе МОП-транзисторов с так называемым ²плавающим² затвором. К подобным транзисторам относятся структуры, изготовленные по ЛИЗМОП-технологии (рис. 6.5), название которых расшифровывается как МОП-транзисторы с лавинно-инжекционным затвором. Подробные ПТИЗ-транзисторы с индуцированными каналами p- или n-типа используются для записи цифровой информации.

ЛИЗМОП-транзисторы имеют "плавающие"затворы, которые, в общем случае, могут как накапливать заряд (заряжаться), так и разряжаться в процессе записи, перезаписи или стирания информации.

На рис. 6.5, а, б, показаны элементы памяти типа ЛИЗМОП с электрической записью (стиранием) информации и стиранием ультрафиолетовым излучением (УФ).

Внутри относительно толстой пленки окисла SiO₂ или нитрида кремния имеется, например, изолированный от канала (²плавающий²) поликристаллический (проводящий) слой кремния, способный захватывать электроны (имеются ²плавающие² затворы, захватывающие дырки из подложки). Заметим, что в структуре, приведенной на рис. 6.5, а, затвор З отсутствует.

Особенность транзисторов, структура которых показана на рис. 6.5, а, б, состоит в том, что они являются МОП-транзисторами с индуцированным каналом р-типа с типичной стокозатворной характеристикой, представленной на рис. 6.5, в.

а) б) в) г)

Рис. 6.5. Элементы памяти РПЗУ-УФ (а), РПЗУ-ЭС (б), стоко-затворная
характеристика (в) элементов типа ЛИЗПОП и элемент структуры накопителя (г)

В исходном состоянии у данных транзисторов p-канал отсутствует (рис. 6.5, в). Известно, что для создания р-канала в подобном ПТИЗ-транзисторе необходимо подать на контакт затвора З значительное отрицательное (по отношению к истоку) пороговое напряжение U_{зи пор0}, так что исходному состоянию транзистора условно приписывается лог. ²0².

Если к стоковому p-n-переходу (между стоком и подложкой) приложить напряжение примерно U = 30 В (²+² на p-стоке), то начнется обратимый лавинный пробой p-n-перехода ²сток-подложка². Аналогично, пробой можно вызвать, приложив 50-100 В длительностью 100-200 мкс между стоком и истоком.

Образуемые в процессе лавинного пробоя электроны туннелируют через пленку SiO₂ в толстый слой нитрида кремния SiN₄, внутри которого локализован проводящий ²плавающий² затвор (рис. 6.5, а, б), созданный на основе проводящего кристаллического кремния.

Отрицательный заряд электронов, накопленных и зафиксированных в ²плавающем затворе² внутри пленки нитрида, притягивает к поверхности (под слой окисла) дырки из подложки. При большом заряде электронов формируется проводящий p-канал между истоком и стоком. При этом уменьшается (до нуля) величина порогового напряжения U_зипор, необходимого для создания канала (рис. 6.5, г). Подобному состоянию транзистора (с зарядом в ²плавающем² затворе) приписывается состояние лог. ²1². Теперь достаточно приложить между стоком и истоком напряжение U_си (²-² на стоке), и транзистор окажется в открытом (проводящем) состоянии, способном проводить ток.

Таким образом, программирование (занесение лог. ²1² в элемент памяти) производится путем импульсной подачи достаточно большого напряжения к p–n-переходу стока и инжекции электронов в структуру ²плавающего″ затвора.

После этого процесса программирования заряд, попавший в изоляционную пленку нитрида кремния, может удерживаться на плавающем затворе длительное время (годами); стеканию заряда обратно в подложку мешает высокое сопротивление пленки диэлектрика.

Заметим, что в МНОП-транзисторе с n-каналом внедрение заряда в пленку окисла характеризует лог. 0, записанный в ячейку памяти.

Стирание информации в одних микросхемах памяти производится путем подачи соответствующих напряжений на затвор. В других (РПЗУ-УФ; ультрафиолетовое стирание; рис. 6.5, а) – стирание реализуется путем облучения ультрафиолетовым излучением через прозрачную кварцевую крышку в корпусе микросхемы.

Информация в элементах памяти типа EPROM стирается с помощью облучения кристалла ультрафиолетовыми лучами, что отражается в отечественном термине для этой памяти - РПЗУ-УФ (репрограммируемые запоминающие устройства с ультрафиолетовым стиранием).

Таким образом, под действием электрического напряжения либо облучения УФ-излучением (примерно 20-30 минут) ²снимается² заряд с ²плавающих² затворов транзисторов, и все транзисторы накопителя оказываются установленными в состояние лог. ²0².

Накопитель со стертой конфигурацией информации можно запрограммировать вновь. Число циклов репрограммирования ограничено величинами порядка десятков-сотен раз, т. к. ультрафиолетовое облучение постепенно изменяет (ухудшает) свойства полупроводникового кристалла.

Микросхемы с возможностями многократного программирования со электрическим стиранием и записью конфигурации в специальных режимахтакже используют программируемые элементы в виде ЛИЗМОП-транзисторов. От описанного выше варианта эти микросхемы отличаются наличием средств электрического стирания записанной в память информации.