МЭС-2014 Ермаков Игорь Владимирович «ИССЛЕДОВАНИЕ ЯЧЕЙКИ КМОП-СОВМЕСТИМОГО ЭСППЗУ» НИУ «МИЭТ», ОАО «НИИМЭ» Научный руководитель: д.т.н., Шелепин Н.А. Зеленоград – 2014 Классификация некоторых видов п/п памяти п/п память Энергозависимая (Volatile) ОЗУ (RAM) ЭнергоНЕзависимая (Non-volatile) ОДНОкратно программируемая или ПЗУ (ROM) масочное ПЗУ (mask ROM) статическое (SRAM) динамическое (DRAM) пережигаемая перемычка (fuse) антипрожигаемая или пробиваемая перемычка (antifuse) МНОГОкратно программируемая EPROM ЭСППЗУ (EEPROM) флеш-память (flash) по физическому принципу хранения данных: плавающий затвор захват заряда (МНОП или МОНОП) сегнетоэлектрическая (FeRAM) магнитная (MRAM) изменение сопротивления 2 Основной принцип работы элементов ЭСППЗУ с плавающим затвором рис. 1. Основной принцип работы элементов ЭСППЗУ с плавающим затвором рис. 2. Влияние заряда на плавающем затворе n-МОП-транзистора на его проходную характеристику 3 Современная типовая ячейка ЭСППЗУ (EEPROM) рис. 1. Электрическая схема ячейки EEPROM рис. 2. Разрез структуры ячейки EEPROM рис. 3. Топология 8-битного слова из ячеек EEPROM 4 «плюсы» и «минусы» ЭСППЗУ в стандартной КМОП-технологии Достоинства: полная совместимость со стандартной КМОП-технологией отсутствие затрат на дополнительные шаблоны и технологические операции КСП (PDK) не требует изменения Недостатки: – площадь ячейки в несколько раз больше, чем у ячейки в специализированной технологии – плохая перспектива масштабирования – предназначена для небольших объемов памяти Области применения: хранение различной служебной информации хранение кодов доступа к микросхеме хранение различных ключей память для идентификационных чипов небольшого объема (< 1Кбит) хранение подгоночных коэффициентов или подстроечных кодов для высокоточных аналоговых блоков, таких как АЦП и ЦАП, прецизионные ИОН, системы ФАПЧ 5 Цели и задачи работы Целью работы является исследование и разработка ячейки электрически перепрограммируемой энергонезависимой памяти (ЭСППЗУ) в КМОПтехнологии с проектными нормами 0,18 мкм. Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи: 1. Анализ существующих конструктивно-технологических методов реализации ячейки электрически перепрограммируемой энергонезависимой памяти в стандартной КМОП- технологии. 2. Моделирование структуры ячейки памяти при помощи средств приборнотехнологического моделирования Synopsys Sentaurus TCAD. Создание модели ячейки памяти в TCAD. 3. Проектирование тестового кристалла, содержащего различные конструктивные варианты ячейки памяти и набор тестовых структур. 4. Исследование характеристик экспериментальных образцов ячейки памяти. Анализ экспериментальных данных. Сравнение эксперимента с результатами моделирования, корректировка модели ячейки памяти. 5. Разработка схемно-конструктивных решений микросхем ЭСППЗУ и создание на базе полученной ячейки блока памяти, а так же его экспериментальное исследование. 6 Ячейка ЭСППЗУ в КМОП-технологии уровня 0,18 мкм без дополнительных технологических операций рис. 1. Электрическая схема ячейки памяти рис. 2. Топология ячейки памяти рис. 3. Разрез структуры ячейки памяти 7 Исследование характеристик ячейки памяти Зависимость Vпор. от времени и напряжения записи/стирания 8 Исследование характеристик ячейки памяти Зависимость Vпор. от кол-ва циклов перезаписи 9 Исследование времени хранения заряда Зависимость Vth от времени хранения при повышенной T ºC Режим Vpp=9 В, tpp=30 мс 10 Исследование времени хранения заряда Зависимость Vth от времени хранения при повышенной T ºC для ячейки с 3,2 нм туннельным окислом Исследуемые режимы Кол-во № Vpp, В tpp, с 1 6,0 0,1 1 2 7,5 0,001 1 циклов 11 Энергия активации Ea, эВ Зависимость Ea от режимов записи/стирания 0.45 0.43 0.41 0.39 0.37 0.35 0.33 0.31 0.29 0.27 0.25 1-100 7,5 В, 1 с 8 В, 300 мс 9 В, 30 мс 10 В, 1 мс 1000 10000 100000 количество циклов перезаписи k ln( t кр .ф1 ) ln( t кр .ф 2 ) Ea 1 1 Tкр .ф1 Tкр .ф 2 tкр.ф1 – время, за которое пороговое напряжение ячейки уменьшится на 50% при температуре Tкр.ф1; tкр.ф2 – время, за которое пороговое напряжение ячейки уменьшится на 50% при температуре Tкр.ф2. k – постоянная Больцмана, равная 8,6·10-5 эВ/ºК. 12 Время хранения заряда, лет Зависимость времени хранения заряда ячейки При 50 ºС от режимов записи/стирания E t хр tкр .ф exp a k 70 60 50 7,5 В, 1 с 8 В, 300 мс 9 В, 30 мс 10 В, 1 мс 40 30 20 10 1-100 1000 10000 100000 количество циклов перезаписи 1 1 T 273 T 273 кр .ф хр tхр – время хранения заряда при температуре Tхр=50 ºС; tкр.ф – время воздействия ускоряющего фактора (повышенной температуры Tкр.ф). k – постоянная Больцмана, равная 8,6·10-5 эВ/ºК. 13 Практическое применение результатов работы Чип ИС синтезатора частот 1,8х1,8 мм2 Чип ИС идентификационной метки 0,42х0,37 мм2 Блок ЭСППЗУ 14