К вопросу о стирании информации с неоднородных

К вопросу о стирании информации с неоднородных
полупроводниковых носителей.
А.Ю. Митягин1), Б.В. Хлопов2), М.В. Фесенко2)
1) «Институт Радиотехники и Электроники» РАН, РФ
2) ФГУП «ЦНИРТИ им. академика А.И. Берга», РФ
Ячейка флэш-памяти не содержит конденсаторов – типичная ячейка
флэш-памяти состоит из одного транзистора особой архитектуры [1].
Основной принцип работы полупроводниковых устройств энергонезависимой
памяти заключается в хранении заряда в изолированном затворе, как показано
на рисунке 1. Если в изолированном затворе хранится заряд, пороговое
напряжение транзистора может изменяться между двумя противоположными
значениями, обычно определенными как «0» и «1».
Gate
Source
Drain
-
-
-
p
p
n-Si
Рис. 1
Изменение порогового напряжения, вызванное хранением заряда QT,
Q
определяется выражением VTH   d1 .

Информация обнаруживается путем приложения напряжения к затвору,
значение
которого
лежит
между
двумя
возможными
пороговыми
напряжениями. В одном состоянии транзистор проводит ток, в другом –
транзистор заперт.
Хранение заряда осуществляется двумя способами. Один способ основан
на хранении заряда в проводящем или полупроводящем слое, который
окружен диэлектриком, этот тип устройств называют прибором с плавающим
1
затвором.
Второй способ основан на хранении заряда на дискретных центрах
захвата
соответствующего
диэлектрического
слоя.
Поэтому
в
этих
устройствах полупроводниковой микроэлектроники в транзисторах (флэшпамяти) активной действующей областью является очень тонкий слой
полупроводника – поверхностная область или граница раздела двух сред.
Стирание информации с флэш-памяти осуществляется, как правило,
приложением высокого отрицательного напряжения к затвору так, что дырки
туннелируют из валентной зоны, например, кремния на центры захвата
(ловушки)
нитрида,
приводя
к
отрицательному
сдвигу
порогового
напряжения.
Современные достижения в области разработки генераторов излучения
сверх
коротких
импульсов
электромагнитного
излучения
позволяют
реализовать видеоимпульсы с большой пиковой мощностью с нано- и
пикосекундной
длительностью
характеристическими
полупроводниковых
[2-4].
Это
временами
и
металлических
излучение
отклика
соизмеримо
с
диэлектрических,
материалов,
составляющих
материальную базу флэш-памяти.
Процессы нелинейного преобразования энергии мощных сверхкоротких
импульсов
электромагнитного
излучения
в
энергию
отклика
полупроводниковых и диэлектрических материалов отличаются по своему
характеру от достаточно хорошо изученного взаимодействия этих материалов
с гармоническим или импульсным электромагнитным излучением большой
длительности более 1мкс, когда переходные процессы несущественны.
При ударном воздействии электромагнитного излучения изменения
параметров полупроводниковых
элементов имеют устойчивый
характер
изменения рабочих параметров структур [5-11]. Результаты исследований
воздействия
электромагнитными
импульсами
на
полупроводниковые
структуры элементов выражены в следующих явлениях:
- максимальные воздействия проявляются в ударных полях, имеющих
наибольшие градиенты;
2
-
изменения
деградационные,
поляризационные
и
ионизационные
эффекты в ударных полях проявляются при существенно более низких уровнях
энергии, чем в стационарных полях;
- наименее
устойчивыми
к
облучению
являются
неоднородные
полупроводниковые структуры, имеющие встроенные электрические поля и
границы раздела, содержащие диэлектрические и металлические области.
Под
воздействием
сверхкоротких
импульсов
электромагнитного
излучения емкость структур транзистора флэш-памяти повышается во всей
области измерений, однако это увеличение зависит от знака и величины
приложенного смещения. В области обогащения основными носителями при
положительном смещении, когда емкость структуры транзистора равна емкости
диэлектрика, наблюдается равномерное увеличение емкости. В областях малых
и
отрицательных
смещений
наблюдается
значительное
направленное
увеличение емкости с изменением наклона вольт-фарадных характеристик
полупроводниковой
структуры
(транзистора).
При
этом
максимальное
относительное изменение емкости наблюдается при значении напряжения
смещения 1,5 – 2 В. Увеличение энергии облучения сверхкороткими
электромагнитными импульсами приводит к интенсивному непараллельному
росту емкости полупроводниковой структуры во всей области смещений.
Значительное
увеличение
полупроводниковой
структуры
уровня
более
чем
максимальной
на
40%
емкости
наблюдается
при
воздействии сверхкороткими электромагнитными импульсами с энергией
Е = 1,4 · 10-5 Дж, в режиме обогащения основными носителями, так как в этом
режиме полная емкость структуры полупроводника определяется только
геометрической емкостью диэлектрического слоя.
Изменение
емкости
соответствует
возрастанию
диэлектрической
постоянной оксида кремния от значения 3,8 до значений 5,7. Этот рост вызван
достаточно сильной поляризацией атомов кремния и кислорода при облучении
сверхкороткими
электромагнитными
импульсами
достаточно
большой
амплитуды, обусловливающей увеличение емкости. При облучении энергией
сверхкоротких импульсов Е = 1,4 · 10-6 Дж добавка к значению емкости
3
составляет примерно 5 – 7%. Сильная зависимость изменения емкости
диэлектрика
структуры
полупроводника
от
амплитуды
сверхкоротких
электромагнитных импульсов может свидетельствовать о существенном вкладе
поляризационного фактора в изменении ее значения.
При
увеличении
амплитуды
и
энергии
облучения
структуры
полупроводника сверхкороткими электромагнитными импульсами до значения
Е = 2,5 · 10-5Дж наблюдаются эффекты сквозного пробоя диэлектрика,
проявляется уменьшение значения емкости с увеличением смещения на
полупроводниковой структуре. При увеличении энергии сверхкоротких
электромагнитных импульсов на порядок, до Е = 2,4 · 10-4 Дж наблюдаются
необратимые изменения в вольт-фарадных характеристиках и деградация
полупроводниковых структур транзистора (флэш-памяти). При многократном
воздействии
сверхкороткими
импульсами
электромагнитного
излучения
большой энергии проявляются токи утечки как основных, так и не основных
носителей заряда.
Таким образом, под воздействием сверхкороткими электромагнитными
импульсами в неоднородных полупроводниковых структурах транзисторах
(флэш-памяти) происходит увеличение емкости диэлектрика, зависящее от
энергии сверхкоротких импульсов и при достаточно большой энергии
(> 2,5 · 10-5 Дж) возможен сквозной пробой перехода и при многократном
облучении наблюдаются токи утечки, возрастание плотности поверхностных
состояний и деградационные изменения.
Стирание информации, записанной на полупроводниковом устройстве
энергонезависимой
памяти,
заключается
в
том, что
на
транзистор
и
управляющей затвор кратковременно подают номинальные напряжения питания
и в тоже время структуру носителя информации облучают сверхкороткими
электромагнитными импульсами с длительностью фронта в пределах от 10 до
100 пс. Облучение производят с помощью магнитной системы [12], состоящей
из дросселей. На рисунке 2 приведен один из вариантов размещения дросселей
и подложки неоднородного полупроводникового носителя информации.
Длительность облучения должна быть не менее длительности включения
4
номинального напряжения питания транзистора устройства энергонезависимой
памяти.
3
2
1
6
7
O1
8
9
5
4
Рис. 2
Дроссели 2, 3 и 4 магнитной системы расположены в пространстве так,
что векторы создаваемых ими электромагнитных полей в области размещения
дросселя 5 и носителя информации, взаимно перпендикулярны, при этом
направление вектора суммарного электромагнитного поля изменяется, а
направление вектора суммарного поля, с учетом направления вектора
электромагнитного поля дросселя 5, также будет изменяться и относительно
подложки полупроводникового носителя информации будет смещено. Каждый
из дросселей 2 и 5 выполнен из двух катушек 6, 7 и 8, 9 соответственно,
расположенных соосно с зазором между ними. Катушки дросселя 5 (рис. 2) 8, 9
имеют диаметр меньше диаметра катушек 6, 7, осевые линии их параллельны.
Катушки
дросселей
3
и
4
большого
диаметра
относительно
длины
цилиндрического дросселя, размещены на одной оси и перпендикулярны осям
катушек 6, 7 с зазором между ними, в котором размещен (транзистор) носитель
информации и дроссели, облучающие его сверхкороткими электромагнитными
импульсами. Такое расположение катушек и дросселей обеспечивает создание
условий
многократного
облучения
сверхкороткими
электромагнитными
импульсами с генераторов излучения неоднородного полупроводникового
носителя
информации.
Под
воздействием
5
серии
сверхкоротких
электромагнитных импульсов большой энергии происходит пробой перехода
полупроводниковой
структуры
неоднородного
носителя
информации,
нарушаются условия хранения заряда в проводящем или полупроводящем слое
и информация стирается.
Список литературы
[1] Отчет «Умозаключение», НПФ «Промтехн», 2004 г.
[2] С.Н. Рукин. ПТЭ, № 4, 5 (1999).
[3] А.С. Карауш, Р.В. Потемкин. Электрон, пром-сть, № 1, 93 (1998).
[4] В.Г. Шпак, M.И. Яландин, С.А. Шунайлов и др. Докл. РАН, № 1, 50 (1999).
[5] Б.А. Стрюков. РЭ, № 7, 887 (2000).
[6] Д.А. Усанов, А.В. Скрипаль, Н.В. Угрюмова. Письма ЖТФ, 25 (1), 42 (1999).
[7] Д.А. Усанов, С.Б. Вениг, В.Е. Орлов. Письма ЖТФ, 25 (2), 39 (1999).
[8] Д.А. Усанов, А.В. Скрипаль, Н.В. Угрюмова и др. ФТП, 34 (5), 567 (2000).
[9] Д.А. Усанов, А.В. Скрипаль, Н.В. Угрюмова. ФТП, 32 (11), 1399 (1998).
[10] А.А. Беляев, А.Е. Беляев, А.А. Ермолович и др. ЖТФ, 68 (12), 49 (1998).
[11] В.В. Антипин, В.А. Годовицын, Д.Б. Громов, А.С. Кожевников, А.А. Раваев.
Зарубеж. электрон, техн., № 1, 37 (1995).
[12] А.Ю. Митягин, М.М. Крутов, М.В. Фесенко, Б.В. Хлопов «Способ и
устройство стирания записанной информации (варианты)», Патент № 2323491
от 27.04.08 г. с приоритетом от 16.05.2006 г.
6