Ермаков Игорь Владимирович 

«ИССЛЕДОВАНИЕ ЯЧЕЙКИ КМОП-СОВМЕСТИМОГО ЭСППЗУ»

Научный руководитель:

д.т.н., Шелепин Н.А.

МЭС-2014

Зеленоград – 2014

НИУ «МИЭТ», ОАО «НИИМЭ»

2

Классификация некоторых видов п/п памятип/п память

статическое (SRAM) динамическое (DRAM)

ОДНОкратно программируемая

или ПЗУ (ROM)

МНОГОкратно программируемая

масочное ПЗУ (mask ROM) пережигаемая перемычка (fuse) антипрожигаемая или пробиваемая перемычка (antifuse)

EPROMЭСППЗУ (EEPROM) флеш-память (flash)

Энергозависимая (Volatile) ЭнергоНЕзависимая (Non-volatile)

ОЗУ (RAM)

по физическому принципу хранения данных: плавающий затвор захват заряда (МНОП или МОНОП) сегнетоэлектрическая (FeRAM) магнитная (MRAM) изменение сопротивления

3

Основной принцип работы элементов ЭСППЗУс плавающим затвором

рис. 2. Влияние заряда на плавающем затворе n-МОП-транзистора на его

проходную характеристику

рис. 1. Основной принцип работы элементов ЭСППЗУ с плавающим затвором

4

Современная типовая ячейка ЭСППЗУ (EEPROM)

рис. 1. Электрическая схема ячейки EEPROM

рис. 3. Топология 8-битного слова из ячеек EEPROM

рис. 2. Разрез структуры ячейки EEPROM

5

«плюсы» и «минусы» ЭСППЗУ в стандартной КМОП-технологии

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

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

6

Цели и задачи работы

Целью работы является исследование и разработка ячейки электрически перепрограммируемой энергонезависимой памяти (ЭСППЗУ) в КМОП-технологии 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 приборно-технологического 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.

7

Ячейка ЭСППЗУ в КМОП-технологии уровня 0,18 мкмбез дополнительных технологических операций

рис. 1. Электрическая схема ячейки памяти рис. 2. Топология ячейки памяти

рис. 3. Разрез структуры ячейки памяти

Исследование характеристик ячейки памятиЗависимость Vпор. от времени и напряжения записи/стирания

8

Исследование характеристик ячейки памятиЗависимость Vпор. от кол-ва циклов перезаписи

9

10

Исследование времени хранения зарядаЗависимость Vth от времени хранения при повышенной T ºC

Режим Vpp=9 В, tpp=30 мс

Исследование времени хранения зарядаЗависимость Vth от времени хранения при повышенной T ºC

для ячейки с 3,2 нм туннельным окислом

11

№ Vpp, В tpp, сКол-во

циклов

1 6,0 0,1 1

2 7,5 0,001 1

Исследуемые режимы

12

Зависимость Ea от режимов записи/стирания

2.1.

2.1.

11

)ln()ln(

фкрфкр

фкрфкрa

TT

ttkE

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.

13

Зависимость времени хранения заряда ячейкиПри 50 ºС от режимов записи/стирания

273

1

273

1exp

..

фкрхр

aфкрхр TTk

Ett

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.

14

Практическое применение результатов работы

Чип ИС идентификационной

метки0,42х0,37 мм2

Чип ИС синтезаторачастот

1,8х1,8 мм2

Блок ЭСППЗУ