Ермаков Игорь Владимирович «ИССЛЕДОВАНИЕ ЯЧЕЙКИ КМОП-СОВМЕСТИМОГО ЭСППЗУ»

1. МЭС-2014 Ермаков Игорь Владимирович«ИССЛЕДОВАНИЕ ЯЧЕЙКИ КМОП-СОВМЕСТИМОГО ЭСППЗУ» НИУ «МИЭТ», ОАО «НИИМЭ» Научный руководитель: д.т.н., Шелепин Н.А. Зеленоград – 2014

2. Классификация некоторых видов п/п памяти п/п память Энергозависимая (Volatile) ЭнергоНЕзависимая (Non-volatile) ОДНОкратно программируемая или ПЗУ (ROM) МНОГОкратно программируемая ОЗУ (RAM) • масочное ПЗУ (mask ROM) • пережигаемая перемычка (fuse) • антипрожигаемая или пробиваемая перемычка (antifuse) • статическое (SRAM) • динамическое (DRAM) • 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

3. 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

4. Современная типовая ячейка ЭСППЗУ (EEPROM) рис. 1. Электрическая схема ячейки EEPROM рис. 2. Разрез структуры ячейки EEPROM 4 рис. 3. Топология 8-битного слова из ячеек EEPROM

5. «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

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: Анализ существующих конструктивно-технологических методов реализации ячейки электрически перепрограммируемой энергонезависимой памяти в стандартной КМОП- технологии. Моделирование структуры ячейки памяти при помощи средств приборно-технологического моделирования Synopsys Sentaurus TCAD. Создание модели ячейки памяти в TCAD. Проектирование тестового кристалла, содержащего различные конструктивные варианты ячейки памяти и набор тестовых структур. Исследование характеристик экспериментальных образцов ячейки памяти. Анализ экспериментальных данных. Сравнение эксперимента с результатами моделирования, корректировка модели ячейки памяти. Разработка схемно-конструктивных решений микросхем ЭСППЗУ и создание на базе полученной ячейки блока памяти, а так же его экспериментальное исследование. 6

7. Ячейка ЭСППЗУ в КМОП-технологии уровня 0,18 мкм без дополнительных технологических операций рис. 1. Электрическая схема ячейки памяти рис. 2. Топология ячейки памяти 7 рис. 3. Разрез структуры ячейки памяти

8. Исследование характеристик ячейки памяти Зависимость Vпор. от времении напряжениязаписи/стирания 8

9. Исследование характеристик ячейки памяти Зависимость Vпор.от кол-ва циклов перезаписи 9

10. Исследование времени хранения заряда Зависимость Vth от времени хранения при повышенной T ºC Режим Vpp=9 В, tpp=30 мс 10

11. Исследование времени хранения заряда Зависимость Vth от времени хранения при повышенной T ºC для ячейки с 3,2 нм туннельным окислом Исследуемые режимы 11

12. Зависимость Eaот режимов записи/стирания 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

13. Зависимость времени хранения заряда ячейки При 50 ºС от режимов записи/стирания 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

14. Практическое применениерезультатов работы Чип ИС синтезатора частот 1,8х1,8 мм2 Чип ИС идентификационной метки 0,42х0,37 мм2 Блок ЭСППЗУ 14