Глава 2.14

МНОП транзистор

Величина порогового напряжения V_T определяется уравнением (2.10.6). Как видно из этого уравнения, для изменения величины порогового напряжения V_T необходимо:

• а) изменить легирование подложки N_A (для изменения объёмного положения уровня Ферми    , разности paбот выхода    , заряда акцепторов в области обеднения Q_В);
• б) изменить плотность поверхностных состояний N_SS;
• в) изменить встроенный в диэлектрик заряд Q_ox;
• г) изменить напряжение смещения канал-подложка V_SS (для изменения заряда акцепторов Q_В в слое обеднения).

Поскольку нформацию в ячейку необходимо перезаписывать многократно, случаи а) и б) для этого оказываются непригодными. Случай г) не подходит вследствие того, что при отключении напряжения информация не сохраняется. Таким образом, для реализации энергонезависимого репрограммируемого полупроводникового запоминающего устройства (РПЗУ) необходим МДП транзистор, в котором обратимым образом было бы возможно изменять пороговое напряжение V_T за счет изменения встроенного в диэлектрик заряда Q_ох.

Наиболее распространенными РПЗУ, в которых реализован этот принцип, являются РПЗУ на основе полевых транзисторов со структурой металл-нитрид-окисел-полупроводник (МНОП транзисторы) и на основе полевых транзисторов с плавающим затвором.

Рис. 2.14.1. Топология полупроводниковых запоминающих устройств: а) МНОП транзистор, б) МОП ПТ с плавающим затвором.

На рис. 2.14.1 а) и б) приведена схема, показывающая основные конструктивные элементы МНОП ПТ и МОП ПТ с плавающим затвором.

МНОП ПТ в качестве подзатворного диэлектрика используется двухслойное покрытие. В качестве первого диэлектрика используется туннельно прозрачный слой (d_ox < 50 А) двуокиси кремния. В качестве второго диэлектрика используется толстый (d ~ 1000 А) слой нитрида кремния. Нитрид кремния Si₃N₄ имеет глубокие ловушки в запрещённой зоне и значение диэлектрической постоянной    в два раза более высокое, чем диэлектрическая постоянная двуокиси кремния SiO₂.

Ширина запрещенной зоны нитрида Si₃N₄ меньше, чем ширина запрещенной зоны окисла SiO₂. На рис. 2.14.2а приведена зонная диаграмма МНОП транзистора. Рассмотрим основные физические процессы, протекающие в МНОП транзисторе при работе в режиме запоминающего устройства. При подаче импульса положительного напряжения +V_GS на затвор вследствие разницы в величинах диэлектрических постоянных окисла и нитрида в окисле возникает сильное электрическое поле. Это поле, вызывает, как показано на рис. 2.14.2б, туннельную инжекцию электронов из полупроводника через окисел в нитрид.

Инжектированные электроны захватываются на глубине уровня ловушек в запрещенной зоне нитрида кремния, обуславливая отрицательный по знаку встроенный в диэлектрик заряд. После снятия напряжения с затвора инжектированный заряд длительное время хранится на ловушечных центрах, что соответствует существованию встроенного инверсионного канала. При подаче импульса отрицательного напряжения -V_GS на затвор происходит туннелирование электронов с ловушек в нитриде кремния в зону проводимости полупроводника, как показано на рис. 2.14.2в. При снятии напряжения с затвора зонная диаграмма МНОП структуры снова имеет вид, как на рис. 2.14.2а, и инверсионный канал исчезает.

Оценим величину инжектированного заряда, необходимую для переключения МНОП транзистора. Пусть величина   ,  ,   = 6.

Рис. 2.14.2. Зонная диаграмма МНОП транзистора. а) Напряжение на затворе равно нулю, ловушки не заполнены; б) запись информационного заряда; в) стирание информационного заряда.

.

(2.14.1)

Подставив численно значения в (2.14.1), получаем    . Считая, что захват идет в энергетический интервал 1эВ в запрещенной зоне нитрида и в слой толщиной 100 А, получаем, что энергетическая плотность объемных ловушек N_t в нитриде должна быть порядка 2*10¹⁸ см^-3эВ^-1.