SONOS , сокращение от «кремний–оксид–нитрид–оксид–кремний», точнее, « поликристаллический кремний » — « диоксид кремния » — « нитрид кремния » — «диоксид кремния» — « кремний », [1] : 121 — это поперечно-секционная структура MOSFET (полевой транзистор металл–оксид–полупроводник), реализованная PCY Chen из Fairchild Camera and Instrument в 1977 году. [2] Эта структура часто используется для энергонезависимых запоминающих устройств , таких как EEPROM и флэш-память . Иногда она используется для дисплеев TFT LCD . [3] Это один из вариантов CTF (флэш-память с ловушкой заряда) . Она отличается от традиционных структур энергонезависимой памяти использованием нитрида кремния (Si 3 N 4 или Si 9 N 10 ) вместо « плавающего затвора на основе поликремния » для материала для хранения заряда . [4] : Рис. 1 Еще один вариант — «SHINOS» («кремний» — « hi-k » — «нитрид» — «оксид» — «кремний»), в котором верхний оксидный слой заменяется материалом с высокой проводимостью . Другой усовершенствованный вариант — «MONOS» («металл–оксид–нитрид–оксид–кремний»). [5] : 137 [6] : 66 Компании, предлагающие продукцию на основе SONOS, включают Cypress Semiconductor , Macronix , Toshiba , United Microelectronics Corporation и Floadia Архивировано 01.11.2022 на Wayback Machine .
Ячейка памяти SONOS формируется из стандартного поликремниевого N-канального MOSFET- транзистора с добавлением небольшой полоски нитрида кремния, вставленной внутрь оксида затвора транзистора. Полоска нитрида не проводит ток, но содержит большое количество мест захвата заряда, способных удерживать электростатический заряд. Слой нитрида электрически изолирован от окружающего транзистора, хотя заряды, хранящиеся на нитриде, напрямую влияют на проводимость нижележащего канала транзистора. Сэндвич оксид/нитрид обычно состоит из нижнего слоя оксида толщиной 2 нм, среднего слоя нитрида кремния толщиной 5 нм и верхнего слоя оксида толщиной 5–10 нм.
Когда управляющий затвор поликремния смещен положительно, электроны из областей истока и стока транзистора туннелируют через оксидный слой и попадают в ловушку нитрида кремния. Это приводит к образованию энергетического барьера между стоком и истоком, повышая пороговое напряжение V t (напряжение затвор-исток, необходимое для протекания тока через транзистор). Электроны можно снова удалить, приложив отрицательное смещение к управляющему затвору.
Массив памяти SONOS создается путем изготовления сетки транзисторов SONOS, которые соединены горизонтальными и вертикальными линиями управления (словными линиями и битовыми линиями) с периферийными схемами, такими как декодеры адресов и усилители считывания . После сохранения или стирания ячейки контроллер может измерить состояние ячейки, пропустив небольшое напряжение через узлы исток-сток; если ток течет, ячейка должна находиться в состоянии «нет захваченных электронов», что считается логической «1». Если ток не виден, ячейка должна находиться в состоянии «захваченных электронов», что считается состоянием «0». Необходимые напряжения обычно составляют около 2 В для стертого состояния и около 4,5 В для запрограммированного состояния.
В целом SONOS очень похож на традиционную ячейку памяти типа FG (плавающий затвор) , [1] : 117, но гипотетически предлагает более качественное хранение. Это связано с гладкой однородностью пленки Si 3 N 4 по сравнению с поликристаллической пленкой, которая имеет крошечные неровности. Флэш-память требует создания очень высокопроизводительного изолирующего барьера на выводах затвора ее транзисторов, часто требуя до девяти различных шагов, тогда как оксидное наслаивание в SONOS может быть проще произведено на существующих линиях и более легко объединено с логикой CMOS.
Кроме того, традиционная флэш-память менее терпима к дефектам оксида [ требуется ссылка ] , поскольку один дефект замыкания разрядит весь плавающий затвор поликремния . Нитрид в структуре SONOS не проводит ток, поэтому замыкание нарушает только локализованную область заряда. Даже с внедрением новых технологий изоляторов у него есть определенный «нижний предел» около 7–12 нм, что означает, что флэш-устройствам трудно масштабироваться до ширины линии менее 45 нм. Но группа Intel - Micron реализовала 16-нм планарную флэш-память с традиционной технологией FG. [7] : 13 [8] SONOS, с другой стороны, требует очень тонкого слоя изолятора для работы, что делает площадь затвора меньше, чем у флэш-памяти. Это позволяет SONOS масштабироваться до меньшей ширины линии, причем последние образцы производятся на 40-нм фабриках и утверждается, что она будет масштабироваться до 20 нм. [9] Ширина линии напрямую связана с общим объемом памяти конечного устройства и косвенно связана со стоимостью; теоретически, лучшая масштабируемость SONOS приведет к созданию устройств большей емкости при меньших затратах.
Кроме того, напряжение, необходимое для смещения затвора во время записи, намного меньше, чем в традиционной флэш-памяти. Для записи флэш-памяти сначала создается высокое напряжение в отдельной схеме, известной как зарядовый насос , который увеличивает входное напряжение до 9–20 В. Этот процесс занимает некоторое время, а это означает, что запись в ячейку флэш-памяти происходит намного медленнее, чем чтение, часто в 100–1000 раз медленнее. Импульс высокой мощности также немного ухудшает ячейки, а это означает, что флэш-устройства могут быть записаны только от 10 000 до 100 000 раз, в зависимости от типа. Устройства SONOS требуют гораздо более низких напряжений записи, обычно 5–8 В, и не ухудшаются таким же образом. Однако SONOS страдает от обратной проблемы, когда электроны прочно захватываются слоем ONO и не могут быть удалены снова. При длительном использовании это может в конечном итоге привести к тому, что будет достаточно захваченных электронов, чтобы навсегда установить ячейку в состояние «0», аналогично проблемам во флэш-памяти. Однако [ требуется ссылка ] в SONOS для этого требуется порядка 100 тысяч циклов записи/стирания, [10] что в 10–100 раз хуже по сравнению с устаревшими ячейками памяти FG. [11]
В 1957 году Фрош и Дерик смогли изготовить первые полевые транзисторы на основе диоксида кремния в Bell Labs, первые транзисторы, в которых сток и исток были смежными на поверхности. [12] Впоследствии, в 1960 году, Давон Канг возглавил работу, демонстрирующую работающий МОП-транзистор с их командой Bell Labs. В их команду входили EE LaBate и EI Povilonis, которые изготовили устройство; MO Thurston, LA D'Asaro и JR Ligenza, которые разработали процессы диффузии, а также HK Gummel и R. Lindner, которые охарактеризовали устройство. [13] [14]
Позже Канг изобрел МОП-транзистор с плавающим затвором совместно с Саймоном Минь Сзе в Bell Labs, и в 1967 году они предложили использовать его в качестве ячейки памяти с плавающим затвором (FG) . [15] Это была первая форма энергонезависимой памяти, основанная на инжекции и хранении зарядов в МОП-транзисторе с плавающим затвором, [16] которая позже стала основой для технологий EPROM (стираемое ПЗУ ), EEPROM (электрически стираемое ПЗУ) и флэш-памяти . [17]
В то время захват заряда был проблемой в транзисторах MNOS, но Джон Седон и Тин Л. Чу в июне 1967 года показали, что эту трудность можно использовать для создания энергонезависимой ячейки памяти. Впоследствии, в конце 1967 года, исследовательская группа Sperry под руководством HA Richard Wegener изобрела транзистор металл-нитрид-оксид-полупроводник (транзистор MNOS), [18] тип MOSFET, в котором оксидный слой заменен двойным слоем нитрида и оксида. [19] Нитрид использовался в качестве слоя захвата вместо плавающего затвора, но его использование было ограничено, поскольку он считался хуже плавающего затвора. [20] Память с ловушкой заряда (CT) была представлена с устройствами MNOS в конце 1960-х годов. Структура устройства и принципы работы были похожи на память с плавающим затвором (FG) , но главное отличие состояло в том, что в памяти FG заряды хранились в проводящем материале (обычно в слое легированного поликремния ), тогда как в памяти CT заряды хранились в локализованных ловушках внутри диэлектрического слоя (обычно из нитрида кремния ). [16]
SONOS был впервые концептуализирован в 1960-х годах. MONOS был реализован в 1968 году корпорацией Westinghouse Electric Corporation . [21] [22] В начале 1970-х годов первые коммерческие устройства были реализованы с использованием транзисторов PMOS и стека металл-нитрид-оксид ( MNOS ) с 45-нм нитридным слоем хранения. Эти устройства требовали до 30 В для работы. В 1977 году PCY Chen из Fairchild Camera and Instrument представил поперечно- структурированный MOSFET SONOS с туннельным диоксидом кремния толщиной 30 ангстрем для EEPROM . [2] Согласно патентной заявке NCR Corporation в 1980 году, структура SONOS требовала +25 вольт и −25 вольт для записи и стирания соответственно. [23] Она была улучшена до +12 В с помощью структуры MNOS (металл-нитрид-оксид-полупроводник) на основе PMOS. [24]
К началу 1980-х годов структуры на основе поликремния NMOS использовались с рабочим напряжением менее 20 В. К концу 1980-х и началу 1990-х годов структуры PMOS SONOS демонстрировали напряжения программирования/стирания в диапазоне 5–12 вольт. [25] С другой стороны, в 1980 году Intel реализовала высоконадежную EEPROM с двухслойной структурой поликремния , которая получила название FLOTOX [26] , как для устойчивости к циклам стирания и записи, так и для срока хранения данных. [27] SONOS в прошлом производилась Philips Semiconductors , Spansion , Qimonda и Saifun Semiconductors .
В 2002 году AMD и Fujitsu , образованные как Spansion в 2003 году и позже объединившиеся с Cypress Semiconductor в 2014 году, разработали технологию MirrorBit , похожую на SONOS, на основе лицензии от технологии NROM компании Saifun Semiconductors, Ltd. [ 28] [29] [30] В 2011 году Cypress Semiconductor разработала память SONOS для нескольких процессов [31] и начала продавать ее как IP для встраивания в другие устройства [32] . UMC уже использовала SONOS с 2006 года [33] и лицензировала Cypress для 40 нм [34] и других узлов. Shanghai Huali Microelectronics Corporation (HLMC) также объявила [35] о производстве Cypress SONOS на 40 нм и 55 нм.
В 2006 году Toshiba разработала новую технологию двойного туннельного слоя со структурой SONOS, которая использует нитрид кремния Si 9 N 10. [36] [37] Toshiba также исследует структуру MONOS («Металл-Оксид-Нитрид-Оксид-Кремний») для своей флэш-памяти с узлом NAND 20 нм . [38] Renesas Electronics использует структуру MONOS в эпоху узлов 40 нм. [39] [40] : 5 , что является результатом сотрудничества с TSMC . [41]
В то время как другие компании по-прежнему используют структуру FG (плавающий затвор) . [42] : 50 Например, GlobalFoundries использует ячейку SuperFlash ESF3 с раздельным затвором и плавающим затвором для своих 40-нм продуктов. [43] Некоторые новые структуры для флэш-памяти типа FG (плавающий затвор) все еще интенсивно изучаются. [44] В 2016 году GlobalFoundries разработала макрос встроенной флэш-памяти 2,5 В на основе FG. [45] В 2017 году Fujitsu объявила о лицензировании структуры ESF3/FLOTOX на основе FG, [26] [27] которая изначально была разработана Intel в 1980 году, у Silicon Storage Technology для своих встроенных энергонезависимых решений памяти. [46] [47] [48] По состоянию на 2016 год группа Intel - Micron раскрыла, что они сохранили традиционную технологию FG в своей 3-мерной флэш-памяти NAND. [7] Они также используют технологию FG для 16-нм планарной флэш-памяти NAND. [8]
Процедура инициализации (шаги 1, 4 и 7), т. е. получение начальных пороговых напряжений записанного и стертого состояний, включала подачу +25 вольт в течение трех секунд и -25 вольт в течение трех секунд соответственно при комнатной температуре на затворы полевых транзисторов памяти. Исток, сток и подложка были подключены к земле во время этой инициализации.
Intel 2816 использует структуру FLOTOX, которая подробно обсуждалась в литературе. В основном, он использует оксид толщиной менее 200 А между плавающим затвором поликремния и областью N+, как показано на рисунке 1.