6.13. МНОП-транзистор

Величина порогового напряжения V_T определяется уравнением (6.64). Как видно из этого уравнения, для изменения величины порогового напряжения V_T необходимо:

а) изменить легирование подложки N_A (для изменения объемного положения уровня Ферми φ₀, разности paбот выхода φ_ms, заряда акцепторов в области обеднения Q_В);
б) изменить плотность поверхностных состояний N_ss;
в) изменить встроенный в диэлектрик заряд Q_ох;
г) изменить напряжение смещения канал подложка V_SS (для изменения заряда акцепторов Q_В в слое обеднения). Поскольку информацию 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.

На рисунке 6.16а, б приведена схема, показывающая основные конструктивные элементы МНОП ПТ и МОП ПТ с плавающим затвором.

В МНОП ПТ в качестве подзатворного диэлектрика используется двухслойное покрытие. В качестве первого диэлектрика используется туннельно прозрачный слой (d_ox < 50 A) двуокиси кремния. В качестве второго диэлектрика используется толстый (d ≈ 1000 A) слой нитрида кремния. Нитрид кремния Si₃N₄ имеет глубокие ловушки в запрещенной зоне и значение диэлектрической постоянной ε_Si3N4 в два раза более высокое, чем диэлектрическая постоянная двуокиси кремния SiO₂. Ширина запрещенной зоны нитрида Si₃N₄ меньше, чем ширина запрещенной зоны окисла SiO₂.

Рис. 6.16. Топология полупроводниковых запоминающих устройств:
а) МНОП-транзистор; б) МОП ПТ с плавающим затвором

На рисунке 6.17а 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 рисунке 6.17б, 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 рисунке 6.17в. При снятии напряжения с затвора зонная диаграмма МНОП-структуры снова имеет вид, как на рисунке 6.17а, и инверсионный канал исчезает.

Оценим величину инжектированного заряда, необходимую для переключения МНОП-транзистора. Пусть величина ΔV_T = 10 В, d_Si3N4 = 1000 A, ε_Si3N4 = 6.

Рис. 6.17. Зонная диаграмма МНОП-транзистора:
а) напряжение на затворе равно нулю, ловушки не заполнены; б) запись информационного заряда; в) стирание информационного заряда

   (6.84)

Подставив численные значения в (6.84), получаем ΔN_ox ≈ 3·10¹¹ см^-2. Считая, что захват идет в энергетический интервал 1 эВ в запрещенной зоне нитрида и в слой толщиной 100 A, получаем, что энергетическая плотность объемных ловушек N_t в нитриде должна быть порядка 2·10¹⁸ см^-3·эВ^-1.