Подсистемы хранения данных
Корень проблемы
Сегодня самым распространенным типом ячеек флэш-памяти является Stacked Gate Cell (ячейки с многослойным затвором), который имеет наиболее простую реализацию. Кроме того, именно на его базе созданы все известные ныне разновидности ячеек флэш-памяти. А потому именно его мы возьмем в качестве примера для объяснения трудностей технологии. Основа Stacked Gate Cell - видоизмененный полевой транзистор с так называемым дополнительным плавающим затвором. Если проводить аналогию с DRAM, этот затвор играет роль конденсатора, другими словами, хранит запрограммированное значение. Если на плавающий затвор воздействовать путем организации двух квантовых процессов, которые создают два разных по значению заряда, то с учетом полученной суперпозиции зарядов формируется поле основного (управляющего) транзистора. Для изоляции плавающего затвора от остальных компонентов транзистора (стока, истока и затвора) служит тончайший слой (порядка 10 нм при 10-мк техпроцессе) окиси кремния. Итак, чтобы сообщить полагающийся заряд базе (управляющий заряд), приходится прибегать к различным ухищрениям. Например, для удаления содержимого ячейки, в случае если сток и исток являются полупроводниками p-типа, необходимо создать в канале отрицательное поле, блокирующее процесс дрейфа электронов. Таким образом, между разнополярными истоком и управляющим затвором прикладывается напряжение, которое создает магнитное поле с высокой напряженностью (порядка 10 МВ/см) вдоль оксидной границы раздела дополнительного и управляющего затвора. Следовательно, в результате квантового эффекта Фаулера - Нордхейма (Fowler - Nordheim) заряд с плавающей базы перетекает к истоку. Электрический барьер поля исчез, транзистор проводит ток (соответствует "1") - ячейка пуста.
Для программирования ячейки напряжение прикладывается уже между стоком и управляющим затвором. Плавающий затвор в этом случае питается так называемыми горячими электронами (Channel Hot Electrons), которые генерируются в канале транзистора. Упомянутые электроны обладают высокой энергией, достаточной в том числе и для преодоления потенциального барьера разделяющей пленки окиси кремния.
Однако эффективность процесса программирования в данной конфигурации не очень высока, поэтому приходится прикладывать высокое напряжение таким образом, что ток между истоком и стоком достигает 1 мА. Необходимо отметить: высокое напряжение, а также длительное протекание токов, несоизмеримо высоких по сравнению с размерами токоведущих частей транзистора, приводит к значительному снижению надежности и устойчивости работы памяти. Стоит ли говорить, что при снижении уровня детализации, являющегося главным гарантом планомерного развития флэш-технологии, эта проблема лишь усугубляется?
Помимо описанной сложности, в еще большую проблему выливается чрезмерное уменьшение толщины изоляционной пленки (двуокиси кремния), происходящее при снижении уровня детализации. По достижении толщины на уровне 80 Ангстрем (современный уровень 90 Ангстрем) начинается утечка заряда, и, как следствие, невосстановимая утеря записанной информации. Кроме того, при уровне детализации 45 нм (который, по мнению экспертов, будет достигнут уже в 2006-2007 году), напряжение необходимое для перемещения электронов на плавающий затвор, становится столь значительным, что начнет вызывать серьезные перекрестные наводки в процессе записи.
В результате специалисты называют предельным уровнем детализации производственную норму 65 нм либо 45 нм. Именно по достижении полупроводниковым оборудованием таких уровней детализации о EEPROM-технологии можно будет забыть, занявшись поиском новых энергонезависимых типов памяти, о которых мы поговорим немного позже, а пока перейдем к технологиям, которые смогли бы продлить жизнь флэш-ячейкам, по крайней мере, в ближайшем обозримом будущем.
