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Memória Semicondutora

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Principais tipos de memória semicondutora: voláteis e não-voláteis

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Memória ROM (Read-Only Memory)

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ROM Programada por máscara;

ROM Programável (PROM);

ROM Programável eletricamente (EPROM);

ROM Programável e apagável eletricamente (EEPROM);

Principais arquiteturas de memórias não-voláteis MOS

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Memória ROM (Read-Only Memory) MOS

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A memória ROM fabricada com tecnologia MOS é a mais amplamente usada na indústria de semicondutores.

Consiste de uma matriz de MOSFET’s NMOS cujas fontes estão aterradas.

MOSFET’s conectam-se em horizontalmente através da porta, formando linhas de palavra.

MOSFET’s conectam-se verticalmente através do dreno, formando linhas de bits.

Cada linha de bit (vertical) é conectada a um transistor PMOS que liga aquela linha particular a VDD.

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O decodificador de linhas escolhe uma determinada linha elevando a tensão daquela linha em particular, o que faz com que a linha toda se ligue.

Os transistores dessa linha conduzem e abaixam a tensão da linha de bits (vertical) até zero, pois estão aterrados, e isso é interpretado como um 0 lógico.

As linhas de bits que cruzam com essa linha de palavra mas não têm transistores continuam conduzindo VDD normalmente, o que é lido como um 1 lógico.

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Memória ROM programada por máscara

Redução de custo na fabricação da memória.

Dados são gravados pelo fabricante e não podem ser alterados/removidos.

O processo de fabricação é essencialmente o mesmo para todos as memórias ROM MOS (aplicação de máscara de fotoresist, corrosão úmida/seca, implantação iônica de dopantes, difusão, difusão de Si-poli, deposição de filme metálico para vias e contatos).

A diferença entre os dados gravados nas memórias ROM é feita no final de todo o processo: uma máscara com as vias e contatos dos transistores que efetivamente serão usados é gravada sobre o waferde Si. Após deposição de filme metálico, apesar de haver transistores em cada célula de memória, nem todos são utilizados!

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Memória ROM programável (PROM)

Pode ser gravada pelo usuário, mas somente uma vez!

Processo muito utilizado (e já obsoleto) nas PROMs consiste na utilização de fusíveis de Si-poli para conectar o emissor do transistor à coluna de dígitos correspondentes.

A gravação da memória é feita queimando os fusíveis conectados aos transistores que ficarão desligados numa determinada linha de palavra.

Esse processo é irreversível, portanto após a gravação a memória torna-se uma ROM (somente leitura).

Utilizadas nas BIOS de placas-mãe até 1990.

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Memória ROM programável eletricamente (EPROM)

Pode ser apagada e reprogramada quantas vezes o usuário quiser.

Processo de apagamento pode ser demorado (exposição à radiação UV).

Não é possível apagar somente parte da memória.

Basicamente dois tipos de arquitetura: FAMOS (Floating-gate avalanche-injection MOS) e FGMOS (Floating-gate MOS) de portas empilhadas.

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Memória ROM programável eletricamente (EPROM)

FAMOS: injeção de portadores na porta flutuante via avalanche de portadores pela polarização reversa do dreno.

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Memória ROM programável eletricamente (EPROM)

FAMOS – porta flutuante fica completamente isolada e não há porta de seleção, portanto não há apagamento elétrico.

Apagamento: exposição à luz UV (254 nm) - geração de pares elétron-lacuna no SiO2 com energia suficiente para transpor a barreira de potencial da interface entre o óxido e a porta flutuante, e haver recombinação das lacunas com os elétrons, descarregando a porta flutuante (E = hf).

Vantagens: não requer processamentos especiais e é bastante eficiente no filme de SiO2.

Desvantagens: Necessita de uma fonte de UV; e como as correntes no dielétrico são muito baixas, a exposição à luz UV é demorada (meia hora ou mais) para que toda a carga da porta flutuante seja eliminada.

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Memória ROM programável e apagável eletricamente (EEPROM)

FGMOS de portas empilhadas – melhor solução.

Pode ser programada e apagada eletricamente – elimina uso pouco prático de exposição à luz UV e aumenta eficiência da programação.

Célula de memória consiste de um MOSFET canal n tipo enriquecimento com duas portas de Si-poli: uma delas é a porta flutuante, que não é ligada a nenhuma outra parte do circuito, a outra é a porta de seleção, que recebe polarização tal como a porta de um MOSFET NMOS comum.

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Memória ROM programável e apagável eletricamente (EEPROM)

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Gravação é feita de duas formas: por injeção de portadores quentes e por tunelamento Fowler-Nordheim.

Injeção de portadores quentes (com grande energia cinética) na porta flutuante é obtida pela polarização da porta de seleção e dreno com uma tensão alta.

Os elétrons vindos da fonte ganham velocidade ao longo do canal e são atraídos pelo alto campo elétrico da porta de seleção.

Além da injeção de portadores quentes, elétrons são acumulados na porta flutuante via tunelamento Fowler-Nordheim.

Memória ROM programável e apagável eletricamente (EEPROM)

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Memória ROM programável e apagável eletricamente (EEPROM)

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O acúmulo de cargas na porta flutuante ocorre até um certo limite – carga elétrica negativa da porta flutuante aumenta até cessar o acúmulo de cargas.

A carga total acumulada corresponde à integral da corrente de injeção de portadores quentes ou de tunelamento.

Consequência: carga negativa acumulada na porta flutuante força o aumento do VT do transistor.

Memória ROM programável e apagável eletricamente (EEPROM)

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O DVT pode ser extraído diretamente da curva iD - vGS.

Outra maneira de extrair o DVT é através da condutância do dreno, pois a condutância do canal é também alterada pela mudança no VT.

Memória ROM programável e apagável eletricamente (EEPROM)

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Leitura: uma tensão cujo valor fica entre os VT do transistor programado e não-programado aplicada à porta de seleção de uma dessas células vai indicar se o bit armazenado é 0 ou 1.

Apagamento: pode ser feito de duas formas: exposição à luz UV e por meio de polarização negativa da porta de seleção.

Polarização negativa da porta de seleção: elétrons tunelam de volta para o substrato através do óxido – só é possível quando há porta de seleção.

Armazenamento: mesmo sem alimentação, transistores FAMOS ou FGMOS de portas empilhadas mantém a informação (carga) armazenada por mais de 100 anos!

Memória ROM programável e apagável eletricamente (EEPROM)

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Dispositivos de aprisionamento de elétrons também são usados como memória.

Transistor MNOS (Metal-Nitride-Oxide-Silicon).

Memória ROM programável e apagável eletricamente (EEPROM)

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Camada de nitreto de silício é usada como eficiente material para aprisionar elétrons.

Elétrons são aprisionados perto da interface nitreto/óxido de Si.

Camada de óxido entre nitreto e canal serve como boa interface com o silício e previne elétrons do nitreto de tunelar de volta para o canal.

Gravação: a porta é polarizada com tensão positiva alta e elétrons tunelam através do óxido via tunelamento Fowler-Nordheim modificado.

Apagamento: a porta é polarizada com tensão negativa alta e agora lacunas tunelam do canal para o óxido e então para o nitreto, onde há recombinação de pares elétron-lacuna, neutralizando a carga.

Memória ROM programável e apagável eletricamente (EEPROM)

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Transistor SONOS/MONOS (silicon/metal-oxide-nitride-oxide-silicon)

Memória ROM programável e apagável eletricamente (EEPROM)

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Camada adicional de óxido entre a porta e o nitreto: para prevenir a injeção de elétrons da porta para o óxido durante operação de apagamento.

Resultado: uma camada mais fina de nitreto pode ser usada, o que leva à necessidade de uma tensão menor de gravação/apagamento e melhor retenção de cargas.

Memória ROM programável e apagável eletricamente (EEPROM)

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Referências

[1] D. Khang and S. M. Sze, A floating gate and its application to memory devices, The Bell System Technical Journal, vol. 46, nº 6, pp. 1288-1295, 1967.

[2] S. M. Sze and Kwok K. Ng., Physics of Semiconductor Devices, 3. ed., 2007.

[3] Sedra, A. S. and Smith, K. C., Microeletrônica, 5. ed. – São Paulo: Pearson Prentice Hall, 2007.