DISPOSITIVI FAMOS (CELLE DI MEMORIA FLASH)

La più recente evoluzione delle EEPROM è la flash memory, un tipo di EEPROM che non permette di indirizzare singoli bit, ma viene scritto a blocchi proprio come un disco fisso. Questo, fra l'altro, accelera il processo naturale di deterioramento dell'isolante che assicura ai transistor la loro proprietà di mantenere lo stato per lungo tempo, e accorcia di molto la longevità delle flash rispetto alle EEPROM in termini di numero di cicli di cancellazione sopportabili (dell'ordine del milione di cicli per le flash memory).In compenso, le flash memory risultano molto più economiche da fabbricare delle EEPROM e hanno riscosso uno straordinario successo, come tutti sanno, come memorie di massa per tutti i tipi di dispositivi digitali. Esistono due tipi di flash memory, a seconda del tipo di porta logica usata per implementare una cella da un bit: i chip NOR e i chip NAND.I chip NAND, i più usati, hanno migliori prestazioni, maggior densità, minor costo e maggior durata ma, a differenza dei NOR, non si prestano bene ad accessi non sequenziali. Pertanto, nelle applicazioni in cui il chip flash deve ospitare un programma da eseguire direttamente senza trasferirlo prima in RAM, come il BIOS di una motherboard, è necessario usare flash memory basate su chip NOR. Per poter meglio capire come fisicamente funzionano le memorie flash, occorre precisare che esse sono realizzate in tecnologia FAMOS (Floating-gate Avalance-injection MOS), che non sono altro che transistor MOS a doppio gate: il primo gate, detto control gate, è un gate tradizionale, il secondo, chiamato floating gate, è immerso in uno strato di polisilicio, isolato tramite l’ossido di silicio e accoppiato capacitivamente con l’elettrodo relativo al gate di controllo. (Per una migliore comprensione di questi argomenti occorre, comunque, avere una certa conoscenza di cosa è un semiconduttore e di come funzionano i dispositivi MOS). In tali memorie il dato binario è rappresentato dalla presenza o meno di una carica di elettroni nel floating gate. La soglia del MOS cambia a seconda della carica immagazzinata. Durante la programmazione si controlla l’iniezione di carica nel Floating-Gate in maniera da variare la tensione di soglia VT della cella e provocare uno spostamento della caratteristica corrente-tensione IDS/VGS del transistor. All’assenza di carica nella Floating-Gate viene associato il livello logico “1” (transistor spento = cella cancellata), mentre alla presenza di carica è associato il livello logico “0” (transistor acceso = cella programmata). Durante la programmazione si porta la soglia del transistore a valori tali da non permettergli la conduzione, impiegando il meccanismo di iniezione a valanga di elettroni caldi “hot electron” (CHE: Channel Hot Electrons), che consiste in un processo energetico che fornisce agli elettroni energia sufficiente per superare la barriera di potenziale che nasce tra Floating-Gate, ossido sottile e Bulk. Per la cancellazione invece viene sfruttato l’effetto tunnel Fowler-Nordheim. Ma spieghiamo in dettaglio in cosa consistono questi due effetti, iniziando con il CHE. Le tensioni applicate ai morsetti di gate e drain regolano i campi elettrici nella zona in prossimità del drain in cui è maggiore la presenza di portatori caldi (ossia più energetici) ed è più probabile l'iniezione di questi verso il gate. Tale potenziale può favorire o meno un'iniezione di portatori di carica (elettroni o lacune) attraverso l'ossido. Per permettere l'iniezione delle cariche libere del canale verso il gate sono necessarie più condizioni. Per prima cosa è indispensabile una significativa popolazione di portatori con valori di energia elevati e superiori, nel caso degli elettroni, ai 3.1 eV della barriera nell'ossido. Affinchè questo accada il campo elettrico laterale deve raggiungere intensità elevata. Inoltre la tensione di gate non deve essere così elevata da portare il transistore in zona lineare, ma neppure così basso da rendere la popolazione di cariche libere nel canale troppo esigua per produrre correnti misurabili. Con l’applicazione di una tensione di polarizzazione sul Control-Gate, viene creato attraverso l’ossido un campo elettrico elevato, che permette agli elettroni di guadagnare energia, divenire “caldi”, e superare la barriera di ossido, causando l’iniezione a valanga dei portatori, che vengono intrappolati nel polisilicio del gate flottante, che essendo isolato può conservare tale carica per un tempo infinitamente lungo. La programmazione di una cella viene quindi realizzata applicando una tensione elevata ai terminali di gate e di drain, mentre il terminale di source viene mantenuto a massa. Gli elettroni, divenuti caldi ed intrappolati nel polisilicio del gate flottante, vanno a ridurre il potenziale dell’elettrodo. Questo meccanismo è quindi un processo autolimitato in quanto la carica negativa accumulata nel gate flottante riduce il campo elettrico e di conseguenza è più difficile rendere “caldi” e iniettare gli elettroni. Essendo il biossido di silicio, SiO2, un ottimo isolante, la carica intrappolata nella gate flottante può essere mantenuta per molti anni e senza che il circuito venga alimentato. La scrittura della cella per Channel-Hot-Electrons può portare all’intrappolamento di elettroni ad alta energia nell’ossido sovrastante la drain e ciò impedisce l’ulteriore accumulazione di elettroni nella Floating Gate, provocando un aumento della tensione di soglia ed un aumento del tempo di scrittura. Secondo il fenomeno quantistico del tunnelling Fowler-Nordheim, gli elettroni con contenuto energetico inferiore alla barriera di potenziale possono attraversare l’ossido di silicio purché questo sia sufficientemente sottile e siano verificate opportune specifiche condizioni di campo elettrico. La cancellazione viene realizzata mantenendo il gate a massa e applicando al source una tensione elevata, che permette agli elettroni di uscire dalla gate flottante ed iniettarsi nel source, grazie al meccanismo di tunnel Fowler-Nordheim. I tempi tipici per l’esecuzione dell’operazione di cancellazione variano da 100 ms a 1 s. Durante la cancellazione, la giunzione di source, sotto l’ossido, si piega per azione del campo elettrico verticale e si formano coppie elettrone-lacuna per tunnel di elettroni; gli elettroni fluiscono nella source mentre le lacune nel subtrato, ma non tutte, perché alcune, guadagnando energia per azione del forte campo elettrico verticale, passano la barriera di potenziale dell’ossido e si intrappolano nell’ossido stesso. Queste cariche positive intrappolate nell’ossido rendono più lenta la cancellazione e degradano la cella. L’intrappolamento di cariche nell’ossido per Band-to-Band Tunnel (BBT), durante la cancellazione, o l’intrappolamento di cariche nell’ossido per Channel-Hot-Electron(CHE) producono problemi macroscopici come la perdita di dati (Data Retention) per degradazione della qualità dell’ossido e problemi di Endurance, cioè resistenza della cella al numero di cicli di scrittura/cancellazione.