Charge trap flash (CTF) é uma tecnologia de memória semicondutora usada na criação de memória flash não volátil NOR e NAND. É um tipo de tecnologia de memória MOSFET de porta flutuante, mas difere da tecnologia convencional de porta flutuante por usar um filme de nitreto de silício para armazenar elétrons, em vez do silício policristalino dopado típico de uma estrutura de porta flutuante. Esta abordagem permite que os fabricantes de memória reduzam os custos de fabricação de cinco maneiras: Menos etapas de processo são necessárias para formar um nó de armazenamento de carga Geometrias de processo menores podem ser usadas (reduzindo assim o tamanho do chip e o custo) Múltiplos bits podem ser armazenados em uma única célula de memória flash Confiabilidade melhorada Maior rendimento, pois a armadilha de carga é menos suscetível a defeitos pontuais na camada de óxido de túnel
Embora o conceito de armadilha de carga existisse antes, foi somente em 2002 que a AMD e a Fujitsu produziram memória flash de armadilha de carga em alto volume. Elas começaram a produção comercial de memória flash de armadilha de carga com a introdução da família de memória flash NOR GL. O mesmo negócio, agora operando sob o nome Spansion, produz dispositivos de armadilha de carga em alto volume desde então. A memória flash de armadilha de carga foi responsável por 30% do mercado de flash NOR de US$ 2,5 bilhões em 2008. A Saifun Semiconductors, que licenciou um grande portfólio de tecnologias de armadilha de carga para várias empresas, foi adquirida pela Spansion em março de 2008. A partir do final dos anos 2000, o CTF tornou-se um componente central da memória flash 3D V-NAND desenvolvida pela Toshiba e Samsung Electronics.
Origens Em 1957, Frosch e Derick conseguiram fabricar os primeiros transistores de efeito de campo de dióxido de silício nos Bell Labs, os primeiros transistores em que dreno e fonte eram adjacentes na superfície. Posteriormente, Dawon Kahng liderou um artigo demonstrando um MOSFET funcional com sua equipe do Bell Labs em 1960. A equipe incluía E. E. LaBate e E. I. Povilonis que fabricaram o dispositivo; M. O. Thurston, L. A. D'Asaro e J. R. Ligenza que desenvolveram os processos de difusão, e H. K. Gummel e R. Lindner que caracterizaram o dispositivo.
Mais tarde, Kahng inventou o MOSFET de porta flutuante com Simon Min Sze nos Bell Labs, e eles propuseram seu uso como uma célula de memória de porta flutuante (FG), em 1967. Esta foi a primeira forma de memória não volátil baseada na injeção e armazenamento de cargas em um MOSFET de porta flutuante, que mais tarde se tornou a base para as tecnologias EPROM (PROM apagável), EEPROM (PROM eletricamente apagável) e memória flash.
O conceito de armadilha de carga foi apresentado pela primeira vez por John Szedon e Ting L. Chu em 1967.
No final de 1967, uma equipe de pesquisa da Sperry liderada por H.A. Richard Wegener inventou o transistor de semicondutor de metal–nítreto–óxido (transistor MNOS), um tipo de MOSFET no qual a camada de óxido é substituída por uma camada dupla de nitreto e óxido. Nitreto foi usado como uma camada de armadilha em vez de uma porta flutuante, mas seu uso foi limitado, pois era considerado inferior a uma porta flutuante. O dispositivo transistor MNOS podia ser programado através da aplicação de uma polarização direta ou reversa de 50 volts entre a porta e o canal para capturar cargas que afetariam a tensão de limiar do transistor.
A memória de armadilha de carga (CT) foi introduzida com dispositivos MNOS no final dos anos 1960. Tinha uma estrutura de dispositivo e princípios de operação semelhantes à memória de porta flutuante (FG), mas a principal diferença é que as cargas são armazenadas em um material condutor (tipicamente uma camada de polissilício dopado) na memória FG, enquanto a memória CT armazena cargas em armadilhas localizadas dentro de uma camada dielétrica (tipicamente feita de nitreto de silício).
EEPROM de armadilha de carga Em 1974, a tecnologia de armadilha de carga foi usada como mecanismo de armazenamento em memória somente de leitura programável apagável eletricamente (EEPROM), e foi uma alternativa à tecnologia padrão MOSFET de porta flutuante. Em 1977, P.C.Y. Chen da Fairchild Camera and Instrument publicou um artigo detalhando a invenção do SONOS, uma tecnologia MOSFET com condições de programa e apagamento muito menos exigentes e maior retenção de carga. Esta melhoria levou a dispositivos EEPROM fabricáveis baseados em SONOS de armadilha de carga na década de 1980.
Experimentos com flash de armadilha de carga Em 1991, pesquisadores japoneses da NEC incluindo N. Kodama, K. Oyama e Hiroki Shirai desenvolveram um tipo de memória flash que incorporava um método de armadilha de carga. Em 1998, o engenheiro israelense Boaz Eitan da Saifun Semiconductors (posteriormente adquirida pela Spansion) patenteou uma tecnologia de memória flash chamada NROM que aproveitou uma camada de armadilha de carga para substituir a porta flutuante usada em projetos convencionais de memória flash. Duas inovações importantes aparecem nesta patente: a localização das cargas negativas e positivas injetadas perto dos terminais de dreno/fonte da célula, e a utilização de um conceito de leitura reversa para detectar os dados armazenados da célula em qualquer extremidade da armadilha de carga. Estas duas novas ideias permitiram alta ciclagem, permitindo assim que produtos de flash de armadilha de carga confiáveis fossem produzidos pela primeira vez desde que o conceito de armadilha de carga foi inventado 30 anos antes. Além disso, usando esses conceitos é possível criar dois bits físicos separados por célula, dobrando a capacidade de dados armazenados por célula.
Em 2000, uma equipe de pesquisa da Advanced Micro Devices (AMD) liderada por Richard M. Fastow, o engenheiro egípcio Khaled Z. Ahmed e o engenheiro jordaniano Sameer Haddad (que mais tarde se juntou à Spansion) demonstraram um mecanismo de armadilha de carga para células de memória NOR flash. Essas inovações foram melhoradas na AMD e Fujitsu em 2002 (e mais tarde pela Spansion), e colocadas em produção em volume por essas empresas no que foi chamado de "Memória Flash MirrorBit".
Memória Flash Spansion MirrorBit O flash de armadilha de carga (CTF) foi comercializado pela AMD e Fujitsu em 2002. Naquele ano, a AMD (em uma divisão posteriormente spin-off como Spansion) anunciou uma nova tecnologia de memória flash que chamou de "MirrorBit". A Spansion usou este produto para reduzir custos de fabricação e estender a faixa de densidade da memória Flash NOR além da flash NOR convencional e para igualar o custo da flash NOR de célula multinível sendo fabricada pela Intel.
A célula MirrorBit usa uma camada de armadilha de carga não apenas como um substituto para uma porta flutuante convencional, mas também aproveita a natureza não condutora do nitreto de armazenamento de carga para permitir que dois bits compartilhem a mesma célula de memória. Mostrado na Figura 1, os bits residem em extremidades opostas da célula e podem ser lidos passando uma corrente através do canal em diferentes direções.
Produtos foram feitos com sucesso para combinar esta abordagem com tecnologia de célula multinível para conter quatro bits em uma célula.
Operação de armadilha de carga Como a célula de memória de porta flutuante, uma célula de armadilha de carga usa uma carga variável entre a porta de controle e o canal para alterar a tensão de limiar do transistor. Os mecanismos para modificar esta carga são relativamente semelhantes entre a porta flutuante e a armadilha de carga, e os mecanismos de leitura também são muito semelhantes.
Mecanismos de armadilha de carga vs porta flutuante Em um flash de armadilha de carga, os elétrons são armazenados em uma camada de armadilha, assim como são armazenados na porta flutuante em uma memória flash padrão, EEPROM ou EPROM. A principal diferença é que a camada de armadilha de carga é um isolante, enquanto a porta flutuante é um condutor.
Altas cargas de escrita em uma memória flash causam estresse na camada de óxido de túnel, criando pequenas rupturas na rede cristalina chamadas "defeitos de óxido". Se um grande número dessas rupturas for criado, desenvolve-se um curto-circuito entre a porta flutuante e o canal do transistor e a porta flutuante não pode mais reter carga. Esta é a causa raiz do desgaste do flash (veja Memória flash#Desgaste da memória), que é especificado como a "endurance" do chip. Para reduzir a ocorrência de tais curtos-circuitos, o flash de porta flutuante é fabricado usando um óxido de túnel espesso (~100Å), mas isso retarda o apagamento quando a tunelamento Fowler-Nordheim é usado e força o projeto a usar uma tensão de tunelamento mais alta, o que impõe novos encargos em outras partes do chip.
Uma célula de armadilha de carga é relativamente imune a tais dificuldades, uma vez que a camada de armadilha de carga é um isolante. Um curto-circuito criado por um defeito de óxido entre a camada de armadilha de carga e o canal drenará apenas os elétrons em contato imediato com o curto, deixando os outros elétrons no lugar para continuar controlando a tensão de limiar do transistor. Como os curtos-circuitos são menos preocupantes, uma camada de óxido de túnel mais fina pode ser usada (50-70Å), aumentando o acoplamento da camada de armadilha ao canal e levando a uma velocidade de programa mais rápida (com cargas aprisionadas localizadas) e apagamento com tensões de tunelamento mais baixas. As tensões de tunelamento mais baixas, por sua vez, colocam menos estresse na camada de óxido de túnel, levando a menos rupturas na rede.
Outro benefício importante do uso de uma célula de armadilha de carga é que a fina camada de armadilha de carga reduz o acoplamento capacitivo entre células vizinhas para melhorar o desempenho e a escalabilidade.
Colocando a carga na camada de armadilha de carga Os elétrons são movidos para a camada de armadilha de carga de maneira semelhante à forma como o flash NOR de porta flutuante é programado, através do mecanismo de injeção de elétron quente de canal (CHE) também conhecido como Injeção de portador quente. Resumindo, uma alta tensão é colocada entre a porta de controle enquanto uma tensão média-alta é aplicada na fonte e no dreno, enquanto uma corrente é induzida da fonte para o dreno. Aqueles elétrons que ganharam energia suficiente ao atravessar a região de alto campo perto do dreno irão "ferver" do canal para serem injetados na camada de armadilha de carga, onde se depositam.
Removendo uma carga da camada de armadilha de carga O flash de armadilha de carga é apagado via injeção de buraco quente (veja Injeção de portador quente) ao contrário da abordagem de tunelamento Fowler-Nordheim usada tanto no flash NAND quanto no NOR para apagamento. Este processo usa um campo, ao invés da corrente usada no FN, para mover buracos em direção à camada de armadilha de carga para remover a carga.
Fabricação de flash de armadilha de carga O flash de armadilha de carga é semelhante na fabricação ao flash de porta flutuante, com certas exceções que servem para simplificar a fabricação.
Diferenças de materiais da porta flutuante Tanto o flash de porta flutuante quanto o flash de armadilha de carga usam uma estrutura de porta empilhada na qual uma porta flutuante ou camada de armadilha de carga fica imediatamente acima do canal, e abaixo de uma porta de controle. A porta flutuante ou camada de armadilha de carga é isolada do canal por uma camada de óxido de túnel e da porta de controle por uma camada de óxido de porta. Os materiais para todas essas camadas são os mesmos, com exceção da camada de armazenamento, que é polissilício condutor para a estrutura de porta flutuante e é tipicamente nitreto de silício para a armadilha de carga.
Relação da armadilha de carga com nanocristais de silício