MD300-EPROM Alterung

MD300-EPROM Alterung
Einleitung
Abschätzung der Sicherheit vom MD300-EPROM-Zellen. Diese Abschätzung wurde von W.
Hammer im Rahmen eines konkreten Projektes vorgenommen. Es soll bewiesen werden, dass die
Speicherzellen bei 120°C die Daten mindestens während 10 Jahren nicht verlieren.
Schaltbild
Die EPROM-Zelle ist wie folgt aufgebaut (Prinzipschaltbild):
Die Umschalter sind in der Lese Position und es fliesst ein Lesestrom
I
=
0.4uA
Beim Schreiben sind sie in der anderen Position und es fliesst ein Schreibstrom I = 1 m A
=
Eine nicht geschriebene Zelle hat U 1 - U 2
=
0V
Eine geschriebene Zelle hat
=
?
U1
-
U2
1mA
Schreiben
Während dem Schreiben sind beide Transistoren stark leitend (Vgs = Vdd = 10.5V).
Ein grosser Strom (I = 1 mA) fliesst während dem Schreiben.
Hoch energetische Elektronen (Hot Elektronen) sind erzeugt und einige davon springen durch
das Gate Oxyd des NMOS Transistors.
Dadurch geht die Spannung U2 von 10.5V zu einem tieferen Wert.
Der NMOS leitet weniger und der Strom nimmt ab, sowie die Anzahl der Hot Elektronen.
Bei einem gewissen Spannungswert U2 gibt es praktisch keine Hot Elektronen mehr.
Diese Spannung ist nach ca. 10ms erreicht. Danach passiert nichts mehr.
Die Frage ist:
BEI WELCHER SPANNUNG U2 WERDEN HOT ELEKTRONEN NICHT MEHR ERZEUGT ?
Oder:
WIE STARK IST DIE KAPAZITÄT GELADEN NACH EINEM SCHREIBEN ?
Nehmen wir vorläufig an, dass es bei U2 = 5.5V ist, bzw. bei U1 - U2 = 5V.
Lesen
Beim Lesen ist die Spannung U2 entweder +2.5V (nicht geschrieben) oder -2.5V (geschrieben). Im
ersten Fall ist der NMOS Transistor leitend und der Ausgang Out geht tief. Die Marge gegenüber
Schwellwert des NMOS Transistors ist ungefähr 2.0V. Im zweitem Fall ist der NMOS Transistor
blockiert und der Ausgang Out geht hoch. Die Marge gegenüber Schwellwert des NMOS
Transistors ist ungefähr 3.0V.
Datenverlust
Die Kapazität verliert seine Ladung mit der Zeit.
Bei hoher Temperatur geht dieser Verlust noch schneller.
Laut Hersteller verliert die Kapazität ca. 0.8V in 10 Jahren bei 85°C.
Dies entspricht etwa 0.8V Verlust nach 500 Tage bei 120°C !!!
Oder 3V Verlust nach 7 Jahre bei 120°C !!!
Die ganze Marge ist nach 7 Jahre verloren.
Messmethoden
Es äusserst wichtig zu wissen, welche reelle Marge vorhanden ist.
Um 10 Jahren bei 120°C garantieren zu können muss die Marge 7V sein, bzw. die Kapazität muss
auf 9V geladen sein.
Eine einfache Möglichkeit, die reelle Marge zu messen besteht in diesem Design nicht.
Die Hersteller haben meistens Zugriff zu der 2.5V Lesespannung und können sie erhöhen
bis der NMOS Transistor leitet. Diese Spannungs-Erhöhung entspricht der vorhandenen Marge.
Eine indirekte Möglichkeit, die Marge zu messen ist hier erklärt:
Die Vdd Spannung beim Schreiben ist auf 10.5V gewählt, sodass die auf 5V geladene Kapazität
immer noch genügend Gate-Spannung am NMOS Transistor liefert um Hot Elektronen zu erzeugen.
Mit einer reduzierten Vdd Spannung wird sich die Kapazität weniger laden.
Falls das Schreiben noch bei Vdd = 7.5V möglich ist, dann ist die Marge gleich 3V.
Diese Methode wird ein pessimistisches Resultat geben, da der Strom ebenfalls beim PMOS
Transistor reduziert wird.
Schlussfolgerung
Eine Datenspeicherung während 10 Jahre bei 120°C kann man wahrscheinlich nicht garantieren.
Eine Datenspeicherung während 7 Jahre bei 120°C kann man wahrscheinlich garantieren. Ein
Zugriff zur 2.5V Lesespannung muss unbedingt beim Redesign vorgesehen sein.
Messungen müssen noch durchgeführt werden um sicherzustellen dass die Ladung der Kapazität
bei diesem Design mindestens 5V beträgt.
Messungen
Das CSEE wird die Messungen mit reduzierter Schreibspannung durchführen sobald das
Testprogramm funktionsfähig ist.
----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------Quelle:
Tel +41 32 753 62 72
Fax +41 32 753 61 09
Mail [email protected]
Web www.crossmos.ch