フローティングゲートMOSFET

フローティングゲートMOSFET（FGMOS ）は、フローティングゲートMOSトランジスタまたはフローティングゲートトランジスタとも呼ばれ、ゲートが電気的に分離され、直流電流のフローティングノードを形成する金属酸化物半導体電界効果トランジスタ（MOSFET）の一種です。複数の二次ゲートまたは入力がフローティングゲート（FG）上に配置され、電気的に分離されています。これらの入力はFGに容量的にのみ接続されています。FGは高抵抗材料に囲まれているため、FGに含まれる電荷は長期間^[1]変化せず、現代のデバイスでは通常10年以上変化しません。通常、FGに蓄積される電荷​​量を変更するために、 ファウラー・ノルドハイム・トンネリングまたはホットキャリア注入メカニズムが使用されます

FGMOSは、浮遊ゲートメモリセル、EPROM、EEPROM、フラッシュメモリ技術におけるデジタル記憶素子として広く用いられています。FGMOSの他の用途としては、ニューラルネットワークにおけるニューロン計算素子、^{[2] [3] 、}アナログ記憶素子、^[2]デジタルポテンショメータ、シングルトランジスタDACなどがあります。

歴史

蓄積された電荷を使って電子メモリ用のトランジスタをゲートするという概念は、1955年にベル研究所のジャック・モートンとイアン・ロスが初めて別々に特許を取得しました。^{[4] [5]}両者は、情報ストレージ用に電気をゲートする目的で、半導体表面の強誘電体に電荷を蓄積することを提案しました。^{[4] [5]} MOSFETは、フロッシュとデリックが表面二酸化シリコンのパッシベーションを発見し、その発見を使って最初のプレーナ型トランジスタを作成した後、1955年から1960年の間にベル研究所で発明されました。^{[6] [7] [8] [ 9] [10] [11]} 1961年に、ヴァシル・ウズノグルとフィリップ・ケーニッヒが、MOS型トランジスタに適用したアイデアの特許を取得し、これも固体メモリに使用しました。^[12] 1961年にRCAのポール・ワイマーが固体デバイス用の絶縁電極の特許を取得しました。^[13]電極と強誘電体の間に厚い絶縁体を持つFGMOSは、1967年にベル研究所のダウォン・カーンとサイモン・ミン・ゼによって作られ^[14]、カーンが特許を取得した^{[15] 。}

1974年まで、単一のフローティングゲートは電子的に消去することができず、電子ストレージ用として大量生産されていませんでした。フラッシュメモリに使用されている現代のFGMOSは、ファウラー・ノルドハイムトンネルEEPROMゲートに基づいています。これはベルンヴァルトによって発明され、シーメンスが1974年に特許を取得しました^[16]。その後、イスラエル系アメリカ人のエリヤホウ・ハラリ（ヒューズ・エアクラフト社）とジョージ・ペルレゴス（インテル社）らによって改良されました[ 17 ]。FGMOSの初期^の用途は、デジタル半導体 メモリであり、 EPROM、EEPROM、フラッシュメモリに不揮発性データを保存するものでした^[18]。

1989年にインテルは、電気的に訓練可能な人工ニューラルネットワーク（ETANN）チップのアナログ不揮発性メモリ素子としてFGMOSを採用し、^[3] FGMOSデバイスをデジタルメモリ以外の用途に使用できる可能性を示しました。

現在の FGMOS 回路開発の基礎となったのは、次の 3 つの研究成果です。

• トムセンとブルックによる標準的なCMOSダブルポリプロセスでの電子トンネル効果の実証と使用^{[19]により}、多くの研究者が特殊な製造プロセスにアクセスすることなくFGMOS回路の概念を研究できるようになりました。
• ^{柴田と大見[20]}によるνMOS 、あるいはニューロンMOS回路アプローチは、線形計算にコンデンサを用いる最初の着想と枠組みを提供した。彼らはデバイス特性ではなくFG回路特性に注目し、UV光を用いて電荷を均等化したり、MOSFETスイッチの開閉によってFG素子をシミュレートしたりした。
• カーバー・ミードの適応網膜^[2]は、連続的に動作するFGプログラミング/消去技術（この場合は紫外線）を適応回路技術のバックボーンとして使用した最初の例を示した。

構造

フローティングゲートトランジスタの断面

^{FGMOSは、標準的なMOSトランジスタ（[説明が必要]）}のゲートを電気的に分離することで製造できます。これにより、ゲートへの抵抗接続はなくなります。次に、フローティングゲート（FG）上に多数の二次ゲートまたは入力を配置し、電気的に分離します。FGは高抵抗材料に完全に囲まれているため、これらの入力はFGに容量的にのみ接続されます。したがって、DC動作点の観点から見ると、FGはフローティングノードです

FGの電荷を変更する必要があるアプリケーションでは、注入動作とトンネル動作を行うために、各FGMOSトランジスタに一対の小型トランジスタが追加されます。各トランジスタのゲートは相互に接続され、トンネルトランジスタはソース、ドレイン、バルク端子が相互接続されて容量性トンネル構造を形成します。注入トランジスタは通常の接続で、特定の電圧を印加することでホットキャリアが生成され、電界を介してフローティングゲートに注入されます。

純粋に容量性の用途のFGMOSトランジスタは、N型またはP型で製造することができる。^[21] 電荷修正用途では、トンネルトランジスタ（したがって動作するFGMOS）をウェルに埋め込む必要があるため、技術によって製造できるFGMOSのタイプが決まります。

モデリング

大信号DC

FGMOSのDC動作をモデル化する方程式は、FGMOSを構成するMOSトランジスタの動作を記述する方程式から導出できます。FGMOSデバイスのFGにおける電圧を決定できれば、標準的なMOSトランジスタモデルを使用してドレイン-ソース間電流を表現することができます。したがって、FGMOSデバイスの大信号動作をモデル化する一連の方程式を導出するには、実効入力電圧とFGにおける電圧の関係を見つける必要があります

小さな信号

N入力FGMOSデバイスはMOSトランジスタよりもN −1個多い端子を持つため、 N +2個の小信号パラメータを定義できます。それぞれ、 N個の有効入力トランスコンダクタンス、出力トランスコンダクタンス、バルクトランスコンダクタンスです。

${\displaystyle g_{mi}={\frac {C_{i}}{C_{T}}}g_{m}\quad {\mbox{for}}\quad i=[1,N]}$

${\displaystyle g_{dsF}=g_{ds}+{\frac {C_{GD}}{C_{T}}}g_{m}}$

${\displaystyle g_{mbF}=g_{mb}+{\frac {C_{GB}}{C_{T}}}g_{m}}$

ここで、はフローティングゲートから見た総容量です。これらの式は、MOSトランジスタと比較したFGMOSの2つの欠点を示しています。 ${\displaystyle C_{T}}$

• 入力トランスコンダクタンスの低減
• 出力抵抗の低減

シミュレーション

通常の状況では、回路内の浮遊ノードは、何らかの方法で固定しない限り初期状態が不明であるため、エラーを表します。これにより、2つの問題が発生します

1. これらの回路をシミュレートするのは簡単ではない
2. 製造プロセス中に、未知の量の電荷がフローティング ゲートにトラップされたままになる可能性があり、その結果、FG 電圧の初期条件が不明になります。

コンピュータシミュレーションのために提案されている多くの解決策の中で、最も有望な方法の一つは、ロドリゲス＝ビレガス^[22]によって提案された初期過渡解析（ITA）である。この方法では、FGをゼロボルト、または製造プロセス後にFGに捕捉された電荷の測定に基づいて事前に既知の電圧に設定する。次に、供給電圧を最終値に設定して過渡解析を実行し、出力を通常通りに変化させる。その後、FGの値を抽出し、後続の小信号シミュレーションに使用することができる。このシミュレーションでは、初期FG値を持つ電源を非常に高い値のインダクタを用いてフローティングゲートに接続することができる。

用途

FGMOSの用途と応用は、大きく分けて2つのケースに分類できます。回路使用中に浮遊ゲートの電荷が変化しない場合、動作は容量結合されます

容量結合型の動作モードでは、フローティングゲートの正味電荷は変化しません。この動作モードの応用例としては、単一トランジスタ加算器、DAC、乗算器、論理関数、可変閾値インバータなどが挙げられます。

FGMOSはプログラマブル電荷素子として、フラッシュメモリ、EPROM、EEPROMメモリなどの不揮発性ストレージに広く用いられています。この用途において、フローティングゲートMOSFETは、電源に接続することなく長期間電荷を蓄積できるため有用です。FGMOSの他の用途としては、ニューラルネットワークにおけるニューロン計算素子、アナログ記憶素子、E-POTなどが挙げられます。

関連項目

• チャージトラップフラッシュ
• Fe FET
• IGBT
• MOSFET
• SONOS

参考文献

1. 「トンネリング：優れた保持特性を備えた新しいフローティングゲートメモリ」doi : 10.1002/aelm.201800726 . S2CID  139369906 {{cite journal}}:ジャーナルを引用するには|journal=（ヘルプ）が必要です
2. Mead, Carver A.; Ismail, Mohammed 編 (1989年5月8日). アナログVLSIによるニューラルシステムの実装(PDF) . Kluwer International Series in Engineering and Computer Science. 第80巻. Norwell, MA: Kluwer Academic Publishers . doi :10.1007/978-1-4613-1639-8. ISBN 978-1-4613-1639-8。
3. M. Holler、S. Tam、H. Castro、R. Benson、「10240個の「フローティングゲート」シナプスを備えた電気的に訓練可能な人工ニューラルネットワーク」、国際ニューラルネットワーク合同会議議事録、ワシントンD.C.、第2巻、1989年、191～196ページ
4. US2791761A、モートン、ジャック A.、「電気スイッチングおよびストレージ」、1957年5月7日発行 
5. US2791760A、ロス、イアン・M、「半導体変換装置」、1957年5月7日発行 
6. US2802760A、リンカーン、デリック、フロッシュ、カール J.、「制御拡散のための半導体表面の酸化」、1957年8月13日発行 
7. Frosch, CJ; Derick, L (1957). 「シリコンの拡散時における表面保護と選択的マスキング」. Journal of the Electrochemical Society . 104 (9): 547. doi :10.1149/1.2428650.
8. KAHNG, D. (1961). 「シリコン-二酸化シリコン表面デバイス」.ベル研究所技術覚書: 583– 596. doi :10.1142/9789814503464_0076. ISBN 978-981-02-0209-5。
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10. Ligenza, JR; Spitzer, WG (1960). 「蒸気および酸素中でのシリコン酸化のメカニズム」. Journal of Physics and Chemistry of Solids . 14 : 131–136 . Bibcode :1960JPCS...14..131L. doi :10.1016/0022-3697(60)90219-5
11. Lojek, Bo (2007).半導体工学の歴史. Springer Science & Business Media . p. 120. ISBN 9783540342588。
12. US3418493A、Vasil、Uzunoglu、Koenig、Jr、Phillip R.、「半導体記憶装置」、1968年12月24日発行 
13. US3258663A、ワイマー、ポール、「薄い絶縁膜上にゲート電極を備えた固体デバイス」、1966年6月28日発行 
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15. US3500142A、Kahng、Dawon、「電荷キャリアの捕捉を伴うメモリを備えた電界効果半導体装置」、1970年3月10日発行 
16. GB1517925A、「ストレージ電界効果トランジスタ」、1978年7月19日発行 
17. Simko, Richard T. (1977年3月17日). 「電気的にプログラム可能かつ電気的に消去可能なMOSメモリセル」
18. Frohman-Bentchkowsky, Dov; Mar, Jerry; Perlegos, George; Johnson, William S. (1978年12月15日). 「トンネル効果を利用した電気的にプログラム可能かつ消去可能なMOSフローティングゲートメモリデバイスとその製造方法」
19. A. ThomsenとMA Brooke、「標準的なダブルポリシリコンCMOSプロセスを使用して製造されたトンネルインジェクタを備えたフローティングゲートMOSFET」、 IEEE Electron Device Letters、vol. 12、1991年、pp. 111-113
20. T. Shibata、T. Ohmi、「ゲートレベルの加重和および閾値演算を特徴とする機能的MOSトランジスタ」、 IEEE Transactions on Electron Devices、第39巻、第6号、1992年、1444～1455頁
21. Janwadkar、Sudhanshu (2017-10-24)。 「フローティングゲートMOS（FLOTOX）の作製」。www.slideshare.net。
22. ロドリゲス・ビレガス、エスター. FGMOSトランジスタを用いた低消費電力・低電圧回路設計

外部リンク

• アナログおよびミックスドシグナル回路設計におけるフローティングゲートトランジスタ特性の活用
• Howstuffworks「ROMの仕組み」
• フローティングゲートデバイス
• アナログおよびミックスドシグナル回路設計におけるフローティングゲートトランジスタ
• フローティングゲートトランジスタを使用した調整可能かつ再構成可能な回路