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1、非易失存储器概论作者：Jitu J.Makwana, Dr.Dieter K.Schroder翻译：GongYi(Infineon Technologies,Memory development center）Email: 前言本文论述了基本非易失存储器（NVM）的基本概念。第一部分介绍了 NVM 的基本情况，包括 NVM 的背景以及常用的存储器术语。第二部分我将介绍怎样通过热电子注入实现 NVM 的编程。第三部分包括了用FOWLER-NORDHEIM 隧道效应实现对 NVM 的擦除。同时，简单的 FN 隧道效应的原理也将在这里给大家做一个说明。第四部分介绍了用于预测 NVM 编程特性的模型热
2、电子注入机制所依赖的“幸运电子”模型。最后一部分介绍了 NVM 可靠性方面的问题，如数据保持能力（DATA RETENTION）,耐久力（ENDURANCE）,和干扰（DISTURB） 。关键字：非易失，存储器，热电子注入，隧道效应，可靠性，数据保持，耐久力，干扰，闪存第一部分： 介绍存储器大致可分为两大类：易失和非易失。易失存储器在系统关闭时立即失去存储在内的信息；它需要持续的电源供应以维持数据。大部分的随机存储器（RAM）都属于此类。非易失存储器在系统关闭或无电源供应时仍能保持数据信息。一个非易失存储器（NVM）器件通常也是一个 MOS 管，拥有一个源极，一个漏极，一个门极另外还有一个浮栅
3、（FLOATING GATE）。它的构造和一般的 MOS 管略有不同：多了一个浮栅。浮栅被绝缘体隔绝于其他部分。非易失存储器又可分为两类：浮栅型和电荷阱型。Kahng 和 Sze 在 1967 年发明了第一个浮栅型器件，在这个器件中，电子通过 3nm 厚度的氧化硅层隧道效应从浮栅中被转移到 substrate 中。隧道效应同时被用于对期间的编程和擦除，通常它适用于氧化层厚度小于 12nm。 储存在浮栅中的电荷数量可以影响器件的阈值电压（Vth）,由此区分期间状态的逻辑值 1 或 0。在浮栅型存储器中，电荷被储存在浮栅中，它们在无电源供应的情况下仍然可以保持。所有的浮栅型存储器都有着类似的原始单
4、元架构。他们都有层叠的门极结构如图一所示。第一个门极被埋在门极氧化层和极间氧化层之间，极间氧化层的作用是隔绝浮栅区，它的组成可以是氧-氮-氧，或者二氧化硅。包围在器件周围的二氧化硅层可以保护器件免受外力影响。第二个门极被称为控制门极，它和外部的电极相连接。浮栅型器件通常用于 EPROM(Electrically Programmable Read Only Memory)和 EEPROM(Electrically Erasable and Programmable Read Only Memory)。电荷阱型器件是在 1967 年被发明的，也是第一个被发明的电编程半导体器件。在这类型的存储器中
5、，电荷被储存在分离的氮阱中，由此在无电源供应时保持信息。电荷阱器件的典型应用是在 MNOS(Metal Nitride Oxide Silicon)，SNOS(Silicon Nitride Oxide Semiconductor)和 SONOS(Silicon Oxide Nitride Oxide Semiconductor)中。图二展示了一个典型的 MNOS 电荷阱型存储器的结构。MNOS 中的电荷通过量子机制穿过一层极薄的氧化层（一般为 1.5-3nm）从沟道中被注入氮层中。世界上第一个 EPROM,是一个浮栅型器件，是通过使用高度参杂的多晶硅（poly-Si）作为浮栅材料而制成的，它
6、被称为浮栅雪崩注入型 MOS 存储器（FAMOS） 。它的门极氧化层厚度为 100nm, 由此保护电荷流向 substrate。 对存储器的编程是通过对漏极偏压到雪崩极限使得电子在雪崩中从漏极区域被注入到浮栅中。这种存储器的擦除只能通过紫外线照射或 X 光照射。如今，这种 EPROM 的封装形式通常是陶瓷带有一个可透光的小窗口，或者是一个塑料封装的没有石英窗的。这些存储器被称为一次性编程存储器（OTP）,这种存储器很便宜，但是在封装后要测试他们是不可能的。带有石英窗口的 EPROM 价格比较贵，但是由于可被擦除，所以可以在封装后作另外的测试。虽然在 70 年代有了紫外可擦除型的商业用非易失存储
7、器，研制电可擦写型非易失存储器的吸引力正在逐渐扩大。 H.IIZUKA et.al 发明了第一个电可擦写型非易失存储器，被称为叠门雪崩注入型 MOS(SAMOS)存储器。SAMOS 存储器由两个多晶硅门和一个外部控制门组成。外部控制门的出现使得电可擦写成为了现实，并且提高了擦除的效率。电可擦写型非易失存储器的电擦除是通过将浮栅中的电荷量恢复到未注入时的水平实现的。比起紫外照射擦除产品，这种产品的封装成本低廉很多。缺点是单位存储单元的尺寸要比以前大很多，使得晶元面积也大了很多。EEPROM 单元由两个晶体管组成，一个是浮栅晶体管，另一个是选择晶体管，如图三所示。选择晶体管是用于在编程和擦除时选择
8、相应的浮栅晶体管。后来，由于加入了错位修正电路以及修补电路，晶元尺寸被再次增大。在 80 年代，一个经典的非易失存储器产品被发明了，那就是闪存。第一个闪存产品通过热电子注入机制实现对器件编程，而擦除则采用了隧道效应。这种新型的存储器只能被整片或一个区域的删除而不能被单字节删除。因此，选择晶体管被移除了，由此也减小了单元的尺寸。典型的单元结构如图一所示。第二部分 基本编程机制无论是浮栅型或电荷阱型存储器，对器件编程都是通过将电子注入浮栅区或者氮层区中。实现此过程，主要是通过两种的机制：FN 隧道效应（对薄氧化层）以及热电子注入。1 Fowler-Nordheim 隧道效应FN 隧道效应是 NVM
9、 最主要的电荷注入方式之一，在对器件编程时，在控制门极加上很大的电压（Vcg） ，能带结构会如图四变化：在图四中，ec 和 ev 分别是导带和禁带，Eg 为能带宽度 (硅材料是 1.1 eV ), fb 为 Si-SiO2 能量势垒 (fb is 3.2 eV for electrons and 4.7 eV for holes). 外加电压 Vcg 造成电势提供给 substrate 中的电子通过薄氧化层中的隧道到达浮栅区的可能。弯曲的 IPD 和门氧化层能带是不同的，这是由于它们的厚度不同。IPD 厚度从 25nm 到 45nm 不等，而门氧化层厚度只有 5nm 到 12nm。电子到达浮栅
10、区而形成的电流密度为：其中,h = 普朗克常数= 诸如表面能量势垒 (3.2 eV for Si-SiO2)q = 单个电子电量 (1.6x10-19 C)m = 自由电子质量 (9.1x10-31 kg)m* = 二氧化硅能带中自由电子有效质量 (0.42 m)Vinj = 注入表面电势Vapp = 门氧化层两侧电势 (V)Vfb = 平带电势(V)tox = 门氧化层厚度 (cm)等式 1 隧道电流密度和加在门氧化层两侧电势 Vapp 成指数比， 从而影响诸如表面电势 Vinj。图五展示了一个 NVM 的横截面，其电子隧道效应电流成均匀分布。Vcg 正电压，源极 Vs 和漏极 Vd, 以及
11、substrate Vsub 都接地。另一个可选的对 FLASH 编程的方法如图六所示，被称为漏极隧道效应。此方法有时比均匀隧道效应编程在编程速度方面更有利，由于注入面积很小，产生的隧道电流密度更大。2，热电子注入NVM 也可以通过热电子注入来实现编程。对于在 p 型 substrate 上的 n 型 NVM 使用热电子注入，而在 n型 substrate 上的 p 型 NVM 则采用热空穴注入。热空穴注入的速度非常慢，这是因为空穴质量和 Si-SiO2 能带势垒（4.7 eV ）, 这也是现在绝大多数 NVM 生产商都采用 p 型 substrate 上 n 型 NVM 的原因。通常存储器单
12、元是在漏极侧夹断区向浮栅区进行热电子注入。这些热电子通过在漏极偏置电压得到能量，并且被水平偏置电压加速 Elat，到达漏极附近拥有更高的电势的耗尽区域。当这些电子得到足够能量足以超过 substrate 和门氧化层之间的能量势垒 3.2 eV 时，由于加在门氧化层两侧的 Vd ，它们能够被注入门氧化层中，当一个高的正向电势 Vcg 被加载于控制门极时，这些电子被吸引到了浮栅区中。此时能带变化如图七。图七，浮栅型存储器单元在热电子注入时能带图当浮栅被足够数量电子注入后，注入电流 Ig 被减弱到几乎为 0。这是因为氧化层电势 Eox (在开始时用于吸引电子) 现在则排斥电子。Vcg 增加了浮栅中的
13、电荷量同时 Vd 则影响了编程速度.图八展示了一个利用热电子注入实现编程的 NVM 的横截面。 Vcg 和 Vd 为正向电压分别为 15 V 和 10 V 而 Vs 和 Vsub 则接地。第三部分： 基本擦除机制第二部分论述了两种编程机制，FN 隧道效应以及热电子注入。为了能够再次对 NVM 编程，之前需要对NVM 擦除。本章将论述在工业界最常应用的 NVM 擦除机制。被注入浮栅之中的电子被门/氧化层能量势垒（3.2 eV）保持在其中。而在氧化层/硅接触面的电压能量势垒也大于 3.0 eV，因此， 电子自然迁移的可能性很小。浮栅内储存的电子使得器件的阈值电压增大。通常存在两种擦除方法：1. 紫
14、外线照射2. FN 隧道效应IIIa. 紫外线照射根据图九所示，电子由紫外线照射获得足够的能量，足以克服能量势垒由浮栅区到达控制门区或者substrate 区，导致期间的阈值电压降低。一般来说，阈值电压从高电位降低到中电位所需要的时间大约为10 分钟。图九，紫外擦除 NVM 的能带图IIIb. FN 隧道效应FU 隧道效应也用于对 NVM 的擦除，方法之一是对控制门极加高负电压。这时能带变化如图十所示。所加的电压 Vcg 形成的电场造成了一个电势势垒，它给浮栅中的电子提供了一条由浮栅到达 substrate 的通路。图十，浮栅 NVM 进行 FN 擦除时的能带图图十一 a 和 b 展示了两种不
15、同的 FN 擦除方法：均匀隧道效应和漏极区域隧道效应。第一种方法中，只需要一个很大的负电压被加载在控制门极；而第二种方法中，除了此负电压之外，还需要在漏极加载一个正电压。总的来说，均匀隧道效应擦除要比漏极区域隧道效应擦除慢，但是后者可能会造成器件可靠性问题：由于集中电子隧穿造成的漏极区门氧化层破坏。第四部分： 热载流子注入模型热电子注入是对 Flash EEPROM 编程的一种手段，它利用高电场加速得到的热电子注入浮栅区来实现电子的移动。此方法编程速度比较慢，这是因为电子注入效率很低，其依据是建立在可能性的统计学规律之上。热电子注入机制也增加了漏极区域的电离，多子和少子都被电离产生。高动能的空
16、穴通常被 substate 所收集从而形成 substrate 电流 (Isub)而电子则被漏极区域收集形成漏极电流 (Ids)。此时，如果氧化层电场(Eox)吸引电子，那么这些载流子将克服能量势垒通过氧化层到达浮栅区形成门极注入电流(Ig)。有两个模型用于描述热电子注入：1， 幸运电子模型2， 有效电子温度模型IVa.幸运电子模型和高阈值电压 VT幸运电子模型是由肖特基建立的，理论上来说它可以这么来解释：为了使热电子能够到达浮栅区，热电子必须在垂直沟道电势差中得到足够的动能 (Elat) 使得它具有足够的动力克服二氧化硅能量势垒到达 Si-SiO2 接触。图十二展示了幸运电子模型的概念。它必须具备三个条件：A - B：一个沟道电子由 Elat 得到能量而变成热电子。它的动能必须被重新引导至 Si-SiO2 接触面。假设此过程的可能性为 - 一个电子获得足以克服 Si-SiO2 能量势垒的能量的可能性。B C：此热电子必须不能被碰撞而丧失能量。这一过程的可能性为 PSEMI 。PSEMI 被定义为一个电子在 S
