（微电子学与固体电子学专业论文）eeprom的氧化层特性和电荷保持特性分析.pdf

摘要 摘要 随着科技水平的发展，非易失性存储器逐渐成为了存储器系列的主流。其中 的e e p r o m ( 电可擦除可编程只读存储器) 更是得到了广泛的应用。我国正在更 换的“国家第二代居民身份证”上的存储芯片采用的就是e e p r o m 单元。 本文针对e e p r o m 的可靠性问题进行了分析和研究。提出隧道氧化层退化的 主要机制，分析了s i l c 和热载流子效应。在理论研究的基础上，通过实验分析 了隧道氧化层和o n 0 层的s i l c 电流以及击穿特性，并比较了应力前后s i l c 电 流的变化，指出热载流子效应使得氧化层中的陷阱以及俘获电荷增多，是造成应 力后s i l c 电流增大的原因。分析了s i l c 尖峰电流的成因，认为是正电荷陷入了 s i 0 2 层，使隧穿电子的势垒下降，产生迅速增大的瞬态电流，其后电流的迅速减 小是由退阱效应和由此产生的正电荷隧穿中心的湮灭所引起的。认为由电容面积 增大所造成的氧化层缺陷和陷阱数目增多，是其s i l c 尖峰电场增强和击穿电流 增大的主要原因。 在此研究的基础上，对e e p r o m 的保持特性进行了较为深入的研究。通过理 论推导和仿真曲线解释了e e p r o m 输出曲线向上倾斜的成因，介绍了加速实验 的概念和热加速实验的机理。重点阐述了电加速实验的原理和理论基础，对电可 擦除可编程只读存储器e e p r o m 单元在给定电压下的电荷保持特性进行了分析 和研究，得出了e e p r o m 单元电荷保持能力的理论公式，得到了单元保持状念 下的电特性曲线，发现外加电压是影响单元电荷保持特性的主要原因。在假定电 荷流失机制为f o w i e r - n o r d h e i m 隧穿效应的情况下，推出了e e p r o m 单元在给 定外加电压下的电荷保持时间，并通过实验得出简化了的e e p r o m 单元寿命公 式。 关键词：e e p r o m s i l cf - n 隧穿 阈值电压 a b s t r a c t a b s t r a c t a st h es c i e n c ea 1 1 d t e c h n o l o g yi m p r o v e s ，n o n v o l a t i l es e m i c o n d u c t o rm e m o r y g r a d u a l l yb e i n g t h em a i n s t r e a l ni nt h e m e m o r y s e r i o u s n o w a d a y s ， e l e c t r i c a l l y e r a s a b l ep r o 酽a m m 如l er e a d o n i ym e m o r y ( e e p r o m ) i su s e dw i d e l y n e wr e s i d e mi d e n t i t yc a r do fo l l rc o u n t r yw i i lb eu s e dr e c e n t l y w h i c he e p r o mi s a p p l i e dt oi t ss t o r a g ec h i p t h i sp a p e ri n v e s t i g a t e st h er e l i a b i l i t yp r o b l e mo fe e p r o m m a i nm e c h a n i s mo f t h et u r u l e lo x i d e sd e g e n e r a t i o ni sp u tf 0 n v a r d s t r e s si n d u c e dl e a k a g ec u n n t ( s i l c ) a n dh o t _ c a r r i e re 雎c ti sa n a l y z e d 0 nt h eb a s i so fa c a d e m i cr e s e a r c h ，s i l ca n d p u n c t u r ec h a r a c t e ri sr e s e a r c h e db ye x p e r i m e n t s i l ci sc o m p a r e db e f o r ea i l da r e r s t r c s s a so u rp o i n t ，t h et r a p sa n dt r 印p e dc h a r g e si nt h eo x i d em a d eb yh o t c a r r i e r e f f 亡c ti st h em a i nr e a s o n 、v h i c hc a u s e dt h es i l ci n c r c a s ea r e rs t r e s s s i l cp e a ki s a i l a l y z e d ，t h ep e a ks l l ci st h o u g h tt ob ep o s i t i v eo x i d ec h a r g e 弱s i s t e de l e c t m n t u n n e l i n g t h ec u n md e c r e a s er a p i d l yi sc a u s e db yo x i d ei l o l ed e t r a p p i n ga n dt h u s a r u l i h i l a t i o no fp o s i t i v ec h a r g ea s s i s t e dt u l l l l e l i n gc e n t e r s t h el a r g e re l e c t r i c6 e l do f s i l cp e a ka n db r e a kc u r r e mi sa l t r i b m e dt om ei n c r e a s i n gd e f e c t sa n dt r 印si nt h e o x i d ef o rt h ei a r g e ra r e a 0 nt h eb a s i so fr e s e a r c hm e m i o n e da b o v e ，d a t ar e t e n t i o ni s s p e c i f i e d t h e p h e n o m e n o nt h a te e p r o mo u t p u t 静a p hi n c l i n e su p w a r d l yi si n t e l p r e t e db yt h e o r y a n de m u l a t o lt h ec o n c e p to fa c c e l e r a t i n g e x p e r i m e n ta n dt h e h n a la c c e l e m t i n g m e c h a n i s mi si m m d u c e d m e c h a n i s mo fe l e c t r i c i t y a c c e l e r a t i n ge x p e r i m e n t i s i n v e s t i g a t e d d a t ar e t e n t i o na b i l i t yo fe e p r o mc e l l sf o rag i v e nv o l t a g ei sr e s e a r c h e d b yt h e o r ya 1 1 de x p e r i m e m t h ee x p r e s s i o no fe e p r o md a t ar e t e n t i o ni sd e r i v e d t h e e l e c t r i cc h a r a c t e “s t i c sa r ep r e s e n t e d i ts h o w sm a tt h ed a t ar e t e n t i o nt i m es t r o n 9 1 y d e p e n d so nt h ea p p l i e dv 0 1 t a g e u n d e rt h ea s s u m p t i o nm a tt h ec l l a 喀ei o s sm e c h a l l i s m i sf o w l e r _ n o r d h e i mt u f h l e l i n gt h r o u 曲t h et h i no x i d e ，d a t ar e t e n t i o nt i m eo fe e p r o m c e u si sd e r i v e db ye x p e r i m e n t k e y w o r d s ：e e p r o ms l l cf - nt h n n e l i n gt h r e s h o l dv o l t a g e 创新性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究 成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢中所罗列的内容以外，论文中不 包含其他人已经发表或撰写过的研究成果；也不包含为获得西安电子科技大学或 其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所傲 的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。 本人签名日期 关于论文使用授权的说明 本入完全了解西安电子科技大学有关保留和使用学位论文的规定，即：研究 生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属西安电子科技大学。本人保证毕 业离校后，发表论文或使用论文工作成果时署名单位仍然为西安电子科技大学。 学校有权保留送交论文的复印件，允许查阅和借阅论文；学校可以公和论文的全 部或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。( 保密论文在解密 后应遵守此规定) 本学位论文属于保密，在 一年解密后适用本授权书。 本人签名： 导师签名： 日期： 曰期： 瓿 第一章绪论 第一章绪论 1 1 半导体存储器的发展概述 现代社会被称为“信息时代”，电子信息产品已经成为世界第一产业，我们也 正置身于一场跨越时空的新的信息技术革命之中。这场技术革命比历史上任何依 次技术革命对社会，经济，政治，文化等带来的冲击都更为巨大，彻底改变了我 们的生产，生活和工作方式。在这场信息技术革命中，计算机和通讯技术是两大 支柱，但是其基础都是微电子技术。自上世纪5 0 年代以来，微电子技术发展异常 迅速，目前己进入超大规模集成电路和系统集成时代，微电子技术不仅成为整个 信息技术和信息产业的基础，也是一个国家综合国力的重要标志。 微电子技术的核心是集成电路，而集成电路是当今世界上发展速度最快，更 新换代最快的电子产品。在大量电子产品中，都有存储数据和程序指令的要求， 因而存储器成为电子产品的重要组成部分，其发展速度也是日新月异。 目前，存储器已不单纯用与存储数据，而且还可以实现组合逻辑电路，时序 逻辑电路等功能。存储器的种类很多，但是最常用的为半导体存储器，因为它的 容量，速度，体积，价格，功耗等各种性能指标均比同类产品高出许多。而m 0 s 存储器更是由于其集成度高，功耗低，可靠性好等优点得到了广泛的应用。 1 2 当代半导体存储器的分类以及特点 存储器是各种电子数字计算机的主要存储部件，并广泛应用于其他电子设备 中。对半导体存储器的基本要求是高密度，大容量低功耗。存储器按功能可分 为只读存储器和随机读取存储器【i 】。 a 只读存储器( r e a d o i l l ym e m o r y ) ，简称r o m 。它又可分为以下两大类：( 1 ) 掩膜编程r o m ，它所存储的固定逻辑信息，是由生产厂家通过光刻掩膜版来决定 的。典型的应用例子如字符发生器。( 2 ) 现场可编程r o m ( p r o g 衄m a b l er e a d o n l y m e m o r y ) ，其又可细分为三类：( a ) p r o m ( 可编程r o m ) ，此类r o m 通常采用熔 丝结构，用户可根据编程的需要，把无用的熔丝烧断来完成编程工作( 即把信息 写入到存储器中) 。但一旦编程完毕，就无法再更改，所以用户只能编程( 写) 一 次。( b ) e p r o m ( 可擦除可编程r o m ) ，此类r o m 存储单元中存储信息的管子采 !e e p r o m 的氧化层特性和电荷保持特性分析 用浮栅( n o a t i n g 唱a t e ) 结构。利用浮栅上有无存储电荷来存储信息，当需要重新编程 时，可先用紫外光或者x - 射线把原存的信息一次全部擦除，再根据需要编入新内 容，可反复编程。e p r o m 不能逐字擦除所存内容，擦除需要紫外光或x 射线源， 且擦写时间长，使用不方便。( c ) e e p r o m ( 电可擦除可编程r o m ，也叫e 2 p r o m ) 。 此类r o m 存储单元中存储信息的管子采用浮栅隧道氧化物( f l o t o x ) 结构，它是利 用f o w l e r - n o r 曲e i m 隧道效应来实现存储管子中的信息的存储和擦除，即对于一个 足够薄的氧化层，在1 0 7 v c m 左右的强场下，一定数量的电子获得足够能量后，将 穿过二氧化硅的禁带而进入硅的导带。它可以在较低电压( 2 0 v ) 下实现逐个字的 擦和写。 b 随机存取存储器( r a l l d o m a c c e s sm e m o r y ) ，简称r a m 。这类存储器可以随 时将外部的信息写入到其中的任何一个单元去，也可以随意地读出任何一个单元 中的信息。割据存储单元存储信息所用电路的类型，又可以分为两类：( 1 ) s r a m ( 静态随机存取存储器) ，其存储单元由某种锁存器作为存储元件，所以只要不断 掉电源，存储的信息就会一直保留着。s r a m 的系统设计比较容易，潜在的故障 较小，工作速度快，但功耗大，且占用的新片面积大。( 2 ) d r a m ( 静态随机存 取存储器) ，其存储单元是利用一个很小的电容存储电荷来存储信息的。存储在电 容上的电荷会逐渐泄露，因此必须在电荷完全泄露前，重新写入信息，即存储单 元必须被刷新。d r a m 的集成度高，功耗低，但速度不及s r a m 。 近年来，f l a s hm e m o r y ( 闪速存储器) 得到了快速的发展，成为存储器领域最有 发展前景的产品。其是基于e p r o m ，e e p r o m 发展起来的一种新的非挥发性存 储器。f l a s hm e m o r y 与e e p r o m 都是通过加电进行擦除和写入数据，两者的区 别主要在工作原理的不同。对e e p r o m 来说，无论它处于编程状态还是擦除状态， 都要利用f 悄隧道效应，电子通过小孔下面的薄氧化层出入浮栅。而对于闪速存储 器来说，它的擦除虽然也是利用f n 隧道效应。但它的编程却是利用沟道热电子注 入效应，由沟道热电子直接穿过薄氧化层而实现的但是由于它是单管单元，单元尺 寸较小，只能全片擦除或分块擦除。而e e p r o m 单元中还有一个地址选择管，增 大了其单元面积，可以按字节擦除，但同时这又使其工艺复杂，成本加大。 e e p i 的m 和f l a s hm e m o r y 的性能对比如下表： 第一章绪论 表1 1e e p i t o m 和f l hm e m o r y 的性能对比 单元中的放电编程 耐久性密度充电机理擦除引线脚 晶体管数机理复杂度 隧道 写入时 e e p r o m 好 中双隧道效应 简单少( 串行) 效应 自动擦除 f l h 隧道 良好高 苴 热电子发射复杂字组擦除多 m e m o r y效应 存储器的结构主要包括存储体( 单元阵列) ，地址译码器，读写电路。此外， 为了使存储器各个部分电路能按一致的顺序动作，需要时序控制电路对个部分的 电路进行时间控制。 1 3 非易失性存储器的发展趋势 1 3 1 e e p r o m 技术领域的最新发展 世界串行非易失性存储器的领导者意法半导体与2 0 0 5 年5 月推出了两款工作 电压为1 8 v 的5 1 2 k 容量的e e p r o m 存储器。其采用o 1 8 微米工艺使其能够在 一个又小又薄的封装( 4 5 n u n 3 1 m m ) 内组装一个密度高达5 1 2 k b i t s 的大容量 e e p r o m 存储器。它们的工作温度范围是- 4 0 一8 5 ，数据保存时间最短4 0 年，写寿命十万次。这些e e p r o m 存储器将用于动态变化的大容量参数数据存 储应用，例如，视频游戏系统和电子玩具，导航，数码相机，p d a ，录音笔和其 他便携消费设备。包括p c 机服务器，打印机和便携扫描仪以及医疗设备和通信 系统等应用亦将从中受益。 1 3 2 非易失性存储器市场发展趋势 a 闪存的应用越来越广泛 随着闪存在通信领域，消费领域，计算机领域的普遍应用，未来闪存必将成 为发展最快，最有潜力的存储器芯片产品。 在电信领域，新型多功能移动电话需要更大的存储容量，以存储更大的程序 和更多的数据。在移动电话中闪存还有一个更大的应用可拆卸闪存卡。下一代以 !e e p r o m 的氧化层特性和电荷保持特性分析 信息为中心的手机将对闪存卡有很大的需求，手机使用者可用闪存卡来储存欲在 无线网络中传送的影象，或做档案备份或其他用途。目前有多家手机制造商宣布 计划在未来的手机上使用闪存卡。 在消费领域，闪存主要应用在p d a ，数码相机，数码摄象机，m p 3 等数字电 子产品。随着经济的发展及科技的进步，消费者对数码相机，数码摄象机的认同 感越来越强，已掀起了一股数字消费潮流，数字消费电子产品对闪存的需求潜力 很大。 在计算机领域，闪存最早的应用是在b i o s 中取代p r o m 和e p r o m 以适应 消费者对计算机的升级需求。另外，基于u s b 的移动闪存以其大容量，易携带， 速度快等优势，受到越来越多的消费者的青睐，可以预期移动闪存市场将会出现 爆炸式的增长，对闪存的市场需求前景非常光明。 b 基于闪存的移动存储器逐渐取代软盘 移动闪存不仅具有易于操作和方便携带的特点，同时，还具有高速，轻便， 技术先进，大存储量的特点，因此移动闪存不仅将成为个人存储应用的主要产品， 而且还将在各类企业，学校及行业用户领域具有广泛的应用前景，必将成为未来 存储市场的主流。 2 0 0 2 年，i n t e l 公司宣布将在新款处理器中停止对软驱的支持。而三星公司也 宣布要在所有三星新款电脑中以u s b 移动存储盘彻底取代软驱。索尼公司也成立 了一个闪存盘事业不，专门负责自有品牌闪存盘的推广工作。 移动存储盘取代软驱，从任何一个方面来看都是理所当然的。从技术上来看， 闪存的读取速度和容量大大高于软驱，使用寿命也更长。有些移动存储盘还具有 抗震性能。软盘不仅体积相对较大，而且读取速度慢，使用寿命短，容量小，从 价格上看，3 2 m 的闪存盘是软驱的两倍左右，可是性能等方面却是后者的2 0 3 0 倍。 1 3 3 存储器技术发展趋势 存储器技术是一种不断进步的技术，随着各种专门应用不断提出新的要求， 新的存储器技术也层出不穷，每一种新技术的出现都回使某种现存的技术走进历 史，因为开发新技术的初衷就是为了弥补某种特定存储器产品的不足之处。例如， 闪存技术脱胎于e e p r o m ，它的一个主要用途就是为了取代用于p c 机b 1 0 s 的 e e p i 的m 新片，以便方面地对这种计算机中最基本的代码进行更新。尽管目前非 挥发性存储器中最先进的就是闪存，但技术并未就此停步。生产商们正在开发多 种新技术，以便使闪存也拥有像d r a m 和s d r a m 那样的高速，低价，寿命长 第一章绪论 等特点。总之。存储器技术将会继续发展，以满足不同的应用需求。就p c 市场 来说，更高密度，更大带宽，更低功耗，更短延迟时间，更低成本的主流d i 认m 技术将是不二之选。而在其他非挥发性存储器领域，供应商们正在研究闪存之外 的各种技术，以便满足不同应用的需求，未来必将有更多更新的存储器芯片技术 不断涌现。 1 4 本论文的主要研究工作及其意义 目前，就我国微电子产业来说，e e p r o m 工艺开发以及其各项技术的应用研 究已处于大规模应用阶段，如我国第二代身份证的专用芯片其存储单元即是采用 o 3 5 u 工艺的e e p r o m 。在国外，已深入至f l a s hm e m o r v 工艺阶段，对e e p r o m 科技研究论文也较多，但应用研究的资料因技术保密等原因很少见。本文是在国 家8 6 3 计划v l s l 重大专项的支持下开展该研究工作，目的是基于国家二代身份 证开展e e p r o m 的可靠性研究。 e e p r o m 单元中，电荷通过写入擦除程序进入离开浮栅，其工作机理为 f o w l e r - n o r d h e i m ( f n ) 隧穿效应【2 】，即在高压下，电子可直接穿过氧化层禁带进入 或者离开浮栅，此机制也保证了e e p r o m 期间的不挥发性撤除高压或者在 读状态的低电压下，电子无法进入离开浮栅。 浮栅上带有决定存储器单元逻辑状态的负电荷，这些电荷通过隧道氧化层进 入或离开浮栅，由于通常这些氧化层非常薄( 大约几个纳米) ，电荷的转移将对其 造成损伤或导致电荷陷阱。由于氧化层损伤导致的失效模式可以分为“数据保持特 性”和“数据耐久特性”。单元能够保持多久正确的逻辑状态被称为“数据保持特性 ( d a t ar e t e n t i o n ) ”，单元的逻辑状态可进行多少次转换而仍然具有正常的功能被 称为“数据耐久特性( d a t ae n d u r a l l c e ) ”。目前大多数e e p r o m 存储器可靠性都要求 数据可以存储十年以上，擦，写可以达到十万次。 本文的主要工作如下： 提出隧道氧化层退化的主要机制，分析了s i l c 和热载流予效应。在理论研究 的基础上，通过实验分析了隧道氧化层和o n 0 层的s i l c 电流以及击穿特性，井 比较了应力前后s i l c 电流的变化，指出热载流子效应使得氧化层中的陷阱以及 俘获电荷增多，是造成应力后s i l c 电流增大的原因。分析了s l l c 尖峰电流的成 因，认为是正电荷陷入了s i 0 2 层，使隧穿电子的势垒下降，产生迅速增大的瞬 态电流，其后电流的迅速减小是由退阱效应和由此产生的正电荷隧穿中心的湮灭 所引起的。认为由电容面积增大所造成的氧化层缺陷和陷阱数目增多，是其s i l c 尖峰电场增强和击穿电流增大的主要原因。 ! e e p r o m 的氧化层特性和电荷保持特性分析 在此研究的基础上，对e e p r o m 的保持特性进行了较为深入的研究。通过 理论推导和仿真曲线解释了e e p r o m 输出曲线向上倾斜的成因，介绍了加速实 验的概念和热加速实验的机理。重点阐述了电加速实验的原理和理论基础，对电 可擦除可编程只读存储器e e p r o m 单元在给定电压下的电荷保持特性进行了分 析和研究，得出了e e p r o m 单元电荷保持能力的理论公式，得到了单元保持状 态下的电特性曲线，发现外加电压是影响单元电荷保持特性的主要原因。在假定 电荷流失机制为f o w l e r - n o r d h e i m 隧穿效应的情况下，推出了e e p r o m 单元在 给定外加电压下的电荷保持时间，并通过实验得出简化了的e e p r o m 单元寿命 公式。 e e p r o m 单元如今在我国乃至整个世界都得到了广泛的应用，日前，技术 居于世界领先水平的非易失性存储器公司意法半导体公司已经应用o 1 8 微米 工艺制造出了体积更小，容量更大的e e p r o m 存储器，这些e e p r o m 存储器将 用于动态变化的大容量参数数据存储应用，例如，视频游戏系统和电子玩具，导 航，数码相机，p d a ，录音笔和其他便携消费设备等。因此，开展并深入对e e p r o m 可靠性的研究是非常有意义的，不仅可以发展我国的e e p r o m 产业，而且可带 动一大批相关高新技术产业和国防事业的发展进步。 第二章e e p r o m 简介 第二章e e p r o m 简介 2 1 e e p r o m 的结构和工作机理 e e p r o m ( 电擦除、可编程只读存储器) 单元采用双层多晶m o s 工艺制作。 图2 1 给出一个基本单元的横截面。它包括一个浮动的多晶极( f l o a t i n gg a t e ) ， 它夹在控制栅( c o n t r 0 1g a t e ) 和n 沟道晶体管之间，多晶硅栅之间有一层0 n o 层( 0 x i d e 埘i t r i d e o x i d e ) 与其分隔，在浮栅和漏之间有一层很薄的隧道氧化层 ( t u l l l l e l0 x i d e ) 。浮栅上的电荷通过隧道氧化层实现“写入( w r i t e ) ”和“擦除 ( e r a s e ) ”的功能。 图2 1e e p r o m 结构剖面图 当控制栅接高压，漏极接地时，电场方向由浮栅指向卜r 埋层，电子由n + 埋层 通过隧道氧化层到浮栅；当漏端接高压，而控制栅接地时，电场方向由漏极指向 浮栅，浮栅上的电子通过隧道氧化层到达漏区。由于隧道氧化层非常薄( 大约l o 个纳米左右) ，所以漏端到浮栅的电场可以达到很大( 大于1 0 7 v 厘米) 。此时就 可发生所谓的f o w l e n q o r d h e i m 隧穿【3 ) ，如图2 2 所示。 7 !e e p r o m 的氧化层特性和电荷保持特性分析 瓦 巳 图2 2 电子通过三角形势垒从浮栅进入硅 | l 电子通过三角形势垒进入氧化层导带。硅中的空穴通过f - n 隧穿到达氧化层 的价带也有可能，但是几率很小，因为相对于电子，空穴会遇到更高的能量势垒。 浮栅充电和放电两种状态时，e e p r o m 存储管的阈值电压是不同的，于是可 以代表存入两种不同的状态，这样浮栅由于带上不同的电荷状态，可以用来表示 逻辑“l ”和“0 ”，习惯上规定浮栅充电状态代表“1 ”，放电状态代表“o ”，同时浮栅 充电的过程即由“0 ”到“l ”的过程称为写入，写入后e e p i m m 的阈值电压称为写阈 值；使浮栅放电即由“1 ”到“0 ”的过程称为擦除过程，擦除过后的e e p r o m 阈值电 压称为擦阈值。 2 2 e e p r o m 单元的等效电路 当进行“写”操作时，将漏极置“0 ”，控制栅接高电平( 1 4 v ) ，源悬空。此时 漏极中的电子将吸入浮栅中，晶体管夹断，逻辑输出“1 ”。其简化等效电路图如图 2 3 所示【4 1 。 第二章e e p r o m 简介 根据等效电路图可得 其中 由此可得： c 图2 3 写入时e e p r o m 等效电路图 堡：刍缅 ( 2 1 ) c m 1 l 1 十+ 一 c m 舭c 胛c l + c 俐 9 当q f g = o 时，l i = k 。 ( 2 2 ) 当q 耐。时l l = 心w + 瓦再笔j i 2 3 其中k w 为耦合因子， k w = 石_ i 蠹 在写入时，k 。一般做到o 7 ，为提高k 。，可以从两个方面进行工艺控制：l 隧道孔要做小，2 改变隧道氧化层的厚度。 擦除时，源端接5 v 电压，漏断接高电平( 1 4 v ) ，控制栅与衬底接地，等效 电路如下图： e e p r o m 的氧化层特性和电荷保持特性分析 由以上电路图可得： 由此可得： c n l n c p p 图2 4 擦除时e e p r o m 等效电路图 皇：啦 ( 2 _ 4 ) c m “ 其中去2 去+ 去 c n = c8 + c s 当q f g - o 时，l i = 蚝 ( 2 5 ) 当q f g o 时， m = 慨一i 篙百 ( z _ 6 ) 其帆= 若喏莓 提高k e 从提高c p p 入手，实际工艺中，k e 的值一般大于k 。 读时，控制栅上加一个比较低的读取电压( 3 v ) ，令地址线选通。此时，如 果单元已经被写入，浮栅上存在负电荷，则阈值电压很高，单元不导通；如果浮 栅已经被擦除。则浮栅上存在少量的正电荷，阈值电压很低，将可以传送由漏端 至源端的信号。此时通过隧道氧化层的隧道电流【5 1 第二章e e p r o m 简介 = 施e x p ( 一) u 7 t w 其中= 裂 在式( 2 7 ) 中，a 和p 都为常数，在参考文献【5 】中 a = 1 8 8 l o 。6 v ，b = 2 5 5 1 0 8v c m 3 2 3e e p r o m 单元的优化设计 ( 2 7 ) 要使e e p r o m 存储单元能代表“l ”和“o ”两种状态，其擦除闽值电压v t 和写 入阈值电压v t w 之差( 也称擦写阈值窗口) 必须大于一定值【6 j 。单元设计的目标 就是增大v t w ，减小v t e 。 通过研究表明，要得到良好的e e p r o m 存储单元擦写特性，设计时采用的 方法有：( 1 ) 提高栅耦合系数：( 2 ) 减小隧道氧化层厚度；( 3 ) 增加擦除，写入时 间；( 4 ) 提高擦除写入电压；( 5 ) 减小隧道氧化层的面积。 增大两层多晶硅之间的氧化层的面积s p p ，减小其厚度x p p 可以增大c 叩， 从而提高了栅耦合系数，但s 。，增大，单元面积随之增大，使得集成度降低。减 少两层多晶硅之间的厚度x p 。虽然增大了c 但由于两次多晶硅之间的氧化层 量量难以控制，太薄会影响保持特性。所以s 。的选取应在擦除写入效率和单元 面积之间折衷；x 。的选取应在擦除写入效率和保持特性之间折衷。 减小隧道氧化层的厚度是提高e e p r o m 存储单元擦写效率的有效措施。隧 道氧化层越薄，其擦写效果越好，但隧道氧化层厚度的减小受到直接隧道效应引 起的电荷泄漏的限制，而且太薄的隧道氧化层工艺实现困难，隧道氧化层厚度的 极限为6 啪。为了进一步提高编程效率，同时又不使隧道氧化层太薄，可以采用 势垒高度低的隧道氧化层。 增加擦除写入时间，可以提高擦写阈值之差，但延长擦写时间会产生更多 的陷阱电荷。从而影响e e p r o m 的可靠性。 提高擦写电压可以提高擦写阈值电压之差，但也有两个问题，一是擦写电 压太高会使隧道氧化层击穿，造成e e p r o m 失效；二是工艺上实现高的擦写电 压比较困难( 因为目前e e p r o m 的工作电压多数是在芯片内部产生的，特别对 于嵌入式芯片来说更是这样) 。 减小隧道氧化层的面积可以提高擦除，写入效率，同时也提高了单元的保持特 性，所以设计时应尽量减小隧道氧化层的面积，一般由设计规则决定。 e e p r o m 的氧化层特性和电荷保持特性分析 在e e p r o m 存储单元的设计时，还应合理选取n + 埋层的浓度。n + 埋层浓度 太低会影响写入效率，太高会影响隧道氧化层的质量，综合考虑后，n + 埋层的掺 杂浓度为1 5 1 0 1 8 c m 2 。 2 4 e e p r o m 的工作方式 在工作中，e e p r o m 单元是通过一定的组合方式形成陈列，大量的组合起来， 完成存储数据功能的。所有同一方向上的存储单元的栅极连接起来的线就叫做“字 线”或者“行”，而把同一方向上的存储单元的漏极连接起来的线叫做“位线”或者 “列”。确定一个行和一个列就可以唯一地确定一个存储单元。通过控制电路( 由 行列解码器，数据缓冲器等组成) ，可以完成对存储器的擦，写，读等功能。其 完整的结构框图如下图所示。此外，为了使存储器各部分电路能按照一定顺序工 作，需要时序控制电路对各部分电路进行控制。 列地址 读写电路 图2 5 完整e e p r o m 存储器的工作框图 m e e p r o m 既有单管单元，也有双管单元。单管单元阵列如图2 5 1 所示，其 存在擦除写入干扰问题。在图2 5 1 中，如果对t l 管进行擦除，控制栅加高电位， 第二章e e p r o m 简介 不被选择的控制栅加低电位，t l 的漏端接低电位，不被选择的存储管的漏端接高 电位，这样就对t 4 管进行了写入操作，即在擦除t l 时，对t 4 进行了写入操作。 采用双管单元可以很好的解决以上问题。如图2 5 2 所示，一个单元由一个存 储管( n ) 和一个选择管( s ) 组成。当对第一个单元的存储管进行擦除时，由于 不被选择的单元的栅都接低电平，选择管打不开，无法对其存储管写入，很好的 解决了干扰问题。目前在全功能f l 0 1 o xe e p r o m 中，多数都采用双管单元。 8 hl i 阮( d 8 i t u 艇 毗tl 1 ( db i tl i 址( m f l f 3 们叻l i 艟 - 豫d u 陋 - 弧dl i 陋 图2 5 1 单管阵列示意图图2 5 2 双管阵列示意图 随着单元结构的不断发展，单纯缩小单元面积来提高存储器的集成度变得越 来越困难。1 9 8 8 年，t o s h i b a 公司提出了n a n d 阵列结构。此后，f l a s h 阵列结构 的发展成为提高其集成度的主要方向。其中具有代表性的是n a n d 、n o r 、 d i n o r ( d i v i d e db i t l i n en o rc e l l ) 及a c e e ( a r r a yc o n t a c t l e s se e p i 的m ) 等器件“。 目前，n a n d 和n o r 器件基本占据了大部分的市场。n o r 适合于应用在高速存 取、低集成度的场合；而n a n d 结构在集成密度上具有较大的优势，在要求高集 成度、低成本、高端海量存储时，更具有优势。 2 5 本章小结 本章从e e p r o m 的结构和工作机理出发，研究了e e p r o m 单元的简化等效 e e p r o m 的氧化层特性和电荷保持特性分析 电路，提出了优化其存储单元设计的方法。最后，对e e p r o m 单元的工作方式 进行了论述，介绍了使用双管单元来避免擦除写入干扰的方法。 第三章e e p r o m 的氧化层特性分析 第三章e e p r o m 的氧化层特性分析 3 1e e p i 的m 的可靠性问题 目前国内的e e p r o m 存储器应用已经进入成熟阶段，即将发行的居民第二代 身份证的数据存储单元就使用o 3 5 微米工艺的e e p r o m 存储器。随着器件尺寸 的缩小和单元集成度的增加，可靠性问题显得更为重要。例如我国第二代居民身 份证的设计要求为必须满足十万次成功擦写，数据保持十年以上。 器件的可靠性主要表现在以下两个方面【8 】：e e p r o m 单元的耐久性 ( e n d u r a n c e ) 和电荷保持特性( c h r g er e t e n t i o n ) a 擦写耐久性 单元的耐久性可以分为两种失败模式：由于氧化层的老化，引起的檫写效率 的降低，和由于隧道氧化层缺陷引起的单位失效。 首个失效模式与器件的多次重复的相同操作模式引起的器件单元疲劳有关。 典型的结果如图3 1 所示。实验中，提供了恒定的振幅脉冲，擦和写之后的阈值 电压之差可以作为判断氧化层老化的标准。 8 量8 ； 叠 罢 罂 舌2 o o o o1 0 o o o ，o n u m ro rc y c i e 摹 图3 1 擦写阈值电压随循环次数的变化 擦除后的阈值电压变化展示了众所周知的隧道氧化层中的电荷俘获效应 【9 j 【1 0 】。起初擦除后的阈值电压的降低是由于正电荷的堆积，其加强了隧穿效率， 而长时间循环后阈值电压升高是由于电子捕获和产生了氧化层负电荷缺陷。 长时间的檫，写循环后编程效率的降低是由于电子捕获和位于单元漏侧的 堕e e p r o m 的氧化层特性和电荷保持特性分析 界面态的产生一种由于沟道热电子导致的退化机制。界面态减小了电子的平 均自由程，影响了热载流子的产生机制，而且隧道氧化层中被捕获的电子改变了 注入点的电场，减小了编程效率。 在器件中阈值电压窗口的闭合是通过校验程序来补偿的。通过检查写的过程 来确定是否达到了所需要的阈值电压，如果没有达到，就继续进行编程或擦除程 序。编程或擦除时间随着循环次数的增加而上升，如图3 2 所示，最终超出规范 标准。然而，一个设计合理的存储器单元在可接受的特性退化范围内可以进行1 0 万次以上的檫写循环。 图3 2 撩写时间随着循环次数的变化 b 数据保持 e e p r o m 虽然被称为“非挥发性存储器”，然而，在存储数据的过程中，浮栅 上的负电荷在电场作用下难免会有微量的泄露。如图3 所示，体现在宏观上就是 单元的阂值电压降低。当其降低到一定值时，数据读取就会发生错误，此时就认 为单元失效。 t i m 耳s l 图3 3 单元充电后阈值电压随着时间降低 正如任何的非挥发性存储器，大多数e e p r o m 单元也被要求保持数据超过十 第三章e e p r o m 的氧化层特性分析 年。通过氧化层的隧穿电流是数据保持的关键限制。单元编程后，存储在浮栅上 的电子数可达1 0 4 个。浮栅上存储的电势介与一i v 2 v 之间。假定电荷损失量少 于初始电荷的2 0 ，则漏电流的限制量级为1 0 郴a ，c m 2 【1 2 】 3 2e e p r o m 的可靠性机制 无论是数据保持特性擦写耐久性，其都是由于隧道氧化层可靠性退化引起 的。由于采用隧道电流编程时，氧化层中电场很高( 1 0m v c m ) ，隧道氧化层又 很薄，因而隧穿效应中的可靠性问题极为严重。隧道效应可靠性退化一般体现在 两个方面：s i l c ( s 仃e s si n d u c e dl e a k a g ec u r r e n t ) 和隧道氧化层的t d d b ( t i m e - d e p e n d e md i e l e c t r i cb r e a k d o w n ) 现象。 在高电场作用下，被加速的电子( 空穴) 将向氧化层中注入，从而发生隧穿， 其中一部分电子( 空穴) 将和氧化层中分子发生碰撞，形成电子( 空穴) 陷阱和 缺陷。这些陷阱可能俘获电子( 空穴) 而改变局部的电场，并形成局部电场集中。 这种电场集中现象导致电流的增加，即产生s i l c 效应。s i l c 效应一般用于评价 较低电场下氧化层的可靠性。目前，已经提出了好几个模型来解释s i l c 【3 心l 。 其中一个最引入注目的观点认为，s i l c 是由能量势垒降低和由于正电荷被俘获于 隧道氧化层中导致的相应f n 隧穿几率增大引起的 l “，如图3 4 所示。 图3 4 正电荷帮助下的f n 隧穿，增大了隧穿几率 当氧化层中电场临近击穿电场时，将发生t d d b 效应【1 7 】，即在电场应力作用 一定时间后，氧化层将被击穿。击穿前通过介质的电子和空穴在介质中输运时， 会造成共价键断裂，产生缺陷。这些缺陷通过陷阱( 包括界面态) 体现出来，故 竺 e e p r o m 的氧化层特性和电荷保持特性分析 用陷阱密度表示缺陷密度。当陷阱密度超过临界平均值时，介质击穿。研究表明， t d d b 时间与氧化层的质量直接相关，因而常被用来研究不同应力条件下隧道氧 化层的可靠性。s i l c 和t d d b 效应将直接影响到e e p r o m 器件的数据保持特性 和误擦写，甚至造成浮栅和漏极之间的氧化层击穿短路和器件失效。改善这个问 题的关键在于，提高隧道氧化层生长工艺和氧化层质量及控制编程时应力的波形。 另外，在擦除操作中，带一带隧穿( b a n d _ t o b a n d ) 效应1 1 8 胂】是影响器件可靠 性的另一个主要原因。 l 控制栅 l 亟二 图3 5 擦除操作中的带一带隧穿效应 根据量子理论，当e e p r o m 单元漏极加上一个高擦除脉冲电压时，漏极p _ n 结处于强反向状态。当能带弯曲大于硅的禁带宽度时，价带中的电子能够穿越禁 带势垒，隧穿到导带中，形成一对电子空穴对，即发生了带带隧穿效应。如图 3 5 所示，带带隧穿产生的电子将被漏极收集，空穴在p n 结横向电场的加速下， 大部分会越过结区被衬底收集，其中少部分能量较高的空穴在栅极电场的吸引下 会越过s i s i 0 2 势垒，注入到氧化层中，形成空穴陷阱和界面态。由于空穴的能量 和质量较大，它对氧化层的质量影响极为严重，空穴注入产生的陷阱和缺陷将严 重影响到e e p r o m 存储器的耐久性和数据保持能力。另外，陷阱空穴的存在还 会造成擦除后v t 的不一致。 还有另一个可能导致电荷泄露的是可动离子玷污。按比例缩小工艺和单元规 模，由于其减小了单元电容和存储电荷，使高质量的处理工艺变得更为重要。 隧道氧化层中或者聚合物电介质中的的缺陷也可以引起过量的漏电流。不过， 这些缺陷可以通过在晶片架上时于2 5 0 的加速保持测试中被筛选掉。 读干扰也是影响器件可靠性的一个重要因素【2 们。当读取一个单元时，在选择 的行和列上分别加了一个栅电压和一个漏电压。这种状况在擦除过的单元上可以 导致两种类型的读干扰。 考虑读取一个单元的情况，由于热电子注入，如果漏电压不是很低，就产生 了一个不想要的编程过程。在沟