（电路与系统专业论文）基于标准CMOS工艺的非易失性存储器的研究[电路与系统专业优秀论文].pdf

浙江大学硕士学位论文中文摘要 中文摘要 在a s i c 电路设计中，经常会需要一些低成本低密度的非易失性存储器件， 但是工艺的复杂性阻碍了传统的非易失性存储器件嵌入到c m o s 电路中，这是 由于传统的非易失性存储器需要多层多晶硅，不同的栅氧化层厚度，以及需要调 整不同的掺杂浓度等等，都增加了工艺的复杂性和成本。这里提出的结构解决了 这个问题，它利用标准c m o s 晶体管来实现非易失性存储器，这样就不需要额 外的掩膜或工艺步骤。这样在成本和1 艺复杂性等方面使该器件具有很大的优 势，而且在一些需要一。些小容量的非易失性存储器的嵌入式应用中，将会很有市 场。 这里提出了一个基于标准c m o s 工艺的单层多晶硅的非易失性存储器。它由 相邻放置的n m o s 管和p m o s 管组成，它们有一个被绝缘隔离的普通的多晶硅 栅，它被用来作为“浮栅”。而p m o s 管中在栅下面的p + 扩散区用来作为控制 栅。 电荷从浮栅中移入移出有很多种方法，而无论是擦除还是编程，它们都是使 电荷穿过一层绝缘的材料。文中首先介绍了两种主要的电荷注入机制，热电子注 入机制和f n 穿隧机制，而热电子注入电流经常用“幸运电子”模型来分析和仿 真。一般用热电子注入来对器件进行写入操作，f n 电子穿隧来对器件进行擦除 操作。 。 器件用t d e v i c e 和t p r o c e s s 进行了仿真。t p r o c e s s 模拟的标准c m o s 工艺来建立一个所提出的三维的器件模型，t d e v i c e 被用来仿真该器件的一些 特性。从仿真结果中可以看出，该器件在特定的编程电压和擦写电压下，可以对 其进行编程和擦除的操作。本课题所做的工作主要都是在模型的建立与仿真上， 这是本课题的重点也是难点。 接着又比较了两种阵列结构并提出了它们的电路图。基于设计上的考虑，选 择了n o r 这种阵列结构，而且提出了一个4 4 的n o r 的版图结构，并分析了 阵列中的扰动机制。 最后提出了整个非易失性存储器的总体框图，并介绍和仿真了非易失性存储 器中两个比较重要的外围电路。d i c k s o n 电压泵被用来产生高压，而且电路为了 减小体效应的影响进行了改进。灵敏放大器从触发器性灵敏放大器改进而来，后 者一般用于d r a m 中。 关键词：非易失性存储器，标准c m o s 工艺，热电子注入，福乐一诺德汉穿隧 浙江大学硕士学位论文 a b s t r a c t a b s t r a c t h la s i cc i r c u i s ，i ti so n 髓d e s 订a b l et oh a v ea v a l l a b l eal o w c o s t ，l o w d e n s l t y n o n v 0 1 a m em e m o r yd e v i c e h o w e v e r ，p r o c e s sc o m p l 喇t yh i n d 盯s 血ei n c o r p o m t i o n o ft r a d i t i o n a ln o n v 0 1 a d l en k x n o f yd e v i o e si n t oc m o sc i r c u i s ，t h en e e df b rm u l t i p d e p o l y s 订i c 衄l a y e r s ，d i f 缸e n tg a t eo x i d et h i c k n e s s e s ，a 1 1 dm o d i f i e dj u n c t i o nd o p i n g p r o f i l e s ，f o re x a m p l e ，i sr 船p o n s i b l ef o ra d d e dp r 。c e s sc o m p l e x i t ya n dc o s t n e p m p o s e ds t n l c t u r ec i r c u m v e n t s 血i sp r o b l e mb yc r e a t i n gn o 一v o l a t i l ei n e m o r yc e l l s 舶ms 啪d a r dc m o s 订a n s i s t o r s n u s ，n oa d d 诳o n a lf r k i 出n go rp r o c e s s i n gs t e p sa r e n e c e s s a r y t h e s ea d v a n t a g e si nc o s ta n dp r o c e s sc o m p a t i b i l i t ym a k et i l ed e v i c eu s e f u l w h e ns 删la m o u n t so f n o n v o l a t i l em 锄o r ya r en e e d e df o re m b e d d e da p p l i c a t i o n s a s i n 甜ep o l yn o n v o l a t i l em e m o r yc e l ls t m c t i l r ei m p l e m e n t e d i nas t a n d a r d c m o sp r o c e s si sd e v e l o p e d ni sc o n s i s t so fa d j a c e n d yp l a c e dn m o sa n dp m o s m m s i s t o r sw i 1a ne l e c m c a l l yi s o l a t e dc o l i i l o np o l y s i l l i c o ng a t e t h ec o m m o n g a t e w o r k sa sa a t i n gg a t e ”t h ei n v e r s i o ni a y e ru n d e rd l ep m o sg a t ea 1 1 dp + d i f f u s i o n sw o r k sa sa “c o n lg a t e ” t h e r ea r em n ys o l u t i o n su s e dt o 椭m s f e re l e c t r i cc h a 唱ef 而ma n di n t 0t 1 1 ef g f o rb o t he m s ea i l dp r o g m m ，t i l ep m b l e mi sm a k i n gt h ec h a r g ep a s st i l m u g ha l a y e ro f i n s u l 矧n gr n a 矧a 1 h i 血i sa i t i c l ew ef i r s ti n o d u c e 出et w om a i n l yc h a r g e 蛳e c d o n m e c h a n i s i i l s ：t h eh o t - d e c t r o n 删e c d o n ( h e dm e c h a n i s ma n dt l l ef 0 w l e r _ n o r d h e i m ( f n ) t i l n n e l i n gi n e c h a i i i s m n eh e ic u 蝴l t i so f t e ne x p l a i n e d 锄ds i m u l a t e d f o l l o w i n gt h e “1 u c k yd e c 廿o n ”m o d e l t h e 衄im e c h a n j s mi su s u a l l yu s e df o rw r i d n g t h ed e v i c e sa 1 1 dt l ef nt u 皿e i i n gm e c h a n i s mi su s u a l l yu s e df o r 盯a s i n gt t l ed e v i c e s t h ed e v i c ei ss i m u l a t e db y ) r o c e s sa 1 1 dt d e v i c e w eu s e 耶r o c e s st o s i 姗l a c e 血es t a d a r dc m o s p r o c e s st ob u i l da3 dm o d do ft h ep r o p o s e dc e l l s t n l c t l 鹏a i l du s e ) e v i c et os i m u l a t et l l ec h a m c t e ro fm ec e u + f r o mm es i m u l a t i o n r e s u l t sw ec a no b s e r v em a tt | l i sd e v i c ec a nb ew i i t t e na n de r a s e du n d e rp m p e rw n d n g a i l d 黜i n gv o l t a g e is p e n dm em o s td m eo n 血em o d db u i l d i n ga i l ds 咖1 a t i o nf o r “ i sm ev i t a lo ft l l ew h o i ep 蚵e c t a f t e rs i m u l a d o no f 血ed e v i c e ，t w oa r r a ya r c h i t e 咖r e sa r ec o m p a r e da i l dm e s c h e m a t i c so f 山e s ea i r a ) 噶a r ep r e s e l l t e d n o ra 工t a ya r c l l i t e 咖r ei sc h o s 趿f o ri t s i l 浙江大学硕士学位论文蛐吼r a m c h a r a c t e rs u i t a b l ef o ro u r d e s i g i lt h e1 a y o u to f4 4n o ra m y a r c h i t e c t l l r ei s p r o p o s e da n d 1 ed i s t l l r b so ft 1 1 ea 巧a ya r ed l s oa j l a l y z e d ， a tl a s tm ew h 0 1 es c h e m ao ft h en o n v 0 1 a t i l ei i l 锄o r yi sp r e s e n t e da i l d 铆o i m p o r t a n tp 嘶p h e r yc i r c u i t so fm en o n v 0 1 a t i l em i n o r ya r ep r 叩o s e da i l ds i m u l a t e d t h ed i c k s o nc h a 唱ep u m pi su s e df o rg e n e r a t eh i 曲v o l 诅g e ，a l l dt h ed r c u i ti s i m p m v e db y 埘豳g 吐l eb o d ye 如c t n es e n s ea m p l m e ri si m p r o v e d 肋mt n g g e r s e n s ea r n p l i f l e rw h i c hi su s u a yf o rd r a m k e y w o r d ：n o n v o l a t i l em e m o f y ，s 锄1 d a r dc m o sp r o c e s s ，f o w l e r - n o r d h e i m t u n n e l i n 昏h o t - e l e c 昀n e c t i o n i 浙江大学硕士学位论文 目录 一_-_。_-_，_。_。_。_。_。-。_。_-_-_-_一 4 3 对扰动的仿真 4 4 小结， 第五章总体结构“ 5 1 非易失 生存储器总体结构框图 5 2 高压发生器设计 5 3 灵敏放大器设计 5 4 d 、结 第六章总结与展望。 参考文献 附录 k谢， 图一一l 图一一2 图一一3 图二一1 图二一2 图二一3 图二_ 4 图二一5 图二一6 图二- 7 图二一8 图三一1 图三一2 图三- 3 图三一4 圈三- 5 图三一6 图三一7 图三- 8 图三- 9 图三一1 0 图三一1 1 图三一1 2 图三一1 3 图三一1 4 图三一1 5 图三一1 6 图三一1 7 图三一】8 图表目录 4 2 4 5 4 6 4 6 4 7 5 0 5 3 5 4 5 6 6 0 6 1 e p r o m 和e e p r o m 2 浮栅晶体管及其阂值电压的变化3 非易失陛存储器的发展历史一4 直接穿隧效应截面图8 m o s 管中的f n 穿隧能带示意图9 热载子注入截面图1 2 热载流子注入能带图1 2 准二维模型的速度饱和夏横截面示意图1 4 准二维模型近似计算结果“1 4 幸运电子注入三个步骤的能带图“1 5 l d d 工艺流程1 8 n 阱c m o s 工艺单层多晶存储单元2 0 p 阱c m o s 工艺单层多晶存储单元2 0 阈值电压变化的i v 曲线2 3 n m 0 s 热电子注入的写操作( n c h e i ) 一2 4 n m 0 s 管f n 隧道注入的写操作( n f n ) 2 4 读操作2 5 p m o s 管f n 隧道擦操作( p f n ) 2 5 n m o s 管f n 隧道擦操作( n f n ) 2 6 t a l l n l sl 矗v o u t 中的存储单元g d s 图一2 6 1 1 2 文件信息2 7 用t a 唧sp r o c e s s 实现存储单元的工艺制造流程2 9 编程时浮栅上的热电子注入电流3 1 编程时浮栅上的电荷一3 l 编程时浮栅上的电压，3 2 编程时阈值电压变化3 2 擦除时浮橱上的f n 穿隧电流3 3 擦除时浮栅上的电荷3 4 擦除时闽值电压变化3 4 v 浙江大学硕士学位论文 目录 四一1基于n o r 结构的4 4 存储器阵列电路图 四- 2 基于n o r 结构的4 4 存储器阵列版图一一 四一3基于n o r 结构的4 “存储器阵列版图二 四_ 4 基于n a n d 结构的4 4 存储器阵列电路图 四一5 器件编程时的扰乱 四一6 器件编程时字线上的扰乱 四一7 器件编程时位线上的扰乱 四一8b e d 中浮栅上的电荷变化 四一9w e d f 中浮栅上的f n 电流 四一1 0w e d f 中浮栅上的电荷变化 四一1 1w e d f 中的阂值电压变化一 五一1非易失- f 生存储器的总体框图 五一2d i c k s o n 电压泵电路图 五一3d i c k s o n 电压泵的时序 五一4 改进后的d i c k s o n 电路图 五一5 改进后d c k s o n 其中一级电路的版图 五一6 改进前后d i c k s o n 电路波形比较 五一7 灵敏放大器电路示意图 五一8 触发器型是敏放大器 五一9 改进后的灵敏放大器 五一l o 灵敏放大器仿真波形 卯强强剪叭甜舵钙钳甜舶稍鹌够砌鲫引铊图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图 浙江大学硕士学位论文第章绪论 1 1 研究的意义 第一章绪论 随着超大规模集成电路工艺的发展，人类已经进入了超深亚微米时代。先进 的工艺使得人们能够把包括处理器、存储器、模拟电路、接口逻辑甚至射频电路 集成到一个大规模的芯片上，形成所谓的s o c ( 片上系统s y s t e mo nc h i p ) 。作 为s o c 重要组成部分的嵌入式存储器，在s o c 中所占的比重( 面积) 将逐渐增 大。嵌入式存储器具有更高的带宽、更低的系统功耗、更优化的粒度和存储结构、 更高的可靠性和更紧凑的系统结构、更好的工艺缩放特性等优势。到2 0 1 0 年， 约9 0 的硅片面积都将被具有不同功能的存储器所占据。 其中非易失性存储器( n v m n o nv o l a t i l em e m o r y ) 的应用市场更是广泛， 如移动存储、便携式设备和无线设备等等【1 ，并迅速走俏市场，随着技术的进步， 它甚至有可能取代硬盘的地位，因为它的掉电不丢失数据的特性和x i p 的特性， 将会大大提高计算机处理数据的速度；非易失性存储器的身影可谓无处不在，其 需求不仅在于大的存储容量，而且也在于存储识别信息、安全的目的或者是系统 的配置吐 嵌入式存储器也面临着很多挑战，尤其是在工艺方面。逻辑工艺和存储器工 艺从本质上来说是不同的，某些地方甚至是矛盾的。首先，二者的互连需求不同。 存储器非常规整，常成块出现，所需的互连比较少。而逻辑模块常常散列在芯片 各个地方，对互连的要求很高。其次，二者的金属工艺层次不同。逻辑工艺共4 6 层，其中只有1 2 层多晶，其余为金属层。而存储器工艺常常需要4 层以上 的多晶。每增加一层金属或者多晶都会增大成本、复杂性和制造时间。 因此，限制嵌入式存储器发展的最大障碍就是与c m o s 逻辑工艺的兼容问 题，虽然有所突破，但是距离成熟的普及应用还有很长的路要走。 尤其非易失性存储器例如f l a s h 都有其特殊的结构，他们最特殊的地方在于 它们一般都有一层浮栅，不但使生产的成本增加，而且用作嵌入式存储器的时候 更会增加集成的难度。c m o s 逻辑工艺一般都只有一层多晶硅，而没有浮栅，现 在设想用现有的c m o s 逻辑工艺去实现非易失性存储器，这样不但会降低成本， 而且在s o c 或其它系统中将会集成的更好。所以本文要做的工作是要模仿出类 似f l a s h 中浮栅的结构，并希望通过理论和实验的分析，对其进行研究。 浙江大学硕士学位论文 第一章绪论 1 2 非易失性存储器介绍 所谓非易失性存储器，通俗的讲，就是在掉电以后，存储在存储器中的数据 不会丢失。非易失性存储器主要包括只读存储器r o m ，可编程擦写只读存储器 e p r o m ，电可编程擦写只读存储器e e p r o m ，闪存f l a s h 。与之相对的是易失 性存储器，就是在掉电以后，存储器中的数据将会全部丢失。易失洼存储器主要 包括静态随机存取存储器s r a m 和动态随机存取存储器d r a m 。 e p r o m 能够用电来对器件写入数据，但是擦除数据需要在紫外线照射下， 如图一一1 ( a ) 所示；e e p r o m 既能用电来对器件写入数据，也能用电来擦除 数据如图一一l ( b ) 所示。f l a s h 的结构和e p r o m 和e e p r o m 类似，但它集 合了e p r o m 的优点和e e p o r m 的优点。f l a s h 可以单个c e l l 编程，整块、页或 节电擦除，与前面两个存储器不同的地方在于，f l a s h 是整块的擦除，而e p r o m 和e e p r o m 则只能单个c e l l 擦除。就是因为f l a s h 能够被整块的擦除，而且擦 除的周期是非常快的，所以称之为f l a s h 。 h v lb y 2 一 多晶 控制栅il 的氧 1 。一 栅1 e 0 0 9 e e 黧沙栅 7 l 专_ _ 舌。毒纂纂i p - s u b 。 编程：淘道热电子注 ( c h e i ) ( a ) e p r o m 删叫滋凌圜 多晶硅问 的氧化层 浮栅塑圈，警淼 一 编程：沟道热电子 擦除：f n 穿隧 注入( c h e i ) ( b ) e e p r o m 图一1e p r o m 和e e p r o m 2 一熬鳓器n 淞 斗= 一 _型器 浙江大学硕士学位论文 第一章绪论 f l a s h 、e p r o m 、e e p r o m 共同的特点是，般都有一层浮栅，通过改变浮 栅上的电荷量来控制阈值电压。由于浮栅由一层绝缘的s i 0 2 包围，电荷很难从 浮栅中逃出，所以即使掉电后，器件的阈值电压也不会改变。浮栅的结构如图一 一2 ( a ) 所示。 判断电荷是否保存在浮栅中，是通过判断闽值电压v g s 是否改变或者判断源 漏电流i d s 是否改变，如图一一2 ( b ) 所示。一般闽值电压有两种状态：高阈 值电压状态和低阈值电压状态，分别用二进制数“1 ”和“0 ”表示。“1 ”表示 c e l l 已经被编程，“0 ”表示c e l l 已经被擦除。当然在有些存储器c e l l 中，0 表示被编程，“l ”表示被擦写。 削棚匿鋈霪鋈鋈圈 ( a ) 浮栅结构 b ( “1 ” ( b ) 闽值电压的变化 图一一2 浮栅晶体管及其闽值电压的变化 一个理想的非易失性存储器器件是能够被电编程并能被电擦除的随机存取 存储器，而且是密度高、成本低、读，写时间周期短、稳定性高、低电压低功耗、 单电源供电等特点。可以看到，f l a s h 存储器比较接近理想非易失性存储器。 表一一l 中列出了一些常见存储器以及他们的一些特点和之间的区别列。 m d * n 酊t ho a e i ns y s t e mc o d a 珏庐 h m d s m t n - a 嘎 v黼 l 五醢 l o w t r a n s i s t o r r t , - a n d 脯妇p h h h n o l r i l e m i t vn 聊暂 v d a a k 0 mw r i t a b l a s t o n 学 r e a d i 讪懈 h a 幽 vvvvvv v v 懿弘m vv、， v 口r a mvvv v v 丑既雷a vvvvv v a 慢碍t 0 m v vvvv 撇r 啊订 v vv、，v 丑h r d 瑾呔vvv 日。佴哼出 vv 表一一l 各种存储器性能的比较 描述非易失性存储器的两个最重要的性能是：( 1 ) 耐用性( e n d u r a n c e ) ，指 浙江大学碰士学位论襄 箍一吾着军 鹫遂；萋薹薹掣；：差塞鬟蘩羹冀妻善薹一萎i 蠢鲫藿篱翥壁醛；酬蛆裂型型。驯 童圳。唑躞掣拦& 篓的j 蔓s 咋嘉嘈凑篓| 捌剪寰滓i 二j i 三蟛净二璀；i 薹m 峨。墨 叨电于稀琴壳拉姒鲣型经樯。噤堡后划野裂警勰鬈浩m 垛撼馔。皇婴懑蠛嘴誊冀 莲瑚旧；影# ；薹萋j 囊妯岖蝇雏姐鞭瓣l l 喜妻鲞萋烈导薹羹美重量 j 垂蔓型良： 妻；肆 穿隧【7j 。 福乐一诺德汉是由f o w l e r 和n o r d h e i m 两个人共同研究出来的，和直接穿隧 一样，当栅氧化层越来越薄时，电子就能从衬底表面反型层里穿隧到氧化层的导 带上，这个现象叫做福乐一诺德汉穿隧，福乐一诺德汉穿隧被广泛用于非易失性 存储器的擦写操作中。图二一2 给出了m o s 管中的福乐一诺德汉电子穿隧的能 带图。 图二一2m o s 管中的f n 穿隧能带示意图 福乐一诺德汉穿隧的电流密度是和横越穿隧氧化层上的电场是成指数关系 的，其关系式为 【8 】【9 1 1 0 1 w 叫e o s 2 e x p ( 鲁 e o 是穿隧氧化层上的电场“1 ，这个电场可以表示为 瓦：鱼 ( 式2 2 2 ) k 这里是穿隧氧化层上的电压差，k 是穿隧氧化层的厚度。 墨。，足：。 x 浙江大学硕士学位论文第一章绪论 将会对他们进行比较，并希望通过仿真来分析存储器的扰动，希望能通过一一定的 措施对其进行防止或纠正。文章第五章提出整体结构，并提出可行的外围电路的 模块。最后一章是总结和展望，在总结设计结果和心得的基础上，对该项目的继 续发展提出一些看法。 浙江大学顶士学位论文 第二章电子注入模型 2 1 2 直接穿隧模型 一般来说，对于器件越来越小，为了减小短沟道效应对器件的影响，必须使 氧化层厚度也越来越薄，当氧化层厚度小于4 r i m 之后，材料方面的物理极限限 制会变成一种元件制程的障碍，当在氧化层上加一个较大的偏压，就有可能造成 栅上的电子直接穿隧到衬底或者衬底上的电子直接穿隧到栅极，如图二一1 ( a ) 所示，这种现象称为直接穿隧( d i r e c t t u n n e l i n g ) 。 直接穿隧主要有三种机制：导带电子穿隧( c b e t ，c o n d u c t i o nb a n de l e c t r o n t u n n e l i n g ) ，价带电子穿隧( v b e t ，v a l e n c eb a n de l e c t r o nt u n n e l i n g ) ，价带空 穴穿隧( v b h t ，v a l e n c e b a n d h o l e t u n n e l i n g ) ，如图二一1 ( b ) 所示。 惝)l b ) 图二一1 直接穿隧效应截面图 从直接穿隧的能带图来看，它的物理现象及产生机制似乎很容易了解，但事 实上这种现象与福乐一诺德汉电子穿隧相比要复杂的多，而且直接穿隧的电流密 度和外加电压及电场并没有一个简单的依赖关系，因此至今还无法清楚了解这种 物理现象，但仍有公式来表示直接穿隧的电流密度，如下式所示 k 训抽 迷掣 【 ( 式2 - 1 4 ) 其中如栅面积，e ，氧化层电场，g 电子带电量，k 氧化层上电压，九为位 障高，a 、b 为常数。 8 浙江大学硕士学位论文 第二章电子注入模型 k 1 。= 1 5 4 1 3 1 0 “m 。掣1 ： 聪“8 2 8 1 0 7 厩 一般可取k 。= 6 3 2 x 1 0 。7 山v 2 ，k ，。= 2 2 1 x 1 8 8v c m ，中。是金属氧化物接 触面的势垒。 由于穿隧氧化层的厚度在制程上早已决定，丽穿隧氧化层上的电场则是有外 加的的偏压引起的，因此由上式可以看出，只要能确切的掌握元件的偏压状况， 那很容易就能得到穿隧氧化层上的电场值。 ( 式2 2 1 ) 使用w e n t z e l k r a m e r s b r i l l o u i n ( w k b ) 近似，并忽略了温度的影 响，如果考虑温度的影响，( 式2 2 1 ) 可修正为f 5 l 搿卅k 愈7 k 2 e x p 半 可以把( 式2 2 5 ) 写成下面的形式 。“k ，中。7 k 。b 。一e o x 唧( 掣 ( 式2 - 2 - 6 ) = a r 幢；，唾jr l i f n 。e o ，中。7 ) 其中a r k ，中。7 ) 为温度纠正系数 a r 幢，中。) ： 如果考虑s c h o t 血y 的影响，它将减少势垒，其势垒值为1 铂 一( x ) ：和m 一而q i 2 一蛾x 其中为氧化物的介电常数，电流密度j 。r s 考虑了温度的影响和s c h o t t k y 的 影响 5 】，如下式所示 夸铲咖：h 2 e x p ( 半 ( 式2 2 9 ) ，：= a 3 慨，中：) a 7 慨，巾：k 。k 2 e x p ( 芈 c 式z - z 一，。， 1 0 浙江大学硕士学位论文 第二章电子注入模型 = a ”奴，中2 l ，。慨，中：) ( 式2 2 1 1 ) 其中a r 奴，巾等) 是基于温度和电场的系数，a 5e o x ，中等) 是基于s c h o n y 和电 场的系数 a 7 眩，m ：) = 州圳= 错 a ”“o ，中：) = a r o o ，巾? ) 5 ( k ，中：) a ”e o ：，中? ) 为考虑r 温度和s c h o t t y 的系数。 2 3 热载子注入模型 2 3 1 什么是热载流子效应 当电场足够高使得从碰撞中得到的能量超过半导体禁带宽一个足够量( 约3 0 ) 时，那么就可能发生碰撞电离。一些这样产生的空穴能够与其它高能量电子 复合，产生一群能量非常高的电子。 e 8 + e + h _ e # 对于少数电子，在经受非弹性碰撞之前，通过运动若干平均自由程而赢接获 得足够能量也是可能的。不论在哪一种情况下，这些电子具有足够能量以改变器 件物理的从而电学的结构。这种现象称为热载流子效应。其余空穴逸出到衬底并 逸衬底电流形式被收集。 主要在漏区边缘观察到这种效应【l3 1 ，当器件处于大的漏极偏压和栅极偏压接 近v d s 2 的饱和区中时，最容易出现这种效应。 当m o s f e t 的尺寸减小到远小于l u m ( 通常称为深亚微米) 时，遇到的最严 重的问题之一是热载子效应。例如，l v 的电势差加在0 s u m 的长度上，产生的平 均电场为2 x 1 0 4 v c m ，这已经足以使电子和空穴的速度达到饱和。在这样的电 场下，载流子被称为“热”载流子，它们的高能量导致的物理效应能使m o s f e t 浙江大学硕士学位论文 第二章电子注入模型 性能退化。但是在这里要用到的就是在衬底电流中存在的热载子效应。 热载流子注入与隧道注入不同，隧道注入是指与硅晶格保持热平衡的载流予 ( 即“冷”载流子) 穿过很薄的氧化层。如图二一3 就是冷热载流子注入的截 面图，图二一4 给出了热载流子注入的能带图。 上_ m圈 ii 。il 一。，吵穗 p - s u b f i = “h o l ”e l e c t r o n 0 “s n d a t y h o l e 图二一3 热载子注入截面图 图二一4 热载流子注入能带图 2 3 2 村底电流模型 电子在m o s f e t 沟道中获得足够大的动能( 如大于1 5 e v ) ，它们与晶格碰 撞时就能导致碰撞电离，产生电子空穴对。碰撞电离产生的电子或者被吸引到势 能较高的漏极( 加到漏极电流中) ，或者注入到栅氧化层中( 如果他们具有足够 的能量) 。而产生的空穴却与之相反，被吸引到衬底( 势能较低的位置) ，产生寄 浙江大学硕士学位论文第二章电子注入模型 生衬底电流j 。尽管这种载流子产生模式能导致雪崩击穿，但是由于产生的空 穴能很快移动到低场区，雪崩倍增并不经常发生。 考虑n 沟道m o s f e t ，如果假设所有的空穴都流向衬底，那么由于漏极电流 碰撞电离产生的电流表达式为 j 。= ，。r a e x p - b , e ( 工胁 ( 式2 3 _ 1 ) 上式可写成对电场的积分 k = j m e x p - 8 , e l d x , t e l a e ( 式2 _ 3 _ 2 ) ( 式2 - 3 2 ) 又可以简化为 ，。= c l k e x p ( 一b i 玩)( 式2 - 3 3 ) 其中c 1 = 盖 ( 船3 - 4 ) 令8 。砸1 2 , m ，则有 i m 2 - - 舍e e , 1 n se x p ( 一b 。i e m ) 毛是最大沟道电场，已由准二维模型得到，准二维模型是有e l m a n s y 和 b o o t h r o y d 在1 9 7 7 年提出的 1 5 】。该模型可用于分析热载子效应【1 7 1 【1 8 】【1 9 1 1 2 “，热载 子最重要的监控参数是最大沟道电场毛。准二维模型的速度饱和区如图二一 5 所示，图中的g a u s s 盒是栅级下方的漏区附近的速度饱和区中空间电荷区的一 部分。从g a u s s 盒子中发出的电力线沿盒子表面的积分与盒子中的电荷总量成正 比，速度饱和区中的总电荷由耗尽区电荷q n o 与可动电荷q 。组成。g a u s s 盒子一 侧的边界是x z 平面( 用a b 表示) ，从e = e 。处的s i s i 0 2 界面向下延伸至漏区 结深工，处；另一侧也是) 【z 平面( 用c d 表示) ，位于y 处，y 的位置是可变的。 设s i s i 0 2 界面处氧化层中的电场为e o ( y ) ，平面a b 为速度饱和区的起点，位 于y 处的平面c d 在速度饱和中。 浙江大学硕士学位论文 第二章电子注入模型 x 图二一5 准二维模型的速度饱和区横截面示意图 图中的坐标系统取a 点处的y = 0 ，漏区边缘的y = 缸。 最大沟道电场与嘛一；) 有关，当漏极电压比，高出1 v 或2 v 时， 那么最大电场强度近似正比于( 一v 乞。，) ，可表示为2 0 瓯：毕，( 一) 1 v ( 式2 3 。6 ) 其中f 是一个与m o s f e t 尺寸有关的参数 图二一6 准二维模型近似计算结果 又可以把( 式2 3 5 ) 简化为 ，鲁忆一k 唧( _ 可忑b i g 所以衬底电流主要取决于( 一v k 。) 以及参数g 。实验表明对于n 沟道，b 近 1 4 浙江大学硕士学位论文 第二章电子注入模型 似等于1 7 x l o “v c m ，a b , 近似为1 2 y ：对于p 沟道，b ；近似等于 3 7 x 1 0 “v c m ，a e 近似为2 2 v 。 2 3 3 幸运电子模型 对栅极电流的分析和仿真经常采用的是幸运电子模型2 ”，它是由沟道中的载 流子注入到氧化层，并穿过氧化层流向栅极电极引起的，其中最重要的导电机制 是高能( 热) 电子向氧化层的注入。沟道中的热电子能够到达栅极，必须满足两 个条件：( 1 ) 热电子必须在沟道电场中获得足够的动能，以克服s i s i 0 2 界面势垒 1 7 1 ；( 2 ) 热电子必须改变运动方向，指向s i s i 0 2 界面。 p 帅；获得足 鲫栅极 图二一7 幸运电子注入三个步骤的能带图 2 3 】 图二一7 描述了幸运电子模型的三个步骤o ”：( 1 ) 载子能够“幸运”地从 边缘电场中获得足够的能量用来克服氧化层地障碍，而且在碰撞后改变方向指向 s i s i 0 2 界面后仍然能保持原来地能量( p ) ；( 2 ) 载子从改变方向后的位置到 s i s i 0 2 界面未发生任何碰撞( p e d ) ；( 3 ) 载子能够克服氧化物中电场的排斥，而 且在氧化物电场中没有碰撞( p o c ) 。 注入和被栅极收集的概率p 是氧化层电场乞：的函数，可以利用载流子数目 ( 用漏极电流表示) 、载流予获得足够能量的概率，发射和收集概率p ( ) 这 三项的乘积来推导栅极电流j 。的表达式旧。 浙江大学硕士学位论文第二章电子注入模型 2 3 4 轻掺杂漏极 最通常用于控制热载流子效应的工艺模块就是l d d ( 轻掺杂漏极l i g h t l y d o p e dd r a i n ) 技术【2 “。l d d 就是首先在侧墙形成之前增加一道中度剂量的注入 工序，然后在器件多晶硅栅的两侧形成一种通常称为侧壁隔离层的薄氧化层，在 侧墙形成之后保留更高剂量的源，、漏注入( 如图二一8 所示) 。之所以要用l d d 注 入，完全是因为半导体产业界在过去的十年里所出现的m o s 器件等比例缩小的 趋势引起的。随着器件等比例缩小，器件内部的电场也越来越强，为了控制电场 的强度，人们提出了l d d 这种技术。这种器件结构的设计思想就是设法使得器 件漏区的掺杂分布发生缓变。 屡叁誓塞竭、囫 醉墨墨翌塞銮鎏 厂一 囡一 f 羔夏二j 蕊鍪叁窿墨鑫 r 位一 r 1 i 、一 毓蕊醯靡蒸蒸商 图二一8l d d 工艺流程 当然l d d 也不少缺点，如增加了工艺复杂性，尽管形成自对准硅化物时， 复杂性最小；间隔层增加了金属接触和沟道之间的电阻，器件速度减慢；还有就 是遮挡效应。这效应导致非寻常的m o s f e t 电学特性2 7 1 。当遮挡边用于源区时， 饱和区的驱动电流降低3 0 4 0 。 在这里提出l d d 这个概念，主要是考虑到l d d 对热载流子注入的影响，在 后面的实验中，希望通过是否注入l d d 这步骤来对热载子注入进行仿真和分 析，比较前后性能的差异。 浙江大学硕士学位论文 第三章存储器内核设计 第三章存储器内核设计 3 1 存储器内核的提出 单层多晶实现的非易失性存储器也有不少，如s 丑) p 0 s ( s i n 甜e p o l y p u r e c m o s ) e e p r o m f 3 1 1 【3 2 j 3 3 j ，单层多晶n 沟道的多阱e e p r o m 3 3 】，单层多晶p 沟道的 多阱e e p r o m ，s p l l g ( s i n 出p o l v s i l 记o nt r e n c h g a t e )e e p r o m u 叫等。 图三一l 是由n a t i o n a l 所提出的一种使用标准c m o s 工艺实现的非易失性存 储器单元50 1 ，它由一个p m o s 管和一个n h i o s 管组成，p m o s 管处于n 阱中而且它的栅 极悬空用来作为浮栅。但是这种结构不足之处在于它只能用来写入，不能被电擦 除，需要通过紫外线来擦除。 图三一1 一种n s 所提出的存储单元 图三一2n 阱c m o s 工艺单层多晶存储单元 后面研究和仿真中所采用的存储单元的结构如图三一2 所示。( 图三一2 和 图三一4 至图三一8 与实际上的截面图有所区别，这里为了简单说明问题，将 n 1 0 s 管和p m o s 管画在了同一平面上，定义为x y 平面，实际上应该是一种立体的 结构，p m o s 管与n m o s 管的位置应该在z 方向。另外管子中连接衬底的部分也都没 有画出。) 这里采用的是n 阱的工艺，当然也可以用p 阱来实现，但是目前由于n 浙江大学硕士学位论文第三章存储器内核设计 阱工艺比较常用，所以下面的研究都是基于n 阱工艺的。 无论是n 阱工艺还是p 阱工艺，都是将一个p m o s 管和一个n m o s 等效成了一个 f l a s h 浮栅晶体管，将p m o s 管和n 1 0 s 管放在一起并把它们的栅极连起来作为浮栅 f g ，p m o s 管的源、漏、衬底连起来作为控制栅c g ，n m o s 的源极如浮栅晶体管的源 极s ，n m o s 管的漏极如浮栅晶体管的漏极d 。如此，面积至少会大上一倍左右，但 是如果不是用在大容量的存储设备，而是用于代码存储、系统配置等方面，面积 并不是最需要关心的问题，我们最关心的问题是制造上不会因为一小块面积而增 加掩膜层次，从而提高了成本。 由于一般使用的都是n 阱工艺，所以本文接下去的分析和研究都是基于类似 图3 1 的一种结构。当在c g 和n m o s 管的源极祁漏极加上一个合适的电压时，f g 上的电压将由p m 0 s 管和n m 0 s 管门电容的比例决定，一个特殊的非易失性存储器 就实现了。这就是一个基于标准c m o s 工艺的非易失性存储器，具体的分析和仿 真将会在后面给出。 3 2 阂值电压分析 第一章中已经说过，浮栅晶体管主要是靠改变阈值电压来对器件进行编程 的，那么现在来分析一下该电路结构是怎么改变阈值电压来实现类