Flash存儲器的技術(shù)和發(fā)展

1、湘潭大學論文題 目： 關(guān)于Flash存儲器的技術(shù)和發(fā)展 學 院： 材料與光電物理學院 專 業(yè)： 微電子學 學 號： 2010700518 姓 名： 李翼縛 完成日期： 2014.2.24 目 錄1引言42Flash 存儲器的基本工作原理43 Flash存儲器的編程機制53.1 溝道熱電子注入(CHE)53.2 F-N隧穿效應(F-NTunneling)64 Flash存儲器的單元結(jié)構(gòu)65 Flash存儲器的可靠性75.1 CHE編程條件下的可靠性機制85.2 隧道氧化層高場應力下的可靠性機制86 Flash存儲器的

2、發(fā)展現(xiàn)狀和未來趨勢9參考文獻:10關(guān)于Flash存儲器的技術(shù)和發(fā)展摘要:Flash 存儲器是在20世紀80年代末逐漸發(fā)展起來的一種新型半導體不揮發(fā)性存儲器,它具有結(jié)構(gòu)簡單、高密度、低成本、高可靠性和在系統(tǒng)的電可擦除性等優(yōu)點, 是當今半導體存儲器市場中發(fā)展最為迅速的一種存儲器。文章對 F lash 存儲器的發(fā)展歷史和工作機理、單元結(jié)構(gòu)與陣列結(jié)構(gòu)、可靠性、世界發(fā)展的現(xiàn)狀和未來趨勢等進行了深入的探討。關(guān)鍵詞: 半導體存儲器;不揮發(fā)性存儲器; Flash存儲器; ETOX結(jié)構(gòu)About Flash Memory Technology and Its DevelopmentAbstract: As a

3、new non -volatile semiconductor memory introduced by Masuoka in 1984, flash memory has a number of advantages, such as simple structure, high integration density, low cost, and high reliability, and it is widely used in mobile phone, digital camer a, PCBIOS, DVD player, and soon. Its evolution, prog

4、ramming mechanism, cell structure, array structure, reliability are described, and its developing trend in the future is dis cussed.Key words: Semiconduct or memory; Flash memor y; Non-volatile memory ; ETOX1引言隨著微電子技術(shù)和計算機技術(shù)的迅速發(fā)展, 我們正邁向一個信息社會。信息社會離不開信息的存貯。近半個世紀以來, 人們不斷地探索存貯新技術(shù),形成了品種繁多的存儲器家族, 其中的半導體不揮

5、發(fā)性存儲器( Non-Volatile Semiconductor Memory)因其具有掉電仍能保持信息的特點而成為存儲器家族的熱門領域。不揮發(fā)性存儲器的發(fā)展經(jīng)歷了從ROM、PROM、EEPROM到Flash存儲器的各個階段。Fl ash存儲器是在20世紀80年代末逐漸發(fā)展起來的一種新型不揮發(fā)性半導體存儲器,它結(jié)合了以往EPROM 結(jié)構(gòu)簡單、密度高和EEPROM在系統(tǒng)的電可擦除性的一些優(yōu)點, 實現(xiàn)了高密度、低成本和高可靠性。Fl ash存儲器和傳統(tǒng)存儲器的最大區(qū)別在于它是按塊(sector) 擦除, 按位編程, 從而實現(xiàn)了快閃擦除的高速度。另外,塊擦除還使單管單元的實現(xiàn)成為可能, 從而解決了

6、器件尺寸縮小和高集成度的問題。F lash存儲器以其優(yōu)越的性能, 成為半導 體存儲器市場中發(fā)展最為迅速的一種, 它廣泛應用于PCBIOS、數(shù)字蜂窩電話、汽車領域和微控制器等許多領域, 并為目前較大容量磁介質(zhì)存貯媒體提供了一種理想的替代產(chǎn)品1。工藝技術(shù)的進步和Flash技術(shù)的不斷成熟使Flash存儲器集成度迅速提高, 目前已經(jīng)達到1 Gbit。同時, 其價格也隨之不斷下降,并能與DRAM相比擬。未來, Flash存儲器的發(fā)展主要集中在高集成度、高可靠性和嵌入式應用上。隨著集成度的進一步提高, 發(fā)展更小尺寸的存儲單元,小尺寸器件的可靠性問題以及外圍高低壓CMOS兼容工藝的開發(fā)將顯得尤為重要。本文將

7、介紹F lash存儲器的發(fā)展歷史和工作機理、單元結(jié)構(gòu)與陣列結(jié)構(gòu)、可靠性、世界發(fā)展的現(xiàn)狀和未來趨勢等。2Flash 存儲器的基本工作原理所謂的不揮發(fā)性存儲器, 是指在斷電的情況下仍具有電荷的保持特性。目前主要有電荷俘獲器件和浮柵器件兩種。本文主要對浮柵器件進行論述。浮柵型不揮發(fā)性存儲器起源于1967年D. Kah-ng等人提出的MIMIS(Metal-Insulator-Metal-Insulator-Silicon)結(jié)構(gòu)。它在傳統(tǒng)的MOSFET上增加了一個金屬浮柵和一層超薄隧穿氧化層, 并利用浮柵來存儲電荷。1971年, Intel公司首次推出了商業(yè)化的浮柵器件FAMOS(Floating-g

8、ateAvalanch-inj-ectionMOS)3。它采用p型溝道的雪崩電子注入來實現(xiàn)編程。后來發(fā)展的EPROM采用溝道熱電子注入,大大提高了編程的效率。但它必須經(jīng)紫外線的照射來擦除浮柵中的電子,應用起來極為不便,且大大增加了封裝的成本。為提高使用的便利性,出現(xiàn)了電可擦寫EEPROM(ElectricalErasablePro-grammableROM)。EEPROM采用漏極上方的超薄氧化層的隧穿效應來實現(xiàn)擦寫。但為防止擦除后浮柵中正電荷造成的短路,必須增加一個選擇管,使單元面積無法減小。1984年,Masuoka等人首次提出Flash的概念4,即通過按塊(sector)擦除、按位寫編程來

9、實現(xiàn)了快閃擦除的高速度,并消除了EEPROM中必有的選擇管。Flash存儲器出現(xiàn)以后,以其高編程速度、高集成度和優(yōu)越的性能迅速得到發(fā)展。1985年,Exel公司提出源極擦除的疊柵式結(jié)構(gòu),大大縮小了單元面積;1988年,Intel公司提出經(jīng)典的ETOX5(ElectronTunnelingOxidedevice)結(jié)構(gòu),至今,大部分新的結(jié)構(gòu)都是從它的基礎上發(fā)展而來。Flash存儲器主要由襯底、隧道氧化層、多晶浮柵(FG)、柵間絕緣層和多晶控制柵(CG)組成。E-TOX結(jié)構(gòu)如圖1所示。Flash存儲器是通過向浮柵中注入或拉出電子來實現(xiàn)“寫”或“擦”。由于浮柵中電子的變化,存貯單元的閾值電壓也會隨之而

10、改變,如圖2所示。向浮柵中注入電子時,閾值電壓升高,定義為“1”;將浮柵中的電子拉出定義為“0”。 3 Flash存儲器的編程機制Flash存儲器的存貯單元結(jié)構(gòu)不同,其采用的編程機制也不同。目前,用于寫入電子的物理機制主要有F-N(Fowler-Nordheim)隧穿效應和溝道熱電子注入CHE(ChannelHotElectronInjection)兩種。其它的,如SSI及增強注入等,都是在其基礎上發(fā)展而來的,其基本機理類似,一般稱熱電子注入方式的快閃存儲器為FlashEPROM,而以隧穿效應方式注入的為FlashEEPROM。Flash存儲器的擦除一般是通過F-N隧穿效應來實現(xiàn)的。

11、3.1 溝道熱電子注入(CHE)CHE是Flash中常用的一種“寫”操作方式。其原理是,當在漏和柵極上同時加高電壓,溝道中的電子在VD建立的橫向電場加速下獲得很高的能量。這些熱電子在漏結(jié)附近碰撞電離,產(chǎn)生高能電子,在柵極電場的吸引下,躍過3.2eV的氧化層電子勢壘,形成熱電子注入。CHE注入的電流可以用襯底電流模型來描述。Ig和Isub滿足以下關(guān)系6:ln(Ig/Id)=C1+(Ub/Ui)ln(Isub/Id)式中,Ub(Eox)=3.2-B(Eox)1/2-T(Eox)2/3。由以上模型可知,CHE注入電流受橫向和縱向兩個電場綜合作用,這兩個電場對電子的作用是互相抑制的,不能實現(xiàn)

12、最大注入條件的優(yōu)化,除非同時提高VG和VD,但這對器件的可靠性和電荷泵電流都是極為不利的。在SSIFlash結(jié)構(gòu)單元中的SSI(Source-SideInjection)注入方法7很好地解決了上述問題。它在Split-Gate結(jié)構(gòu)的FG上,再加一個Programming控制柵(PG)。寫操作時,選擇柵G控制在弱開啟,PG為高壓,在FG下形成強反型。強反型區(qū)域可看作漏的延伸,使注入點從漏結(jié)移到SG和FG之間,大大減小了有效溝道的長度,使橫向峰值電場增加,提高了熱電子注入效率。SSI注入的另一個優(yōu)點是,通過SG和PG的電壓控制分別優(yōu)化橫向、縱向電場,以實現(xiàn)最佳的工作條件。3.2 F-N隧

13、穿效應(F-NTunneling)由于空穴的有效質(zhì)量和氧化層界面勢壘均比電子要大,CHE方式不能用于FG中電子的擦除。目前,一般采用F-N隧道注入來實現(xiàn)Flash的擦除。當在柵極和襯底之間加一個電壓時,在氧化層中會建立一個電場。一般情況下,由于SiO2和Si界面的電子勢壘很高(3.2eV),電子很難越過勢壘注入到多晶硅柵中。Fowler等人提出,當氧化層中電場達到10MV/cm,且氧化層厚度較小(0.01Lm以下)時,電子將發(fā)生直接隧穿效應,穿過氧化層中勢壘注入到浮柵,隧穿電流滿足如下公式8:J=AE2injexp(-ECEinj)式中,J為隧穿電流密度,Einj為界面處電場,A為注入系數(shù),E

14、c為氧化層界面勢壘;當Einj=10MV/cm時,J107A/m2。隧穿電流密度J完全由界面處的注入電場Einj決定,與氧化層中平均電場關(guān)系不大。近年來出現(xiàn)了在多晶硅上生長Textured-Oxide,可以降低隧穿電壓,即增強F-N注入。以上兩種注入方式的特點有很大不同。溝道熱電子注入模式工作電壓較低,外圍高壓工藝的要求也較低,但它的編程電流很大,有較大的功耗,不利于應用在便攜式電腦等有低功耗要求的產(chǎn)品上;隧穿注入模式的功耗小,但要求有更高的編程電壓,外圍工藝和升壓電路也就較為復雜。4 Flash存儲器的單元結(jié)構(gòu)自1984年以來,Flash存儲器的發(fā)展經(jīng)歷了從器件結(jié)構(gòu)、陣列結(jié)構(gòu)到系統(tǒng)

15、電路技術(shù)及可靠性研究的各個階段,其集成度也從最初的64kbit發(fā)展到目前的1Gbit。從Flash存儲器的發(fā)展歷史來看,80年代到90年代初,主要集中在Flash存儲器的器件結(jié)構(gòu)和存貯陣列單元的研究;進入90年代中期以后, 由于集成度的提高和器件尺寸的不斷縮小,Flash存儲器可靠性問題和系統(tǒng)電路技術(shù)成為研究的主流,未來的主要發(fā)展方向是小尺寸、高集成的大容量存儲器和小規(guī)模嵌入式信息存貯系統(tǒng)。Flash存儲器器件結(jié)構(gòu)的改進一般是基于提高編程效率或可靠性來考慮的。ETOX利用溝道熱電子注入寫,利用源極F-N效應擦。柵氧一般控制在10nm左右,以降低編程電壓。另外,為防止源區(qū)在高編程電壓下發(fā)生p-n

16、結(jié)擊穿,在源區(qū)增加一次n-注入,以提高源結(jié)擊穿電壓;在漏區(qū)加一次p注入,以提高源漏穿通電壓。隨著器件尺寸的減小,高編程效率和可靠性之間的矛盾越來越突出。為此,Toshiba公司采用大角度離子注入技術(shù),來改善器件的穿通效應和源極的擊穿。1993年,NEC公司提出深埋源漏高電容耦合(HiCR)結(jié)構(gòu)9,并采用雙層多晶浮柵技術(shù),將浮柵擴展到源漏上方,以提高浮柵的耦合系數(shù),從而降低編程電壓。JanVanHoudt等人于1992年提出SSI注入的分離柵結(jié)構(gòu),利用SSI注入的高編程效率來提高編程速度。但這種結(jié)構(gòu)由于采用了三層多晶工藝和分離柵技術(shù),工藝比較復雜,單元尺寸也比較大。1992年,CharlesHs

17、u等人首次提出p溝道Flash存儲器;Mitsubishi公司在此基礎上,于1995年提出了p溝Flash的帶-帶隧穿熱電子注入模式10,從而解決了n溝單元中源極擦除時由于帶-帶隧穿效應引起的熱空穴注入等可靠性問題。這種結(jié)構(gòu)具有編程電壓低、功耗小等優(yōu)點,但由于是p溝器件,讀電流較小。從以上的分析可以看到,各種Flash存儲器單元結(jié)構(gòu)均具有各自的特點和優(yōu)點,但也存在著可靠性和編程電壓高等問題?？梢灶A見,高可靠性、低編程電壓、小尺寸的單元結(jié)構(gòu)仍是今后Flash存儲器技術(shù)發(fā)展的主要方向之一。5 Flash存儲器的可靠性隨著尺寸的縮小,和其他半導體器件一樣,Flash存儲器也面臨著可靠性的問

18、題。由于Flash器件常工作在高電場應力之下,其可靠性問題就顯得尤為嚴重,并成為其發(fā)展過程中最重要的課題之一。器件的可靠性主要表現(xiàn)在以下兩個方面:Flash的耐久性(Endurance)和電荷保持特性(ChargeRe-tention)。其中,影響器件可靠性的因素主要有隧道氧化層的質(zhì)量、隔離絕緣層的質(zhì)量和厚度,等等。不同的編程方式引起Flash存儲器可靠性退化的機制也不同。一般認為,各種可靠性問題是氧化層中電荷陷阱、界面態(tài)產(chǎn)生、電子(空穴)俘獲和去俘獲(發(fā)射)共同作用的結(jié)果。Flash存儲器的耐久性是指器件經(jīng)過多次擦寫后而不會失效的能力。由于薄柵氧化層中存在電荷陷阱,在擦寫過程中,這些陷阱將俘

19、獲電子,并進而改變擦寫時的氧化層電場,導致擦寫窗口特性縮小。顯然,影響耐久性最直接的是超薄氧化層的質(zhì)量,改進生長工藝,減少其中的陷阱密度,可以明顯提高器件的耐久性。Flash存儲器的保持特性是指存貯在浮柵上的電荷保持有效的能力,一般要求要達到十年以上。浮柵上的電荷一般通過柵氧化層和多晶間的絕緣層泄露,電荷遺失(chargeloss)的機制有:通過鏡像力勢壘降低的熱電子發(fā)射,陷阱電子釋放,氧化層缺陷,離子沾污,循環(huán)擦寫引入的電荷遺失,隧道氧化層擊穿,等等。其中,鏡像力勢壘降低熱電子發(fā)射的激活能比其他遺失機制要高,這種方式不是主要的;離子沾污和氧化層缺陷由工藝引起;而其他的與Flash存儲器的編程

20、應力直接相關(guān)。另一個影響Flash存儲器正常工作的嚴重問題是過擦除(over-erasing)。由于氧化層厚度、氧化層質(zhì)量等不一致的影響,電學擦除后單元的閾值電壓的分布很寬,有時會導致浮柵帶上正電,并使存貯管成為耗盡管。在正常讀過程中,Flash陣列中被擦的單元將會發(fā)生短路,從而導致位線漏電和讀數(shù)據(jù)出錯,而Flash陣列中沒有選擇管,使這個問題顯得非常嚴重。因此,過擦除問題的解決也成了Flash研究中面臨的主要課題之一。由于擦寫操作中器件要承受很大的電壓,氧化層中的高電場是引起電子陷阱和界面態(tài)的主要原因。因此,擦寫操作對Flash存儲器可靠性的影響成為當今可靠性研究的重點。5.1 C

21、HE編程條件下的可靠性機制CHE至今仍然是Flash存儲器的主要寫操作方式之一,有關(guān)文獻對其可靠性問題進行了大量的研究。正如前面所述,CHE編程過程中,在CG和漏極均需加高電壓脈沖,對不同的VCG,存在兩種不同的可靠性情況15。在VCG>VDS工作條件下,氧化層中縱向電場較大,一般認為,此時器件退化主要是電荷陷阱的產(chǎn)生所造成。由于陷阱電荷的影響,氧化層中縱向電場將會降低,從而使擦寫窗口(VT)減小。在VCG<VDS的工作條件下,引起Flash存儲器可靠性的機制則有所不同。此時,Eoxv為負,熱電子和熱空穴都將可能向氧化層中注入,但由于縱向電場較小,氧化層中的損傷主要以界面態(tài)為主。5

22、.2 隧道氧化層高場應力下的可靠性機制隧道效應下可靠性退化是Flash器件中可靠性問題的另一個重要方面。由于采用隧道電流編程時,氧化層中電場很高(107MV/cm),隧道氧化層又很薄,因而隧穿效應中的可靠性問題極為嚴重。隧道效應可靠性退化一般體現(xiàn)在兩個方面:SILC(StressInducedOxideLeakageCurrent)和隧道氧化層的TDDB(Time-DependentDielectricBreakdown)現(xiàn)象。在高電場作用下,被加速的電子(空穴)將向氧化層中注入,從而發(fā)生隧穿,其中一部分電子(空穴)將和氧化層中分子發(fā)生碰撞,形成電子(空穴)陷阱和缺陷。這些陷阱可能俘

23、獲電子(空穴)而改變局部的電場,并形成局部電場集中。這種電場集中現(xiàn)象導致漏電流的增加,即產(chǎn)生SILC效應16。SILC效應一般用于評價較低電場下氧化層的可靠性。當氧化層中電場臨近擊穿電場時,將發(fā)生TDDB效應,即在電場應力作用一定時間后,氧化層將被擊穿。研究表明,TDDB時間與氧化層的質(zhì)量直接相關(guān),因而常被用來研究不同應力條件下隧道氧化層的可靠性17。SILC和TDDB效應將直接影響到Flash器件的數(shù)據(jù)保持特性和誤擦寫,甚至造成FG和漏極之間的氧化層擊穿短路和器件失效。改善這個問題的關(guān)鍵在于,提高隧道氧化層生長工藝和氧化層質(zhì)量及控制編程時應力的波形。6 Flash存儲器的發(fā)展現(xiàn)狀和

24、未來趨勢  經(jīng)過十幾年的發(fā)展和集成度的不斷提高,Flash存儲器成為半導體存儲器家族中發(fā)展最快的一支,其市場也由1990年的1億美元增加至1998年的25億美元。由于每位成本的不斷降低和市場需求的急劇擴張,可以預見,在未來的幾年里,Flash存儲器仍將以很高的速率增長。ICE預測,從1998年到2003年,Flash存儲器的增長率為14.9%,并在2003年實現(xiàn)62億美元的市場銷售額。隨著Flash市場的不斷擴大,世界上一些著名公司之間的爭奪也日趨激烈。未來,以ETOX結(jié)構(gòu)為基礎的各種新單元結(jié)構(gòu)及新編程機制將會不斷出現(xiàn),這些結(jié)構(gòu)必須具有單元結(jié)構(gòu)小、編程速度高、編程功耗小和可

25、靠性好等特點;在陣列方面,NAND和NOR結(jié)構(gòu)在近期內(nèi)仍將占主導地位,而DI-NOR、DuSNOR及其它結(jié)構(gòu)有可能在未來幾年成為新的熱點。為適應便攜式的要求和集成電路電源的發(fā)展趨勢,Flash存儲器電源技術(shù)將由目前主流的5V3.3V向2.2V甚至更低轉(zhuǎn)變;在可靠性方面,則要求耐久性達到106以上;在隧道氧化層、柵間ONO絕緣層等工藝技術(shù)和片內(nèi)升壓電路及編程時的可靠性研究方面,將面臨著更多的挑戰(zhàn)。參考文獻:1BrownWD,BrewerJE.NonvolatileSemiconductorMemoryTechnologyM.IEEEPress,1997.2KahngD,SzeSM.Afloati

26、nggateanditsapplicationomemorydevicesJ.JBellSystTech,1967;46:1288.3Frohman-BentchkowskyD.Afullydecoded2048-bitelectricallyprogrammableMOS-ROMA.IEEEISSCCC.1971.804MasuokaF,AssanoM.AnewflashEEPROMcellusingtriplepolysilicontechnologyA.IEEEIEDMC.1984.464-467.5TamS.AhighdensityCMOS1-Telectrically-erasablenon-volatilememeorytechnologyA.SympVLSITechC.1988.31-32.6LuceroEM,ChallaN,FeildsJ.A16k-bitsmart5V-onlyEEPROMwithredundancyJ.IEEEJSolStaCirc,1983;18(10):539-544.7VanHoudtJ.HIMOSahighefficiencyflashEEP-ROMcellforembeddedmemoryapplicationsJ.IEEETransElectronDevice,1993;40(