Flash存储器地技术和发展.doc

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1、word题 目：关于Flash存储器的技术和开展目 录1引言42Flash 存储器的根本工作原理43Flash存储器的编程机制53.1沟道热电子注入(CHE)53.2F-N隧穿效应(F-NTunneling)64Flash存储器的单元结构65Flash存储器的可靠性75.1CHE编程条件下的可靠性机制85.2隧道氧化层高场应力下的可靠性机制86Flash存储器的开展现状和未来趋势9参考文献:10关于Flash存储器的技术和开展摘要:Flash 存储器是在20世纪80年代末逐渐开展起来的一种新型半导体不挥发性存储器,它具有结构简单、高密度、低本钱、高可靠性和在系统的电可擦除性等优点, 是当今半导

2、体存储器市场中开展最为迅速的一种存储器。文章对 F lash 存储器的开展历史和工作机理、单元结构与阵列结构、可靠性、世界开展的现状和未来趋势等进展了深入的探讨。关键词: 半导体存储器;不挥发性存储器; Flash存储器; ETOX结构About Flash Memory Technology and Its DevelopmentAbstract: As a new non -volatile semiconductor memory introduced by Masuoka in 1984, flash memory has a number of advantages, such as

3、 simple structure, high integration density, low cost, and high reliability, and it iswidely used in mobile phone, digitalcamer a, PCBIOS, DVD player, and soon. Its evolution, programming mechanism, cell structure, array structure, reliability are described, and its developing trend in the future is

4、 discussed.Key words:Semiconduct or memory; Flash memor y; Non-volatile memory ; ETOX1引言随着微电子技术和计算机技术的迅速开展, 我们正迈向一个信息社会。信息社会离不开信息的存贮。近半个世纪以来, 人们不断地探索存贮新技术,形成了品种繁多的存储器家族, 其中的半导体不挥发性存储器( Non-Volatile Semiconductor Memory)因其具有掉电仍能保持信息的特点而成为存储器家族的热门领域。不挥发性存储器的开展经历了从ROM、PROM、EEPROM到Flash存储器的各个阶段。Fl ash存储

5、器是在20世纪80年代末逐渐开展起来的一种新型不挥发性半导体存储器,它结合了以往EPROM 结构简单、密度高和EEPROM在系统的电可擦除性的一些优点, 实现了高密度、低本钱和高可靠性。Fl ash存储器和传统存储器的最大区别在于它是按块(sector) 擦除, 按位编程, 从而实现了快闪擦除的高速度。另外,块擦除还使单管单元的实现成为可能, 从而解决了器件尺寸缩小和高集成度的问题。F lash存储器以其优越的性能, 成为半导 体存储器市场中开展最为迅速的一种, 它广泛应用于PCBIOS、数字蜂窝 、汽车领域和微控制器等许多领域, 并为目前较大容量磁介质存贮媒体提供了一种理想的替代产品1。工艺

6、技术的进步和Flash技术的不断成熟使Flash存储器集成度迅速提高, 目前已经达到1 Gbit。同时, 其价格也随之不断下降,并能与DRAM相比拟。未来, Flash存储器的开展主要集中在高集成度、高可靠性和嵌入式应用上。随着集成度的进一步提高, 开展更小尺寸的存储单元,小尺寸器件的可靠性问题以与外围上下压CMOS兼容工艺的开发将显得尤为重要。本文将介绍F lash存储器的开展历史和工作机理、单元结构与阵列结构、可靠性、世界开展的现状和未来趋势等。2Flash 存储器的根本工作原理所谓的不挥发性存储器, 是指在断电的情况下仍具有电荷的保持特性。目前主要有电荷俘获器件和浮栅器件两种。本文主要对

7、浮栅器件进展论述。浮栅型不挥发性存储器起源于1967年D. Kah-ng等人提出的MIMIS(Metal-Insulator-Metal-Insulator-Silicon)结构。它在传统的MOSFET上增加了一个金属浮栅和一层超薄隧穿氧化层, 并利用浮栅来存储电荷。1971年, Intel公司首次推出了商业化的浮栅器件FAMOS(Floating-gateAvalanch-inj-ectionMOS)3。它采用p型沟道的雪崩电子注入来实现编程。后来开展的EPROM采用沟道热电子注入,大大提高了编程的效率。但它必须经紫外线的照射来擦除浮栅中的电子,应用起来极为不便,且大大增加了封装的本钱。为提

8、高使用的便利性,出现了电可擦写EEPROM(ElectricalErasablePro-grammableROM)。EEPROM采用漏极上方的超薄氧化层的隧穿效应来实现擦写。但为防止擦除后浮栅中正电荷造成的短路,必须增加一个选择管,使单元面积无法减小。1984年,Masuoka等人首次提出Flash的概念4,即通过按块(sector)擦除、按位写编程来实现了快闪擦除的高速度,并消除了EEPROM中必有的选择管。Flash存储器出现以后,以其高编程速度、高集成度和优越的性能迅速得到开展。1985年,Exel公司提出源极擦除的叠栅式结构,大大缩小了单元面积;1988年,Intel公司提出经典的ET

9、OX5(ElectronTunnelingOxidedevice)结构,至今,大局部新的结构都是从它的根底上开展而来。Flash存储器主要由衬底、隧道氧化层、多晶浮栅(FG)、栅间绝缘层和多晶控制栅(CG)组成。E-TOX结构如图1所示。Flash存储器是通过向浮栅中注入或拉出电子来实现“写或“擦。由于浮栅中电子的变化,存贮单元的阈值电压也会随之而改变,如图2所示。向浮栅中注入电子时,阈值电压升高,定义为“1;将浮栅中的电子拉出定义为“0。3Flash存储器的编程机制Flash存储器的存贮单元结构不同,其采用的编程机制也不同。目前,用于写入电子的物理机制主要有F-N(Fowler-Nordhe

10、im)隧穿效应和沟道热电子注入CHE(ChannelHotElectronInjection)两种。其它的,如SSI与增强注入等,都是在其根底上开展而来的,其根本机理类似,一般称热电子注入方式的快闪存储器为FlashEPROM,而以隧穿效应方式注入的为FlashEEPROM。Flash存储器的擦除一般是通过F-N隧穿效应来实现的。3.1沟道热电子注入(CHE)CHE是Flash中常用的一种“写操作方式。其原理是,当在漏和栅极上同时加高电压,沟道中的电子在VD建立的横向电场加速下获得很高的能量。这些热电子在漏结附近碰撞电离,产生高能电子,在栅极电场的吸引下,跃过的氧化层电子势垒,形成热电子注入。

11、CHE注入的电流可以用衬底电流模型来描述。Ig和Isub满足以下关系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注入电流受横向和纵向两个电场综合作用,这两个电场对电子的作用是互相抑制的,不能实现最大注入条件的优化,除非同时提高VG和VD,但这对器件的可靠性和电荷泵电流都是极为不利的。在SSIFlash结构单元中的SSI(Source-SideInjection)注入方法7很好地解决了上述问题。它在Split-Gate结构的FG上,再加一个Programming控制栅(PG)。写操作

12、时,选择栅G控制在弱开启,PG为高压,在FG下形成强反型。强反型区域可看作漏的延伸,使注入点从漏结移到SG和FG之间,大大减小了有效沟道的长度,使横向峰值电场增加,提高了热电子注入效率。SSI注入的另一个优点是,通过SG和PG的电压控制分别优化横向、纵向电场,以实现最优的工作条件。3.2F-N隧穿效应(F-NTunneling)由于空穴的有效质量和氧化层界面势垒均比电子要大,CHE方式不能用于FG中电子的擦除。目前,一般采用F-N隧道注入来实现Flash的擦除。当在栅极和衬底之间加一个电压时,在氧化层中会建立一个电场。一般情况下,由于SiO2和Si界面的电子势垒很高(3.2eV),电子很难越过

13、势垒注入到多晶硅栅中。Fowler等人提出,当氧化层中电场达到10MV/cm,且氧化层厚度较小以下)时,电子将发生直接隧穿效应,穿过氧化层中势垒注入到浮栅,隧穿电流满足如下公式8:J=AE2injexp(-ECEinj)式中,J为隧穿电流密度,Einj为界面处电场,A为注入系数,Ec为氧化层界面势垒;当Einj=10MV/cm时,J107A/m2。隧穿电流密度J完全由界面处的注入电场Einj决定,与氧化层中平均电场关系不大。近年来出现了在多晶硅上生长Textured-Oxide,可以降低隧穿电压,即增强F-N注入。以上两种注入方式的特点有很大不同。沟道热电子注入模式工作电压较低,外围高压工艺的

14、要求也较低,但它的编程电流很大,有较大的功耗,不利于应用在便携式电脑等有低功耗要求的产品上;隧穿注入模式的功耗小,但要求有更高的编程电压,外围工艺和升压电路也就较为复杂。4Flash存储器的单元结构自1984年以来,Flash存储器的开展经历了从器件结构、阵列结构到系统电路技术与可靠性研究的各个阶段,其集成度也从最初的64kbit开展到目前的1Gbit。从Flash存储器的开展历史来看,80年代到90年代初,主要集中在Flash存储器的器件结构和存贮阵列单元的研究;进入90年代中期以后,由于集成度的提高和器件尺寸的不断缩小,Flash存储器可靠性问题和系统电路技术成为研究的主流,未来的主要开展

15、方向是小尺寸、高集成的大容量存储器和小规模嵌入式信息存贮系统。Flash存储器器件结构的改良一般是基于提高编程效率或可靠性来考虑的。ETOX利用沟道热电子注入写,利用源极F-N效应擦。栅氧一般控制在10nm左右,以降低编程电压。另外,为防止源区在高编程电压下发生p-n结击穿,在源区增加一次n-注入,以提高源结击穿电压;在漏区加一次p注入,以提高源漏穿通电压。随着器件尺寸的减小,高编程效率和可靠性之间的矛盾越来越突出。为此,Toshiba公司采用大角度离子注入技术,来改善器件的穿通效应和源极的击穿。1993年,NEC公司提出深埋源漏高电容耦合(HiCR)结构9,并采用双层多晶浮栅技术,将浮栅扩展

16、到源漏上方,以提高浮栅的耦合系数,从而降低编程电压。JanVanHoudt等人于1992年提出SSI注入的别离栅结构,利用SSI注入的高编程效率来提高编程速度。但这种结构由于采用了三层多晶工艺和别离栅技术,工艺比拟复杂,单元尺寸也比拟大。1992年,CharlesHsu等人首次提出p沟道Flash存储器;Mitsubishi公司在此根底上,于1995年提出了p沟Flash的带-带隧穿热电子注入模式10,从而解决了n沟单元中源极擦除时由于带-带隧穿效应引起的热空穴注入等可靠性问题。这种结构具有编程电压低、功耗小等优点,但由于是p沟器件,读电流较小。从以上的分析可以看到,各种Flash存储器单元结

17、构均具有各自的特点和优点,但也存在着可靠性和编程电压高等问题。可以预见,高可靠性、低编程电压、小尺寸的单元结构仍是今后Flash存储器技术开展的主要方向之一。5Flash存储器的可靠性随着尺寸的缩小,和其他半导体器件一样,Flash存储器也面临着可靠性的问题。由于Flash器件常工作在高电场应力之下,其可靠性问题就显得尤为严重,并成为其开展过程中最重要的课题之一。器件的可靠性主要表现在以下两个方面:Flash的耐久性(Endurance)和电荷保持特性(ChargeRe-tention)。其中,影响器件可靠性的因素主要有隧道氧化层的质量、隔离绝缘层的质量和厚度,等等。不同的编程方式引起Flas

18、h存储器可靠性退化的机制也不同。一般认为,各种可靠性问题是氧化层中电荷陷阱、界面态产生、电子(空穴)俘获和去俘获(发射)共同作用的结果。Flash存储器的耐久性是指器件经过屡次擦写后而不会失效的能力。由于薄栅氧化层中存在电荷陷阱,在擦写过程中,这些陷阱将俘获电子,并进而改变擦写时的氧化层电场,导致擦写窗口特性缩小。显然,影响耐久性最直接的是超薄氧化层的质量,改良生长工艺,减少其中的陷阱密度,可以明显提高器件的耐久性。Flash存储器的保持特性是指存贮在浮栅上的电荷保持有效的能力,一般要求要达到十年以上。浮栅上的电荷一般通过栅氧化层和多晶间的绝缘层泄露,电荷遗失(chargeloss)的机制有:

19、通过镜像力势垒降低的热电子发射,陷阱电子释放,氧化层缺陷,离子沾污,循环擦写引入的电荷遗失,隧道氧化层击穿,等等。其中,镜像力势垒降低热电子发射的激活能比其他遗失机制要高,这种方式不是主要的;离子沾污和氧化层缺陷由工艺引起;而其他的与Flash存储器的编程应力直接相关。另一个影响Flash存储器正常工作的严重问题是过擦除(over-erasing)。由于氧化层厚度、氧化层质量等不一致的影响,电学擦除后单元的阈值电压的分布很宽,有时会导致浮栅带上正电,并使存贮管成为耗尽管。在正常读过程中,Flash阵列中被擦的单元将会发生短路,从而导致位线漏电和读数据出错,而Flash阵列中没有选择管,使这个问

20、题显得非常严重。因此,过擦除问题的解决也成了Flash研究中面临的主要课题之一。由于擦写操作中器件要承受很大的电压,氧化层中的高电场是引起电子陷阱和界面态的主要原因。因此,擦写操作对Flash存储器可靠性的影响成为当今可靠性研究的重点。5.1CHE编程条件下的可靠性机制CHE至今仍然是Flash存储器的主要写操作方式之一,有关文献对其可靠性问题进展了大量的研究。正如前面所述,CHE编程过程中,在CG和漏极均需加高电压脉冲,对不同的VCG,存在两种不同的可靠性情况15。在VCGVDS工作条件下,氧化层中纵向电场较大,一般认为,此时器件退化主要是电荷陷阱的产生所造成。由于陷阱电荷的影响,氧化层中纵

21、向电场将会降低,从而使擦写窗口(VT)减小。在VCGVDS的工作条件下,引起Flash存储器可靠性的机制如此有所不同。此时,Eoxv为负,热电子和热空穴都将可能向氧化层中注入,但由于纵向电场较小,氧化层中的损伤主要以界面态为主。5.2隧道氧化层高场应力下的可靠性机制隧道效应下可靠性退化是Flash器件中可靠性问题的另一个重要方面。由于采用隧道电流编程时,氧化层中电场很高(107MV/cm),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表现在两个方面:SILC(StressInducedOxideLeakageCurrent)和隧道氧化层的TDDB(Time-De

22、pendentDielectricBreakdown)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,其中一局部电子(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漏电流的增加,即产生SILC效应16。SILC效应一般用于评价较低电场下氧化层的可靠性。当氧化层中电场临近击穿电场时,将发生TDDB效应,即在电场应力作用一定时间后,氧化层将被击穿。研究明确,TDDB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17。SILC和TDDB效应将直接

23、影响到Flash器件的数据保持特性和误擦写,甚至造成FG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与控制编程时应力的波形。6Flash存储器的开展现状和未来趋势经过十几年的开展和集成度的不断提高,Flash存储器成为半导体存储器家族中开展最快的一支,其市场也由1990年的1亿美元增加至1998年的25亿美元。由于每位本钱的不断降低和市场需求的急剧扩X,可以预见,在未来的几年里,Flash存储器仍将以很高的速率增长。ICE预测,从1998年到2003年,Flash存储器的增长率为14.9%,并在2003年实现62亿美元的市场销售额。随着Fla

24、sh市场的不断扩大,世界上一些著名公司之间的争夺也日趋激烈。未来,以ETOX结构为根底的各种新单元结构与新编程机制将会不断出现,这些结构必须具有单元结构小、编程速度高、编程功耗小和可靠性好等特点;在阵列方面,NAND和NOR结构在近期内仍将占主导地位,而DI-NOR、DuSNOR与其它结构有可能在未来几年成为新的热点。为适应便携式的要求和集成电路电源的开展趋势,Flash存储器电源技术将由目前主流的5V向甚至更低转变;在可靠性方面,如此要求耐久性达到106以上;在隧道氧化层、栅间ONO绝缘层等工艺技术和片内升压电路与编程时的可靠性研究方面,将面临着更多的挑战。参考文献:1BrownWD,Bre

25、werJE.NonvolatileSemiconductorMemoryTechnologyM.IEEEPress,1997.2KahngD,SzeSM.AfloatinggateanditsapplicationomemorydevicesJ.ellSystTech,1967;46:1288.4MasuokaF,AssanoM.AnewflashEEPROMcellusingtriplepolysilicontechnologyA.IEEEIEDMC.1984.464-467.5TamS.AhighdensityCMOS1-Telectrically-erasablenon-volatile

26、memeorytechnologyA.SympVLSITechC.1988.31-32.6LuceroEM,ChallaN,FeildsJ.A16k-bitsmart5V-onlyEEPROMwithredundancyJ.IEEEJSolStaCirc,1983;18(10):539-544.7VanHoudtJ.HIMOSahighefficiencyflashEEP-ROMcellforembeddedmemoryapplicationsJ.IEEETransElectronDevice,1993;40(12):2255.8LenzlingerM,SnowEH.Fowler-Nordhe

27、imtunnel-inginthermallygrownSiO2J.JApplPhys,1969;40:278.9HisamuneYS.Ahighcapacitivecouplingration(Hi-CR)cellfor3Vonly64Mbitandfutureflashmemo-riesA.IEEEIEDMC.1993.1922.10OhnakadoT.Novelelectroninjectionmethodusingband-to-bandtunnelinginducedhotelectron(BBHE)forflashmemorywithap-channelcellA.IEDMC.19

28、95.279.11IwataY.Ahigh-densityNANDEEPROMwithblock-pageprogrammingformicroputerapplica-tionsJ.IEEEJSolStaCirc,1990;25(4):417-424.12AjikaB.A5Vonly16MbitflashEEPROMcellwithasimplestackedgatestructureA.IEDMC.1990.115.13KobayashiS.Memoryarrayarchitectureanddecodingschemefor3V-onlysectorerasableDINORflashmemoryJ.IEEEJSolStaCirc,1994;29(4):454-460.14KimKS.AnoveldualstringNOR(DuSNOR)mem-orycelltechnologyscalabletothe256Mbitand1GbitflashmemoryA.IEDMC.1995.263.15DimariaDJ.TrapcreationinsilicondioxideproducedbyhotelectronsJ.JApplPhys,1989;65(6):2342-2355.10 / 10