分離柵極閃存循環(huán)擦寫引起退化分量剖析

SuperFlash®技術(shù)基于分離柵極概念，廣泛用于獨(dú)立和嵌入式NOR閃存產(chǎn)品。與其他競(jìng)爭(zhēng)解決方案相比，SuperFlash的主要優(yōu)勢(shì)包括：因采用較厚的隧道電介質(zhì)層而具有卓越的可靠性、不存在過擦除問題并且設(shè)計(jì)簡(jiǎn)潔。與其他基于浮置柵極(FG)的存儲(chǔ)器類似，SuperFlash的耐燒寫-擦除次數(shù)受燒寫和擦除期間電介質(zhì)層中電子俘獲引起的工作窗口關(guān)閉的限制。在SuperFlash單元中，擦除和燒寫期間會(huì)在隧道氧化層和FG氧化層這兩個(gè)不同的物理位置發(fā)生電子轉(zhuǎn)移。這兩個(gè)區(qū)域中俘獲的電子會(huì)使單元工作窗口在燒寫-擦除周期后縮短。了解這兩個(gè)退化分量的相對(duì)貢獻(xiàn)對(duì)于優(yōu)化單元的技術(shù)和工作條件極其重要。我們提出了一種簡(jiǎn)單快速的方法，能夠分離出SuperFlash單元中循環(huán)擦寫引起的退化分量。

圖1 第3代SuperFlash存儲(chǔ)單元的結(jié)構(gòu)和典型工作條件。圖中給出了兩個(gè)共用源極和擦除柵極的單元。圖中用箭頭指示燒寫(單元1)和擦除(單元2)期間的電子轉(zhuǎn)移情況。WL為字線(選擇柵極)，CG為耦合柵極，EG為擦除柵極，F(xiàn)G為浮置柵極。

SuperFlash單元中循環(huán)擦寫引起的退化分量

圖1給出了第3代SuperFlash單元[3]的結(jié)構(gòu)和典型工作條件。此單元使用源極側(cè)的熱電子注入進(jìn)行燒寫，使用針尖增強(qiáng)的多晶硅到多晶硅電子隧穿進(jìn)行擦除。通常，SuperFlash單元的耐擦寫次數(shù)受擦除側(cè)工作窗口關(guān)閉的限制[4]，表現(xiàn)為已擦除狀態(tài)下單元閾值電壓Vte的增大(圖2)。本技術(shù)中未觀察到與單元相關(guān)、循環(huán)擦寫引起的燒寫故障：?jiǎn)卧谝褵龑憼顟B(tài)下的Vt(Vtp)保持相對(duì)不變，或隨循環(huán)擦寫次數(shù)而略微增大。圖3給出了主要的循環(huán)擦寫引發(fā)機(jī)制，它們負(fù)責(zé)確定單元“0”-“1”工作窗口的行為。

圖2 已擦除狀態(tài)下單元閾值電壓(Vte)和已燒寫狀態(tài)下單元閾值電壓(Vtp)的循環(huán)擦寫過程示例

圖3 循環(huán)擦寫引發(fā)機(jī)制對(duì)單元工作窗口的影響

在燒寫-擦除循環(huán)期間，一些電子被俘獲到FG下面的氧化層(FG氧化層)和隧道氧化層中。圖3的插圖中分別用1和2標(biāo)出了電子俘獲區(qū)域的位置。擦除期間隧道氧化層(位置1)中俘獲的電子會(huì)增加后續(xù)隧穿的位壘并降低隧穿效率，這將導(dǎo)致單元的Vte增大[5]。燒寫期間FG氧化層(位置2)中俘獲的電子對(duì)單元的工作窗口具有雙重影響。首先，它會(huì)使FG“原生Vt”增大，進(jìn)而使單元的Vte和Vtp都增大。其次，它會(huì)降低燒寫效率，從而導(dǎo)致Vtp減小。因此，這兩種循環(huán)擦寫引起的電子俘獲分量均會(huì)導(dǎo)致Vte退化(增大)，而Vtp過程則受兩個(gè)作用相反的機(jī)制影響。在擦除電壓范圍內(nèi)，燒寫-擦除循環(huán)導(dǎo)致擦除期間的EG電壓(Verase)增大，這是達(dá)到特定讀取電流值的必要條件，相關(guān)示例請(qǐng)參見圖4。擦除期間，隧穿電流為常量，Verase等于

圖4 循環(huán)擦寫前和循環(huán)擦寫后單元的讀取電流與擦除電壓的關(guān)系(累積擦除和固定擦除時(shí)間)示例

本文選自《嵌入式技術(shù)特刊》，更多優(yōu)質(zhì)內(nèi)容，馬上下載閱覽

其中，F(xiàn)TV為EG-FG電壓差，F(xiàn)GVt為原生FG閾值電壓，φ0為讀取條件下“超出”FG Vt的FG電勢(shì)(達(dá)到特定讀取電流的必要條件);CR為EG-FG電容耦合系數(shù)。從(1)可以看出，隧穿電壓FTV或FGVt的增大對(duì)Verase具有類 似的作用。上述兩個(gè)擦除退化分量的相對(duì)貢獻(xiàn)取決于許多因素，包括單元的工作和循環(huán)擦寫條件、單元的幾何形狀和工藝過程的參數(shù)等。了解主要退化機(jī)制對(duì)于優(yōu)化 單元工藝和工作條件非常重要，目的是增加SuperFlash的耐擦寫次數(shù)。

圖6 FG電壓和EG電壓、EG-FG電壓差以及流經(jīng)電阻R的電流的時(shí)序圖，對(duì)應(yīng)于公式(2)-(4)

方法說明

要分離FG氧化層和隧道氧化層退化對(duì)觀察到的擦除速度下降情況的影響，需要一個(gè)工具來探測(cè)循環(huán)擦寫引起的原生FG Vt的變化，而不是直接測(cè)量浮置柵極。如上所示，Vtp或Vte過程中包含多個(gè)分量，無法用于得出關(guān)于FG Vt變化的可靠結(jié)論。早期提出了一種利用經(jīng)UV照射后的單元的中性狀態(tài)來監(jiān)視FG溝道退化狀態(tài)的方法[6]，但這種方法并非始終適用于采用致密金屬布局的現(xiàn)代化大規(guī)模FG單元;UV擦除還需要特殊的晶圓生產(chǎn)工藝，并可能導(dǎo)致一些電子逃逸，從而影響測(cè)量結(jié)果。我們提出一種新的快速、非破壞性的電氣方法，這種方法基于隧穿電流穩(wěn)定性在向擦除柵極施加線性斜坡電壓時(shí)的作用[7，8]。

圖7 (a) VEG線性斜坡期間的EG電壓和FG電壓圖;(b) VEG正向變化(曲線1)和反向變化(曲線2)期間測(cè)量的單元電流。曲線3顯示了在直接接觸FG的單元上測(cè)量的Id-VFG參考特性(來自[3])。在 A-B和C-D區(qū)域中，EG-FG電壓差小于對(duì)應(yīng)的隧穿電壓，F(xiàn)G電勢(shì)由EG-FG靜電耦合控制。

圖5顯示了SuperFlash單元的簡(jiǎn)化R-C圖及其等效電路。其中，C1為EG-FG電容，C2為總FG電容與CFG-EG的差值，R為有效隧穿電阻。VEG線性斜坡(VEG=αt)和歐姆電阻R組成的等效電路中的瞬變具有簡(jiǎn)單的閉環(huán)解決方案：