湘潭大学论文
题 目： 关于Flash存储器的技术和发展
学 院：专 业：学 号：姓 名：完成日期：
材料与光电物理学院 微电子学 2010700518 李翼缚
2014.2.24
1
目 录
1 引 言 .................................................................................................................................. 4 2 Flash 存储器的基本工作原理 ........................................................................................... 4 3 Flash存储器的编程机制 ....................................................................................................... 5
3.1 沟道热电子注入(CHE)................................................................................................. 5 3.2 F-N隧穿效应(F-NTunneling) ...................................................................................... 6 4 Flash存储器的单元结构 ....................................................................................................... 6 5 Flash存储器的可靠性 ........................................................................................................... 7
5.1 CHE编程条件下的可靠性机制 .................................................................................. 8 5.2 隧道氧化层高场应力下的可靠性机制 ....................................................................... 8 6 Flash存储器的发展现状和未来趋势 ................................................................................... 9
参考文献: ...................................................................................................................... 10
2
关于Flash存储器的技术和发展
摘要:Flash 存储器是在20世纪80年代末逐渐发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、低成本、高可靠性和在系统的电可擦除性等优点, 是当今半导体存储器市场中发展最为迅速的一种存储器。文章对 F lash 存储器的发展历史和工作机理、单元结构与阵列结构、可靠性、世界发展的现状和未来趋势等进行了深入的探讨。
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 Development
Abstract: As a 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, programming 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 ; ETOX
3
1 引 言
随着微电子技术和计算机技术的迅速发展, 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。
不挥发性存储器的发展经历了从ROM、PROM、EEPROM到Flash存储器的各个阶段。Fl ash存储器是在20世纪80年代末逐渐发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、低成本和高可靠性。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 体存储器市场中发展最为迅速的一种, 它广泛应用于PCBIOS、数字蜂窝电话、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存储器的发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, 发展更小尺寸的存储单元,小尺寸器件的可靠性问题以及外围高低压CMOS兼容工艺的开发将显得尤为重要。本文将介绍F lash存储器的发展历史和工作机理、单元结构与阵列结构、可靠性、世界发展的现状和未来趋势等。
2 Flash 存储器的基本工作原理
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。本文主要对浮栅器件进行论述。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。后来发展的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成本。为提高使用的便利性,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发展。1985年,Exel
4
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ETOX[5](ElectronTunnelingOxidedevice)结构,至今,大部分新的结构都是从它的基础上发展而来。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”。
3 Flash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-Nordheim)隧穿效应和沟道热电子注入
CHE(ChannelHotElectronInjection)两种。其它的,如SSI及增强注入等,都是在其基础上发展而来的,其基本机理类似,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3.2eV的氧化层电子势垒,形成热电子注入。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)。写操作时,选择栅
5