在图四中,ec 和 ev 分别是导带和禁带,Eg 为能带宽度 (硅材料是1.1 eV ), fb 为Si-SiO2 能量势垒 (fb is 3.2 eV for electrons and 4.7 eV for holes). 外加电压 Vcg 造成电势提供给substrate中的电子通过薄氧化层中的隧道到达浮栅区的可能。弯曲的IPD和门氧化层能带是不同的,这是由于它们的厚度不同。IPD厚度从25nm到45nm不等,而门氧化层厚度只有5nm到12nm。电子到达浮栅区而形成的电流密度为:
其中, h = 普朗克常数 = 诸如表面能量势垒 (3.2 eV for Si-SiO2) q = 单个电子电量 (1.6x10-19 C) m = 自由电子质量 (9.1x10-31 kg) m* = 二氧化硅能带中自由电子有效质量 (0.42 m) Vinj = 注入表面电势 Vapp = 门氧化层两侧电势 (V) Vfb = 平带电势(V) tox = 门氧化层厚度 (cm)
Vb. 数据保持能力特性 当一个NVM单元无法保持浮栅中的电荷量时,我们称之为数据保持能力的丧失。数据保持能力是衡量一个NVM存储器单元在无电源供应情况下可以保持数据的时间。在浮栅型存储器中,存储在浮栅区的电荷会通过门氧化层和IPD流失。由自由电子(离子)移动和氧化层中缺陷所产生的漏电流,会导致单元阈值电压的改变。不同的电子流失方式有:温度引起的电离,电子中和,由于正离子污染引发的流失。为了提高单元的保持数据能力,人们采用了不同的手段来提高门氧化层和IPD的质量。 数据保持能力可以用估计生命周期来量化,当电荷流失发生时,单元的阈值电压变化如下:
表格一,数据保持时间与ILeakage 由表一可以看出普通的NVM阈值电压降低3V,漏电流为2.85x10-22 A的情况下总共需要10年。 Vc存储器干扰 大规模的在生产中使用NVM需要他们具有10年以上的数据保持能力。一个存储器单元阵列在编程和擦除中经受stress被称为干扰。具体而言有四种:dc erase, dc program, program disturb,和read disturb。在编程过程中最常见的两种干扰是dc program和program disturb,在擦除过程中最常见的则是dc erase,最后在读过程中的干扰被称为read disturb。图十六展示了一个存储器单元阵列电路图,它将被用于解释干扰现象。
图十六,用于解释干扰现象的电路图 在上图中,存储器单元阵列的列连接着每个单元的漏极,(COL 1, COL 2, and COL 3) 被称为位线,而阵列的行连接着每个单元的控制门极 (ROW 0 and ROW 1) 被称为字线。在前面关于热电子注入的讨论中已经说过,在对存储器编程时需要同时在位线和字线加载电压。
下面来讨论这四种不同的干扰: 1) DC Erase: 这种类型的干扰通常发生在已经被编程的单元(Cell A)。那些在与被编程的单元在同一条字线 (ROW 1) 的单元正在被编程(COL 2 and ROW 1)。在此期间ROW 1 被加载一个高电压15 V,由此产生的一个高电场出现在IPD的两侧。这个电压可能导致电子从浮栅区移动到控制门区,结果是电荷流失造成单元的阈值电压减小。 2) DC Program: 也被称为gate disturb,发生于当未被编程的或者已擦除的单元 (Cell B)。这些未编程的单元与正在被编程的单元在同一字线上 (ROW 1) 。这些单元只有很少量的电子在浮栅中,因此他们的阈值电压是低电平的。当ROW1加载15V时,通过门极氧化层的电场变得被得很强,这一电场可能导致电子进入浮栅区从而提高阈值电压。这种情况下,我们称之为软编程。 3) Program Disturb: 通常也成为drain-disturb,只发生于被编程过的单元。一个被编程过的单元 (Cell C) 与正在被编程的单元 (COL 2 和 ROW 1)共享一条位线。在它的浮栅/漏极区有一个高电场存在。这一高电场导致了电子从浮栅区移向漏极区从而导致阈值电压减小。 4) Read Disturb: 这种干扰机制发生于与正在被读的单元共享一条字线的擦除过的单元。共享的字线上的擦除电压为5V,被选中的单元漏极偏置为1V,未选择单元的源极,漏极,和substrate均为0V。
VI. 结论 本文主要介绍了NVM的发展过程和技术概况。主要的编程手段有热载流子注入和FN隧道效应。在FN隧道效应中,门极氧化层厚度一般小于12nm,而在热电子注入中可以厚很多。两种典型的擦除机制为紫外照射和FN隧道效应,通常在UV EPROM中使用紫外照射擦除的方法,而在EEPROM和FLASH存储器中则使用了FN隧道效应擦除机制。紫外擦除所需的时间一般为10分钟而FN隧道效应擦除的时间根据控制门极和漏极上加载的电压强度不同仅为1ms到10ms。最快的编程机制是热电子注入,一般只需100ms。在此过程中,我们讨论了幸运电子模型,这个模型揭示了门电流是如何通过可能性模型来计算的过程。虽然注入的效率很低,但将热电子注入浮栅的过程是很快的,这是因为有外加强电场的作用。对于每个NVM器件来说,可靠性的问题都存在,而耐久力和数据保持力是最重要的两个问题。此外,在编程中和擦除中产生的干扰也是影响NVM可靠性的一个因素。