多次可編程非易失性存儲(chǔ)器的數(shù)據(jù)保持能力測(cè)試及其激活能分析

引言

存儲(chǔ)器是一種在信息技術(shù)中廣泛用于存儲(chǔ)數(shù)據(jù)、程序的具有記憶功能的裝置，成本、功耗、速度、容量和可靠性是存儲(chǔ)器的核心性能指標(biāo)。按照其對(duì)信息的保存特性，存儲(chǔ)器可以分為非易失性存儲(chǔ)器(NVM)和易失性存儲(chǔ)器兩類。易失性存儲(chǔ)器掉電后存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)也會(huì)隨之丟失，需要不斷對(duì)存儲(chǔ)器進(jìn)行更新以保持?jǐn)?shù)據(jù)的穩(wěn)定。NVM即使掉電后存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)也不會(huì)丟失【1】。NVM既可以作為—個(gè)獨(dú)立單元 ，也可以作為模塊成為芯片的一部分 ，又稱為嵌入式非易失性存儲(chǔ)器(eNVM)。隨著微控制器( MCU)和電源管理芯片(PMIC)的數(shù)量不斷增長(zhǎng)，對(duì)嵌入式存儲(chǔ)器的需求與日俱增，可存儲(chǔ)用戶和產(chǎn)品信息、 安全密鑰、校準(zhǔn)參數(shù)、配置信息和程序代碼等關(guān)鍵信患。

eNVM的主流技術(shù)包括嵌入式閃存(eFlash)、一次可編程(OTP)NVM和多次可編程(MTP)NVM。eFlash是業(yè)界應(yīng)用最廣泛的嵌入式非易失性存儲(chǔ)技術(shù)，其性能優(yōu)越、可靠性高、存儲(chǔ)單元面積小。但該技術(shù)工藝兼容性差，需要在邏輯工藝的集成上增加額外的掩模板和工藝步驟，晶圓成本高、開發(fā)周期長(zhǎng)。OTP的主要優(yōu)勢(shì)在于其工藝兼容性強(qiáng)，在現(xiàn)有的制造技術(shù)上不需要額外的工藝步驟即可實(shí)現(xiàn)非易失性存儲(chǔ)，但它的劣勢(shì)是僅支持一次編程，不可反復(fù)進(jìn)行編程。MTP eNVM則兼具eFlash的靈活性、 高性能和OTP的工藝高兼容性。其重復(fù)擦寫次數(shù)可以達(dá)到104次以上， 容量也可以達(dá)到1Mibit。在現(xiàn)今的eNVM市場(chǎng)中，MTP存儲(chǔ)器的市場(chǎng)占有份額每年增長(zhǎng)超過30%[2]， 這意味著MTP技術(shù)已經(jīng)得到市場(chǎng)越來(lái)越來(lái)廣泛的認(rèn)可，并得到了越來(lái)越多的應(yīng)用。

數(shù)據(jù)保持能力是衡量eNVM性能的重要指標(biāo)，目前，對(duì)于驗(yàn)證NVM數(shù)據(jù)保持能力的方法，國(guó)內(nèi)外已經(jīng)有不少相關(guān)的研究或標(biāo)準(zhǔn)，如JEDEC固態(tài)技術(shù)協(xié)會(huì)制定的JESD22-A117C[3] 和JESD47H[4]， 中國(guó)電子技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)化研究院牽頭制定的GB/T 35003—2018：《非易失性存儲(chǔ)器耐久和數(shù)據(jù)保持試驗(yàn)方法》[5]等，但大多數(shù)主要集中在相變存儲(chǔ)器[6]、Flash存儲(chǔ)器[7-8]等的數(shù)據(jù)保持能力，而對(duì)MTP存儲(chǔ)器的數(shù)據(jù)保持能力卻鮮有研究。

MTP存儲(chǔ)器的數(shù)據(jù)保持能力不僅要求在高溫條件下能夠保持?jǐn)?shù)據(jù)不丟失，而且要能夠保持很長(zhǎng)的時(shí)間，因而不僅要研究MTP存儲(chǔ)器的可靠性，還要能夠計(jì)算出MTP存儲(chǔ)器的數(shù)據(jù)保持時(shí)間，這對(duì)合理拓寬MTP存儲(chǔ)器溫度應(yīng)用范圍及使用壽命有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

基于上述分析， 本文以成都銳成芯微科技股份有限公司的MTP存儲(chǔ)器為例， 對(duì)該存儲(chǔ)器的存儲(chǔ)單元架構(gòu)設(shè)計(jì)、數(shù)據(jù)保持能力測(cè)試及激活能計(jì)算3個(gè)方面展開分析， 重點(diǎn)闡述了MTP存儲(chǔ)器的數(shù)據(jù)保持能力測(cè)試及激活能計(jì)算。

1、MTP存儲(chǔ)單元結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

成都銳成芯微科技股份有限公司的MTP存儲(chǔ)單元結(jié)構(gòu)如圖1所示，圖中BL為位線，WL為字線，NW為n阱，CG為控制柵，F(xiàn)G為浮柵，COM為源端接口。相比于傳統(tǒng)的1T1C結(jié)構(gòu)(NMOS晶體管)，該存儲(chǔ)單元采用2T1C結(jié)構(gòu)(2個(gè)PMOS晶體管加1個(gè)NMOS Cap電容)。一個(gè)PMOS用作選通管，通過WL控制選中和關(guān)斷;另1個(gè)PMOS用作存儲(chǔ)管，其多晶硅柵是浮柵，周圍被電介質(zhì)層包住，防止注入的電荷泄漏。位于P阱(PW)里面的NMOS電容和存儲(chǔ)管的多晶硅柵共享，形成兩個(gè)電容的耦合效果，因此，可以通過該NMOS電容對(duì)PMOS存儲(chǔ)管浮柵上的電壓進(jìn)行控制。該存儲(chǔ)單元的另一重要特性在于PW被深n阱 (DNW)包圍，這樣PW可以施加不同于襯底的電位。

圖1 MTP存儲(chǔ)單元結(jié)構(gòu)示意圖

MTP存儲(chǔ)器本質(zhì)上和eFlash相似，都是基于浮柵來(lái)存儲(chǔ)電荷。但不同于eFlash單獨(dú)開發(fā)工藝平臺(tái)，MTP存儲(chǔ)器屬于寄生器件，其一般不能改變既定的平臺(tái)工藝步驟。而不同工藝平臺(tái)制備的MTP存儲(chǔ)器的浮柵周圍環(huán)境相差很大，比如隧穿氧化層(通常是3.3 V器件或5 V器件的柵氧層)，側(cè)墻氧化層/氮化物層、刻蝕阻止層等結(jié)構(gòu)都存在差異，進(jìn)而對(duì)MTP存儲(chǔ)器數(shù)據(jù)保持能力，即非易失性，產(chǎn)生很大的影響。而MTP存儲(chǔ)器在不同工藝平臺(tái)上數(shù)據(jù)保持能力的差異為產(chǎn)品壽命和可靠性的計(jì)算帶來(lái)了困擾。因此，需要一種有理論支持并通用可行的測(cè)試方法來(lái)快速標(biāo)定MTP存儲(chǔ)器在不同工藝平臺(tái)上的數(shù)據(jù)保持能力。

本研究發(fā)現(xiàn)，存儲(chǔ)器領(lǐng)域的高溫測(cè)試?yán)碚撊匀贿m用于MTP存儲(chǔ)器測(cè)試。通過試驗(yàn)，重點(diǎn)驗(yàn)證了高溫對(duì)MTP存儲(chǔ)單元數(shù)據(jù)保持能力的影響。

2、MTP存儲(chǔ)器的數(shù)據(jù)保持能力測(cè)試及其激活能計(jì)算

為了驗(yàn)證自主設(shè)計(jì)的MTP存儲(chǔ)器性能并計(jì)算其使用壽命，基于180nm BCD工藝設(shè)計(jì)開發(fā)了容量為32Kibit的MTP存儲(chǔ)器，通過試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析驗(yàn)證其可靠性并對(duì)其激活能進(jìn)行了計(jì)算。

本次試驗(yàn)用到的設(shè)備包括半導(dǎo)體分析測(cè)試儀、防震可升降溫半導(dǎo)體器件探針臺(tái)、高精度高溫烤箱、存儲(chǔ)器分析測(cè)試儀、測(cè)試機(jī)臺(tái)負(fù)載板和現(xiàn)場(chǎng)可編程邏輯門陣列(FPGA)控制板等。

2.1可靠性驗(yàn)證

常規(guī)消費(fèi)類芯片和元器件的工作溫度只需要達(dá)到0～70℃。但對(duì)于汽車類芯片和元器件，其工作溫度范圍要求比較寬，根據(jù)不同的安裝位置等有不同的需求，但一般都要高于一般民用產(chǎn)品的要求，比如發(fā)動(dòng)機(jī)艙要求-40～150℃，車身控制要求-40～125℃。MTP存儲(chǔ)器作為NVM的一種， 其可靠性驗(yàn)證流程如圖2所示。完整的可靠性驗(yàn)證包括高溫工作壽命(HTOL)測(cè)試、高溫?cái)?shù)據(jù)保持(HTDR)能力和常溫?cái)?shù)據(jù)保持(LTDR)能力測(cè)試，而HTDR能力測(cè)試最能反映器件的非易失性，因此重點(diǎn)對(duì)MTP存儲(chǔ)器的HTDR能力測(cè)試進(jìn)行試驗(yàn)設(shè)計(jì)和驗(yàn)證。HTDR能力測(cè)試是對(duì)在常溫條件下進(jìn)行過104次重復(fù)編程和擦除的MTP存儲(chǔ)器進(jìn)行進(jìn)一步高溫測(cè)試，HTDR能力測(cè)試樣品的重復(fù)編程和擦除循環(huán)數(shù)據(jù)如圖3所示， 圖中I為MTP存儲(chǔ)器的電流。

圖2 可靠性驗(yàn)證流程圖

圖3 HTDR能力測(cè)試樣品的104次重復(fù)編程和擦除循環(huán)數(shù)據(jù)

HTDR能力測(cè)試是將上述經(jīng)過104次重復(fù)編程和擦除的MTP存儲(chǔ)器樣品放置于150℃ 烤箱進(jìn)行高溫烘烤，模擬各類芯片和元器件在高溫工作條件下的可靠性試驗(yàn)，并在第0、24、168、500以及1000h測(cè)試MTP存儲(chǔ)器的電流特性，HTDR能力測(cè)試結(jié)果如圖4所示。從圖中可以看出，在經(jīng)過1000h的高溫烘烤之后，MTP存儲(chǔ)器在編程和擦除過程中具有很好的電流特性，編程端和擦除端的電流并沒有明顯的變化，還保持很好的電流特性，這表明MTP存儲(chǔ)器具有很好的高溫?cái)?shù)據(jù)保持能力。

圖4 MTP存儲(chǔ)器的HTDR能力測(cè)試結(jié)果

2.2MTP存儲(chǔ)器的激活能計(jì)算

考慮到MTP存儲(chǔ)器的使用環(huán)境和應(yīng)用，認(rèn)為溫度是影響MTP存儲(chǔ)器產(chǎn)品老化及使用壽命的重要影響因素，采用單純考慮熱加速因子效應(yīng)而推導(dǎo)出的Arrhenius模型[9]來(lái)描述測(cè)試結(jié)果，其預(yù)估到的結(jié)果更接近真實(shí)值，模擬試驗(yàn)達(dá)到的效果更好，計(jì)算出的使用壽命更接近真實(shí)值。因此，通過試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果并根據(jù)Arrhenius模型計(jì)算激活能來(lái)表征產(chǎn)品受溫度影響下的使用壽命。

通過2.1節(jié)的分析可以看出，該MTP eNVM在高溫150 ℃條件下具有很好的數(shù)據(jù)保持能力，因此本次試驗(yàn)設(shè)計(jì)分別在100、125和150 ℃條件下取3個(gè)編程過的樣品進(jìn)行高溫烘烤來(lái)加速M(fèi)TP失效，并定義標(biāo)號(hào)U1~U3為100 ℃下的高溫烘烤樣品，U4~U6為125 ℃下的高溫烘烤樣品，U7~U9為150 ℃下的高溫烘烤樣品，然后分別在0.1、2、24、168和500h后讀取電流值，并分別記錄在不同溫度烘烤時(shí)間(tb)下樣品的電流(I)值，9個(gè)樣品的高溫烘烤測(cè)試數(shù)據(jù)如表1所示。

對(duì)以上數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合可得出I與tb的對(duì)數(shù)函數(shù)擬合曲線，如圖5~7所示。這些對(duì)數(shù)函數(shù)擬合關(guān)系可以用來(lái)計(jì)算對(duì)應(yīng)溫度下樣品的使用壽命。

圖5 100℃樣品的使用壽命擬合曲線

圖6 125℃樣品的使用壽命擬合曲線圖6 125℃樣品的使用壽命擬合曲線

圖7 150℃樣品的使用壽命擬合曲線

將MTP存儲(chǔ)器的讀操作與參考存儲(chǔ)單元進(jìn)行比較，參考存儲(chǔ)單元編程電流一般取值是 MTP存儲(chǔ)器的50%，考慮到編程后電流分布范圍占最大電流值的20%左右，由此可知參考存儲(chǔ)單元電流為最大電流值的40%~60%，而MTP存儲(chǔ)器編程后電流為最大電流值的 80%~100%，因此MTP存儲(chǔ)器電流降低20%可能就會(huì)出現(xiàn)失效情況，本次試驗(yàn)設(shè)計(jì)采用更加嚴(yán)格的標(biāo)準(zhǔn)，假設(shè)經(jīng)過高溫烘烤電流降低15%為樣品的使用壽命極限，代入上述對(duì)數(shù)函數(shù)擬合關(guān)系，可以計(jì)算出電流降低15% 時(shí)所對(duì)應(yīng)的產(chǎn)品使用壽命，表2為9個(gè)樣品分別在烘烤溫度100、125和150℃下的使用壽命計(jì)算值，表中T為熱力學(xué)溫度。

根據(jù)Arrhenius模型[9]

式中：AF為加速因子;Ea為激活能;k為玻爾茲曼常數(shù)，值為8.62×10-5 eV/K;Tl為正常使用下的熱力學(xué)溫度;Th為加速壽命測(cè)試時(shí)的環(huán)境應(yīng)力溫度。MTP受溫度的影響符合Arrhenius指數(shù)模型，則對(duì)應(yīng)溫度下MTP的使用壽命(t1)特征方程[10-11]為

式中A為常量。對(duì)上述1/T與使用壽命進(jìn)行擬合，可以得到如圖8所示 Ea的擬合曲線。

圖8 Ea的擬合曲線

通過圖8可以得到擬合關(guān)系式

與式(2)對(duì)比可以得到

因此

已知k=8.62×10-5eV/K，計(jì)算可得Ea為1.12 eV。

總結(jié)

通過前文分析，對(duì)180 nm BCD工藝設(shè)計(jì)開發(fā)的32 Kibit容量MTP存儲(chǔ)器進(jìn)行了可靠性分析及使用激活能計(jì)算。該MTP存儲(chǔ)器具有很好的可靠性，經(jīng)過104次重復(fù)編程和擦除循環(huán)后編程端和擦除端的電流并沒有明顯的變化，具有很好的數(shù)據(jù)保持能力。通過高溫老化加速試驗(yàn)，分別計(jì)算出100、125和150℃下樣品編程狀態(tài)電流降低15%的使用壽命，并對(duì)1/T與使用壽命進(jìn)行擬合，根據(jù)Arrhenius模型計(jì)算出該MTP存儲(chǔ)器的激活能為1.12 eV。