多次可編程非易失性存儲器的數據保持能力測試及其激活能分析

引言

存儲器是一種在信息技術中廣泛用于存儲數據、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器的核心性能指標。按照其對信息的保存特性，存儲器可以分為非易失性存儲器(NVM)和易失性存儲器兩類。易失性存儲器掉電后存儲的數據也會隨之丟失，需要不斷對存儲器進行更新以保持數據的穩(wěn)定。NVM即使掉電后存儲的數據也不會丟失【1】。NVM既可以作為—個獨立單元 ，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器(eNVM)。隨著微控制器( MCU)和電源管理芯片(PMIC)的數量不斷增長，對嵌入式存儲器的需求與日俱增，可存儲用戶和產品信息、 安全密鑰、校準參數、配置信息和程序代碼等關鍵信患。

eNVM的主流技術包括嵌入式閃存(eFlash)、一次可編程(OTP)NVM和多次可編程(MTP)NVM。eFlash是業(yè)界應用最廣泛的嵌入式非易失性存儲技術，其性能優(yōu)越、可靠性高、存儲單元面積小。但該技術工藝兼容性差，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。OTP的主要優(yōu)勢在于其工藝兼容性強，在現有的制造技術上不需要額外的工藝步驟即可實現非易失性存儲，但它的劣勢是僅支持一次編程，不可反復進行編程。MTP eNVM則兼具eFlash的靈活性、 高性能和OTP的工藝高兼容性。其重復擦寫次數可以達到104次以上， 容量也可以達到1Mibit。在現今的eNVM市場中，MTP存儲器的市場占有份額每年增長超過30%[2]， 這意味著MTP技術已經得到市場越來越來廣泛的認可，并得到了越來越多的應用。

數據保持能力是衡量eNVM性能的重要指標，目前，對于驗證NVM數據保持能力的方法，國內外已經有不少相關的研究或標準，如JEDEC固態(tài)技術協會制定的JESD22-A117C[3] 和JESD47H[4]， 中國電子技術標準化研究院牽頭制定的GB/T 35003—2018：《非易失性存儲器耐久和數據保持試驗方法》[5]等，但大多數主要集中在相變存儲器[6]、Flash存儲器[7-8]等的數據保持能力，而對MTP存儲器的數據保持能力卻鮮有研究。

MTP存儲器的數據保持能力不僅要求在高溫條件下能夠保持數據不丟失，而且要能夠保持很長的時間，因而不僅要研究MTP存儲器的可靠性，還要能夠計算出MTP存儲器的數據保持時間，這對合理拓寬MTP存儲器溫度應用范圍及使用壽命有重要的現實意義。

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存儲器為例， 對該存儲器的存儲單元架構設計、數據保持能力測試及激活能計算3個方面展開分析， 重點闡述了MTP存儲器的數據保持能力測試及激活能計算。

1、MTP存儲單元結構設計

成都銳成芯微科技股份有限公司的MTP存儲單元結構如圖1所示，圖中BL為位線，WL為字線，NW為n阱，CG為控制柵，FG為浮柵，COM為源端接口。相比于傳統的1T1C結構(NMOS晶體管)，該存儲單元采用2T1C結構(2個PMOS晶體管加1個NMOS Cap電容)。一個PMOS用作選通管，通過WL控制選中和關斷;另1個PMOS用作存儲管，其多晶硅柵是浮柵，周圍被電介質層包住，防止注入的電荷泄漏。位于P阱(PW)里面的NMOS電容和存儲管的多晶硅柵共享，形成兩個電容的耦合效果，因此，可以通過該NMOS電容對PMOS存儲管浮柵上的電壓進行控制。該存儲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存儲單元結構示意圖

MTP存儲器本質上和eFlash相似，都是基于浮柵來存儲電荷。但不同于eFlash單獨開發(fā)工藝平臺，MTP存儲器屬于寄生器件，其一般不能改變既定的平臺工藝步驟。而不同工藝平臺制備的MTP存儲器的浮柵周圍環(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)，側墻氧化層/氮化物層、刻蝕阻止層等結構都存在差異，進而對MTP存儲器數據保持能力，即非易失性，產生很大的影響。而MTP存儲器在不同工藝平臺上數據保持能力的差異為產品壽命和可靠性的計算帶來了困擾。因此，需要一種有理論支持并通用可行的測試方法來快速標定MTP存儲器在不同工藝平臺上的數據保持能力。

本研究發(fā)現，存儲器領域的高溫測試理論仍然適用于MTP存儲器測試。通過試驗，重點驗證了高溫對MTP存儲單元數據保持能力的影響。

2、MTP存儲器的數據保持能力測試及其激活能計算

為了驗證自主設計的MTP存儲器性能并計算其使用壽命，基于180nm BCD工藝設計開發(fā)了容量為32Kibit的MTP存儲器，通過試驗數據分析驗證其可靠性并對其激活能進行了計算。

本次試驗用到的設備包括半導體分析測試儀、防震可升降溫半導體器件探針臺、高精度高溫烤箱、存儲器分析測試儀、測試機臺負載板和現場可編程邏輯門陣列(FPGA)控制板等。

2.1可靠性驗證

常規(guī)消費類芯片和元器件的工作溫度只需要達到0～70℃。但對于汽車類芯片和元器件，其工作溫度范圍要求比較寬，根據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品的要求，比如發(fā)動機艙要求-40～150℃，車身控制要求-40～125℃。MTP存儲器作為NVM的一種， 其可靠性驗證流程如圖2所示。完整的可靠性驗證包括高溫工作壽命(HTOL)測試、高溫數據保持(HTDR)能力和常溫數據保持(LTDR)能力測試，而HTDR能力測試最能反映器件的非易失性，因此重點對MTP存儲器的HTDR能力測試進行試驗設計和驗證。HTDR能力測試是對在常溫條件下進行過104次重復編程和擦除的MTP存儲器進行進一步高溫測試，HTDR能力測試樣品的重復編程和擦除循環(huán)數據如圖3所示， 圖中I為MTP存儲器的電流。

圖2 可靠性驗證流程圖

圖3 HTDR能力測試樣品的104次重復編程和擦除循環(huán)數據

HTDR能力測試是將上述經過104次重復編程和擦除的MTP存儲器樣品放置于150℃ 烤箱進行高溫烘烤，模擬各類芯片和元器件在高溫工作條件下的可靠性試驗，并在第0、24、168、500以及1000h測試MTP存儲器的電流特性，HTDR能力測試結果如圖4所示。從圖中可以看出，在經過1000h的高溫烘烤之后，MTP存儲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存儲器具有很好的高溫數據保持能力。

圖4 MTP存儲器的HTDR能力測試結果

2.2MTP存儲器的激活能計算

考慮到MTP存儲器的使用環(huán)境和應用，認為溫度是影響MTP存儲器產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而推導出的Arrhenius模型[9]來描述測試結果，其預估到的結果更接近真實值，模擬試驗達到的效果更好，計算出的使用壽命更接近真實值。因此，通過試驗測試結果并根據Arrhenius模型計算激活能來表征產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據保持能力，因此本次試驗設計分別在100、125和150 ℃條件下取3個編程過的樣品進行高溫烘烤來加速MTP失效，并定義標號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間(tb)下樣品的電流(I)值，9個樣品的高溫烘烤測試數據如表1所示。

對以上數據進行擬合可得出I與tb的對數函數擬合曲線，如圖5~7所示。這些對數函數擬合關系可以用來計算對應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存儲器的讀操作與參考存儲單元進行比較，參考存儲單元編程電流一般取值是 MTP存儲器的50%，考慮到編程后電流分布范圍占最大電流值的20%左右，由此可知參考存儲單元電流為最大電流值的40%~60%，而MTP存儲器編程后電流為最大電流值的 80%~100%，因此MTP存儲器電流降低20%可能就會出現失效情況，本次試驗設計采用更加嚴格的標準，假設經過高溫烘烤電流降低15%為樣品的使用壽命極限，代入上述對數函數擬合關系，可以計算出電流降低15% 時所對應的產品使用壽命，表2為9個樣品分別在烘烤溫度100、125和150℃下的使用壽命計算值，表中T為熱力學溫度。

根據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，值為8.62×10-5 eV/K;Tl為正常使用下的熱力學溫度;Th為加速壽命測試時的環(huán)境應力溫度。MTP受溫度的影響符合Arrhenius指數模型，則對應溫度下MTP的使用壽命(t1)特征方程[10-11]為

式中A為常量。對上述1/T與使用壽命進行擬合，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可以得到擬合關系式

與式(2)對比可以得到

因此

已知k=8.62×10-5eV/K，計算可得Ea為1.12 eV。

總結

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