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(guò)擦除問(wèn)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(guò)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(guò)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(jiàn)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(guò)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(shuō)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(lái)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(guò)程中包含多個(gè)分量，無(wú)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(lái)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(lái)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：[!--empirenews.page--]

隧穿電流IR和EG-FG電壓差均達(dá)到其穩(wěn)定值(分別為αC2和αRC2)，時(shí)間常量為R(C1+C2)，請(qǐng)參見(jiàn)圖6。對(duì)于隧穿I-V特性曲線為任意形狀的實(shí)際FG單元，穩(wěn)定后的隧穿電流值相同(αC2)，穩(wěn)定后的VEG-VFG之差對(duì)應(yīng)于隧穿I-V曲線中的某個(gè)點(diǎn)。這種情況下的時(shí)間常量由隧穿I-V 特性的差分電阻定義。

圖7(a)顯示了使用非歐姆隧道電阻時(shí)施加的EG電壓和FG電勢(shì)的時(shí)序圖。為監(jiān)視VEG變化期間FG電勢(shì)的變化情況，WL溝道需保持開(kāi)路(3V)，并向漏極施加一個(gè)較小的正向偏置電壓(見(jiàn)圖7(a)中的插圖)。起點(diǎn)為單元的已編程狀態(tài)(A點(diǎn)，F(xiàn)G負(fù)電勢(shì))

圖8 不同VEG擺幅下測(cè)量的FTV-RTV遲滯回路。曲線1(±10V)，曲線2(±11V)。曲線6(±15V)。箭頭指示EG電壓斜升的方向。曲線1說(shuō)明了相對(duì)較淺擦除狀態(tài)作為起點(diǎn)時(shí)的情況：隧穿開(kāi)始前，F(xiàn)G溝道由EG-FG電容耦合關(guān)斷。

在A-B間隔內(nèi)，F(xiàn)G電勢(shì)因EG-FG電容耦合而增加，即，它以低于EG電壓的速率增大;這樣便產(chǎn)生了EG-FG電壓差。一旦此壓降增大至足以啟動(dòng) FG至EG(B點(diǎn))的電子隧穿，EG-FG電壓差和隧穿電流都將保持穩(wěn)定。VEG反向變化期間也會(huì)出現(xiàn)類似效果。VEG線性斜坡期間，當(dāng)隧穿電流保持穩(wěn)定時(shí)，EG-FG電壓差也會(huì)處于穩(wěn)定狀態(tài)，這樣，F(xiàn)G電勢(shì)便會(huì)直接跟隨施加的EG電壓并帶有一些偏移量。當(dāng)VEG為正時(shí)，F(xiàn)G電勢(shì)等于正向隧穿電壓(FTV);當(dāng)VEG為負(fù)時(shí)，F(xiàn)G電勢(shì)等于反向隧穿電壓(RTV)(圖7(b))。在穩(wěn)定隧穿狀態(tài)下，由于EG電壓的任何增量都會(huì)直接傳遞給FG電勢(shì)的變化，因此測(cè)量的Id-VEG曲線的形狀與Id-VFG特性曲線的形狀相同，此特性曲線可在直接接觸浮置柵極的單元上測(cè)量(圖7(b)中的曲線3)。

我們最初使用上述方法來(lái)研究SuperFlash 單元中正向和反向EG-FG隧穿的不對(duì)稱性[3]。FTV-RTV不對(duì)稱性(FTV 《 RTV)表示擦除期間在FG尖端發(fā)生電子隧穿。反向隧穿很可能發(fā)生在不同位置，因?yàn)镕G尖端附近EG處的電場(chǎng)弱于FG-EG側(cè)壁處的電場(chǎng)。由于隧道氧化層中的各區(qū)域(正向隧穿和反向隧穿期間會(huì)在其中發(fā)生電子轉(zhuǎn)移)不同，因此常規(guī)燒寫-擦除循環(huán)后的FTV往往會(huì)因隧道氧化層中發(fā)生的電子俘獲而增大，而RTV 則保持相對(duì)不變。如果VEG的范圍寬到足以確保在VEG三角形范圍的極點(diǎn)處進(jìn)行單元深度擦除和燒寫，則Id-VEG遲滯回路正向側(cè)和反向側(cè)的X軸位置對(duì) FG上的初始電荷量不敏感(圖8)，并且僅由FTV/RTV和FG Vt值定義。當(dāng)因FG氧化層中發(fā)生燒寫引起的電子俘獲而使FG Vt增大時(shí)，回路兩側(cè)均會(huì)右移相同電壓。回路右側(cè)(FTV)也會(huì)因隧道氧化層中的電子俘獲而移向更高的電壓。

圖9 循環(huán)擦寫后FTV-RTV遲滯回路偏移示例：(a) 未優(yōu)化的編程條件，F(xiàn)G溝道顯著退化;(b) 優(yōu)化了工藝和工作條件，F(xiàn)G溝道和隧道氧化層略微退化;(c) 以VEG=±12V進(jìn)行循環(huán)擦寫，無(wú)溝道退化，因此，假設(shè)RTV不隨循環(huán)擦寫變化，循環(huán)擦寫引起的反向特性正移(圖7(b)中的曲線2)表示第一個(gè)退化分量(FG氧化層Vt增大)，而正向側(cè)的偏移(圖7(b)中的曲線1)表示FG氧化層和隧道氧化層退化的聯(lián)合作用。

實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和討論

前幾代SuperFlash技術(shù)依靠源極-FG電容耦合來(lái)提供必要的高FG電勢(shì)，從而實(shí)現(xiàn)高燒寫效率[1]。如果燒寫期間的SL電壓較高(8V- 10V)，則熱電子會(huì)引起FG氧化層發(fā)生顯著退化。在第3代SuperFlash單元中，由于存在額外的耦合柵極(CG)，因此可將編程期間的SL電壓降至4V-5V，從而明顯減少編程引起的FG氧化層退化。通常，我們?cè)谒淼姥趸瘜又杏^察到的電子俘獲是循環(huán)擦寫引起的擦除退化的主要因素，F(xiàn)G氧化層退化只起到很小的作用。如果FG氧化層發(fā)生明顯退化，則可能表示FG氧化層的質(zhì)量欠佳或未采用優(yōu)化的燒寫條件。圖9給出了循環(huán)擦寫前和循環(huán)擦寫后FTV-RTV 遲滯回路在不同退化分量比率下的示例。圖9(a)顯示了采用未優(yōu)化編程條件(導(dǎo)致FG溝道發(fā)生顯著退化)時(shí)的效果，這一因素占總擦除性能退化的30%。圖 9(b)給出了FG溝道略微退化的示例，F(xiàn)G Vt的變化約為0.1V。圖9(c)說(shuō)明了使用EG-FG正向和反向隧穿時(shí)單元的循環(huán)擦寫情況。在這種情況下，F(xiàn)G氧化層不退化，遲滯回路偏移的原因是循環(huán)擦寫引起FTV和RTV值增加。

總結(jié)

我們提出了一種簡(jiǎn)單快速的方法來(lái)分析SuperFlash分離柵極存儲(chǔ)單元中循環(huán)擦寫引起的退化分量。本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。通過(guò)這種方法，可以快速分離FG溝道和隧道氧化層退化對(duì)單元擦除性能總體退化的影響。了解退化分量的絕對(duì)影響和相對(duì)影響有助于確定限制 SuperFlash耐擦寫次數(shù)的最關(guān)鍵因素，進(jìn)而對(duì)單元工藝和/或工作條件做出相應(yīng)的優(yōu)化。