全面理解非易失存储器(flash_eprom_eeprom)

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1、全面理解非易失存储器(Flash,EPROM,EEPROM)作者：JituJ.Makwana,Dr.DieterK.Schroder关键字：非易失，存储器，Flash，EPROM，EEPROM，热电子注入，隧道效应，可靠性，数据保持，耐久力，干扰，闪存前言本文论述了基本非易失存储器（NVM）的基本概念。第一部分介绍了NVM的基本情况，包括NVM的背景以及常用的存储器术语。第二部分我将介绍怎样通过热电子注入实现NVM的编程。第三部分包括了用FOWLER-NORDHEIM隧道效应实现对NVM的擦除。同时，简单的FN隧道效应的原理也将在这里给大家做一个说明。第四部分介绍了用

2、于预测NVM编程特性的模型—热电子注入机制所依赖的“幸运电子”模型。最后一部分介绍了NVM可靠性方面的问题，如数据保持能力（DATARETENTION）,耐久力（ENDURANCE）,和干扰（DISTURB）。第一部分：介绍存储器大致可分为两大类：易失和非易失。易失存储器在系统关闭时立即失去存储在内的信息；它需要持续的电源供应以维持数据。大部分的随机存储器（RAM）都属于此类。非易失存储器在系统关闭或无电源供应时仍能保持数据信息。一个非易失存储器（NVM）器件通常也是一个MOS管，拥有一个源极，一个漏极，一个门极另外还有一个浮栅（FLOATINGGATE）。它的构造和

3、一般的MOS管略有不同：多了一个浮栅。浮栅被绝缘体隔绝于其他部分。非易失存储器又可分为两类：浮栅型和电荷阱型。Kahng和Sze在1967年发明了第一个浮栅型器件，在这个器件中，电子通过3nm厚度的氧化硅层隧道效应从浮栅中被转移到substrate中。隧道效应同时被用于对期间的编程和擦除，通常它适用于氧化层厚度小于12nm。储存在浮栅中的电荷数量可以影响器件的阈值电压（Vth）,由此区分期间状态的逻辑值1或0。在浮栅型存储器中，电荷被储存在浮栅中，它们在无电源供应的情况下仍然可以保持。所有的浮栅型存储器都有着类似的原始单元架构。他们都有层叠的门极结构如图一所示。第一个

4、门极被埋在门极氧化层和极间氧化层之间，极间氧化层的作用是隔绝浮栅区，它的组成可以是氧-氮-氧，或者二氧化硅。包围在器件周围的二氧化硅层可以保护器件免受外力影响。第二个门极被称为控制门极，它和外部的电极相连接。浮栅型器件通常用于EPROM(ElectricallyProgrammableReadOnlyMemory)和EEPROM(ElectricallyErasableandProgrammableReadOnlyMemory)。电荷阱型器件是在1967年被发明的，也是第一个被发明的电编程半导体器件。在这类型的存储器中，电荷被储存在分离的氮阱中，由此在无电源供应时保持

5、信息。电荷阱器件的典型应用是在MNOS(MetalNitrideOxideSilicon)，SNOS(SiliconNitrideOxideSemiconductor)和SONOS(SiliconOxideNitrideOxideSemiconductor)中。图二展示了一个典型的MNOS电荷阱型存储器的结构。MNOS中的电荷通过量子机制穿过一层极薄的氧化层（一般为1.5-3nm）从沟道中被注入氮层中。世界上第一个EPROM,是一个浮栅型器件，是通过使用高度参杂的多晶硅（poly-Si）作为浮栅材料而制成的，它被称为浮栅雪崩注入型MOS存储器（FAMOS）。它的门极氧

6、化层厚度为100nm,由此保护电荷流向substrate。对存储器的编程是通过对漏极偏压到雪崩极限使得电子在雪崩中从漏极区域被注入到浮栅中。这种存储器的擦除只能通过紫外线照射或X光照射。如今，这种EPROM的封装形式通常是陶瓷带有一个可透光的小窗口，或者是一个塑料封装的没有石英窗的。这些存储器被称为一次性编程存储器（OTP）,这种存储器很便宜，但是在封装后要测试他们是不可能的。带有石英窗口的EPROM价格比较贵，但是由于可被擦除，所以可以在封装后作另外的测试。虽然在70年代有了紫外可擦除型的商业用非易失存储器，研制电可擦写型非易失存储器的吸引力正在逐渐扩大。H.IIZ

7、UKAet.al发明了第一个电可擦写型非易失存储器，被称为叠门雪崩注入型MOS(SAMOS)存储器。SAMOS存储器由两个多晶硅门和一个外部控制门组成。外部控制门的出现使得电可擦写成为了现实，并且提高了擦除的效率。电可擦写型非易失存储器的电擦除是通过将浮栅中的电荷量恢复到未注入时的水平实现的。比起紫外照射擦除产品，这种产品的封装成本低廉很多。缺点是单位存储单元的尺寸要比以前大很多，使得晶元面积也大了很多。EEPROM单元由两个晶体管组成，一个是浮栅晶体管，另一个是选择晶体管，如图三所示。选择晶体管是用于在编程和擦除时选择相应的浮栅晶体管。后来，由于加