闪存存储器的浮栅耦合电位研究

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1、http://www.paper.edu.cn闪存存储器的浮栅耦合电位研究董国生上海交通大学微电子学院，上海（200000）E-mail：dgs79@163.com摘要：本文首先介绍了分栅闪存存储器的器件结构及其通常情况下擦除、编程、和读取时的字线电位、源线电位、位线电位和操作时间等在内的操作条件,然后详细阐述了该器件结构浮栅单元通过F-N电子隧穿和沟道热电子注入来进行擦除和编程的工作原理以及在控制栅和叠栅的水平和垂直方向上的电场分布。在对存储器的器件结构和工作原理的介绍的基础之上，对标准叠栅和分栅结构分别建立了平板电容理论模型，从而进一步得到了浮栅电

2、位的耦合系数模型。模型的建立非常有利于现实工作中进行闪存性能和失效模式的分析，从而可以更快更有效地改进闪存工艺，提高闪存性能。关键词：分栅闪存器件，热载流子,浮栅耦合系数，电容系统模型中图分类号：TN386.11．引言随着闪存设计思路的不断进步和生产工艺的不断的更新，如何在小尺寸（0.13um或者以下）条件下保证稳定的闪存存储功能和高可靠性成为了技术发展的前沿。其中利用浮栅作为存储单元的闪存，浮栅是最重要的部分，研究浮栅的特性是研究这类闪存存储器的核心。闪存特性的研究中，耦合系数研究或者说浮栅耦合电位的研究是最重要的环节，因为浮栅耦合电压决定了写入和擦

3、除的能力和效率。2．闪存存储器器件及工作原理集成电路制造产业在中国大陆的兴起还不到15年，而分栅闪存器件更是国际闪存存储技术中最为复杂、最为先进的一种，因此利用本节以分栅闪存器件为例对闪存的器件结构、操作原理进行介绍。2.1器件结构分栅闪存器件属于NOR型并行架构，它利用源端热电子注入（sourcesidehotelectroninjection）进行编程，利用F-N电子隧穿（Fowler-Nordheimelectrontunneling）进行擦除。器件的结构示意图以及沿沟道方向的截面图如图1所示。整个存储单元主要分为字线（控制栅）和浮栅两大部份，字

4、线下方的栅氧层以及它与浮栅之间的隧穿氧化层都由高温沉积二氧化硅薄膜构成。浮栅与源线（SL，SourceLine）下的重掺杂区域（n+）有相当部分的重叠，目的是利用电容耦合效应产生浮栅耦合电位。与传统的叠栅（stackedgate）闪存器件相比，分栅闪存器件可以通过字线与浮栅来实现对两段沟道的独立控制，因此能够有效[1]-[2]地避免过度擦除效应。同时，相比于传统的沟道热电子注入编程,源端热电子注入编程[3]-[6]所需要的电压更低，效率也更高。当传统分栅闪存器件进行读取操作时，字线上所加电压使得字线下方的沟道反型开启，位线与源线之间沟道电流的大小主要取

5、决于浮栅下方沟道的状态。如果器件经过了擦除操作，由于擦除时字线与浮栅之间高强电场引发的F-N电子隧穿效应，电子将被拉出浮栅，从而导致浮栅电位升高，浮栅下方的沟道因此反型开启，读取到的沟道电流较大。同理，如果-1-http://www.paper.edu.cn器件经过了编程操作，由于编程后浮栅电位降低，浮栅下方的沟道关闭，读取到的就是小的沟道电流。通常情况下，这两种状态对应的沟道电流大小相差在2个数量级以上。表1传统分栅闪存器件操作条件表操作字线电位源线电位位线电位操作时间擦除11VGNDGND60ms编程1.6V7V——10µs读取2.5VGND1V—

6、—对传统分栅闪存器件进行状态判断正是根据器件读取时沟道电流的大小。传统分栅闪存器件的存储矩阵按照行（row）、列（column）进行排列，每若干列存储单元共享一个输入/输出端口（I/O，Input/Output）。通常，每一个输入/输出端口所属的存储矩阵中会有一列被当作参考列，它与每一行的交叉所代表的存储单元便被称为参考单元。每一行所属的参考单元在器件擦除后读取电流的平均值便是对这一行上所有存储单元进行状态判断时的参考值。通常取这一读取电流值的30%为判断标准（也被称为usermode），读取电流大于它的存储单元会被认为是“1”，而读取电流小于它的存储

7、单元则被认为是“0”。表1给出了传统分栅闪存器件进行擦除、编程以及读取操作时对应的工作条件。图1分栅闪存器件的基本结构-2-http://www.paper.edu.cn2.2器件原理闪存存储器的的核心单元就是浮栅单元，其是分别通过F-N电子隧穿（Fowler-Nordheimelectrontunneling）和沟道热电子注入（CHEI，ChannelHotElectronInjection）来进行擦除和编程的2.2.1F-N电子隧穿F-N电子隧穿本质上是一种场辅助电子隧穿机制。图2是F-N电子隧穿能带示意图。当空间存在电场，电子能带会发生弯曲。此时

8、，左侧导带中的电子被一个三角形势垒所阻挡。当电场强度足够高时（通常大于5MV/cm），势垒将会