摘
013umshrink工艺嵌入式闪存耐久性特性研究
摘
耐久性特性存储类芯片重性课题013umshrink闪存器件特殊结构工作模式导致特器件特性时引入性问题
文综合直流电压应力 UV 方式研究三栅分栅闪存器件耐久性退化机
理实验验证晶晶 FN电子隧穿擦操作引起隧穿氧化物束缚电子导致三栅分栅闪存器件退化重原基器件耐久性退化机理讲述三栅分栅 闪存特殊结构操作方式
耐久性优化方面文重点器件操作条件三栅分栅闪存器件耐久性进行研究优化器件操作条件方面提出擦方法动态调节擦电压方法应单存储单元测试中相较原始擦操作条件够改善器件耐久特性
关键词：闪存耐久性陷阱束缚电荷耐久性优化尺寸缩
Abstract
Investigation of 013umshrink Flash Characteristics and Endurance Reliability
Abstract
Endurance is one of the most important reliability topics in flash memory Due to the special physical structure and operation method in 013umshrink flash memory it has a unique device characteristic and a new reliability problem
In this thesis by using of DC (Direct Current) stress and UV (ultraviolet) the mechanism of endurance degradation in triple splitgate flash memory is investigated Polytopoly FN (FowlerNordheim) erase tunneling induced electron trapping is confirmed to dominate the degradation of triple splitgate flash device during cycling
As for endurance optimization the studies are carried out on the operation conditions Two methods—Overerase and Dynamic Adjusting Erase Voltage—are put forward and proved effectively for the enhancement of endurance characteristics in singlecell samples
Keywords Flash Endurance Electron Trapping shrink
目录
目 录
摘
I
Abstract
II
第章 绪
1
11
非易失性半导体存储器技术发展历史
1
111 ROM 发展 EPROM
1
112 EPROM 发展 EEPROM
2
113
EEPROM 发展 Flash Memory
3
12
013umshrink 闪存芯片简介
11
121
芯片结构介绍
11
122
芯片原理介绍
13
123
芯片制造流程
17
124
芯片测试流程
18
13
研究013umshrink闪存耐久性市场空间必
14
文工作
20
第二章闪存芯片耐久性研究现状耐久特性退化原理研究
22
21
研究现状分析
22
211 源端通道热电子注入（SSI）导致耐久特性退化
22
212 Poly Poly FN 隧穿导致耐久特性退化
23
22
耐久特性退化原理
25
23
章结
48
第三章 013umshrink闪存器件耐久特性工作条件关系研究
49
31
器件耐久特性工作条件关系研究
49
32
器件耐久特性环境温度关系研究
52
321
实验准备程
52
322
实验结果解析
53
33
章结
56
第四章013umshrink闪存芯片耐久特性优化研究
57
41
存储单元擦法
57
42
存储单元动态擦法
59
421
基理
60
422
实验结果解析
61
43
章结
70
第五章 总结
80
参考文献
81
附 录
89
致谢
90
013umshrink工艺嵌入式闪存耐久性特性研究
第章 绪
11 引言
现代化信息技术中半导体存储器非常重电子元件Si工艺技术样储存技术容量特性方面着摩尔定律成长脚步外加电源时候类储存器件相长时间里保持着前写进信息非易挥发性闪存器件（Nonvolatile MemoriesNVM）固态存储类器件中占导位分支量产规模较市场份额非易挥发性闪存器件直受众关注文研讨013umshrink种半导体存储器件非易挥发性半导体节回顾关类半导体技术发展历程分析种类半导体技术出非易挥发半导体必然着闪存技术方发展种技术市场前景良
111 ROM 发展 EPROM
世纪六零年代中期直占流市场磁芯存储器magnetic corememory开始金属氧化物半导体代逐渐市场认种半导体存储器称MOS然种储存器存致命缺点旦断电存储数短时间会丢失基种情况ROM非易失性半导体存储器市场流
直1967年半导体存储市场开始推出浮栅（FG）理念种理念开始推出金氮氧半导体占市场半世纪MNOS种存储器解决MOS容易丢失数问题性1971年ROM先进PAM1K机存储器问世没长时间浮栅概念推动EPROM紫外光擦编程读存储器开始风靡世界
种存储器属半导体存储器种实现电学化变成写入数擦会断电丢失数浮栅理念次质飞跃种存储器编程时候采CHI沟道热电子注入方式种编程方式需高电压流量电流作环境需求般采12伏电源作外部供电模式写入字节程序需1ms左右时间种存储器浮栅提供电子紫外光射擦实现存储通浮栅电子逸出势垒实现擦存储器数时候需紫外光射20分钟必须断电操作EPROM进行擦时候字节擦单浮栅MOS构成EPROM存储单元正高度集成EPROM实现DRAM动态机存储器功
EPROM需进行紫外光射实现擦功生产类存储器组件时候必须石英窗口导致种半导体存储器成直线升EPROM编程擦必须通电路板进行造成封装难度提高基情况逐渐开发出种编程次性存储器OTP（OneTimeProgrammable）种存储器结构类似EPROM编程次进行编程擦种器件需封装石英窗口成然幅度降低
112 EPROM EEPROM升级
EPROM出现十年1983年EPROM出现第次升级16K编程擦存储器问世种存储器擦紫外光电擦式EEPROM基浮栅概念开发EPROM非常类似器件沟道区域绝缘 n 型掺杂晶硅板高质量氧化物板完全电极隔离形成浮栅通常浮栅耦合电极器件沟道导通否浮栅中储存电子数量决定 EPROM EEPROM通电信号进行编程擦讲存储器电路板取出操作时候字节序进行改变EPROM改动需整体擦者编程弊端
编程然EEPROM功相完整结构更复杂EPROM单MOS元件构成EEPROM需存储晶体选择晶体组成（图）种存储器称双晶体存储器然功更加完备存储字节搞占更芯片面积造成EEPROM集成方便总笔EPROM慢两代 EEPROM存储器仅应浮栅技术应电荷束缚技术电擦擦掉MNOS单元数信息外通FN电子隧穿实现浮栅单元擦种隧穿技术全称（FowlerNordheim electron tunneling）外采沟道热电子注入CHEI进行数擦者完成编程工作
EEPROM问世越越追求需外部源实现数存储容易丢失数存储器追求种存储器实现高集成低成功耗低快速编程数读取功EEPROM发展越越满足需求前EEPROM存储器实现部编程时序址锁定数锁定页式存储等功种存储器实现TTL逻辑完全兼容效果芯片脉整形数轮询等种功行业种功全面EEPROM存储器称FullFeature EEPROM简称FFEEPROM类存储器系统适应性非常强部系统编程功导致适应种系统软件前工智领域逻辑器件等领域广泛应EEPROM存储器
图 11 EEPROM 存储单元基结构
认EEPROM系统兼容性功强定会快速占领市场创出高额利润游戏王成微机处理器中流存储器EEPROM市场发展没想象中直1992年种存储器市场份额开始增加增势非常缓慢EEPROM市场份额超出EPROM1995年点原造成EEPROM市场发展缓慢：（1）存储字节EEPROM成EPROM成高（2）硬件发展离开软件支持软件发展速度造成EEPROM直没广泛应起（3）特解EEPROM性应中直束手束脚
113 EEPROM Flash Memory发展历程
1闪存技术存储器什技术优势
果解决EEPROM存储器成高首先方式通闪存flash
Memory实现种存储器全称flash EEPROM中文名称闪存电擦式存储器前介绍FFEEPROM相种存储器点需逐字节擦存储阵列者模块进行局部擦种存储器电路求相简单单字节存储成然幅度降
第章 绪
世纪八十年代期Masupka 等采单晶体EEPROM器件全新电路编程擦程序完成第块闪存存储器制作种256K闪存存储器采告诉灵敏度放器仅仅1995年种存储器实现DRAM更低成生产快速开非易失性存储器市场空间种闪存存储器EEPROM技术发展成熟阶段标志更精细占位置更集成电路开始占电子市场进带电擦式存储器容量存储器需断增加种闪存存储器实现传统EPROMEEPROM两种存储器优点需晶体种存储器占更单位字节存储面积更电子器件集成化程度更高外种闪存存储器样实现电擦编程系统完整性求更高条件种存储器更具优势
通常部分存储阵列进行写操作时部分产生数干扰闪存 技术关注问题存储单元ＥＥＰＲＯＭ编程擦时追求减 存储单元面积达降低成目设计时省略选择栅 选择栅单元周围单元编程时会产生干扰现象实际避免 问题图 12 出文中三栅分栅闪存编程干扰实例．
图 12 三栅分栅闪闪存编程干扰示意图
进行存储前者编程时候闪存存储器进行全部擦然开启存储单元时需相致电压擦前必须单元进行单独预编程操作果进行预编程会出现某单元度擦状况图13中显示某情况编程导致电子进入浮栅导致单元开启电压攀升进行擦操作时会电子流出浮栅导致电压降低果单元开启电压出现负数等低现象晶体器件会消耗完毕处直导通状态进影响整体单元整列功视线编程时会出现选择解选择存储单元现象外进行预编程方式电压低系统会通特定程序出现度擦单元进行恢复种操作会擦更复杂操作时间会幅度延长
图１－３度擦效应导致器件开启电压变负示意图
般说系统会闪存存储器进行擦验证效性擦者编程完成会逐字节读出存储器字节确定单元开启电压基致验证中果发现没达求情况会继续进行擦者编程直单元开启电压基致
种擦情况具叠栅存储器件选择栅器件组合分栅闪存中 控制选择栅器件器件沟道控制作叠栅存储器件处擦状态选择栅器件沟道关闭避免该存储单元整阵列影响 时简化外围验证电路设计
2常见闪存存储器构架模式
般说闪存存储器类型存储单元通常见非型非型两种结构NORNADANOR型架构适读取编程需针中某单元存储器件图14中通举例阐释种架构进行读取操作时字者字节存储单元享8条位线者条字线存储中字节B等8bit字W等2B种情况会激活相数量感测放器
行解码器接收传送进需读取存储单元址时会拉高目标字线电位字线保持接状态目标单元电位升高位线升高连感测放器时该单元果已完成编程开启电压高位线没电流流通存储器中0标记果进行擦操作开启电压低位线会电流通感测放器接收信号会1标记然读取数值通缓器传输数总线实现数完整读取
通常情况NOR存储器通FN电子隧穿沟道热电子注入实现编程两种方式编程速度较快擦操作需开启电压控制防止度擦时候需增加成
图 14 NOR 型闪存器件基架构
图 15 NAND 型闪存器件基架构
013umshrink工艺嵌入式闪存耐久性特性研究
介绍NOR构架属行构架闪存存储器外种构架模式串行构架NAND图15中通m单元源端位线串联起NOR型构架中存储单元需位线接触NAND构架中m单元需样存储矩阵memory matrix面积幅度缩存储密度提高存储量会增数读取时候针某存储单元进行数读取存储单元控制栅（CGControl Gate）会直处高位状态0V相关串联单元开启电压什状态会统提升高电进行编程操作进行数传输时目标晶体开启电压果成负值该晶体会处耗状态电流通串联位线达感测放器NAND存储器中般存储单位页pageIO端口读取数页单位进行刻串联单元发挥页面寄存器作时放器新号特弱利页面寄存器感测稳定信号种架构存储器读取数需整序列单元参晶体选择读取速度相缓慢实现机读取
外NAND闪存存储器进行数编程擦采FN电子隧穿方式NOR闪存存储器采沟道热电子注入式编程方式NAND存储器编程方面速度法NOR相素般数码相机存储卡mp3等中采NAND架构闪存存储器设备存储速度求较低存储密度求较高出文介绍两种结构模式存储器优点应环境相着技术断升级发展目前两种闪存存储器存融合趋势具代表性三星公司OneNAND技术Spansion 推出ORNAND技术ORNANDNOR架构存储器基础加入NAND接口种闪存采更先进隔离区氧化膜保存电荷形式存储密度幅度提高实现单元2bit存储密度三星公司OneNANDNAND存储架构基础通增加NOR接口结合SRAM高速缓区形成全新闪存存储器技术种存储器进实现NOR存储性达NAND存储器存储容量
3现存 NOR 闪存结构工作原理
I T 型闪存存储器件
T 型闪存存储器件源传统 T 型 EPROM 技术单存储单元源
区结构布局类似 T 字母形状名图 16(a)(b)出 T 型闪存存储阵列中四
单元布局图单字节截面图
第章 绪
图 16 T 型闪存存储阵列布局图截面图(a)单闪存存储阵列中四单元布局图
(b)单存储单元截面图
T 型闪存单元般采热电子编程(图 17)通漏极加 57 伏电压控
制栅加 1012 伏端点接 0 伏样漏结附产生产生足够热
电子高横沟道电场时漏极端垂直电场存部分量高热
电子(～32eV)会 SiSiO2 势垒进入浮栅导致器件达高阈值区域(～5V)
图 17 T 型存储器件编程操作示意图
器件擦采电子浮栅 FN 隧穿源端沟道区域电学擦时浮栅
n+源端(沟道区域)间隧穿氧化物中电场般需达 10MVcm典型擦
脉周期般 10ms目前普遍采擦方式三种零栅压高源压擦(图
18a)负栅压高源压擦(图 18b)沟道擦（图 18c）
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图 18 T 型闪存器件擦操作示意图
II 源极耦合分栅（SCSG）闪存存储器件
源极耦合分栅(SCSG)闪存存储器利单层晶硅时实现控制栅源端选
择栅作见图 19
类似 T 型闪存器件SCSG 器件采漏极热电子注入方式编程擦操作类
似零栅压高源电压源结擦方式
图 19 SCSG源极耦合闪存存储器架构示意图
III场增强隧穿注入闪存存储器
通场增强进行隧穿注入闪存器件采单器件分栅架构模式通晶体晶体间FN电子隧穿达擦数目变成时候采源端热电子注入模式
第章 绪
通晶晶浮栅结构场增强隧穿进行电子注入源端注入实现～103 数量级注
入效率允许芯片单电压源实现规模电荷泵时样工
艺技术该分栅闪存存储单元尺寸传统叠栅闪存尺寸相图 110 图
111 分出该器件俯视图截面图
图 110 场增强隧穿注入闪存器件布局
图 111 场增强隧穿注入闪存器件字线位线方剖面图
图112中显示种闪存器件进行擦时通浮栅边缘形状改变实现场增强实现FN电子隧穿实际操作时候漏源端处接状态字线处高电位状态隧穿注入点电场强度非常高种器件中等电压实现擦
类器件编程时候通源端热电子注入实现 控制栅中应选择沟道处线性状态高端电压作浮栅处耦合饱间隙区域选择栅沟道电子加速形成热电子浮栅中垂直电场电子撞击改变方吸收量32eV电子完成编程操作
源端注入编程 注入效率高器件编程周期较短（≤20μ s）时编程电流需求～1
μ A页编程成
013umshrink工艺嵌入式闪存耐久性特性研究
图 112 浮栅结构相关增强 FN 隧穿带示意图
12 三栅分栅闪存器件简介
三栅分栅闪存器件种类似场增强隧穿注入更复杂特殊分栅闪存
器件节先介绍关分栅闪存相关器件结构操作原理时分析性原理
121 分栅闪存芯片结构
文研究闪存器件属 NOR 型三栅分栅行架构种存储器件编程采SSI源端热电子注入形式擦采FN电子隧穿形式图113中（a）显示器件结构图（b）显示沟道方界面种存储器中字线（WL）浮栅构成存储单元器件中栅氧层隧穿氧化层采二氧化硅膜种薄膜高温沉积形成浮栅控制栅包括源线（SL）方重掺杂区域（n+）部分重合形成电容耦合效应样浮栅中形成耦合电位传统叠栅闪存（stacked gate）法实现三栅分栅独立控制功三栅分栅通浮栅字线形成沟道控制效应种闪存存储器方式度擦频繁出现采源电子注入沟道热电子注入完成编程时候效率更快耗更低（详见 122）
第章 绪
图 113(a) 三栅分栅结构示意图 (b)三栅分栅沟道截面图出Grace 013um 分栅结构
种闪存器件完成读取数时候字线电压高导致字线沟道反方开启沟道状态决定源线位线中通电流强度擦操作会浮栅字线间形成FN电子隧穿浮栅中电子会拉出浮栅电位会变高沟道读取较电流信号果完成编程浮栅电位会相应降低沟道会关闭浮栅读取较电流信号般说擦编程沟道电流少差2数量级
通读取沟道中电流强度实现状态读取判断图14中种存储器行列模式排列存储矩阵IO输入输出端口列单元享般说列存储单元中列存储单元作参考单元存列行交叉点存储参考单元存储器件进行擦操作参考单元读取电流值进行均数处理判断整行存储单元存储状态般情况电流值30做参考值行业说user mode果存储单元电流参考值会1标准反果读取电流参考值0标记表11中列出类存储器工作状态相应条件
表 11
三栅分栅闪存器件工作条件
操作
字线电位
位线电位
源线电位
控制栅电位
操作时间
编程
14V
02V
5V
10V
10us
擦
105V
0V
0V
0V
10ms
读取
2．5V
1V
0V
2V
—
013umshrink工艺嵌入式闪存耐久性特性研究
122 三栅分栅存储器结构原理
实浮栅存储器中擦编程种电荷写入方式种方式存着载流子通隧穿氧化物带系列问题目前常见机理FN隧穿（薄氧化膜10nm）沟道热电子注入CHE晶氧化物场增强FN隧穿SSI源端沟道热电子注入等形式包括SHEI衬底热电子注入等形式两种隧穿机理建立氧化层量子隧穿机理三种建立注入载流子横电场（CHE SSI）者硅衬底电场（SHEI）加速够越 SiSiO2 势垒基础实际应中根需求决定采种方式进行编程采种结构存储器件文中两种隧穿模式针擦操作SSI三栅分栅编程文针FN电子隧穿SSI源端热电子注入进行分析
1FN 电子隧穿机理介绍
质FN电子隧穿种辅助机制图114中显示栅极负偏压时晶硅氧化物硅衬底量变化图加负偏压初硅导带电子势垒表现出梯形状态时硅衬底电子注入电流直接隧穿梯形势垒然栅极继续增压势垒开始呈现三角形状态种真空状态三角形势垒电子通时候采介质层导带电子隧穿做FN电子隧穿
文采薛定谔方程简化模式出FN隧穿电流值通WKB隧穿率似计算出晶硅中电子量
q3
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é
8p (2 m* )1 2 F3 2
ù
J
exp ê
b
ú
(11)
8p hFb
3hqEinj
ê
ú
ë
û
具体参数参考表12中物理参数
表 12 薛定谔方程中FN电子隧穿物理参数定义
h
普朗克常量h 6626 × 1034 J·s
Φb
隧穿界面势垒SiSiO2 界面32eV
q
单电子电荷 q 1602×1019 C
m
电子质量m 9109×1031kg
m*
二氧化硅带隙电子效质量[12] m*042m
面方程式中通两参数决定隧穿电流强度势垒高度（Φb）表示电场强度（Einj）表示般说电子SiSiO2 界面势垒高度值32eV左右果空穴势垒高度应该达48eV左右出电子电流FN隧穿电流导电流
第章 绪
图 114带展示FN隧穿电子图
体氧化物 FN 隧穿说隧穿电流密度注入界面电场强度控制
体氧化物特性关电子隧穿通势垒时电场加速达相高
飘移速度～107 厘米秒计算 SiSiO2 界面注入电场时必须考虑带电压
：
E
Vapp Vfb
(12)
inj
tOX
里 Vapp 氧化物承受压降Vfb 带电压tOX 氧化物厚度
实际应程中隧穿电流强度理计算出电流强度中外界素影响直致力隧穿电流计算方式更精确减两者间误差目前种研究断进行中计算FN隧穿电流公示更精确误差更究原实际应中什种类存储器件电子隧穿采PolySiO2 界面晶硅热氧化作形成 SiO2 薄膜电子显微镜起 PolySiO2 界面完全面凸起正局部电场会出现较波动造成实际测量隧穿电流理计算出种现象AndersonKerr 首先发现基础LeeMartin 进步PolySiO2 界面具体产生影响采二维泊松方程进行计算出凸起隧穿电流产生49增强作Heimann更精确计算出整隧穿面身凸起隧穿电流增强子3左右GroesenekenBisschop等 EillsHuff等研究基础提出新隧穿电流计算方式
013umshrink工艺嵌入式闪存耐久性特性研究
PolySiO2 界面计算通物理模型实现出隧穿电流隧穿时产生氧化层电荷束缚现象建立物理模型基FN电子隧穿理电荷束缚效应均匀FN电子隧穿理基础
2源端热电子注入机理分析
半导体晶体源端漏端出现电压升高漏端附沟道中电场会升高促载流子限漏端通高电场区时候载流子会获动载流子热衡状态破坏载流子会发热形成热形成热载流子漏端载流子热效应产生碰撞会形成电子——空穴硅衬底会热载流子收集产生衬底电流少数热载流子会通漏端产生热载流子二级效应果载流子动超越SiSiO2 界面势垒载流子会进入栅氧层图115中栅极电位沟道注入电位高栅氧层会收集漏端注入热载流子产生栅极电流目前市场常见非易失性存储器中电子迁移率空穴高会产生行业常说热电子注入现象
图 115 n 沟器件沟道热电子注入（CHEI）带图
种热载流子注入栅极效应编程种方式缺点非常明显首先热电子注入效率太低第二耗非常高栅极电位低漏端电位高水强电场会产生更热电子栅极电位高漏端电位低垂直方强电场会促进热电子进入栅氧层两种情况相矛盾形成立克服状况实际运中保持栅极漏端处高电位状态耗然升高
第章 绪
克服种弊端逐渐开发出源端热电子注入编程技术图116中显示源端热电子注入示意图程中传统沟道链接源端漏端改漏端源端通两部分沟道组成实现漏端栅极源端栅极进行独立控制选择栅极源端栅极通低电位产生量热载流子浮栅漏端栅通高电位实现更热电子进入栅氧层分栅结构种结构浮栅通反型层漏端进行延伸源端沟道真正发挥作两段沟道连接处水电场高改变传统n型存储器漏端水电场高状态通浮栅氧化层辅助部分热电子会浮栅吸收前n型存储器件提升电子通源端注入栅氧层形成源端热电子注入图117显示时参考表11中数出种分栅存储器电场布局两段沟道交汇处水电场垂直电场高方形成量热电子注入浮栅右方源线附水电场高场区MOS漏端非常相似
图 116 三栅分栅闪存器件源端热电子注入编程时端偏压示意图种偏压组合
利热电子产生收集
013umshrink工艺嵌入式闪存耐久性特性研究
垂直电场峰值
电场强度分布
水电场峰值
水电场峰值
(源线处)
(两栅空隙处)
选择栅(字线)
间隙
浮栅
沟道方位置
图 117 TCAD 模拟源端热电子注入编程时器件沟道方电场分布示意图
3性问题 进行三栅分栅闪存器件编程擦操作时电子通者越 SiSiO2
势垒造成氧化物结构破坏硅氧化物特性会逐渐恶化破坏程度积累 定阶段时硅氧化物会突然失绝缘特性氧化物击穿现象发生
三栅分栅存储器性问题存储器件工作方式引起：
种晶晶 FN 隧穿擦引起电荷俘获种源端热电子注入导致 间隙电荷陷阱
123 三栅分栅存储器制作流程
制造三栅分栅闪存存储器时候需CMOS集成电路制造相兼容例生产012微米闪存器件电路功需光罩工艺步骤中光罩分2729道工艺步骤更达950道核心工艺包括：存储单元采准工艺降低光刻精度求外CMOS集成工艺相三栅分栅存储器时完成逻辑器件存储单元造成工艺难度热预算难度幅度提高导致离子注入扩散受控制产生系列诸金属电迁移恶化（EMElectroMigration）应力失配栅氧退化等问题出三栅分栅闪存芯片制作求非常高
生产工艺序制造流程分4步：第步通光刻腐蚀两种技术源区进行定义然利浅槽隔离技术定义源区进行隔离STI技术种技术控制芯片质量关键素浅槽隔离程中浅槽步倾角角度边缘化成绝缘介质填充必须非常精细
第章 绪
第二步构造存储单元拥准功分栅结构形成整芯片制造中核心部分结构参数直接决定存储器件特性程工艺必须精确控制中较关键部分浮栅隧穿氧化层厚薄源线量剂量等需精确握第三步构造逻辑器件MOS器件双极器件周边电路构造程CMOS制造工艺完全相精确控制晶硅栅控制硅栅剂量量阈值包括金属硅化物控制等容第四步包括电绝缘金属连线坦化等端工艺制造般说分栅存储器超3层金属连线传统CMOS集成电路会存诸金属电迁移应力分配等端问题分栅存储器方面问题相较
124 芯片测试流程
批量生产时候分栅存储器件生产出必须严格测试投放市场第步制造流程测试般说芯片完成立刻会进行程序测试容芯片生产程中生产线否正常运转没生产工艺造成残次品芯片圆晶设计专门测试口方便电路器件参数测试般说需测试晶硅电阻值晶体开启电压漏电电流饱电流栅氧层特性等容
图 118 非正常擦造成器件开启电压异常示意图
013umshrink工艺嵌入式闪存耐久性特性研究
圆晶PCM测试步进行功测试项测试专门测试公司做般测试芯片功需两部分部分测试芯片基性称CP1 test中包括容：
（I）首先检测直流特性发现静电功耗者引脚漏电造成效芯片
（II）第二项检测存储功中进行数读取者编程擦芯片找出包括异常芯片例检测擦功检测非正常擦包括快擦弱擦等图118中非正常擦芯片开启电压会较低业说fast bits快擦tail bits代表慢擦弱擦样检测编程功时会出现fast program快编程慢编程弱编程等情况属失效芯片
（III）第三项检测芯片干扰文图中12现实部分分栅闪存存储器NOR架构针存储单元进行编程时候相邻单元字线处接状态源线电位相较高果刻浮栅电位高该单元属擦完成沟道中然会电流通导致芯片编程芯片编程干扰步检测种干扰筛查出
通CP1测试芯片基功已没问题需芯片性进行测试业称CP2 test包括项容：
（I）第步检测耐久性（endurance）检测存储器件否受住次编程擦产品耐久度求般104～105次范围种测试会消耗掉测芯片需时间长采抽样检测定规律生产线直接抽取芯片检测
（II）第二项检测芯片数保持功芯片擦操作浮栅会带正电荷时果进入浮栅电子量较会造成浮栅状态改变导致电流标记出现错误例原标记1现会标记0造成芯片数操作误判行业求芯片必须数损保持10年实际测试等10年测试采高温加速法测试般通250℃高温烘烤36天然芯片进行读取果读取状态正常说明芯片合格高温测试程中会时测试基性例擦编程效率等
两项测试通芯片正式投放市场前进行封装防止封装程中导致芯片出现失效情况封装完毕进行次全部测试成终检测（final test）般检测容芯片引脚状况数读取状态等偶尔会加入诸编程擦功检测检测条件没前严苛接通终测试芯片会销售客户手中
第章 绪
13 013umshrink闪存市场前景耐久性研究必性
013umshrink闪存相较前025um018um闪存继承存取较快速噪音散热等优点外重制造成幅度降低更竞争力受越越客户青睐相025um018um闪存说013umshrink闪存性问题遇更挑战中性问题闪存器件耐久性问题耐久特性代表着器件承受正常操作次数定程度影响存储单元数保持力器件工作窗口确定存储单元耐久性退化机理存储器件耐久性进行提升非常具价值问题需深入研究
文作者直事芯片产品测试工程工作先进集成电路生产厂商单位工作 4 年发现存储器件性产品研发阶段转化量产阶段非常 关键问题甚量产初期会成阻碍规模量产致命问题013umshrink闪存芯片量产初期耐久性出现问题导致整条产线停产严重果般情况产品进入研发阶段时 需存储器件性进行评估工程进度求通常工程师般根 验改进工艺期满足存储器件性项求根解器件退化机理样容易造成治标治果产品量产埋隐患效解决存储器件性问题需深入解器件退化机理器件退化特性工艺参数电路设计测试方案直接联系起找相应解决办法
14 文工作
文调查013umshrink三栅分栅闪存器件耐久性退化机理建立器件退化特性
陷阱电荷密度间关系提出种优化三栅分栅闪存器件耐久性方法
工作容：
1．利直流电场深紫外光（UV）方式调查三栅分栅闪存器件耐久特性
2．根三栅分栅闪存器件耐久特性根三栅分栅闪存特结构相应工作原理
3．研究三栅分栅闪存器件耐久特性擦操作电压擦周期工作环境温度
间关系调查电子陷阱电荷俘获释放现象
4．工作方式工艺三栅分栅闪存器件耐久特性进行优化提出动态调
节擦电压模型
013umshrink工艺嵌入式闪存耐久性特性研究
013umshrink三栅分栅闪存器件耐久特性
第二章 013umshrink闪存器件耐久特性
容提
章回顾普通源端注入分栅闪存器件相关研究背景考察三栅分栅闪存
写擦性退化机理性影响
21 研究现状分析
三栅分栅闪存器件利源端热电子注入进行编程FN 电子隧穿进行擦
浮栅氧化物受热电子应力隧穿氧化物受 FN 电场应力三栅分栅闪存器
件存着两种效应造成器件工作特性退化然闪存器件特
性退化研究基集中衬底源漏端 FN 隧穿擦类器件晶
晶 FN 隧穿类器件研究非常限节首先研究现状进行综述
结合器件耐久特性确定文研究重点
211 源端沟道热电子注入（SSI）引起特性退化
传统采漏端沟道热电子注入编程闪存较低注入效率器件具
耗解决问题Wu 等第次提出源端沟道热电子注入（SSI）
编程目前止量源端注入分栅闪存已研究部分研究
中介源区漏区间 MOS 器件沟道分成两栅极控制子沟道
源端侧沟道区域栅极偏置适合热电子产生环境漏端侧
沟道区域闪存单元浮栅区域耦合高电位便更适合热电子
注入浮栅两子沟道间窄间隙区域会承受部分漏源端间
压降图 117 示高横电场峰值引起热电子点会出现两
子沟道间隙区域高浮栅电势注入点垂直电场非常利电
子注入获高效注入效率（约 103 102 量级）概传统漏端沟
道热电子注入器件效率高三量级
然编程程中断受热电子应力高电场应力利分栅间隙
区域注入闪存存独特性问题电荷陷阱界面态产生等等
Wellekens等高注入金属氧化物存储器件（HIMOS见图 21）源端注
入引起器件特性退化相关性问题作详细研究研究中
器件利源端热电子注入编程源漏结 FN 隧穿擦图 22(a)出类器件
耐久性特性根 Van Houdt 等研究种工作条件方式闪存器件
擦写特性退化热电子注入点电荷俘获界面态产生造成
013umshrink工艺嵌入式闪存耐久性特性研究
见图 22（b）俘获电荷仅会降低器件编程效率会带
性相关问题耐久性（Endurance）信息保持力（Data Retention）等时
产生界面态会造成器件跨导（Gm）退化沟道电流减等等系列问题
图 21 HIMOS结构示意图该器件利 SSI 编程漏端 FN 隧穿擦
(a) (b)
图 22 (a)测量 HIMOS 耐久特性局域化陷阱电荷造成 PE 窗口明显缩(b)
UV 状态存储器件漏电流 PE 特性电荷陷阱造成阈值电压漂移界面态产
生造成跨导退化
然关源端热电子注入引起特性退化研究 SSI 编程 沟道源漏 FN 隧穿擦类器件基础晶晶 FN 电子隧穿 引起退化少研究
212 Poly Poly FN 隧穿引起特性退化
普通 FN 隧穿需足够电场（～10MVcm） SiSiO2 带势垒变窄
电子够硅单晶隧穿 SiO2 导带仅利器件缩求工作电压降
低问题会带系列高电场应力造成性问题晶晶 FN
第二章三栅分栅闪存器件耐久特性
隧穿解决问题晶硅层具粗燥表面粗燥表面导
致界面局域电场强度增强电子隧穿率提升样
相较厚隧穿氧化物需适中电压获足够
界面隧穿电场强度避免器件 FN 隧穿承受高电场应力带性问
题文中三栅分栅闪存采 Poly Poly FN 隧穿进行器件擦操作
然 Poly Poly 擦遇性问题电子俘获导致记
忆循环窗口关闭俘获电荷会降低隧穿界面处效注入场强减
隧穿电流1987 年 Neal Mielke 等研究薄坦隧穿氧化物厚晶表面
隧穿氧化物 E2PROM 性影响指出晶表面隧穿氧化物更易陷阱电荷
形成种高电子俘获率法避免Kordesch Liu等种
利 SSI 编程 Poly Poly 擦存储器件研究擦电压 PE 循环次数
关系观察着 PE 循环次数增加需擦电压必须增加定值
获相浮栅电压间接证明电荷陷阱存Tkachev Xian Liu
等研究双栅 Superflash®器件耐久性特性发现 Poly Poly 擦导致隧
穿氧化物电子俘获器件擦写性退化原种退化致命性
通增加擦电压消负面影响着器件尺寸减原双栅
Superflash®器件面着编程效率低问题提出三栅分栅闪存解
决问题然复杂结构尺寸缩造成浮栅外接法实现
性研究具挑战性目前止少研究种 Poly
Poly 擦存储器件
SSI FN 电子隧穿电子通隧穿氧化物越 SiSiO2 势垒时
断受隧穿电子碰撞产生氧化物陷阱断增氧化物特性会逐渐退
化着氧化物特性退化逐渐扩绝缘特性隧穿特性会受严重破坏
导致器件功实效二十年中隧穿氧化物陷阱电荷产生机
理学者做详细研究提出模型解释纳
三种：阳极空穴陷阱产生模型氢离子释放模型电场量模型图 23 总结
三种陷阱产生机理
013umshrink工艺嵌入式闪存耐久性特性研究
图 23 中性电子陷阱三种产生机理
22 芯片耐久性退化特性分析
般说三栅分栅存储器件进行编程擦通SSIFN隧穿进行两种方式会造成器件退化必须分析器件耐久性退化机理特性项研究意义非常重文作者通芯片氧化物节点通直流电压产生应力分析耐久退化机理特性结合紫外光擦终出造成三栅分栅存储器件退化根原
研究文中三栅分栅存储器件进行分析目标器件采 013umshrink 标准准闪存生产工艺生产CMOS集成工艺相处种工艺标准通控制栅（CG）腐蚀程序完成浮栅制作实现准选择栅通控制栅绝缘层采腐蚀工艺制作成中FGOX浮栅氧化物通热氧化工艺制造般90A厚度TUNOX隧穿氧化物高温氧化物沉积成般120A厚度通金属连线提高浮栅编程时耦合系数种芯片生产特性
三栅分栅存储器件进行擦编程时候图24中显示区域氧化物会高直流电产生应力会定程度造成氧化物退化进步影响整器件耐久性文首先研究直流电场作器件阈值产生变化然通紫外光擦方式进步确定
中国科学院海微系统信息技术研究博士学位文
25
第二章三栅分栅闪存器件耐久特性
图 24 三栅分栅芯片结构示意图中14位置会存直流电荷导致器件耐久退化
三栅分栅闪存存储器次擦编程擦浮栅电子阈值会幅度提升编程浮栅电压阈值基没变化造成两种操作状态电压阈值存差异外种芯片编程采源端热电子注入文中提认器件耐久退化热电子注入导致电荷陷阱出现文分析认三栅分栅闪存存储器中种操作方式造成耐久性退化存
26 中国科学院海微系统信息技术研究博士学位文
先进三栅分栅闪存器件工作特性耐久特性研究
中国科学院海微系统信息技术研究博士学位文
27
第二章三栅分栅闪存器件耐久特性
采深紫外光擦操作阶段器件耐久退化进行深入分析擦程中深紫外光擦属动态操作般情况器件擦浮栅电位会基恢复衡浮栅中电荷数量基相通深紫外光擦非常直接出器件反复擦编程表现护电压电流特性分析程会受浮栅中电荷干扰
实少次擦编程测试深紫外光擦浮栅基会表现出电中性测试前者重复操作前编程时浮栅中电荷数量基致深紫外光擦测试闪存器件亚阈值没表现出明显退化现象通常情况界面陷阱电荷浮栅中高局域化电荷会器件阈值斜率产生较退化反应出浮栅氧化物注入点基没者少电子编程时注入进行擦操作电流电压表现出非常明显特性差异通文阐述分析编程状态器件特性发现擦次数越性逐渐降反验证果编程时热电子注入进入浮栅导致擦性退化电子会沟道热电子注入产生阻碍编程会受影响实际运中没发现循环编程表现出明显影响退化擦操作时非常明显发现现象隧穿氧化物俘获电子电荷导致
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29
第二章三栅分栅闪存器件耐久特性
器件进行循环编程擦操作时隧穿氧化物断电子进行隧穿已存陷阱浮栅俘获电子作会进步产生新陷阱俘获电子会隧穿氧化物电场产生影响续电子隧穿造成程度阻碍进行单存储单元擦时候电子流出浮栅会减少浮栅电位会保持相较低状态种情况器件擦耐久性退化
30 中国科学院海微系统信息技术研究博士学位文
先进三栅分栅闪存器件工作特性耐久特性研究
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31
第二章三栅分栅闪存器件耐久特性
发现沟道电场没受少间隙处陷阱束缚电荷影响器件编程性没变化种现象原二：首先浮栅选择栅中间隧穿氧化物间隙非常通电子电荷数量限然沟道产生太影响外FN电子隧穿中电子进行隧穿时候距离沟道非常远浮栅栅极电子俘获非常少正编程会器件造成明显退化影响
文节讨三栅分栅存储器件耐久性退化问题研究特性机理方便文继续器件窗口退化进行深入研究分析
23 章结
章首先分栅闪存器件工作原理退化机理研究现状进行综述结合 UV
擦方法三栅分栅闪存器件耐久性（endurance）特性作系列研究指
出导致该器件编程擦窗口减原晶晶 FN 电子隧穿引
起陷阱束缚电荷影响
第三章器件耐久性工作条件关系
第三章 器件耐久性工作条件关系研究
容提
章基前章三栅分栅闪存器件耐久性退化研究调查器件相 编程电压擦电压器件循环测试退化特性研究擦时间器件 退化关系研究温度器件耐久特性陷阱电荷温度特性进行研究 考察性影响
31 器件耐久性操作条件关系
三栅分栅闪存擦程中晶晶 FN 电子隧穿隧穿氧化物工
作程中断受电场应力电子电荷撞击非常必闪存器件工
作条件器件退化间关系进行研究三栅分栅闪存器件循环操作擦
操作性退化器件耐久性恶化原节针擦器件
特性进行研究
1 擦电压器件特性影响
三栅分栅闪存器件身擦效应具免疫性外围电路
允许情况范围提升器件擦工作电压三栅分栅闪存器件历
擦电压擦浮栅会处状态低擦电压擦浮栅处
欠擦状态样反沟道电流会退化相反擦电压升某
种特定值浮栅处擦状态器件沟道电流退化程度反减弱详细结
果参考第四章节
研究擦电压三栅分栅闪存耐久性影响里选取四存储
单元分 Vee(擦高压)Vee+03VVee+05V Vee+1V 四单元编程擦循环操
作 10K 次间断记录器件擦沟道电流
图 31 出四种擦电压循环 PE 操作 10K 程中沟道电流变化情况较 图中出擦操作工作电压稍微增加时沟道电流着循环 PE 次 数增加退化程度反降低浮栅高电压擦处擦状态 关电压增加定程度（Vee+1V）器件耐久特性出现快速退化迹象 适增加擦电荷利器件耐久特性优化
013umshrink工艺嵌入式闪存耐久性特性研究
图 31 四种擦电压循环 PE 操作 10K 程中沟道电流变化情况较
2 擦周期器件特性影响 器件特性退化仅工作电压关受电场作时间影
响擦周期影响研究擦周期器件特性影响里选择三
存储单元相擦电压采擦周期分器件循环操作
50K 次考察擦周期器件性影响程度
图 32 示擦电压单存储单元擦阈值电压擦时间间 关系出擦周期 1us 时三栅分栅闪存器件没出现浮栅电子 擦现象擦周期位 1us 10ms 器件阈值电压快速降说明该 时间周期范围FN 电子隧穿数量擦周期 10ms 时浮栅阈值电 压降速率逐渐趋缓说明着浮栅电子遗失浮栅电位逐渐升隧穿氧化 物承受压降降隧穿电流减终导致擦衡状态 考察擦周期器件特性影响里选择四种擦周期分三 栅分栅闪存器件四样品循环编程擦 50K 次较器件擦性退化情况
图 33 出擦周期耐久性测试三栅分栅闪存器件擦性影响 图中出 50K 次循环编程擦着单次循环擦周期延长 器件擦阈值电压漂移程度越严重擦周期达 10ms 时器件擦 阈值电压漂移非常类似结合图 32三栅分栅闪存器件擦阈值电压漂 移擦周期关系解释：擦周期 2ms5ms 时器件没达擦
第三章器件耐久性工作条件关系
饱状态隧穿氧化物承受擦开始阶段应力作着擦时间延
长隧穿氧化物受电场应力作越长出现擦周期延长器件擦
阈值电压漂移越擦周期达 10ms 器件没完全达擦
饱状态浮栅已达较高电位隧穿氧化物应力作已
程度降低器件会出现较 10ms 擦周期较程度退化解释
10ms 擦周期 100ms 擦周期耐久性测试结果
图 32 单存储单元擦性擦时间达 1us 时擦行开始着擦
时间达 01s器件逐渐达擦饱状态
013umshrink工艺嵌入式闪存耐久性特性研究
图 33 擦周期耐久性测试三栅分栅闪存器件擦性影响
32 器件耐久性温度关系
着闪存非挥发性存储器技术日益成熟应变越越广泛断
出现新应领域新应领域特殊性闪存器件提出新产
品求汽车电子求器件 120℃情况然工作然高温
器件工作特性性问题研究非常限基原节利三
栅分栅闪存高温器件工作特性性做相应研究
321 实验设计程
1 实验流程
实验中样品制备参考第 123 节三栅分栅闪存器件电学特性测试
项目包括器件耐久性（endurance）常温数保持性（data retention）
高温陷阱电荷逃逸治愈特性采测试设备 HP4156 半导体参数仪探针
测试仪烘烤炉 B1120M面测试项目进行简介
i 耐久性检测检测器件 30℃ 90℃温度条件进行干次编程擦 循环操作器件退化情况 22 节说明引起退化原 FN 电子隧穿擦产生氧化物束缚电荷器件温度耐 久性会表现节集中讨高温器件耐久性测试选择 器件擦编程次数 105 次
ii 常温数保持性测试三栅分栅闪存器件充分擦浮栅带正电 耐久性测试中氧化物束缚电荷存热激发电场作束 缚电荷会逃离氧化物陷阱进入浮栅果逃离束缚电荷数量达定
第三章器件耐久性工作条件关系
程度会导致该1存储单元变成0测试前
温度器件受 105 次编程擦操作器件放置 20000 秒观察
陷阱束缚电荷放置时间逃逸器件数保持性影响
iii 高温陷阱电荷逃逸治愈测试器件放置 B1120M 烘烤炉中 250℃高温 烘烤段时间烘烤期间器件间断性进行擦写操作观察陷阱电荷 着烘烤时间变化情况
322 实验结果分析
图 34 示 PE 操作温度三栅分栅闪存器件耐久性特性
见环境温度 30℃ 90℃分器件进行编程擦循环操作90℃
器件擦沟道电流减幅度（Ir1Ir1_init）相 30℃环境中约 4
提升
图 35 出 100K 耐久性测试器件常温数保持力较温度
100K 耐久性测试器件擦沟道电流着闲置时间增加迅速减逐
渐增加环境温度 90℃耐久性测试样品器件擦沟道电流相
测试起始值 100s 闲置约 2降逐渐升接起始水
环境温度 30℃耐久性测试样品常温器件擦沟道电流出现
更程度退化样品闲置 1000s 时器件擦沟道电流相起始值
降约 5类似 90℃耐久性测试样品沟道电流逐渐增加直
20000s 然降约 3实验结果相高温环境说低温环境中
器件耐久性测试隧穿氧化物具更高束缚电荷密度束缚电荷更程
度降低 FN 隧穿电场抑制浮栅中电子隧穿导致更低浮栅电位低
温器件擦沟道电流更程度退化
013umshrink工艺嵌入式闪存耐久性特性研究
图 34 操作温度耐久性特性
图 35 100K 耐久性测试器件常温数保持力较
物理机理解释：高温氧化物陷阱具较效俘获界面
样隧穿电流情况俘获电子率减时热激发效应束缚电荷逃离氧化
物陷阱概率增加两种原作减轻器件高温特性退化
进步研究器件耐久性测试隧穿氧化物陷阱束缚电荷逃逸现象两
样品（样品 1次历循环测试样品 2常温历 40K 次 PE 循环测试）
写入电子时放置 B1120M 烤炉中 250℃烘烤 84 时期间间断测试器
件阈值电压起始值相
图 36 250℃闪存器件数保持力时间变化趋势
图 36 出分历 1 次（样品 1） 40K（样品 2）次循环操作两样 品编程状态数保持力时间变化趋势图中出高温烘烤 起始阶段样品 2 阈值电压急剧降（≥20 时）继续烘烤程中样
品 2 样品 1 阈值电压保持着样退化斜率间接说明高温烘烤程中 热激发束缚电荷迅速脱离陷阱约束时高温陷阱愈效应定
时间烘烤器件基恢复循环测试前状态（相退化斜率）现象
研究结致
结图 37 实验中验证 40K 次 PE 循环测试器件擦
沟道电流明显减少（Initial→After PE Cycles） 250℃烘烤 48 时
循环测试第二次 UV 擦闪存器件 IV 曲线循环测试前第次 UV 擦
基重合说明隧穿氧化物束缚电荷基脱离陷阱约束陷阱
高温效治愈
013umshrink工艺嵌入式闪存耐久性特性研究
图 37 高温烘烤束缚电荷氧化物陷阱影响
33 章结
章调查器件耐久特性擦工作电压擦周期器件工作环境温度
间关系
通擦电压器件循环测试退化特性发现适增加擦电压
利延缓器件沟道电流退化情况章节中优化器件耐久性做
铺垫
研究擦周期长短器件擦阈值电压漂移关系发现器件擦周期
10ms 时隧穿氧化物退化基处相似程度浮栅电位
升导致压差减隧穿电流减低该压差达某种衡状态擦饱时
电子隧穿氧化物作忽略计
研究高温器件耐久特性通常温器件耐久性发现高温具
更耐久特性中原高温隧穿氧化物陷阱具较
效俘获面积样擦电流通情况俘获电子数量更少高
温环境中陷阱束缚电荷逃逸速度加快陷阱愈现象器件性退化影响
程度相较低
第四章三栅分栅闪存器件耐久特性优化研究
第四章 三栅分栅闪存器件耐久特性优化研究
容提
隧穿氧化物陷阱束缚电荷存导致三栅分栅闪存器件存储循环窗口缩 该窗口减定程度造成外围判断电路法区分器件工作状态导致 器件功失效等系列性问题器件工作条件加工工艺进 行优化进延长器件耐久特性集成电路性说非常重问题 节基目针三栅分栅闪存器件特殊结构工作方式提出两种 延长器件耐久性性方法：存储单元擦饱法存储单元动态擦法
41 存储单元擦饱法
三栅分栅闪存器件采选择栅晶体分离沟道实现晶晶存储单
元擦闪存单元擦问题具免疫性种分栅结构中 存储沟道区域控制栅（CG）控制果浮栅器件度擦耗模式 该存储单元器件始终保持增强模式 Ono 等指出克服晶 晶擦隧穿氧化物陷阱束缚电荷问题简便方法擦程中采擦 法实验两存储阵列作相编程电压擦电压分 两存储阵列循环操作 100K 次循环测试前利 Kalos1 良率测试机台存 储阵列单元沟道电流进行测量
图 41 示单存储单元沟道电流阈值电压间关系器件擦 阈值电压位 Site1 范围时沟道电流着器件阈值电压变化斜率较然
果器件擦阈值电压位 Site2 范围时沟道电流着器件阈值电压变 化快速降闪存单元历 PE 循环测试相隧穿氧化物束缚电荷密度 情况器件会出现相程度阈值电压漂移时沟道电流退化程度直接决定 初始器件阈值电压值提高存储器件循环工作窗口适提高器 件擦电压便浮栅擦处擦状态必
图 42 出器件高低擦电压存储阵列沟道电流分布情况图中 出正常擦电压存储阵列沟道电流分布较广尤存尾巴 单元（tail bit）低电流单元限制器件耐久性原浮栅 擦电压增加 05V(擦)存储阵列沟道电流分布明显收缩时阵列中 尾巴单元解决
013umshrink工艺嵌入式闪存耐久性特性研究
图 41 单存储单元沟道电流阈值电压间关系
图 42 擦电压存储阵列沟道电流分布较
图 43 示存储阵列擦电压器件耐久特性出 样存储操作100K 循环擦写操作工作电压低(Vee)阵列出现更尾巴
第四章三栅分栅闪存器件耐久特性优化研究
单元果特定参考存储单元电流基准尾巴单元导致外围判 断电路区分信息01然果稍微增加擦工作电压（Vee+05V）
存储阵列 100K 循环擦写操作沟道电流分布然非常紧密没出现低擦 电压尾巴单元效延长存储单元工作寿命
图 43 擦电压100K 擦写前存储阵列沟道电流分布较
然擦够提高三栅分栅闪存耐久特性存着潜 性问题擦程中需提高器件擦操作工作电压升高 工作电压时外围稳压电路 MOS 场效应产生应力导致潜性问题 需陷阱束缚电荷产生负效应进行量化电路设计工艺中 电路器件优化中采动态擦电压方式
42 存储单元动态擦法
三栅分栅闪存受定次数 PE 循环测试操作隧穿氧化物陷阱束
缚电荷存器件擦功会受程度影响导致器件特性参数
退化三栅分栅闪存隧穿氧化物陷阱束缚电荷集中图 18 间隙区域
电荷身器件阈值电压影响非常限然造成器件擦程中
浮栅电荷数量减少占着导作单元 221 UV 试验结果
出器件历擦写循环前保持擦操作浮栅电位处电
位延长器件耐久性具非常重意义
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421 基原理
图 44 出次擦周期隧穿氧化物中电势分布示意图里假设隧穿氧化 物陷阱电荷均匀分布果假设隧穿氧化物似完美起始阶段没陷 阱束缚电荷存FN 隧穿电场处处相时电势呈线性降图 44
中黑色实线示（Vee0→VFG_i）着 PE 循环操作次数增加电子隧穿氧化物
陷阱俘获俘获电子增加氧化物势垒高度降低电子隧穿率
样擦操作周期较低浮栅电位图 44 灰色虚线
示（Vee0→VFG_f）果时擦电压增加定幅度保证浮栅电压处相
电位图 44 黑色虚线示（Vee1→VFG_i）样解决器件擦性退化
问题
图 44 动态擦原理示意图
器件动态擦电压进行量化？面根三栅分栅闪存器件特 殊结构工作方式求出动态擦电压表达式隧穿陷阱电荷远离沟道区 域间隙尺寸身器件特性影响忽略计动态擦方法中 意次器件擦浮栅具样电位方程：
Vt FG 0 aCGVte _ i + gVWL _ read +VFG _ i aCGVte _ f + gVWL _ read +VFG _ f (41)
中α CGγ 分 CG WL 浮栅耦合系数Vte_i Vte_f 分 PE 循环测试
前 CG 端点测器件擦阈值电压VFG_i VFG_f 分 PE 测试前器件
第四章三栅分栅闪存器件耐久特性优化研究
擦状态浮栅电位VWL_read 读操作字线加电位
理擦操作中字线会偏置高电位端点偏置 0 电位图
44 示保证意次擦浮栅电位擦电压必须根关系
进行动态调节：
Vee1 (1 g ) (VFG _ i VFG _ f ) VFG _ i Vee 0 (1 g ) VFG _ i
(42)
中Vee1 Vee0 分陷阱电荷陷阱电荷时选择栅加电压
结合方程(41)(42)动态擦电压表达：
Vee1 Vee 0 + k (Vte _ f Vte _ i ) (43)
k aCG
中 1 g
422 实验结果分析
图 45 分出器件动态擦电压恒定擦电压 PE 循环测试次数间 关系里测 k 值概 045动态擦电压通实时测量根方程(43)
计算图中出保持相浮栅电位擦电压器件 PE 循环 次数间保持似数关系增长 100K 次循环测试动态擦电压增加幅度 达值约 015V循环程中选择组利恒定电压进 行擦单元作
图 45 器件动态擦电压恒定擦电压变化 PE 循环测试次数关系
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三栅分栅闪存器件退化擦操作造成隧穿氧化物陷阱俘获电子
器件编程性没变化擦性退化种器件问题
研究中针器件擦阈值电压循环操作次数关系作研究
图 46 出分动态擦模式恒定电压擦模式器件擦状态阈值电压
PE 循环次数关系图出动态擦模式始终保持浮栅电位
处电位相初始值说器件擦阈值电压微弱漂移（～01V）
陷阱束缚电荷身耦合浮栅造成少量偏移然恒电压擦 模式器件擦阈值电压变化循环次数 100K 时器件擦 阈值电压漂移已达 12V说器件单擦周期陷阱束缚电荷 阻碍相初始状态浮栅电位更低
图 46 动态擦模式恒电压擦模式器件擦阈值电压 PE 循环次数 变化情况
述出动态擦模型够效解决三栅分栅闪存擦性退化导 致耐久性退化问题果原理应电路设计中通设计动调 节器件擦操作工作电压补偿隧穿氧化物陷阱束缚电荷引起浮栅电 压降低问题样程度延长器件工作寿命提高器件编程速度 时避免存存储单元度擦现象讨器件工作电压 优化提升三栅分栅闪存器件耐久性影响面针工艺提高 隧穿氧化物特性优化三栅分栅闪存器件耐久性
第四章三栅分栅闪存器件耐久特性优化研究
4 3 章结
章调查浮栅擦法动态调节擦电压法三栅分栅闪存器件耐久特性影响
三栅分栅闪存器件特擦免疫特性通适增加擦电压保
持浮栅始终处擦状态效降低器件擦读电流减提高器
件耐久特性
基维持相浮栅电位思想建立动态调节擦电压模型通实验
验证发现该模型够效提升三栅分栅闪存器件耐久特性
013umshrink工艺嵌入式闪存耐久性特性研究
第五章 总结
改善闪存器件耐久性问题存储器件性必须面挑战三栅分栅
闪存器件特殊物理结构工作方式仅导致特器件特性引入新
性问题文三栅分栅闪存器件耐久性退化机理特性进行系统研究
通陷阱电荷建模工作条件生产工艺优化三栅分栅闪存器件耐久特性做
系统研究概括：
（1） 结合直流电压应力 UV 方式研究三栅分栅闪存器件耐久性退化 机理通实验验证晶晶 FN 电子隧穿擦操作引起隧穿氧 化物束缚电子导致三栅分栅闪存器件退化原
（2） 分析器件特殊结构工作原理
（3） 基维持相浮栅电位理念提出动态调节擦电压方法优化 三栅分栅闪存器件耐久特性通单存储单元耐久性测试 验证
文调查三栅分栅闪存器件耐久性退化机理建立器件退化特性 陷阱电荷密度间关系提出种优化三栅分栅闪存器件耐久性方法仅 深入三栅分栅闪存器件耐久性退化理解器件工作条件工艺解决 三栅分栅闪存器件耐久性性问题提供参考
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013umshrink工艺嵌入式闪存耐久性特性研究
摘
耐久性特性存储类芯片重性课题013umshrink闪存器件特殊结构工作模式导致特器件特性时引入性问题
文综合直流电压应力 UV 方式研究三栅分栅闪存器件耐久性退化机
理实验验证晶晶 FN电子隧穿擦操作引起隧穿氧化物束缚电子导致三栅分栅闪存器件退化重原基器件耐久性退化机理讲述三栅分栅 闪存特殊结构操作方式
耐久性优化方面文重点器件操作条件三栅分栅闪存器件耐久性进行研究优化器件操作条件方面提出擦方法动态调节擦电压方法应单存储单元测试中相较原始擦操作条件够改善器件耐久特性
关键词：闪存耐久性陷阱束缚电荷耐久性优化尺寸缩
Abstract
Investigation of 013umshrink Flash Characteristics and Endurance Reliability
Abstract
Endurance is one of the most important reliability topics in flash memory Due to the special physical structure and operation method in 013umshrink flash memory it has a unique device characteristic and a new reliability problem
In this thesis by using of DC (Direct Current) stress and UV (ultraviolet) the mechanism of endurance degradation in triple splitgate flash memory is investigated Polytopoly FN (FowlerNordheim) erase tunneling induced electron trapping is confirmed to dominate the degradation of triple splitgate flash device during cycling
As for endurance optimization the studies are carried out on the operation conditions Two methods—Overerase and Dynamic Adjusting Erase Voltage—are put forward and proved effectively for the enhancement of endurance characteristics in singlecell samples
Keywords Flash Endurance Electron Trapping shrink
目录
目 录
摘
I
Abstract
II
第章 绪
1
11
非易失性半导体存储器技术发展历史
1
111 ROM 发展 EPROM
1
112 EPROM 发展 EEPROM
2
113
EEPROM 发展 Flash Memory
3
12
013umshrink 闪存芯片简介
11
121
芯片结构介绍
11
122
芯片原理介绍
13
123
芯片制造流程
17
124
芯片测试流程
18
13
研究013umshrink闪存耐久性市场空间必
14
文工作
20
第二章闪存芯片耐久性研究现状耐久特性退化原理研究
22
21
研究现状分析
22
211 源端通道热电子注入（SSI）导致耐久特性退化
22
212 Poly Poly FN 隧穿导致耐久特性退化
23
22
耐久特性退化原理
25
23
章结
48
第三章 013umshrink闪存器件耐久特性工作条件关系研究
49
31
器件耐久特性工作条件关系研究
49
32
器件耐久特性环境温度关系研究
52
321
实验准备程
52
322
实验结果解析
53
33
章结
56
第四章013umshrink闪存芯片耐久特性优化研究
57
41
存储单元擦法
57
42
存储单元动态擦法
59
421
基理
60
422
实验结果解析
61
43
章结
70
第五章 总结
80
参考文献
81
附 录
89
致谢
90
013umshrink工艺嵌入式闪存耐久性特性研究
第章 绪
11 引言
现代化信息技术中半导体存储器非常重电子元件Si工艺技术样储存技术容量特性方面着摩尔定律成长脚步外加电源时候类储存器件相长时间里保持着前写进信息非易挥发性闪存器件（Nonvolatile MemoriesNVM）固态存储类器件中占导位分支量产规模较市场份额非易挥发性闪存器件直受众关注文研讨013umshrink种半导体存储器件非易挥发性半导体节回顾关类半导体技术发展历程分析种类半导体技术出非易挥发半导体必然着闪存技术方发展种技术市场前景良
111 ROM 发展 EPROM
世纪六零年代中期直占流市场磁芯存储器magnetic corememory开始金属氧化物半导体代逐渐市场认种半导体存储器称MOS然种储存器存致命缺点旦断电存储数短时间会丢失基种情况ROM非易失性半导体存储器市场流
直1967年半导体存储市场开始推出浮栅（FG）理念种理念开始推出金氮氧半导体占市场半世纪MNOS种存储器解决MOS容易丢失数问题性1971年ROM先进PAM1K机存储器问世没长时间浮栅概念推动EPROM紫外光擦编程读存储器开始风靡世界
种存储器属半导体存储器种实现电学化变成写入数擦会断电丢失数浮栅理念次质飞跃种存储器编程时候采CHI沟道热电子注入方式种编程方式需高电压流量电流作环境需求般采12伏电源作外部供电模式写入字节程序需1ms左右时间种存储器浮栅提供电子紫外光射擦实现存储通浮栅电子逸出势垒实现擦存储器数时候需紫外光射20分钟必须断电操作EPROM进行擦时候字节擦单浮栅MOS构成EPROM存储单元正高度集成EPROM实现DRAM动态机存储器功
EPROM需进行紫外光射实现擦功生产类存储器组件时候必须石英窗口导致种半导体存储器成直线升EPROM编程擦必须通电路板进行造成封装难度提高基情况逐渐开发出种编程次性存储器OTP（OneTimeProgrammable）种存储器结构类似EPROM编程次进行编程擦种器件需封装石英窗口成然幅度降低
112 EPROM EEPROM升级
EPROM出现十年1983年EPROM出现第次升级16K编程擦存储器问世种存储器擦紫外光电擦式EEPROM基浮栅概念开发EPROM非常类似器件沟道区域绝缘 n 型掺杂晶硅板高质量氧化物板完全电极隔离形成浮栅通常浮栅耦合电极器件沟道导通否浮栅中储存电子数量决定 EPROM EEPROM通电信号进行编程擦讲存储器电路板取出操作时候字节序进行改变EPROM改动需整体擦者编程弊端
编程然EEPROM功相完整结构更复杂EPROM单MOS元件构成EEPROM需存储晶体选择晶体组成（图）种存储器称双晶体存储器然功更加完备存储字节搞占更芯片面积造成EEPROM集成方便总笔EPROM慢两代 EEPROM存储器仅应浮栅技术应电荷束缚技术电擦擦掉MNOS单元数信息外通FN电子隧穿实现浮栅单元擦种隧穿技术全称（FowlerNordheim electron tunneling）外采沟道热电子注入CHEI进行数擦者完成编程工作
EEPROM问世越越追求需外部源实现数存储容易丢失数存储器追求种存储器实现高集成低成功耗低快速编程数读取功EEPROM发展越越满足需求前EEPROM存储器实现部编程时序址锁定数锁定页式存储等功种存储器实现TTL逻辑完全兼容效果芯片脉整形数轮询等种功行业种功全面EEPROM存储器称FullFeature EEPROM简称FFEEPROM类存储器系统适应性非常强部系统编程功导致适应种系统软件前工智领域逻辑器件等领域广泛应EEPROM存储器
图 11 EEPROM 存储单元基结构
认EEPROM系统兼容性功强定会快速占领市场创出高额利润游戏王成微机处理器中流存储器EEPROM市场发展没想象中直1992年种存储器市场份额开始增加增势非常缓慢EEPROM市场份额超出EPROM1995年点原造成EEPROM市场发展缓慢：（1）存储字节EEPROM成EPROM成高（2）硬件发展离开软件支持软件发展速度造成EEPROM直没广泛应起（3）特解EEPROM性应中直束手束脚
113 EEPROM Flash Memory发展历程
1闪存技术存储器什技术优势
果解决EEPROM存储器成高首先方式通闪存flash
Memory实现种存储器全称flash EEPROM中文名称闪存电擦式存储器前介绍FFEEPROM相种存储器点需逐字节擦存储阵列者模块进行局部擦种存储器电路求相简单单字节存储成然幅度降
第章 绪
世纪八十年代期Masupka 等采单晶体EEPROM器件全新电路编程擦程序完成第块闪存存储器制作种256K闪存存储器采告诉灵敏度放器仅仅1995年种存储器实现DRAM更低成生产快速开非易失性存储器市场空间种闪存存储器EEPROM技术发展成熟阶段标志更精细占位置更集成电路开始占电子市场进带电擦式存储器容量存储器需断增加种闪存存储器实现传统EPROMEEPROM两种存储器优点需晶体种存储器占更单位字节存储面积更电子器件集成化程度更高外种闪存存储器样实现电擦编程系统完整性求更高条件种存储器更具优势
通常部分存储阵列进行写操作时部分产生数干扰闪存 技术关注问题存储单元ＥＥＰＲＯＭ编程擦时追求减 存储单元面积达降低成目设计时省略选择栅 选择栅单元周围单元编程时会产生干扰现象实际避免 问题图 12 出文中三栅分栅闪存编程干扰实例．
图 12 三栅分栅闪闪存编程干扰示意图
进行存储前者编程时候闪存存储器进行全部擦然开启存储单元时需相致电压擦前必须单元进行单独预编程操作果进行预编程会出现某单元度擦状况图13中显示某情况编程导致电子进入浮栅导致单元开启电压攀升进行擦操作时会电子流出浮栅导致电压降低果单元开启电压出现负数等低现象晶体器件会消耗完毕处直导通状态进影响整体单元整列功视线编程时会出现选择解选择存储单元现象外进行预编程方式电压低系统会通特定程序出现度擦单元进行恢复种操作会擦更复杂操作时间会幅度延长
图１－３度擦效应导致器件开启电压变负示意图
般说系统会闪存存储器进行擦验证效性擦者编程完成会逐字节读出存储器字节确定单元开启电压基致验证中果发现没达求情况会继续进行擦者编程直单元开启电压基致
种擦情况具叠栅存储器件选择栅器件组合分栅闪存中 控制选择栅器件器件沟道控制作叠栅存储器件处擦状态选择栅器件沟道关闭避免该存储单元整阵列影响 时简化外围验证电路设计
2常见闪存存储器构架模式
般说闪存存储器类型存储单元通常见非型非型两种结构NORNADANOR型架构适读取编程需针中某单元存储器件图14中通举例阐释种架构进行读取操作时字者字节存储单元享8条位线者条字线存储中字节B等8bit字W等2B种情况会激活相数量感测放器
行解码器接收传送进需读取存储单元址时会拉高目标字线电位字线保持接状态目标单元电位升高位线升高连感测放器时该单元果已完成编程开启电压高位线没电流流通存储器中0标记果进行擦操作开启电压低位线会电流通感测放器接收信号会1标记然读取数值通缓器传输数总线实现数完整读取
通常情况NOR存储器通FN电子隧穿沟道热电子注入实现编程两种方式编程速度较快擦操作需开启电压控制防止度擦时候需增加成
图 14 NOR 型闪存器件基架构
图 15 NAND 型闪存器件基架构
013umshrink工艺嵌入式闪存耐久性特性研究
介绍NOR构架属行构架闪存存储器外种构架模式串行构架NAND图15中通m单元源端位线串联起NOR型构架中存储单元需位线接触NAND构架中m单元需样存储矩阵memory matrix面积幅度缩存储密度提高存储量会增数读取时候针某存储单元进行数读取存储单元控制栅（CGControl Gate）会直处高位状态0V相关串联单元开启电压什状态会统提升高电进行编程操作进行数传输时目标晶体开启电压果成负值该晶体会处耗状态电流通串联位线达感测放器NAND存储器中般存储单位页pageIO端口读取数页单位进行刻串联单元发挥页面寄存器作时放器新号特弱利页面寄存器感测稳定信号种架构存储器读取数需整序列单元参晶体选择读取速度相缓慢实现机读取
外NAND闪存存储器进行数编程擦采FN电子隧穿方式NOR闪存存储器采沟道热电子注入式编程方式NAND存储器编程方面速度法NOR相素般数码相机存储卡mp3等中采NAND架构闪存存储器设备存储速度求较低存储密度求较高出文介绍两种结构模式存储器优点应环境相着技术断升级发展目前两种闪存存储器存融合趋势具代表性三星公司OneNAND技术Spansion 推出ORNAND技术ORNANDNOR架构存储器基础加入NAND接口种闪存采更先进隔离区氧化膜保存电荷形式存储密度幅度提高实现单元2bit存储密度三星公司OneNANDNAND存储架构基础通增加NOR接口结合SRAM高速缓区形成全新闪存存储器技术种存储器进实现NOR存储性达NAND存储器存储容量
3现存 NOR 闪存结构工作原理
I T 型闪存存储器件
T 型闪存存储器件源传统 T 型 EPROM 技术单存储单元源
区结构布局类似 T 字母形状名图 16(a)(b)出 T 型闪存存储阵列中四
单元布局图单字节截面图
第章 绪
图 16 T 型闪存存储阵列布局图截面图(a)单闪存存储阵列中四单元布局图
(b)单存储单元截面图
T 型闪存单元般采热电子编程(图 17)通漏极加 57 伏电压控
制栅加 1012 伏端点接 0 伏样漏结附产生产生足够热
电子高横沟道电场时漏极端垂直电场存部分量高热
电子(～32eV)会 SiSiO2 势垒进入浮栅导致器件达高阈值区域(～5V)
图 17 T 型存储器件编程操作示意图
器件擦采电子浮栅 FN 隧穿源端沟道区域电学擦时浮栅
n+源端(沟道区域)间隧穿氧化物中电场般需达 10MVcm典型擦
脉周期般 10ms目前普遍采擦方式三种零栅压高源压擦(图
18a)负栅压高源压擦(图 18b)沟道擦（图 18c）
013umshrink工艺嵌入式闪存耐久性特性研究
图 18 T 型闪存器件擦操作示意图
II 源极耦合分栅（SCSG）闪存存储器件
源极耦合分栅(SCSG)闪存存储器利单层晶硅时实现控制栅源端选
择栅作见图 19
类似 T 型闪存器件SCSG 器件采漏极热电子注入方式编程擦操作类
似零栅压高源电压源结擦方式
图 19 SCSG源极耦合闪存存储器架构示意图
III场增强隧穿注入闪存存储器
通场增强进行隧穿注入闪存器件采单器件分栅架构模式通晶体晶体间FN电子隧穿达擦数目变成时候采源端热电子注入模式
第章 绪
通晶晶浮栅结构场增强隧穿进行电子注入源端注入实现～103 数量级注
入效率允许芯片单电压源实现规模电荷泵时样工
艺技术该分栅闪存存储单元尺寸传统叠栅闪存尺寸相图 110 图
111 分出该器件俯视图截面图
图 110 场增强隧穿注入闪存器件布局
图 111 场增强隧穿注入闪存器件字线位线方剖面图
图112中显示种闪存器件进行擦时通浮栅边缘形状改变实现场增强实现FN电子隧穿实际操作时候漏源端处接状态字线处高电位状态隧穿注入点电场强度非常高种器件中等电压实现擦
类器件编程时候通源端热电子注入实现 控制栅中应选择沟道处线性状态高端电压作浮栅处耦合饱间隙区域选择栅沟道电子加速形成热电子浮栅中垂直电场电子撞击改变方吸收量32eV电子完成编程操作
源端注入编程 注入效率高器件编程周期较短（≤20μ s）时编程电流需求～1
μ A页编程成
013umshrink工艺嵌入式闪存耐久性特性研究
图 112 浮栅结构相关增强 FN 隧穿带示意图
12 三栅分栅闪存器件简介
三栅分栅闪存器件种类似场增强隧穿注入更复杂特殊分栅闪存
器件节先介绍关分栅闪存相关器件结构操作原理时分析性原理
121 分栅闪存芯片结构
文研究闪存器件属 NOR 型三栅分栅行架构种存储器件编程采SSI源端热电子注入形式擦采FN电子隧穿形式图113中（a）显示器件结构图（b）显示沟道方界面种存储器中字线（WL）浮栅构成存储单元器件中栅氧层隧穿氧化层采二氧化硅膜种薄膜高温沉积形成浮栅控制栅包括源线（SL）方重掺杂区域（n+）部分重合形成电容耦合效应样浮栅中形成耦合电位传统叠栅闪存（stacked gate）法实现三栅分栅独立控制功三栅分栅通浮栅字线形成沟道控制效应种闪存存储器方式度擦频繁出现采源电子注入沟道热电子注入完成编程时候效率更快耗更低（详见 122）
第章 绪
图 113(a) 三栅分栅结构示意图 (b)三栅分栅沟道截面图出Grace 013um 分栅结构
种闪存器件完成读取数时候字线电压高导致字线沟道反方开启沟道状态决定源线位线中通电流强度擦操作会浮栅字线间形成FN电子隧穿浮栅中电子会拉出浮栅电位会变高沟道读取较电流信号果完成编程浮栅电位会相应降低沟道会关闭浮栅读取较电流信号般说擦编程沟道电流少差2数量级
通读取沟道中电流强度实现状态读取判断图14中种存储器行列模式排列存储矩阵IO输入输出端口列单元享般说列存储单元中列存储单元作参考单元存列行交叉点存储参考单元存储器件进行擦操作参考单元读取电流值进行均数处理判断整行存储单元存储状态般情况电流值30做参考值行业说user mode果存储单元电流参考值会1标准反果读取电流参考值0标记表11中列出类存储器工作状态相应条件
表 11
三栅分栅闪存器件工作条件
操作
字线电位
位线电位
源线电位
控制栅电位
操作时间
编程
14V
02V
5V
10V
10us
擦
105V
0V
0V
0V
10ms
读取
2．5V
1V
0V
2V
—
013umshrink工艺嵌入式闪存耐久性特性研究
122 三栅分栅存储器结构原理
实浮栅存储器中擦编程种电荷写入方式种方式存着载流子通隧穿氧化物带系列问题目前常见机理FN隧穿（薄氧化膜10nm）沟道热电子注入CHE晶氧化物场增强FN隧穿SSI源端沟道热电子注入等形式包括SHEI衬底热电子注入等形式两种隧穿机理建立氧化层量子隧穿机理三种建立注入载流子横电场（CHE SSI）者硅衬底电场（SHEI）加速够越 SiSiO2 势垒基础实际应中根需求决定采种方式进行编程采种结构存储器件文中两种隧穿模式针擦操作SSI三栅分栅编程文针FN电子隧穿SSI源端热电子注入进行分析
1FN 电子隧穿机理介绍
质FN电子隧穿种辅助机制图114中显示栅极负偏压时晶硅氧化物硅衬底量变化图加负偏压初硅导带电子势垒表现出梯形状态时硅衬底电子注入电流直接隧穿梯形势垒然栅极继续增压势垒开始呈现三角形状态种真空状态三角形势垒电子通时候采介质层导带电子隧穿做FN电子隧穿
文采薛定谔方程简化模式出FN隧穿电流值通WKB隧穿率似计算出晶硅中电子量
q3
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é
8p (2 m* )1 2 F3 2
ù
J
exp ê
b
ú
(11)
8p hFb
3hqEinj
ê
ú
ë
û
具体参数参考表12中物理参数
表 12 薛定谔方程中FN电子隧穿物理参数定义
h
普朗克常量h 6626 × 1034 J·s
Φb
隧穿界面势垒SiSiO2 界面32eV
q
单电子电荷 q 1602×1019 C
m
电子质量m 9109×1031kg
m*
二氧化硅带隙电子效质量[12] m*042m
面方程式中通两参数决定隧穿电流强度势垒高度（Φb）表示电场强度（Einj）表示般说电子SiSiO2 界面势垒高度值32eV左右果空穴势垒高度应该达48eV左右出电子电流FN隧穿电流导电流
第章 绪
图 114带展示FN隧穿电子图
体氧化物 FN 隧穿说隧穿电流密度注入界面电场强度控制
体氧化物特性关电子隧穿通势垒时电场加速达相高
飘移速度～107 厘米秒计算 SiSiO2 界面注入电场时必须考虑带电压
：
E
Vapp Vfb
(12)
inj
tOX
里 Vapp 氧化物承受压降Vfb 带电压tOX 氧化物厚度
实际应程中隧穿电流强度理计算出电流强度中外界素影响直致力隧穿电流计算方式更精确减两者间误差目前种研究断进行中计算FN隧穿电流公示更精确误差更究原实际应中什种类存储器件电子隧穿采PolySiO2 界面晶硅热氧化作形成 SiO2 薄膜电子显微镜起 PolySiO2 界面完全面凸起正局部电场会出现较波动造成实际测量隧穿电流理计算出种现象AndersonKerr 首先发现基础LeeMartin 进步PolySiO2 界面具体产生影响采二维泊松方程进行计算出凸起隧穿电流产生49增强作Heimann更精确计算出整隧穿面身凸起隧穿电流增强子3左右GroesenekenBisschop等 EillsHuff等研究基础提出新隧穿电流计算方式
013umshrink工艺嵌入式闪存耐久性特性研究
PolySiO2 界面计算通物理模型实现出隧穿电流隧穿时产生氧化层电荷束缚现象建立物理模型基FN电子隧穿理电荷束缚效应均匀FN电子隧穿理基础
2源端热电子注入机理分析
半导体晶体源端漏端出现电压升高漏端附沟道中电场会升高促载流子限漏端通高电场区时候载流子会获动载流子热衡状态破坏载流子会发热形成热形成热载流子漏端载流子热效应产生碰撞会形成电子——空穴硅衬底会热载流子收集产生衬底电流少数热载流子会通漏端产生热载流子二级效应果载流子动超越SiSiO2 界面势垒载流子会进入栅氧层图115中栅极电位沟道注入电位高栅氧层会收集漏端注入热载流子产生栅极电流目前市场常见非易失性存储器中电子迁移率空穴高会产生行业常说热电子注入现象
图 115 n 沟器件沟道热电子注入（CHEI）带图
种热载流子注入栅极效应编程种方式缺点非常明显首先热电子注入效率太低第二耗非常高栅极电位低漏端电位高水强电场会产生更热电子栅极电位高漏端电位低垂直方强电场会促进热电子进入栅氧层两种情况相矛盾形成立克服状况实际运中保持栅极漏端处高电位状态耗然升高
第章 绪
克服种弊端逐渐开发出源端热电子注入编程技术图116中显示源端热电子注入示意图程中传统沟道链接源端漏端改漏端源端通两部分沟道组成实现漏端栅极源端栅极进行独立控制选择栅极源端栅极通低电位产生量热载流子浮栅漏端栅通高电位实现更热电子进入栅氧层分栅结构种结构浮栅通反型层漏端进行延伸源端沟道真正发挥作两段沟道连接处水电场高改变传统n型存储器漏端水电场高状态通浮栅氧化层辅助部分热电子会浮栅吸收前n型存储器件提升电子通源端注入栅氧层形成源端热电子注入图117显示时参考表11中数出种分栅存储器电场布局两段沟道交汇处水电场垂直电场高方形成量热电子注入浮栅右方源线附水电场高场区MOS漏端非常相似
图 116 三栅分栅闪存器件源端热电子注入编程时端偏压示意图种偏压组合
利热电子产生收集
013umshrink工艺嵌入式闪存耐久性特性研究
垂直电场峰值
电场强度分布
水电场峰值
水电场峰值
(源线处)
(两栅空隙处)
选择栅(字线)
间隙
浮栅
沟道方位置
图 117 TCAD 模拟源端热电子注入编程时器件沟道方电场分布示意图
3性问题 进行三栅分栅闪存器件编程擦操作时电子通者越 SiSiO2
势垒造成氧化物结构破坏硅氧化物特性会逐渐恶化破坏程度积累 定阶段时硅氧化物会突然失绝缘特性氧化物击穿现象发生
三栅分栅存储器性问题存储器件工作方式引起：
种晶晶 FN 隧穿擦引起电荷俘获种源端热电子注入导致 间隙电荷陷阱
123 三栅分栅存储器制作流程
制造三栅分栅闪存存储器时候需CMOS集成电路制造相兼容例生产012微米闪存器件电路功需光罩工艺步骤中光罩分2729道工艺步骤更达950道核心工艺包括：存储单元采准工艺降低光刻精度求外CMOS集成工艺相三栅分栅存储器时完成逻辑器件存储单元造成工艺难度热预算难度幅度提高导致离子注入扩散受控制产生系列诸金属电迁移恶化（EMElectroMigration）应力失配栅氧退化等问题出三栅分栅闪存芯片制作求非常高
生产工艺序制造流程分4步：第步通光刻腐蚀两种技术源区进行定义然利浅槽隔离技术定义源区进行隔离STI技术种技术控制芯片质量关键素浅槽隔离程中浅槽步倾角角度边缘化成绝缘介质填充必须非常精细
第章 绪
第二步构造存储单元拥准功分栅结构形成整芯片制造中核心部分结构参数直接决定存储器件特性程工艺必须精确控制中较关键部分浮栅隧穿氧化层厚薄源线量剂量等需精确握第三步构造逻辑器件MOS器件双极器件周边电路构造程CMOS制造工艺完全相精确控制晶硅栅控制硅栅剂量量阈值包括金属硅化物控制等容第四步包括电绝缘金属连线坦化等端工艺制造般说分栅存储器超3层金属连线传统CMOS集成电路会存诸金属电迁移应力分配等端问题分栅存储器方面问题相较
124 芯片测试流程
批量生产时候分栅存储器件生产出必须严格测试投放市场第步制造流程测试般说芯片完成立刻会进行程序测试容芯片生产程中生产线否正常运转没生产工艺造成残次品芯片圆晶设计专门测试口方便电路器件参数测试般说需测试晶硅电阻值晶体开启电压漏电电流饱电流栅氧层特性等容
图 118 非正常擦造成器件开启电压异常示意图
013umshrink工艺嵌入式闪存耐久性特性研究
圆晶PCM测试步进行功测试项测试专门测试公司做般测试芯片功需两部分部分测试芯片基性称CP1 test中包括容：
（I）首先检测直流特性发现静电功耗者引脚漏电造成效芯片
（II）第二项检测存储功中进行数读取者编程擦芯片找出包括异常芯片例检测擦功检测非正常擦包括快擦弱擦等图118中非正常擦芯片开启电压会较低业说fast bits快擦tail bits代表慢擦弱擦样检测编程功时会出现fast program快编程慢编程弱编程等情况属失效芯片
（III）第三项检测芯片干扰文图中12现实部分分栅闪存存储器NOR架构针存储单元进行编程时候相邻单元字线处接状态源线电位相较高果刻浮栅电位高该单元属擦完成沟道中然会电流通导致芯片编程芯片编程干扰步检测种干扰筛查出
通CP1测试芯片基功已没问题需芯片性进行测试业称CP2 test包括项容：
（I）第步检测耐久性（endurance）检测存储器件否受住次编程擦产品耐久度求般104～105次范围种测试会消耗掉测芯片需时间长采抽样检测定规律生产线直接抽取芯片检测
（II）第二项检测芯片数保持功芯片擦操作浮栅会带正电荷时果进入浮栅电子量较会造成浮栅状态改变导致电流标记出现错误例原标记1现会标记0造成芯片数操作误判行业求芯片必须数损保持10年实际测试等10年测试采高温加速法测试般通250℃高温烘烤36天然芯片进行读取果读取状态正常说明芯片合格高温测试程中会时测试基性例擦编程效率等
两项测试通芯片正式投放市场前进行封装防止封装程中导致芯片出现失效情况封装完毕进行次全部测试成终检测（final test）般检测容芯片引脚状况数读取状态等偶尔会加入诸编程擦功检测检测条件没前严苛接通终测试芯片会销售客户手中
第章 绪
13 013umshrink闪存市场前景耐久性研究必性
013umshrink闪存相较前025um018um闪存继承存取较快速噪音散热等优点外重制造成幅度降低更竞争力受越越客户青睐相025um018um闪存说013umshrink闪存性问题遇更挑战中性问题闪存器件耐久性问题耐久特性代表着器件承受正常操作次数定程度影响存储单元数保持力器件工作窗口确定存储单元耐久性退化机理存储器件耐久性进行提升非常具价值问题需深入研究
文作者直事芯片产品测试工程工作先进集成电路生产厂商单位工作 4 年发现存储器件性产品研发阶段转化量产阶段非常 关键问题甚量产初期会成阻碍规模量产致命问题013umshrink闪存芯片量产初期耐久性出现问题导致整条产线停产严重果般情况产品进入研发阶段时 需存储器件性进行评估工程进度求通常工程师般根 验改进工艺期满足存储器件性项求根解器件退化机理样容易造成治标治果产品量产埋隐患效解决存储器件性问题需深入解器件退化机理器件退化特性工艺参数电路设计测试方案直接联系起找相应解决办法
14 文工作
文调查013umshrink三栅分栅闪存器件耐久性退化机理建立器件退化特性
陷阱电荷密度间关系提出种优化三栅分栅闪存器件耐久性方法
工作容：
1．利直流电场深紫外光（UV）方式调查三栅分栅闪存器件耐久特性
2．根三栅分栅闪存器件耐久特性根三栅分栅闪存特结构相应工作原理
3．研究三栅分栅闪存器件耐久特性擦操作电压擦周期工作环境温度
间关系调查电子陷阱电荷俘获释放现象
4．工作方式工艺三栅分栅闪存器件耐久特性进行优化提出动态调
节擦电压模型
013umshrink工艺嵌入式闪存耐久性特性研究
013umshrink三栅分栅闪存器件耐久特性
第二章 013umshrink闪存器件耐久特性
容提
章回顾普通源端注入分栅闪存器件相关研究背景考察三栅分栅闪存
写擦性退化机理性影响
21 研究现状分析
三栅分栅闪存器件利源端热电子注入进行编程FN 电子隧穿进行擦
浮栅氧化物受热电子应力隧穿氧化物受 FN 电场应力三栅分栅闪存器
件存着两种效应造成器件工作特性退化然闪存器件特
性退化研究基集中衬底源漏端 FN 隧穿擦类器件晶
晶 FN 隧穿类器件研究非常限节首先研究现状进行综述
结合器件耐久特性确定文研究重点
211 源端沟道热电子注入（SSI）引起特性退化
传统采漏端沟道热电子注入编程闪存较低注入效率器件具
耗解决问题Wu 等第次提出源端沟道热电子注入（SSI）
编程目前止量源端注入分栅闪存已研究部分研究
中介源区漏区间 MOS 器件沟道分成两栅极控制子沟道
源端侧沟道区域栅极偏置适合热电子产生环境漏端侧
沟道区域闪存单元浮栅区域耦合高电位便更适合热电子
注入浮栅两子沟道间窄间隙区域会承受部分漏源端间
压降图 117 示高横电场峰值引起热电子点会出现两
子沟道间隙区域高浮栅电势注入点垂直电场非常利电
子注入获高效注入效率（约 103 102 量级）概传统漏端沟
道热电子注入器件效率高三量级
然编程程中断受热电子应力高电场应力利分栅间隙
区域注入闪存存独特性问题电荷陷阱界面态产生等等
Wellekens等高注入金属氧化物存储器件（HIMOS见图 21）源端注
入引起器件特性退化相关性问题作详细研究研究中
器件利源端热电子注入编程源漏结 FN 隧穿擦图 22(a)出类器件
耐久性特性根 Van Houdt 等研究种工作条件方式闪存器件
擦写特性退化热电子注入点电荷俘获界面态产生造成
013umshrink工艺嵌入式闪存耐久性特性研究
见图 22（b）俘获电荷仅会降低器件编程效率会带
性相关问题耐久性（Endurance）信息保持力（Data Retention）等时
产生界面态会造成器件跨导（Gm）退化沟道电流减等等系列问题
图 21 HIMOS结构示意图该器件利 SSI 编程漏端 FN 隧穿擦
(a) (b)
图 22 (a)测量 HIMOS 耐久特性局域化陷阱电荷造成 PE 窗口明显缩(b)
UV 状态存储器件漏电流 PE 特性电荷陷阱造成阈值电压漂移界面态产
生造成跨导退化
然关源端热电子注入引起特性退化研究 SSI 编程 沟道源漏 FN 隧穿擦类器件基础晶晶 FN 电子隧穿 引起退化少研究
212 Poly Poly FN 隧穿引起特性退化
普通 FN 隧穿需足够电场（～10MVcm） SiSiO2 带势垒变窄
电子够硅单晶隧穿 SiO2 导带仅利器件缩求工作电压降
低问题会带系列高电场应力造成性问题晶晶 FN
第二章三栅分栅闪存器件耐久特性
隧穿解决问题晶硅层具粗燥表面粗燥表面导
致界面局域电场强度增强电子隧穿率提升样
相较厚隧穿氧化物需适中电压获足够
界面隧穿电场强度避免器件 FN 隧穿承受高电场应力带性问
题文中三栅分栅闪存采 Poly Poly FN 隧穿进行器件擦操作
然 Poly Poly 擦遇性问题电子俘获导致记
忆循环窗口关闭俘获电荷会降低隧穿界面处效注入场强减
隧穿电流1987 年 Neal Mielke 等研究薄坦隧穿氧化物厚晶表面
隧穿氧化物 E2PROM 性影响指出晶表面隧穿氧化物更易陷阱电荷
形成种高电子俘获率法避免Kordesch Liu等种
利 SSI 编程 Poly Poly 擦存储器件研究擦电压 PE 循环次数
关系观察着 PE 循环次数增加需擦电压必须增加定值
获相浮栅电压间接证明电荷陷阱存Tkachev Xian Liu
等研究双栅 Superflash®器件耐久性特性发现 Poly Poly 擦导致隧
穿氧化物电子俘获器件擦写性退化原种退化致命性
通增加擦电压消负面影响着器件尺寸减原双栅
Superflash®器件面着编程效率低问题提出三栅分栅闪存解
决问题然复杂结构尺寸缩造成浮栅外接法实现
性研究具挑战性目前止少研究种 Poly
Poly 擦存储器件
SSI FN 电子隧穿电子通隧穿氧化物越 SiSiO2 势垒时
断受隧穿电子碰撞产生氧化物陷阱断增氧化物特性会逐渐退
化着氧化物特性退化逐渐扩绝缘特性隧穿特性会受严重破坏
导致器件功实效二十年中隧穿氧化物陷阱电荷产生机
理学者做详细研究提出模型解释纳
三种：阳极空穴陷阱产生模型氢离子释放模型电场量模型图 23 总结
三种陷阱产生机理
013umshrink工艺嵌入式闪存耐久性特性研究
图 23 中性电子陷阱三种产生机理
22 芯片耐久性退化特性分析
般说三栅分栅存储器件进行编程擦通SSIFN隧穿进行两种方式会造成器件退化必须分析器件耐久性退化机理特性项研究意义非常重文作者通芯片氧化物节点通直流电压产生应力分析耐久退化机理特性结合紫外光擦终出造成三栅分栅存储器件退化根原
研究文中三栅分栅存储器件进行分析目标器件采 013umshrink 标准准闪存生产工艺生产CMOS集成工艺相处种工艺标准通控制栅（CG）腐蚀程序完成浮栅制作实现准选择栅通控制栅绝缘层采腐蚀工艺制作成中FGOX浮栅氧化物通热氧化工艺制造般90A厚度TUNOX隧穿氧化物高温氧化物沉积成般120A厚度通金属连线提高浮栅编程时耦合系数种芯片生产特性
三栅分栅存储器件进行擦编程时候图24中显示区域氧化物会高直流电产生应力会定程度造成氧化物退化进步影响整器件耐久性文首先研究直流电场作器件阈值产生变化然通紫外光擦方式进步确定
中国科学院海微系统信息技术研究博士学位文
25
第二章三栅分栅闪存器件耐久特性
图 24 三栅分栅芯片结构示意图中14位置会存直流电荷导致器件耐久退化
三栅分栅闪存存储器次擦编程擦浮栅电子阈值会幅度提升编程浮栅电压阈值基没变化造成两种操作状态电压阈值存差异外种芯片编程采源端热电子注入文中提认器件耐久退化热电子注入导致电荷陷阱出现文分析认三栅分栅闪存存储器中种操作方式造成耐久性退化存
26 中国科学院海微系统信息技术研究博士学位文
先进三栅分栅闪存器件工作特性耐久特性研究
中国科学院海微系统信息技术研究博士学位文
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第二章三栅分栅闪存器件耐久特性
采深紫外光擦操作阶段器件耐久退化进行深入分析擦程中深紫外光擦属动态操作般情况器件擦浮栅电位会基恢复衡浮栅中电荷数量基相通深紫外光擦非常直接出器件反复擦编程表现护电压电流特性分析程会受浮栅中电荷干扰
实少次擦编程测试深紫外光擦浮栅基会表现出电中性测试前者重复操作前编程时浮栅中电荷数量基致深紫外光擦测试闪存器件亚阈值没表现出明显退化现象通常情况界面陷阱电荷浮栅中高局域化电荷会器件阈值斜率产生较退化反应出浮栅氧化物注入点基没者少电子编程时注入进行擦操作电流电压表现出非常明显特性差异通文阐述分析编程状态器件特性发现擦次数越性逐渐降反验证果编程时热电子注入进入浮栅导致擦性退化电子会沟道热电子注入产生阻碍编程会受影响实际运中没发现循环编程表现出明显影响退化擦操作时非常明显发现现象隧穿氧化物俘获电子电荷导致
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29
第二章三栅分栅闪存器件耐久特性
器件进行循环编程擦操作时隧穿氧化物断电子进行隧穿已存陷阱浮栅俘获电子作会进步产生新陷阱俘获电子会隧穿氧化物电场产生影响续电子隧穿造成程度阻碍进行单存储单元擦时候电子流出浮栅会减少浮栅电位会保持相较低状态种情况器件擦耐久性退化
30 中国科学院海微系统信息技术研究博士学位文
先进三栅分栅闪存器件工作特性耐久特性研究
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31
第二章三栅分栅闪存器件耐久特性
发现沟道电场没受少间隙处陷阱束缚电荷影响器件编程性没变化种现象原二：首先浮栅选择栅中间隧穿氧化物间隙非常通电子电荷数量限然沟道产生太影响外FN电子隧穿中电子进行隧穿时候距离沟道非常远浮栅栅极电子俘获非常少正编程会器件造成明显退化影响
文节讨三栅分栅存储器件耐久性退化问题研究特性机理方便文继续器件窗口退化进行深入研究分析
23 章结
章首先分栅闪存器件工作原理退化机理研究现状进行综述结合 UV
擦方法三栅分栅闪存器件耐久性（endurance）特性作系列研究指
出导致该器件编程擦窗口减原晶晶 FN 电子隧穿引
起陷阱束缚电荷影响
第三章器件耐久性工作条件关系
第三章 器件耐久性工作条件关系研究
容提
章基前章三栅分栅闪存器件耐久性退化研究调查器件相 编程电压擦电压器件循环测试退化特性研究擦时间器件 退化关系研究温度器件耐久特性陷阱电荷温度特性进行研究 考察性影响
31 器件耐久性操作条件关系
三栅分栅闪存擦程中晶晶 FN 电子隧穿隧穿氧化物工
作程中断受电场应力电子电荷撞击非常必闪存器件工
作条件器件退化间关系进行研究三栅分栅闪存器件循环操作擦
操作性退化器件耐久性恶化原节针擦器件
特性进行研究
1 擦电压器件特性影响
三栅分栅闪存器件身擦效应具免疫性外围电路
允许情况范围提升器件擦工作电压三栅分栅闪存器件历
擦电压擦浮栅会处状态低擦电压擦浮栅处
欠擦状态样反沟道电流会退化相反擦电压升某
种特定值浮栅处擦状态器件沟道电流退化程度反减弱详细结
果参考第四章节
研究擦电压三栅分栅闪存耐久性影响里选取四存储
单元分 Vee(擦高压)Vee+03VVee+05V Vee+1V 四单元编程擦循环操
作 10K 次间断记录器件擦沟道电流
图 31 出四种擦电压循环 PE 操作 10K 程中沟道电流变化情况较 图中出擦操作工作电压稍微增加时沟道电流着循环 PE 次 数增加退化程度反降低浮栅高电压擦处擦状态 关电压增加定程度（Vee+1V）器件耐久特性出现快速退化迹象 适增加擦电荷利器件耐久特性优化
013umshrink工艺嵌入式闪存耐久性特性研究
图 31 四种擦电压循环 PE 操作 10K 程中沟道电流变化情况较
2 擦周期器件特性影响 器件特性退化仅工作电压关受电场作时间影
响擦周期影响研究擦周期器件特性影响里选择三
存储单元相擦电压采擦周期分器件循环操作
50K 次考察擦周期器件性影响程度
图 32 示擦电压单存储单元擦阈值电压擦时间间 关系出擦周期 1us 时三栅分栅闪存器件没出现浮栅电子 擦现象擦周期位 1us 10ms 器件阈值电压快速降说明该 时间周期范围FN 电子隧穿数量擦周期 10ms 时浮栅阈值电 压降速率逐渐趋缓说明着浮栅电子遗失浮栅电位逐渐升隧穿氧化 物承受压降降隧穿电流减终导致擦衡状态 考察擦周期器件特性影响里选择四种擦周期分三 栅分栅闪存器件四样品循环编程擦 50K 次较器件擦性退化情况
图 33 出擦周期耐久性测试三栅分栅闪存器件擦性影响 图中出 50K 次循环编程擦着单次循环擦周期延长 器件擦阈值电压漂移程度越严重擦周期达 10ms 时器件擦 阈值电压漂移非常类似结合图 32三栅分栅闪存器件擦阈值电压漂 移擦周期关系解释：擦周期 2ms5ms 时器件没达擦
第三章器件耐久性工作条件关系
饱状态隧穿氧化物承受擦开始阶段应力作着擦时间延
长隧穿氧化物受电场应力作越长出现擦周期延长器件擦
阈值电压漂移越擦周期达 10ms 器件没完全达擦
饱状态浮栅已达较高电位隧穿氧化物应力作已
程度降低器件会出现较 10ms 擦周期较程度退化解释
10ms 擦周期 100ms 擦周期耐久性测试结果
图 32 单存储单元擦性擦时间达 1us 时擦行开始着擦
时间达 01s器件逐渐达擦饱状态
013umshrink工艺嵌入式闪存耐久性特性研究
图 33 擦周期耐久性测试三栅分栅闪存器件擦性影响
32 器件耐久性温度关系
着闪存非挥发性存储器技术日益成熟应变越越广泛断
出现新应领域新应领域特殊性闪存器件提出新产
品求汽车电子求器件 120℃情况然工作然高温
器件工作特性性问题研究非常限基原节利三
栅分栅闪存高温器件工作特性性做相应研究
321 实验设计程
1 实验流程
实验中样品制备参考第 123 节三栅分栅闪存器件电学特性测试
项目包括器件耐久性（endurance）常温数保持性（data retention）
高温陷阱电荷逃逸治愈特性采测试设备 HP4156 半导体参数仪探针
测试仪烘烤炉 B1120M面测试项目进行简介
i 耐久性检测检测器件 30℃ 90℃温度条件进行干次编程擦 循环操作器件退化情况 22 节说明引起退化原 FN 电子隧穿擦产生氧化物束缚电荷器件温度耐 久性会表现节集中讨高温器件耐久性测试选择 器件擦编程次数 105 次
ii 常温数保持性测试三栅分栅闪存器件充分擦浮栅带正电 耐久性测试中氧化物束缚电荷存热激发电场作束 缚电荷会逃离氧化物陷阱进入浮栅果逃离束缚电荷数量达定
第三章器件耐久性工作条件关系
程度会导致该1存储单元变成0测试前
温度器件受 105 次编程擦操作器件放置 20000 秒观察
陷阱束缚电荷放置时间逃逸器件数保持性影响
iii 高温陷阱电荷逃逸治愈测试器件放置 B1120M 烘烤炉中 250℃高温 烘烤段时间烘烤期间器件间断性进行擦写操作观察陷阱电荷 着烘烤时间变化情况
322 实验结果分析
图 34 示 PE 操作温度三栅分栅闪存器件耐久性特性
见环境温度 30℃ 90℃分器件进行编程擦循环操作90℃
器件擦沟道电流减幅度（Ir1Ir1_init）相 30℃环境中约 4
提升
图 35 出 100K 耐久性测试器件常温数保持力较温度
100K 耐久性测试器件擦沟道电流着闲置时间增加迅速减逐
渐增加环境温度 90℃耐久性测试样品器件擦沟道电流相
测试起始值 100s 闲置约 2降逐渐升接起始水
环境温度 30℃耐久性测试样品常温器件擦沟道电流出现
更程度退化样品闲置 1000s 时器件擦沟道电流相起始值
降约 5类似 90℃耐久性测试样品沟道电流逐渐增加直
20000s 然降约 3实验结果相高温环境说低温环境中
器件耐久性测试隧穿氧化物具更高束缚电荷密度束缚电荷更程
度降低 FN 隧穿电场抑制浮栅中电子隧穿导致更低浮栅电位低
温器件擦沟道电流更程度退化
013umshrink工艺嵌入式闪存耐久性特性研究
图 34 操作温度耐久性特性
图 35 100K 耐久性测试器件常温数保持力较
物理机理解释：高温氧化物陷阱具较效俘获界面
样隧穿电流情况俘获电子率减时热激发效应束缚电荷逃离氧化
物陷阱概率增加两种原作减轻器件高温特性退化
进步研究器件耐久性测试隧穿氧化物陷阱束缚电荷逃逸现象两
样品（样品 1次历循环测试样品 2常温历 40K 次 PE 循环测试）
写入电子时放置 B1120M 烤炉中 250℃烘烤 84 时期间间断测试器
件阈值电压起始值相
图 36 250℃闪存器件数保持力时间变化趋势
图 36 出分历 1 次（样品 1） 40K（样品 2）次循环操作两样 品编程状态数保持力时间变化趋势图中出高温烘烤 起始阶段样品 2 阈值电压急剧降（≥20 时）继续烘烤程中样
品 2 样品 1 阈值电压保持着样退化斜率间接说明高温烘烤程中 热激发束缚电荷迅速脱离陷阱约束时高温陷阱愈效应定
时间烘烤器件基恢复循环测试前状态（相退化斜率）现象
研究结致
结图 37 实验中验证 40K 次 PE 循环测试器件擦
沟道电流明显减少（Initial→After PE Cycles） 250℃烘烤 48 时
循环测试第二次 UV 擦闪存器件 IV 曲线循环测试前第次 UV 擦
基重合说明隧穿氧化物束缚电荷基脱离陷阱约束陷阱
高温效治愈
013umshrink工艺嵌入式闪存耐久性特性研究
图 37 高温烘烤束缚电荷氧化物陷阱影响
33 章结
章调查器件耐久特性擦工作电压擦周期器件工作环境温度
间关系
通擦电压器件循环测试退化特性发现适增加擦电压
利延缓器件沟道电流退化情况章节中优化器件耐久性做
铺垫
研究擦周期长短器件擦阈值电压漂移关系发现器件擦周期
10ms 时隧穿氧化物退化基处相似程度浮栅电位
升导致压差减隧穿电流减低该压差达某种衡状态擦饱时
电子隧穿氧化物作忽略计
研究高温器件耐久特性通常温器件耐久性发现高温具
更耐久特性中原高温隧穿氧化物陷阱具较
效俘获面积样擦电流通情况俘获电子数量更少高
温环境中陷阱束缚电荷逃逸速度加快陷阱愈现象器件性退化影响
程度相较低
第四章三栅分栅闪存器件耐久特性优化研究
第四章 三栅分栅闪存器件耐久特性优化研究
容提
隧穿氧化物陷阱束缚电荷存导致三栅分栅闪存器件存储循环窗口缩 该窗口减定程度造成外围判断电路法区分器件工作状态导致 器件功失效等系列性问题器件工作条件加工工艺进 行优化进延长器件耐久特性集成电路性说非常重问题 节基目针三栅分栅闪存器件特殊结构工作方式提出两种 延长器件耐久性性方法：存储单元擦饱法存储单元动态擦法
41 存储单元擦饱法
三栅分栅闪存器件采选择栅晶体分离沟道实现晶晶存储单
元擦闪存单元擦问题具免疫性种分栅结构中 存储沟道区域控制栅（CG）控制果浮栅器件度擦耗模式 该存储单元器件始终保持增强模式 Ono 等指出克服晶 晶擦隧穿氧化物陷阱束缚电荷问题简便方法擦程中采擦 法实验两存储阵列作相编程电压擦电压分 两存储阵列循环操作 100K 次循环测试前利 Kalos1 良率测试机台存 储阵列单元沟道电流进行测量
图 41 示单存储单元沟道电流阈值电压间关系器件擦 阈值电压位 Site1 范围时沟道电流着器件阈值电压变化斜率较然
果器件擦阈值电压位 Site2 范围时沟道电流着器件阈值电压变 化快速降闪存单元历 PE 循环测试相隧穿氧化物束缚电荷密度 情况器件会出现相程度阈值电压漂移时沟道电流退化程度直接决定 初始器件阈值电压值提高存储器件循环工作窗口适提高器 件擦电压便浮栅擦处擦状态必
图 42 出器件高低擦电压存储阵列沟道电流分布情况图中 出正常擦电压存储阵列沟道电流分布较广尤存尾巴 单元（tail bit）低电流单元限制器件耐久性原浮栅 擦电压增加 05V(擦)存储阵列沟道电流分布明显收缩时阵列中 尾巴单元解决
013umshrink工艺嵌入式闪存耐久性特性研究
图 41 单存储单元沟道电流阈值电压间关系
图 42 擦电压存储阵列沟道电流分布较
图 43 示存储阵列擦电压器件耐久特性出 样存储操作100K 循环擦写操作工作电压低(Vee)阵列出现更尾巴
第四章三栅分栅闪存器件耐久特性优化研究
单元果特定参考存储单元电流基准尾巴单元导致外围判 断电路区分信息01然果稍微增加擦工作电压（Vee+05V）
存储阵列 100K 循环擦写操作沟道电流分布然非常紧密没出现低擦 电压尾巴单元效延长存储单元工作寿命
图 43 擦电压100K 擦写前存储阵列沟道电流分布较
然擦够提高三栅分栅闪存耐久特性存着潜 性问题擦程中需提高器件擦操作工作电压升高 工作电压时外围稳压电路 MOS 场效应产生应力导致潜性问题 需陷阱束缚电荷产生负效应进行量化电路设计工艺中 电路器件优化中采动态擦电压方式
42 存储单元动态擦法
三栅分栅闪存受定次数 PE 循环测试操作隧穿氧化物陷阱束
缚电荷存器件擦功会受程度影响导致器件特性参数
退化三栅分栅闪存隧穿氧化物陷阱束缚电荷集中图 18 间隙区域
电荷身器件阈值电压影响非常限然造成器件擦程中
浮栅电荷数量减少占着导作单元 221 UV 试验结果
出器件历擦写循环前保持擦操作浮栅电位处电
位延长器件耐久性具非常重意义
013umshrink工艺嵌入式闪存耐久性特性研究
421 基原理
图 44 出次擦周期隧穿氧化物中电势分布示意图里假设隧穿氧化 物陷阱电荷均匀分布果假设隧穿氧化物似完美起始阶段没陷 阱束缚电荷存FN 隧穿电场处处相时电势呈线性降图 44
中黑色实线示（Vee0→VFG_i）着 PE 循环操作次数增加电子隧穿氧化物
陷阱俘获俘获电子增加氧化物势垒高度降低电子隧穿率
样擦操作周期较低浮栅电位图 44 灰色虚线
示（Vee0→VFG_f）果时擦电压增加定幅度保证浮栅电压处相
电位图 44 黑色虚线示（Vee1→VFG_i）样解决器件擦性退化
问题
图 44 动态擦原理示意图
器件动态擦电压进行量化？面根三栅分栅闪存器件特 殊结构工作方式求出动态擦电压表达式隧穿陷阱电荷远离沟道区 域间隙尺寸身器件特性影响忽略计动态擦方法中 意次器件擦浮栅具样电位方程：
Vt FG 0 aCGVte _ i + gVWL _ read +VFG _ i aCGVte _ f + gVWL _ read +VFG _ f (41)
中α CGγ 分 CG WL 浮栅耦合系数Vte_i Vte_f 分 PE 循环测试
前 CG 端点测器件擦阈值电压VFG_i VFG_f 分 PE 测试前器件
第四章三栅分栅闪存器件耐久特性优化研究
擦状态浮栅电位VWL_read 读操作字线加电位
理擦操作中字线会偏置高电位端点偏置 0 电位图
44 示保证意次擦浮栅电位擦电压必须根关系
进行动态调节：
Vee1 (1 g ) (VFG _ i VFG _ f ) VFG _ i Vee 0 (1 g ) VFG _ i
(42)
中Vee1 Vee0 分陷阱电荷陷阱电荷时选择栅加电压
结合方程(41)(42)动态擦电压表达：
Vee1 Vee 0 + k (Vte _ f Vte _ i ) (43)
k aCG
中 1 g
422 实验结果分析
图 45 分出器件动态擦电压恒定擦电压 PE 循环测试次数间 关系里测 k 值概 045动态擦电压通实时测量根方程(43)
计算图中出保持相浮栅电位擦电压器件 PE 循环 次数间保持似数关系增长 100K 次循环测试动态擦电压增加幅度 达值约 015V循环程中选择组利恒定电压进 行擦单元作
图 45 器件动态擦电压恒定擦电压变化 PE 循环测试次数关系
013umshrink工艺嵌入式闪存耐久性特性研究
三栅分栅闪存器件退化擦操作造成隧穿氧化物陷阱俘获电子
器件编程性没变化擦性退化种器件问题
研究中针器件擦阈值电压循环操作次数关系作研究
图 46 出分动态擦模式恒定电压擦模式器件擦状态阈值电压
PE 循环次数关系图出动态擦模式始终保持浮栅电位
处电位相初始值说器件擦阈值电压微弱漂移（～01V）
陷阱束缚电荷身耦合浮栅造成少量偏移然恒电压擦 模式器件擦阈值电压变化循环次数 100K 时器件擦 阈值电压漂移已达 12V说器件单擦周期陷阱束缚电荷 阻碍相初始状态浮栅电位更低
图 46 动态擦模式恒电压擦模式器件擦阈值电压 PE 循环次数 变化情况
述出动态擦模型够效解决三栅分栅闪存擦性退化导 致耐久性退化问题果原理应电路设计中通设计动调 节器件擦操作工作电压补偿隧穿氧化物陷阱束缚电荷引起浮栅电 压降低问题样程度延长器件工作寿命提高器件编程速度 时避免存存储单元度擦现象讨器件工作电压 优化提升三栅分栅闪存器件耐久性影响面针工艺提高 隧穿氧化物特性优化三栅分栅闪存器件耐久性
第四章三栅分栅闪存器件耐久特性优化研究
4 3 章结
章调查浮栅擦法动态调节擦电压法三栅分栅闪存器件耐久特性影响
三栅分栅闪存器件特擦免疫特性通适增加擦电压保
持浮栅始终处擦状态效降低器件擦读电流减提高器
件耐久特性
基维持相浮栅电位思想建立动态调节擦电压模型通实验
验证发现该模型够效提升三栅分栅闪存器件耐久特性
013umshrink工艺嵌入式闪存耐久性特性研究
第五章 总结
改善闪存器件耐久性问题存储器件性必须面挑战三栅分栅
闪存器件特殊物理结构工作方式仅导致特器件特性引入新
性问题文三栅分栅闪存器件耐久性退化机理特性进行系统研究
通陷阱电荷建模工作条件生产工艺优化三栅分栅闪存器件耐久特性做
系统研究概括：
（1） 结合直流电压应力 UV 方式研究三栅分栅闪存器件耐久性退化 机理通实验验证晶晶 FN 电子隧穿擦操作引起隧穿氧 化物束缚电子导致三栅分栅闪存器件退化原
（2） 分析器件特殊结构工作原理
（3） 基维持相浮栅电位理念提出动态调节擦电压方法优化 三栅分栅闪存器件耐久特性通单存储单元耐久性测试 验证
文调查三栅分栅闪存器件耐久性退化机理建立器件退化特性 陷阱电荷密度间关系提出种优化三栅分栅闪存器件耐久性方法仅 深入三栅分栅闪存器件耐久性退化理解器件工作条件工艺解决 三栅分栅闪存器件耐久性性问题提供参考
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