（微电子学与固体电子学专业论文）eeprom电路的耐久性和保持性研究.pdf

摘要 摘要 随着器件尺寸缩小至亚微米，器件的稳定性和可靠性就显得更加重要。当电 荷进出于浮栅下方的隧道氧化层时，氧化层逐渐失效，期间产生的陷阱和缺陷直 接影响e e p r o m 器件的可靠性。 论文在对f l o t o xe e p r o m 存储管结构以及工作原理深入分析的基础上，着 重研究了f l o t o xe e p r o m 器件隧道氧化层在恒流应力下特性退化的可靠性问 题。通过隧道氧化层的评估实验和擦写实验，得知保证e e p r o m 可靠性的关键是 要尽量减少隧道氧化层中的可动电荷和缺陷密度，从而保证e e p r o m 的“擦写” 质量，改善耐久和保持特性。 通过实验，分析了产生s i l c 效应的机理、影响s i l c 电流的因素以及各个因素 对s i l c 的贡献；通过模拟了f l o t o xe e p r o m 的工作过程，分析了髓p r o m 在 恒流应力下隧道氧化层的退化机理，并提出了减小e e p r o m 的s i l c 的方法。 通过实验提出了一种简单准确的预测e e p r o m 寿命的方法，并基于f l o t o x e e p r o m 的阈值电压模型，总结了f l 0 1 d xe e p r o m 存储管的设计准则，以及 提高f l o t o xe e p r o m 存储管的可靠性的基本准则。 关键词：班灌r o m 可靠性隧道氧化层失效机理寿命预测 a b s t m c t a b s t f a c t a sd e v i c ed i m e 眦i o 船s c a l ei n t 0t l l es u b m i c r o nr e 百m e ，s t a b i i i t y 锄dr e l i a b i l i t y e 仃e c t sb e c o m ei n c r e a s i n g l yi m p o r t a m a sc h a r g e sa r cc y c l e di na n do u to ft l l ei s o l a t 甜 f l o a t i n gg a _ c et l l 】u 曲m et i l i m e lo x i d e ，t l l ee 虢c t so fo x i d ew e 扑o u t c h a 增e 仃a p p i n g a n dd e f 曲【sa 艉c t st h cr c l i a b i l 坶o f e e p r o md e v i c e s b a s e d t l l ea n a l y s i so fm es h l j c t u r ea n dw o r km e c h a i l i s mo ff l o t o xe e p r o m ， t l l et l l 】【1 i l e lo x i d e 、v e a 卜o u tu n d e rc o n s t a i l tc u r r e mi ss t u d y t h er c s u l t so ft l l m l e lo x i d e e v a l u a t i f 培a n d e r a s c w r i t e ”t e s t ss h o wt l l a t ，t l ek e ym e t l l o dt oi m p r o v et l l er e l i a b i l i t y o ff l o t o xe e p r o mi st od e c 帕醛et h cm o v a b l ec h a r g e sa i l dd e f b c t si n 址呛t i l i l n e l o x i d e t h el e s st l l em o v a b l ec h a r g e sa n dd e f e c 招i i lt l l et u m l e lo x i d e ，t t l eb e t t c rt 1 1 e e n d u r a i l c ea n dr e t e r l t i o mt l l u st h eb e t c e r 艄e w 打【ec h a r a c t e r i s t i c so fe e p r o m 1 协u 曲c x p e m l e n t s ，t h cm e c h a l l i s mo fs i l ce 仃e c t si ss t u d i e d ；t h ec a u s e so f s i l c 锄dt l l ei n f l u c n c e so f t h e mo ns i l ca f ea r i a i y z c d i nt h i sp a p e r m em e c h a l l i s mo f t u 眦e lo x i d ew e a r - o u ti sa n a l y z e da n dt l l em e t h o dt od e c r e 硒es i l co fe e p r o mi sp u t f o n l ，a r db ys i m u l a t i n gt l l ew o r ko f f l o t o xe e p r o m t h i sp a p e rp o i n t so u tas i m p l ew a yt 0e s t i m a t ee e p r o ml i f ea n da p p m v e db y e r a s e 柑t ct e s t s a n dm ed e s i g l lm l e so ff l o t o xe e p r o ma i l dn l cm e t h o d s 幻 i m p r o v ei t sr e l i a b 订i t va r es u l m a r i z e d k e yw 0 r d s ：e e p r o mr e l i a b i l i t y t u n n e lo x i d e d e g r a d a t i o nm e c h a l l i s m 1 i f ee s t i m a t i o n 创新性声明 本人声明所里交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究 成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢中所罗列的内容以外，论文中不 包含其他人已经发表或撰写过的研究成果；也不包含为获得西安电子科技大学或 其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做 的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。 本人签名：日期： 关于论文使用授权的说明 本人完全了解西安电予科技大学有关保留和使用学位论文的规定，即：研究 生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属西安电子科技大学。本人保证毕 业离校后，发表论文或使用论文工作成果时署名单位仍然为西安电子科技大学。 学校有权保留送交论文的复印件，允许查阅和借阅论文；学校可以公布论文的全 部或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。( 保密论文在解密 后应遵守此规定) 本学位论文属于保密，在一年解密后适用本授权书。 本人签名： 导师签名： 日期： 日期： 瓿 第一章引言 第一章引言 2 l 世纪是一个信息时代，电子信息产业已经成为世界上发展最迅猛的产业， 它的发展将比历史上的任何一次技术革命对社会、经济、政治、文化等带来的冲 击都更为巨大。在这场信息技术革命中，计算机和通讯技术是两大支柱，但是其 基础都是微电子技术。自上世纪5 0 年代晶体管诞生以来，微电子技术发展异常迅 速，目前已进入超大规模集成电路和系统集成时代，成为了一个国家综合国力的 重要标志。 集成电路是当今发展速度最快、更新换代最快的电子产品，而其中又都运用 了大量的存储器。目前的存储器已经不单用于信息存储，也用来实现组合逻辑电 路的功能。目前使用最广泛的是半导体存储器，其中又以e e p r o m 的使用最为广 泛。随着我国市场经济的发展和金融现代化，现金和各种证件逐渐被各种卡片多 取代，卡中的e e p r o m 存储器的优劣深刻影响着i c 卡的性能【1 ”。因此对e e p r o m 进行可靠性研究是完全有必要的，几乎所有的e e p r o m 器件可靠性问题都是由应 力下介质氧化层的退化引起的，因此在研究其可靠性问题时，着重关注高场下的 氧化层退化和氧化层的经时击穿，又称为与时间相关的击穿( t d d b ) ，进而考察 e e p r o m 器件长时间的工作情况。 1 1 半导体存储器的发展历程 半导体存储器出现于上世纪6 0 、7 0 年代，迄今为止，已发展了4 0 年以上。 目前的许多数字化设计都与数值和程序指令的存储相关半导体存储器作为一种可 以代表集成电路技术发展水平的典型产品，在集成电路中技术最先进、产量最多、 市场最大，因此半导体存储器的研制和生产水平就成为衡量一个国家科学技术和 工业发达程度的标志之一。正因为半导体存储器在集成电路产品中的重要地位， 研究半导体存储器技术的发展就有着特殊的代表意义。 1 9 7 1 年第一块d r a m 诞生于美国，7 0 年代中期，日本参与存储器竞争，大 举引资，最终导致了美、日之自j 激烈的半导体贸易摩擦。8 0 年代中期，韩国步日 本之后尘，在存储器领域获得了许多美国和日本的标准化技术和大量投资，使得 韩国的低廉劳动力优势得以充分体现。1 9 8 5 年韩国三星公司已经跨入了当年 d r a m 的世界头号供应商之列。 2 e e p r o m 电路的保持性和耐久性研究 存储器的寿命周期很短，平均每一代产品的寿命周期不足4 年。工艺技术每跨上 一个新台阶，总要以新一代的产品作为它的代表，同时把上一代的产品送上衰落的 起点。因此存储器的发展是惊人的。半导体存储器的典型代表m o s 存储器，其发展 最为迅猛。集成度大约每3 年增长4 倍，从7 0 年代的k b 规模，到8 0 年代中期发展 到m b 规模，1 9 9 5 年已经研制出g b 规模的d r a m 芯片。预计到2 0 3 1 年左右d r a m 的集成度将达到l t b 。图1 1 是m o s 存储器占总的i c 产品市场的份额分布图【1 2 】。 随着人们对半导体存储器功能需求的不断增长，集成电路制造业的不断朝前发 展，m 0 s 存储器经过了s r a m 、d r a m 和e p r o m 的阶段，迎来了e e p r o m 的出 现。e e p r o m 晶体管是一种特殊的双硅栅器件，通常由存储晶体管和选择晶体管 构成，选择晶体管是普通的n m o s 晶体管，见图1 2 【13 1 。 m e m o r yp e r c e n to f _ r o t a il cm a r k e t l 一 s o m o 吖 糖r k e l s 轴) 秘_ _ n ( ) r p m e m ) f y l c m a f k 甜f s m 协 v 州t o 掘i i c m a 噜列 o h o h t 。i 0 o 。 3 。 0i 一 。 = v m j ，：。 韩： 州蚶# 4 a 粥柠，? j 体神 州 0 。 t 州， k ，；? ； ，f ， 脚1r # “辨 站特0 螂vi ? ，f 郡属_ ，僻 辑。，- i _ ：讹 ” ，辩f 0 # ”_ 1 1 m “l ，m - ) 。p + 缸 2 社p 。 # 2 i 、 帮_0 4 t l ， v o a r 轼“，c o 饿卜rm h t 甜s f o r 口t a 稚 图1 im o s 存储器占总的i c 产品市场的份额分布圈 鲳1 9 动态单管单元 ( ) 版田：q ) 捌面翻l ( c ) 电路田 图l2e e p r o m 单元图 第一章引言 1 2e e p r o m 可靠性研究的重要性 随着m o s 存储器使用得越来越频繁，用途越来越广泛，e e p r o m 的可靠性问题 变得越来越重要。e e p r o m 的可靠性主要包括两个方面【l4 】：一是器件的耐久性问 题，是指经过多次擦写循环后器件的特性变化；二是器件的保持性问题，指的是 器件保持存储于浮栅上的数据的能力。当e e p r o m 的存储量越来越大以后，相应 的存储出单元尺寸越来越小，在擦写应力下，由于一些不期望的效应会在介质氧 化层中或界面产生界面态和电荷陷阱，引起比较严重的可靠性问题，尤其反映在 阂值电压窗口变窄上。 s i l c ( s 仃e s si n d u c e dl e a l ( a g ec u 玎e n t ，应力诱生漏电流) 1 1 5j 是指器件在加了 一个电压或者电流应力后，栅氧化层漏电流增加。它限制e e p r o m 的隧道氧化层 的等比例缩小，同时降低了e e p r o m 的数据保持能力，是栅氧化层厚度缩小过程 中遇到的最重要的可靠性问题之一。事实上，所有的这些可靠性问题都主要是由 工作时在隧道氧化层中产生的陷阱和缺陷引起的，因此在研究e e p r o m 的可靠性 问题时，主要把目光放在擦写循环过程中出现的陷阱和缺陷上，这些陷阱和缺陷 已经成为限制e e p r o m 器件寿命和特性的主要因素，因此要加以高度重视。 1 3e e p r o m 器件的可靠性研究现状 如前所述，e e p r o m 器件的可靠性研究包括耐久性研究和保持特性研究。 耐久性是指e e p r o m 器件的寿命。在擦写过程中，电子不断的通过隧道氧化 层，并且使得氧化层中产生各种陷阱与缺陷，再加上器件本身由于加工过程中引 入的缺陷，最终使得器件在某段时间以后失去原有的功能。在研究耐久性时，最 重要的是研究器件在工作过程中，隧道氧化层中各种陷阱的产生与消失，以及这 些陷阱引发的各种现象，这些现象最终导致擦写阈值电压窗口的闭合，使器件失 效。所以对e e p r o m 器件进行耐久性机理研究时，重点在于分析陷阱的产生以及 在不同工作条件下的表现。目前国际上的学者普遍认为e e p r o m 的耐久性主要由 f o w l e rn o e d h e i m ( f 却隧道应力引起退化，随着工艺的不断发展，介质层越来越 薄，大都把这种效应归结于t d d b 效应，并且通过研究s i l c 来揭示e e p r o m 耐 久性的退化实质。 目前国际上常用的表征氧化层击穿特性的量度大约有一下五种1 1 6 】： 1 b v o x ：测量时在氧化层两端加正向恒定电流( 选取量与氧化层厚度有关，通常 4 e e p r o m 电路的保持性和耐久性研究 取1 0 p a 吼2 ) ，测得氧化层两端的电压为b v o x 该测量为非破坏性实验，对器件 得损伤可以恢复； 2 v b d ：在b v o x 的基础上继续增加电压，监控两端电流，当电流突然急剧增加 时对应的电压即是v b d ，它是氧化层的本征击穿电压，反应了氧化层内部工艺缺 陷以及内部结构，通常用电场强度表示，单位为m v c m ； 3 v s i 讯：称为氧化层的漂移电压或b d ，测量时在氧化层两端加固定电流，然后 测试初始电压v i 。，再测量其击穿前的瞬态电压v n 。d ，且v 。h 讯= v n 。d v i 。，它 反应了氧化层中的陷阱缺陷，包括在工艺中形成的陷阱和由电流应力引起的陷阱 缺陷： 4 t b d ：氧化层的疲劳击穿时间，测量时在氧化层两端加固定电压，观察当电流 急剧增加时所对应的时间； 5 q b d ：氧化层击穿电荷，生产上常采用q b d 参数来描述栅氧化层的介质特性， 其测试方法为：在氧化层两端加固定电流( 4 0 0 p a 1 0 1 1 刖u m 2 ) ，当电流急剧下降时记 录时间t b d 则有q b d = l ，。u ) 班，厶( t ) 为施加在栅氧化层的恒定电流密度， t b d 为使器件发生栅氧化层击穿所需的时间。 保持性指的是器件对数据的保持能力【7 1 。目前人们主要把注意力集中在研究 它的本征失效以及长期失效上，尤其以长期失效最为引人关注。当器件经历长期 失效时，人们发现存储在f g ( 浮栅) 上的数据( 电荷) 逐渐减少之至减少到原来 电荷量的8 5 时，失效使得数据读出出错。人们之所以对e e p r o m 的长期失效感 兴趣是因为那些需要长期保存的数据在经过长期放置之后发生了变化，为了抑止 这种变化就必须进行这方面的可靠性研究。 从前人们一直认为当e e p r o m 被写入并放置一段时间以后数据会从隧道氧化 层向衬底泄漏，但是经过多年的研究后又有人发现，存储在浮栅上的电荷会从浮 栅穿过栅氧化层向控制栅泄漏。目前国际上对引起e e p r o m 长期失效的机制有不 同的看法【l ，包括：f n 隧穿、热电子发射、直接隧穿、f r a i l k e l p o o l ec o n d u c t i o n l l w 引起和多光子协助隧穿( m u l t i p h o n o n a s s i s t e dt u 衄e l i n g ) 等等。但是2 0 0 4 年有学 者发现，在具有o n 0 ( s i 0 2 s i 3 n 4 s i 0 2 ) 介质的e e p r o m 中，浮栅上的电荷从f g 向c g ( 通过o n o ) 中的泄漏由以下几个步骤构成【1m l ，电荷由浮栅向控制栅泄漏， 期间经过底部二氧化硅层，氮化硅层，再到顶部二氧化硅层，每一个步骤中又由 不同的机制控制。而目前在世界范围内，e e p r o m 生产厂家为了提高e e p r o m 器 件的保持特性( 原因在于s i 3 n 4 的介电常数大于s i 0 2 的介电常数) ，几乎都采用了 0 n o 结构的栅氧化层。因此研究新结构下的e e p r o m 器件的可靠性就更具实际 意义。 第一章引言 1 4 本论文的主要研究工作及其意义 随着器件尺寸不断缩小至亚微米，器件的稳定性和可靠性就显得更加重要。 当电荷进出于浮栅下方的隧道氧化层时，氧化层逐渐失效，期间产生的陷阱和缺 陷直接影响e e p r o m 器件的可靠性。 本文是在国家8 6 3 项目支持下完成的，目的是研究我国第二代身份证所使用 的e e p r o m 可靠性。 本文从e e p r o m 的简单理论入手，从隧道氧化层的评估实验、擦写实验全面 综合评估了e e p r o m 的可靠性，从中得到了要保证e e p r o m 可靠性的关键是要 尽量减少隧道氧化层中的可动电荷和缺陷密度，从而保证它的“擦写”质量，改善 它的耐久和保持特性。 本文在对f l o t o xe e p r o m 存储管结构以及工作原理以及深入了解的基础 上，着重研究了f l ，o t o xe e p r o m 器件的可靠性问题。通过对样品( 5 8 所生产 的2 岬工艺的样品和中国华虹n e c 公司生产的o 3 5 岬工艺的样品) 分析了产生 s i l c 效应的机理，提出了影响s i l c 电流的几个因素，并分析各个因素对s i l c 的 贡献。在此基础上，模拟了f l o t d xe e p r o m 的工作过程，分析了e e p r o m 在 恒流应力下隧道氧化层的退化机理，并且提出了减小e e p r o m 的s i l c 的方法。 另外通过实验得出了预测e e p r o m 寿命的一种简单方法，并通过循环擦写实验证 实了这种方法的可靠性。总结了提高e e p r o m 器件可靠性的方法及措施。主要包 括以下部分： ( 1 ) 本文介绍了e e p r o m 的分类、简单工艺过程以及该器件的工作原理，并且推 导了f l o t o xe e p r o m 存储管的i v 模型，从其工作原理和i v 模型中可以 认为决定f l o t o xe e p r o m 工作的因素是浮栅与漏极之间的隧道氧化层中的 场强，认为直接影响f l 0 1 d xe e p r o m 器件的质量的是隧道氧化层以及栅氧 的质量； ( 2 ) 本文从f l o t 0 xe e p r o m 的机理入手，从器件的角度分析了f l o t o x e e p r o m 存储管存在的可靠性问题。从理论出发给出了f n 隧穿对e e p r o m 的隧道氧化层失效的作用，认为f n 应力是导致e e p r o m 器件失效的最直接 的机制，研究分析了e e p r o m 隧道氧化层在f - n 应力下的退化，认为隧道氧 化层中产生的陷阱的密度决定了s i l c 的大小，并且s i l c 对恒流应力大小的依 赖大于对时间的依赖。提出了隧道氧化层的退化机理，其退化是注入电荷密度 ( q i 。i ) 的函数，并且在较低q i 。j 下氧化层中以j 下电荷俘获为主，而在较高q 州 下以负电荷俘获为主，导致栅压变化的反复，最终负电荷俘获逐渐占优势，不 断增强，最终使得器件失效： 6 e e p r o m 电路的保持性和耐久性研究 ( 3 ) e e p r o m 的耐久性和保持特性是随时间变化的，e e p r o m 的特性的变化集中 体现在其阈值电压的变化上，在器件工作过程中引入的缺陷和陷阱使得工作电 场发生变化，同时也引起了擦、写阈值电压的变化，随着缺陷和陷阱的不断积 累，擦、写阈值电压的窗口逐渐变窄； ( 4 ) 提出一种简单的预测e e p r o m 器件最小寿命的方法，该方法是基于e e p r o m 失效机理提出的，并且得到了实验证实。 第二章e e p r o m 电路及器件简介 7 第二章e e p r o m 电路及器件简介 e e p r o m 属于非挥发性半导体存储器】( n o n v o l a t i l es 咖i c o n d u c t o rm e m o r y ， n v s m ) 中的一种，就是通常说的电可擦除可编程只读存储器( e l e c t r i c a l l ye r 硒a b l e a 1 1 dp r o g r a m m a b l er e a d o n l ym e m o e e p r o m ) 。由于e p r o m 的擦除只能靠紫外 光，使用不方便，不能满足高性能系统的需要，最终导致e e p r o m 的出现。对 e e p r o m 进行编程时无需将其移出系统，数据存储和刷新都非常方便，并且它的 非挥发性好、可以字节撩除、编程速度快，使得e e p r o m 逐渐受到人们的重视， 于7 0 年代末开始广泛使用起来。同时e e p r o m 还使远距离编程成为可能。现在， 在很多可靠性要求较高的产品上，大多使用了e e p r o m 作为存储器。 2 1f l o t o xe e p r o m 工艺与结构 e e p r o m 器件的发展经过了堆栈注入m o s 结构( s t a c k e dg a t ei n j e c t i o nm o s ， s i m o s ) 、双重注入极浮栅m o s 结构( d u a l i n j e c t i o n g a t e ，d i f m o s ) 、氮化硅势 垒雪崩注入金属一绝缘体一半导体结构( n i 仃i d e h a r r i e 卜a v a l a n c h e i n j e c t i o nm i s ， n a m i s ) 、浮栅电子隧道m o s 结构( f l o a t i n g g a t e e l e c t m n - t u n n e l i n g ，f e t m o s ) 三三三仁 屋；宅e 二里五 圈2 1f l o t o xe e p r o m 结构示意图 和浮栅隧道氧化层结构( f l o a t i n g g a t e t u 衄e l o x i d e ，f l o t o x ) ，目前使用最为广 泛的是f l 0 1 o x e e p r o m ，见图2 1 【2 一。目前广泛应用的是( a ) 和( c ) 两种结构，由 于机构( b ) 注入效率低，所以应用较少。结构( c ) 很利于集成，并且读出电流很大， 最后发展成了f l a s he e p r o m ，但是由于其耐久性比较差，所以在高可靠性产品中， ( a ) 结构的e e p r o m 应用更多，广泛应用于i c 电话卡、s i m 卡、公交卡和身份证 卡，本论文主要研究的也是这种结构的e e p r o m 【2 引。 本论文实验采用的是中国华虹n e c 公司( h h n e c ) o 3 5 岫工艺的f l o t o x e e p r o m 和中电科技5 8 所的2 岫工艺的f l o t o x e e p r o m 作为样品。以h h n e c 的e e p r o m 工艺为例，简单介绍一下f l 0 1 o xe e p r o m 的工艺与结构( 见2 2 旱 e e p r o m 的保持性和耐久性研究 图) 。该结构的工艺特点在于与标准c m o s 工艺相兼容，只是添加了必要版次，降 低了加工成本。制造e e p r o m 的简单工艺步骤如下： 1 、制作衬底2 、制作栅氧化层3 、刻蚀隧道孔4 、淀积浮栅5 、 淀积底部氧化层6 、制作氮化硅层7 、淀积顶部氧化层8 、制作控 制栅9 、氧化、隔离 具体工艺流程如下： o初始硅片p ( 1 0 0 ) o初始氧化 湿氧 o n 阱掩摸光刻去胶光刻氧化物 on 阱注入氧化湿氧 on 阱注入 磷 on 阱驱进 n 2 o去除氧化物 。 氧化干氧 。淀积氮化硅 。 有源区掩摸光刻光刻氮化物 on 沟道场注入掩摸 on 沟道场注入，去胶 硼 op 沟道无选择注入磷 。场氧化 湿氧 。去除氧化物和氮化物 。生长牺牲氧化层 。去除氧化物 。单元注入掩摸 。单元注入去胶硼 。沟道注入掩摸 。沟道注入去胶砷 。去除氧化物 。第一次栅氧湿氧 。沟道窗口掩摸，光刻，去胶 。沟道氧化 。多晶l 淀积 。多晶1 搀杂 。底氧 局部氧化 p h 3 和p o c l 3 局部氧化 第二章e e p r o m 电路及器件简介 9 淀积氮化硅 氧化致密 多晶l 掩摸光刻去胶 多晶1 边缘氧化 第二次栅氧 多晶2 淀积 多晶2 搀杂 多晶2 掩摸光刻去胶 去除氧化物 注入氧化 n 沟道高压注入掩摸 n 沟道高压注入去胶 高压驱进 源漏注入掩摸 n + 源漏注入磷 n + 源漏注入砷去胶 源漏退火 p + 源漏注入掩摸 p + 源漏注入去胶 淀积磷硅玻璃 磷硅玻璃致密 接触口掩摸光刻去胶 接触口注入掩摸 接触口注入去胶 回流 势垒层金属淀积 淀积金属 金属掩摸光刻去胶 钝化 湿氧 光刻o n o 和多晶1 干氧 干氧 光刻多晶2 干氧 磷 n 2 n 2 b f 2 n 2湿氧 磷 聊t i n a l s i c u 磷硅玻璃 和氮化硅 焊点掩摸，光刻去胶 合金h2 o o o o o o o o o o o o o 0 o o o o o o o o o o o o o o o o o 1 0 e e p r o m 的保持性和耐久性研究 鼬k c t q | 协 、 f i t i n g t u n n e i g a t e p - s u b 图2 2f l o t o xe e p r o m 单元剖面示意圈 在制作控制栅的同时，选择管的栅也生成。在e e p r o m 的制造工艺中有它特 殊之处，包括对s i 0 2 的刻蚀，以及对衬底进行的a s 注入，用以降低衬底的掺杂， 突出隧道孔下的漏端( d ) 的掺杂，形成l d d 结构，减小寄生效应，提高发射率。 2 2f l o t o xe e p r o m 的工作原理 蹬漆鼹溪圆蟛 叫 互了了_ 匹 图2 3f l o t o xe e p r o m 单元结构 f l o t o xe e p r o m 是利用f 。n 隧道效应 来实现使低能电子通过氧化层对浮栅进行 擦写的。产生f - n 隧道效应要求电场强度 大于l o ，v ，c m 【2 朋，所以对二氧化硅的质量， 厚度都有较高的要求。但是f l o t o x e e p r o m 功耗较低，可以双向工作，集成 度也很高。f l o t o xe e p r o m ( 见图2 3 ) 是通过f g ( 浮栅) 上的隧道孔对单元进行 擦写，隧道孔的面积一般都很小。 a 单元的擦除( e r 嬲e ) ：c g ( 控制栅) 接0 电位，d ( 漏极) 接高电位，s ( 源极) 悬空。 在漏与浮栅之间形成一个由漏到浮栅的电场，因为单元尺寸很小，这个电场很大， 以满足f n 隧穿的要求，电子从f g 经过隧道氧化层到达漏极，完成擦除动作。 b 单元的写入( w r i t e p r o g r 锄) ：漏极接o 电位，c g ( 控制栅) 接高电位，源极接o 电位，使得在漏极与浮栅之间形成一个由浮栅到漏极的电场，在电场的作用下， 电子从漏极经隧道氧化层进入浮栅，完成写操作。 c 数据的读取：c g ( 控制栅) 加次高电压，如果浮栅上为净负电荷，该单元截止； 反之，该单元导通。 第二章e e p r o m 电路及器件简介 乞 毛 图2 4f n 隧穿示意图 图2 5电子穿过三角形势垒 在绝缘介质中有很多种导电传输机制【2 5 】，比如s c h o t t k y 发射，f r e n k e l p o o l e 发射口6 1 ， 隧穿发射【2 ”，另外还包括空间电荷导电，欧姆导电以及离子导电，等等。但是最近 的研究发现，在质量较好的s i 0 2 薄膜中的导电现象主要是由电子的f n 隧穿1 2 7 j 引起的，此时电子穿过一个三角能带进入氧化层的导带( 见图2 4 、2 5 ) 。空穴也 有可能通过f - n 效应从s i 隧穿至氧化层的价带，但是由于这个三角能带对空穴来 说过于高了，所以这种现象的发生凡率是非常小的。 可以把f l o t o xe e p r o m 的工作状态等效为几个电容在高、低电场下的工作 地址线 选择线 上c 。- l c ，。 线蛊窜线工工l v s u b v b 地 ( a ) e e p r o m 基本单元( b ) 写入时的等效电容图( c ) 擦除时的等效电容| ! | 图2 6e e p r o m 基本单元与等效电路图 状况，见图2 6 。 当进行“擦”操作时，将控制栅置为“o ”电位，漏极置高电平，源极悬空，这时 在浮栅中的电子通过隧道氧化层进入漏极。此时在浮栅与漏极之间的场强最高。 根据图2 6 c 所示： 乒：孚 ( 2 - 1 ) k 。 、 = 削 ( 2 - 2 ) 其中圪是漏端电压，v m 。是隧道氧化层上的电压，c 即是i p o 电容( 即i m e r p o l y o x i d e e p r o m 的保持性和耐久性研究 电容) ，c 印x 是控制栅的电容。 当q f f o 时： k 叱。一百彘卜托 q 。 o f 蚺十。舭f t 乙印 当q f g 卸时： 刚叱k 一百老巧 叫) 擦耦合系数为： 琏“一i 最 p 5 ) 当进行“写”操作时，将漏极置“o ”，控制栅接高电平，源接“地”。此时漏极上 的电子将被吸入浮栅中，品体管夹断，逻辑输出“l ”。 根据图2 6 b 所示，有： 乒：等鱼 ( 2 - 6 ) y i mc l 、。 其中 2 装 弘， 当q f g = o 时： i i 2 瓦惫2 名瓦 ( 2 诏) v g 甜u 埘u 即 如q 萨0 时： 眦。吨以+ i 芝巧 ) 浮动栅上的电荷q f g 满足以下关系： q 唐= j s 。叱码 ( 2 - l o ) 其中s 。是隧道孔的面积。 当e e p r o m “读”取数据时，在控制栅上加一个不太大的电压，浮栅上的电荷 将影响到晶体管的特性：如浮栅上为净负电荷，晶体管截止，反之则导通。如果 设浮栅上没有电荷时的开启电压为v 。存在电荷时，则有： 第二章e e p r o m 电路及器件简介 = 一 1 l ，。2 嗍l 一矗) i l 一= 一畦一丧) 其中v “m = l e 7 d t 。( d 柚。为隧道氧化层的厚度) 。 2 3f l o t o xe e p r o m 的i v 模型 ( 2 一1 1 ) ( 2 1 2 ) ( 2 1 3 ) 通过对f l o t o xe e p r o m 模型的简化，基于n m o s 管的i v 特性，可以导 出f l o r i o xe e p r o m 存储管在各个工作区域的i v 特性【2 引。 如果不考虑浮栅上的电荷，当浮栅上加v c g 的电压，漏极加v d s 时，浮栅上的 电压为： = 魁+ 以吃 ( 2 - 1 4 ) 其中的k 为栅擦除系数，k 。为漏耦合系数。f l o t o xe e p r o m 的阈值电压即当 源漏结电压固定，当漏电流一定时，控制栅所加的电压。浮栅上的阈值电压v f t 为： = 疋 ( 2 一1 5 ) 2 3 1 亚阈值区 当v 妞 v f f 时，有 k y ；+ k h k y r 时，f l 0 1 d xe e p r o m 工作在亚阈值区，它的漏电流可以表示为 乞= k p 懒“7 ( 1 一p 1 匕雎7 ) 其中k 是玻尔兹曼常数，t 是热力学温度，q 是电在电量，kj 为： 午竽c 争a c 赢，2 惫 ( 2 一i 6 ) ( 2 1 7 ) ( 2 - 1 8 ) 其中的w 、l 分别表示m o s 管的沟道宽度和长度，一是沟道表面电子的迁 4 e e p r o m 的保持性和耐久性研究 移率，是s i 的介电常数，m 是衬底的掺杂浓度q 是平衡载流子浓度，虬 可以表示为： 帆= 一足。咋= 墨+ j ( ，比一e 巧， ( 2 - 1 9 ) 2 3 2 非饱和区 当 吃 时。f l o t o xe e p r o m 处于非饱和状态。 气= 堡等笠( 2 ( 丘十氏纥一疋) 吃一吃) 其中的e 是栅氧化层单位面积的电容。 2 3 3 饱和区 ( 2 2 0 ) ( 2 2 1 ) 当一或 十以一k 略 ( 2 - 2 2 ) 时，e e p r o m 工作在饱和区，此时要考虑沟道表面迁移率的减小。因为横向电场 的存在而引起的表面迁移率的减小可用低场迁移率值来表示： ，l j ， 0l 窖 “i 6 01 4 屯f j l 2 孽l i 琳 i 硒 l l 【h i ，2 d t i 102 n3 0 4 i s i j iv 图2 7f l o t o xe e p r o m 存储管的输出特性 第二章e e p r o m 电路及器件简介 1 5 以2 而锄 ( 2 2 3 ) 其中的以。是低场迁移率，口是常数( 在0 0 1 5 y 一1 到0 0 8 矿一1 之间取值) 。饱和区 的漏电流为： 榨制栅 浮栅 宙口 衍线b l 字线 d 1 r 图2 8f l o t o xe e p r o m 结构剖面图图2 9f l o t o xe e p r o m 的单元电路 s d a l 1 l 输出 一卜_ 确认 灵敏放大器 移位寄存器 字地址缓冲器亡= 1 1 列译码器 起始终 止逻辑 控制逻辑 s c l a o a l a 2 译 码 器 e e p r o m 存储阵列 数据输入存储 高压产生 时序控制 状态计数器从 属地址比较器 图2 1 0 二线串行e e p r o m 框图 屯= 以。q 芴未享蚩连等器 c z z 4 ， 图2 7 给出了f l o t o xe e p r o m 存储管的输出特性，由此可见模拟和十几测 6 e e p r o m 的保持性和耐久性研究 剀2 1 l 嵌入式e e p r o m 在射频 中的麻川 rtr i _ 潲一辫一秘嫩馨撵l 堪辑捧： # 广 。r - ，一r s s ”a 一* ” l f 强警1 1l 。置瑞，l 翳l “能譬1 叫i l g 黼。ie 镒习l 意瞥l ：e 一一： _ 一1 目熹。 f l 羔：要l 1 m l n i j f t 正- l h 罴燕_ j l 生素釜| pt _ ，| ：磐h j r 虫_ l l 。燮嚣? 卜 k秀鞫卜葛h 一叫g 蒜铲r。叫t 缓l t 。 + ”尝”i 1 1 鼍；盏争ll _ - | 麟。b 一。牒障一 尸广_ 1 1 竹：芏掣帆 。r 7 售= = 甜i 牛_ 一 叫；嚣”鹾 ， ：电乡、， q 芒岁 。f 露聃 l 1 | | 。美x 嚣。i 叫9 。i e i 工0 zz 上工j z z 王干 ；i p 訾掣“ii 。兰黑。ii 卧鼍焉嘲il 嚣嚣。伊繁掣2 ll 尝器。l 圜豳 i 一一：3 ：l i l l “：”i i l j j 3 0 3 ：l l c ：i l l l j l j 了玎百皿 l lw a ：ll 二”ll 1 ”i 量的结果基本是一幽2 1 2 嵌入式e e p r o m 在m c u 中的麻_ j 擦、写后的输出特 第二章e e p r o m 电路及器件简介 7 性和转移特性进行测试，发现f l 0 1 d xe e p r o m 存储管类似于一个普通的 n m 0 s 管，但也有其自身的特点： l 、f l o t o xe e p r o m 存储管可以擦除、写入； 2 、f l o t o xe e p r o m 存储管受漏耦合系数的影响，它使得e e p r o m 的输出 特性向上倾斜。 2 4f l o r o xe e p r o m 的应用 f l o t o xe e p r o m 单元使用的是双管单元，其电路如图2 8 和图2 9 所示， 一个n m o s 选择管起地址选择作用，它的栅极接字先w l ，漏极接位线b l ，在正荐 读出时，f l o t o x 管的栅极还要加一个中间电平，即充电状态和放电状态的平均畔 问值，约为3 v 左右在此栅压作用下，对浮栅充电的高开启关管不能导通，对浮栅剜 电的低开启关管可以正常导通由此，分辨出单元是”1 ”状态还是”o ”状态。 e e p r o m 大致可以分为串行、并行和加密型三种。串行e e p r o m 又分为二线 三线、四线、s p i 总线几种。串行e e p r o m 的优点是管脚少、实用方便，并且廿 于二线串行e e p r o m 符合1 2 c ( i n t e r _ i m e 肼l t e dc i r c u i t ) 总线协议，而i c 卡又要符萑 1 2 c 总线协议，因此在我国，二线串行e e p r o m 将成为近几年主要的e e p r o m 占 种。图2 1 0 是二线串行e e p r o m 的框图。另外目前发展起来的嵌入式e e p r 0 h 也广泛用于不同的电路当中，例如在射频卡中、在m c u 中的应用等等。图2 1 和2 1 2 分别是嵌入式e e p r o m 在射频卡和m c u 中应用的电路框图。 2 5e e p r o m 的可靠性 和其他半导体器件一样，随着器件尺寸的缩小，e e p r o m 也面临着严峻的五 靠性问题。由于e e p r o m 经常工作在高电场应力之下，其可靠性问题就显得尤， 严重，并成为研究它的最重要课题之一。其可靠性主要表现在以下两个方面： e e p r o m 的耐久性( e n d l l r a n c e ) 和电荷保持特性【2 9 j ( c h a r g er e t e n t i o n ) 。其中， 影响器件可靠性的因素主要有隧道氧化层的质量、隔离绝缘层的质量和厚度，冬 等。一般认为，各种可靠性问题是氧化层中电荷陷阱、界面态产生、电子( 空穴 俘获和退陷( 发射) 共同作用的结果。 e e p r o m 的耐久性是指器件经过多次擦写后而不会失效的能力。由于隧道牟 化层在擦写过程中要承受高场强，其间将产生电子陷阱和空穴陷阱，这些陷阱术 俘获电子，并进而改变擦、写时隧道氧化层的电场，导致擦、写窗口发生变化， e e p r o m 的保持性和耐久性研究 进而影响e e p r o m 的耐久性。显然，影响耐久性最直接的是隧道氧化层的质量， 改进生长工艺，减少其中的陷阱密度，可以明显地提高器件的耐久性。 e e p r o m 的保持特性是指存储在浮栅上的电荷长期保持有效的能力，一般要 求要达到十年以上。浮栅上电荷一般通过隧道氧化层i p 0 层泄漏，目前已经提出 的电荷泄漏( c h a r g el o s s ) 的机制有：f - n 隧穿、热电子发射、直接隧穿、f r a l l l 【e l 。p o o l e c o n d u c t i o n 引起多光子协助隧穿( m u h i p h o n o n - a s s i s t e dt u r u l e l i n g ) 等等。但是在 具有o n 0 介质的e e p r o m 中，数据电荷从f g 向c g ( 通过o n o ) 中的泄漏由 以下几个步骤构成，电荷由浮栅向控制栅泄漏，其间经过底部氧化层( b o t t o m o x i d e ) ，