【導讀】了解退化分量的絕對影響和相對影響有助于確定限制SuperFlash耐擦寫次數(shù)的最關(guān)鍵因素，進而對單元工藝和/或工作條件做出相應的優(yōu)化。故本文提出了一種簡單快速的方法來分析SuperFlash分離柵極存儲單元中循環(huán)擦寫引起的退化分量。
SuperFlash®技術(shù)基于分離柵極概念，廣泛用于獨立和嵌入式NOR閃存產(chǎn)品。與其他競爭解決方案相比，SuperFlash的主要優(yōu)勢包括：因采用較厚的隧道電介質(zhì)層而具有卓越的可靠性、不存在過擦除問題并且設計簡潔。與其他基于浮置柵極（FG）的存儲器類似，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，擦除和燒寫期間會在隧道氧化層和FG氧化層這兩個不同的物理位置發(fā)生電子轉(zhuǎn)移。這兩個區(qū)域中俘獲的電子會使單元工作窗口在燒寫-擦除周期后縮短。了解這兩個退化分量的相對貢獻對于優(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。
1 第3代SuperFlash存儲單元的結(jié)構(gòu)和典型工作條件。圖中給出了兩個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)的熱電子注入進行燒寫，使用針尖增強的多晶硅到多晶硅電子隧穿進行擦除。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：單元在已燒寫狀態(tài)下的Vt（Vtp）保持相對不變，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)機制，它們負責確定單元“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)擦寫過程示例
圖3 循環(huán)擦寫引發(fā)機制對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）中俘獲的電子會增加后續(xù)隧穿的位壘并降低隧穿效率，這將導致單元的Vte增大［5］。燒寫期間FG氧化層（位置2）中俘獲的電子對單元的工作窗口具有雙重影響。首先，它會使FG“原生Vt”增大，進而使單元的Vte和Vtp都增大。其次，它會降低燒寫效率，從而導致Vtp減小。因此，這兩種循環(huán)擦寫引起的電子俘獲分量均會導致Vte退化（增大），而Vtp過程則受兩個作用相反的機制影響。在擦除電壓范圍內(nèi)，燒寫-擦除循環(huán)導致擦除期間的EG電壓（Verase）增大，這是達到特定讀取電流值的必要條件，相關(guān)示例請參見圖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間）示例
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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（達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Verase具有類 似的作用。上述兩個擦除退化分量的相對貢獻取決于許多因素，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程的參數(shù)等。了解主要退化機制對于優(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5 單元的電容-電阻圖及其等效電路
圖6 FG電壓和EG電壓、EG-FG電壓差以及流經(jīng)電阻R的電流的時序圖，對應于公式（2）-（4）
方法說明
要分離FG氧化層和隧道氧化層退化對觀察到的擦除速度下降情況的影響，需要一個工具來探測循環(huán)擦寫引起的原生FG Vt的變化，而不是直接測量浮置柵極。如上所示，Vtp或Vte過程中包含多個分量，無法用于得出關(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，并可能導致一些電子逃逸，從而影響測量結(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）期間測量的單元電流。曲線3顯示了在直接接觸FG的單元上測量的Id-VFG參考特性（來自［3］）。在A-B和C-D區(qū)域中，EG-FG電壓差小于對應的隧穿電壓，F(xiàn)G電勢由EG-FG靜電耦合控制。
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圖5顯示了SuperFlash單元的簡化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單的閉環(huán)解決方案：
隧穿電流IR和EG-FG電壓差均達到其穩(wěn)定值（分別為αC2和αRC2），時間常量為R（C1+C2），請參見圖6。對于隧穿I-V特性曲線為任意形狀的實際FG單元，穩(wěn)定后的隧穿電流值相同（αC2），穩(wěn)定后的VEG-VFG之差對應于隧穿I-V曲線中的某個點。這種情況下的時間常量由隧穿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施加的EG電壓和FG電勢的時序圖。為監(jiān)視VEG變化期間FG電勢的變化情況，WL溝道需保持開路（3V），并向漏極施加一個較小的正向偏置電壓（見圖7（a）中的插圖）。起點為單元的已編程狀態(tài)（A點，F(xiàn)G負電勢）
圖8 不同VEG擺幅下測量的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說明了相對較淺擦除狀態(tài)作為起點時的情況：隧穿開始前，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FG至EG（B點）的電子隧穿，EG-FG電壓差和隧穿電流都將保持穩(wěn)定。VEG反向變化期間也會出現(xiàn)類似效果。VEG線性斜坡期間，當隧穿電流保持穩(wěn)定時，EG-FG電壓差也會處于穩(wěn)定狀態(tài)，這樣，F(xiàn)G電勢便會直接跟隨施加的EG電壓并帶有一些偏移量。當VEG為正時，F(xiàn)G電勢等于正向隧穿電壓（FTV）；當VEG為負時，F(xiàn)G電勢等于反向隧穿電壓（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直接傳遞給FG電勢的變化，因此測量的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量（圖7（b）中的曲線3）。
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我們最初使用上述方法來研究SuperFlash 單元中正向和反向EG-FG隧穿的不對稱性［3］。FTV-RTV不對稱性（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，因為FG尖端附近EG處的電場弱于FG-EG側(cè)壁處的電場。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則保持相對不變。如果VEG的范圍寬到足以確保在VEG三角形范圍的極點處進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，回路兩側(cè)均會右移相同電壓?；芈酚覀?cè)（FTV）也會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進行循環(huán)擦寫，無溝道退化，因此，假設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。
實驗數(shù)據(jù)和討論
前幾代SuperFlash技術(shù)依靠源極-FG電容耦合來提供必要的高FG電勢，從而實現(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，我們在隧道氧化層中觀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（導致FG溝道發(fā)生顯著退化）時的效果，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）說明了使用EG-FG正向和反向隧穿時單元的循環(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)
我們提出了一種簡單快速的方法來分析SuperFlash分離柵極存儲單元中循環(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的作用。通過這種方法，可以快速分離FG溝道和隧道氧化層退化對單元擦除性能總體退化的影響。了解退化分量的絕對影響和相對影響有助于確定限制SuperFlash耐擦寫次數(shù)的最關(guān)鍵因素，進而對單元工藝和/或工作條件做出相應的優(yōu)化。
