第5讲_半导体存储器_Flash1.ppt

半导体存储器技术Semiconductor Memory Technologies 内容：非挥发性存储器：快闪存储器 §4.1 非挥发性存储器基础理论 §4.1.1 浮栅型非挥发存储器的工作原理 §4.1.2 浮栅型非挥发存储器的编程原理 §4.1.3 浮栅存储器件的电容网络理论及器件特性 参考文献： Nonvolatile semiconductor memory technology/ William D. Brown, 1998. （第一章） 半导体存储器 挥发性存储器：掉电后存储信息丢失 静态随机访问存储器SRAM 动态随机访问存储器DRAM 非挥发性存储器：掉电后存储信息可长期保持 只读存储器ROM 电可编程只读存储器EPROM 电可擦可编程只读存储器EEPROM 快闪存储器Flash 其他新型非挥发存储器 浮栅概念非挥发存储器件 Invention of Floating Gate Memory Device Bell Labs 1967 Invention of the MNOS Memory Device Sperry Rand 1967 浮栅型存储器件陷阱电荷俘获型存储器件 主流的非挥发性存储器均采用浮栅/叠栅型器件结构 浮栅型存储器件的典型结构 衬底、源漏、隧穿栅介质(SiO2)、控制栅(多晶硅栅或金属栅) 浮栅(一般为多晶硅) 、多晶间介质层(SiO2或ONO)、侧墙 陷阱电荷俘获型存储器件MNOS(1967)：A.R.Wegener 电荷存储在一层富含电荷陷阱的绝缘层(例如氮化硅)内 浮栅型器件的非挥发存储原理 内容 §4 非挥发性存储器：快闪存储器 §4.1 非挥发性存储器基础理论 §4.1.1 浮栅型非挥发存储器的工作原理 §4.1.2 浮栅型非挥发存储器的编程原理 §4.1.3 浮栅存储器件的电容网络理论及器件特性 浮栅型存储器件的纵向能带结构 浮栅型非挥发存储器的编程机制 隧穿注入 Fowler-Nordheim隧穿注入 其他隧穿机制 超薄氧化层中的直接隧穿Direct tunneling OX/Nitride复合介质层的Modified FN tunneling 陷阱辅助隧穿 热载流子注入 沟道热电子注入（CHE：Channel-Hot-Carrier） 带带隧穿热载流子注入（Band-to-Band Tunneling） Fowler-Nordheim隧穿注入 根据量子隧穿理论，隧穿几率和势垒高度及宽度有关。由于SiO2和Si界面电子势垒很高(3.2eV), 电子很难穿过势垒注入到多晶硅栅中（TOX3nm)。 Fowler和Nordheim发现，在栅极电场作用下，氧化层的矩形势垒变形为三角形势垒，势垒宽度将随之减小，而隧穿几率则将增加，即发生Fowler-Nordheim隧穿：可认为是一种三角势垒中的场助隧穿效应。 隧穿几率随势垒宽度的减少做指数性增长；一般认为只有当势垒宽度降低到3-4nm，才会有明显的隧穿电流；对于SiO2，所需电场须达到8-10 MV/cm。 FN隧穿模型 Lenzlinger和Snow进一步对氧化层FN隧穿特性进行了深入研究，并建立了FN隧穿电流模型。 典型的FN隧穿电流特性 其他隧穿机制 超薄氧化层中的直接隧穿Direct tunneling OX/Nitride复合介质层的Modified FN tunneling 陷阱辅助隧穿（Trap-Assistant-Tunneling) 浮栅型非挥发存储器的编程机制 隧穿注入 Fowler-Nordheim隧穿注入 其他隧穿机制 超薄氧化层中的直接隧穿Direct tunneling OX/Nitride复合介质层的Modified FN tunneling 陷阱辅助隧穿 热载流子注入 沟道热电子注入（CHE：Channel-Hot-Carrier） 带带隧穿热载流子注入（Band-to-Band Tunneling） 沟道热电子注入（CHE） 经典隧穿理论及量子隧穿理论 当漏极和控制栅加高电压，沟道中电子在横向电场的加速下获得很高的能量，成为热电子。 热电子在漏结附近碰撞电离产生e-h对，其中空穴被衬底收集形成ISub，电子则在漏极积累形成ID；而部分能量较高的电子在栅极电场吸引下跃过Si/SiO2势垒形成热电子注入电流。 CHE－有效电子温度模型 CHE注入可以用有效电子温度模型或幸运电子模型来描述。 该模型由E. Takeda等建立，它将沟道中的高能电子描述为具有一定温度(Te)的“热电子气”，并遵照Richardson热发射理论越过氧化硅势垒注入到栅极形成栅极电流。 所谓“电子温度”和通常由晶格振动定义的温度的含义有所不同，它是一个描述电子能量的等效概念，此时“热电子”和晶格振动之间的能量交换处于