纳米SONOS存储器件多值多位存储技术的研究

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如今非挥发性快闪存储器在人们生活工作的各个领域都发挥着巨大的作用,其中局部俘获型多晶硅-氧化硅-氮化硅-氧化硅-硅(SONOS)存储器因为可以通过多值/多位技术实现高密度存储,而受到人们的广泛的重视和深入的研究。但是随着器件尺寸不断缩小,当工艺节点缩小到纳米量级后,在SONOS存储器中实现多值多位存储面临着诸多挑战。

例如由于在编程擦除过程中注入的电子和空穴的空间分布不匹配性加速了器件耐受特性的退化;在纳米SONOS存储器中分别在源极与漏极实现两位存储时,这两位相互间的干扰也变得更严重;同时人们对于存储器在保持特性中电荷的主要流失机制也一直存在争论。本篇论文主要针对在纳米SONOS存储器中出现的这些问题,通过对比传统的沟道热电子注入编程、脉冲激发衬底热电子注入编程以及改进的衬底加正偏压沟道热电子注入编程,这三种局部注入编程方法在90nm SONOS存储器中的耐受特性与保持特性,并利用测量电荷泵电流等表征方法来分析它们对纳米SONOS存储器多值多位存储特性的提高。在耐受性实验中,发现相对于传统的沟道热电子注入编程,另外两种编程方法都有明显改善,其中使用改进的衬底加正偏压沟道热电子注入编程方法的样品耐受特性表现最好。这与用测量电荷泵电流等方法表征出其中残余电荷最少的结果相一致,说明改进的衬底加正偏压沟道热电子注入编程方法有效地抑制了编程中二次离子注入,减少了存储层中因为注入电荷分布不匹配引起的耐受特性退化。

同时电子注入范围变窄还抑制了第二位比特效应,我们将这种编程方法应用于4Bit/4Level操作中,发现样品在经过10K次反复编程擦除后仍有着足够大的编程窗口,并且将保持特性外推十年后仍然有足够大的读取窗口。同时这种编程方法还避免了衬底与漏极之间的PN结正偏降低了功耗,并且与产品编程中递增步长脉冲编程方法相兼容。为研究器件在保持过程中主要的电荷流失机制,我们对比经过三种不同编程方法10K次编程擦除操作后样品的保持特性,因为这三种编程方法中电子注入的空间分布不同,那么经过反复编程擦除操作后必然会造成存储层中残余电荷分布不同。假设电荷横向迁移是主要流失机制,那么经历长时间后,样品的阈值漂移必然会有差别。但最终实验结果中三者并没有明显的差异,而且对比在保持特性实验前后三组样品电荷泵电流曲线也没有明显的漂移,这与横向迁移模型明显矛盾。因此相对电荷横向迁移,纵向电荷丢失对常温下存储器保持特性影响更大。

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