EEPROM存储器概述

非易失性存储器概述

一、介绍

这篇文章论述了非易失性存储器（NVM）基本概况。第1部分介绍了非易失性存储器的主要背景以及一些存储器的基本术语。第2部分主要阐述了非易失性存储器的工作原理（通过热电子注入实现编程）。第3部分包含了非易失性存储器的擦除原理，以及隧道效应。第4部分介绍了用于预测非易失性存储器的编程特性的模型，用“幸运电子”模型来表述热电子注入模式。第5部分主要介绍非易失性存储器可靠性，包括在数据保存、耐受力和干扰影响下的可靠性。

关键词：非易失性，存储器，热电子注入，隧道效应，可靠性，保存，存储干扰，EEPROM，Flash EEPROM。

存储器分为两大类：易失性存储器和非易失性存储器。易失性存储器在掉电后会失去其所存储的数据，故而需要继续不断的电源才能保存数据。大部分的随机存取存储器（RAM）都是易失性的。非易失性存储器则在掉电后不会丢失数据。一个非易失性存储器（NVM）本质上是一个MOS管，由一个源极、一个漏极、一个门极，以及一个浮栅。与常用的MOSFET 不同的是，NVM多了一个浮栅，浮栅与其它部分是绝缘的。非易失性存储器又细分为两个主要的分类：浮栅型和电子俘获型。Kahng 和Sze在1967年发明了第一个浮栅型器件。在这种器件中，电子受隧道效应的影响，通过一个3nm厚的二氧化硅层，从一个浮栅中转移到基层中。通过隧道效应，非易失性存储器可以更容易地被擦除或改写，通常隧道效应只在厚度小于12nm的氧化物中存在。浮栅中存储电子后，可以使得阈值电压被降低或者提高，而阈值电压的高低也就分别代表了逻辑值1或0。

在浮栅型存储器件中，电子（也即是数据）存储在浮栅中，故而掉电后，数据不会丢失。所有的浮栅型存储器件都是一样的存储单元结构，如下图1所示，一个存储单元由门极MOS 管堆叠而成。第一个门是浮栅门，被埋在栅氧化层（Gate Oxide）和内部多晶硅绝缘层（IPD）之间，位于控制门（Control Gate）的下方。内部多晶硅绝缘层将浮栅隔绝起来，它可以是氧化物，或者氧化物-氮化物-氧化物层（ONO）。SiO2绝缘层将MOS管包围起来，作为保护层，使其免受划伤和杂质污染。第二个门极是控制门，这个门是可以被外部所接触到的。浮栅门常用在EPROM里（Electrically Programmable Read Only Memory）和EEPROM 里（Electrically Erasable and Programmable Read Only Memory）。

图1：基本的浮栅门结构

电子俘获型器件最早于1967年发明，是最早的电改写（Electrically Alterable）半导体器件。在这类器件中，电子（即数据）存储在分立的氮化物陷阱中，并且掉电后仍能保持。电子俘获型器件通常用在MNOS (Metal Nitride Oxide Silicon，金属氮-氧化物半导体) [3], [4], SNOS (Silicon Nitride Oxide Semiconductor硅氮-氧化物半导体) [5], 和SONOS (Silicon Oxide Nitride Oxide Semiconductor硅氧化物-氮化物-氧化物半导体) [6]中。典型的电子俘获型存储器结构可参考图2。

图2 ：MNOS存储单元

MNOS存储器件中的电子是通过量子隧道效应，由沟道注入到氮化物中，注入要穿过一层超薄的氧化物，通常厚度在1.5-3nm之间。

第一个EPROM浮栅型器件，其浮栅是由重掺杂的多晶硅组成，这种材质之前通常用在雪崩注入MOS存储器中（FAMOS）。其中的栅氧化层的厚度约为100nm，以防止浮栅与基层之间短路或者漏电。EPROM写入时，对漏极（Drain）施加一个偏置电压，使之产生雪崩效应，此时电离物中的电子即可通过漏极注入到浮栅中。FAMOS只能用VU或者X射线进行擦除。EPROM一般被当作系统样机设计中的工具。现在，EPROM有两种，一种陶瓷封装，提供了石英窗口，可供UV照射来进行改写；另一种塑封，没有石英窗口，这种器件是一次改写器件（OTP）。OTP器件的优点是价格便宜，然而，组装后无法进行额外的测试。陶瓷封装的EPROM相对较贵，组装后也可以进行额外的测试，存储内容也可由UV光来改写。

尽管早在1970年代，UV擦除、电编程的存储器件成功商业化，但制造一种电擦写的存储器件（EEPROM）仍有相当大的吸引力。H.lizuka等人发明了第一只可电擦写的NVM，即层叠式雪崩注入MOS存储器件（SAMOS，专业名词，翻译不准，还是尽量搜英文吧）。SAMOS 由一个外部控制极，两个多晶硅极组成。外部控制极使得电擦除成为可能，并且能提高擦除效率。EEPROM可以通过电来改写数据，从而取代了UV照射方法，相比UV照射来说，EEPROM 的优势在于更便宜的封装价格、更方便的擦写。劣势就是EEPROM的存储单元的体积相比EPROM要大上两三倍，所以EEPROM的晶粒体积更大。EEPROM存储单元由两个晶体管组成，一个浮栅晶体管，一个选择极晶体管，如图3所示。当要改写数据时，通过选择极晶体管来选择或反选某个浮栅。再加上纠错电路或者冗余电路，晶料的体积又变得更大了。

图3：具有选择极的EEPROM

在20世纪80年代，一种新的非易失性存储器被发明出来，它就是Flash EEPROM。这个产品最初只不过是把EPROM改变了一下，使其变得可以电擦写而已。这种器件通过热电子注入效应来进行写入，通过隧道效应进行擦除。Flash EEPROM不能按位擦写，每次都只能擦除整片芯片或者其中某一个扇区。由于Flash不需要EEPROM进行位擦除所需要的选择极，故而Flash移除了选择极，因此flash的存储单元比EEPROM小两到三倍。这种类型的Flash EEPROM的单元结构与图1的类似。

（术语翻译此处省略）

二、基本编程方法

针对浮栅型和电子俘获型器件，编程需要将电子分别注入到浮栅或氮化层中。要改变NVM 中的电荷（或者说数据），有两个基本的方法可以使用：薄氧化物中的FN隧道效应（厚度小于12nm）或者是热电子注入。

1，隧道效应

在NVM中最重要的改写方法之一就是隧道效应。当一个大的电压Vcg施加于是控制极上时，它的能带结构会受到影响，如下图4所示。

图4：浮栅型存储器通过隧道效应编程时的能带结构示意图

如上图：e c和e v分别为传导带和化合带，E g是能隙（对于硅材质来说为1.1电子伏带），f b 硅-二氧化硅能量垫垒（对电子来说是3.2电子伏特，对空洞来说是4.7电子伏特）。施加电压V cg产生的电场形成电位势。对于基带中的电子来说，势垒提供了一个隧道，最被电子通过栅氧化物，聚集到多晶硅浮栅中。对于IPD和栅氧化层来说，它们的能带是不一样的，这主要是因为他们的材料厚度差异所导致。IPD厚度在般在25到45nm之羊，而栅氧化层只有5~12nm。浮栅中的电子会产生一个隧道电流，如下式：

(1)

其中：

(2)

(3)