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电荷俘获型存储器

/charge trapping memory/
条目作者蔡一茂

蔡一茂

最后更新 2023-08-02
浏览 211
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借助氮化硅薄膜中电离陷阱实现电荷存储的非易失性信息存储设备。是与浮栅型存储器相异的快闪存储器的重要分支之一。

英文名称
charge trapping memory
所属学科
电子科学与技术

1967年,研究者提出了电荷俘获的概念。2002年,美国超威半导体公司(Advanced Micro Devices,AMD)提出镜像位(MirrorBit)技术,并以此为基础制造出大容量电荷俘获型存储器。

电荷俘获型存储器所需材料包括传统快闪存储器所用材料及氮化硅等。其中电荷俘获层是具有较丰富电荷陷阱的氮化硅薄膜。

电荷俘获型存储器的主体结构与快闪存储器的存储单元结构类似,主要不同点在栅部分。电荷俘获型存储器的栅由4部分组成,顶层的多晶硅控制栅、氧化硅阻挡层、氮化硅电子俘获层和最下方的薄氧化物隧穿层。电荷俘获型存储器的电子俘获层是绝缘体,而浮栅型存储器中的多晶硅电子俘获层(浮栅)是导体。

由于电荷俘获型存储器并不像浮栅型存储器一样依靠多晶硅浮栅存储电荷,而是依靠氮化硅薄膜中的电离陷阱俘获电荷,因此这类存储器被称作电荷俘获型存储器。

①电荷俘获型存储器属于快闪存储器的一种,因此其基本操作方式(包括读取、编程和擦除)和快闪存储器相同。

②浮栅型存储器的编程-擦除循环会破坏隧穿氧化层,形成氧化物缺陷,进而会在浮栅和衬底导电沟道之间形成短路通路,使得浮栅不能继续俘获电荷,器件耐久特性因此退化,器件失效。虽然采用更厚的隧穿层氧化物可以缓解这一问题,但同时又引入了编程/擦除点升高、擦写速度降低等问题。而电荷俘获型存储器的电荷俘获层是绝缘体,其内部俘获的电荷不会因为电路通路的建立而消失,因此其可以采用更薄的隧穿层氧化物,这不仅不会影响器件的耐久特性,而且还能在较低操作电压下实现存储单元的高速编程与擦除。此外,氮化硅电子俘获层中电子不会在内部流动,这不仅使电荷俘获型存储器自带良好的多值存储特性,而且还一定程度上提升了存储单元的耐久特性。

③电荷俘获型存储器中的氮化硅电子俘获层是绝缘的,因此它不需要被图案化,这简化了工艺流程,降低了生产成本;同时由于其相互绝缘,相邻单元之间的电容耦合也因此减小,存储单元的性能和扩展性得到一定的提升。

氮化硅电子俘获层对工艺流程的简化还体现在其简化栅结构(成熟的浮栅结构的阻挡层不再是单纯的氧化硅,而变成了氧化物-氮化物-氧化物等精细结构,其制造过程变得更为复杂)和改善工艺热预算(在浮栅结构中,制备氧化硅阻挡层时需要的高温会降低多晶硅浮栅的特性,而电荷俘获型存储器中的氮化硅电子俘获层则对后续高温工艺不十分敏感)等方面。工艺流程的简化,一定程度上提升了存储单元的最终良率。大部分三维与非(NAND)闪存都是基于电荷俘获型存储器。

电荷俘获型存储器具有工艺简单、多位存储、可靠性高、良率高等特点。因此其在消费电子设备中的存储领域和企业级设备中的存储领域都具有较大的应用潜力。

  • 王源.超大规模集成电路分析与设计.北京:北京大学出版社,2014.

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