利用單電荷技術(shù)測(cè)量sonos存儲(chǔ)器中局域電荷分布的方法
【專(zhuān)利摘要】利用單電荷技術(shù)測(cè)量SONOS存儲(chǔ)器中局域電荷分布的方法，選取未注入過(guò)電荷的SONOS存儲(chǔ)器，改變?cè)绰╇妷篤DS的大小，測(cè)量不同VDS下的閾值電壓VTH，得到VTH隨VDS變化的分布；通過(guò)低壓電荷注入過(guò)程將單電荷注入到SONOS存儲(chǔ)器的氮化物存儲(chǔ)層中；注入單電荷的SONOS存儲(chǔ)器，得到VTH在VDS>0時(shí)隨VDS的分布；利用DIBL效應(yīng)得到由于單電荷注入導(dǎo)致的閾值電壓變化ΔVTH與溝道位置X的高斯分布函數(shù)；統(tǒng)計(jì)出不同溝道位置X處高斯分布的強(qiáng)度A和半峰寬W；測(cè)量待測(cè)SONOS存儲(chǔ)器由于存儲(chǔ)電荷引起的閾值電壓變化；利用單電子信息，轉(zhuǎn)化為采樣點(diǎn)Xi處單電子注入引起的閾值電壓變化的函數(shù)之和。最終得到存儲(chǔ)層中電荷沿溝道方向分布。
【專(zhuān)利說(shuō)明】利用單電荷技術(shù)測(cè)量SONOS存儲(chǔ)器中局域電荷分布的方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及SONOS存儲(chǔ)器中存儲(chǔ)電荷分布的測(cè)量方法，尤其是利用單電荷技術(shù)測(cè)量納米尺寸下SONOS存儲(chǔ)器中局域電荷在存儲(chǔ)層中沿溝道方向的分布。
【背景技術(shù)】
[0002]如今，非揮發(fā)性存儲(chǔ)器(flash)廣泛的應(yīng)用于數(shù)碼相機(jī)、移動(dòng)電話(huà)和筆記本電腦等各類(lèi)電子產(chǎn)品中。高容量、低成本的flash存儲(chǔ)器已經(jīng)成為市場(chǎng)的迫切需求。傳統(tǒng)flash存儲(chǔ)器采用多晶硅薄膜浮柵結(jié)構(gòu)，其局限主要與器件隧穿介質(zhì)層的厚度有關(guān):一方面要求隧穿介質(zhì)層比較薄，以實(shí)現(xiàn)快速有效的P/E操作，另一方面要求具10年以上的數(shù)據(jù)保持性能。
[0003]SONOS(Poly-Si/Si02/Si3N4/Si02/Si)結(jié)構(gòu)的非揮發(fā)性存儲(chǔ)器是以Si3N4層中的電荷陷阱作為電荷存儲(chǔ)介質(zhì)，在一定程度上減小了隧穿介質(zhì)層的厚度。采用一種改進(jìn)的NOR架構(gòu)實(shí)現(xiàn)高密度的存儲(chǔ)陣列。這種SONOS存儲(chǔ)器單元可以利用溝道熱電子注入編程機(jī)制與帶-帶隧穿熱空穴注入擦除機(jī)制，將電荷局部存儲(chǔ)在源/漏結(jié)上方的存儲(chǔ)層中，實(shí)現(xiàn)了每單元多位和多值存儲(chǔ)，具有高存儲(chǔ)密度，低成本和快速隨機(jī)讀取等優(yōu)點(diǎn)。但是，隨著器件尺寸的縮小，編程過(guò)程中注入的電子和擦除過(guò)程中注入的空穴范圍不匹配，導(dǎo)致電子不能完全被擦除，從而使器件耐受性嚴(yán)重退化。解決這一問(wèn)題首先要利用相關(guān)技術(shù)表征電荷和界面態(tài)分布。
[0004]傳統(tǒng)的電荷分布和界面態(tài)表征技術(shù)有以下幾種。
[0005]最常用的是電荷泵電流技術(shù)。在柵加幅值遞增的梯形CP脈沖，襯底接地，源極和漏極一端浮空，另一端測(cè)量電流`I『在脈沖電壓的作用下，器件在積累狀態(tài)和反型狀態(tài)之間轉(zhuǎn)換。由積累狀態(tài)轉(zhuǎn)換到反型狀態(tài)時(shí)，界面態(tài)被來(lái)自襯底的反型層電子填滿(mǎn)；由反型狀態(tài)轉(zhuǎn)換回積累狀態(tài)時(shí)，界面態(tài)俘獲的電子流向源極或漏極，形成1。5。1。5是由柵極邊緣到溝道中的X位置之間的有效區(qū)域內(nèi)的界面態(tài)貢獻(xiàn)。由于Ic5和有效區(qū)域長(zhǎng)度呈線(xiàn)性關(guān)系，因此可以得到Ic5與溝道位置X的對(duì)應(yīng)關(guān)系。當(dāng)存儲(chǔ)層俘獲電荷變化，會(huì)引起Iep-Vh曲線(xiàn)局部偏移，因此通過(guò)SONOS存儲(chǔ)器操作前后Iep-Vh的變化分析儲(chǔ)層電荷橫向分布。同一個(gè)Ict下操作前后的Vh變化量Λ Vh乘以氧化層電容Cra得到電荷量Q，電荷量Q即為該Ic5對(duì)應(yīng)的溝道位置X上方存儲(chǔ)層中的電荷。
[0006]該方法要求原始器件中，界面態(tài)均勻分布；而且沒(méi)有考慮到短溝道所帶來(lái)的的影響。基于以上的局限性，電荷泵方法并不能精確表征小尺寸SONOS存儲(chǔ)器中存儲(chǔ)層電荷的橫向分布。
[0007]此外還有亞閾值斜率表征技術(shù)。用三角近似的耗盡區(qū)來(lái)考慮電荷共享效應(yīng)。從而得到柵極電壓與表面勢(shì)的關(guān)系。將亞閾值斜率表示為界面態(tài)等效電容的函數(shù)。測(cè)量亞閾值電流和亞閾值電壓即可表征俘獲電子的橫向分布。
[0008]隨著工藝尺寸的縮小，亞閾值斜率表征所建立的等效模型逐漸失效，而且亞閾值電流和亞閾值電壓隨器件尺寸縮小所變得難以測(cè)量。[0009]器件尺寸減小造成的SONOS存儲(chǔ)器耐受性退化愈發(fā)嚴(yán)重。尋找一種可以精確探測(cè)到小尺寸SONOS存儲(chǔ)器電荷分布情況探測(cè)方法稱(chēng)為當(dāng)務(wù)之急。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0010]本發(fā)明的目的在于:針對(duì)SONOS存儲(chǔ)器，提出一種利用單電荷技術(shù)定量表征存儲(chǔ)器中的電荷分布。利用單個(gè)電荷在氮化物存儲(chǔ)層中對(duì)閾值電壓影響的特征，表征出任意存儲(chǔ)情況下存儲(chǔ)電荷的橫向分布情況。
[0011]本發(fā)明的技術(shù)方案:利用單電荷技術(shù)測(cè)量SONOS存儲(chǔ)器中局域電荷分布的方法，其特征為如下步驟:
[0012]S1:選取一個(gè)未注入過(guò)電荷的SONOS存儲(chǔ)器，改變?cè)绰╇妷篤ds的大小，測(cè)量不同Vds下的閾值電壓VTH，得到Vth隨Vds變化的分布；
[0013]S2:通過(guò)低壓電荷注入過(guò)程將單電荷注入到SONOS存儲(chǔ)器的氮化物存儲(chǔ)層中；在此過(guò)程中通過(guò)觀察亞閾值電流或線(xiàn)性區(qū)漏電流Id的瞬態(tài)變化；
[0014]單電荷注入引起的漏電流變化AIe由以下公式求得。
【權(quán)利要求】
1.利用單電荷技術(shù)測(cè)量SONOS存儲(chǔ)器中局域電荷分布的方法，其特征為如下步驟: 51:選取一個(gè)未注入過(guò)電荷的SONOS存儲(chǔ)器，改變?cè)绰╇妷篤ds的大小，測(cè)量不同Vds下的閾值電壓VTH，得到Vth隨Vds變化的分布； 52:通過(guò)低壓電荷注入過(guò)程將單電荷注入到SONOS存儲(chǔ)器的氮化物存儲(chǔ)層中；在此過(guò)程中通過(guò)觀察亞閾值電流或線(xiàn)性區(qū)漏電流Id的瞬態(tài)變化； 單電荷注入引起的漏電流變化由以下公式求得
2.根據(jù)權(quán)利要求1中所述的利用單電荷技術(shù)測(cè)量SONOS存儲(chǔ)器中局域電荷分布的方法，其特征是S2)中，采用了低壓電荷注入過(guò)程；低壓電荷注入包括:低壓溝道熱電子注入(Channel Hot Electron Injection, CHEI)方法注入電子、低壓帶-帶隧穿(Band-to-BandTunneling，BTBT)方法注入空穴、低壓FN隧穿方法注入電子或空穴；根據(jù)需要選擇其中一種低壓電荷注入方式。
3.根據(jù)權(quán)利要求1中所述的利用單電荷技術(shù)測(cè)量SONOS存儲(chǔ)器中局域電荷分布的方法，其特征是S2)中，每次注入過(guò)程結(jié)束之后，觀察漏極電流Id變化。改變柵極、漏極和源極電壓，使器件工作在線(xiàn)性區(qū)，讀取漏極電流Id;單電荷注入引起的閾值電壓改變漏電流的變化量△、可以通過(guò)公式計(jì)算得到；代入單個(gè)電荷的電量以及SONOS存儲(chǔ)器的參數(shù)，能計(jì)算出單電子注入引起的Id變化；觀察Id變化:若Id無(wú)明顯變化，表明之前的低壓電荷注入過(guò)程內(nèi)沒(méi)有電子注入；若Id的變化遠(yuǎn)大于Λ Ie，表明之前的一個(gè)低壓電荷注入過(guò)程注入了多個(gè)電荷；若Id的變化接近Λ Ie，表明之前的低壓電荷注入過(guò)程中有且只有一個(gè)電子注入存儲(chǔ)層；在此過(guò)程中，噪聲影響遠(yuǎn)小于△ Ie ;因此能準(zhǔn)確地判斷之前的一個(gè)低壓電荷注入過(guò)程是單電荷注入。
4.根據(jù)權(quán)利要求1中所述的利用單電荷技術(shù)測(cè)量SONOS存儲(chǔ)器中局域電荷分布的方法，其特征是S3)中每得到一次單電子注入狀態(tài)，測(cè)量閾值Vth與Vds之間的關(guān)系。先將源極接地，漏極電壓由0.05V逐漸升高到IV，每變化0.05V測(cè)量一次閾值電壓，得到一組Vth在VDS>0時(shí)的分布Vth(Vds);再將漏極接地，源極電壓由0.05V逐漸升高到IV，每變化0.05V測(cè)量一次閾值電壓；得到Vth在VDS〈0時(shí)的分布Vth(Vds);將它們整合得到Vth隨Vds變化的分布Vth (Vds)。
5.根據(jù)權(quán)利要求1中所述的`利用單電荷技術(shù)測(cè)量SONOS存儲(chǔ)器中局域電荷分布的方法，其特征是步驟5)利用DIBL效應(yīng)將AVth隨Vds的分布，轉(zhuǎn)換為AVth隨X的分布。在DIBL效應(yīng)下，溝道表面勢(shì)壘的峰值位置會(huì)隨著Vds變化；當(dāng)表面勢(shì)的峰運(yùn)動(dòng)到注入電荷下端時(shí)，電荷對(duì)勢(shì)壘的影響最大，對(duì)閾值電壓的影響最大。由DIBL效應(yīng)中Vds與表面勢(shì)峰值位置X的關(guān)系結(jié)合上面得到的Vds與AVth的關(guān)系可以得到Λ Vth對(duì)X的分布^fDIBL效應(yīng)的公式Vds⑴代入步驟3)中的結(jié)果AVth(Vds)6，即得八^隨父的分布;每一次單電荷注入得到的Λ Vth隨X分布Λ Vth (X) e都符合高斯分布。
6.根據(jù)權(quán)利要求1中所述的利用單電荷技術(shù)測(cè)量SONOS存儲(chǔ)器中局域電荷分布的方法，其特征是S8)中，多次注入后的閾值電壓改變量AVth(X)看作多個(gè)電荷注入所引起的AVra(X)e之和；選取適量的采樣點(diǎn)Xi將AVth(X)轉(zhuǎn)化為每個(gè)采樣點(diǎn)Xi處的多個(gè)電荷注入引起的閾值電壓變化的函數(shù)AVra(Xi)e之和；每一個(gè)Xi對(duì)應(yīng)的權(quán)重Ni表示存儲(chǔ)層中該位置的電荷數(shù)；通過(guò)這些XpNi得到存儲(chǔ)層中電荷沿溝道方向的數(shù)量分布；取樣點(diǎn)Xi的密度根據(jù)需要選取Ai的數(shù)量越多，最后得到的分布結(jié)果越精確。
【文檔編號(hào)】G11C16/06GK103761989SQ201410003915
【公開(kāi)日】2014年4月30日 申請(qǐng)日期:2014年1月3日 優(yōu)先權(quán)日:2014年1月3日
【發(fā)明者】紀(jì)小麗, 朱穎杰, 廖軼明, 圣迎曉, 閆鋒 申請(qǐng)人:南京大學(xué)