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研究生: 丁英財
Ting, Ying-Tsai
論文名稱: SONOS型式快閃記憶體元件的操作方式與結構特性研究
Study on Operation and Structure of SONOS Type Flash Device
指導教授: 張廖貴術
Chang-Liao, Kuei-Shu
口試委員:
學位類別: 碩士
Master
系所名稱: 原子科學院 - 工程與系統科學系
Department of Engineering and System Science
論文出版年: 2009
畢業學年度: 97
語文別: 中文
論文頁數: 135
中文關鍵詞: SONOSMLCreliabilityprogramONO thicknessChannel length
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  • 由於NOR 型多重邏輯快閃記憶體的寫入,是藉由熱載子傳輸來
    達到電荷儲存的目的。因此藉由控制位元線電壓大小,達到多重邏輯
    晶片需求更細緻的臨限電壓,運用第一階段步進波形控制加上第二階
    段固定電壓的寫入機制,達到四個位階的分佈,能夠座落於正確的目
    標,同時考慮寫入時間花費與最佳化的寬度,達到雙贏互利的結果。
    針對多重邏輯記憶體元件的電性,調變SONOS 的上氧化層、中氮化
    層與下氧化層厚度的實驗設計,分析與改善對臨限電壓、崩潰電壓等
    基本電性特徵要求,決定必要的製程參數,適當運用於記憶體上,抑
    制二次位元效應,以利元件正常操作。多重邏輯元件的可靠度,藉由
    元件本身受干擾的因素以及針對不同烘烤溫度-時間做老化測試,推
    估元件的壽命時間與資料儲存能力。選取記憶體元件內部的參考記憶
    細胞,做不同汲極電壓與干擾次數的實驗。也對元件主體陣列的記憶
    體,施以讀取不同的干擾次數與位元線電壓,觀察其VT 上昇程度。
    最後,取得通道寬度為115nm 與90nm 的SONSO 元件,實驗歷經
    125℃溫度烘烤於不同的時間,分析各邊界點的視窗邊限位移、Level
    讀取電壓位移與左右參考記憶細胞電壓位移,因烘烤後電荷流失之
    故,使部份元件的讀取Window 下降而造成判讀錯誤。通道寬度的有
    效縮減可抑制上述缺點,使其更有利於Flash 可靠度的提昇。


    第一章 緒論 ……………………………………………………….…………….. 1 1.1 緒言…………………………………..……….……….....……………. 1 1.2 為什麼要使用SONOS MLC ?……….………………..……………….1 1.3 最近SONOS 的研發狀況…………………….……..………………...2 1.4 論文概要 ……………….…………………………..…………...…..…3 第二章 快閃式記憶體的工作原理與操作方式 ……………...………………….. 5 2.1 快閃式記憶體的基本原理 …………………………………………. 6 2.2 寫入與抹除機制 ……………………………………………………. 7 2.2.1 通道熱電子注入 ……………...…………………………….... 7 ( Channel-Hot-Electron injection ) 2.2.2 氧化層的F-N 穿隧寫入……………………………………..…. 9 (Fowler-Nordheim Tunneling Program) 2.2.3 F-N 穿隧擦拭(Fowler-Nordheim Tunneling Erase) …..…….…10 2.3 快閃記憶體陣列 …………………...............………….…………….11 2.3.1 快閃記憶體陣列種類...………………………..…………….... 11 2.3.2 NOR 組態的快閃記憶體陣列 ……………………...………. 11 2.3.3 NAND 組態的快閃記憶體陣 …...……………..…....……….13 2.4 簡介氧化層電荷和界面陷阱 ……………….....…………………… 14 2.5 影響快閃記憶體可靠性的因素 …………….....…………………… 17 2.5.1 資料保存(Data Retention) .………………………………… 17 2.5.2 開口萎縮(Window Closure) ……………………………... 18 2.5.3 單元干擾(Cell Disturbs) …………………………………. 18 2.5.4 不均勻抹去現象( Non-uniform Erase Phenomenon)………….19 2.6 多重邏輯的概念 ………..……………………………………….….. 20 2.7 結論 ……………………..…………………………………….…….. 21 第三章 多重邏輯運用二階段寫入機制改善臨限電壓分布…………….……… 35 3.1 SONOS 的順向寫入與反向讀取操作方式…………...………….… 35 3.2 何謂二次位元效應(2nd Bit Effect)..……………………………… 36 3.3 快閃記憶體寫入電壓的驗證機制 ……………...………………… 36 3.4 為何要分第一階段與第二階段寫入模式 ….……………………… 37 3.5 SLC(Single Level Chip)╱MLC(Multi Level Chip) 寫入操作與工作 區定義 …………….…………………………………….…….…….. 39 3.5.1 SLC (Single Level Chip) 的工作區定義…………….….….… 39 3.5.2 MLC (Multi Level Chip)的工作區定義 CASE - I…………… 40 3.5.3 MLC(Multi Level Chip) 的工作區定義 CASE -II …..…….40 3.5.4 MLC(Multi Level Chip) 的工作區定義 CASE -III.………… 41 3.6 二次寫入電壓方式的實驗程序與最佳化……….…………...………41 3.6.1 SONOS 元件樣品的規格 ………………….….…………… 41 3.6.2 MLC 的Vd (Drain side 電壓) 寫入之決定 …….…………. 42 3.6.3 MLC 寫入機制 Method - I …………….……………………. 42 3.6.4 MLC 寫入機制 Method - II …………….…………….……... 43 3.6.5 MLC 寫入機制 Method - III ………….……………….……. 43 3.6.6 MLC 寫入機制 Method - IV …………….…………….……. 44 3.6.7 MLC 寫入機制 Measurement - V …………….……..….…... 44 3.6.8 MLC CASE-III 工作區定義與兩段式寫入機制Method-III .. 46 3.6.9 MLC array cell 的實際寫入結果 ………………………….... 46 3.7 結論 …………………………………………………….……. 47 第四章 不同Oxide1/Nitrde/Oxide2 厚度對Flash 元件特性的影響之研究……... 65 4.1 研究動機 ……………..………….……………………………….....65 4.2 量測參數 ……………………..…………………………………….... 67 4.3 實驗結果及討論 ……………………..……………………………... 68 4.3.1 Top Oxide1(TOX1)厚度與不同通道長度電性的結果分析….. 69 4.3.2 Top Oxide2(TOX2)厚度與不同通道長度電性的結果分析...... 71 4.3.3 Silicon Nitride(SiN)厚度與不同通道長度電性的結果分析…. 73 4.3.4 Bottom Oxide (BOX)厚度與不同通道長度電性的結果分析…74 4.3.5 改變Top Oxide (TOX)厚度觀察Cell VT Roll-off 的結果分析...74 4.3.6 改變Silicon Nitride(SiN)厚度觀察Cell VT Roll-off 的結果分 析…………………………………………………………….….75 4.3.7 不同Channel Length 的二次位元效應對應TOX 厚度關係…75 4.3.8 不同Channel Length 二次位元效應的影響 ………………….76 4.4 結論 ……………….…………….…………………………………77 第五章 多重邏輯元件的可靠度分析 ……………………….……………….... 94 5.1 實驗目的與緣由 …………...…………………………………...… 94 5.2 參考記憶體細胞讀取干擾效應 ..…………………..……………… 96 5.2.1 讀取干擾的基本原理理 ………....……….……………...… 96 5.2.2 從VT分布狀態分析參考細胞讀取干擾與位元電壓的關係.. 97 5.2.3 實驗結果與討論 …………..……………………………….. 99 5.3 主記憶體細胞的讀取干擾效應………………..……..……………. 99 5.3.1 不同Bit Line 電壓對於原始分布B2 的讀取干擾研……..…. 99 5.3.2 不同Bit Line 電壓對於MLC Array cell B2 的讀取干擾 …. 100 5.3.3 分析與結論 …………….………………………………….. 101 5.4 元件通道寬度較長的Data Retention可靠度分析......................…. 102 5.4.1 研究動機與目的………………………………………….…. 102 5.4.2 1/E Model 與生命週期的原理與計算……………………..... 102 5.4.3 實驗方式與統計分析 ……………………………..….…….. 103 5.4.4 MLC SONOS 各邊界點烘烤前後的Window 可靠度分析… 104 5.4.5 MLC SONOS 參考電流值烘烤前後的可靠度分析……..…. 105 5.4.6 MLC SONOS 讀取電壓烘烤前後的可靠度分析………..…. 105 5.5 元件通道寬度較短的Data Retention可靠度分析......................…. 106 5.5.1 研究動機與目的………………………………………….…. 106 5.5.2 1/E Model 與生命週期的原理與計算………………………. 106 5.5.3 實驗方式與統計分析 ……………………………..…….….. 107 5.5.4 MLC SONOS 各邊界點烘烤前後的Window 可靠度分析… 108 5.5.5 MLC SONOS 參考電流值烘烤前後的可靠度分析………... 109 5.5.6 MLC SONOS 讀取電壓烘烤前後的可靠度分析…………... 109 5.6 結論 ……………………………..……………………….………. 110 第六章 結論 …………………………………………………………...……….. 131 6.1 結論 ……………………………………………………………… 131 參考文獻 ………………………………………………………………………. 133

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