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电荷俘获型存储器模型及模拟研究

作　者: 白杰
导　师: 杨建红
学　校: 兰州大学
专　业: 微电子学与固体电子学
关键词: 电荷俘获型存储器模型模拟
分类号: TP333
类　型: 硕士论文
年　份: 2012年
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内容摘要

随着非挥发存储器进入20nm工艺节点,传统的基于多晶硅浮栅结构的存储器在结构性能上遇到很多限制,其中最重要的问题是由于器件可靠性导致的尺寸无法按照等比例缩小的原则继续推进。为此,研究者们提出了多种新的挥发存储器结构,具有擦写速度快、可靠性高、制作工艺简单、成本低、与传统CMOS工艺完全兼容等优点的电荷俘获存储器以其分立存储的特性,成为多晶硅浮栅结构的最有潜力的替代方案之一。然而,目前电荷俘获存储器的研究中仍有许多问题需要解决。本论文首先回顾了非挥发性浮栅存储器的工作原理以及其在可微缩化发展上所面临的挑战,提出电荷俘获存储器的产生背景、发展历程以及工作原理。通过对电荷俘获存储器各功能层研究进展的分析和总结,指出了目前研究中存在的问题以及可能的解决方案。论文对基于氮化硅存储层的电荷俘获型存储器中涉及到的物理机理及物理模型,包括衬底电子进入存储层的各种隧穿方式、存储层陷阱能级在实空间和能量空间上的分布、电荷在存储层材料(氮化硅)中的迁移率、电荷的俘获及释放过程等做了详细分析,并在模拟过程中做了针对性的选择或处理。器件在编程和擦除操作时隧穿氧化层中的电场较大,通过陷阱辅助隧穿进入存储层的几率较小,在模拟中可不需考虑。在存储层陷阱能级的分布上,实验报道的能级分布有高斯分布、指数分布等等,但其分布的能级范围都很窄,所以可将其看作是单一的能级分布。对于被俘获的电荷从陷阱能级中的释放过程(机理),结合两性陷阱模型与Poole-Frenkel效应,本文对此做了详细的分析与讨论,给出了一种较为合理的模型解释,并将其用于数值模拟。将上述涉及到的模型方程加入电荷在存储层中输运的漂移-扩散方程和电流连续性方程中,形成耦合的方程组,通过对存储层网格化的方法将其离散,并利用牛顿迭代的方法对方程组进行求解,模拟了存储器的编程、擦除特性以及数据保持特性。本论文也研究了功能层厚度、陷阱参数等对器件特性的影响。SONOS结构存储器的编程速度随着隧穿层的厚度的增加而下降,但在隧穿层与阻挡层总的厚度不变的情况下,改变隧穿层的厚度对器件的编程速度没有影响；而对于TANOS结构,增大阻挡层的厚度并没有对器件的数据保持特性带来很大的改善,这验证了隧穿氧化层是数据保持状态下电荷泄漏的主要途径。对于文献中给出的不同的陷阱能级深度,我们对其编程和擦除特性进行了模拟,结果发现编程速度几乎没有变化,而擦除速度随着陷阱能级深度的减小而增加,主要的原因应该是更浅的陷阱能级深度导致了擦除时存储层陷阱中电荷释放到导带的数量增加。

全文目录

中文摘要  3-5
Abstract  5-10
第一章电荷俘获型存储器概况  10-19
  1.1 基于浮栅的Flash结构  11-13
    1.1.1 工作原理  11
    1.1.2 存在的问题  11-13
  1.2 电荷俘获型存储器  13-19
    1.2.1 发展历史  14-16
    1.2.2 工作原理  16-17
    1.2.3 电荷存储机制  17-18
    1.2.4 一些相关概念  18-19
第二章 CTM存储器各功能层研究进展  19-34
  2.1 高κ材料  19-20
  2.2 隧穿层  20-25
    2.2.1 CRESTED结构  21-22
    2.2.2 VARIOT结构  22-25
    2.2.3 存在的问题  25
  2.3 存储层  25-27
    2.3.1 氮化硅(Si_3N_4)存储层  25
    2.3.2 高κ存储层  25-27
  2.4 阻挡层  27-34
    2.4.1 单层阻挡层  29-32
    2.4.2 阻挡层能带工程  32-34
第三章 CTM器件物理与模型  34-53
  3.1 衬底载流子与表面空间电荷区  34-38
    3.1.1 衬底载流子浓度的确定  34-36
    3.1.2 衬底表面空间电荷区  36-38
  3.2 隧穿模型  38-41
    3.2.1 WKB近似  38-40
    3.2.2 Fowler-Nordheim隧穿  40
    3.2.3 直接隧穿  40
    3.2.4 修正的Fowler-Nordheim隧穿  40-41
    3.2.5 陷阱辅助隧穿  41
  3.3 存储层陷阱模型  41-44
    3.3.1 氮化硅材料特性  42-43
    3.3.2 两性陷阱模型  43-44
  3.4 存储层载流子的输运  44-46
    3.4.1 Poisson方程  44
    3.4.2 迁移率表达式  44-45
    3.4.3 漂移扩散方程  45-46
    3.4.4 连续性方程  46
  3.5 存储层载流子的俘获  46-48
    3.5.1 陷阱的能级和空间分布  46-47
    3.5.2 陷阱占据率  47-48
  3.6 陷阱中的载流子释放  48-53
    3.6.1 Poole-Frenkel效应  48-51
    3.6.2 Trap-to-band tunneling  51-53
第四章数学处理  53-58
  4.1 偏微分方程的数值解法  53-55
    4.1.1 有限差分法  53-54
    4.1.2 有限体积法  54-55
  4.2 离散方程的迭代求解  55-58
第五章模拟与结果分析  58-74
  5.1 完整的电流密度  58-60
  5.2 数值求解  60-63
  5.3 模拟程序的初步验证  63-64
  5.4 存储器编程特性的模拟  64-69
    5.4.1 隧穿层厚度对编程特性的影响  66-67
    5.4.2 空穴对编程特性的影响  67
    5.4.3 温度对编程特性的影响  67-69
  5.5 存储器擦除特性的模拟  69-71
    5.5.1 TANOS结构的擦除特性  69-70
    5.5.2 陷阱能级深度对擦除特性的影响  70-71
  5.6 存储器数据保持特性的模拟  71-74
第六章总结与工作展望  74-76
参考文献  76-84
在学期间的研究成果  84-85
致谢  85

电荷俘获型存储器模型及模拟研究

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