利用單電荷技術測量sonos存儲器中局域電荷分布的方法
【專利摘要】利用單電荷技術測量SONOS存儲器中局域電荷分布的方法，選取未注入過電荷的SONOS存儲器，改變源漏電壓VDS的大小，測量不同VDS下的閾值電壓VTH，得到VTH隨VDS變化的分布；通過低壓電荷注入過程將單電荷注入到SONOS存儲器的氮化物存儲層中；注入單電荷的SONOS存儲器，得到VTH在VDS>0時隨VDS的分布；利用DIBL效應得到由于單電荷注入導致的閾值電壓變化ΔVTH與溝道位置X的高斯分布函數；統計出不同溝道位置X處高斯分布的強度A和半峰寬W；測量待測SONOS存儲器由于存儲電荷引起的閾值電壓變化；利用單電子信息，轉化為采樣點Xi處單電子注入引起的閾值電壓變化的函數之和。最終得到存儲層中電荷沿溝道方向分布。
【專利說明】利用單電荷技術測量SONOS存儲器中局域電荷分布的方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及SONOS存儲器中存儲電荷分布的測量方法，尤其是利用單電荷技術測量納米尺寸下SONOS存儲器中局域電荷在存儲層中沿溝道方向的分布。
【背景技術】
[0002]如今，非揮發性存儲器(flash)廣泛的應用于數碼相機、移動電話和筆記本電腦等各類電子產品中。高容量、低成本的flash存儲器已經成為市場的迫切需求。傳統flash存儲器采用多晶硅薄膜浮柵結構，其局限主要與器件隧穿介質層的厚度有關:一方面要求隧穿介質層比較薄，以實現快速有效的P/E操作，另一方面要求具10年以上的數據保持性能。
[0003]SONOS(Poly-Si/Si02/Si3N4/Si02/Si)結構的非揮發性存儲器是以Si3N4層中的電荷陷阱作為電荷存儲介質，在一定程度上減小了隧穿介質層的厚度。采用一種改進的NOR架構實現高密度的存儲陣列。這種SONOS存儲器單元可以利用溝道熱電子注入編程機制與帶-帶隧穿熱空穴注入擦除機制，將電荷局部存儲在源/漏結上方的存儲層中，實現了每單元多位和多值存儲，具有高存儲密度，低成本和快速隨機讀取等優點。但是，隨著器件尺寸的縮小，編程過程中注入的電子和擦除過程中注入的空穴范圍不匹配，導致電子不能完全被擦除，從而使器件耐受性嚴重退化。解決這一問題首先要利用相關技術表征電荷和界面態分布。
[0004]傳統的電荷分布和界面態表征技術有以下幾種。
[0005]最常用的是電荷泵電流技術。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，另一端測量電流`I『在脈沖電壓的作用下，器件在積累狀態和反型狀態之間轉換。由積累狀態轉換到反型狀態時，界面態被來自襯底的反型層電子填滿；由反型狀態轉換回積累狀態時，界面態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位置之間的有效區域內的界面態貢獻。由于Ic5和有效區域長度呈線性關系，因此可以得到Ic5與溝道位置X的對應關系。當存儲層俘獲電荷變化，會引起Iep-Vh曲線局部偏移，因此通過SONOS存儲器操作前后Iep-Vh的變化分析儲層電荷橫向分布。同一個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對應的溝道位置X上方存儲層中的電荷。
[0006]該方法要求原始器件中，界面態均勻分布；而且沒有考慮到短溝道所帶來的的影響。基于以上的局限性，電荷泵方法并不能精確表征小尺寸SONOS存儲器中存儲層電荷的橫向分布。
[0007]此外還有亞閾值斜率表征技術。用三角近似的耗盡區來考慮電荷共享效應。從而得到柵極電壓與表面勢的關系。將亞閾值斜率表示為界面態等效電容的函數。測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量。[0009]器件尺寸減小造成的SONOS存儲器耐受性退化愈發嚴重。尋找一種可以精確探測到小尺寸SONOS存儲器電荷分布情況探測方法稱為當務之急。
【發明內容】
[0010]本發明的目的在于:針對SONOS存儲器，提出一種利用單電荷技術定量表征存儲器中的電荷分布。利用單個電荷在氮化物存儲層中對閾值電壓影響的特征，表征出任意存儲情況下存儲電荷的橫向分布情況。
[0011]本發明的技術方案:利用單電荷技術測量SONOS存儲器中局域電荷分布的方法，其特征為如下步驟:
[0012]S1:選取一個未注入過電荷的SONOS存儲器，改變源漏電壓Vds的大小，測量不同Vds下的閾值電壓VTH，得到Vth隨Vds變化的分布；
[0013]S2:通過低壓電荷注入過程將單電荷注入到SONOS存儲器的氮化物存儲層中；在此過程中通過觀察亞閾值電流或線性區漏電流Id的瞬態變化；
[0014]單電荷注入引起的漏電流變化AIe由以下公式求得。
【權利要求】
1.利用單電荷技術測量SONOS存儲器中局域電荷分布的方法，其特征為如下步驟: 51:選取一個未注入過電荷的SONOS存儲器，改變源漏電壓Vds的大小，測量不同Vds下的閾值電壓VTH，得到Vth隨Vds變化的分布； 52:通過低壓電荷注入過程將單電荷注入到SONOS存儲器的氮化物存儲層中；在此過程中通過觀察亞閾值電流或線性區漏電流Id的瞬態變化； 單電荷注入引起的漏電流變化由以下公式求得
2.根據權利要求1中所述的利用單電荷技術測量SONOS存儲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；根據需要選擇其中一種低壓電荷注入方式。
3.根據權利要求1中所述的利用單電荷技術測量SONOS存儲器中局域電荷分布的方法，其特征是S2)中，每次注入過程結束之后，觀察漏極電流Id變化。改變柵極、漏極和源極電壓，使器件工作在線性區，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△、可以通過公式計算得到；代入單個電荷的電量以及SONOS存儲器的參數，能計算出單電子注入引起的Id變化；觀察Id變化:若Id無明顯變化，表明之前的低壓電荷注入過程內沒有電子注入；若Id的變化遠大于Λ Ie，表明之前的一個低壓電荷注入過程注入了多個電荷；若Id的變化接近Λ Ie，表明之前的低壓電荷注入過程中有且只有一個電子注入存儲層；在此過程中，噪聲影響遠小于△ Ie ;因此能準確地判斷之前的一個低壓電荷注入過程是單電荷注入。
4.根據權利要求1中所述的利用單電荷技術測量SONOS存儲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，測量閾值Vth與Vds之間的關系。先將源極接地，漏極電壓由0.05V逐漸升高到IV，每變化0.05V測量一次閾值電壓，得到一組Vth在VDS>0時的分布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測量一次閾值電壓；得到Vth在VDS〈0時的分布Vth(Vds);將它們整合得到Vth隨Vds變化的分布Vth (Vds)。
5.根據權利要求1中所述的`利用單電荷技術測量SONOS存儲器中局域電荷分布的方法，其特征是步驟5)利用DIBL效應將AVth隨Vds的分布，轉換為AVth隨X的分布。在DIBL效應下，溝道表面勢壘的峰值位置會隨著Vds變化；當表面勢的峰運動到注入電荷下端時，電荷對勢壘的影響最大，對閾值電壓的影響最大。由DIBL效應中Vds與表面勢峰值位置X的關系結合上面得到的Vds與AVth的關系可以得到Λ Vth對X的分布^fDIBL效應的公式Vds⑴代入步驟3)中的結果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.根據權利要求1中所述的利用單電荷技術測量SONOS存儲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)看作多個電荷注入所引起的AVra(X)e之和；選取適量的采樣點Xi將AVth(X)轉化為每個采樣點Xi處的多個電荷注入引起的閾值電壓變化的函數AVra(Xi)e之和；每一個Xi對應的權重Ni表示存儲層中該位置的電荷數；通過這些XpNi得到存儲層中電荷沿溝道方向的數量分布；取樣點Xi的密度根據需要選取Ai的數量越多，最后得到的分布結果越精確。
【文檔編號】G11C16/06GK103761989SQ201410003915
【公開日】2014年4月30日 申請日期:2014年1月3日 優先權日:2014年1月3日
【發明者】紀小麗, 朱穎杰, 廖軼明, 圣迎曉, 閆鋒 申請人:南京大學