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非易失性存储器概述

一、介绍
这篇文章论述了非易失性存储器（NVM）基本概况。第1部分介绍了非易失性存储器的主要背景以及一些存储器的基本术语。第2部分主要阐述了非易失性存储器的工作原理（通过热电子注入实现编程）。第3部分包含了非易失性存储器的擦除原理，以及隧道效应。第4部分介绍了用于预测非易失性存储器的编程特性的模型，用“幸运电子”模型来表述热电子注入模式。第5部分主要介绍非易失性存储器可靠性，包括在数据保存、耐受力和干扰影响下的可靠性。

关键词：非易失性，存储器，热电子注入，隧道效应，可靠性，保存，存储干扰，EEPROM，FlashEEPROM。

存储器分为两大类：易失性存储器和非易失性存储器。易失性存储器在掉电后会失去其所存储的数据，故而需要继续不断的电源才能保存数据。大部分的随机存取存储器（RAM）都是易失性的。非易失性存储器则在掉电后不会丢失数据。一个非易失性存储器（NVM）本质上是一个MOS管，由一个源极、一个漏极、一个门极，以及一个浮栅。与常用的MOSFET不同的是，NVM多了一个浮栅，浮栅与其它部分是绝缘的。非易失性存储器又细分为两个主要的分类：浮栅型和电子俘获型。Kahng和Sze在1967年发明了第一个浮栅型器件。在这种器件中，电子受隧道效应的影响，通过一个3nm厚的二氧化硅层，从一个浮栅中转移到基层中。通过隧道效应，非易失性存储器可以更容易地被擦除或改写，通常隧道效应只在厚度小于12nm的氧化物中存在。浮栅中存储电子后，可以使得阈值电压被降低或者提高，而阈值电压的高低也就分别代表了逻辑值1或0。

在浮栅型存储器件中，电子（也即是数据）存储在浮栅中，故而掉电后，数据不会丢失。所有的浮栅型存储器件都是一样的存储单元结构，如下图1所示，一个存储单元由门极MOS管堆叠而成。第一个门是浮栅门，被埋在栅氧化层（GateOxide）和内部多晶硅绝缘层（IPD）之间，位于控制门（ControlGate）的下方。内部多晶硅绝缘层将浮栅隔绝起来，它可以是氧化物，或者氧化物-氮化物-氧化物层（ONO）。SiO2绝缘层将MOS管包围起来，作为保护层，使其免受划伤和杂质污染。第二个门极是控制门，这个门是可以被外部所接触到的。浮栅门常用在EPROM里（ElectricallyProgrammableReadOnlyMemory）和EEPROM里（ElectricallyErasableandProgrammableReadOnlyMemory）。
图1：基本的浮栅门结构

电子俘获型器件最早于1967年发明，是最早的电改写（ElectricallyAlterable）半导体器件。在这类器件中，电子（即数据）存储在分立的氮化物陷阱中，并且掉电后仍能保持。电子俘获型器件通常用在MNOS(MetalNitrideOxideSilicon，金属氮-氧化物半导体)[3],[4],SNOS(SiliconNitrideOxideSemiconductor硅氮-氧化物半导体)[5],和SONOS(SiliconOxideNitrideOxideSemiconductor硅氧化物-氮化物-氧化物半导体)[6]中。典型的电子俘获型存储器结构可参考图2。
图2：MNOS存储单元

MNOS存储器件中的电子是通过量子隧道效应，由沟道注入到氮化物中，注入要穿过一层超薄的氧化物，通常厚度在1.5-3nm之间。

第一个EPROM浮栅型器件，其浮栅是由重掺杂的多晶硅组成，这种材质之前通常用在雪崩注入MOS存储器中（FAMOS）。其中的栅氧化层的厚度约为100nm，以防止浮栅与基层之间短路或者漏电。EPROM写入时，对漏极（Drain）施加一个偏置电压，使之产生雪崩效应，此时电离物中的电子即可通过漏极注入到浮栅中。FAMOS只能用VU或者X射线进行擦除。EPROM一般被当作系统样机设计中的工具。现在，EPROM有两种，一种陶瓷封装，提供了石英窗口，可供UV照射来进行改写；另一种塑封，没有石英窗口，这种器件是一次改写器件（OTP）。OTP器件的优点是价格便宜，然而，组装后无法进行额外的测试。陶瓷封装的EPROM相对较贵，组装后也可以进行额外的测试，存储内容也可由UV光来改写。

尽管早在1970年代，UV擦除、电编程的存储器件成功商业化，但制造一种电擦写的存储器件（EEPROM）仍有相当大的吸引力。H.lizuka等人发明了第一只可电擦写的NVM，即层叠式雪崩注入MOS存储器件（SAMOS，专业名词，翻译不准，还是尽量搜英文吧）。SAMOS由一个外部控制极，两个多晶硅极组成。外部控制极使得电擦除成为可能，并且能提高擦除效率。EEPROM可以通过电来改写数据，从而取代了UV照射方法，相比UV照射来说，EEPROM的优势在于更便宜的封装价格、更方便的擦写。劣势就