控制(Qfg=0),即:V_{FG}=\frac{C_{IPD}}{C_{TUN}+C_{IPD}}V_{CG}=CR*V_{CG}随着NAND cell微缩,周围的寄生电容越来越大,不可忽略。FG电容耦合现象发生后,FG的电势不仅由CG决定,还与周围的耦合FG电势相关。
V_{FG}=\frac{C_{IPD}V_{CG}+\sum_{}{C_{寄生}V_{寄生}}}{C_{TUN}+C_{IPD}+\sum_{}{C_{寄生}}}相应的,Cell Vt受到FG电势偏移影响,也发生移动。例如某一相邻Cell FGY2发生电势改变,将导致受害Cell产生偏移:
\Delta V_{FG}=\frac{C_{FGY}}{C_{total}}*\Delta V_{FGY2}根据0.12um Cell的模拟计算结果,Cell Vt从-3V写入到2.2V,y方向影响0.19V,x方向影响0.04V,对角方向影响0.01V。FG耦合干扰的作用基本呈线性。且随着NAND微缩而急剧增大。
直接沟道耦合
从前面的分析来看,FG在y方向的耦合比x方向更严重,因为x方向的FG之间有部分CG隔离。但是,到50nm以下结点, ΔVX
\Delta V_X 超过 ΔVY\Delta V_Y ,特别是在20nm结点显著增大。原因是到此结点以后,Cell晶体管的沟道边缘与相邻FG的距离很短,相邻FG的电场直接作用于沟道。其次,约70%的电流流经沟道边缘,放大了沟道直接耦合的干扰。因此,x方向的干扰叠加上直接沟道耦合:\Delta V_X=2*(C_{FGX}/C_{total})*\Delta V_{FGX}+\alpha*C_{FGX-STI}*\Delta V_{FGX}下图是电磁仿真的结果,注意到沟道边缘受相邻FG1影响,在V_FG1=2V时,为1.65V,当V_FG1=-2V时,沟道边缘电势变成1.71V。与此同时,Cell Vt的变化量更大,从0.62V增大到0.82V,原因是沟道边缘的硼偏析更严重。实际上,由于电容耦合系数约0.5,Cell Vt的变化能达到2倍。这个结果表明,直接沟道耦合的影响大于FG之间的电容耦合。
一个控制直接沟道耦合的变量是Field Recess场区凹槽的深度。凹槽越浅,则直接沟道耦合越严重。因此,在50nm结点以下,需要将场区凹槽尽量刻深,但同时避免过度刻蚀导致Vt负移问题,需要在其中找到平衡。
与源漏的耦合
在40nm结点,报道了一种新的耦合机制,浮栅诱导势垒增强Floating-gate induced barrier enhancement(FIBE)。从y方向的受干扰Cell Vt与施加干扰Cell Vt之间的关系,我们可以分出两段。施加干扰较低<5V时,受害Cell的Vt线性增长,符合通常FG电容耦合。一旦超过5V,受害Cell Vt迅速增大。这一部分异常增大,就来自FIBE,出现在WL与WL之间。
FIBE的物理机理是,当Cell写入到很高的Vt时,FG电势作用到隔壁Cell的Source/Drain区域,导致这部分导带升高,形成势垒。沟道和源漏的势垒叠加到一起,变成更宽的势垒,使得整个Cell的Vt异常增大。下图是模拟的沿沟道方向的导带变化,对比传统的FG耦合(红线)只抬高Cell区域的势垒但宽度不变,而FIBE的势垒(蓝色)变宽延申到漏区域。
FIBE也会体现在Id-Vg曲线中。传统FG耦合只是抬升势垒高度,不改变势垒形状,因此Vt升高来自Id-Vg曲线平移。相反,FIBE改变了势垒宽度,导致Id-Vg曲线的线性区域也会出现扭曲。
空气间隙Air Gap/低k Low-k材料技术
为了减轻FG耦合造成的干扰,引入了AG和Low-k材料等技术。
形成AG的流程如下。在Gate刻蚀出来后,沉积一层缓存氧化层/氮化层,接着在Gate之间填充占位氧化硅,Poly上方的氧化硅干刻去掉。之后在Gate之间用氮化硅沉积-刻蚀,形成翼Wing。把之前的氧化硅去掉,成为空气间隙。最后沉积氧化层封闭空气间隙,参考SEM切片。
我们对比Gate间不同填充材料的FG耦合干扰。显然,Air Gap优于氧化硅优于氮化硅,源于更小的FG寄生电容,Vt偏移量SiN:Oxide:Air=8:4:1。
除了WL之间的AG,在1X-nm结点,STI间也会采用AG技术。STI-AG不仅可以减轻FG之间耦合,也能减少沟道-沟道耦合造成的写入干扰。