我们继续讲NAND flash的写入/擦除循环耐久度问题。容易想象,写入/擦除的FN隧穿电子,实际上会对Tox有一定损伤,这种损伤累积就会使Cell的性能和可靠性发生退化。
P/E循环退化
首先,退化影响的是Cell Vt,特别是擦除状态下的Cell。如果有电子被Tox内的缺陷俘获,Vt向正值方向漂移。并且,Tox内的俘获电子会减小擦除操作的电场强度,导致擦除电流变小,最终的Vt也向正值移动。我们对比不同脉冲强度波形下Cell Vt的漂移,可以看到P/E循环的作用。不论是强写入或强擦除电场情形A或C,Cell的Vt变化都更显著。在1k次循环前,Vt往负值移动,说明有更多空穴缺陷产生,且高场强产生的缺陷是低场强情形的10倍以上。循环次数再增加,电子缺陷增多开始占主导。观察100k处Vt变化的曲线,强电场情形的斜率更大,说明电子缺陷产生的速率也更快。比较A和C情形,强擦除电场导致的Vt移动更深,这是因为擦除电场产生的空穴集中在Si/SiO2界面,对Vt影响更严重。我们也能得到结论,写入/擦除脉冲对可靠性有重要作用,需要仔细设计和控制。
其次,写/擦循环会改变表面态和表面缺陷,引起Cell电流和迁移率的退化。观察高温250C 168H烘烤,循环100k次的Id-Vg曲线,我们能看到氧化层缺陷N_ot积累导致的中带隙电压V_mg漂移,以及表面电荷N_it积累导致的亚阈值斜率SS改变。
高温烘烤后,氧化层缺陷中的俘获电荷逸出,表面缺陷发生复合,所以Vt有一定恢复。分解来看,烘烤过程中SS导致的Vt变化量大于V_mg的作用,因此,我们可以说表面缺陷的产生和复合对NAND flash的退化和数据保存能力的效应非常重要。
此外,随着Cell的微缩,缺陷的非均匀分布也会引起不同。例如在Cell width方向,擦除电场集中于FG边缘,所以这部分的缺陷电荷俘获更多,擦除状态的Vt向正值移动,SS退化。相反写入操作电流集中在FG中心位置,所以写入电流不受影响。又例如Cell Length方向,非均匀的氧化层电荷与S/D有交叠,也会引起SS的变大或变小。当交叠区域较大,俘获电荷会阻止亚阈值区间S/D电子的进入,提高SS。当交叠较少时,氧化层电荷阻碍沟道内电流,又会降低SS。
应力诱导泄漏电流SILC (Stress-Induced Leakage Current)
P/E循环后,Tox中会积累电荷陷阱,这些电荷陷阱形成漏电通道,帮助FG中的电子流失,即陷阱辅助隧穿trap-assisted tunneling TAT。经过100k以上P/E循环后,烘烤过的Cell Vt分布出现明显的尾部,就来自SILC。
SILC隧穿的漏电流可以从Vt变化量来估算:
J=C_{cg-fg}*\Delta V_t/\Delta t实验上看,当Vt=2V时,场强约1.2MV/cm,漏电流密度很低。一旦场强增加到1.4MV/cm,漏电流会指数增长,表现出TAT隧穿的特点。
SILC依赖于Tox中缺陷是否激活。当缺陷激活时,TAT漏电较大,Cell变成尾部bits。当缺陷失活时,Cell又变回正常Bits,具有一定随机性。通过地址追踪尾部bits,进行二次测量,会发现有10%的Cell会变回正常bits,说明这种变化非常容易发生。部分tail bits在烘烤过程中,缺陷失活变为正常bits,Vt偏移停留在正常和尾部bits中间,被成为停止stop bits。
实验上,计数尾部bits数量随P/E循环的增长,反映出TAT漏电路径的产生随循环次数呈幂次关系。