16、浮动栅极器件的紧凑建模与非易失性存储器

浮动栅极器件的紧凑建模与非易失性存储器

1. 紧凑建模概述

1.1 基本概念与定义

在半导体行业，尤其是电路设计领域，紧凑模型（CM）指的是对电路元件电气行为的一种模型，它不需要过多的计算量。而表征则是确定给定集成电路（IC）制造技术中器件紧凑模型参数的过程。

建模的主要目的是通过定量计算来模拟器件或电路的行为，同时突出器件的基本特性，以便于理解和设计稳健的电路。早在20世纪60年代，为应对电子电路日益增长的复杂性，电子计算机带来了模拟技术的巨大进步，SPICE（Simulation Program with Integrated Circuit Emphasis）就是这一发展的主要成果，如今类似SPICE的模拟程序已成为电路设计的基本工具。

开发新的紧凑模型是一个复杂的过程，其公式受到来自电路设计（最终用户）、器件物理（技术进步）、参数提取和模拟器实现这四个方面相互矛盾的要求的影响，因此最终的模型形式往往是一种折衷方案。

为了可靠地预测器件和完整电路的行为，紧凑模型需要具备许多特性并满足诸多约束条件：
- 物理公式化 ：应根据控制器件电气行为的基本工艺参数以及与器件相关的几何布局参数来进行物理公式化。在新技术的早期设计阶段，由于硅上的测试结构可能不可用，模型参数可能需要通过TCAD模拟或修改有物理意义的参数来生成。
- 精度与效率的权衡 ：设计紧凑模型时需要在精度和效率之间进行仔细权衡。模型应基于模拟模拟要求，因为模拟模拟要求通常比数字模拟要求更苛刻。模型需要捕捉足够的细节，以便在定量和定性上都能很好地近似电路行为，同时要足够透明，让设计师信任模拟结果。
- 高效实现 ：模型实现必须高效且紧凑，以便能够模拟大型电路。模型方程应尽可能基于清晰的物理原理，然后使用行为良好的经验关系。包含适当的物理原理可能会提高参数提取的便利性，减少拟合参数的数量，并使模型在外推或缩放时表现更好。模型需要快速且稳健，根据所使用的模拟器，可能需要避免过冲或其他实现特性以确保在模拟器中正确收敛。

此外，紧凑模型具有复杂性，其复杂性由等效电路中的节点和元件数量、元件方程以及参数数量来定义。为了满足不同的应用需求，提供模型层次结构是很有吸引力的。然而，在设计社区中采用紧凑模型作为标准存在障碍，主要包括在商业模拟器中的实现和模型参数提取。

1.2 浮动栅极器件的紧凑建模

浮动栅极器件的紧凑模型的目标是用于电路模拟程序中，它是模拟整个存储单元阵列和存储芯片的基础。在初步近似中，浮动栅极器件的读取操作，以及在某些情况下的写入和擦除操作，可以被视为单单元操作。但紧凑模型对于模拟未直接参与操作的单元的影响以及寄生元件的影响至关重要，同时也有助于检查存储阵列周围电路的设计，如单元寻址算法、考虑电流消耗和电压降的电荷泵尺寸等。

这里提出的浮动栅极器件模型的起点是MOS（金属氧化物半导体）晶体管模型。有许多MOS模型可供选择，如Philips MM11、BSIM4、EKV、SP、HiSIM等，本方法独立于具体的选择，其主要优点之一是可以利用为基本MOS晶体管所做的所有改进，并定义相关的参数提取算法。

该模型的基本思想是将浮动栅极器件建模为一个包含MOS晶体管和控制栅极与浮动栅极节点之间电容的电路。实际上，电容并未包含在实现的模型中，但其电容值与注入浮动栅极的电荷一起用于计算浮动栅极节点的电位，并通过电压控制电压源施加该电位。

这种模型具有允许通过在各个电极之间添加一组合适的电流发生器来模拟编程和擦除操作的优点，这种模块化方法可以简单地模拟读取干扰、保留和泄漏电流，并且可以开发不同的电流发生器模型进行比较和改进，以考虑新的机制或技术。

然而，该模型也存在两个主要局限性。首先，通常的MOS紧凑模型针对的是具有轻掺杂或中掺杂漏极（LDD / MDD）扩散的薄栅氧化物晶体管，而当前所有浮动栅极器件的氧化物厚度都超过7 nm，源极和漏极结通常是突变的，因此可能需要调整现有的晶体管模型以适应这类器件。其次，该模型忽略了控制栅极节点与源极、漏极和体节点之间的耦合电容，并且随着存储单元变得越来越小且彼此靠近，相邻单元电极之间的耦合电容变得更加重要，需要一个巧妙的解决方案来对这个电容网络进行建模。

2. 半导体存储器分类

人造存储器与人类记忆有相似的目标，包括快速存储信息、快速检索存储的信息、能够记录大量数据以及在需要时才遗忘信息。对于人造存储器，根据应用的不同，某一特性可能比其他特性更重要，但成本始终是一个重要因素。

半导体存储器市场也不例外，几十年来，半导体存储器的密度不断增加（几乎每三年增加四倍），并被广泛应用于许多对高速和低功耗有要求的新应用中。互补金属氧化物半导体（CMOS）存储器主要分为两类：
- 随机存取存储器（RAMs） ：是易失性的，即一旦电源关闭，它们就会丢失存储的信息。
- 只读存储器（ROMs） ：是非易失性的，即使电源关闭，它们也能保留存储的信息。

存储器类型	特点
FLASH	低成本、高密度、高速架构；低功耗；高可靠性
ROM	只读存储器，成熟、高密度、可靠、低成本；需要耗时的掩模，适用于具有稳定代码的大规模生产
SRAM	静态随机存取存储器，速度最快

2.3 浮动栅极器件简介

浮动栅极器件是一种重要的半导体器件，它是闪存等非易失性存储器的基本构建块。浮动栅极器件的基本原理是通过控制浮动栅极上的电荷来改变器件的阈值电压，从而实现信息的存储。

浮动栅极器件的操作包括编程、擦除和读取。编程是将电荷注入浮动栅极，擦除是将电荷从浮动栅极移除，读取则是检测浮动栅极上的电荷状态。这些操作涉及到多种物理机制，如电荷注入机制、隧道电流等。

2.4 第一代商业器件与产品

早期的浮动栅极器件产品主要是为了模拟可擦除可编程只读存储器（EPROM）。随着技术的发展，这些产品逐渐演变为具有更高灵活性和性能的闪存产品。

第一代商业浮动栅极器件产品的出现标志着非易失性存储器技术的重大突破，它们为后续的技术发展奠定了基础。这些产品在成本、性能和可靠性方面不断改进，逐渐满足了不同应用的需求。

2.5 技术演进

浮动栅极器件技术经历了持续的演进，从简单的第一代产品到如今具有极高设计灵活性的产品。这种演进得益于不断的研究和开发，以及对物理机制的深入理解。

在技术演进过程中，浮动栅极器件的性能不断提高，如存储密度增加、读写速度加快、功耗降低等。同时，制造工艺也不断改进，使得器件更加可靠和稳定。

2.6 应用与市场考量

2.6.1 应用领域

闪存等浮动栅极器件在许多领域都有广泛的应用，其中多媒体系统是主要的应用领域之一，这些系统需要越来越大的存储容量和不断提高的性能。此外，电信、计算机、汽车和消费电子等领域也有许多新兴应用依赖于浮动栅极器件。

2.6.2 市场亮点

闪存市场是非常重要的非易失性存储器市场细分领域，预计将以非常快的速度发展，并在整个存储器市场中占据第二位。这得益于成本/性能权衡的优化，以及闪存固有的灵活性和多功能性，使其在许多应用中具有优势。

3. 浮动栅极器件原理

3.1 技术亮点

3.1.1 光刻技术

光刻是半导体制造中的关键工艺之一，它用于将设计图案转移到硅片上。光刻技术的精度直接影响到器件的尺寸和性能。随着技术的发展，光刻技术不断进步，能够实现更小的特征尺寸。

3.1.2 场隔离技术

场隔离技术用于隔离不同的器件区域，防止器件之间的干扰。常见的场隔离技术包括浅沟槽隔离（STI）和局部氧化硅（LOCOS）等。

3.1.3 硅氧化技术

硅氧化是在硅表面形成氧化层的过程，氧化层可以作为绝缘层或栅极氧化物。硅氧化技术的控制对于器件的性能和可靠性至关重要。

3.1.4 离子注入、沉积、蚀刻、化学机械抛光和金属化

这些工艺是半导体制造中的重要步骤，用于掺杂、形成薄膜、去除材料、平整表面和形成金属互连等。

3.2 单元操作

3.2.1 电荷注入机制

浮动栅极器件的单元操作涉及到多种电荷注入机制，如沟道热电子电流（Channel Hot Electron current）、沟道引发的二次电子电流（CHannel Initiated Secondary ELectron current）和福勒 - 诺德海姆隧道电流（Fowler - Nordheim Tunneling Current）等。

3.2.2 沟道热电子电流

沟道热电子电流是一种重要的电荷注入机制，它通过在沟道中加速电子，使其获得足够的能量注入到浮动栅极中。

3.2.3 沟道引发的二次电子电流

沟道引发的二次电子电流是由沟道中的热电子碰撞产生的二次电子注入到浮动栅极中。

3.2.4 福勒 - 诺德海姆隧道电流

福勒 - 诺德海姆隧道电流是通过量子隧道效应使电子穿过氧化物层注入到浮动栅极中。

3.3 干扰与可靠性

3.3.1 编程干扰

编程干扰是指在编程过程中对其他单元产生的不必要影响，可能导致数据错误。

3.3.2 数据保留

数据保留是指浮动栅极器件在一段时间内保持存储数据的能力，它受到多种因素的影响，如电荷泄漏等。

3.3.3 耐久性

耐久性是指浮动栅极器件在多次编程和擦除循环后仍能正常工作的能力。

3.3.4 擦除分布

擦除分布是指在擦除操作后，存储单元的阈值电压分布情况，它对器件的性能和可靠性有重要影响。

3.3.5 缩放问题

随着器件尺寸的不断缩小，浮动栅极器件面临着许多缩放问题，如隧道电流增加、电荷泄漏加剧等。

4. 直流条件下的读取操作

4.1 传统浮动栅极器件模型

4.1.1 经典浮动栅极电压计算方法

传统的浮动栅极器件模型中，经典的浮动栅极电压计算方法基于电容耦合系数。通过计算控制栅极和其他电极与浮动栅极之间的电容耦合系数，来确定浮动栅极的电压。

4.1.2 漏极电流计算

漏极电流的计算通常基于浮动栅极电压和MOS晶体管的特性。通过确定浮动栅极电压，可以计算出MOS晶体管的阈值电压，进而计算出漏极电流。

4.1.3 电容耦合系数方法的局限性

电容耦合系数方法存在一些局限性，例如电容耦合系数的提取过程较为复杂，并且其值可能会受到偏置条件的影响。

4.2 电荷平衡模型

4.2.1 浮动栅极电压计算过程

电荷平衡模型通过考虑浮动栅极上的电荷平衡来计算浮动栅极电压。该模型考虑了注入到浮动栅极的电荷以及与其他电极之间的电容耦合。

4.2.2 优点与可扩展性

电荷平衡模型具有许多优点，如更好的可扩展性和准确性。它能够更准确地模拟浮动栅极器件在不同条件下的行为。

4.2.3 参数提取

电荷平衡模型的参数提取相对较为简单，通过测量一些基本的电学参数，可以确定模型的参数。

4.3 模拟结果

通过对传统模型和电荷平衡模型进行模拟，可以比较它们的性能。模拟结果表明，电荷平衡模型在准确性和可扩展性方面具有明显的优势。

5. 瞬态条件下的编程与擦除操作

5.1 文献中提出的模型

在文献中，提出了许多用于模拟编程和擦除操作的模型。这些模型基于不同的物理机制，如福勒 - 诺德海姆隧道电流和沟道热电子电流等。

5.2 电荷平衡模型的扩展

将电荷平衡模型扩展到瞬态条件下，可以更准确地模拟编程和擦除操作。扩展后的模型考虑了电荷注入和移除的动态过程。

5.3 福勒 - 诺德海姆电流

5.3.1 理论与紧凑建模

福勒 - 诺德海姆电流是编程和擦除操作中的重要物理机制。通过理论分析和紧凑建模，可以准确地模拟福勒 - 诺德海姆电流。

5.3.2 模拟结果

模拟结果表明，对福勒 - 诺德海姆电流的准确建模对于模拟编程和擦除操作至关重要。

5.4 沟道热电子电流

5.4.1 理论与紧凑建模

沟道热电子电流也是编程操作中的重要物理机制。通过理论分析和紧凑建模，可以模拟沟道热电子电流。

5.4.2 模拟结果

模拟结果显示，沟道热电子电流的建模对于模拟编程操作的准确性有重要影响。

5.4.3 CHISEL电流建模

CHISEL电流是沟道引发的二次电子电流，对其进行建模可以进一步提高模拟的准确性。

6. 浮动栅极器件紧凑模型的进一步可能性

6.1 可靠性预测

6.1.1 应力诱导泄漏电流（SILC）对浮动栅极存储器可靠性的影响

应力诱导泄漏电流（SILC）是影响浮动栅极存储器可靠性的重要因素之一。通过建立SILC模型，可以预测浮动栅极存储器的可靠性。

6.1.2 浮动栅极存储器器件可靠性预测示例

以EEPROM数据保留为例，可以说明如何使用紧凑模型进行可靠性预测。

6.2 统计模拟

统计模拟可以考虑器件参数的统计分布，从而更准确地预测浮动栅极器件的性能和可靠性。

7. 非易失性存储器器件

7.1 基本元件

非易失性存储器器件的基本元件包括读取偏置、编程偏置和擦除偏置等。这些偏置条件用于控制存储器的读取、编程和擦除操作。

7.2 主要构建模块

非易失性存储器器件的主要构建模块包括存储矩阵、解码器、感测放大器、电荷泵等。这些模块协同工作，实现存储器的各种功能。

7.3 矩阵与解码器

存储矩阵是存储数据的核心部分，解码器用于选择要操作的存储单元。矩阵和解码器的设计对于存储器的性能和效率至关重要。

7.4 操作模式

7.4.1 读取

读取操作是从存储单元中读取数据的过程。通过施加适当的读取偏置，可以检测存储单元的状态。

7.4.2 冗余读取

冗余读取是为了提高数据读取的可靠性而采用的一种方法。通过读取多个存储单元，可以检测和纠正可能的数据错误。

7.4.3 编程

编程操作是将数据写入存储单元的过程。通过施加适当的编程偏置，可以将电荷注入到浮动栅极中。

7.4.4 擦除

擦除操作是将存储单元中的数据清除的过程。通过施加适当的擦除偏置，可以将电荷从浮动栅极中移除。

7.5 DMA测试

DMA（直接内存访问）测试是一种用于测试非易失性存储器性能的方法。通过DMA测试，可以评估存储器的读写速度、可靠性等性能指标。

8. 浮动栅极器件研究的意义与展望

8.1 研究意义

浮动栅极器件的研究在半导体行业具有极其重要的意义，以下是详细阐述：
- 推动产业发展 ：闪存作为基于浮动栅极器件的重要产品，在半导体市场中占据关键地位。其不断发展的存储密度、读写速度和可靠性等性能指标，满足了多媒体、电信、计算机、汽车和消费电子等众多领域日益增长的需求，推动了整个半导体产业的进步。例如，在智能手机中，大容量的闪存使得用户能够存储更多的照片、视频和应用程序，促进了移动互联网产业的繁荣。
- 促进技术融合 ：浮动栅极器件的设计和制造涉及到物理学、化学、电子学等多个学科领域的知识。对其进行研究需要将这些不同领域的知识进行融合，从而促进了跨学科研究的发展。例如，在光刻技术中，需要运用光学、材料科学和微纳加工技术等多方面的知识，以实现更小的特征尺寸和更高的精度。
- 降低成本与提高性能 ：通过对浮动栅极器件的研究，可以不断优化其成本/性能权衡。一方面，通过改进制造工艺和设计方法，降低生产成本；另一方面，提高器件的性能，如增加存储容量、加快读写速度、降低功耗等。例如，随着技术的发展，闪存的单位存储成本不断下降，而存储容量却不断增加，使得更多的消费者能够承受得起大容量的存储设备。
- 支持系统集成 ：浮动栅极器件作为“复杂系统 on 硅”，是实现系统集成的关键要素。它可以作为独立组件使用，也可以集成到整个硅芯片中，为各种电子应用提供灵活而强大的存储支持。例如，在物联网设备中，集成了浮动栅极器件的芯片可以实现数据的存储和处理，使得设备能够更加智能和高效地运行。

8.2 未来展望

展望未来，浮动栅极器件的研究和发展将面临新的机遇和挑战，以下是一些可能的发展方向：
- 更高的性能追求 ：随着科技的不断进步，对浮动栅极器件的性能要求将越来越高。未来，研究人员将致力于进一步提高存储密度、读写速度和可靠性，以满足日益增长的大数据存储和处理需求。例如，开发新的存储材料和结构，以实现更高的存储密度；改进编程和擦除机制，提高读写速度。
- 更小的尺寸挑战 ：随着器件尺寸的不断缩小，浮动栅极器件将面临更多的缩放问题，如隧道电流增加、电荷泄漏加剧等。研究人员需要寻找新的解决方案来克服这些挑战，以实现更小尺寸的器件。例如，探索新的材料和工艺，以减少隧道电流和电荷泄漏；采用新的架构和设计方法，提高器件的稳定性和可靠性。
- 与新兴技术融合 ：浮动栅极器件将与人工智能、物联网、5G等新兴技术进行深度融合。在人工智能领域，浮动栅极器件可以用于存储神经网络的权重和参数，实现高效的计算和推理；在物联网领域，它可以为海量的传感器数据提供存储支持；在5G领域，高速的读写性能可以满足实时数据传输和处理的需求。
- 模型的进一步完善 ：虽然目前已经有了能够模拟浮动栅极器件读/编程/擦除操作的紧凑模型，但仍有进一步完善的空间。未来的模型将更加准确地模拟器件的行为，考虑更多的物理机制和实际因素，如器件之间的耦合效应、环境因素的影响等。同时，模型的参数提取将更加简单和准确，以提高模型的实用性和可靠性。

8.3 研究方法与技术趋势

为了实现上述展望，未来的研究将采用以下方法和技术趋势：
- 多学科交叉研究 ：由于浮动栅极器件涉及多个学科领域的知识，未来的研究将更加注重多学科交叉。研究人员将与物理学家、化学家、材料科学家、电子工程师等密切合作，共同攻克技术难题。例如，在开发新的存储材料时，需要物理学家和化学家研究材料的物理和化学性质，电子工程师则负责将这些材料应用到器件设计中。
- 先进的模拟技术 ：随着计算机技术的不断发展，先进的模拟技术将在浮动栅极器件的研究中发挥越来越重要的作用。通过使用高精度的模拟软件，可以对器件的性能进行预测和优化，减少实验次数和成本。例如，使用TCAD（Technology Computer - Aided Design）模拟软件，可以在设计阶段预测器件的电学性能和可靠性，为实际制造提供指导。
- 新材料与新工艺探索 ：寻找新的存储材料和制造工艺是解决尺寸缩放问题和提高器件性能的关键。研究人员将探索各种新型材料，如二维材料、量子点材料等，以及新的工艺技术，如原子层沉积、纳米压印等，以实现更小尺寸、更高性能的浮动栅极器件。
- 智能化与自动化 ：未来的研究将越来越多地采用智能化和自动化技术。例如，利用机器学习算法对实验数据进行分析和处理，优化模型参数；采用自动化设备进行器件的制造和测试，提高生产效率和质量。

9. 总结

9.1 内容总结

本文围绕浮动栅极器件展开了全面而深入的探讨，涵盖了从基础概念到实际应用的多个方面：
- 基础概念 ：介绍了紧凑建模的基本概念和定义，包括其在半导体行业中的重要性、开发过程中面临的挑战以及需要满足的约束条件。同时，详细阐述了浮动栅极器件的紧凑建模方法，包括其与MOS晶体管模型的关系、优点和局限性。
- 器件原理 ：深入探讨了浮动栅极器件的原理，包括技术亮点（光刻、场隔离、硅氧化等工艺）、单元操作（电荷注入机制、沟道热电子电流等）以及干扰与可靠性问题（编程干扰、数据保留等）。
- 操作模式 ：分别分析了直流条件下的读取操作和瞬态条件下的编程与擦除操作，介绍了传统模型和电荷平衡模型，并通过模拟结果比较了它们的性能。
- 应用与市场 ：阐述了浮动栅极器件在多媒体、电信、计算机等领域的广泛应用，以及闪存市场的重要地位和发展趋势。
- 未来展望 ：展望了浮动栅极器件的未来发展方向，包括更高的性能追求、更小的尺寸挑战、与新兴技术的融合以及模型的进一步完善等。

9.2 重要性强调

浮动栅极器件在半导体行业中的重要性不言而喻，它是闪存等非易失性存储器的核心组成部分，对整个电子信息产业的发展起到了关键支撑作用。随着科技的不断进步，对浮动栅极器件的需求将持续增长，其研究和发展也将不断推动半导体技术的创新和突破。

9.3 研究启示

通过对浮动栅极器件的研究，我们可以得到以下启示：
- 跨学科合作的重要性 ：浮动栅极器件的研究需要多学科的知识和技术支持，跨学科合作是解决复杂问题的关键。
- 持续创新的必要性 ：为了满足不断增长的市场需求，必须持续进行创新，不断探索新的材料、工艺和设计方法。
- 模型的关键作用 ：紧凑模型在器件设计和性能预测中起着至关重要的作用，应不断完善模型，提高其准确性和实用性。

总之，浮动栅极器件的研究是一个充满挑战和机遇的领域，未来的发展前景广阔。我们期待着更多的研究成果能够推动半导体技术的进一步发展，为人类社会带来更多的便利和创新。

以下是一个总结浮动栅极器件研究内容的 mermaid 流程图：

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    F --> F4(模型完善):::process

通过这个流程图，可以清晰地看到浮动栅极器件研究的各个方面及其相互关系，有助于我们更好地理解和把握整个研究体系。