4. Стирание ячейки

Туннелирование Фаулера-Нордхейма — переход электронов в плавающий затвор при смещении потенциального барьера электрическим полем. Поле возникает при приложении разницы потенциалов между управляющим затвором (-) и истоком (+) (рис.3).

Рис. 3. Стирание ячейки туннелированием электронов через изолирующий слой.

В результате в области истока образуется «канал», по которому происходит стекание заряда с плавающего затвора за счет туннельного перехода через потенциальный барьер (рис. 4).

Рис. 4. Схема энергетического барьера интерфейса Si/SiO2 в подзатворной области истока ячейки Flash-памяти. Толщина изолирующего слоя SiO2 — порядка 100 Ангстрем.

4. Надежность флэш-памяти

Как видно из приведенных схем, токи заряда и разряда плавающего затвора ячейки сконцентрированы в локальной области изолирующего затвор диэлектрика. Зависимость плотности тока от напряженности поля показана на рис. 5.

Рис. 5. Зависимость тока Фаулер-Нордхейм-туннелирования от напряженности электрического поля.

Экспоненциальная зависимость тока через диэлектрик при операциях программирования и стирания является причиной серьезных проблем при управлении этими процессами, так как очень небольшие вариации толщины диэлектрика в ячейках внутри запоминающей матрицы приводят к существенному разбросу величин токов программирования и стирания, а, значит, и времени программирования и стирания ячеек. Флуктуации же толщины диэлектрика внутри ячейки приводят к локальным неоднородностям напряженности поля, вызывающим появление «перегруженных» участков. Циклическая нагрузка на диэлектрик на таких участках вызывает ускорение процессов его деградации — нарушения структуры и изменения сопротивления.

Причиной деградации может быть как появление и рост дефектов кристаллической решетки диэлектрика (дислокаций и разрывов Si-O связей), так и диффузия ионов, ускоряющаяся при повышении температуры из-за локальных перегревов в областях повышенного тока. Эти процессы приводят к появлению «ловушек» для заряда в слое диэлектрика, и в результате появляется так называемый «ток утечки, вызванный перегрузкой», stress-induced leakage current (SILC), который вносит вклад как в надежность хранения информации ячейкой (время сохранения заряда на плавающем затворе), так и в скорость программирования и стирания.

Схематическая зависимость времени сохранения заряда от числа циклов записи-стирания ячеек матрицы показана на рис. 6, а порогового напряжения ячейки — на рис. 7.

Рис. 6. Зависимость времени удержания заряда ячейками flash-памяти в зависимости от числа циклов записи-стирания.

 

Рис. 7. Зависимость порогового напряжения ячейки от числа циклов записи-стирания.

Уменьшение окна порогового напряжения (напряжение, при котором образуется ток стока при считывании) приводит к снижению вероятности достоверного считывания состояния ячейки, что при использовании коррекции ошибок записи дает увеличение времени программирования при использовании повторных операций с верификацией. В предельном случае деградации туннельного диэлектрика наступает так называемый пробой — слой SiO₂ перестает выполнять свои изолирующие функции, так как из-за накопления большого числа дефектов потенциальный барьер перехода Si/SiO₂ снижается до уровня, недостаточного для удержания заряда на плавающем затворе. «Окно порогового напряжения» закрывается, ячейка перестает программироваться, оставаясь в некотором стабильном состоянии. Таким образом, одним из важнейших ограничений надежности Flash-архитектуры является ограниченный ресурс ячеек по числу циклов записи-стирания.