非揮發式快閃記憶體之概要

近年來非揮發性記憶體(Non-Volatile Memory)半導體記憶體元件 的發展與應用上，其所扮演的角色是愈來愈重要。而隨著可攜式產 品，如筆記型電腦、數位相機等的普及，非揮發性記憶體的技術也是 逐年在進步。從最早的唯讀記憶體(Read-Only-Memory ROM)、可程 式唯讀記憶體(Programmable-Read-Only-Memory PROM)、可抹除程 式化唯讀記憶體(Erasable-Programmable-Read-Only-Memory EPROM)

、及電性可抹除程式化唯讀記憶體(Electrically-Erasable-Programmable -Read-Only-Memory EEPROM)，以至目前最熱門的快閃記憶體(Flash Memory)，揮發性記憶體在其結構上亦隨之改變。

ROM：其資料內容在製程時便已決定，無法做改變，可靠度上 並無太大問題，有無外界電源並不影響這個元件，故稱為唯讀記憶體。

PROM：可自行將資料寫入並保存的記憶體，為 ROM 的改良，

但寫入的次數只有一次。

EPROM：可進行資料刪除與重新寫入，適用於硬體中的基本輸 出入系統，其資料刪除方式是利用紫外線進行，但由於做 EPROM 資 料刪除時，將所有存於 EPROM 的程式或數據清除，使得每做 EPROM 資料修改時，都要重頭來過，非常耗時。[1]

EEPROM：與 EPROM 差別在於消除儲存內容時，是以電子訊 號直接消除，在改變資料非常便利，但在單元記憶體尺寸上是相對比 較大的，而其消除方式可以一個位元一個位元進行。[2]

Flash Memory：其命名的由來為消除方式是以一個區塊一個區 塊進行，快如閃電，故名為快閃記憶體。同時具備了下列優點：（1）

非揮發性（2）高積集度（3）快速寫入/讀取（4）高擦寫速度（5）

低消耗功率，所以成為記憶體市場的明日之星，也是本專題研究的主 因。

浮閘極結構首先由 S. M. Sze 和 D. Kahng 在 1967 年所提出[3]，早 期的非揮發性記憶體主要是使用浮閘極(Floating-Gate)的結構來做電 荷的存取，使用複晶矽(Poly-Silicon)來做浮閘極材料，周圍再由介電 材料包覆住來儲存電荷，此結構示於圖 1.1。浮閘極被包覆於介電質 當中，可以達到高密度、良好的 P/E 速度以及可靠度。圖 1.2 顯示了 典型的寫入和抹除狀態 I-V 特性曲線圖，Flash Memory 吸引了很多研 發人員投入改善 NVM 特性的工作。NVM 記憶體可依不同的設計概 念區分為兩種類型，可以分為晶胞型(Cell Type)和操作型(Operation

Type)，而晶胞型又可分為堆疊閘(Stack Gate)和分離閘(Split Gate)；而 操作型可依儲存容量區分為字碼型(Code Flash)和資料型(Data Flash)

，Code Flash 有“NOR” 和“DINOR”設計結構，Data Flash 有“NAND”

和”AND” 設計結構。NOR 型讀取速度快，適用於主機板等需要記錄 系統編碼之應用，而 NAND 型具有高密度以及高寫入速度，適用於

PDA、手機、數位相機等等可攜式電子產品。Flash Memory 架構圖 表於圖 1.3。[4]

高容量以及高可靠度是 Flash Memory 應用在廣泛的產品中，最重 要的因素，為了達到這個目標，微縮是進入下一世代發展的關鍵點，

FG Memory 需要厚的氧化層(Tox > 8nm)來提供良好的保存能力和耐 久力，但也同時需要更高的操作電壓，結果降低了寫入速度以及微縮 的限制[5]，除此之外，FG Memory 在 P/E 週期後，對穿遂氧化層造 成損傷而易於產生應力引起的漏電流。因此，矽-氧化矽-氮化矽-氧 化矽-矽(Silicon-Oxide-Nitride-Oxide-Silicon SONOS) 堆疊型記憶體 元件受到相當大的注意，有別於 FG Memory，SONOS 是一種電荷捕 捉快閃記憶體 Charge Trap Flash (CTF) Memory，其所儲存電荷的位置 在於離散的陷阱能階中，而電荷捕捉快閃記憶體利用氮化矽取代浮閘 極，有下列幾項優點：更高的寫入速度、高密度、可微縮特性、較好 的耐久力、較簡易的製程以及沒有浮閘極耦合效應。