• 沒有找到結果。

Chapter 1    Introduction

1.5  Organization of this Dissertation

1.4 Introduction of Light Emitting Devices 

Electrical  wires  meet  a  fundamental  limitation  of  aspect  ratio,  and  capacitive  coupling,  which  reduces  the  bit  rate.  Below  0.13um,  interconnect  delay  starts  to  dominate over gate delay in Si CMOS. The scaling limitations of electrical wires give  an  opportunity  for  optical  interconnects.  Optical  interconnection  avoids  the  issue  of  aspect  ratio.  They  can  replace  global  wires  to  provide  high  data  rates.  III-V  based  optical  devices  are  widely  accepted  due  to  its  direct  bandgap  and  high  photon  emission efficiency. Silicon is not considered as a good light-emitting source due to its  indirect bandgap induced low emission efficiency. 

Although  silicon  optical  devices  suffer  lower  light  emission  efficiency,  their  applications are numerous (see Fig.1.7) due to the ease of integration in CMOS-based  ultralarge  scale  integrated  circuit  (ULSI)  as  shown  in  Fig.1.8.  Silicon  light  emitting  devices can also be used in massively parallel optical interconnects and cross connects  for  microprocessor  and  digital-signal  processor  applications.  Traditionally,  silicon  LEDs have been regarded as a difficult candidate for light emission since they suffer  low light emitting efficiency due to the indirect band-gap of silicon. Recently, many  attempts including p-n diodes [1.21], MIS diodes [1.22], and nanocrystal LEDs [1.23] 

have shown that light emission from silicon materials is readily obtained. 

 

1.5 Organization of this Dissertation 

In this dissertation, a novel PHINES (Programming by hot Hole Injection Nitride  Electron Storage) flash memory cell is investigated. PHINES uses the nitride storage  cell structure. PHINES cell, with its superior reliability, 2 bits-per-cell storage and low 

reliability  characteristics.  In  chapter  3,  a  novel  BTB  sensing  scheme  and  a  new  modified NAND-type array are introduced to eliminate the issue of 2-bit interaction. 

Chapter 4 discusses the scaling challenges of PHINES memory cell. 

In  chapter  5,  we construct another  novel  non-volatile flash  memory  cell named  Programmable  Resistor  with  Erase-less  Non-Volatile  Memory  (PREM).  PREM  can  realize  multi-time  programming,  multi-level  cell  operation,  non-volatility,  and  low  voltage operation, and can meet some applications in SOC and embedded areas. 

In chapter 6, we develop a novel Silicon-Nitride based Light-Emitting Transistor  (SiNLET)  with  high  light  emission efficiency,  low  current  consumption  and  a  small  device area. The fabrication process of SiNLET is compatible to CMOS technology. 

SiNLET demonstrates its high feasibility for the application of optical interconnects in  ULSI. 

Finally, a conclusion will be given in chapter 7. 

                                           

 

19960 1998 2000 2002 2004 2006 2008

5

CAMERAS MP3

Mobile

  Cell Size  5.5

(F2) Cell Size  0.16

(µm2) Cell Size  10

(F2) Technology node  130

(nm) Cell Size  5.5

(F2) Cell Size  0.16

(µm2) Cell Size  10

(F2) Technology node  130

(nm)

 

 

bit2 bit1

Fig.1.5 Schematic representation of a NROM cell with physically 2-bits 

Bit 2

>1.5V

8V

Bit 2

>1.5V

8V

   

Fig.1.6  Schematic  representation  of  the  chip  architecture  with  embedded flash memory array, high voltage periphery control circuit, and low voltage logic circuit. 

 

  Flash 

Memory  Array 

HV periphery LV logic/SRAM

Flash/NVM

Processor 1

Chip to chip  optical interconnects

Chip to system optical interconnects Chip to system

optical interconnects

ïSensor ïDetector ïReceiver

I/O SRAM/DRAM

Controller A/D 

switch

ïInterface ïHuman ïMachine

Processor 2

Denotes potential paths of optical interconnects.

ì î

Denotes potential paths of optical interconnects.

ì î

Fig.1.7 Illustration of applications and insertion of optical interconnections. 

 

                       

CMOS

Optical  device

h ν

Fig.1.8 Illustration of integration of CMOS and silicon optical devices. 

 

PHINES Flash Memory Cell with Low Power Program/Erase, Backward-Read  Scheme and 2-bit-per-cell Storage 

   

2.1 Introduction 

Interest  in  nitride  based  localized  trapping  storage  flash  memory  cells  has  revived for 2-bits-per-cell operation, which can double the memory density [2.1-2.3]. 

Besides, they also show better scalability since charges are stored in the nitride traps  rather  than  a  poly-silicon  floating  gate  in  conventional  flash  memory  cells.  Nitride  storage memories do not have floating gate induced drain turn-on and coupling issues  that are believed to be the scaling limitations of conventional floating gate memories  [2.4,2.5]. Various operation schemes were proposed based on the nitride-storage cell  structure.  SONOS  flash  memory  with  modified  Fowler-Nordheim-tunneling  programming  by  electrons  and  direct-tunneling  erasing  by  holes  was  proposed  long  time ago [2.6]. The absence of erratic bits and low power operation make SONOS a  good  candidate  for  next  generation  flash  technology.  However,  the  cell  retention  is  still  an  issue  now  [2.7].  Besides,  its  large  cell  size  (6F2  per  bit  [6])  and  slow  program/erase  speed  limits  its  applications.  Recently,  NROM  cell  with  channel-hot-electron  (CHE)  programming  and  band-to-band  tunneling  induced  hot-hole  (BTBT  HH)  erasing  [2.2]  has  demonstrated  excellent  intrinsic  cell  performance.  NROM  cell  is  suitable  for  code  flash  applications,  and  CHE  programming  is  widely  accepted  in  NOR-type  architecture.  In  spite  of  many  advantages,  previous  works  [2.8-2.13]  reveal  that  reliability  issues  including  read  disturb,  over  erase,  and  cell  retention  after  cycling  are  major  challenges  of  NROM  cell. C.T. Swift et al proposed to use uniform tunneling for erasing [2.3] instead of the  hot-hole injection to reduce the stress of high energetic holes in the erase operation. 

However, for mass storage and data flash applications, CHE programming is still not  suitable due to its high power consumption. 

Here,  a  novel  flash  memory  cell  named  PHINES  (Programming  by  hot  Hole  Injection  Nitride  Electron  Storage)  [2.1]  is  investigated.  PHINES  uses  the  nitride  storage  cell  structure  and  can  be arranged  in  both  NOR-type  and  NAND-type  array  for code and data flash applications. The operation principles, cell characteristics, and  cell reliability will be studied and characterized in this chapter. 

 

2.2 PHINES Cell Structure 

PHINES memory cell is a NMOSFET with an ONO stack as the gate dielectric 

gate  length  and  gate  width  are  0.19µm  and  0.14µm,  respectively.  The  thickness  of  each ONO layer is 9nm, 6nm, and 6nm from top to bottom. The top oxide and bottom  oxide are formed by thermal oxidation while nitride is performed by CVD deposition. 

A  double  poly  technology,  novel  low-temperature  dielectric  film  fill-in  and  planarization  process  is  introduced  to  form  a  sufficiently  thick  insulating  layer  between  the  local  buried-diffusion  (BD)  bit-lines  and  the  word-lines  (WLs)  [2.14]. 

Figure  2.3  (a)  and  (b)  show  the  TEM  pictures  of  the  cell,  in  which  the  X-pitch  and  Y-pitch are 0.33µm and 0.28µm, respectively. 

 

2.3 PHINES Cell Operation Condition, and Cell Characteristics   

2.3.1 PHINES Cell Operation Condition 

PHINES  cell  uses  gate  FN  electron  injection  (negative  gate-to-substrate  bias)  and  BTBT  HH  injection  as  the  erase  and  program  methods,  respectively.  Schematic  representations  of  PHINES  cell  operation  are  shown  in  Fig.2.4.  The  bias  conditions  are  given  in  Table.2.2.  Figure  2.5  shows  the  erasing  characteristics  and  the  Vt  saturates after 1ms. As shown in Fig.2.6 (a), electrons are injected from the gate via  tunneling  through  the  top  oxide  (path  1)  in  the  erase  operation.  Some  of  the  tunnel  electrons are captured by the nitride traps (path 2, either deep traps or shallow traps),  while the others will inject into the substrate (path 3). Electrons in the shallow traps  will easily be drawn out due to the high electric field (path 4) and only electrons in  deep traps remain in the nitride. Accordingly, the erase saturation may be caused by  the limited amount of deep nitride traps, and cell Vt will saturate while all deep traps  are filled with electrons. PHINES cell does not have an over-erasure problem due to  the self-convergent behavior of FN injection, which can improve the uniformity and  tighten the Vt distribution of the erased cells. 

The  program  of  a  PHINES  cell  is  done  by  lowering  the  local  Vt  through  edge  BTBT  HH  injection.  Fig.2.6  (b)  shows  the  band  structure  of  PHINES  cell  during  program  operation.  Figure  2.7  shows  the  program  characteristics  of  the  two  bits.  In  Fig.2.7 (a), bit-1 is programmed to a low Vt, while bit-2 is in the erased state. Bit-2 is  subsequently programmed in Fig.2.7 (b). Since the program is performed by bit-by-bit  and  shot-by-shot  tracking,  a  verification  step  is  applied  after  each  program  shot  to  well control the program behavior of each bit. The program of each bit stops as its Vt  or current passes the program verification. Over-program induced leakage current in  the low Vt state between two columns can be suppressed, and a narrow Vt distribution 

bias is applied to reduce the channel potential near bit-2 (bit-1). The IV characteristics  of each state are shown in Fig.2.8. 

 

2.3.2 The Charge Distribution 

In Fig.2.9, the charge pumping technique [2.15] is utilized to monitor the charge  variation  in  the  nitride.  The  open  circles  and  solid  circles  represent  the  initial  and  erased conditions. The Vt shift after erase is around 2.5V. The solid up-triangles and  down-triangles  represent  the  charge  distribution  in  nitride  after  1µs  and  200µs  programming. After FN electron erasing and hot-hole programming, a tail of charge  pumping current (Icp) is observed. The turn-on Vt (Vgh) of the Icp tail is proportional  to the number of storage holes in a programmed bit while the amount of the Icp tail is  proportional to the length of the programmed holes in the channel region. As program  time increases, the increase of Icp in the portion of 1V<Vgh<3.5V represents that hot  holes are injected into the nitride from junction edge toward channel wherein a bit is  programmed. 

 

2.3.3 2-bit Interaction Effect 

Two-bit  interaction  effect  is  a  unique  phenomenon  in  physical  2-bit  storage  memory  cell,  which  is  caused  by  the  interaction  between  bit-1  and  bit-2  during  backward  read  operation.  Similar  to  NROM  cell  [2.16],  PHINES  cell  suffers  2-bit  interaction  effect  and  operation  Vt  window  reduction  due  to  the  channel  current  sensing and the backward read scheme. Fig.2.10 (a) shows the program characteristics. 

In the initial state (condition A), two bits are in high Vt states. Figure 2.10 (b) and (c)  illustrate  the  channel  potential  of  condition  A  during  read  operation.  As  bit-1  is  intentionally programmed to a low Vt state, a slight Vt decrease is observed in bit-2  (condition B in Fig.2.10 (a)), which induces Vt window reduction. Fig.2.10 (d) and (e)  illustrate the channel potential of condition B (bit-1 is in a low Vt state while bit-2 is  in a high Vt state). In condition B, as bit-1 is read (see Fig.2.10 (d)), a high read Vd is  used to pull down the channel potential near bit-2, and a low Vt of bit-1 is thus sensed. 

To  read  bit-2  (see  Fig.2.10  (e)),  the  high  read  Vd  and  the  local/narrow  electron  distribution of bit-2 after bit-1 programming will enhance the Drain-Induced-Barrier-  Lowering (DIBL) effect and lower the channel potential. Compared to the condition A  (Fig.2.10 (c)), a lower Vt of bit-2 is obtained, and a reduced Vt operation window is  caused. Since the Vt of bit-2 is very sensitive to the programmed condition of bit-1,  we name this phenomenon ì 2-bit interaction effectî . 

Device simulation is used to characterize the effects of cell parameters on the Vt  operation  window.  The  definitions  of  the  simulated  cell  parameters  are  descried  in 

and  the  density  of  the  stored  electrons.  In  Fig.2.12,  as  the  length  of  the  residual  electron  distribution  decreases  (the  length  of  the  programmed  hole  distribution  increases), Vt window increases under a fixed read Vd and, in other words, read Vd  can  be  reduced  to  maintain  a  constant  Vt  window.  Besides,  higher  stored  electron  density  can  also  increase  Vt  window  without  increasing  the  read  bias  as  shown  in  Fig.2.13. A narrower electron distribution, a higher electron density, and a lower read  Vd could suppress the DIBL effect enhanced Vt reduction and enlarge the Vt window. 

Accordingly, 2-bit interaction effect can be suppressed by optimizing the charge  profiles  and  the  operation  schemes.  As  mentioned  in  Section  2.3.1,  PHINES  can  determine  the  stored  electrons  via  erase  operation  and  well  control  the  injected  amount of holes to modulate the length of residual electrons via program and program  verification,  separately.  Although  we  can  suppress  Vt  window  reduction  via  better  operation algorithms and carrier injection processes to manage the charge distribution,  the  2-bit  interaction  effect  cannot  be  eliminated  completely  in  the  backward  read  scheme. Besides, 2-bit interaction effect will get worse in the next generation due to  the enhanced DIBL in a scaled device. In chapter 3, a novel BTB-PHINES memory  cell and BTB-sensing (band-to-band sensing) scheme are developed to solve this issue  completely. 

 

2.3.4 PHINES Cell Endurance and Vt Operation Window 

Figure 2.14 and Fig. 2.15 show the P/E cycling endurance of 1-bit-per-cell and  2-bits-per-cell operation, respectively. The Vt window is almost unchanged up to 10K  P/E cycles. A slight window closure is observed after 100K cycles. This phenomenon  is widely observed in flash memory cells, which should result from the stress-induced  bottom/top  oxide  degradation  [2.17].  The  Vt  operation  window  of  1-bit-per-cell and  2-bit-per-cell operation is around 2V and 1.2V, respectively. 

 

2.3.4 PHINES Cell Performance 

The  electrical  performance  of  a  PHINES  cell  is  summarized  in  Table  2.3. 

Program can be finished within 200µs and erase can be done in 2ms. Vt-windows of  2V  and  1.2V  are  obtained  for  1-bit-per-cell  and  2-bits-per-cell  operation.  Since  the  program  current  is  less  than  50nA/bit,  high  programming  rate  can  be  achieved  by  parallel  programming.  Besides,  FN-erase  also  consumes  extremely  low  current  (10fA/cell).  Both  program  and  erase  are  low  power  operations,  which  makes  it  suitable for mass storage (data flash) applications. 

 

2.4.1 Data Retention 

Fig.2.16 shows the data retention characteristics of three program/erase states. Vt  loss  is  less  than  0.5V  and  0.2V  for  high-Vt  bits  and  low-Vt  bits,  respectively,  after  150C, 168 hours bake in 10K P/E cycled cells. Fig.2.17 shows the temperature effect  on  data  retention in  a  high  Vt  state.  Three  storage  temperatures are  compared:  25C,  85C, and  150C.  Excellent  data  retention is  observed.  In  previous  studies  [2.18],  hot  electron injection tends to fill traps with shallower energy in a stressed oxide film. We  also use this characterization method to monitor the characteristics of electrons in the  nitride traps. High Vt state charge loss behavior of two electron injection techniques  (FN  injection  and  substrate  hot  electron  injection)  is  compared  in  Fig.2.18.  Two  devices are stressed by constant voltage stress (Vg=-24V, Vd=Vs=Vb=0V) for 1000s. 

After stress, hot-hole injection is performed to lower the Vt of the devices. Finally, FN  injection  and  substrate  hot  electron  (SHE)  injection  are  used  to  inject  electrons  into  two  devices  to  raise  Vt  to  5V,  respectively.  Vt  shift  is  measured  in  the  high  temperature  condition  (150C).  As  shown  in  Fig.2.18,  the  device  with  FN  electron  injection shows less charge loss than the device with SHE injection. It is surmised that  hot electrons in SHE will jump over the oxide barrier and are randomly captured by  deep  and  shallow  traps  of  nitride  as  shown  in  Fig.2.19  (a).  Electrons  in  shallower  traps will easily escape during a storage period and charge loss is observed as shown  in Fig.2.19 (b). However, tunnel electrons by FN injection tend to stay in deep traps of  nitride  since  electrons  in  shallow  traps  will  be  drawn  out  by  high  electric  field  as  shown  in  Fig.2.20  (a).  According  to  the  Frenkel-Poole  model,  electrons  in  deeper  traps  have  longer  emission  time  and  good  data  retention  is  obtained  accordingly  as  shown in Fig.2.20 (b). 

 

2.4.2 Read Disturbance 

Read  disturbance  is  another  reliability  issue  of  flash  memory  devices.  As  the  device  is  in  a  low  Vt  state,  continuously  reading  the  device  will  induce  disturbance  due  to  the  high  channel  current  and  hot  electron  injection.  Vt  will  increase  and  the  read  current  will  degrade  accordingly.  We  also  evaluate  the  read  disturbance  characteristics  of a  PHINES  cell. As  shown  in Fig.2.21,  the  read condition  (Vg=3V,  Vd=1.6V, and Vs=0V to read Bit-2) is applied to the device while two bits are both at  low Vt states (Vt is around 2V). The Vt shifts of both bits are measured. Vt drift of  0.2V  is  observed  in  Bit-1  by  continuous  read  of  10000s  while  there  is  almost  no  disturbance in Bit-2. The reason is that a high voltage is applied on the drain, which  induces hot electron injection at the drain side. Accordingly, the Vt of Bit-1 increases 

injection at the source side, which will cause read disturbance in Bit-2. 

Read disturbance is a potential scaling issue due to enhanced hot carrier effect in  a scaled device [2.19]. Higher substrate doping concentration, shorter channel length  and cycling induced damages will degrade read disturbance and the only solution is to  reduce  read  Vd.  In  section  2.3.3,  the  effects  of  read  Vd,  length  of  residual  electron  distribution and density of stored electrons have been discussed. As shown in Fig.2.12,  read Vd can be reduced without degrading the Vt window by optimizing the length of  the  residual  electron  distribution.  PHINES  can  determine  the  stored  electrons  via  erase verify step and well control the injected amount of holes to modulate the length  of  residual  electrons  via  program  verify  step,  separately.  Accordingly,  by  managing  electron  profile,  hole  profile  and  stored  electron  density,  a  large  Vt  window  and  reduced  read  disturbance  (by  lowering  read  Vd)  can  be  realized  in  future  scaled  devices. 

 

2.5 PHINES Array Architecture   

2.5.1 PHINES Operation in Virtual Ground Array (NOR-type) Architecture  PHINES cells can be arranged in the virtual ground array (NOR-type) as shown  in  Fig.2.22.  In  NOR-type  array  architecture,  the cells  are  connected  in parallel.  Fig. 

2.22 (a), (b) and (c) show the array erase, program and read operations, respectively. 

In array erase operation, a negative bias (-9V) and a positive bias (10V) are applied on  the  selected  WLs  and  P-well,  respectively.  Electron  injection  via  Fowler-Nordheim  tunneling from the gate is used to erase the selected cells to high Vt states. In order to  program  PHINES  cells  in a  high-density  virtual  ground  array,  a  technique  to  inhibit  the program disturbance in the adjacent cell is necessary. As shown in Fig.2.22 (b), to  program the bit-1 in cell-A, a positive bias (5V), a grounded bias, and a negative bias  (-7V)  is  applied  on  the  BL2,  BL1,  and  the  selected  WL,  respectively.  The  program  disturbance of the adjacent cell-B sharing the same bit-line (BL) and word-line (WL)  is  inhibited  by  properly  biasing  the  unselected  BL3  (ex:  3V).  The  programming  behavior  of  cell-A  and  disturbance  behavior  of  cell-B  and  cell-C  are  shown  in  Fig.2.23. The channel potential of cell-A and cell-B are plotted in Fig.2.24. Dramatic  reduction of hot-hole injection by an inhibitive BL bias is due to a less lateral electric  field [2.20]. Likewise, in cell-C sharing the same BL, but a different WL, grounding  the unselected WL reduces the program disturbance because of the less vertical field. 

Fig.2.22  (c)  shows  the  operation  condition  of  the  backward  read  scheme  in  array 

current  of  the  selected  cell  is  sensed  to  determine  the  storage  state  of  bit-1.  To  program  and  read  the  storage  state  of  bit-2,  similar  operations  can  be  applied  by  interchanging the role of BL1 and BL2. 

 

2.5.2 PHINES Operation in NAND-type Array Architecture 

  PHINES  cells  can  be  also  arranged  in  NAND-type  array.  In  NAND-type  array  architecture,  one  NAND  string  contains  32  memory  cells  and  2  select-transistors  (SLG1 and SLG2) that are arranged in series as shown in Fig.2.25 [2.21]. Fig.2.25 (a),  (b) and (c) show the array erase, program, and read operations, respectively. In array  erase  operation  as  shown  in  Fig.2.25  (a),  a  negative  bias  (-9V)  and  a  positive  bias  (10V) are applied on the selected WLs and P-well, respectively. Electron injection via  Fowler-Nordheim tunneling from the gate is used to erase the selected cells to high Vt  states.  Fig.2.25  (b)  shows  the  array  program  operation.  To  program  bit-1  of  the  selected WL (WL3), a positive bias (5V), a grounded bias, and a negative bias (-7V)  are applied on the drain, source, and the selected WL, respectively. The non-selected  WLs are turned on (10V), which serves as pass transistors to pass the drain and source  voltages. To read bit-1 of the selected WL (WL4) as shown in Fig.2.25 (c), a positive  bias (1.6V), a grounded bias, and another positive bias (3V) are applied on the source,  drain,  and  the  selected  WL,  respectively.  The  non-selected  WLs  also  serve  as  pass  transistors  to  pass  the  read  current,  and  the  storage  state  of  bit-1  is  determined  accordingly. To program and read the storage state of bit-2, similar operations can be  applied by interchanging the role of the source and the drain. 

  PHINES  cells  can  be  also  arranged  in  NAND-type  array.  In  NAND-type  array  architecture,  one  NAND  string  contains  32  memory  cells  and  2  select-transistors  (SLG1 and SLG2) that are arranged in series as shown in Fig.2.25 [2.21]. Fig.2.25 (a),  (b) and (c) show the array erase, program, and read operations, respectively. In array  erase  operation  as  shown  in  Fig.2.25  (a),  a  negative  bias  (-9V)  and  a  positive  bias  (10V) are applied on the selected WLs and P-well, respectively. Electron injection via  Fowler-Nordheim tunneling from the gate is used to erase the selected cells to high Vt  states.  Fig.2.25  (b)  shows  the  array  program  operation.  To  program  bit-1  of  the  selected WL (WL3), a positive bias (5V), a grounded bias, and a negative bias (-7V)  are applied on the drain, source, and the selected WL, respectively. The non-selected  WLs are turned on (10V), which serves as pass transistors to pass the drain and source  voltages. To read bit-1 of the selected WL (WL4) as shown in Fig.2.25 (c), a positive  bias (1.6V), a grounded bias, and another positive bias (3V) are applied on the source,  drain,  and  the  selected  WL,  respectively.  The  non-selected  WLs  also  serve  as  pass  transistors  to  pass  the  read  current,  and  the  storage  state  of  bit-1  is  determined  accordingly. To program and read the storage state of bit-2, similar operations can be  applied by interchanging the role of the source and the drain. 

相關文件