引言

存儲器是一種在信息技術(shù)中廣泛用于存儲數(shù)據(jù)、程序的具有記憶功能的裝置，成本、功耗、速度、容量和可靠性是存儲器的核心性能指標(biāo)。按照其對信息的保存特性，存儲器可以分為非易失性存儲器(NVM)和易失性存儲器兩類。易失性存儲器掉電后存儲的數(shù)據(jù)也會隨之丟失，需要不斷對存儲器進(jìn)行更新以保持?jǐn)?shù)據(jù)的穩(wěn)定。NVM即使掉電后存儲的數(shù)據(jù)也不會丟失【1】。NVM既可以作為—個獨立單元 ，也可以作為模塊成為芯片的一部分 ，又稱為嵌入式非易失性存儲器(eNVM)。隨著微控制器( MCU)和電源管理芯片(PMIC)的數(shù)量不斷增長，對嵌入式存儲器的需求與日俱增，可存儲用戶和產(chǎn)品信息、 安全密鑰、校準(zhǔn)參數(shù)、配置信息和程序代碼等關(guān)鍵信患。

eNVM的主流技術(shù)包括嵌入式閃存(eFlash)、一次可編程(OTP)NVM和多次可編程(MTP)NVM。eFlash是業(yè)界應(yīng)用最廣泛的嵌入式非易失性存儲技術(shù)，其性能優(yōu)越、可靠性高、存儲單元面積小。但該技術(shù)工藝兼容性差，需要在邏輯工藝的集成上增加額外的掩模板和工藝步驟，晶圓成本高、開發(fā)周期長。OTP的主要優(yōu)勢在于其工藝兼容性強，在現(xiàn)有的制造技術(shù)上不需要額外的工藝步驟即可實現(xiàn)非易失性存儲，但它的劣勢是僅支持一次編程，不可反復(fù)進(jìn)行編程。MTP eNVM則兼具eFlash的靈活性、 高性能和OTP的工藝高兼容性。其重復(fù)擦寫次數(shù)可以達(dá)到104次以上， 容量也可以達(dá)到1Mibit。在現(xiàn)今的eNVM市場中，MTP存儲器的市場占有份額每年增長超過30%[2]， 這意味著MTP技術(shù)已經(jīng)得到市場越來越來廣泛的認(rèn)可，并得到了越來越多的應(yīng)用。

數(shù)據(jù)保持能力是衡量eNVM性能的重要指標(biāo)，目前，對于驗證NVM數(shù)據(jù)保持能力的方法，國內(nèi)外已經(jīng)有不少相關(guān)的研究或標(biāo)準(zhǔn)，如JEDEC固態(tài)技術(shù)協(xié)會制定的JESD22-A117C[3] 和JESD47H[4]， 中國電子技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)化研究院牽頭制定的GB/T 35003—2018：《非易失性存儲器耐久和數(shù)據(jù)保持試驗方法》[5]等，但大多數(shù)主要集中在相變存儲器[6]、Flash存儲器[7-8]等的數(shù)據(jù)保持能力，而對MTP存儲器的數(shù)據(jù)保持能力卻鮮有研究。

MTP存儲器的數(shù)據(jù)保持能力不僅要求在高溫條件下能夠保持?jǐn)?shù)據(jù)不丟失，而且要能夠保持很長的時間，因而不僅要研究MTP存儲器的可靠性，還要能夠計算出MTP存儲器的數(shù)據(jù)保持時間，這對合理拓寬MTP存儲器溫度應(yīng)用范圍及使用壽命有重要的現(xiàn)實意義。

基于上述分析， 本文以成都銳成芯微科技股份有限公司的MTP存儲器為例， 對該存儲器的存儲單元架構(gòu)設(shè)計、數(shù)據(jù)保持能力測試及激活能計算3個方面展開分析， 重點闡述了MTP存儲器的數(shù)據(jù)保持能力測試及激活能計算。

1、MTP存儲單元結(jié)構(gòu)設(shè)計

成都銳成芯微科技股份有限公司的MTP存儲單元結(jié)構(gòu)如圖1所示，圖中BL為位線，WL為字線，NW為n阱，CG為控制柵，F(xiàn)G為浮柵，COM為源端接口。相比于傳統(tǒng)的1T1C結(jié)構(gòu)(NMOS晶體管)，該存儲單元采用2T1C結(jié)構(gòu)(2個PMOS晶體管加1個NMOS Cap電容)。一個PMOS用作選通管，通過WL控制選中和關(guān)斷;另1個PMOS用作存儲管，其多晶硅柵是浮柵，周圍被電介質(zhì)層包住，防止注入的電荷泄漏。位于P阱(PW)里面的NMOS電容和存儲管的多晶硅柵共享，形成兩個電容的耦合效果，因此，可以通過該NMOS電容對PMOS存儲管浮柵上的電壓進(jìn)行控制。該存儲單元的另一重要特性在于PW被深n阱 (DNW)包圍，這樣PW可以施加不同于襯底的電位。

圖1 MTP存儲單元結(jié)構(gòu)示意圖

MTP存儲器本質(zhì)上和eFlash相似，都是基于浮柵來存儲電荷。但不同于eFlash單獨開發(fā)工藝平臺，MTP存儲器屬于寄生器件，其一般不能改變既定的平臺工藝步驟。而不同工藝平臺制備的MTP存儲器的浮柵周圍環(huán)境相差很大，比如隧穿氧化層(通常是3.3 V器件或5 V器件的柵氧層)，側(cè)墻氧化層/氮化物層、刻蝕阻止層等結(jié)構(gòu)都存在差異，進(jìn)而對MTP存儲器數(shù)據(jù)保持能力，即非易失性，產(chǎn)生很大的影響。而MTP存儲器在不同工藝平臺上數(shù)據(jù)保持能力的差異為產(chǎn)品壽命和可靠性的計算帶來了困擾。因此，需要一種有理論支持并通用可行的測試方法來快速標(biāo)定MTP存儲器在不同工藝平臺上的數(shù)據(jù)保持能力。

本研究發(fā)現(xiàn)，存儲器領(lǐng)域的高溫測試?yán)碚撊匀贿m用于MTP存儲器測試。通過試驗，重點驗證了高溫對MTP存儲單元數(shù)據(jù)保持能力的影響。

2、MTP存儲器的數(shù)據(jù)保持能力測試及其激活能計算

為了驗證自主設(shè)計的MTP存儲器性能并計算其使用壽命，基于180nm BCD工藝設(shè)計開發(fā)了容量為32Kibit的MTP存儲器，通過試驗數(shù)據(jù)分析驗證其可靠性并對其激活能進(jìn)行了計算。

本次試驗用到的設(shè)備包括半導(dǎo)體分析測試儀、防震可升降溫半導(dǎo)體器件探針臺、高精度高溫烤箱、存儲器分析測試儀、測試機臺負(fù)載板和現(xiàn)場可編程邏輯門陣列(FPGA)控制板等。

2.1可靠性驗證

常規(guī)消費類芯片和元器件的工作溫度只需要達(dá)到0～70℃。但對于汽車類芯片和元器件，其工作溫度范圍要求比較寬，根據(jù)不同的安裝位置等有不同的需求，但一般都要高于一般民用產(chǎn)品的要求，比如發(fā)動機艙要求-40～150℃，車身控制要求-40～125℃。MTP存儲器作為NVM的一種， 其可靠性驗證流程如圖2所示。完整的可靠性驗證包括高溫工作壽命(HTOL)測試、高溫數(shù)據(jù)保持(HTDR)能力和常溫數(shù)據(jù)保持(LTDR)能力測試，而HTDR能力測試最能反映器件的非易失性，因此重點對MTP存儲器的HTDR能力測試進(jìn)行試驗設(shè)計和驗證。HTDR能力測試是對在常溫條件下進(jìn)行過104次重復(fù)編程和擦除的MTP存儲器進(jìn)行進(jìn)一步高溫測試，HTDR能力測試樣品的重復(fù)編程和擦除循環(huán)數(shù)據(jù)如圖3所示， 圖中I為MTP存儲器的電流。

圖2 可靠性驗證流程圖

圖3 HTDR能力測試樣品的104次重復(fù)編程和擦除循環(huán)數(shù)據(jù)

HTDR能力測試是將上述經(jīng)過104次重復(fù)編程和擦除的MTP存儲器樣品放置于150℃ 烤箱進(jìn)行高溫烘烤，模擬各類芯片和元器件在高溫工作條件下的可靠性試驗，并在第0、24、168、500以及1000h測試MTP存儲器的電流特性，HTDR能力測試結(jié)果如圖4所示。從圖中可以看出，在經(jīng)過1000h的高溫烘烤之后，MTP存儲器在編程和擦除過程中具有很好的電流特性，編程端和擦除端的電流并沒有明顯的變化，還保持很好的電流特性，這表明MTP存儲器具有很好的高溫數(shù)據(jù)保持能力。

圖4 MTP存儲器的HTDR能力測試結(jié)果

2.2MTP存儲器的激活能計算

考慮到MTP存儲器的使用環(huán)境和應(yīng)用，認(rèn)為溫度是影響MTP存儲器產(chǎn)品老化及使用壽命的重要影響因素，采用單純考慮熱加速因子效應(yīng)而推導(dǎo)出的Arrhenius模型[9]來描述測試結(jié)果，其預(yù)估到的結(jié)果更接近真實值，模擬試驗達(dá)到的效果更好，計算出的使用壽命更接近真實值。因此，通過試驗測試結(jié)果并根據(jù)Arrhenius模型計算激活能來表征產(chǎn)品受溫度影響下的使用壽命。

通過2.1節(jié)的分析可以看出，該MTP eNVM在高溫150 ℃條件下具有很好的數(shù)據(jù)保持能力，因此本次試驗設(shè)計分別在100、125和150 ℃條件下取3個編程過的樣品進(jìn)行高溫烘烤來加速MTP失效，并定義標(biāo)號U1~U3為100 ℃下的高溫烘烤樣品，U4~U6為125 ℃下的高溫烘烤樣品，U7~U9為150 ℃下的高溫烘烤樣品，然后分別在0.1、2、24、168和500h后讀取電流值，并分別記錄在不同溫度烘烤時間(tb)下樣品的電流(I)值，9個樣品的高溫烘烤測試數(shù)據(jù)如表1所示。

對以上數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合可得出I與tb的對數(shù)函數(shù)擬合曲線，如圖5~7所示。這些對數(shù)函數(shù)擬合關(guān)系可以用來計算對應(yīng)溫度下樣品的使用壽命。

圖5 100℃樣品的使用壽命擬合曲線

圖6 125℃樣品的使用壽命擬合曲線圖6 125℃樣品的使用壽命擬合曲線

圖7 150℃樣品的使用壽命擬合曲線

將MTP存儲器的讀操作與參考存儲單元進(jìn)行比較，參考存儲單元編程電流一般取值是 MTP存儲器的50%，考慮到編程后電流分布范圍占最大電流值的20%左右，由此可知參考存儲單元電流為最大電流值的40%~60%，而MTP存儲器編程后電流為最大電流值的 80%~100%，因此MTP存儲器電流降低20%可能就會出現(xiàn)失效情況，本次試驗設(shè)計采用更加嚴(yán)格的標(biāo)準(zhǔn)，假設(shè)經(jīng)過高溫烘烤電流降低15%為樣品的使用壽命極限，代入上述對數(shù)函數(shù)擬合關(guān)系，可以計算出電流降低15% 時所對應(yīng)的產(chǎn)品使用壽命，表2為9個樣品分別在烘烤溫度100、125和150℃下的使用壽命計算值，表中T為熱力學(xué)溫度。

根據(jù)Arrhenius模型[9]

式中：AF為加速因子;Ea為激活能;k為玻爾茲曼常數(shù)，值為8.62×10-5 eV/K;Tl為正常使用下的熱力學(xué)溫度;Th為加速壽命測試時的環(huán)境應(yīng)力溫度。MTP受溫度的影響符合Arrhenius指數(shù)模型，則對應(yīng)溫度下MTP的使用壽命(t1)特征方程[10-11]為

式中A為常量。對上述1/T與使用壽命進(jìn)行擬合，可以得到如圖8所示 Ea的擬合曲線。

圖8 Ea的擬合曲線

通過圖8可以得到擬合關(guān)系式

與式(2)對比可以得到

因此

已知k=8.62×10-5eV/K，計算可得Ea為1.12 eV。

總結(jié)

通過前文分析，對180 nm BCD工藝設(shè)計開發(fā)的32 Kibit容量MTP存儲器進(jìn)行了可靠性分析及使用激活能計算。該MTP存儲器具有很好的可靠性，經(jīng)過104次重復(fù)編程和擦除循環(huán)后編程端和擦除端的電流并沒有明顯的變化，具有很好的數(shù)據(jù)保持能力。通過高溫老化加速試驗，分別計算出100、125和150℃下樣品編程狀態(tài)電流降低15%的使用壽命，并對1/T與使用壽命進(jìn)行擬合，根據(jù)Arrhenius模型計算出該MTP存儲器的激活能為1.12 eV。