多次可编程非易失性存储器的数据保持能力测试及其激活能分析

引言

存储器是一种在信息技术中广泛用于存储数据、程序的具有记忆功能的装置，成本、功耗、速度、容量和可靠性是存储器的核心性能指标。按照其对信息的保存特性，存储器可以分为非易失性存储器(NVM)和易失性存储器两类。易失性存储器掉电后存储的数据也会随之丢失，需要不断对存储器进行更新以保持数据的稳定。NVM即使掉电后存储的数据也不会丢失【1】。NVM既可以作为—个独立单元 ，也可以作为模块成为芯片的一部分 ，又称为嵌入式非易失性存储器(eNVM)。随着微控制器( MCU)和电源管理芯片(PMIC)的数量不断增长，对嵌入式存储器的需求与日俱增，可存储用户和产品信息、 安全密钥、校准参数、配置信息和程序代码等关键信患。

eNVM的主流技术包括嵌入式闪存(eFlash)、一次可编程(OTP)NVM和多次可编程(MTP)NVM。eFlash是业界应用最广泛的嵌入式非易失性存储技术，其性能优越、可靠性高、存储单元面积小。但该技术工艺兼容性差，需要在逻辑工艺的集成上增加额外的掩模板和工艺步骤，晶圆成本高、开发周期长。OTP的主要优势在于其工艺兼容性强，在现有的制造技术上不需要额外的工艺步骤即可实现非易失性存储，但它的劣势是仅支持一次编程，不可反复进行编程。MTP eNVM则兼具eFlash的灵活性、 高性能和OTP的工艺高兼容性。其重复擦写次数可以达到104次以上， 容量也可以达到1Mibit。在现今的eNVM市场中，MTP存储器的市场占有份额每年增长超过30%[2]， 这意味着MTP技术已经得到市场越来越来广泛的认可，并得到了越来越多的应用。

数据保持能力是衡量eNVM性能的重要指标，目前，对于验证NVM数据保持能力的方法，国内外已经有不少相关的研究或标准，如JEDEC固态技术协会制定的JESD22-A117C[3] 和JESD47H[4]， 中国电子技术标准化研究院牵头制定的GB/T 35003—2018：《非易失性存储器耐久和数据保持试验方法》[5]等，但大多数主要集中在相变存储器[6]、Flash存储器[7-8]等的数据保持能力，而对MTP存储器的数据保持能力却鲜有研究。

MTP存储器的数据保持能力不仅要求在高温条件下能够保持数据不丢失，而且要能够保持很长的时间，因而不仅要研究MTP存储器的可靠性，还要能够计算出MTP存储器的数据保持时间，这对合理拓宽MTP存储器温度应用范围及使用寿命有重要的现实意义。

基于上述分析， 本文以成都锐成芯微科技股份有限公司的MTP存储器为例， 对该存储器的存储单元架构设计、数据保持能力测试及激活能计算3个方面展开分析， 重点阐述了MTP存储器的数据保持能力测试及激活能计算。

1、MTP存储单元结构设计

成都锐成芯微科技股份有限公司的MTP存储单元结构如图1所示，图中BL为位线，WL为字线，NW为n阱，CG为控制栅，FG为浮栅，COM为源端接口。相比于传统的1T1C结构(NMOS晶体管)，该存储单元采用2T1C结构(2个PMOS晶体管加1个NMOS Cap电容)。一个PMOS用作选通管，通过WL控制选中和关断;另1个PMOS用作存储管，其多晶硅栅是浮栅，周围被电介质层包住，防止注入的电荷泄漏。位于P阱(PW)里面的NMOS电容和存储管的多晶硅栅共享，形成两个电容的耦合效果，因此，可以通过该NMOS电容对PMOS存储管浮栅上的电压进行控制。该存储单元的另一重要特性在于PW被深n阱 (DNW)包围，这样PW可以施加不同于衬底的电位。

图1 MTP存储单元结构示意图

MTP存储器本质上和eFlash相似，都是基于浮栅来存储电荷。但不同于eFlash单独开发工艺平台，MTP存储器属于寄生器件，其一般不能改变既定的平台工艺步骤。而不同工艺平台制备的MTP存储器的浮栅周围环境相差很大，比如隧穿氧化层(通常是3.3 V器件或5 V器件的栅氧层)，侧墙氧化层/氮化物层、刻蚀阻止层等结构都存在差异，进而对MTP存储器数据保持能力，即非易失性，产生很大的影响。而MTP存储器在不同工艺平台上数据保持能力的差异为产品寿命和可靠性的计算带来了困扰。因此，需要一种有理论支持并通用可行的测试方法来快速标定MTP存储器在不同工艺平台上的数据保持能力。

本研究发现，存储器领域的高温测试理论仍然适用于MTP存储器测试。通过试验，重点验证了高温对MTP存储单元数据保持能力的影响。

2、MTP存储器的数据保持能力测试及其激活能计算

为了验证自主设计的MTP存储器性能并计算其使用寿命，基于180nm BCD工艺设计开发了容量为32Kibit的MTP存储器，通过试验数据分析验证其可靠性并对其激活能进行了计算。

本次试验用到的设备包括半导体分析测试仪、防震可升降温半导体器件探针台、高精度高温烤箱、存储器分析测试仪、测试机台负载板和现场可编程逻辑门阵列(FPGA)控制板等。

2.1可靠性验证

常规消费类芯片和元器件的工作温度只需要达到0～70℃。但对于汽车类芯片和元器件，其工作温度范围要求比较宽，根据不同的安装位置等有不同的需求，但一般都要高于一般民用产品的要求，比如发动机舱要求-40～150℃，车身控制要求-40～125℃。MTP存储器作为NVM的一种， 其可靠性验证流程如图2所示。完整的可靠性验证包括高温工作寿命(HTOL)测试、高温数据保持(HTDR)能力和常温数据保持(LTDR)能力测试，而HTDR能力测试最能反映器件的非易失性，因此重点对MTP存储器的HTDR能力测试进行试验设计和验证。HTDR能力测试是对在常温条件下进行过104次重复编程和擦除的MTP存储器进行进一步高温测试，HTDR能力测试样品的重复编程和擦除循环数据如图3所示， 图中I为MTP存储器的电流。

图2 可靠性验证流程图

图3 HTDR能力测试样品的104次重复编程和擦除循环数据

HTDR能力测试是将上述经过104次重复编程和擦除的MTP存储器样品放置于150℃ 烤箱进行高温烘烤，模拟各类芯片和元器件在高温工作条件下的可靠性试验，并在第0、24、168、500以及1000h测试MTP存储器的电流特性，HTDR能力测试结果如图4所示。从图中可以看出，在经过1000h的高温烘烤之后，MTP存储器在编程和擦除过程中具有很好的电流特性，编程端和擦除端的电流并没有明显的变化，还保持很好的电流特性，这表明MTP存储器具有很好的高温数据保持能力。

图4 MTP存储器的HTDR能力测试结果

2.2MTP存储器的激活能计算

考虑到MTP存储器的使用环境和应用，认为温度是影响MTP存储器产品老化及使用寿命的重要影响因素，采用单纯考虑热加速因子效应而推导出的Arrhenius模型[9]来描述测试结果，其预估到的结果更接近真实值，模拟试验达到的效果更好，计算出的使用寿命更接近真实值。因此，通过试验测试结果并根据Arrhenius模型计算激活能来表征产品受温度影响下的使用寿命。

通过2.1节的分析可以看出，该MTP eNVM在高温150 ℃条件下具有很好的数据保持能力，因此本次试验设计分别在100、125和150 ℃条件下取3个编程过的样品进行高温烘烤来加速MTP失效，并定义标号U1~U3为100 ℃下的高温烘烤样品，U4~U6为125 ℃下的高温烘烤样品，U7~U9为150 ℃下的高温烘烤样品，然后分别在0.1、2、24、168和500h后读取电流值，并分别记录在不同温度烘烤时间(tb)下样品的电流(I)值，9个样品的高温烘烤测试数据如表1所示。

对以上数据进行拟合可得出I与tb的对数函数拟合曲线，如图5~7所示。这些对数函数拟合关系可以用来计算对应温度下样品的使用寿命。

图5 100℃样品的使用寿命拟合曲线

图6 125℃样品的使用寿命拟合曲线图6 125℃样品的使用寿命拟合曲线

图7 150℃样品的使用寿命拟合曲线

将MTP存储器的读操作与参考存储单元进行比较，参考存储单元编程电流一般取值是 MTP存储器的50%，考虑到编程后电流分布范围占最大电流值的20%左右，由此可知参考存储单元电流为最大电流值的40%~60%，而MTP存储器编程后电流为最大电流值的 80%~100%，因此MTP存储器电流降低20%可能就会出现失效情况，本次试验设计采用更加严格的标准，假设经过高温烘烤电流降低15%为样品的使用寿命极限，代入上述对数函数拟合关系，可以计算出电流降低15% 时所对应的产品使用寿命，表2为9个样品分别在烘烤温度100、125和150℃下的使用寿命计算值，表中T为热力学温度。

根据Arrhenius模型[9]

式中：AF为加速因子;Ea为激活能;k为玻尔兹曼常数，值为8.62×10-5 eV/K;Tl为正常使用下的热力学温度;Th为加速寿命测试时的环境应力温度。MTP受温度的影响符合Arrhenius指数模型，则对应温度下MTP的使用寿命(t1)特征方程[10-11]为

式中A为常量。对上述1/T与使用寿命进行拟合，可以得到如图8所示 Ea的拟合曲线。

图8 Ea的拟合曲线

通过图8可以得到拟合关系式

与式(2)对比可以得到

因此

已知k=8.62×10-5eV/K，计算可得Ea为1.12 eV。

总结

通过前文分析，对180 nm BCD工艺设计开发的32 Kibit容量MTP存储器进行了可靠性分析及使用激活能计算。该MTP存储器具有很好的可靠性，经过104次重复编程和擦除循环后编程端和擦除端的电流并没有明显的变化，具有很好的数据保持能力。通过高温老化加速试验，分别计算出100、125和150℃下样品编程状态电流降低15%的使用寿命，并对1/T与使用寿命进行拟合，根据Arrhenius模型计算出该MTP存储器的激活能为1.12 eV。