SONOS技術(shù)發(fā)展綜述

曹雄斐+邵磊+胡徐兵

摘要：本文主要從專(zhuān)利文獻(xiàn)的視角對(duì)SONOS技術(shù)的發(fā)展脈絡(luò)進(jìn)行了全面的統(tǒng)計(jì)分析，總結(jié)了與利用SONOS技術(shù)的專(zhuān)利的申請(qǐng)趨勢(shì)、主要申請(qǐng)人分布，并針對(duì)SONOS技術(shù)的技術(shù)發(fā)展路線做了一定的分析和介紹，為企業(yè)了解該領(lǐng)域現(xiàn)狀提供了參考。

關(guān)鍵詞：sonos 非易失存儲(chǔ)器 電荷捕獲 專(zhuān)利研究

一、SONOS主要技術(shù)概述

伴隨著可攜帶式電子產(chǎn)品的普及，如筆記本電腦、手機(jī)、記憶卡等，非揮發(fā)性存儲(chǔ)器件（Nonvolatile Memory Device），在半導(dǎo)體存儲(chǔ)器件中扮演著越來(lái)越重要的角色由于浮動(dòng)?xùn)沤Y(jié)構(gòu)（Floating Gate）非揮發(fā)性存儲(chǔ)器件，擦和寫(xiě)過(guò)程需要高電壓，將浮動(dòng)?xùn)沤Y(jié)構(gòu)非揮發(fā)性存儲(chǔ)器件，與CMOS器件整合在一起，越來(lái)越困難.另外，隨著浮動(dòng)?xùn)沤Y(jié)構(gòu)存儲(chǔ)器件尺寸的縮小，過(guò)度擦除和反常漏電流都現(xiàn)得越來(lái)越嚴(yán)重；在這樣的情況下，三十多年前就被提出的SONOS器件又重新被關(guān)注。然而，SONOS非易失性存儲(chǔ)器件存在寫(xiě)/擦速度不夠高，ONO層生長(zhǎng)過(guò)程中可能發(fā)生物理或化學(xué)反應(yīng)導(dǎo)致數(shù)據(jù)保持能力降低以及漏電流等問(wèn)題，必須解決這些問(wèn)題才能使SONOS存儲(chǔ)更好地適應(yīng)實(shí)際應(yīng)用要求。

二、相關(guān)專(zhuān)利申請(qǐng)狀況分析

在CNABS（中國(guó)專(zhuān)利文獻(xiàn)數(shù)據(jù)庫(kù)）和DWPI（德溫特世界專(zhuān)利庫(kù)）中，對(duì)SONOS技術(shù)領(lǐng)域全球申請(qǐng)進(jìn)行檢索并按照申請(qǐng)量進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)分析，從中得到SONOS技術(shù)的發(fā)展歷史以及主要研究公司的技術(shù)發(fā)展?fàn)顩r。

上圖是SONOS技術(shù)的全球?qū)＠暾?qǐng)量的年代分布圖，從圖中可以看出該領(lǐng)域?qū)＠暾?qǐng)量總體上在逐步升高，說(shuō)明在SONOS技術(shù)的發(fā)展呈現(xiàn)多樣化和不斷產(chǎn)生新的技術(shù)分支的態(tài)勢(shì)。在2000年之前，sonos技術(shù)還未大范圍普及，申請(qǐng)量較少；在2000-2008年，申請(qǐng)量增長(zhǎng)迅速，并在2008年出現(xiàn)了一個(gè)高峰，這和傳統(tǒng)的浮柵存儲(chǔ)器在2010年時(shí)將會(huì)達(dá)到工藝的極限有比較密切的關(guān)系；在2008年-2010年間，全球的申請(qǐng)量總體上呈下降的趨勢(shì)，其原因主要是受美國(guó)次貸危機(jī)的影響全球經(jīng)濟(jì)不景氣從而影響了企業(yè)對(duì)于研發(fā)的投入，從2010年-2013年間，全球的申請(qǐng)量再次回升，這是因?yàn)殡S著全球經(jīng)濟(jì)的復(fù)蘇，市場(chǎng)的好轉(zhuǎn)，企業(yè)盈利狀況的改善，能夠使企業(yè)有更多的資金投入到研發(fā)中以滿足市場(chǎng)的需要。2014年之后的申請(qǐng)量明顯下降，這主要是2014年后專(zhuān)利公開(kāi)滯后的原因。

三、SONOS重要技術(shù)及重要專(zhuān)利申請(qǐng)

3.1從器件結(jié)構(gòu)角度進(jìn)行改進(jìn)

SONOS型非易失存儲(chǔ)器件使用氮化物層作為存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)。用于隧穿電荷或注入熱載流子的氧化物層設(shè)置在氮化物層和半導(dǎo)體襯底之間。阻擋層設(shè)在氮化物層和控制柵極之間。通過(guò)這種結(jié)果，一旦電荷被存儲(chǔ)在氮化物層中，即使電源被切斷信息也能夠得到保存。ONO結(jié)構(gòu)有效的取代了浮動(dòng)?xùn)艠O組件中的介質(zhì)層。

2009年2月12日，旺宏電子股份有限公司公開(kāi)了一種（US20070954819）具有側(cè)邊口袋注入的電荷捕捉裝置，發(fā)明公開(kāi)了一種具有側(cè)邊口袋注入的電荷捕捉裝置，提供了一種電荷捕捉存儲(chǔ)單元，其具有沿著信道側(cè)邊的口袋注入，該側(cè)邊口袋注入具有和信道相同的導(dǎo)電型態(tài)，且該注入的摻雜物濃度較信道中央?yún)^(qū)域來(lái)的高。此種結(jié)構(gòu)可有效防止電荷捕捉結(jié)構(gòu)因鳥(niǎo)嘴或其它邊緣異常而造成信道側(cè)邊非均勻電荷捕捉現(xiàn)象，且前述口袋注入可利用兼容于標(biāo)準(zhǔn)淺溝道隔離工藝的方法形成。

2009年6月10日，旺宏電子股份有限公司公開(kāi)了一種（CN101452964A）包含：襯底；源極區(qū)域；漏極區(qū)域；阱區(qū)域介于源極區(qū)域和漏極區(qū)域之間；底部氧化層位于襯底上方；電荷儲(chǔ)存層位于底部氧化層上方；多層的介電隧穿層位于電荷儲(chǔ)存層上；控制柵極位于多層的介電隧穿層上。介電隧穿層包含第一和第二介電氧化層以及介電氮化層的非易失性存儲(chǔ)單元。通過(guò)這種結(jié)構(gòu)能夠改善SONOS和MNOS元件電荷保留的問(wèn)題；含有能帶設(shè)計(jì)的氧化氮化氧化（ONO）上介電層可作為阻擋氧化物或上方氧化層；可通過(guò)施加正柵極電壓，利用柵極注入空穴來(lái)擦除

3.2從編程，擦除方法上進(jìn)行改進(jìn)

隨著高積體化和低電壓化發(fā)展，讀取或編程的時(shí)候有產(chǎn)生非選擇區(qū)塊的漏電流，從而導(dǎo)致無(wú)法正確讀取的問(wèn)題，因此，如何解決非區(qū)塊的漏電流提高讀取精確度也是業(yè)界研究的一個(gè)方向。編程和擦除速度的提高能夠帶來(lái)更大的經(jīng)濟(jì)效益，業(yè)界還研究如何更有效率的進(jìn)行編程和擦除操作。

2004年4月13日，旺宏電子股份有線公司公開(kāi)了一種（US6721204B1）對(duì)sonos進(jìn)行擦除的方法，該方法包括編程存儲(chǔ)單元，從半導(dǎo)體基片注入電子至存儲(chǔ)單元之一俘獲層中；擦除存儲(chǔ)單元；釋放存儲(chǔ)單元；以及重復(fù)該擦除和釋放步驟直到存儲(chǔ)單元之一閾值電壓達(dá)到預(yù)定值為止。對(duì)于釋放步驟而言，電子可從俘獲層被釋放至存儲(chǔ)單元之一溝道中，或是釋放至存儲(chǔ)單元之一柵極中。本方法可包含驗(yàn)證俘獲層之狀態(tài)（高或低）的步驟，以及如果俘獲層之狀態(tài)未被驗(yàn)證，則重復(fù)擦除和釋放的步驟。通過(guò)這種方法能有利地防止其俘獲層中數(shù)據(jù)流失。

2008年11月27日，賽普拉斯半導(dǎo)體公司公開(kāi)了一種（US2008/0291732A1）對(duì)sonos 進(jìn)行編程的方法，該方法包括首先編程存儲(chǔ)器陣列中的多個(gè)存儲(chǔ)單元，然后擦除多個(gè)存儲(chǔ)單元，當(dāng)在多個(gè)存儲(chǔ)單元加載編程電壓時(shí)選擇性地抑制多個(gè)存儲(chǔ)單元中的一個(gè)或多個(gè)存儲(chǔ)單元。采用這種編程方法能夠能消除SONOS型存儲(chǔ)器過(guò)擦除，防止存儲(chǔ)單元損壞，提高數(shù)據(jù)保持能力。

四、SONOS技術(shù)前景分析

Sonos技術(shù)的總體發(fā)展趨勢(shì)仍然是從器件結(jié)構(gòu)，材料，工藝的角度和器件操作方法的角度進(jìn)行改進(jìn)。而由于各個(gè)分支技術(shù)仍然存在各種不足及應(yīng)用的局限，可以預(yù)見(jiàn)Sonos技術(shù)在未來(lái)一段時(shí)間內(nèi)的發(fā)展趨勢(shì)都將專(zhuān)注于降低成本，提高器件的可靠性，從器件結(jié)構(gòu)，材料，工藝的角度和器件操作方法的角度進(jìn)行針對(duì)性的改進(jìn)。

參考文獻(xiàn)：

[1] Sonal Jain；Deepika Gupta；Vaibhav Neema；Santosh Vishwakarma，el. BE-SONOS flash memory along with metal gate and high-k dielectrics in tunnel barrier and its impact on charge retention dynamics [J]. Journal of Semiconductors，2016

作者簡(jiǎn)介：

曹雄斐（1988-），男，碩士，研究實(shí)習(xí)員，研究領(lǐng)域：靜態(tài)存儲(chǔ)器。

邵磊（1983-），男，碩士，助理研究員，研究方向：靜態(tài)存儲(chǔ)器。

胡徐兵（1978-）男，學(xué)士，副研究員，研究方向：計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)。