浮栅三极管-FAMOS、SAMOS、MNOS和FLOTOX

作者：Xie M. X. (UESTC，成都市)

可擦除、可编程只读存储器（EPROM）和电可擦除、可编程只读存储器（EEPROM）都是一些所谓不挥发性存储器。作为EPROM和EEPROM应用的半导体器件，主要有FAMOS（浮置栅雪崩注入MOS晶体管）、SAMOS（叠栅雪崩注入MOS晶体管）、MNOS（金属-氮化物-氧化物-半导体晶体管）和FLOTOX（浮栅隧道氧化物晶体管）等几种。其中以MNOS在EEPROM应用中的技术最为成熟，但是现在MNOS已逐渐被上世纪80年代所发明的FLOTOX晶体管所取代。

FAMOS和SAMOS晶体管都是利用雪崩效应、通过热发射来向浮栅注入热载流子的，而MNOS和FLOTOX晶体管则是利用隧道效应（Fowler-Nordheim隧穿）来向浮栅注入热载流子的。隧道注入所需要的电压要低一些。

（1）浮置栅雪崩注入MOS晶体管（FAMOS）：

FAMOS的基本结构如图（a）所示，即是在p-MOSFET的基础上，只是把栅极改变为一个浮空的栅极——浮栅（用多晶硅制作）；该浮栅被优质SiO2包围着，其中的电荷可较长时间地保存起来。

FAMOS在常态时处于截止状态（即无沟道）。当源-漏电压VDS足够大时，漏极p-n结即发生雪崩击穿，将倍增出大量的电子-空穴对；其中空穴进入衬底，而部分高能量的热电子可越过Si/SiO2势垒（热发射）而注入到浮栅；当浮栅中积累的负电荷足够多时，即使得半导体表面反型而形成沟道，从而MOS器件导通。这就是说，器件开始时是截止的，待发生雪崩注入、浮栅中积累有电荷后才导通，因此根据MOS器件的导通与否，就可以得知浮栅中是否存储有电荷；这也就意味着FAMOS可以实现信号（电荷）的存储和检测，即具有存储器的功能。

但是，要去除（擦除）该器件存储的电荷（信号）时，一般比较困难，即需要高能量光子（紫外光或者X射线）等的照射才能使得浮栅中的电子被释放出来。这要求在管壳上开孔以把光照射进去。

（2）叠栅雪崩注入MOS晶体管（SAMOS）：

SAMOS的基本结构如图（b）所示，这是在FAMOS的多晶硅浮栅之上、SiO2层表面上再设置一个栅极——控制栅而构成的。

器件在工作时，正常态亦为截止状态（无沟道）；当增大VDS、使得漏极p-n结发生雪崩倍增时，即同样可有热电子注入到浮栅、而存储信号电荷。这时，若在控制栅上加一个正电压，则可加强热电子往浮栅的注入（甚至也可以是隧道效应的注入），因此即使在较低的VDS电压下，也可以注入较多的电荷到浮栅中，并使器件导通。从而SAMOS的工作电压较低。

控制栅不仅能够使得电荷的存储较为容易，而且在要去除浮栅中的电荷时，也可以通过在控制栅上加上一个较大的偏压来迫使浮栅中的电荷利用隧道效应而释放出来。则SAMOS可以方便地实现电擦除。

（3）浮栅隧道氧化物晶体管（FLOTOX）：

这也是一种浮栅存储器件，是在SAMOS的基础上，特别设置一层较薄的氧化层以产生热电子的隧道效应以实现向浮栅的注入，其结构如图（c）所示，特称为浮栅隧穿氧化层（FLOTOX）存储器。FLOTOX的工作原理与SAMOS相同，只是热电子的注入方式是隧穿（Fowler-Nordheim隧穿）、而不是热发射。FLOTOX的工作电压较低；并且只需要一种极性的电压（正电压）即可实现编程和擦除两种功能。

（4）金属-氮化物-氧化物-半导体晶体管（MNOS）：

这是利用隧道效应来实现热电子向栅极注入的一种存储器件。MNOS的结构类似于MOSFET，如图（d）所示；只是在栅氧化层（2～5nm）上面再生长一层较厚（20～60nm）的氮化硅；常用p沟道器件；栅极常用多晶硅构成。

由于氮化硅中存在许多陷阱，因此可以用来存储信号电荷。在栅极加上正向电压时，当有一定数量的电子通过隧道效应（Fowler-Nordheim隧穿）穿过氧化层而进入到氮化硅中之后，即将引起p-MOSFET沟道导通，这是一个编程的过程（通过检测阈值电压即可读出存储信息）；相反，在栅极加上反向电压时，就可把存储在氮化硅陷阱中的电子释放出来（即擦除信号电荷）。这种编程和擦除分别需要不同极性的电压，则在使用上不如FLOTOX那么方便。