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Eine
Charge-Trapping-Speicherzelle umfasst einen Kanalbereich zwischen
Bereichen von Source und Drain, über
dem eine Gate-Elektrode
angeordnet ist. Zwischen dem Kanalbereich und der Gate-Elektrode
befindet sich als Gate-Dielektrikum eine Speicherschichtfolge, die üblicherweise
eine Nitridschicht zwischen Begrenzungsschichten aus Oxid enthält. In dieser
Speicherschicht werden beim Programmieren der Charge-Trapping-Speicherzelle heiße Elektronen
(Channel hot electrons, CHE) aus dem Kanal eingefangen. Die Elektronen
im Kanal werden von Source nach Drain beschleunigt, um oberhalb des
Drain-Bereiches
ein Bit in der Speicherschicht aus Nitrid zu programmieren. Wenn
die dazu zwischen Source und Drain angelegte elektrische Spannung
umgepolt wird, kann oberhalb des Source-Bereiches ebenfalls ein Bit in der Speicherschicht
programmiert werden. Auf diese Weise ist es möglich, in jeder dieser Speicherzellen
zwei Bits Information zu speichern. Die Elektronen bleiben in der
Nitridschicht lokalisiert, so dass die Speicherzelle nichtflüchtig ist.
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Zum
Löschen
der Speicherzelle wird die in der Speicherschicht vorhandene Ladung
durch aus dem Kanal in die Speicherschicht injizierte heiße Löcher kompensiert.
Dabei tritt das Problem auf, dass wegen der unterschiedlichen Beweglichkeiten
und Massen der verschiedenen Ladungsträger die Verteilungen der Elektronen
und der Löcher
in der Speicherschicht nach dem Löschvorgang nicht übereinstimmen.
Die Position der Löcher
ist stärker
konzentriert, und deren Zentrum ist gegenüber dem Zentrum der Elektronenverteilung
etwas verschoben. Dadurch wird die Anzahl möglicher Programmier-Lösch-Zyklen
erheblich reduziert.
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Wenn
statt der Injektion heißer
Löcher
in die Speicherschicht vorgesehen ist, die Elektronen aus der Speicherschicht
in den Kanalbereich oder nach Source bzw. Drain zurückzudrängen, muss
an der Gate-Elektrode ein negatives Potenzial angelegt werden. Das
macht es erforderlich, dass die Ansteuerschaltung im Wechsel sowohl
positive als auch negative Potenziale für die Gate-Elektrode liefert.
Auch eine Umkehrung der verwendeten Ladungsträger, so dass das Programmieren
mit heißen
Löchern
und das Löschen
mit aus dem Kanal injizierten Elektronen vorgenommen wird, löst das Problem
wegen mangelnder Zuverlässigkeit
durch Defektstellen, die durch die heißen Löcher erzeugt werden, nicht.
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Da
bei der Verwendung von Elektronen zum Programmieren und von heißen Löchern zum
Löschen
abgesehen von der Erzeugung eines permanenten elektrischen Dipoles
eine vollständige
Kompensation der Ladungen nicht möglich ist und der Löschvorgang
daher zunehmend beeinträchtigt
wird, ist es zur Erhöhung
der Dauerhaftigkeit und Zuverlässigkeit
der Speicherzelle erforderlich, die angelegten Spannungen mit zunehmender
Anzahl von Programmier-Lösch-Zyklen
jeweils an die geänderten
Bedingungen anzupassen. Das ist jedoch nur bis zu einem gewissen
Ausmaß möglich, bis
schließlich
die Betriebsbedingungen aufgrund der erforderlichen Kompensation
für einen
Betrieb der Speicherzelle mit dieser Schaltung ungeeignet werden.
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In
der WO 03/030264 A1 ist eine Charge-Trapping-Speicherzelle beschrieben,
die eine obere Begrenzungsschicht aus Al2O3 aufweist. Die Speicherzelle ist für das Speichern
von zwei getrennten Informationsbits vorgesehen. Das Programmieren
geschieht durch Injektion heißer
Elektronen; beim Löschen
werden diese Elektronen durch Anlegen einer hohen negativen Spannung
an die Gate-Elektrode in das Halbleitermaterial von Source, Drain
oder Kanal zurückgedrängt. Eine
hohe kapazitive Kopplung zwischen der Kontroll-Gate-Elektrode und
der Charge-Trapping-Speicherschicht
bewirkt hierzu Fowler-Nordheim-Tunneln
der in der Speicherschicht gefangenen Elektronen durch die untere Begrenzungsschicht
hindurch.
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In
der US 2003/0025148 A1 ist eine Flash-Speicherzelle beschrieben,
die unter der Gate-Elektrode eine für Charge-Trapping vorgesehene Speicherschichtfolge
aufweist. Die den Ladungseinfang bewirkende Speicherschicht ist
aus einem Dielektrikum hoher relativer Dielektrizitätszahl.
Damit sollen Schwankungen in der Schwellenspannung im programmierten
Zustand der Speicherzelle reduziert werden.
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Aufgabe
der vorliegenden Erfindung ist es, eine Möglichkeit zur Beseitigung des
Problems unzureichender Löschvorgänge bei
Charge-Trapping-Speicherzellen anzugeben.
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Diese
Aufgabe wird, ausgehend von dem in der WO 03/030264 A1 beschriebenen
Löschvorgang bei
einer Charge-Trapping-Speicherzelle gemäß dem Oberbegriff des Anspruches
1, mit dem Verfahren zum Betrieb einer Charge-Trapping-Speicherzelle
mit den Merkmalen des Anspruches 1 gelöst. Ausgestaltungen ergeben
sich aus den abhängigen
Ansprüchen.
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Bei
der Charge-Trapping-Speicherzelle werden zum Löschen die beim Programmieren
in der Speicherschicht gefangenen Elektronen durch eine der Begrenzungsschichten
hindurch entfernt. Es brauchen daher keine heißen Löcher zur Kompensation der Ladung
injiziert zu werden. Die Elektronen können entweder in das Halbleitermaterial,
vorzugsweise in einen Source-Bereich oder Drain-Bereich, oder zur
Gate-Elektrode hin aus der Speicherschicht abgezogen werden. Um
das zu ermöglichen,
ist die Speicherschichtfolge an diesen Löschvorgang geeignet angepasst.
Da die Elektronen eine der Begrenzungsschichten durchtunneln müssen, was üblicherweise
durch Fowler-Nordheim-Tunnel
geschieht, sind die Materialien und Dicken der Schichten der Speicherschichtfolge
hierzu entsprechend ausgewählt.
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Bei
Verwendung einer üblichen
Oxid-Nitrid-Oxid-Schichtfolge, in der die beiden Oxidschichten jeweils
die untere und obere Begrenzungsschicht darstellen und die Nitridschicht
die eigentliche Speicherschicht, ist die obere Oxidschicht vorzugsweise etwas
dünner
als die untere Oxidschicht ausgebildet. Bei diesem Ausführungsbeispiel
können
die beim Programmieren in der Speicherschicht lokalisierten Elektronen
durch Anlegen eines positiven elektrischen Potenzials an die Gate-Elektrode
durch die dünnere
obere Begrenzungsschicht zur Gate-Elektrode hin gezogen werden.
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Eine
weitere, besonders bevorzugte Möglichkeit
besteht darin, Begrenzungsschichten aus Al2O3 vorzusehen, das für Elektronen durchlässiger als
für Löcher ist.
Das liegt daran, dass die Abstände des
Leitungsbandes und des Valenzbandes von dem Leitungsband beziehungsweise
dem Valenzband des Halbleitermateriales für das Oxid und das Al2O3 verschieden sind.
Der Abstand des Leitungsbandes von dem Leitungsband von Silizium
beträgt
für SiO2 3,5 eV, für Al2O3 2,8 eV und für Si3N4 2,4 eV. Der Abstand des Valenzbandes von
dem Valenzband von Silizium beträgt
für SiO2 4,3 eV, für Al2O3 4,9 eV und für Si3N4 1,8 eV. Bei der Verwendung von Begrenzungsschichten
aus Al2O3 geschieht
das Entladen der Speicherschicht vorzugsweise zu Source oder Drain
hin; beide Begrenzungsschichten können gleich dick gewählt werden.
Der Vorteil der Ausführungsform
mit Al2O3 ist, dass
das zweite in derselben Speicherzelle programmierte Bit durch den
Löschvorgang
nicht beeinträchtigt
wird. Wenn die Speicherzelle beim Löschen zur Gate-Elektrode hin
entladen wird, muss in einem gewissen Prozentsatz aller Fälle die
in dem zweiten Speicherplatz der Speicherzelle programmierte Information
erneut eingeschrieben werden.
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Es
folgt eine genauere Beschreibung von Beispielen des erfindungsgemäßen Betriebsverfahrens
einer Charge-Trapping-Speicherzelle
anhand der 1 bis 3.
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Die 1 zeigt
eine Charge-Trapping-Speicherzelle im Querschnitt.
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Die 2 zeigt
eine vereinfachte Darstellung einer Charge-Trapping-Speicherzelle im Querschnitt
zur Erläuterung
des Programmiervorganges und des Löschvorganges.
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Die 3 zeigt
ein Energiediagramm für
die Speicherschichtfolge.
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Die 1 zeigt
einen typischen Aufbau einer ONO-Charge-Trapping-Speicherzelle. Auf einem Halbleiterkörper 1 oder
Substrat, zum Beispiel aus Silizium, befindet sich eine untere Begrenzungsschicht 2,
insbesondere SiO2, eine Speicherschicht 3,
insbesondere Si3N4,
und eine obere Begrenzungsschicht 4, vorzugsweise aus dem
gleichen Material wie die untere Begrenzungsschicht 2.
Diese Speicherschichtfolge wird bedeckt von einer Gate-Elektrode 5,
die in dem in der 1 dargestellten Beispiel Teil
einer oberseitig aufgebrachten Wortleitung ist. Unterhalb der Speicherschichtfolge
befindet sich der Kanalbereich C in dem Halbleiterkörper 1.
Daran angrenzend befinden sich die Bereiche von Source S und Drain
D. Source S und Drain D sind oberseitig von Isolationsbereichen 6 bedeckt,
die eine Fortsetzung der unteren Begrenzungs schicht 2 darstellen können. Hier
ist das Halbleitermaterial zum Beispiel thermisch oxidiert. Die
Speicherschicht 3 ragt über Anteile
von Source S und Drain D hinaus.
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Die 2 zeigt
einen etwas schematisierten Querschnitt einer Charge-Trapping-Speicherzelle
zur Veranschaulichung der Vorgänge
des Programmierens und Löschens.
In diesem Querschnitt sind angrenzend an die Speicherschichtfolge
Isolationsbereiche 7 zwischen Source S und Drain D in dem
Halbleiterkörper 1 und
einer oberseitigen Wortleitung mit der Gate-Elektrode 5 eingezeichnet.
Die untere Begrenzungsschicht 2, die Speicherschicht 3 und
die obere Begrenzungsschicht 4 sind in der schematisierten
Darstellung der 2 übertrieben dick eingezeichnet.
Mit den schraffierten Bereichen in der Speicherschicht 3 sind
die Bereiche wiedergegeben, in denen sourceseitig bzw. drainseitig
beim Programmieren Elektronen eingefangen werden. Diese Elektronen
werden durch eine Potenzialdifferenz zwischen Source und Drain im
Kanalbereich C so beschleunigt, dass sie kurz vor Erreichen des
Bereiches von Source bzw. Drain eine ausreichend hohe Energie besitzen,
um die Potenzialschwelle der unteren Begrenzungsschicht 2 überwinden
zu können
und sich an den schraffierten Stellen der Speicherschicht 3 anzusammeln.
In der 2 ist erkennbar, dass über Source S bzw. Drain D zwei
voneinander getrennte Speicherbereiche für die Aufnahme eines Informationsbits
bestehen. Die Richtung der Elektronen beim Speichervorgang ist durch
die Pfeile 8 angedeutet.
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Das
Löschen
der jeweiligen Bits kann in bekannter Weise in der Richtung der
eingezeichneten Pfeile 9 nach Source S bzw. Drain D hin
erfolgen; statt dessen ist es erfindungsgemäß möglich, entsprechend der Richtung
der Pfeile 10 die Elektronen aus der Speicherschicht 3 zur
Gate-Elektrode 5 hin zu entfernen. Wenn zum Löschen das
Entfernen der Elektronen zur Gate-Elektrode hin vorgesehen ist, wird
die obere Begrenzungsschicht 4 vorzugsweise dünner ausgebildet
als die untere Begrenzungsschicht 2. Das erleichtert das
Fowler-Nordheim-Tunneln der Elektronen durch die obere Begrenzungsschicht 4 hindurch.
Typische Schichtdicken sind z. B. 7 nm für eine untere Begrenzungsschicht 2 aus
SiO2, 7 nm für eine Speicherschicht 3 aus
Si3N4 und 5 nm für eine obere
Begrenzungsschicht 4 aus SiO2.
Zum Speichern eines drainseitig programmierten Bits werden typisch
die folgenden Potenziale angelegt: 0 Volt an Source S, 4 Volt an
Drain D und 9 Volt an der Gate-Elektrode 5. Beim Löschvorgang
liegen Source und Drain auf 0 Volt, während an der Gate-Elektrode 9
Volt anliegen. Wegen der fehlenden Potenzialdifferenz zwischen Source
und Drain werden beim Löschen
keine Elektronen im Kanal beschleunigt, so dass keine Elektronen
aus dem Kanal durch die dickere untere Begrenzungsschicht in die
Speicherschicht gelangen und die dort gespeicherten Elektronen durch
die dünnere
obere Begrenzungsschicht in die Gate-Elektrode abfließen. Abschätzungen
aufgrund von Messungen haben ergeben, dass etwa 80% der in der Speicherschicht
vorhandenen Ladungsträger
Energien im Bereich zwischen 1,8 eV und 2,2 eV unterhalb des Fermi-Niveaus
der Stickstoffschicht besitzen. Daraus resultiert, dass bei diesem
Löschvorgang
auch das zweite gespeicherte Bit gelöscht werden kann, was durchschnittlich
bei etwa 12,5% der Fälle
ein erneutes Einprogrammieren dieser Bits erforderlich macht.
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Die
in der 2 dargestellte Alternative zum Löschen der
Speicherplätze
in Richtung der Pfeile 9 nach Source S bzw. Drain D hin
wird vorzugsweise kombiniert mit einer Ausgestaltung der Charge-Trapping-Speicherzellen
mit einer unteren Begrenzungsschicht 2 und einer oberen
Begrenzungsschicht 4 aus Al2O3. Dieses Material hat den Vorteil, dass
es für Elektronen
besser passierbar ist als für
Löcher.
Dadurch wird ein unerwünschtes
Tunneln von Löchern in
die Speicherschicht unterbunden. Der Mechanismus beim Löschen der
Speicherzelle ist auch hier vorzugsweise Fowler-Nordheim-Tunneln
der Elektronen aus der Speicherschicht durch die untere Begrenzungsschicht 2,
so dass keine Kompensation der Ladung der Speicherschicht durch
Injektion von Ladungsträgern
entgegengesetzten Vorzeichens erforderlich ist. Die Speicherschicht 3 kann
bei dieser Ausführungsform
zum Beispiel eine Nitridschicht sein, deren typische Dicke z. B.
7 nm beträgt.
Die Begrenzungsschichten 2, 4 aus Al2O3 sind typisch beispielsweise 9 nm dick.
Die zum Programmieren dieser Speicherzelle anzulegenden elektrischen
Potenziale entsprechen denen des vorhergehenden Ausführungsbeispiels.
Zum Löschen
des oberhalb Source S bzw. Drain D programmierten Bits wird an den betreffenden
Bereich eine Spannung von typisch etwa 12 Volt angelegt. Der jeweils
andere Bereich bleibt auf schwebendem Potenzial (floating), während die
Gate-Elektrode geerdet bleibt (0 Volt). Bei dieser Art des Löschvorgangs
bleibt das nicht zu löschende
Bit erhalten. Das ist ein Vorteil dieses Ausführungsbeispiels der Speicherzelle
und des zugehörigen
Löschverfahrens.
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Die 3 zeigt
ein Energiediagramm für eine
Speicherzelle mit Begrenzungsschichten aus SiO2 und
einer Speicherschicht aus Si3N4 auf
einem Halbleiterkörper
aus Si. In dem Diagramm ist das Energieniveau des Leitungsbandes
eingezeichnet, links das Energieniveau des Halbleiterkörpers aus
Silizium, in der Mitte das Energieniveau der Speicherschichtfolge
und rechts das Energieniveau der Gate-Elektrode, die z. B. Polysilizium
ist. Es ist in diesem Diagramm erkennbar, das s. zwischen dem Silizium
des Halbleiterkörpers
und der unteren Barriereschicht 2 ein Sprung des Energieniveaus
des Leitungsbandes von 3,5 eV vorhanden ist. Zwischen der unteren
Begrenzungsschicht und der Speicherschicht aus Nitrid ist ein Sprung
im Energieniveau des Leitungsbandes von 0,7 eV vorhanden. Ungefähr weitere
2 eV darunter liegen die Energien der gespeicherten Elektronen,
deren Positionen und Energieniveaus etwa in dem in dem Diagramm
der 3 eingezeichneten Bereich 11 liegen.
Beim Löschvorgang
werden die Elektronen aus diesem Bereich 11 mittels Fowler-Nordheim-Tunnelns
entsprechend dem in der 3 eingezeichneten waagerechten Pfeil
durch die obere Begrenzungsschicht hindurch zur Gate-Elektrode hin
entfernt.
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- 1
- Halbleiterkörper
- 2
- untere
Begrenzungsschicht
- 3
- Speicherschicht
- 4
- obere
Begrenzungsschicht
- 5
- Gate-Elektrode
- 6
- Isolationsbereich
- 7
- Isolationsbereich
- 8
- Pfeil
- 9
- Pfeil
- 10
- Pfeil
- C
- Kanalbereich
- D
- Drain
- S
- Source