CN102411991A - 一种非挥发性存储器低压快速窄注入编程方法 - Google Patents

Abstract

非挥发性存储器低压快速窄注入编程方法，编程步骤分为两阶段，在第一段中，衬底、源极以及栅极都是接地，漏极Vd2接较小的负偏压-1~-2V，脉冲持续时间为T1（100ns~1μs）；在第二阶段中，在栅极加上电压Vg3（4.2~5V），漏极加上电压Vd3(2.7~4.5V)，源极接地，衬底接电压Vb3（0.5~1.5V），脉冲时间为T2<5μs；在第二阶段编程过程中衬底加正偏电压Vb3，是为了抑制空穴在向衬底运动中产生的二次电离，减小电子注入到电荷存储层的范围。本发明保证较低的编程电压下，在存储单元中获得较窄的注入范围，减少俘获型单元存储器件中多位存储时不同位之间的干扰。

Description

一种非挥发性存储器低压快速窄注入编程方法

技术领域：

本发明涉及非挥发性快闪存储器（Flash）的编程方法，特别是对于局部俘获型非挥发性快闪存储器中增强窄注入效果的一种低压快速编程方法。

背景技术：

非挥发性快闪存储器自从发明以来一直以极快的速度发展，并且广泛的应用于人们生活中的各类电子产品中，而且它还在不断地向更高的容量，更快的编写速度，更低廉的价格方向发展。而目前提高储存容量的方案主要靠不断的缩小器件尺寸或者在相同尺寸的器件中实现多值多位的存储，增加单位存储单元存储量。对于前一种方案，随着存储器的单元尺寸进一步减小，已经接近物理极限了，通过减小单元尺寸来增大存储容量的方法越来越难实现，因此通过单元存储进行多值多位存储具有更好的发展前景。目前对于俘获型非挥发性存储器件常用CHEI（Channel Hot Electric Injection）编程方法，但是在这种方法中热电子发生跃迁注入到存储层中的范围较宽，在小尺寸存储器件中容易对存储单元另一位存储状态产生干扰，从而降低器件的可靠性。而且由于电荷水平分布也会影响俘获型非挥发性存储器的保持特性，在相同条件下越宽的电荷分布存储器件的保持特性就越差。所以寻找一种能够将电子注入位置控制在更窄的范围内的编程方法对于实现多值多位单元存储有着重要意义。

同时随着器件尺寸的不断缩小，虽然器件的工作电压也在不断降低，但还是跟不上器件尺寸缩小的速度，因此相同面积下器件的功耗越来越大。在本发明中降低器件的工作电压，也有助于实现器件低功耗。

发明内容：

本发明目的是：提供一种非挥发性存储器的编程方法，在存储单元中获得较窄的注入范围，减少单元存储器件中多位存储时相邻两位之间的干扰，同时改善存储单元的保持特性，减少相邻比特之间的因为存储电荷水平分布引起的阈值变化。同时还可以降低器件的工作电压，减少单位面积上器件的功耗。

本发明的技术方案是：为实现对非挥发性存储器低压快速窄注入编程，本发明中将编程过程分为两个阶段。先将衬底0、源极1以及栅极3都接地，漏极Vd2接较小的负偏压（-1~-2V），脉冲持续时间为T1（100ns~1μs）；然后再迅速转入第二阶段，在栅极加上电压Vg3（4.2~5V），漏极加上电压Vd3(2.7~4.5V)，源极接地，衬底接电压Vb3（0.5~1.5V），脉冲时间为T2（1μs ~5μs）；

在第一阶段中，首先在漏极形成正偏，保证靠近漏极区域内存在大量稳定的电子空穴，这是为了增加下一阶段中与高能电子发生碰撞的概率，保证较快的编程速度；再迅速的转入第二阶段，栅极电压保证在沟道中产生大量电子，然后电子在漏极电压作用下加速，并在靠近漏极处获得很高的能量，其中一部分的高能电子在漏极与晶格或者第一阶段中产生的大量电子空穴发生碰撞，然后一部分高能电子在栅极电场的作用下，可能越过隧穿氧化层注入到电荷存储层中。其中在衬底加正偏压则是为了抑制高能电子在靠近漏极区域碰撞过程后，引起一部分高能粒子向衬底运动，并在运动过程中再次与晶格发生碰撞引起的二次电离。这些二次电离后产生的电子会向漏极运动，其中有一部分在获得足够的能量后，在栅极电场作用下会跃迁进入到存储层中，而这些由于二次电离产生电子的注入范围往往会很宽，对于单元存储器中多位存储时影响很大。因此在衬底加正偏压后就可以有效的抑制二次电离，降低电子的注入到电荷存储层中的范围，实现电子的窄注入目的。

本发明有益效果：实现非挥发性存储器件在编程过程中电子注入范围较窄，减少多位编程过程中对其他位状态的影响。降低电荷存储层中电子的分布范围，增强器件的保持特性。减少器件反复编程擦除过程中界面态的产生，增强器件的耐受力。较低的编程电压，有效降低器件功耗。

附图说明：

图1为本发明编程方式所涉及器件的基本结构；

图2为传统的俘获型存储器件采用沟道热电子注入(CHE）编程方式中电子的运动示意图；

图3为本发明编程方式中编程电压脉冲波形示例；

图4为本发明在第一阶段中器件中电荷分布示意图；

图5为本发明在第二阶段中器件中电荷运动示意图。

具体实施方式：

下面根据附图详细说明这种非挥发性存储器低压快速窄注入编程方法。

本发明编程方式所涉及的器件的基本结构为传统的俘获型非挥发性存储器结构，其结构如图 1所示。其中包括p型半导体衬底0，在衬底中掺杂形成n+源极1和n+漏极2(源极和漏极可以是采用对称的结构或非对称的结构)，在源漏极间的沟道正上方依次为隧穿氧化层3，电荷存储层4，阻挡氧化层5，控制栅电极6。

常用的非挥发性存储器编程方式为沟道热电子注入（CHE），这种编程方法不但广泛的应用于电荷俘获型存储器件，还可以用于浮栅型存储器件。

沟道热电子注入（CHE）编程过程如图 2所示，在控制栅极6上加一个约8v电压Vg1，衬底0和源极1电压Vb1与Vs1接地，漏极2接一个大约4.8v的电压Vd1。电子在沟道中不断加速，并在靠近漏极附近时电子具有的能量高于隧穿氧化层的势垒高度，这时一部分的高能电子与晶格发生碰撞，其中一部分改变运动方向，一部分碰撞出电子空穴对，并可能把能量转移到碰撞出的粒子，最后那些具有足够高能量的电子会有一部分在栅极电场的作用下越过隧穿氧化层进入电荷存储层4中。由于注入到电荷存储层4中的电子的数目不同，从而导致器件不同的阈值电压，并对应着不同的编程状态。但是在沟道热电子注入（CHE）编程过程中，靠近漏极处会产生一部分由于高能电子碰撞电离产生的高能电子空穴，其中高能空穴在向衬底运动过程中，可能会再次与晶格碰撞出电子空穴对，导致二次电离的产生。而由二次电离产生的电子则会向漏极运动，并在控制栅极6的电压作用下注入到电荷存储层4中，这些由空穴在向衬底运动过程中发生二次电离产生的电子，它们产生以及运动的范围都要比第一次碰撞后电子注入电荷存储层中范围宽，这样最终注入到电荷存储层中的电子范围就会变的很宽。那么在小尺寸俘获型非挥发性存储器件中进行多位编程操作时，对任1bit进行编程后，由于电子注入的范围太宽会对其他bit位的状态产生影响，降低多位编程的可靠性。同时因为注入到电荷存储层中的电子分布范围很宽，擦除时不能将这么宽范围内的电子都擦除掉，在反复编程擦除操作后可能会在电荷存储层局部聚集很多的电子，降低存储器件的可靠性。

本发明所述的一种低压快速窄注入编程方法，则是既保证了电子注入到存储层中速度实现快速编程，同时还抑制了二次电离产生的电子，达到电子都是在靠近漏极窄范围内注入的目的。具体的编程脉冲电压如图3所示。其中，在t=0时刻之前为空闲态，t=0时刻后为编程过程操作，具体的编程过程分为两段脉冲。在第一阶段中，衬底0、源极1以及栅极3电压Vb2、Vs2、Vg2都为0，漏极2接-1~-2V范围内的负偏压Vd2，脉冲持续时间T1在100ns~1μs范围。在这一阶段中，由于漏极2加了负偏压，使得衬底0与漏极2的PN结形成正向偏置状态产生大量稳定的电子空穴，这一阶段时间可以较短，只要保证在靠近漏极处存在大量稳定的电子空穴对，脉冲电压就可以转入第二阶段过程。

在第二阶段中，在栅极6加上约在4.2~5V范围的电压Vg3，漏极2加上约在2.7~4.5V范围的电压Vd3，衬底0接0.5~1.5V 范围的电压Vb3，源极1电压Vs3接地，脉冲时间T2在1μs到5μs之间。在这一阶段中，栅极加正偏压在氧化层下的反型沟道中形成大量自由电子，这些自由电子在漏极2电压Vd3作用下不断加速，在靠近漏极2时获得足够的能量。并与晶格以及第一阶段中在靠近漏极附近产生的大量电子空穴发生碰撞，一部分碰撞后的高能电子在栅压Vg3作用下注入到靠近漏极处的电荷存储层4中。第二阶段中在衬底0加正偏电压Vb3，是为了抑制空穴在向衬底运动中产生的二次电离，减小电子注入到电荷存储层的范围，实现电子窄注入的目的。

本发明在实际应用过程中并不仅仅局限在俘获型存储器件，对于浮栅结构的存储器件也可以使用这种编程方法，可以减少由于编程过程中产生界面态数目，增强器件的可靠性。

Claims (2)

1.非挥发性存储器低压快速窄注入编程方法，其特征是编程步骤分为两阶段，在第一段中，衬底0、源极1以及栅极3都是接地，漏极Vd2接较小的负偏压-1~-2V，脉冲持续时间为T1为100ns~1μs；在第二阶段中，在栅极加上电压Vg3  4.2~5V，漏极加上电压Vd3   2.7~4.5V，源极接地，衬底接电压Vb3  0.5~1.5V，脉冲时间为T2 <5μs；在第二阶段编程过程中衬底加正偏电压Vb3，是为了抑制空穴在向衬底运动中产生的二次电离，减小电子注入到电荷存储层的范围。

2.根据权利要求1所述的非挥发性存储器低压快速窄注入编程方法，其特征是编程过程应用电荷俘获型存储器件或应用在浮栅结构的存储器件。

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