CN1228739C - 时间记录装置及使用半导体组件之时间记录方法 - Google Patents
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Abstract
一种时间记录装置使用浮动栅单元，其中ON层结构或ONO层结构在浮动栅及控制栅间被提供。一种电荷注入单元被提供以藉由施用电压或电压脉冲于该控制栅电极而注入电荷于该浮动栅电极及注入ON结构或ONO结构的该氮化物层，注入该氮化物层的电荷浓度中心系位于该层序列的氧化物层及氮化物层间的接口。时间记录装置亦包括一种单元以在该氮化物层电荷浓度中心离开接口之偏移所引起在该沟道区域的传送行为之变化为基准记录自电荷注入已经过时间。
Description
【技术领域】
本发明系关于时间记录装置及方法及特别是此种可被用来实现无电流时间标准<如允许在至芯片存取时间的延迟>时间记录装置及方法。
【背景技术】
电子电路如芯片卡ICs要进行关于拒绝未授权存取的特殊要求，为防止未授权存取，执行安全功能的电子电路如芯片卡ICs由使用加密方法被保护。此种加密方法可由使用讯号型式定地址电子电路而被研究，讯号型式仅在如PDA<能差分析>的框架内逐渐被改变。该电子电路被定期地切换开或关以响应此种侵入。一个成功的侵入<其可使电子电路或芯片卡IC易受未授权存取>需要某一数目的切换为开。藉由增加切换为开间的时间或是藉由在一个经订定时间间隔仅允许某一数目的切换为开而使侵入变得困难或是被防止。
为能使上述方法防止未授权存取，必须在电子电路或芯片上提供时间记录，且此应较佳为于切换为关状态操作，亦即没有能量被供应。此外，此种时间记录应基本上为时间独立的且不受外界影响。
由US-5,760,644一种集成半导体电路因其延时可被记录而被知晓。根据US-5,760,644电荷载体因此目的被引入储存介电体且因引入介电体的电荷而产生的电场变化被用做时间记录，此电场变化随在介电材料的固有电荷减少的增加而变化，故随时间的电场测量提供已经过时间的资料。用于US-5,760,644的储存介电体为SONOS晶体管<硅-ONO-硅晶体管>的ONO结构<氧化物-氮化物-氧化物结构>或是SNOS晶体管<硅-NO-硅晶体管>的NO结构<氮化物-氧化物结构>。使用上述储存晶体管的ONO介电体或NO介电体，经由单元的经改变有效电压，储存于氮化物的电子之时间相依电荷损失被建立。
【发明内容】
本发明目的为提供一种时间记录的装置及方法，藉由此可以一种基本上为时间独立的且不受外界影响的方式实现时间标准。
本发明系藉由提供一时间记录装置与记录方法而达成上述之目的。
根据本发明，时间记录装置包括一种具晶体管<如以EEPROM单元的形式>结构的半导体组件，在此种EEPROM单元中，一种栅介电体被置于储存晶体管的沟道区域及置于介电体上的为浮动栅电极，其藉由NO层序列<氮化物-氧化物层序列>或ONO层序列<氧化物-氮化物-氧化物层序列>与控制栅电极分隔。
根据本发明，为时间记录的目的或是时间标准的实现，电荷现在被注入该浮动栅电极且由此进入浮动栅电极及控制栅电极间的分隔之氮化物层。在此种注入后，注入氮化物层的电荷之电荷浓度的中心系沿面对该浮动栅电极的氧化物层及ON结构或在浮动栅电极及控制栅电极间的ONO结构间的氮化物层间的接口放置。
根据本发明，远离该接口的经注入电荷的电荷浓度的中心的偏移现在被用于时间记录的目的，此偏移具在沟道区域的传送行为之影响。
依据用于该储存单元的掺杂之形式而定，电子或空穴可被注入该ON层序列或ONO层序列，该电荷载体起初在注入的附近被局部化，亦即，在面对该浮动栅电极的氧化物层及氮化物层间的接口之氮化物层被局部化。之后，这些电荷载体因补获支持传导机构<已知为跳频传导>开始穿过氮化物游走，其造成电荷浓度的中心的偏移。此在电荷浓度的中心的偏移可由合适方法基于在该储存单元的沟道区域的传送行为之变化而被建立，此产生所欲时间标准。
在EEPROM储存单元的正常操作期间，例如根据本发明被用做时间记录，资料储存的电荷被注入该浮动栅电极，注入该ON分隔层序列或ONO分隔层序列的电荷注入于此处仅为不欲的副作用。根据本发明此副作用被用做时间测量，当更多电荷被注入该EEPROM储存单元，此副作用随之正比增加。此作用可藉由注入大量的电荷于时间测量单元及较少量的电荷于参考单元而被用于时间记录。注入时间测量单元的电荷量必须足够使得电荷可注入氮化物层。藉由使用此种参考单元，经订定延时的通过可被记录因在适当电荷载体注入后此参考单元的截止电压且时间测量单元的截止电压彼此具特定关系，亦即已减少至相同值。此处要了解截止电压为必须施用于控制栅的电压以产生经过个别单元的沟道区域的特定电流。
【附图说明】
本发明的较佳具体实施例以参考所揭示图式更详细说明于下文，其中
第1图显示EEPROM储存单元的结构之示意表示；
第2图显示随对不同注入电压值截止电压VE如何随时间变化的图；及
第3图显示根据本发明时间记录装置的具体实施例之示意表示。
【具体实施方式】
在提供根据本发明时间记录所基于的作用之更详细叙述前，亦即，晶体管结构<在本发明较佳具体实施例为EEPROM储存单元>的半导体组件的氮化物层的电荷浓度中心的偏移前，参考第2及3图，此种EEPROM储存单元的结构先被大略列示。
第1图显示此种EEPROM储存单元的示意截面视图，其中源极/漏极区域2藉由于半导体基材6的掺杂井4的适当布植而被提供。位于源极/漏极区域间的储存单元的沟道区域8上方，栅氧化物10被提供，在栅氧化物10上方为浮动栅电极12，在该浮动栅电极12及控制栅电极14间的为由下方氧化物层16、氮化物层18、上方氧化物层20所组成的ONO层序列。
该栅氧化物10、或门氧化物层，具减少厚度的区域22，其构成穿隧窗。注入布植24被提供于穿隧窗22下方的掺杂井4。最后，该源极/漏极区域具它们的个别源极/漏极终端26且控制栅电极具控制栅终端28。
第1图所示的EEPROM储存单元的设计，为FLOTOX<FLOTOX＝FLOating栅穿隧氧化膜>储存单元，在关于尺寸化、掺杂浓度、程序化及抹除电压及其类似方面可以与浮动栅单元的习知结构的紧密兼容性被选择。在此时应强调除了所引用的FLOTOX单元，具浮动栅的其它晶体管结构亦可被使用，如已知的快闪单元，其中电子藉由热电子的注入被送至浮动栅。
当此单元被用做储存时，第1图EEPROM储存单元的逻辑状态由浮动栅12的电荷状态决定，为将电子带至浮动栅电极12，亦即将电子注入浮动栅电极12，一种合适的注入电压被供应至控制栅终端28，由此产生电荷载体的Fowler-Nordheim穿隧经由穿隧窗22进入浮动栅电极12，由此进入浮动栅电极12的电荷影响该沟道区域8的传送行为，产生截止电压VE的变化，亦即，在该控制栅终端28所需的电压以达到源极/漏极区域2间的经订定沟道电流，其可经由终端26被分线。若该掺杂及电压为使电子被注入浮动栅电极12，当在浮动栅电极的电荷数目增加时，该截止电压偏移至增加的正电压。
为读取该储存单元，亦即，为记录该单元的逻辑状态，经订定电压一般被施用于控制栅终端28，接着沟道电流为该单元的逻辑状态之标准，读取位准，亦即，要被施用于控制栅电极以读取单元的电压，必须被选择以避免任何不慎的单元部份程序化，亦即，因读取操作所引起的不慎的单元电荷变化，即使在许多读取操作后。
如上所解释，在正常操作电荷载体被注入到储存单元的浮动栅电极，然而当注入电压足够高或是足够数目的电压脉冲被使用，亦即，除了电荷载体至该浮动栅电极的注入外，还有因穿隧作用电荷载体经由下方氧化物层16至氮化物层18的注入，由此注入该氮化物层18的电荷载体在接近它们的注入处<亦即在下方氧化物层16及氮化物层18间的接口>附近被起始地局部化。在电荷载体的注入完成后及无外界电压的施用，随着时间经过，电荷浓度的中心在控制栅电极14间的方向偏移，其主要是因为跳频机构<Poole-Fenkel电子跳频>。此偏移机构由在氮化物层18的箭头于第1图表示且其持续作用直到所得场防止任何更多的电荷载体或电子的移动。注入氮化物的电荷主要部份被发现系于该氮化物层18及上方氧化物层20间的接口。
注入氮化物层18的电荷影响单元的沟道行为，如同注入浮动栅12的电荷。这些电荷距离单元的沟道8愈近，它们愈更佳地妨碍沟道的反转及因此传导沟道的产生。由此电荷至沟道的接近具在晶体管或者储存单元的截止电压的直接作用，因而该截止电压依在氮化物的电荷之电荷浓度的中心之空间位置而定，电荷浓度的中心距控制栅电极14愈接近，则单元的截止电压愈高。
因如上所述的在该氮化物层18的电荷偏移为时间相依的，其可藉由经由单元的截止电压之观察而监督电荷偏移而用于时间记录，或是实现时间标准。
在第2图例如已于上文解释的EEPROM单元的截止电压VE被以时间函数示出，曲线40显示具大脉冲高度的注入电压的截止电压及曲线42显示具较小脉冲高度的注入电压的截止电压。对典型EEPROM单元产生型式40的曲线的典型注入电压具如17V的脉冲高度，然而产生型式42的曲线的注入电压具如14V的脉冲高度。曲线40及42系使用EEPROM单元得到，其下方氧化物层16具厚度5奈米及其氮化物层18具厚度20奈米。
第2图的曲线40及42显示截止电压随时间减少，可将截止电压的损失分为两阶段，第一个阶段显示截止电压的快速下降，之后为截止电压的逐渐下降，第一个阶段结束于第2图的虚线44附近，在第一个阶段的快速下降系由如上所述在氮化物层18的电荷偏移所引起，且漏电流为第二个阶段的逐渐下降之原因。根据本发明，在行为曲线40及42第一个阶段截止电压的快速下降被用做时间记录。就此而论，可由第2图的曲线40及42了解此截止电压减少的效应随着注入电压脉冲高度的增加变得益加显著。此原因为所使用注入电压脉冲高度改变注入浮动栅的电荷及注入氮化物层的电荷间的关系。脉冲高度愈大，注入氮化物层的电荷部份愈大，当注入氮化物层的电荷部份增加时，在氮化物层电荷偏移对截止电压分布的影响亦增加，如第2图所示。
显然，根据本发明，注入电压必须被使用，其除了引起经过穿隧窗22的电荷穿隧，亦引起经过下方氧化物层16进入氮化物层18的穿隧。所使用注入电压的大小依储存单元的特定设计而定。
若适当注入电压被使用，时间记录可基于因已叙述的电荷偏移而产生的截止电压之变化而被相当简单地被进行。订定时间的经过可根据本发明被记录的具体实施例参考第3图于下叙述。在此具体实施例中，一种时间量度单元50及参考单元52被使用，二者皆可采用如上所述的具ONO结构做为极间介电体<亦即做为在浮动栅及控制栅间的介电体>的浮动栅单元之形式。该时间记录装置使用控制单元54，其在一方面具电荷载体注入单元56，及另一方面单元58以记录自电荷注入此种浮动栅单元所经过时间。该控制单元54系以合适方式连接至时间量度单元50及参考单元52。
藉由具17V的高度的在控制栅的正电压脉冲，两个单元50及52的浮动栅单元被负电充电，以使单元的截止电压为正的，例如，它们可具值4伏特。该时间量度单元的浮动栅再藉由一或更多额外进一步被负电充电，如至5伏特的截止电压。当在单元的电压停顿时，在时间量度单元50的较强场使得在氮化物层的电荷浓度之中心以一种单元的截止电压下降的方式偏移。就在浮动栅电极及氮化物层的电荷浓度是被注意的而言，使用进一步电压脉冲具与使用较高电压脉冲几乎相同的效果，故因电荷偏移所造成截止电压的变化在时间量度单元较在参考单元为大。直到时间量度单元的截止电压再次等于参考单元的截止电压所经过的时间可由比较两个单元的截止电压而被建立，此在单元58执行，而后提供一个可能的时间标准。当根据本发明的时间记录装置被用做防止未授权存取的安全机构，芯片可保持不活动的直到达到截止电压间的此种一致性存在或是截止电压间的经指定比值的状态。
结果，根据本发明在ON层或ONO层的电荷偏移被用做时间标准，相对于已知方法，如叙述于美国专利第5,760,644号，其中在SONOS单元的储存介电体的电荷之固有消失被用于时间记录。所以，使用本发明可达到较已知方法为高的分辨，如已于上文所叙述，因由所叙述的电荷偏移引起的截止电压的正比下降可经由合适的注入电压脉冲之使用而得到，而且，本发明提供基本上为时间独立的且其不受外界影响的时间测量。
与于被用于本发明时间测量的EEPROM单元氮化层的电荷偏移的作用有关，参考Herr Eric-Roger Brucklmeuer“Untersuchungen ZurDatenhaltung an FLOTOX-EEPROM-Zellen mit ONO ALSInterpolydielektrikum”，颁布目期1988年五月。
参考数字清单
2 源极/漏极区域
4 掺杂井
6 半导体基材
8 沟道区域
10 栅介电体
12 浮动栅电极
14 控制栅电极
16 下方氧化物层
18 氮化物层
20 上方氧化物层
22 穿隧窗
24 注入布植
26 源极/漏极终端
28 控制栅终端
40 大脉冲高度的截止电压
42 小脉冲高度的截止电压
44 标示第一个阶段结束的线
50 时间量度单元
52 参考单元
54 控制单元
56 电荷注入单元
58 时间记录单元
Claims (10)
1.一种时间记录装置，其包括
一具晶体管结构的半导体组件(50)，其包括源极/漏极区域(2)及在其间的沟道区域(8)，置于沟道区域(8)上方的栅介电体(10)，置于栅介电体(10)上方的浮动栅电极(12)，包括置于浮动栅电极(12)上的氧化物层(16)及位于氧化物层(16)上的氮化物层(18)之层序列，该层序列被置于浮动栅电极(12)之上，且该层序列上有控制栅电极(14)；
电荷载体注入单元(56)以藉由施用电压或电压脉冲于该控制栅电极(14)而注入电荷于该浮动栅电极(12)及注入该氮化物层(18)，注入该氮化物层(18)的电荷浓度中心系位于该层序列的氧化物层(16)及氮化物层(18)间的接口；及
一时间记录单元，系用以记录电荷注入之历时，所述之电荷注入系基于该沟道区域(8)之传送行为变化，所述之传送行为变化系因该氮化物层(18)内自电荷浓度中心至接口处之电荷偏移而产生。
2.根据权利要求第1项的时间记录装置，其中该层序列更具有一氧化物层(20)，其系排列于该氮化物层(18)上。
3.根据权利要求第1或2项的时间记录装置，其亦具有
一参考半导体组件(52)，其与该半导体组件(50)具有完全相同之结构；
一电荷注入单元，用以在电荷被注入所提供之该半导体组件(50)的该浮动栅电极(12)及该氮化物层(18)时，注入电荷至该参考半导体组件(52)之浮动栅电极；且用以记录历时之单元(58)具有一比较单元，用以比较该半导体组件(50)与该参考半导体组件(52)之沟道区域的传送行为。
4.根据权利要求第1或2项的时间记录装置，其亦具有一记录单元，用以记录为了产生一流经该半导体组件(50)的沟道区域(8)之特定电流，所必须供应至该控制栅电极(14)的电压。
5.根据权利要求第3项的时间记录装置，其亦具有一记录单元，用以记录为了产生一流经各别沟道区域的特定电流，所必须供应至该半导体组件(50)及该参考半导体组件(52)的控制栅电极的电压。
6.一种记录已经过时间的方法，其包括下列步骤：
由施用电压或电压脉冲于该具晶体管结构的半导体组件(50)之该控制栅电极(14)，此半导体组件包括源极/漏极区域(2)；在其间的沟道区域(8)；置于沟道区域(8)上方的栅介电体(10)；置于栅介电体(10)上方的浮动栅电极(12)；包括置于浮动栅电极(12)上的氧化物层(16)及位于氧化物层(16)上的氮化物层(18)之层序列，该层序列被置于浮动栅电极(12)上；且被置于层序列上的控制栅电极(14)，以注入电荷于该浮动栅电极(12)及注入该氮化物层(18)，注入该氮化物层(18)的电荷浓度中心系位于该层序列的氧化物层(16)及氮化物层(18)间的接口；及
记录一电荷注入之历时，所述之电荷注入系基于该沟道区域(8)之传送行为变化，所述之传送行为变化系因该氮化物层(18)内自电荷浓度中心至接口处之电荷偏移而产生。
7.根据权利要求第6项的方法，其中半导体组件被使用其中层序列具排列于氮化物层(18)上的另一氧化物层(20)。
8.根据权利要求第6或7项的方法，其亦包括至参考半导体组件(52)的浮动栅电极之同时电荷注入之步骤，其结构与该半导体组件(50)的结构完全相同，该半导体组件(50)及该参考半导体组件(52)的沟道区域之传送行为在记录所经过时间的步骤被比较。
9.根据权利要求第6或7项的方法，其亦包括一电压记录步骤，以记录为了产生一流经该半导体组件(50)的沟道区域(8)之特定电流，所必须供应至该控制电极(14)的电压。
10.根据权利要求第8项的方法，其亦包括一电压记录步骤，以记录为了产生一流经各别沟道区域之特定电流，所必须供应至该半导体组件(50)及该参考半导体组件(52)的控制栅电极的电压。
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