DE10100939B4

DE10100939B4 - Nichtflüchtige Halbleiterspeichervorrichtung und Datenhalteverfahren derselben

Info

Publication number: DE10100939B4
Application number: DE10100939A
Authority: DE
Inventors: Satoshi Kawasaki Torii; Hideyuko Kawasaki Kojima; Hiryoshi Kawasaki Mawatari
Original assignee: Fujitsu Ltd
Current assignee: Cypress Semiconductor Corp
Priority date: 2000-05-15
Filing date: 2001-01-10
Publication date: 2005-07-21
Anticipated expiration: 2021-01-11
Also published as: KR100675072B1; JP2001325793A; US6567312B1; DE10100939A1; TW466711B; JP4002712B2; KR20010105143A

Abstract

Speicherzelle für eine nichtflüchtige Halbleiterspeichervorrichtung (EEPROM), die ein Speicherzellenarray enthält, in dem eine Vielzahl von Speicherzellen, die eine elektrische Programmierung durch die Übertragung von Ladungen zwischen einer Ladungseinfangschicht und einem Halbleitersubstrat ermöglichen, in der Form einer Matrix angeordnet ist, wobei jede von solchen Zellen durch sequentielles Laminieren, auf dem Halbleitersubstrat, eines ersten Gateoxidfilms, gebildet ist, die Ladungseinfangschicht aus einem Isoliermaterial, welches Ladungen leichter als ein Siliziumoxidfilm einfängt, einem Gateisolierfilm, der aus einem zweiten Gateoxidfilm gebildet ist, und einer Gateelektrode gebildet ist, bei der Elektronen, nachdem Daten in die Speicherzelle geschrieben sind, teilweise aus der Ladungseinfangschicht entfernt werden.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Technik zum Verbessern des Datenhaltens eines nichtflüchtigen Speichers wie etwa eines EEPROM [Electrical Erasable and Programmable Read Only Memory] (elektrisch löschbarer und programmierbarer Nur-Lese-Speicher) und Flash-Speichers (ein EEPROM, der viele Speicherdaten in einem Speicherzellenblock durch eine Aktion gleichzeitig löschen kann). Genauer gesagt, die vorliegende Erfindung betrifft die Verbesserung einer Technik, um eine Datenlesecharakteristik zuverlässiger zu machen, indem verhindert wird, daß sich Speicherdaten einfach verschlechtern, nachdem die Daten in einer EEPROM-Speicherzelle wie z. B. einer Flash-Speicherzelle gespeichert sind.

Aus IEICE Transactions On Electronics Vol. E79-C, No. 6, Juni 1996, Seiten 832-835 ist ein Floating-Gate Flash-EEPROM bekannt, bei dem in bestimmten Oxidschichten sich ansammelnde Ladungsträger, die zu einer Degradation der Transistoreigenschaften führen, durch einen kurzen Spannungsimpuls mit reversibler Polarität wieder entfernt werden.

Eine Speicherzelle, die in dem nichtflüchtigen Speicher wie etwa dem EEPROM und Flash-Speicher verwendet wurde, ist gemäß der verwandten Technik im allgemeinen mit einer Doppelgatestruktur gebildet worden, die eine potentialfreie Gateelektrode und eine Steuergateelektrode enthielt und bei dem Laminierungsverfahren vorgesehen wurde, wobei ein dünner Isolierfilm zwischen diesen Gateelektroden enthalten war. In letzter Zeit behindert jedoch der komplizierte Herstellungsprozeß von solch einer Doppelgatestruktur die Ultramikro miniaturisierung, und Aufmerksamkeit wird nun der neuen Technik zum Realisieren einer Einzelgatestruktur als Gatestruktur gewidmet.

Im Falle eines solchen nichtflüchtigen Speichers des Einzelgatetyps wird ein Material, das Ladungen speichern kann, wie zum Beispiel ein Material der Nitridfilmgruppe als Gateisolierfilm eingesetzt, der sich zwischen einem Siliziumsubstrat und einer Gateelektrode erstreckt, und dadurch können Ladungen gespeichert werden, indem die Ladungen mit dem Gateisolierfilm erfaßt werden, der Ladungen speichern kann, statt ein potentialfreies Gate zu verwenden. Als Beispiel für einen nichtflüchtigen Halbleiterspeicher des Einzelgatetyps ist ein Speicher des SONOS-Typs vorgeschlagen worden. Dieser Speicher des SONOS-Typs hat die laminierte Struktur aus einem Siliziumoxidfilm (SiO), Siliziumnitridfilm (SiN) und Siliziumoxidfilm (SiO) als Struktur des Gateisolierfilms, und eine Datenaufzeichnung kann realisiert werden, indem die Ladungen dem Siliziumnitridfilm (SiN) eingegeben werden oder von ihm ausgegeben werden. (Der Siliziumoxidfilm (SiO), der dem Siliziumsubstrat näher ist, wird als erster Gateoxidfilm bezeichnet, und jener, der der Gateelektrode näher ist, wird als zweiter Gateoxidfilm bezeichnet.)

Für solch eine Speicherzelle des SONOS-Typs wird im allgemeinen ein Zellenlayout verwendet, bei dem die Source und das Drain parallel verbunden sind. Bei diesem Layout sind die Sources und Drains einer Vielzahl von benachbarten Speicherzellen parallel verbunden, um die Spalten zu bilden, und eine Spalte ist als Bitleitung definiert. Die Bitleitung ist mit einem Leseverstärker über das Selektionsgatter verbunden. Die Gates der benachbarten Speicherzellen in der Spaltenrichtung sind mit einem einzelnen Draht als Wortleitung gekoppelt.

Operationen des nichtflüchtigen Halbleiterspeichers von solch einer Speicherzelle des SONOS-Typs sind wie folgt.

[Datenschreiboperation]

Eine Datenschreiboperation wird ausgeführt, indem das Schreibpotential Vdp (etwa 5 V) auf die Bitleitung angewendet wird, die mit dem Drain der selektierten Zelle verbunden ist, 0 V auf die Bitleitung gegeben werden, die mit der Source verbunden ist, und ein Wortleitung Vwp (etwa 10 V) auf die Wortleitung angewendet wird. In diesem Fall sind die Bitleitung und Wortleitung einer nichtselektierten Zelle potentialfrei, um das Datenschreiben zu vermeiden. Wenn die Datenschreiboperation ausgeführt wird, wie es oben erläutert ist, werden heiße Elektronen in dem Bereich nahe dem Drain in der selektierten Zelle erzeugt. Die heißen Elektronen werden in dem Nitridfilm nahe dem Drain eingefangen, wobei sie die Barriere des ersten Gateoxidfilms überschreiten. Dadurch verschiebt sich eine Schwellenspannung der selektierten Zelle in positiver Richtung. Dieser Zustand ist als "0" definiert.

[Datenlöschoperation]

Die Datenlöschoperation wird für alle Speicherzellen des selektierten Blocks ausgeführt, indem Vwe (etwa –3 V) auf alle Wortleitungen des selektierten Blocks angewendet wird und alle Bitleitungen auf Vbe (etwa 7 V) gesetzt werden. Dadurch werden Elektronen, die in dem Nitridfilm eingefangen sind, entfernt, und die Schwellenspannung verschiebt sich in negativer Richtung. Dieser Zustand ist als "1" definiert.

[Datenleseoperation]

Die Datenleseoperation wird ausgeführt, indem Vwr (etwa 4 V) auf die Wortleitung angewendet wird, die mit der selektierten Speicherzelle verbunden ist, ein Lesepotential Vbr (etwa 1 V) auf die Bitleitung angewendet wird, die mit dem Drain verbunden ist, und 0 V auf die Bitleitung gegeben werden, die mit der Source verbunden ist. Jedoch ist die Beziehung zwischen dem Drain und der Source während der Leseoperation gegenüber der Beziehung bei der Datenschreiboperation invertiert, da Elektronen in dem Bereich in der Nähe der diffundierten Schicht, die als Drain definiert ist, zu der Zeit der Datenschreiboperation eingefangen wurden. Es kann nämlich eine größere Verschiebung des Schwellenwertes erhalten werden, wenn das Drain und die Source invertiert sind. Die gelesenen Daten werden mit dem Absolutwert eines Stromes bestimmt, der in die selektierte Speicherzelle fließt.

[Datenverifizierungsoperation]

Bei einer Datenverifizierungsoperation wird nach Vollendung der oben erläuterten Schreiboperation die Verifizierungsoperation ausgeführt, um zu bestätigen, ob die Schreiboperation hinreichend ist oder nicht. Falls die Schreiboperation unzureichend ist, wird für solch eine Zelle ein neues Schreiben ausgeführt. Die Verifizierungsoperation und die Schreiboperation werden wiederholt, bis alle Daten geschrieben sind. Beim Löschen an wird die Verifizierungsoperation nach der oben erläuterten Löschoperation ausgeführt. Falls das Löschen unzureichend ist, wird die Löschoperation wieder ausgeführt. Diese Operationen werden ausgeführt, bis die Löschoperation genügend erfolgt ist.

Die Speicherzelle des SONOS-Typs hat anders als die Speicherzelle des Typs mit potentialfreiem Gate die Charakteristik, die Elektronen in dem Isolierfilm einzufangen. Die Dichte von eingefangenen Ladungen beträgt annähernd etwa 2,0 × 10¹² cm^–2 bis 1, 0 × 10¹³ cm^–2. Diese Dichte liegt nahe bei der Dichte des Grenzflächenniveaus an der Grenzfläche des Substrates und des ersten Oxidfilms, wenn die Speicherzelle verschlechtert wird. Deshalb kann die Dichte der Einfangstelle in der Speicherzelle des SONOS-Typs oder an der Grenzfläche zu dem Substrat mit der Einfangstelle in dem Nitridfilm verglichen werden und hat daher einen großen Einfluß auf die Transistorcharakteristik. Wenn die oben erläuterte Schreib-/Löschcharakteristik wiederholt wird, werden der erste Gateoxidfilm und die Grenzfläche verschlechtert, und eine zusätzliche Einfangstelle wird vergrö ßert. Während die Operation fortgesetzt wird, ergibt sich hier nämlich das Problem, daß die Speicherzellencharakteristik, im besonderen die Lesecharakteristik, von der Anfangscharakteristik abweicht.

Dieses Problem ist nicht auf die Speicherzelle des SONOS-Typs begrenzt, sondern es trifft auf alle Speicherzellen zu, in denen ein Isolierfilm, der die Elektronen leichter als der Siliziumoxidfilm einfangen kann, auf einem Gateoxidfilm gebildet ist und dieser Isolierfilm als Elektroneneinfangstelle verwendet wird.

ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG

In der nichtflüchtigen Speicherzelle des SONOS-Typs der verwandten Technik und auch in der Speicherzelle des Typs zum Einfangen von Ladungen mit einem Gateisolierfilm vergrößert sich, wie oben erläutert, eine zusätzliche Einfangstelle in dem ersten Gateoxidfilm und seiner Grenzfläche, und die Speicherzellenlesecharakteristik wird dadurch extrem verschlechtert. Solche Probleme sind aufgetreten.

Zu 1:

1 ist ein Graph (Nr. 1), der die Lesecharakteristik des nichtflüchtigen Speichers des SONOS-Typs der verwandten Technik zeigt, wobei in demselben Graph für Vergleichszwecke die Charakteristik (Punkte mit weißem Quadrat) in dem Zustand des Startens der Anwendung (Anfangsbedingung) und der Operation ("zyklische" Operation) nach 10.000 maligem Wiederholen der Datenschreib- und -löschoperationen (schwarze runde Punkte) dargestellt ist, bei dem die Gatespannung (Vg) an der horizontalen Achse und der Drainstrom (Id) an der vertikalen Achse verzeichnet ist. Aus 1 geht hervor, daß im Anfangszustand, wenn die Gatespannung (Vg) angehoben wird, der Drainstrom (Id) in einem gewissen Bereich steil reagiert, und es kann eine Ansprech- oder Verhaltenscharakteristik angenommen werden, die als "Cut-off-Charakteristik" bezeichnet wird. Nach den 10.000 zyklischen Operationen wird jedoch solch eine steile Cut-off-Charakteristik deutlich verschlechtert. Nach den 10.000 zyklischen Operationen steigt nämlich der Drainstrom (Id) ab einem konstanten Wert der Gatespannung (Vg) nur allmählich und nicht steil an, selbst wenn eine Gatespannung (Vg) ansteigt.

Zu 2:

2 ist ein Graph (Nr. 2), der die Lesecharakteristik des nichtflüchtigen Speichers des SONOS-Typs der verwandten Technik zeigt. So wie in 1 ist eine Gatespannung an der horizontalen Achse verzeichnet, während ein Drainstrom an der vertikalen Achse verzeichnet ist, und die Charakteristik (mit einer durchgehenden Linie gekennzeichnet) im Zustand (Verschlechterung) vor Beginn der Verwendung und die Charakteristik (mit einer Strichpunktlinie gekennzeichnet) nach den 10.000 zyklischen Operationen werden in demselben Graph schematisch verglichen. Die Verschlechterung der Cut-off-Charakteristik wird, wie in 2 gezeigt, zu einer Ursache des Beendens der Verifizierung, auch wenn das Speichern von Ladungen während der Verifizierungsleseoperation unzureichend ist. Wenn nämlich die steile Cut-off-Charakteristik, die jener vor der Verschlechterung ähnlich ist, für einen konstanten Wert der Drainspannung (Referenzstrom) erhalten wird, kann die adäquate Gatespannung, die den Schreibpegel nicht erreicht, erst detektiert werden, nachdem sich die Cut-off-Charakteristik verschlechtert hat, falls der Wert der Gatespannung den Schreibpegel bei dem Referenzstromwert des Drainstromes nicht erreicht, so daß fälschlicherweise angenommen wird, daß solch eine Gatespannung den Schreibpegel erreicht hat.

Es ist jedoch bekannt gewesen, daß eine Verschlechterung der Cut-off-Charakteristik durch die Wärmebehandlung wiedergutgemacht werden kann.

Zu 3:

3 ist ein Graph (Nr. 3), der die Lesecharakteristik des nichtflüchtigen Speichers des SONOS-Typs der ver wandten Technik zeigt. Ähnlich wie bei 1 und 2 ist eine Gatespannung (Vg) an der horizontalen Achse verzeichnet, während ein Drainstrom (Id) an der vertikalen Achse verzeichnet ist. Hier sind die Charakteristik vor der Wärmebehandlung (durchgehende Linie und weiße eckige Punkte in der Figur) und die Charakteristik nach der Wärmebehandlung (gestrichelte Linie und schwarze eckige Punkte in der Figur) zum Vergleich in demselben Graph eingetragen. Aus 3 geht hervor, daß die Cut-off-Charakteristik durch die Wärmebehandlung verbessert werden kann. Selbst wenn der Drainstrom (Id) nur eine allmähliche Veränderung bei einer Veränderung der Gatespannung (Vg) durch die beträchtliche Anzahl der zyklischen Operationen vor der Wärmebehandlung aufweist und die Cut-off-Charakteristik ausreichend verschlechtert wurde, ist der Graph nämlich bei dem konstanten Wert der Gatespannung (Vg) nach der Wärmebehandlung gekrümmt, und dadurch wird deutlich, daß die gute Cut-off-Charakteristik, bei der der Drainstrom (Id) schnell reagiert, wiederhergestellt ist.

Der Fakt, der durch das Experiment nachgewiesen wird, daß die Cut-off-Charakteristik durch die Wärmebehandlung verbessert wird, wie oben erläutert, bedeutet, daß sich der Schwellenwert nach der Verifizierungsschreiboperation auf Grund der thermischen Belastung in die negative Richtung verschiebt und dadurch die Fenstertoleranz der Löschbedingung und Schreibbedingung schmal wird. Eine Verschlechterung der Cut-off-Charakteristik führt nämlich zu dem Problem der Verschlechterung des Haltens.

Es ist nachgewiesen worden, wie oben erläutert, daß bei der verwandten Technik die Probleme vorhanden sind, daß es unmöglich ist, genau zu verifizieren, ob die Daten akkurat geschrieben worden sind oder nicht, und daß die Datenhaltecharakteristik verschlechtert wird. Deshalb ist die vorliegende Erfindung vorgeschlagen worden, um die oben erläuterten Probleme zu lösen, die akkurate Datenverifizierung und das gute Datenhalten als Charakteristik beizubehalten und immer die gleiche und gute Lesecharakteristik vorzusehen, auch wenn der erste Gateoxidfilm und die Grenzfläche infolge der Vorrichtungsoperationen wie etwa von Datenschreib- und – löschoperationen verschlechtert werden.

Die vorliegende Erfindung ist darauf gerichtet, die oben erläuterten Probleme zum Beispiel mit folgenden Mitteln zu lösen.

(1) Eine nichtflüchtige Halbleiterspeichervorrichtung (EEPROM), die ein Speicherzellenarray enthält, in dem eine Vielzahl von Speicherzellen, die eine elektrische Neuprogrammierung durch die Übertragung von Ladungen zwischen einer Ladungseinfangschicht und einem Halbleitersubstrat ermöglichen, in der Form einer Matrix angeordnet ist, wobei jede von solchen Zellen durch sequentielles Laminieren, auf dem Halbleitersubstrat, eines ersten Gateoxidfilms, der Ladungseinfangschicht, die aus einem Isoliermaterial gebildet ist, welches Ladungen leichter als ein Siliziumoxidfilm einfängt, eines Gateisolierfilms, der aus einem zweiten Gateoxidfilm gebildet ist, und einer Gateelektrode gebildet ist, bei der Elektronen, nachdem Daten in die Speicherzelle geschrieben sind, teilweise aus der Ladungseinfangschicht entfernt werden.
(2) Eine nichtflüchtige Halbleiterspeichervorrichtung, wie sie unter Punkt (1) beschrieben ist und die unter der Bedingung von 0 ≤ | Vws | ≤ | Vwe | , 0 ≤ | Vbs | ≤ | Vbe | , ts ≤ te umfaßt: ein Mittel zum Schreiben von Daten in die Speicherzellen durch Anwenden von Spannungen Vwp auf die Gateelektrode und Vdp auf das Drain der Speicherzellen, ein Mittel zum Löschen von Daten aus den Speicherzellen durch Anwenden der Löschspannungen Vwe auf den Gateisolierfilm und Vbe auf die Source und das Drain der Speicherzellen für te Sekunden und ein Mittel zum Entfernen eines Teils der Elektronen durch Anwenden der Spannung Vwe auf den Gateisolierfilm und der Spannung Vbs auf die Source und das Drain nach der Datenschreiboperation für ts Sekunden.
(3) Eine nichtflüchtige Halbleiterspeichervorrichtung, wie sie unter Punkt (2) beschrieben ist, bei der ein Teil von Elektronen unter der Spannungsbedingung von Vbs = Vdp entfernt wird.
(4) Eine nichtflüchtige Halbleiterspeichervorrichtung, wie sie unter den Punkten (1) bis (3) beschrieben ist, bei der beim Ausführen der Verifizierungsschreiboperation, nachdem Daten in das Speicherzellenarray geschrieben sind, ein Teil der Elektronen entfernt wird und die Verifizierungsoperation ausgeführt wird und solche Operationen wiederholt werden, bis die Daten hinreichend geschrieben sind.
(5) Ein Datenhalteverfahren einer nichtflüchtigen Halbleiterspeichervorrichtung zum Anwenden, für einen kurzen Zeitraum, einer Spannung, die der Spannung zum Löschen der Daten, die in der Speicherzelle gespeichert sind, gleich ist, um einen Teil der Elektronen zu entfernen, auf die nichtflüchtige Halbleiterspeichervorrichtung (EEPROM), die ein Speicherzellenarray enthält, in dem eine Vielzahl von Speicherzellen, die eine elektrische Neuprogrammierung durch die Übertragung von Ladungen zwischen einer Ladungseinfangschicht und einem Halbleitersubstrat ermöglichen, in der Form einer Matrix angeordnet ist, wobei jede von solchen Zellen durch sequentielles Laminieren, auf dem Halbleitersubstrat, eines ersten Gateoxidfilms, der Ladungseinfangschicht, die aus einem Isoliermaterial gebildet ist, welches Ladungen leichter als ein Siliziumoxidfilm einfängt, eines Gateisolierfilms, der aus einem zweiten Gateoxidfilm gebildet ist, und einer Gateelektrode gebildet ist.
(6) Ein Datenhalteverfahren der nichtflüchtigen Halbleiterspeichervorrichtung, wie es unter Punkt (5) beschrieben ist, das unter der Bedingung von 0 ≤ | Vws | ≤ | Vwe | , 0 ≤ Vbs | ≤ | Vbe | , ts ≤ te umfaßt: ein Mittel zum Schreiben von Daten in die Speicherzellen durch Anwenden von Spannungen Vwp auf die Gateelektrode und Vdp auf das Drain der Speicherzellen, ein Mittel zum Löschen von Daten aus den Speicherzellen durch Anwenden der Löschspannungen Vwe auf den Gateisolierfilm und Vbe auf die Source und das Drain der Speicherzellen für te Sekunden und ein Mittel zum Entfernen eines Teils der Elektronen durch Anwenden der Spannung Vwe auf den Gateisolierfilm und der Spannung Vbs auf die Source und das Drain nach der Datenschreiboperation für ts Sekunden.
(7) Ein Datenhalteverfahren der nichtflüchtigen Halbleiterspeichervorrichtung, wie es unter Punkt (6) beschrieben ist, wobei ein Teil von Elektronen unter der Spannungsbedingung von Vbs = Vdp entfernt wird.
(8) Ein Datenhalteverfahren der nichtflüchtigen Halbleiterspeichervorrichtung, wie es unter den Punkten (5) bis (7) beschrieben ist, bei dem beim Ausführen der Datenverifizierungsoperation, nachdem Daten in das Speicherzellenarray geschrieben sind, ein Teil der Elektronen entfernt wird und die Verifizierungsoperation ausgeführt wird und solche Operationen wiederholt werden, bis die Daten hinreichend geschrieben sind.

Als nächstes werden Operationen der vorliegenden Erfindung erläutert. Die Charakteristiken der vorliegenden Erfindung können wie folgt zusammengefaßt werden. Nach der Datenschreiboperation eines nichtflüchtigen Halbleiterspeichers (EEPROM) unter Verwendung eines ladungsspeichernden Isolierfilms anstelle eines Gateisolierfilms bei der verwandten Technik wird ein Potential, das zum Beispiel der Anwendung auf eine Speicherzelle zum Löschen von Daten entspricht, auf die Speicherzelle für nur einen Moment angewendet, und dadurch kann die Lesecharakteristik verbessert werden. Solch ein Verbesserungseffekt der Lesecharakteristik tritt speziell bei dem nichtflüchtigen Halbleiterspeicher (EEPROM) unter Verwendung des ladungsspeichernden Isolierfilms an stelle des Gateisolierfilms der verwandten Technik auf, und eine ähnliche Verbesserung der Lesecharakteristik kann bei dem EEPROM der verwandten Technik auch dann nicht erreicht werden, wenn die Operation zur Impulsverleihung, die dem Datenlöschpotential entspricht, auf die Speicherzelle angewendet wird, nachdem die Datenschreiboperation durchgeführt wurde. Das Zustandekommen der Verbesserung der Lesecharakteristik der vorliegenden Erfindung wird nämlich als neue Erkenntnis betrachtet, zu der die Erfinder der vorliegenden Erfindung nach Untersuchungen gelangt sind, aber das entsprechende Prinzip ist noch nicht ausreichend bewiesen.

Zurück zu 1:

In der Speicherzelle, wie etwa in der Speicherzelle des SONOS-Typs, wo ein Isolierfilm, der Elektronen leichter als ein Siliziumoxidfilm einfangen kann, auf einem Gateoxidfilm vorgesehen ist und dann als Elektroneneinfangstelle verwendet wird, hat sich experimentell bestätigt, wie in 1 gezeigt, daß die Verschlechterung an der Grenzfläche einen großen Einfluß auf die Lesecharakteristik der Speicherzelle hat. Experimentell wird jedoch auch bestätigt, daß die Lesecharakteristik verbessert werden kann, indem die Belastungsoperation (die als "Nachschreiboperation" bezeichnet wird), obwohl sie mit der Datenlöschoperation identisch ist, ausgeführt wird, die die Gatespannung, die im Vergleich zu der Datenlöschoperation vermindert ist, oder die Drainspannung oder die extrem verkürzte Anwendungsimpulsbreite nach der Datenschreiboperation umfaßt.

Zu 4:

4 zeigt einen Graph (Nr. 1), der die Lesecharakteristik des nichtflüchtigen Speichers des SONOS-Typs der vorliegenden Erfindung darstellt. In 4 ist eine Gatespannung (Vg) an der horizontalen Achse und ein Drainstrom (Id) an der vertikalen Achse verzeichnet. Der Anfangszustand, nämlich der Zustand vor Beginn der Verwendung, ist mit einer gepunkteten Linie, der Zustand nach dem Daten schreiben mit einer feinen durchgehenden Linie und der Zustand nach dem weichen Löschen, d. h., nach dem Eingeben des Nachschreibimpulses, mit einer dicken durchgehenden Linie gekennzeichnet. Aus 4 geht hervor, daß die steile Cut-off-Charakteristik im Zustand vor Beginn der Verwendung (Anfangszustand) durch das Altern durch das Aktualisieren von Daten verschlechtert wird und das Verhalten des Drainstromes (2d) bei einer Erhöhung der Gatespannung (Vg) sehr verschlechtert wird, aber die Lesecharakteristik wird verbessert, weil bei der vorliegenden Erfindung der Nachschreibimpuls nach der Datenschreiboperation eingegeben wird.

Experimentell ist bewiesen worden, wie oben erläutert, daß die Lesecharakteristik verbessert wird, wenn der Nachschreibimpuls nach Anwendung des Impulses für die Datenschreiboperation, um die Datenschreiboperation zu realisieren, eingegeben wird. Es ist noch nicht eindeutig herausgefunden worden, warum der Nachschreibimpuls zum zuverlässigen Halten der gespeicherten Daten effektiv ist. Statt dessen ist der signifikante Effekt des Nachschreibimpulses als Resultat der verschiedenen Experimente der Erfinder anerkannt worden.

Übrigens kann kein ausreichender Effekt erhalten werden, wenn solch ein Nachschreibimpuls für längere Zeit angewendet wird. Falls der Impuls der Nachschreiboperation für einen längeren Zeitraum angewendet wird, werden Elektronen, die dem Nitridfilm bei dem Datenschreiben injiziert wurden, herausgezogen und wird die Schwellenspannung in die negative Richtung verschoben. Deshalb muß der Impuls für die Nachschreiboperation kürzer als der Impuls für die Löschoperation sein. Dies ist auch experimentell nachgewiesen worden, und der Grund dafür wird unter Bezugnahme auf 5 erläutert.

Zu 5:

5 ist ein Graph, der die Schwellenwertcharakteristik des nichtflüchtigen Speichers des SONOS-Typs der vorliegenden Erfindung darstellt. In 5 ist die Zeit zum Anwenden eines Löschpotentials auf die Speicherzelle nach dem Datenschreiben (Impulslänge: ts) an der horizontalen Achse verzeichnet, während ein Schwellenwertpotential (V) und ein S-Koeffizient (mV/dec) an der vertikalen Achse verzeichnet sind, um die Beziehung zwischen diesen Werten zu zeigen. Die Veränderung der Schwellenspannung (v) bei der Impulslänge ts (s) wird durch den Graph dargestellt, der die Schreibpunkte verbindet. Indessen wird eine Veränderung des S-Koeffizienten (mV/dec) bei der Impulslänge ts (s) durch den Graph dargestellt, der die schwarzen Punkte verbindet. Die Spannungsbedingung des Impulses, der auf die Speicherzelle nach dem Datenschreiben angewendet wird (im folgenden als "Nachschreibimpuls" bezeichnet), muß nicht immer mit der Spannungsbedingung identisch sein, die auf die Speicherzelle zu der Zeit einer Datenlöschoperation anzuwenden ist, und das Potential, welches die Ladungen aus dem ladungsspeichernden Film der Speicherzelle in das Substrat zieht, wird einen hinreichenden Effekt der vorliegenden Erfindung vorsehen, auch wenn die Spannungsbedingung verschieden ist. Wenn jedoch die Spannungsbedingung des Nachschreibimpulses mit der Spannungsbedingung zu der Zeit des Datenlöschens identisch ist, ist im wesentlichen nur die Zeitsteuerung für den Impuls erforderlich, und deshalb ist dies zu bevorzugen, da der Effekt einer Vereinfachung der Schaltungsstruktur als Begleiteffekt erhalten werden kann. Wenn die Spannungsbedingung des Nachschreibimpulses deshalb mit jener zu der Zeit der Löschoperation identisch ist, wird dies als erstes Beispiel erläutert. Wenn ts < 1 × 10^–6 s = ts0 ist, ist gemäß 5 ersichtlich, daß die Schwellenspannung nicht in den Anfangszustand zurückkehrt, aber der S-Koeffizient wird wiederhergestellt. wenn die Spannungsbedingung der Nachschreiboperation eingestellt wird, um mit jener der Lösch operation identisch zu sein, ist daher ts < ts0 die zu bevorzugende Bedingung. ts0 ist gleich 1/10000 der gewöhnlichen Löschzeit te.

Hier kann das Nachschreibimpulsmittel nur zum Verbessern der Lesecharakteristik, ohne die Elektronen, die dem Nitridfilm injiziert wurden, so definitiv wie beim Löschen der Daten herauszuziehen, auch realisiert werden, indem die Gatespannung oder die Drainspannung der Speicherzelle im Vergleich zu der Spannung bei der Löschoperation vermindert wird, zusätzlich zu der Einstellung der Impulsbreite auf die kurze Dauer, genauso wie bei der Spannungsbeziehung während der Datenlöschoperation. Wenn nämlich die Wortleitungsspannung für den Nachschreibimpuls als Vws definiert ist, die Bitleitungsspannung als Vbs definiert ist, die Wortleitungsspannung bei der Löschoperation als Vwe und die Bitleitungsspannung als Vbe definiert ist, kann nur die Lesecharakteristik verbessert werden, ohne die Elektronen, die dem Nitridfilm injiziert wurden, so definitiv wie beim Löschen der Daten herauszuziehen, indem die Belastungsbedingung der Nachschreiboperation eingestellt wird, um den Beziehungen wie etwa | Vws | < | Vwe | , | Vbs | < | Vbe | zu genügen.

Praktisch werden, wenn der Nachschreibimpuls nach dem Datenschreiben hinzugefügt wird, alle Bitleitungen des selektierten Speicherzellenblocks auf Vbs gesetzt, und Vws wird auf alle Wortleitungen angewendet. In diesem Fall ist das p-Typ-Substrat (oder die p-Typ-Mulde und das n-Typ-Substrat), das auf diesem Speicherzellenblock gebildet ist, geerdet. Dadurch kann die ausgezeichnete und konstante Lesecharakteristik der Speicherzelle erhalten werden.

[Effekt der Erfindung]

Die vorliegende Erfindung sieht den Effekt vor, wie oben erläutert, daß die Schreibdatenhaltecharakteristik des elektrisch löschbaren/programmierbaren nichtflüchtigen Speichers (EEPROM) ohne Veränderung des Herstellungsprozesses des Speicherzellenarrays wesentlich verbessert werden kann. Ferner ist es auch möglich, einen ähnlichen Effekt auch durch das Anwenden eines Potentials, das dem Löschpotential ähnlich ist, und lediglich durch Verkürzen der Impulslänge zu erreichen, zusammen mit dem Begleiteffekt der vorliegenden Erfindung, daß die Impulserzeugung außerhalb des EEPROM gesteuert werden kann, ohne daß in diesem Fall eine Spannungsverstärkungsschaltung oder dergleichen für solch ein Ziel neu vorgesehen werden muß.

Weiterhin ist es bei der vorliegenden Erfindung nicht mehr erforderlich, die Steuerung vollständig selbst auszuführen, indem die Zeitlagensteuerung unter Verwendung eines externen Taktes wie etwa eines CPU-Taktes oder dergleichen vorgenommen wird. Deshalb können solche zusätzlichen Effekte erreicht werden, daß die peripheren Schaltungen in dem EEPROM vereinfacht werden können und ein Mehrzweck-EEPROM direkt verwendet werden kann.

KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 ist ein Graph (Nr. 1), der die Lesecharakteristik des nichtflüchtigen Speichers des SONOS-Typs der verwandten Technik zeigt.
2 ist ein Graph (Nr. 2), der die Lesecharakteristik des nichtflüchtigen Speichers des SONOS-Typs der verwandten Technik zeigt.
3 ist ein Graph (Nr. 3), der die Lesecharakteristik des nichtflüchtigen Speichers des SONOS-Typs der verwandten Technik zeigt.
4 ist ein Charakteristikdiagramm, das die Verbesserung der Lesecharakteristik durch die Nachschreiboperation zeigt.
5 ist ein Graph, der die Veränderung der Löschzeit von dem Schreibzustand, des Schwellenwertpotentials und des S-Koeffizienten der Speicherzelle zeigt.
6 ist eine schematische Draufsicht auf das Speicherzellenarray.
7 ist ein Ersatzschaltungsdiagramm des Speicherzellenarrays (Diagramm, das ein Ersatzspeicherzellenarray zeigt, das 6 entspricht).
8 ist eine Querschnittsansicht eines wesentlichen Abschnittes des Speicherzellenarrays (Diagramm, das die Querschnittsansichten längs der Linie A-A' und B-B' von 6 zeigt).
9 ist ein Diagramm, das ein Beispiel für den Programmablauf zeigt, wobei die Nachschreiboperation hinzugefügt ist.
10 ist ein Diagramm, das ein Beispiel für den Schreibverifizierungsablauf zeigt, wobei die Nachschreiboperation hinzugefügt ist.
11 ist ein Diagramm, das ein Beispiel für eine Schaltungsstruktur zum Realisieren der Nachschreiboperation zeigt.
12 ist ein Diagramm, das ein Beispiel für die Oszillationsschaltung und deren Schaltfolge zeigt.
13 ist ein Diagramm, das ein Beispiel für die Schaltanordnung für hohe Spannung und deren Schaltfolge zeigt.
14 ist ein Diagramm, das ein Beispiel für die Bitleitungsspannungserzeugungsschaltung und deren Schaltfolge zeigt.
15 ist ein Diagramm, das ein Beispiel für die Wortleitungsspannungserzeugungsschaltung und deren Schaltfolge zeigt.
[Beschreibung der Elemente mit Bezugszeichen]

11: Wortleitung (Steuergate);
12: Bitleitung (diffundierte n-Typ-Schicht);
13: Elementisolieroxidfilm;
14: p-Typ-Substrat (oder p-Typ-Mulde und n-Typ-Substrat);
15: erster Gateoxidfilm;
16: Nitridfilm;
17: zweiter Gateoxidfilm.

EINGEHENDE BESCHREIBUNG
Nun wird eingehend Bezug auf spezifische Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung genommen, die den Modus zum Verwirklichen der Erfindung zeigen, den die Erfinder zur Zeit als den besten betrachten.
[Erste Ausführungsform]
Zu 6 bis 8:
6 ist eine schematische Draufsicht auf ein Speicherzellenarray des nichtflüchtigen Speichers auf der Basis einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. 7 ist eine Ersatzschaltung des nichtflüchtigen Speichers auf der Basis einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, die dem Speicherzellenarray entspricht, das in 6 gezeigt ist. 8(a) und 8(b) sind Querschnittsansichten des Speicherzellenarrays des nichtflüchtigen Speichers auf der Basis der bevorzugten Ausführungsform der Erfindung (8(a) ist die Querschnittsansicht längs der Linie A-A', während 8(b) die Querschnittsansicht längs der Linie B-B' ist).
In 6 sind die Sources und Drains von acht Speicherzellen in der Reihenrichtung parallel verbunden, während die Gateelektroden der benachbarten Speicherzellen in der Spaltenrichtung verbunden sind. Zur Erläuterung wird hier nur eine Speicherzelle betrachtet. Gemäß 8 wird eine Speicherzelle gebildet, indem eine Gateelektrode 11 über dem laminierten Gateisolierfilm angeordnet wird, der gebildet ist aus einem ersten Gateoxidfilm 15, der auf dem p-Typ-Substrat 14 gebildet ist, einem Nitridfilm 16, der auf einem ersten Gateoxidfilm gebildet ist, und einem zweiten Gateoxidfilm 17, der auf solch einem Nitridfilm gebildet ist. Die diffundierten n-Typ-Schichten 12 als Source und Drain dieser Speicherzellen sind gemäß 6 in der Spaltenrichtung gemeinsam gebildet. Die Source und das Drain haben eine identische Struktur, wie in 8 gezeigt, und haben bezüg lich des Gates, das in der Mitte angeordnet ist, eine liniensymmetrische Beziehung. Ferner wird gemäß 8 die Speicherzelle in dem Element mit dem Elementisolieroxidfilm 13 von der Speicherzelle isoliert, die in der Reihenrichtung angrenzt. Gleichzeitig isoliert der Elementisolieroxidfilm zwischen der Source und dem Drain gegenüber der Gateelektrode. Hier ist der Speicherzellenherstellungsprozeß, der in 8 in Form von Querschnittsansichten gezeigt ist, wie folgt. Nachdem der erste Gateoxidfilm 15 in einer Dicke von 7 nm durch Feuchtoxidation auf dem p-Typ-Substrat 14 gebildet ist, wächst zuerst der SiN-Film 16 in einer Dicke von 5 nm durch das CVD-Verfahren, und der zweite Gateoxidfilm wird in einer Dicke von 10 nm durch das Feuchtoxidationsverfahren gebildet. Dadurch wird der ONO-Film gebildet. Als nächstes wird der Bereich, der das Gate bildet, mit einem Fotoresist maskiert, und der ONO-Film in dem Bereich, der die Source und das Drain sein wird, wird durch Ätzen entfernt. In diesem Zustand wird As vertikal zu dem Substrat injiziert, um eine diffundierte Schicht 12 zu bilden. Weiterhin wird B schräg injiziert, um es in beide Seiten der diffundierten Schicht 12 zu diffundieren. Nach Entfernen des Fotoresists wird eine Feldoxidation ausgeführt, um den Elementisolieroxidfilm 13 zu bilden. Hierbei ist eine Dicke des Elementisolieroxidfilms 13 auf 50 nm festgelegt. Die Speicherzelle wird so gebildet, wie es oben erläutert ist.
Die Spalte der diffundierten Schicht, die durch Verbinden der Source und des Drains der Speicherzelle in der Reihenrichtung gebildet wird, wird zu der Bitleitung, wie in 6 gezeigt. Die Bitleitung ist durch das selektierte Gatter mit einem Leseverstärker verbunden. Gemäß 6 wird weiterhin die Gateelektrode der Speicherzelle gleichzeitig mit den Gateelektroden der benachbarten Speicherzellen durch die leitfähigen Schichten gebildet, die in der Spaltenrichtung angeordnet sind, um die Wortleitungen zu bilden. Oben ist ein Überblick über das Speicherzellenarray des nicht flüchtigen Speichers gegeben worden, auf den die vorliegende Erfindung angewendet wird.
Als nächstes werden dann Operationen des nichtflüchtigen Speichers (EEPROM) erläutert, der die Speicherzelle enthält, die so wie oben strukturiert ist. Zu 7 und 8:
[Datenlöschoperation der Speicherzelle]
Zuerst wird der Speicherzellenarrayblock selektiert, um die Daten zu schreiben. Bei den selektierten Blöcken werden die Daten von allen Speicherzellen von solch einem Block vor der Datenschreiboperation gelöscht. Wenn Daten zu löschen sind, wird eine Spannung von 7,0 (V) auf die Bitleitungen von allen selektierten Blöcken angewendet. Als nächstes wird eine Spannung von –3,0 (V) auf die Wortleitungen von allen selektierten Blöcken angewendet. Elektronen werden aus dem Nitridfilm in allen Speicherzellen von selektierten Blöcken entfernt, und der Schwellenwert wird auf dem L-Pegel "1" gehalten, indem diese Vorspannungsbedingung für etwa 10 ms beibehalten wird.
[Datenschreiboperation für eine Speicherzelle]
Als nächstes wird die Datenschreiboperation ausgeführt. Daten können in die selektierten Blöcke geschrieben werden, indem die Bitleitung, die mit dem Drain einer selektierten Speicherzelle verbunden ist, auf 5,2 (V) gesetzt wird und die Bitleitung, die mit der Source verbunden ist, auf 0 (V) gesetzt wird und 9,5 (V) auf die Wortleitung der selektierten Speicherzelle angewendet werden. In diesem Fall ist die Bitleitung, die mit der Source und dem Drain der nichtselektierten Speicherzelle verbunden ist, potentialfrei. Bezüglich der Speicherzellen, die die Bitleitungen mit der selektierten Speicherzelle gemeinsam verwenden, ist jedoch die einzelne Bitleitungsseite auf 5,2 (V) oder auf 0 (V) gesetzt. Falls das Datenschreiben während der oben erläuterten Operation ausgeführt wird, werden dem Nitridfilm Elektronen in dem Bereich nahe der diffundierten Schicht injiziert, die das Drain der selektierten Speicherzelle bildet, und der Schwellenwert gelangt auf den H-Pegel "0". Ferner wird bei den nichtselektierten Speicherzellen keine Datenschreiboperation ausgeführt.
[Anwendung eines Nachschreibimpulses auf die Speicherzelle]
Als nächstes wird die Nachschreibimpulsoperation ausgeführt. Die Nachschreibimpulsoperation kann für die selektierten Blöcke ausgeführt werden, indem das Potential von 7,0 (V) auf alle Bitleitungen der selektierten Blöcke angewendet wird. Als nächstes wird das Potential von –3,0 (V) auf alle Wortleitungen der selektierten Blöcke angewendet. Diese Vorspannungsbedingung wird für etwa 3 μs beibehalten. Dadurch kann die Lesecharakteristik von allen Speicherzellen der selektierten Blöcke verbessert werden.
Zu Tabelle 1:
Tabelle 1 zeigt ein Beispiel, bei dem Daten in die Speicherzelle M52 von 7 geschrieben werden, und zeigt auch die Beziehung des Potentials, das auf das Speicherzellenarray bei jeder oben erläuterten Operation angewendet wird.
Tabelle 1:
Als nächstes wird der Operationsablauf des nichtflüchtigen Speichers zu der Zeit der Anwendung des Nachschreibimpulses unter Bezugnahme auf 9 erläutert.
Zu 9:
9 zeigt den Operationsablauf, wobei die Veränderung mit der Zeit von jedem Potential des Gates (= Wortleitung), des Drains und der Source der Speicherzelle dargestellt ist, wenn der Nachschreibimpuls angewendet wird. Wie in der Figur gezeigt, erreicht jedes Potential des Gates (= Wortleitung), des Drains und der Source den H-Pegel (= Vwp (V)) an dem Gate (= Wortleitung) und dem Drain zuerst vor Anwendung des Nachschreibimpulses, und dadurch werden die Daten in die Speicherzelle geschrieben. Anschließend fällt zu der Zeit ts (s) die Gatespannung auf das Minuspotential Vws (V), und die Drainspannung steigt auf das positive Potential Vds (V) an. Dadurch wird der Nachschreibimpuls auf die Speicherzelle angewendet.
Zu 11 bis 15:
Als nächstes werden die Schaltung zum Realisieren der Anwendung des Nachschreibimpulses im Anschluß an die Datenschreiboperation und die Operation von solch einer Schaltung unter Bezugnahme auf deren Ausführungsform erläutert.
11 ist ein Blockdiagramm, das eine Schaltungsstruktur des EEPROM gemäß der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt. In 11 sind der Adressenpuffer zur Adressenselektion und Adressendecodierer von Reihen und Spalten weggelassen worden, und nur die Struktur des Teils bezüglich der Schreib- und Nachschreiboperationen wird gezeigt. 12(a) und 12(b) zeigen die Struktur (a) der Oszillationsschaltung des EEPROM gemäß der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung und das Impulszeitlagendiagramm (b). 13(a) und 13(b) zeigen die Struktur (a) des Schalters für hohe Spannung des EEPROM gemäß der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung und das Impulszeitlagendiagramm (b). 14(a) und 14(b) zeigen die Struktur (a) der Bitleitungsspannungserzeugungsschaltung des EEPROM gemäß der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung und das Impulszeitlagendiagramm (b). 15(a) und 15(b) zeigen die Struktur der Wortleitungsspannungserzeugungsschaltung des EEPROM gemäß der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung und das Impulszeitlagendiagramm (b).
Die in 12(a) gezeigte Oszillationsschaltung gibt einer Zählerschaltung Count1, wenn der Datenschreibbefehl von einer externen Schaltung eingegeben wird, eine Oszillation des Oszillators (OSC) ein, um einen vorläufigen Impuls (Prg-Impuls) für die Datenschreiboperation zu erzeugen. Der Impuls (realer Prg-Impuls) für das Datenschreiben wird mit der Zählerschaltung Count2 bei der ansteigenden Flanke (Periode) von diesem Prg-Impuls und der Oszillation von OSC erzeugt.
Als nächstes wird, wie in 12(b) gezeigt, die Zählerschaltung Count3 den Impuls (leichter oder feiner Ers-Impuls) für die Nachschreiboperation erzeugen, der erhalten wird, indem die ansteigende Flanke (Periode) des Prg-Impulses mit der Verzögerung, die ansteigende Flanke des realen Prg-Impulses und die Oszillation von OSC multipliziert werden. Dieser Prg-Impuls, der reale Prg-Impuls und der feine Ers-Impuls sind als HVSW- und WLOUT-Steuersignale definiert.
Die Schaltanordnung für hohe Spannung (HVSW), die in 13(a) gezeigt ist, korrigiert die Logik zum Steuern der Spannung, die der Bitleitung BL zuzuführen ist. Der reale Prg-Impuls und der feine Ers-Impuls werden mit der HVSW von der positiven Logik in die negative Logik konvertiert. Gleichzeitig wird auch die Spannung konvertiert, und dadurch wird der reale Prg-Impuls in die Bitleitungsspannung für die Datenschreiboperation konvertiert, und der feine Ers-Impuls wird in die Bitleitungsspannung für die Nachschreiboperation konvertiert. Und zwar wird mit der HVSW der reale Prg-Impuls in den realen Prg-HV-Impuls B konvertiert, und der feine Ers-Impuls wird in den feinen Ers-HV-Impuls B konvertiert. Der obige Konvertierungsablauf ist in 13(b) gezeigt.
Die Bitleitungsspannungserzeugungsschaltung, die in 14(a) gezeigt ist, ist eine Spannungserzeugungsschaltung des Operationsverstärkertyps. Die Operationszeit wird jedoch nur durch die Bedingung definiert, wenn der reale Prg-Impuls, der von dem OSC-Teil ausgegeben wird, auf dem Pegel H ist. Die Bitleitungsspannungserzeugungsschaltung erzeugt den Spannungsimpuls, wie in 14(b) gezeigt, der auf die Bitleitung anzuwenden ist, durch Kombinieren des realen Prg-HV-Impulses B und des feinen Ers-HV-Impulses B. Der Spannungsimpuls, der oben erläutert wurde und mit der Bitleitungsspannungserzeugungsschaltung erzeugt wird, hat zwei Arten von verschiedenen Amplituden der Bitleitungsspannung zur Datenschreiboperation und der Bitleitungsspannung zur Nachschreiboperation.
Die Wortleitungsspannungserzeugungsschaltung, die in 15(a) gezeigt ist, steuert die Spannung, die auf die Wortleitung anzuwenden ist, und verwendet einen Konvertierungsschalter für hohe Spannung. Wenn die Steuersignale Realer Prg-Impuls und Feiner Ers-Impuls in dem H-aktiven Zustand sind, werden individuelle Spannungen auf die Wortleitungen angewendet. Wenn nämlich der reale Prg-Impuls auf dem H-Pegel ist, wird die Spannung Vwp auf die Wortleitung angewendet, und zu der Zeit des feinen Ers-Impulses wird die Spannung Vws der Wortleitung aufgedrückt. Gemäß der Struktur der Wortleitungsspannungserzeugungsschaltung, die in 15(a) gezeigt ist, wird die Spannung Vws zum Vereinfachen der Erläuterung auf 0 (V) gesetzt. Es ist jedoch auch möglich, die Schaltung abzuwandeln, um die negative Spannung Vws vorzusehen.
Oben ist eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung erläutert worden, aber verschiedene Abwandlungen sind möglich, wie es später erläutert wird. Zum Beispiel kann ein ähnlicher Effekt auch im Falle eines NOR-Verbindungstyps oder NAND-Verbindungstyps ohne Beziehung zu dem Verbindungsformat der Speicherzelle erreicht werden. Darüber hinaus kann für die Anwendung des Nachschreibimpulses auf die Speicherzelle im wesentlichen eine beliebige Zeitlage selektiert werden. wenn die Daten in die Speicherzelle geschrieben sind, kann nämlich der Nachschreibimpuls nach dem Datenschreiben oder unmittelbar vor der Datenleseoperation angewendet werden. Als Material für die Ladungseinfangschicht wird beispielsweise ein sogenannter ONO-Film verwendet, der erhalten wird, indem die Oxidfilme auf den oberen und unteren Oberflächen des Nitridfilms gebildet werden, um den Nitridfilm sandwichartig dazwischen anzuordnen, aber es ist auch möglich, anstelle solch eines ONO-Films Isoliermaterial zu verwenden, welches die Ladungen leicht einfangen kann. Zum Beispiel ist es auch möglich, anstelle des Nitridfilms Al₂O₃ (Aluminiumoxid) oder Ta₂O₅ (Tantalpentoxid) einzusetzen. Und zwar kann die gestapelte Schicht aus Siliziumoxid/Al₂O₃ (Aluminiumoxid)/Siliziumoxid oder die gestapelte Schicht aus Siliziumoxid/Ta₂O₅ (Tantalpentoxid)/Siliziumoxid anstelle des ONO-Films eingesetzt werden. Und weiterhin kann. auch ein ON-Film (ein gestapelter Film aus Siliziumoxid/Siliziumnitrid) anstelle des ONO-Films verwendet werden. Des weiteren kann ein gestapelter Film aus Siliziumoxid/Ta₂O₅ (Tantalpentoxid) oder ein gestapelter Film aus Siliziumoxid/Al₂O₃ (Aluminiumoxid) eingesetzt werden. Ferner sind verschiedene Materialien für die Ladungseinfangschicht anstelle der oben als Beispiel genannten Materialien verwendbar, falls es alle der folgenden Anforderungen von (a) bis (d) erfüllt.
(a) Breiterer Bandabstand
Im Vergleich zu dem Siliziumoxidfilm sollte es einen breiteren Bandabstand haben. Denn Siliziumoxid wird nicht als Barrierenschicht fungieren können, und ferner ist eine sehr hohe Energie zur Elektroneninjektion erforderlich, wenn es keinen breiteren Bandabstand hat.
(b) Einfangkonzentration
Seine Einfangkonzentration sollte mäßig oder vergleichsweise hoch sein.
(c) Einfangniveau
Sein Einfangniveau sollte im Vergleich zu Wärmeenergie bei Raumtemperatur tiefer sein. Es wird oft ein Ladungsverlust auftreten, wenn sein Einfangniveau nicht tiefer als die Wärmeenergie ist.
(d) Kompatibilität mit Silizium oder Siliziumoxid
Es sollte ohne weiteres mit Silizium oder Siliziumoxid kompatibel sein, einfach weil es leicht abscheidbar sein sollte, um einen Film auf Silizium oder Siliziumoxid zu bilden.
Die Anwendbarkeit eines Materials hängt nicht direkt von der Art des Metallelementes selbst des Materials ab, aber sie kann davon abhängen, wie viele freie Bindungen in dem Material enthalten sein können. Falls die Gesamtmenge an freien Bindungen in dem Material sehr groß ist, kann das Material vorteilhaft auf die Ladungseinfangschicht angewen det werden.
Obwohl die obige erste Ausführungsform eine Flash-EEPROM-Vorrichtung (Flash-Speicher) zeigt, kann die vorliegende Erfindung auch auf eine Hybridvorrichtung wie etwa einen Flash-Speicher und eine Logikvorrichtung oder auf andere Halbleitervorrichtungen angewendet werden, die für eine Flash-Speicherfunktion geeignet sind.
[Zweite Ausführungsform]
Bei der obigen ersten Ausführungsform wird der Nachschreibimpuls, der dem Potential zu der Zeit einer Löschoperation ähnlich ist, aber eine Dauer hat, die dem Niveau extrem ähnlich ist, das im wesentlichen nicht zu der Datenlöschoperation beiträgt, der nichtflüchtigen Speicherzelle nach der Datenschreiboperation aufgedrückt, aber bei der folgenden zweiten Ausführungsform wird die Operation erläutert, wenn die Funktion, die der Anwendung des Nachschreibimpulses ähnlich ist, während der Verifizierung hinzugefügt wird.
Die Beziehung des Potentials, das auf das Speicherzellenarray während jeder Operation anzuwenden ist, stimmt mit dem Beispiel von [Tabelle 1] überein, die in der [Ersten Ausführungsform], die oben erläutert wurde, angeführt ist.
Als nächstes werden unten die Prozeduren zum Anwenden des Nachschreibimpulses durch das Erzeugen solch eines Impulses umrissen.
Zu 10:
10 ist ein Diagramm, das einen Programmablauf gemäß der zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt, wobei ein Beispiel für den Operationsablauf zur Verifizierungsdatenschreiboperation dargestellt ist. Beim Start der Datenschreiboperation werden zuerst für einen ersten Speicherblock, wie in 10 gezeigt, der Zähler N zum Zählen der Anzahl der Male der Datenschreiboperation und ein Flag M zum Registrieren dessen, ob die Daten geschrieben sind oder nicht, als Resultat der Verifizierungsoperation vorbereitet, und dieser Zähler N wird zu Beginn der Datenschreiboperation auf 1 gesetzt (N = 1). Da noch keine Daten geschrieben sind, wird gleichzeitig das Flag M auf 0 gesetzt (M = 0). Da eine Verifizierungsoperation sequentiell nach dem Ende des relevanten Speicherblocks ausgeführt wird, wird anschließend zuerst die Startadresse für die Verifizierungsoperation erkannt, und die Daten werden versuchsweise aus der Speicherzelle gelesen, die der relevanten Startadresse entspricht, um zu verifizieren, ob die Daten tatsächlich geschrieben worden sind oder nicht. Falls Daten nicht normal geschrieben sind, wird die Datenschreiboperation ausgeführt, und das Flag M wird auf 1 gesetzt (M = 1). Wenn die Daten normal geschrieben sind, wird das Flag M auf 0 gesetzt (M = 0), ohne Daten neu zu schreiben, und die Schreiboperation für die Speicherzelle, die der nächsten Adresse entspricht, wird verifiziert. Für die Datenleseoperation wird nämlich die Wortleitungsspannung des selektierten Bits auf den Schreibpegel von 4,5 (V) gesetzt, wird die Bitleitung, die mit dem Drain verbunden ist, auf 1,6 (V) gesetzt und wird die Bitleitung, die mit der Source verbunden ist, auf 0 (V) gesetzt. Die Beziehung zwischen der Source und dem Drain während der Leseoperation ist jedoch gegenüber der Beziehung zwischen der Source und dem Drain, die zu der Zeit des Schreibens des Bits voreingestellt wurde, invertiert. Die Beziehung zwischen der Source und dem Drain ist invertiert, wie oben erläutert, weil Elektronen in dem Bereich nahe der diffundierten Schicht, die das Drain bildet, zu der Zeit der Datenschreiboperation eingefangen werden, und wenn das Drain und die Source invertiert sind, kann eine größere Verschiebung des Schwellenwertes erreicht werden, wie es auch in dem Abschnitt [Verwandte Technik] beschrieben wurde. In diesem Fall ist das Substrat geerdet. Ein Strom, der in die selektierte Speicherzelle fließt, fließt auch in die Bestimmungsschaltung und wird als Pegel 1 bestimmt, wenn er höher als der Referenzstrom ist, oder als Pegel 0, wenn er niedriger als der Referenzstrom ist. Wenn die Verschiebung des Schwellenwertes nicht ausreicht und in der Speicherzelle, in die die Daten geschrieben wurden, als 1 bestimmt wird, wird die Schreiboperation für solch eine Speicherzelle ausgeführt. Solch eine Operation wird sequentiell für alle Speicherzellen in dem relevanten Speicherzellenblock ausgeführt, und wenn die Datenverifizierung für die Speicherzelle entsprechend aller Adressen vollendet ist, wird als Resultat der Verifizierung im Verlaufe der Operation gemäß dem Flag M bestimmt, ob bei irgendeiner Speicherzelle in dem relevanten Speicherblock eine Neuschreiboperation ausgeführt werden sollte oder nicht. Wenn tatsächlich M ≠ 0 bestimmt wird, wird angenommen, daß die Neuschreiboperation irgendwo ausge führt wurde, und in diesem Fall wird ein Wert des Zählers N geprüft, der die Anzahl der Male der Anwendung des Nachschreibimpulses auf den Speicherblock zählt. wenn die Anzahl der Male der Anwendung des Nachschreibimpulses auf den relevanten Speicherblock zu groß ist und zum Beispiel 10 oder mehr beträgt, wird darin eine Fehlererzeugung vermutet, um den Prozeß unter der Annahme zu beenden, daß eine Wiederherstellung unmöglich ist. Falls nicht, wird der Nachschreibimpuls auf alle Speicherzellen in dem relevanten Speicherblock angewendet. Wenn danach Eins (1) zu der Anzahl N für die Anwendung des Nachschreibimpulses hinzugefügt wird, kehrt danach der Prozeß zu der ersten Routine zurück, um zu verifizieren, ob die normale Schreiboperation für denselben Speicherblock wieder ausgeführt wird oder nicht. Oben wurde ein Überblick über den Prozeß als Beispiel für die Einführung der Operation der Nachschreibimpulsanwendung bei dem Datenverifizierungsprozeß gegeben. Wenn eine Serie der obigen Schreiboperation vollendet ist, beträgt die Wortleitungsspannung, die den Referenzstrom der Speicherzelle erreicht, in die Daten geschrieben werden, 4,5 (V) oder mehr des Schreibpegels, unter der Bedingung, daß die Drainspannung 1,6 (V) und die Sourcespannung 0 (V) beträgt.
Wenn in dieser Ausführungsform der Schreibbefehl von der externen Schaltung eingegeben wird, ist der Impuls der Nachschreiboperation im Anschluß an den Schreibimpuls in den peripheren Schaltungen automatisch erzeugt worden. Es ist jedoch auch möglich, den Löschimpuls mit dem externen Befehl direkt zu erzeugen.
Auch in dem Fall, wenn eine Zeitlagensteuerung des Nachschreibimpulses in einer anderen Schaltung außerhalb des EEPROM extern ausgeführt wird, ist es vorteilhaft, wenn der Nachschreibimpuls selbst innerhalb des EEPROM als Reaktion auf einen externen Zeitlagenimpuls erzeugt wird, aber der externe Zeitlagenimpuls in solch einer externen Schaltung erzeugt wird.
Zurück zu 11:
Um die obige Signalstruktur zu realisieren, wird die Oszillationsschaltung von 11 durch eine CPU [Central Processing Unit] (Zentrale Verarbeitungseinheit) ersetzt, die außerhalb des EEPROM von 11 angeordnet sein soll. Das heißt, jeder von dem Prg-Impuls, dem realen Prg-Impuls und dem feinen Ers-Impuls ist innerhalb der CPU zu erzeugen. Da in dieser Situation die CPU selbst gewöhnlich kein Signal mit hoher Spannung erzeugen kann, ist jede von der Schaltanordnung für hohe Spannung, der Bitleitungsspannungserzeugungsschaltung und der Wortleitungsspannungserzeugungsschaltung innerhalb des EEPROM zu bilden.
Sofern die obige Signalstruktur nicht befolgt wird, sollte ein externes Signal mit hoher Spannung der EEPROM-Schaltung eingegeben werden. Jedoch sind Hochleistungstransistoren in einer externen Schaltung erforderlich, um ein Signal mit hoher Spannung zu erzeugen, und deshalb scheint dies nicht günstiger als obiges zu sein. Falls eine andere Schaltung, die ein Signal mit hoher Spannung erzeugen kann, anstelle der obigen CPU eingesetzt wird, kann jedoch dann der Nachschreibimpuls vorteilhaft angewendet werden, der von, außerhalb des EEPROM eingegeben wird.

Claims

Speicherzelle für eine nichtflüchtige Halbleiterspeichervorrichtung (EEPROM), die ein Speicherzellenarray enthält, in dem eine Vielzahl von Speicherzellen, die eine elektrische Programmierung durch die Übertragung von Ladungen zwischen einer Ladungseinfangschicht und einem Halbleitersubstrat ermöglichen, in der Form einer Matrix angeordnet ist, wobei jede von solchen Zellen durch sequentielles Laminieren, auf dem Halbleitersubstrat, eines ersten Gateoxidfilms, gebildet ist, die Ladungseinfangschicht aus einem Isoliermaterial, welches Ladungen leichter als ein Siliziumoxidfilm einfängt, einem Gateisolierfilm, der aus einem zweiten Gateoxidfilm gebildet ist, und einer Gateelektrode gebildet ist, bei der Elektronen, nachdem Daten in die Speicherzelle geschrieben sind, teilweise aus der Ladungseinfangschicht entfernt werden.
Speicherzelle nach Anspruch 1, die unter der Bedingung von 0 ≤ | Vws | ≤ | Vwe | , 0 ≤ | Vbs | ≤ | Vbe | , ts ≤ te umfaßt: ein Mittel zum Schreiben von Daten in die Speicherzellen durch Anwenden von Spannungen Vwp auf die Gateelektrode und Vdp auf das Drain der Speicherzellen; ein Mittel zum Löschen von Daten aus den Speicherzellen durch Anwenden der Löschspannungen Vwe auf den Gateisolierfilm und Vbe auf die Source und das Drain der Speicherzellen für te Sekunden; und ein Mittel zum Entfernen eines Teils der Elektronen durch Anwenden der Spannung Vwe auf den Gateisolierfilm und der Spannung Vbs auf die Source und das Drain nach der Datenschreiboperation für ts Sekunden.
Speicherzelle nach Anspruch 2, bei der ein Teil von Elektronen unter der Spannungsbedingung von Vbs = Vdp entfernt wird.
Speicherzelle nach Anspruch 1 bis 3, bei der beim Ausführen der Datenverifizierungsschreiboperation, nachdem Daten in das Speicherzellenarray geschrieben sind, ein Teil der Elektronen entfernt wird und die Verifizierungsoperation ausgeführt wird und solche Operationen wiederholt werden, bis die Daten hinreichend geschrieben sind.
Datenhalteverfahren zum Anwenden einer Spannung für einen kurzen Zeitraum auf eine nichtflüchtige Halbleiterspeichervorrichtung (EEPROM), durch Gleichsetzen der Spannung mit der Spannung zum Löschen der Daten, die in der Speicherzelle gespeichert sind, um einen Teil der Elektronen zu entfernen, matrixförmiges Anordnen einer Vielzahl von Speicherzellen eines Speicherzellenarrays der nichtflüchtigen Halbleiterspeichervorrichtung, welche Speicherzellen eine elektrische Neuprogrammierung durch die Übertragung von Ladungen zwischen einer Ladungseinfangschicht und einem Halbleitersubstrat ermöglichen, und Bilden jeder von solchen Zellen durch sequentielles Laminieren eines ersten Gateoxidfilms auf dem Halbleitersubstrat, wobei die Ladungseinfangschicht aus einem Isoliermaterial, welches Ladungen leichter als ein Siliziumoxidfilm einfängt, einem Gateisolierfilm, der aus einem zweiten Gateoxidfilm gebildet ist, und einer Gateelektrode gebildet ist.
Datenhalteverfahren der nichtflüchtigen Halbleiterspeichervorrichtung nach Anspruch 5, das unter der Bedin gung von 0 ≤ | Vws | ≤ | Vwe | , 0 ≤ | Vbs | ≤ | Vbe | , ts ≤ te folgende Schritte umfasst: Schreiben von Daten in die Speicherzellen durch Anwenden von Spannungen Vwp auf die Gateelektrode und Vdp auf das Drain der Speicherzellen; Löschen von Daten aus den Speicherzellen durch Anwenden der Löschspannungen Vwe auf den Gateisolierfilm und Vbe auf die Source und das Drain der Speicherzellen für te Sekunden; und Entfernen eines Teils der Elektronen durch Anwenden der Spannung Vwe auf den Gateisolierfilm und der Spannung Vbs auf die Source und das Drain nach der Datenschreiboperation für ts Sekunden.
Datenhalteverfahren der nichtflüchtigen Halbleiterspeichervorrichtung nach Anspruch 6, wobei ein Teil von Elektronen unter der Spannungsbedingung von Vbs = Vdp entfernt wird.
Datenhalteverfahren der nichtflüchtigen Halbleiterspeichervorrichtung nach Anspruch 5 bis 7, bei dem beim Ausführen der Datenverifizierungsschreiboperation, nachdem Daten in das Speicherzellenarray geschrieben sind, ein Teil der Elektronen entfernt wird und die Verifizierungsoperation ausgeführt wird und solche Operationen wiederholt werden, bis die Daten hinreichend geschrieben sind.
EEPROM, bei dem eine Speicherzelle mit einer Ladungseinfangschicht verwendet wird, die Ladungen leichter als ein Siliziumoxidfilm einfangen kann; und der für eine Datenschreiboperation durch eine Aktion zum Injizieren von Ladungen in die Ladungseinfangschicht geeignet ist, an die sich eine Aktion zum teilweisen Herausziehen der Ladung aus der Ladungseinfangschicht anschließt.
EEPROM nach Anspruch 9, bei dem die Ladungseinfangschicht Silizium und Stickstoff umfaßt.
EEPROM nach Anspruch 9, bei dem die Ladungseinfangschicht einen Siliziumnitridfilm umfaßt.
EEPROM nach Anspruch 9, bei dem die Ladungseinfangschicht einen gestapelten Film aus Siliziumoxid/Siliziumnitrid umfaßt.
EEPROM nach Anspruch 9, bei dem die Ladungseinfangschicht einen gestapelten Film aus Siliziumoxid/Aluminiumoxid umfaßt.
EEPROM nach Anspruch 9, bei dem die Ladungseinfangschicht einen gestapelten Film aus Siliziumoxid/Tantaloxid umfaßt.
EEPROM nach den Ansprüchen 12 bis 14, bei dem die Ladungseinfangschicht ferner zuoberst Siliziumoxid umfaßt.
EEPROM nach Anspruch 9, bei dem die Aktion zum teilweisen Herausziehen der Ladung aus der Ladungseinfangschicht durch eine Aktion zum Hinzufügen eines verkürzten Impulses mit denselben Potentialen wie bei einer Datenlöschoperation an der Speicherzelle ausgeführt wird.
EEPROM nach Anspruch 9, bei dem die Aktion zum teilweisen Herausziehen der Ladung aus der Ladungseinfangschicht nach der Datenschreiboperation ohne irgendwelche externen Impulse automatisch erfolgt.
EEPROM nach Anspruch 9, bei dem die Aktion zum teilweisen Herausziehen der Ladung aus der Ladungseinfangschicht nach der Datenschreiboperation mit einer vorbestimmten Zeitverzögerung automatisch erfolgt.
EEPROM nach Anspruch 9, bei dem die Aktion zum teilweisen Herausziehen der Ladung aus der Ladungseinfangschicht durch einen Impuls ausgeführt wird, der in einer Impulserzeugungsschaltung erzeugt wird; und die Impulserzeugungsschaltung durch das Eingeben eines externen Signals aktiviert wird.
EEPROM nach Anspruch 9, bei dem die Aktion zum teilweisen Herausziehen der Ladung aus der Ladungseinfangschicht durch einen Impuls ausgeführt wird, der extern erzeugt wird und vor der Datenschreiboperation eingegeben wird.