DE102004062969A1

DE102004062969A1 - Flash-Speichervorrichtung und Verfahren zu deren Programmieren und Löschen

Info

Publication number: DE102004062969A1
Application number: DE102004062969A
Authority: DE
Inventors: Jin Hyo Jung
Original assignee: DongbuAnam Semiconductor Inc
Current assignee: DB HiTek Co Ltd
Priority date: 2003-12-31
Filing date: 2004-12-28
Publication date: 2005-09-08
Also published as: US20050141281A1; US7538378B2; US20090206382A1; JP2005197683A; JP4485932B2; US7804121B2

Abstract

Beschrieben wird eine Flash-Speichervorrichtung und Verfahren zu deren Programmieren und Löschen, um die Programmier- und Löscheigenschaften durch Änderung einer Struktur eines schwebenden Gates (203) sicherzustellen, wobei die Flash-Speichervorrichtung ein Halbleitersubstrat (201) eines ersten Leitungstyps, das als Feldbereich und aktiver Bereich definiert ist, eine Tunneloxidschicht (202) auf dem aktiven Bereich des Halbleitersubstrates (201) des ersten Leitungstyps, ein schwebendes Gate (203) auf der Tunneloxidschicht, mit zumindest einem ersten und einem zweiten schwebenden Gate (203a, 203b), die verschiedene Energiebandabstand-Niveaus aufweisen, eine dielektrische Schicht (204) auf dem schwebenden Gate (203), ein Steuer-Gate (205) auf der dielektrischen Schicht (204) und Source-/Drain-Bereiche (S, D) eines zweiten Leitungstyps im aktiven Bereich des Halbleitersubstrates (201) des ersten Leitungstyps auf beiden Seiten des schwebenden Gates (203) umfaßt.

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Flash-Speichervorrichtung und auf Verfahren zu deren Programmieren und Löschen. Insbesondere bezieht sie sich auf eine Flash-Speichervorrichtung und auf Verfahren zu deren Programmieren und Löschen, um ihre Programmier- und Löscheigenschaften durch Änderung einer Struktur eines schwebenden Gates sicherzustellen.

Erörterung des Standes der Technik

Unter den Halbleiterspeichervorrichtungen sind nicht-flüchtige Speichervorrichtungen insofern optimale Vorrichtungen, als es für einen Benutzer möglich ist, Daten einfach durch Umschalten eines Speicherzustandes mit einem elektrischen Verfahren zu programmieren, und es ebenfalls möglich ist, den Speicherzustand von Daten selbst dann aufrecht zu erhalten, wenn die Spannungsversorgung abgeschaltet ist.

Beim Herstellungsverfahren unterteilt man nicht-flüchtige Speichervorrichtungen allgemein in solche mit einem schwebenden Gate und in MIS (Metall-Isolator-Halbleiter), wobei die MIS aus zwei oder drei dielektrischen Schichten gebildet sind.

Bei der nicht-flüchtigen Speichervorrichtung sind die Speichereigenschaften durch Verwendung eines Potentialtopfs verwirklicht. Im einzelnen ist eine ETOX (EPROM-Tunneloxid)-Struktur eines EEPROM (Electrically Erasable & Programmable Read Only Memory = elektrisch löschbarer und programmierbarer Festwertspeicher) eine der typischsten Arten von nichtflüchtigen Speichern mit einem schwebenden Gate.

Unterdessen erfüllt die nicht-flüchtige MIS-Speichervorrichtung eine Speicherfunktion durch Verwendung von Fangstellen, die in einer dielektrischen Schicht, im Substrat, an der Dielektrikum-Grenzfläche der dielektrischen Schicht und an der Dielektrikum-Grenzfläche des Halbleiters verbleiben.

Anhand der beigefügten Zeichnungen werden nun Verfahren zum Programmieren und Löschen einer nicht-flüchtigen Speichervorrichtung mit schwebendem Gate beschrieben.

1 zeigt eine Querschnittsdarstellung einer Speichervorrichtung mit einer ETOX-Struktur als bekannte nicht-flüchtige Speichervorrichtung mit schwebendem Gate.

Bei einer bekannten Flash-Speichervorrichtung, wie sie in 1 gezeigt ist, werden eine Tunneloxidschicht 102, ein schwebendes Gate 103, eine dielektrische Schicht 104 und ein Steuer-Gate 105 nacheinander auf ein p-Halbleitersubstrat 101 aufgebracht. Dabei werden in der Oberfläche des p-Halbleitersubstrates 101 auf beiden Seiten der aufgebrachten Struktur ein Source-Bereich S und ein Drain-Bereich D gebildet.

Verfahren zum Programmieren und Löschen der nicht-flüchtigen Speichervorrichtung mit schwebendem Gate werden nachfolgend beschrieben.

Beim Programmierverfahren werden Elektronen in einen Potentialtopf im schwebenden Gate injiziert, wodurch eine Schwellenspannung ansteigt. Beim Löschverfahren werden Löcher in den Potentialtopf injiziert, wodurch die Löcher mit den Elektronen rekombinieren und dabei die Schwellenspannung gesenkt wird.

Dabei werden die Elektronen und die Löcher im allgemeinen in einem Verfahren zur Injektion energiereicher Elektronen (heißer Elektronen) und einem Verfahren zur Injektion energiereicher Löcher (heißer Löcher) injiziert. Beim Löschen hat dies im Falle der Verwendung eines F-N (Fowler-Nordheim)-Tunnelns an Stelle des Verfahrens zur Injektion energiereicher Löcher nachteilige Eigenschaften, wie eine geringe Löschgeschwindigkeit. Diesbezüglich wird zumeist das Verfahren zur Injektion energiereicher Löcher verwendet.

Die bekannten Programmier- und Löschverfahren haben jedoch die folgenden Nachteile: Zum Programmieren und Löschen werden meist das Verfahren zur Injektion energiereicher Elektronen und das Verfahren zur Injektion energiereicher Löcher verwendet, wodurch Einfangstellen in der Grenzfläche zwischen der Tunneloxidschicht und dem Halbleitersubstrat oder im Inneren der Tunneloxidschicht oder in der Grenzfläche zwischen der Tunneloxidschicht und dem schwebenden Gate entstehen. Dies führt dazu, daß es aufgrund der Einfangstellen unmöglich ist, eine konstante Schwellenspannung aufrecht zu erhalten. Zudem werden die im schwebenden Gate gespeicherten Elektronen oder Löcher über Einfangstellen entladen.

ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG

Die vorliegende Erfindung bezieht sich daher auf eine Flash-Speichervorrichtung und auf Verfahren zu deren Programmieren und Löschen, durch die ein oder mehrere durch Beschränkungen und Nachteile des Standes der Technik bedingte Probleme im wesentlichen beseitigt werden.

Ein Ziel der vorliegenden Erfindung ist die Bereitstellung einer Flash-Speichervorrichtung und von Verfahren zu deren Programmieren und Löschen, um die Programmier- und Löscheigenschaften durch Änderung einer Struktur eines schwebenden Gates sicherzustellen.

Zusätzliche Vorteile, Ziele und Merkmale der Erfindung sind teils in der nachfolgenden Beschreibung erörtert und ergeben sich für den Durchschnittsfachmann teils beim Studium der nachfolgenden Beschreibung oder bei der Ausführung der Erfindung. Diese Ziele und weitere Vorteile der Erfindung können durch die insbesondere in der vorliegenden schriftlichen Beschreibung und den Ansprüchen sowie in den beigefügten Zeichnungen dargelegte Struktur verwirklicht und erreicht werden.

Um diese Ziele und weiteren Vorteile zu erreichen und gemäß dem Zweck der Erfindung, wie sie hier ausgeführt und allgemein beschrieben ist, umfaßt eine Flash-Speichervorrichtung ein Halbleitersubstrat eines ersten Leitungstyps, das als Feldbereich und aktiver Bereich definiert ist, eine Tunneloxidschicht auf dem aktiven Bereich des Halbleitersubstrates des ersten Leitungstyps, ein schwebendes Gate auf der Tunneloxidschicht, mit zumindest einem ersten und einem zweiten schwebenden Gate, die verschiedene Energieabstand-Niveaus aufweisen, eine dielektrische Schicht auf dem schwebenden Gate, ein Steuer-Gate auf der dielektrischen Schicht und Source-/Drain-Bereiche eines zweiten Leitungstyps im aktiven Bereich des Halbleitersubstrates des ersten Leitungstyps auf beiden Seiten des schwebenden Gates.

Gemäß einem anderen Aspekt umfaßt eine Flash-Speichervorrichtung ein Halbleitersubstrat eines ersten Leitungstyps, das als Feldbereich und aktiver Bereich definiert ist, eine Tunneloxidschicht auf dem aktiven Bereich des Halbleitersubstrates des ersten Leitungstyps, ein erstes und ein zweites schwebendes Gate, die auf der Tunneloxidschicht parallel geschaltet sind, eine dielektrische Schicht auf dem ersten schwebenden Gate, ein Steuer-Gate auf der dielektrischen Schicht und Source-/Drain-Bereiche eines zweiten Leitungstyps im aktiven Bereich des Halbleitersubstrates des ersten Leitungstyps auf beiden Seiten des ersten schwebenden Gates.

Die dielektrische Schicht ist dabei als Struktur aus Oxidschicht-Nitridschicht-Oxidschicht ausgebildet.

Zudem weist das zweite schwebende Gate einen höheren Energiebandabstand als das Halbleitersubstrat und einen niedrigeren Energiebandabstand als die dielektrische Schicht auf.

Gemäß einem anderen Aspekt umfaßt ein Verfahren zur Programmierung der Flash-Speichervorrichtung mit einem ersten und einem zweiten schwebenden Gate, die auf einem Halbleitersubstrat eines ersten Leitungstyps in Kontakt miteinander stehen, mit einem Steuer-Gate auf dem ersten schwebenden Gate und mit Source-/Drain-Bereichen eines zweiten Leitungstyps auf dem Halbleitersubstrat auf beiden Seiten des ersten schwebenden Gates, wobei das zweite schwebende Gate einen höheren Energiebandabstand als das erste schwebende Gates aufweist, und das zweite schwebende Gate implantierte Dotierungsionen eines zweiten Leitungstyps aufweist, Schritte, bei denen eine positive (+) Spannung an das Steuer-Gate und eine Massespannung oder eine negative (–) Spannung an das zweite schwebende Gate angelegt wird und die Source-/Drain-Bereiche und das Halbleitersubstrat zum Schweben bzw. auf ein freies Potential gebracht werden, wodurch im zweiten schwebenden Gate Elektronen erzeugt werden, die an das erste schwebende Gate übertragen und dort gespeichert werden.

Gemäß einem anderen Aspekt umfaßt ein Verfahren zum Löschen der Flash-Speichervorrichtung mit einem ersten und einem zweiten schwebenden Gate, die auf einem Halbleitersubstrat eines ersten Leitungstyps in Kontakt miteinander stehen, mit einem Steuer-Gate auf dem ersten schwebenden Gate und mit Source-/Drain-Bereichen eines zweiten Leitungstyps auf dem Halbleitersubstrat auf beiden Seiten des ersten schwebenden Gates, wobei das zweite schwebende Gate einen höheren Energiebandabstand als das erste schwebende Gates aufweist, und das zweite schwebende Gate implantierte Dotierungsionen eines zweiten Leitungstyps aufweist, und wobei das erste schwebende Gate gespeicherte Elektronen aufweist, Schritte, bei denen in das erste schwebende Gate Löcher zur Induzierung einer Rekombination der Löcher mit den im ersten schwebenden Gate gespeicherten Elektronen injiziert oder die im ersten schwebenden Gate gespeicherten Elektronen durch ein F-N-Tunnelverfahren zum Halbleitersubstrat hin entladen werden.

Gemäß einem anderen Aspekt umfaßt eine Flash-Speichervorrichtung ein Halbleitersubstrat eines ersten Leitungstyps, das als Feldbereich und aktiver Bereich definiert ist, eine Tunneloxidschicht auf dem aktiven Bereich, ein erstes und ein zweites schwebendes Gate, die auf der Tunneloxidschicht parallel geschaltet sind, eine dielektrische Schicht, die auf dem ersten und auf dem zweiten schwebenden Gate ausgebildet ist, ein Steuer-Gate auf der dielektrischen Schicht und Source-/Drain-Bereiche eines zweiten Leitungstyps im aktiven Bereich des Halbleitersubstrates des ersten Leitungstyps auf beiden Seiten des ersten/zweiten schwebenden Gates.

Dabei hat das erste schwebende Gate eine Breite, die (kleiner oder) gleich einer Breite einer Sperrschicht der Source-/Drain-Bereiche ist.

Zudem weist das zweite schwebende Gate einen höheren Energiebandabstand als das erste schwebende Gate und einen niedrigeren Energiebandabstand als die dielektrische Schicht auf.

Gemäß einem anderen Aspekt umfaßt ein Verfahren zur Programmierung der Flash-Speichervorrichtung mit einem ersten und einem zweiten schwebenden Gate, die auf einem Halbleitersubstrat parallel geschaltet sind, mit einem Tunneloxid zwischen dem ersten und dem zweiten schwebenden Gate und dem Substrat, mit einem Steuer-Gate auf dem ersten und zweiten schwebenden Gate und mit Source-/Drain-Bereichen eines zweiten Leitungstyps im Halbleitersubstrat auf beiden Seiten des ersten und des zweiten schwebenden Gates, wobei das zweite schwebende Gate einen höheren Energiebandabstand als das erste schwebende Gate aufweist, Schritte, bei denen eine positive (+) Spannung an das Steuer-Gate und an den Drain-Bereich angelegt wird, und das Halbleitersubstrat und der Source-Bereich auf Masse gelegt werden, wodurch die energiereichen Elektronen durch die Tunneloxidschicht in das zweite schwebende Gate injiziert werden, und die in das zweite schwebende Gate injizierten Elektronen zum ersten schwebenden Gate übertragen werden.

Gemäß einem anderen Aspekt umfaßt ein Verfahren zum Löschen der Flash-Speichervorrichtung mit einem ersten und einem zweiten schwebenden Gate, die auf einem Halbleitersubstrat in Kontakt miteinander stehen, mit einem Tunneloxid zwischen dem ersten und dem zweiten schwebenden Gate und dem Substrat, mit einem Steuer-Gate auf dem ersten und dem zweiten schwebenden Gate und mit Source-/Drain-Bereichen eines zweiten Leitungstyps im Halbleitersubstrat auf beiden Seiten des ersten und des zweiten schwebenden Gates, wobei das zweite schwebende Gate einen höheren Energiebandabstand als das erste schwebende Gate aufweist, und im ersten schwebenden Gate Elektronen gespeichert werden, Schritte, bei denen jeweils eine negative (–) und eine positive (+) Spannung an das Steuer-Gate bzw. an den Drain-Bereich angelegt und das Halbleitersubstrat und der Source-Bereich auf Masse gelegt oder zum Schweben gebracht werden, wodurch in einem Sperrschichtbereich des Drain-Bereichs Löcher erzeugt werden, die durch die Tunneloxidschicht in das zweite schwebende Gate injiziert werden, wobei die in das zweite schwebende Gate injizierten Löcher zum ersten schwebenden Gate übertragen und mit den gespeicherten Elektronen rekombiniert werden.

Gemäß einem anderen Aspekt umfaßt eine Flash-Speichervorrichtung ein Halbleitersubstrat eines ersten Leitungstyps, das als Feldbereich und aktiver Bereich definiert ist, eine Tunneloxidschicht auf dem aktiven Bereich des Halbleitersubstrates des ersten Leitungstyps, ein erstes und ein zweites/drittes schwebendes Gate, die auf der Tunneloxidschicht in Kontakt miteinander stehen, wobei das zweite/dritte schwebende Gate auf beiden Seiten des ersten schwebenden Gates ausgebildet sind, eine dielektrische Schicht auf dem ersten schwebenden Gate, ein Steuer-Gate auf der dielektrischen Schicht und Source-/Drain-Bereiche eines zweiten Leitungstyps im aktiven Bereich des Halbleitersubstrates des ersten Leitungstyps auf beiden Seiten des ersten schwebenden Gates.

Das zweite und das dritte schwebende Gate sind dabei über den Source-/Drain-Bereichen gebildet.

Zudem weisen das zweite und das dritte schwebende Gate einen höheren Energiebandabstand als das erste schwebende Gate und einen niedrigeren Energiebandabstand als die dielektrische Schicht auf.

Außerdem werden in das zweite schwebende Gate Dotierungsionen des zweiten Leitungstyps und in das dritte schwebende Gate Dotierungsionen des ersten Leitungstyps implantiert.

Gemäß einem anderen Aspekt umfaßt ein Verfahren zur Programmierung der Flash-Speichervorrichtung mit einem ersten schwebenden Gate und einem zweiten/dritten schwebenden Gate, die auf einem Halbleitersubstrat eines. ersten Leitungstyps parallel geschaltet sind, wobei das zweite/dritte schwebende Gate auf beiden Seiten des ersten schwebenden Gates gebildet sind, mit einem Steuer-Gate auf dem ersten schwebenden Gate und mit Source-/Drain-Bereichen eines zweiten Leitungstyps, die im Halbleitersubstrat auf beiden Seiten des ersten schwebenden Gates gebildet sind, wobei das zweite und das dritte schwebende Gate einen höheren Energiebandabstand als das erste schwebende Gates aufweisen, wobei in das zweite schwebende Gate Dotierungsionen eines zweiten Leitungstyps und in das dritte schwebende Gate Dotierungsionen eines ersten Leitungstyps implantiert sind, Schritte, bei denen eine positive (+) Spannung an das Steuer-Gate, eine Massespannung oder eine negative (–) Spannung an das zweite schwebende Gate angelegt wird und die Source-/Drain-Bereiche und das Halbleitersubstrat zum Schweben gebracht werden, wodurch im zweiten schwebenden Gate Elektronen erzeugt werden, die zum ersten schwebenden Gate übertragen und dort gespeichert werden.

Gemäß einem anderen Aspekt umfaßt ein Verfahren zum Löschen der Flash-Speichervorrichtung mit einem ersten und einem zweiten/dritten schwebenden Gate, die auf einem Halbleitersubstrat eines ersten Leitungstyps parallel geschaltet sind, wobei das zweite/dritte schwebende Gate auf beiden Seiten des ersten schwebenden Gates gebildet sind, einem Steuer-Gate auf dem ersten schwebenden Gate und Source-/Drain-Bereichen eines zweiten Leitungstyps, die im Halbleitersubstrat auf beiden Seiten des ersten schwebenden Gates ausgebildet sind, wobei das zweite und das dritte schwebende Gate einen höheren Energiebandabstand als das erste schwebende Gate aufweisen, wobei in das zweite schwebende Gate Dotierungsionen eines zweiten Leitungstyps implantiert sind, in das dritte schwebende Gate Dotierungsionen eines ersten Leitungstyps implantiert sind und im ersten schwebenden Gate Elektronen gespeichert sind, Schritte, bei denen eine Massespannung oder eine negative (–) Spannung an das Steuer-Gate angelegt wird, eine positive (+) Spannung an das dritte schwebende Gate angelegt wird und die Source-/Drain-Bereiche, das Halbleitersubstrat und das zweite schwebende Gate zum Schweben gebracht werden, wodurch im dritten schwebenden Gate Löcher erzeugt werden, die mit den im ersten schwebenden Gate gespeicherten Elektronen rekombiniert werden.

Es versteht sich, daß sowohl die vorstehende allgemeine Beschreibung als auch die nachfolgende detaillierte Beschreibung der vorliegenden Erfindung beispielhaft und erläuternd sind und zur näheren Erläuterung der beanspruchten Erfindung dienen.

KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN

Die beigefügten Zeichnungen, die dazu dienen, die Erfindung noch verständlicher zu machen, und in diese Anmeldung aufgenommen sowie Teil derselben sind, zeigen Ausführungsformen der Erfindung und dienen zusammen mit der Beschreibung zur Erläuterung des erfindungsgemäßen Prinzips. In den Zeichnungen zeigen:

1 eine Querschnittsdarstellung einer Speichervorrichtung mit einer ETOX-Struktur von bekannten nicht-flüchtigen Speichervorrichtungen mit schwebendem Gate,

2 eine Querschnittsdarstellung einer Flash-Speichervorrichtung gemäß der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung,

3 eine Beispielsansicht zur Erläuterung des Energiebandes und der Übertragung von Elektronen in einer Passivierungsschicht/einem zweiten schwebenden Gate/einem ersten schwebenden Gate/einer Passivierungsschicht entlang I-I' in 2,

4 eine Querschnittsdarstellung einer Flash-Speichervorrichtung gemäß der zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung,

5 eine Beispielsansicht zur Erläuterung des Energiebandes und der Übertragung von Elektronen in einem Halbleitersubstrat/einer Tunneloxidschicht/einem zweiten schwebenden Gate/einer ersten dielektrischen Schicht/einem Steuer-Gate entlang II-II' in 4,

6 eine Beispielsansicht zur Erläuterung des Energiebandes und der Übertragung von Elektronen in einer Passivierungsschicht/einem zweiten schwebenden Gate/einem ersten schwebenden Gate/einer Passivierungsschicht entlang II-II' in 4,

7 eine Beispielsansicht zur Erläuterung des Energiebandes und der Übertragung von Löchern in einem Halbleitersubstrat/einer Tunneloxidschicht/einem zweiten schwebenden Gate/einer dielektrischen Schicht/einem Steuer-Gate entlang II-II' in 4,

8 eine Beispielsansicht zur Erläuterung des Energiebandes und der Übertragung von Löchern in einer Passivierungsschicht/einem zweiten schwebenden Gate/einem ersten schwebenden Gate/einer Passivierungsschicht entlang II-II' in 4,

9 eine Querschnittsdarstellung einer Flash-Speichervorrichtung gemäß der dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung,

10 eine Beispielsansicht zur Erläuterung des Energiebandes und der Übertragung von Elektronen in einer Passivierungsschicht/einem zweiten schwebenden Gate/einem ersten schwebenden Gate/einem dritten schwebenden Gate/einer Passivierungsschicht entlang III-III' in 9 und

11 eine Beispielsansicht zur Erläuterung des Energiebandes und der Übertragung von Löchern in einer Passivierungsschicht/einem zweiten schwebenden Gate/einem ersten schwebenden Gate/einem dritten schwebenden Gate/einer Passivierungsschicht entlang III-III' in 9.

DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG

Nun wird näher auf die bevorzugten Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung eingegangen, die anhand von Beispielen in den beigefügten Zeichnungen veranschaulicht sind. In den Zeichnungen sind, soweit möglich, durchgehend die gleichen Bezugszeichen zur Kennzeichnung gleicher oder ähnlicher Teile verwendet.

Nachfolgend werden eine Flash-Speichervorrichtung und Verfahren zu deren Programmieren und Löschen gemäß der vorliegenden Erfindung anhand der beigefügten Zeichnungen beschrieben.

Erste Ausführungsform

2 zeigt eine Querschnittsdarstellung einer Flash-Speichervorrichtung gemäß der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. In der Flash-Speichervorrichtung gemäß der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist, wie in 2 gezeigt, ein Halbleitersubstrat 201 als Feldbereich und als aktiver Bereich definiert und im Feldbereich eine (nicht gezeigte) Vorrichtungstrennschicht ausgebildet.

Im aktiven Bereich des Halbleitersubstrates 201 werden nacheinander eine Tunneloxidschicht 202, ein schwebendes Gate 203, eine dielektrische Schicht 204 und ein Steuer-Gate 205 ausgebildet. Dabei kann das Halbleitersubstrat 201 als n-Typ oder p-Typ ausgebildet sein, wobei zur einfacheren Erläuterung das p-Halbleitersubstrat beschrieben wird. Wenngleich dies nicht gezeigt ist, wird auf eine gesamte Oberfläche des Halbleitersubstrates 201, einschließlich des Steuer-Gates 205, eine Passivierungsschicht aufgebracht.

Die dielektrische Schicht 204 kann als Struktur aus Oxidschicht-Nitridschicht-Oxidschicht ausgebildet sein. Zudem können das schwebende Gate 203 und das Steuer-Gate 205 aus Polysilizium gebildet sein, in das n-Dotierungsionen implantiert sind. Das schwebende Gate 203 besteht aus einem ersten schwebenden Gate 203a und einem zweiten schwebenden Gate 203b, wobei die Breite des ersten schwebenden Gates 203a der Breite des Steuer-Gates 205 entspricht.

Dann werden n-Dotierungsionen auf beiden Seiten des ersten schwebenden Gates 203a/des Steuer-Gates 205 in das Halbleitersubstrat 201 implantiert, wodurch ein Source-Bereich S und ein Drain-Bereich D gebildet werden. Das zweite schwebende Gate 203b steht in Kontakt mit dem ersten schwebenden Gate 203a und ist auf der Tunneloxidschicht 202 so ausgebildet, daß es mit dem Source-Bereich S oder dem Drain-Bereich D überlappt. Dabei erstreckt sich die Tunneloxidschicht 202 bis zu einem vorbestimmten Grad zum Source-Bereich S oder zum Drain-Bereich D. Die Breite des zweiten schwebenden Gates 203b ist dabei nicht begrenzt. Beispielsweise wird das zweite schwebende Gate 203b mit einer vorbestimmten Mindestbreite ausgebildet, um dort eine Vorspannung anzulegen und Auswirkungen auf Abstandshalter und Silizid, die im Source-Bereich S oder im Drain-Bereich D gebildet werden, zu vermeiden.

Zudem ist das erste schwebende Gate 203a aus Polysilizium gebildet. Das zweite schwebende Gate 203b ist aus einem Material mit einem Energieband (Eg) gebildet, das größer ist als das des Siliziums Si (Eg-1,1eV) des Halbleitersubstrates 201 oder des ersten schwebenden Gates 203a und kleiner ist als das der Oxidschicht SiO₂ der dielektrischen Schicht 204, die mit dem ersten schwebenden Gate 203a in Kontakt steht. Beispielsweise kann das zweite schwebende Gate 203b aus einer der chemischen Halbleiterverbindungen Sic, Alp, AlSb, GaP, GaAs, InP, ZnS, ZnSe, ZnTe, CdS, CdSe und CdTe oder aus einem der Oxide Al₂O₃, Y₂O₃, HfO₂, ZrO₂, BaZrO₂, BaTiO₃, Ta₂O₅, CaO, SrO, BaO, La₂O₃, Ce₂O₃, Pr₂O₃, Nd₂O₃, Pm₂O₃, Sm₂O₃, Eu₂O₃, Gd₂O₃, Tb₂O₃, Db₂O₃, Dy₂O₃, Ho₂O₃, Er₂O₃, Tm₂O₃, Yb₂O₃ und Lu₂O₃ gebildet sein. Das zweite schwebende Gate 203b ist zudem mit Dotierungsionen des Leitungstyps dotiert, der dem des Halbleitersubstrates 201 entgegengesetzt ist. Beispielsweise werden, wenn das Halbleitersubstrat 201 p-dotiert ist, n-Dotierungsionen in das zweite schwebende Gate 203b implantiert. Dagegen werden, wenn das Halbleitersubstrat 201 n-dotiert ist, p-Dotierungsionen in das zweite schwebende Gate 203b implantiert.

Nachfolgend wird ein Programmierverfahren unter Verwendung der Flash-Speichervorrichtung gemäß der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung beschrieben.

3 zeigt eine Beispielsansicht zur Erläuterung des Energiebandes und der Übertragung von Elektronen in der Passivierungsschicht/dem zweiten schwebenden Gate/dem ersten schwebenden Gate/der Passivierungsschicht entlang I-I' in 2.

Zur Datenprogrammierung wird zunächst eine positive (+) Spannung (Vg) an das Steuer-Gate 205 und eine Massespannung oder eine negative (–) Spannung (Vf2) an das zweite schwebende Gate 203b angelegt. Dabei werden der Source-Bereich (Vs) S, der Drain-Bereich (Vd) D und das Halbleitersubstrat (Vsub) 201 zusammen zum Schweben gebracht. Es ist dabei bevorzugt, die an das Steuer-Gate 205 und an das zweite schwebende Gate 203b angelegte Spannung unter Bedingungen anzulegen, bei denen eine große Anzahl direkter Elektroneninjektionen erzeugt wird.

Wenn die Spannung unter diesen Bedingungen angelegt wird, werden aufgrund der am zweiten schwebenden Gate 203b anliegenden Vorspannung Elektronen erzeugt, da das zweite schwebende Gate 203b mit den n-Dotierungsionen dotiert ist. Dann werden die erzeugten Elektronen zu einem Leitungsband (Ec) des ersten schwebenden Gates 203a mit einem stabilen Energiepotential übertragen. Dabei erstreckt sich ein am Steuer-Gate 205 anliegendes elektrisches Feld über das erste schwebende Gate 203a zum zweiten schwebenden Gate 203b, so daß vom zweiten schwebenden Gate 203b injizierte Elektronen in einem Potentialtopf des ersten schwebenden Gates 203a gespeichert werden.

Das Verfahren zur Übertragung der im zweiten schwebenden Gate 203b erzeugten Elektronen zum ersten schwebenden Gate 203a wird nachfolgend erläutert.

Zunächst bedeutet der Energiebandabstand (Eg) die zur Übertragung der Elektronen von einem Valenzband (Ev) zum Leitungsband (Ec) erforderliche Energie. Wie 3 zeigt, liegt das Niveau des Energiebandabstandes (Eg) in der Reihenfolge erstes schwebendes Gate 203a, zweites schwebendes Gate 203b und Passivierungsschicht vor. Dies bedeutet, daß der Energiebandabstand (Eg) beim ersten schwebenden Gate 203a hoch und bei der Passivierungsschicht niedrig liegt.

Das zweite schwebende Gate 203b ist aus dem Material mit dem Energieband (Eg) gebildet, das größer als das von Silizium Si (Eg-1,1eV) und kleiner als das der Oxidschicht SiO₂ ist, und das zweite schwebende Gate 203b steht mit dem ersten schwebenden Gate 203a aus dem Polysiliziummaterial in Kontakt. Dies führt dazu, daß die Elektronen des Leitungsbandes des zweiten schwebenden Gates 203b zum Leitungsband des ersten schwebenden Gates 203a übertragen werden, das stabiler ist. Dabei werden die mittels dem elektrischen Feld zum Leitungsband des ersten schwebenden Gates 203a übertragenen Elektronen stabil im Potentialtopf des ersten schwebenden Gates 203a gespeichert, wodurch die Schwellenspannung steigt. Somit ist das Verfahren zur Programmierung der Flash-Speichervorrichtung gemäß der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung abgeschlossen.

Wie zuvor beschrieben, ist das schwebende Gate bei der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung aus zwei Materialien (erstes schwebendes Gate 203a und zweites schwebendes Gate 203b) mit unterschiedlichen Energiebandabstand-Niveaus gebildet. Zudem ist das zweite schwebende Gate 203b aus dem Halbleiter gebildet, in den n-Dotierungsionen implantiert sind, und der Energiebandabstand des zweiten schwebenden Gates 203b ist größer als der Energiebandabstand des ersten schwebenden Gates 203a. Somit werden die Elektronen aus dem zweiten schwebenden Gate 203b durch die am zweiten schwebenden Gate 203b anliegende Vorspannung erzeugt, und die erzeugten Elektronen werden zum ersten schwebenden Gate 203a übertragen. Dann werden die zum ersten schwebenden Gate 203a übertragenen Elektronen im ersten schwebenden Gate 203a stabil gespeichert, solange keine Spannung von außen her angelegt wird. Dies führt dazu, daß die angelegte Schwellenspannung stabil bleibt.

Bei der bekannten Injektion der Elektronen in das schwebende Gate durch die Tunneloxidschicht entsteht in der Grenzfläche und im Inneren der Tunneloxidschicht eine Einfangstelle. Bei der vorliegenden Erfindung besteht das Problem einer Einfangstelle jedoch nicht.

Dagegen wird, wie beim bekannten Löschverfahren, bei einem Verfahren zum Löschen der Flash-Speichervorrichtung gemäß der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ein Verfahren zur Injektion energiereicher Löcher verwendet. Dabei werden Löcher zum Potential des ersten schwebenden Gates 203a injiziert, so daß die Rekombination von Löchern mit den im ersten schwebenden Gate 203a gespeicherten Elektronen induziert werden kann, wodurch die Schwellenspannung verringert wird. Neben dem Verfahren zur Injektion energiereicher Löcher können die im ersten schwebenden Gate 203a gespeicherten Elektronen auch mit einem F-N-Tunnelverfahren zum Halbleitersubstrat entladen werden, um die Schwellenspannung zu verringern.

Zweite Ausführungsform

Nachfolgend wird eine Flash-Speichervorrichtung gemäß der zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung beschrieben. 4 zeigt eine Querschnittsdarstellung einer Flash-Speichervorrichtung gemäß der zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.

In der Flash-Speichervorrichtung gemäß der zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist, wie in 4 gezeigt, ein Halbleitersubstrat 201 als Feldbereich und als aktiver Bereich definiert und im Feldbereich eine (nicht gezeigte) Vorrichtungstrennschicht ausgebildet. Dabei kann das Halbleitersubstrat 201 als n-Typ oder p-Typ ausgebildet sein, wobei zur einfacheren Erläuterung das p-Halbleitersubstrat beschrieben wird.

Im aktiven Bereich des Halbleitersubstrates 201 werden nacheinander eine Tunneloxidschicht 202, ein schwebendes Gate 203, eine dielektrische Schicht 204 und ein Steuer-Gate 205 gebildet. Dann werden auf beiden Seiten des ersten schwebenden Gates 203a/des Steuer-Gates 205 n-Dotierungsionen in das Halbleitersubstrat 201 implantiert, wodurch ein Source-Bereich S und ein Drain-Bereich D gebildet werden. Wenngleich dies nicht gezeigt ist, wird auf einer gesamten Oberfläche des Halbleitersubstrates 201, einschließlich des Steuer-Gates 205, eine Passivierungsschicht gebildet.

Die dielektrische Schicht 204 kann als Struktur aus Oxidschicht-Nitridschicht-Oxidschicht ausgebildet sein. Das Steuer-Gate 205 kann aus Polysilizium gebildet sein, in das n-Dotierungsionen implantiert sind. Zudem besteht das schwebende Gate 203 aus einem ersten schwebenden Gate 203a und einem zweiten schwebenden Gate 203b. Eine Breite 'd1' des zweiten schwebenden Gates 203b ist (kleiner oder) gleich einer Breite 'd2' eines Sperrschichtbereichs 206, der sich vom Drain-Bereich D aus erstreckt. Bevorzugt ist die Breite 'd1' des zweiten schwebenden Gates 203 in einem Bereich von 400Å bis 600Å festgelegt. Zudem ist das erste schwebende Gate 203a aus Polysilizium gebildet. Das zweite schwebende Gate 203b ist aus einem Material mit einem Energiebandabstand (Eg) gebildet, der größer ist als der des Siliziums Si (Eg-1,1eV) des Halbleitersubstrates 201 oder des ersten schwebenden Gates 203a und kleiner als der der Oxidschicht SiO₂ der dielektrischen Schicht 204, die mit dem ersten schwebenden Gate 203a in Kontakt steht. Das zweite schwebende Gate 203b ist aus dem gleichen Material wie das gemäß der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung gebildet.

Nachfolgend werden Verfahren zum Programmieren und Löschen der Flash-Speichervorrichtung gemäß der zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung beschrieben.

5 zeigt eine Beispielsansicht zur Erläuterung des Energiebandes und der Übertragung von Elektronen im Halbleitersubstrat/in der Tunneloxidschicht/im zweiten schwebenden Gate/in der dielektrischen Schicht/im Steuer-Gate entlang II-II' in 4. 6 zeigt eine Beispielsansicht zur Erläuterung des Energiebandes und der Übertragung von Elektronen in der Passivierungsschicht/dem zweiten schwebenden Gate/dem ersten schwebenden Gate/der Passivierungsschicht entlang I-I' in 4.

Zur Programmierung von Daten werden zunächst vorbestimmte positive (+) Spannungen (Vg, Vd) an das Steuer-Gate 205 und an den Drain-Bereich D angelegt, und der Source-Bereich (Vs) S und das Halbleitersubstrat (Vsub) 201 werden auf Masse gelegt. Dabei haben die Spannungen (Vg, Vd), die an das Steuer-Gate 205 und an den Drain-Bereich D angelegt werden, optimale Bedingungen, unter denen eine große Anzahl von Injektionen energiereicher Elektronen erzeugt wird.

Durch Anlegen einer Vorspannung werden Elektronen vom Source-Bereich S an einen Kanalbereich unter der Tunneloxidschicht 202 übertragen. Dann werden die Elektronen durch ein in der Horizontalen angelegtes elektrisches Feld beschleunigt, wodurch energiereiche Elektronen um den Drain-Bereich D herum entstehen. Danach, wenn die energiereichen Elektronen durch ein vertikales elektrisches Feld, das durch die am Steuer-Gate 205 anliegende positive (+) Spannung gebildet wird, zur Tunneloxidschicht 202 hin transferiert werden, überwinden die energiereichen Elektronen eine Energiebarriere zwischen dem Halbleitersubstrat 201 und der Tunneloxidschicht 202. Anschließend werden die energiereichen Elektronen in ein Leitungsband (Ec) des zweiten schwebenden Gates 203b injiziert.

Nun wird das Verfahren zur Übertragung der Elektronen vom Kanalbereich des Halbleitersubstrates 201 an das zweite schwebende Gate 203b anhand der 5 beschrieben. Gemäß 5 ist die Energie, die benötigt wird, um den Energiebandabstand (Eg) zu überspringen, für jede Materialschicht im Zustand gezeigt, in dem Materialschichten in der Reihenfolge Halbleitersubstrat/Tunneloxidschicht/zweites schwebendes Gate/dielektrische Schicht/Steuer-Gate gebildet sind.

Wie 5 zeigt, liegt das Niveau des Energiebandabstandes (Eg) in der Reihenfolge Leiter, Halbleiter und Isolator vor, wobei der Energiebandabstand (Eg) des Leiters hoch und der des Isolators niedrig liegt. Zur Übertragung der im Kanalbereich des Halbleitersubstrates 201 verbleibenden Elektronen in das Leitungsband des zweiten schwebenden Gates 203b ist es erforderlich, die Energie zur Überwindung des Energiebandabstandes der Tunneloxidschicht 202 anzulegen. Diese Energie wird erhalten, wenn die Elektronen durch die am Drain-Bereich D anliegende Spannung beschleunigt werden. Bei diesem Verfahren überwinden die im Kanalbereich des Halbleitersubstrates 201 verbliebenen Elektronen die Tunneloxidschicht 202 und werden dann an das Leitungsband des zweiten schwebenden Gates 203b übertragen.

Wie zuvor beschrieben, ist das zweite schwebende Gate 203b aus dem Material mit dem Energiebandabstand (Eg) gebildet, der größer als der von Silizium Si und kleiner als der von Siliziumoxid SiO₂ ist, und das zweite schwebende Gate 203b steht mit dem ersten schwebenden Gate 203a aus dem Polysiliziummaterial in Kontakt. Dies führt dazu, daß die im Leitungsband des zweiten schwebenden Gates 203b verbleibenden Elektronen an das Leitungsband des ersten schwebenden Gates 203a übertragen werden, das stabiler ist.

Nun wird das Verfahren zur Übertragung der Elektronen des zweiten schwebenden Gates 203b an das erste schwebende Gate anhand 6 beschrieben. Dies bedeutet, daß bei der Struktur aus Passivierungsschicht/zweitem schwebenden Gate/erstem schwebenden Gate/Passivierungsschicht die im Leitungsband (Ec) des zweiten schwebenden Gates 203b verbleibenden Elektronen zum Leitungsband (Ec) des ersten schwebenden Gates 203a übertragen werden, wobei der Energiebandabstand im Leitungsband des ersten schwebenden Gates 203a niedriger als der im Leitungsband des zweiten schwebenden Gates 203b ist. Danach werden die durch die Tunneloxidschicht 202 in das zweite schwebende Gate 203b injizierten Elektronen in einen Potentialtopf des ersten schwebenden Gates 203a übertragen. Damit ist das Verfahren zur Programmierung der Flash-Speichervorrichtung gemäß der zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung abgeschlossen.

Beim Verfahren zum Programmieren der Flash-Speichervorrichtung gemäß der zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung werden die vom Source-Bereich S übertragenen Elektronen im Kanalbereich benachbart dem Drain-Bereich D in die energiereichen Elektronen umgewandelt. Danach überwinden die energiereichen Elektronen die Potentialbarriere der Tunneloxidschicht 202 und werden dann zum schwebenden Gate übertragen. In dieser Hinsicht ist dieses Programmierverfahren gemäß der zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung dem bekannten Programmierverfahren sehr ähnlich. Beim Verfahren zum Programmieren der Flash-Speichervorrichtung gemäß der zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist das schwebende Gate jedoch aus zwei Materialien (dem ersten schwebenden Gate 203a und dem zweiten schwebenden Gate 203b) mit unterschiedlichen Energiebandabstand-Niveaus gebildet. Zudem ist der Energiebandabstand des zweiten schwebenden Gates 203b höher als der Energiebandabstand des ersten schwebenden Gates 203a, wodurch die in das zweite schwebende Gate 203b injizierten Elektronen spontan zum ersten schwebenden Gate 203a übertragen werden. Daher entstehen, wie im Stand der Technik, Einfangstellen in der Grenzfläche und im Inneren der Tunneloxidschicht 202 unter dem zweiten schwebenden Gate 203b, in das die Elektronen injiziert sind. Die in das zweite schwebende Gate 203b injizierten Elektronen werden jedoch an das erste schwebende Gate 203a mit dem niedrigeren Energiebandabstand übertragen, wodurch die über die Einfangstellen injizierten Elektronen nicht entladen werden. Um die im ersten schwebenden Gate 203a gespeicherten Elektronen in das Halbleitersubstrat zu entladen, muß das zweite schwebende Gate 203b passiert werden, das einen höheren Energiebandabstand als das erste schwebende Gate 203a aufweist. Solange die Spannung nicht von außen am ersten schwebenden Gate 203a anliegt, werden die Elektronen im ersten schwebenden Gate 203a gespeichert, wodurch die angelegte Schwellenspannung stabil gehalten wird.

Nachfolgend wird ein Verfahren zum Löschen der Flash-Speichervorrichtung gemäß der zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung beschrieben, bei dem ähnlich wie beim Programmierverfahren vorgegangen wird.

7 zeigt eine Beispielsansicht zur Erläuterung des Energiebandes und der Übertragung von Löchern im Halbleitersubstrat/in der Tunneloxidschicht/im zweiten schwebenden Gate/in der dielektrischen Schicht/im Steuer-Gate entlang II-II' in 4. 8 zeigt eine Beispielsansicht zur Erläuterung des Energiebandes und der Übertragung von Löchern in der Passivierungsschicht/dem zweiten schwebenden Gate/dem ersten schwebenden Gate/der Passivierungsschicht entlang I-I' in 4.

Zum Löschen der programmierten Daten werden eine negative (–) Spannung (Vg) an das Steuer-Gate 205 und eine positive (+) Spannung (Vd) an den Drain-Bereich D angelegt. Zudem werden der Source-Bereich (Vs) S und das Halbleitersubstrat (Vsub) 201 gleichzeitig auf Masse gelegt oder zum Schweben gebracht. Es ist dabei bevorzugt, die am Steuer-Gate 205 und am Drain-Bereich D anliegenden Spannungen unter Bedingungen bereitzustellen, unter denen eine große Anzahl von Injektionen energiereicher Löcher erzeugt wird.

Wenn die Spannungen unter diesen Bedingungen angelegt werden, so werden im Sperrschichtbereich 206 des Drain-Bereichs D erzeugte Löcher, wie in 7 gezeigt, durch die Tunneloxidschicht 202 in ein Valenzband des zweiten schwebenden Gates 203 injiziert. Dann werden die in das Valenzband des zweiten schwebenden Gates 203b injizierten Löcher, wie in 8 gezeigt, an das Valenzband des ersten schwebenden Gates 203a übertragen, wobei der Energiebandabstand im Valenzband des ersten schwebenden Gates niedriger als der im Valenzband des zweiten schwebenden Gates ist. Die zum Valenzband des ersten schwebenden Gates 203a übertragenen Löcher werden mit den in das Leitungsband des ersten schwebenden Gates 203a injizierten Elektronen rekombiniert, wodurch die Schwellenspannung abfällt. Damit werden die im ersten schwebenden Gate 203a gespeicherten Elektronen entfernt, so daß die Flash-Speichervorrichtung im Löschzustand gehalten wird.

Wie beim Programmierverfahren werden beim Löschverfahren die Löcher ebenfalls durch das zweite schwebende Gate 203b injiziert, wobei die injizierten Löcher an das erste schwebende Gate 203a übertragen werden, welches das stabilere Energieniveau aufweist. Damit können die Probleme vermieden werden, die durch die in der Grenzfläche und im Inneren der Tunneloxidschicht 202 unter dem zweiten schwebenden Gate 203b gebildeten Einfangstellen entstehen.

Dritte Ausführungsform

Nun wird eine Flash-Speichervorrichtung gemäß der dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung anhand der 9 beschrieben. 9 zeigt eine Querschnittsdarstellung einer Flash-Speichervorrichtung gemäß der dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Bei der Flash-Speichervorrichtung gemäß der dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, wie sie in 9 gezeigt ist, werden eine Tunneloxidschicht 402, ein schwebendes Gate 403, eine dielektrische Schicht 404 und ein Steuer-Gate 405 nacheinander auf einen aktiven Bereich eines p-Typ-Halbleitersubstrates 401, das durch eine (nicht gezeigte) Vorrichtungstrennschicht festgelegt ist, aufgebracht.

Das schwebende Gate 403 besteht aus einem ersten schwebenden Gate 403a, einem zweiten schwebenden Gate 403b und einem dritten schwebenden Gate 403c, wobei das erste schwebende Gate 403a in der Mitte zwischen dem zweiten schwebenden Gate 403b und dem dritten schwebenden Gate 403c angeordnet ist. Das erste schwebende Gate 403a ist dabei mit einer Breite ausgebildet, die der des Steuer-Gates 405 entspricht.

Dann werden auf beiden Seiten des ersten schwebenden Gates 403a/des Steuer-Gates 405 n-Dotierungsionen in das Halbleitersubstrat 401 implantiert, wodurch ein Source-Bereich S und ein Drain-Bereich D gebildet werden. Das zweite schwebende Gate 403b und das dritte schwebende Gate 403c, die in Kontakt mit dem ersten schwebenden Gate 403a stehen, sind daher auf der Tunneloxidschicht 402 des Source-Bereichs S oder des Drain-Bereichs D ausgebildet. Dabei erstreckt sich die Tunneloxidschicht 402 bis zu einem vorbestimmten Grad zum Source-Bereich S und zum Drain-Bereich D. Wenn gleich dies nicht gezeigt ist, wird zudem auf einer gesamten Oberfläche des Halbleitersubstrates 401, einschließlich des Steuer-Gates 405, eine Passivierungsschicht gebildet.

Die dielektrische Schicht 404 kann als Struktur aus Oxidschicht-Nitridschicht-Oxidschicht ausgebildet sein. Zudem kann das Steuer-Gate 405 aus Polysilizium gebildet sein, in das n-Dotierungsionen implantiert sind. Dabei ist die Breite sowohl des zweiten als auch des dritten schwebenden Gates 403b bzw. 403c nicht begrenzt, wobei sie mit einer vorbestimmten Mindestbreite ausgebildet sind, um dort eine Vorspannung anzulegen und Auswirkungen auf Abstandshalter und Silizid, die im Source-Bereich S oder im Drain-Bereich D gebildet werden, zu vermeiden.

Zudem ist das erste schwebende Gate 403a aus Polysilizium gebildet. Das zweite schwebende Gate 403b und das dritte schwebende Gate 403c sind aus einem Material mit einem Energieband (Eg) gebildet, das größer als das des Siliziums Si (Eg-1,1eV) des Halbleitersubstrates 401 oder des ersten schwebenden Gates 203a und kleiner als das der Oxidschicht SiO₂ der dielektrischen Schicht 404 ist, die mit dem ersten schwebenden Gate 403a in Kontakt steht. Das zweite schwebende Gate 403b und das dritte schwebende Gate 403 können insbesondere aus dem gleichen Material wie dem bei der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung erläuterten gebildet sein. Dann werden Dotierungsionen mit unterschiedlichen Leitungstypen in das zweite bzw. das dritte schwebende Gate 403b bzw. 403c implantiert. Beispielsweise werden in das zweite schwebende Gate 403b n-Dotierungsionen und in das dritte schwebende Gate 403c p-Dotierungsionen implantiert.

Nachfolgend werden Verfahren zum Programmieren und Löschen der Flash-Speichervorrichtung gemäß der dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung beschrieben.

10 zeigt eine Beispielsansicht zur Erläuterung des Energiebandes und der Übertragung von Elektronen in der Passivierungsschicht/dem zweiten schwebenden Gate/dem ersten schwebenden Gate/dem dritten schwebenden Gate/der Passivierungsschicht entlang II-II' in 9. 11 zeigt eine Beispielsansicht zur Erläuterung des Energiebandes und der Übertragung von Elektronen in der Passivierungsschicht/dem zweiten schwebenden Gate/dem ersten schwebenden Gate/dem dritten schwebenden Gate/der Passivierungsschicht entlang III-III' in 9.

Das Verfahren zum Programmieren der Flash-Speichervorrichtung gemäß der dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist dem Verfahren zum Programmieren der Flash-Speichervorrichtung gemäß der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung sehr ähnlich. Zunächst werden eine positive (+) Spannung (Vg) an das Steuer-Gate 405 und eine Massespannung oder eine negative (–) Spannung (Vf2) an das zweite schwebende Gate 403b angelegt. Gleichzeitig werden der Source-Bereich (Vs) S, der Drain-Bereich (Vd) D, das Halbleitersubstrat (Vsub) 401 und das dritte schwebende Gate (Vf3) 403c zusammen zum Schweben gebracht.

Wenn die Spannung unter diesen Bedingungen angelegt wird, werden aufgrund der am zweiten schwebenden Gate 403b anliegenden Vorspannung Elektronen erzeugt, da das zweite schwebende Gate 403b mit den n-Dotierungsionen dotiert ist. Dann werden, wie 10 zeigt, die Elektronen zu einem Leitungsband (Ec) des ersten schwebenden Gates 403a, das ein stabileres Energiepotential als das zweite schwebende Gate 403b aufweist, übertragen. Dabei erstreckt sich ein am Steuer-Gate 405 anliegendes elektrisches Feld über das erste schwebende Gate 403a zum zweiten schwebenden Gate 403b, so daß vom zweiten schwebenden Gate 403b injizierte Elektronen in einem Potentialtopf des ersten schwebenden Gates 403a gespeichert werden, wodurch die Schwellenspannung steigt.

Das Verfahren zum Löschen der Flash-Speichervorrichtung gemäß der dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird anhand der 11 beschrieben. Zum Löschen der programmierten Daten werden zunächst eine Massespannung oder eine negative (–) Spannung an das Steuer-Gate 405 und eine positive (+) Spannung an das dritte schwebende Gate 403c angelegt. Gleichzeitig werden der Source-Bereich S/der Drain-Bereich D, das Halbleitersubstrat 401 und das zweite schwebende Gate 403b zusammen zum Schweben gebracht. Es ist dabei bevorzugt, die an das Steuer-Gate 405 und an das dritte schwebende Gate 403c angelegten Spannungen unter Bedingungen anzulegen, unter denen eine große Anzahl direkter Injektionen erzeugt wird.

Wenn die Spannungen unter diesen Bedingungen angelegt werden, entstehen aufgrund der am dritten schwebenden Gate 403c anliegenden Spannung Löcher, da das dritte schwebende Gate 403c mit den p-Dotierungsionen dotiert ist. Dann werden, wie 11 zeigt, die erzeugten Löcher an ein Valenzband (Ev) des ersten schwebenden Gates 403a, das ein stabileres Energiepotential als das dritte schwebende Gate 403c aufweist, übertragen. Da sich das am Steuer-Gate 405 anliegende elektrische Feld über das erste schwebende Gate 403a zum dritten schwebenden Gate 403c erstreckt, werden dabei die vom dritten schwebenden Gate 403c injizierten Elektronen an das Valenzband (Ev) des ersten schwebenden Gates 403a übertragen.

Die an das Valenzband (Ev) des ersten schwebenden Gates 403a übertragenen Löcher werden danach mit den in das Leitungsband (Ec) des ersten schwebenden Gates 403a injizierten Elektronen gemäß dem Programm rekombiniert, wodurch die Schwellenspannung abfällt. Damit werden die vom zweiten schwebenden Gate 403b an das erste schwebende Gate 403a übertragenen Elektronen entfernt, so daß die Flash-Speichervorrichtung im Löschzustand gehalten wird.

Wie zuvor erwähnt, haben die Flash-Speichervorrichtung und die Verfahren zu deren Programmieren und Löschen die folgenden Vorteile:
Bei der Flash-Speichervorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung kann das schwebende Gate aus dem ersten schwebenden Gate/dem zweiten schwebenden Gate oder aus dem ersten schwebenden Gate/dem zweiten schwebenden Gate/dem dritten schwebenden Gate gebildet sein. Hierbei ist der Energiebandabstand des ersten sehwebenden Gates niedriger als der des zweiten schwebenden Gates/des dritten schwebenden Gates. Zudem werden die Dotierungsionen zuvor in das zweite schwebende Gate und das dritte schwebende Gate implantiert. In diesem Zustand werden die Spannungen an das zweite schwebende Gate und das dritte schwebende Gate angelegt, wodurch die Elektronen oder die Löcher erzeugt werden, und die erzeugten Elektronen oder Löcher werden an das erste schwebende Gate mit dem stabileren Energiepotential übertragen. Dies führt dazu, daß im Gegensatz zum Stand der Technik, bei dem das Problem vorliegt, daß die Tunneloxidschicht durch die Injektion energiereicher Elektronen oder energiereicher Löcher beschädigt wird, die Verfahren zum Programmieren und Löschen der Flash-Speichervorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung die Beschädigung der Tunneloxidschicht verhindern. Damit ist es möglich, die Schwierigkeit eines durch die Einfangstelle erzeugten Leckstroms zu überwinden, wodurch beim Programmieren und beim Löschen die stabile Schwellenspannung aufrechterhalten wird.

Für den Fachmann ist es ersichtlich, daß verschiedene Modifikationen und Änderungen der vorliegenden Erfindung vorgenommen werden können, ohne vom Gedanken oder vom Umfang der Erfindung abzuweichen. Dabei soll die vorliegende Erfindung auch ihre Modifikationen und Änderungen umfassen, sofern diese im unmittelbaren oder äquivalenten Schutzbereich der beigefügten Ansprüche liegen.

Claims

Flash-Speichervorrichtung mit einem Halbleitersubstrat eines ersten Leitungstyps, das als Feldbereich und als aktiver Bereich definiert ist, einer Tunneloxidschicht auf dem aktiven Bereich des Halbleitersubstrates des ersten Leitungstyps, einem schwebenden Gate auf der Tunneloxidschicht, das zumindest ein erstes und ein zweites schwebendes Gate mit unterschiedlichen Energiebandabstand-Niveaus aufweist, einer dielektrischen Schicht auf dem schwebenden Gate, einem Steuer-Gate auf der dielektrischen Schicht, und Source-/Drain-Dotierungsbereichen des zweiten Leitungstyps im aktiven Bereich des Halbleitersubstrates des ersten Leitungstyps auf beiden Seiten des schwebenden Gates.
Flash-Speichervorrichtung mit einem Halbleitersubstrat eines ersten Leitungstyps, das als Feldbereich und als aktiver Bereich definiert ist, einer Tunneloxidschicht auf dem aktiven Bereich des Halbleitersubstrates des ersten Leitungstyps, einem ersten schwebenden Gate und einem zweiten schwebenden Gate, die parallel auf der Tunneioxidschicht miteinander in Kontakt stehen, einer dielektrischen Schicht auf dem ersten schwebenden Gate, einem Steuer-Gate auf der dielektrischen Schicht, und Source-/Drain-Dotierungsbereichen des zweiten Leitungstyps im aktiven Bereich des Halbleitersubstrates des ersten Leitungstyps auf beiden Seiten des schwebenden Gates.
Flash-Speichervorrichtung nach Anspruch 2, bei der die dielektrische Schicht als Struktur aus Oxidschicht-Nitridschicht-Oxidschicht ausgebildet ist.
Flash-Speichervorrichtung nach Anspruch 2, bei der das erste schwebende Gate und das Steuer-Gate aus Polysilizium gebildet sind, in das Dotierungsionen des zweiten Leitungstyps implantiert sind.
Flash-Speichervorrichtung nach Anspruch 2, bei der das erste schwebende Gate die gleiche Breite wie das Steuer-Gate aufweist.
Flash-Speichervorrichtung nach Anspruch 2, bei der das zweite schwebende Gate über den Source-/Drain-Bereichen gebildet ist.
Flash-Speichervorrichtung nach Anspruch 2, bei der das zweite schwebende Gate einen Energiebandabstand aufweist, der höher als der des Halbleitersubstrates und niedriger als der der dielektrischen Schicht ist.
Flash-Speichervorrichtung nach Anspruch 1, bei der das zweite schwebende Gate gebildet ist aus: einer der chemischen Halbleiterverbindungen Sic, Alp, AlSb, GaP, GaAs, InP, ZnS, ZnSe, ZnTe, CdS, CdSe und CdTe oder aus einem der Oxide Al₂O₃, Y₂O₃, HfO₂, ZrO₂, BaZrO₂, BaTiO₃, Ta₂O₅, CaO, SrO, BaO, La₂O₃, Ce₂O₃, Pr₂O₃, Nd₂O₃, Pm₂O₃, Sm₂O₃, Eu₂O₃, Gd₂O₃, Tb₂O₃, Db₂O₃, Dy₂O₃, Ho₂O₃, Er₂O₃, Tm₂O₃, Yb₂O₃ und Lu₂O₃, und das zweite schwebende Gate mit Dotierungsionen des zweiten Leitungstyps dotiert ist.
Verfahren zum Programmieren der Flash-Speichervorrichtung mit einem ersten schwebenden Gate und einem zweiten schwebenden Gate, die auf einem Halbleitersubstrat eines ersten Leitungstyps in Kontakt miteinander stehen, mit einem Steuer-Gate auf dem ersten schwebenden Gate und mit Source-/Drain-Bereichen eines zweiten Leitungstyps auf dem Halbleitersubstrat auf beiden Seiten des ersten schwebenden Gates, wobei das zweite schwebende Gate einen höheren Energiebandabstand als das erste schwebende Gate aufweist, und in das zweite schwebende Gate Dotierungsionen eines zweiten Leitungstyps implantiert sind, wobei das Verfahren umfaßt, daß: an das Steuer-Gate eine positive (+) Spannung angelegt wird, an das zweite schwebende Gate eine Massespannung oder eine negative (–) Spannung angelegt wird und die Source-/Drain-Bereiche und das Halbleitersubstrat zum Schweben gebracht werden, wodurch im zweiten schwebenden Gate Elektronen erzeugt werden und die erzeugten Elektronen zum ersten schwebenden Gate übertragen und dort gespeichert werden.
Verfahren zum Löschen der Flash-Speichervorrichtung mit einem ersten schwebenden Gate und einem zweiten schwebenden Gate, die auf einem Halbleitersubstrat eines ersten Leitungstyps in Kontakt miteinander stehen, mit einem Steuer-Gate auf dem ersten schwebenden Gate und mit Source-/Drain-Bereichen eines zweiten Leitungstyps auf dem Halbleitersubstrat auf beiden Seiten des ersten schwebenden Gates, wobei das zweite schwebende Gate einen höheren Energiebandabstand als das erste schwebende Gate aufweist und in das zweite schwebende Gate Dotierungsionen eines zweiten Leitungstyps implantiert sind, und im ersten schwebenden Gate Elektronen gespeichert sind, wobei das Verfahren umfaßt, daß: in das erste schwebende Gate Löcher injiziert werden, um eine Rekombination der Löcher mit den im ersten schwebenden Gate gespeicherten Elektronen zu induzieren, oder die im ersten schwebenden Gate gespeicherten Elektronen durch ein F-N-Tunnelverfahren an das Halbleitersubstrat abgegeben werden.
Flash-Speichervorrichtung mit einem Halbleitersubstrat eines ersten Leitungstyps, das als Feldbereich und als aktiver Bereich definiert ist, einer Tunneloxidschicht auf dem aktiven Bereich, einem ersten schwebenden Gate und einem zweiten schwebenden Gate, die parallel auf der Tunneloxidschicht miteinander in Kontakt stehen, einer dielektrischen Schicht auf dem ersten schwebenden Gate und dem zweiten schwebenden Gate, einem Steuer-Gate auf der dielektrischen Schicht und Source-/Drain-Bereichen des zweiten Leitungstyps im aktiven Bereich des Halbleitersubstrates auf beiden Seiten des ersten/zweiten schwebenden Gates.
Flash-Speichervorrichtung nach Anspruch 11, bei der das erste schwebende Gate eine Breite aufweist, die (kleiner oder) gleich einer Breite einer Sperrschicht der Source-/Drain-Bereiche ist.
Flash-Speichervorrichtung nach Anspruch 11, bei der das erste schwebende Gate mit einer Breite im Bereich von 400Å bis 600Å ausgebildet ist.
Flash-Speichervorrichtung nach Anspruch 11, bei der das erste schwebende Gate aus Polysilizium gebildet ist.
Flash-Speichervorrichtung nach Anspruch 11, bei der das zweite schwebende Gate einen höheren Energiebandabstand als das Halbleitersubstrat und einen niedrigeren Energiebandabstand als die dielektrische Schicht aufweist.
Flash-Speichervorrichtung nach Anspruch 11, bei der das zweite schwebende Gate aus einer der chemischen Halbleiterverbindungen Sic, Alp, AlSb, GaP, GaAs, InP, ZnS, ZnSe, ZnTe, CdS, CdSe und CdTe oder aus einem der Oxide Al₂O₃, Y₂O₃, HfO₂, ZrO₂, BaZrO₂, BaTiO₃, Ta₂O₅, CaO, SrO, BaO, La₂O₃, Ce₂O₃, Pr₂O₃, Nd₂O₃, Pm₂O₃, Sm₂O₃, Eu₂O₃, Gd₂O₃, Tb₂O₃, Db₂O₃, Dy₂O₃, Ho₂O₃, Er₂O₃, Tm₂O₃, Yb₂O₃ und Lu₂O₃ gebildet ist.
Flash-Speichervorrichtung nach Anspruch 11, bei der die dielektrische Schicht als Struktur aus Oxidschicht-Nitridschicht-Oxidschicht ausgebildet ist.
Verfahren zum Programmieren der Flash-Speichervorrichtung mit einem ersten schwebenden Gate und einem zweiten schwebenden Gate, die parallel auf einem Halbleitersubstrat in Kontakt miteinander stehen, mit einem Tunneloxid zwischen dem ersten und zweiten schwebenden Gate und dem Substrat, einem Steuer-Gate auf dem ersten und zweiten schwebenden Gate, und mit Source-/Drain-Bereichen eines zweiten Leitungstyps im Halbleitersubstrat auf beiden Seiten des ersten und des zweiten schwebenden Gates, wobei das zweite schwebende Gate einen höheren Energiebandabstand als das erste schwebende Gate aufweist, wobei das Verfahren umfaßt, daß: an das Steuer-Gate und an den Drain-Bereich eine positive (+) Spannung angelegt wird und das Halbleitersubstrat und der Source-Bereich auf Masse gelegt werden, wodurch in einem Sperrschichtbereich des Drain-Bereichs energiereiche Elektronen erzeugt werden, die durch die Tunneloxidschicht in das zweite schwebende Gate injiziert werden, wobei die in das zweite schwebende Gate injizierten Elektronen zum ersten schwebenden Gate übertragen werden.
Verfahren zum Löschen der Flash-Speichervorrichtung mit einem ersten schwebenden Gate und einem zweiten schwebenden Gate, die parallel auf einem Halbleitersubstrat in Kontakt miteinander stehen, mit einem Tunneloxid zwischen dem ersten und dem zweiten schwebenden Gate und dem Substrat, einem Steuer-Gate auf dem ersten und zweiten schwebenden Gate, und mit Source-/Drain-Bereichen eines zweiten Leitungstyps im Halbleitersubstrat auf beiden Seiten des ersten und des zweiten schwebenden Gates, wobei das zweite schwebende Gate einen höheren Energiebandabstand als das erste schwebende Gate aufweist, und im ersten schwebenden Gate Elektronen gespeichert werden, wobei das Verfahren umfaßt, daß: eine negative (–) Spannung und eine positive Spannung (+) an das Steuer-Gate bzw. an den Drain-Bereich angelegt werden und das Halbleitersubstrat und der Source-Bereich auf Masse oder freies Potential gelegt werden, wodurch in einem Sperrschichtbereich des Drain-Bereichs energiereiche Löcher entstehen, die durch die Tunneloxidschicht in das zweite schwebende Gate injiziert werden, wobei die in das zweite schwebende Gate injizierten Löcher zum ersten schwebenden Gate übertragen und mit den gespeicherten Elektronen rekombiniert werden.
Flash-Speichervorrichtung mit einem Halbleitersubstrat eines ersten Leitungstyps, das als Feldbereich und als aktiver Bereich definiert ist, einer Tunneloxidschicht auf dem aktiven Bereich des Halbleitersubstrates des ersten Leitungstyps, einem ersten schwebenden Gate und einem zweiten/dritten schwebenden Gate, die auf der Tunneloxidschicht miteinander in Kontakt stehen, wobei das zweite/dritte schwebende Gate auf beiden Seiten des ersten schwebenden Gates ausgebildet sind, einer dielektrischen Schicht auf dem ersten schwebenden Gate, einem Steuer-Gate auf der dielektrischen Schicht, und Source-/Drain-Dotierungsbereichen des zweiten Leitungstyps im aktiven Bereich des Halbleitersubstrates auf beiden Seiten des ersten schwebenden Gates.
Flash-Speichervorrichtung nach Anspruch 20, bei der die dielektrische Schicht als Struktur aus Oxidschicht-Nitridschicht-Oxidschicht ausgebildet ist.
Flash-Speichervorrichtung nach Anspruch 20, bei der das erste schwebende Gate und das Steuer-Gate aus Polysilizium gebildet sind.
Flash-Speichervorrichtung nach Anspruch 20, bei der das erste schwebende Gate die gleiche Breite wie das Steuer-Gate aufweist.
Flash-Speichervorrichtung nach Anspruch 20, bei der das zweite und das dritte schwebende Gate über den Source-/Drain-Bereichen gebildet sind.
Flash-Speichervorrichtung nach Anspruch 20, bei der das zweite und das dritte schwebende Gate einen höheren Energiebandabstand als das erste schwebende Gate und einen niedrigeren Energiebandabstand als die dielektrische Schicht aufweisen.
Flash-Speichervorrichtung nach Anspruch 20, bei der das zweite und das dritte schwebende Gate aus einer der chemischen Halbleiterverbindungen Sic, Alp, AlSb, GaP, GaAs, InP, ZnS, ZnSe, ZnTe, CdS, CdSe und CdTe oder aus einem der Oxide Al₂O₃, Y₂O₃, HfO₂, ZrO₂, BaZrO₂, BaTiO₃, Ta₂O₅, CaO, SrO, BaO, La₂O₃, Ce₂O₃, Pr₂O₃, Nd₂O₃, Pm₂O₃, Sm₂O₃, Eu₂O₃, Gd₂O₃, Tb₂O₃, Db₂O₃, Dy₂O₃, Ho₂O₃, Er₂O₃, Tm₂O₃, Yb₂o₃ und Lu₂O₃ gebildet sind.
Flash-Speichervorrichtung nach Anspruch 20, bei der in das zweite schwebende Gate Dotierungsionen des zweiten Leitungstyps und in das dritte schwebende Gate Dotierungsionen des ersten Leitungstyps implantiert sind.
Verfahren zur Programmierung der Flash-Speichervorrichtung mit einem ersten schwebenden Gate und einem zweiten/dritten schwebenden Gate, die parallel auf einem Halbleitersubstrat eines ersten Leitungstyps in Kontakt miteinander stehen, wobei das zweite/dritte schwebende Gate auf beiden Seiten des ersten schwebenden Gates gebildet sind, mit einem Steuer-Gate auf dem ersten schwebenden Gate und mit Source-/Drain-Bereichen eines zweiten Leitungstyps, die im Halbleitersubstrat auf beiden Seiten des ersten schwebenden Gates gebildet sind, wobei das zweite und das dritte schwebende Gate einen höheren Energiebandabstand als das erste schwebende Gate aufweisen, wobei in das zweite schwebende Gate Dotierungsionen eines zweiten Leitungstyps und in das dritte schwebende Gate Dotierungsionen eines ersten Leitungstyps implantiert sind und das Verfahren umfaßt, daß: an das Steuer-Gate eine positive (+) Spannung angelegt wird, an das zweite schwebende Gate eine Massespannung oder eine negative (–) Spannung angelegt wird und die Source-/Drain-Bereiche und das Halbleitersubstrat auf ein freies Potential gelegt werden, wodurch im zweiten schwebenden Gate Elektronen erzeugt werden und die erzeugten Elektronen an das erste schwebende Gate übertragen und dort gespeichert werden.
Verfahren zum Löschen der Flash-Speichervorrichtung mit einem ersten schwebenden Gate und einem zweiten/dritten schwebenden Gate, die parallel auf einem Halbleitersubstrat eines ersten Leitungstyps in Kontakt miteinander stehen, wobei das zweite/dritte schwebende Gate auf beiden Seiten des ersten schwebenden Gates ausgebildet sind, mit einem Steuer-Gate auf dem ersten schwebenden Gate und mit Source-/Drain-Bereichen eines zweiten Leitungstyps, die im Halbleitersubstrat auf beiden Seiten des ersten schwebenden Gates ausgebildet sind, wobei das zweite und das dritte schwebende Gate einen höheren Energiebandabstand als das erste schwebende Gate aufweisen, wobei in das zweite schwebende Gate Dotierungsionen des zweiten Leitungstyps und in das dritte schwebende Gate Dotierungsionen des ersten Leitungstyps implantiert sind, im ersten schwebenden Gate Elektronen gespeichert sind und das Verfahren umfaßt, daß: an das Steuer-Gate eine Massespannung oder eine negative (–) Spannung angelegt wird, an das dritte schwebende Gate eine positive (+) Spannung angelegt wird und die Source-/Drain-Bereiche, das Halbleitersubstrat und das zweite schwebende Gate auf ein freies Potential gelegt werden, wodurch im dritten schwebenden Gate Löcher erzeugt werden und die erzeugten Löcher zum ersten schwebenden Gate übertragen und mit den im ersten schwebenden Gate gespeicherten Elektronen rekombiniert werden.