DE102007003534B4 - Operating, programming and erasing methods for a memory cell, semiconductor device and electronic system - Google Patents
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Abstract
Betriebsverfahren für eine Speicherzelle, umfassend: Anlegen einer ersten Spannung an einen ersten pn-Übergang (214) zwischen einem ersten Source/Drain-Bereich (212) und einem Substratabschnitt (230) sowie an einen zweiten pn-Übergang (224) zwischen einem zweiten Source/Drain-Bereich (222) und dem Substratabschnitt (230) derart, dass am jeweiligen pn-Übergang (214, 224) ein Lawinendurchbruch erfolgt; und Anlegen einer zweiten Spannung zwischen einer Gateelektrode (270) und dem Substratabschnitt (230) derart, dass durch den Lawinendurchbruch erzeugte und in den Substratabschnitt (230) injizierte Ladungsträger (232) in ein zwischen dem Substratabschnitt (230) und der Gateelektrode (270) angeordnetes Speicherelement injiziert werden.An operating method for a memory cell, comprising: applying a first voltage to a first pn junction (214) between a first source / drain region (212) and a substrate portion (230) and to a second pn junction (224) between a second one Source / drain region (222) and the substrate portion (230) such that avalanche breakdown occurs at the respective pn junction (214, 224); and applying a second voltage between a gate electrode (270) and the substrate section (230) in such a way that charge carrier (232) generated by the avalanche breakdown and injected into the substrate section (230) is inserted between the substrate section (230) and the gate electrode (270). arranged memory element to be injected.
Description
Ausführungsformen der Erfindung beziehen sich auf ein Betriebsverfahren für eine Speicherzelle sowie auf Verfahren zum Programmieren und Löschen einer Speicherzelle. Weitere Ausführungsformen betreffen ein Betriebsverfahren für eine Speicherzelle mit lokalisierter Ladungsspeicherung sowie Halbleiterbauelemente und solche umfassende elektronische Systeme, die zur Ausführung der genannten Verfahren geeignet sind.Embodiments of the invention relate to an operating method for a memory cell and to methods for programming and erasing a memory cell. Further embodiments relate to an operating method for a storage cell with localized charge storage and semiconductor components and to such comprehensive electronic systems which are suitable for carrying out said methods.
Nichtflüchtige Speicherzellen beruhen in der Regel auf einem n-Kanal MOSFET, bei dem zwischen der Gateelektrode und dem Kanalbereich des Transistors ein isoliertes Speicherelement vorgesehen ist. Zum Programmieren der Speicherzelle werden Ladungsträger in das Speicherelement injiziert. Zum Löschen der Speicherzelle werden die Ladungsträger aus dem Speicherelement entfernt oder mit Ladungsträgern entgegengesetzter Polarität kompensiert. Die Schwellenspannung des Transistors ist abhängig von der im Speicherelement gespeicherten Ladung. Zum Auslesen der Speicherzelle wird an die Gateelektrode eine Spannung angelegt, bei der die Speicherzelle zum Beispiel im programmierten Zustand leitend und im gelöschten Zustand nichtleitend ist, und dabei der Strom zwischen den beiderseits des Kanalbereichs angeordneten Source/Drain-Bereichen ausgewertet.Non-volatile memory cells are usually based on an n-channel MOSFET, in which an insulated memory element is provided between the gate electrode and the channel region of the transistor. For programming the memory cell charge carriers are injected into the memory element. To delete the memory cell, the charge carriers are removed from the storage element or compensated with charge carriers of opposite polarity. The threshold voltage of the transistor is dependent on the charge stored in the memory element. In order to read the memory cell, a voltage is applied to the gate electrode, in which the memory cell is conductive, for example, in the programmed state and in the erased state non-conductive, and the current between the source / drain regions arranged on both sides of the channel region is evaluated.
Das Speicherelement einer Floating-Gate-Zelle ist in der Regel eine leitfähige Lage innerhalb des Gateelektrodenstapels, die durch ein Tunneloxid vom Kanalbereich und durch eine Barrierenschicht von der Gateelektrode bzw. dem Control-Gate isoliert ist. Das Programmieren bzw. Löschen der Floating-Gate-Zellen erfolgt über Mechanismen wie dem Fowler-Nordheim-Tunneln oder der Hot-Carrier-Injektion (z. B. CHE, channel hot electron).The storage element of a floating gate cell is typically a conductive layer within the gate electrode stack, which is isolated by a tunnel oxide from the channel region and by a barrier layer from the gate electrode or the control gate. The programming or deletion of the floating gate cells takes place via mechanisms such as Fowler-Nordheim tunneling or hot-carrier injection (eg CHE, channel hot electron).
Bei Speicherzellen vom Trapping-Layer-Typ ist das Speicherelement eine Trappingschicht aus einem nichtleitenden Material mit Fangstellen für Ladungsträger, etwa eine Siliziumnitridschicht. Die Ladungen werden innerhalb der Trappingschicht an die Fangstellen gebunden.In trapping-layer-type memory cells, the memory element is a trapping layer of a nonconductive material with trapping sites for charge carriers, such as a silicon nitride layer. The charges are tied to the traps within the trapping layer.
Bei 2-Bit-Speicherzellen werden die Ladungsträger in zwei voneinander isolierten Speicherzonen etwa einer Trappingschicht gespeichert. Im Laufe der Betriebsdauer der Speicherzelle können sich in einer zentralen Zone zwischen den beiden Speicherzonen Elektronen anhäufen, deren Abstand zu den Source/Drain-Bereichen zu groß für ein Zurücktunneln zu den Source/Drain-Bereichen ist. Diese so genannten Überschuss-Elektronen (overspill electrons) spannen die Gateelektrode dauerhaft vor.In the case of 2-bit memory cells, the charge carriers are stored in two isolated storage zones, for example a trapping layer. Over the course of the operating life of the memory cell, electrons can accumulate in a central zone between the two memory zones whose distance from the source / drain regions is too great for backturning to the source / drain regions. These so-called excess electrons (overspill electrons) permanently bias the gate electrode.
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Die
In dem Artikel „A Novel 2-bit/cell Nitride Storage Flash Memory with Greater than 1M P/E-cycle Endurance”, Yen-Hao Shih et. al., in IEDM (San Francisco, CA, USA), pp. 881–884; IEEE, 2004 wird ein Verfahren zum Löschen akkumulierter Ladung in der Trappingschicht einer Speicherzelle mittels einer p+-dotierten Gateelektrode in Verbindung mit einem negativen Fowler-Nordheim-Reset beschrieben.In the article "A Novel 2-bit / Cell Nitride Storage Flash Memory with Greater Than 1M P / E-Cycle Endurance", Yen-Hao Shih et. al., in IEDM (San Francisco, Calif., USA), pp. 881-884; IEEE, 2004 describes a method of erasing accumulated charge in the trapping layer of a memory cell by means of a p + -doped gate electrode in conjunction with a negative Fowler-Nordheim reset.
Die Erhöhung der Anzahl zulässiger Programmier/Löschzyklen mittels Injektion von Löchern aus dem Substrat ist im Artikel „Extending endurance of NROM memories to over 10 million program/erase cycles” von Yakov Roizin et. al., 21. Non-volatile semiconductor memory workshop, (Montreal, CA, USA), pp. 74–75, IEEE 2006, beschrieben. Dazu wird die Schichtdicke des Tunneloxids reduziert und die obere Barrierenschicht als Aluminiumoxidschicht ausgebildet bzw. eine p+-dotierte Gateelektrode vorgesehen.Increasing the number of permissible programming / erasing cycles by injecting holes from the substrate is discussed in the article "Extending endurance of NROM memories to over 10 million programs / erase cycles" by Yakov Roizin et. al., 21st Non-Volatile Semiconductor Memory Workshop, (Montreal, CA, USA), pp. 74-75, IEEE 2006. For this purpose, the layer thickness of the tunnel oxide is reduced and the upper barrier layer is formed as an aluminum oxide layer or a p + -doped gate electrode is provided.
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In dem Artikel „Simultaneous Hot-Hole Injection at Drain and Source for Efficient Erase and Excellent Endurance in SONOS Flash EEPROM Cells”, Myung Kwan Cho and Dae M. Kim, IEEE Electron Device Letters, Vol. 24, No. 4, pp. 260–262, 2003 wird ein Löschverfahren für SONOS-Speicherzellen beschrieben. Heiße Löcher werden mittels eines HHI-Mechanismus (hot hole injection) gleichzeitig auf beiden Source/Drain-Seiten in die Trappingschicht injiziert, wozu das Substrat vorgespannt wird.In the article "Simultaneous Hot-Hole Injection at Drain and Source for Efficient Erase and Excellent Endurance in SONOS Flash EEPROM Cells", Myung Kwan Cho and Dae M. Kim, IEEE Electron Device Letters, Vol. 4, pp. 260-262, 2003 an erase method for SONOS memory cells is described. Hot holes are simultaneously injected into the trapping layer on both source / drain sides by a hot hole injection (HHI) mechanism, to which the substrate is biased.
Die Erfindung ist in den unabhängigen Ansprüchen definiert. Weiterbildungen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.The invention is defined in the independent claims. Further developments are the subject of the dependent claims.
Die
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, verbesserte Verfahren zum Betrieb, etwa zum Löschen und Programmieren, von Speicherzellen zur Verfügung zu stellen, die der Anreicherung von Überschuss-Elektronen entgegenwirken. Die Aufgabe lösende Betriebsverfahren sind in den Ansprüchen 1 und 12, ein solches Programmierverfahren im Anspruch 7, ein Löschverfahren im Anspruch 8, ein ein solches Verfahren ermöglichendes Halbleiterbauelement im Anspruch 20 und ein elektronisches System mit einem solchen Halbleiterbauelement im Anspruch 29 angegeben. Vorteilhafte Weiterbildungen ergeben sich aus den jeweiligen Unteransprüchen.The invention has for its object to provide improved methods of operation, such as for erasing and programming, of memory cells available that counteract the accumulation of excess electrons. The object-solving operating methods are specified in
Eine Ausführungsform der Erfindung bezieht sich auf ein Betriebsverfahren für eine nichtflüchtige Speicherzelle mit zwei in einem Halbleitersubstrat ausgebildeten Source/Drain-Bereichen und einem zwischen den beiden Source/Drain Bereichen ausgebildeten Substratabschnitt. Der Substratabschnitt grenzt an eine Substratoberfläche des Halbleitersubstrats an. Oberhalb des Substratabschnitts ist ein Speicherelement der nichtflüchtigen Speicherzelle angeordnet, das durch eine erste Barrierenschicht vom Substratabschnitt isoliert ist. Eine zweite Barrierenschicht isoliert das Speicherelement von einer Gateelektrode, über die die Speicherzelle adressiert wird.One embodiment of the invention relates to an operating method for a non-volatile memory cell having two source / drain regions formed in a semiconductor substrate and a substrate portion formed between the two source / drain regions. The substrate portion adjoins a substrate surface of the semiconductor substrate. Above the substrate portion, a memory element of the non-volatile memory cell is arranged, which is isolated from the substrate portion by a first barrier layer. A second barrier layer isolates the memory element from a gate electrode via which the memory cell is addressed.
Die beiden Source/Drain-Bereiche weisen eine Dotierung von einem ersten Leitfähigkeitstyp und der Substratabschnitt eine Dotierung von einem dem ersten Leitfähigkeittyp entgegengesetzten zweiten Leitfähigkeitstyp auf.The two source / drain regions have a doping of a first conductivity type and the substrate portion has a doping of a second conductivity type opposite to the first conductivity type.
An einem zwischen einem der Source/Drain-Bereiche und dem Substratabschnitt ausgebildeten pn-Übergang wird eine erste Spannung derart angelegt, dass am pn-Übergang ein Lawinendurchbruch erfolgt. Dazu wird in Sperrrichtung des pn-Übergangs mindestens die Durchbruchspannung des pn-Übergangs angelegt bzw. ein entsprechender Strom eingeprägt. Die jeweiligen Minoritätsträger werden durch das elektrische Feld in der Raumladungszone derart beschleunigt, dass dort Elektronen/Loch-Paare erzeugt werden. Bei einem n+-dotierten Source/Drain-Bereich und einem p-dotierten Substratabschnitt treten in der Folge energiereiche Löcher in den Substratabschnitt über. Die Energie der injizierten Löcher reicht dabei aus, um dort weitere Elektronen/Loch-Paare zu erzeugen.At a pn junction formed between one of the source / drain regions and the substrate section, a first voltage is applied such that avalanche breakdown occurs at the pn junction. For this purpose, in the reverse direction of the pn junction, at least the breakdown voltage of the pn junction is applied or a corresponding current impressed. The respective minority carriers are accelerated by the electric field in the space charge zone in such a way that electron / hole pairs are generated there. In the case of an n + -doped source / drain region and a p-doped substrate section, high-energy holes subsequently pass into the substrate section. The energy of the injected holes is sufficient to generate further electron / hole pairs there.
Im Wesentlichen gleichzeitig oder unmittelbar nach dem Anlegen der erste Spannung wird zwischen der Gateelektrode und dem Substratabschnitt eine zweite Spannung angelegt, die ausreichend groß ist, um in der Folge des Lawinendurchbruchs im Substratabschnitt erzeugte Ladungsträger in Richtung der Gateelektrode auszulenken. Die Energie der Ladungsträger reicht aus, um durch die untere Barrierenschicht in das Speicherelement überzutreten. Beispielsweise wird die Gateelektrode gegenüber dem Substratabschnitt negativ vorgespannt, so dass in das Speicherelement Löcher injiziert werden. Dabei werden die Löcher durch das Betreiben der pn-Übergänge in Sperrrichtung generiert (RDHI, reverse diode hole injection). Substantially simultaneously or immediately after the application of the first voltage, a second voltage is applied between the gate electrode and the substrate section which is sufficiently large to deflect charge carriers generated in the substrate section as a result of the avalanche breakdown in the direction of the gate electrode. The energy of the charge carriers is sufficient to pass through the lower barrier layer into the storage element. For example, the gate electrode is negatively biased relative to the substrate portion, so that holes are injected into the memory element. The holes are generated by operating the pn junctions in the reverse direction (RDHI, reverse diode hole injection).
Der Lawinendurchbruch stellt in kurzer Zeit eine große Zahl von Elektronen und Löchern zur Programmierung bzw. zum Löschen zur Verfügung, so dass sich eine vergleichsweise schnelle Injektion von Elektronen in das Speicherelement und ein entsprechend schneller Programmier- oder Löschvorgang ergibt.The avalanche breakdown provides a large number of electrons and holes for programming or erasure in a short time, resulting in a comparatively fast injection of electrons into the memory element and a correspondingly fast programming or erasing process.
Wird die erste Spannung jeweils zwischen beiden Source/Drain-Bereichen der Speicherzelle einerseits und dem Substratabschnitt andererseits angelegt bzw. ein Strom über beide pn-Übergänge eigeprägt, so dass beide pn-Übergänge oberhalb der Durchbruchspannung in Sperrrichtung betrieben werden, so verteilen sich die infolge des Lawinendurchbruchs in den Substratabschnitt injizierten bzw. dort in dessen Folge erzeugten Ladungsträger über die gesamte Kanallänge. Es ergibt sich zum Beispiel für nach dem Virtual-Ground-Konzept verdrahtete 2-Bit-Trappingschicht-Speicherzellen eine gleichmäßig wirkende Lösch- oder Auffrischprozedur.If the first voltage is applied in each case between the two source / drain regions of the memory cell on the one hand and the substrate portion on the other hand, or if a current is injected via both pn junctions, so that both pn junctions are operated above the breakdown voltage in the reverse direction, then they are distributed of the avalanche breakdown injected into the substrate portion or there in the sequence generated charge carriers over the entire channel length. For example, for 2-bit trapping layer memory cells wired according to the virtual ground concept, a uniform-effect erase or refresh procedure results.
Die Durchbruchspannung eines pn-Übergangs ist abhängig von der Weite der Raumladungszonen und damit von den Dotierungen und Dotierungsverläufen der Source/Drain-Bereiche sowie des Substratabschnitts. Die Dotierungen und Dotationsgradienten werden beispielsweise so gewählt, dass sich im Durchbruchsfall eine Feldstärke zwischen 0,3 und 1,2 MV/cm ergibt.The breakdown voltage of a pn junction depends on the width of the space charge zones and thus on the doping and doping profiles of the source / drain regions and of the substrate section. The doping and doping gradients are selected, for example, such that a field strength of between 0.3 and 1.2 MV / cm results in the breakdown.
Gemäß einer möglichen Ausführungsform weisen die Source/Drain-Bereiche eine n-Dotierung von etwa 1019 cm–3 und der Substratabschnitt eine p-Dotierung von etwa 1017 cm–3 auf.According to a possible embodiment, the source / drain regions have an n-type doping of about 10 19 cm -3 and the substrate portion has a p-type doping of about 10 17 cm -3 .
Eine andere Ausführungsform der Erfindung bezieht sich auf ein Programmierverfahren für eine nichtflüchtige Speicherzelle. An mindestens einem der pn-Übergänge zwischen einem der Source/Drain-Bereiche und einem an die Source/Drain-Bereiche anschließenden Substratabschnitt wird eine erste Spannung derart angelegt, dass am pn-Übergang ein Lawinendurchbruch erfolgt. Dazu wird in Sperrrichtung des pn-Übergangs eine Spannung größer oder gleich der Durchbruchspannung des pn-Übergangs angelegt. Im Wesentlichen gleichzeitig oder unmittelbar darauf wird zwischen der Gateelektrode der Speicherzelle und dem Substratabschnitt eine zweite Spannung derart angelegt, dass in Folge des Lawinendurchbruchs erzeugte Ladungsträger in ein Speicherelement injiziert werden, das zwischen dem Substratabschnitt und der Gateelektrode und von beiden isoliert angeordnet ist. Dabei wird das Speicherelement elektrisch geladen oder entladen und die Speicherzelle programmiert.Another embodiment of the invention relates to a programming method for a nonvolatile memory cell. At least one of the pn junctions between one of the source / drain regions and a substrate section adjoining the source / drain regions, a first voltage is applied such that avalanche breakdown occurs at the pn junction. For this purpose, a voltage greater than or equal to the breakdown voltage of the pn junction is applied in the reverse direction of the pn junction. Substantially simultaneously or immediately thereafter, a second voltage is applied between the gate electrode of the memory cell and the substrate portion such that charge carriers generated as a result of the avalanche breakdown are injected into a memory element located between the substrate portion and the gate electrode and insulated from both. The memory element is electrically charged or discharged and the memory cell programmed.
Wird die zweite Spannung mit negativer Polarität zwischen der Gateelektrode und dem Substratabschnitt angelegt, so dass die Gateelektrode gegenüber dem Substratabschnitt negativ vorgespannt ist, so werden dazu Löcher in das Speicherelement injiziert.When the second voltage of negative polarity is applied between the gate electrode and the substrate portion, so that the gate electrode is negatively biased with respect to the substrate portion, holes are injected into the memory element.
Wird die zweite Spannung mit positiver Polarität zwischen der Gateelektrode und dem Substratabschnitt angelegt, so dass die Gateelektrode gegenüber dem Substratabschnitt positiv vorgespannt ist, so werden dazu Elektronen in das Speicherelement injiziert.When the second voltage of positive polarity is applied between the gate electrode and the substrate portion, so that the gate electrode is positively biased with respect to the substrate portion, electrons are injected into the memory element.
Eine weitere Ausführungsform der Erfindung bezieht sich auf ein Löschverfahren für eine nichtflüchtige Speicherzelle. Zwischen einem oder beiden Source/Drain-Bereichen der nichtflüchtigen Speicherzelle einerseits und einem an dem oder die Source/Drain-Bereiche anschließenden Substratabschnitt eines Halbleitersubstrats wird eine erste Spannung derart angelegt, dass an den zwischen den Source/Drain-Bereichen und dem Substratabschnitt ausgebildeten pn-Übergängen jeweils ein Lawinendurchbruch erfolgt. Dazu wird der Substratabschnitt gegenüber den Source/Drain-Bereichen mit einer Spannung, die mindestens der Durchbruchspannung des pn-Übergangs entspricht, negativ vorgespannt.Another embodiment of the invention relates to an erasing method for a nonvolatile memory cell. A first voltage is applied between one or both source / drain regions of the nonvolatile memory cell on the one hand and a substrate section of a semiconductor substrate adjoining the source / drain regions in such a way that the pn formed between the source / drain regions and the substrate section is applied Transitions each one avalanche breach occurs. For this purpose, the substrate section is negatively biased with respect to the source / drain regions with a voltage which corresponds at least to the breakdown voltage of the pn junction.
Zwischen der Gateelektrode der Speicherzelle und dem Substratabschnitt wird eine zweite Spannung derart angelegt, dass infolge des Lawinendurchbruchs erzeugte Ladungsträger in Richtung der Gateelektrode beschleunigt werden und dabei in ein zwischen dem Substratabschnitt und der Gateelektrode angeordnetes Speicherelement injiziert werden, das sowohl vom Substratabschnitt als auch von der Gateelektrode elektrisch isoliert ist. Dabei wird eine im Speicherelement gespeicherte Ladung kompensiert oder das Speicherelement geladen und die Speicherzelle gelöscht.Between the gate electrode of the memory cell and the substrate portion, a second voltage is applied so that charge carriers generated due to the avalanche breakdown are accelerated toward the gate electrode, thereby being injected into a memory element disposed between the substrate portion and the gate electrode, extending from the substrate portion as well as from the substrate portion Gate electrode is electrically isolated. In this case, a charge stored in the memory element is compensated or the memory element is charged and the memory cell is erased.
Eine weitere Ausführungsform der Erfindung bezieht sich auf ein Betriebsverfahren für eine nichtflüchtige Speicherzelle mit lokalisierter Ladungsspeicherung. Die Speicherzelle umfasst dazu zwei durch einen Substratabschnitt voneinander getrennte und in einem Halbleitersubstrat ausgebildete Source/Drain-Bereiche. Die Source/Drain-Bereiche weisen eine Dotierung von einem ersten Leitfähigkeitstyp und der die beiden Source/Drain-Bereiche beabstandende Substratabschnitt eine Dotierung von einem dem ersten Leitfähigkeitstyp entgegengesetzten zweiten Leitfähigkeitstyp auf. Die erste Barrierenschicht isoliert den Substratabschnitt von einem Speicherelement der Speicherzelle. Eine zweite Barrierenschicht isoliert das Speicherelement von einer Gateelektrode zur Adressierung der Speicherzelle. Das Speicherelement weist zwei voneinander isolierte und getrennt voneinander steuerbare Speicherzonen auf, die jeweils zu einem der beiden Source/Drain-Bereiche orientiert sind. In einer zentralen Zone zwischen den beiden Speicherzonen kann es infolge vorangegangener Programmierzyklen zu einer Anreicherung von Überschuss-Elektronen kommen, die durch übliche Löschmethoden nicht mehr zu entfernen oder zu kompensieren sind. Die Schwellenspannung der gelöschten Speicherzelle wird dauerhaft in Richtung der der programmierten verschoben.Another embodiment of the invention relates to a method of operating a non-volatile memory cell with localized charge storage. The memory cell comprises two separate from each other by a substrate portion and formed in a semiconductor substrate source / drain regions. The source / drain regions have a doping of a first conductivity type and the substrate section which spaces the two source / drain regions comprises a doping of a second conductivity type opposite to the first conductivity type. The first barrier layer insulates the substrate portion from a memory element of the memory cell. A second barrier layer isolates the memory element from a gate electrode for addressing the memory cell. The memory element has two memory zones which are isolated from one another and can be controlled separately from one another and which are each oriented to one of the two source / drain regions. In a central zone between the two storage zones, owing to previous programming cycles, there may be an accumulation of excess electrons which can no longer be removed or compensated for by conventional extinguishing methods. The threshold voltage of the erased memory cell is permanently shifted in the direction of the programmed.
Gemäß der vorliegenden Ausführungsform wird an die pn-Übergänge zwischen dem ersten und dem zweiten Source/Drain-Bereich einerseits und einem an die Source/Drain-Bereiche anschließenden Substratabschnitt andererseits jeweils in Sperrrichtung eine erste Spannung derart angelegt, dass an den pn-Übergängen jeweils ein Lawinendurchbruch erfolgt. Dabei werden in der Raumladungszone des jeweiligen pn-Übergangs durch beschleunigte Ladungsträger Elektronen/Loch-Paare erzeugt.According to the present embodiment, a first voltage is applied to the pn junctions between the first and the second source / drain region on the one hand and a substrate portion adjoining the source / drain regions on the other hand in the reverse direction such that in each case at the pn junctions an avalanche breakdown takes place. In this case, electron / hole pairs are generated in the space charge zone of the respective pn junction by accelerated charge carriers.
Sind die Source/Drain-Bereiche beispielsweise n-dotiert und ist der Substratabschnitt p-dotiert, so werden die in der Raumladungszone erzeugten Löcher in den Substratabschnitt injiziert. Die Löcher besitzen ausreichend Energie, um dort durch Stoßionisation weitere Elektronen/Loch-Paare zu erzeugen. Es kommt zu einer Anreicherung von ionisierten Elektronen/Loch-Paaren im Substratabschnitt. Zwischen der Gateelektrode der Speicherzelle und dem Substratabschnitt wird gleichzeitig oder unmittelbar darauf eine zweite Spannung negativer Polarität angelegt, so dass die mittelbar bzw. unmittelbar aus dem Lawinendurchbruch hervorgehenden Löcher im Substratabschnitt in Richtung der Gateelektrode ausgelenkt werden und dabei in ein zwischen dem Substratabschnitt und der Gateelektrode angeordnetes Speicherelement der Speicherzelle injiziert werden. Die Löcher werden dabei auf der gesamten Kanallänge zwischen den beiden Source/Drain-Bereichen in das Speicherelement injiziert.For example, if the source / drain regions are n-doped and the substrate portion is p-doped, then the holes created in the space charge region are injected into the substrate portion. The holes have sufficient energy to generate further electron / hole pairs there by impact ionization. There is an accumulation of ionized electron / hole pairs in the substrate section. A second voltage of negative polarity is applied at the same time or immediately thereafter between the gate electrode of the memory cell and the substrate section, so that the holes resulting directly or indirectly from the avalanche breakdown in the substrate section are deflected in the direction of the gate electrode and into an area between the substrate section and the gate electrode arranged memory element of the memory cell are injected. The holes are injected into the storage element over the entire channel length between the two source / drain regions.
Eine etwaige remanente negative Ladung in der zentralen Zone zwischen den Speicherzonen wird durch die positive Ladung der Löcher mindestens kompensiert. Die Schwellenspannung erreicht, abhängig von der Zeitdauer der Spannungsimpulse, wieder mindestens den ursprünglichen Wert oder einen Wert darunter. Die maximal zulässige Betriebsdauer der Speicherzelle bzw. eines Halbleiterbauelements, das auf diesem Speicherzellen-Typ basiert, wird erhöht. Die maximal mögliche Anzahl von Programmier/Löschzyklen (Zykelfestigkeit) wird signifikant erhöht. Aus der Reduzierung der Beanspruchung der Speicherzelle infolge der eingesparten Löschimpulse wird auch die Datenerhaltung (data retention) in einem solchen Halbleiterbauelement verbessert.Any remanent negative charge in the central zone between the storage zones is at least compensated by the positive charge of the holes. The threshold voltage reaches at least the original value or a value below it, depending on the duration of the voltage pulses. The maximum allowable operating life of the memory cell or a semiconductor device based on this memory cell type is increased. The maximum possible number of program / erase cycles (cycle stability) is significantly increased. Reducing the load on the memory cell as a result of the cleared erase pulses also improves the data retention in such a semiconductor device.
Die erste Spannung wird zum Beispiel so gewählt, dass die Feldstärke am pn-Übergang zwischen 0,3 und 1,2 MV/cm beträgt, in jedem Fall jedoch zum Auslösen eines Lawinendurchbruchs ausreicht.For example, the first voltage is chosen so that the field strength at the pn junction is between 0.3 and 1.2 MV / cm, but in any case sufficient to trigger avalanche breakdown.
Die erste und die zweite Spannung können im Wesentlichen synchron oder gleichzeitig für die Dauer von etwa 10 msec bis 50 msec angelegt werden. Gegebenenfalls wird das Anlegen der ersten und zweiten Spannung verlängert bzw. so lange wiederholt, bis eine für die Speicherzelle ermittelte Schwellenspannung gleich oder kleiner einem vordefinierten Wert ist. Der vordefinierte Wert ist beispielsweise der ursprüngliche Ausgangswert der Schwellenspannung, die zu Beginn der Lebensdauer des Speicherbauelements bestimmt wird.The first and second voltages may be applied substantially synchronously or simultaneously for a period of about 10 msec to 50 msec. Optionally, the application of the first and second voltage is extended or repeated until a threshold voltage determined for the memory cell is equal to or less than a predefined value. The predefined value is for example the original output value of the threshold voltage, which is determined at the beginning of the life of the memory device.
Nach einer Ausführungsform wird das Auffrischen des Speicherelements noch auf Waferebene und vor dem erstmaligen Einsatz des Speichers in einer Produkt spezifischen Applikation ausgeführt, um eine prozessbedingte Anreicherung von Ladungsträgern in der Speicherschicht zu kompensieren.According to one embodiment, the refreshing of the memory element is performed even at the wafer level and before the first use of the memory in a product-specific application in order to compensate for a process-related accumulation of charge carriers in the memory layer.
Nach einer anderen Ausführungsform wird bei jedem Löschvorgang die Anzahl der für einen vollständigen Löschzyklus erforderlichen Löschimpulse ermittelt und mit einem vorgegebenen Grenzwert für die Anzahl der Löschpulse verglichen. Überschreitet die gerade erforderliche Anzahl der Löschimpulse den Grenzwert, so wird die Speicherzelle bzw. das Speicherelement durch Anlegen der ersten und zweiten Spannung ”aufgefrischt” bzw. zurückgesetzt.According to another embodiment, the number of erase pulses required for a complete erase cycle is determined in each erase process and compared with a predetermined limit for the number of erase pulses. If the just required number of erase pulses exceeds the limit value, then the memory cell or the memory element is "refreshed" or reset by applying the first and second voltage.
Nach einer weiteren Ausführungsform wird das Auffrischen des Speicherelements jeweils zyklisch nach einer vorbestimmten Anzahl von Programmierzyklen ausgeführt. Dazu wird jeweils vor oder nach Ausführen eines Programmiervorgangs ein aktueller Zählerstand für Programmieroperationen ermittelt. Überschreitet der aktuelle Zählerstand einen vorbestimmten Grenz-Zählerstand für die Anzahl der Programmierzyklen, so wird das Speicherelement durch Anlegen der ersten und zweiten Spannung aufgefrischt und der Zählerstand für Programmierzyklen zurückgesetzt.According to a further embodiment, the refresh of the memory element is in each case carried out cyclically after a predetermined number of programming cycles. For this purpose, a current counter reading for programming operations is determined in each case before or after executing a programming operation. If the current counter reading exceeds a predetermined limit counter reading for the number of programming cycles, then the memory element is refreshed by applying the first and second voltages and the counter reading for programming cycles is reset.
Ein Halbleiterbauelement nach einer weiteren Ausführungsform der Erfindung umfasst Speicherzellen mit jeweils einem ersten und einem zweiten Source/Drain-Bereich, einem zwischen den beiden Source/Drain-Bereichen ausgebildeten Substratabschnitt, einem vom Substratabschnitt isolierten Speicherelement sowie einer vom Speicherelement isolierten Gateelektrode. Das Halbleiterbauelement umfasst ferner eine erste Spannungsversorgungseinheit, die eine zum Auslösen des Lawinendurchbruchs zwischen den Source/Drain-Bereichen einerseits und dem Substratabschnitt andererseits geeignete erste Spannung zu erzeugen oder einen entsprechenden Strom einzuprägen vermag, sowie eine zweite Spannungsversorgungseinheit, die zwischen der Gateelektrode und dem Substratabschnitt eine zum Injizieren der durch den Lawinendurchbruch erzeugten Ladungsträger in das Speicherelement geeignete zweite Spannung zu erzeugen vermag. Ein solches Halbleiterbauelement ist in vorteilhafter Weise für die oben genannten Betriebsverfahren geeignet. A semiconductor device according to a further embodiment of the invention comprises memory cells each having a first and a second source / drain region, a substrate section formed between the two source / drain regions, a memory element isolated from the substrate section, and a gate electrode isolated from the memory element. The semiconductor device further comprises a first voltage supply unit which is capable of generating a first voltage suitable for triggering the avalanche breakdown between the source / drain regions on the one hand and the substrate portion or impressing a corresponding current, and a second voltage supply unit connected between the gate electrode and the substrate portion one capable of injecting the generated by the avalanche charge carrier into the memory element is capable of generating a second voltage suitable. Such a semiconductor device is advantageously suitable for the above-mentioned operating methods.
Die Source/Drain-Bereiche sowie der Substratabschnitt können im selben Halbleitersubstrat ausgebildet sein. Der Substratabschnitt kann durch eine erste Barrierenschicht vom Speicherelement und das Speicherelement durch eine zweite Barrierenschicht von der Gateelektrode isoliert sein.The source / drain regions and the substrate section may be formed in the same semiconductor substrate. The substrate portion may be isolated from the memory element by a first barrier layer and the memory element may be insulated from the gate electrode by a second barrier layer.
Das Speicherelement kann ein leitfähiges Floating-Gate oder eine nicht-leitfähige Trappingschicht sein. Die nicht-leitfähige Trappingschicht kann zum Beispiel mindestens zwei räumlich getrennte und voneinander isolierte Speicherzonen aufweisen, deren Ladungszustände unabhängig voneinander steuerbar sind. Werden beim regulären Programmieren/Löschen im Nebeneffekt auch zwischen den beiden Speicherzonen Ladungsträger in das Speicherelement injiziert, so ist dieses Halbleiterbauelement in vorteilhafter Weise für das oben genannte Betriebsverfahren für eine nichtflüchtige Speicherzelle mit lokalisierter Ladungsspeicherung geeignet, das die Kompensation dieser Ladungsträger ermöglicht.The memory element may be a conductive floating gate or a non-conductive trapping layer. The non-conductive trapping layer may, for example, have at least two spatially separated and mutually isolated storage zones whose charge states can be controlled independently of one another. If charge carriers are also injected into the storage element between the two memory zones during regular programming / erasing, this semiconductor device is advantageously suitable for the abovementioned operating method for a non-volatile memory cell with localized charge storage, which makes possible the compensation of these charge carriers.
Im Folgenden werden Ausführungsformen der Erfindung, die über das gemeinsame Konzept der mittels Lawinendurchbruch zur Verfügung gestellten Ladungsträger verbunden sind, und deren Vorteile anhand der Figuren näher erläutert. Es zeigen:In the following, embodiments of the invention, which are connected via the common concept of the carriers provided by means of avalanche breakdown, and their advantages are explained in more detail with reference to the figures. Show it:
Die
Gegenüber einer Gateelektrode
Die Trappingschicht
Aufgrund parasitärer Effekte werden auch in einer zentralen Zone
Mittels einer ersten Spannungversorgungseinheit
Gemäß
Das Anlegen der ersten Spannung über die erste Spannungsverzögerungseinheit
Anstelle der beiden Spannungsverzögerungseinheiten
Die
Dabei ist die erste Spannungsversorgungseinheit in der Lage, einen gegenüber dem Bezugspotential positiven ersten Spannungsimpuls mit einer Länge von zum Beispiel zwischen 10 ms und 50 ms, etwa 20 ms, und einer Spannung von zum Beispiel 3 bis 5 Volt, etwa 4 Volt, zu liefern. Die zweite Spannungsversorgungseinheit vermag mindestens für eine Zeitdauer von 10 bis 50 ms einen weitgehend zum positiven ersten Spannungsimpuls synchronisierten negativen Spannungsimpuls von –8 bis –12 Volt, etwa –10 Volt, abzugeben. Die dritte Spannungsversorgungseinheit
Die drei Spannungsimpulse werden etwa synchron zueinander an die Gateelektrode
Die
Gemäß
Gemäß
Wird die Gateelektrode gegenüber dem Substratabschnitt positiv vorgespannt, können in ähnlicherweise im Substrat durch Stossionisation erzeugte Elektronen in das Floating-Gate übertreten.If the gate electrode is positively biased relative to the substrate section, electrons generated in the substrate by impact ionization can likewise pass into the floating gate.
Die
Aus einer Ablaufsteuerung des Halbleiterbauelements, das eine solche Speicherzelle aufweist, erfolgt ein Löschaufruf
Durch einen optionalen regulären Programmier/Löschzyklus
Die
Aus einer Programmablaufsteuerung in einem die Speicherzelle aufweisenden Halbleiterbauelement erfolgt ein Programmieraufruf
Die
Die so genannte Zykelfestigkeit solcher Speicherzellen wird signifikant erhöht. Durch die geringere Beanspruchung bei den regulären Programmier- bzw. Löschprozeduren wird auch die Datenerhaltung (data retention) in der Speicherzelle deutlich verbessert.The so-called cyclo-strength of such memory cells is significantly increased. Due to the lower stress in the regular programming or erasing procedures, the data retention in the memory cell is also significantly improved.
Die
Das Halbleiterbauelement
Das Potential der Gateelektroden der Speicherzellen
Die
Das System
Die
Die
Die
Die
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