DE19649410A1 - Nichtflüchtige Speicherzelle und Verfahren zum Programmieren derselben - Google Patents

Nichtflüchtige Speicherzelle und Verfahren zum Programmieren derselben

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Description

Die Erfindung betrifft eine nichtflüchtige Speicherzelle und ein Verfahren zum Programmieren derselben.
Um mit der immer weiterreichenden Anwendung nichtflüchtiger Speicherzeilen, wie Flash-EEPROMs und Flash-Speicherkarten, Schritt zu halten, ist dauernde Forschung und Entwicklung derartiger nichtflüchtiger Speicherzeilen erforderlich.
Im allgemeinen besteht bei der Verwendung nichtflüchtiger Halbleiterspeicher wie EEPROMs und Flash-EEPROMs als Massen­ speichermedien der Nachteil, daß es höchst schwierig ist, die hohen Kosten pro Bit bei derartigen Speichern zu über­ winden. Für die Anwendung nichtflüchtiger Speicher in trag­ baren Erzeugnissen sind Chips nichtflüchtiger Speicher mit niedrigem Energieverbrauch erforderlich. Um die Kosten pro Bit zu verringern, laufen aktive Untersuchungen hinsichtlich Speicher mit mehreren Bits pro Zelle.
Die Packungsdichte eines herkömmlichen nichtflüchtigen Spei­ chers entspricht eins zu eins von Speicherzellen. Eine Mehr­ bitzelle speichert Daten mit mehr als zwei Bits in einer Speicherzelle, wodurch die Datendichte auf derselben Chip­ fläche erhöht ist, ohne daß eine Größenänderung einer Spei­ cherzelle vorliegt.
Um eine Mehrbitzelle zu realisieren, sollten mehr als zwei Schwellenspannungspegel für jede Speicherzelle programmiert werden. Um z. B. Daten mit zwei Bits für jede Zelle zu spei­ chern, müssen die jeweiligen Zellen auf 2², d. h. vier Schwellenpegel, programmiert werden. Hierbei entsprechen vier Schwellenpegel den logischen Zuständen 00, 01, 10 bzw. 11.
Bei einem Programm für mehrere Pegel besteht das kritischste Problem darin, daß die jeweiligen Schwellenspannungspegel eine statistische Streuung aufweisen. Der Streuungswert be­ trägt ungefähr 0,5 V.
Da sich die Streuung verringert, wenn die jeweiligen Schwel­ lenpegel genau eingestellt werden, können mehr Pegel pro­ grammiert werden, was seinerseits die Anzahl von Bits pro Zeile erhöht. Um die Spannungsstreuung zu verringern, exi­ stiert ein Programmierverfahren, bei dem Programmier- und Verifiziervorgänge wiederholt werden.
Gemäß diesem Verfahren wird eine Reihe von Spannungsimpulsen an die Zeilen angelegt, um jede nichtflüchtige Speicherzelle auf vorgesehene Schwellenpegel zu programmieren. Um zu veri­ fizieren, ob eine Zeile einen vorgesehenen Schwellenpegel erreicht hat, wird zwischen den jeweiligen programmierenden Spannungsimpulsen ein Lesevorgang ausgeführt.
Während der Verifizierung hält die Programmierung an, wenn der verifizierte Schwellenpegel den vorgesehenen Schwellen­ pegel erreicht. Mit diesem Verfahren wiederholter Program­ mierung und Verifizierung ist es schwierig, die Abweichungs­ streuung des Schwellenpegels zu verringern, und zwar auf­ grund der begrenzten Impulsbreite der Programmierspannung. Außerdem ist der Algorithmus für die wiederholte Programmie­ rung und Verifizierung durch eine Zusatzschaltung reali­ siert, die die Fläche der Peripherieschaltungen des Chips erhöht. Ferner verlängert das Wiederholungsverfahren die Programmierzeit. Um diesen Nachteil zu überwinden, schlugen R. Cernea von SunDisk Co., Ltd. im am 6. Juni 1996 erteilten US-Patent Nr. 5,422,842 ein Verfahren zum gleichzeitigen Programmieren und Verifizieren vor.
Fig. 1a zeigt das Symbol und Schaltbild eines nichtflüchti­ gen Speichers, wie von Cernea vorgeschlagen. Wie es in Fig. 1a dargestellt ist, besteht die nichtflüchtige Speicherzelle aus einem Steuergate 1, einem potentialungebundenen Gate 2, einer Source 3, einem Kanalgebiet 4 und einem Drain 5.
Wenn an das Steuergate 1 und den Drain 5 Spannungen angelegt werden, die dazu ausreichen, einen Programmiervorgang her­ vorzurufen, fließt ein Strom zwischen dem Drain 5 und der Source 3. Dieser Strom wird mit einem Bezugsstrom vergli­ chen, und wenn er einen Wert erreicht, der dem Bezugsstrom entspricht oder kleiner ist, wird ein Programmierabschluss­ signal erzeugt.
Der obengenannte Ablauf ist in Fig. 1b veranschaulicht.
Die selbständige Verifizierung eines programmierten Zustands gleichzeitig mit dem Programmieren, gemäß diesem Stand der Technik, kann den Nachteil der Wiederholung der Programmve­ rifizierung in gewissem Ausmaß kompensieren.
Jedoch schlägt R. Cernea weder die Verwendung eines geson­ derten Programmiergates für den Programmiervorgang noch die Verwendung eines Aufbaus vor, bei dem Pfade für den Program­ mierstrom und den Mess(oder Verifizier-)strom völlig ge­ trennt sind. Darüber hinaus wird der Schwellenpegel nicht durch eine Spannung eingestellt, die an das Steuergate der Speicherzelle angelegt wird. Daher ist eine gesonderte Opti­ mierung des Programmier- und des Meßvorgangs schwierig. Die nicht gesonderten Ströme zur Programmierung und zum Überwa­ chen verursachen eine direkte Steuerung der Schwellenspan­ nung der Zelle.
Außerdem offenbart das am 27. August 1991 erteilte US-Patent Nr. 5,043,940 ein Verfahren zum Ausführen einer Programmie­ rung für mehrere Pegel, bei der Spannungen, wie sie an jeden Anschluß der Speicherzelle gelegt werden, festliegen, wäh­ rend Bezugsströme für jeweilige Pegel variiert werden. Bei diesen Verfahren ist, wie es in Fig. 1b dargestellt ist, die Beziehung zwischen den Bezugsströmen zur Erkennung und den Zellenschwellenspannungen weder eindeutig noch linear.
Daher haben Programmierverfahren vom stromgesteuerten Typ, wie die vorstehend genannten bekannten Verfahren, den Nach­ teil, daß eine direkte und wirkungsvolle Steuerung auf meh­ rere Pegel nicht einfach ist.
Um diese Probleme zu beseitigen, schlug der Erfinder in der unveröffentlichten US-Patentanmeldung Nr. 8/542,651 ein Pro­ grammierverfahren vom spannungsgesteuerten Typ vor, bei dem eine genaue Steuerung der Schwellenspannung einer Zelle mit­ tels einer an das Steuergate der Zelle angelegten Spannung ermöglicht ist. Gemäß diesem Verfahren entspricht eine Ver­ schiebung der Schwellenspannung einer Zelle exakt der Ver­ schiebung der Steuergatespannung Daher kann die Schwellen­ spannung ideal eingestellt werden. Bei diesem Verfahren wird jedoch ein Transistorkanal beim Programmierstart einge­ schaltet (d. h. invertiert), um einen Strom durch ihn hin­ durchzuleiten, und der Strom am Drain nimmt ab, wenn die Programmierung fortschreitet, bis ein vorbestimmter Bezugs­ strom erreicht ist, wenn die Programmierung beendet ist, was bewirkt, daß beim Programmierstart der maximale Strom fließt, der danach abnimmt, was hohen Anfangsenergiever­ brauch erfordert.
Indessen können Zellenstrukturen für EEPROMs und Flash- EEPROMs abhängig von der Position des potentialungebundenen Gates auf dem Kanalbereich in zwei Arten eingeteilt werden.
Die erste ist die einfache Struktur mit Stapelgate, bei der das potentialungebundene Gate den Kanalbereich völlig über­ deckt, und die zweite ist die Struktur mit unterteiltem Ka­ nal, bei der das potentialungebundene Gate nur einen Teil des Kanalbereichs zwischen der Source und dem Drain bedeckt. Der Kanalbereich ohne darauf befindliches potentialungebun­ denes Gate wird als Auswähltransistor bezeichnet, wobei der Auswähltransistor und der Transistor mit potentialungebunde­ nem Gate, die in Reihe geschaltet sind, eine Speicherzelle bilden.
Diese Zelle vom Typ mit unterteiltem Kanal wird wiederum, abhängig von Verfahren zum Herstellen des Auswähltransis­ tors, in zwei Arten unterteilt, nämlich eine verschmolzene Zelle mit unterteiltem Gate, bei der eine Steuergateelektro­ de für den Transistor mit potentialungebundenem Gate und eine Gateelektrode für den Auswähltransistor zu einer Elek­ trode integriert sind, und eine Zelle mit unterteiltem Gate, bei der die Steuergateelektrode des Transistors mit poten­ tialungebundenem Gate und die Gateelektrode des Auswähltran­ sistors getrennt sind. Der Auswähltransistor wurde hinzuge­ fügt, um das Problem eines übermäßigen Löschens zu verhin­ dern und um die Ausbildung eines kontaktfreien virtuellen Maßearrays zu vereinfachen. Außerdem wurde die Zelle mit unterteiltem Gate eingeführt, um die Injektion heißer Elek­ troden von der Sourceseite her zu erleichtern.
Fig. 2a zeigt ein Diagramm einer herkömmlichen nichtflüchti­ gen Speicherzelle vom einfachen Typ mit Stapelgate, und Fig. 2b zeigt ein Diagramm einer herkömmlichen nichtflüchtigen Speicherzelle vom Typ mit unterteiltem Kanal. Fig. 2a und 2b veranschaulichen Strukturen herkömmlicher nichtflüchtiger Speicherzellen zusammen mit Löschprozessen. In Fig. 2a sind ein Steuergate 6, ein potentialungebundenes Gate 7, eine Source 8, ein Drain 9, ein Kanalbereich 10 und ein Gate 11 zur Verwendung bei Löschvorgängen dargestellt. In Fig. 2b sind ein Steuergate 13, ein potentialungebundenes Gate 14, eine Source 15, ein Drain 16, ein Kanalbereich 17 und ein Gate 18 zur Verwendung bei Löschvorgängen dargestellt.
Gemäß den Fig. 2a und 2b wird, da die Löschgates 11 und 18 solche sind, die während des Programmierbetriebs nicht er­ forderlich sind, jede der in den Fig. 2a und 2b dargestell­ ten herkömmlichen Zellen tatsächlich zu einer Konstruktion, die mit einer doppelten Mehrfachgatekonstruktion überein­ stimmt.
Zusammengefaßt gesagt, ist bei allen bisher bekannten Zel­ len, da ein Programmiervorgang nur mit Elektroden des Steu­ ergates, der Source und/oder des Drains ausgeführt wurde, eine Unterteilung der Pfade für den Programmierstrom und für den Verifizier(oder Mess-)strom innerhalb einer Speicherzel­ le schwierig, was zum Nachteil führt, daß eine direkte und wirkungsvolle Mehrpegelsteuerung schwierig ist.
Eine Zelle mit unterteiltem Kanal verwendet einen Injekti­ onsmechanismus für heiße Elektronen als Programmierverfah­ ren, wobei die Zelle mit verschmolzenem aufgeteiltem Gate einen drainseitigen Injektionsmechanismus für heiße Elektro­ nen verwendet und die Zelle mit unterteiltem Gate einen sourceseitigen Injektionsmechanismus für heiße Elektronen verwendet. Ähnlich wird bei anderen EEPROMs zum Löschen ein FN-Tunnelvorgang verwendet.
Zellen mit unterteiltem Kanal, die einen Injektionsmechanis­ mus für heiße Elektronen verwenden, weisen einen größeren Energieverbrauch für den Programmiervorgang als solche mit Tunnelvorgang auf. Außerdem besteht bei einer Zelle mit ver­ schmolzenem unterteiltem Gate eine Schwierigkeit hinsicht­ lich des doppelten Ausführens verschiedener Arten von Ionen­ injektion in den Drainbereich für bessere Injektion heißer Ladungsträger, und bei der Zelle mit unterteiltem Gate be­ steht die Schwierigkeit der Optimierung der Dicke eines Oxidfilms zwischen dem Auswähltransistor und dem Transistor mit potentialungebundenem Gate für bessere Injektion heißer Ladungsträger, wie auch eine Schwierigkeit hinsichtlich des korrekten Einstellens eines anfänglichen Lesestroms und hin­ sichtlich der Verhinderung einer Beeinträchtigung des Lese­ stroms, die von einer Beeinträchtigung des Oxidfilms her­ rührt.
Bei der herkömmlichen Zelle mit unterteiltem Kanal wurde die Elektroneninjektion (Programmierung = Daten einschreiben) durch Injektion heißer Ladungsträger durch einen Gateoxidfilm benachbart zu einem Kanal ausgeführt, und ein Elektro­ nenlöschvorgang (Löschen von Daten) wurde entweder durch ein drittes Gate, das vom Auswählgate und vom Steuergate ab­ weicht, oder durch einen Gateoxidfilm benachbart zum Kanal oder durch das Steuergate ausgeführt.
Obwohl die nichtflüchtige Speicherzelle und das Verfahren zum Programmieren derselben gemäß der US-Patentanmeldung Nr. 08/542,651 vom Erfinder zum Anwenden des Programmierverfah­ rens vom spannungsgesteuerten Typ geeignet sind, bestand ein Nachteil hinsichtlich der zur Programmierung erforderlichen Energie.
Im Fall der obengenannten Zelle mit unterteiltem Kanal kann, da die Zelle beim Löschen einen Tunnelvorgang durch den Iso­ lierfilm nutzt, was einen dünnen Gateisolierfilm von unge­ fähr 10 nm (100 Å) erfordert, der dünne Isolierfilm kaum zu­ verlässig hergestellt werden, und er beeinträchtigt aufgrund der geringen Dicke des Oxidfilms die Steuergatekopplung. D. h., daß die Kopplung kleiner wird, was für Betrieb bei niedriger Spannung und hoher Geschwindigkeit nicht günstig ist, was sich noch verschlechtert, wenn die Zellengröße wei­ ter verringert wird.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine nichtflüchti­ ge Speicherzelle und ein Verfahren zum Programmieren dersel­ ben zu schaffen, die eine einfache und gleichzeitige Verifi­ zierung eines Programmierergebnisses während eines Einfach- oder Mehrpegel-Programmiervorgangs ermöglichen, wobei die Zelle einen Bereich zur Programmierung und einen Bereich zur Verifizierung aufweist, die völlig voneinander getrennt sind.
Eine andere Aufgabe der Erfindung ist es, eine nichtflüchti­ ge Speicherzelle und ein Verfahren zum Programmieren dersel­ ben zu schaffen, bei denen ein Schwellenpegel mittels einer Spannung eingestellt wird, die während eines Mehrpegel-Pro­ grammiervorgangs an ein Steuergate angelegt wird, wobei je­ der Schwellenpegel und die zugehörige, an das Steuergate an­ gelegte Spannung eine lineare Beziehung einhalten.
Eine andere Aufgabe der Erfindung ist es, eine nichtflüchti­ ge Speicherzelle und ein Verfahren zum Programmieren dersel­ ben zu schaffen, bei denen eine Verifizierung gleichzeitig mit einer Programmierung bei einem Einzel- oder Mehrpegel- Programmiervorgang verfügbar ist und sich die Zelle im An­ fangsstadium des Programmiervorgangs in einem abgeschalteten Zustand befindet, wobei der Zustand eines Kanals der Zelle während des Programmiervorgangs überwacht wird, um dafür zu sorgen, daß die Programmierung bei einem vorbestimmten Ka­ nalzustand nach dem Einschalten der Zelle angehalten wird.
Eine weitere Aufgabe der Erfindung ist es, eine Zelle mit unterteiltem Kanal zu schaffen, die einen Tunnelvorgang zur Programmierung verwendet und zum Löschen die Injektion hei­ ßer Ladungsträger oder einen Tunnelvorgang verwendet.
Noch eine andere Aufgabe der Erfindung ist es, eine nicht­ flüchtige Speicherzelle und ein Verfahren zum Programmieren derselben zu schaffen, die den Energieverbrauch bei der Pro­ grammierung minimieren können und eine Überwachung des Pro­ grammiervorgangs und der Schwellenspannungszustände ermögli­ chen.
Noch eine andere Aufgabe der Erfindung ist es, eine Zelle mit unterteiltem Kanal zu schaffen, die auf einfache Weise Zuverlässigkeit eines dielektrischen Gatefilms gewährleistet und eine Kopplungskonstante verbessern kann.
Zusätzliche Merkmale und Vorteile der Erfindung werden in der folgenden Beschreibung dargelegt, und sie gehen teilwei­ se aus dieser hervor oder werden beim Ausüben der Erfindung ersichtlich. Aufgaben und andere Vorteile der Erfindung wer­ den mittels der Konstruktionen erzielt, wie sie speziell in der Beschreibung und den Ansprüchen sowie den beigefügten Zeichnungen dargelegt sind.
Diese Aufgaben sind hinsichtlich der nichtflüchtigen Spei­ cherzelle durch die Lehren der unabhängigen Ansprüche 1 so­ wie 35 bis 38 gelöst, und hinsichtlich des Verfahrens sind sie durch die Lehre des beigefügten Anspruchs 21 gelöst.
Es ist zu beachten, daß sowohl die vorstehende allgemeine Beschreibung als auch die folgende detaillierte Beschreibung beispielhaft und erläuternd sind und dazu vorgesehen sind, für eine weitere Erläuterung der beanspruchten Erfindung zu sorgen.
Die beigefügten Zeichnungen, die für ein weiteres Verständ­ nis der Erfindung sorgen sollen und einen Teil der Patentun­ terlagen bilden, veranschaulichen Ausführungsbeispiele der Erfindung und dienen zusammen mit der Beschreibung zum Er­ läutern der Prinzipien der Erfindung.
Fig. 1a zeigt ein Schaltbild der üblichsten nichtflüchtigen Speicherzelle;
Fig. 1b zeigt ein Kurvenbild zum Erläutern des Programmier­ prinzips der nichtflüchtigen Speicherzelle von Fig. 1a mit automatischer Verifizierung;
Fig. 2a zeigt ein Schaltbild einer bekannten nichtflüchtigen Speicherzelle mit einfacher Stapelgatestruktur;
Fig. 2b zeigt ein Schaltbild einer bekannten nichtflüchtigen Speicherzelle vom Aufbau mit unterteiltem Kanal;
Fig. 3a zeigt ein Schaltbild einer nichtflüchtigen Speicher­ zelle gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfin­ dung;
Fig. 3b zeigt ein Schaltbild der nichtflüchtigen Speicher­ zelle von Fig. 3a während ihrer Funktionen;
Fig. 3c zeigt ein Diagramm betreffend Strompfade in der in Fig. 3a dargestellten nichtflüchtigen Speicherzelle während eines Programmiervorgangs;
Fig. 4 zeigt ein Diagramm eines Prozesses bei einem Stromer­ fassungsverfahren zum Programmieren einer nichtflüchtigen Speicherzelle;
Fig. 5a-5h zeigen Diagramme mit Signalverläufen an ver­ schiedenen Knoten in Fig. 4;
Fig. 6 ist ein Flußdiagramm für einen Einzel- oder Mehr­ fachpegel-Programmierprozeß gemäß der Erfindung;
Fig. 7a zeigt eine Kapazitätsersatzschaltung zur in Fig. 3a dargestellten nichtflüchtigen Speicherzelle;
Fig. 7b zeigt die Beziehung zwischen zu programmierenden Schwellenpegeln und entsprechend angelegten Steuergatespan­ nungen, und eine Beziehung bei einem Mehrpegel-Programmier­ vorgang zwischen der anfänglichen Spannung des potentialun­ gebundenen Gates für jeden Pegel sowie Bezugsströmen;
Fig. 7c zeigt ein Kurvenbild mit Einschalt-/Abschaltpunkten eines Transistors sowie eine Beziehung zwischen einem Pro­ grammierendpunkt und einem Drainstrom bei einem Mehrpegel­ programmiervorgang;
Fig. 8a ist ein Diagramm zum Erläutern eines Prozesses zum Programmieren einer nichtflüchtigen Speicherzelle unter Ver­ wendung des erfindungsgemäßen Spannungserfassungsverfahrens;
Fig. 8b zeigt ein Schaltbild eines anderen Ausführungsbei­ spiels des in Fig. 8a dargestellten Spannungsdetektors;
Fig. 9a zeigt eine erste Form des Aufbaus einer erfindungs­ gemäßen nichtflüchtigen Speicherzelle;
Fig. 9b zeigt einen Schnitt entlang der Linie I-I′ in Fig. 9a;
Fig. 10a zeigt eine zweite Form des Aufbaus einer erfin­ dungsgemäßen nichtflüchtigen Speicherzelle;
Fig. 10b zeigt einen Schnitt entlang der Linie II-II′ in Fig. 10a;
Fig. 11a zeigt eine dritte Form des Aufbaus einer erfin­ dungsgemäßen nichtflüchtigen Speicherzelle;
Fig. 11b zeigt einen Schnitt entlang der Linie III-III′ in Fig. 11a;
Fig. 12a zeigt eine vierte Form des Aufbaus einer erfin­ dungsgemäßen nichtflüchtigen Speicherzelle; und
Fig. 12b zeigt einen Schnitt entlang der Linie IV-IV′ in Fig. 12a.
Nun wird detailliert auf die bevorzugten Ausführungsformen der Erfindung Bezug genommen, wobei Beispiele derselben in den beigefügten Zeichnungen veranschaulicht sind.
In den Erläuterungen zur Erfindung ist ein Programmiervor­ gang ein Datenschreibvorgang, während ein Löschvorgang als Vorgang definiert ist, bei dem alle Daten innerhalb eines zu löschenden Blocks in denselben Zustand versetzt werden. Da­ her kann der Löschzustand von Daten ein Zustand sein, in dem die Schwellenspannung einer Speicherzelle entweder niedrig oder hoch ist. Bei den bevorzugten Ausführungsbeispielen der Erfindung, wie sie nachfolgend beschrieben werden, ist der Löschzustand in einem n-Kanal-FET als Zustand definiert, bei dem die Schwellenspannung hohen Pegel aufweist.
Fig. 3a veranschaulicht symbolmäßig eine nichtflüchtige Speicherzelle gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung, die folgendes aufweist: ein Programmier-/Aus­ wählgate 31, das als Anschluß zum Auswählen einer Zelle beim Programmieren, Lesen und Löschen und zum Programmieren im Programmierzustand dient; ein potentialungebundenes Gate 32 zum Einspeichern von Ladungen für die Datenspeicherung sowie zum Entnehmen von Ladungen an das Programmier-/Aus­ wählgate 31 beim Programmieren; ein Steuergate 33 zum Indu­ zieren eines Potentials im potentialungebundenen Gate 32 mittels kapazitiver Kopplung beim Steuern der Menge von La­ dungen, die vom potentialungebundenen Gate 32 an das Pro­ grammier-/Auswählgate 31 abgezogen werden, und eine Transis­ toreinheit mit dem Programmier-/Auswählgate 31, dem poten­ tialungebundenen Gate 32, einem Kanalbereich 38, einer Source 36 und einem Drain 37.
Fig. 3b zeigt eine Schaltung der nichtflüchtigen Speicher­ zelle von Fig. 3a hinsichtlich ihrer Funktionen.
Ein Speichertransistor 34 mit dem Steuergate 33, dem poten­ tialungebundenen Gate 32, dem Kanalbereich 38b unter dem po­ tentialungebundenen 32 und dem Drain 37 dient dazu, Daten in das potentialungebundene Gate einzuspeichern, und ein Auswähltransistor 35 mit dem Programmier-/Auswählgate 31, dem Kanalbereich 38a unter demselben und der Source 36 dient als Schalter, der einen Strom zwischen dem Drain 37 und der Source 36 unabhängig vom Zustand der Schwellenspannung des Speichertransistors 34 ein- oder ausschaltet, um dadurch der Zelle Selektivität zu verleihen. Ein Bereich 38c zwischen dem Auswähltransistor 35 und dem Speichertransistor 34 kann so verwendet werden, daß er als Drain für den Auswähltran­ sistor 35 und als Source für den Speichertransistor 34 dient. Wie es wohlbekannt ist, werden bei einem n-Transistor mit sourceseitiger Injektion heißer Elektronen die heißen Elektronen im Kanalbereich 38c zwischen dem Auswähltransis­ tor 35 und dem Speichertransistor 34 erzeugt und in das po­ tentialungebundene Gate 32 injiziert.
Neben den baulichen und funktionellen Merkmalen des Spei­ chertransistors 34 und des Auswähltransistors 35 verfügt die erfindungsgemäße nichtflüchtige Speicherzelle, wie es aus Fig. 3b ersichtlich ist, über das zusätzliche Merkmal, daß das Programmier-/Auswählgate 31 und das potentialungebundene Gate 32 eine Tunneldiode bilden. Im Fall eines n-Transistors werden Elektronen vom potentialungebundenen Gate 32 über diese Tunneldiode beim Ausführen eines Programmiervorgangs an das Programmier-/Auswählgate 31 abgezogen, wobei dieses als Anschluß zum Ausführen des Programmiervorgangs dient. Anders gesagt, werden beim Programmieren eines n-Transistors Elektronen vom potentialungebundenen Gate 32 an das Program­ mier-/Auswählgate 31 abgezogen. Das bauliche Merkmal der Tunneldiode sowie die Funktionen und Arbeitsvorgänge des Zeilentransistors und jedes Anschlusses unterscheiden die erfindungsgemäße nichtflüchtige Speicherzelle von der be­ kannten nichtflüchtigen Speicherzelle vom Typ mit unterteil­ tem Kanal. Darüber hinaus kann beim Programmieren eines Speicherbauteils mit einer erfindungsgemäßen nichtflüchtigen Speicherzelle die angelegte Spannung zweckdienlich an das Programmier-/Auswählgate 31 und das Steuergate 33 verteilt werden, um die Selektivität beim Programmieren von Zellen zu verbessern.
Wie es aus Fig. 3c erkennbar ist, besteht ein anderes Merk­ mal der erfindungsgemäßen nichtflüchtigen Speicherzelle vom Typ mit unterteiltem Kanal darin, daß bei einem Program­ miervorgang der Programmiervorgangsbereich völlig vom Kanal­ bereich getrennt werden kann. d. h., daß der Programmier­ strompfad und der Kanalbereich getrennt sind. Daher kann während eines Programmiervorgangs eine Änderung des Lei­ tungszustands im Kanalbereich 38, wie dies entsprechend einer Variation der Ladungsmenge im potentialungebundenen Gate 32 auftritt, gleichzeitig mit und unabhängig von dem Programmiervorgang überwacht werden. Anders gesagt, erfolgt das Überwachen mittels des Feldeffekttransistors mit dem po­ tentialungebundenen Gate 32, dem Programmier-/Auswählgate 31 und dem Kanalgate 38. Der Überwachungsvorgang verwendet da­ bei einen üblichen Meßverstärker (nicht dargestellt) beim Überwachen des Stroms des Drains 37 oder der Source 36 der Zelle. Demgemäß verfügt die erfindungsgemäße nichtflüchtige Speicherzelle über einen Aufbau für einen Programmiervor­ gang, bei dem der Programmierpfad und der Überwachungspfad völlig getrennt sind. Anders gesagt, ist die erfindungsgemä­ ße Speicherzelle ein FET mit vier Anschlüssen mit dem Steu­ ergate 33, der Source 36, dem Drain 37 und dem Program­ mier-/Auswählgate 31, während Programmierbetrieb vorliegt. Dies unterscheidet die erfindungsgemäße nichtflüchtige Spei­ cherzelle von der bekannten, die ein FET mit drei Anschlüs­ sen ist, oder von existierenden FETs. Daher verfügt die er­ findungsgemäße nichtflüchtige Speicherzelle über einen Auf­ bau, bei dem Programmier- und Überwachungsvorgänge gleich­ zeitig auf einfache Weise ausgeführt werden können. Dabei kann jedoch nicht nur gleichzeitige Verifizierung ausgeführt werden, sondern es kann auch das bekannte Wiederholen von Programmierung und Verifizierung ausgeführt werden.
Nun wird die Funktion der erfindungsgemäßen nichtflüchtigen Speicherzelle erläutert.
Im Fall eines n-Transistors ist ein Löschvorgang bei der er­ findungsgemäßen nichtflüchtigen Speicherzelle eine Injektion von Elektronen in das potentialungebundene Gate 32. Demgemäß kann der Löschvorgang mittels eines Tunnelvorgangs auf der Seite des Drains 37 oder durch Injektion heißer Elektronen auf der Seite der Source erfolgen.
Im Fall der Verwendung der Injektion heißer Ladungsträger für einen Löschvorgang sorgt die Tatsache, daß es überflüs­ sig ist, daß ein dünner Gatedielektrikumsfilm zwischen dem Kanalbereich 38 oder dem Drain 37 und dem potentialungebun­ denen Gate 32 mit einem Ausmaß vorliegt, wie es Tunneln er­ laubt, nicht nur für eine deutliche Vereinfachung des Her­ stellprozesses für den Gatedielektrikumsfilm im Vergleich zum bekannten Prozeß, wobei gleichzeitig für Zuverlässig­ keit gesorgt ist, sondern auch für eine stark verbesserte Kopplungskonstante, was den Betrieb bei niedriger Spannung und hoher Geschwindigkeit ermöglicht. Diese Vorteile haben die wesentliche Bedeutung, daß die Schwierigkeiten bei den meisten bekannten nichtflüchtigen Speicherzellen beseitigt sind, und es ist möglich, zukünftige Probleme beim Verklei­ nern nichtflüchtiger Speicherzellen zu vermeiden, wie das Auslecken eines kleinen Felds und eine Beeinträchtigung des beim Tunneln verwendeten Gateoxidfilms. Demgemäß ist die er­ findungsgemäße nichtflüchtige Speicherzelle, angesichts der obengenannten Punkte für Verkleinerungsentwicklungen güns­ tig.
Aus den bisherigen Erläuterungen ist es ersichtlich, daß die erfindungsgemäße nichtflüchtige Speicherzelle einen be­ sonderen Aufbau aufweist, bei dem eine unabhängige Auswahl jeder Zeile für entweder Programmierung oder Löschen in je­ dem Fall möglich ist, ohne daß es zu irgendwelchen speziel­ len Problemen hinsichtlich der Zuverlässigkeit des Zellen­ arrays führt. D. h., daß, wie es erläutert wurde, während des Programmierens Selektivität durch den Transistor mit dem Steuergate 36 und dem Drain 37 gegeben ist. Z. B. kann im Fall eines n-Transistors das Programmieren durch einen Tun­ nelvorgang über die Diode erfolgen, und ein Löschvorgang kann durch Injektion heißer Elektronen auf der Sourceseite erfolgen. D. h., daß die erfindungsgemäße Speicherzelle zur Verwendung sowohl als EEPROM als auch als Flash-EEPROM ge­ eignet ist.
Nun werden Verfahren zur Doppel- oder Mehrpegelprogrammie­ rung der in den Fig. 3a-3c dargestellten nichtflüchtigen Speicherzelle erläutert. Beim Programmierverfahren für diese nichtflüchtige Speicherzelle existieren ein Spannungserfas­ sungsverfahren und ein Stromerfassungsverfahren. Zunächst wird das Stromerfassungsverfahren erläutert.
Fig. 4 zeigt ein Diagramm zu einem Prozeß gemäß dem Strom­ erfassungsverfahren zum Programmieren der nichtflüchtigen Speicherzelle. Das in Fig. 4 dargestellte Diagramm umfaßt eine erste Spannungsquelle 39, eine zweite Spannungsquelle 40, eine dritte Spannungsquelle 41, eine vierte Spannungs­ quelle 42, einen Stromdetektor 43 und die in den Fig. 3a- 3b dargestellte nichtflüchtige Speicherzelle, die hier mit 100 gekennzeichnet ist. Es repräsentiert das von außen ange­ legte i-te Pegelprogrammier-Startsignal, VST repräsentiert ein Programmierstoppsignal.
Die erste Spannungsquelle 39 liefert eine Spannung VC,i (i = 0, 1, 2, . . ., n-1) an das Steuergate 33 der nichtflüchtigen Speicherzelle 100, um während einer Mehrpegelprogrammierung die Programmierung für den Pegel i anzulegen. Demgemäß hat die Spannung VC,i einen Wert, der sich bei der Mehrpegelpro­ grammierung der Programmierung jedes Schwellenpegels ändert. Die zweite Spannungsquelle 40 liefert eine Spannung VPS für Einzel- oder Mehrpegelprogrammierung an das Programmier-/Auswählgate 31. Diese Spannung VPS kann variabel sein, je­ doch hat sie am Programmierende immer den Wert einer kon­ stanten, positiven Spannung. Die dritte Spannungsquelle 41 induziert im Drain 37 ein Potential VD zum Überwachen eines programmierten Zustands während eines Doppel- oder Mehrpe­ gel-Programmiervorgangs, d. h. zum Überwachen eines Stroms ID,i(t) durch das Drain 37, und die vierte Spannungsquelle 42 legt die Spannung VS an die Source 36 an. VS ist entweder eine Massespannung oder eine Spannung unter VD. ID,i(t) ist der durch den Drain 37 fließende Strom.
Der Stromdetektor 43 liefert während der Programmierung für den Schwellenpegel i das Programmierstoppsignal VST, wenn der durch den Drain 37 fließende Strom ID,i(t) eine Bezugs­ stromstärke IREF erreicht (z. B. eine Schwellenspannung Ith). Ein Zeitpunkt tpi repräsentiert den Zeitpunkt des Pro­ grammierabschlusses. Der Bezugsstrom IREF für den Stromde­ tektor 43 hängt von den elektrischen Eigenschaften der nichtflüchtigen Speicherzelle ab. Dieser Bezugsstrom IREF kann durch eine Schwellenspannung Ith definiert werden. Der Strom ID,i(t) durch den Drain 37 kann als zeitabhängiger Strom umdefiniert werden. Dieser Strom IC,i(t) repräsentiert den Strom durch den Drain 37, wie er während der Programmie­ rung des Pegels i durch eine Spannung VF,i(t) am potential­ ungebundenen Gate 32 bestimmt wird, mit sehr kleinem Leck­ strom, entsprechend dem abgeschalteten Zustand (= Zustand unter der Schwelle) des Kanals im Anfangsstadium der Pro­ grammierung, und mit Beibehaltung des abgeschalteten Zu­ stands, wenn die Programmierung bis zum Einschalten des Ka­ nals weiterläuft, wenn die Stromstärke stark ansteigt. Wenn die erhöhte Stromstärke den Bezugsstrom IREF für den Strom­ detektor 43 erreicht, erzeugt der Stromdetektor 43 das Pro­ grammierstoppsignal VTS.
Für die obengenannten Bedingungen wird nun unter Bezugnahme auf die Fig. 4, 5a-5h und 6 ein Prozeß für Doppel- oder Mehrpegelprogrammierung unter Verwendung von Drainstromer­ fassung erläutert.
Die Fig. 5a-5h zeigen Diagramme von Signalverläufen an verschiedenen Knoten in Fig. 4, und Fig. 6 zeigt ein Fluss­ diagramm für einen Einzel- oder Mehrpegelprogrammierprozeß gemäß der Erfindung. Es ist angenommen, daß die zu program­ mierende Zelle vor dem Programmieren im gelöschten Zustand vorliegt. Der Löschzustand ist dabei der höchste Pegel. Fer­ ner ist angenommen, daß die Transistoren in den in den Fig. 3a, 3b und 3c sowie 4 dargestellten Transistoren n-FETs sind, von denen jeder einen auf einem p-Substrat ausgebilde­ ten n-Kanal aufweist. Es kann auch ein p-FET mit einem auf einem n-Substrat ausgebildeten p-Kanal angenommen werden. In diesem Fall kann derselbe Vorgang wie im obigen Fall erfol­ gen, wenn die Polaritäten der angelegten Spannung umgekehrt eingestellt werden und die Symbole am entsprechenden Knoten und die Schwellenspannungen auf umgekehrte Weise definiert werden.
Beim Anlegen eines externen Programmierstartsignals Ps für Einzel- oder Mehrpegelprogrammierung, wie in Fig. 5a darge­ stellt, wird eine positive, an das Steuergate 33 anzulegende Spannung VC,i für die Programmierung des Pegels i einge­ stellt. Gleichzeitig mit dem Einstellen der Positiven Span­ ung VC,i wird der Stromdetektor 43 zum Verifizieren einer Änderung der Ladungsmenge am potentialungebundenen Gate 32 aktiviert. Gleichzeitig mit dem Anlegen des Programmier­ startsignals Ps, wie in Fig. 5a dargestellt, werden die in Fig. 5b dargestellte Spannung VPS und die in Fig. 5c darge­ stellte negative Spannung VC,i von der ersten Spannungsquel­ le 39 bzw. der zweiten Spannungsquelle 40 an das Steuergate 33 bzw. das Programmier-/Auswählgate 31 angelegt. Demgemäß wird eine Tunnelspannung Vtun,i(t) zwischen dem Programmier-/Auswählgate 31 und dem potentialungebundenen Gate 32 aufge­ laden, um negative Ladungen vom potentialungebundenen Gate 32 an das Programmier-/Auswählgate zu liefern, um die Pro­ grammierung für den Schwellenpegel i auszuführen. D. h., daß damit begonnen wird, Elektronen vom potentialungebunde­ nen Gate 32 durch Tunneln zum Programmier-/Auswählgate 31 zu ziehen.
Gleichzeitig mit dem Anlegen der Spannungen VC,i und VPS an das Steuergate 33 bzw. das Programmier-/Auswählgate 31, oder anschließend daran, werden die Drainspannung Vs und die Sourcespannung VS von der dritten Spannungsquelle 41 bzw. der vierten Spannungsquelle 42 an den Drain 37 bzw. die Source 36 angelegt. Außerdem wird der Stromdetektor 43 akti­ viert. Beim Anlegen der Spannungen VC,i, VPS und Vd an das Steuergate 33, das Programmier-/Auswählgate 31 bzw. den Drain 37 wird, wie es in Fig. 5d für die Programmierung für den Schwellenpegel i veranschaulicht ist, eine Spannung VF,i(t) durch Ladungsansammlung im Potentialungebundenen Gate 32 induziert. Dabei werden VC,i und VPS so angelegt, daß eine anfängliche Spannung VF,i des Potentialungebunde­ nen Gates den Kanalbereich 38 des FET abschaltet, d. h., daß die Anfangsspannung niedriger als die Schwellenspannung VF TH am potentialungebundenen Gate 32 ist.
Demgemäß fließt im Anfangsstadium kein Strom durch den Drain 37. Wenn der Programmvorgang fortschreitet, werden Elektro­ nen vom Potentialungebundenen Gate 32 abgezogen, was die Spannung VF,i(t) am potentialungebundenen Gate erhöht. Wenn die Spannung am potentialungebundenen Gate die in Fig. 5d dargestellte Schwellenspannung VF TH erreicht, fließt der in Fig. 5e dargestellte Strom ID,i(t) durch den Drain 37, der im Anfangsstadium am kleinsten ist und ansteigt, wenn die Spannung am potentialungebundenen Gate aufgrund der Übertra­ gung von Elektronen vom potentialungebundenen Gate 32 zum Programmier-/Auswählgate 31 ansteigt, wenn der Programmier­ vorgang fortschreitet. Der Stromdetektor 43 überwacht wäh­ rend der Programmierung des Schwellenpegels i diesen Drain­ strom ID,i(t). Wenn der Drainstrom ID,i(t) einen vorbestimm­ ten Wert IREF erreicht, wie in Fig. 5e dargestellt (z. B. die Schwellenspannung), wird angenommen, daß die Program­ mierung für den Schwellenpegel i abgeschlossen ist, und es wird das in Fig. 5f dargestellte Programmierstoppsignal VST erzeugt.
Es wurde hier zwar erläutert, daß der Stromdetektor 43 den Strom ID,i(t) durch den Drain erfaßt, jedoch wird während der in Fig. 5d dargestellten Programmierung tatsächlich die Änderung der Spannung oder der Ladungsmenge am potentialun­ gebundenen Gate 32 überwacht. Die Überwachung des Stroms ID,i(t) kann als Überwachung der Leitfähigkeit im Kanalbe­ reich 38 erläutert werden.
Gemäß Fig. 4 wird das Programmierstoppsignal VST an die ers­ te und zweite Spannungsquelle 39 und 40 angelegt, und auf dieses Programmierstoppsignal VST hin liefert die erste und/oder die zweite Spannungsquelle 39 und 49 eine negative Spannung VC,i und eine positive Spannung VPS an das Steuer­ gate 33 bzw. das Programmier-/Auswählgate 31. D. h., daß die Programmierung für den Schwellenpegel i abgeschlossen ist, wenn einmal erkannt wurde, daß der Strom ID,i(t) bei t = tp,i höher als der Schwellenstrom Ith ist. Daher reprä­ sentiert der Zeitpunkt tp,i den Zeitpunkt, zu dem der Schwellenpegel i programmiert ist.
In diesem Fall erreicht, wie es in Fig. 5e dargestellt ist, wenn der Drainstrom ID,i(t) den Schwellenstrom IREF er­ reicht, die Spannung am potentialungebundenen Gate eine dem Bezugsstrom IREF entsprechende Bezugsspannung VF REF. Daher wird der Bezugsstrom IREF tatsächlich vorab auf einen Wert eingestellt, wie er der Schwellenspannung VF REF am poten­ tialungebundenen Gate 32 entspricht, wie sie bei der Her­ stellung des nichtflüchtigen Speichers bestimmt wird. D. h., daß gemäß Fig. 3, da der speichernde Feldeffekttransistor 34 für den Verifiziervorgang das potentialungebundene Gate 32 und die Source 36 aufweist, diese Schwellenspannung VF REF tatsächlich der Schwellenspannung des Kanalbereichs 38 ent­ spricht. Es ist zu beachten, daß zum Programmierabschluss­ zeitpunkt, der immer der Zeitpunkt ist, zu dem die Spannung am potentialungebundenen Gate die Schwellenspannung VF REF erreicht, für die Programmierung jedes Schwellenpegels der­ selbe ist. Dies ist eines der Merkmale, das die Erfindung vom Stand der Technik gemäß R. Cernea unterscheidet.
Fig. 5h ist ein Diagramm, das die Änderung der Schwellen­ spannungen VC TH,1 und VC TH,2 am Steuergate 33 zeigt, wenn der Schwellenpegel i den Wert Eins bzw. Zwei hat. Fig. 5h zeigt auch, daß die Schwellenspannung VC th,i am Steuergate 33 abnimmt, wenn der Rang des Pegels während der Mehrpegel­ programmierung höher wird, was während der Programmierung durch Verringern der Spannung VC,i erfolgen kann. Hier liegt der Grund dafür, daß die Programmierzeitpunkte tP,1 und tP,2 für den ersten und den zweiten Pegel voneinander ver­ schieden sind, darin, daß Änderungen der Steuergatespannung VC,i und der Schwellenspannung VC TH,i für die jeweiligen Pe­ gel verschieden sind.
Indessen ist Fig. 5g ein Kurvenbild, das Ladungsmengenände­ rungen am potentialungebundenen Gate 32 ausgehend von einer anfänglichen Ladungsmenge QF,o(0) zur Ladungsmenge QF,1(tP,1) zum Zeitpunkt, zu dem die Programmierung für den ersten Schwellenpegel abgeschlossen ist, und zur Ladungsmenge QF,2(tP,2), zu dem die Programmierung für den zweiten Schwellenpegel abgeschlossen ist, für den Fall zeigt, daß der Schwellenpegel i der erste bzw. zweite Pegel ist. Es wird darauf hingewiesen, daß dann, wenn die Spannungen VF,1(t) und VF,2(t) am Potentialungebundenen Gate 32 die Be­ zugsspannung VF REF an ihm, die dem Bezugsstrom IREF(t=tP,2, t=tp,2) entspricht, erreichen, die Ladungsmenge am poten­ tialungebundenen Gate 32 ausgehend von der Ausgangsmenge QF,0(0) auf die Menge QF,1(tP,1) bzw. die Menge QF,2(tP,2) abnimmt. Nach dem Beenden der Programmierung bleiben die Werte QF,1(tP,1) und QF,2(tP,2) aufrechterhalten.
Unter Bezugnahme auf Fig. 7a wird nun die Beziehung zwischen der von der ersten Spannungsquelle 39 an das Steuergate 33 angelegten Spannung VC,i und der Schwellenspannung für den entsprechenden Pegel, wobei es sich um ein wesentliches Er­ gebnis der Erfindung handelt, erläutert. Fig. 7a veranschau­ licht eine Kapazitätsersatzschaltung für den in Fig. 3 dar­ gestellten nichtflüchtigen Speicher. In Fig. 7a repräsen­ tiert CC die Kapazität zwischen dem Steuergate 33 und dem potentialungebundenen Gate 32; Cps repräsentiert die Kapazi­ tät zwischen dem Programmier-/Auswählgate 31 und dem poten­ tialungebundenen Gate 32; CD repräsentiert die Kapazität zwischen dem Drain 37 und dem Potentialungebundenen Gate 32; und CS repräsentiert die Kapazität zwischen der Source 36 und dem Potentialungebundenen Gate 32.
Die Summe CT dieser Kapazitäten kann durch die folgende Gleichung (1) ausgedrückt werden:
CT = CC + Cps + CD + CS + CB (1)
Die Kopplungskoeffizienten der jeweiligen Kapazitäten sind durch die folgenden Gleichungen (2) definiert:
αC = CC/CT, αC = CC/CT, αps = Cps/CT, α = CS/CT und αB = CB/CT (2)
In diesem Fall ist der Geschicklichkeit halber angenommen, daß die Substrat- und Sourcespannung einer Massespannung entsprechen.
Gemäß Fig. 7a kann die Spannung am potentialungebundenen Gate 32 während eines Programmiervorgangs durch die folgende Gleichung (3) ausgedrückt werden:
VF(t) = αCVC + αpsVps + αDVD(t) + QF(t)/CT = αC[VC - VC TH(t)] + αpVp + αDVD(t) (3),
wobei QF(t) die Ladungsmenge auf dem potentialungebundenen Gate 32 repräsentiert.
Beim Programmieren ist die Schwellenspannung VC TH(t) am Steuergate 33 durch die folgende Gleichung (4) definiert:
VC TH(t) = -QF(t)/CC (4)
Anders gesagt, zeigt VC TH(t) in der Gleichung (4) eine Schwellenspannungsverschiebung an, wie sie zum Zeitpunkt t am Steuergate 33 gemessen wird. Die Schwellenspannungsver­ schiebung betrifft eine Schwellenspannung, wie sie am Steu­ ergate gemessen wird und durch auf dem potentialungebundenen Gate angesammelte Ladungen hervorgerufen wird. Die am Steu­ ergate 33 gemessene Schwellenspannung VC TH(t) ist als Span­ nung am Steuergate 33 definiert, wenn der Drainstrom ID(t) den Bezugsstrom IREF (z. B. den Schwellenstrom Ith) am Stromdetektor 43 erreicht. Wie erläutert, kann der Schwel­ lenstrom Ith wahlfrei definiert werden (z. B. Ith = 1 µA). Die Schwellenspannung VF TH am potentialungebundenen Gate 32 ist eine dem aus dem potentialungebundenen Gate 32, der Source 36 und dem Drain 37, wie in Fig. 3 dargestellt, be­ stehenden Feldeffekt-Speichertransistor eigene Schwellen­ spannung, die von den Herstellbedingungen abhängt, wie von der Ionenimplantation im Kanal und der Dicke eines Gateisolators beim Herstellen der nichtflüchtigen Speicherzelle von Fig. 3. Daher ist die Schwellenspannung VF TH des potential­ ungebundenen Gates 32 immer konstant. Jedoch hängt die Schwellenspannung VF TH am Steuergate 33 von der Ladungsmenge QF am potentialungebundenen Gate 32 ab.
Wie erläutert wird der Programmiervorgang für jeden Pegel zum Anhalten gebracht, wenn die Spannung VF(t) am potential­ ungebundenen Gate 32 auf die Bezugsspannung VF REF an demsel­ ben abgenommen hat (z. B. auf die Schwellenspannung VF TH). Es sei angemerkt, daß dann, wenn die Drainspannung VD kon­ stant ist, der Strom ID(t) von der Spannung am potentialun­ gebundenen Gate 32 abhängt und eine eineindeutige Beziehung zur Spannung VF,i am potentialungebundenen Gate 32 hat. Dem­ gemäß entspricht der Programmierstoppzeitpunkt für jeden Pe­ gel für jeden Zeitpunkt, zu dem der Strom ID(t) den Schwel­ lenstrom Ith erreicht, und er entspricht auch dem Zeitpunkt tp, zu dem die Programmierung abgeschlossen ist. Daher kann bei der Programmierung für jeden Schwellenpegel die Spannung VF(tp) am potentialungebundenen Gate 32 zum Zeitpunkt des Programmierabschlusses durch die folgende Gleichung (5) aus­ gedrückt werden:
VF(tp) = VF TH = αC[VC - VC TH(tp)] + αPSVPS + αdVd(tp) (5)
Ein Umordnen der Gleichung (5) hinsichtlich der von der ers­ ten Spannungsquelle 39 an das Steuergate 33 gelieferten Spannung VC ergibt die folgende Gleichung (6):
VC TH(tp) = VC + (αPSVPS + αdVd - VF REF)/αC = VC + V1 (6),
wobei V1 wie folgt definiert ist:
V1 = (αPSVPS + αdVd - VF REF)/αC (7)
Wenn die drei Parameter der Spannung VPS am Programmier-/Aus­ wählgate, der Drainspannung VD und der Bezugsspannung VF REF so eingestellt werden, daß V1 zum Zeitpunkt des Been­ dens der Programmierung für jeden Pegel eine feste Konstante ist, ist die Beziehung zwischen den Verschiebungen der Steu­ ergatespannung VC und der Schwellenspannung VC TH linear.
Der einfachste Weg, V1 zu einer festen Konstante zu machen, besteht darin, die Spannung VPS am Programmier-/Auswählgate sowie die Drainspannung VD für die Programmierung jedes Pe­ gels als feste Konstanten zu wählen und die Bezugsspannung VF REF für die Programmierung jedes Pegels zu einer Konstan­ ten zu machen. Wenn die Bezugsspannung VF REF konstant ge­ macht wird, entspricht dies einem Konstantmachen des Bezugs­ stroms IREF. Jedoch wird, wie es aus der Gleichung (5) er­ sichtlich ist, dem Zweck nur dann genügt, wenn die Werte der Spannung VPS am Programmier-/Auswählgate und die Drainspan­ nung VD zum Zeitpunkt des Beendens des Programmiervorgangs für jeden Pegel übereinstimmen. D. h., daß zwar die Span­ nung VPS am Programmier-/Auswählgate und die Drainspannung VD zeitabhängige Variable sein können, der Zweck jedoch nur erreicht wird, wenn ihre Werte zum Endzeitpunkt der Program­ mierung für jeden Pegel übereinstimmen. Aus der Gleichung (5) ist es auch ersichtlich, daß die Steuergatespannung VC für jeden Pegel ebenfalls eine zeitabhängige Variable sein kann. In diesem Fall ist VC in der Gleichung (5) der Wert zum Endzeitpunkt der Programmierung für jeden Pegel.
Wie erläutert, kann dann, wenn V1 für die Programmierung je­ des Pegels konstant gemacht wird, die zur Programmierung des Schwellenpegels i erforderliche Steuergatespannung VC,i ge­ mäß der Gleichung (6) wie folgt ausgedrückt werden:
VC TH,I = VC,i + V1(mit i = 0, 1, 2, 3, . . ., n-1) (8)
Aus dieser Gleichung ergibt sich, daß die zu programmieren­ den Schwellenpegel und die entsprechend den Schwellenpegeln anzulegenden Steuergatespannungen linear sind, mit der Stei­ gung 1. Entsprechend sind auch, gemäß Gleichung (4), die La­ dungsmengen auf dem potentialungebundenen Gate 32 ebenfalls linear in bezug zu den Steuergatespannungen.
Da V1 eine Konstante ist, wie oben angegeben, kann die i-te Verschiebung ΔVC,i der während einer Mehrpegelprogrammierung an das Steuergate 33 angelegten Spannung unmittelbar durch die folgende Gleichung (9) ausgedrückt werden:
ΔVC,i = ΔVC TH,i (9)
Aus den Gleichungen (8) und (9) ist es ersichtlich, daß eine Verschiebung einer Schwellenspannung durch eine Ver­ schiebung der Steuergatespannung bei Doppel- oder Mehrpegel­ programmierung genau gesteuert werden kann. Es ist bekannt, daß die Steuergatespannung genau der Schwellenspannung ent­ spricht, wenn die in der Gleichung (7) angegebene Konstante auf Null gesetzt wird.
Daher können die folgenden zwei Verfahren zum Überwachen eines Programmiervorgangs verwendet werden, wenn die obige Schlußfolgerung bei der Programmierung eines nichtflüchti­ gen Speichers genutzt wird.
Das erste ist ein Kanal-EIN-AUF-AUS-Verfahren, bei dem der Kanal im Anfangsstadium eines Programmiervorgangs einge­ schaltet wird, um dafür zu sorgen, daß der größte Drain­ strom fließt und Elektronen in das potentialungebundene Gate injiziert werden, wenn der Programmiervorgang fortschreitet, um dafür zu sorgen, daß die Spannung am potentialungebunde­ nen Gate abnimmt, was eine Abnahme des Drainstroms zur Folge hat, bis dieser einen vorbestimmten Bezugsstrom erreicht, wenn der Programmiervorgang zum Ende kommt.
Das zweite ist ein Kanal-AUS-AUF-EIN-Verfahren, das entge­ gengesetzt zum Kanal-EIN-AUF-AUS-Verfahren abläuft und bei dem Spannungen an jede Elektrode angelegt werden, um nicht nur den Kanal im Anfangszustand eines Programmiervorgangs abzuschalten, d. h., um dafür zu sorgen, daß die Spannung am potentialungebundenen Gate kleiner als die Schwellenspan­ nung VF TH am demselben ist, sondern um auch dafür zu sorgen, daß Elektronen bezüglich dem potentialungebundenen Gate ab­ gezogen werden. Daher steigt, wenn die Programmierung fort­ schreitet, die Spannung am potentialungebundenen Gate an, um am Ende, wenn der Kanal eingeschaltet wird, einen höheren Wert zu erreichen, als es der Schwellenspannung VF TH am po­ tentialungebundenen Gate entspricht. Der Endzeitpunkt des Programmiervorgangs kann der Moment sein, zu dem der Kanal eingeschaltet wird, oder es kann ein beliebiger Zeitpunkt nach dem Einschalten sein. D. h., daß der Bezugsstrom der Schwellenstrom sein kann oder daß es ein beliebiger Wert sein kann, der größer als der Schwellenstrom ist.
Im Fall einer Mehrpegelprogrammierung für mehr als zwei Pe­ gel werden, wenn die Steuergatespannungen, wie sie jedem Pe­ gel entsprechen, variiert werden, auch die anfänglichen Spannungen am potentialungebundenen Gate bei der Programmie­ rung jedes Pegels variiert. Dieser Prozeß ist in Fig. 7b deutlich dargestellt. Hierbei ist der Wert VF REF (oder IREF) für die Programmierung jedes Pegels eine Konstante, und VC,i nimmt ab, wenn der Rang des Pegels niedriger ist. Der Drainstrom vor dem Einschalten ist Null, und der Einschalt­ punkt und der Programmierendpunkt hängen von den Eigenschaf­ ten eines Transistors ab. Dieser Prozeß ist in Fig. 7c deutlich dargestellt.
Die Erfindung betrifft das obengenannte AUS-AUF-EIN-Verfah­ ren sowie eine neue nichtflüchtige Speicherzelle, ein Bau­ teil und ein Speicherarray, bei denen das AUS-AUF-EIN-Ver­ fahren leicht angewendet werden kann. Im Vergleich mit dem EIN-AUF-AUS-Verfahren ist es ersichtlich, daß das AUS-AUF- EIN-Verfahren einen sehr kleinen Energieverbrauch aufweist.
Im Fall des EIN-Moments, wie er dem Erfassen der Schwellen­ spannung zum Programmierendpunkt entspricht, kann auch ein Meßverstärker auf sehr einfache Weise realisiert werden.
Aus der obigen theoretischen Schlußfolgerung, d. h. für das Programmierung gemäß dem AUS-AUF-EIN-Verfahren, kann, wenn eine Verschiebung ΔVC TH,i vom Löschzustand, der dem höchsten Pegel entspricht, auf einen der entsprechenden Schwellenpe­ gel erkannt wird, eine Programmierung für den Pegel dadurch erfolgen, daß ein Wert angelegt wird, wie er durch Subtra­ hieren der Verschiebung ΔVC TH,i auf einen gewünschten Pegel vom bereits bekannten Wert des höchsten Pegels VC,0, wie beim Programmieren als Steuergatespannung, verwendet, abge­ zogen wird, und dann darauf gewartet wird, daß ein automa­ tischer Abschluß der Programmierung durch eine Erfassungs­ schaltung erfolgt (durch den Stromdetektor 43 bei diesem Ausführungsbeispiel).
Wenn es beabsichtigt ist, beim Programmieren einen Tunnel­ mechanismus zu verwenden, wird eine positive Spannung an das Programmier-/Auswählgate 31 angelegt, eine negative Spannung wird an das Steuergate 33 angelegt und eine Minimalspannung (z. B. 1 V), die dazu ausreicht, den Strom zwischen dem Drain 37 und der Source 36 zu überwachen (zu messen), sorgt für ein Einschalten des Auswähltransistors 35 und für das Errichten eines elektrischen Felds, das dazu ausreicht, für ein Tunneln zwischen dem potentialungebundenen Gate 32 und dem Programmier-/Auswählgate 31 zu sorgen. Der Auswähltran­ sistor 34 sollte eingeschaltet werden, da das Überwachen des Kanalzustands (dessen Leitfähigkeit), d. h. des Drainstroms, während der Programmierung möglich sein sollte.
Nun werden Verfahren zum Bestimmen der Steuergatespannung VC,0 und des Bezugsstroms IREF zur Verwendung bei der Pro­ grammierung des höchsten Pegels erläutert.
Wenn einmal der gewünschte höchste Pegel VC TH,0, die Span­ nung VPS am Programmier-/Auswählgate, die Drainspannung VD, die Sourcespannung VS und eine Substratspannung VB einer vorgegebenen Speicherzelle bestimmt sind, verbleiben die zwei Parameter der Spannung VC,0 und der Bezugsspannung VF REF aus den Gleichungen (7) und (8). Da die Spannung VPS am Programmier-/Auswählgate, die Drainspannung VD und die Sourcespannung VS festliegen, entspricht die VF REF in ein­ eindeutigen Weise dem Strom IREF. Dann werden, nachdem die Speicherzelle auf den gewünschten höchsten Schwellenpegel eingestellt ist, VC TH,0,VC,0, VPS, VD, VS und VB an die Speicherzelle angelegt, und es wird der anfängliche Drain­ strom IG,0(0) gemessen. Der Wert IG,0(0) ist dabei tatsäch­ lich IREF. In diesem Fall wird VC,0 dadurch bestimmt, daß die Programmierzeit berücksichtigt wird. Wenn VC,0 einmal bestimmt ist, kann IREF durch das obengenannte Verfahren be­ stimmt werden. Der Wert IREF kann durch Verschiedene andere Verfahren als das obige gemessen werden.
Bei den bisherigen Erläuterungen sind Fälle erläutert, bei denen der durch die Gleichung (7) ausgedrückte Wert V1 als feste Konstante eingestellt wird. Wenn die Parameter in der Gleichung (7) so eingestellt werden, daß V1 für die Pro­ grammierung jedes Pegels variiert wird, ist, wie es aus der Gleichung (8) ersichtlich ist, die Beziehung zwischen der Steuergatespannung VC,i und der entsprechenden Schwellen­ spannung VC TH,i nichtlinear. Demgemäß weisen die Verschie­ bung der Steuergatespannung und die Verschiebung der ent­ sprechenden Schwellenspannung voneinander verschiedene Werte auf. In diesem Fall können, durch Einstellen des Bezugs­ stroms IREF auf zweckdienliche Weise für jeden Pegel, die Schwellenspannungen für jeden Pegel nur dann auf gewünschte Werte programmiert werden, wenn die nichtlineare Beziehung zwischen der Steuergatespannung VC,i und der entsprechenden Schwellenspannung VC TH,i experimentell ermittelt wird.
Bisher wurden Verfahren für Einzelpegel- und Mehrpegelpro­ grammierung erläutert.
Nun wird ein Löschverfahren unter Verwendung des obengenann­ ten Programmierverfahrens erläutert, wobei wie zuvor ein n-Transistor als Beispiel verwendet wird.
Wie es bereits definiert wurde, ist beim erfindungsgemäßen Programmierverfahren ein Löschvorgang eine Injektion von La­ dungsträgern (oder Elektronen) in das potentialungebundene Gate. Daher kann Löschen entweder durch Injektion heißer La­ dungsträger oder durch Tunneln ausgeführt werden.
Bei der Erfindung bedeutet der gelöschte Zustand einen Fall, bei dem die Schwellenspannung die höchste ist, d. h. VC TH,0. Anders gesagt, sind alle nichtlinearen Speicherzellen inner­ halb eines vorgegebenen Löschblocks auf den höchsten Pegel programmiert. Demgemäß kann ein Löschprozeß gemäß den fol­ genden Schritten ausgeführt werden.
Als erstes werden Elektronen injiziert, damit die Schwellenpegel aller Zellen innerhalb des ausgewählten Blocks höher als der Pegel 0 werden, d. h. VC TH,0. Dann werden, beim Pe­ gel 0, bei dem die Spannung am Steuergate 33 den Wert VC,0 hat, alle ausgewählten Zellen programmiert. Hierbei kann, wie es erläutert wurde, der Wert VC,0 willkürlich so verwen­ det werden, wie es geeignet ist.
Bei den bisherigen Ausführungsbeispielen sind n-Transistoren verwendet, jedoch kann dann, wenn das erfindungsgemäße Pro­ grammierverfahren bei einem p-Transistor angewandt wird, daßelbe Ergebnis dadurch erhalten werden, daß nur die Po­ laritäten der angelegten Spannungen geändert werden. Jedoch bewirkt in diesem Fall eine Abnahme der Spannung am poten­ tialungebundenen Gate aufgrund einer Injektion von Elektro­ nen in dasselbe, daß der Transistor vom ausgeschalteten in den eingeschalteten Zustand übergeht. Daher sollten im Fall eines p-Transistors Spannungen so an jedes Gate und jeden Anschluß angelegt werden, daß der Kanal im Anfangsstadium abgeschaltet ist und Elektronen mit fortschreitender Zeit in das potentialungebundene Gate injiziert werden.
Da das bisher erläuterte Konzept der Erfindung unabhängig vom Programmiermechanismus ist, ist es ersichtlich, daß dieses Konzept auf jeden Typ von Programmiermechanismus an­ wendbar ist, der durch die Gleichung (3) ausgedrückt werden kann.
Bisher wurden Programmierprozesse unter Verwendung eines Stromerfassungsverfahrens erläutert.
Nun wird unter Bezugnahme auf die Fig. 8a und 8b ein Programmierprozeß gemäß einem Spannungserfassungsverfahren er­ läutert. Dieser Programmierprozeß ist tatsächlich beinahe derselbe wie derjenige gemäß dem Stromerfassungsverfahren. Fig. 8a zeigt ein Diagramm zum Erläutern des erfindungsgemä­ ßen Programmierprozesses unter Verwendung eines Spannungser­ fassungsverfahrens, wobei tatsächlich Übereinstimmung mit Fig. 4 mit der Ausnahme besteht, daß anstelle des in Fig. 4 dargestellten Stromdetektors 43 ein Spannungsdetektor 44 verwendet ist.
Der Spannungsdetektor 44 kann in seiner einfachsten Form eine Bezugsspannungsquelle 45 und einen zwischen diese und den Drain 37 geschalteten Widerstand 46 aufweisen. Oder die­ ser Spannungsdetektor 44 kann die Bezugsspannungsquelle und eine zwischen diese und den Drain geschaltete Diode aufwei­ sen. Demgemäß überwacht der Spannungsdetektor 44 während eines Programmiervorgangs die Spannung am Drain 37. Beim Er­ fassen der Drainspannung VD,TH zum Zeitpunkt, zu dem eine Spannung VF,i am potentialungebundenen Gate 32 während der Überwachung eine vorgegebene Schwellenspannung VF TH er­ reicht, gibt der Spannungsdetektor 44 ein Programmierstopp­ signal VST aus. Die Drainspannung VD,TH ist bei der Program­ mierung aller Pegel eine Konstante. Ähnlich wie beim Strom­ erfassungsverfahren endet die Programmierung, wenn die erste Spannungsquelle 39 und/oder die zweite Spannungsquelle 40 die Zuführung der Steuergatespannung VC,i beenden, und auf das Programmierstoppsignal VST hin die Programmiergatespan­ nung VP nicht mehr vorliegt. Da andere Punkte ebenfalls identisch mit solchen beim Stromerfassungsverfahren sind, wird die zugehörige Erläuterung weggelassen.
Die Fig. 9a und 9b, 10a und 10b, 11a und 11b sowie 12a und 12b sind Layoutdiagramme und Schnittansichten, die verschie­ dene Formen von Konstruktionen des in Fig. 3 dargestellten nichtflüchtigen Speichers zeigen.
Fig. 9a veranschaulicht eine erste Form einer Konstruktion einer nichtflüchtigen Speicherzelle gemäß der Erfindung, und Fig. 9b zeigt einen Schnitt entlang der Linie I-I′ in Fig. 9a.
Gemäß den Fig. 9a und 9b umfaßt der nichtflüchtige Speicher mit der ersten Konstruktionsform ein Halbleitersubstrat 30 von erstem Leitungstyp mit einer Source 36, einem Drain 37 und einem Kanalbereich 38 zwischen der Source 36 und dem Drain 37 an der Oberfläche derselben, ein Programmier-/Aus­ wählgate 31, das auf der Sourceseite auf der Oberfläche des Kanalbereichs 38 ausgebildet ist, ein potentialungebundenes Gate 32, das auf der Seite des Drains 37 auf einer Oberflä­ che des Kanalbereichs 38 beabstandet vom Programmier-/Aus­ wählgate 31 ausgebildet ist, ein Steuergate 33, das über dem potentialungebundenen Gate 32 ausgebildet ist, und eine zwi­ schen dem Programmier-/Auswählgate 31 und dem potentialunge­ bundenen Gate 32 und dem Steuergate 33 ausgebildete dielek­ trische Schicht 47, deren Dicke zwischen dem potentialunge­ bundenen Gate 32 und dem Programmier-/Auswählgate 31 ausrei­ chend dünn ausgebildet ist, um Tunneln zu ermöglichen.
Gemäß den Fig. 9a und 9b ist das Programmier-/Auswählgate 31 nahe der Source 36 ausgebildet, das potentialungebundene Gate 32 ist nahe dem Drain 37 ausgebildet und eine Seite des Programmier-/Auswählgates 31 ist benachbart zu einer Seite des potentialungebundenen Gates 32 ausgebildet, um ein Tunneln von Elektronen zu ermöglichen. Aus den Fig. 9a und 9b ist es auch ersichtlich, daß Elektronen von einer Seite des potentialungebundenen Gates 32 durch die dielektrische Schicht 47 hindurch zu einer Seite des Programmier-/Auswähl­ gates 31 abgezogen werden. Der Gateisolierfilm 48 mit einer Filmdicke, die ausreichend dünn dafür ist, daß Tunneln von Elektronen vom Kanalbereich 38 zum potentialungebundenen Gate 32 während eines Löschvorgangs veranlaßt wird, ist zwischen dem Kanalbereich und dem potentialungebundenen Gate 32 ausgebildet.
Fig. 10a veranschaulicht eine zweite Konstruktionsform einer erfindungsgemäßen nichtflüchtigen Speicherzelle, und Fig. 10b zeigt einen Schnitt entlang der Linie II-II′ in Fig. 10a.
Gemäß den Fig. 10a und 10b ist die zweite Konstruktionsform der in den Fig. 9a und 9b dargestellten ersten Konstrukti­ onsform ähnlich. In den Fig. 10a und 10b ist dargestellt, daß sich das Programmier-/Auswählgate 31 von der Seite der Source 36 zu einem Teil über einer Fläche des potentialunge­ bundenen Gates 32 erstreckt.
Ein Layout, wie es in Fig. 10a dargestellt ist, soll zur Entnahme von Elektronen von einer Kante 32a des Potentialun­ gebundenen Gates 32 durch die dielektrische Schicht 47 zu einer Kante 31a des Programmier-/Auswählgates 31 dienen. Un­ ter Verwendung derartiger Kanten ist eine bessere Elektro­ nentransmission möglich. Daher ist die dielektrische Schicht 47 an einer zur Seite der Source 36 zeigenden Kante 47a dün­ ner ausgebildet als in anderen Bereichen.
Fig. 11a veranschaulicht eine dritte Konstruktionsform einer erfindungsgemäßen nichtflüchtigen Speicherzelle, und Fig. 11b zeigt einen Schnitt entlang der Linie III-III′ in Fig. 11a.
Gemäß den Fig. 11a und 11b ist die dritte Konstruktionsform der in den Fig. 9a und 9b dargestellten ersten Konstrukti­ onsform ähnlich. In den Fig. 11a und 11b ist dargestellt, daß sich das Programmier-/Auswählgate 31 so erstreckt, daß es die Gesamtflächen des potentialungebundenen Gates 32 und des Steuergates 33 überdeckt.
Gemäß den Fig. 11a und 11b umfaßt die nichtflüchtige Spei­ cherzelle gemäß der dritten Konstruktionsform ein Halblei­ tersubstrat 30 von erstem Leitungstyp mit einer Source 36, einem Drain 37 und einem Kanalbereich 38 zwischen der Source 36 und dem Drain 37 an einer ersten Oberfläche derselben, eine auf dem Halbleitersubstrat 30 ausgebildete Gateisolier­ schicht 48, ein potentialungebundenes Gate 32, das auf der Seite des Drains 37 auf einer Fläche des Kanalbereichs 38 ausgebildet ist, ein Steuergate 33, das auf dem potentialun­ gebundenen Gate 32 auf der Seite des Drains 37 ausgebildet ist, wobei die Breite kleiner als die des potentialungebun­ nen Gates 32 ist, ein Programmier-/Auswählgate 31, das so ausgebildet ist, daß es sich von einer freiliegenden Fläche des Kanalbereichs 38 auf der Seite der Source 36 über die Flächen des potentialungebundenen Gates 32 und des Steuer­ gates 33 zur Fläche des Drains 37 erstreckt, und eine zwi­ schen dem Programmier-/Auswählgate 31, dem potentialungebun­ denen Gate 32 und dem Steuergate 33 ausgebildete dielektri­ sche Schicht 47 mit einer Dicke zwischen einer Seite des po­ tentialungebundenen Gates 32 und einer Seite des Program­ mier-/Auswählgates 31 auf der Seite des Drains 37, die aus­ reichend dünn ausgebildet ist, um Tunneln zu bewirken. Die­ ses Layout ist für ein Tunneln von Elektronen auf der Seite des Drains 37 durch die dielektrische Schicht 47 zwischen der Seite des Programmier-/Auswählgates und der Seite des potentialungebundenen Gates 32 konzipiert.
Fig. 12a veranschaulicht eine vierte Konstruktionsform einer erfindungsgemäßen nichtflüchtigen Speicherzelle, und Fig. 12b zeigt einen Schnitt entlang der Linie IV-IV′ in Fig. 12a.
Gemäß den Fig. 12a und 12b ist die vierte Konstruktionsform der dritten Konstruktionsform mit der Ausnahme ähnlich, daß Kanten 31b, 32b sowie 47b des Programmier-/Auswählgates 31, des potentialungebundenen Gates 32 und der dielektrischen Schicht 47, die jeweils auf der Seite des Drains 47 an ein­ ander zugewandten Positionen ausgebildet sind, vorliegen, die einen dort hindurchgehenden Tunnelvorgang ermöglichen. Daher ist die Dicke der dielektrischen Schicht 47 in diesem Teil dünner als im anderen Teil, um das Tunneln zu ermögli­ chen.
Wie oben beschrieben, ist die Erfindung hinsichtlich der folgenden Gesichtspunkte von Vorteil.
Erstes ist handliche Einzel- oder Mehrpegelprogrammierung dadurch erleichtert, daß nur die Steuergatespannung vari­ iert wird, die zum Ausführen des Programmiervorgangs für je­ den Schwellenpegel erforderlich ist.
Zweitens ist, da die Beziehung zwischen jedem der Schwellen­ spannungspegel und jedem der entsprechenden Steuergatespan­ nungen linear ist, und da die Verschiebung der Schwellen­ spannung mit der Verschiebung der Steuergatespannung über­ einstimmt, eine genaue Einstellung der Verschiebung der Schwellenspannung für jeden Pegel verfügbar.
Drittens beseitigt die Erleichterung gleichzeitiger Program­ mierung und Verifizierung innerhalb der nichtflüchtigen Speicherzelle selbst das Erfordernis einer gesonderten Schaltung zum Verifizieren der Programmierung, was dazu bei­ trägt, die Programmiergeschwindigkeit zu erhöhen.
Viertens ist der Energieverbrauch sehr klein, da der Pro­ grammiervorgang endet, wenn die Zelle vom ausgeschalteten in den eingeschalteten Zustand übergeht.
Fünftens ist keine Vorprogrammierung für einen Löschvorgang erforderlich.
Sechstens wird bei der Erfindung die Genauigkeit einer Mehr­ pegelprogrammierung, d. h. die Abweichungsstreuung program­ mierter Schwellenspannungen, dadurch genau bestimmt, daß nur Parameter bei der Herstellung des nichtflüchtigen Spei­ chers fixiert werden und Vorspannungen angelegt werden. Dem­ gemäß hängt die Abweichungsverteilung jeweiliger Pegel beim erfindungsgemäßen nichtflüchtigen Speicher nicht von zahl­ reichen Programmier-/Löschzyklen ab. Selbst während der Pro­ grammierung hängt der Speicher nicht von Ladungsfallen in einer Oxidschicht, von der Beweglichkeit im Kanal, vom Bit­ leitungswiderstand oder von instabilen oder unvorhersagbaren elektrischen Parametern ab.
Siebtens ermöglicht es die Spannungssteuerung mittels der Steuergatespannung beim erfindungsgemäßen Verfahren zum Pro­ grammieren eines nichtflüchtigen Speichers, eine viel einfa­ chere und genauere Mehrpegelprogrammierung als beim stromge­ steuerten Typ auszuführen.
Achtens können die Source und der Drain so betrieben werden, daß sie für einen Lesevorgang nur auf eine niedrige Span­ nung (z. B. ≈ 1 V) geladen werden, was hinsichtlich einer Verkleinerung der Zellgröße sehr günstig ist.

Claims (39)

1. Nichtflüchtige Speicherzelle, gekennzeichnet durch:
  • - ein Programmier-/Auswählgate (31), das als Anschluß zum Auswählen einer Zelle bei Programmier-, Lese- und Löschvor­ gängen und zum Ausführen einer Programmierung während eines Programmiervorgangs dient;
  • - ein potentialungebundenes Gate (32) zum Einspeichern von Ladungen zur Datenspeicherung und zum Abziehen von Ladungen an das Programmier-/Auswählgate während eines Programmier­ vorgangs;
  • - ein Steuergate (33) zum Induzieren eines Potentials im po­ tentialungebundenen Gate zum Steuern der Menge der von die­ sem während des Programmiervorgangs zum Programmier-/Aus­ wählgate entnommenen Ladungen; und
  • - eine Transistoreinheit mit dem potentialungebundenen Gate, dem Programmier-/Auswählgate, einem Kanalbereich (38), einer Source (36) und einem Drain (37).
2. Zelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem Programmier-/Auswählgate (31) und dem poten­ tialungebundenen Gate (32) eine Tunneldiode ausgebildet ist.
3. Zelle nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Steuergate (33) das Potential im potentialungebundenen Gate (32) durch kapazitive Kopplung induziert.
4. Zelle nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Transistoreinheit folgendes auf­ weist:
  • - einen Speichertransistor, mit:
  • - einem ersten Teil des Kanalbereichs (38) zwischen dem Programmier-/Auswählgate (31) und dem potentialungebundenen Gate (32), um als Drain zu dienen;
  • - einem zweiten Teil des Kanalbereichs unter dem potential­ ungebundenen Gate, um als Kanalbereich zu dienen;
  • - dem Steuergate, dem Potentialungebundenen Gate und dem Drain;
  • - wobei dieser Speichertransistor dazu dient, Daten im po­ tentialungebundenen Gate zu speichern; und
  • - einen Auswähltransistor, mit:
  • - dem Programmier-/Auswählgate;
  • - einem dritten Teil des Kanalbereichs unter dem Program­ mier-/Auswählgate und der Source, um als Kanalbereich zu dienen; und
  • - dem ersten Teil, der als Source und als Drain dient;
  • - wobei der Auswähltransistor dazu dient, den zwischen dem Drain und der Source zum Auswählen einer Zelle fließenden Strom zu steuern.
5. Zelle nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Auswähltransistor den Strom unabhängig von der Schwellen­ spannung des Speichertransistors steuert.
6. Zelle nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß sie während eines Löschvorgangs Ladun­ gen entweder durch drainseitiges Tunneln oder durch Injek­ tion heißer Ladungsträger an das potentialungebundene Gate (32) liefert.
7. Zelle nach einem der Ansprüche 1-5, dadurch gekenn­ zeichnet, daß sie während eines Löschvorgangs Ladungen ent­ weder durch sourceseitiges Tunneln oder durch Injektion hei­ ßer Ladungsträger an das potentialungebundene Gate (32) lie­ fert.
8. Zelle nach einem der Ansprüche 1-5, dadurch gekenn­ zeichnet, daß sie während eines Löschvorgangs Ladungen ent­ weder durch kanalseitiges Tunneln oder durch Injektion hei­ ßer Ladungsträger an das Potentialungebundene Gate (32) lie­ fert.
9. Zelle nach einem der vorstehenden Ansprüche, gekenn­ zeichnet durch:
  • - eine erste Spannungsquelle (39) zum Liefern einer Span­ nung an das Steuergate (33);
  • - eine zweite Spannungsquelle (40) zum Liefern einer Span­ nung an das Programmier-/Auswählgate (31);
  • - eine dritte Spannungsquelle (41) zum Liefern einer Span­ nung an den Drain (37);
  • - eine vierte Spannungsquelle (42) zum Liefern einer Span­ nung an die Source (36), wobei diese Spannung kleiner als die an den Drain gelieferte Spannung ist; und
  • - einen Stromdetektor (43) zum Erfassen des Stroms durch den Drain während eines Programmiervorgangs und zum Erzeugen eines Programmierstoppsignals an die erste und/oder zweite Spannungsquelle, wenn der erfaßte Strom durch den Drain eine vorbestimmte Bezugsstromstärke erreicht, um das Liefern von Spannungen anzuhalten.
10. Zelle nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die von der ersten Spannungsquelle (39) an das Steuergate (33) gelieferte Spannung eine negative Spannung ist, die abhängig von der Programmierung für jeden Schwellenpegel bei Mehrpe­ gelprogrammierung variiert wird, die von der zweiten Span­ nungsquelle (40) an das Programmier-/Auswählgate (31) gelie­ ferte Spannung eine positive Spannung ist, die von der drit­ ten Spannungsquelle (41) gelieferte Spannung eine positive Spannung ist und die von der vierten Spannungsquelle (42) an die Source (36) gelieferte Spannung eine positive Spannung ist, die niedriger als die von der dritten Spannungsquelle gelieferte Spannung ist.
11. Zelle nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Source (36) auf Massespannung liegt.
12. Zelle nach einem der Ansprüche 1 bis 9, gekennzeichnet durch:
  • - eine erste Spannungsquelle (39) zum Anlegen einer Spannung an das Steuergate (33);
  • - eine zweite Spannungsquelle (40) zum Anlegen einer Span­ nung an das Programmier-/Auswählgate (31); und
  • - einen Spannungsdetektor zum Überwachen der Spannung am Drain während eines Programmiervorgangs und zum Liefern eines Programmierstoppsignals an die erste und/oder zweite Spannungsquelle, wenn die am Drain überwachte Spannung einen vorbestimmten Bezugsspannungswert erreicht, um das Liefern der Spannungen zu beenden.
13. Zelle nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die von der ersten Spannungsquelle (39) an das Steuergate (33) angelegte Spannung eine negative Spannung ist, die ent­ sprechend der Programmierung jedes Schwellenwerts bei Mehr­ pegelprogrammierung variiert wird und die von der zweiten Spannungsquelle (40) an das Programmier-/Auswählgate (31) angelegte Spannung eine konstante positive Spannung ist.
14. Zelle nach einem der Ansprüche 12 oder 13, dadurch ge­ kennzeichnet, daß
  • - der Spannungsdetektor eine Bezugsspannungsquelle zum Lie­ fern einer voreingestellten Bezugsspannung aufweist und
  • - ein Widerstand zwischen der Bezugsspannungsquelle und dem Drain (37) geschaltet ist.
15. Zelle nach einem der Ansprüche 12 oder 13, dadurch ge­ kennzeichnet, daß
  • - der Spannungsdetektor eine Bezugsspannungsquelle zum Lie­ fern einer voreingestellten Bezugsspannung aufweist und
  • - eine Diode zwischen der Bezugsspannungsquelle und dem Drain (37) geschaltet ist.
16. Zelle nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß
  • - das potentialungebundene Gate (32) dazu dient, zusammen mit dem Programmier-/Auswählgate (31) einen Programmier­ strompfad zu bilden; und
  • - der Transistor ein Feldeffekttransistor mit einem Überwa­ chungspfad ist, der während der Programmierung völlig vom Programmierstrompfad getrennt ist, um den programmierten Zu­ stand während der Programmierung zu überwachen.
17. Zelle nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß das Überwachen des programmierten Zustands das Überwachen der Leitfähigkeit des Kanals abhängig von einer Änderung der Ladungsmenge im Potentialungebundenen Gate (32) beinhaltet.
18. Zelle nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß das Überwachen des programmierten Zustands das Überwachen des Stroms durch die Source (36) oder den Drain (37) bein­ haltet.
19. Zelle nach einem der Ansprüche 16 bis 18, gekennzeich­ net durch einen Meßverstärker zum Überwachen des program­ mierten Zustands.
20. Zelle nach einem der Ansprüche 16 bis 19, dadurch ge­ kennzeichnet, daß der Feldeffekttransistor den programmier­ ten Zustand nicht unmittelbar während der Programmierung, sondern dadurch überwacht, daß Programmierung und Überwa­ chung abgewechselt werden.
21. Verfahren zum Programmieren einer nichtflüchtigen Spei­ cherzelle mit einem Steuergate, einem potentialungebundenen Gate, einem Programmier-/Auswählgate, einem Drain, einer Source und einem Kanalbereich zwischen dem Drain und der Source, gekennzeichnet durch die folgenden Schritte:
  • - Anlegen einer ersten Spannung an das Steuergate; Anlegen einer zweiten Spannung an das Programmier-/Auswählgate; An­ legen einer dritten Spannung an den Drain und Anlegen einer vierten Spannung an die Source, um die Menge von Ladungen im potentialungebundenen Gate so zu ändern, daß der Kanalbe­ reich im Anfangsstadium eines Programmiervorgangs für einen einzelnen Pegel abgeschaltet wird und er zum Ausführen des Programmiervorgangs für den einzelnen Pegel eingeschaltet wird; und
  • - Überwachen der Leitfähigkeit des Kanalbereichs während des Programmiervorgangs, um das Beenden des Anlegens der ersten und/oder zweiten Spannung an das Steuergate bzw. das Pro­ grammier-/Auswählgate zu erzwingen, wenn die überwachte Leitfähigkeit gemäß der Messung einem vorbestimmten Bezugs­ wert entspricht.
22. Verfahren nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, daß der Bezugswert eine Schwellenspannung ist.
23. Verfahren nach einem der Ansprüche 21 oder 22, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Spannung eine negative Span­ nung ist, die zweite Spannung eine positive Spannung ist, die dritte Spannung eine positive Spannung und die vierte Spannung eine positive Spannung mit niedrigerem Wert als dem der dritten Spannung ist.
24. Verfahren nach einem der Ansprüche 21 bis 23, dadurch gekennzeichnet, daß die Sourcespannung die Massespannung ist.
25. Verfahren nach einem der Ansprüche 21 bis 24, dadurch gekennzeichnet, daß der Schritt des Überwachens der Leit­ fähigkeit des Kanalbereichs einen Schritt des Überwachens des durch den Drain fließenden Stroms umfaßt.
26. Verfahren nach einem der Ansprüche 21 bis 24, dadurch gekennzeichnet, daß der Schritt des Überwachens der Leit­ fähigkeit des Kanalbereichs einen Schritt des Überwachens einer Änderung der Menge von Ladungsträgern im potentialun­ gebundenen Gate umfaßt.
27. Verfahren zum Programmieren einer nichtflüchtigen Spei­ cherzelle mit einem Steuergate, einem Potentialungebundenen Gate, einem Programmier-/Auswählgate, einem Drain, einer Source und einem Kanalbereich zwischen dem Drain und der Source, gekennzeichnet durch die folgenden Schritte:
  • - Anlegen einer ersten Spannung an das Steuergate; Anlegen einer zweiten Spannung an das Programmier-/Auswählgate wäh­ rend eines Programmiervorgangs für mehrere Pegel, um die Menge von Ladungen im Potentialungebundenen Gate so zu vari­ ieren, daß der Kanalbereich in einem Anfangsstadium der Programmierung auf jeden Pegel ausgeschaltet wird und zum Ausführen der Pegelprogrammierung eingeschaltet wird; wobei die erste Spannung abhängig von der Programmierung für jeden Schwellenpegel variiert; und
  • - Überwachen der Leitfähigkeit des Kanalbereichs während der Programmierung für jeden Pegel, um das Beenden des Anlegens der ersten und/oder der zweiten Spannung an das Steuergate und das Programmier-/Auswählgate zu erzwingen, wenn die überwachte Leitfähigkeit gemäß der Messung einem vorbestimm­ ten Bezugswert entspricht.
28. Verfahren nach Anspruch 27, dadurch gekennzeichnet, daß der Bezugswert ein fester Wert ist, der nicht vom Pro­ grammiervorgang für jeden Schwellenpegel abhängt.
29. Verfahren nach Anspruch 28, dadurch gekennzeichnet, daß der Bezugswert ein Schwellenspannungswert ist.
30. Verfahren nach Anspruch 27, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Spannung ein negativer Wert ist, der mit dem Programmiervorgang für jede Schwelle variiert wird, die zweite Spannung eine immer festgelegte positive Spannung ist, die dritte Spannung eine positive Spannung ist und die vierte Spannung eine positive Spannung mit kleinerem Wert als dem der dritten Spannung ist.
31. Verfahren nach Anspruch 30, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Spannung im Anfangsstadium des Programmier­ vorgangs einen hohen Wert aufnimmt und sie während des Pro­ grammiervorgangs auf den festen positiven Wert abnimmt.
32. Verfahren nach Anspruch 30, dadurch gekennzeichnet, daß die Sourcespannung die Massespannung ist.
33. Verfahren nach Anspruch 27, dadurch gekennzeichnet, daß der Schritt des Überwachens der Leitfähigkeit des Ka­ nalbereichs einen Schritt des Erfassens des durch den Drain fließenden Stroms umfaßt.
34. Verfahren nach Anspruch 27, dadurch gekennzeichnet, daß der Schritt des Überwachens der Leitfähigkeit des Ka­ nalbereichs einen Schritt des Überwachens einer Änderung der Menge von Ladungsträgern im potentialungebundenen Gate umfaßt.
35. Nichtflüchtige Speicherzelle, gekennzeichnet durch:
  • - ein Halbleitersubstrat (30) mit einer Source (36), einem Drain (37) und einem Kanalbereich (38) zwischen der Source und dem Drain an einer Oberfläche desselben;
  • - ein Programmier-/Auswählgate (31), das auf der Sourceseite an der Oberfläche des Kanalbereichs ausgebildet ist;
  • - ein potentialungebundenes Gate (32), das auf der Drainsei­ te auf der Oberfläche des Kanalbereichs ausgebildet ist und eine Seite aufweist, die benachbart zu einer Seite des Pro­ grammier-/Auswählgates liegt, damit Elektronen hindurchtun­ neln können;
  • - ein Steuergate (33), das über dem potentialungebundenen Gate ausgebildet ist; und
  • - eine dielektrische Schicht (47), die zwischen dem Program­ mier-/Auswählgate, dem potentialungebundenen Gate und dem Steuergate mit einer Dicke zwischen der einen Seite des po­ tentialungebundenen Gates und der einen Seite des Program­ mier-/Auswählgates ausgebildet ist, die ausreichend dünn zum Ermöglichen von Tunneln ausgebildet ist (Fig. 9a, 9b)
36. Nichtflüchtige Speicherzelle, gekennzeichnet durch:
  • - ein Halbleitersubstrat (30) mit einer Source (36), einem Drain (37) und einem Kanalbereich (38) zwischen der Source und dem Drain an einer Oberfläche desselben;
  • - ein potentialungebundenes Gate (32), das auf der Oberflä­ che des Kanalbereichs auf der Drainseite ausgebildet ist;
  • - ein Programmier-/Auswählgate (31), das so ausgebildet ist, daß es sich von einem Teil auf der Oberfläche des Kanalbe­ reichs auf der Sourceseite zu einem Teil über der Oberfläche des potentialungebundenen Gates erstreckt; und das eine Kan­ te aufweist, die einer Kante des potentialungebundenen Gates gegenübersteht;
  • - ein Steuergate (33), das über dem potentialungebundenen Gate ausgebildet ist; und
  • - eine dielektrische Schicht (47), die zwischen dem Program­ mier-/Auswählgate, dem potentialungebundenen Gate und dem Steuergate mit einer Dicke zwischen der Kante des potential­ ungebundenen Gates und der Kante des Programmier-/Auswähl­ gates ausgebildet ist, die ausreichend dünn zum Ermöglichen von Tunneln ausgebildet ist (Fig. 10a, 10b).
37. Nichtflüchtige Speicherzelle, gekennzeichnet durch:
  • - ein Halbleitersubstrat (30) mit einer Source (36), einem Drain (37) und einem Kanalbereich (38) zwischen der Source und dem Drain an einer Oberfläche desselben;
  • - ein potentialungebundenes Gate (32), das auf der Oberflä­ che des Kanalbereichs auf der Drainseite ausgebildet ist;
  • - ein Steuergate (33), das über dem potentialungebundenen Gate ausgebildet ist:
  • - ein Programmier-/Auswählgate (31), das so ausgebildet ist, daß es sich von einem Teil auf der Oberfläche des Kanalbe­ reichs auf der Sourceseite zu einem Teil auf der Oberfläche des Drains auf der Drainseite so erstreckt, daß seine eine Seite benachbart zu einer Seite des Potentialungebundenen Gates gegenübersteht, und das Tunneln von Elektronen zu er­ möglichen; und
  • - eine dielektrische Schicht (47), die zwischen dem Program­ mier-/Auswählgate, dem potentialungebundenen Gate und dem Steuergate mit einer Dicke zwischen der einen Seite des po­ tentialungebundenen Gates und der einen Seite des Program­ mier-/Auswählgates ausgebildet ist, die ausreichend dünn zum Ermöglichen von Tunneln ausgebildet ist (Fig. 11a, 11b).
38. Nichtflüchtige Speicherzelle, gekennzeichnet durch:
  • - ein Halbleitersubstrat (30) mit einer Source (36), einem Drain (37) und einem Kanalbereich (38) zwischen der Source und dem Drain an einer Oberfläche desselben;
  • - ein potentialungebundenes Gate (32), das auf der Oberflä­ che des Kanalbereichs auf der Drainseite ausgebildet ist;
  • - ein Steuergate (33), das über dem potentialungebundenen Gate ausgebildet ist;
  • - ein Programmier-/Auswählgate (31), das so ausgebildet ist, daß es sich von einem Teil auf der Oberfläche des Kanalbe­ reichs auf der Sourceseite zu einem Teil auf dem Drains zum Überdecken aller freiliegenden Oberflächen des potentialun­ gebundenen Gates und des Steuergates erstreckt, wobei es eine Kante aufweist, die einer Kante des Potentialungebunde­ nen Gates auf der Drainseite zugewandt ist; und
  • - eine dielektrische Schicht (47), die zwischen dem Program­ mier-/Auswählgate, dem potentialungebundenen Gate und dem Steuergate mit einer Dicke zwischen der Kante des potential­ ungebundenen Gates und der Kante des Programmier-/Auswähl­ gates ausgebildet ist, die ausreichend dünn zum Ermöglichen von Tunneln ausgebildet ist (Fig. 12a, 12b).
39. Verfahren nach einem der Ansprüche 35 bis 38, gekenn­ zeichnet durch eine Gateisolierschicht, die ausreichend dünn dafür ausgebildet ist, daß Tunneln von Elektronen zwischen dem Kanalbereich (38), dem potentialungebundenen Gate (32) und dem Programmier-/Auswählgate (31) ermöglicht ist.
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