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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen löschbaren, programmierbaren
Festwertspeicher gemäß dem Oberbegriff
des Anspruchs 1.
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Die
Halbleiterindustrie hat auf dem Gebiet der Technologien der Ultra
Large Scale Integration (ULSI) Fortschritte erzielt. Die Herstellung
von nicht-flüchtigen
Speichern folgt ebenfalls diesem Trend der Größenreduzierung. Dank seiner
Vorteile, wie z. B. seiner nicht-flüchtigen Eigenschaft, schnellen
Zugriffszeit und niedrigen Verlustleistung, kann der nicht-flüchtige Speicher
z. B. bei einer tragbaren Einrichtung, bei Halbleiter-Kameras und
PC-Platinen eingesetzt werden. Nicht-flüchtige Speicher umfassen verschiedene
Bauteiltypen, wie z. B. ein EAROM (Electrically Alterable Read-Only
Memory bzw. elektrisch veränderbarer
Festwertspeicher) und ein EEPROM (Electrically Erasable Programmable
Read-Only Memory bzw. elektrisch löschbarer, programmierbarer
Festwertspeicher). Verschiedene Bauteiltypen wurden für spezifische
Einsätze
entwickelt. Diese Teile wurden mit einer Fokussierung auf die Anforderungen
einer hohen Haltbarkeit und einer hohen Geschwindigkeit entwickelt.
Ein EEPROM erfordert mehrere Schichten aus Polysilizium und Siliziumoxid
und daher wird ein Multi-Masking bzw. eine mehrfache Maskierung
während
der Fertigung verwendet, wodurch sich die Zeit zur Herstellung der
Bauteile erhöht.
Für die
heutige Industrie ist es von Interesse, wie die Fertigungsprozesse
zusammenzufassen sind, um die Kosten zu reduzieren. Einer der Ansätze ist
es, den Speicherprozess mit der CMOS-Fertigung zusammenzufassen.
Bis jetzt gab es viele Ansätze,
die auf die Ausbildung des EPROM's
und EEPROM's unter
Verwendung eines einzigen Polyprozesses gerichtet waren. Bei dieser
Technik wird ein Control-Gate durch eine Ionenimplantation in eine
Siliziummasse gebrannt bzw. eingebettet. Ein EPROM oder OTP, das
mit dem einzelnen Polyprozess verträglich ist, spielt eine bedeutendere
Rolle auf dem Gebiet der Halbleiter.
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US 3,843,954 zeigt eine
integrierte Hochspannungstreiberschaltung zum Antreiben der Wortleitungen eines
digitalen Computerspeicherarrays von Speicherzellen eines Floating-Gate-Avalanche-Injection-Transistors.
Die beschriebene Speicherzelle wird „Floating-Gate-Avalanche-Injection-Metalloxidhalbleiter" bezeichnet, der
ansonsten, wie in einem Schriftstück von D. Frohmann-Bentchkowski
mit dem Titel „A
fully-decoded 2048-bit electrically-programmable MOS ROM", 1971, IEEE, International
Solid-State Circuits Conference, Feb. 18, 1971 offenbart, als „FAMOS"-Bauteil bekannt
ist.
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Vor
diesem Hintergrund ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen
weiteren Aufbau eines löschbaren,
programmierbaren Festwertspeichers bereitzustellen.
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Die
Lösung
dieser Aufgabe erfolgt durch einen Aufbau eines löschbaren,
programmierbaren Festwertspeichers gemäß dem Anspruch 1. Die Unteransprüche offenbaren
bevorzugte Weiterbildung der Erfindung.
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Wie
aus der nachfolgenden detaillierten Beschreibung eindeutig ersichtlich,
umfasst der beanspruchte löschbare,
programmierbare Festwertspeicher zwei seriell verbundene P-Typ-Metalloxidhalbleiter-(PMOS-)Transistoren;
einen ersten, als Auswahltransistor wirksamen PMOS-Transistor und
einen zweiten PMOS-Transistor, wobei ein Gate des zweiten PMOS-Transistors
als Floating-Gate wirksam ist, das einen Drain des zweiten PMOS-Transistors auf eine
erste negative Vorspannung vorspannt, um dadurch eine zweite negative
Vorspannung am Floating-Gate bereitzustellen, um einen Programmier-Modus
auszuführen,
ohne eine bestimmte Vorspannung auf einem Control-Gate einzusetzen.
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Weitere
Einzelheiten, Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus
nachfolgender Beschreibung eines Ausführungsbeispiels anhand der
Zeichnungen. Darin zeigt:
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1 ein
Layout gemäß dem Stand
der Technik,
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2 ein
weiteres Layout gemäß dem Stand
der Technik,
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3 die
Schaltung gemäß der vorliegenden
Erfindung,
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4 ein
Layout gemäß der vorliegenden
Erfindung,
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5 eine
Querschnittansicht eines Substrats, die den Programmier-Modus zum
Schreiben des Status „1" gemäß der vorliegenden
Erfindung veranschaulicht,
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6 eine
Querschnittansicht eines Substrats, sie den Programmier-Modus zum
Schreiben des Status „0" gemäß der vorliegenden
Erfindung veranschaulicht,
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7 und 8 jeweils
eine Querschnittansicht eines Substrats, die den Lese-Modus gemäß der vorliegenden
Erfindung veranschaulicht,
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9 die
Drain-Strom-/Spannungskennlinie gemäß der vorliegenden Erfindung,
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10 die
Gate-Strom-/Spannungskennlinie gemäß der vorliegenden Erfindung,
und
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11 das
Speicherzellenarray der vorliegenden Erfindung.
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Der
zu diesem Gebiet gehörende
Stand der Technik ist im
US-Patent
mit dem Nr. 6,174,759 für
Verhaar mit dem Titel „Method
of manufacturing a semiconductor device" offenbart. Der Inhaber ist die US Philips Corporation
(New York, NY) und hat den Stand der Technik am 3. Mai 1999 angemeldet.
Das Verfahren offenbarte einen Prozess, der mit dem CMOS-Prozess
integriert werden kann. Lucent Technologies, Inc. offenbarte ein
Single-Poly-EEPROM am 31.5.2000 im
US-Patent
mit der Nummer 6,191,980 . Das Bauteil umfasst eine Steuervorrichtung,
Umschaltvorrichtung und Löschvorrichtung,
die alle ein gemeinsames Polysilizium-Floating-Gate gemeinsam benutzen,
das ausgelegt ist, um eine Aufladung in der programmierten Speicherzelle
zu unterdrücken.
Die Speicherzelle kann sicher gelöscht werden, ohne die Übergangsdurchschläge zu riskieren. Mosel
Vitelic, Inc. (Hsinchu, Taiwan) hat einen Single-Poly-Speicher offenbart
und am 10.06.1998 mit dem Titel „Single-poly flash memory
cell for embedded application and related methods" eingereicht. Der
Stand der Technik kann im
US-Patent mit der Nummer
6,044,018 gefunden werden. Der Stand der Technik umfasst
eine Single-Poly-Flashspeicherzelle, die durch einen Standard-CMOS-Fertigungsprozess
herstellbar ist. Ein NMOS-Floating-Gate
ist an einem PMOS-Floating-Gate angeschlossen.
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Im
Artikel „IEEE
transaction an electron device",
Vol. 37, No. 3, März
1990, S. 675 ist ein Single-Poly-Si-EEPROM offenbart. Die Struktur
umfasst ein eingebettetes Control-Gate, das durch eine Ionenimplantation
ausgebildet ist. Die Zelle umfasst einen getrennten Transistor und
einen gekoppelten Kondensator und kann durch einen Standard-CMOS-Prozess
hergestellt werden. Die weitere Technik, die mit dem CMOS kompatibel
sein kann, kann im IEEE JOURNAL OF SOLID SRATE CIRCUITS, Vol. 29,
No. 3, 1994, S. 311 gefunden werden. Die Struktur umfasst einen
NMOS und einen PMOS, wobei die Sperrschichten unter dem PMOS-Gate
und dem p+ dotierten Bereich als Control-gate wirksam sind. Wenn
eine positive Spannung an den p+ dotierten Bereich angelegt wird,
ermittelt der Spannungspegel des Floating-Gate das Kapazitätsverhältnis des
NMOS und PMOS. Die Ausführung
kann durch Standard-CMOS-Prozesse ausgebildet werden. Die Struktur
bezieht sich auf einen SIPPOS (Single-Poly-PureCMOS).
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1 zeigt
das Layout des nicht-flüchtigen
Single-Poly-Speichers
des Standes der Technik, wobei die Struktur einen n+ dotierten Bereich
unter dem Floating-Gate umfasst und im Substrat eingebettet ist.
Die Struktur nimmt zuviel Fläche
in Anspruch. 2 zeigt einen weiteren Schichttyp
gemäß dem Stand
der Technik. Die Struktur ist aus einem Kondensator und einem PMOS
zusammengesetzt. Die Technik hat einen Raum zum Ausbilden des Kondensators
bereitzustellen. Folglich besteht ein Bedarf, einen löschbaren
und programmierbaren Festwertspeicher mit einem geringeren Raum
bereitzustellen.
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3 zeigt
die erfindungsgemäße Schaltung.
Das Bauteil umfasst zwei seriell verbundene PMOS-Transistoren, wobei
der erste PMOS-Transistor
als Auswahltransistor verwendet wird und das Gate des Transistors
mit der Auswahlgate-Spannung (VSG) verbunden
ist. Der erste Ausgang (Source) des ersten PMOS-Transistors ist
auf die Source-Leitungsspannung vorgespannt und der zweite Ausgang
(Drain) ist mit dem ersten Ausgang des zweiten PMOS-Transistors
verbunden und der zweite Ausgang des zweiten PMOS ist mit der Bitleitungs-Spannung
(VBL) verbunden. Das Gate des zweiten PMOS-Transistors ist als
das Floating-Gate wirksam. Es sollte beachtet werden, dass die erfindungsgemäße Zelle
das Control-Gate im Vergleich zum Stand der Technik weglässt. Der
Channel Hot Carrier bzw. Kanal spannungsführender Ladungsträger wird durch
Anlegen einer geeigneten Vorspannung auf das Floating-Gate injizieren.
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4 zeigt
das EPROM-Layout der vorliegenden Erfindung, wobei das Bauteil einen
dotierten Bereich 2 (eine seitliche Konfigurationsfläche in der
Zeichnung) umfasst. Üblicherweise
kann der dotierte Bereich durch eine Ionenimplantation ausgebildet
sein, wobei der dotierte Bereich 2 in eine Streifenstruktur
geformt sein kann. Ein erster leitfähiger Bereich 4 und
ein zweiter leitfähiger
Bereich 6 sind auf der Überlappungsfläche abgedeckt,
um als Auswahltransistor-Gate und Floating-Gate wirksam zu sein.
Das Gate des Auswahltransistors weist eine Streifenstruktur auf
und ist mit der Auswahlgate-Spannung
(VSG) verbunden. Einer der Aspekte der vorliegenden Erfindung
besteht darin, dass das Control-Gate weggelassen ist, wodurch die
vorliegende Erfindung die Bauteilgröße reduzieren, die Anforderungen
des IC-Trends erfüllen
und in den CMOS-Prozess integrieren kann. Die Bitleitung und das
Kontaktfenster der Auswahleitung können unter Verwendung eines
Lithographie- und Ätzprozesses
ausgebildet und auf dem dotierten Bereich 2. ausgerichtet
werden.
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Der
zweite leitfähige
Bereich 6 liegt an der Seite des ersten leitfähigen Bereichs 4 und
bildet auf dem Substrat eine Kreuzstruktur mit einer Überlappungsfläche, um
als Floating-Gate wirksam zu sein. Der Programmierungsvorgang wird
durch den Einsatz einer Channel Hot Electron Injection (CHE) bzw.
Injizierung spannungsführender
Elektronen in den Kanal erzielt und das Floating-Gate wird durch
die Hot Electrons bzw. spannungsführenden Elektronen im Progammierungsgate
geladen, wobei der Spannungspegel des Floating-Gate niedriger als
der Massepegel ist. Die Zelle des Bauteils bleibt „eingeschaltet". Während dem Löschmodus
können
die digitalen Zustände
durch Belichten mittels ultraviolettem (UV-)Licht verändert werden, um
den Zustand zu verändern.
Beim Löschzustand
liegt keine Spannung am Floating-Gate an.
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9 veranschaulicht
die Drain-Strom-/Spannungskennlinie und 10 zeigt
die Gate-Strom-/Spannungskennlinie. In 10 beträgt die Drain-Vorspannung
minus 5 bis minus 6 Volt. Am Strom-Spitzenwert des Gate-Stroms beträgt die PMOS-Gate-Vorspannung
ca. minus 1 Volt. Unter diesem Umstand wird der Ladungsträger auf
das Floating-Gate injizieren. Demzufolge entfällt das Control-Gate. Der Ausdruck „automatisch
injizieren" bezieht
sich darauf, dass das Bauteil zur Programmierung keine Vorspannung
am Control-Gate anlegen muss. Mit einer Reduzierung der Floating-Gate-Vorspannung
wird der Programmiermodus danach „abgeschaltet". Die höhere IG/ID-Effizienz kann
mit einem geringeren Stromverbrauch erzielt werden.
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Die
Bedingungen zum Schreiben einer „digitalen Eins" und einer „digitalen
Null" beziehen sich
auf Tabelle eins und 5 und 6. Während dem
Modus zum. Schreiben einer „digitalen
Eins" wird die ausgewählte Wortleitung
geerdet und die nicht ausgewählte
Wortleitung in einen Bereich von 3–8 Volt, vorzugsweise ca. 5
Volt, versetzt. Die ausgewählte
Bitleitung wird geerdet und die Vorspannung der nicht ausgewählten Bitleitung
wird in einen Bereich von 3–8
Volt, vorzugsweise 5 Volt, versetzt, wobei die Vorspannung am Source-Knoten
angelegt und die N-Wanne an 3–8
Volt angeschlossen ist. Der PMOS-Transistor
des Auswahltransistors schaltet ein und das Hot Channel Electron
injiziert auf das Floating-Gate des zweiten Transistors.
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Während dem
Modus zum Schreiben einer „digitalen
Null" wird die ausgewählte Wortleitung
geerdet und eine Vorspannung von 3–8 Volt an die nicht ausgewählte Wortleitung
angelegt. Die ausgewählte
Bitleitung wird in einen Bereich von 3–8 Volt, vorzugsweise 5 Volt,
versetzt und die nicht ausgewählte
Bitleitung wird in einen Bereich von 3–8 Volt versetzt. Der Source-Knoten
und die N-Wanne sind jeweils an 3–8 Volt angeschlossen.
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Während dem
Lesevorgang wird die ausgewählte
Wortleitung geerdet. Die nicht ausgewählte Wortleitung wird auf 2,5–5 Volt
vorgespannt und die ausgewählte
Bitleitung wird auf 3,3 Volt vorgespannt. Der Source-Knoten wird
ebenfalls auf 2,5–5
Volt vorgespannt. Die N-Wanne wird entsprechend an 2,5–5 Volt
angeschlossen. Wenn die Zelle programmiert wird, wird das Floating-Gate
mit dem Ladungsträger
geladen, danach ist VFG–VS < VTHP (Schwellenspannung
des PMOS) und das Bauteil bleibt im Zustand „EIN". Das Floating-Gate dieser unprogrammierten
Zellen weist keine Ladung darin auf, danach ist VFG–VS = 0 < VTHP (Schwellenspannung des PMOS) und das
Bauteil im Zustand „AUS".
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Wie
oben erläutert,
benötigt
das Bauteil kein Control-Gate zur Programmierung. Das Floating-Gate kann
sich selbst aufladen, um den digitalen Zustand zu definieren. Das
Merkmal der vorliegenden Erfindung weist auf: das Bauteil kann durch
Standard-CMOS-Prozesse
hergestellt werden. Der Raum zum Ausbilden des Control-Gate kann entfallen,
wodurch sich die Layout-Fläche
reduziert.
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11 veranschaulicht
das Zellenarray. In der Zelle I ist der Drain im Modus zum Schreiben
einer „digitalen
Eins" mit 5 oder
6 V vorgespannt und das Gate des Auswahltransistors ist mit Masse
verbunden. Die anderen Zellen (Zelle II, Zelle III und Zelle IV),
die nicht auf der gleichen Bitleitung programmiert werden, erfahren
keine Drain-Störung,
die typischerweise bei einem geschichteten Gate-Speicher auftritt,
weil sich der Transistor in einem AUS-Zustand befindet und das elektrische
Feld zwischen dem Drain- und Floating-Gate nicht stark genug ist,
um spannungsführende
Träger
zu injizieren/zu erzeugen. Ferner wird das Kopplungspotential des
Floating-Gate von der Wortleitung nicht induziert, wodurch das Phänomen der
Gate-Störung
eliminiert wird.
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Wie
für einen
Durchschnittsfachmann ersichtlich, dient die zuvor beschriebene
bevorzugte erfindungsgemäße Ausführungsform
eher zur Veranschaulichung als zur Beschränkung der vorliegenden Erfindung.
Dadurch dass die Erfindung in Verbindung mit einer bevorzugten Ausführungsform
beschrieben wurde, wird sich dem Durchschnittsfachmann nun die Modifikation
von selbst aufdrängen.
Daher ist die Erfindung nicht auf diese Ausführungsform beschränkt, sondern
die Erfindung beabsichtigt vielmehr, verschiedene Modifikationen und ähnliche
Anordnungen abzudecken, die im Wesen und Umfang der anliegenden
Ansprüche
eingeschlossen sind, deren Umfang die weitestgehende Interpretation
gewährt
werden sollte, um all diese Modifikationen und ähnlichen Strukturen einzuschließen. TABELLE EINS
Vorgang | WL
auswählen | WL
nicht auswählen | BL
auswählen | BL
nicht auswählen | Source-Leitung | N-Wanne |
Schreibe Eins | 0
V | 5
V | 0
V | | 5
V | 5
V |
Schreibe Null | 0
V | 5
V | 5
V | 5
V | 5
V | 5
V |
Lese | 0
V | 3,3
V | 3,3
V | 3,3
V | 3,3
V | 3,3
V |
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Obwohl
die bevorzugte Ausführungsform
der Erfindung veranschaulicht und beschrieben wurde, ist es selbstverständlich,
dass verschiedene Änderungen
hierin erfolgen können,
ohne vom Wesen und Umfang der Erfindung abzuweichen.