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HINTERGRUND DER ERFINDUNG
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Gebiet der Erfindung
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Die
vorliegende Erfindung betrifft allgemein Halbleiterspeichervorrichtungen
und insbesondere ein Lesesystem für eine programmierbaren Nur-Lese-Speicher-,
oder auch „programmable
read only memory" (PROM)-Zelle, die
ein ladungseinfangendes dielektrisches Material in dem Gatter, oder
auch „gate", aufweist.
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Beschreibung des Standes der
Technik
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Speichervorrichtungen
für eine
nicht-flüchtige
(auch als permanent bezeichnet) Speicherung von Informationen werden
gegenwärtig
weitverbreitet täglich
eingesetzt. Sie werden in unzähligen
Anwendungen eingesetzt, wie zum Beispiel tragbaren Kommunikationssystemen.
Die
US 5 574 686 und
US 6 344 994 sind Beispiele
von konventionellen nichtflüchtigen
Speichervorrichtungen.
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Das
U.S. Patentdokument mit der Nummer
5 768 192 , das für
Eitan und andere erteilt worden ist, lehrt eine Apparat für und ein
Verfahren zum Programmieren und Lesen eines programmierbaren Nur-Lese-Speichers
(PROM), der eine einfangende dielektrische Schicht aufweist, die
zwischen zwei Siliziumdioxid-Schichten geschichtet ist, wie in
1 gezeigt.
1 veranschaulicht
eine Schnittansicht einer PROM-Zelle, die entsprechend Eitan's Referenz aufgebaut
ist und die ONO als Gatterdielektrikum nutzt. Das PROM kann programmiert
werden, um Elektronen in beide Seiten von der Siliziumnitrid-Schicht
20 in
der Nähe
der Quelle
14 (auch als source bezeichnet) und der Senke
16 (auch
als „drain" bezeichnet) gefangen
zu halten (zum Beispiel 2 bit/Zellenbetrieb).
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Um
die Seitenladungen der Quelle 14 abzutasten oder zu lesen,
werden Spannungen an das Gatter und der Senke 16 angelegt,
während
die Quelle 14 und das Substrat geerdet sind, wobei die
Gatterspannung 3 V und die Senkenspannung 1,5 V ist. Mit anderen
Worten ist die Senke-zu-Substrat-Vorspannung 1,5 V, die Quelle-zu-Substrat-Vorspannung
ist 0 V und die Senke-zu-Quelle-Vorspannung ist 1,5 V. Die Spannungen
für die
Senke 16 und der Quelle 14 können zum Lesen der senkenseitigen
Ladungen ausgetauscht werden. Der Strom zum Lesen der quellenseitigen
Ladungen zum Beispiel, könnte durch
die senkenseitigen Ladungen beeinflusst sein. Je größer der
Bereich ist, den der Verarmungsbereich (auch „depletion region" genannt) der Senke-zu-Substrat-Verbindung
von der Substratoberfläche
unter den senkenseitigen Ladungen abdeckt, umso stabiler ist der
Lesestrom.
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Eine
größere Senke-zu-Substrat-Vorspannung
ist imstande, den Verarmungsbereich zu vergrößern, um einen größeren Bereich
unter den eingefangenen Ladungen bei der Senkenseite abzudecken.
Der größere Verarmungsbereich
verhindert, dass die eingefangenen Elektronen den Lesestrom beeinträchtigen
und macht den Lesestrom stabil. Deshalb ist es eine instinktive
Lösung,
eine höhere Senkenspannung
bereitzustellen. Allerdings wird eine Lesestörung infolge eines höheren lateralen elektrischen
Feldes verursacht, wenn die Senke-zu-Quelle-Vorspannung zu groß ist, um
die Menge der senkenseitigen Ladungen zu stabilisieren. Das bedeutet,
dass nachdem die quellenseitigen Ladungen mehrmals gelesen wurden,
die senkenseitigen Ladungen oder die in der Senkenseite gespeicherten
Daten unerwartet geändert
werden könnten.
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KURZFASSUNG DER ERFINDUNG
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Die
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Lesesystem für einen
nichtflüchtigen
Speicher bereit zu stellen, das auf einer Seite die eingefangene
Ladungen lesen kann, während
es wenig Einfluss von denen auf der anderen Seite aufweist.
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Eine
weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, Lesestörungen während des
Lesens des nicht-flüchtigen
Speichers zu vermeiden.
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Um
die oben genannten Aufgaben zu bewerkstelligen, stellt die vorliegende
Erfindung ein Verfahren eines Lesesystems für eine nicht-flüchtige Speicherzelle
bereit. Die nichtflüchtige
Speicherzelle weist ein Substrat, eine erste Quelle/Senke, eine zweite
Quelle/Senke mit einem Kanalbereich dazwischen und ein Gatter auf.
Zum Lesen der eingefangenen Ladungen nahe einer Quelle/Senke, die
von den eingefangenen Ladungen nahe der anderen Quelle/Senke isoliert
ist, ist das Gatter über
dem Kanalbereich angeordnet, das davon durch ein nichtleitendes ladungseinfangendes
Material getrennt ist, welches zwischen den ersten und zweiten Isolationsschichten geschichtet
ist. Das Verfahren umfasst die Schritte des Anlegens einer ersten
positiven Vorspannung über
einer ersten Quelle/Senke und dem Substrat, so dass die erste Quelle/Senke
ein höheres
Potential als das Substrat hat, des Anlegens einer zweiten positiven
Vorspannung über
der zweiten Quelle/Senke und der ersten Quelle/Senke, so dass die
zweite Quelle/Senke ein höheres
Potential als die erste Quelle/Senke hat und des Anlegens einer
dritten positiven Vorspannung über
dem Gatter und der ersten Quelle/Senke, so dass das Gatter ein höheres Potential
als die erste Quelle/Senke hat.
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Weiterhin
stellt die vorliegende Erfindung ein Verfahren eines Lesesystems
für einen
nicht-flüchtigen
Speicher bereit. Die nicht-flüchtige
Speicherzelle weist ein Substrat, eine erste Quelle/Senke, eine zweite
Quelle/Senke und ein Gatter auf. Zum Lesen eingefangener Ladungen
nahe einer Quelle/Senke, welche von den eingefangenen Ladungen nahe
der anderen Quelle/Senke isoliert sind, ist das Gatter über einem
Kanalbereich angeordnet, das davon durch eine Siliziumnitrid-Schicht
getrennt ist, welche zwischen ersten und zweiten Siliziumoxid-Schichten geschichtet
ist. Das Verfahren umfasst die Schritte Anlegen einer ersten Spannung
an die erste Quelle/Senke, Anlegen einer zweiten Spannung an die zweiteQuelle/Senke,
Anlegen einer dritten Spannung an das Gatter und Anlegen einer vierten
Spannung an das Substrat. Die erste Spannung ist höher als
die zweite Spannung und die zweite Spannung und dritte Spannung
sind höher
als die vierte Spannung.
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KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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Die
vorliegende Erfindung wird vollständiger durch die nachfolgende
detailierte Beschreibung und die beigefügten Zeichnungen verstanden,
die nur zur Veranschaulichung beigefügt sind und deshalb nicht die
vorliegende Erfindung einschränken
sollen.
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1 veranschaulicht
eine Schnittansicht einer PROM-Zelle, die entsprechend Eitan's Referenz aufgebaut
ist und ONO als Gatterdielektrikum nutzend,
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2 veranschaulicht
eine Schnittansicht einer PROM-Zelle, die entsprechend der ersten
Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung aufgebaut ist; und
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3 veranschaulicht
eine Schnittansicht einer PROM-Zelle, die entsprechend der zweiten
Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung aufgebaut ist.
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AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN
AUSFÜHRUNGSFORM
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Erste Ausführungsform
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2 veranschaulicht
eine Schnittansicht einer PROM-Zelle, die entsprechend der ersten
Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung aufgebaut ist.
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Ein
p-leitendes (auch „P-type" bezeichnetes) Substrat 32 weist
zwei vergrabene N+ Kontaktstellen (buried N+ junctions) auf, die
durch einen Kanalbereich getrennt sind, wobei eine die Quelle 34 und
die andere die Senke 36 ist. Über dem Kanalbereich ist eine
Siliziumdioxid-Schicht 38, die vorzugsweise zwischen ungefähr 80–100 Angström dick ist,
welche eine elektrische Isolationsschicht über dem Kanal ausbildet. Oben
auf der Siliziumdioxid-Schicht 38 ist eine
Siliziumnitrid-Schicht 40, die vorzugsweise ungefähr 100 Angström dick ist.
Diese Siliziumnitrid-Schicht 40 bildet die Speichererhaltungsschicht (auch
als „memory
retention layer" bezeichnet),
die zum Einfangen der heißen
Elektronen (auch als „hot elect ron" bezeichnet) fungiert,
während
sie in die Nitrid-Schicht 40 eingespeist werden. Eine weitere Schicht
aus Siliziumdioxid 42 ist über der Siliziumnitrid-Schicht 40 ausgebildet
und ist vorzugsweise zwischen ungefähr 80–100 Angström dick. Die Siliziumdioxid-Schicht 42 wirkt
zur elektrischen Isolation eines leitenden Gatters 44,
das über
der Siliziumdioxid-Schicht 42 ausgebildet ist. Die Schicht,
welche das Gatter 44 bildet, kann aus polykristallinem
Silizium aufgebaut sein, welches im Allgemeinen als Polysilizium
bekannt ist.
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Wenn
die Senkenseite von der PROM-Speicherzelle programmiert wird, werden
Spannungen an das Gatter 44 und die Senke 36 angelegt,
die vertikale und laterale elektrische Felder erzeugen, welche die
Elektronen entlang der Länge
des Kanals beschleunigen. Während
die Elektronen sich entlang des Kanals bewegen, erhalten einige
von ihnen ausreichend Energie, um über die Potentialbarriere der unteren
Siliziumdioxid-Schicht 38 zu springen und werden in der
Siliziumnitrid-Schicht 40 eingefangen. Der Elektroneneinfang
findet nahe der Senke in einem Bereich statt, der durch einen gestrichelten Kreis
in der 2 angedeutet ist. Elektronen werden in der Nähe des Bereichs
der Senke 36 eingefangen, weil die elektrischen Felder
dort die stärksten
sind. Dementsprechend weisen die Elektronen eine maximale Wahrscheinlichkeit
auf, um ausreichend zum Überspringen
der Potentialbarriere angeregt zu sein und in der Nitrid-Schicht 40 eingefangen
zu werden. Die Schwellenspannung des Teilbereichs des Gatters über der
eingefangenen Ladung steigt an, je mehr Elektronen in die Nitrid-Schicht
eingespeist werden. Die Spannungen, die an der Senke und der Quelle
zum Programmieren der Senkenseite angelegt sind, können zum
Programmieren der Quellenseite der PROM-Speicherzelle ausgetauscht werden.
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Da
die Siliziumnitrid-Schicht 40 kein leitfähiges Material
ist, können
die Elektronen in den vorgesehenen Bereichen eingefangen werden,
wie zum Beispiel in den Teilbereichen der Siliziumnitrid-Schicht 40 in
der Nähe
der Quelle 34 und der Senke 36. Die Speicherzelle
der Erfindung ist in der Lage, mehr als ein Bit Daten zu speichern.
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Die
Vorrichtung wird in der entgegengesetzten Richtung, in welcher sie
beschrieben wurde, gelesen. Um zum Beispiel die quellenseitigen
Ladungen zu lesen, weisen das Gatter 44, die Senke, die Quelle
und das Substrat zum Beispiel eine entsprechende Vorspannung von
3 V, 2 V, 0,5 V und 0 V auf. Die Senke-zur-Quelle-Vorspannung, welche
in dieser Ausführungsform
1,5 V entspricht, ist positiv, so dass ein Elektronenstrom von der
Quellenseite zu der Senkenseite fließt. Die Gatter-zur-Quelle-Vorspannung,
2,5 V, und die Quelle-zum-Substrat-Vorspannung,
0,5, sind ebenfalls positiv. In Anwendung auf einem 0,15 μm PROM, das
eine Kanallänge
von 0,3 μm
aufweist, ist die Senke-zur-Quelle-Vorspannung vorzugswei se zwischen
ungefähr
0,5 V bis 3 V, die Quelle-zum-Substrat-Vorspannung zwischen ungefähr 0,1 V
bis 1,5 V und die Gatter-zur-Quelle-Vorspannung ist vorzugsweise
zwischen ungefähr
0,5 V bis 6 V.
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Um
die Ladungen der Senkenseite zu lesen, wird die Gatterspannung und
die Substratspannung nicht verändert,
während
die Senkenspannung und die Quellenspannung ausgetauscht werden oder
die Senke-zur-Quelle-Vorspannung umgekehrt wird.
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Alle
zum Lesen, Programmieren oder Löschen
der PROM-Speicherzelle in 2 benötigten Spannungen können von
peripheren Schaltungen bereit gestellt werden, wie zum Beispiel
einem Zeilendecodierer (auch „row
decoder" bezeichnet)
und einem Spaltendecodierer (auch „column decoder" bezeichnet).
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Im
Vergleich mit dem benannten Stand der Technik, dessen Senke-zum-Substrat-Vorspannung nur 1,5
V ist, ist die Senke-zum-Substrat-Vorspannung in dieser Ausführungsform
2 V, welche größer ist
und den Verarmungsbereich der Senke-zum-Substrat-Kontaktstelle erweitert, um mehr Oberflächenbereich
des Substrats unter dem eingefangenen Ladungsbereich an der Senkenseite
abzudecken. Demzufolge wird der Lesestrom in dieser Ausführungsform
weniger empfindlich auf die Ladungen der Senkenseite. In dieser
Ausführungsform
ist die Senke-zur-Quelle-Vorspannung, welche die Stärke des lateralen
elektrischen Feldes in dem Oberflächenkanal kontrolliert und
die Menge der heißen
Elektronen bei der Senkenseite stark beeinflusst, 1,5 V (2 V–0,5 V),
und zwar gleich mit der, die im Stand der Technik erwähnt ist.
Mit anderen Worten wurde die Möglichkeit
einer Lesestörung
in dieser Ausführungsform nicht
erhöht
und ein stabilerer Lesestrom wurde erzielt.
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Zweite Ausführungsform
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3 veranschaulicht
eine Schnittansicht einer PROM-Zelle, die entsprechend der zweiten
Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung aufgebaut ist.
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Wie
aus dem Stand der Technik bekannt, bedeutet eine Spannung an einem
bestimmten Anschluss nichts, falls sie nicht mit der an einem anderen
Anschluss verglichen wird. Deshalb gibt es unzählige Spannungskombinationen
für zwei
Anschlüsse,
um die Anforderung einer Vorspannung zu erfüllen. 3 zeigt
eine weitere Spannungskombination, welche die gleichen Voraussetzungen
von 2 erfüllt.
In 3 sind die Spannungen für die Senke, die Quelle, das
Gatter und das Substrat entsprechend 1,5 V, 0 V, 2,5 V und –0,5 V.
Es ist für
Fachleute einfach zu bestimmen, dass die Senke-zur-Quelle-Vorspannung
1,5 V ist, die Quelle-zum-Substrat-Vorspannung 0,5 V und die Gatter-zur-Quelle-Vorspannung
2,5 V ist. Um die gleichen Vorspannungen in den 3 und 4 zu erreichen, ist die generische Spannungskombination
in der folgenden Gleichung dargestellt: {Senkenspannung,
Quellenspannung, Gatterspannung, Substratspannung} = {(X + 1,5)V,
(X + 0)V, (X + 2,5)V, (X – 0,5)V}
- X ist eine natürliche
Zahl.
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Die
vorhergehende Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen dieser Erfindung
wurde zum Zweck der Darstellung und Beschreibung dargelegt. Offensichtliche
Modifikationen oder Abweichungen sind im Licht der obigen Lehre
möglich.
Die Ausführungsformen
wurden ausgewählt
und beschrieben, um die beste Veranschaulichung der Prinzipien dieser
Erfindung und deren praktische Anwendbarkeit bereit zu stellen,
um dadurch den Fachmann die Benutzung der Erfindung in verschiedenen
Ausführungsformen
und in verschiedene Modifikationen zu ermöglichen, wie sie entsprechend
der jeweiligen Anwendung genannt sind. All solche Modifikationen
und Abweichungen sind innerhalb des Schutzbereichs der vorliegenden
Erfindung, wie er durch die beigefügten Ansprüche festgelegt ist, wenn er
entsprechend der Breite, die billig, rechtsgültig und angemessen ist, ausgelegt
wird.