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Gebiet der Erfindung
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Die vorliegende Erfindung betrifft
ein Verfahren zum Programmieren einer Flash-Speicherzelle und insbesondere ein Verfahren
zum Programmieren einer Flash-Speicherzelle,
mit dem die Abmessung und der Realisierungsaufwand eines Niedrigenergie-Baueelementes
verringert werden können.
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Kurzbeschreibung
des Standes der Technik
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Im allgemeinen hat ein Flash-Speicherbauelement,
wie eine elektrisch lösch-
und programmierbare Festspeicher-Flashzelle (EEPROM) die Funktionen
für elektrische
Programmier- und Löschvorgänge und
ist klassifiziert in einen Stack- und Split-Gate Typ, je nach Ausgesaltung
einer gebildeten Gateelektrode.
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Der Aufbau und die Betriebsweise
von herkömmlichen
Flash-Speicherzellen des Stackund Split-Gate Typs werden nachfolgend
beschrieben.
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Bei der herkömmlichen Flash-Speicherzelle des
Stack-Gate Typs sind, wie dies in 1 gezeigt ist,
eine Tunneloxidschicht 4, ein Floatinggate 5,
eine dielektrische Schicht 6 und ein Steuergate 7 nacheinander
auf einem Siliciumsubstrat 1 übereinander angeordnet und
sind Source- und Draingebiete 2 und 3 auf dem
Siliciumsubstrat an beiden Seiten des Floatinggates 5 vorgesehen.
Die Arbeitsweise zum Programmieren und Löschen der Flash-Speicherzelle
mit dem vorerwähnten
Aufbau ist wie folgt.
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Um eine Information in die Flash-Speicherzelle
einzugeben, d. h. das Floatinggate 5 mit einer elektrischen
Ladung zu beaufschlagen, wird +12 V an das Steuergate 7 angelegt,
+5 V an das Draingebiet 3, und liegt Massespannung am Sourcegebiet 2 und
Siliciumsubstrat 1 gemäss 2A an. Danach wird im Siliciumsubstrat 1 ein
Kanal unter dem Floatinggate 5 aufgrund der an das Steuergate 7 angelegten
Hochspannung gebildet und wird die elektrische Hochfeldzone im Siliciumsubstrat
an der Seite des Draingebietes 3 aufgrund der an das Draingebiet
angelegten Spannung ausgebildet. Zu diesem Zeitpunkt erhält ein Teil
der im Kanal befindlichen Elektronen die Energie von der elektrischen
Hochfeldzone, wobei heisse oder energiereiche Elektronen entstehen.
Ein Teil der heissen Elektronen wird in das Floatinggate 5 über die
Tunneloxidschicht 4 durch ein vertikal gerichtetes elektrisches
Feld injiziert, das aufgrund der am Steuergate 7 angelegten
Hochspannung gebildet ist. Die Schwellenspannung (VT) der
Flash-Speicherzelle
steigt daher aufgrund der Injektion der heissen Elektronen an. Gemäss der EP-A-O
676 811 kann die Quelle während
des Programmierens elektrisch floaten.
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Um die in der Flash-Speicherzelle
programmierte Information zu löschen,
d. h. die im Floatinggate 5 gespeicherte elektrische Ladung
wegzubringen, wird die Massenspannung an das Steuergate 7 und
das Siliciumsubstrat 1 angelegt, +12 V an das Sourcegebiet 2 und
das Draingebiet 3 gefloatet, wie dies in 2B gezeigt ist. Danach werden die in
das Floatinggate 5 injizierten Elektronen zum Sourcegebiet 2 aufgrund
des F-N Tunnelphänomens
(Fowler-Nordheim-Phänomen)
bewegt, wodurch die Schwellenspannung VT der
Speicherzelle herabgesetzt wird.
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Die Arbeitsweise beim Löschen der Flash-Speicherzelle
wird durch das Tunnelphänomen
bewirkt, das lokal zwischen dem Sourcegebiet 2 und dem
Floatinggate 5 auftritt. Daher ist es schwierig, die Menge
an Elektronen zu steuern, die sich zum Zeitpunkt des Löschens zum
Sourcegebiet 2 bewegen. Ferner ist es schwierig, das Phänomen so
zu steuern, dass das Floatinggate 5 nicht elektrisch wieder
aufgebaut wird, d. h. eine Überlöschung dann eintritt,
wenn die Eigenschaften der Tunneloxidschicht 4 sich verschlechtert
haben. Diese Überlöschung ist
Ursache für
die Verschlechterung der Arbeitseigenschaften des Bauelementes.
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Andererseits sind bei der Flash-Speicherzelle
nach 3 des Split-Gate
Types eine erste isolierende Schicht 14, ein Floatinggate 15,
eine zweite isolierende Schicht 16 und ein Steuergate 17 nacheinander
auf einem Siliciumsubstrat 11 aufgestapelt und sind eine
dritte isolierende Schicht 18 und ein Wählgate 19 auf der
gesamten Struktur einschliesslich der Stapelstruktur aufgegeben.
Ein Draingebiet 13 ist im Siliciumsubstrat 11 unter
einer Seite des Floatinggates 15, und ein Sourcegebiet 12 ist
im Siliciumsubstrat 11 in einem bestimmten Abstand vom Floatinggate 5 vorgesehen.
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Die Arbeitsweise beim Programmieren
und Löschen
der Flash-Speicherzelle, bestehend aus einer Gateelektrode mit einer
solchen Stapelstruktur und einem Wähltransistor werden nachfolgend
beschrieben.
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Um eine Information in die Flash-Speicherzelle
einzugeben, d. h. das Floatinggate 15 mit einer elektrischen
Ladung zu beaufschlagen, wird +12 V an das Steuergate 17 angelegt,
+1,8 V an das Wählgate 19,
+5 V an das Draingebiet 13 und wird Massespannung an das
Sourcegebiet 12 und Siliciumusubstrat 11 angelegt,
wie dies in 4A gezeigt
ist. Dann wird ein Wählkanal
im Siliciumsubstrat 11 unter dem Wählgate 19 aufgrund
der am Wählgate 19 angelegten
Spannung gebildet. Ferner wird ein Kanal im Siliciumsubstrat 11 unter
dem Floatinggate 15 aufgrund der am Steuergate 17 angelegten
Hochspannung gebildet. Ein Drainstrom von 20 bis 20 μA fliesst durch
den Wählkanal.
Gleichzeitig wird eine elektrische Hochfeldzone im Kanal unter dem
Floatinggate 15 gebildet. Zu diesem Zeitpunkt erhält ein Teil
der im Kanal befindlichen Elektronen die Energie aus der elektrischen
Hochfeldzone, so dass energiereiche oder heisse Elektronen entstehen.
Ein Teil der heissen Elektronen wird in das Floatinggate 15 über die erste
Isolierschicht 14 durch ein vertikal gerichtetes elektrisches
Feld injiziert, das aufgrund der am Steuergate 17 angelegten
Hochspannung gebildet ist. Daher steigt die Schwellenspannung VT der Flash-Speicherzelle an.
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Um die in der Flash-Speicherzelle
programmierte Information zu löschen,
d. h. die elektrische im Floatinggate 5 gespeicherte Ladung
zu beseitigen, wird an das Steuergate 17 –15 V, an
das Draingebiet 13 +5 V angelegt. Am Wählgate 19 und Siliciumsubstrat 11 liegt
die Massenspannung an. Das Sourcegebiet 12 wird gefloatet,
wie dies in 4B gezeigt ist.
Dann bewegen sich die in das Floatinggate 15 injizierten
Elektronen zum Sourcegebiet 12 aufgrund des F-N Tunnelphänomens,
wodurch die Schwellenspannung VT der Speicherzelle
herabgesetzt wird.
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Der Lesevorgang der Flash-Speicherzelle des
Split-Gate Typs erfolgt unter der Bedingung, dass der Wähltransistor
eingeschaltet ist. Damit ist der Vorteil verbunden, dass ein Überlöschungsphänomen nicht
auftritt. Da jedoch ein Leckstrom dann entsten kann, wenn die Länge des
Wählgates
verringert wird, ist es schwierig, die Abmessung der Speicherzelle
zu reduzieren.
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Ferner wird eine Hochspannung von
12 V oder mehr am Steuergate der Flash-Speicherzelle des Stack- ound Split-Gate
Typs angelegt. Eine derart hohe Spannung wird von einer Ladungspumpschaltung
geliefert, die die Spannung der Energiequelle von etwa 5 V auf die
Hochspannung anhebt. Daher ist ein Flash-Speicherbauelement, das
eine solche Speicherzelle aufweist, mit dem Problem verbunden, dass
zunächst
eine lange Zeit zum Programmieren erforderlich ist und der Energieverbrauch gross
ist, da eine lange Zeitdauer für
den Pumpvorgang benötigt
wird, der die Spannung der Energiequelle auf die Hochspannung anhebt.
Ferner bestehen Schwierigkeiten bei der Herstellung, da die Dicke der
zweiten Isolierschicht, die zwischen dem Floatinggate und dem Steuergate
gebildet ist, mehr als das Zweifache der Dicke der ersten Isolierschicht
betragen muss, damit ein zuverlässig
arbeitendes Baueelement gewährleistet
ist.
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Ferner wurde kürzlich ein Niedrig-Energie-Speicherbauelemet
vorgeschlagen, das eine niedrige Spannung von 3,3 V or 2,5 V benötigt, und ein
Verfahren zur Verringerung der an das Draingebiet zum Zeitpunkt
des Programmierens angelegten Spannung als Mittel für die Ausgestaltung
des Niedrig-Energie-Speicherelementes. Bei der Anwendung dieses
Verfahrens muss jedoch die Struktur der Speicherzelle oder des Drainüberganges
geändet
werden, um die Programmiereigenschaften auf dem gleichen Niveau
zu halten, wie dies bei herkömmlichen Speicherbauelementen
der Fall ist, die die Energiequellenspannung (z. B. 5 V) verwenden.
Daher treten Schwierigkeiten, wie Änderungen beim Herstellungsvertahren,
und eine Erhöhung
der Anzahl an Herstellungsschritte als Folge dieser Änderungen
auf.
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Ferner kann als anderes Verfahren
für die Anwendung
des Niedrig-Energiespeicherbautelementes
diesem eine Ladungspumpschaltung hinzugefügt werden, um die an das Draingebiet
zum Zeitpunkt des Programmierens angelegte Spannung auf mehr als
5 V anzuheben. Dieses Verfahrens ist jedoch mit dem Problem verbunden,
dass eine Erhöhung
des Drainpotentials durch das Ladungspumpen nicht möglich ist,
da ein Drainstrom von 30 μA
oder mehr zum Zeitpunkt des Programmierens auftritt.
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Zusammenfassung
der Erfindung
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Ein Ziel der vorliegenden Erfindung
ist daher die Schaffung eines Verfahrens zum Programmieren der Flash-Speicherzelle,
mit dem sich die Abmessung der Flash-Speicherzelle herabsetzen lässt, ohne
dass die Struktur der Flash-Speicherzelle des Split-Gate Typs verändert wird,
und wobei gleichzeitig ein Niedrigenergie-Bauelement realisiert
werden kann.
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Ein Aspekt der vorliegenden Erfindung
zur Erreichen des vorgenannten Zieles ist im Patentanspruch 1 erwähnt. Demzufolge
ist eine Depletionzone, die an einem Sourcegebiet gebildet ist,
von einem Flächenbereich
zu einerm Bereich zwischen der Oberfläche und unteren Bereichen des
Siliciumusubstrates erweitert, ein Minoritätsträger an einem Haftstellenzentrum
gebildet, das an der erweiterten Depletionzone vorliegt, wobei der
Minoritätsträger Energie
von einer elektrischen Hochfeldzone zwischen dem Wählgate und
dem Floatinggate erhält, um
zu einem heissen Elektronen umgewandelt zu werden. Das heisse Elektronen
wird in das Floatinggate durch ein elektrisches Feld injiziert,
das in Richtung vom Steuergate zum Siliciumsubstrat gebildet ist,
entsprechend Spannungen, die am Siliciumsubstrat, Sourcegebiet,
Draingebiet, Floatinggate, Steuergate bzw. einem Wählgate angelegt
sind.
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Ein weiterer Aspekt der vorliegenden
Erfindung zum Erreichen des vorgenannten Zieles ist im Patentanspruch
4 erwähnt.
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Kurzbeschreibung
der Zeichnung
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Andere Ziele und Vorteile der vorliegenden Erfindung
werden nach Studium der detaillierten Erläuterung der Ausführungsform
verständlich,
die anhand der beiliegenden Zeichnung gegeben wird. Darin:
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1 ist
eine geschnittene Ansicht einer herkömmlichen Flash-Speicherzelle
des Stack-Gate Typs;
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2A und 2B sind geschnittene Ansichten zur Darstellung
des Vorgehens beim Programmieren und Löschen der Flash-Speicherzelle
des Stack-Gate Typs, die in 1 gezeigt
ist;
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3 ist
eine geschnittene Ansicht einer herkömmlichen Flash-Speicherzelle
des Stack-Gate Typs;
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4A und 4B sind geschnittene Ansichten zur Darstellung
der Vorgehensweise beim Programmieren und Löschen der Flash-Speicherzelle
des Split-Gate-Typs,
die in 3 gezeigt ist;
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S ist
eine geschnittene Ansicht zur Darstellung des Verfahrens zum Programmieren
der Flash-Speicherzelle gemäss
der vorliegenden Erfindung; und
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6A und 6B sind grafische Darstellungen zur Erläuterung
von 5.
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Detaillierte
Beschreibung der Zeichnung
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Die vorliegende Erfindung stellt
eine Verbesserung gegenüber
dem herkömmlichen
Verfahren zum Programmieren einer Flash-Speicherzelle des Split-Gate-Typs
gemäss 3 dar. D. h. das herkömmliche
Programmierverfahren verwandte eine Vorgehensweise, bei der ein
Minoritätsträger, der
von dem Sourcegebiet eingeströmt
ist, Energie von der am Kanal gebildeten elektrischen Hochfeldzone
erhält,
um zu dem heissen Elektron zu werden. Das heisse Elektron wird in
das Floatinggate (Kanalelektronen-Injektionsverfahren) injiziert.
Das Programmierverfahren nach der vorliegenden Erfindung verwendet
jedoch das Bulkelektronen-Injektionsverfahren, bei dem ein Minoritätsträger an einem
Haftstellenzentrum gebildet wird. Das Haftstellenzentrum existiert
an einer Depletionzone, die am Siliciumsubstrat gebildet ist. Der
Minoritätsträger wird
in ein heisses Elektron umgewandelt, welches in das Floatinggate
zu injizieren ist. Das Verfahren zum Programmieren der Flash-Speicherzelle gemäss der vorliegenden
Erfindung unter Verwendung des Bulkelektronenverfahrens wird unter
Bezugnahme auf 5 erläutert.
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5 ist
eine geschnittene Ansicht zur Darstellung des Verfahrens zum Programmieren
der Flash-Speicherzelle nach der vorliegenden Erfindung, wobei die
gesamte Struktur der Flash-Speicherzelle identisch mit der Struktur
der bekannten Flash-Speicherzelle ist, die in 3 gezeigt ist, so dass eine Beschreibung
der Struktur weggelassen werden kann.
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Zunächst wird zum Programmieren
einer Information in die Flash-Speicherzelle, d. h. zum Laden des
Floatinggates 15 mit einer elektrischen Ladung, eine Energiequellenspannung
in der Grössenordnung
von +5 V an das Draingebiet 13 angelegt und eine Hochspannung
in der Grössenordnung
von +12 V, die grösser
als die Energiequellenspannung ist, an das Steuergate 17.
Das Massenpotential wird an das Siliciumsubstrat 11 angelegt,
wie dies in 5 gezeigt
ist. Eine Spannung in der Grössenordnung
von +1,8 V, die niedriger als die Energiequellenspannung, jedoch
höher als
das Massenpotential ist, wird an das Wählgate 19 angelegt.
Das Sourcegebiet 12 wird gefloatet. Dann wird ein Kanal 20 im
Siliciumsubstrat 11 unterhalb des Floatinggates 15 aufgrund
der am Steuergate 17 angelegten Hochspannung gebildet. Das
am Draingebiet 13 angelegte Potential schafft eine Equipotentialverteilung
am Kanal 20. Zu diesem Zeitpunkt wird, da das Sourcegebiet 12 sich
im gefloateten Zustand befindet, die Schwellenspannung des Wählkanals,
der im Siliciumsubstrat 11 unterhalb des Wählgates 19 gebildet
ist, durch den Body-Effekt aufgrund der Hochpotentialsperre des
Draingebietes 13 heraufgesetzt. Daher erfolgt die Kanalinversion nicht
durch die am Wählgate 19 anliegende
Spannung (+1,8 V), so dass die Depletionzone 30 an der Seite
des Sourcegebietes 12 vom Oberflächenbereich des Siliciumsubstrates 11 zu
dessen Bodenbereich erweitert oder ausgedehnt wird. Zu diesem Zeitpunkt
muss zur Maximierung der Grösse
der Depletionzone 30 die Konzentration an in das Sourcegebiet 12 injizierten
Störstellen
wesentlich höher
sein als die Konzentration der Störstellen, die in das Siliciumsubstrat 11 injiziert
wurden.
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Das Elektron, das ein Minoritätsträger ist, wird
am Haftstellenzentrum gebildet. Dieses Haftstellenzentrum existiert,
wie erwähnt,
an der erweiterten Depletionzone 30. Der geschaffene Minoritätsträger erhält die Energie
von der elektrischen Hochfeldzone, die zwischen dem Wählgate 19 und
dem Floatinggate 15 durch die am Draingebiet 13 anliegende Spannung
gebildet ist. Der Minoritätsträger wird
in ein heisses Elektron umgewandelt. Das heisse Elektron wird dann
in das Floatinggate 15 über
die erste Isolierschicht 14 durch das gerichtete elektrische Feld
vom Steuergate 17 zum Siliciumsubstrat 11 injiziert,
das durch die am Steuergate 17 anliegende Hochspannung
gebildet ist, wodurch die Schwellenspannung VT der
Flash-Speicherzelle heraufgesetzt wird.
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6A ist
eine grafische Darstellung, die die Änderung der Quellenspannung
VTP der Flash-Speicherzelle in Abhängigkeit
von der Änderung
der Spannung Vd zeigt, die am Draingebiet 13 zum
Zeitpunkt des Programmierens anliegt. Die Kurve A gibt die Änderung
der Schwellenspannung in Verbindung mit dem herkömmlichen Programmierverfahren
wieder, und die Kurve B die Änderung
der Schwellenspannung beim Vefahren nach der vorliegenden Erfindung.
Wie in 6A gezeigt ist,
wird bei Anwendung des Programmierverfahrens nach der vorliegenden
Erfindung das Programmierverhalten verschlechtert, jedoch wird die
Stärke
des elektrischen Feldes, das durch die am Draingebiet 13 angelegte Spannung
gebildet ist, erhöht,
im Vergleich zu einer Ausgestaltung des Programmiervorganges unter
Anwendung des herkömmlichen
Verfahrens, so dass die Effektivität des Programmierens heraufgesetzt wird.
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6B ist
eine grafische Darstellung, die zeigt, wie sich die Quellenspannung
VTP der Flash-Speicherzelle bei einer Änderung
der Spannung VS ändert, die am Wählgate 19 anliegt.
Die Kurve C gibt die Änderung
der Schwellenspannung bei dem herkömmlichen Programmierverfahren
an und die Kurve D die Änderung
der Schwellenspannung bei Anwendung des Programmierverfahrens nach der
vorliegenden Erfindung. Wie in 6B gezeigt ist,
wird bei Anwendung des Programmierverfahrens nach der vorliegenden
Erfindung das Programmierverhalten verbessert, da die Spannung VS am Wählgate 19 angelegt
ist. Dies ist die Folge davon, dass die Grösse der Depletionzone 30 heraufgesetzt
ist, da am Wählgate 19 eine
grössere
Spannung VS angelegt ist. Ausserdem ist
dies die Folge davon, dass die Produktionsrate an Minoritätsträger vergrössert ist.
In Fällen
jedoch, bei denen die am Wählgate 19 angelegte
Spannung VS auf etwa +1,5 V oder mehr heraufgesetzt
wird, obgleich die Grösse
der am Wählkanalpart
gebildeten Depletionzone heraufgesetzt wird, wird die Stärke des
elektrischen Feldes verringert, das durch die am Draingebiet 13 angelegte
Spannung gebildet ist. Daher wird die Produktionsrate an heissen
Elektronen rasch herabgesetzt, wodurch die Effektivität des Programmierens
verschlechtert wird.
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Um die Programmiereffektivität und die
Eigenschaften zu maximieren, wird daher bevorzugt, dass die am Wählgate 19 angelegte
Spannung beibehalten wird und die am Draingebiet 13 unter
Verwendung der Ladungspumpenschaltung angelegte Spannung heraufgesetzt
wird. Gemäss
der vorliegenden Erfindung entsteht daher, da das Sourcegebiet 12 zum
Zeitpunkt des Programmierens gefloatet ist, kein Drainstrom, so
dass es möglich
ist, eine Ladungspumpenschaltung einzusetzen.
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Andererseits ist es im Falle der
Erhöhung
der an das. Draingebiet 13 angelegten Spannung auf +7 V
oder mehr, die damit grösser
als die Energiequellenspannung ist, möglich, das gleiche Programmierverhalten
zu erreichen, wenn die Hochspannung in der Grössenordnung von +8 bis +11
V, die höher
als die Energiequellenspannung ist, am Steuergate angelegt wird.
Zu diesem Zeitpunkt wird, da die am Steuergate 17 angelegte
Spannung geringer als +12 V ist, die Pumpzeit reduziert, so dass
die Zeit zum Programmieren ebenfalls herabgesetzt wird. Daher ist
es möglich,
den Effekt einer Verringerung der Dicke der zweiten Isolierschicht 16 zu
erhalten, die zwischen dem Steuergate 17 und dem Floatinggate 15 gebildet
ist. Als Ergebnis davon, wenn das Verfahren zum Programmieren der
Flash-Speicherzelle nach der vorliegenden Erfindung angewandt wird,
ist es möglich,
ohne Weiteres ein Niedrigenergiebauelement zu realisieren, ohne
dass die Struktur der Flash-Speicherzelle des Split-Gate-Typs verändert wird.
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Ferner hat die, wie erwähnt, programmierte Flash-Speicherzelle
den Vorteil, dass sie nach dem herkömmlichen Löschverfahren für eine Flash-Speicherzelle
des Split-Gate-Typs
gelöscht
werden kann. Deshalb ist eine Beschreibung der Vorgehensweise zum
Löschen
der Flash-Speicherzelle ausgelassen.
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Wie zuvor beschrieben wurde, kann
gemäss der
vorliegenden Erfindung ein Niedrigenergiebauelement mit verbesserter
Programmiereffektivität
und Programmierverhalten leicht realisiert werden und kann die Grösse der
Flash- Speicherzelle
effektiv herabgesetzt werden, ohne dass die Struktur der Flash- Speicherzelle
des Split-Gate-Typs verändert
wird, indem ein Minoritätsträger am Haftstellenzentrum
gebildet wird, das an der erweiterten Depletionzone existiert. Die
erweiterte Depletionzone ist an der Sourceseite gebildet und ferner
dadurch, dass der erhaltene Minoritätsträger von der elektrischen Hochfeldzone
erhält,
die am Siliciumsubstrat zwischen dem Wählgate und dem Floatinggate
durch die am Draingebiet anliegende Spannung gebildet ist, um das
heisse Elektron zu bilden. Und ferner wird das heisse Elektron in
das Floatinggate durch das vertikal gerichtete elektrische Feld
injiziert, das durch die am Steuergate angelegte Hochspannung gebildet
ist.
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Die vorausgehende Beschreibung ist,
obwohl sie sich mit einem gewissen Mass an Besonderheit auf bevorzugte
Ausführungsformen
bezieht, nur als beispielhaft für
die Darstellung des erfindungsgemässen Prinzips anzusehen. Es
versteht sich, dass die vorliegende Erfindung nicht auf die bevorzugten offenbarten
und gezeigten Ausführungsformen
beschränkt
ist. Deshalb sind alle sich anbietenden Variationen, die im Rahmen
des Wesens der vorliegenden Erfindung gemacht werden können, als
auch weitere Ausführungsformen
der Erfindung davon umfasst.