KR19980032692A - Floating gate memory device and its memory device manufacturing process - Google Patents

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KR19980032692A
KR19980032692A KR1019970051777A KR19970051777A KR19980032692A KR 19980032692 A KR19980032692 A KR 19980032692A KR 1019970051777 A KR1019970051777 A KR 1019970051777A KR 19970051777 A KR19970051777 A KR 19970051777A KR 19980032692 A KR19980032692 A KR 19980032692A
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KR
South Korea
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gate
floating gate
layer
doped
dielectric
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KR1019970051777A
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Korean (ko)
Inventor
제임스 디어도 클레멘스
이우형
래이타 맨칸다
Original Assignee
알.제이.보토스
루슨트 테크놀로지스 인코포레이티드
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Abstract

본 발명은 플로팅 게이트 메모리 장치(floating gate memory device)와 그 장치를 제조하기 위한 공정에 관한 것이다. 그 장치는 짧은 시간(약 1ms 또는 보다 짧은 시간)동안 낮은 전압(5볼트 또는 보다 작은 전압)에서 소거 가능한 구조를 갖는다. 본 발명의 장치는 스택형 구조(stacked structure) 또는 스플릿 게이트 구조(split gate structure) 중 한 구조로 되어 있다. 유전체 재료층(IPD라 칭함)은 플로팅 게이트와 제어 게이트에 삽입되어 있다. 그 유전체 재료의 유전 상수는 게이트 유전체 재료의 유전 상수의 2배가 된다. 게이트 유전 재료가 SiO2인 장치에 있어서, IPD의 유전 상수는 약 5 보다 큰데, 약 10 보다 큰 유전 상수가 바람직하다. 플로팅 게이트 전극과 제어 게이트 전극 사이에 삽입된 유전층은 최소한 플로팅 게이트와 기판 사이에 삽입된 게이트 산화물의 층만큼의 두께를 갖는다. 그들 요구 조건을 만족하는 유전체 재료는 Al2O3, Zr-도프된 Al2O3, Y2O3, Zr-도프된 Y2O3, Zr-도프된 Ta2O5, Si-도프된 Al2O3, Si-도프된 Y2O3과, Si-도프된 Ta2O5를 포함한다.The present invention relates to a floating gate memory device and a process for fabricating the device. The device has an erasable structure at a low voltage (5 volts or less) for a short time (about 1 ms or less). The device of the present invention has a structure of either a stacked structure or a split gate structure. A dielectric material layer (referred to as IPD) is inserted in the floating gate and the control gate. The dielectric constant of the dielectric material is twice the dielectric constant of the gate dielectric material. For devices in which the gate dielectric material is SiO 2 , the dielectric constant of the IPD is greater than about 5, with dielectric constants greater than about 10 being preferred. The dielectric layer interposed between the floating gate electrode and the control gate electrode has at least as much thickness as a layer of gate oxide interposed between the floating gate and the substrate. The dielectric materials that meet these requirements include Al 2 O 3 , Zr-doped Al 2 O 3 , Y 2 O 3 , Zr-doped Y 2 O 3 , Zr-doped Ta 2 O 5 , Si-doped Al 2 O 3 , Si-doped Y 2 O 3 , and Si-doped Ta 2 O 5 .

Description

플로팅 게이트 메모리 장치 및 그 메모리 장치 제조 공정Floating gate memory device and its memory device manufacturing process

본 출원은 1996년 10월 10일자 출원된 임시 출원 번호 제60/027,612호를 우선권 주장한다.This application claims priority to provisional application Serial No. 60 / 027,612 filed October 10, 1996.

본 발명은 플로팅 게이트 메모리 셀과, 그 플로팅 게이트 메모리 셀을 제조하기 위한 공정에 관한 것이다.The present invention relates to a floating gate memory cell and a process for fabricating the floating gate memory cell.

비휘발성 메모리는 전원이 제거될 때 저장된 데이터를 계속 유지하는 형태의 메모리이다. 그러한 비휘발성 메모리는, 판독 전용 메모리(ROMs), 프로그램 가능한 판독 전용 메모리(PROMs), 소거 가능한 프로그램 가능 판독 전용 메모리(EPROMs) 및, 전기적으로 소거 가능한 프로그램 가능 판독 전용 메모리(EEPROMs)를 포함하는 여러 형태가 있다. EPROM은 자외선 방사 동안 소거되고, EEPROM은 전기 신호를 이용하여 소거된다. EPROMs 및 EEPROMs를 기록하기 위해 전기 신호가 이용된다. 종래의 플래시 EEPROM(모든 메모리 셀 또는 셀의 섹터를 나타내는 플래시는 동시에 소거될 수 있다)에 있어서, 메모리 셀들은 낮은 임계 전압으로 동시에 소거될 수 있고, 그후에, 개별적으로 또는 작은 그룹에, 높은 임계 전압으로 프로그램 된다.Nonvolatile memory is a type of memory that keeps stored data when power is removed. Such non-volatile memory may be implemented in a variety of ways including read only memories (ROMs), programmable read only memories (PROMs), erasable programmable read only memories (EPROMs), and electrically erasable programmable read only memories (EEPROMs) There is a form. The EPROM is erased during ultraviolet radiation, and the EEPROM is erased using an electrical signal. Electrical signals are used to record EPROMs and EEPROMs. In conventional flash EEPROMs (flashes representing all memory cells or sectors of a cell can be erased simultaneously), the memory cells can be erased simultaneously with a low threshold voltage, and then individually or in small groups, with a high threshold voltage .

EPROMs 및 EEPROMs는 프로그램 가능하게 되어 있는 비휘발성 메모리를 필요로 하는 데이터 처리 시스템에 공통으로 이용된다. 편의상, EEPROMs 및 EPROMs는 본 명세서에 모두 EPROMs라 칭한다.EPROMs and EEPROMs are commonly used in data processing systems that require non-volatile memory that is programmable. For convenience, EEPROMs and EPROMs are all referred to herein as EPROMs.

EPROMs에 대한 전형적인 장치 구조는 플로팅-게이트 폴리실리콘 트랜지스터로 구성된다. 전형적인 플로팅 게이트 구조는 두개의 절연층 사이에 삽입된 플로팅 게이트를 갖는다. 그 절연-플로팅 게이트-절연체 구조는 장치 기판과 보통의 선택-게이트 전극 사이에 있다.A typical device structure for EPROMs consists of a floating-gate polysilicon transistor. A typical floating gate structure has a floating gate interposed between two insulating layers. The insulating-floating gate-insulator structure is between the device substrate and the normal select gate electrode.

상기와 같은 구조를 갖는 n-채널 및 p-채널 장치가 있다. n-채널 장치에 있어서, 소스 및 드레인은 n-형태의 도판트로 도프되고, 기판은 p-형태 도판트로 도프된다. p-채널 장치에 있어서, 소스 및 드레인은 p-형태의 도판트를 포함하고, 기판은 p-형태 도판트를 포함한다. 그러한 장치에 적당한 기판은 실리콘을 기초한 기판과, 인듐-인(InP) 및 갈륨-비소(GaAS)와 같은 Ⅲ-Ⅴ 반도체 기판을 포함한다. 실리콘 또는 실리콘-게르마늄(SiGe)과 같은 실리콘을 기초한 기판에 있어서, p-형 도판트의 예는 붕소이고, 적당한 n-형태의 예는 비소(As) 및 인(P)이다.There are n-channel and p-channel devices having such a structure. In an n-channel device, the source and drain are doped with an n-type dopant and the substrate is doped with a p-type dopant. In a p-channel device, the source and drain comprise a p-type dopant and the substrate comprises a p-type dopant. Suitable substrates for such devices include silicon-based substrates and III-V semiconductor substrates such as indium-phosphorous (InP) and gallium-arsenic (GaAs). For silicon-based substrates such as silicon or silicon-germanium (SiGe), an example of a p-type dopant is boron and suitable n-type examples are arsenic (As) and phosphorus (P).

EPROMs는 도 1에 도시된 장치에 일련의 바이어스 전압을 인가하여 프로그램된다. 선택-게이트(이하, 제어 게이트)에 인가된 전압은 VC이고, 드레인에 인가된 전압은 VD이며, 소스에 인가된 전압은 VS이다. 그들 여러 단자 사이의 통상 바이어스라 지칭되는 전압차는, 예를들어, VCS=VC-VS; VDS=VD-VS등으로 나타낸다.The EPROMs are programmed by applying a series of bias voltages to the device shown in FIG. The voltage applied to the select-gate (hereinafter, the control gate) is V C , the voltage applied to the drain is V D , and the voltage applied to the source is V S. The voltage difference referred to as the normal bias between the various terminals is, for example, V CS = V C -V S ; V DS = V D -V S or the like.

그들 바이어스가 양 또는 음의 값이든 간에 플로팅 게이트를 프로그램 할때 장치가 n-채널 또는 p-채널 중 한 채널에 따라 좌우된다. n-채널이 프로그램 될때, VCS및 VDS는 양의 값이 된다. p-채널이 프로그램될때, VCS및 VDS는 음의 값이 된다.Whether their bias is positive or negative, the device is dependent on one of the n-channel or p-channel when programming the floating gate. When the n-channel is programmed, V CS and V DS are positive values. When the p-channel is programmed, V CS and V DS are negative values.

편의상, 그들 바이어스 극성은 이하 n-채널 장치에 관하여 설명한다.For convenience, their bias polarity will be described below with respect to the n-channel device.

그들 기록 바이어스는 전형적으로 높은 제어 게이트-소스 전압(VCS) 및/또는 높은 드레인-소스 전압(VDS)이 된다. 그들 프로그래밍 전압은 대부분의 장치(채널 및/또는 소스 및/또는 드레인) 영역에서 그들이 트랩되는 플로팅 게이트까지 전자를 이동시켜야 하고, 그로 인해, 보다 크게 플로팅 게이트를 음의 값으로 충전한다. 플로팅 게이트는 선택 게이트로부터 절연 산화물 층에 의해 전기적으로 절연되고, 드레인-소스-기판 영역으로부터 다른 박막 산화물 절연층을 의해 전기적으로 절연되기 때문에, 전하는 플로팅 게이트에서 트랩(trap)된다. 그 플로팅 게이트 상의 전자를 트랩핑하는 효과는 임계 전압(VT)을 약간의 선정된 레벨로 상승시키는 것이다. 또한, 그들 프로그램 가능한 전압이 정상 판독 바이어스 상태의 범위밖에 있기 때문에, 판독 동안에 부주의로 인한 기록은 발생하지 않는다.These write biases typically result in a high control gate-source voltage (V CS ) and / or a high drain-source voltage (V DS). These programming voltages must move electrons to the floating gate where they are trapped in most device (channel and / or source and / or drain) regions, thereby charging the floating gate to a larger value. Since the floating gate is electrically insulated from the select gate by the insulating oxide layer and is electrically insulated from the drain-source-substrate region by another thin-film oxide insulating layer, the charge is trapped in the floating gate. The effect of trapping electrons on the floating gate is to raise the threshold voltage VT to a slightly predetermined level. Also, since their programmable voltage is outside the range of normal read bias conditions, careless write does not occur during read.

EPROMs는 전형적으로 플로팅-게이트 트랜지스터의 어레이를 포함한다. 주어진 셀의 VT는 논리 값으로 판독 및 디코드될때 감지 증폭기에 의해 결정될 수 있다. 예를들어, 통상적인 2-상태 메모리에 있어서, 상기 기술한 것처럼 기록에 의해 달성된 높은 VT는 논리 1로서 디코드되고, 고유의 VT[음의 전하를 플로팅 게이트(22)에 부가하여 기록되지 않은 장치의 VT]는 논리 0으로 디코드된다. 그 플로팅 게이트가 절연되기 때문에, 셀은 10년까지의 기간 또는 그 이상의 기간 동안 프로그램 된 상태 또는 소거된 상태를 유지할 수 있다. 이는 전하 보유(charge retention)로서 지칭된다.EPROMs typically include an array of floating-gate transistors. The V T of a given cell may be determined by the sense amplifier when read and decoded to a logic value. For example, in a conventional two-state memory, a high V T achieved by writing as described above is decoded as a logic one, and a unique V T [negative charge is added to the floating gate 22 V T ] of the non-device is decoded to a logic zero. Because the floating gate is isolated, the cell can remain programmed or erased for periods of up to 10 years or more. This is referred to as charge retention.

현재의 장치에 있어서, 약 (-)12 볼트 내지 약 (-)15 볼트의 제어 게이트 바이어스(예를들어, 장치의 소스 또는 드레인 중 하나와 제어 게이트 사이의 바이어스)는 플로팅 게이트로부터 전하를 소거하는데 필요하다.(또한, 지정된 극성은 n-채널 장치에 대한 것임). 만일, 그들 고전압 메모리 장치가 저전압 응용, 예를들어, 동작 전압이 5 볼트 또는 보다 작은 시스템에 이용된다면, 보다 낮은 전압에서 보다 높은 전압까지 전압을 상승시키기 위해 전하 펌프가 필요하다. 그러한 전하 펌프의 필요성으로 인하여, 시스템의 비용이 증가되고, 저전압 기술에서 고전압 트랜지스터를 삽입해야 할 필요성으로 인하여 그 시스템의 신뢰도가 감소된다. 따라서, 5볼트 또는 보다 작은 동작 전압의 인가에 의해 소거될 수 있는 플래시 및 EPROM 장치와 같은 메모리 장치가 바람직하다.In current devices, a control gate bias of about (-) 12 volts to about (-) 15 volts (e.g., a bias between one of the source or drain of the device and the control gate) (Also, the specified polarity is for an n-channel device). If these high voltage memory devices are used in low voltage applications, for example, in systems where the operating voltage is 5 volts or less, a charge pump is needed to raise the voltage from a lower voltage to a higher voltage. The need for such a charge pump increases the cost of the system and reduces the reliability of the system due to the need to insert high voltage transistors in low voltage technology. Thus, memory devices such as flash and EPROM devices that can be erased by the application of a 5 volt or smaller operating voltage are desirable.

본 발명은 5볼트 또는 보다 작은 동작 전압의 인가에 의해 소거될 수 있는 플래시 메모리 장치 또는 EPROM 장치와 같은 메모리 장치에 관한 것이다. 만약, 그 장치가 약 1밀리초(이하, m초) 또는 그 보다 짧은 시간에 소거된다면 유익하다. 본 발명의 장치는 제어 게이트와 프로팅 게이트 사이에 유전체 재료층이 삽입된 제어 전극 아래에 플로팅 게이트가 있는 스택형 구조로 되어 있다. 그 제어 게이트 및 플로팅 게이트 모두는 전형적으로 폴리실리콘으로 되어 있기 때문에, 유전체 재료층은 통상적으로 인터-폴리 유전체(이하, IPD)라 칭한다.The present invention relates to a memory device such as a flash memory device or an EPROM device that can be erased by application of an operating voltage of 5 volts or less. It is advantageous if the device is erased in about 1 millisecond (m seconds) or less. The device of the present invention has a stacked structure with a floating gate below the control electrode in which a layer of dielectric material is inserted between the control gate and the floating gate. Because both the control gate and the floating gate are typically made of polysilicon, the dielectric material layer is commonly referred to as an inter-poly dielectric (IPD).

그 플로팅 게이트는 장치의 채널과 최소한 소소 및 드레인 영역 일부 위에 놓인다. 유전체 재료층은 장치의 채널, 소스 및 드레인 영역과 플로팅 게이트 사이에 삽입된다. 그 유전체는 장치의 터널링 층과 게이트 층 모두의 역할을 한다. 현 장치에 있어서, 게이트 유전체 재료는 실리콘 이산화물(SiO2)이다. 이하, 게이트 유전체는 게이트 산화물이라 칭한다.The floating gate overlies the channel of the device and at least a portion of the source and drain regions. A dielectric material layer is interposed between the channel, source and drain regions of the device and the floating gate. The dielectric serves both as a tunneling layer and as a gate layer of the device. In the current device, the gate dielectric material is silicon dioxide (SiO 2). Hereinafter, the gate dielectric is referred to as a gate oxide.

본 발명에 있어서, IPD 재료 및 IPD층 두께는 장치가 저전압(5볼트 또는 보다 작은 전압)과 고속(1m초 또는 보다 짧은 시간)으로 소거 또는 기록될 수 있도록 선택된다. 본 발명의 장치의 문맥에 있어서, 장치를 판독 및 기록하는데 반대의 바이어스가 이용된다. 그로 인해, 보다 작은 전압을 절대 값으로 이용되는데, 예를들어, (-)5볼트 보다 작은 전압은 (-)5 볼트 또는 보다 작은 음의 전압이 된다.In the present invention, the IPD material and the IPD layer thickness are selected such that the device can be erased or written at a low voltage (5 volts or less) and at high speed (1 msec or less). In the context of the inventive device, the opposite bias is used to read and write the device. As a result, a smaller voltage is used as an absolute value, for example a voltage less than (-) 5 volts becomes negative (-) 5 volts or less.

IPD 재료의 유전 상수와 IPD 층 두께는 특정 조건하에 장치가 소거될 수 있는 터널/게이트 산화물 양단의 전계를 제공한다. IPD가 높은 유전 상수, 예를들어, 게이트 유전체 재료의 유전 상수의 최소한 2개인 유전 상수를 갖는 재료인 사실로 인해 필요한 전계가 제공된다. SiO2의 유전 상수가 약 3.8이 되기 때문에, 게이트 유전체가 SiO2인 장치에서 약 8 또는 보다 큰 값이 된다. 만약, IPD 재료의 유전 상수가 최소한 약 10이 된다면 유익하다. 그 IPD 재료는 수용할 수 있는 시간 동안 플로팅 게이트 상의 전하를 장치가 보유하기 위하여 낮은 누설 재료가 되어야 한다. 현재, 최소한 약 10년 동안 플로팅 게이트 상에 전하를 보유하는 장치가 바람직하다.The dielectric constant of the IPD material and the IPD layer thickness provide an electric field across the tunnel / gate oxide where the device can be erased under certain conditions. The required electric field is provided by the fact that the IPD is a material having a high dielectric constant, e.g., a dielectric constant of at least two of the dielectric constant of the gate dielectric material. Since the dielectric constant of SiO 2 is about 3.8, the value of the gate dielectric is about 8 or greater in a device with SiO 2 . It is advantageous if the dielectric constant of the IPD material is at least about 10. The IPD material must be a low leakage material in order for the device to retain charge on the floating gate for an acceptable period of time. Currently, a device that holds charge on the floating gate for at least about 10 years is desirable.

본 발명의 장치는 플래시 EPROM 징치를 형성하는 종래의 처리 기술을 이용하여 형성된다. 우선, 실리콘 기판 상에 게이트 산화물층이 형성된다. 전형적으로, 기판은 붕소와 같은 p-형 도판트로 얕게 도프된다. 그 게이트 산화물층은 본 기술분야에 숙련된 자에 이미 공지된 통상 기술을 이용하여 기판 상에 형성된다. 만약, 그렇게 형성된 게이트 산화물층이 최소한 약 3nm의 두께를 갖는다면 유익하다. 그러나, 누설을 고려해야 하기 때문에, 최소한 약 5nm의 두께가 고려된다. 또한, 그 게이트 산화물은 터널 영역과 같은 기능을 한다. 따라서, 산화물층은 게이트 산화물의 기능을 실행할 만큼의 두껍게 되어야 하지만, 그 두께를 통해 전자의 파우어-노르디헤임 터널(Fowler-Nordheim tunneling)을 허용할 만큼 얇게 되어야 한다.The device of the present invention is formed using conventional processing techniques to form flash EPROM devices. First, a gate oxide layer is formed on a silicon substrate. Typically, the substrate is shallowly doped with a p-type dopant such as boron. The gate oxide layer is formed on the substrate using conventional techniques well known to those skilled in the art. It is advantageous if the gate oxide layer thus formed has a thickness of at least about 3 nm. However, since leakage must be considered, a thickness of at least about 5 nm is considered. Further, the gate oxide functions as a tunnel region. Thus, the oxide layer must be thick enough to perform the function of the gate oxide, but must be thin enough to allow the electron's Fowler-Nordheim tunneling through its thickness.

그 플로팅 게이트를 형성하기 위해 터널링 영역 상에 폴리실리콘층이 형성된다. 그 폴리실리콘은 비소와 같은 n-형 도판트로 도프되고, 약 50nm 내지 약 100nm의 두께를 갖는다. 그후, 플로팅 게이트 상에 IPD층이 형성된다. 그 IPD 층은 하나 또는 그 이상의 층으로 형성된다. 만일, IPD층이 다층으로 구성된다면, 그 층들은 IPD층의 유효 유전 상수에 대해 최소한 약 8이 되는 충분히 높은 유전 상수를 갖는 재료로 구성된다. 본 발명의 문맥에 있어서, IPD층의 유효한 유전 상수는, IPD 층이 단일층 또는 다층 구조로 되어 있는 것과 무관하게, IPD층의 유효 유전 상수는 전체 층의 유전 상수가 된다. 적당한 높은 유전 상수 재료의 예는 알루미늄 산화물(Al2O3), 이트륨 산화물(Y2O3), 지르코늄(Zr)-도프된 알루미늄 산화물(Al2O3), 지르코늄(Zr)-도프된 탄탈 펜트-산화물(Ta2O5), Zr-도프된 Y2O3, 실리콘(Si)-도프된 알루미늄 산화물(Al2O3), Si-도프된 Ta2O5와 Si-도프된 Y2O3을 포함한다. 이전에 지정된 시간 동안에 플로팅 게이트 상에 전하를 보유하는 본 발명의 비휘발성 메모리 장치(EPROMs)에 있어서, IPD층의 두께는 최소한 게이트 산화물층의 두께만큼 또는 보다 두껍게 요구된다.A polysilicon layer is formed on the tunneling region to form the floating gate. The polysilicon is doped with an n-type dopant such as arsenic and has a thickness of about 50 nm to about 100 nm. Thereafter, an IPD layer is formed on the floating gate. The IPD layer is formed of one or more layers. If the IPD layer is composed of multiple layers, the layers are composed of a material having a sufficiently high dielectric constant that is at least about 8 for the effective dielectric constant of the IPD layer. In the context of the present invention, the effective dielectric constant of the IPD layer is such that, regardless of whether the IPD layer is of a single layer or a multi-layer structure, the effective dielectric constant of the IPD layer is the dielectric constant of the whole layer. Examples of suitable high dielectric constant material is aluminum oxide (Al 2 O 3), yttrium oxide (Y 2 O 3), zirconium (Zr) - doped with aluminum oxide (Al 2 O 3), zirconium (Zr) - doped tantalum (Ta 2 O 5 ), Zr-doped Y 2 O 3 , silicon (Si) -doped aluminum oxide (Al 2 O 3 ), Si-doped Ta 2 O 5 and Si-doped Y 2 O 3 . In the non-volatile memory devices (EPROMs) of the present invention that retain charge on the floating gate for a previously specified time, the thickness of the IPD layer is required to be at least as thick as, or thicker than, the gate oxide layer.

그후, IPD층 상에 제어 게이트가 형성된다. 그 제어 게이트 층은 전형적으로 폴리실리콘이고, n-채널 장치에 대해 비소와 같은 n-형 도판트가 도프되고, p-채널 장치에 대해 p-형 도판트가 도프된다. 그 제어 게이트 층의 두께는 약 100nm 내지 약 300nm가 된다. 그들 층이 형성된 이후에, 그 장치의 게이트 스택은 본 기술 분야에 숙련된 사람에 의해 이미 공지된 종래의 리소그래픽 또는 에칭 기술을 이용하여 형성되고, 그후, MOS(금속-산화물-반도체) 장치를 제조하기 위해 통상적으로 이용되는 다른 처리 단계가 수반된다. 비록, 본 발명의 장치가 스택형 게이트 구조를 통해 설명되었지만, 스플릿 게이트 구조를 갖는 장치도 고려될 수 있다.Thereafter, a control gate is formed on the IPD layer. The control gate layer is typically polysilicon, an n-type dopant such as arsenic is doped for the n-channel device, and a p-type dopant is doped for the p-channel device. The thickness of the control gate layer is about 100 nm to about 300 nm. After their layers are formed, the gate stack of the device is formed using conventional lithographic or etching techniques well known to those skilled in the art, and then a MOS (metal-oxide-semiconductor) Followed by other processing steps commonly used for manufacturing. Although the device of the present invention has been described through a stacked gate structure, devices with a split gate structure are also contemplated.

도 1은 본 발명의 장치를 개략적으로 도시한 횡단면도.BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS Figure 1 is a cross-sectional view schematically illustrating the apparatus of the present invention.

도 2는 서로 다른 제어 게이트 전압에서 게이트 산화물의 전계에 따라 IPD 재료의 유전 상수를 효과를 설명하기 위한 그래프.2 is a graph illustrating the effect of the dielectric constant of the IPD material on the electric field of the gate oxide at different control gate voltages.

도 3은 서로 다른 IPD 두께를 갖는 장치들에 대한 제어 게이트 바이어스(VCS)에 따라 유전 상수의 효과를 설명하기 위한 그래프.3 is a graph illustrating the effect of dielectric constant on the control gate bias (V CS ) for devices having different IPD thicknesses.

도 4는 3개의 상이한 소스-드레인 전압(VDS)에서 플로팅 게이트의 소거 시간에 따라 IPD 재료의 유전 상수의 효과를 설명하기 위한 그래프.4 is a graph to illustrate the effect of the dielectric constant of the IPD material with the erase time of the floating gate at three different source-drain voltages (V DS ).

*도면의 주요부분에 대한 부호의 설명*Description of the Related Art [0002]

12:소스14:드레인12: source 14: drain

16:채널 영역10:기판16: channel region 10: substrate

20:게이트 산화물 층22:폴리실리콘 플로팅 게이트20: gate oxide layer 22: polysilicon floating gate

24:IPD26:제어 게이트24: IPD26: control gate

본 발명은, 5볼트 보다 작은 작동 전압이 장치의 제어 게이트에 인가될때 1m초 보다 짧은 시간 동안 소거하는 장치를 제공하는 방식으로 IPD의 특성이 제어되는 플래시 EPROM 장치에 관한 것이다. 이전에 설명된 것 처럼, 본 발명의 장치는 스택형 구조를 갖는 플래시 메모리 또는 EPROM이다. 본 발명의 장치는 최소한 8의 유전 상수, 바람직하게는 최소한 10의 유전 상수를 갖는 IPD 층을 갖는다. 또한, 본 발명의 장치는 이전에 설명한 것 처럼 게이트 산화물 두께를 갖는다. 이는 게이트 산화물 두께가 약 5nm 내지 약 8nm일때 이점이 있다. 본 발명의 장치에 있어서, IPD층의 두께는 최소한 크게 되거나, 게이트 산화물층의 두께 보다 크게 된다.The present invention relates to a flash EPROM device in which the characteristics of the IPD are controlled in such a way as to provide a device for erasing for less than 1m second when an operating voltage of less than 5 volts is applied to the control gate of the device. As previously described, the apparatus of the present invention is a flash memory or EPROM having a stacked structure. The device of the present invention has an IPD layer with a dielectric constant of at least 8, preferably at least 10. In addition, the device of the present invention has a gate oxide thickness as previously described. This is advantageous when the gate oxide thickness is from about 5 nm to about 8 nm. In the device of the present invention, the thickness of the IPD layer is at least increased or becomes greater than the thickness of the gate oxide layer.

본 발명의 장치의 한 실시예는 도 1을 참조하여 설명한다. 그 장치는 내부에 소스(12), 드레인(14) 및 채널 영역(16)을 갖는 기판(10) 위에 형성된 실리콘 이산화물(SiO2)의 층을 갖는다. 그 산화물은 본 기술 분야에 숙련된 사람들에 의해 이미 공지된 O2및 N2O와 같은 환경에서 용광로 산화(furnace oxidation)와, 고속 열 산화와 같은 종래의 기술로 형성된다.One embodiment of the apparatus of the present invention is described with reference to Fig. The device has a layer of silicon dioxide (SiO 2) formed on a substrate 10 having a source 12, drain 14 and channel region 16 therein. The oxides are formed by conventional techniques such as furnace oxidation and rapid thermal oxidation in environments such as O 2 and N 2 O that are well known to those skilled in the art.

그 게이트 산화물 층(20) 상에는 폴리실리콘 플로팅 게이트(22)가 형성되어 있다. 그 폴리실리콘층(22)은 화학 증기 증착(CVD)과 같은 종래의 기술을 이용하여 형성된다. 그 폴리실리콘층(22)의 두께는 디자인 설계에 큰 문제가 된다. 그 플로팅 게이트의 전형적인 두께는 약 50nm 내지 약 100nm이다.A polysilicon floating gate 22 is formed on the gate oxide layer 20. The polysilicon layer 22 is formed using conventional techniques such as chemical vapor deposition (CVD). The thickness of the polysilicon layer 22 becomes a big problem in the design design. The typical thickness of the floating gate is from about 50 nm to about 100 nm.

그 IPD(24)는 종래의 기술을 이용하여 플로팅 게이트 상에 형성된다. 전형적으로, 스퍼터링, 화학 증기 증착, 또는 산화와 같은 기술이 IPD(24)를 형성하기 위해 이용된다. 이전에 설명한 것 처럼, 만일, IPD층이 최소한 약 8의 유전 상수를 갖는다면 바람직하지만, 그 플로팅 게이트로부터 전류의 큰 누설을 허용하지 않는다. 적당한 재료의 예는 Al2O3; Zr-도프된 Al2O3; Y2O3; Zr-도프된 Y2O3; Zr-도프된 Ta2O5; Si-도프된 Al2O3; Si-도프된 Y2O3과, Si-도프된 Ta2O5를 포함한다. 도프된 알루미늄 산화물의 제시된 지르코늄(Zr) 또는 실리콘(Si)의 성분은 약 1중량% 내지 약 5중량%가 된다. 본 실시예에 있어서, IPD는 Zr-도프된 Al2O3이 되고, 50중량%까지의 지르코늄 도판트 농도가 고려된다. 그러나, 그 도판트 농도로 인하여 재료가 수용할 수 없는 높은 누설을 일으키지 않아야 하고, 수용할 수 없는 낮은 항복강도(breakdown strength)를 일으키지 않아야 한다.The IPD 24 is formed on the floating gate using conventional techniques. Typically, techniques such as sputtering, chemical vapor deposition, or oxidation are used to form the IPD 24. As previously described, it is desirable if the IPD layer has a dielectric constant of at least about 8, but does not allow a large leakage of current from the floating gate. Examples of suitable materials include Al 2 O 3 ; Zr-doped Al 2 O 3 ; Y 2 O 3 ; Zr-doped Y 2 O 3 ; Zr-doped Ta 2 O 5 ; Si-doped Al 2 O 3 ; Si-doped Y 2 O 3 , and Si-doped Ta 2 O 5 . The proposed zirconium (Zr) or silicon (Si) component of the doped aluminum oxide is from about 1 wt% to about 5 wt%. In this embodiment, the IPD is Zr-doped Al 2 O 3 , with zirconium dopant concentrations of up to 50 wt% being considered. However, due to its dopant concentration, the material must not cause unacceptably high leakage and should not cause unacceptably low breakdown strength.

최소한 약 10년 동안 전하를 유지하기 위한 장치에 대해서는 IPD층을 통과하는 전하의 누설이 약 10-14A/cm2과 같거나 보다 작아야 한다. 이전에 기술한 것처럼, 낮은 누설 재료가 바람직하기 때문에, 그 전하는 플로팅 게이트에 유지된다. 상기 언급한 유전체 재료는 상기 조건에 적합한 예들의 재료가 있다.For devices to maintain charge for at least about 10 years, the charge leakage through the IPD layer should be less than or equal to about 10 -14 A / cm 2 . As previously described, since a low leakage material is desirable, its charge is held in the floating gate. The above-mentioned dielectric materials have examples of materials suitable for the above conditions.

제어 게이트(26)는 IPD(24)층 위에 형성된 전도 재료층이다. 그 제어 게이트는 도프된 폴리실리콘, 금속 실리사이드, 티타늄 질화물, 또는 폴리실리콘 및 금속 실리사이드의 이중 층과 같은 종래의 재료이다. 이 제어 게이트 층은 MOS 장치를 제고하기 위한 종래의 기술을 이용하여 형성 및 패턴 된다.The control gate 26 is a layer of conductive material formed over the IPD 24 layer. The control gate is a conventional material such as doped polysilicon, metal silicide, titanium nitride, or a bi-layer of polysilicon and metal suicide. This control gate layer is formed and patterned using conventional techniques for fabricating MOS devices.

본 발명의 장치에 있어서, IPD 층의 재료 및 두께는 낮은 전압에서 동작하고 적당히 긴 시간 동안 플로팅 게이트 상의 전하를 여전히 유지하기 위한 장치를 제공하도록 선택된다. 본 발명의 장치에 있어서, IPD의 재료 및 두께와 터널 산화물(TO)의 두께는 KIPOEIPO≒KTOETO로 선택된다. 이 식에 있어서, 재료의 유전상수는 K로 표시되고, 층의 전계는 E로 표시된다. 본 발명의 문맥에 있어서, 장치가 빠르게 소거되는 환경을 제공하기 위해 만약, ETO가 크게 된다면 유익하다. 이에 관련하여, ETO가 최소한 약 8MV(메가 볼트)/cm이면 유익하다. 또한, EIPD가 작으면 작을수록 보다 큰 신뢰도를 얻기 때문에 ETO가 작으면 유익하다. 이에 관련하여, ETO가 약 5MV/cm 보다 작게 된다면 유익하게 된다. KTO가 고정되어 있기 때문에, KTO의 증가는 제어 게이트의 주어진 바이어스와 터널 산화물 및 IPD의 주어진 두께에 대해 ETO의 증가의 결과를 얻는다.In the device of the present invention, the material and thickness of the IPD layer are selected to provide an apparatus for operating at low voltages and still maintaining charge on the floating gate for a reasonably long period of time. In the apparatus of the present invention, the material and thickness of the tunnel oxide thickness (TO) of the IPD is selected to be K IPO IPO ≒ E K E TO TO. In this formula, the dielectric constant of the material is denoted by K, and the electric field of the layer is denoted by E. In the context of the present invention, it is advantageous if the E TO is increased to provide an environment where the device is quickly erased. In this regard, the TO E is advantageous if at least about 8MV (mega volt) / cm. Further, it is advantageous if the E TO E is less because the IPD obtaining a greater reliability, the smaller is smaller. In this regard, the TO E is advantageous if less than approximately 5MV / cm. Since K TO is fixed, an increase in K TO results in an increase in E TO for a given bias of the control gate and for a given thickness of tunnel oxide and IPD.

도 2는 상이한 제어 게이트 전압에서 게이트 산화물의 전계에 따른 유전 상수의 효과를 설명한다. 5.5nm의 게이트 산화물 두께, 2V의 VDS 및 0.8μm×0.5μm의 플로팅 게이트 영역을 갖는 풀래시 EPROM 징치는 분석적으로 모델링 되었다. 그 IPD 재료의 유전 상수는 약 3에서 약 10,000까지 변화된다. 그 IPD의 두께는 15nm이다. 도 2는, 제어 게이트에 인가된 매우 낮은 전압(5볼트 보다 작은 전압)에 대해서, 게이트 산화물(약 10MV/cm) 양단의 높은 전계는 8 이상의 유효한 유전 상수를 갖는 IPD층을 포함하는 장치에 의해 달성될 수 있다.Figure 2 illustrates the effect of dielectric constant along the electric field of gate oxide at different control gate voltages. Full-lattice EPROM devices with a gate oxide thickness of 5.5 nm, a VDS of 2 V, and a floating gate area of 0.8 μm × 0.5 μm were modeled analytically. The dielectric constant of the IPD material is varied from about 3 to about 10,000. The thickness of the IPD is 15 nm. Figure 2 shows that for a very low voltage (less than 5 volts) applied to the control gate, a high electric field across the gate oxide (about 10 MV / cm) is produced by an apparatus comprising an IPD layer having an effective dielectric constant of 8 or more Can be achieved.

도 3은 플로팅 게이트로부터 전하를 소거하는데 필요한 제어 게이트 전압 바이어스(VCG)의 감소에 따라 IPD의 두께가 IPD 재료의 유전 상수의 효과를 나타낸다.FIG. 3 shows the effect of the dielectric constant of the IPD material on the thickness of the IPD as the control gate voltage bias (V CG ) required to remove charge from the floating gate decreases.

본 예에 있어서, 5.5nm의 게이트 산화물 두께, 3.3V의 VDS와, 0.8μm×0.5μm의 플로팅 게이트 영역을 갖는 플래시 EPROM 장치가 이전에 기술한 것 처럼 모델링 되었다. 인터-폴리 유전 상수(inter-poly dielectric constant)의 유전 상수는 약 3에서 약 10,000까지 변화한다. IPD의 두께는 게이트 산화물의 두께를 1배에서 2배 내지 3배 변경된다. 5.5nm의 두께(게이트 산화물과 동일한 두께)를 갖는 장치의 모델링된 성능은 원(100)의 라인으로 표시되어 있다. 11nm의 IPD 두께(게이트 산화물의 2배의 두께)를 갖는 장치의 모델링 성능은 사각형(110)의 라인으로 표시되어 있다.In this example, a flash EPROM device having a gate oxide thickness of 5.5 nm, a V DS of 3.3 V, and a floating gate region of 0.8 [mu] m x 0.5 [mu] m was modeled as previously described. The dielectric constant of the inter-poly dielectric constant varies from about 3 to about 10,000. The thickness of the IPD is varied from one to two times to three times the thickness of the gate oxide. The modeled performance of the device with a thickness of 5.5 nm (the same thickness as the gate oxide) is indicated by a line in circle 100. The modeling performance of the device with an IPD thickness of 11 nm (twice the thickness of the gate oxide) is indicated by a line of rectangles 110.

16.5nm의 IPD 두께(게이트 산화물의 3배의 두께)를 갖는 장치의 모델링 성능은 삼각형(120)의 라인으로 표시되어 있다.The modeling performance of the device with an IPD thickness of 16.5 nm (three times the thickness of the gate oxide) is indicated by the line of the triangle 120.

도 3은 IPD층의 유전 상수의 함수로서 바이어스 감소율(SiO2에 대하여)을 나타낸다. 그 바이어스 감소율은 IPD가 SiO2인 장치로 표준화된 3 내지 10,000의 범위에서 KIPD의 값을 갖는 장치에 VCS를 모델링 하여 얻는다. 3.82에서 8 또는 그 이상으로 IPD층의 유전 상수를 증가하여, 인가된 바이어스는 40 내지 50% 감소된다. 그 IPD층의 유전 상수의 증가 효과는 보다 두꺼운 층에서 보다 더 나타난다.Figure 3 shows the bias reduction rate (with respect to SiO 2 ) as a function of the dielectric constant of the IPD layer. The bias reduction rate is obtained by modeling V CS on a device having a value of K IPD in the range of 3 to 10,000 standardized with a device in which IPD is SiO 2 . By increasing the dielectric constant of the IPD layer from 3.82 to 8 or more, the applied bias is reduced by 40 to 50%. The effect of increasing the dielectric constant of the IPD layer appears more than in a thicker layer.

도 4는 상이한 VDS에서 플로팅 게이트의 소거 시간에 따른 IPD 유전 상수의 효과를 나타낸다. 5.5nm의 게이트 산화물 15nm의 IPD 두께와, 0.8μm의 폭 및 0.5μm의 길이를 갖는 플로팅 게이트 영역을 갖는 플래시 EPROM 장치는 분석 모델을 이용하여 모델링 되었다. 그 IPD 재료의 유전 상수는 약 3에서 약 10,000까지 변경된다.Figure 4 shows the effect of the IPD dielectric constant over the erase time of the floating gate at different V DS . 5.5 nm gate oxide A flash EPROM device with an IPD thickness of 15 nm and a floating gate region with a width of 0.8 [mu] m and a length of 0.5 [mu] m was modeled using an analytical model. The dielectric constant of the IPD material is varied from about 3 to about 10,000.

그 장치의 성능은 VDS, 5V, 3.3V 및 2V에 대한 3개의 상이한 값에서 모델링되었다. 3개의 모든 전압에서, 소거 시간은 IPD의 유전 상수가 100 이상 증가할때까지 증가된 유전체 재료로서 감소된다. 그 후에, 증가하는 유전 상수에 의해 소거시간의 증가는 용량의 로딩 효과(loading effect)로 인해 관찰된다.The performance of the device was modeled at three different values for V DS , 5V, 3.3V and 2V. At all three voltages, the erase time is reduced as an increased dielectric material until the dielectric constant of the IPD increases by more than 100. Thereafter, the increase in erase time due to the increasing dielectric constant is observed due to the loading effect of the capacitance.

저전압(5볼트 또는 보다 작은 전압)과 고속(1m초 또는 보다 짧은 시간)으로 소거 또는 기록될 수 있도록 플래시 메모리 장치 또는 EPROM 장치와 같은 플로팅 게이트 메모리 장치를 제공한다.A floating gate memory device such as a flash memory device or EPROM device is provided so that it can be erased or written at a low voltage (5 volts or less) and at high speed (1 msec or less).

Claims (11)

스택형 플로팅 게이트 메모리 장치에 있어서,A stacked floating gate memory device comprising: 내부에 소스 영역, 드레인 영역 및, 그 소스 영역과 드레인 영역 사이에 삽입된 채널 영역을 갖는 반도체 기판;A semiconductor substrate having a source region, a drain region, and a channel region interposed between the source region and the drain region; 상기 기판의 소스, 드레인 및 채널 영역 위에 형성된 게이트 유전층;A gate dielectric layer formed over the source, drain, and channel regions of the substrate; 상기 기판의 채널 영역과 최소한 소스 및 드레인 영역의 일부 위에 형성된 플로팅 게이트 전극;A floating gate electrode formed over the channel region and at least a portion of the source and drain regions of the substrate; 플로팅 게이트 전극 상에 형성된 유전체 재료층을 포함하고;A dielectric material layer formed on the floating gate electrode; 상기 유전층은 플로팅 게이트와 기판 사이에 삽입되고, 상기 유전층의 유효 유전 상수는 게이트 유전체 재료의 유전 상수 보다 최소한 약 2배 크게 되어 있고, 상기 유전체 재료층은 최소한 게이트 유전층의 두께만큼 크게 되어 있으며, 상기 유전체 재료층의 두께는 1밀리초 보다 짧은 시간 동안 약 5볼트 보다 작은 동작 전압(VDS)의 인가에 따라 플로팅 게이트를 소거하게 되는 장치를 제공하도록 선택된 것을 특징으로 하는 플로팅 게이트 메모리 장치.Wherein the dielectric layer is interposed between the floating gate and the substrate and wherein the effective dielectric constant of the dielectric layer is at least about two times greater than the dielectric constant of the gate dielectric material and the dielectric material layer is at least as large as the thickness of the gate dielectric layer, Wherein the thickness of the dielectric material layer is selected to provide a device that will erase the floating gate upon application of an operating voltage (V DS ) of less than about 5 volts for a time less than 1 millisecond. 제1항에 있어서, 상기 게이트 유전체는 게이트 산화물이고, 상기 유전층의 유효 절연 상수는 최소한 약 8인 것을 특징으로 하는 플로팅 게이트 메모리 장치.2. The floating gate memory device of claim 1 wherein the gate dielectric is a gate oxide and the effective dielectric constant of the dielectric layer is at least about 8. 제2항에 있어서, 상기 게이트 산화물의 두께는 최소한 약 3nm이고, 유전체 재료층의 두께는 게이트 산화물과 같거나 보다 크게 되어 있는 것을 특징으로 하는 플로팅 게이트 메모리 장치.3. The floating gate memory device of claim 2, wherein the thickness of the gate oxide is at least about 3 nm and the thickness of the dielectric material layer is equal to or greater than the gate oxide. 제3항에 있어서, 상기 게이트 산화물의 두께는 약 3nm 내지 약 8nm인 것을 특징으로 하는 플로팅 게이트 메모리 장치.4. The floating gate memory device of claim 3, wherein the thickness of the gate oxide is from about 3 nm to about 8 nm. 상기 유전체 재료는 Al2O3, Zr-도프된 Al2O3, Y2O3, Zr-도프된 Y2O3, Zr-도프된 Ta2O5, Si-도프된 Al2O3, Si-도프된 Y2O3과, Si-도프된 Ta2O5를 포함하는 그룹으로부터 선택되는 것을 특징으로 하는 플로팅 게이트 메모리 장치.The dielectric material is Al 2 O 3, Zr- doped Al 2 O 3, Y 2 O 3, Zr- doped Y 2 O 3, Zr- doped Ta 2 O 5, Si- doped Al 2 O 3, Si-doped Y 2 O 3 , and Si-doped Ta 2 O 5 . 제5항에 있어서, 상기 유전체 재료는 최소한 약 10년 동안 전하를 계속 보유하기 위해 플로팅 게이트에 대한 충분히 낮은 누설을 갖는 것을 특징으로 하는 플로팅 게이트 메모리 장치.6. The floating gate memory device of claim 5, wherein the dielectric material has a sufficiently low leakage to the floating gate to retain charge for at least about 10 years. 제4항에 있어서, 상기 기판 재료는 실리콘, 실리콘 게르마늄 합금, 인듐 및, 갈륨 비소를 포함하는 그룹으로부터 선택되는 것을 특징으로 하는 플로팅 게이트 메모리 장치.5. The floating gate memory device of claim 4, wherein the substrate material is selected from the group consisting of silicon, silicon germanium alloy, indium, and gallium arsenide. 제2항에 있어서, 상기 유전체 재료의 층은 유전체 재료의 한 층 보다 많이 포함하는 것을 특징으로 하는 플로팅 게이트 메모리 장치.3. The floating gate memory device of claim 2, wherein the layer of dielectric material comprises more than one layer of dielectric material. 제2항에 있어서, 상기 유전체 재료의 층의 유효 유전 상수는 최소한 약 10인 것을 특징으로 하는 플로팅 게이트 메모리 장치.3. The floating gate memory device of claim 2, wherein the effective dielectric constant of the layer of dielectric material is at least about 10. 제2항에 있어서, 상기 장치는 n-채널 또는 p-채널 중 한 채널로 되어 있고, 동작 전압은 n-채널 장치의 제어 게이트에 인가될때(-)5 볼트 또는 보다 작은 음의 값이 되고, p-채널 장치의 제어 게이트에 인가될때(+)5 볼트 또는 보다 작은 값이 되는 것을 특징으로 하는 플로팅 게이트 메모리 장치.3. The method of claim 2, wherein the device is one of an n-channel or p-channel and the operating voltage is negative (-) 5 volts or less when applied to the control gate of the n- (+) 5 volts or less when applied to the control gate of the p-channel device. 제2항에 있어서, 상기 장치는 n-채널 또는 p-채널 중 한 채널로 되어 있고, 동작 전압은 n-채널 장치의 제어 게이트에 인가될때 (+)5 볼트 또는 보다 작은 값이 되고, p-채널 장치의 제어 게이트에 인가될때 (-)5 볼트 또는 보다 작은 음의 값이 되는 것을 특징으로 하는 플로팅 게이트 메모리 장치.3. The method of claim 2, wherein the device is one of an n-channel or a p-channel and the operating voltage is (+) 5 volts or less when applied to the control gate of the n- (-) 5 volts or less when applied to the control gate of the channel device.
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