KR20050040667A - Structure of mlc flash memory with segmented floating gate - Google Patents

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Abstract

본 발명은 반도체 플래시 메모리(flash memory)의 구성에 관한 것으로, 더 상세하게는 플래시 메모리의 플로팅 게이트(floating gate)를 분리하여 하나의 셀(cell)에 기억시킬 수 있는 메모리의 스테이트(state)를 증가시키는 것을 특징으로 하는 트랜지스터의 구조에 관한 것이다. 하나의 셀에 기억시킬 수 있는 스테이트를 증가시키기 위해 본 고안의 구조에서는 종래의 하나의 사각형으로 형성되는 플로팅 게이트를 2개로 분리하였다. 그리고 각각의 분리된 플로팅 게이트에 MLC(multi level cell) 기술과 mirror bit 기술을 동시에 적용 시켜 하나의 셀에 기억시킬 수 있는 스테이트의 수를 종래의 2에서 16으로 8배 증가시켰다. 본 고안의 기술에 의해 공정 기술의 변경없이 같은 면적의 플래시 메모리 셀에 종래 기술에 비해 8배의 정보량을 저장할 수 있게 된다.BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to the construction of a semiconductor flash memory, and more particularly, to a state of a memory capable of storing a floating gate of a flash memory in one cell. It relates to a structure of a transistor characterized by increasing. In order to increase the state that can be stored in one cell, the structure of the present invention separates the two floating gates formed in one conventional quadrangle. By applying MLC (multi level cell) technology and mirror bit technology to each floating gate at the same time, the number of states that can be stored in one cell is increased by 8 times from 2 to 16. The technique of the present invention makes it possible to store 8 times the amount of information as compared to the prior art in a flash memory cell of the same area without changing the process technology.

Description

플로팅 게이트가 분리된 플래시 메모리 구조{Structure of MLC flash memory with segmented floating gate}Structure of MLC flash memory with segmented floating gate}

비휘발성 반도체 메모리는 magnetic core 메모리로부터 시작되어 EEPROM(electrically erasable and programmable read only memory)에 이르러 현재와 같은 형태의 모습을 가지게 되었다. 플래시 메모리는 현재 사용되고 있는 EEPROM 중에서 가장 대표적인 메모리로 최근의 디지털 카메라, 휴대폰등의 보급 확대에 힘입어 급격한 수요의 증가를 보이고 있다. 그리고 플래시 메모리의 수요 증가와 동시의 같은 면적의 반도체에 많은 양의 데이터를 기억시키기 위한 경쟁 또한 점차 가열되고 있다. 최근까지만 해도 하나의 메모리 셀에 1 비트(2 스테이트)의 정보를 기억시키는 방식이 일반적이었으나 많은 양의 정보를 주어진 면적에 기억시키고자 하는 노력의 일환으로 MLC(multi level cell) 기술이 나타나게 되었다. MLC 기술은 셀 트랜지스터의 구조나 공정의 변화 없이 주어진 면적에 가능한 많은 양의 정보를 저장시키는 기술이다. 가장 대표적인 MLC 기술은 플로팅 게이트에 저장하는 전하의 양을 제어하여 몇 개의 중간 레벨을 만들어 사용하는 기술로 이는 주로 미국의 Intel사에서 개발되고 사용되어 졌다. Intel의 경우 이 기술을 이용하여 하나의 셀에 2 비트의 정보를 저장하고 있으며, 이는 종래의 일반적인 구조에 비해 2배가 증가된 기억 용량이다. 다른 하나의 MLC 방식은 mirror bit방식으로 불리는 것으로 역시 미국의 AMD사에서 개발되어 졌고 현재 AMD사의 제품에 사용되고 있다. Mirror bit 방식 역시 2 비트의 데이터 저장이 가능하다. 본 고안에서는 현재까지 개발되어진 MLC 기술들을 개선된 트랜지스터 셀 구조에 적용시킴으로써 하나의 셀에 저장할 수 있는 정보의 양을 4 비트로 증가시켰다. 이는 종래의 플래시 메모리에 비해 8배의 기억 용량이며 현재의 MLC 기술에 비해서도 4배의 용량 증가를 가져온다.Non-volatile semiconductor memory has started to look like today, starting with magnetic core memory and reaching EEPROM (electrically erasable and programmable read only memory). Flash memory is the most representative of the EEPROMs currently used, and is rapidly increasing in demand due to the recent expansion of digital cameras and mobile phones. And the competition for storing large amounts of data in the same area of semiconductors is heating up at the same time as the demand for flash memory increases. Until recently, it has been common to store one bit (two state) of information in one memory cell, but MLC (multi level cell) technology has emerged as an effort to store a large amount of information in a given area. MLC technology is a technology that stores as much information as possible in a given area without changing the structure or process of the cell transistor. The most representative MLC technology is to control the amount of charge stored in the floating gate to make several intermediate levels, which were mainly developed and used by Intel Corporation in the United States. Intel uses this technology to store two bits of information in one cell, which is twice the storage capacity of conventional structures. The other MLC method, also called mirror bit method, was also developed by AMD in the United States and is currently used in AMD products. Mirror bit method can also store 2 bits of data. In this design, the amount of information that can be stored in one cell is increased to 4 bits by applying MLC techniques developed to date to the improved transistor cell structure. This is eight times the storage capacity of conventional flash memory and four times the capacity increase compared to current MLC technology.

본 고안에서는 현재까지 개발된 2가지 종류의 MLC방식을 하나의 셀에 적용하기 위해 트랜지스터의 구조를 변경하였다. 즉 트랜지스터의 플로팅 게이트 전극을 2 조각으로 분리하여 플로팅 게이트 전극 내부에서의 전하의 분포를 2부분으로 분리하였다. 이를 위해 공정 중 플로팅 게이트를 형성하는 단계에서 플로팅 게이트를 소스와 드레인 측으로 2 개로 분리하여 식각, 형성하였다.In the present invention, the structure of the transistor was changed to apply two types of MLC methods developed to date to one cell. That is, the floating gate electrode of the transistor was separated into two pieces, and the distribution of charge in the floating gate electrode was divided into two parts. To this end, in the process of forming a floating gate during the process, the floating gates were separated into two at the source and drain sides and etched and formed.

도 1은 종래의 일반적인 플래시 메모리의 셀 트랜지스터 구성이다. 그림에서 3과 4는 각각 트랜지스터의 소스와 드레인을 나타내며, 1과 2는 컨트롤 및 플로팅 게이트를 나타낸다. 셀의 프로그래밍은 트랜지스터의 소스와 드레인에 전압을 인가하고 게이트에 높은 전압을 걸면 트랜지스터의 채널(channel)을 흐르던 전자가 게이트 절연막을 통과하여 드레인 측으로부터 플로팅 게이트에 포획됨으로서 일어난다. 이러한 메커니즘에 의해 포획된 전자는 트랜지스터의 스레시홀드(threshold) 전압을 증가시키게 되고 이는 트랜지스터 동작에서의 드레인 전류를 감소시키는 효과를 가져온다. Intel 방식의 MLC 기술은 이 메커니즘에 의한 프로그래밍에서 게이트 펄스의 길이나 시간을 조정하여 플로팅 게이트에 정량화된 몇 개의 레벨을 만들어 주어 셀의 기억 용량을 늘리는 것이다. 도 2는 유사한 트랜지스터 구조를 사용하면서 프로그래밍 방법을 달리하는 mirror bit방식의 MLC 기술을 나타낸다. 이 기술은 프로그래밍를 소스와 드레인 양쪽에서 실시하기 때문에 기존의 트랜지스터와는 달리 트랜지스터의 구조를 좌우 대칭으로 만들어야 할 필요가 있다. 이 구조에서는 4번의 전극을 드레인으로 하여 트랜지스터를 동작시킬 때는 전자가 드레인 측의 플로팅 게이트에 고이게 되고, 3번의 전극을 드레인 그리고 4번을 소스로 동작시킬 때에는 3번 전극의 위쪽 플로팅 게이트에 전하가 모이게 된다. 이때 플로팅 게이트의 특성과 프로그래밍 펄스를 적절히 조정하면 각각의 경우에 전자를 플로팅 게이트의 오른쪽 혹은 왼쪽으로 국한하여 보관 할 수 있다. 트랜지스터의 동작시 드레인 측의 플로팅 게이트에 포획된 전자는 소스측의 전자에 비해 드래인 전류에 이치는 영향이 크기 때문에 각각의 장소의 전자의 유무에 따라 4 가지 상태의 전압-전류 특성을 얻어낼 수 있다. 도 3은 상기와 같은 2가지 MLC 방식에 의해 얻어지는 2 비트 소자의 전압-전류 특성이다. 그림에서 1번 곡선은 플로팅 게이트에 전자가 없는 경우의 전류 특성이며, 곡선 4는 플로팅 게이트가 완전히 전자로 포화된 경우 그리고 mirror bit 방식에서는 양쪽의 플로팅 게이트에 모두 전자가 포획된 경우를 뜻한다. 도 4는 본고안에 의한 트랜지스터의 구조이다. 본 고안에서는 플로팅 게이트를 소스와 드레인측으로 2 조각으로 분리하여 각각의 조각을 mirror bit 방식으로 동작시키면서 동시에 Intel 방식의 MLC를 적용시켰다. 이 구조에서 플로팅 게이트 5에 전자를 주입하는 경우는 3번 전극을 드레인으로 사용하면서 5번 전극에 들어가는 전자의 양을 4 가지 스테이트로 제어한다. 역으로 2번에 전자를 주입할 경우는 4번을 드레인으로 사용하고 게이트 펄스를 제어하여 2번의 플로팅 게이트안에 4 개의 스테이트를 만든다. 결국 하나의 트랜지스터에 속한 2개의 플로팅 게이트가 각각 4개의 상태를 만들어 내기 때문에 총괄적으로는 트랜지스터의 전압-전류 특성이 16개의 스테이트를 가지게된다. 이러한 동작은 플로팅 게이트의 분리에 의해 가능하게 된다. 플로팅 게이트를 분리하지 않으면 양쪽에서 들어오는 전자들이 서로 섞여져서 플로팅 게이트에 들어가 있는 전자들의 해상력이 높아지지 못한다. 도 5는 본 고안의 트랜지스터의 평면 구조이다. 도 6은 본 고안의 트랜지스터가 가지는 16 단계의 전압-잔류 특성이다. 여기에서 16개의 전압-전류 상태에서의 드레인 및 소스 측 플로팅 게이트내의 전하 상태는 다음과 같다.1 is a cell transistor configuration of a conventional general flash memory. In the figure, 3 and 4 represent the source and drain of the transistor, respectively, and 1 and 2 represent the control and floating gates. The programming of the cell occurs by applying a voltage to the source and drain of the transistor and applying a high voltage to the gate, electrons flowing through the channel of the transistor are trapped in the floating gate from the drain side through the gate insulating film. The electrons trapped by this mechanism increase the threshold voltage of the transistor, which has the effect of reducing the drain current in transistor operation. Intel-based MLC technology increases the memory capacity of the cell by adjusting the length or time of the gate pulse in programming by this mechanism to create several levels of quantification on the floating gate. 2 shows a mirror bit type MLC technique using a similar transistor structure and different programming methods. This technique requires programming both at the source and the drain, so unlike conventional transistors, the structure of the transistor needs to be symmetrical. In this structure, electrons are accumulated in the floating gate on the drain side when the transistor is operated with the fourth electrode as a drain, and when the third electrode is drained and the fourth is operated as a source, the charge is applied to the floating gate above the third electrode. Are gathered. By properly adjusting the characteristics of the floating gate and programming pulses, the electrons can be confined to the right or left side of the floating gate in each case. The electrons trapped in the floating gate on the drain side have a greater influence on the drain current than the electrons on the source side during operation of the transistor. Therefore, four states of voltage-current characteristics can be obtained depending on the presence or absence of electrons in each location. Can be. 3 is a voltage-current characteristic of a 2-bit device obtained by the two MLC methods as described above. In the figure, curve 1 is the current characteristic when there are no electrons in the floating gate, and curve 4 is when the floating gate is completely saturated with electrons and in the mirror bit method, electrons are trapped in both floating gates. 4 is a structure of a transistor according to the present invention. In this design, the floating gate is divided into two pieces on the source and drain side, and each piece is operated by mirror bit method and Intel type MLC is applied at the same time. In this structure, when electrons are injected into the floating gate 5, the amount of electrons entering the electrode 5 is controlled to four states while the electrode 3 is used as a drain. On the contrary, when electrons are injected at the second time, the fourth is used as the drain and the gate pulse is controlled to make four states in the two floating gates. As a result, two floating gates belonging to one transistor each produce four states, so that the voltage-current characteristics of the transistor collectively have 16 states. This operation is made possible by the separation of the floating gate. If you do not separate the floating gate, the electrons from both sides will be mixed with each other and the resolution of the electrons in the floating gate will not be increased. 5 is a planar structure of a transistor of the present invention. 6 is a voltage-resistance characteristic of 16 stages of the transistor of the present invention. Here, the charge states in the drain and source side floating gates in the 16 voltage-current states are as follows.

본 고안의 플로팅 게이트가 분리된 트랜지스터를 사용하면 도 4의 소스와 드레인 측으로부터 포획된 전자가 서로 섞이지 않고 각자의 게이트 영역에 한정되게 된다. 그리고 소스와 드레인에의 전자 주입시 MLC기술을 사용하여 각 부위에 2 비트의 스테이트를 만들어 주면 전체적으로 4 비트의 데이터 측 16 스테이트를 구현할 수 있다. 이는 종래의 기술에 비해 8배 증가된 데이터 집적 용량이며 현재의 MLC 기술에 비해서도 4배의 집적도 향상이다. 따라서 반도체의 물리적인 면적의 확장없이 8배의 정보를 기억시킬 수 있다. 또한 단순히 mirror bit 기술만을 본 고안에 구조에 적용할 경우 오른쪽과 왼쪽의 전하를 물리적으로 완전히 격리하는 결과를 가져오기 때문에 양쪽 전하에 의한 전류 분포에서의 중첩 기회를 제거할 수 있다.When the transistor having the floating gate separated from the present invention is used, electrons captured from the source and drain sides of FIG. 4 are not mixed with each other and are limited to their respective gate regions. In addition, when MLC technology is used to inject electrons into the source and the drain, two-bit states are formed in each region, thereby enabling four-bit data-side 16 states as a whole. This is an 8x increase in data integration capacity over the prior art and a 4x improvement in density over current MLC technology. Therefore, 8 times of information can be stored without expanding the physical area of the semiconductor. In addition, applying only the mirror bit technology to the structure results in the physical isolation of the right and left charges completely, eliminating the overlapping opportunity in the current distribution by both charges.

도 1은 종래 및 MLC 방식에서 사용하는 트랜지스터 구조.1 is a transistor structure used in the conventional and MLC method.

도 2는 mirror bit 방식에서 사용하는 프로그래밍 방법.2 is a programming method used in the mirror bit method.

도 3은 MLC 및 mirror bit 방식에서의 2 비트의 메모리 상태를 나타내는 트랜지스터의 전압-전류 특성.3 is a voltage-current characteristic of a transistor showing a two-bit memory state in the MLC and mirror bit schemes.

도 4는 본 고안에 의한 플로팅 게이트가 분리된 트랜지스터 구성.4 is a transistor configuration in which the floating gate is separated according to the present invention.

도 5는 본 고안에 의한 트랜지스터의 평면도.5 is a plan view of a transistor according to the present invention.

도 6은 본 고안에 의한 트랜지스터에서 나타나는 전압-전류 특성.6 is a voltage-current characteristic of a transistor according to the present invention.

*mirror bit 기술: 미국의 AMD사에서 개발한 MLC 기술로 플로팅 게이트 프로그래밍을 트랜지스터의 소스(source) 및 드레인(drain) 측에서 별도로 각각 실시하는 방식(www.amd.com)* mirror bit technology: MLC technology developed by AMD in the US to perform floating gate programming separately on the source and drain sides of transistors (www.amd.com)

<도 1, 2, 4, 5의 부호 설명><Explanation of symbols in Fig. 1, 2, 4, 5>

1: 트랜지스터의 컨트롤 게이트(control gate)1: Control gate of transistor

2, 5: 트랜지스터의 플로팅 게이트(floating gate)2, 5: floating gate of transistor

3: 트랜지스터의 소스3: source of transistor

4: 트랜지스터의 드레인4: drain of transistor

Claims (4)

반도체 플래시 메모리의 플로팅 게이트를 2개 이상의 조각으로 분리하는 것을 특징으로 하는 트랜지스터 구조.A transistor structure comprising separating a floating gate of a semiconductor flash memory into two or more pieces. 청구항 1에 있어서 플로팅 게이트를 소스와 드레인 측으로 2개로 분리하는 트랜지스터 구조.2. The transistor structure of claim 1, wherein the transistor is divided into two at the source and drain sides. 청구항 2의 트랜지스터 구조에 mirror bit기술을 적용하는 플래시 메모리.A flash memory applying mirror bit technology to the transistor structure of claim 2. 청구항 2의 트랜지스터에 기존의 mirror bit와 MLC기술을 동시에 적용시켜 데이터 집적도를 높이는 플래시 메모리 기술.Flash memory technology to increase the data integration by applying the conventional mirror bit and MLC technology to the transistor of claim 2.
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