TWI757625B - 程式化具有抹除閘之分離閘快閃記憶體單元的方法 - Google Patents

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Abstract

一種記憶體裝置具有記憶體單元及控制電路。記憶體單元包括在半導體基板中形成之源極區域及汲極區域，且有通道區域在源極區域與汲極區域之間延伸。浮動閘設置在通道區域的第一部分上方，以便控制其導電性。選擇閘設置在通道區域的第二部分上方，以便控制其導電性。控制閘設置在浮動閘上方。抹除閘設置在源極區域上方且與浮動閘相鄰。控制電路構造成藉由施加負電壓至抹除閘，以促使電子從抹除閘隧穿至浮動閘來執行程式化操作，以及藉由施加正電壓至抹除閘，以促使電子從浮動閘隧穿至抹除閘來執行抹除操作。

Description

程式化具有抹除閘之分離閘快閃記憶體單元的方法
本申請案主張2018年8月23日提出之美國臨時申請案第62/722,107號及2018年12月4日提出之美國專利申請案第16/209,515號的利益。
本發明係有關於非揮發性記憶體陣列。
分離閘非揮發性記憶體單元及這樣的單元之陣列係眾所周知的。例如，美國專利第5,029,130號(「'130專利」)揭露分離閘非揮發性記憶體單元的陣列，並且出於所有目的在此以提及方式將其併入。在圖1中顯示記憶體單元。每個記憶體單元10包括形成在半導體基板12中之源極區域14及汲極區域16，在其之間具有通道區域18。浮動閘20形成在通道區域18的第一部分上方且與其絕緣(並控制其導電性)，並且在汲極區域16的一部分上方。控制閘22具有第一部分22a及第二部分22b，第一部分22a設置在通道區域18的第二部分上方且與其絕緣(並控制其導電性)，第二部分22b向上延伸且在浮動閘20上方。浮動閘20及控制閘22藉由閘極氧化物26與基板12絕緣。記憶體單元稱為分離閘，因為兩個不同的閘極(浮動閘20及控制閘22)分別控制同一個通道區域18的兩個不同部分之導電性。因此，僅在通道區域18的兩個部分由浮動閘 20及控制閘22導通時，通道區域18才可以在源極區域14與汲極區域16之間傳導電流。
藉由在控制閘22上施加高正電壓來抹除記憶體單元(其中從浮動閘移除電子)，這導致浮動閘20上的電子藉由富爾-諾罕穿隧(Fowler-Nordheim tunneling)的熟知技術從浮動閘20隧穿中間絕緣體24至控制閘22。電子經由中間絕緣體從一個導電閘極至另一個導電閘極的隧穿係眾所周知的，並且不再作進一步描述。
藉由在控制閘22上施加正電壓及在汲極16上施加正電壓來程式化記憶體單元(其中在浮動閘20上放置電子)。通道區域18在控制閘22下方的部分藉由控制閘22上的正電壓而導通(使其導通)。通道區域18在浮動閘20下方的部分藉由控制閘22及電容耦合至浮動閘20之汲極區域16上的正電壓而導通(使其導通)。電子流將在通道區域18在控制閘22下方的部分中從源極14開始流向汲極16。當電子到達控制閘22與浮動閘20之間的間隙時，電子將加速並變熱。由於來自浮動閘20的靜電吸引力，一些加熱的電子將通過閘極氧化物26被引入至浮動閘20上。此程式化技術係眾所周知的熱電子注入，並且通常特別用於分離閘記憶體單元。
藉由在汲極區域16及控制閘22上施加正讀取電壓(這會導通通道區域18在控制閘22下方的部分)來讀取記憶體單元10。如果浮動閘20帶正電(亦即，被抹除電子)，則浮動閘20下方之通道區域的部分亦導通(由於浮動閘20的正電壓之電容耦合)，並且電流將流過通道區域18，因而被感測為抹除或狀態「1」。如果浮動閘20帶負電(亦即，用電子來程式化)，則浮動閘20下方之通道區域的部分大部分或完全截止(由於正電壓的電容耦合無法克服浮 動閘20的負電荷)，並且電流不會流過(或者幾乎不流過)通道區域18，因而被感測為程式化或狀態「0」。熟習該項技藝者理解，術語源極及汲漏極可以互換的，其中如圖2所示，浮動閘20可以部分在源極14上而不是在汲極16上延伸。
具有超過兩個閘極的分離閘記憶體單元亦是已知的。例如，以提及方式併入本文的美國專利第8,711,636號(「'636專利」)揭露一種分離閘記憶體單元，其具有設置在源極區域上方且與其絕緣之附加耦合閘，以便對浮動閘具有更好的電容耦合。參見例如圖3，其顯示具有設置在源極區域14上方之耦合閘24的分離閘記憶體單元。
在美國專利第6,747,310及7,868,375號中揭露一種具有四個閘極的分離閘記憶體單元，將其以提及方式併入本文。例如，如圖4所示，4-閘記憶體單元10具有源極區域14、汲極區域16、在通道區域18的第一部分上方之浮動閘20、在通道區域18的第二部分上方之選擇閘28(亦稱為字元線閘極)、在浮動閘20上方之控制閘22以及在源極區域14上方之抹除閘30。藉由在抹除閘30上施加高正電壓，使電子從浮動閘20隧穿至抹除閘30，以在圖4中顯示抹除。藉由將來自通道區域18之加熱的電子透過熱電子注入引入至浮動閘20上，以在圖4中顯示程式化。在下面表1中顯示可用於程式化記憶體元之示例性電壓及電流：
Figure 108128769-A0101-12-0003-1
熱電子注入程式化的一個問題是，每個記憶體單元都 需要大量電流來實施。然而，程式化通常是一個位元組接一個位元組來進行，這意味著記憶體裝置必須包括足夠大的電壓及電流源，以為多個記憶體單元的同時程式化提供必要的電壓及電流。由於熱電子注入之高程式化電流需求，因此很難使用一個或多個內部電荷泵來進行批量程式化。可以使用外部電壓源來實現程式化的某些並行化。然而，除了需要其它因素(例如，來源線電壓降)之外，有鑑於還需要高電流，對於大多數應用而言，批量程式化完全無效。熱電子注入程式化的另一個問題是，有鑑於只有一些從汲極區域16行進至源極區域14的電子最終被注入至浮動極20上，需要花費較長的時間才能完成。其餘電子完成它們至源極區域14的行程，而沒有被注入浮動閘20上。因此，它在那方面的效率係相對較低的。
需要一種更有效的技術來對具有四個閘極的分離閘記憶體單元進行程式化。
藉由一種包括一半導體基板、一記憶體單元及一控制電路的記憶體裝置來解決上述問題及需求。該記憶體單元包括一源極區域及一汲極區域，其形成在該基板中，而該基板的一通道區域在該源極區域與該汲極區域之間延伸；一浮動閘，其設置在該通道區域的第一部分上方且與其絕緣，以便控制該通道區域的第一部分之導電性；一選擇閘，其設置在該通道區域的第二部分上方且與其絕緣，以便控制該通道區域的第二部分之導電性；一控制閘，其設置在該浮動閘上方且與其絕緣；以及一抹除閘，其設置在該源極區域上方且與其絕緣，並且設置成與該浮動閘相鄰且與其絕緣。該控制電路構造成藉由施加一負電壓至該抹除閘，以促使電子從該抹除 閘隧穿至該浮動閘來執行程式化操作，並且藉由施加一正電壓至該抹除閘，以促使電子從該浮動閘隧穿至該抹除閘來執行抹除操作。
一種操作具有記憶體單元的記憶體裝置之方法，該記憶體單元包括一源極區域及一汲極區域，其形成在一半導體基板中，而該基板的一通道區域在該源極區域與該汲極區域之間延伸；一浮動閘，其設置在該通道區域的第一部分上方且與其絕緣，以便控制該通道區域的第一部分之導電性；一選擇閘，其設置在該通道區域的第二部分上方且與其絕緣，以便控制該通道區域的第二部分之導電性；一控制閘，其設置在該浮動閘上方且與其絕緣；以及一抹除閘，其設置在該源極區域上方且與其絕緣，並且設置成與該浮動閘相鄰且與其絕緣。該方法包括藉由施加一負電壓至該抹除閘，以促使電子從該抹除閘隧穿至該浮動閘來執行程式化操作；以及藉由施加一正電壓至該抹除閘，以促使電子從該浮動閘隧穿至該抹除閘來執行抹除操作。
藉由閱讀說明書、申請專利範圍及附圖，本發明的其它目的及特徵將變得顯而易見。
10‧‧‧記憶體單元
12‧‧‧半導體基板
14‧‧‧源極區域
16‧‧‧汲極區域
18‧‧‧通道區域
20‧‧‧浮動閘
22‧‧‧控制閘
22a‧‧‧控制閘的第一部分
22b‧‧‧控制閘的第二部分
24‧‧‧中間絕緣體
24‧‧‧耦合閘
26‧‧‧閘極氧化物
28‧‧‧選擇閘
30‧‧‧抹除閘
32‧‧‧記憶體單元
34‧‧‧半導體基板
36‧‧‧源極區域
38‧‧‧汲極區域
40‧‧‧通道區域
42‧‧‧浮動閘
44‧‧‧選擇閘
46‧‧‧控制閘
48‧‧‧抹除閘
60‧‧‧陣列
62a‧‧‧平面A
62b‧‧‧平面B
64‧‧‧XDEC
66‧‧‧SLDRV
68‧‧‧YMUX
70‧‧‧HVDEC
72‧‧‧BLINHCTL
74‧‧‧CHRGPMP
76‧‧‧控制器
圖1係傳統2-閘記憶體單元的第一具體例之剖面圖。
圖2係傳統2-閘記憶體單元的第二具體例之剖面圖。
圖3係傳統3-閘記憶體單元的剖面圖。
圖4係傳統4-閘記憶體單元的剖面圖。
圖5係利用抹除閘程式化之4-閘記憶體單元的剖面圖。
圖6係顯示本發明之示例性記憶體裝置的架構之平 面圖。
本發明係有關於一種用於程式化具有四個閘極之分離閘記憶體單元的新技術。具體地，在圖5中顯示記憶體單元32，其包括形成在半導體基板34中之源極區域36及汲極區域38，而基板34的通道區域40在源極區域36與汲極區域38之間延伸。浮動閘42設置在通道區域40的第一部分上方且與其絕緣。選擇閘44(亦稱為字元線閘極)設置在通道區域40的第二部分上方且與其絕緣。控制閘46設置在浮動閘42上方且與其絕緣。抹除閘48設置在源極區域36上方且與其絕緣，並且設置成與浮動閘42相鄰且與其絕緣。因為兩個不同的閘極(浮動閘42及選擇閘44)分別控制同一個通道區域40的兩個不同部分之導電性，所以記憶體單元32係分離閘記憶體單元。如圖5所示，記憶體單元較佳地成對形成，其中兩個相鄰的記憶體單元共享相同的抹除閘48及源極區域36。兩對相鄰記憶體單元可以共享同一個汲極區域38。
下面表2顯示用電子對浮動閘42進行程式化所施加的電壓。
Figure 108128769-A0101-12-0006-2
藉由施加足夠大小的負電壓至抹除閘48且施加零電壓(亦即，接地)至其餘元件(選擇閘44、汲極區域38、源極區域36及控制閘46)，電子將如圖5所示從抹除閘48隧穿至浮動閘42。
使用抹除閘48對浮動閘42進行程式化係非常有效 的，因為由抹除閘48上的負電壓所產生之電流中的幾乎所有電子都將到達浮動閘42。因此，使用這種抹除閘程式化技術來程式化分離閘記憶體單元所需的電流比使用熱電子注入技術所需的電流低很多。這允許更多的分離閘記憶體單元被同時程式化，而不需要原本需要的更大且更強的電壓及電流源，從而減少記憶體裝置的成本及尺寸。這種程式化技術亦比習知技藝對分離閘記憶體單元進行程式化的熱電子注入程式化技術還快。對於期望對分離閘記憶體單元32的浮動閘42進行深度程式化(亦即，在浮動閘42上放置相對大量的電子)的那些應用亦是理想的。
如上所述，抹除記憶體單元32，亦即，在抹除閘極48上施加足夠高的正電壓(例如，10-12伏的正電壓)，以促使浮動閘42上的電子隧穿通過中間絕緣體並到達抹除閘48上。較佳地，在抹除操作期間，將零電壓施加至選擇閘44、汲極區域38、源極區域36及控制閘46。或者，如果在抹除操作期間還施加負電壓至控制閘46，則可以在抹除閘48上使用較低的正電壓，以引起這樣的抹除隧穿。例如，抹除閘48上之6-8伏的正電壓及控制閘46上之-6至-8伏的負電壓可用於抹除浮動閘42。
下面表3說明在一個替代具體例中用電子對浮動閘42進行程式化所施加的電壓。具體地，施加正電壓至控制閘46，同時施加負電壓至抹除閘48。
Figure 108128769-A0101-12-0007-3
控制閘46上的正電壓耦合至浮動閘42，從而更好地吸引抹除 閘48上的電子，以隧穿至浮動閘42。藉由在控制閘46上施加正電壓，可以減少抹除閘48上之負電壓的大小，從而進一步減少裝置所使用之負電壓源的尺寸及成本。
在圖6中說明具有記憶體單元32之示例性記憶體裝置的架構。記憶體裝置包括非揮發性記憶體單元32的陣列60，其可以被分成兩個個別的平面(平面A 62a及平面B 62b)。記憶體單元32較佳地形成在單一晶片上，並且以複數列及行配置在半導體基板34中。與非揮發性記憶體單元陣列相鄰的是位址解碼器(例如，XDEC 64(驅動字元線的列解碼器)、SLDRV 66(用於驅動來源線之來源線驅動器)、YMUX 68(驅動位元線之行解碼器)、HVDEC 70(高電壓解碼器)及位元線控制器(BLINHCTL 72))，它們用於在被選記憶體單元之讀取、程式化及抹除操作期間對位址進行解碼且供應各種電壓至各種記憶體單元閘極及區域。控制器76(包含控制電路)控制各種裝置元件，以在目標記憶體單元32上實施每個操作(程式化、抹除、讀取)(亦即，直接或間接提供電壓及電流，以操作記憶體單元32，其包括用於使用上述抹除閘負電壓來程式化浮動閘42的電壓)。電荷泵CHRGPMP 74在控制器76的控制下提供用於讀取、程式化及抹除記憶體單元的各種電壓。
應當理解，本發明並非侷限於上述及本文所示之具體例，而是包括落在任何請求項的範圍內之任何及所有變型。例如，本文中對本發明的引用沒有意欲限制任何請求或請求項的範圍，而是僅引用可能由一個或多個請求項涵蓋的一個或多個特徵。上述材料、製程及數值實例僅是示例性的，並且不應該被視為是對請求項的限制。再者，從請求項及說明書可顯而易見，並非所有方法步驟 都需要以所說明或要求的確切順序來執行，而是以允許適當地形成本發明的記憶體裝置之任何順序來執行。最後，單層材料可以形成為多層的這種或相似材料，反之亦然。
應當注意，如本文所使用，術語「在...上方」及「在...上」均包含性地包括「直接在...上」(沒有中間材料、元件或空間設置在其間)及「間接在...上」(中間材料、元件或空間設置在其間)。同樣地，術語「相鄰」包括「直接相鄰」(沒有中間材料、元件或空間設置在其間)及「間接相鄰」(中間材料、元件或空間設置在其間)，「安裝至」包括「直接安裝至」(沒有中間材料、元件或空間設置在其間)及「間接安裝至」(中間材料、元件或空間設置在其間)，以及「電耦接至」包括「直接電耦接至」(沒有中間材料或元件在其間將元件電連接在一起)及「間接電耦接至」(中間材料或元件在其間將元件電連接在一起)。例如，在「在基板上」形成元件可以包括在基板上直接形成元件而其間沒有中間材料/元件，以及在基板上間接形成元件而在其間具有一個或多個中間材料/元件。
60‧‧‧陣列
62a‧‧‧平面A
62b‧‧‧平面B
64‧‧‧XDEC
66‧‧‧SLDRV
68‧‧‧YMUX
70‧‧‧HVDEC
72‧‧‧BLINHCTL
74‧‧‧CHRGPMP
76‧‧‧控制器

Claims (12)

  1. 一種記憶體裝置，包括：一半導體基板；一記憶體單元，其包括：一源極區域及一汲極區域，其形成在該基板中，而該基板的一通道區域在該源極區域與該汲極區域之間延伸；一浮動閘，其設置在該通道區域的第一部分上方且與其絕緣，以便控制該通道區域的第一部分之導電性；一選擇閘，其設置在該通道區域的第二部分上方且與其絕緣，以便控制該通道區域的第二部分之導電性；一控制閘，其設置在該浮動閘上方且與其絕緣；以及一抹除閘，其設置在該源極區域上方且與其絕緣，並且設置成與該浮動閘相鄰且與其絕緣；以及一控制電路，其構造成：藉由施加一負電壓至該抹除閘的同時施加一零電壓至該控制閘，以促使電子從該抹除閘隧穿至該浮動閘來執行程式化操作；以及藉由施加一正電壓至該抹除閘，以促使電子從該浮動閘隧穿至該抹除閘來執行抹除操作。
  2. 如請求項1之記憶體裝置，其中，該控制電路進一步構造成在施加該負電壓至該抹除閘的同時施加一零電壓至該選擇閘、該源極區域及該汲極區域之每一者。
  3. 如請求項1之記憶體裝置，其中，該控制電路進一步構造成在施加該正電壓至該抹除閘的同時施加一零電壓至該控制閘。
  4. 如請求項3之記憶體裝置，其中，該控制電路進一步構造成在施加該正電壓至該抹除閘的同時施加一零電壓至該選擇閘、該源極區域及該汲極區域之每一者。
  5. 如請求項1之記憶體裝置，其中，該控制電路進一步構造成在施加該正電壓至該抹除閘的同時施加一負電壓至該控制閘。
  6. 如請求項5之記憶體裝置，其中，該控制電路進一步構造成在施加該正電壓至該抹除閘的同時施加一零電壓至該選擇閘、該源極區域及該汲極區域之每一者。
  7. 一種操作記憶體裝置之方法，該記憶體裝置包括一記憶體單元，該記憶體單元具有：一源極區域及一汲極區域，其形成在一半導體基板中，而該基板的一通道區域在該源極區域與該汲極區域之間延伸；一浮動閘，其設置在該通道區域的第一部分上方且與其絕緣，以便控制該通道區域的第一部分之導電性；一選擇閘，其設置在該通道區域的第二部分上方且與其絕緣，以便控制該通道區域的第二部分之導電性；一控制閘，其設置在該浮動閘上方且與其絕緣；以及一抹除閘，其設置在該源極區域上方且與其絕緣，並且設置成與該浮動閘相鄰且與其絕緣；該方法包括：藉由施加一負電壓至該抹除閘的同時施加一零電壓至該控制閘，以促使電子從該抹除閘隧穿至該浮動閘來執行程式化操作；以及藉由施加一正電壓至該抹除閘，以促使電子從該浮動閘隧穿 至該抹除閘來執行抹除操作。
  8. 如請求項7之方法，進一步包括：在施加該負電壓至該抹除閘的同時施加一零電壓至該選擇閘、該源極區域及該汲極區域之每一者。
  9. 如請求項7之方法，進一步包括：在施加該正電壓至該抹除閘的同時施加一零電壓至該控制閘。
  10. 如請求項9之方法，進一步包括：在施加該正電壓至該抹除閘的同時施加一零電壓至該選擇閘、該源極區域及該汲極區域之每一者。
  11. 如請求項7之方法，進一步包括：在施加該正電壓至該抹除閘的同時施加一負電壓至該控制閘。
  12. 如請求項11之方法，進一步包括：在施加該正電壓至該抹除閘的同時施加一零電壓至該選擇閘、該源極區域及該汲極區域之每一者。
TW108128769A 2018-08-23 2019-08-13 程式化具有抹除閘之分離閘快閃記憶體單元的方法 TWI757625B (zh)

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