[發明專利]使用單晶體管的高密度半導體存儲單元和存儲器陳列

有效

• 申請號: 03809184.4
• 申請日: 2003-04-22
• 公開（公告）號: CN101095238A
• 公開（公告）日: 2007-12-26
• 發明（設計）人: J·Z·彭;D·方
• 申請（專利權）人: 基洛帕斯技術公司
• 主分類號: H01L29/94
• 分類號: H01L29/94;H01L31/062
• 代理公司: 中國專利代理(香港)有限公司
• 代理人: 吳立明;梁永

技術領域

本發明涉及非易失性可編程半導體存儲器，特別涉及通過晶體管柵極氧化物的擊穿而編程的單晶體管存儲單元，以及結合了這種存儲單元的存儲器陣列。

背景技術

當電源移除時，非易失性存儲器仍然保留已儲存的數據，這是許多不同種類的電子器件所期望的。可編程只讀存儲器(“PROM”)是一種一般可買到的非易失性存儲器，其使用字線-位線交叉點元件，如熔絲、反熔絲以及俘獲電荷器件，如浮柵雪崩注入金屬氧化物半導體(“FAMOS”)晶體管，來儲存邏輯信息。

Reisinger等人在美國專利第6,215,140號中公開一種使用電容內二氧化硅層的擊穿以儲存數字數據的PROM單元的實例。由Reisinger等人公開的基本PROM，使用氧化物電容器與結型二極管的一系列結合作為交叉點元件(術語“交叉點”指字線與位線的交叉)。未受影響的電容器表示邏輯值0，而被電擊穿的電容器表示邏輯值1。調整二氧化硅層的厚度以得到期望的操作規格。二氧化硅層具有約10C/cm²(庫侖/cm²)的擊穿電荷。如果10伏特電壓施加到厚度為10nm的電容器電介質上(所產生的電場強度為10mV/cm)，產生約1mA/cm²的電流流動。使用10伏特的電壓，會產生用于存儲單元編程的相對大量的時間。然而，為了減少電擊穿過程中發生的高功率損耗，將電容器電介質設計的較薄會比較有利。舉例而言，具有厚度為3～4nm的電容器電介質的存儲單元結構，可以在約1.5V電壓下工作。電容器電介質在該電壓下仍不會擊穿，故1.5V足以從存儲單元中讀取數據。例如，數據在5V下被存儲，在這種情況下可以在約1毫秒內對存儲單元結構中的一個單元串編程。那么在這種情況下，電容器電介質每cm²的能量損失大約是50瓦特(10庫侖×5V)。如果所期望的功率損耗大約是0.5W，則大約需要100秒對1GB的存儲器編程。如果可允許的功率損耗更高一些，則相應地可以更快地進行編程。

一些類型的非易失性存儲器可以被重復地編程和擦除，其中包括通常被稱作EFROM的可擦除可編程只讀半導體存儲器，以及通常被稱作EEPROM的電可擦除可編程只讀半導體存儲器。EPROM存儲器通過施加紫外光被擦除，且通過施加各種電壓被編程，而EEPROM的擦除和編程都是通過施加各種電壓實現的。EPROM和EEPROM具有通常已知為浮柵的適合的結構，根據將被存儲在其上的數據對其充電或放電。浮柵上的電荷確定該器件的閾值電壓或V_T，當讀取存儲器以確定其中存儲的數據時感測該電壓。通常，人們致力于使這些類型的存儲單元中的柵極氧化物應力最小化。

被稱為金屬氮化物氧化物硅(“MNOS”)器件的器件其溝道位于源和漏之間的硅中并被柵極結構覆蓋，該柵極結構包括二氧化硅層、氮化硅層和鋁層。通過向該柵極施加適當的電壓脈沖，MNOS器件可在兩個閾值電壓狀態V_TH(high)和V_TH(low)之間轉換，其使得電子在氧化物-氮化物柵極中被俘獲(V_TH(high))或被逐出氧化物-氮化物柵極(V_TH(low))。同樣，人們也致力于使這些類型的存儲單元中的柵極氧化物應力最小化。

在Hoffman等的美國專利No.4,037,243中，公開了一種結擊穿存儲單元，其使用在柵控二極管的柵極上存儲的電荷來存儲邏輯值0和1。使用在柵控二極管的p型電極和柵極電極之間形成的電容將電荷存儲在柵極上。通過在由二氧化硅和氮化硅層形成的電容器中的復合電介質代替二氧化硅以加強電荷存儲。向柵控二極管的電極施加擦除電壓使得氧化物-氮化物界面表面填充負電荷，在擦除操作結束后所述負電荷被保持。該負界面電荷使得該柵控二極管即使在移去擦除電壓后也能夠在感應結(induced?junction)模式下工作。之后當讀取該柵控二極管時，其表現出溝道的感應場結擊穿，且飽和電流流過。場感應結擊穿電壓低于金屬結擊穿電壓。然而，向該柵控二極管的電極施加寫電壓使得二氧化硅/氮化硅界面填充正電荷，該正電荷在寫操作完成后被保持。之后，當該柵控二極管被讀取時，由于沒有溝道存在其將不會擊穿。只有微小電流流動。這些不同的電流被感測并表示不同的邏輯狀態。