專利名稱：具有多階輸出電流的非易失存儲器編程、讀取與擦除方法
技術領域：
本發(fā)明涉及非易失性(non-volatile)存儲器領域，特別是涉及一種具有多階(multi-level)輸出電流的非易失性存儲器的編程、讀取與擦除的方法。
背景技術：
非易失性存儲器目前廣泛應用于各種電子產(chǎn)品中，例如只讀存儲器(readonly memory，ROM)、可編程只讀存儲器(programmable read only memory，PROM)、可擦除可編程只讀存儲器(erasable programmable read only memory，EPROM)、可電擦除可編程只讀存儲器(electrically erasable programmable readonly memory，EEPROM)以及閃速存儲器(flash memoty)等。
不同于前述的只讀存儲器使用多晶硅或金屬的浮動柵極儲存電荷，氮化物只讀存儲器(nitride read only memory，NROM)的主要特征為使用氮化硅的絕緣介電層作為電荷儲存介質(zhì)(charge trapping medium)。由于氮化硅層具有高度的致密性，因此可使經(jīng)由MOS晶體管隧穿(tunneling)進入至氮化硅層中的熱電子陷于(trap)其中，進而形成一非均勻的濃度分布，以加快讀取數(shù)據(jù)速度并避免漏電流。
已知二位(two bit)EEPROM的寫入、讀取及擦除方法已披露于美國專利第6,011,725號，其中存儲器單元的結(jié)構包含有一源極、一漏極、一通道位于源極與漏極之間、一非導體介電層位于通道之上方并由兩絕緣層包覆以及一導體位于非導體介電層之上。在美國專利第6,011,725號中，存儲器單元可藉由注入電子于非導體介電層中靠近源極與漏極的兩個區(qū)域內(nèi)，以儲存二位數(shù)據(jù)。然而在讀取存儲器單元內(nèi)的二位數(shù)據(jù)時，則必須讀取兩次才能將二位數(shù)據(jù)讀出。亦即，其讀取方法是先施加讀取電壓于導體與漏極，并接地源極，以讀取二位數(shù)據(jù)中靠近源極的位。然后再施加讀取電壓于導體與源極，并接地漏極，以讀取二位數(shù)據(jù)中靠近漏極的位。然而，由于此發(fā)明必須經(jīng)由兩次讀取才能將二位數(shù)據(jù)讀出，存儲器的讀取速度因而降低許多。

發(fā)明內(nèi)容
因此，本發(fā)明的目的是提供一種具有多階輸出電流的非易失性存儲器的編程、讀取與擦除的方法，以提高存儲器讀取速度。
依據(jù)本發(fā)明的目的，本發(fā)明的較佳實施例提供一種具有多階輸出電流的非易失性存儲器的編程、讀取與擦除方法，該非易失性存儲器包含有多個存儲器單元，而所述存儲器單元包含有至少一第一寫入狀態(tài)(programmingstate)、一第二寫入狀態(tài)、一第三寫入狀態(tài)與一第四寫入狀態(tài)。該方法包含有施加一第一讀取電壓于欲讀取的該存儲器單元的一導體，施加一第二讀取電壓于欲讀取的該存儲器單元的一漏極，以及接地欲讀取的該存儲器單元的一源極，以獲得一輸出電流。其中該輸出電流包含有一對應于該第一寫入狀態(tài)的最大輸出電流、一對應于該第二寫入狀態(tài)的第一輸出電流、一對應于該第三寫入狀態(tài)的第二輸出電流、以及一對應于該第四寫入狀態(tài)的第三輸出電流由于本發(fā)明只需讀取一次即可將二位數(shù)據(jù)讀出，相較于必須讀取兩次才能將二位數(shù)據(jù)讀出的已知技術，本發(fā)明可提高讀取速度，減少能量消耗，還可提高存儲器單位面積容量。


圖1為本發(fā)明中NROM存儲器單元的示意圖；圖2為將電子存入存儲器單元10的第一區(qū)域22a的示意圖；圖3為將電子存入存儲器單元10的第二區(qū)域22b的示意圖；圖4為讀取存儲器單元10的示意圖；和圖5為本發(fā)明的存儲器單元的電子存入位置與其相對應的輸出電流的表格。
附圖符號說明10第一存儲器單元 12基底14源極 16漏極18通道 20第一絕緣層22非導體介電層 22a第一區(qū)域
22b第二區(qū)域 24第二絕緣層26場氧化層 28導體具體實施方式
以下本發(fā)明所提及的較佳實施例，是以NROM為例。關于NROM的制作方法，可參閱美國專利第5,966,603號。
請參閱圖1，圖1為本發(fā)明的NROM存儲器單元的示意圖。如圖1所示，一存儲器單元10包含有一基底12、一源極14、一漏極16、一通道18位于基底12表層及源極14與漏極16之間、一第一絕緣層20位于通道18之上、一非導體介電層22位于第一絕緣層20之上、一第二絕緣層24位于非導體介電層22之上、一場氧化層26位于源極14與漏極16表面、以及一導體28位于第二絕緣層24與場氧化層26之上。其中非導體介電層22內(nèi)還包含有一靠近漏極16的第一區(qū)域22a以及一靠近源極14的第二區(qū)域22b。
如美國專利第6,011,725號所揭露的EEPROM，當儲存電子于存儲器單元10內(nèi)的非導體介電層22時，存儲器單元10的啟始電壓(threshold voltage)會因此而上升。并且當電子儲存于靠近源極14端的非導體介電層22(即第二區(qū)域22b)時，存儲器單元10的啟始電壓的上升幅度較大；而當電子儲存于靠近漏極16端的非導體介電層22(即第一區(qū)域22a)時，存儲器單元10的啟始電壓的上升幅度較小。因此，藉由儲存電子于第一區(qū)域22a或第二區(qū)域22b與否，可得到不同的啟始電壓的存儲器單元10，進而可得到多階(multi-level)輸出電流的非易失性存儲器。
請參考圖2，圖2為將電子存入存儲器單元10的第一區(qū)域22a的示意圖。如圖2所示，藉由施加一寫入電壓(如10伏特)于導體28以及施加另一寫入電壓(如9伏特)于漏極16，并接地源極14，以產(chǎn)生一垂直于信道18的垂直電場與一平行于信道18的側(cè)向電場。而前述的垂直電場與側(cè)向電場將使源極14內(nèi)的電子往漏極16加速移動，當電子獲得足夠的能量時，電子便會穿過第一絕緣層20而儲存于非導體介電層22的第一區(qū)域22a內(nèi)。
此外，請參考圖3，圖3為將電子存入存儲器單元10的第二區(qū)域22b的示意圖。如圖3所示，藉由施加一寫入電壓(如10伏特)于導體28以及施加另一寫入電壓(如9伏特)于漏極16，并接地源極14，以產(chǎn)生一垂直于信道18的垂直電場與一平行于信道18的側(cè)向電場。而前述的垂直電場與側(cè)向電場將使漏極16內(nèi)的電子往源極14加速移動，當電子獲得足夠的能量時，電子將會穿過第一絕緣層20而儲存于非導體介電層22的第二區(qū)域22b內(nèi)。
因此，藉由儲存電子于存儲器單元10第一區(qū)域22a或第二區(qū)域22b與否，可產(chǎn)生至少四種狀態(tài)的存儲器單元10，該四種狀態(tài)分別為狀態(tài)(a)第一區(qū)域22a以及第二區(qū)域22b皆無注入電子；狀態(tài)(b)第一區(qū)域22a有注入電子，而第二區(qū)域22b無注入電子；狀態(tài)(c)第二區(qū)域22b有注入電子，而第一區(qū)域22a無注入電子；以及狀態(tài)(d)第一區(qū)域22a以及第二區(qū)域22b皆有注入電子。并且，如前所述，存儲器單元10在狀態(tài)(d)的啟始電壓會大于存儲器單元10在狀態(tài)(c)的啟始電壓，存儲器單元10在狀態(tài)(c)的啟始電壓大于存儲器單元10在狀態(tài)(b)的啟始電壓，而存儲器單元10在狀態(tài)(b)的啟始電壓大于存儲器單元10在狀態(tài)(a)的啟始電壓。
請參考圖4，圖4為讀取存儲器單元10的示意圖。如圖4所示，當讀取存儲器單元10時，施加一第一讀取電壓(如3伏特)于導體28，以及施加第二讀取電壓(如2伏特)于漏極16，并接地源極14，以得到一輸出電流。其中，該輸出電流包含一相對應于處于該狀態(tài)(a)的最大輸出電流，一相對應于處于該狀態(tài)(b)的第一輸出電流，一相對應于處于該狀態(tài)(c)的第二輸出電流，以及一相對應于處于該狀態(tài)(d)的第三輸出電流。并且，該最大輸出電流大于該第一輸出電流，該第一輸出電流大于該第二輸出電流，而該第二輸出電流大于該第三輸出電流。
請參閱圖5，圖5為本發(fā)明的較佳實施例中的電子存入位置與其相對應的輸出電流的表格。其中Id-HH代表最大輸出電流、Id-HL代表第一輸出電流、Id-LH代表第二輸出電流以及Id-LL代表第三輸出電流。寫入-A是指將電子存入靠近漏極的第一區(qū)域，而寫入-B是指將電子存入靠近源極的第二區(qū)域。在本發(fā)明的較佳實施例中，藉由適當?shù)卣{(diào)整注入非導體介電層的電子數(shù)量以改變存儲器單元的啟始電壓，可使第一輸出電流約略占最大輸出電流的百分之七十五，第二輸出電流約略占最大輸出電流的百分之五十，第三輸出電流約略占最大輸出電流的百分之二十五。因此，藉由檢測此四種不同的輸出電流即可得到二位數(shù)據(jù)(00、01、10及11)的訊息。而以上所提及的寫入步驟的方法之一可為smart program。
其中前述的基底12是由P型硅基底構成，源極14與漏極16皆是N型。此外，第一絕緣層20與第二絕緣層24皆是由二氧化硅所構成，非導體介電層22則是由氮化硅構成，場氧化層26是利用熱氧化法(thermal oxidation)所形成，而導體28則是由摻雜多晶硅所構成。
此外，本發(fā)明的存儲器單元皆可經(jīng)由一第一擦除步驟(first erasing step)以移除存儲器單元10的第一區(qū)域22a內(nèi)所儲存的電子，并可經(jīng)由一第二擦除步驟(second erasing step)以移除存儲器單元10的第二區(qū)域22b內(nèi)所儲存的電子。其中第一擦除步驟是施加一第一擦除電壓于導體28上，以及施加一第二擦除電壓于漏極16之上，以移除存儲器單元10的第一區(qū)域22a內(nèi)所儲存的電子。而第二擦除步驟則是施加一第三擦除電壓于導體28上，以及施加一第四擦除電壓于源極14之上，以移除存儲器單元10的第二區(qū)域22b內(nèi)所儲存的電子。
簡而言的，本發(fā)明的非易失性存儲器包含有多個存儲器單元。每一該存儲器單元包含有一由兩絕緣層包覆的非導體介電層，其中非導體介電層中包含有第一區(qū)域及第二區(qū)域。經(jīng)由儲存電子于每一存儲器單元的第一區(qū)域及第二區(qū)域與否，以形成具有不同啟始電壓的存儲器單元。當讀取前述的存儲器單元時，可得到多階的輸出電流，因此便可形成一具有多階輸出電流的非易失性存儲器。
相較于已知技術，本發(fā)明在讀取同一存儲單元的左位與右位時，只要分別施加電壓于導體、漏極與源極上，然后檢測漏極與源極之間的電流即可。讀取左位與右位的期間并不會對調(diào)漏極和源極，亦即，本發(fā)明只要讀取一次即可將二位數(shù)據(jù)讀出。相較于已知在讀取左位與右位的期間必須對調(diào)漏極和源極的技術(亦即，要讀取兩次才能將同一存儲器單元的二位數(shù)據(jù)讀出)，本發(fā)明可提高讀取速度，減少能量消耗，更可提高存儲器單位面積容量。此外，本發(fā)明除了可應用于氮化物只讀存儲器，也可應用于閃速存儲器。
以上所述僅為本發(fā)明的較佳實施例，凡依本發(fā)明權利要求所做的均等變化與修飾，皆應屬本發(fā)明專利的涵蓋范圍。
權利要求
1.一種具有多階輸出電流的非易失性存儲器的編程、讀取與擦除方法，該非易失性存儲器包含有多個存儲器單元，而所述存儲器單元的狀態(tài)包含有至少一第一寫入狀態(tài)、一第二寫入狀態(tài)、一第三寫入狀態(tài)與一第四寫入狀態(tài)，該方法包含有施加一第一讀取電壓于欲讀取的該存儲器單元的一導體；施加一第二讀取電壓于欲讀取的該存儲器單元的一漏極；以及接地欲讀取的該存儲器單元的一源極，以獲得一輸出電流；其中該輸出電流包含有一對應于該第一寫入狀態(tài)的最大輸出電流、一對應于該第二寫入狀態(tài)的第一輸出電流、一對應于該第三寫入狀態(tài)的第二輸出電流、以及一對應于該第四寫入狀態(tài)的第三輸出電流。
2.如權利要求1所述的方法，其中該最大輸出電流系大于該第一輸出電流，該第一輸出電流系大于該第二輸出電流，而該第二輸出電流系大于該第三輸出電流。
3.如權利要求1所述的方法，其中各該存儲器單元包含有一源極、一漏極、一位于該源極與該漏極之間的信道、一位于該信道之上的第一絕緣層、一位于該第一絕緣層之上的非導體介電層、一位于該非導體介電層之上的第二絕緣層、以及一位于該第一絕緣層之上的導體，并且該非導體介電層具有一靠近該漏極的第一區(qū)域以及一靠近該源極的第二區(qū)域。
4.如權利要求3所述的方法，其中該第一寫入狀態(tài)表示該第一區(qū)域以及該第二區(qū)域皆無注入電子，該第二寫入狀態(tài)表示該第一區(qū)域有注入電子，而該第二區(qū)域無注入電子，該第三寫入狀態(tài)表示該第二區(qū)域有注入電子，而該第一區(qū)域無注入電子，而該第四寫入狀態(tài)表示該第一區(qū)域以及該第二區(qū)域皆有注入電子。
5.如權利要求3所述的方法，其中該非導體介電層由氮化硅所構成。
6.如權利要求3所述的方法，其中該第一絕緣層及該第二絕緣層均由二氧化硅所構成。
7.如權利要求3所述的方法，其中該導體由多晶硅所構成。
全文摘要
本發(fā)明提供一種具有多階輸出電流的非易失性存儲器的編程、讀取與擦除方法。該非易失性存儲器內(nèi)的各存儲器單元包含有一由兩絕緣層包覆的非導體介電層，該非導體介電層中具有一第一區(qū)域及一第二區(qū)域。經(jīng)由儲存電子于各該存儲器單元的第一區(qū)域及第二區(qū)域與否，可得到具有不同啟始電壓的存儲器單元。而當讀取具有不同啟始電壓的存儲器單元時，可檢測到多階的輸出電流，因此可得到一多階輸出電流的非易失性存儲器。
文檔編號G11C11/56GK1479316SQ0313304
公開日2004年3月3日 申請日期2003年7月23日 優(yōu)先權日2002年7月23日
發(fā)明者郭東政, 劉建宏, 潘錫樹, 黃守偉 申請人:旺宏電子股份有限公司