專利名稱：非易失性存儲元件及其操作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及非易失性存儲元件，更具體的說，涉及包含一個與目前的互補式金屬氧化物場效應(yīng)晶體管工藝兼容的單層多晶硅非易失性存儲元件。
背景技術(shù)：
許多非易失性半導(dǎo)體存儲元件以熟知的金屬氧化物場效應(yīng)晶體管型式結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)。換句話而言，其包含一個由介質(zhì)層與襯底分離的柵極結(jié)構(gòu)。擴散區(qū)域通過在柵極兩側(cè)的襯底內(nèi)部布植而形成。當(dāng)適當(dāng)?shù)碾妷罕皇┘佑跀U散區(qū)域和控制柵極時，一個溝道會形成于介于擴散區(qū)域之間的柵極下方。載流子，如，電子，可以在介于擴散區(qū)域之間的溝道上移動。
假如一個足夠的電場存在于柵極結(jié)構(gòu)方向上的話，這些載流子，如，電子，可以被吸引至柵極結(jié)構(gòu)。假如這些電子有著足夠的能量以克服此介質(zhì)層能障高度的話，則這些電子可以被射出穿過此介質(zhì)層。
舉例而言，圖1顯示了一個傳統(tǒng)的浮動?xùn)艠O存儲器元件100的示意圖。必須了解的是，這樣浮動?xùn)艠O可以是一個傳統(tǒng)的閃速存儲器元件的基本存儲器結(jié)構(gòu)。浮動?xùn)艠O存儲器元件100包含襯底102，兩個擴散區(qū)域104和106以布植形成其內(nèi)。在圖1的例子中，元件100是N型金屬氧化物半導(dǎo)體(NMOS)元件，即代表襯底102是P型襯底，而擴散區(qū)域104和106是N+型擴散區(qū)域?？梢粤私獾氖?，某些存儲元件可以是P型金屬氧化物半導(dǎo)體元件，其襯底102是N型襯底，而擴散區(qū)域104和106是P+型擴散區(qū)域。
一個介質(zhì)層110然后形成于介于擴散區(qū)域104和106之間的襯底上方。此介質(zhì)層通常是氧化層，可以被稱為溝道氧化層。浮動?xùn)艠O112形成于介質(zhì)層110之上。此浮動?xùn)艠O通常是多晶硅層，是先被沉112形成于介質(zhì)層110之上。此浮動?xùn)艠O通常是多晶硅層，是先被沉積于襯底上然后再被蝕刻至合適的尺寸大小。層間介質(zhì)層114再形成于浮動?xùn)艠O112之上，接著控制柵極116被形成于層間介質(zhì)層114之上。同樣地，此控制柵極通常是多晶硅層，其先被沉積于襯底上然后再被蝕刻至合適的尺寸大小。
當(dāng)適當(dāng)?shù)碾妷罕皇┘佑诳刂茤艠O116和擴散區(qū)域104和106時，一個溝道會形成于介于擴散區(qū)域之間襯底102上的溝道區(qū)域108。被施加于控制柵極116的電壓會與浮動?xùn)艠O112耦合，而創(chuàng)造出一個可以將載流子自溝道區(qū)域108吸引至浮動?xùn)艠O112的電場。必須了解的是，控制柵極116與浮動?xùn)艠O112的耦合與施加至控制柵極116電壓及控制柵極116、層間介質(zhì)層114、浮動?xùn)艠O112的尺寸相關(guān)。
必須了解的是，密度和費用是驅(qū)使非易失性存儲元件技術(shù)前進(jìn)的重要因素。擴展非易失性存儲元件的使用范圍必須要能以較低的價格來量產(chǎn)非易失性存儲元件。此外，非易失性存儲元件的新運用范圍則需要擴充產(chǎn)能，和較小的尺寸。
圖1中的元件100則顯示了這方面的問題。第一，因為控制柵極116與浮動?xùn)艠O112兩者都是由多晶硅所形成，元件100就需要雙層多晶硅的工藝。這會使得無法與目前使用單層多晶硅的互補式金屬氧化物場效應(yīng)晶體管技術(shù)兼容。其結(jié)果是，必須開發(fā)特殊工藝來制造此種元件100。第二，需要使用擴散區(qū)域104和106，和足夠大的控制柵極116與浮動?xùn)艠O112耦合，則會限制了此種元件100的尺寸大小。舉例而言，會需要一個特定的活性區(qū)域來提供正常的運作。
圖2顯示了一個傳統(tǒng)的浮動?xùn)艠O存儲器元件200為了克服圖1元件100的某些缺點的示意圖。由圖中可見，元件200包括襯底1 02和布植形成其內(nèi)的三個擴散區(qū)域104、106和118。浮動?xùn)艠O112被形成于介質(zhì)層110之上。然而在此元件200中，控制柵極116也是被形成于介質(zhì)層110之上而與浮動?xùn)艠O112分離。施加于控制柵極116的電壓仍舊會與浮動?xùn)艠O112耦合，而導(dǎo)致溝道區(qū)域108內(nèi)的載流子穿越介質(zhì)層110至浮動?xùn)艠O112。
此種設(shè)計的優(yōu)點是，控制柵極116與浮動?xùn)艠O112僅使用單層多晶硅工藝，如此就可以與目前的互補式金屬氧化物場效應(yīng)晶體管工藝兼容；然而，元件200仍未克服與元件100相關(guān)的尺寸大小限制。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的一個目的是提供一個非易失性存儲元件，其包含襯底及形成于襯底上的介質(zhì)層?？刂茤艠O與浮動?xùn)艠O然后形成于介質(zhì)層之上。且非易失性存儲元件可以使用與目前的互補式金屬氧化物場效應(yīng)晶體管工藝兼容的單層多晶硅工藝來建構(gòu)。此外，一個輔助柵極或是多個輔助柵極可分別形成于靠近以及介于控制柵極與浮動?xùn)艠O之間。
本發(fā)明的另一個目的是提供輔助柵極，其可以用來形成反轉(zhuǎn)擴散區(qū)域于襯底內(nèi)。通過使用輔助柵極來形成反轉(zhuǎn)擴散區(qū)域，可以縮小元件的整體尺寸，及增加元件密度。
本發(fā)明的又一個目的提供一個或多個輔助柵極可以用來增強與浮動?xùn)艠O間的耦合，并開啟浮動?xùn)艠O下的溝道。通過使用輔助柵極來增強與浮動?xùn)艠O間的耦合，較低的電壓可以被使用，及需要較小的主動區(qū)域面積。
本發(fā)明的這些和其它目的、特征和實施例，會在下列實施方式的章節(jié)中被描述。


為了更完整了解本發(fā)明以及它的優(yōu)點，下列描述參考附圖，其中圖1是描述一個傳統(tǒng)的浮動?xùn)艠O存儲元件的圖示；圖2是描述一個與單層多晶硅工藝兼容的傳統(tǒng)的浮動?xùn)艠O存儲元件的圖示；圖3是描述本發(fā)明實施例的浮動?xùn)艠O非易失性存儲元件的圖示；圖4是描述圖3中輔助柵極與浮動?xùn)艠O的耦合的示意圖；圖5是描述圖3中與柵極及層次相關(guān)尺寸的示意圖；圖6是描述本發(fā)明實施例圖3中的元件編程操作的示意圖；圖7是描述本發(fā)明實施例圖3中的元件擦除操作的示意圖；圖8是描述本發(fā)明另一實施例圖3中的元件擦除操作的示意圖；
圖9是描述本發(fā)明實施例圖3中的元件讀取操作的示意圖；圖10是描述本發(fā)明另一實施例的浮動?xùn)艠O非易失性存儲元件配置的圖示；圖11是描述圖10中輔助柵極與浮動?xùn)艠O的耦合的示意圖；圖12是描述圖10中與柵極及層次相關(guān)尺寸的示意圖；圖13是描述本發(fā)明另一實施例圖10中的元件編程操作的示意圖；圖14是描述本發(fā)明另一實施例圖10中的元件擦除操作的示意圖；圖15是描述本發(fā)明另一實施例圖10中的元件擦除操作的示意圖；以及圖16是描述本發(fā)明另一實施例圖10中的元件讀取操作的示意圖。
主要元件符號說明100浮動?xùn)艠O存儲元件102襯底104、106n+擴散區(qū)域108溝道110介質(zhì)層112浮動?xùn)艠O114層間介質(zhì)層116控制柵極200浮動?xùn)艠O存儲元件116擴散區(qū)域300非易失性存儲元件302襯底304介質(zhì)層306、312、314輔助柵極308浮動?xùn)艠O310控制柵極316、320、322反轉(zhuǎn)擴散區(qū)域 318溝道602、702、802載流子704紫外線1000非易失性存儲元件 1002襯底1004介質(zhì)層
1006輔助柵極1008浮動?xùn)艠O1010控制柵極1016、1022擴散區(qū)域 1018溝道1302、1402、1502載流子1404紫外線具體實施方式
以下的實施例，與包含襯底及形成于襯底之上的介質(zhì)層的非易失性存儲元件相關(guān)。控制柵極與浮動?xùn)艠O然后形成于介質(zhì)層之上。且非易失性存儲元件可以使用與目前的互補式金屬氧化物場效應(yīng)晶體管工藝兼容的單層多晶硅工藝來建構(gòu)。此外，一個輔助柵極或是多個輔助柵極可分別形成于靠近以及介于控制柵極與浮動?xùn)艠O之間。此輔助柵極可以用來形成反轉(zhuǎn)擴散區(qū)域于襯底內(nèi)，此溝道可以支持編程此元件的載流子。這些輔助柵極也可以用來增強與浮動?xùn)艠O間的耦合。施加電壓于輔助柵極，可以提供與浮動?xùn)艠O間的耦合，及導(dǎo)致溝道區(qū)域內(nèi)的載流子穿過介質(zhì)層而進(jìn)入浮動?xùn)艠O之中。
可以了解的是，以上的尺寸、測量、范圍、測試結(jié)果、數(shù)值等，除非有聲明否則均是估計的，且并不作為準(zhǔn)確數(shù)據(jù)。這些數(shù)值必須視實際的需要或是實施例來調(diào)整。
圖3顯示了本發(fā)明實施例的一個非易失性存儲器元件300的示意圖。元件300包含P型襯底302。必須了解的是，在其他實施例中存儲元件300其襯底也可以是N型襯底。也就是說，本發(fā)明所公開的實施例的方法與元件并不局限于僅是N型金屬氧化物半導(dǎo)體(NMOS)元件。介質(zhì)層304形成于P型襯底302之上。舉例而言，介質(zhì)層304可以是氧化層的介質(zhì)層。輔助柵極306、312和314然后連同浮動?xùn)艠O308與控制柵極310形成于介質(zhì)層304之上。重要的是，輔助柵極306、312和314、浮動?xùn)艠O308與控制柵極310是利用單層多晶硅所工藝形成。
通過施加適當(dāng)?shù)碾妷河谳o助柵極306、312和314時，反轉(zhuǎn)擴散區(qū)域會形成于介質(zhì)層304之下的襯底302中。在圖3的例子中，反轉(zhuǎn)擴散區(qū)域是N+型擴散區(qū)域。
輔助柵極306、312與浮動?xùn)艠O308耦合以提供可導(dǎo)致載流子自襯底302中穿過介質(zhì)層304至浮動?xùn)艠O308的電場。此耦合會通過以下圖4和圖5的幫助來說明。圖4顯示元件300不同柵極及層次中所形成的電容。由圖中可見，當(dāng)施加電壓于輔助柵極306、312時，這些電壓會通過輔助柵極電容(CAG)與浮動?xùn)艠O308耦合。浮動?xùn)艠O308然后會通過大電容(CB)與襯底302耦合。這些電容耦合機制會產(chǎn)生導(dǎo)致載流子自襯底302中穿過介質(zhì)層304至浮動?xùn)艠O308的電場。
圖5為本發(fā)明一實施例中元件300尺寸的示意圖。這些尺寸可以用來幫助了解本發(fā)明元件300所產(chǎn)生的耦合。首先，輔助柵極電容(CAG)與大電容(CB)可由以下的式子來表示CAG＝ε(H*W)/L1(1)CB＝ε(L2*W)/T (2)其中，ε是介電常數(shù)W是柵極指向頁面方向的寬度H是柵極的高度L1是柵極之間的距離L2是浮動?xùn)艠O的長度T是介質(zhì)層的厚度因此，輔助柵極電容(CAG)是相當(dāng)于ε乘以輔助柵極306、312的高度，再乘以輔助柵極306、312的寬度，然后再除以輔助柵極306、312與浮動?xùn)艠O308之間的距離。而大電容(CB)則是相當(dāng)于ε乘以浮動?xùn)艠O308的長度，再乘以浮動?xùn)艠O308的寬度，然后除以介質(zhì)層304的厚度。在圖3至圖5的例子中，輔助柵極306、312包含相同的尺寸與距離，所以每一個輔助柵極具有相同的輔助柵極電容(CAG)。然而在其他的實施例中，輔助柵極可以有不同的尺寸，所以會具有不同的輔助柵極電容(CAG)。
則整體電容的總和是可由以下的式子來表示CTOTAL＝CAG+CAG+CB(3)輔助柵極306、312與浮動?xùn)艠O308之間的耦合比例可由以下的式子來表示αAG＝CAG/CTOTAL(4)因此，浮動?xùn)艠O308的電壓可由以下的式子來表示VFG＝(2*VAG*αAG) (5)其中，VAG是輔助柵極電壓舉例而言，在一實施例中，非易失性存儲元件配置為以上所描述的系統(tǒng)與方法可以包含以下的尺寸；W＝1000埃；L1＝200埃；L2＝600埃；以及T＝100埃因此，整體電容的總和可由式子(3)來計算CTOTAL＝CAG+CAG+CB＝ε16W而輔助柵極306與浮動?xùn)艠O308之間的耦合可由式子(4)來計算αAG＝CAG/CTOTAL＝ε5W/ε16W＝5/16而浮動?xùn)艠O308的電壓可由式子(5)來計算VFG＝(2*VAG*αAG)＝2VAG*5/16＝VAG*5/8可以了解的是，以上的尺寸可以視實際的需要來調(diào)整；然而不管尺寸為何必須要有足夠的耦合。即，真正的尺寸必須能提供足夠的耦合才行。
在其他的實施例中，非易失性存儲元件的尺寸可以在以下的范圍內(nèi)；W＝800-1500埃；L1＝160-300埃；L2＝400-800埃；以及T＝50-250埃更進(jìn)一步而言，可以了解的是，以上的距離是非常規(guī)則的；然而在其他的實施例中，輔助柵極可以有不相等的距離。
使用輔助柵極306、312來形成反轉(zhuǎn)擴散區(qū)域，可以產(chǎn)生較小的活性區(qū)域與較小的元件整體尺寸。如此可以進(jìn)一步改善元件的密度及生產(chǎn)成本。此外，如前所述，元件300并不包含擴散區(qū)域，也可以進(jìn)一步減少元件的尺寸及密度。
元件300中必須形成反轉(zhuǎn)擴散區(qū)域，以產(chǎn)生編程及擦除浮動?xùn)艠O所需的載流子。此點會通過以下圖6至圖8的幫助來說明。圖6顯示根據(jù)本發(fā)明一實施例的元件300編程操作。施加適當(dāng)?shù)碾妷河谳o助柵極306、312和314時，N+擴散區(qū)域316、320和322可以形成于襯底302之中。電壓然后可以施加于這些擴散區(qū)域以生成會介于擴散區(qū)域316和320之間的大電場。這些電壓與浮動?xùn)艠O308耦合可以于溝道區(qū)域318內(nèi)產(chǎn)生溝道，且產(chǎn)生導(dǎo)致載流子生成的電場，如，熱電子，自溝道內(nèi)的擴散區(qū)域320朝向另一擴散區(qū)域316以及發(fā)射通過介質(zhì)層304進(jìn)入浮動?xùn)艠O308。如此，在圖6的例子中，溝道熱電子編程被用來改變浮動?xùn)艠O308的臨界電壓。
元件300可以被認(rèn)為包含兩個部分，一個包含浮動?xùn)艠O308、反轉(zhuǎn)擴散區(qū)域316和320的存儲單元，另一個包含控制柵極310、反轉(zhuǎn)擴散區(qū)域320和322的存取晶體管。此兩個部份串聯(lián)，所以存取晶體管必須開啟才能使電流流入存儲單元中。因此，當(dāng)足夠的電壓施加于輔助柵極306、312和314時，反轉(zhuǎn)擴散區(qū)域316、320和322會形成于襯底302之中。當(dāng)足夠開啟存取晶體管的電壓施加于控制柵極310時，則電流可以流入此存儲單元中。當(dāng)足夠大的編程電壓耦合于浮動?xùn)艠O308時，則此存儲單元可以被編程，即，電荷可以被存儲在浮動?xùn)艠O308之中。
可以了解的是，載流子602必須具有足夠的能量以克服此介質(zhì)層304勢壘高度。舉例而言，假如介質(zhì)層304是氧化硅介質(zhì)層的話，則這些電子必須具有超過3.2eV的能量才可以克服氧化硅介質(zhì)層304的勢壘高度。
因此，高電壓必須施加在輔助柵極306和312才能與浮動?xùn)艠O308耦合?？刂茤艠O310和浮動?xùn)艠O308的電壓可以于溝道區(qū)域318產(chǎn)生溝道。在圖6的例子中，一個大約是1伏特的高電壓(Vg)被施加在控制柵極310，而大約是8伏特的高電壓(VAG)則被施加在輔助柵極306、312和314。此外，一個大約是5伏特的高電壓(Vd)被施加在擴散區(qū)域316，而另一擴散區(qū)域322的電壓(Vs)則大約是0伏特。反轉(zhuǎn)擴散區(qū)域320則保持浮動。
可以了解的是，以上的電壓僅是一些例示，實際的電壓必須取決于各別應(yīng)用的需求。舉例而言，在某些實施例中，施加在控制柵極310的電壓可以在0.5-1.5伏特的范圍，而施加在輔助柵極306、312和314的電壓可以在6-9伏特的范圍，且施加在擴散區(qū)域316的電壓可以在4-6伏特的范圍。
施加在擴散區(qū)域316的電壓必須足夠大才能產(chǎn)生大橫向電場以導(dǎo)致載流子602流至溝道區(qū)域318，即提供載流子602足夠的能量發(fā)射至介質(zhì)層304。
圖7顯示根據(jù)本發(fā)明一實施例的元件300擦除操作。在圖7的例子中，紫外線704被用來照射元件300。此照射704能量提供電子足夠的能量來穿過介質(zhì)層304而進(jìn)入襯底302之中。
圖8顯示，依照另一實施例雪崩熱電子發(fā)射被用來擦除元件300。因此，在圖8的例子中，電壓被施加在擴散區(qū)域322和316以產(chǎn)生大的橫向電場以導(dǎo)致載流子802，此例子中為空穴802，流至溝道區(qū)域318，及發(fā)射至浮動?xùn)艠O308。此外，高電壓必須施加于輔助柵極306、312和314時，以產(chǎn)生反轉(zhuǎn)擴散區(qū)域316、320和322。
在此圖8的例子中，一個大約是介于范圍4-6伏特的高電壓(Vd)，如5伏特，被施加在反轉(zhuǎn)擴散區(qū)域316，而一大約是0伏特的低電壓(Vs)被施加在反轉(zhuǎn)擴散區(qū)域322。這些電壓可以產(chǎn)生所需之大的橫向電場以導(dǎo)致空穴802，流至溝道區(qū)域318。一個大約是介于范圍2-5伏特的高電壓(VAG)，如3伏特，被施加在輔助柵極306、312和314時，以產(chǎn)生反轉(zhuǎn)擴散區(qū)域316、320和322。另一個大約是介于范圍3-5伏特的高電壓(Vg)，如約4伏特，被施加在控制柵極310。反轉(zhuǎn)擴散區(qū)域320則仍保持浮動。
必須了解的是，圖8中的電壓僅是一些例示，實際的電壓必須取決于各別應(yīng)用的需求。
圖9顯示，為依照本發(fā)明一實施例的元件300讀取操作的一個例子。第一，高電壓必須施加于輔助柵極306、312和314，以產(chǎn)生反轉(zhuǎn)擴散區(qū)域316、320和322。高電壓然后可以施加在控制柵極310。高電壓也可以施加在反轉(zhuǎn)擴散區(qū)域322，而低電壓可以施加在另一反轉(zhuǎn)擴散區(qū)域316。
在此圖9的例子中，一個大約是介于范圍6-9伏特的高電壓(VAG)，如8伏特，被施加在輔助柵極306、312和314時，以產(chǎn)生反轉(zhuǎn)擴散區(qū)域316、320和322。一個大約是介于范圍1-2.5伏特的高電壓(Vg)，如約1.8伏特，被施加在控制柵極310，而一大約是介于范圍1-1.6伏特的高電壓(Vs)，如1伏特，被施加在反轉(zhuǎn)擴散區(qū)域322。一大約是0伏特的低電壓(Vd)被施加在反轉(zhuǎn)擴散區(qū)域316，而反轉(zhuǎn)擴散區(qū)域320則仍保持浮動。
同樣地，圖9中的電壓僅是一些例示，實際的電壓仍必須取決于各別應(yīng)用的需求。
圖10顯示了本發(fā)明另一實施例的一個非易失性存儲器元件1000的示意圖。如同元件300一般，元件1000包含P型襯底1002。必須了解的是，在其他實施例中存儲元件1000其襯底也可以是N型襯底。也就是說，本發(fā)明所公開的實施例的方法與元件并不局限于僅是N型金屬氧化物半導(dǎo)體(NMOS)元件。介質(zhì)層1004形成于P型襯底1002之上。舉例而言，介質(zhì)層1004可以是氧化層的介質(zhì)層。輔助柵極1006然后連同浮動?xùn)艠O1008與控制柵極1010形成于介質(zhì)層1004之上。重要的是，輔助柵極1006、浮動?xùn)艠O1008與控制柵極可以是利用單層多晶硅所工藝形成。
通過施加適當(dāng)?shù)碾妷河谳o助柵極1006時，反轉(zhuǎn)擴散區(qū)域會形成于介質(zhì)層1004之下的襯底1002中。在圖10的例子中，反轉(zhuǎn)擴散區(qū)域是N+型擴散區(qū)域。但不同于元件300，元件1000包含利用傳統(tǒng)方式所形成的擴散區(qū)域1016和1022。
輔助柵極1006與浮動?xùn)艠O1008耦合以提供可導(dǎo)致載流子自襯底1002中穿過介質(zhì)層1004至浮動?xùn)艠O1008的電場。此耦合會通過以下圖11和圖12的幫助來說明。圖11顯示元件1000不同柵極及層次中所形成的電容。由圖中可見，當(dāng)施加電壓于輔助柵極1006時，這些電壓會通過輔助柵極電容(CAG)與浮動?xùn)艠O1008耦合。浮動?xùn)艠O1008然后會通過大電容(CB)與襯底302耦合。此外，浮動?xùn)艠O1008然后會在施加電壓于擴散區(qū)域1016時，通過結(jié)電容(CJ)與擴散區(qū)域1016耦合。這些電容耦合機制會產(chǎn)生導(dǎo)致載流子自襯底1002中穿過介質(zhì)層1004至浮動?xùn)艠O1008的電場。
圖12為本發(fā)明一實施例中元件1000尺寸的示意圖。這些尺寸可以用來幫助了解本發(fā)明元件1000所產(chǎn)生的耦合。首先，輔助柵極電容(CAG)、結(jié)電容(CJ)與大電容(CB)可由以下的式子來表示CAG＝ε(H*W)/L1 (6)CB＝ε(L3*W)/T(7)CJ＝ε(L4*W)/T(8)其中，ε是介電常數(shù)W是柵極指向頁面方向的寬度H是柵極的高度L1是柵極之間的距離L3是介質(zhì)層于浮動?xùn)艠O之下的長度，但須排除L4L4是介質(zhì)層在浮動?xùn)艠O之下而在擴散區(qū)域之上的長度T是介質(zhì)層的厚度因此，輔助柵極電容(CAG)是相當(dāng)于ε乘以輔助柵極1006的高度，再乘以輔助柵極1006的寬度，然后再除以輔助柵極1006與浮動?xùn)艠O1008之間的距離。而大電容(CB)則是相當(dāng)于ε乘以介質(zhì)層1004在浮動?xùn)艠O1008之下的長度，再扣除在擴散區(qū)域1016之上的長度，再乘以浮動?xùn)艠O1008的寬度，然后除以介質(zhì)層1004的厚度。而結(jié)電容(CJ)則是相當(dāng)于ε乘以介質(zhì)層1004在浮動?xùn)艠O1008之下而在擴散區(qū)域1016之上的長度，再乘以浮動?xùn)艠O1008的寬度，然后除以介質(zhì)層1004的厚度。
則整體電容的總和是可由以下的式子來表示CTOTAL＝CJ+CAG+CB(9)輔助柵極1006與浮動?xùn)艠O1008之間的耦合比例可由以下的式子來表示
αAG＝CAG/CTOTAL(10)擴散區(qū)域1016與浮動?xùn)艠O1008之間的耦合比例可由以下的式子來表示αJ＝CJ/CTOTAL(11)因此，浮動?xùn)艠O1008的電壓可由以下的式子來表示VFG＝(VAG*αAG)+(VN*αJ) (12)其中，VAG是輔助柵極電壓，VN是擴散區(qū)域電壓舉例而言，在一實施例中，非易失性存儲元件配置為以上所描述的系統(tǒng)與方法可以包含以下的尺寸；W＝1000埃；L1＝200埃；L3＝400埃；L4＝200埃；以及T＝100埃因此，整體電容的總和可由式子(9)來計算CTOTAL＝CJ+CAG+CB＝ε11W而輔助柵極1006與浮動?xùn)艠O1008之間的耦合可由式子(10)來計算αAG＝CAG/CTOTAL＝ε5W/ε11W＝5/11而擴散區(qū)域1016與浮動?xùn)艠O1008之間的耦合可由式子(10)來計算αJ＝CJ/CTOTAL＝ε2W/ε11W＝2/11而浮動?xùn)艠O308的電壓可由式子(12)來計算VFG＝(VAG*αAG)+(VN*αJ)＝5/11VAG+2/11VN可以了解的是，以上的尺寸可以視實際的需要來調(diào)整；然而不管尺寸為何必須要有足夠的耦合。即，真正的尺寸必須能提供足夠的耦合才行。
在其他的實施例中，非易失性存儲元件的尺寸可以在以下的范圍內(nèi)；W＝800-1500埃；L1＝160-300埃；L3＝300-500埃；L4＝160-300埃；以及T＝50-250埃更進(jìn)一步而言，可以了解的是，以上的距離是非常規(guī)則的；然而在其他的實施例中，輔助柵極可以有不相等的距離。
一個反轉(zhuǎn)擴散區(qū)域可以形成于元件1000之中，以產(chǎn)生編程及擦除浮動?xùn)艠O1008所需的載流子。此點會通過以下圖13至圖16的來說明。圖13顯示根據(jù)本發(fā)明一實施例的元件1000編程操作。施加適當(dāng)?shù)碾妷河谳o助柵極1006時，N+擴散區(qū)域1020可以形成于襯底1002之中。電壓然后可以施加于這些擴散區(qū)域1016和1022以生成會介于擴散區(qū)域1016和1020之間的大電場。這些電壓與浮動?xùn)艠O1008耦合可于溝道區(qū)域1018內(nèi)產(chǎn)生溝道，且產(chǎn)生導(dǎo)致載流子生成的電場，如，熱電子，自溝道內(nèi)的擴散區(qū)域1020朝向另一擴散區(qū)域1016以及發(fā)射通過介質(zhì)層1004進(jìn)入浮動?xùn)艠O1008。如此，在圖13的例子中，溝道熱電子編程被用來改變浮動?xùn)艠O1008的臨界電壓。
可以了解的是，載流子1302必須具有足夠的能量以克服此介質(zhì)層1004勢壘高度。舉例而言，假如介質(zhì)層1004是氧化硅介質(zhì)層的話，則這些電子必須具有超過3.2eV的能量才可以克服氧化硅介質(zhì)層1004的勢壘高度。
因此，高電壓必須施加在輔助柵極1006和擴散區(qū)域1016才能與浮動?xùn)艠O1008耦合。于控制柵極1010和浮動?xùn)艠O1008必須施加高電壓才可以開啟存取晶體管使電流流入此元件1000的存儲端。在圖13的例子中，一個大約是1伏特的高電壓(Vg)被施加在控制柵極1010，而一大約是8伏特的高電壓(VAG)則被施加在輔助柵極1006。此外，一個大約是5伏特的高電壓(Vd)被施加在擴散區(qū)域1016，而另一擴散區(qū)域1022的電壓(Vs)則大約是0伏特。
可以了解的是，以上的電壓僅是一些例示，實際的電壓必須取決于各別應(yīng)用的需求。舉例而言，在某些實施例中，施加在控制柵極1010的電壓可以在0.5-1.5伏特的范圍，而施加在輔助柵極1006的電壓可以在6-9伏特的范圍，且施加在擴散區(qū)域1016的電壓可以在4-6伏特的范圍。
圖14顯示根據(jù)本發(fā)明一實施例的元件1000擦除操作。在圖14的例子中，紫外線1404被用來照射元件1000。此照射1404能量提供電子1402足夠的能量來穿過介質(zhì)層1004而進(jìn)入襯底1002之中。
圖15顯示，依照另一實施例雪崩熱電子發(fā)射被用來擦除元件1000。因此，在圖15的例子中，電壓被施加在擴散區(qū)域1022和1016以產(chǎn)生大的橫向電場以導(dǎo)致載流子1502，此例子中為空穴1502，流至浮動?xùn)艠O1008。
在此圖15的例子中，一個大約是介于范圍4-6伏特的高電壓(Vd)，如5伏特，被施加在擴散區(qū)域1016，而一大約是0伏特的低電壓(Vs)被施加在擴散區(qū)域1022。這些電壓可以產(chǎn)生所需的大的橫向電場以導(dǎo)致空穴1502流至溝道區(qū)域1018。一個大約是介于范圍2-5伏特的高電壓(VAG)，如3伏特，被施加在輔助柵極1006時，以產(chǎn)生反轉(zhuǎn)擴散區(qū)域1020。另一個大約是介于范圍3-5伏特的高電壓(Vg)，如約4伏特，被施加在控制柵極1010。
必須了解的是，圖15中的電壓僅是一些例示，實際的電壓必須取決于各別應(yīng)用的需求。
圖16顯示，為依照本發(fā)明一實施例的元件1000讀取操作的一個例子。第一，高電壓必須施加于輔助柵極1006時，以產(chǎn)生反轉(zhuǎn)擴散區(qū)域1020。高電壓然后可以施加在控制柵極1010以開啟此元件1000的存取晶體管部分。高電壓也可以施加在擴散區(qū)域1022，而低電壓可以施加在另一擴散區(qū)域1016。
在此圖16的例子中，一個大約是介于范圍6-9伏特的高電壓(VAG)，如8伏特，被施加在輔助柵極1006。一個大約是介于范圍1-2.5伏特的高電壓(Vg)，如約1.8伏特，被施加在控制柵極1010，而一大約是介于范圍1-1.6伏特的高電壓(Vs)，如1伏特，被施加在擴散區(qū)域1022。一大約是0伏特的低電壓(Vd)被施加在擴散區(qū)域1016。
同樣地，圖16中的電壓僅是一些例示，實際的電壓仍必須取決于各別應(yīng)用的需求。
因此，上述所描述的非易失性存儲元件，即相關(guān)的操作方法，可以提供較高的密度、較低的成本以及減少功率消耗。此外，上述所描述的非易失性存儲元件利用單層多晶硅工藝來制造，如此可以進(jìn)一步降低生產(chǎn)成本及提高產(chǎn)能。
本發(fā)明的特定實施例已經(jīng)在上面被描述，可以了解的是，該被描述的實施例僅只是用于說明的范例而已。因此，本發(fā)明應(yīng)該不被限制于所描述的實施例。當(dāng)然，在此所描述的本發(fā)明的范圍，只能依所附的權(quán)利要求和以上的描述以及附圖來限制。
權(quán)利要求
1.一種非易失性存儲元件，包含襯底；介質(zhì)層，形成于該襯底之上；浮動?xùn)艠O，形成于該介質(zhì)層之上；控制柵極，形成于該介質(zhì)層之上；第一輔助柵極，形成于該介質(zhì)層之上靠近該浮動?xùn)艠O；第二輔助柵極，形成于該介質(zhì)層之上靠近該控制柵極；以及第三輔助柵極，形成于該介質(zhì)層之上介于該浮動?xùn)艠O與該控制柵極之間。
2.如權(quán)利要求1所述的非易失性存儲元件，其中該第一、第二及第三輔助柵極被配置為可以在施加電壓至該第一、第二及第三輔助柵極時，在該襯底中形成反轉(zhuǎn)擴散區(qū)域。
3.如權(quán)利要求1所述的非易失性存儲元件，其中該襯底為p型襯底。
4.如權(quán)利要求1所述的非易失性存儲元件，其中該襯底為n型襯底。
5.如權(quán)利要求1所述的非易失性存儲元件，其中該浮動?xùn)艠O、控制柵極、和第一、第二及第三輔助柵極可以用單層多晶硅工藝制造。
6.如權(quán)利要求1所述的非易失性存儲元件，其中該第一和第三輔助柵極被配置為施加電壓至該第一和第三輔助柵極時，可以與該浮動?xùn)艠O耦合。
7.如權(quán)利要求6所述的非易失性存儲元件，其中介于該些輔助柵極與浮動?xùn)艠O之間的電容是介電常數(shù)ε乘以該輔助柵極的高度，再乘以該輔助柵極的寬度，然后除以該輔助柵極與該浮動?xùn)艠O之間的距離。
8.如權(quán)利要求7所述的非易失性存儲元件，其中該輔助柵極的高度介于800到1500埃之間。
9.如權(quán)利要求7所述的非易失性存儲元件，其該輔助柵極與該浮動?xùn)艠O之間的距離介于160到300埃之間。
10.一種編程非易失性存儲元件的方法，該非易失性存儲元件包括襯底、介質(zhì)層、浮動?xùn)艠O、控制柵極、和第一、第二及第三輔助柵極可以用單層多晶硅工藝制造，該方法包含下列步驟施加高電壓至該第一、第二及第三輔助柵極，以在該襯底內(nèi)形成反轉(zhuǎn)擴散區(qū)域，其中該第一及第三輔助柵極與該浮動?xùn)艠O耦合以形成溝道于該襯底內(nèi)；施加高電壓至該控制柵極；以及施加高電壓至該第一輔助柵極的該反轉(zhuǎn)擴散區(qū)域，及施加低電壓至該第二輔助柵極的該反轉(zhuǎn)擴散區(qū)域。
11.如權(quán)利要求10所述的方法，其中施加至該第一、第二及第三輔助柵極的該高電壓介于6到9伏特之間。
12.如權(quán)利要求10所述的方法，其中施加至該控制柵極的該高電壓介于0.5到1.5伏特之間。
13.如權(quán)利要求10所述的方法，其中施加至該第一輔助柵極的該反轉(zhuǎn)擴散區(qū)域的該高電壓介于4到6伏特之間，而施加至該第二輔助柵極的該反轉(zhuǎn)擴散區(qū)域的該低電壓約為0伏特。
14.一種擦除非易失性存儲元件的方法，該非易失性存儲元件包括襯底、介質(zhì)層、浮動?xùn)艠O、控制柵極、和第一、第二及第三輔助柵極，包含以紫外線照射該非易失性存儲元件。
15.一種擦除非易失性存儲元件的方法，該非易失性存儲元件包括襯底、介質(zhì)層、浮動?xùn)艠O、控制柵極、和第一、第二及第三輔助柵極，該方法包含下列步驟施加高電壓至該第一、第二及第三輔助柵極，以在該襯底內(nèi)形成反轉(zhuǎn)擴散區(qū)域，其中該第一及第三輔助柵極與該浮動?xùn)艠O耦合以形成溝道于該襯底內(nèi)；施加高電壓至該控制柵極；以及施加高電壓至該第一輔助柵極的該反轉(zhuǎn)擴散區(qū)域，及施加低電壓至該第二輔助柵極的該反轉(zhuǎn)擴散區(qū)域。
16.如權(quán)利要求15所述的方法，其中施加至該第一、第二及第三輔助柵極的該高電壓介于2到5伏特之間。
17.如權(quán)利要求15所述的方法，其中施加至該控制柵極的該高電壓介于3到5伏特之間。
18.如權(quán)利要求15所述的方法，其中施加至該第一輔助柵極的該反轉(zhuǎn)擴散區(qū)域的該高電壓介于4到6伏特之間，而施加至該第二輔助柵極的該反轉(zhuǎn)擴散區(qū)域的該低電壓約為0伏特。
19.一種讀取非易失性存儲元件的方法，該非易失性存儲元件包括襯底、介質(zhì)層、浮動?xùn)艠O、控制柵極、和第一、第二及第三輔助柵極，該方法包含下列步驟施加高電壓至該第一、第二及第三輔助柵極，以在該襯底內(nèi)形成反轉(zhuǎn)擴散區(qū)域；施加低電壓至該第一輔助柵極的該反轉(zhuǎn)擴散區(qū)域；施加高電壓至該第二輔助柵極的該反轉(zhuǎn)擴散區(qū)域；以及施加高電壓至該控制柵極。
20.如權(quán)利要求19所述的方法，其中施加至該第一、第二及第三輔助柵極的該高電壓介于6到9伏特之間。
21.如權(quán)利要求19所述的方法，其中施加至該控制柵極的該高電壓介于1到2.5伏特之間。
22.如權(quán)利要求19所述的方法，其中施加至該第一輔助柵極的該反轉(zhuǎn)擴散區(qū)域的該低電壓為0伏特。
23.如權(quán)利要求19所述的方法，其中施加至該第二輔助柵極的該反轉(zhuǎn)擴散區(qū)域的該高電壓介于1到1.6伏特之間。
24.一種非易失性存儲元件，包含襯底；介質(zhì)層，形成于該襯底之上；浮動?xùn)艠O，形成于該介質(zhì)層之上；控制柵極，形成于該介質(zhì)層之上；輔助柵極，形成于該介質(zhì)層之上介于該浮動?xùn)艠O與該控制柵極之間，其中該輔助柵極被配置為當(dāng)施加足夠電壓時會于該襯底內(nèi)形成反轉(zhuǎn)擴散區(qū)域；第一擴散區(qū)域，形成于該襯底之上靠近該浮動?xùn)艠O；以及第二擴散區(qū)域，形成于該襯底之上靠近該控制柵極。
25.如權(quán)利要求24所述的非易失性存儲元件，其中該襯底為p型襯底。
26.如權(quán)利要求24所述的非易失性存儲元件，其中該襯底為n型襯底。
27.如權(quán)利要求24所述的非易失性存儲元件，其中該浮動?xùn)艠O、控制柵極、和輔助柵極可以用單層多晶硅工藝制造。
28.如權(quán)利要求24所述的非易失性存儲元件，其中該輔助柵極及該第一擴散區(qū)域被配置為可以在施加電壓至該輔助柵極及該第一擴散區(qū)域時，可以與該浮動?xùn)艠O耦合。
29.如權(quán)利要求28所述的非易失性存儲元件，其中介于該輔助柵極與浮動?xùn)艠O之間的電容是介電常數(shù)ε乘以該輔助柵極的高度，再乘以該輔助柵極的寬度，然后除以該輔助柵極與該浮動?xùn)艠O之間的距離。
30.如權(quán)利要求29所述的非易失性存儲元件，其中該輔助柵極的高度介于800到1500埃之間。
31.如權(quán)利要求29所述的非易失性存儲元件，其該輔助柵極與該浮動?xùn)艠O之間的距離介于160到300埃之間。
32.如權(quán)利要求28所述的非易失性存儲元件，其中介于該浮動?xùn)艠O與第一擴散區(qū)域之間的電容是介電常數(shù)ε乘以該介質(zhì)層于該浮動?xùn)艠O之下而在該第一擴散區(qū)域之上的長度，再乘以該浮動?xùn)艠O的寬度，然后除以該介質(zhì)層的厚度。
33.如權(quán)利要求32所述的非易失性存儲元件，其中該介質(zhì)層于該浮動?xùn)艠O之下而在該第一擴散區(qū)域之上的長度介于100到300埃之間。
34.如權(quán)利要求32所述的非易失性存儲元件，其該介質(zhì)層的厚度介于50到250埃之間。
35.一種編程一非易失性存儲元件的方法，該非易失性存儲元件包括襯底、介質(zhì)層、浮動?xùn)艠O、控制柵極、位于該介質(zhì)層之上介于該浮動?xùn)艠O與該控制柵極之間的輔助柵極、位于該襯底之上靠近該浮動?xùn)艠O的第一擴散區(qū)域、和位于該襯底之上靠近該控制柵極的第二擴散區(qū)域，該方法包含下列步驟施加高電壓至該輔助柵極，以在該襯底內(nèi)形成反轉(zhuǎn)擴散區(qū)域，其中該輔助柵極與該浮動?xùn)艠O耦合以形成溝道于該襯底內(nèi)；施加高電壓至該控制柵極；施加高電壓至該第一擴散區(qū)域，其中該第一擴散區(qū)域與該浮動?xùn)艠O耦合；以及施加低電壓至該第二擴散區(qū)域。
36.如權(quán)利要求35所述的方法，其中施加至該輔助柵極的該高電壓介于6到9伏特之間。
37.如權(quán)利要求35所述的方法，其中施加至該控制柵極的該高電壓介于0.5到1.5伏特之間。
38.如權(quán)利要求35所述的方法，其中施加至該第一擴散區(qū)域的該高電壓介于4到6伏特之間，而施加至該第二擴散區(qū)域的該低電壓約為0伏特。
39.一種擦除非易失性存儲元件的方法，該非易失性存儲元件包括襯底、介質(zhì)層、浮動?xùn)艠O、控制柵極、位于該介質(zhì)層之上介于該浮動?xùn)艠O與該控制柵極之間的輔助柵極、位于該襯底之上靠近該浮動?xùn)艠O的第一擴散區(qū)域、且位于該襯底之上靠近該控制柵極的第二擴散區(qū)域，該方法包含以紫外線照射該非易失性存儲元件。
40.一種擦除非易失性存儲元件的方法，該非易失性存儲元件包括襯底、介質(zhì)層、浮動?xùn)艠O、控制柵極、位于該介質(zhì)層之上介于該浮動?xùn)艠O與該控制柵極之間的輔助柵極、位于該襯底之上靠近該浮動?xùn)艠O的第一擴散區(qū)域、且位于該襯底之上靠近該控制柵極的第二擴散區(qū)域，該方法包含下列步驟施加高電壓至該輔助柵極，以在該襯底內(nèi)形成反轉(zhuǎn)擴散區(qū)域，其中該輔助柵極與該浮動?xùn)艠O耦合以形成溝道于該襯底內(nèi)；施加高電壓至該控制柵極；施加高電壓至該第一擴散區(qū)域，其中該第一擴散區(qū)域與該浮動?xùn)艠O耦合；以及施加低電壓至該第二擴散區(qū)域。
41.如權(quán)利要求40所述的方法，其中施加至該輔助柵極的該高電壓介于2到5伏特之間。
42.如權(quán)利要求40所述的方法，其中施加至該控制柵極的該高電壓介于3到5伏特之間。
43.如權(quán)利要求40所述的方法，其中施加至該第一擴散區(qū)域的該高電壓介于4到6伏特之間，而施加至該第二擴散區(qū)域的該低電壓約為0伏特。
44.一種讀取非易失性存儲元件的方法，該非易失性存儲元件包括襯底、介質(zhì)層、浮動?xùn)艠O、控制柵極、輔助柵極位于該介質(zhì)層之上介于該浮動?xùn)艠O與該控制柵極之間、第一擴散區(qū)域位于該襯底之上靠近該浮動?xùn)艠O、且第二擴散區(qū)域位于該襯底之上靠近該控制柵極，該方法包含下列步驟施加高電壓至該輔助柵極，以在該襯底內(nèi)形成反轉(zhuǎn)擴散區(qū)域；施加低電壓至該第一擴散區(qū)域；施加高電壓至該第二擴散區(qū)域；以及施加高電壓至該控制柵極。
45.如權(quán)利要求44所述的方法，其中施加至該輔助柵極的該高電壓介于6到9伏特之間。
46.如權(quán)利要求44所述的方法，其中施加至該控制柵極的該高電壓介于1到2.5伏特之間。
47.如權(quán)利要求44所述的方法，其中施加至該第一擴散區(qū)域的該低電壓為0伏特。
48.如權(quán)利要求44所述的方法，其中施加至該第二擴散區(qū)域的該高電壓介于1到1.6伏特之間。
全文摘要
一個非易失性存儲元件，包含襯底及形成于襯底上的介質(zhì)層?？刂茤艠O與浮動?xùn)艠O然后形成于介質(zhì)層之上。且非易失性存儲元件可以使用與目前的互補式金屬氧化物場效應(yīng)晶體管工藝兼容的單層多晶硅工藝來建構(gòu)。此外，一個輔助柵極或是多個輔助柵極可分別形成于靠近以及介于控制柵極與浮動?xùn)艠O之間。此輔助柵極可以用來形成反轉(zhuǎn)擴散區(qū)域于襯底內(nèi)。通過使用輔助柵極來形成反轉(zhuǎn)擴散區(qū)域，可以縮小元件的整體尺寸，及增加元件密度。
文檔編號G11C16/14GK101075643SQ20071010321
公開日2007年11月21日 申請日期2007年5月10日 優(yōu)先權(quán)日2006年5月17日
發(fā)明者郭明昌, 吳昭誼 申請人:旺宏電子股份有限公司