專利名稱：一種低壓快速非揮發(fā)存儲(chǔ)器編程方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種針對半導(dǎo)體非揮發(fā)性存儲(chǔ)器的編程方法，尤其是基于多阱浮柵結(jié)構(gòu)的一種快速有效的低壓編程方法。
背景技術(shù)：
閃存作為一種非揮發(fā)性的存儲(chǔ)器件從發(fā)明以來得到了快速的發(fā)展，作為快速存儲(chǔ)的典型代表他在如數(shù)碼相機(jī)、U盤、手機(jī)等領(lǐng)域都有發(fā)揮了很好的應(yīng)用價(jià)值，浮柵型結(jié)構(gòu)的閃存單元在非揮發(fā)存儲(chǔ)器領(lǐng)域一直被廣泛應(yīng)用，尤其是多阱工藝的浮柵結(jié)構(gòu)，多阱工藝的浮柵結(jié)構(gòu)有雙阱工藝、三阱工藝等，如圖1所示一種常見的結(jié)構(gòu)，他包含P型襯底0，在P型襯底中注入形成深N阱1，在深N阱中再次通過注入形成P阱3，然后通過兩個(gè)高濃度注入形成η+的區(qū)域作分別為漏極4和源極8，在源漏直接襯底表面從底部到頂層分別為底層介質(zhì)7，浮柵6，頂層介質(zhì)5，控制柵4。這種多阱結(jié)構(gòu)被廣泛應(yīng)用于浮柵型閃存器件中，目的是為了降低器件之間的干擾，比如可以通過在深N阱加一個(gè)正向電壓使ρη結(jié)反向偏壓，起到有效隔離器件的作用，目前浮柵型結(jié)構(gòu)仍然起著很重要的作用。并向著更小尺寸更低功耗進(jìn)行發(fā)展。隨著器件尺寸的不斷縮小，要求器件的操作電壓不能太高，傳統(tǒng)的浮柵器件編程過程中可以通過在柵和襯底之間加一個(gè)正向偏壓，電子通過FN隧穿形式進(jìn)入氧化層，電子進(jìn)入浮柵后使器件的閾值電壓發(fā)生變化。如圖2表示了該操作方式，這種編程方式電流小效率高，但是這種工作方式要求足夠的隧穿電場，所以需要很高的操作電壓，在設(shè)計(jì)過程中帶來不便。而且隧穿帶來的氧化層缺陷也容易導(dǎo)致一些可靠性問題。另外一種重要的編程形式是溝道熱單子注入方式CHE (如圖3)，操作過程中源漏加一個(gè)4V以上的電壓，柵壓大約在9V左右，電子在溝道運(yùn)行過程中在柵壓橫向電場的作用下如果能量高于底層介質(zhì)的勢壘，就可以越過介質(zhì)層勢壘高度進(jìn)入浮柵，在編程過程中漏端會(huì)有很大的一個(gè)電流，而且電流其中只有很少部分電子才可以進(jìn)入浮柵存儲(chǔ)層，所以效率不高。為了進(jìn)一步降低操作電壓提高編程速度一直是一個(gè)比較重要的研究問題。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明目的是提出一種基于傳統(tǒng)的浮柵閃存結(jié)構(gòu)和基于低壓快速非揮發(fā)存儲(chǔ)器編程方法，尤其是基于多阱工藝結(jié)構(gòu)的浮柵閃存結(jié)構(gòu)，提出一種利用正偏ρη結(jié)電子注入編程方式，有效降低編程電壓提高編程速度。本發(fā)明的技術(shù)方案是基于低壓快速非揮發(fā)存儲(chǔ)器及編程方法，低壓快速編程方式所涉及的器件結(jié)構(gòu)是1)采用P型半導(dǎo)體襯底02)半導(dǎo)體襯底中通過離子注入形成深N阱13)深N阱中通過注入形成頂層P阱24)P阱中通過注入形成η+源區(qū)及源極8和η+漏區(qū)及漏極3
5)在源漏區(qū)之間襯底表面從下到上依次為底層介質(zhì)7，浮柵6，控制柵介質(zhì)5，控制柵極4 ；其中深N阱與P阱形成底部pn結(jié)，而源漏兩區(qū)和P阱形成兩個(gè)pn結(jié)，稱為源漏pn結(jié)。 在編程過程中，在控制柵極加一個(gè)正向電壓以提供電子注入電場，源極8和漏極3 接地，深N阱1接地，通過控制P阱2電壓從高到低兩段電壓的變化來實(shí)現(xiàn)器件的編程；在控制柵極4加一個(gè)正向電壓Vgp，源極8接電壓Vsp和漏極3接電壓Vdp，深N阱1接電壓 Vnp，通過控制P阱2電壓從高到低兩段電壓的變化來實(shí)現(xiàn)器件的編程；編程各個(gè)端口波形參考示例圖4 ；編程開始第一階段，P阱2所加電壓Vp1較高要使底部pn結(jié)和源漏pn結(jié)都處于正向偏壓狀態(tài)，第一階段因底部Pn結(jié)處于正偏狀態(tài)，有明顯的電子電流會(huì)從深N阱1向P阱 2方向移動(dòng)，同時(shí)源漏區(qū)也有電子向P阱2注入；編程第二階段P阱2所加電壓Vp2使源漏pn結(jié)處于反向偏壓，在第二個(gè)電壓階段， P阱2的電壓迅速反向，因?yàn)闁艍阂呀?jīng)存在，來自深N阱1的電子會(huì)更迅速的在P阱電壓和柵極電壓的驅(qū)動(dòng)下以熱電子的方式注入浮柵6，而源漏區(qū)注入的電子也會(huì)在反向pn結(jié)電場和柵極電場的驅(qū)動(dòng)下反向運(yùn)動(dòng)，同樣，如果電子能力足夠高也會(huì)以熱電子的方式注入浮柵 6，最終實(shí)現(xiàn)編程，使器件閾值發(fā)生明顯的變化。從t = 0時(shí)刻起，柵極電壓Vgp為IV 8V，脈沖寬度持續(xù)時(shí)間T3,源極跳變?yōu)閂sp， 脈沖寬度持續(xù)時(shí)間τ3，Vsp為OV 3V，漏端跳變?yōu)閂dp，脈沖寬度持續(xù)時(shí)間T3，Vdp為OV 3V,深N阱跳變?yōu)閂np，脈沖寬度持續(xù)時(shí)間T3，Vnp為OV 3V，控制P阱電壓首先跳變?yōu)閂p1, 脈沖寬度持續(xù)時(shí)間TnVp1為IV 4V，本階段為第一階段；在第二階P阱電壓從Vp1跳變?yōu)?Vp2,脈沖寬度持續(xù)時(shí)間T2，Vp2為-5V -IV，其中T1和T2兩段時(shí)間總長度要小于或等于Τ3。 同時(shí)在編程過程中要求 Vpl > Vnp > Vp2, Vpl > Vsp > Vp2. Vpl > Vdp > Vp2。本發(fā)明的有益效果是由于整個(gè)操作過程中是基于熱電子注入的原理，pn結(jié)正向情況下，通過較小的電壓就可以獲得大量的電子即較高的編程電流，電子只要能量大于介質(zhì)層勢壘就可以進(jìn)入浮柵，這樣也不需要很高的加速電場，另外在電子注入過程中電子來源是有源漏pn結(jié)和底層pn結(jié)，三個(gè)電子來源很大程度上可以增加編程速度，所以很好的實(shí)現(xiàn)了低壓快速編程的效果。編程過程中沒有高壓操作，很好的改善了高壓及其帶來的可靠性問題。


圖1為本發(fā)明編程方式所涉及的器件結(jié)構(gòu)。圖2為傳統(tǒng)的浮柵采用FN編程方式示意圖。圖3為傳統(tǒng)的浮柵采用熱電子注入CHE編程方式示意圖。圖4為本發(fā)明低壓快速編程方式編程電壓脈沖波形示例。圖fe為本發(fā)明低壓快速編程過程中第一階段電子轉(zhuǎn)移示意圖。圖恥為本發(fā)明低壓快速編程過程中第二階段電子轉(zhuǎn)移示意圖。圖6a為本發(fā)明低壓快速編程過程中電子轉(zhuǎn)移能帶圖。圖6b為本發(fā)明低壓快速編程方式編程過程電子轉(zhuǎn)移圖。
具體實(shí)施例方式下面根據(jù)附圖詳細(xì)說明非揮發(fā)存儲(chǔ)器及低壓快速編程方式的具體過程。本發(fā)明編程方式所涉及的器件結(jié)構(gòu)為傳統(tǒng)浮柵型器件結(jié)構(gòu)，而且是基于多阱工藝的結(jié)構(gòu)，器件結(jié)構(gòu)如圖1所示。其中具體包括P型半導(dǎo)體襯底0，半導(dǎo)體襯底中注入形成深 N阱1，深N阱中通過注入形成頂層P阱2，P阱中摻雜形成η+源極8和η+漏極3，在源漏極間的溝道正上方依次為隧穿氧化層7，浮柵6，頂層介質(zhì)5，控制柵電極4。其中溝道下面雙阱(深N阱，P阱)形成的底部ρη結(jié)，源區(qū)和漏區(qū)與P阱形成源漏ρη結(jié)，源極和漏極可以是采用對稱的結(jié)構(gòu)或非對稱的結(jié)構(gòu)。浮柵存儲(chǔ)器一種經(jīng)常用的編程方式是FN隧穿，如圖2為浮柵存儲(chǔ)器采用FN編程方式示意圖，在編程的過程中通過在柵極4加一個(gè)編程高壓(15V)，P阱2接地，源極8和漏極3接地，柵極4所加電壓要能夠在底層介質(zhì)7兩面施加足夠高的電場才能使電子發(fā)生隧穿進(jìn)入浮柵6，編程電壓往往要高達(dá)15V。另外一種較為常用的閃存編程方式為溝道熱電子注入方式(CHE)，如圖3為浮柵存儲(chǔ)器采用熱電子(CHE)編程方式示意圖，該操作方式還廣泛用于諸如納米晶等電荷俘獲型存儲(chǔ)器件，編程過程中在柵極4加一個(gè)電壓約9V，P阱2和源極8接地，漏端3加一個(gè)大于3. 2V的電壓，如4. 5V。電子在溝道加速的過程中能量高于底層介質(zhì)7勢壘的電子就可以在柵極電場的驅(qū)動(dòng)下越過底層介質(zhì)7進(jìn)入浮柵6，使器件閾值發(fā)生變化。該編程過程中因?yàn)闁艍焊邏浩骷撝惦妷?，溝道電流很大，所以編程過程中漏端電流很大，另外，電子中很大一部分是作為暗電流流過漏端，只有一小部分電子可以進(jìn)入浮柵，效率比較低。本發(fā)明所述一種快速低壓編程方式結(jié)合了低壓和快速編程的優(yōu)點(diǎn)，通過采用多阱結(jié)構(gòu)，利用底部Pn結(jié)和源漏ρη結(jié)電子注入，可以實(shí)現(xiàn)很好的編程性能，如圖4為各個(gè)端口所加電壓脈沖典型操作示例，其中，在t = 0時(shí)刻之前為空閑態(tài)，t = 0時(shí)刻后為編程過程操作，如圖4所示，從t = 0時(shí)刻起，柵極電壓跳變?yōu)閂gp，本例中可以為6V，脈沖寬度持續(xù)時(shí)間T3，源極跳變?yōu)閂sp，脈沖寬度持續(xù)時(shí)間T3，本例中Vsp為0V，漏端跳變?yōu)閂dp，脈沖寬度持續(xù)時(shí)間T3，本例中Vdp為0V，控制P阱電壓首先跳變?yōu)閂p1，脈沖寬度持續(xù)時(shí)間T1，本例中Vp1為lv，本階段為第一階段。然后在第二階P阱電壓從Vp1跳變?yōu)閂p2,脈沖寬度持續(xù)時(shí)間Τ2，本例中Vp2為-4V，其中T1和T2兩段時(shí)間總長度要小于或等于Τ3。在第一階段因?yàn)榈撞喀薛墙Y(jié)和源漏ρη結(jié)為正向偏壓，有明顯的電流會(huì)流過ρη結(jié) (圖fe所示為第一階段電子轉(zhuǎn)移圖)，其中底部Pn結(jié)電子在向著正上方運(yùn)動(dòng)，即向P阱2注入大量電子，另外源極8和漏極3也會(huì)有大量電子注入P阱2。在第二階段(圖恥所示為第二階段電子轉(zhuǎn)移示意圖)即T2區(qū)間內(nèi)，源漏ρη結(jié)突然反向偏壓，而且P阱2電場反偏會(huì)底層氧化層7正下方形成一個(gè)耗盡層電場，對電子而言即向底層介質(zhì)7反向加速的一個(gè)驅(qū)動(dòng)電場，所以P阱中的電子包含源漏Pn結(jié)和底部ρη結(jié)在第一階段注入到P阱2中的電子會(huì)在這個(gè)電場的驅(qū)動(dòng)下迅速向表面加速，當(dāng)能量超過底層介質(zhì)7的勢壘高度的時(shí)候，電子注入浮柵，如圖6a為電子由P阱2向浮柵轉(zhuǎn)移過程能帶示意圖，其中a過程代表注入的電子加速，b過程代表熱電子越過底層介質(zhì)7進(jìn)入浮柵6。通過第二階段可以有效的將P阱中的電子轉(zhuǎn)移到浮柵中，使器件閾值電壓發(fā)生明顯的變化。另外可以通過調(diào)節(jié)不同的編程電壓和編程時(shí)間可以獲得不同的編程速度，如可以取T1為1μ s 10 μ s，T2可以為10μ s Ims0整個(gè)過程電子來源和轉(zhuǎn)移過程可以用圖6b來表示，在整個(gè)操作過程中有三個(gè)電子來源分別是源區(qū)8、漏區(qū)3、深N阱1，多通道的電子來源也使得該編程方式速度較快。
在實(shí)際操作中各個(gè)電壓條件并不緊限于以上示例，其中從t = 0時(shí)刻開始源漏電壓(Vsp和Vdp)可以為正偏壓脈沖，深N阱1的電壓Vnp也可以為負(fù)偏壓脈沖，但要保證在編程開始(t = 0時(shí)刻后)過程中T1階段底部pn結(jié)和源漏pn結(jié)正向偏壓，T2階段源漏pn 結(jié)反偏，而且在T1或T2階段柵極脈沖Vgp要一直存在以提供加速電場。
權(quán)利要求
1.基于低壓快速非揮發(fā)存儲(chǔ)器及編程方法，其特征是低壓快速編程的非揮發(fā)存儲(chǔ)器結(jié)構(gòu)是1)采用P型半導(dǎo)體襯底，2)半導(dǎo)體襯底中通過離子注入形成深N阱，3)深N阱中通過注入形成頂層P阱，4)P阱中通過注入形成η+源區(qū)及源極和η+漏區(qū)及漏極，5)在源漏區(qū)之間襯底表面從下到上依次為底層介質(zhì)，浮柵，控制柵介質(zhì)，控制柵極；其中深N阱與P阱形成底部ρη結(jié)，而源漏兩區(qū)和P阱形成兩個(gè)ρη結(jié)，稱為源漏ρη結(jié)；在編程過程中，在控制柵極加一個(gè)正向電壓以提供電子注入電場，源極8和漏極3接地，深N阱1接地，通過控制P阱2電壓從高到低兩段電壓的變化來實(shí)現(xiàn)器件的編程；在控制柵極4加一個(gè)正向電壓Vgp以提供電子注入電場，源極8接電壓Vsp和漏極3接電壓Vdp， 深N阱1接電壓Vnp，通過控制P阱2電壓從高到低兩段電壓的變化來實(shí)現(xiàn)器件的編程；編程開始第一階段，P阱2所加電壓Vp1較高要使底部ρη結(jié)和源漏ρη結(jié)都處于正向偏壓狀態(tài)，第一階段因底部Pn結(jié)處于正偏狀態(tài)，有明顯的電子電流會(huì)從深N阱1向P阱2方向移動(dòng)，同時(shí)源漏區(qū)也有電子向P阱2注入；編程第二階段P阱2所加電壓Vp2使源漏ρη結(jié)處于反向偏壓，在第二個(gè)電壓階段，P阱 2的電壓迅速反向，因?yàn)闁艍阂呀?jīng)存在，來自深N阱1的電子會(huì)更迅速的在P阱電壓和柵極電壓的驅(qū)動(dòng)下以熱電子的方式注入浮柵6，而源漏區(qū)注入的電子也會(huì)在反向ρη結(jié)電場和柵極電場的驅(qū)動(dòng)下反向運(yùn)動(dòng)，同樣，如果電子能力足夠高也會(huì)以熱電子的方式注入浮柵6，最終實(shí)現(xiàn)編程，使器件閾值發(fā)生明顯的變化。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于低壓快速非揮發(fā)存儲(chǔ)器及編程方法，其特征是從t= 0 時(shí)刻起，柵極電壓Vgp為IV 8V，脈沖寬度持續(xù)時(shí)間T3，源極跳變?yōu)閂sp，脈沖寬度持續(xù)時(shí)間T3, Vsp為OV 3V，漏端跳變?yōu)閂dp，脈沖寬度持續(xù)時(shí)間T3, Vdp為OV 3V，深N阱跳變?yōu)閂np，脈沖寬度持續(xù)時(shí)間T3，Vnp為OV 3V，控制P阱電壓首先跳變?yōu)閂p1,脈沖寬度持續(xù)時(shí)間TnVp1為IV 4V，本階段為第一階段；在第二階P阱電壓從Vp1跳變?yōu)閂p2，脈沖寬度持續(xù)時(shí)間T2，Vp2為-5V -IV，其中T1和T2兩段時(shí)間總長度要小于或等于T3。同時(shí)在編程過程中要求 Vpl > Vnp > Vp2, Vpl > Vsp > Vp2. Vpl > Vdp > Vp2。
全文摘要
基于低壓快速非揮發(fā)存儲(chǔ)器及編程方法，在編程過程中，在控制柵極加正向電壓以提供電子注入電場，源極和漏極接地，深N阱接地，控制P阱電壓從高到低兩段電壓的變化來實(shí)現(xiàn)器件的編程；在控制柵極加正向電壓Vgp以提供電子注入電場，源極接電壓Vsp和漏極接電壓Vdp，深N阱接電壓Vnp，通過控制P阱電壓從高到低兩段電壓的變化來實(shí)現(xiàn)器件的編程；P阱所加電壓Vp1較高要使底部pn結(jié)和源漏pn結(jié)都處于正向偏壓狀態(tài)，因底部pn結(jié)處于正偏狀態(tài)，有明顯的電子電流會(huì)從深N阱向P阱方向移動(dòng)，同時(shí)源漏區(qū)也有電子向P阱注入；電子以熱電子方式進(jìn)入浮柵，操作電壓較低，而且編程電流大，具有低壓快速的編程效果。
文檔編號H01L27/115GK102437128SQ201110393558
公開日2012年5月2日 申請日期2011年12月2日 優(yōu)先權(quán)日2011年12月2日
發(fā)明者卜曉峰, 吳春波, 吳福偉, 夏好廣, 徐躍, 閆鋒, 馬浩文 申請人:南京大學(xué)