DE69322643T2

DE69322643T2 - Flash e?2 prom zelle mit nur einer polysiliziumschicht

Info

Publication number: DE69322643T2
Application number: DE69322643T
Authority: DE
Inventors: Patrick C. Cupertino Ca 95014 Wang
Original assignee: Lattice Semiconductor Corp
Current assignee: Lattice Semiconductor Corp
Priority date: 1992-06-19
Filing date: 1993-06-18
Publication date: 1999-05-20
Anticipated expiration: 2013-06-19
Also published as: EP0646288A4; WO1994000881A1; EP0646288B1; US5886378A; EP0646288A1; DE69322643D1; JPH08506693A

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG

Die vorliegende Erfindung betrifft Speicherzellen und insbesondere eine Flash-E²FROM-Zelle mit nur einer einzigen Polysilizium enthaltenden Schicht.

BESCHREIBUNG DES STANDES DER TECHNIK

Fig. 1 zeigt eine typische Flash-E²PROM-Zelle 10 des Standes der Technik. Die Zelle 10 setzt sich zusammen aus einem Transistor 11 mit einem Substrat 12 beispielsweise mit P-Leitfähigkeit, mit einer Source 14 und einem Drain 16 mit N-Leitfähigkeit entlang einer Oberfläche des Substrats 12, wobei die Source 14 und der Drain 16 eine Kanalzone 18 entlang der Oberfläche des Substrats 12 zwischen sich definieren. Über der Kanalzone liegt eine Oxidschicht 20, auf der eine erste Polysiliziumschicht 22 angeordnet ist. Auf der Polysiliziumschicht 22 ist eine Oxidschicht 24 angeordnet, auf der sich wiederum eine zweite Polysiliziumschicht 26 befindet. Die Polysiliziumschicht 22 ist das floatende Gate des Transistors 11, während die Polysiliziumschicht 26 dessen Steuergatter ist.
Wie bekannt ist, kann die Schwellenspannung des Transistors 11 durch Zugabe von Elektronen zum floatenden Gate 22 oder durch Wegnahme von Elektronen davon geändert werden. Beim Hinzugeben von Elektronen zum floatenden Gate 22 (Programmieren der Zelle 10), typisch für eine Flash- E²PROM-Zelle, werden das Steuergatter 26 und der Drain 16 auf einer hohen positiven Spannung gehalten, während die Source 14 auf Masseniveau gehalten wird, wobei die Spannung ausreicht, um den Transistor 11 in einen Lawinenzustand zu bringen, sodaß heiße Elektronen durch die Oxidschicht 20 in das floatende Gate 22 passieren. Zur Wegnahme von Elektronen von dem floatenden Gate 22 (Löschen der Zelle 10), wiederum typisch für eine Flash-E²PROM-Zelle, wird eine hohe positive Spannung an die Source 14 angelegt, während das Steuergatter 26 auf Masseniveau gehalten wird, so daß Elektronen von dem floatenden Gate 22 durch die Oxidschicht 20 zur Source 14 gezogen werden.
Es wurde gefunden, daß diese Art von Bauelement, das aufgrund der darin verwendeten zwei Polysiliziumschichten als "Doppel-Poly"-Bauelement bezeichnet wird, nur schwer herzustellen ist, da es für geringfügige Variationen des Herstellungsprozesses empfindlich ist. Dies führt zu Bauelementen, die nicht wunschgemäß oder auch überhaupt nicht funktionieren.
Eine Zelle 30 des Standes der Technik mit nur einer einzigen Polysiliziumschicht 32 ist in den Fig. 2, 3 und 4 dargestellt. Wie darin gezeigt ist, sind im P-Substrat 34 N-Zonen 36, 38, 40 und eine längliche N-Zone 42 ausgebildet, wobei die N-Zonen 36, 38 von der P-Zone 44 und die N-Zonen 38, 40 von der P-Zone 46 getrennt sind.
Eine Oxidschicht 48 (in Fig. 2 der Deutlichkeit halber weggelassen, in den Fig. 3 und 4 jedoch teilweise sichtbar) ist über der so beschriebenen Struktur angeordnet, wobei dünne Zonen 47A, 47B, 47C, 47D über den Zonen 44, 46, 40 und 42 angeordnet sind, wobei jeweils Öffnungen 50, 52, 54 darin über Zonen 36, 38 bzw. 40 definiert sind, und wobei eine dicke Feldoxidschicht 49 den Rest bedeckt.
Die Polysiliziumschicht 32 beinhaltet als Bestandteil ein Polysiliziumgatter 56 eines Transistors 58. Das Gatter 56 ist über dem dünnen Oxidschichtteil 47A über dessen P- Zone 44 liegend ausgebildet, wobei die N-Zonen 36, 38 auf beiden Seiten der P-Zone 44 die Source und den Drain des Transistors 58 definieren, wobei die P-Zone 44 zwischen der Source 36 und dem Drain 38 die Kanalzone des Transistors 58 ist. Die Polysiliziumschicht 32 beinhaltet ferner als Bestandteil das floatende Gate 60 eines Transistors 62, angeordnet auf einem dünnen Oxidabschnitt 47A, der wiederum über der P-Zone 46 liegt, wobei die N-Zone 38 die Source (mit dem Drain 38 des ersten Transistors 58 verbunden) und die N-Zone 40 der Drain davon sind.
Ein Abschnitt 64 der Polysiliziumschicht 32 ist über einer dünnen Oxidschicht 47C angeordnet, die einen Tunnelabschnitt 66 definiert. Die Abschnitte 60, 64 der Polysiliziumschicht 32 sind mit einem Abschnitt 68 der Polysiliziumschicht 32 verbunden, wobei der Abschnitt 68 auf dem dünnen Oxidschichtabschnitt 47D über der N-Zone 42 liegend angeordnet ist. Die Polysiliziumabschnitte 56, 60, 64, 68 sind Bestandteile einer einzelnen Polysiliziumschicht des Bauelementes 30.
Die N-Zone 42 ist das Steuergatter des Transistors 62, wobei der Polysiliziumschichtabschnitt 68 und die N-Zone 42 einen Kondensator 70 wie in Fig. 3 gezeigt bilden, so daß der Polysiliziumschichtabschnitt 60 als das floatende Gate des Transistors 62 agiert.
Es ist leicht ersichtlich, daß dieser Transistor 62 auf die oben beschriebene Weise programmiert oder gelöscht werden kann, wobei die Zugabe von Elektronen zum floatenden Gate 60 durch Anlegen einer hohen positiven Spannung an die N-Zone 42 und Halten des Drains 40 auf Masseniveau erfolgt. Die Wegnahme von Elektronen von dem floatenden Gate 60 erfolgt durch Anlegen einer hohen positiven Spannung an den Drain 40, während die N-Zone 42 auf Masseniveau gehalten wird.
Während die Zelle der Fig. 2, 3 und 4 den Vorteil hat, daß sie nur eine einzige Polysiliziumschicht enthält, können weitere Vorteile in der Zelle realisiert werden, so daß diese für den Einsatz als Flash-E²PROM-Zelle geeignet ist.
Es sind auch Halbleiter-Speicherbauelemente bekannt, die in der US 3 952 325, der EP 045 469 und der US 4 019 197 beschrieben sind. Die US-A-3 952 325 beschreibt ein Speicherbauelement mit Merkmalen gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1.
Die vorliegende Erfindung ist darauf gerichtet, ein verbessertes Speicherbauelement bereitzustellen, insbesondere eine E²EROM-Zelle.
Gemäß der vorliegenden Erfindung wird eine E²PROM-Zelle mit der Verbesserung der kennzeichnenden Merkmale von Anspruch 1 bereitgestellt.
Somit kann eine Speicherzelle für die besondere Verwendung als Flash-E²PROM-Zelle bereitgestellt werden, die nur eine einzige Polysilizium enthaltende Schicht für: (1) das Gatter eines Zugriffstransistors, (2) das floatende Gate eines Flash-E²PROM-Transistors und (3) die Elektrode eines Kondensators beinhaltet, dessen andere Elektrode das Gas des Flash-E²PROM-Transistors ist. Der Flash-E²PROM- Transistor wird mit Hilfe von heißen Elektronen programmiert, die durch das Oxid des Transistors zum floatenden Gate mit dem Flash-E²PROM-Transistor in einem Lawinenzustand fließt, während der Flash-E²PROM-Transistor durch Elektronen gelöscht wird, die durch eine Oxidschicht getunnelt werden, die keine dünne Tunnelzone definieren.

KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN

Fig. 1 ist eine Querschnittsansicht einer Flash-E²PROM- Speicherzelle des Standes der Technik.
Fig. 2 ist eine Draufsicht auf eine andere Flash- E²PROM-Speicherzelle des Standes der Technik.
Fig. 3 ist eine Schnittansicht entlang der Linie 3-3 von Fig. 2.
Fig. 4 ist eine Schnittansicht entlang der Linie 4-4 von Fig. 2.
Fig. 5 ist eine Draufsicht auf eine Flash-E²PROM-Zelle gemäß der vorliegenden Erfindung.
Fig. 6 ist eine Schnittansicht entlang der Linie 6-6 von Fig. 5.
Fig. 7 ist eine Schnittansicht entlang der Linie 7-7 von Fig. 5.
Fig. 8 ist eine Draufsicht auf den Transistor der Fig. 5-7 in einer vereinfachten Form zur Veranschaulichung von Kopplungsverhältnissen.

BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSGESTALTUNG

Wie in den Fig. 5-7 gezeigt, sind in einem P- Substrat 134 längliche N-Zonen 136, 138, 140 und eine längliche N-Zone 142 ausgebildet, wobei die N-Zonen 136, 138 durch die P-Zone 144 und die N-Zonen 138, 140 durch die P-Zone 146 getrennt sind.
Eine Oxidschicht 148 (der Deutlichkeit halber in Fig. 5 weggelassen, in den Fig. 6 und 7 jedoch teilweise sichtbar) ist über dem Substrat wie in der vorherigen Ausgestaltung des Standes der Technik jeweils mit dünnen Zonen 147A, 147B, 147D über den Zonen 144, 146 bzw. 142 angeordnet, wobei Öffnungen 150, 152, 154 jeweils über den Zonen 136, 138, 140 definiert sind, und wobei eine dicke Feldoxidschicht 149 den Rest bedeckt.
Eine Polysiliziumschicht 132 beinhaltet als Bestandteil ein Polysiliziumgatter 156 eines Transistors 158. Das Gatter 156 ist über dem dünnen Oxidschichtabschnitt 147A über dessen P-Zone 144 liegend angeordnet, wobei die N-Zonen 136, 138 auf beiden Seiten der P-Zone 144 die Source und den Drain des Transistors 158 definieren, wobei die P-Zone 144 zwischen der Source 136 und dem Drain 138 die Kanalzone des Transistors 148 ist. Die Polysiliziumschicht 132 beinhaltet ferner als Bestandteil das floatende Gate 160 eines Transistors 162, angeordnet auf dem dünnen Oxidabschnitt 147B, wiederum über der P-Zone 146 liegend, wobei dessen N-Zone 138 die Source (mit dem Drain 138 des ersten Transistors 158 verbunden) und die N-Zone 140 dessen Drain ist, wobei die P-Zone 146 die Kanalzone des Bauelementes ist.
Der Abschnitt 160 der Polysiliziumschicht 132 hat Verbindung mit einem Abschnitt 168 der Polysiliziumschicht 132, der über der N-Zone 142 liegt. Die Polysiliziumabschnitte 156, 160, 168 sind Teile einer einzelnen Polysiliziumschicht des Bauelementes 130.
Die N-Zone 142 ist das Steuergatter der Transistoren 162, wobei der Polysiliziumschichtabschnitt 168 und die N- Zone 142 einen Kondensator 170 wie in Fig. 6 gezeigt bilden, so daß der Polysiliziumschichtabschnitt 160 als floatendes Gate des Transistors 162 agiert.
Während des Programmierens der Zelle 130, d. h. der Addition von Elektronen zum floatenden Gate 160, wird eine hohe positive Spannung an das Steuergatter 142 und den Drain 140 angelegt, während die Source 138 auf Masseniveau gehalten wird, wobei die Spannung ausreicht, um den Transistor 162 in einen Lawinenzustand zu versetzen, so daß heiße Elektronen von der Kanalzone 146 durch die Oxidschicht 147B in das floatende Gate 160 passieren, wodurch die Schwellenspannung des Transistors 162 geändert wird. Das Löschen der Zelle 130 erfolgt durch Elektronentunnelung durch die Oxidschicht 147B durch Anlegen einer hohen positiven Spannung an die Source 138, während das Steuergatter 142 auf Masseniveau gehalten wird.
Der Transistor 158 agiert als Zugangstransistor, der für einen Zugang zum E²PROM-Transistor 162 eingeschaltet werden muß.
Da die Oxidschicht 147B im wesentlichen eine einheitliche Dicke (Fig. 6) aufweist und keinen dünnen Abschnitt wie im Stand der Technik enthält, kann die Zeit zum Löschen der Zelle 130 geringfügig länger sein als in den zuvor beschriebenen Zellen. Da jedoch die Natur einer Flash-E²PROM-Zellenmatrix derartig ist, daß alle Zellen gleichzeitig gelöscht werden, ist die Verzögerung beim Löschen nicht so wichtig wie beim Löschen individueller gewählter Zellen, wo die kumulative Löschzeit individueller Zellen so groß wird, daß eine erhebliche Verzögerung der Gesamtlöschzeit der Matrix entsteht. Aus diesem Grund kann die Zelle der vorliegenden Erfindung weitaus einfacher gestaltet werden als im Stand der Technik und läßt sich dabei doch leicht für den Einsatz in Flash-E²PROM- Technologie anpassen.
Das heißt, die Oxidschicht 147B braucht nicht speziell mit einem Tunnelungsabschnitt ausgebildet zu werden, und die Abmessungen der Zelle im Vergleich zur Zelle der Fig. 2-4 kann reduziert werden, da kein solcher Tunnelungsoxidabschnitt und zugehöriger Polysiliziumschichtabschnitt benötigt werden. Es ist ferner zu bemerken, daß all dies mit nur einer einzigen Polysiliziumschicht im Bauelement erzielt wird, was zu einfachen Herstellungsverfahren und zu einem hohen Ertrag führt.
Es ist zu verstehen, daß als Alternative die Schicht 132 nicht 100% Polysilizium zu sein braucht, sondern z. B. teilweise aus Polysilizium und teilweise aus Silizid bestehen kann.
Zu Beschreibungen von Flash-E²PROM-Matrizen, in denen die vorliegende Zelle vorteilhaft verwendet werden kann, verweise ich auf meine mitanhängige Anmeldung mit der Seriennummer 07/901,357, eingereicht am 19. Juni 1992, mit dem Titel FLASH E²PROM ARRAY, Erfinder Patrick Wang, die sich im selben Besitz befindet wie die vorliegende Anwendung, Attorney Docket Nr. M-2101 US, und die hierin durch Bezugnahme enthalten ist.
Für ein Verständnis des Löschkopplungs- Kapazitätsverhältnisses und des Schreibkopplungs- Kapazitätsverhältnisses, die für den Betrieb eines Bauelementes dieser Art wichtig sind, wird auf Fig. 8 verwiesen.
Die folgenden Definitionen werden verwendet:
A&sub1; = Fläche des Abschnitts der Polysiliziumschicht 132 über der N-Zone 142 liegend;
A&sub2; = Fläche der Source 138 des Transistors, überlagert von einem Abschnitt der Polysiliziumschicht 132;
A&sub2;¹ - Fläche des floatenden Gates 160 der Polysiliziumschicht 132 (beinhaltet Fläche A&sub2;);
A&sub3; = Fläche des Abschnitts der Polysiliziumschicht 132, über der dicken Feldoxidschicht liegend;
TOX1 = Dicke der dünnen Oxidschicht;
TOX2 = Dicke der dicken Oxidschicht;
WEFF = Breite der N-Zone (Fig. 8);
LD = Breite der Source-Zone 138, bedeckt von der Polysiliziumschicht 132 (Fig. 8);
W&sub1; = Breite des Abschnitts der Polysiliziumschicht zur Herstellung des floatenden Gates des Transistors (Fig. 8).
Die Kapazitäten verschiedener Teile des E²PROM- Transistors 162 werden wie folgt bestimmt:
Das Löschkopplungsverhältnis des Transistors 162 wird ausgedrückt als:
Das Schreibkopplungsverhältnis des Transistors 162 wird angegeben als:
Es ist wichtig, daß das Löschkopplungsverhältnis hoch ist, z. B. 0,9 oder höher, um das richtige und wirksame Löschen der Zelle zu erzielen. Das Schreibkopplungsverhältnis kann jedoch niedriger sein, so hat sich beispielsweise ein Wert von 0,6 als ausreichend erwiesen.
Man nehme für ein bestimmtes Bauelement folgendes an:
A&sub1; = 25 um²
Weff = 2,8 um
LD = 0,2 um
(also ist Å&sub2; = 0,56 um²)
A&sub3; = 21 um²
TOX1 = 120 Å
TOX2 = 5000 Å
C&sub1; α 25 um²
C&sub2; α 0,56 um²
C&sub3; α 21 · 120/5000 = 0,504 um²
Dann ist:
Für ein bestimmtes Bauelement sei A&sub1; = 10 um² anstatt 25 um² angenommen:
C&sub1; α 10 um²
C&sub2; α 0,56 um²
C&sub3; α 0,504 um²
Dann ist:
Man nehme A&sub1; = 40 um² anstatt 25 um² an:
C&sub1; α 40 um²
C&sub2; α 0,56 um²
C&sub3; α 0,504 um²
Dann ist:
Zum Programmieren (Schreiben) der Zelle:
C&sub1; A&sub1;
C&sub2;¹ A&sub2;¹
C&sub3; A&sub3;
Man nehme dieselben Dimensionen an wie im obigen Beispiel, und zusätzlich, daß W&sub1; = 1,0 um².
C&sub1; α 25 um²
C&sub1;² α 2,8 um²
C&sub3; α 0,504 um²
Daraus wird ersichtlich, daß Kopplungsverhältnisse zum Löschen äußerst hoch sind, während diejenigen zum Programmieren ebenfalls hoch sind und im Vergleich günstig mit einem Verhältnis von 0,65 für eine konventionelle Flash-E²PROM-Zelle abschneiden.

Claims

1. E²PROM-Zelle, umfassend:

ein Substrat (134) eines ersten Leitfähigkeitstyps mit einer Source-, einer Drain- und einer Steuergatterzone eines zweiten Leitfähigkeitstyps, die entlang einer Oberfläche des Substrats angeordnet sind und in das Substrat (134) verlaufen, wobei die Source- (138) und die Drainzone (140) eine Kanalzone zwischen sich definieren und von der Steuergatterzone getrennt sind,

eine Oxidschicht (148), die auf der Oberfläche des Substrats (134) ausgebildet ist und Abschnitte aufweist, die sich über der Source-, der Drain-, der Kanal- (146) und der Steuergatterzone (142) befinden, und

ein floatendes Gate (160), das über der Oxidschicht (148) ausgebildet ist und Polysilicium umfaßt, wobei

das floatende Gate (160) Teil der einzigen Schicht der Polysilicium enthaltenden Zelle ist, wobei das floatende Gate (160) einzig aus folgendem besteht:

einem ersten Abschnitt, der sich über der Steuergatterzone (142) befindet; und

einem länglichen zweiten Abschnitt, mit:

einem ersten Teil, der sich über Abschnitten der Source- (138) und der Drainzone (140) und über der Kanalzone befindet, und

einem zweiten Teil, der zwischen dem ersten Abschnitt und dem ersten Teil geschaltet ist;

wobei der erste Abschnitt und die Steuergatterzone (142) eine erste Kapazität C&sub1; bilden, wobei der erste Teil des zweiten Abschnitts und die Sourcezone (138) eine zweite Kapazität C&sub2; und der zweite Teil des zweiten Abschnitts und das Substrat eine dritte Kapazität C&sub3; bilden;

wobei der erste Teil des zweiten Abschnitts und die Source- (138), die Drain- (140) und die Kanalzone (146) eine vierte Kapazität C&sub2;¹ bilden;

wobei eine Programmierungsfunktion der Zelle erfolgt, indem heiße Elektronen durch die Oxidschicht (148) in den ersten Teil des zweiten Abschnitts geleitet werden,

dadurch gekennzeichnet, daß die Zelle so aufgebaut ist, daß die erste, die zweite und die dritte Kapazität ein Löschkopplungsverhältnis von (C&sub1;+C&sub3;)/(C&sub1;+C&sub2;+C&sub3;) erzeugt, das gleich oder größer ist als 0,9;

eine Löschfunktion der Zelle erfolgt, indem Elektronen vom ersten Teil des zweiten Abschnitts zur Sourcezone (138) durch die Oxidschicht (148) getunnelt werden; und

die Zelle so aufgebaut ist, daß die erste, die dritte und die vierte Kapazität ein Schreibkopplungsverhältnis von C&sub1;/(C&sub1;+C&sub2;¹+C&sub3;) erzeugen, das gleich oder größer ist als 0,6.

2. E²PROM-Zelle nach Anspruch 1, bei der ein Abschnitt der Oxidschicht (148), der sich unter dem ersten Teil des zweiten Abschnitts befindet, eine im wesentlichen gleichförmige Dicke hat.

3. E²PROM-Zelle nach Anspruch 1, bei der ein Abschnitt der Oxidschicht (148), der sich unter dem ersten Teil des zweiten Abschnitts befindet, keinen dünntunelligen Oxidabschnitt beinhaltet.