[发明专利]利用超薄介质击穿现象的半导体存储器单元和存储器阵列

说明书

                            技术领域

本发明的内容涉及不挥发性可编程半导体存储器，更具体的说是利用超薄介质(如MOS栅介质)存储数字信息的不挥发性可编程半导体存储器单元和采用这种单元的存储器阵列。

                            背景技术

不挥发性存储器在取消电源后仍能保持存储的数据。这在许多不同种类的计算机和其它电子设备中是必不可少的或者起码是非常期望的。通常的一种不挥发性存储器是可编程只读存储器(“PROM”)，它利用诸如熔丝、反熔丝之类的字线/位线交叉点元件和诸如浮置栅雪崩注入金属氧化物半导体(“FAMOS”)晶体管之类的俘获电荷器件来存储逻辑信息。PROM一般是不可再编程的。

2001年4月10日颁发给Reisinger等人的美国专利(美国专利号：6,215,140)所披露的利用电容中二氧化硅层的击穿来存储数字数据的一种PROM单元就是一个例子。Reinsinger等人所披露的基本PROM就是利用一个氧化物电容和一个结形二极管作为交叉点元件组合而成。一个完整的电容代表逻辑值0，一个电击穿电容代表逻辑1。二氧化硅层的厚度调节到能够获得所需要的性能规范。二氧化硅的击穿电荷约为10C/cm²(库仑/cm²)。如果给厚度为10nm的电容介质加上一个10V的电压(获得的场强为10mV/cm)，就会有约1mA/cm²的电流流动。在10V下就会有大量的时间来对一个存储器单元进行编程。然而，为了减小在电击穿时出现的大的功率损失，将电容的介质设计得更薄一些更为有利。例如，电容介质厚度为3～4nm的一个存储器单元可在约1.5V下工作。在这个电压下，电容介质仍不会击穿。因此对于从存储器单元读出数据来说，1.5V是足够的了。数据在比如说5V下存储，在此情况下一个存储单元结构中的一个单元线束可在1ms时间内完成编程。在这种情况下每cm²电容介质的能量损失大约是50瓦(10库仑×5V)。如果所要求的功耗是0.5瓦，完成一个1000兆位存储器的编程需要大约100秒的时间。如果允许的功耗更大，完成编程的时间相应的就可更快一些。

有些类型的不挥发性存储器能够反复编程和擦除，包括通常称为EPROM的可擦可编只读半导体存储器和通常称为EEPROM的电可擦可编只读半导体存储器。EPROM存储器用紫外光擦除，用各种电压编程；而EEPROM则用各种电压进行擦除和编程。EPROM和EEPROM都有合适的结构根据待存储的数据进行充电和放电，这些结构通常称之为浮置栅。浮置栅上的电荷建立起器件的阈值电压，即V_T，在存储器被读出时该电压就被读出以确定那里所存储的数据。一般，这些种类的存储器单元的研究工作都是致力于尽量减小栅氧化层的应力。

有一种器件称之为金属—氮化物—氧化物—硅(“MNOS”)器件，它的沟道位于源和漏之间的硅中，其上覆盖着由一层二氧化硅层、一层氮化硅层和一层铝层构成的一种栅结构。MNOS器件通过给栅加上适当的电压脉冲可在两种阈值电压态(V_阈值(高)和V_阈值(低))之间转换。这种转换使电子被俘获在氧化层—氮化层栅中(V_阀值(高)或者从氧化层—氮化层栅中(V_阈值(低))被驱赶出来。一般这些种类的存储器单元的研究工作是致力于尽量减小栅氧化层的应力。

1997年7月19日颁发给Hoffman等人的美国专利(专利号：4,037,243)披露了一种利用一种栅控二极管的栅上存储的电荷来存储逻辑0和逻辑1的结击穿存储器单元。电荷通过利用栅控二极管的P-型电极和栅电极之间形成的电容存储在栅上。在介质中用二氧化硅和氮化硅层代替二氧化硅形成的电容可使电荷存储得到增强。在栅控二极管的电极上加上擦除电压会使氧化层-氮化层界面充满负电荷，该负电荷在擦除操作完成以后得到保持。这种负的界面电荷是栅控二极管即使在消除了擦除电荷以后也会在一种感应的结模式下工作。此后在读出栅控二极管时，其沟道就表现出一种场感应结击穿而出现饱和电流流动。场感应结击穿电压低于金相结击穿电压。然而，给栅控二极管的电极加上一个写电压会使二氧化硅/氮化硅界面充满正电荷，该正电荷在写操作完成后仍被保持。此后在读出栅控二极管时，栅控二极管会被击穿。因为这时不存在沟道。