[发明专利]使用单晶体管的高密度半导体存储单元和存储器陈列

说明书

技术领域

本发明涉及非易失性可编程半导体存储器，特别涉及通过晶体管栅极氧化物的击穿而编程的单晶体管存储单元，以及结合了这种存储单元的存储器阵列。

背景技术

当电源移除时，非易失性存储器仍然保留已储存的数据，这是许多不同种类的电子器件所期望的。可编程只读存储器(“PROM”)是一种一般可买到的非易失性存储器，其使用字线-位线交叉点元件，如熔丝、反熔丝以及俘获电荷器件，如浮栅雪崩注入金属氧化物半导体(“FAMOS”)晶体管，来储存逻辑信息。

Reisinger等人在美国专利第6,215,140号中公开一种使用电容内二氧化硅层的击穿以储存数字数据的PROM单元的实例。由Reisinger等人公开的基本PROM，使用氧化物电容器与结型二极管的一系列结合作为交叉点元件(术语“交叉点”指字线与位线的交叉)。未受影响的电容器表示逻辑值0，而被电击穿的电容器表示逻辑值1。调整二氧化硅层的厚度以得到期望的操作规格。二氧化硅层具有约10C/cm²(库仑/cm²)的击穿电荷。如果10伏特电压施加到厚度为10nm的电容器电介质上(所产生的电场强度为10mV/cm)，产生约1mA/cm²的电流流动。使用10伏特的电压，会产生用于存储单元编程的相对大量的时间。然而，为了减少电击穿过程中发生的高功率损耗，将电容器电介质设计的较薄会比较有利。举例而言，具有厚度为3～4nm的电容器电介质的存储单元结构，可以在约1.5V电压下工作。电容器电介质在该电压下仍不会击穿，故1.5V足以从存储单元中读取数据。例如，数据在5V下被存储，在这种情况下可以在约1毫秒内对存储单元结构中的一个单元串编程。那么在这种情况下，电容器电介质每cm²的能量损失大约是50瓦特(10库仑×5V)。如果所期望的功率损耗大约是0.5W，则大约需要100秒对1GB的存储器编程。如果可允许的功率损耗更高一些，则相应地可以更快地进行编程。

一些类型的非易失性存储器可以被重复地编程和擦除，其中包括通常被称作EFROM的可擦除可编程只读半导体存储器，以及通常被称作EEPROM的电可擦除可编程只读半导体存储器。EPROM存储器通过施加紫外光被擦除，且通过施加各种电压被编程，而EEPROM的擦除和编程都是通过施加各种电压实现的。EPROM和EEPROM具有通常已知为浮栅的适合的结构，根据将被存储在其上的数据对其充电或放电。浮栅上的电荷确定该器件的阈值电压或V_T，当读取存储器以确定其中存储的数据时感测该电压。通常，人们致力于使这些类型的存储单元中的栅极氧化物应力最小化。

被称为金属氮化物氧化物硅(“MNOS”)器件的器件其沟道位于源和漏之间的硅中并被栅极结构覆盖，该栅极结构包括二氧化硅层、氮化硅层和铝层。通过向该栅极施加适当的电压脉冲，MNOS器件可在两个阈值电压状态V_TH(high)和V_TH(low)之间转换，其使得电子在氧化物-氮化物栅极中被俘获(V_TH(high))或被逐出氧化物-氮化物栅极(V_TH(low))。同样，人们也致力于使这些类型的存储单元中的栅极氧化物应力最小化。

在Hoffman等的美国专利No.4,037,243中，公开了一种结击穿存储单元，其使用在栅控二极管的栅极上存储的电荷来存储逻辑值0和1。使用在栅控二极管的p型电极和栅极电极之间形成的电容将电荷存储在栅极上。通过在由二氧化硅和氮化硅层形成的电容器中的复合电介质代替二氧化硅以加强电荷存储。向栅控二极管的电极施加擦除电压使得氧化物-氮化物界面表面填充负电荷，在擦除操作结束后所述负电荷被保持。该负界面电荷使得该栅控二极管即使在移去擦除电压后也能够在感应结(induced junction)模式下工作。之后当读取该栅控二极管时，其表现出沟道的感应场结击穿，且饱和电流流过。场感应结击穿电压低于金属结击穿电压。然而，向该栅控二极管的电极施加写电压使得二氧化硅/氮化硅界面填充正电荷，该正电荷在写操作完成后被保持。之后，当该栅控二极管被读取时，由于没有沟道存在其将不会击穿。只有微小电流流动。这些不同的电流被感测并表示不同的逻辑状态。