[发明专利]新颖的低功率非易失性存储器和栅极堆叠

说明书

技术领域

本发明大体上涉及集成电路，且更确切地说，本发明涉及非易失性存储器装置。

背景技术

通常将存储器装置提供为计算机中的内部存储区域。存储器这个术语指代集成电路芯片形式的数据存储设备。现代电子设备中使用的有若干不同类型的存储器，一种常见类型是RAM(随机存取存储器)。RAM特性上用于计算机环境下的主存储器。RAM充当读取和写入存储器；也就是说，既可将数据写入到RAM中，也可从RAM读取数据。这与只读存储器(ROM)形成对照，ROM只允许读取数据。例如动态RAM(DRAM)、静态RAM(SRAM)和同步DRAM(SDRAM)等大多RAM是易失性的，这意味着其需要稳定的电流动来保持其内容。一旦断电，RAM中的任何数据都会损失。

计算机几乎总是含有少量保存用于启动计算机的指令的ROM。与RAM不同的是，ROM无法被写入。EEPROM(电可擦除可编程只读存储器)是一种特殊类型的非易失性ROM，可通过使其经受充电而将其擦除。EEPROM包括存储器阵列，所述阵列包含大量具有电隔离栅极的存储器单元。将数据以浮动栅极或与栅极相关联的浮动节点上的电荷的形式存储在存储器单元中。可随机地通过为浮动节点充电将EEPROM存储器阵列内的每一单元电编程。也可通过擦除操作将电荷从浮动节点中随机移除。分别通过专门的编程和擦除操作将电荷传输到各个浮动节点或从各个浮动节点中将电荷移除。

又一类型的非易失性存储器是闪速存储器。闪速存储器是这样一种类型的EEPROM：其通常用块的形式而不是用每次单个位或一个字节(8或9位)的形式擦除和再编程。典型的闪速存储器包括存储器阵列，所述阵列包含大量存储器单元。每一存储器单元包含浮动栅极场效应晶体管(FET)，其能够保持电荷。通过浮动栅极/电荷捕获层中是否存在电荷来确定单元中的数据。通常将单元分组成多个称为“擦除块”的区段。可随机地通过为浮动栅极充电将擦除块内的每一单元电编程。可通过块擦除操作从浮动栅极中移除电荷，其中擦除块中的所有浮动栅极存储器单元都在单个操作中被擦除。

EEPROM存储器阵列和闪速存储器阵列两者中的存储器单元通常被设置成“NOR”结构(每一单元直接耦合到位线)或“NAND”结构(单元耦合成单元“串”，使得每一单元间接耦合到位线并需要激活串中的其它单元才能存取)。

浮动栅极存储器单元通常通过借助沟道热载流子注射(CHE)将电子注射到浮动栅极，从而将单元置于高阈值电压状态来受到编程，且可通过来自衬底的热空穴注射而被擦除。或者，可通过借助Fowler-Nordheim隧穿从衬底进行电子隧穿或向衬底进行电子隧穿以便将单元置于编程或擦除阈值状态而对浮动栅极存储器单元进行编程和擦除。所述两种机制都需要大量的功率，并且需要在存储器装置中产生高正负电压，所述电压可在栅极绝缘层上产生高电场，从而对装置的特性和可靠性产生不良影响。

CHE、热空穴注射和Fowler-Nordheim隧穿的一个问题是，其操作所需的高能量会损坏装置材料，从而减少存储器单元的寿命和耐久性。其还可消耗大量功率，而这在便携装置中是一个问题。此外，高电压和电场限制了阵列及其支持电路的装置特征缩放性，并显著减缓所得装置的写入、读取和擦除速度。确切地说，对于闪速存储器装置类型，CHE电子注射可能产生界面状态，使装置跨导降级，并且增强会影响电荷保持的反向隧穿和读取干扰。Fowler-Nordheim隧穿和热空穴注射可能在隧穿绝缘体中产生固定电荷中心，并在捕获层中产生浅陷阱和缺陷，因而打破稳定的键并最终使装置的绝缘体/电介质特性降级(将装置耐久性局限于小于10⁶次编程/擦除循环的典型寿命)。此种高功率、高电压、缓慢的存取速度、有限的耐久性和缩放困难性是大多常用非易失性存储器装置的典型特征。

理想或通用的存储器将结合RAM的高速度、低功率和实际上无限的(10¹²到10¹⁵次编程/擦除循环)写入和擦除耐久性与非易失性存储器的非易失性长期数据保持特性。此种存储器装置可由系统设计者用来在计算机系统中和便携装置中补充乃至完全取代RAM和ROM/闪速/非易失性存储器。

出于上述原因，且出于所属领域的技术人员在阅读和理解本说明书之后将容易了解的下述其它原因，此项技术中需要用于允许具有高速写入/读取/擦除存取、低电压编程和擦除、低功率使用、装置特征缩放性和实际上无限的耐久性的非易失性存储器的非易失性存储器单元的方法和设备。

发明内容