[发明专利]MTP器件的单元结构及其操作方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种NVM(Non Volatile Memory，非易失性存储器)，特别是涉及一种MTP(Multi-Time Programmable，可多次编程)的NVM器件。

背景技术

中国发明专利申请公布说明书CN101373634A(公开日2009年2月25日)公开了一种MTP器件单元结构，其可以通过普通的CMOS逻辑工艺制造，而无需增加任何额外的掩膜或工艺步骤。

请参阅图1a，上述专利申请所公开的一种现有的MTP单元结构包括选择晶体管10、编程晶体管20和擦除晶体管30。选择晶体管10的源极11作为漏端BL，选择晶体管10的栅极12作为选择端SG，选择晶体管10的漏极13与编程晶体管20的源极21相连接。编程晶体管20的栅极与擦除晶体管30的栅极为同一个浮栅(floating poly)22。编程晶体管20的漏极23、选择晶体管10所在n阱14、编程晶体管20所在n阱24三者相连接，并作为编程端WL。擦除晶体管30的源极31和漏极33连接在一起作为擦除端EG。擦除晶体管30所在p型衬底或n阱34接地。

图1a所示的MTP器件单元结构中，选择晶体管10为PMOS，位于n阱14中；编程晶体管20也是PMOS，位于n阱24中；擦除晶体管30为NMOS，位于p型衬底或n阱34中。n阱14与n阱24通常是同一个n阱，也可以是不同n阱。n阱34则与n阱14、n阱24都不相同。

请参阅图1b，这是上述专利申请所公开的另一种现有的MTP单元结构，与图1a的区别是，擦除晶体管30由NMOS换成了PMOS。此时，擦除晶体管30位于n阱34中。n阱34则与n阱14、n阱24都不相同。擦除晶体管30的源极31、漏极33和所在n阱34连接在一起作为擦除端EG。

对于普通的MOS晶体管而言，其源极和漏极是可以互换的，取决于如何说明和定义。因此上述图1a和图1b所示的MTP器件单元结构中，选择晶体管10的源极11和漏极13可以互换，编程晶体管20的源极21和漏极23可以互换，擦除晶体管30的源极31和漏极33可以互换。

上述MTP器件单元结构的编程方法可以采用CHE(channel hot electroninjection，沟道热电子注入)机制等，擦除方法可以采用FN(Fowler-Nordheim tunneling，福勒-诺德海姆隧穿)机制等。

上述MTP器件单元结构具有如下缺点：由于擦除使用FN隧穿机制，因此擦除效率直接与栅氧化层厚度相关。当编程晶体管20的栅氧化层较厚的时候，往往需要通过增大擦除电压或增长擦除时间来改善擦除效率，否则将会出现擦除不干净，导致读取数据错误。且此劣势会在多次编程与擦除后随着栅氧化层质量的下降而更为明显，即NVM所通有的耐久力(Endurance)问题。

请参阅图3和图4，这是在编程晶体管20的栅氧化层为的情况下，对MTP器件的多次编程与擦除(耐久力测试)的试验数据。图3表示对已编程MTP器件的读取电流的变化情况。图4中“*”星形标记表示擦除电压为16V，擦除时间为20ms的情况下，对已擦除MTP器件的读取电流的变化情况。

比较图3和图4可以发现，在编程与擦除次数超过10000次以后，对已编程MTP器件的读取电流大小与对已擦除MTP器件的读取电流大小逐渐接近。对MTP器件进行读取时，通常设定一个电流参考值。读取电流大于该参考值则认为是“1”即已编程，读取电流小于该参考值则认为是“0”即已擦除。在多次编程与擦除后，对已擦除MTP器件的读取电流可能会超过该参考值(但仍小于对已编程MTP器件的读取电流)，而被误判为已编程，从而导致该MTP器件的存储单元失效。

为了提高MTP器件的耐久力，目前采用的方法是提高擦除电压或增长擦除时间。图4中三角形标记表示擦除电压为17V，擦除时间为20ms的情况下，对已擦除MTP器件的读取电流的变化情况。图4中菱形标记擦除电压为17V，擦除时间为50ms的情况下，对已擦除MTP器件的读取电流的变化情况。显然提高擦除电压或增长擦除时间可以提高MTP器件的耐久性。但是编程电压的提高，需要增大编程晶体管20所在n阱24与擦除晶体管30所在n阱34之间的隔离距离，否则容易产生n阱24与n阱34之间的串通，导致器件失效。两个n阱24、34之间隔离距离的增加，使得MTP器件的单元结构面积增大。而编程时间的延长直接表现为MTP器件性能的变差。

发明内容