[发明专利]非易失性存储器以及其编程与读取方法

说明书

技术领域

本发明涉及了一种非易失性存储胞的结构和使用方法，例如是一种编程和读取在存储器阵列中的非易失性存储胞的方法。特别来说，本发明是针对一种位于硅覆绝缘结构(silicon on insulator，SOI)上且没有选择晶体管的非易失性存储胞的结构和使用方法，例如是一种编程和读取在存储器阵列中的非易失性存储胞的方法，且此非易失性存储器胞不具有选择晶体管。

背景技术

非易失性存储器(non-volatile memory，NVM)是目前普遍用来存储信息的一种电子媒介。非易失性存储器其中一个重要的特点在于，存储在此非易失性存储器的信息并不会随着电源被切断而消失。这在许多不同种类的电脑或电子产品来讲是相当重要的。

可编程式只读存储器(programmable read-only memory，PROM)是目前常用的一种非易失性存储器，其使用了字元线以及位元线的交错阵列结构。举例来说，具有熔丝(fuse)、反熔丝(anti-fuse)或紫外线抹除(UV-erasable)的浮动栅极可作为可编程式唯读存储器，并可应用在字元线/位元线阵列中。现今的可编程式只读存储器例如是浮栅雪崩注入型金属氧化物半导体(floating gate avalanche injection metal oxide semiconductor transistor，FAMOS)就常被用来存储信息。一般而言，PROM不能被重复地电性编程。

根据可编程的次数，非易失性存储器可分为多次可编程存储器(multi-time programmable memory，MTP)以及单次可编程存储器(one-time programmable memory，OPM)。由于单次可编程存储器仅可容许一次的编程，其大多应用在需要大量存取功能的电子元件中，且由于不需要抹除的功能，因此相较于多次可编程存储器，其结构较为简单，制作过程以及成本也较低廉。

在非易失性存储器中，有种利用“薄介电层崩溃(thin dielectric layer breakdown)效应”来运作的单次可编程存储器。这种单次可编程存储器具有一薄介电层(也就是栅极介电层)所包围的资料存储单元(即可编程单元)。当对此薄介电层施加电压时，薄介电层会产生崩溃效应，无论是软性崩溃(soft breakdown)或硬性崩溃(hard breakdown)，藉以改变读取电流的值。后续，读取存储单元的电流由检测放大器(sense amplifier)来侦测存储胞中的信息是“1”或“0”。使用“薄氧化层崩溃效应”的单次可编程存储器具有许多优点。首先，其制作工艺可以相容于现有的CMOS制作工艺，因此可与CMOS电路或系统同时制作。其次，由于薄氧化层崩溃是通过氧化层的纤维成型(filament formation)来操作，因此是非常可靠的存储信息方式。这种纤维成型是一种物理变化，但很难利用一般检测工具来侦测。一旦此存储单元被编程，它几乎不可能再借由光学例如紫外线或其他电子手段来抹除。这也意味着，通过介电层崩溃效应，存储在NVM存储器内的信息是稳定且不容易改变的。

美国专利第6,956,258号公开了一种半导体存储胞，每个存储胞被一超薄介电层所包围，例如是栅极氧化层。通过对超薄介电层施加电压，可在栅极介电层中发生崩溃效应而改变读取电流的值。然而，这样的设计却存在着一些缺陷。首先，所有的存储胞都位于非绝缘的基底上，且彼此之间没有被电绝缘分开，故要存取一特定存储胞时，容易被周围的存储胞影响。此外，此篇专利所公开的结构需要一额外的选择晶体管才能运作，也增加了此半导体存储胞，甚至是外围控制电路整体结构以及操作方法的复杂度。

美国专利第7,623,368号公开了一种半导体存储器结构，是针对设置在深N井上的一栅极氧化层的崩溃效应来运作。但这样的结构仍是需要一选择晶体管(也被称为PASS晶体管)才能运作，增加了此半导体存储胞，甚至是外围控制电路的整体结构以及操作方法的复杂度。

美国专利第7,642,138与7,880,211号公开了一种具有不同厚度栅极氧化层的反熔丝存储胞。反熔丝存储胞具有一厚栅极氧化层部份以及一薄栅极氧化层部份，其中薄栅极氧化层部份是作为氧化层崩溃区域。然而，这样具有不同厚度的栅极氧化层的制作工艺十分复杂(尤其是形成厚栅极氧化层部份以及薄栅极氧化层部份)，因此也增加了整体结构包括半导体存储器胞以及周边电路的结构复杂度。此外，必须增加或调整许多额外的步骤，以形成这样具有不同厚度的栅极氧化层，