DE3244488C2

DE3244488C2 -

Info

Publication number: DE3244488C2
Application number: DE3244488A
Authority: DE
Inventors: Boaz Sunnyvale Calif. Us Eitan
Original assignee: Yissum Research Development Co of Hebrew University of Jerusalem
Current assignee: Yissum Research Development Co of Hebrew University of Jerusalem
Priority date: 1981-12-04
Filing date: 1982-12-01
Publication date: 1992-04-23
Also published as: DE3244488A1; GB2113004B; JPS58106874A; US4432075A; GB2113004A; IL67405A; IL67405A0

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen elektrisch programmierbaren Speicher, der auf einem Substrat aufgebaut ist und eine Vielzahl elektrisch programmierbarer Speicherzellen mit jeweils wenigstens einer im Substrat angeordneten Zone, einer Ladungsspeicherzone und einem Steuergate aufweist, sowie auf ein Verfahren zum elektrischen Programmieren der Speicherzellen des Speichers nach den Oberbegriffen der Patentansprüche 1 bzw. 18.

Permanente Speicherzellen, insbesondere solche mit Ladungsspeicherzonen, z. B. schwebenden Gate-Elektroden, sind bekannt. Bei den ersten, im Handel befindlichen Speichern wurden Bauelemente mit auf schwebendem Potential befindlichen Gate-Elektroden verwendet, die durch Avalanche-Injektion aufgeladen wurden, und zwar derart, daß eine von zwei jeder Zelle zugeordneten Substratzonen durch Avalanche-Effekte aufgeladen wurde. Dieser Typ von Bauelement ist in der US-PS 36 60 819 beschrieben. Spätere Speicher machten von einer Kanalinjektion Gebrauch, bei der Ladung aus dem Kanal jeder Zelle zur schwebenden Gate-Elektrode injiziert wurde. Derartige Zellen sind in den US-PS'n 39 96 657 und 41 14 255 beschrieben. Aus der US-PS 42 03 158 sind sowohl elektrisch programmierbare als auch elektrisch löschbare Zellen bekannt, wobei sowohl für das Programmieren als auch das Löschen der Tunnel-Effekt ausgenutzt wurde.

Zusammenfassungen verschiedener Aufladungstechniken für die Programmierung von Speicherzellen sind in einem Artikel von J. F. Verwey mit der Bezeichnung "Nonavalanche Injection of Hot Carriers into SiO₂" in Journal of Applied Physics, Band 44, Nr. 6, Juni 1973, S. 2681ff und in einem Artikel von T. H. Ning mit der Bezeichnung "Hot-Electron Emission from Silicon into Silicon Dioxide" in Solid State Electronics, 1978, Band 21, S. 273-282 beschrieben.

Bei allen bekannten Zellen sind jeder Zelle Mittel zur Ladungserzeugung zugeordnet, wobei die Ladung beispielsweise auf einer schwebenden Gate-Elektrode (floating gate) eingefangen werden kann. Diese jeder Zelle zugeordneten Mittel zur Ladungserzeugung erfordern größere Dimensionen jeder Speicherzelle, damit die Speicherzelle dem höheren Programmierpotential standhalten kann.

Ein Artikel von Tarui u. a. mit der Bezeichnung "Electrically Reprogrammable Nonvolatile Semiconductor Memory" in Proceedings of the Fifth Conference (1973 International) on Solid State Devices, Tokio, 1973, Ergänzung zu Journal of the Japan Society of Applied Physics, Band 43, 1974, zeigt in Fig. 11 ein Bauelement, das eine heiße Trägerinjektion aus einem in Vorwärtsrichtung vorgespannten pn-Übergang mit nachfolgender Beschleunigung zur Aufladung eines schwebenden Gates verwendet. Die in diesem Bauelement genutzten Mittel zur Ladungserzeugung dienen zum Aufladen einer einzigen Speicherzelle.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, den Herstellungsaufwand von Speichern der eingangs genannten Art, insbesondere die Abmessungen ohne Beeinträchtigung des Betriebsverhaltens zu vermindern und gleichzeitig die Potentialbelastung der Speicherzellen beim Programmiervorgang zu verringern.

Diese Aufgabe wird bei Speichern der eingangs genannten Art durch die Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst.

Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfndung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.

Ein diese Aufgabe lösendes Verfahren zum elektrischen Programmieren der Speicherzellen eines Speichers der eingangs genannten Art ist durch die Merkmale des Anspruchs 18 gekennzeichnet.

Die Verwendung einer einzigen Ladungsquelle zur Aufladung einer Vielzahl permanenter Speicherzellen ermöglicht einerseits die Herstellung von Speicherzellen mit weniger kritischen Abmessungen, die einer geringeren Potentialbelastung beim Programmiervorgang unterliegen, andererseits die Herstellung von Speicherzellen mit Zwei-Anschluß-Bauelementen.

Im folgenden werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnung näher erläutert. In der Zeichnung zeigt:

Fig. 1 eine Schnittansicht durch einen Teil eines Substrats mit zwei Speicherzellen und einer einzigen Ladungsquelle zum Programmieren der beiden Zellen;

Fig. 2 eine Draufsicht auf eine erfindungsgemäß ausgebildete Speicheranordnung;

Fig. 3 eine schematische Schnittansicht durch einen Teil eines Substrats mit zwei Speicherzellen und getrennten Mitteln zur Ladungsversorgung für die Programmierung der Zellen gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung;

Fig. 4 eine schematische Schnittansicht durch einen Teil eines Substrats mit anderen Mitteln zur Ladungserzeugung für die Programmierung von Zellen in einer Speicheranordnung;

Fig. 5 eine schematische Schnittansicht durch einen Teil eines Substrats mit Mitteln zur Ladungserzeugung in dem Substrat zur Programmierung der Zellen gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung;

Fig. 6 ein Schemaschaltbild der Einrichtung zur Ladungsinjektion gemäß Ausführungsbeispiel nach Fig. 5;

Fig. 7 eine schematische Schnittansicht auf einen Teil eines Substrats mit einer Zwei-Anschluß-Speicherzelle, die in der erfindungsgemäßen Weise programmierbar ist;

Fig. 8 ein elektrisches Schaltbild eines Teils einer Speicheranordnung, in welcher die Zelle gemäß Fig. 7 und die Ladungsinjektionseinrichtung nach den Fig. 5 und 6 Verwendung finden;

Fig. 9 eine schematische Schnittansicht durch einen Teil eines Substrats mit einer elektrisch programmierbaren und elektrisch löschbaren Speicherzelle, die in der erfindungsgemäßen Weise programmiert werden kann; und

Fig. 10 ein schematisches Schaltbild eines Teils einer Speicheranordung mit den Zellen gemäß Fig. 9 und der Ladungsinjektionseinrichtung nach den Fig. 5 und 6.

Der beschriebene Speicher weist eine Vielzahl von permanenten Speicherzellen auf. Im folgenden Teil der Beschreibung sind zahlreiche Einzelheiten, z. B. spezielle Leitfähigkeitstypen, Oxidschichtstärken usw. zur Verdeutlichung des Erfindungsgedankens angegeben. Es ist klar, daß die Erfindung auch ohne diese spezielle Details verwirklicht werden kann. In anderen Fällen sind herkömmliche Fabrikationsprozesse und Bauelemente ohne nähere Beschreibung geblieben, um die Erläuterung des Wesens der Erfindung nicht mit überflüssigen Einzelheiten zu belasten.

Bei dem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung sind viele Speicherzellen unter Verwendung der bekannten Metalloxidhalbleiter-(MOS)-Technologie hergestellt. Insbesondere sind die Speicherzellen auf einem p-leitenden Siliziumsubstrat (30-50 Ohm · cm) hergestellt. Jede Speicherzelle weist wenigstens eine n⁺-Zone, die im Substrat angeordnet ist, eine schwebende Gate-Elektrode (ein Polysiliziumbauelement, das vollständig von Siliziumdioxid umgeben ist) und ein über der schwebenden Gate-Elektrode angeordnetes Steuergate auf. Es können aber auch andere bekannte Ausführungen von Speicherzellen in Verbindung mit der Erfindung verwendet werden, z. B. diejenigen der in der Beschreibungseinleitung angegebenen Druckschriften oder die Speicherzelle gemäß US-PS 42 67 632.

Nach dem Stande der Technik muß jede der Zellen genügend Ladung erzeugen, um ihre schwebende Gate-Elektrode aufzuladen. Bei der Erfindung findet dagegen eine einzige Ladungsquelle für die Aufladung einer Vielzahl von Zellen Verwendung.

In Fig. 1, auf die zunächst Bezug genommen wird, ist eine schematische Schnittansicht durch ein p-leitendes Siliziumsubstrat 12 gezeigt. Das Substrat weist zwei elektrisch programmierbare Festwertspeicherzellen (EPROM- Zellen) 14 und 16 auf. Jede Zelle, z. B. die Zelle 16, weist zwei Substratzonen 19 und 20, eine schwebende Gate-Elektrode 17 und ein Steuergate 18 auf. (Die Bruchstelle in der zeichnerischen Darstellung des Substrats zwischen der Zone 22 und der Zelle 14 soll zeigen, daß die Zelle 14 in einer beträchtlichen Entfernung von der Zone 22 angeordnet und daß eine Vielzahl anderer Speicherzellen zwischen der Zione 22 und der Zelle 14 ausgebildet sein kann.)

Bei dem Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 1 dient ein in Vorwärtsrichtung vorgespannter Übergang zur Ladungserzeugung für die Programmierung der Zellen 14 und 16. Eine n-leitende Zone 22 ist zur Bildung dieses Übergangs im p-leitenden Substrat 12 ausgebildet. Der Übergang ist während des Programmiervorgangs in Vorwärtsrichtung vorgespannt (negatives Potential). In diesem Zuszand injiziert der Übergang Minoritätsträger (Elektronen) in das p-leitende Substrat, wie in Fig. 1 gezeigt ist. Das negative Potential, das zum Vorspannen des Übergangs in Vorwärts- bzw. Durchlaßrichtung dient, kann von einer externen Quelle oder aus einem auf dem Chip ausgebildeten, in Gegenrichtung vorgespannten Generator zugeführt werden. Um eine ausgewählte Zelle, z. B. die Zelle 16, zu programmieren, wird ein positives Potential an das Steuergate 18 (V_G) und ein positives Potential an eine oder beide der Source- und Drain-Zonen der Zelle 16 angelegt. Die Elektronen, die aus dem Übergang injiziert werden, werden in das p-leitende Substrat diffundiert. Sie werden von dem Potential unter der Gate-Elektrode 17 in Richtung der Grenzfläche zwischen der Gate-Elektrode und dem Substrat beschleunigt. Einige der Elektronen erhalten genügend Energie, um die Barriere zu überwinden und werden daher durch die die schwebende Gate-Elektrode und das Substrat trennende Oxidschicht injiziert und in der schwebenden Gate-Elektrode eingefangen.

Das Beschleunigungspotential wird sowohl vom Potential an der Source- oder Drain-Zone als auch dem Gate-Potential V_G bestimmt. Generell gilt die folgende Gleichung:

V_G=V_D+V,

wobei die Schwellspannung der Zelle 16 bei der vom Volumeneffekt (erzeugt durch V_D) erhöhte Schwelle ist. Bei dem beschriebenen bevorzugten Ausführungsbeispiel wird ein positives Potential an die Drain-Zone der Zelle 16, nicht aber an die Source-Zone 20 angelegt. Die obige Gleichung hat generelle Gültigkeit, ausgenommen der Fälle, bei denen V_D ziemlich hoch ist, und in den Fällen, in denen V_D das Potential V_TH beeinflußt. Typischerweise ist jedoch V_G wenigstens um eine Schwellspannung über dem an V_D anstehenden Potential. Ist V_D gleich 5 Volt, so sind die folgenden angenäherten V_G-Potentiale für die angegebenen Oxidschichten anwendbar.

Generell werden bei Beginn der Programmierung Inversionsbedingungen erhalten, wenn:

V_G=V_D+V_ti(V_D),

wobei V_ti der Anfangsschwellwert der Zelle 16 unter Volumeneffekt aufgrund von V_D ist. Für den Fall, daß die obige Gleichung gilt, ist die Beschleunigungsspannung V_D. Nach Beginn der Programmierung steigt V_T in der obigen Gleichung, so daß die Beschleunigungsspannung abnimmt und die Programmiergeschwindigkeit wesentlich verringert wird. Dies stellt eine maximale Schwellspannung nach der Programmierung ein, die durch die folgende Beziehung gesteuert werden kann:

V_T(max)≅V_G-(V_D+V_ti(V_D)).

Ein Beispiel der Spannungen und Oxidstärken für derzeitige und zukünftige Zellen ist in der folgenden Tabelle angegeben:

Ein wesentliches Merkmal der Erfindung besteht darin, daß die Speicherzellen keinen höheren Programmierpotentialen oder Strömen wie Zellen herkömmlicher Ausführung standzuhalten brauchen. Die Programmierung der Zellen ist beim Gegenstand der Erfindung nicht mit den Zellenabmessungen kritisch verknüpft, wie dies bei einigen bekannten Zellen der Fall ist. Dies liegt daran, daß das Beschleunigungsfeld, das das normale Feld der Verarmungsschicht unter dem Gate ist, von der Kanallänge und -breite beinahe unbeeinflußt ist, so daß auch die Programmierung unbeeinflußt bleibt. Die Programmierung findet über das ganze Gate statt, während bekannte EPROM-Zellen begrenzte Injektionszonen nahe der Drain-Elektrode haben. Daher ist der Programmierwirkungsgrad wesentlich höher (um einen Faktor von 10³ bis 10⁴). Der im Hochspannungs-Drainanschluß gesammelte Strom ist gering, so daß auch der Energieverbrauch während des Programmierens niedriger ist. Der hohe Elektronenstrom aus der Zone 22 wird über ein relativ kleines Potential injiziert, so daß auch die zur Erzeugung dieser Elektronen aufzuwendende Leistung relativ klein ist. Da die zum Programmieren aufzuwendende Energie relativ klein ist, ist die Verwendung einer 5V-Betriebsspannung mit Bootstrap-Effekt (auf dem Chip) zur Entwicklung von zur Programmierung benötigten höheren Potentialen möglich.

Bei der Erfindung wird nur eine Substratzone (z. B. die Drain-Zone) zum Programmieren benötigt. Dies ermöglicht die Herstellung von Zwei-Anschluß-Bauelementen und die Bildung von Zellenpaaren, wie dies in Verbindung mit den Fig. 7 und 8 beschrieben werden wird.

Im folgenden wird erneut auf Fig. 1 Bezug genommen. Wie gesagt, werden zum Programmieren der Zelle 16 Potentiale selektiv an das Steuergate und die Drain-Zone angelegt. Nimmt man an, daß kein Potential am Steuergate und an der Drain-Zone der Zelle 14 ansteht, so werden keine Elektronen in Richtung der Zelle 14 beschleunigt, so daß die schwebende Gate-Elektrode dieser Zelle ungeladen bleibt. Um die Zelle 14 zu programmieren, werden Potentiale an die Drain-Elektrode und das Steuergate dieser Zelle angelegt, wodurch eine Beschleunigung von Elektronen in Richtung der Zelle 14 hervorgerufen wird. Es ist klar, daß alle Zellen oder Gruppen von Zellen entweder gleichzeitig oder einzeln durch selektives Anlegen von Potentialen an die Zellen programmiert werden können. Üblicherweise werden bekannte Dekodierschaltungen zum Auswählen bzw. Ansteuern der Zellen für die Programmierung verwendet.

Im folgenden wird auf Fig. 2 Bezug genommen. Vier Gruppen von Zellen 25 sind dort zusammen mit zwei Gruppen von Zellen 26 dargestellt. Zwei Ladungsquellen 28 unsd 29 sind zwischen den Zellengruppen 25 und 26 angeordnet. Der Maximalabstand zwischen den Zellen in den Zellengruppen 25 und 26 und einer Ladungsquelle ist der Abstand 30 bei der Darstellung gemäß Fig. 2. Bei einer typischen Speicherausführung unter Verwendung gegenwärtiger MOS-Technologie kann der Abstand 30 100 bis 300 µm betragen. Daher kann eine einzige Ladungsquelle zum Programmieren einiger hundert Zellen verwendet werden.

In Fig. 1 ist der in Durchlaß- bzw. Vorwärtsrichtung vorgespannte Übergang als eine Ladungsquelle (Elektronen) für die Programmierung gezeigt. Diese besondere Ladungsquelle ist möglicherweise für CMOS-Prozesse am besten geeignet, da der CMOS-Prozeß p⁺ n⁺-Übergänge zusammen mit den Kontakten zu den Übergängen schafft. Zahlreiche andere Ladungsquellen können verwendet werden, wie in Verbindung mit den Fig. 3 bis 4 beschrieben werden wird. Außerdem kann infrarotes oder sichtbares Licht verwendet werden, da Photonen Überschußträger im Halbleitervolumen hervorrufen und eine Quelle von Überschußelektronen im Substrat hervorrufen können. Es scheint jedoch, daß eine solche Elektronenquelle unzweckmäßig ist.

Im folgenden wird auf Fig. 3 Bezug genommen, in der ein Teil eines Substrats 31 zusammen mit zwei EPROM-Zellen 32 und 33 gezeigt ist. Auch hier hat jede Zelle in gegenseitigem Abstand angeordnete Substratzonen, eine schwebende Gate-Elektrode und ein Steuergate. Ein ohmscher Kontakt 36 steht mit dem Substrat in Kontakt und erhält während des Programmierens ein positives Potential. Zum Programmieren der Zelle 32 werden positive Potentiale in der zuvor beschriebenen Weise an deren Drain- oder Gate-Anschlüsse angelegt. Die Drain-Zone 34 der Zelle 33 ist mit Erde verbunden. Wenn ein positives Potential an den Kontakt 36 angelegt wird, ruft der ohmsche Kontakt 36 eine Injektion von Löchern (Elektronenfehlstellen) in das Substrat hervor. Dies wiederum bewirkt eine Elektroneninjektion von der n⁺-Zone 34. Diese Elektronen werden danach in Richtung der schwebenden Gate-Elektrode der Zelle 32 beschleunigt und in der schwebenden Gate-Elektrode entsprechend der Ausführung in Fig. 1 eingefangen. Zum Programmieren der Zelle 33 ist der Source-Anschluß der Zelle 32 geerdet, und positive Potentiale werden an die Gate- und Drain-Anschlüsse der Zelle 33 angelegt, während ein positives Potential am ohmschen Kontakt 36 ansteht.

In Fig. 4 ist eine andere Elektronenquelle zum Aufladen von Zellen in einer Speicheranordnung dargestellt. Ein gewöhnlicher Feldeffekttransistor wird auf dem Substrat 37 zusammen mit den Speicherzellen (nicht dargestellt) hergestellt. Der Transistor weist in gegenseitigem Abstand angeordnete Source- und Drain-Zonen (Zonen 40 und 39) und eine Gate-Elektrode 38 auf. Ein positives Potential wird an das Gate 38 und an die Drain-Elektrode 39 angelegt, während die Source-Zone 40 geerdet ist. Das MOS-Bauelement wird von diesen positiven Potentialen in den Sättigungsbereich gebracht. Die Kanalelektronen erhalten aus dem elektrischen Feld in der Einschnürungszone (pinch off region) ausreichend Energie, um neue Löcher und Elektronen durch Stoßionisation hervorzurufen. Die Überschußlöcher fließen in das Substrat hohen spezifischen Widerstandes und bewirken, daß die Potentialbarriere zwischen der Source-Zone und dem Substrat gesenkt wird. Elektronen fließen sodann aus der Source-Zone in das positiv vorgespannte Substrat und können in die EPROM-Zellen beschleunigt werden.

Fig. 5 und 6 zeigen das derzeit bevorzugte Ausführungsbeispiel für die Ladungsinjektion. Es besteht aus einer Injektionskapazität, die durch das Gate 47, die n-leitende Zone 49 und die dazwischenliegende Oxidschicht gebildet ist. Diese Kapazität ist mit einem Lastelement beispielsweise in Form eines gewöhnlichen Transistors des Anreicherungstyps gekoppelt. In Fig. 5 ist dieser Transistor mit den Zonen 44 und 45 dargstellt, wobei die Drain-Zone 44 mit einem Gate 46 gekoppelt ist. In Fig. 6 ist diese Anordnung schematisch als Kondensator und Transistor des Anreicherungstyps gezeigt. Das Gate 47 (ein Belag des Kondensators) ist über eine Leitung 48 mit einem Impulsgenerator 50 verbunden. Die vom Impulsgenerator 50 erzeugte Impulsfolge ist als Impulsfolge 51 in Fig. 6 gezeigt. Sie besteht aus einer Folge von Impulsen, die zwischen 0 und V_CC (5 Volt) variieren. Die n-leitende Zone 49 kann eine durch Ionenimplantation hergestellte Zone wie diejenigen sein, die für Transistoren des Verarmungstyps verwendet werden.

Im Betrieb wird der durch das Gate 47 und die Zone 49 gebildete Kondensator durch den Transistor des Anreicherungstyps von dem positiven Potential aus dem Impulsgenerator 50 aufgeladen. Wenn danach das Ausgangssignal des Impulsgenerators absinkt, wird das Lastelement abgetrennt, und die Ladung in der Inversionsschicht wird in das Substrat injiziert. Der Injektionsstrom ist durch die folgende Gleichung gegeben:

wobei t_P die Impulsperiode, A die Kondensatorfläche, X_o die Oxidstärke, E_o die Dielektrizitätskonstante des Vakuum und K_SiO₂ die relative Dielektrizitätskonstante von SiO₂ bedeuten.

Wie aus der obigen Gleichung zu sehen ist, kann der Injektionswirkungsgrad durch Variation der Parameter A, T_P und X_o eingestellt werden. Wie erwähnt, wird angenommen, daß der oben beschriebene Injektionskondensator die wirksamste Ladungsquelle für n-Kanal-MOS-Bauelemente darstellt. Es ist zu beachten, daß ein auf dem Chip aufgebauter Einzelimpulsgenerator 50 zum Aktivieren jeweils einer der bei einer besonderen Speicheranordnung erforderlichen Injektionskapazitäten verwendet werden kann.

Im folgenden wird auf Fig. 7 Bezug genommen, in der eine Zwei-Anschluß-EPROM-Zelle auf einem Substrat 53 dargestellt ist. Sie weist die n-leitende Zone 52, eine schwebende Gate-Elektrode 54 und das Steuergate 53 auf (diese Zelle ist ähnlich herkömmlichen Zellen, mit der Ausnahme, daß sie nur eine Substratzone hat). Sobald Überschußelektronen in dem Substrat 53 erzeugt werden, kann die schwebende Gate-Elektrode durch Anlegen eines positiven Potentials an die Drain-Zone 52 und das Gate 53 aufgeladen werden, wie dies oben beschrieben worden ist. Zu beachten ist, daß eine Source-Zone für die Aufladung des schwebenden Gates 54 nicht erforderlich ist.

Das Zwei-Anschluß-Bauelement gemäß Fig. 7 kann mit einer Wortleitung und einer Bitleitung in einem Speicher verbunden werden. Die Zelle wird in derselben Weise wie eine dynamische RAM-Zelle gelesen, wobei eine Inversionsschichtladung abgetastet wird.

Zellen in der Ausführung gemäß Fig. 7 können paarweise in einer Speicheranordnung entsprechend der Darstellung in Fig. 8 verbunden werden. Beispielsweise sind die Zellen 56 und 57 über eine gemeinsame Verbindung 65 in Reihe geschaltet. Die Drain-Anschlüsse 52 der Zelle gemäß Fig. 7 sind bei den Zellen in der Anordnung gemäß Fig. 8 mit den Bitleitungen der Speicheranordnung gekoppelt. So ist beispielsweise diese Zone der Zelle 57 mit der Y_n-Leitung und für die Zelle 56 mit der Y_n-1- Leitung gekoppelt. Die Steuergates der Zellen sind mit den Wortleitungen der Anordnung gekoppelt; z. B. ist das Steuergate der Zelle 56 mit der Wortleitung X_n und das Steuergate der Zelle 57 mit der Wortleitung X_n-1 verbunden. In ähnlicher Weise sind die Zellen 58 und 59 über eine Verbindungsleitung 66 in Reihe geschaltet und mit Wort- und Bitleitungen verbunden. In Fig. 8 ist ferner der in Verbindung mit den Fig. 5 und 6 erläuterte Ladungsinjektionskondensator gezeigt. Der Injektionskondensator 60 ist über das Lastelement (Transistor 61 des Anreicherungstyps) mit der geerdeten Leitung 62 verbunden.

Eine Zelle in der Anordnung gemäß Fig. 8 ist programmierbar. So werden beispielsweise zum Programmieren der Zelle 57 positive Potentiale an die Wortleitung X_n-1 und die Bitleitung Y_n angelegt. Das an das Steuergate angelegte Potential übersteigt das am Drain-Anschluß anstehende Potential um wenigstens den Schwellenwert der Zelle 57. Wenn die Elektronen von dem Injektionskondensator 60 erzeugt werden, erhalten diese eine ausreichende Beschleunigung, um die Barriere zu überwinden und auf der schwebenden Gate-Elektrode der Zelle 57 eingefangen zu werden. In ähnlicher Weise kann jede der anderen Zellen programmiert werden.

Jedes der Zellenpaare, z. B. der Zellen 56 und 57, kann zwei Informationsbits speichern. Es ist klar, daß vier mögliche Zustände für das Zellenpaar 56 und 57 vorhanden sind. Die vier Zustände sind: (i) keine Zelle ist programmiert; (ii) beide Zellen sind programmiert; (iii) die Zelle 56 ist mit einer "Eins" und die Zelle 57 mit einer "Null" programmiert; und (iv) die Zelle 57 ist mit einer "Eins" und die Zelle 56 mit einer "Null" programmiert. Um die Ladungszustände der Zellen 56 und 57 zu bestimmen, sind zwei getrennte Gate-Spannungen für die Wortleitungen erforderlich. Beispielsweise wird das höhere Gate-Potential an die Leitung X_n-1 und das niedrigere Gate-Potential an die Leitung X_n angelegt; der Strom wird zwischen den Zellen 56 und 57 gemessen. Vier unterschiedliche Stromstärken existieren entsprechend den vier Zuständen des Zellenpaars (zwei Datenbits). Zu beachten ist, daß eine Leseansteuerung bei der Anordnung gemäß Fig. 8 zum Lesen von zwei Datenbits durchgeführt wird. Die Anordnung gemäß Fig. 8 reagiert empfindlicher auf Schwankungen der Zellengeometrie, da die Strompegel von der Kanallänge und -breite abhängen.

Das gleiche Resultat läßt sich bei der Anordnung gemäß Fig. 8 auch ohne unterschiedliche Steuergatepotentiale nämlich durch Verwendung unterschiedlicher Programmierpegel erreichen. Jede schwebende Gate-Elektrode jedes Zellenpaars kann auf einen von zwei Pegeln (oder vielleicht mehr) programmiert werden. Der Programmierpegel jeder Gate-Elektrode wird beispielsweise durch Steuerung der Ladungsträger-Injektionszeit gesteuert. Diese unterschiedlichen Programmierpegel rufen im Ergebnis unterschiedliche Schwellenspannung für den programmierten Zustand der Bauelemente hervor. Dies ist analog dem Zwei-Bit-pro-Zelle-Schema, das in der US-PS 42 87 570 beschrieben ist.

In der vorstehenden Beschreibung wurde der Programmierungsmechanismus der Erfindung in Verbindung mit EPROM-Bauelementen beschrieben. Die Erfindung kann jedoch gleich gut bei elektrisch programmierbaren und elektrisch löschbaren Speicherzellen (E²-PROM-Zellen) genutzt werden. Die oben beschriebene Programmierung kann benutzt werden, und das Löschen kann mit Löschmethoden erfolgen, die im Stande der Technik bekannt sind, so z. B. mittels Durchtunneln einer dünnen Oxidschicht.

Eine neuartige E²-PROM-Zelle, die mit der Erfindung verwendet werden kann, ist in Fig. 9 auf einem p-leitenden Siliziumsubstrat 70 gezeigt. Die Zelle weist zwei in gegenseitigem Abstand angeordnete n⁺-Zonen 71 und 72 auf. Eine schwebende Gate-Elektrode 73 erstreckt sich über den von den Zonen 71 und 72 definierten Kanal (Abschnitt 73a). Ein anderer Abschnitt derselben schwebenden Gate-Elektrode erstreckt sich über die Zone 71. Vorzugsweise ist der Abschnitt 73a der schwebenden Polysilizium-Gate-Elektrode mit einem n⁺-Dotanden dotiert. Der Abschnitt 73b kann mit einem p-leitendem Dotanden dotiert sein, oder er kann auf ein n^--Niveau mit einem n-leitenden Dotanden dotiert sein.

Die Speicherzelle gemäß Fig. 9 kann unter Verwendung herkömmlicher MOS-Technologie hergestellt sein. Getrennte Maskierschritte sind zur Bildung von zwei unterschiedlichen Dotierungsniveaus (oder Leitungstypen) in der schwebenden Gate-Elektrode erforderlich. Bei dem bevorzugten Ausführungsbeispiel ist die Oxidschicht zwischen der Zone 71 und der schwebenden Gate-Elektrode 73 dünner als die Oxidschicht zwischen dem Kanal und dem Abschnitt 73a der schwebenden Gate-Elektrode. So kann beispielsweise die Oxidstärke zwischen dem Kanal und dem Abschnitt 73a 70 nm und die Oxidstärke zwischen dem Abschnitt 73b und der Zone 71 etwa 40 nm betragen. Bei derartigen Zellen mit unterschiedlichen Oxidstärken können ein getrennter Maskierschritt und ein gesteuerten Ätzschritt zur Bildung der unterschiedlichen Oxidstärken oder auch andere bekannte Verfahrensweisen im Zuge der Herstellung verwendet werden.

Zum Programmieren der Zelle gemäß Fig. 9 wird ein positives Potential an eine oder beide der Zonen 71 und 72 angelegt, während ein höheres Potential an das Gate 74 entsprechend obiger Beschreibung angelegt wird. Die in dem Substrat erzeugten Überschußelektronen werden durch die die schwebende Gate-Elektrode von dem Substrat trennende Barriere beschleunigt und an der schwebenden Gate-Elektrode permanent eingefangen.

Das Löschen erfolgt durch Avalanche-Injektion aus dem Abschnitt 73b der schwebenden Gate-Elektrode in die Zone 71. Das Anlegen eines positiven Impulses an die Zone 71 hat eine tiefe Verarmungszone innerhalb des schwebenden Gates zur Folge. Dadurch werden Elektronen in dem hohen elektrischen Feld dieser Verarmungszone beschleunigt, und ein Teil von ihnen erhält ausreichend Energie, um die Potentialbarriere zu überwinden und in die Zone 71 injiziert zu werden. Die meisten der Elektronen erhalten jedoch nicht genügend Energie und verbleiben nahe der Grenzfläche, wodurch eine Inversionsschicht erzeugt wird, welche die tiefe Verarmungszone zerstört. Daher wird eine Folge von Impulsen an die Zone 71 angelegt, damit der zuvor beschriebene Injektionsmechanismus ausreichend oft wiederholt wird, um die negative Ladung von der schwebenden Gate-Elektrode abzuziehen.

Der Avalanche-Wirkungsgrad dieses Löschmechanismus wird durch das Ausmaß der Dotierung in dem Abschnitt 73b der schwebenden Gate-Elektrode, die Amplitude der an die Zone 71 angelegten Impulse, die Oxidstärke zwischen der Zone 71 und dem Abschnitt 73b der schwebenden Gate-Elektrode, die Dauer der Impulse, die Dauer der Zeit zwischen zwei benachbarten Impulsen und die Größe der zu löschenden Fläche beeinflußt. Zu beachten ist, daß der Impuls lange genug auf dem niedrigen Pegel bleiben muß, damit die durch den vorhergehenden Impuls erzeugte Inversionsschicht abgebaut werden kann. In gewissem Umfang ist der Löschmechanismus auch eine Funktion der Korngröße in der schwebenden Gate-Elektrode. Die Korngröße beeinflußt die Verarmungszone und auch die Zahl der eingefangenen Elektronen.

Ein Vorteil der zuvor beschriebenen E²-Zelle gegenüber denjenigen Zellen, bei denen der Tunnelmechanismus zum Löschen Verwendung findet, besteht darin, daß anders als bei den dünnen Oxidschichten der zuletzt genannten Zellen kein Oxidschichtdurchschlag stattfinden dürfte. Eine gewisse Langzeitverschlechterung beim Löschen tritt jedoch aufgrund der Tatsache auf, daß Elektronen im Oxid eingefangen bleiben. Andererseits dürfte diese Zelle jedoch weit mehr Löschzyklen standhalten können als herkömmliche, mittels Tunneleffekts gelöschte Zellen.

Die Zelle gemäß Fig. 9 kann in eine Anordnung entsprechend Fig. 10 eingeschaltet werden. Wie im Falle der Anordnung gemäß Fig. 8 weist die Anordnung einen Injektionskondensator 81′, ein Lastelement 82 und eine Erdungsleitung 83 auf. Die Zellen sind paarweise in Reihe geschaltet, wie die Zellen 76 und 77. Die sich jeweils über die Substratzone erstreckenden Abschnitte jeder schwebenden Gate-Elektrode sind wie die Linie 78 als im rechten Winkel von der schwebenden Gate-Elektrode abgehend veranschaulicht. In ähnlicher Weise sind auch die Zellen 80 und 81 und die restlichen Zellen in der Anordnung entsprechend der Anordnung gemäß Fig. 8 angeordnet.

Zum Programmieren einer speziellen Zelle, z. B. der Zelle 76, wird ein positives Potential an die Wortleitung X_n und die Bitleitung Y_n-1 angelegt. Elektronen aus dem Injektionskondensator 81′ werden dann auf der schwebenden Gate-Elektrode der Zelle 76 in der vorstehend beschriebenen Weise gespeichert. In ähnlicher Weise kann jede andere Zelle der Anordnung programmiert werden.

Zwei Potentialpegel werden auf den Wortleitungen zum Lesen verwendet. Der erste Pegel ist ein Abtast- bzw. Lesepegel, der das Bauelement nur dann leitend macht, wenn dessen schwebende Gate-Elektrode nicht programmiert, also nicht geladen ist. Der zweite Pegel ist ein höheres Potential, das das Bauelement selbst dann leitend macht, wenn dessen schwebende Gate-Elektrode programmiert (negativ geladen) ist. Die Schwellspannung jeder Zelle ist nach einem Löschzyklus nicht negativ, d. h. es gibt keine normalerweise eingeschaltete Bauelemente. Dies wird erreicht, da die angelegten Löschimpulse auf dem Chip erzeugt werden. Sobald die Löschzelle leitend wird, kann der Hochspannungsgenerator diesen hohen Strompegel nicht beibehalten, so daß diese Spannung verringert und die Löschbefehle unterbrochen werden. Zum Lesen des Zustandes der schwebenden Gate-Elektrode der Zelle 77 wird das höhere Gate-Potential an die Leitung X_n angelegt, wodurch die Zelle 76 leitend geschaltet wird. Wenn Strom zwischen den Leitungen Y_n und Y_n-1 bei niedrigerem Potential der Wortleitung X_n-1 fließt, wird bekanntlich die schwebende Gate-Elektrode der Zelle 77 entladen. Wenn dagegen kein Strom fließt, wird die schwebende Gate-Elektrode der Zelle 77 geladen. Zum Abtasten bzw. Lesen des Zustandes der Zelle 76 wird das höhere Potential an die Leitung X_n-1 und das niedrigere Potential an die Leitung X_n angelegt.

Zum Löschen einer speziellen Zelle, z. B. der Zelle 77, wird die Zelle 76 durch Anlegen des höheren Gate-Potentials an die Leitung X_n leitend gesteuert, wodurch die positiven Impulse die Zonen 79 erreichen können. Da eine Leitungsverbindung durch die Zelle 76 besteht, wenn die Zelle 77 gelöscht wird, wird die Zelle 76 nicht gelöscht.

Zu beachten ist, daß mit der oben beschriebenen E²-Zelle ein Speicher mit einem Bauelement pro Bit realisiert wird. Gegenwärtig ist ein zusätzliches Bauelement pro Zelle erforderlich.

Vorstehend wurde eine Speicheranordnung beschrieben, in der eine einzige Ladungsquelle zur Aufladung einer Vielzahl permanenter Speicherbauelemente verwendet werden kann. Die Verwendung solcher einzelner Ladungsquellen ermöglicht einerseits die Herstellung von Speicherzellen mit weniger kritischen Abmessungen und andererseits die Herstellung von Speichern mit Zwei-Anschluß-Bauelementen.

Claims

1. Elektrisch programmierbarer Speicher, der auf einem Substrat aufgebaut ist und eine Vielzahl elektrisch programmierbarer Speicherzellen mit jeweils wenigstens einer im Substrat angeordneten Zone, einer Ladungsspeicherzone und einem Steuergate aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß eine Ladungserzeugungseinrichtung (12, 22; 28, 29; 34, 36; 38 . . . 40; 47, 49; 60, 61; 81′, 82) an einer Oberfläche des oder in dem die Zellen (14, 16; 32, 33; 56 . . . 59) tragenden Substrat (12; 31; 37; 43; 53; 70) angeordnet und derart ausgebildet ist, daß sie eine Ladung zum Aufladen einer beliebigen oder mehrerer der Vielzahl von Zellen freisetzendes Ladungsungleichgewicht im Substrat (12; 31; 37; 43; 53; 70) erzeugt und daß die Zellen (14, 16; 32; 33; 56 . . . 59) mit einer elektrischen Schaltungsanordnung (X_n, Y_n) gekoppelt sind, über welche die Zellen selektiv derart mit elektrischen Potentialen (V_G, V_S) beaufschlagbar sind, daß die Ladung in Richtung wenigstens einer der Ladungsspeicherzonen (17; 54; 73) der Zellen beschleunigt und in diesen eingefangen wird, so daß eine Vielzahl von Zellen (14, 16; 32, 33; 56 . . . 59) aus einer einzigen Ladungsquelle programmierbar ist.

2. Speicher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Ladungserzeugungseinrichtung einen in Vorwärtsrichtung vorgespannten Übergang (12, 22) aufweist, der in dem Substrat (12) angeordnet ist (Fig. 1).

3. Speicher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Ladungserzeugungseinrichtung ein Metalloxidhalbleiter-Bauelement (38, 39, 40) aufweist, das in dem Substrat (37) und auf dessen Oberfläche angeordnet und zum Programmieren in den Sättigungszustand versetzbar ist (Fig. 4).

4. Speicher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Ladungserzeugungseinrichtung eine Löcherinjektionsanordnung (36) zum Injizieren von Löchern in das Substrat (31) und eine Elektronenquelle (34) aufweist, wobei letztere Elektronen in Abhängigkeit von in das Substrat injizierten Löchern erzeugt (Fig. 3).

5. Speicher nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektronenquelle eine n-leitende Zone (34) in dem Substrat (31) ist und das Substrat mit Erde verbunden ist.

6. Speicher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Ladungserzeugungseinrichtung einen Ladungsinjektionskondensator (Fig. 5) aufweist.

7. Speicher nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Ladungsinjektionskondensator eine mit einem Lastelement (44-46) gekoppelte Substratzone (49) und eine mit einem Impulsgenerator (50) gekoppelte Gate-Elektrode (47) aufweist.

8. Speicher nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Ladungsspeicherzone jeder Zelle eine oberhalb des Substrats (12; 31; 37; 43; 53; 70) isoliert angeordnete schwebende Gate-Elektrode (17; 54; 73) ist und das Steuergate (18; 53; 74) über den schwebenden Gate-Elektrode von dieser isoliert angeordnet ist, daß über die mit den Zellen gekoppelte elektrische Schaltungsanordung (X_n, Y_n) ein erstes Potential (V_D) an wenigstens eine ausgewählte Substratzone (19; 52; 72) und ein zweites Potential (V_G) an ein ausgewähltes Steuergate (18; 53; 74) anlegbar sind, wobei das ausgewählte Steuergate der ausgewählten Substratzone zugeordnet ist, und daß die Potentiale so gewählt sind, daß Ladung in Richtung der ausgewählten Zelle derart beschleunigt wird, daß sie die Barriere zwischen der schwebenden Gate-Elektrode und dem Substrat überwindet und auf der schwebenden Gate-Elektrode gespeichert wird.

9. Speicher nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß das zweite Potential (V_G) größer als das erste Potential (V_D) ist.

10. Speicher nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß das zweite Potential (V_G) das erste Potential (V_D) um wenigstens die Schwellenspannung der Zellen (14, 16; 32, 33) übersteigt.

11. Speicher nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Zellen (56, 57, 58, 59; 76, 77, 80, 81) paarweise in Reihe geschaltet sind, wobei eine gemeinsame Substratzone zwischen jedem Zellenpaar liegt.

12. Speicher nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Substratzonen der Zellen der Zellenpaare (56, 57; 76, 77) mit unterschiedlichen Bitleitungen (Y_n-1, Y_n) des Speichers und die Steuergates jedes Zellenpaars mit verschiedenen Wortleitungen (X_n, X_n-1) gekoppelt sind.

13. Speicher nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß jede Speicherzelle (76, 77, 80, 81) elektrisch programmierbar und elektrisch löschbar ist und zwei in dem Substrat (70) angeordnete Zonen (71, 72), eine Ladungsspeicherzone (73) und ein Steuergate (74) aufweist.

14. Speicher nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Ladungsspeicherzone eine schwebende Polysilizium- Gate-Elektrode (73) aufweist.

15. Speicher nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß die schwebende Gate-Elektrode (73) in jeder der Zellen (76, 77, 80, 81) über einem von den Zonen (71, 72) definierten Kanal angeordnet ist und sich über eine der Zonen (71) erstreckt.

16. Speicher nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß jede der schwebenden Gate-Elektroden (73) mit einem n-leitenden Dotierstoff im Abschnitt (73a) über der Kanalzone und mit einem p-leitenden Dotierstoff im Abschnitt (73b) über der einen (71) der Zonen (71, 72) dotiert ist.

17. Speicher nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß jede der schwebenden Gate-Elektroden im Abschnitt (73a) über der Kanalzone n⁺ und über der einen (71) der beiden Zonen (71, 72) n^- dotiert ist.

18. Verfahren zum elektrischen Programmieren der Speicherzellen eines Speichers nach einem der Ansprüche 1 bis 17, dadurch gekennzeichnet, daß ein Ladungsungleichgewicht in dem Substrat derart erzeugt wird, daß Überschußelektronen im Bereich der Vielzahl von programmierbaren Zellen vorhanden sind, und daß die Zellen selektiv mit Potentialen beaufschlagt werden, um die Überschußelektronen in Richtung wenigstens einer ausgewählten Zelle mit zum Programmieren dieser Zelle ausreichender Energie zu beschleunigen, so daß eine Vielzahl von Zellen aus einer einzigen Ladungsquelle programiert werden kann.