DE3686144T2

DE3686144T2 - Nichtfluechtiger halbleiterspeicher.

Info

Publication number: DE3686144T2
Application number: DE8686307291T
Authority: DE
Inventors: Yoshio C O Seiko Instr E Hirai
Original assignee: Seiko Instruments Inc
Current assignee: Seiko Instruments Inc
Priority date: 1985-10-15
Filing date: 1986-09-23
Publication date: 1992-12-17
Anticipated expiration: 2006-09-24
Also published as: EP0228761A1; DE3686144D1; EP0228761B1; US5126809A; JPS6288368A

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft nichtflüchtige Halbleiterspeicher beispielsweise zur Verwendung in Computern und Büromaschinen, usw..
Die vorliegende Erfindung sucht einen nichtflüchtigen Halbleiterspeicher zur Verwendung in Computern, usw. zu schaffen, bei dem um eine Floating-Gate-Elektrode über entsprechende Tunnelisolatorschichten über entsprechenden Tunnelisolatorschichten eine Löschelektrode und eine Schreibelektrode vorgesehen sind, wodurch die Zuverlässigkeit des nichtflüchtigen Halbleiterspeichers verbessert wird.
Nichtflüchtige Halbleiterspeicher werden im großen Umfang in Computern, usw. verwendet, da sie kleiner als andere Speichertypen sind und ein sehr schnelles Auslesen ermöglichen. Fig. 2 zeigt einen Schnitt eines grundsätzlichen elektrisch löschbaren und programmierbaren nichtflüchtigen Speichers (im folgenden als "EEPROM" bezeichnet). An der Oberseite eines P-leitenden Halbleitersubstrats 11 sind eine N&spplus;-leitende Source- und Drain-Zone 13 sowie auf einer Gate-Isolatorschicht 14 eine Floating-Gate-Elektrode 15 vorgesehen. Zur Steuerung des Potentials der Floating-Gate-Elektrode 15 ist auf einer Isolatorschicht 102 eine Steuer-Gate-Elektrode 16 vorgesehen. Die Ladungsübertragung für die Floating-Gate- Elektrode 15 erfolgt über eine auf der Drain-Zone 13 vorgesehene Tunneloxidschicht 17. Beträgt die Dicke der Tunneloxidschicht 17 beispielsweise 200Å (1nm = 10 Å) so wird an der Tunneloxidschicht 17 bei Anlegen einer Spannung an die Steuer-Gate-Elektrode 16, welche um 20 V größer als das Potential der Drain-Zone 13 ist, ein starkes elektrisches Feld erzeugt, wodurch Elektronen von der Drain-Zone auf die Floating-Gate-Elektrode 15 fließen. Um einen Elektronenfluß von der Floating-Gate-Elektrode 15 in die Drain-Zone 13 in Rückwärtsrichtung zu erzeugen, reicht es aus, an die Drain- Zone 13 eine Spannung anzulegen, welche um 20 V größer als das Potential der Steuer-Gate-Elektrode 16 ist. Da sich die Leitfähigkeit des Kanals zwischen der Source- und Drain-Zone unter der Floating-Gate-Elektrode 15, welche als eine Gate- Elektrode dient, als Funktion der Ladungsmenge auf der Floating-Gate-Elektrode 15 ändert, ist eine Datenauslesung möglich. Ein Beispiel dieser Form eines nichtflüchtigen Halbleiterspeichers ist in der US-A-4 203 158 beschrieben. Nichtflüchtige Speicher mit getrennter Lösch- und Schreibelektrode sind aus der EP-A-0 035 160 und der US-A-4 099 196 bekannt. In der EP-A-0 052 982 ist eine Löschelektrodenanordnung bekannt, wie sie erfindungsgemäß verwendet wird.
Bei einem EEPROM nach Fig. 2, bei dem zum Schreiben von Daten ein starkes elektrisches Feld in einer Tunneloxidschicht erzeugt wird, führt dieses starke elektrische Feld zur Abnutzung und Beeinträchtigung der Tunneloxidschicht, so daß ein wiederholtes Neueinschreiben zu einem Zusammenbruch des EEPROM führt.
Bei einer genauen experimentellen Untersuchung der Beeinträchtigung einer Tunneloxidschicht durch Abnutzung hat sich gezeigt, daß diese Abnutzung von der Richtung des erzeugten elektrischen Feldes abhängt. Die Untersuchungsergebnisse sind in Fig. 3 dargestellt, in der der Tunnelstrom in Abhängigkeit des in einer Tunneloxidschicht erzeugten elektrischen Feldes EOX dargestellt ist. Ein Durchbruch tritt bei einem kleinerem Stromwert auf, wenn Elektronen von einer Floating-Gate-Elektrode abfließen (bei Anlegen einer Spannung +VD von +20 V an die Drain-Zone). Mit anderen Worten wird das Auftreten eines Durchbruchs in einem EEPROM gemäß Fig. 2 beobachtet, wenn es in einem Löschbetrieb betrieben wird (wenn Elektronen von der Floating-Gate-Elektrode abfließen).
Auf der Basis dieser Tatsache wird der Durchbruch eines erfindungsgemäßen nicht flüchtigen Halbleiterspeichers aufgrund des Neubeschreibens dadurch reduziert oder verhindert, daß Lösch- und Schreibelektrode getrennt voneinander vorgesehen werden. Durch diese getrennte Anordnung von Lösch- und Schreibelektrode wird die Richtung, in der Elektronen durch zwei Tunnelisolatorschichten fließen, auf eine einzige Richtung beschränkt. Gemäß einem Aspekt der Erfindung ist ein nichtflüchtiger Halbleiterspeicher mit einem Halbleitersubstrat eines ersten Leitungstyps, einer Source- und Drain-Zone eines zweiten Leitungstyps, die an einer Seite im Halbleitersubstrat beabstandet voneinander vorgesehen sind, einer über einer Gate-Isolatorschicht auf einem Teil der Seite des Halbleitersubstrats zwischen der Source- und Drain-Zone vorgesehen Floating-Gate-Elektrode, einer der Floating-Gate-Elektrode über einer ersten Tunnelisolatorschicht gegenüberstehend vorgesehenen Löschelektrode und einer der Floating-Gate-Elektrode über einer zweiten Tunnelisolatorschicht gegenüberstehend vorgesehenen Schreibelektrode dadurch gekennzeichnet, daß der der Löschelektrode über der ersten Tunnelisolatorschicht gegenüberstehende Teil der Floating-Gate-Elektrode oberhalb der Löschelektrode vorgesehen ist.
Der Lagezusammenhang zwischen der Löschelektrode, der Schreibelektrode und der Floating-Gate-Elektrode kann im Sinne der Maximierung des Durchbruchstromwertes der ersten und zweiten Tunnelisolatorschicht gewählt werden.
Bei einer Ausführungsform ist die Schreibelektrode auf der zweiten Tunnelisolatorschicht oberhalb der Floating-Gate- Elektrode angeordnet.
Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung ist ein nichtflüchtiger Halbleiterspeicher mit einem Halbleitersubstrat eines ersten Leitungstyps, einer an einer Seite des Halbleitersubstrats ausgebildeten Schreibelektrode eines zweiten Leitungstyps und einer auf einem Teil des Halbleitersubstrats zwischen Source- und Drain-Zone auf einer Gate-Isolatorschicht gegenüber der Drain-Zone über eine erste Tunnelisolatorschicht vorgesehenen Floating-Gate-Elektrode durch eine Löschelektrode gegenüber der Floating-Gate-Elektrode auf einer zweiten Tunnelisolatorschicht gekennzeichnet.
Die Erfindung wird im folgenden anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Es zeigt:
Fig. 1 einen Schnitt einer Ausführungsform eines nichtflüchtigen Halbleiterspeichers gemäß der Erfindung;
Fig. 2 einen Schnitt eines konventionellen nichtflüchtigen Halbleiterspeichers;
Fig. 3 ein Diagramm der elektrischen Eigenschaften einer Tunneloxidschicht auf einem N&spplus;-leitenden einkristallinen Siliziums;
Fig. 4 ein Diagramm der elektrischen Eigenschaften einer Tunneloxidschicht auf einem in einem erfindungsgemäßen nichtflüchtigen Halbleiterspeicher verwendeten Polysilizium; und
Fig. 5 einen Schnitt einer zweiten Ausführungsform eines nichtflüchtigen Halbleiterspeichers gemäß der Erfindung.
Gemäß Fig. 1 besitzt ein nichtflüchtiger Halbleiterspeicher gemäß der Erfindung an einer Seite eines P-leitenden Halbleitersubstrats 1 N&spplus;-leitende Source- und Drain-Zonen 2, 3. Auf einer Gate-Isolatorschicht 4 über einem Kanal zwischen der Source- und Drain-Zone ist eine Floating-Gate-Elektrode 5 vorgesehen. Weiterhin ist oberhalb der Floating-Gate- Elektrode 5 auf einer Isolatorschicht 101 eine Steuer-Gate- Elektrode 6 vorgesehen. Unter der Flaoting-Gate-Elektrode ist auf einer Tunneloxidschicht 7 eine Löschelektrode zur Erzeugung eines Elektronenflusses aus der Floating-Gate- Elektrode 5 heraus vorgesehen. Oberhalb der Floating-Gate- Elektrode 5 ist auf einer Tunneloxidschicht 9 eine Schreibelektrode 10 vorgesehen.
Für das Schreiben (d.h. das Injizieren von Elektronen in die Flaoting-Gate-Elektrode 5) wird an die Steuer-Gate-Elektrode 6 und die Löschelektrode 8 in Bezug auf die Schreibelektrode 10 eine Schreibspannung angelegt. Für das Löschen wird an die Löschelektrode 8 in Bezug auf die Schreibelektrode 10 und die Steuer-Gate-Elektrode 6 eine Löschspannung angelegt. Ein erneutes Schreiben erfolgt aufgrund eines Elektronenflusses von einer die Schreibelektrode 10 bildenden Polysiliziumschicht in einer dritten Ebene auf eine die Floating- Gate-Elektrode 5 bildenden Polysiliziumschicht in einer zweiten Ebene sowie von der Elektrode 5 auf eine die Löschelektrode 8 bildenden Polysiliziumschicht in einer ersten Ebene.
Ein Zeittaktdiagramm nach Fig. 4 zeigt die Eigenschaften der Tunneloxidschichten für einen nicht flüchtigen Halbleiterspeicher gemäß der Erfindung. Speziell zeigt Fig. 4 den Tunnelstrom als Funktion des erzeugten elektrischen Feldes. Bei Anlegen einer positiven Spannung an die Polysiliziumschicht der ersten Ebene bricht die Tunneloxidschicht nicht so leicht durch wie beim Anlegen einer Spannung an die Polysiliziumschicht der zweiten Ebene. Der Aufbau gemäß Fig. 1 ermöglicht daher die Realisierung eines EEPROM, bei dem das Auftreten eines Durchbruches aufgrund eines erneuten Beschreibens unterdrückt wird.
Fig. 5 zeigt eine zweite Ausführungsform des nichtflüchtigen Halbleiterspeichers gemäß der Erfindung. Der nichtflüchtige Halbleiterspeicher besitzt ein P-leitendes Siliziumsubstrat 1, N&spplus;-leitendes Source- und Drain-Zonen 22, 23, eine Gate-Isolatorschicht 24, eine Steuer-Gate-Elektrode 26 und eine Isolatorschicht 103. Ein erneutes Beschreiben erfolgt durch einen Elektronenfluß von der Drain-Zone 23 auf eine Floating-Gate-Elektrode 25 sowie von der Floating-Gate- Elektrode 25 auf eine Löschelektrode 29. Die zweite Ausführungsform besitzt daher eine Struktur, bei der das erneute Beschreiben durch Erzeugung eines starken elektrischen Feldes in den Tunneloxidschichten 27, 28 lediglich in der Richtung erfolgt, in welcher die Tunneloxidschicht nur schwer durchbricht.
Der vorstehend beschriebene nichtflüchtige Halbleiterspeicher gemäß der Erfindung besitzt einen Aufbau, bei dem zwei Tunneloxidschichten so vorgesehen sind, daß ein erneutes Beschreiben durch Erzeugen eines starken elektrischen Feldes in den Tunneloxidschichten in lediglich einer Richtung erfolgt, in welcher die Tunneloxidschicht aufgrund der Erzeugung des elektrischen Feldes nur schwer abgenutzt wird. Es können daher nichtflüchtige Halbleiterspeicher realisiert werden, die gegenüber konventionellen nichtflüchtigen Halbleiterspeichern einer größeren Anzahl von Schreiboperationen unterworfen werden können.

Claims

1. Nichtflüchtiger Halbleiterspeicher mit einem Halbleitersubstrat (1; 21) eines ersten Leitungstyps, einer Source- und Drain-Zone (2, 3; 22, 23) eines zweiten Leitungstyps, die an einer Seite im Halbleitersubstrat beabstandet voneinander vorgesehen sind, einer über einer Gate-Isolatorschicht (4; 24) auf einem Teil der Seite des Halbleitersubstrats zwischen der Source- und Drain-Zone vorgesehenen Floating-Gate-Elektrode (5; 25), einer der Floating-Gate-Elektrode über einer ersten Tunnelisolatorschicht (7; 28) gegenüberstehend vorgesehenen Löschelektrode (8; 29) und einer der Floating-Gate-Elektrode über einer zweiten Tunnelisolatorschicht (9; 27) gegenüberstehend vorgesehenen Schreibelektrode (9; 27), dadurch gekennzeichnet, daß der der Löschelektrode (8; 29) über die erste Tunnelisolatorschicht (7; 28) gegenüberstehende Teil der Floating-Gate-Elektrode (5; 25) oberhalb der Löschelektrode (8; 29) vorgesehen ist.

2. Nichtflüchtiger Halbleiterspeicher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der der Schreibelektrode (10) über die zweite Tunnelisolatorschicht (9) gegenüberstehende Teil der Floating-Gate-Elektrode (5) unterhalb der Schreibelektrode (10) vorgesehen ist.

3. Nichtflüchtiger Halbleiterspeicher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Schreibelektrode (23) in einem Teil des Halbleitersubstrats (21) an einer Seite unterhalb der Floating-Gate-Elektrode (25) vorgesehen ist.

4. Verfahren zur Anwendung eines nichtflüchtigen Halbleiterspeichers nach den vorhergehenden Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, daß der Durchbruchstrom durch die erste und zweite Tunnelisolatorschicht (7, 9; 28, 27) maximiert wird.