專利名稱：電可編程存儲(chǔ)器、編程方法以及讀方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種電可編程存儲(chǔ)器，尤其是但不是排他地涉及一種電可擦除可編程只讀存儲(chǔ)器(EEPROM或E2PROM)。
一般在存儲(chǔ)器領(lǐng)域，尤其是在E2PROM領(lǐng)域內(nèi)，一直需要縮小幾何尺寸，增加密度并從而降低芯片成本。然而，因?yàn)镋2PROM使用高電壓，某些物理破壞作用限制著E2PROM單元的尺寸，所以對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)5V邏輯門不能對(duì)其進(jìn)行縮小。
常規(guī)上，E2PROM存儲(chǔ)單元已經(jīng)存儲(chǔ)了二進(jìn)制值，即或者是“0”或者是“1”。為了增加存儲(chǔ)密度，對(duì)于多電平單元系統(tǒng)已經(jīng)提出兩個(gè)方案首先提出的是，使用具有數(shù)個(gè)不同尺寸的控制柵的大型雙-多晶硅單元，允許通過改變單元的耦合電容率將多電平值編程到單元中。然而，這種多電平方案具有這樣的缺點(diǎn)它需要非常大的單元，從而沒有總體密度獲益。
其次提出的是，利用數(shù)個(gè)短編程脈沖將不同的值編程到標(biāo)準(zhǔn)閃速EEPROM單元中，脈沖的數(shù)目控制著單元的閾值電壓，即待編程的值；必須使用一個(gè)復(fù)雜的多基準(zhǔn)電壓比較器作為讀出放大器。然而，這種多電平方案具有這樣的缺點(diǎn)盡管單元本身可以是小的，但是它需要復(fù)雜的讀出放大器方案并且需要許多精確的電壓電平。
根據(jù)本發(fā)明第一方面，提供一種如權(quán)利要求1所述的電可編程存儲(chǔ)器。
根據(jù)本發(fā)明第二方面，提供一種如權(quán)利要求7所述的對(duì)電可編程存儲(chǔ)器進(jìn)行編程的方法。
根據(jù)本發(fā)明第三方面，提供一種如權(quán)利要求8所述的對(duì)電氣編程的存儲(chǔ)器進(jìn)行讀的方法。
下面，參照附圖僅以示例形式描述根據(jù)本發(fā)明最佳實(shí)施方式的E2PROM單元。


圖1是本發(fā)明中所用的E2PROM單元的示意電路圖；圖2是圖1的單元的部分截面視圖3是本發(fā)明中所用的E2PROM單元的示意電路圖以及利用靜態(tài)、累接檢測(cè)方案集成用于讀已編程單元數(shù)據(jù)的附加電路；以及圖4是本發(fā)明中所用的E2PROM單元的示意電路圖以及利用動(dòng)態(tài)檢測(cè)方案集成用于讀已編程單元數(shù)據(jù)的附加電路。
首先參照?qǐng)D1，在一般標(biāo)準(zhǔn)E2PROM單元陣列中，一個(gè)E2PROM單元10包括一個(gè)場(chǎng)效應(yīng)晶體管金屬氧化物半導(dǎo)體(FETMOS)雙-多晶硅結(jié)構(gòu)12，帶有一個(gè)浮動(dòng)?xùn)抛鳛殡姾纱鎯?chǔ)區(qū)。為了允許在陣列中單獨(dú)尋址單元10，該單元還包括一個(gè)尋址FETMOS晶體管14。晶體管12的源電極與“陣列地”節(jié)點(diǎn)AG連接，晶體管12的柵電極與“控制柵”節(jié)點(diǎn)CG連接。晶體管12的漏電極與晶體管14的源電極連接。晶體管14的漏電極與“位線”節(jié)點(diǎn)BL連接，晶體管14的柵電極與“字/行線”節(jié)點(diǎn)WL連接。
現(xiàn)在參照?qǐng)D2，晶體管12具有一個(gè)p型硅的基片區(qū)12.1，以及n+型硅的漏區(qū)和源區(qū)12.2和12.3。晶體管12還具有一個(gè)第一多晶硅材料的浮動(dòng)?xùn)?2.4，覆蓋著第二多晶硅的控制柵12.5。多晶硅柵12.4和12.5由厚度大約為10nm的氧化物薄層12.6隔開。
晶體管12的浮動(dòng)?xùn)?2.4上的電荷極性記錄著作為晶體管的E2PROM的工作類型，即增強(qiáng)型或耗盡型。浮動(dòng)?xùn)派系碾姾墒抢梅Q為Fowler Nordheim(FN)溝道效應(yīng)的量子機(jī)械過程、通過氧化物薄層12.6向/從該柵傳送電子而得到控制的。然而，這一過程需要相當(dāng)高的電壓，稱為VPP(一般大于15V)，以便引起這種溝道效應(yīng)。
對(duì)這一E2PROM單元的編程本質(zhì)上是自限制的。在編程過程中，在BL和WL節(jié)點(diǎn)上施加VPP(＞15V)，在CG節(jié)點(diǎn)上施加略微低于VPP的電壓(例如，一般為0V的VSS，或一般在5.5V與2.7V之間或者可能更低的VDD)。電子被從浮動(dòng)?xùn)爬?，使其正向充電，即在?fù)閾值的情況下。在編程事件期間，并不是無限制地從浮動(dòng)?xùn)爬鲭娮?，而是受到單元本身的限制。?dāng)浮動(dòng)?xùn)抛優(yōu)楦诱虺潆姇r(shí)(耗盡了電子)，將出現(xiàn)一種飽合，其中VCS(浮動(dòng)?xùn)?源電壓)大于NMOS閾值電壓(～0.7V)。在這種狀態(tài)下，該單元將工作為一個(gè)“接通”晶體管，并導(dǎo)通。這將從電壓為VPP的BL節(jié)點(diǎn)引出電流，從而將節(jié)點(diǎn)BL處的電壓陣低到FN溝道效應(yīng)所需的電平，從而關(guān)斷編程。
現(xiàn)在參照?qǐng)D3和圖4，采用本發(fā)明的E2PROM單元20和30利用這種自限制機(jī)制將不同的電壓電平編程到浮動(dòng)?xùn)拧？梢赃x擇任何所需數(shù)目的不同電平，但是在本例中，為了簡(jiǎn)便，單元10能夠存儲(chǔ)的不同電平的數(shù)目選為4個(gè)，即單元20和30能夠存儲(chǔ)與數(shù)據(jù)值“0”、“1”、“2”和“3”相應(yīng)的不同電平。因此，在該例中，單元20和30每個(gè)都能夠具有4個(gè)不同的閾值。
現(xiàn)在具體地參照?qǐng)D3，多電平E2PPROM單元20與上述現(xiàn)有技術(shù)的單元10類似。單元20具有一個(gè)雙-多晶硅浮動(dòng)?xùn)臚ETMOS晶體管22(與單元10的晶體管12類似)用于電荷存儲(chǔ)，和FETMOS晶體管24(與單元10的晶體管14類似)，用于尋址。另外，如下所述，單元20具有一可選擇的基準(zhǔn)電壓源26，用于向電荷存儲(chǔ)晶體管22的節(jié)點(diǎn)AG施加可選擇的多電平值的基準(zhǔn)電壓。
下面將單元20編程為多電平值。
將數(shù)據(jù)狀態(tài)“3”的閾值電壓選為最正的(即負(fù)浮動(dòng)?xùn)?。這與已擦除的單元(通過在節(jié)點(diǎn)CG和WL上施加VPP、在節(jié)點(diǎn)AG和BL上施加VSS而擦除)相應(yīng)。數(shù)據(jù)狀態(tài)“0”與利用比數(shù)據(jù)狀態(tài)“3”低的閾值電壓編程的單元相應(yīng)，而數(shù)據(jù)狀態(tài)“1”和“2”的閾值電壓界于數(shù)據(jù)狀態(tài)“3”和“0”的閾值電壓之間數(shù)據(jù)狀態(tài)“0”的閾值電壓低于數(shù)據(jù)狀態(tài)“1”的閾值電壓，“1”的低于“2”的，“2”的低于“3”的。這是通過在編程期間改變AG節(jié)點(diǎn)上的電壓VML實(shí)現(xiàn)的例如，為了編程一個(gè)“0”狀態(tài)，使用10V的AG節(jié)點(diǎn)電壓VML，這使得該單元被編程到高浮動(dòng)?xùn)烹妷?10V)；“1”狀態(tài)在AG節(jié)點(diǎn)上使用7V；而“2”狀態(tài)在AG節(jié)點(diǎn)上使用3V。應(yīng)看到，不同閾值之間的寬帶提供不同數(shù)據(jù)狀態(tài)之間的寬范圍。
應(yīng)理解到，因?yàn)閱卧?0的編程依賴于上述自限制效應(yīng)，所以一旦將所需電壓施加到AG節(jié)點(diǎn)，則利用所需多電平值對(duì)該單元進(jìn)行編程，與編程時(shí)間TP無關(guān)(當(dāng)然，假設(shè)編程時(shí)間TP足以允許被編程值穩(wěn)定到所需電平)。
應(yīng)理解到，可選擇的基準(zhǔn)電壓源26的詳細(xì)結(jié)構(gòu)對(duì)于本發(fā)明是不重要的，它屬于一般集成電路設(shè)計(jì)人員在判定產(chǎn)生施加到節(jié)點(diǎn)AG的所需電壓電平的特定基準(zhǔn)電壓源時(shí)的普通技術(shù)。
在本例中，對(duì)多電平E2PROM單元20的檢測(cè)/讀包括兩個(gè)步驟首先將BL節(jié)點(diǎn)預(yù)充電到比將被檢測(cè)的閾值高的伏特，然后通過向WL節(jié)點(diǎn)施加VDD(一般為大約幾伏)向CG節(jié)點(diǎn)施加VSS打開該單元。
可以設(shè)計(jì)兩個(gè)可替換的檢測(cè)方案-一個(gè)靜態(tài)和和一個(gè)動(dòng)態(tài)的，盡管兩個(gè)依賴于相同的原理。兩個(gè)方案在讀周期中都將變化的電壓施加到AG節(jié)點(diǎn)，并檢測(cè)單元中的電流，以確定浮動(dòng)?xùn)派系碾妷骸?br> 在兩個(gè)方案中，BL節(jié)點(diǎn)上的電壓可以保持恒定或者使其跟隨AG節(jié)點(diǎn)上的變化電壓(例如，等于施加到AG節(jié)點(diǎn)上的電壓或者比如比它高或低1V的電壓)。
首先參照?qǐng)D3，考慮被編程到(即利用上例中在AG節(jié)點(diǎn)上的7V被編程到)數(shù)據(jù)狀態(tài)“1”的單元20。在靜態(tài)檢測(cè)方案中，執(zhí)行一個(gè)累接檢測(cè)方法。
首先將3V作用在AG節(jié)點(diǎn)上，將BL節(jié)點(diǎn)預(yù)充電到4V。因?yàn)閂GS＞VTN，單元將導(dǎo)通，并且預(yù)充電的BL節(jié)點(diǎn)將放電。讀出放大器28監(jiān)測(cè)或檢測(cè)該電流，將值“2”存儲(chǔ)到加權(quán)數(shù)據(jù)鎖存器29中，作為在單元20中編程的可能值。
然后利用AG＝7V重復(fù)該過程，該電壓也產(chǎn)生電流(因?yàn)閂CS＞VTN)，因而將值“1”存儲(chǔ)在數(shù)據(jù)鎖存器29中，作為編程到單元20中的可能值。然后利用AG＝10V重復(fù)該過程，但是此時(shí)因?yàn)閂CS＜VTN，所以沒有電流。從而，考慮到累接檢測(cè)的每個(gè)步驟的讀出放大器輸出，于是認(rèn)為單元已經(jīng)利用值“1”完成編程。
對(duì)于“3”數(shù)據(jù)狀態(tài)(即，被擦除)，只需要AG＝3V時(shí)的第一檢測(cè)，因?yàn)閷?duì)于一個(gè)被擦除的單元從來沒有任何電流。對(duì)于“0”數(shù)據(jù)狀態(tài)，在AG＝3V、7V和10V時(shí)將有電流。
現(xiàn)在參照?qǐng)D4，多電平E2PROM單元30與上述多電平E2PROM單元20類似。單元30具有一個(gè)雙-多晶硅浮動(dòng)?xùn)臚ETMOS晶體管32(與單元20的晶體管22類似)，用于電荷存儲(chǔ)，一個(gè)FETMOS晶體管34(與單元20的晶體管24類似)，用于尋址，以及一個(gè)可選擇的基準(zhǔn)電壓源36(與單元20的可選擇基準(zhǔn)電壓源26類似)，用于向電荷存儲(chǔ)晶體管32的節(jié)點(diǎn)AG施加可選擇的多電平值的基準(zhǔn)電壓。
然而，在多電平E2PROM單元30中，與圖3的多電平E2PROM單元30有關(guān)的上述靜態(tài)累接檢測(cè)方案被做成是動(dòng)態(tài)的。多電平E2PROM單元30包括一個(gè)斜坡電壓發(fā)生器38，用于向被編程的電荷存儲(chǔ)晶體管32的AG節(jié)點(diǎn)施加斜坡電壓，以及一個(gè)讀出放大器39，用于檢測(cè)單元中的電流。
多電平E2PROM單元30中的動(dòng)態(tài)檢測(cè)是如下執(zhí)行的。
打開WL節(jié)點(diǎn)，斜坡電壓發(fā)生器38向AG節(jié)點(diǎn)施加一個(gè)電壓，它從3V逐漸升高到10V，等待電流在單元中流動(dòng)。當(dāng)電壓逐漸升高時(shí)，讀出放大器39監(jiān)視并且檢測(cè)所產(chǎn)生的電流。當(dāng)檢測(cè)到電流時(shí)，測(cè)量所施加的AG電壓的電平。這與單元已被編程時(shí)的閾值相應(yīng)，并且從而與單元的數(shù)據(jù)狀態(tài)相應(yīng)。
應(yīng)認(rèn)識(shí)到，上述兩個(gè)可替換的檢測(cè)方案中的每一個(gè)具有其自身的利與弊參照?qǐng)D3所述的靜態(tài)累接檢測(cè)方案只需要一個(gè)簡(jiǎn)單的讀出放大器28，但是需要快速鎖定，因?yàn)樾枰齻€(gè)讀周期來確定數(shù)據(jù)狀態(tài)。參照?qǐng)D4所述的動(dòng)態(tài)檢測(cè)方案較快，但是將需要更復(fù)雜的讀出放大器39。
應(yīng)理解的是，當(dāng)利用上述可選擇的電壓發(fā)生器18時(shí)，讀出放大器28、斜坡電壓發(fā)生器38以及讀出放大器39的詳細(xì)結(jié)構(gòu)對(duì)于本發(fā)明是不重要的，并且屬于一般集成電路設(shè)計(jì)人員在判定用于以所述方式執(zhí)行的這些例行功能的特定結(jié)構(gòu)時(shí)的普通技術(shù)。
因而，應(yīng)認(rèn)識(shí)到，本發(fā)明能夠顯著增加EEPROM單元密度，而不需非常精確的基準(zhǔn)電壓或復(fù)雜的模擬電路。
也應(yīng)認(rèn)識(shí)到，因?yàn)楸景l(fā)明利用了健壯自限制E2PROM編程機(jī)制來確定可變單元閾值(即，數(shù)據(jù)狀態(tài))，它在部件寫/擦除持續(xù)壽命期間本質(zhì)上提供了緊密的單元閾值分布和可重復(fù)的性能。
當(dāng)然，也應(yīng)認(rèn)識(shí)到，盡管在上例中描述了一個(gè)多電平E2PROM單元，但是本發(fā)明并不限于E2PROM單元，而是一般地可應(yīng)用于采用Fowler Nordheim(FN)溝道作為電荷傳送機(jī)制的任何電可編程存儲(chǔ)器，比如閃速存儲(chǔ)器。
權(quán)利要求
1.電可編程存儲(chǔ)器，包括一個(gè)浮動(dòng)?xùn)臚ET單元，它具有一個(gè)漏電極，以及一個(gè)源電極；用于在編程時(shí)間向漏電極和源電極中的一個(gè)電極施加第一電壓的裝置；用于在編程時(shí)間向漏電極和源電極中的另一個(gè)電極施加第二電壓的裝置，該第二電壓在兩個(gè)以上的電平之間是可變的，以便確定在浮動(dòng)?xùn)派弦鸬碾姾闪浚瑥亩_定將基本上獨(dú)立于編程時(shí)間被編程到該單元中的多電平值。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的電可編程存儲(chǔ)器，還包括一個(gè)設(shè)置在浮動(dòng)?xùn)排cFET其他部分之間的薄絕緣層。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2的電可編程存儲(chǔ)器，其中浮動(dòng)?xùn)虐ㄒ环N多晶硅材料。
4.根據(jù)前述任一權(quán)利要求的電可編程存儲(chǔ)器，其中漏電極和源電極中的一個(gè)電極是漏電極。
5.根據(jù)前述任一權(quán)利要求的電可編程存儲(chǔ)器，其中漏電極和源電極中的另一個(gè)電極是源電極。
6.根據(jù)前述任一權(quán)利要求的電可編程存儲(chǔ)器，其中該存儲(chǔ)器是一個(gè)電可擦除只讀存儲(chǔ)器-E2PROM。
7.對(duì)電可編程存儲(chǔ)器進(jìn)行編程的方法，該電可編程存儲(chǔ)器包括一個(gè)浮動(dòng)?xùn)臚ET單元，它具有一個(gè)漏電極，以及一個(gè)源電極；該方法包括步驟在編程時(shí)間向漏電極和源電極中的一個(gè)電極施加第一電壓；以及在編程時(shí)間向漏電極和源電極中的另一個(gè)電極施加第二電壓，該第二電壓在兩個(gè)以上的電平之間是可變的，以便確定在浮動(dòng)?xùn)派弦鸬碾姾闪?，從而確定將基本上獨(dú)立于編程時(shí)間被編程到該單元中的多電平值。
8.對(duì)電氣上被編程的存儲(chǔ)器進(jìn)行讀的方法，該存儲(chǔ)器包括一個(gè)浮動(dòng)?xùn)臚ET單元，它具有一個(gè)漏電極，以及一個(gè)源電極；該方法包括步驟向漏電極和源電極中的一個(gè)電極施加第三電壓；以及向漏電極和源電極中的另一個(gè)電極施加第四可變電壓；以及檢測(cè)單元中的電流，以便確定被編程到單元中的多電平值。
9.根據(jù)權(quán)利要求8的方法，其中施加第四可變電壓的步驟包括施加一個(gè)逐漸上升的電壓，直到在單元中產(chǎn)生大于預(yù)定閾值的電流。
10.根據(jù)權(quán)利要求8的方法，其中施加第四可變電壓的步驟包括施加一個(gè)在順序上具有多個(gè)電平的電壓，并且檢測(cè)在每個(gè)順序電平下單元中的電流是否大于預(yù)定閾值，直到能夠確定被編程到該單元中的多電平值。
11.基本上如在此參照附圖所述的電可編程存儲(chǔ)器。
12.基本上如在此參照附圖所述的對(duì)電可編程存儲(chǔ)器進(jìn)行編程的方法。
13.基本上如在此參照附圖所述的對(duì)電氣上被編程的存儲(chǔ)器進(jìn)行讀的方法。
全文摘要
一種電可編程存儲(chǔ)器,包括:一個(gè)具有漏電極和源電極的浮動(dòng)?xùn)臚ET單元(10);用于在編程時(shí)間(T
文檔編號(hào)G11C16/02GK1194716SQ96196585
公開日1998年9月30日 申請(qǐng)日期1996年8月30日 優(yōu)先權(quán)日1995年8月31日
發(fā)明者安德魯·博尼 申請(qǐng)人:摩托羅拉有限公司