專利名稱：多位閃速存儲(chǔ)器件及其操作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種半導(dǎo)體器件，尤其涉及一種利用互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體(CMOS)的多位閃速存儲(chǔ)器件(multi bits flash memory device)及操作其的方法。
背景技術(shù)：
為了增大存儲(chǔ)密度，可以減小存儲(chǔ)單元的尺寸。作為選擇，可以通過增加每個(gè)存儲(chǔ)單元中電荷可能的狀態(tài)數(shù)量增大存儲(chǔ)密度。例如，據(jù)報(bào)道，一種具有多浮置柵極的閃速存儲(chǔ)單元可以采用四種狀態(tài)，因此同時(shí)存儲(chǔ)兩位。
然而，存儲(chǔ)單元常常是以二維結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)的。一般而言，二維存儲(chǔ)單元具有平面晶體管結(jié)構(gòu)，其中，在襯底中形成源極和漏極區(qū)域，在源極/漏極區(qū)域之間的部分襯底中形成溝道，且在溝道上形成柵極。
可以通過兩個(gè)位操作這種二維器件。例如，在包括浮置柵極或電荷俘獲(trap)層的二維平面晶體管中，接近源極和漏極區(qū)域的浮置柵極或電荷捕獲層的兩個(gè)末端都用作電荷存儲(chǔ)點(diǎn)(charge storage site)或存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)(storagenode)，這樣就實(shí)現(xiàn)了兩位操作。然而，在執(zhí)行編程、擦除和讀操作中二維器件不適合于大于三個(gè)位的多位操作。
此外，已經(jīng)開發(fā)出具有二維結(jié)構(gòu)的多電平(multi-level)存儲(chǔ)單元。這種多電平存儲(chǔ)單元的浮置柵極以多個(gè)電平存儲(chǔ)電荷。在這種情況下，為了存儲(chǔ)大于兩個(gè)位，例如四個(gè)位，至少24，即16個(gè)電荷電平是必需的。在nMOSFET器件中，在大約1E+18/cm3的摻雜濃度下，預(yù)計(jì)閾值電壓約為3V，該閾值電壓可能會(huì)隨著施主(Nd)數(shù)量的增加而增大，且隨著溝道或襯底的摻雜濃度而變化。因此，預(yù)計(jì)閾值電壓窗口(ΔVth)為3V。這樣窄的域值電壓窗口防礙了在窗口范圍內(nèi)獲得大于10的多個(gè)電壓電平，且防礙了良好的編程/擦除和讀操作。
因此，為了在存儲(chǔ)單元中執(zhí)行大于兩位的操作，例如，四位或八位操作，必須開發(fā)出具有至少兩個(gè)電荷存儲(chǔ)點(diǎn)或存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)的新存儲(chǔ)單元。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供了一種具有能夠存儲(chǔ)多于兩位的存儲(chǔ)單元結(jié)構(gòu)的多位閃速存儲(chǔ)器件。
本發(fā)明還提供了一種包括堆疊結(jié)構(gòu)的閃速存儲(chǔ)器件，該堆疊結(jié)構(gòu)包括設(shè)置在襯底上的具有臺(tái)面狀的第一有源層；第二有源層，在第一有源層上形成，具有與第一有源層不同的導(dǎo)電類型；有源層間隔離層，插置在第一有源層與第二有源層之間以便將第一有源層與第二有源層電隔離；在堆疊結(jié)構(gòu)的一對(duì)相對(duì)的側(cè)表面上形成的公共源極和公共漏極；在堆疊結(jié)構(gòu)的另外一對(duì)相對(duì)的側(cè)表面上形成的公共第一柵極和公共第二柵極；插置在第一和第二柵極與第一和第二有源層之間的隧道介質(zhì)層；以及電荷捕集層，插置在隧道介質(zhì)層與第一和第二柵極之間，存儲(chǔ)隧穿隧道介質(zhì)層的電荷。
當(dāng)對(duì)閃速存儲(chǔ)器件編程時(shí)，通過組合施加到第一柵極、第二柵極、輔助控制電極及第一有源層的電壓，可以在存儲(chǔ)單元中存儲(chǔ)多個(gè)不同的狀態(tài)。
例如，可以將-15V到15V施加到第一柵極；可以將-15V到15V施加到第二柵極；可以將-10V到10V施加到輔助控制電極；以及可以將0V施加到第一有源層或可以將第一有源層接地。
這時(shí)，源極和漏極可以接地或浮置，以便電荷通過FN隧穿機(jī)制隧穿到電荷捕集層中。
此外，可以將電場(chǎng)施加到源極和漏極之間以產(chǎn)生熱電子，從而通過CHEI機(jī)制將電荷注入到電荷捕集層中。
本發(fā)明公開了一種具有能夠執(zhí)行多于兩位的存儲(chǔ)單元結(jié)構(gòu)的多位閃速存儲(chǔ)器件。


通過參考附圖詳細(xì)描述本發(fā)明的示范性實(shí)施例，其上述的和其它的特征和優(yōu)勢(shì)將變得更明顯，在附圖中圖1是根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的多位閃速存儲(chǔ)器件的等效電路圖；圖2是根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的多位閃速存儲(chǔ)器件有源層的堆疊的截面圖；圖3是在圖1中示出的多位閃速存儲(chǔ)器件的透視圖；圖4是沿著在圖3中示出的IV-IV′線截取的截面透視圖；
圖5是根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例示出了電荷捕集層的位置的多位閃速存儲(chǔ)器件的截面圖；圖6是根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的多位閃速存儲(chǔ)器件的pMOS晶體管的截面圖；圖7是根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的多位閃速存儲(chǔ)器件的nMOS晶體管的截面圖；圖8是根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的多位閃速存儲(chǔ)器件的閾值電壓(V)和摻雜濃度關(guān)系的曲線圖；圖9是根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的多位閃速存儲(chǔ)器件的漏極-源極電流和柵極電壓的關(guān)系曲線圖；圖10是示出電荷存儲(chǔ)點(diǎn)的圖1的多位閃速存儲(chǔ)器件的截面圖；以及圖11到26為示出圖1的多位閃速存儲(chǔ)器件的操作的截面圖。
具體實(shí)施例方式
現(xiàn)在將參考附圖更詳細(xì)地描述本發(fā)明，在附圖中展示了本發(fā)明的示范性實(shí)施例。然而，本發(fā)明可以以多種不同形式實(shí)施，不應(yīng)被解釋為僅限于此處所述的實(shí)施例；相反，提供這些實(shí)施例是為了使本發(fā)明透徹和完整，并且充分將本發(fā)明的觀念傳達(dá)給本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員。
根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的3維多位閃速存儲(chǔ)器件包括兩個(gè)有源層以及插置在它們之間的有源層間隔離層。有源層及有源層間隔離層以六面體的形式形成堆疊結(jié)構(gòu)。在堆疊結(jié)構(gòu)的側(cè)表面上形成源極、漏極以及柵極。在每個(gè)有源層中形成溝道，且有源層間隔離層用作絕緣體。堆疊結(jié)構(gòu)的一對(duì)相對(duì)的側(cè)表面上形成公共源極和公共漏極；以及在堆疊結(jié)構(gòu)的另外一對(duì)相對(duì)的側(cè)表面上形成公共柵極。在公共柵極與有源層的側(cè)表面之間插置電荷捕集層。此外在上有源層上形成輔助控制電極，以便將體電壓施加到上有源層。此外，下有源層電連接到襯底，以便穿過襯底將體電壓施加到下有源層。
在包括這種3維存儲(chǔ)器件的單元中，由于有源層具有不同的導(dǎo)電類型，因此在單個(gè)柵極下面至少有兩個(gè)電荷存儲(chǔ)結(jié)，該電荷存儲(chǔ)結(jié)可以在有源層的堆疊的任一側(cè)上形成以存儲(chǔ)電荷。因此，存儲(chǔ)單元可以具有總計(jì)4個(gè)電荷存儲(chǔ)點(diǎn)或8個(gè)電荷存儲(chǔ)點(diǎn)。由于有源層分別具有p-型導(dǎo)電性及n-型導(dǎo)電性，因此在有源層的側(cè)表面上形成的每個(gè)柵極是nMOS-型半導(dǎo)體和pMOS-型半導(dǎo)體的公共柵極。因此在柵極下面可以形成至少兩個(gè)電荷存儲(chǔ)點(diǎn)。換句話說，電荷可以在各個(gè)隔離的電荷存儲(chǔ)結(jié)中單獨(dú)地存儲(chǔ)，從而可以實(shí)現(xiàn)至少4位編程/擦除和讀取。
圖1是根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的多位閃速存儲(chǔ)器件的等效電路圖。
參考圖1，該多位閃速存儲(chǔ)器件包括pMOS晶體管和nMOS晶體管，通過公共漏極、公共源極和公共柵極操作該pMOS晶體管nMOS晶體管。通過公共漏極將漏極電壓VD施加到nMOS晶體管和pMOS晶體管。通過公共源極將源極電壓VS施加到nMOS晶體管和pMOS晶體管。在這種結(jié)構(gòu)中，nMOS晶體管和pMOS晶體管共同連接到公共漏極、公共源極和公共柵極并通過公共漏極、公共源極和公共柵極得到控制，這種結(jié)構(gòu)可以通過互補(bǔ)地堆疊第一有源層和第二有源層實(shí)現(xiàn)。第一有源層用作nMOS晶體管的n溝道。第二有源層用作pMOS晶體管的p溝道。
圖2是根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的多位閃速存儲(chǔ)器件的有源層堆疊的截面圖。
參考圖2，為了獲得具有如下結(jié)構(gòu)的器件，在該結(jié)構(gòu)中通過公共源極、公共漏極和公共柵極共同控制nMOS晶體管和pMOS晶體管，可以利用依次設(shè)置在襯底100上的第一有源層110、有源層間隔離層210和第二有源層130。例如，可以由底部氧化物(bottom oxide，BOX)構(gòu)成的有源層間隔離層210可以形成于摻入濃度為10E18/cm3的受主摻雜劑的硅襯底上形成，且在有源層間隔離層210上形成的第二有源層130用作n-型導(dǎo)電襯底。在這種情況下，可以將有源層間隔離層210下的預(yù)定厚度的襯底用作第一有源層110。
通過形成絕緣體上硅(SOI)襯底，可以實(shí)現(xiàn)第一有源層110、有源層間隔離層210及第二有源層130的堆疊結(jié)構(gòu)。換句話說，形成SOI襯底，然后轉(zhuǎn)換第一有源層110和第二有源層130的導(dǎo)電類型，從而獲得圖2中示出的堆疊結(jié)構(gòu)。
構(gòu)圖堆疊結(jié)構(gòu)以形成六面體，在六面體的側(cè)面上形成公共源極、公共漏極和公共柵極。
圖3是圖1中示出的多位閃速存儲(chǔ)器件的透視圖。圖4是沿著圖3中示出的IV-IV′線截取的截面透視圖。圖5是根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例示出了電荷捕集層的位置的多位閃速存儲(chǔ)器件的截面圖。
參考圖3和圖4，該多位閃速存儲(chǔ)器件包括依次堆疊在襯底100上的臺(tái)面形第一有源層110、有源層間隔離層210及第二有源層130?？梢詫⒌谝挥性磳?10和第二有源層130摻雜成不同的導(dǎo)電類型。例如，通過任選地蝕刻(optionally etching)第二有源層130、有源層間隔離層210及襯底100可以形成第一有源層110和第二有源層130，因此第一有源層110具有在圖2中示出的SOI襯底上的類似臺(tái)面的形狀。在這種情況下，第一有源層110和第二有源層130以及有源層間隔離層210形成六面體。
襯底100可以為p-型硅襯底，該p-型硅襯底摻雜了摻雜濃度或數(shù)量(Na)約10E18/cm3的受主。因此，第一有源層110可以為p-型硅層，且具有與襯底100相同的導(dǎo)電類型?？梢栽谟性磳娱g隔離層210上形成第二有源層130，該層為摻雜了摻雜濃度或數(shù)量(Nd)約為10E18/cm3的施主的n-型硅層。有源層間隔離層210可以由包括絕緣材料的BOX構(gòu)成，例如二氧化硅。在這種情況下，可以在第一有源層110中形成nMOS晶體管的n-溝道，且可以在第二有源層130中形成pMOS晶體管的p-溝道。
參考圖3，經(jīng)構(gòu)圖的第一有源層110、有源層間隔離層210和第二有源層130可以形成六面體。源極510和漏極550在堆疊結(jié)構(gòu)的一對(duì)相對(duì)的側(cè)表面上形成。源極510和漏極550可以由導(dǎo)電材料或具有導(dǎo)電性的半導(dǎo)體材料構(gòu)成。此外，源極510和漏極550均可以覆蓋第一有源層110和第二有源層130的側(cè)表面。因此，源極510和漏極550可以分別用作公共源極和公共漏極。
第一柵極410和第二柵極430在堆疊結(jié)構(gòu)的另外一對(duì)相對(duì)的側(cè)表面上形成。第一柵極410和第二柵極430可以由導(dǎo)電材料構(gòu)成，且覆蓋了兩個(gè)有源層110和130的的側(cè)表面。因此，第一柵極410和第二柵極430均用作了與第一有源層110和第二有源層130中形成的溝道重疊的公共柵極。
結(jié)果，第一柵極410和第二柵極430可以控制分別在第一有源層110和第二有源層130中同時(shí)形成的兩個(gè)溝道。換句話說，當(dāng)將電壓施加到第一柵極410或第二柵極430時(shí)，電壓可以流過第一有源層110中的n-溝道，或流過第二有源層130中的p-溝道。
隧道介質(zhì)層230由絕緣材料構(gòu)成，例如二氧化硅，該隧道介質(zhì)層在第一柵極410和第二柵極430與第一有源層110和第二有源層130的側(cè)壁之間形成。隧道介質(zhì)層230允許電荷隧穿在第一有源層110和第二有源層130中形成的溝道。
參考圖5，電荷捕集層300捕集隧穿的電荷，其在隧道介質(zhì)層230與第一柵極410之間或在隧道介質(zhì)層230與第二柵極430之間形成。電荷捕集層300可以為具有電荷捕集點(diǎn)的材料層，從而可以局部地(locally)存儲(chǔ)電荷。這種材料層可以為硅點(diǎn)(silicon dot)層、金屬點(diǎn)(metal dot)層、碳納米管層、在硅氧化物氮化物氧化物硅(SONOS)器件中用作捕集層的氧化物氮化物氧化物(ONO)層、鐵磁層、鐵電層、納米線層、量子點(diǎn)層等。通過Fowler-Nordheim(FN)隧穿或溝道熱電子注入(CHEI)將電荷穿過隧道介質(zhì)層230注入到電荷捕集層300中。根據(jù)是否捕集電荷、如果捕集了是在哪兒捕集的，電荷的狀態(tài)可能有所變化。
參考圖4，電荷捕集層300包括氮化硅層(Si3N4)310以及在其上形成的二氧化硅層330。由于第一柵極410或第二柵極430沿著第一有源層110和第二有源層130延伸，使得第一柵極410或第二柵極430為第一有源層110和第二有源層130共享，該電荷捕集層300也沿著第一有源層110和第二有源層130的側(cè)壁延伸。
當(dāng)對(duì)根據(jù)本發(fā)明的存儲(chǔ)器件編程時(shí)，各存儲(chǔ)結(jié)有區(qū)別，在電荷被捕集在各存儲(chǔ)結(jié)中時(shí)，可以將體電壓施加到第一有源層110或第二有源層130的本體中。由于第一有源層110電連接到襯底100，因此向襯底100施加的第一體電壓可以與向第一有源層110施加的第一體電壓基本相同。將第二體電壓施加到與第一有源層110獨(dú)立的第二有源層130。這樣，電連接到第二有源層130的輔助控制電極450形成于第二有源層130的上表面上，從而不需要將第二體電壓直接施加到第二有源層130。輔助控制電極450可以由導(dǎo)電材料構(gòu)成。
由于第一柵極410和第二柵極430在堆疊有源層的側(cè)表面上垂直地形成，因此第一絕緣體610可以在第一柵極410和第二柵極430與在第一有源層110下的襯底100的表面之間形成。第一絕緣體610可以由氧化硅構(gòu)成。此外，由氧化硅構(gòu)成的第二絕緣體630可以從第一柵極410和第二柵極430將輔助控制電極450電隔離。
如上所述，根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的存儲(chǔ)器件的單位單元包括互補(bǔ)組合的pMOS晶體管和nMOS晶體管。因此，通過依次掃描和施加預(yù)定范圍內(nèi)的不連續(xù)電壓可以對(duì)單位單元編程，例如，將大約-5V到+5V施加到第一柵極410或第二柵極430，將大約1V的電壓VD施加到漏極530；并使源極510(VS＝0)接地。pMOS晶體管和nMOS晶體管需要不同的電壓條件用于形成溝道和電流流動(dòng)，因而通過公共柵極410或公共柵極430、公共源極510以及公共漏極550進(jìn)行單獨(dú)操作。
圖6是根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的多位閃速存儲(chǔ)器件的pMOS晶體管的截面圖。圖7是根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的多位閃速存儲(chǔ)器件的nMOS晶體管的截面圖。
參考圖6，在pMOS晶體管中，當(dāng)在漏極與源極之間的電壓VDS大約為-3V且在柵極與源極之間的電壓VGS大約為-3V時(shí)，形成溝道且電流流動(dòng)。這時(shí)，在襯底本體與源極之間的電壓VBS可以浮置或接地。參考圖7，在nMOS晶體管中，當(dāng)在漏極與源極之間的電壓VDS大約為-3V且在柵極與源極之間的電壓VGS大約為-3V時(shí)，形成溝道且電流流動(dòng)。其間，在pMOS晶體管中用于FN-隧穿的電壓VGS(p)比在nMOS晶體管中用于FN-隧穿的電壓VGS(n)大。
因此參考圖4，具有公共柵極410或430的pMOS晶體管和nMOS晶體是獨(dú)立操作的。換句話說，根據(jù)施加到各個(gè)柵極和源極/漏極的電壓，如圖7中所示操作nMOS晶體管，或如圖6中所示操作pMOS晶體管。
換句話說，pMOS晶體管和nMOS晶體管具有不同的閾值電壓Vth。利用閾值電壓中的差異來用公共柵極410或430下形成的nMOS晶體管或pMOS晶體管獨(dú)立執(zhí)行編程和/或讀操作。根據(jù)襯底中摻雜劑的濃度閾值電壓Vth可以改變，即，第一有源層110的摻雜濃度和在第二有源層130中的摻雜劑的濃度。
圖8是根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的多位閃速存儲(chǔ)器件的閾值電壓和摻雜濃度的關(guān)系曲線圖。圖9是根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的多位閃速存儲(chǔ)器件的漏極-源極電流和柵極電壓的關(guān)系曲線圖。
參考圖8，增加摻雜劑的濃度，例如在第一有源層110和第二有源層130中摻雜的施主或受主(Nd或Na)的濃度導(dǎo)致閾值電壓的增大。這時(shí)，第一有源層110具有與第二有源層130不同的極性。圖9示出了當(dāng)Nd和Na為10E18/cm3時(shí)漏極-源極電流和柵極電壓的關(guān)系。參考圖9，證實(shí)，pMOS晶體管和nMOS晶體管的相互組合獲得大約7V的閾值電壓窗口(ΔVth)。因此，當(dāng)pMOS和nMOS晶體管具有不同的閾值電壓時(shí)，可以獲得用于存儲(chǔ)數(shù)據(jù)的不同電平。為了執(zhí)行多電平操作，閾值電壓窗口必須要大。一般而言，傳統(tǒng)的nMOS晶體管具有-3V的閾值電壓窗口，傳統(tǒng)的pMOS晶體管具有+4V的閾值電壓窗口。另一方面，根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例，如圖9中所示，閾值電壓窗口在-3V到+4V的范圍內(nèi)，即，閾值電壓窗口的大小為7V。結(jié)果，可以增加存儲(chǔ)位的數(shù)量。
圖10為示出電荷存儲(chǔ)點(diǎn)的圖1的多位閃速存儲(chǔ)器件的截面圖。
參考圖10，根據(jù)本實(shí)施例的存儲(chǔ)器件可以具有四個(gè)電荷存儲(chǔ)點(diǎn)或電荷存儲(chǔ)結(jié)700，在其中通過FN隧穿機(jī)制捕集電荷。根據(jù)施加到器件的偏壓，施加到各個(gè)電荷存儲(chǔ)結(jié)700的電場(chǎng)可以具有不同的強(qiáng)度和方向。因此，通過改變變量，例如柵極電壓(VG)、漏極電壓(VD)、源極電壓(VS)、體電壓(VB)等，向器件施加不同的電場(chǎng)，利用FN隧穿機(jī)制捕集電荷。利用FN隧穿機(jī)制的編程操作將在以下方法中例示。
圖11到26為示出圖1的多位閃速存儲(chǔ)器件的操作的截面圖。
參考圖11，當(dāng)?shù)谝挥性磳?10為p-型襯底，且第二有源層130為n-型襯底時(shí)，將大約-10V施加到第一柵極410和第二柵極430的每一個(gè)，以及將0V施加到輔助控制電極450和襯底100的每一個(gè)。在這種情況下，不會(huì)發(fā)生電荷的隧穿或捕集。因此，這種條件適合于在存儲(chǔ)器件中 的編程數(shù)據(jù)。
參考圖12，將大約0V施加到第一柵極410，將大約10V施加到第二柵極430，將大約0V的第一體電壓通過襯底100施加到第一有源層110，以及將大約10V的第二體電壓通過輔助控制電極450施加到第二有源層130。在這種情況下，第一有源層110與第二柵極430之間的10V產(chǎn)生電場(chǎng)，導(dǎo)致電荷在第一有源層110與第二柵極430之間的電荷捕集層300中被局部捕集。因此，這種條件適合于存儲(chǔ)器件中 的編程數(shù)據(jù)。
參考圖13，將大約-10V施加到第一柵極410，將大約0V施加到第二柵極430，將大約0V的第一體電壓通過襯底100施加到第一有源層110，以及將大約-10V的第二體電壓通過輔助控制電極450施加到第二有源層130。在這種情況下，在第二有源層130與第二柵極430之間的10V產(chǎn)生電場(chǎng)，導(dǎo)致電荷在第二有源層130與第二柵極430之間的電荷捕集層300中被局部捕集。即，電荷在電荷存儲(chǔ)結(jié)700中被局部捕集。因此，這種條件適合于在存儲(chǔ)器件中 的編程數(shù)據(jù)。
參考圖14，將大約0V施加到第一柵極410，將大約10V施加到第二柵極430，將大約0V的第一體電壓通過襯底100施加到第一有源層110，以及將大約0V的第二體電壓通過輔助控制電極450施加到第二有源層130。在這種情況下，在第一有源層110和第二有源層130與第二柵極430之間的10V產(chǎn)生電場(chǎng)，導(dǎo)致電荷在第一有源層110和第二有源層與第二柵極430之間的兩個(gè)電荷存儲(chǔ)結(jié)700中被局部捕集。因此，這種條件適合于在存儲(chǔ)器件中 的編程數(shù)據(jù)。
參考圖15到18，將大約10V施加到第一柵極410，分別將大約0V、10V、5V和15V施加到第二柵極430，將大約0V的第一體電壓通過襯底100施加到第一有源層110，以及分別將大約5V、10V、-5V和5V的第二體電壓通過輔助控制電極450施加到第二有源層130。這種條件分別適合于存儲(chǔ)器件中 、 、 和 的編程數(shù)據(jù)。
參考圖19到22，分別將大約5V、-5V、5V和5V施加到第一柵極410，分別將大約0V、10V、5V和15V施加到第二柵極430，將大約0V的第一體電壓通過襯底100施加到第一有源層110，以及分別將大約-5V、5V、-5V和5V的第二體電壓通過輔助控制電極450施加到第二有源層130。這種條件分別適合于存儲(chǔ)器件中 、 、 和 的編程數(shù)據(jù)。
參考圖23到26，分別將大約10V、-15V、10V和10V施加到第一柵極410，分別將大約0V、10V、5V和10V施加到第二柵極430，將大約0V的第一體電壓通過襯底100施加到第一有源層110，以及分別將大約-0V、5V、-5V和0V的第二體電壓通過輔助控制電極450施加到第二有源層130。這種條件分別適合于存儲(chǔ)器件中 、 、 和 的編程數(shù)據(jù)。
如上所述，施加到四個(gè)存儲(chǔ)節(jié)700的電場(chǎng)強(qiáng)度和方向隨著施加到器件的偏壓而變化。響應(yīng)于電場(chǎng)在四個(gè)存儲(chǔ)結(jié)700中捕集電荷。即，通過FN隧穿機(jī)制可以實(shí)現(xiàn)電場(chǎng)的16個(gè)狀態(tài)，從而在根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的存儲(chǔ)器件中可以存儲(chǔ)4個(gè)位。換句話說，在每個(gè)電荷存儲(chǔ)結(jié)700編程操作可以獨(dú)立地執(zhí)行。這種獨(dú)立的操作使得編程操作能夠以高速執(zhí)行。
參考圖11到26，利用FN隧穿機(jī)制執(zhí)行編程操作。然而，CHEI機(jī)制也可以用于編程操作。利用CHEI機(jī)制允許局部存儲(chǔ)電荷，從而增加電場(chǎng)狀態(tài)的數(shù)量。例如，可以獲得32個(gè)電場(chǎng)狀態(tài)(或電荷存儲(chǔ)狀態(tài))。此外，通過劃分閾值電壓的值或更準(zhǔn)確地劃分電荷存儲(chǔ)點(diǎn)，可以增加電場(chǎng)狀態(tài)的數(shù)量。因此，根據(jù)本實(shí)施例的存儲(chǔ)器件可以存儲(chǔ)多于4位，例如8位。
利用FN隧穿機(jī)制可以立刻擦除存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)?；?，通過獨(dú)立地變化施加到存儲(chǔ)器件的每個(gè)電荷存儲(chǔ)節(jié)700的電壓可以變化在電荷存儲(chǔ)節(jié)的電場(chǎng)。換句話說，在每個(gè)存儲(chǔ)節(jié)中存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)可以以高速獨(dú)立擦除。
此外，通過掃描電壓在-5V到5V的范圍內(nèi)的第一柵極410、掃描電壓在-5V到5V的范圍內(nèi)的第二柵極430、將1V施加到漏極550、以及將0V施加到源極510或浮置源極510可以執(zhí)行讀操作。這時(shí)，第一柵極410及第二柵極430是獨(dú)立掃描的。在這種情況下，通過組合獨(dú)立施加到第一柵極410和第二柵極430的電壓以及所探測(cè)的電流，可以讀取在電荷存儲(chǔ)節(jié)700中存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)。第一柵極410和第二柵極430的每個(gè)獨(dú)立讀取使得讀取速度增大。
如上所述，根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的多位閃速存儲(chǔ)器件包括堆疊結(jié)構(gòu)，該堆疊結(jié)構(gòu)形狀為具有臺(tái)面狀六面體形狀且包括在襯底上形成的第一有源層；第二有源層，在第一有源層上形成且具有與第一有源層不同的導(dǎo)電類型；有源層間隔離層，插置在第一有源層與第二有源層之間以便將第一有源層從第二有源層電隔離；分別在堆疊結(jié)構(gòu)的一對(duì)相對(duì)的側(cè)表面上形成的公共源極和公共漏極；分別在堆疊結(jié)構(gòu)的另外一對(duì)相對(duì)的側(cè)表面上形成的公共第一柵極和公共第二柵極；在第一和第二柵極與第一和第二有源層之間形成的隧道介質(zhì)層；以及電荷捕集層，插置在隧道介質(zhì)層與第一和第二柵極之間，存儲(chǔ)隧穿隧道介質(zhì)層的電荷。
該多位閃速存儲(chǔ)器件可以進(jìn)一步包括輔助控制電極，該輔助控制電極連接到第二有源層，通過該輔助控制電極施加體電壓。此外，可以將襯底電連接到第一有源層，且用于摻雜襯底的參雜劑以及第一有源層可以具有相同的導(dǎo)電類型。通過構(gòu)圖具有臺(tái)面形狀的襯底可以形成第一有源層。
此外，根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的閃速存儲(chǔ)器件包括兩個(gè)nMOS晶體管，該nMOS晶體管具有公共源極、公共漏極、獨(dú)立柵極，以及在形成于襯底上的獨(dú)立柵極下形成的電荷捕集層；兩個(gè)pMOS晶體管，該pMOS晶體管具有公共源極、公共漏極、獨(dú)立柵極、電荷捕集層，以及在nMOS晶體管與pMOS晶體管之間形成的絕緣層從而電隔離n-溝道和p-溝道。
兩個(gè)nMOS晶體管利用公共p-型第一有源層，兩個(gè)pMOS晶體管利用公共n-型第二有源層，該公共n-型第二有源層通過絕緣層從第一有源層分離且和第一有源層和絕緣層形成堆疊結(jié)構(gòu)。柵極可以分別在堆疊的第一有源層和第二有源層的一對(duì)相對(duì)的側(cè)表面上形成。源極和漏極可以在堆疊的第一有源層和第二有源層的另外一對(duì)相對(duì)的側(cè)表面上形成。
根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的3-維閃速存儲(chǔ)器件可以具有至少4個(gè)電荷存儲(chǔ)節(jié)。通過組合各種電壓條件和各種電場(chǎng)條件，該存儲(chǔ)器件可以存儲(chǔ)至少4位，例如4位或8位。
編程檫除和讀操作可以在多于4個(gè)的電荷存儲(chǔ)節(jié)的每個(gè)中執(zhí)行。換句話說，可以實(shí)現(xiàn)獨(dú)立的編程/寫和讀操作。獨(dú)立的操作允許高速編程/擦除和讀操作。此外，可以改善保持特性和可靠性。
盡管已經(jīng)參考本發(fā)明的示范性實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)行了特別的顯示和說明，但是應(yīng)當(dāng)理解的是，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員可以在不背離權(quán)利要求定義的本發(fā)明的精神和范圍的情況下，對(duì)其做出各種形式和細(xì)節(jié)上的變化。
權(quán)利要求
1.一種閃速存儲(chǔ)器件包括堆疊結(jié)構(gòu)，包括設(shè)置在襯底上的具有臺(tái)面形狀的第一有源層；第二有源層，在所述第一有源層上形成，具有與所述第一有源層不同的導(dǎo)電類型；有源層間隔離層，插置在所述第一有源層與所述第二有源層之間，以便將所述第一有源層從所述第二有源層電隔離；在所述堆疊結(jié)構(gòu)的一對(duì)相對(duì)的側(cè)表面上形成的公共源極和公共漏極；在所述堆疊結(jié)構(gòu)的另外一對(duì)相對(duì)的側(cè)表面上形成的公共第一柵極和公共第二柵極；隧道介質(zhì)層，插置在所述第一和第二柵極與所述第一和第二有源層之間；以及電荷捕集層，插置在所述隧道介質(zhì)層與所述第一和第二柵極之間，存儲(chǔ)隧穿隧道介質(zhì)層的電荷。
2.如權(quán)利要求1所述的閃速存儲(chǔ)器件，其中將所述襯底電連接到所述第一有源層，并摻入所述襯底中的雜質(zhì)摻雜劑與所述第一有源層具有相同的導(dǎo)電類型。
3.如權(quán)利要求2所述的閃速存儲(chǔ)器件，其中所述第一有源層包括摻雜p-型摻雜劑的硅層，以及所述第二有源層包括摻雜n-型摻雜劑的硅層。
4.如權(quán)利要求1所述的閃速存儲(chǔ)器件，其中通過將所述襯底的表面構(gòu)圖成臺(tái)面形狀而形成所述第一有源層。
5.如權(quán)利要求1所述的閃速存儲(chǔ)器件，進(jìn)一步包括連接到所述第二有源層的輔助控制電極，通過所述輔助控制電極向所述第二有源層施加體電壓。
6.如權(quán)利要求1所述的閃速存儲(chǔ)器件，其中所述第一柵極和所述第二柵極覆蓋所述第一有源層和所述第二有源層的側(cè)表面。
7.如權(quán)利要求1所述的閃速存儲(chǔ)器件，其中所述電荷捕集層包括硅點(diǎn)層、金屬點(diǎn)層、碳納米管層、氧化物氮化物氧化物層、鐵磁層、鐵電層、納米線層或量子點(diǎn)層。
8.如權(quán)利要求1所述的閃速存儲(chǔ)器件，其中所述堆疊結(jié)構(gòu)為六面體。
9.一種閃速存儲(chǔ)器件，包括具有六面體臺(tái)面形狀的堆疊結(jié)構(gòu)，包括在襯底上形成的第一有源層；第二有源層，在所述第一有源層上形成且具有與所述第一有源層不同的導(dǎo)電類型；以及有源層間隔離層，插置在所述第一有源層與所述第二有源層之間以便將所述第一有源層從所述第二有源層電隔離；輔助控制電極，連接到所述第二有源層且通過其向所述第二有源層施加體電壓；公共源極和公共漏極，在所述堆疊結(jié)構(gòu)的一對(duì)相對(duì)的側(cè)表面上形成；公共第一柵極和公共第二柵極，在所述堆疊結(jié)構(gòu)的另外一對(duì)相對(duì)的側(cè)表面上形成；隧道介質(zhì)層，插置在所述第一和第二柵極與所述第一和第二有源層之間；以及電荷捕集層，插置在所述隧道介質(zhì)層與所述第一和第二柵極之間，存儲(chǔ)隧穿所述隧道介質(zhì)層的電荷。
10.如權(quán)利要求9所述的閃速存儲(chǔ)器件，其中所述襯底電連接到所述第一有源層，且摻入所述襯底的摻雜劑與所述第一有源層具有相同的導(dǎo)電類型。
11.如權(quán)利要求10所述的閃速存儲(chǔ)器件，其中所述第一有源層包括摻雜p-型摻雜劑的硅層，且所述第二有源層包括摻雜n-型摻雜劑的硅層。
12.如權(quán)利要求9所述的閃速存儲(chǔ)器件，其中通過將所述襯底的表面構(gòu)圖成臺(tái)面形狀而形成所述第一有源層。
13.一種閃速存儲(chǔ)器件，包括兩個(gè)具有公共源極和公共漏極的nMOS晶體管，且每個(gè)具有獨(dú)立柵極以及在所述獨(dú)立柵極下形成的電荷捕集層；兩個(gè)具有公共源極和公共漏極的pMOS晶體管，且每個(gè)具有獨(dú)立柵極以及在所述nMOS晶體管上形成的電荷捕集層；以及插置在所述nMOS晶體管與所述pMOS晶體管之間的絕緣層，以便使n-溝道與p-溝道電隔離。
14.如權(quán)利要求13所述的閃速存儲(chǔ)器件，其中所述兩個(gè)nMOS晶體管具有公共p-型第一有源層，且所述兩個(gè)pMOS晶體管具有公共n-型第二有源層，且通過隔離層將所述p-型第一有源層與所述n-型第二有源層分開。
15.如權(quán)利要求14所述的閃速存儲(chǔ)器件，其中所述第一有源層和所述第二有源層形成堆疊結(jié)構(gòu)且所述柵極在所述堆疊結(jié)構(gòu)的一對(duì)相對(duì)的側(cè)表面上形成，所述源極和所述漏極在所述堆疊結(jié)構(gòu)的另外一對(duì)相對(duì)的側(cè)表面上形成。
16.如權(quán)利要求15所述的閃速存儲(chǔ)器件，其中所述第一有源層電連接到襯底，通過襯底將體電壓施加到所述第一有源層，且所述第二有源層電連接到輔助控制電極，通過所述輔助控制電極將體電壓施加到所述第二有源層。
17.一種操作閃速存儲(chǔ)器件的方法，所述方法包括通過將預(yù)定的電壓組合施加到存儲(chǔ)單元的第一柵極、第二柵極、輔助控制電極和第一有源層，在存儲(chǔ)單元中存儲(chǔ)各種狀態(tài)，其中所述存儲(chǔ)單元包括具有六面體臺(tái)面形狀的堆疊結(jié)構(gòu)，包括在襯底上形成的第一有源層；第二有源層，在所述第一有源層上形成且具有與所述第一有源層不同的導(dǎo)電類型；以及有源層間隔離層，插置在所述第一有源層與所述第二有源層之間，以便將所述第一有源層從所述第二有源層電隔離；輔助控制電極，連接到所述第二有源層，通過所述輔助控制電極將體電壓施加到所述第二有源層；公共源極和公共漏極，在所述堆疊結(jié)構(gòu)的一對(duì)相對(duì)的側(cè)表面上形成；公共第一柵極和公共第二柵極，在所述堆疊結(jié)構(gòu)的另外一對(duì)相對(duì)的側(cè)表面上形成；隧道介質(zhì)層，插置在所述第一和第二柵極與所述第一和第二有源層之間；以及電荷捕集層，插置在所述隧道介質(zhì)層與所述第一和第二柵極之間，存儲(chǔ)隧穿所述隧道介質(zhì)層的電荷。
18.如權(quán)利要求17所述的方法，其中將-15V到15V施加到所述第一柵極；將-15V到15V施加到所述第二柵極；將-10V到10V施加到所述輔助控制電極；以及將0V施加到所述第一有源層或所述第一有源層接地。
19.如權(quán)利要求18所述的方法，其中所述源極和所述漏極接地或浮置，使得電荷通過FN隧穿機(jī)制隧穿到電荷捕集層中。
20.如權(quán)利要求17所述的方法，其中在所述源極與所述漏極之間產(chǎn)生電場(chǎng)以產(chǎn)生熱電子，從而通過CHEI機(jī)制將電荷注入電荷捕集層中。
全文摘要
公開了一種多位閃速存儲(chǔ)器件及其操作方法。該多位閃速存儲(chǔ)器件包括堆疊結(jié)構(gòu)，該堆疊結(jié)構(gòu)包括設(shè)置在襯底上具有臺(tái)面形狀的第一有源層；第二有源層，在第一有源層上形成且具有與第一有源層不同的導(dǎo)電類型；有源層間隔離層，插置在第一有源層與第二有源層之間以便將第一有源層從第二有源層電隔離；公共源極和公共漏極，在堆疊結(jié)構(gòu)的一對(duì)相對(duì)的側(cè)表面上形成；公共第一柵極和公共第二柵極，在堆疊結(jié)構(gòu)的另外一對(duì)相對(duì)的側(cè)表面上形成；隧道介質(zhì)層，插置在第一和第二柵極與第一和第二有源層之間；以及電荷捕集層，插置在隧道介質(zhì)層與第一和第二柵極之間，存儲(chǔ)隧穿隧道介質(zhì)層的電荷。
文檔編號(hào)H01L27/112GK1773709SQ20051010390
公開日2006年5月17日 申請(qǐng)日期2005年9月15日 優(yōu)先權(quán)日2004年11月9日
發(fā)明者金元柱, 樸允童, 李殷洪, 徐順愛, 申尚旻, 李政勛, 張丞爀 申請(qǐng)人:三星電子株式會(huì)社