[发明专利]一种电荷捕捉式存储器结构及其程序化的方法

说明书

技术领域

本发明涉及电性可擦除可程序化非挥发性存储器技术领域，尤其涉及一种电荷捕捉式存储器(charge trapping memory)结构及程序化该电荷捕捉式存储器的方法。

背景技术

电性可擦除可程序化非挥发性存储器技术的基础是电荷储存结构，即一般所熟知的电性可擦除可程序化只读存储器(Electrically ErasableProgrammable Read-Only Memory，EEPROM)及闪存(Flash Memory)，已广泛地应用于各种现代化科技产品中。其中闪存的设计是一种数组式的存储单元，其存储单元是可以单独地编程及读取。而应用在闪存中的感测放大器是用以检测非挥发性存储器中储存的数据值，在典型的感测系统中，是利用一电流感测放大器检测通过存储单元的电流且与参考电流做对照的。

当一些存储单元结构被应用在EEPROM及闪存时，由于制作工艺上的缩小与简单化，且伴随着集成电路尺寸的缩小，电荷捕捉介电层对于存储单元结构的重要性大幅地提升。而以电荷捕捉介电层为主的存储单元结构，包括熟知的多位存储器(N-bit memory)结构等，这些存储单元结构是将电荷储存在电荷捕捉介电层中以储存数据，其电荷捕捉介电层例如为氮化硅。随着负电荷储存于电荷捕捉介电层中，存储单元的临界电压会跟着上升，而存储单元的临界电压亦随着电荷捕捉层中负电荷释放而跟着降低。

多位元件为防止电荷流失而使用相对较厚的衬底氧化物层，比如大于3纳米(nm)的衬底氧化物层，较典型地是大约为5至9纳米厚。除了采用传统直接隧穿(direct tunneling)的方式擦除存储单元外，也可利用带对带隧穿诱发热空穴注入(band-to-band tunneling induced hot hole injection，BTBTHH)来擦除存储单元。但是在热空穴注入时会引起氧化物的损坏，并

引起高临界态的存储单元的电荷流失，而低临界态的存储单元获得电荷的现象。此外，电荷捕捉结构在程序化与擦除的循环过程中所引起的电荷累积效应，使得擦除动作的难度增加，导致进行擦除所需的时间逐渐增加。此电荷累积效应的发生是因为注入的空穴点与注入的电子点并没有互相重迭于一点上，经过擦除脉冲后仍会有一些电子残留。再者，当多位闪存执行区段擦除时，由于制作工艺变异(process variation)(比如沟道长度不同)，会使得每个存储单元的擦除速度不同，且这种擦除速度的差异会导致被擦除区的临界电压Vt分布范围变广，使其中一些存储单元不易进行擦除(hard-to-erase)，而一些存储单元发生过度擦除(over-erased)的现象。因此，目标临界电压Vt窗口(target threshold Vt window)会随着多次的程序化与擦除循环而逐渐合拢，显示出耐久性的缺乏。这种现象会随着半导体技术持续地缩小化而形成一更为严重的问题。

传统的浮动栅极元件是以一电荷一位储存在导电的浮动栅极中。多位元件则有多个存储单元，每个多位存储单元均可提供二位的闪存存储单元，而闪存存储单元是将电荷储存在氧化物-氮化物-氧化物(Oxide-Nitride-Oxide，ONO)的介电材料中。在多位存储单元的传统结构中，氮化物层位于上氧化物层及下氧化物层之间，用以作为捕捉材料，此ONO层的结构可有效地取代浮动栅极元件中的栅极介电层。当以氮化物层作为ONO介电层时，其电荷不是被捕捉于多位存储单元的左端就是被捕捉于多位存储单元的右端。

熟知的程序化及擦除技术采用沟道热电子法进行程序化，以带对带隧穿诱发热空穴法进行擦除。鉴于前述的诸多问题，如何能够更有效率地进行非挥发性存储器的程序化及擦除操作，成为目前亟待解决的问题之一。

发明内容