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Technisches Gebiet
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Die
vorliegende Erfindung betrifft ein nicht-flüchtiges Speicherbauelement
mit nicht-flüchtigen
Speicherzellen, die mehrere Werte speichern können, und betrifft ein Verfahren
zu dessen Herstellung.
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Hintergrund der Erfindung
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Zur
Verwirklichung eines nicht-flüchtigen Speicherbauelements,
das in der Lage ist, mehrere Werte in einer nicht-flüchtigen
Speicherzelle zu speichern, wurde vorgeschlagen, eine nicht-flüchtige Speicherzelle
mit mehreren Zuständen
vorzusehen. Das heißt,
die in das schwebende Gate bzw. potenzialfreie Gate eingebrachte
elektrische Ladung wird in in einzelnen Stufen eingestellt, und
die Schwellwertspannung der nicht-flüchtigen Speicherzelle wird
in einzelnen Stufen geändert,
so dass mehrere Werte gespeichert werden können.
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Wenn
z. B. die Schreibladung in vier Schritten eingestellt wird, können 2 Bits
an Daten in jeder Speicherzelle gespeichert werden. In diesem Falle, wie
nachfolgend gezeigt ist, werden die Daten in mindestens zwei Schritten
einer Schreibspannungsanlegung geschrieben bzw. gespeichert.
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Im
ersten Schritt wird eine erste Spannung an die Speicherzelle in
dem gelöschten
Zustand angelegt, und es wird eine elektrische Ladung in das schwebende
Gate bzw. das Gate mit frei einstellbarem Potenzial als die Ladung
des ersten Schrittes eingeführt.
Im zweiten Schritt wird abhängig
von den zu speichernden Daten Ladung in jeder Speicherzelle eingeführt, indem
eine zweite Spannung oder eine dritte Spannung, die höher als
die zweite Spannung ist, angelegt wird, um eine Ladung für den zweiten Schritt
oder eine Ladung für
den dritten Schritt mit einem größeren Betrag
zu erhalten. Als Folge davon enthält die nicht-flüchtige Speicherzelle
drei Schreibzustände
mit einer unterschiedlichen Schwellwertspannung in Abhängigkeit
der eingeführten
Ladungsmenge. Durch Hinzufügen
eines gelöschten
Zustands können
2-Bit-Daten für
vier Zustände
gespeichert werden. Wenn die Daten ausgelesen werden, wird der Unterschied
in den Beträgen
der Ausleseströme
in Abhängigkeit
der unterschiedlichen Schwellwertspannungen einer nicht-flüchtigen
Speicherzelle erfasst.
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In
dem unten genannten Patentdokument 1 besitzt, wie in 25 gezeigt
ist, ein Speichertransistor Trmc eine Gateisolationsschicht 120 mit
diskreten Einfangbereichen und eine Steuergateelektrode 170, und
es sind Schalttransistoren Trsw mit Schaltgateelektroden 160-1, 160-2 an
beiden Seiten und Diffusionsschichten 140-1, 140-2 vorgesehen,
die mit Sourceleitung/Bitleitungen verbunden sind und an der äußeren Seite
ausgebildet sind. Durch lokales Schreiben in die Gateisolationsschicht 120 arbeitet
eine einzelne Speicherzelle als ein Mehrfachspeicher, der Informationen
aus mindestens zwei Bits aufnimmt.
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Die
in der Gateisolationsschicht mit den diskreten Einfangbereichen
gespeicherte elektrische Ladung bewegt sich in horizontaler Richtung
auf der Substratoberfläche
von der anfänglichen
Einfangposition kaum weg. Als Material für die Gateisolationsschicht
mit den diskreten Einfangbereichen sind gegenwärtig eine Siliziumnitridschicht
und eine Gateisolationsschicht mit sehr kleinen Teilchen aus Siliziumnitrid
bekannt.
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Der
Schreibvorgang besteht in einer Ladungsinjektion von der Sourceseite
her. Wenn der Ladungsträger
den geschlossenen Kanal jedes Schalttransistors Trsw durchläuft, wird
die Ladung beschleunigt und es wird Energie gewonnen, wobei der
Ladungsträger,
der in dem Kanal des Speichertransistors Trmc eindringt, eine hohe
Vorspannung in Richtung der Steuergateelektrode 170 fühlt und
in den Einfangbereichen separat eingefangen wird. Ladungen werden
mit einer gewissen Unterteilung in dem Sourcegebiet des Speichertransistors
Trmc angesammelt. Durch den Leitendzustand der Kanäle unter
den Schaltgateelektroden 160-1, 160-2, die an beiden
Seiten des Speichertransistors Trmc vorgesehen sind, werden Ladungen
an beiden Seiten der Gateisolationsschicht 120 angesammelt
und es werden die 2-Bit-Daten gespeichert.
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Um
von der Sourceseite her Ladung zu injizieren, wird die Schreiboperation
an der Sourceseite ausgeführt
und der Auslesestrom im Kanal kann ebenfalls in der gleichen Richtung
fließen.
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In
dem folgenden Patentdokument 2 sind, wie in 26 gezeigt
ist, Gateisolationsschichten (SiO2-Schichten) 250, 260 auf
einem Silizium-(Si)substrat 210 gebildet, zwei schwebende Gates 270a, 270b sind
auf der Siliziumoxidschicht 260 ausgebildet, eine ONO-Schicht 280 ist
zur Abdeckung des schwebenden Gates 270 und der Siliziumoxidschichten 250, 260 ausgebildet,
und ein Steuergate 290 ist als Wortleitung auf der ONO-Schicht 280 gebildet.
Die beiden schwebenden Gates 270a, 270b sind unabhängig voneinander
auf einem Source 230 und einem Drain 240 angeordnet,
so dass Elektronen von dem Source 230 und dem Drain 240 individuell eingeführt und
abgezogen werden können.
Die schwebenden Gates 270a, 270b sind Seitenwände, die
an der Seitenwände
der isolierenden Schicht gebildet sind, die später zu entfernen ist.
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Beim
Schreibvorgang erhalten Elektronen, die sich in dem Kanal von dem
Source 230 in Richtung zum Drain 240 bewegen,
eine höhere
Energie in der Nähe
des Drains 240, so dass diese zu "heißen Elektronen" werden, und teilweise
durch die Siliziumoxidschicht 260 laufen, so dass sie in
das schwebende Gate 270b injiziert werden. Die Injektion
und das schwebende Gate 270b ist die gleiche, wenn die
Vorspannung für
das Source 230 und Drain 240 umgekehrt wird.
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Bei
einem Lesevorgang wird, wenn kein Elektron in dem schwebenden Gate 270a, 270b vorhanden
ist, der Kanal angeschlossen und es fließt ein Strom zwischen dem Source 230 und
dem Drain 240, und es werden Daten "1" ausgelesen.
Wenn Elektronen eingeführt
werden, ist der Kanal unterbrochen und es fließt kein Strom zwischen dem
Source 230 und dem Drain 240, und es werden Daten "0" ausgelesen. Somit kann durch das unabhängige Schreiben,
Löschen
und Auslesen für
die beiden beschriebenen Gates 270a, 270b die
Speicherkapazität
verdoppelt werden.
- [Patentdokument 1] Japanische
ungeprüfte
Patentoffenlegungsschrift Nr. 2001-156275
- [Patentdokument 2] Japanische ungeprüfte Patentoffenlegungsschrift
Nr. 2003-282741
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Überblick über die Erfindung
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[Probleme, die von der Erfindung zu lösen sind]
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Wie
im Stand der Technik gezeigt ist, muss, wenn mehrere Werte durch
Variieren der Schwellspannung einer nicht-flüchtigen Speicherzelle in Abstufungen
gespeichert werden, die Schreibspannung in Abhängigkeit von dem Datenwert
geändert
werden, um die für
den Datenwert geeignete Schwellwertspannung zu erhalten. Schreiboperationen
erfordern zwei oder mehr Schritte und die Schreibzeit kann länger sein.
Ferner ist eine Spannungserzeugungsschaltung zum Erzeugen mehrerer
Schreibspannungspegel, die für
jeden Datenwert anders sind, erforderlich. Wenn ferner mehrere Pegel
an Schwellwertspannungen in einer nicht-flüchtigen Speicherzelle festgelegt
werden, ist tendenziell die Schreibspannung zur Sicherstellung,
dass jede Schwellwertspannung ausgelesen werden kann, höher als
in anderen Fällen,
wenn mehrere Werte nicht zu speichern sind. Die Schaltungskonfiguration einer Spannungserzeugungsschaltung
wird kompliziert und groß und
die Stromaufnahme erhöht
sich.
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In
dem Patentdokument 1 mit dem Ladungsinjektionssystem auf der Sourceseite
ist eine Schreiboperation mit hoher Geschwindigkeit und geringer Stromaufnahme
möglich,
aber die Speicherzelle ist eine 3-Transistor-Struktur mit einem
Speichertransistor und Schalttransistoren, die an beiden Seiten
vorgesehen sind. Folglich ist der benötigte Flächenbedarf der Speicherzelle
zwangsläufig
größer.
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In
dem Patentdokument 2 werden Seitenwände als schwebende Gates verwendet.
Die Speicherzelle umfasst zwei schwebende Gates und ein Steuergate,
das dazwischen angeordnet ist. Somit muss beim Speichern mehrerer
Werte der Drainanschluss und der Sourceanschluss durch ein Verfahren
mit virtueller Masse vertauscht werden, wenn Daten ausgelesen werden,
so dass die Betriebsweise kompliziert ist. Zwischen den schwebenden
Gates sind das Steuergate und ein Diffusionsschichtgebiet vorgesehen.
Somit ist ausreichend Platz zum Anordnen des Steuergates und des
Diffusionsschichtgebiets zwischen den schwebenden Gates erforderlich.
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[Mittel zum Lösen der Probleme]
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Die
Erfindung zielt darauf ab, zumindest einige der Probleme des Stands
der Technik zu lösen und
es ist eine Aufgabe, eine nicht-flüchtige Speichereinrichtung
mit Speicherzellen anzugeben, die in der Lage sind, bei geringer
Stromaufnahme zu schreiben und/oder in einer Zelle mit kleiner Größe mit hoher Geschwindigkeit
zu schreiben, und es soll ein Verfahren zur Herstellung der Einrichtung
angegeben werden.
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Ein
nicht-flüchtiges
Speicherbauelement gemäß der Erfindung,
in welchem angestrebt wird, das zuvor genannte Problem zu lösen, besitzt
Speicherzellen, wobei jede der Speicherzellen zwei Diffusionsschichten
aufweist, die auf einer Substratoberfläche angeordnet und durch ein
Kanalgebiet getrennt sind, das eine vorbestimmte Länge aufweist,
und wobei mehrere Steuergateschichten vorgesehen sind, wovon jede
diskret bzw. getrennt über
dem Kanalgebiet ausgebildet ist, und wobei mindestens eine Ladungssammelschicht
vorgesehen ist, die zwischen den mehreren Steuergateschichten und
der Substratoberfläche
ausgebildet ist, wobei die mindestens eine Ladungssammelschicht
Gebiete aufweist, in denen Ladungen inhärent eingeführt und/oder abgeführt werden
für jede
der mehreren Steuergateschichten.
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Bei
dem nicht-flüchtigen
Speicherbauelement der vorliegenden Erfindung sind mehrere Steuergateschichten
beabstandet zueinander in dem Gebiet auf einer Substratoberfläche ausgebildet,
das von einem Paar aus Diffusionsschichten eingeschlossen ist, und
eine Ladungssammelschicht, die zwischen den Steuergateschichten
und der Substratoberfläche
vorgesehen ist, bildet ein inhärentes
bzw. inneres Ladungsgebiet in jeder Steuergateschicht.
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Folglich
kann in dem Ladungssammelgebiet, das inhärent in jeder Steuergateschicht
ausgebildet ist, die Ladung eingeführt und/oder abgezogen werden,
d. h., Elektronen oder Löcher
können
eingeführt und/oder
abgegeben werden, und damit inhärent
in jeder Steuergateschicht vorgesehen werden, so dass die Datenbits
in einer Anzahl entsprechend der Anzahl an Kombinationsmöglichkeiten
des Vorhandenseins und des Fehlens von Ladungen in dem Gebiet, in
das die Ladungen eingeführt
und/oder von dem die Ladungen abgeführt werden, gespeichert werden
können.
Durch Auswählen
der Steuergateschicht zum Einführen
und/oder Abführen
der Ladungen können
mehrere Werte gespeichert werden, und es nicht erforderlich, die
erste Spannung, die an die Steuergateschicht zu legen ist, in Abhängigkeit
von dem Datenwert, der zu schreiben ist, zu ändern, und es können mehrere
Werte in einer einzelnen Schreiboperation gespeichert werden.
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Datenwerte
können
durch die Anzahl an Bits entsprechend der Anzahl an Steuergateschichten gespeichert
werden. Im Vergleich zu dem Patentdokument 1, das die gleiche Anzahl
an Schalttransistoren wie die Anzahl an zu speichernden Bits zusätzlich zu
dem Speichertransistor erfordert, ist der Flächenbedarf einer Speicherzelle
geringer.
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Im
Hinblick auf die Ladungsinjektion in die Ladungssammelschicht ist
neben einem Betrieb mit Injektion vom Kanal aus auf der Grundlage
des FN-Tunnelphänomens
von dem Substrat unterhalb der Steuergateschicht, in der die erste
Spannung angelegt wird, eine Betriebsweise mit Injektion von der Sourceseite
ebenso möglich
auf Grundlage des Phänomens
der heißen
Elektronen oder des Phänomens der
heißen
Löcher,
indem die Ladung beschleunigt wird durch das Ausbilden eines Kanals
unter der Steuergateschicht benachbart zu der Steuergateschicht,
an der die neunte Spannung angelegt wird. Die Betriebsweise mit
Kanalinjektion ermöglicht
eine Schreiboperation mit geringer Stromaufnahme, was mit dem FN-Tunnelphänomen einhergeht,
und eine Betriebsweise mit Sourceinjektion erlaubt eine Schreiboperation
mit geringer Stromaufnahme bei hoher Geschwindigkeit.
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[Wirkungen der Erfindung]
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Die
Erfindung, die das nicht-flüchtige Speicherbauelement
mit nicht-flüchtigen
Speicherzellen betrifft, die mehrere Werte speichern können, gibt
eine nicht-flüchtige
Speichereinrichtung mit nicht-flüchtigen
Speicherzellen an, die Speicherzellen mit geringer Größe, geringer
Stromaufnahme beim Schreiben und/oder eine hohe Schreibgeschwindigkeit
aufweisen, und es wird ein Verfahren zur Herstellung der Speichereinrichtung
angegebene.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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1 ist
eine Querschnittsansicht der Struktur einer grundlegenden Speicherzelle,
die in einer nicht-flüchtigen
Speichereinrichtung der Erfindung vorgesehen ist.
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2 ist
eine Querschnittsansicht einer Speicherzelle in einer Ausführungsform.
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3 ist
ein Diagramm (1) eines Schreibvorgangs zur Speicherung eines ersten
Mehrfachwertes in einer Speicherzelle der Ausführungsform.
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4 ist
ein Diagramm (2) eines Schreibvorgangs zur Speicherung eines ersten
Mehrfachwertes in einer Speicherzelle der Ausführungsform.
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5 ist
ein Diagramm (3) des Schreibvorgangs zur Speicherung eines ersten
Mehrfachwertes in der Speicherzelle der Ausführungsform.
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6 ist
ein Diagramm (1) einer Ausleseoperation eines ersten Mehrfachwertspeichers
in einer Speicherzelle der Ausführungsform.
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7 ist
ein Diagramm (2) eines Auslesevorgangs eines ersten Mehrfachwertspeichers
in einer Speicherzelle der Ausführungsform.
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8 ist
ein Diagramm (3) eines Auslesevorgangs eines ersten Mehrfachwertspeichers
in einer Speicherzelle der Ausführungsform.
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9 ist
ein Diagramm (1) eines Schreibvorgangs eines zweiten Mehrfachwertspeichers
in einer Speicherzelle der Ausführungsform.
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10 ist
ein Diagramm (2) eines Schreibvorgangs eines zweiten Mehrfachwertspeichers
in einer Speicherzelle der Ausführungsform.
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11 ist
ein Diagramm (1) eines Lesevorgangs eine zweiten Mehrfachwertspeichers
in einer Speicherzelle der Ausführungsform.
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12 ist
ein Diagramm (2) eines Lesevorgangs eines zweiten Mehrfachwertspeicherplatzes
in einer Speicherzelle der Ausführungsform.
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13 ist
ein Diagramm eines Löschvorgangs
(Kanallöschen)
in einer Speicherzelle der Ausführungsform.
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14 ist
ein Diagramm eines Löschvorgangs
(Source-Löschen)
in einer Speicherzelle der Ausführungsform.
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15 ist
ein Schaltungsanordnungsdiagramm einer NAND-Konfiguration in einer
Speicherzelle der Ausführungsform.
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16 ist
ein Schaltungsanordnungsdiagramm einer NOR-Konfiguration einer Speicherzelle der
Ausführungsform.
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17 ist
ein Schaltungsanordnungsdiagramm einer parallelen Verdrahtung von
Steuergateschichten in der Kanalrichtung in einer Speicherzelle der
Ausführungsform.
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18 ist
eine Draufsicht und eine Querschnittsansicht einer Speicherzelle
der Ausführungsform.
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19 ist eine Querschnittsansicht (1) eines Herstellungsprozesses
einer Speicherzelle in 18 (bis zum Abscheiden einer
Maskenschicht).
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20 ist eine Querschnittsansicht (2) eines Herstellungsprozesses
einer Speicherzelle aus 18 (von
der Abscheidung der Maskenschicht bis zum anisotropen Ätzen).
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21 ist
eine Draufsicht einer Struktur einer Speicherzelle zum Zeitpunkt
des Fertigungsprozesses bis 20.
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22 ist
eine Ansicht einer Draufsicht einer Speicherzelle, wobei die Konfiguration
von Steuergateschichten und einer Verdrahtungsverteilungsbasis gezeigt
sind.
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23 ist
eine Ansicht, in der die Spannungsbedingung in jedem Funktionszustand
einer Speicherzelle der Erfindung gezeigt ist.
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24 ist
eine Querschnittsansicht des Aufbaus eines anderen Prinzips der
Speicherzelle, die in der nicht-flüchtigen Speichereinrichtung
der Erfindung vorgesehen ist.
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25 ist
eine Querschnittsansicht einer Speicherzelle des Patentdokuments
1.
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26 ist
eine Querschnittsansicht einer Speicherzelle im Patentdokument 2.
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Beste Art zum Ausführen der
Erfindung
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Mit
Bezug zu den 1 bis 24 werden nunmehr
Ausführungsformen
einer nicht-flüchtigen Speichereinrichtung
und eines Verfahren zu dessen Herstellung gemäß der vorliegenden Erfindung
beschrieben.
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Der
Querschnitt in 4 zeigt den prinzipiellen Aufbau
einer Speicherzelle, die in der nicht-flüchtigen
Speichereinrichtung der vorliegenden Erfindung vorgesehen ist. Ein
Paar aus Diffusionsschichten 13A, 13B ist auf
einem Substrat 11 mit einem Abstand von 1,5 F vorgesehen.
Jede Diffusionsschicht besitzt eine Breite von 0,5 F, den es mit
der Diffusionsschicht der benachbarten Speicherzelle gemeinsam aufweist.
Auf einem Kanalgebiet, das von den Diffusionsschichten 13A, 13B eingeschlossen
ist, sind eine erste isolierende Schicht 15, eine Ladungssammelschicht 17 und
eine zweite isolierende Schicht 19 in dieser Reihenfolge
aufgebracht, und auf der zweiten isolierenden Schicht 19 sind
zwei Steuergateschichten 21A, 21B mit einem Spalt
bzw. Abstand G1 in der Mitte der Kanalbreitenrichtung angeordnet.
Hierbei ist F die minimale Prozessabmessung und die Speicherzelle
ist in einer Fläche
aus 2,5 F2 angeordnet. Im Allgemeinen ist
das Substrat 11 aus einem P-Halbleitermaterial aufgebaut,
und die Diffusionsschichten 13A, 13B sind ein
N-Halbleitermaterial.
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Die
Steuergateschichten 21A, 21B, die mit dem Spalt
G1 beabstandet sind, sind in der Mitte der Kanallängenrichtung
getrennt, und die Spannung kann separat an die Steuergateschichten 21A, 21B angelegt
werden. Die Steuergateschicht 21A ist benachbart zu der
Diffusionsschicht 13A angeordnet, und die Steuergateschicht 21B ist
benachbart zu der Diffusionsschicht 13B angeordnet. Die
Ladungssammelschicht 17 unter den Steuergateschichten 21A, 21B wird
im Wesentlichen zwischen den Gateschichten 21A, 21B gebildet.
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Daten
werden in der Speicherzelle in Abhängigkeit von dem Vorhandensein
oder dem Fehlen von Ladung in der Ladungssammelschicht 17 gespeichert.
Die Ladung wird in die Ladungssammelschicht 17 eingebracht
und/oder daraus abgeführt,
in Abhängigkeit
von dem Anlegen einer Spannung an die Steuergates 21A, 21B,
wie dies später
mit Bezug zu 3 bis 5, 9 und 10 und 13 und 14 erläutert ist.
Durch Verwendung einer Nitridschicht oder kleiner leitender Teilchen
mit diskreten Ladungsträgereinfangbereichen
in der Ladungssammelschicht 17 und/oder durch Verwenden
von Ladungseinfangbereichen, die in der Nähe einer Grenzfläche der
Ladungssammelschicht 17 und der ersten und/oder der zweiten
isolierenden Schicht vorhanden sind, kann die Verschiebung der Ladung,
die in die Ladungssammelschicht 17 eingeführt ist,
innerhalb der Ladungssammelschicht 17 begrenzt werden.
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Folglich
kann in einer einzelnen Ladungssammelschicht 17 die in
die Ladungssammelschicht 17 in Abhängigkeit von der Schreibspannung,
die an jede der Steuergateschichten 21A, 21B angelegt wird,
eingeführte
Ladung unter den Steuergateschichten 21A, 21B,
an der die Schreibspannung angelegt ist, in lokaler Weise beibehalten
werden. In jedem Ladungssammelgebiet unter den Steuergateschichten 21A, 21B in
der Ladungssammelschicht 17 kann das Vorhandensein oder
das Fehlen von Ladung gesteuert werden, und es können mehrere Werte in der Speicherzelle
gespeichert werden. Da in der Speicherzelle in 1 zwei
Steuergateschichten 21A, 21B vorgesehen ist, ist
es möglich,
vier Zustände,
d. h. 2-Bit-Daten, zu speichern.
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Hierbei
ist der Spalt G1 nicht in besonderer Weise spezifiziert, sofern
die Steuergateschichten 21A, 21B zuverlässig elektrisch
in dem Fertigungsprozess voneinander isoliert werden können. Im
Vergleich mit dem Fall des Herstellens einer Diffusionsschicht auf
einer Substratoberfläche
durch den Spalt G1 oder im Hinblick auf das Beibehalten eines Verbindungsgebiets
mit einer oberen Schicht kann der Spalt kleiner sein. Die Steuergateschichten 21A, 21B,
die über
der Ladungssammelschicht 17 angeordnet sind, werden nicht
auf der Seite der Diffusionsschichten 13A, 13B gebildet,
indem die Ladungssammelschicht 17 umgangen wird. Somit
kann der Spalt G1 als die minimale Grenze definiert werden, und
Kontakte zur Verwendung mit der oberen Verdrahtungsschicht können auf
den Diffusionsschichten 13A, 13B vorgesehen werden,
wobei die peripheren Teile auf Seite der Ladungssammelschicht 17 mit geringen
Abständen
konzentriert werden, so dass die Größe der Speicherzelle verringert
werden kann.
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Wenn
die erste isolierende Schicht 15 und die zweite isolierende
Schicht 19 beispielsweise aus Siliziumoxid (SiO2) hergestellt sind, und die Ladungssammelschicht 17 beispielsweise
aus Siliziumnitrid (Si3N4)
ausgebildet ist, wird eine so genannten ONO-Schicht durch die erste
isolierende Schicht 15, die Ladungssammelschicht 17 und
die zweite isolierende Schicht 19 gebildet, und diese Schicht
dient als eine schwebende Gateschicht bzw. eine Gateschicht mit
frei einstellbarem Potenzial einer Speicherzelle und als eine Gateisolationsschicht.
Sie hat ferner die Funktion des elektrischen Isolierens der Ladungssammelschicht 17 zu
den Steuergateschichten 21A, 21B. Wenn die Ladungssammelschicht 17 eine
Ladungsträgereinfangfunktion
aufweist, und das Substrat 11 und/oder die Steuergateschichten 21A, 21B isolierendes
Verhalten aufweisen, sind die erste isolierende Schicht 15 und/oder
die zweite isolierende Schicht 19 unter Umständen nicht
erforderlich.
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Die
Ladungssammelschicht 17 besitzt einen Aufbau mit Ladungseinfangbereichen,
die eine begrenzte Verschiebung der Ladung innerhalb der Schicht
besitzen, und die Ladungssammelschicht 17 ist zwischen
den Steuergateschichten 21A, 21B nicht getrennt,
sondern ist gemeinsam vorgesehen, wobei die vorliegende Erfindung
nicht auf diese Struktur begrenzt ist. Abhängig von dem Spalt G1 für den Abstand
der Steuergateschichten 21A, 21B können die zweite
isolierende Schicht 19 und die Ladungssammelschicht 17 und/oder
die erste isolierende Schicht 15 entsprechend beabstandet
sein. In diesem Falle ist eine unabhängige Ladungssammelschicht
in jeder Steuergateschicht 21A, 21B vorgesehen.
Somit wird die Ladung in jeder unabhängigen Ladungssammelschicht,
die individuell für
die Steuergateschichten 21A, 21B vorgesehen ist,
eingeführt
oder daraus abgeführt.
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In
diesem Falle kann für
die Ladungssammelschicht neben dem Material mit Ladungsträgereinfangbereichen,
wie sie zuvor bezeichnet sind, ein leitendes Material verwendet
werden, etwa polykristallines Siliziummaterial. Wenn ein Material
mit Ladungsträgereinfangeigenschaften
verwendet wird, kann die Verschiebung von Ladungen zwischen Ladungssammelschichten
unterhalb der Steuergateschichten 21A, 21B zuverlässiger unterdrückt werden.
Wenn ein Material mit Ladungsträgereinfangeigenschaften
verwendet wird, und wenn der Abstand der Ladungssammelschichten
nicht ausreichend ist aufgrund von Fertigungstoleranzen oder dergleichen, kann
ein Verlust gespeicherter Daten oder andere Schwierigkeiten vermieden
werden, da die Verschiebung der injizierten Ladung begrenzt ist.
Bei Verwendung eines leitenden Materials, etwa eines polykristallinen
Siliziummaterials, ist die erforderliche Struktur ähnlich zu
dem schwebenden Gate einer konventionellen nicht-flüchtigen
Speicherzelle für
das Speichern von 1-Bit-Daten, und der Fertigungsprozess kann vereinfacht
werden.
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Der
Spalt G1 ist beabsichtigt, um die Steuergateschichten 21A, 21B zu
trennen, und die Trennung der Steuergateschichten 21A, 21B ist
ausreichend, sofern die Positionen der einzeln gesteuerten und eingeführten Ladungen
in der Ladungssammelschicht 17 voneinander getrennt sind.
Daher sind die Herstellungsposition des Spalts G1 und die Breite des
Spalts G1 nicht streng spezifiziert, und es ist möglich, diesen
in einem einfachen Herstellungsprozess zu bilden.
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Die
Querschnittsansicht aus 2 zeigt eine Ausführungsform
der Speicherzelle. Wie nachfolgend beschrieben ist in Bezug auf
den Herstellungsprozess gemäß den 19 bis 22 werden
nach dem Abscheiden einer Maskenschicht (nicht gezeigt) auf Diffusionsschichten 13A, 13B,
eine Ladungssammelstapelschicht, eine zweite isolierende Stapelschicht
und eine Gatestapelschicht auf die gesamte Oberfläche aufgebracht.
Das von dem Paar aus Diffusionsschichten 13A, 13B eingeschlossene
Kanalgebiet wird von Maskenschichten umschlossen, die auf den Diffusionsschichten 13A, 13B aufgebracht sind,
und es ist eine Vertiefung ausgebildet, aber diese gestapelten Schichten
sind auch auf dem Kanalgebiet entlang der Maskenschicht stapelförmig aufgebracht.
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Danach
werden die aufgebrachten Schichten bis zu der Ladungssammelstapelschicht
durch einen anisotropen Ätzprozess
entfernt. Der anisotrope Ätzprozess ätzt selektiv
in der Dickenrichtung des Stapels. Neben dem oberen Bereich der
Maskenschicht in dem Kanalgebiet besitzt der Bereich, der entlang
der Seitenwand der Maskenschicht gestapelt ist, eine große Dicke
in Ätzrichtung
und es verbleibt ein ungeätzter
Bereich. Dies ist die so genannte Seitenwandstruktur. Das Ätzen ist
geringer an der Position neben der Seitenwand der Maskenschicht
und der Betrag des Ätzens
erhöht
sich mit zunehmendem Abstand zu der Seitenwand, und es wird ein
Spalt G2 in der Mitte gebildet. Somit sind in der Mitte des Kanalgebiets
einander zugewandte bogenförmige
Strukturen gebildet, wodurch die Steuergateschichten 21A, 21B die
zweiten isolierenden Schichten 19A, 19B und die
Ladungssammelschichten 17A, 17B getrennt werden.
Der Spalt G2 ist nicht besonders spezifiziert, wenn ein Material
mit Ladungsträgereinfangeigenschaften
in der Ladungssammelschicht verwendet wird, solange die Steuergateschichten 21A, 21B zuverlässig beim
Herstellungsprozess getrennt werden. Wenn ein Leitungsmaterial,
etwa ein polykristallines Siliziummaterial für die Ladungssammelschicht
verwendet wird, ist dies geeignet, solange zumindest die Steuergateschichten 21A, 21B,
die zweiten isolierenden Schichten 19A, 19B und
die Ladungssammelschichten 17A, 17B zuverlässig beim Fertigungsprozess
getrennt werden. Im Vergleich zu dem Fall, in welchem eine Diffusionsschicht
auf der Substratoberfläche
durch den Spalt G2 gebildet wird, oder wenn eine Verbindung zu einer
oberen Schicht entsteht, kann der Spalt kleiner sein und die Speicherzellengröße kann
verringert werden.
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Durch
die Seitenwandstruktur an der Maskenschichtseitenwand, die durch
das anisotrope Ätzen
gebildet wurde, können
die Ladungssammelschichten 17A, 17B von den Steuergateschichten 21A, 21B in
der Mitte des Kanalgebietes getrennt werden, so dass die Speicherzellengröße verringert werden
kann.
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Andere
Eigenschaften und Auswirkungen für die
Speicherzelle in 2 sind identisch zu jenen, wie
sie in dem Strukturdiagramm für
das Prinzip der Speicherzelle in 1 erläuterten,
und daher wird eine entsprechende Beschreibung weggelassen.
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3 bis 14 zeigen
Ansichten, die den Schreibvorgang und den Lesevorgang in einer Speicherzelle,
die beim Löschvorgang
zugeführte
Spannung, das Einprägen
von Ladung in die Ladungssammelschicht und das Abführen von
Ladung aus der Ladungssammelschicht zeigen. Zustände mit angelegter Spannung
beziehen sich auf ein Beispiel eines Speicherzellenarrays mit Speicherzellen
A bis D, die in einer Matrix angeordnet sind, und das Einführen von
Ladung und/oder das Abführen
von Ladung beziehen sich auf ein Beispiel einer Querschnittsansicht einer
Speicherzelle, wie sie in 2 gezeigt
ist. Die Schreiboperation ist in 3 bis 5 und
in 9 und 10 gezeigt,
und die Leseoperation ist in 6 bis 8 und 11 und 12 gezeigt.
Der erstgenannte Betrieb betrifft eine erste Mehrfachwertspeicheroperation
einer Schreiboperation, in der eine Ladungseinprägung vom Kanal stattfindet,
und die zweitgenannte Operation betrifft den Fall einer zweiten
Mehrfachwertspeicheroperation einer Schreiboperation, indem Ladung
vom Source aus eingeführt
wird. 13 und 14 zeigen
Löschoperationen.
Es ist eine Löschung
durch den Kanal bzw. durch das Source gezeigt.
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Es
wird nun die erste Mehrfachwertspeicheroperation erläutert. Wenn
die Speicherzelle mehrere Steuergateschichten aufweist, wird durch
Anlegen einer Schreibspannung individuell an den Steuergateschichten
die Ladung in das inhärente
Ladungssammelgebiet unterhalb jeder Steuergateschicht eingeführt, und
der Datenwert wird in jeder Steuergateschicht entsprechend einer
Anordnung aus Anwesenheit und Fehlen einer Ladung in dem Ladungssammelgebiet
unterhalb gespeichert, und damit wird eine Mehrfachwertspeicherstelle
realisiert. Durch das FN-Tunnelphänomen wird Ladung von dem Kanal
injiziert.
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3 bis 5 betreffen
eine Schreiboperation. Die Speicherzelle besitzt zwei Steuergateschichten
und es können
drei Schreibzustände
realisiert werden. Speicherzellen A und B besitzen eine Sourceleitung
SL1 und eine Bitleitung BL1, die jeweils mit einem Paar aus Diffusionsschichten
verbunden sind, und Speicherzellen C und D besitzen eine Sourceleitung
SL2 und eine Bitleitung BL2, die jeweils mit einem Paar aus Diffusionsschichten
verbunden sind. Zwei Steuergateschichten der Speicherzellen A und
C sind jeweils mit den Wortleitungen WL1 und WL21 als Steuerleitungen
verbunden, und zwei Steuergateschichten der Speicherzellen B und
D sind entsprechend mit den Wortleitungen WL12 und WL22 als Steuerleitungen
verbunden.
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Es
sei angenommen, dass die Speicherzelle A beschrieben wird. In 3 wird
Ladung in die Ladungssammelschicht injiziert, wie durch einen Kreis in
der Speicherzelle A markiert ist. Wenn die Sourceleitung SL1, mit
der die Speicherzelle A verbunden ist, sich in dem dritten Spannungszustand
mit 0 V oder in einem schwebenden Zustand bzw. einem Zustand mit
frei einstellbarem Potenzial befindet, wird die Bitleitung BL1 auf
einer vierten Spannung von 0 V oder in einem schwebenden Zustand
gehalten, und das Substrat liegt auf einer fünften Spannung von 0 V, und
die Wortleitung WL11 an dem Steuergate liegt auf einer ersten Spannung
von 9 V. In diesem Falle wird keine Rückwärts- bzw. Sperrvorspannung
zwischen der Diffusionsschicht und dem Substrat angelegt, und es
wird eine Verarmungsschicht nicht erweitert; somit wird ein elektrisches
Feld von der Steuergateschicht, mit der die Wortleitung WL11 verbunden ist,
in Richtung zum Substrat hervorgerufen. Durch dieses elektrische
Feld wird die Ladung beschleunigt und von dem Substrat durch den
FN-Tunnelstrom in die Ladungssammelschicht unterhalb der Steuergateschicht
injiziert, mit der die Wortleitung WL11 verbunden ist.
-
In
der anderen Steuergateschicht der Speicherzelle A wird die Wortleitung
WL21 als das andere Steuergate angekoppelt, und es wird eine zweite Spannung
von 0 V an die Wortleitung WL21 angelegt, und die Ladung wird nicht
in die Ladungssammelschicht beschleunigt, und es wird auch keine
Ladung in die Ladungssammelstelle unterhalb der Wortleitung WL21
eingeführt.
Da 0 V an den Wortleitungen 12, 22 anliegen, wird
Ladung nicht in die Speicherzelle B eingeführt. Das heißt, in anderen
Steuergates wird nur eine Spannung zwischen der Ladungssammelschicht
und dem Substrat angelegt, derart, dass keine FN-Tunnelwirkung hervorgerufen wird.
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In
der Sourceleitung SL2, mit der Diffusionsschichten der Speicherzellen
C und D verbunden sind, werden 0 V oder 6 V angelegt, und es werden
6 V an die Bitleitung BL2 angelegt. Für die Speicherzelle C gilt,
dass 9 V an die Steuergateschicht, die mit den Wortleitungen WI11
verbunden ist, angelegt werden, und in der benachbarten Diffusionsschicht
wird die Bitleitung BL2 verbunden und mit 6 V beaufschlagt. Als
Folge davon sind die Diffusionsschicht und das Substrat in der Richtung
vorgespannt, und es wird eine Verarmungsschicht gebildet, und das elektrische
Feld zwischen der Steuergateschicht und dem Substrat wird verringert.
In der Speicherzelle C wird Ladung nicht in die Ladungssammelschicht
abhängig
von der Wortleitung WL11, die mit 9 V versorgt ist, eingeführt, und
es kann das Auftreten einer Ladungsverteilung in der Speicherzelle
C vermieden werden.
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4 zeigt
einen Fall einer Ladungseinprägung
in die Ladungssammelschicht, was durch einen Kreis markiert ist,
indem eine erste Spannung von 9 V an Wortleitung WL21 in der Speicherzelle
A angelegt wird. In 3 wird ein 9 V an die Wortleitung WL21
als ein Steuergate anstelle der Wortleitung WL11 angelegt, und eine
zweite Spannung von 0 V wird an die Wortleitung WL11 als das andere
Steuergate angelegt. Um eine Verteilung in der Speicherzelle C zu
verhindern, in der die Wortleitung WL21 mit einer ersten Spannung
von 9 V angeschlossen ist, wird abhängig von der Verbindungskonfiguration
der Wortleitung, in der 9 V angelegt sind, 6 V an die Sourceleitung
SL2 und 9 V oder 6 V an die Bitleitung BL2 angelegt. Die Eigenschaften
und Auswirkungen sind die gleichen wie in 3, und eine
Beschreibung wird weggelassen.
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5 zeigt
den Fall einer Ladungseinprägung
in die Ladungssammelschicht, wie dies durch den Kreis angegeben
ist, indem eine erste Spannung von 9 V an die Wortleitungen WL11,
WL21 in der Speicherzelle A angelegt wird. Dies ist ein Fall einer Ladungseinprägung für beide
Ladungssammelschichten in der Speicherzelle A. In 3 wird
ein 9 V Potential an die Wortleitung WL21 und zusätzlich an
die Wortleitung WL11 angelegt. Um eine Verteilung in der Speicherzelle
C zu verhindern, mit der die mit 9 V vorgespannten Wortleitungen
WL11 und WL21 verbunden sind, werden 6 V an die Sourceleitung SL2
und an die Bitleitung BL2 angelegt. Die Auswirkungen und Eigenschaften
sind die gleichen wie in 3, und eine Beschreibung wird
daher weggelassen.
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Beim
Schreibvorgang in der ersten Mehrfachwertspeicheroperation kann
durch Anlegen einer Schreibspannung (9 V) als erste Spannung an
jede Steuergateschicht Ladung lokalisiert und in die Ladungssammelschicht
unterhalb ihrer Steuergateschicht eingeprägt werden. Folglich können in
einer einzelnen Speicherzelle mit zwei Steuergateschichten 2-Bit-Daten, d. h. Daten
für vier
Zustände,
gespeichert werden. Da Ladung durch den FN-Tunnelstrom in die Ladungssammelschicht
in einem Bereich unterhalb der jeweiligen Steuergateschicht von
dem Substrat aus eingeprägt
wird, ist eine lokale Schädigung
der Gateoxidschicht kleiner im Vergleich zu dem Injektionsverfahren
für Ladung,
wenn dieses unter Anwendung des Phänomens heißer Elektronen durchgeführt wird.
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6 bis 8 beziehen
sich auf einen Lesevorgang. Die Diagramme zeigen jeweils den Inhalt der
Speicherzelle A nach dem Schreibvorgang gemäß den 3 bis 5.
Bei der ersten Mehrfachwertspeicheroperation werden beim Auslesen
die Sourceleitungsseite und die Bitleitungsseite zu einem Paar aus
Diffusionsschichten zusammengefasst. In 6 bis 8 wird
die Sourceleitung SL1 mit einer Diffusionsschicht und die Bitleitung
BL1 wird mit der anderen Diffusionsschicht verbunden. Bei dem Lesevorgang
wird unabhängig
von den gespeicherten Daten eine siebte Spannung von 0 V an die Sourceleitung
SL1, eine achte Spannung von 1,5 V an die Bitleitung BL1, eine sechste
Spannung als Lesespannung von 3 V an die Wortleitungen WL11 und WL21
angelegt, und beide Steuergateschichten werden mit 3 V vorgespannt,
und der Lesevorgang wird schließlich
abhängig
von der Größe des zwischen den
Diffusionsschichten fließenden
Stromes ausgeführt.
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6 ist
ein Fall des Einprägens
und Sammelns von Ladungen in der Ladungssammelschicht unterhalb
der Steuergateschicht, die mit der Wortleitung WL11 verbunden ist.
In der Speicherzelle A werden Ladungen in der Ladungssammelschicht
an der Bitleitungsseite BL1 gesammelt, aber es werden keine Ladungen
in der Ladungssammelschicht auf der Sourceseite der Leitung SL1
gesammelt. Als Folge davon wird auf der Bitleitungsseite BL1 das
Potenzial von 3 V durch Ansammlung von Ladungen gegenüberliegend
dem Kanalgebiet abgesenkt, und auf der Sourceleitungsseite SL1 liegt
dem Kanalgebiet ein 3 V-Potenzial gegenüber, und somit werden 3 V zwischen
dem Gate und dem Source wirksam. Da eine ausreichende Gatevorspannung
an der Sourceleitungsseite SL1 anliegt, fließt ein ausreichend großer erster
Strom in dem Kanal.
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7 ist
ein Fall des Einprägens
und Sammelns von Ladungen in der Ladungssammelschicht unterhalb
der Steuergateschicht, die mit der Wortleitung WL21 verbunden ist.
In der Speicherzelle A wird keine Ladung in der Ladungssammelschicht
an Bitleitungsseite BL1 gesammelt, sondern die Ladung wird in der
Ladungssammelschicht in der Sourceleitungsseite SL1 gesammelt. Folglich
liegt auf der Bitleitungsseite BL1 das Potenzial von 3 V dem Kanalgebiet
gegenüber,
und auf der Sourceleitungsseite SL1 wird das Potenzial von 3 V durch
Ansammlung von Ladungen gegenüberliegend
dem Kanalgebiet abgesenkt, und es tritt eine Spannung von weniger als
3 V zwischen dem Gate und dem Source auf. Da die Gatevorspannung
auf der Sourceleitungsseite SL1 begrenzt ist, ist der in dem Kanal
fließende Strom
kleiner als der erste Strom in 6, und es fließt somit
einer zweiter Strom.
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8 ist
ein Fall einer Einprägung
und Sammlung von Ladungen in der Ladungssammelschicht unterhalb
der Steuergateschicht, die mit den Wortleitungen WL11 und WL21 verbunden
ist. In der Speicherzelle A werden Ladungen in beiden Ladungssammelschichten
an der Bitleitungsseite BL1 und der Sourceleitungsseite SL1 gesammelt.
Als Folge davon wird sowohl auf der Bitleitungsseite BL1 als auch
auf der Sourceleitungsseite SL1 das Potenzial von 3 V durch Ansammlung
von Ladungen gegenüberliegend
dem Kanalgebiet abgesenkt. Die Gatevorspannung ist auf der Bitleitungsseite
BL1 und auf der Sourceleitungsseite SL1 begrenzt, und der in dem Kanal
fließende
Strom ist noch kleiner als der zweite Strom in
-
7,
so dass ein dritter Strom fließt.
Obwohl in der Zeichnung dies nicht gezeigt ist, liegt in der Speicherzelle
A im Falle, dass keine Ladung in der Ladungssammelschicht unterhalb
der Steuergateschicht, die mit den Wortleitungen WL11 und WL21 verbunden
ist, gesammelt sind, sowohl auf der Bitleitungsseite BL1 als auch
auf der Sourceleitungsseite SL1 das 3 V-Potenzial der Steuergateschicht dem
Kanalgebiet gegenüber,
und es ist eine ausreichender Gatevorspannung angelegt, so dass
ein vierter Strom, der größer als
der erste Strom in 6 ist, in dem Kanal fließt.
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Beim
Lesevorgang wird im Allgemeinen eine fünfte Spannung von 0 V an das
Substrat angelegt.
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Beim
Lesevorgang in der ersten Mehrfachwertspeicheroperation ist in beiden
Diffusionsschichten in der Speicherzelle die Verbindung zu der Sourceleitung
und der Bitleitung festgelegt, wohingegen die Gatevorspannung entlang
der Kanallängenrichtung
in Abhängigkeit
von der Injektion von Ladungen in die Ladungssammelschichten unterhalb
den beiden Steuergateschichten, die entlang der Kanallängenrichtung
zwischen den Diffusionsschichten angeordnet sind, variabel ist.
Als Folge davon ist der Kanalstrom in Abhängigkeit der Konfiguration
der Ladungssammelschichten hinsichtlich der Ladungsansammlung variabel
und es können
mehrwertige Daten ausgelesen werden.
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Es
wird nun die zweite Mehrfachwertspeicheroperation erläutert. Wenn
die Speicherzelle zwei (ein Paar aus) Steuergateschichten im Kanalgebiet entlang
der Kanallängsrichtung
aufweist, während eine
Schreibspannung als neunte Spannung in einer einzelnen Steuergateschicht
angelegt wird, wird eine Hilfsspannung als zehnte Spannung an die
andere Steuergateschicht angelegt. Als Folge davon ist die Steuergateschicht,
die mit der Hilfsspannung belegt ist, als ein Hilfstransistor verwendet,
und die von der benachbarten Diffusionsschicht eingeführte Ladung wird
beschleunigt, und Ladungen werden in die Ladungssammelschicht unterhalb
der Steuergateschicht, die mit der Schreibspannung beaufschlagt ist,
eingeführt.
Dies ist ein Fall der Einführung
der Ladung von einer der Diffusionsschichten und das Einprägen in die
Steuergateschicht benachbart zu der anderen Diffusionsschicht. Die
durch den Hilfstransistor beschleunigte Ladung erzeugt das Phänomen heiße Elektronen
unterhalb einer Steuergateschicht, und die erhaltene Ladung wird
in den Kanal eingeprägt.
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9 und 10 beziehen
sich auf eine Schreiboperation. Ein grundlegender Aufbau besitzt zwei
Steuergateschichten in der Kanallängsrichtung. Unterhalb einer
Steuergateschicht wird die von der unteren Seite der anderen Steuergateschicht
eingeführte
Ladung eingeprägt.
Die Schreiboperation wird an zwei Steuergateschichten ausgeführt. In
den Speicherzellen A und B sind die Verteilungsleitungen L1, L2
mit jeder der Diffusionsschichten verbunden, und in den Speicherzellen
C und D sind die Verteilungsleitungen L3, L4 mit jeweils den Diffusionsschichten
verbunden. Zwei Steuergateschichten der Speicherzellen A und C sind
entsprechend mit den Wortleitungen WL11 und WL21 verbunden, und
zwei Steuergateschichten der Speicherzellen B und D sind entsprechend
mit den Wortleitungen WL12 und WL22 als Steuerleitungen verbunden.
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Es
sei angenommen, dass die Speicherzelle A beschrieben werden soll.
In 9 wird Ladung in die Ladungssammelschicht in der
Speicherzelle A eingeprägt,
wie dies durch den Kreis angegeben ist. Von den Verteilungsleitungen
L1, L2, mit denen die Speicherzelle A verbunden ist, wird die Verteilungsleitung
L1, die mit einer Diffusionsschicht benachbart zu der Ladungssammelschicht,
die durch den Kreis markiert ist, verbunden ist, mit einer elften
Spannung von 3 V beaufschlagt, die Verteilungsleitung L2, die mit
der anderen Diffusionsschicht verbunden ist, wird mit der siebten
Spannung von 0 V beaufschlagt und das Substrat wird mit der fünften Spannung
mit 0 V beaufschlagt. Ferner wir die Wortleitung WL11, die mit einer
Steuergateschicht auf der Ladungssammelschicht verbunden ist, wie
dies durch den Kreis angegeben ist, mit der neunten Spannung aus
6 V beaufschlagt, und die Wortleitung WL21, die mit der anderen
benachbarten Steuergateschicht verbunden ist, wird mit einer zehnten
Spannung mit 3 V beaufschlagt. In diesem Falle dient die andere
Steuergateschicht, die mit der die Wortleitung WL21 verbunden ist,
dazu, die Ladungen zu beschleunigen, und funktioniert als ein Hilfstransistorpunkt.
Die aus der Verteilungsleitung L2 eingeführte Ladung wird beschleunigt
und das Kanalgebiet unterhalb der Steuergateschicht, die mit 3 V
beaufschlagt ist, beschleunigt, und wenn die Ladung den Bereich
unterhalb der Steuergateschicht erreicht, die mit 6 V vorgespannt ist,
werden die Ladungen zu heißen
Elektronen, die eine hohe kinetische Energie aufweisen. Die durch diese
heißen
Elektronen repräsentierte
Ladung wird in die Ladungssammelschicht eingeprägt und in Richtung einer Steuergateschicht,
die mit 6 V vorgespannt ist, beschleunigt. Durch den Strom aus heißen Elektronen
werden somit Elektronen eingeprägt.
-
Dabei
ist die Spannung von 3 V als zehnte Spannung, die an die Wortleitung
WL21 angelegt ist, eine Spannung, um einen Kanal in einem Kanalgebiet
unterhalb der anderen Steuergateschicht, die mit der Wortleitung
WL21 verbunden ist, zu bilden. Wenn beispielsweise eine Spannung ähnlich zu
einem Auslesezustand durch einen Hilfstransistor angelegt ist, wird
die durch die Verteilungsleitung L2 eingeführte Ladung in der Richtung
der einen Steuergateschicht, die mit der Wortleitung WL11 verbunden
ist, beschleunigt.
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Für die Speicherzellen
C und D sind die Verteilungsleitungen L3, L4 auf 0 V. Die Speicherzelle
C ist mit den Wortleitungen WL11, WL21 gemeinsam mit der Speicherzelle
A verbunden, aber da beide Verteilungsleitungen L3, L4 auf 0 V liegen,
wir die Ladung in dem Kanal nicht beschleunigt, und eine Ladungsverteilung
wird verhindert. Im Hinblick auf die Zellen B und D gilt, da die
Wortleitungen WL12, WL22 beide auf 0 V liegen, dass eine Schreiboperation
nicht ausgeführt
wird.
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10 zeigt
einen Fall einer Ladungseinprägung
in die Ladungssammelschicht, wie dies durch den Kreis angegeben
ist, indem eine neunte Spannung von 6 V an die Wortleitung WL21
in der Speicherzelle A angelegt wird. In 9 wird bei
Invertierung der Vorspannungsverhältnisse der Wortleitungen WL11,
WL21 eine zehnte Spannung aus 3 V an die Wortleitung WL11 als anderes
Steuergate und eine neunte Spannung von 6 V an die Wortleitung WL21
als das eine Steuergate angelegt. Die Umkehrung der Vorspannungsverhältnisse
für die
Verteilungsleitungen L1, L2 führt
zum Anlegen einer siebten Spannung von 0 V an die Verteilungsleitung
L1, die mit der anderen Diffusionsschicht verbunden ist, und zu
dem Anlegen einer elften Spannung von 3 V an die Verteilungsleitung
L2, die mit der einen Diffusionsschicht benachbart zu der Ladungssammelschicht
verbunden ist, wie dies durch den Kreis angegeben ist. Um eine Verteilung
von Ladung in der Speicherzelle C, die mit den Wortleitungen WL11, WL21
verbunden ist, zu erreichen, werden 0 V an beide Verteilungsleitungen
L3, L4 angelegt, wie dies auch in 9 der Fall
ist. Im Falle der 10 ist ein Hilfstransistor aus
der Wortleitung WL21, die mit einer Steuergateschicht auf der Ladungssammelschicht
verbunden ist, wie dies durch den Kreis angegeben ist, und mit der
anderen Steuergateschicht, die mit der Wortleitung WL11 verbunden
ist, aufgebaut, und Ladungen werden von der Verteilungsleitung L1 aus
eingeführt.
Die anderen Eigenschaften und Auswirkungen sind die gleichen wie
in 9, und eine Beschreibung wird weggelassen.
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Bei
dem Schreibvorgang in der zweiten Mehrfachwertspeicheroperation
wird durch Anlegen einer Schreibspannung (6 V) als neunte Spannung an
einer Steuergateschicht auf der Ladungssammelschicht als Objekt
für das
Einfügen
von Ladungen, eine zehnte Spannung ähnlich zur Lesespannung an die
andere Steuergateschicht benachbart in der Kanallängsrichtung
angelegt, und es bildet sich ein Kanal in dem Kanalgebiet. Die andere
Steuergateschicht ist ein Höchsttransistor.
Die von der Diffusionsschicht benachbart zu den Hilfstransistor
eingeführte
Ladung wird entlang dem Kanal des Hilfstransistors beschleunigt
und er reicht den Bereich unterhalb der Ladungssammelschicht, der
der Bereich für
das Schreiben ist. Zu diesem Zeitpunkt liegen die Ladungen in Form
heißer
Elektronen mit hoher Energie vor, und die Ladung wird in die Ladungssammelschicht
durch das Phänomen
der heißen
Elektronen eingeprägt. Um
Ladungen in die Ladungssammelschicht unterhalb jeder Steuergateschicht
einzuführen,
wird die andere Steuergateschicht als ein Hilfstransistor verwendet,
um damit die Rolle des Ladungsbeschleunigers zu spielen. Die Ladungseinführrichtung
muss in Abhängigkeit
von der Position der Ladungssammelschicht für das Sammeln von Ladungen
geändert werden.
Es können
Daten in jeder Steuergateschicht gespeichert werden. Es können Daten
in der Wortleitung gespeichert werden, so dass eine einzelne Speicherzelle
mit zwei Steuergateschichten zwei Adressen besitzt und damit 2-Bit-Daten
speichern kann.
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11 und 12 betreffen
einen Lesevorgang. Die Diagramme zeigen entsprechend den Inhalt
der Speicherzelle A nach der Schreiboperation gemäß den 9 und 10.
In der zweiten Mehrfachwertspeicheroperation müssen die Vorspannungsverhältnisse
für die
Verteilungsleitungen zwischen der Leseoperation und der Schreiboperation umgekehrt
werden. Das heißt,
es ist eine so genannte invertierte Leseoperation erforderlich.
Dies liegt bei der Leseoperation daran, dass die Diffusionsschicht
benachbart zu der Ladungssammelschicht, die Gegenstand des Auslesens
ist, die Sourceseite sein muss, an der 0 V angelegt werden. Da die
Gatevorspannung in Abhängigkeit
von dem Vorhandensein oder dem Fehlen von Ladung in der Ladungssammelschicht
variiert, ist die Änderung
des Kanalstroms größer, wenn
die Gatevorspannung an der Sourceseite geändert wird, so dass die Empfindlichkeit
für die
Anwesenheit oder das Fehlen von angesammelter Ladung verbessert
werden kann. In diesem Falle einer Leseoperation wird eine siebte Spannung
von 0 V an die Verteilungsleitung benachbart zu einer Diffusionsschicht
benachbart zu der Ladungssammelschicht angelegt, die der Gegenstand des
Auslesens ist, und es wird eine achte Spannung von 1,5 V an die
Verteilungsleitung angelegt, die mit der anderen Diffusionsschicht
verbunden ist. In den beiden Wortleitungen wird gemeinsam eine sechste Spannung
zum Auslesen von 3 V angelegt, und die Leseoperation wird in Abhängigkeit
von dem Vorhandensein oder dem Fehlen eines Stromes, der zwischen
den Diffusionsschichten fließt,
ausgewertet.
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11 ist
ein Fall des Einführens
und Ansammelns von Ladungen in der Ladungssammelschicht unterhalb
der Steuergateschicht, die mit der Wortleitung WL11 verbunden ist.
In der Speicherzelle A ist die Ladungssammelschicht auf Seite der
Verteilungsleitung L1 der Gegenstand des Auslesens. Eine Spannung
von 0 V wird an die Verteilungsleitung L1 ange legt, und eine Spannung
von 1,5 V wird an die Verteilungsleitung L2 angelegt. Eine Spannung
von 3 V wird gemeinsam an die Wortleitungen WL11, WL21 angelegt.
Wenn Ladungen in der Ladungssammelschicht, die der Gegenstand des
Auslesens ist, an der Verteilungsleitungsseite L1 angelegt wird,
wird ein Potenzial von 3 V abgesenkt aufgrund der Ladungsansammlung
und liegt dem Kanalgebiet gegenüber,
und es wird eine Spannung von weniger als 3 V zwischen dem Gate
und dem Source wirksam, und ein kleinerer Strom ist als der zweite
Strom in dem Kanalgebiet, in ähnlicher
Weise wie in 7. Wenn Ladungen ferner in der
benachbarten Ladungssammelschicht angesammelt werden, fließt der dritte
Strom als kleinster Strom in der gleichen Weise wie in 8,
oder es wird kein Kanal in dem Kanalgebiet ausgebildet, und es fließt kein
Strom. Wenn keine Ladung in der Ladungssammelschicht, die der Gegenstand
des Auslesens ist, auf Seite der Verteilungsleitung L1 angesammelt
wird, dann liegt dem Kanalgebiet ein 3 V-Potenzial gegenüber, und es
sind 3 V zwischen dem Gate und dem Source wirksam, und es wird eine
ausreichende Gatevorspannung angelegt, so dass ein vierter Strom,
als größter Strom,
der größer als
der zweite Strom in 2 ist, dem Kanal fließt. Wenn
eine Ladung mit der Ladungssammelschicht, die Gegenstand des Auslesens
ist, angesammelt ist, und Ladung in der benachbarten Ladungssammelschicht
angesammelt wird, wie dies in gleicher Weise in 6 beschrieben ist,
fließt
ein erster Strom, der größer ist
als der zweite Strom in 7 und der kleiner ist als der
vierte Strom.
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12 ist
ein Fall des Einprägens
und Ansammelns von Ladungen in der Ladungssammelschicht unterhalb
der Steuergateschicht, die mit der Wortleitung WL21 verbunden ist.
Im Vergleich zu dem Fall der 11 sind
die Vorspannungsverhältnisse
der Verteilungsleitungen L1, L2 umgekehrt. Eine Spannung von 1,5
V ist an die Verteilungsleitung L1 angelegt, und 0 V werden an die
Verteilungsleitung L2 angelegt. Es wird eine Spannung von 3 V gemeinsam
an die Wortleitungen WL11, WL21 angelegt. Die Auswirkungen und Eigenschaften
für das Auslesen
sind gleich wie in 11, und eine Beschreibung wird
weggelassen.
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Beim
Lesevorgang wird im Allgemeinen die fünfte Spannung mit 0 V an das
Substrat angelegt.
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Beim
Lesevorgang in der zweiten Mehrfachwertspeicheroperation wird bei
einem Paar aus Diffusionsschichten in der Speicherzelle die Diffusionsschicht
benachbart zu der Ladungssammelschicht, die der Gegenstand des Auslesens
ist, als ein Sourceanschluss beim Lesevorgang benutzt. In diesem Falle
werden 0 V an die Diffusionsschicht, die der Sourceanschluss ist,
angelegt, aber dies ist die Diffusionsschicht der entgegengesetzten
Seite der Diffusionsschicht, die beim Schreibvorgang mit 0 V beaufschlagt
wird, und es wird eine so genannte invertierte Leseoperation ausgeführt. Die
Gatevorspannung ändert
sich in Abhängigkeit
von der Anwesenheit oder dem Fehlen einer Ladung in der Ladungssammelschicht,
die der Gegenstand des Auslesens ist, so dass die Eigenschaft des
Vorhandenseins oder Fehlens eines Kanals in dem Kanalgebiet ist
invertiert. Wenn es eine Ansammlung von Ladungen gibt, ist der Strom
gering oder es wird ein Kanal gebildet und es fließt kein
Strom. Wenn es keine Ansammlung von Ladungen gibt, wird ein Kanal
gebildet und es fließt ein
großer
Strom. Als Folge davon wird jedes Bit in jedem Steuergate zum Auswählen der
Ladungssammelschicht ausgelesen.
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13 und 14 betreffen
einen Löschvorgang. 13 zeigt
einen Fall des Löschens
der Speicherzellen in dem Chip oder in dem Sektor als gemeinsamen
Vorgang. Dieser Löschvorgang
wird auch als Chiplöschung
oder Sektorlöschung
bezeichnet. Darin ist das Anlegen einer Vorspannung im Falle der
Kanallöschung
gezeigt, um in der Ladungssammelschicht angesammelte Ladungen in
Richtung des Substrats abzuführen.
Für die
gemeinsame Löschung
oder Stapellöschung
von Ladungssammelschichten in den Speicherzellen A bis D wird eine
gemeinsame Vorspannung an die Speicherzellen angelegt. Die Sourceleitungen
SL1, SL2 und die Bitleitungen BL1, BL2 werden in einen schwebenden
Zustand gemäß einer
dreizehnten Spannung versetzt, und eine zwölfte Spannung von 0 V wird
an die Wortleitungen WL11 bis WL22 und eine vierzehnte Spannung
von 9 V wird an das Substrat angelegt.
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14 zeigt
den Fall einer gemeinsamen Löschung
oder Stapellöschung
von Speicherzellen, die die Wortleitung gemeinsam besitzen. Diese Löschoperation
wird als Seitenlöschung
bezeichnet. Diese zeigt das Anlegen einer Vorspannung für das Löschen des
Source durch Abführen
von Ladungen, die in der Ladungssammelschicht angesammelt sind, in
Richtung der benachbarten Diffusionsschicht. Für eine gemeinsame Löschung der
Ladungssammelschichten an beiden Seiten der Speicherzellen A, C wird
die gleiche Vorspannung an die Speicherzellen angelegt. Eine fünfte Spannung
von 0 V wird an das Substrat angelegt, die siebzehnte Spannung von
9 V wird an die Verteilungsleitungen L1 bis L4 angelegt und eine
fünfzehnte
Spannung von 0 V wird an die Wortleitungen WL11, WL21 angelegt.
In den Speicherzellen B, D, die nicht zu löschen sind, wird durch Anlegen
von 6 V an die Wortleitungen WL12, WL22 das elektrische Feld zwischen
der Wortleitung und der Diffusionsschicht und der Wortleitung und
dem Substrat begrenzt, und es wird eine Vorspannung angelegt, um
keine Löschoperation
hervorzurufen. Das Seitenlöschverfahren
ist nicht auf diese Verfahrenstechnik begrenzt, und obwohl dies
in 23 nicht gezeigt ist, können die in der Ladungssammelschicht
einer beliebigen Wortleitung angesammelten Ladungen in Richtung
des Substrats abgeführt
werden, was als Kanallöschung
bekannt ist. Die zwölfte
Spannung von 0 V wird an die Wortleitung für die Seitenlöschung angelegt,
die sechzehnte Spannung von 6 V wird an die Wortleitung, die nicht
durch die Seitenlöschung
betroffen sein soll, angelegt, und die vierzehnte Spannung von 9
V wird an das Substrat angelegt. Wenn die Ladungssammelschicht an
einer Seite der Speicherzellen A, C gelöscht werden, d. h., lediglich
die Ladungssammelschicht unterhalb der Wortleitungen WL11, wird
die fünfzehnte
Spannung von 0 V an die Wortleitung WL11 angelegt, und die sechzehnte
Spannung von 6 V wird an die Wortleitung WL21 angelegt, und daher
wird das elektrische Feld zwischen der Wortleitung WL21 und der
Diffusionsschicht und der Wortleitung WL21 und dem Substrat begrenzt,
und es wird eine Vorspannung angelegt, um eine Löschoperation in der Ladungssammelschicht
unterhalb der Wortleitung WL21 zu verhindern. Von den Speicherzellen
mit der gemeinsamen Wortleitung wird durch Anlegen von 0 V an die
Verteilungsleitung der Speicherzelle, die nicht zu löschen ist,
ein Löschvorgang
in Einheiten von einzelnen Bits ausgeführt.
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Im
Falle der Stapellöschung
von Speicherzellen in dem Chip oder in dem Sektor wird ähnlich ein
Löschen
in Einheiten von Seiten ermöglicht,
indem eine Spannung von 6 V an die nicht zu löschende Wortleitung angelegt
wird.
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Bei
der bislang erläuterten
Löschoperation ist
es möglich,
in Einheiten von Blöcken,
in Stapeln, oder in Einheiten von Bits zu löschen, und eine hohe Löschgeschwindigkeit
wird realisiert und die damit verknüpften Effekte können erreicht
werden.
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15 bis 17 sind
Layout- bzw. Schaltungsanordnungsdiagramme von Diffusionsschichten
und Wortleitungen. Die Steuergateschicht kann gemeinsam von Speicherzellen
benutzt werden, die in Reihenrichtung benachbart sind, und die Wortleitungen
sind aus Steuerleitungen aufgebaut, und der schattierte Bereich
in dem Diagramm zeigt das Kanalgebiet der Speicherzelle, das von
zwei Diffusionsschichten eingeschlossen ist.
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15 ist
eine Schaltungsanordnungsabbildung eines NAND-Flash-Speichers. Diffusionsschichten
D11, D22 sind abwechselnd mit Kanalgebieten angeordnet, und zwei
Schichten kreuzen ein Paar aus Wortleitungen (WL11 und WL21, WL12
und WL22, etc.). Eine Speicherzelle ist aus einem Paar von Wortleitungen,
einem Sourceanschluss S und einem Drainanschluss D an beiden Seiten
aufgebaut und die Speicherzellen sind in Reihe verbun den. An beiden
Enden der Diffusionsschichten D11, D22 sind Diffusionsschichten
D12, D21 und Diffusionsschichten D13, D23 angeschlossen. Ein Kontakt
SL zur Verbindung mit der Sourceleitung ist in den Diffusionsschichten
D11, D22 ausgebildet, und Kontakte BL1, BL2 zur Verbindung mit Bitleitungen
sind in den Diffusionsschichten D12, D23 gebildet. Ein Paar aus Wortleitungen
(WL11 und WL21, WL12 und WL22, etc.) sind benachbart und parallel
zueinander angeordnet. In der Speicherzellengruppe, die mit der
gleichen Bitleitung verbunden ist, sind unterschiedliche Wortleitungspaare
in jeder Speicherzelle verbunden.
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16 ist
eine Schaltungsanordnung eines NOR-Flash-Speichers. Die Diffusionsschichten
D1, D2 sind abwechselnd mit Kanalgebieten angeordnet, und zwei Schichten
kreuzen ein Paar aus Wortleitungen (WL11 und WL21, WL12 und WL22,
etc.). Zwischen einem Paar aus Wortleitungen sind Kontakte L1, L2
und L3, L4 zum Anschluss an Verteilungsleitungen abwechselnd ausgebildet.
Die abwechselnd ausgebildeten Kontakte sind mit Verteilungsleitungen in
den jeweiligen Kontakten verbunden. Eine Speicherzelle ist aus einem
Paar von Wortleitungen und Kontakten an beiden Seiten aufgebaut.
Ein Paar aus Wortleitungen (WL11 und WL21, WL12 und WL22, etc.)
sind benachbart und parallel zueinander angeordnet. In der Speicherzellengruppe,
die mit der gleichen Bitleitung verbunden sind, sind unterschiedliche Wortleitungspaare
jeder Speicherzelle angeschlossen.
-
Ein
Paar aus Wortleitungen ist abwechselnd und parallel zueinander angeordnet
und kreuzt die Diffusionsschichten, die die Speicherzellengruppe bildet,
die mit der gleichen Bitleitung oder der gleichen Verteilungsleitung
verbunden ist, und somit kann die Speicherzelle, die durch ein Paar
aus Wortleitungen in jeder Speicherzellengruppe auszuwählen ist,
auf lediglich eine einzelne Zelle beschränkt werden. Somit werden die
nicht ausgewählten
Speicherzellen nicht gleichzeitig mit Vorspannung beaufschlagt,
und es besteht keine Gefahr, dass ein nicht erwünschtes falsches Auslesen nicht
ausgewählter Speicherzellen
oder das Phänomen
der Ladungsverteilung in einer nicht ausgewählten Speicherzelle, oder dergleichen
auftritt.
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Wie
in 17 gezeigt ist, wenn ein Paar aus Wortleitungen,
die benachbart und parallel zueinander angeordnet sind, Diffusionsschichten
schneiden, können
Speicherzellen parallel zur Verdrahtungsrichtung der Wortleitungen
gebildet werden. Das heißt, die
Wortleitungen WL11 bis WL22 sind orthogonal zu den Verteilungsleitungen
L1 bis L3 angeordnet. In den Kanalgebieten zwischen benachbarten
Verteilungsleitungen L1 und L2 oder L2 und L3 bildet die Steuergateschicht
ein rechteckiges Gebiet zur Verbindung mit den benachbarten Verteilungsleitungen entlang
der Kanallängsrichtung,
wodurch eine Reihe gebildet wird, um die Kanalbreite zu unterteilen.
Eine Speicherzelle ist aus dem Paar benachbarter Verteilungsleitungen
und einem Paar aus Steuergateschichten zwischen den Verteilungsleitungen
aufgebaut. Unterhalb jeder einzelnen Steuergateschicht, die in der
Kanallängsrichtung
angeordnet ist, wird das Vorhandensein oder das Fehlen von Ladungen
in der Ladungssammelschicht begrenzt, und die Ausbildung der Kanalstrecke
wird gesteuert. Beim Leiten eines Kanalstroms besteht die Möglichkeit,
zwei Kanalstrecken zum Auslesen, nur eine einzelne Strecke oder
gar keine Strecke zu bilden. Der Strombetrag beim Auslesen ist variabel,
und somit kann eine Mehrfachwertspeicherstelle realisiert werden.
Unter Anwendung der Verteilungsleitungen L1 bis L3 als Diffusionsschichten
(definierte eingebettete Diffusionsschichten), die unter den mehreren
Speicherzellen, die in einer Richtung senkrecht zur Wortleitung angeschlossen
sind, gemeinsam benutzt werden, können diese als Source/Bitleitungen
aufgeteilt werden.
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18 zeigt
eine Draufsicht einer Speicherzelle der Ausführungsform und einen Querschnitt AA/BB,
und 19 bis 21 zeigen
entsprechende Fertigungsprozesse.
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18 ist
ein Schaltungsanordnungsdiagramm der Speicherzelle. Ein Transistorgebiet 31 ist ein
Speicherzellenarray, das aus mehreren Speicherzellen aufgebaut ist,
und dies ist ein Gebiet, in welchem eine Feldoxidschicht 16B nicht
abgeschieden ist, und ist ferner ein Gebiet zur Herstellung eines Paars
aus Diffusionsschichten 13A, 13B zur Bildung einer
Speicherzelle und eines Kanalgebiets dazwischen. In den beiden Diffusionsschichten 13A, 13B sind
an den beiden Endseiten in der AA-Richtung eine ONO-Schicht und
Steuergateschichten 21A, 21B, 21B_, 21A+,
die darauf herzustellen sind, entlang der Endseite angeordnet. Die
Steuergateschicht 21A, 21B, die auf dem Kanalgebiet
angeordnet sind, sind von gegenüberliegenden
Diffusionsschichten 13A, 13B eingeschlossen und
sind die Steuergateschichten der zu bildenden Speicherzelle. Die
Steuergateschichten 21A, 21B erstrecken sich in
einer Richtung über
das Transistorgebiet 31. Die Steuergateschichten 21B_, 21A+,
die entlang der äußeren Endes
der Diffusionsschichten 13A, 13B angeordnet sind,
sind Steuergateschichten der benachbarten Speicherzelle, die nicht
gezeigt ist. In diesem Falle wird die Diffusionsschicht in der Speicherzelle
gemeinsam benutzt und wird mehrfach in der AA-Richtung in 18 wiederholt.
Die Steuergateschichten 21B_, 21A+ erstrecken
sich in der umgekehrten Richtung der Steuergateschichten 21A, 21B über das
Transistorgebiet 31.
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Die
Steuergateschichten 21A, 21B, 21B_, 21A+ erstrecken
sich über
das Transistorgebiet 31 und sind so gebogen, dass sie die
Diffusionsschichten 13A, 13B in dem Endbereich
des Speicherzellenarrays, das aus mehreren Speicherzellen aufgebaut
ist, umschließen.
In den gebogenen Bereichen sind Verdrahtungsverteilungsbasiselemente
zur Verbindung mit Wortleitungen angeschlossen, d. h. 22A, 22B, 22B_, 22A+.
Es sei angenommen, dass die minimale Prozessabmessung F ist, dann
ist der Abstand der Verdrahtungsverteilungsbasiselemente F, die
Breite der Verdrahtungsverteilungspasselemente beträgt 1,5 F
und der Bereich von dem Ende eines Verdrahtungsverteilungsbasiselementes
zum Ende einer Steuergateschicht beträgt F/4.
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In 18 sind
eine AA-Querschnittsansicht und eine BB-Querschnittsansicht zusammen
dargestellt. In der AA-Querschnittsansicht sind die Steuergateschichten 21A, 21B in
einer so genannten Seitenwandstruktur mit gekrümmten gegenüberliegenden Seiten realisiert.
Unterhalb der Steuergateschichten 21A, 21B ist
die ONO-Schicht durch Aufbringen der ersten isolierenden Schicht 15,
der Ladungssammelschicht 17 und der zweiten isolierenden
Schicht 19 als Stapel vorgesehen. Die erste isolierende
Schicht 15 ist auch auf den Diffusionsschichten 13A, 13B ausgebildet.
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In
der BB-Querschnittsansicht ist eine Feldoxidschicht 16B außerhalb
des Transistorgebiets 31 ausgebildet. Ein Verdrahtungsverteilungsbasiselement 22B ist
auf dem sich erstreckenden und gebogenen Bereich einer Steuergateschicht 21B und
auf der ONO-Schicht auf dem Kanalgebiet in der Speicherzelle aufgebracht.
Da die Steuergateschicht 21B und das Verdrahtungsverteilungsbasiselement 22B aus
Material der gleichen Zusammensetzung durch Beschichten hergestellt
sind, wird ein ohmscher Kontakt verwirklicht.
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Ein
Abriss des Fertigungsprozesses für
die Speicherzelle der Ausführungsform
ist nachfolgend gezeigt. In 19(a) wird
nach dem Aufbringen der Oxidschicht 41 und der Nitridschicht 43 auf
das Substrat 11 die Nitridschicht 43 in dem Gebiet
außerhalb dem
Transistorgebiet 31 entfernt. Die verbleibende Nitridschicht 43 wird
als Maske verwendet, und es wird eine Feldoxidschicht 16 auf
dem Substrat gebildet (19(b)). Als
Folge davon werden Elemente auf der Substratoberfläche voneinander
getrennt. Nach dem Entfernen der Nitridschicht 43 und der Oxidschicht 41 (19(c)) wird eine Gateoxidschicht (erste
isolierende Schicht) 15 auf der gesamten Oberfläche durch
Oxidation bei hoher Temperatur (19(d))
gebildet, und es wird eine Nitridschicht 44 darauf ausgebildet
(19(e)). Die Nitridschicht 44 ist
eine Maskenschicht für
das anisotrope Ätzen, wenn
eine Seitenwandstruktur der Steuergateschicht 21, die auf
dem Kanalgebiet ausgebildet ist, hergestellt wird.
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In 20 wird ein Lackmaterial 45 auf
die Nitridschicht 44 aufgebracht und belichtet, sowie nachfolgend
entfernt, und der Lack 45 verbleibt über dem Bereich zur Herstellung
der Diffu sionsschichten und über
dem Bereich zum Definieren der Steuergateschichten, wobei unter
Anwendung des Lackmaterials 45 als eine Maske die Nitridschicht 44 dann
geätzt wird
(19(f)). Die Breite des Kanalgebiets
zwischen den Diffusionsschichten beträgt 1,5 F. Die Bereite der Diffusionsschicht
beträgt
F. Dabei ist der Bereich zum Herausführen der Steuergateschichten
ein Bereich, der sich in der Verdrahtungsrichtung der Wortleitung
und Erstreckung über
das Transistorgebiet 31 erstreckt. Die Nitridschicht 44 erstreckt
sich und verbleibt auf dem Transistorgebiet 31, um Diffusionsschichten
und deren Umgebung, d. h. das Gebiet zur Herstellung der Feldoxidschicht,
zu definieren.
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Nach
dem Entfernen des Materials 45 (19(g))
werden die beiden oberen Schichten der ONO-Schicht nacheinander
auf der gesamten Oberfläche
aufgebracht. Das heißt,
die Nitridschicht (Ladungssammelschicht) 17 und die Oxidschicht
(zweite isolierende Schicht) 19 werden als Stapel gebildet. Ferner
wird eine leitende Materialschicht (Steuergateschicht) 21 aus
polykristallinem Silizium oder dergleichen darauf gebildet, um eine
Steuergateschicht zu bilden (19(h)).
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Durch
anisotropes Ätzen
werden die leitende Materialschicht (Steuergateschicht) 21 und
die beiden oberen Schichten mit der ONO-Schicht (Oxidschicht (zweite
isolierende Schicht) 19 und der Nitridschicht (Ladungssammelschicht) 17),
die auf der Endfläche
des Substrats gestapelt sind, geätzt (19(i)). Als Folge davon können die
weiteren oberen zwei Schichten mit der ONO-Schicht und der Steuergateschicht 21,
die auf der Seitenwand der Nitridschicht 44, die als Maske
verwendet, aufgebracht sind, als eine Seitenwandstruktur gebildet
werden. Die Seitenwandstruktur wird so ausgebildet, dass sie dem
Bereich des Kanalgebiets in dem Transistorgebiet 31 zugewandt
ist, und ist in ähnlicher
Weise auf der Seitenwand der Nitridschicht 44 außerhalb
des Transistorgebiets 31 ausgebildet.
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21 ist
eine Draufsicht nach dem Prozess (19(i)).
An der äußeren Seitenwand
der Nitridschicht 44, die als eine Maske verwendet wird,
sind die Ladungssammelschicht 17, die zweite isolierende Schicht 19 und
die Steuergateschicht 21 als Seitenwandstruktur gebildet.
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Wie
in 22 gezeigt ist, werden durch Entfernen der Nitridschicht 44 die
Diffusionsschichten 13A, 13B durch Ionenimplantation
oder dergleichen gebildet, und die Seitenwandstruktur, die den äußeren Rand
der Nitridschicht 44 umgibt, wird von dem rechten und dem
linken Ende der Diffusionsschichten 13A, 13B getrennt,
und es werden die Steuergateschichten 21A, 21B, 21B_, 21A+ gebildet.
Dabei wird jede Steuergateschicht außerhalb des Transistorgebiets 31 abgetrennt,
und die Endbereiche der abgetrennten Steuergateschichten 21A, 21B, 21B_, 21A+ werden
bevorzugt so gebildet, dass sie die Diffusionsschichten 13A, 13B umgeben.
Als Folge davon werden die Steuergateschichten 21A, 21B, 21B_, 21A+ mit
der Seitenwandstruktur außerhalb
des Transistorgebiets 31 gebildet und die Steuergateschichten 21A, 21B, 21B_, 21A+ können zuverlässig mit
den Verdrahtungsverteilungsbasiselementen 22A, 22B_, 22B+, 22A+ gebildet
werden, wenn diese als Wortleitungen entworfen werden.
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Wie
aus der Erläuterung
hierin hervorgeht, können
gemäß der Ausführungsform
Ladungen in die inhärenten
Ladungssammelgebiete (1) in jeder der Steuergateschichten 21A, 21B der
Ladungssammelschichten 17 eingeprägt und/oder daraus abgeführt werden,
oder dies kann in den individuell vorgesehenen Ladungssammelschichten 17A, 17B (2)
erfolgen. Somit können
Daten gemäß der Anzahl
an Kombinationsmöglichkeiten
vorhandener oder fehlender Ladung in dem inhärenten Gebiet der Ladungssammelschicht 17 oder
den individuellen Ladungssammelschichten 17A, 17B gespeichert
werden. Das heißt,
in einer Speicherzelle mit zwei Steuergateschichten 21A, 21B können 2-Bit-Daten
gespeichert werden. Durch Auswählen
der Steuergateschichten 21A, 21B zum Einprägen und/oder
Abführen
von Ladungen kann die erste Mehrfachwertspeicheroperation zum Speichern
von Daten spezifizierter Bits ausgeführt werden.
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Durch
Ansammeln von Ladungen in jeder der Steuergateschichten 21A, 21B können 1-Bit-Daten in Abhängigkeit
von dem Vorhandensein oder dem Fehlen von Ladung in dem inhärenten bzw.
inneren Gebiet der Ladungssammelschicht 17 unterhalb den
Steuergateschichten 21A, 21B (1)
oder in individuellen Ladungssammelschichten 17A, 17B (2)
gespeichert werden. Beim Schreiben kann durch das Anlegen einer
Hilfsspannung an die andere Steuergateschicht die eingespeiste Ladung
beschleunigt werden.
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In
der Speicherzelle mit den zwei Steuergateschichten 21A, 21B können durch
Auswählen unterschiedlicher
Adressen in den individuellen Steuergateschichten 21A, 21B 1-Bit-Daten
in den Steuergateschichten 21A, 21B individuell
gespeichert werden. Eine einzelne Speicherzelle ist durch zwei Adressen
gekennzeichnet, und es können
zwei einzelne 1-Bit-Daten gespeichert werden, d. h. es wird eine
Zwei-Wert-Speicheroperation verwirklicht.
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Es
ist nicht erforderlich, die Schreibspannung, die an die Steuergateschicht 21A, 21B anzulegen
ist, in Abhängigkeit
von den Schreibdatenwerten zu ändern,
und durch eine einzelne Schreiboperation kann damit eine Mehrfachwertspeicherstelle
realisiert werden.
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Beim
Schreibvorgang, beim Lesevorgang und beim Löschvorgang der Speicherzelle
der Ausführungsform
werden Spannungsbedingungen für jede
Elektrode der Speicherzellentransistoren durch bekannte prinzipielle
Verfahren verwirklicht und diese sind in 23 zusammengefasst.
Die erste bis zur siebzehnten Spannung sind Beispiele für Spannungen,
die an Elektroden der Speicherzellentransistoren bei der Schreiboperation,
der Leseoperation und der Löschoperation
angelegt werden.
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Die
Erfindung ist nicht auf diese Ausführungsform beschränkt, sondern
kann innerhalb des Schutzbereichs der Erfindung geändert und
modifiziert werden.
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Zum
Beispiel besitzt die Speicherzelle der Ausführungsform zwei Steuergateschichten,
wobei die Erfindung nicht darauf beschränkt ist. Zum Beispiel kann
die Speicherzelle drei oder mehr Steuergateschichten aufweisen.
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In
diesem Falle müssen
in einer ersten Mehrfachwertspeicheroperation die Steuergateschichten in
einer Reihe entlang der Kanallängsrichtung
oder Kanalbreitenrichtung auf dem Kanalgebiet, das durch die Diffusionsschichten
in der Speicherzelle eingeschlossen ist, angeordnet sein. Wenn das
Gebiet der Ladungssammelschicht, das Ladungen in Abhängigkeit
von der Vorspannung an der Steuergateschicht ansammelt, sich entlang
der Kanallängsrichtung
oder der Kanalbreitenrichtung auf dem Kanalgebiet ändert, muss
der Strombetrag bei der Leseoperation geändert werden. Wenn das Schreiben
in der ersten Mehrfachwertspeicheroperation beispielsweise mit drei
Steuergateschichten stattfindet, ist eine Steuergateschicht, die
der Gegenstand des Schreibens ist, ein einzelnes Steuergate, und
es wird eine erste Spannung angelegt, und die beiden anderen Steuergateschichten,
die nicht der Gegenstand des Schreibvorgangs sind, sind das „andere" Steuergate und damit
wird die fünfte
Spannung, die keiner als die erste Spannung ist, angelegt.
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Im
Falle einer zweiten Mehrfachwertspeicheraktion ist eine Gruppe aus
zwei Steuergateschichten aufgebaut und es werden mehrere Gruppen
entlang der Kanallängsrichtung
gebildet. In jeder Gruppe wird jede Steuergateschicht als Hilfsgate
verwendet, und während
die Ladung in Abhängigkeit von
der Schreibspannung an der anderen Steuergateschicht beschleunigt
wird, können
Ladungen in die Ladungssammelschicht unterhalb der anderen Steuergateschicht
eingeführt
werden.
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In
dieser Ausführungsform
werden beim Schreibvorgang und beim Löschvorgang Ladungen in die
Ladungssammelschicht eingeführt
oder daraus abgeführt,
wobei die Erfindung nicht auf diese Operationsweise allein beschränkt ist.
Das Schreiben oder Löschen
ist auch möglich,
indem heiße
Löcher
in die Ladungssammelschicht eingeführt werden. Zwischen der Ladungssammelschicht
und der Diffusionsschicht ist auch ein Schreiben durch ein so genanntes
Zwischenband-Tunneln möglich.
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Der
prinzipielle Aufbau aus 1 kann erweitert werden, und
die Zellengröße kann
weiter verringert werden. Eine Querschnittsansicht in 24 zeigt
den Aufbau einer erweiterten Art einer Speicherzelle, die in der
nicht-flüchtigen
Speichereinrichtung der Erfindung vorgesehen ist. Gemäß diesem Aufbau
sind auf einem Kanalgebiet, das von den Diffusionsschichten 13A, 13B umschlossen
ist, eine erste isolierende Schicht 15, eine Ladungssammelschicht 17 und
eine zweite isolierende Schicht 19 in dieser Reihenfolge
als Stapel aufgebracht, und zwei Steuergateschichten 21A, 21B sind
auf der zweiten isolierenden Schicht 19 in der Kanallängsrichtung
so vorgesehen, dass ein Abstand dazwischen entsteht und dieser teilweise
miteinander überlappen.
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Die
Eigenschaften dieser Struktur sind ähnlich zur prinzipiellen Struktur
in 1, indem, dass die Ladungssammelschicht 17 diskrete
Ladungseinfangbereiche aufweist, ein Unterschied besteht jedoch
darin, dass die beiden Steuergateschichten 21A, 21B teilweise überlappen
und eine isolierende Schicht zwischen den teilweise überlappenden
Bereichen vorgesehen ist.
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Daher
kann der Spalt G1 in dem Aufbau aus 1 vermieden
werden, kann durch das teilweise Überlappen der Spalt von 1,5
F der beiden Diffusionsschichten 13A, 13B deutlich
verringert werden, und somit wird nicht nur die Zellengröße reduziert, sondern
auch der Kanalwiderstand kann verkleinert werden und damit lassen
sich die elektrischen Eigenschaften beim Schreiben und Lesen verbessern.
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Zusammenfassung
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Nicht-flüchtiges Bauelement und Verfahren
zu dessen Herstellung
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Auf
einem Kanalgebiet, das von einem Paar von Diffusionsschichten 13A, 13B eingeschlossen ist,
sind eine erste isolierende Schicht 15, eine Ladungssammelschicht 17 und
eine zweite isolierende Schicht 19 in dieser Reihenfolge
gestapelt, und auf der zweiten isolierenden Schicht 19 sind
zwei Steuergateschichten 21A, 21B, die durch den
Spalt G1 beabstandet sind, in der Mitte der Kanalbreitenrichtung angeordnet.
Die Ladungssammelschicht 17 besitzt diskrete bzw. separate
Ladungseinfangbereiche, und eine Verschiebbarkeit von Ladungen in
dieser Schicht ist beschränkt.
In der Ladungssammelschicht 17 können Ladungen, die in Abhängigkeit
von der an Steuergateschichten 21A, 21B angelegten
Schreibspannung eingefangen werden, unter den Steuergateschichten 21A, 21B,
an die eine Schreibspannung angelegt ist, lokal erhalten bleiben.
Das Vorhandensein oder das Fehlen von Ladungen kann in jedem Ladungssammelgebiet
unterhalb den Steuergateschichten 21A, 21B so
gesteuert werden, dass eine Mehrfachwertspeicherstelle in der Speicherzelle realisiert
wird.