專利名稱：存儲(chǔ)器單元結(jié)構(gòu)和方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明大體上涉及半導(dǎo)體存儲(chǔ)器裝置、方法和系統(tǒng)，且更特定來說，涉及存儲(chǔ)器單元結(jié)構(gòu)和方法。
背景技術(shù)：
通常將存儲(chǔ)器裝置提供為計(jì)算機(jī)或其它電子裝置中的內(nèi)部半導(dǎo)體集成電路。存在許多不同類型的存儲(chǔ)器，包括隨機(jī)存取存儲(chǔ)器(RAM)、只讀存儲(chǔ)器(ROM)、動(dòng)態(tài)隨機(jī)存取存儲(chǔ)器(DRAM)、同步動(dòng)態(tài)隨機(jī)存取存儲(chǔ)器(SDRAM)、快閃存儲(chǔ)器、電阻可變存儲(chǔ)器(例如，相變隨機(jī)存取存儲(chǔ)器(PCRAM)和電阻性隨機(jī)存取存儲(chǔ)器(RRAM))，和磁性隨機(jī)存取存儲(chǔ)器(MRAM)(例如，自旋力矩轉(zhuǎn)移隨機(jī)存取存儲(chǔ)器(STT RAM))，以及其它存儲(chǔ)器?！┐鎯?chǔ)器單元(例如，快閃存儲(chǔ)器單元)可為1-晶體管(IT)存儲(chǔ)器單元。在圖1中展示快閃存儲(chǔ)器單元的實(shí)例?？扉W存儲(chǔ)器單元103具有包括電容性耦合到控制柵極120的浮動(dòng)?xùn)艠O116的堆疊式柵極結(jié)構(gòu)。浮動(dòng)?xùn)艠O116和控制柵極120常由多晶硅材料形成，且由可厚約150埃到300埃的電介質(zhì)材料118 (例如，多晶娃間電介質(zhì)(interpolydielectric))分離?？扉W單元103包括在P襯底101的阱區(qū)內(nèi)的N+漏極區(qū)112和N+源極區(qū)110。單元103還包括上覆于襯底101的溝道區(qū)上(例如，在浮動(dòng)?xùn)艠O116與襯底101的溝道區(qū)之間)的隧道氧化物層114。隧道氧化物層114常為二氧化硅且可厚約70埃到120埃。在操作中，可通過將源極端子接地、將5伏到10伏的信號(hào)施加到漏極112 (例如，經(jīng)由未圖示的位線)和將(例如)18伏到20伏的高編程電壓施加到控制柵極120來編程單元103。施加到控制柵極120的高電壓產(chǎn)生跨越隧道氧化物114的高電場，從而在溝道中產(chǎn)生具有足夠能量來橫越隧道氧化物114的熱電子。接著將這些熱電子捕集于浮動(dòng)?xùn)艠O116中，從而導(dǎo)致晶體管的較 高閾值電壓，所述較高閾值電壓可對(duì)應(yīng)于單元103正被編程為OFF (例如，非導(dǎo)電)狀態(tài)中。可通過將控制柵極120和漏極區(qū)112接地以及將高電壓(例如，18伏到20伏)施加到源極區(qū)Iio或襯底101的P阱區(qū)來擦除單元103。大電壓差導(dǎo)致在浮動(dòng)?xùn)艠O116上捕集的電子通過被稱為福勒-諾丁漢姆(Fowler-Nordheim)隧穿的機(jī)制而穿隧通過薄氧化物層 114。例如快閃存儲(chǔ)器單元I) 3的1-晶體管存儲(chǔ)器單元具有在性能方面的數(shù)個(gè)缺點(diǎn)。舉例來說，用以經(jīng)由隧穿通過氧化物114來編程和/或擦除單元的相對(duì)高電壓(例如，18V到20V)可減低縮放存儲(chǔ)器單元103的能力。而且，相對(duì)薄的隧道氧化物114可隨時(shí)間的流逝(例如，經(jīng)過多個(gè)編程/擦除循環(huán))而降級(jí)，其可影響單元103的可靠性
發(fā)明內(nèi)容


圖1說明根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)的存儲(chǔ)器單元的橫截面圖。圖2說明根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)或一個(gè)以上實(shí)施例的存儲(chǔ)器單元的橫截面圖。圖3A說明根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)或一個(gè)以上實(shí)施例的處于擦除狀態(tài)和編程狀態(tài)中的存儲(chǔ)器單元。圖3B為說明對(duì)應(yīng)于圖3A中所展示的存儲(chǔ)器單元的電流對(duì)電壓曲線的圖。圖4說明具有根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的一個(gè)或一個(gè)以上存儲(chǔ)器單元的存儲(chǔ)器陣列的一部分。圖5A為對(duì)應(yīng)于根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)或一個(gè)以上實(shí)施例的二極管的能帶圖。圖5B為說明與圖5A的二極管相關(guān)聯(lián)的電流密度對(duì)電壓的圖。
具體實(shí)施例方式在本文中描述存儲(chǔ)器單元結(jié)構(gòu)和方法。一個(gè)或一個(gè)以上存儲(chǔ)器單元包括:晶體管，其具有電荷存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)；電介質(zhì)材料，其定位于所述晶體管的所述電荷存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)與溝道區(qū)之間，所述溝道區(qū)定位于源極區(qū)與漏極區(qū)之間；以及二極管的第一電極，其耦合到所述電荷存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)。一個(gè)或一個(gè)以上實(shí)施例包括:用第一電壓偏置二極管以經(jīng)由所述二極管將電荷添加到晶體管的電荷存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)；以及用第二電壓偏置所述二極管以經(jīng)由所述二極管從所述電荷存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)移除電荷。所述二極管的第一電極耦合到所述電荷存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)。而且，所述第一電壓和所述第二電壓不足以提供電荷通過所述晶體管的所述電荷存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)與溝道區(qū)之間的電介質(zhì)材料的隧穿。與先前方法相比，本發(fā)明的實(shí)施例提供各種益處，例如，減小與操作(例如，編程、讀取和/或擦除)存儲(chǔ)器單元相關(guān)聯(lián)的電壓，以及其它益處。操作電壓的減小可導(dǎo)致與先前的存儲(chǔ)器單元相比具有增加的可縮放性和可靠性的存儲(chǔ)器單元，這歸因于例如減小的隧道氧化物厚度和/或隧道氧化物材料的減小的降級(jí)等因素。本文中的諸圖遵循第一數(shù)字對(duì)應(yīng)于圖式圖號(hào)且剩余數(shù)字識(shí)別圖式中的元件或組件的編號(hào)慣例。不同圖之間的相似元件或組件可通過使用相似數(shù)字來識(shí)別。舉例來說，在圖2中，226可參考元件“26”，且在圖4中，可將相似元件參考為426。如應(yīng)了解，可添加、交換和/或消除在本文中各種實(shí)施例中所展示的元件以便提供本發(fā)明的若干額外實(shí)施例。另夕卜，如應(yīng)了解，圖中所提供的元件的比例和相對(duì)尺度意欲說明本發(fā)明的實(shí)施例，且不應(yīng)認(rèn)為具有限制性意義。圖2說明根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)或一個(gè)以上實(shí)施例的存儲(chǔ)器單元211的橫截面圖。存儲(chǔ)器單元211包括形成于襯底201中的晶體管。襯底201可為硅襯底、絕緣體上硅(SOI)襯底或藍(lán)寶石上硅(SOS)襯底以及其它襯底。晶體管包括被溝道區(qū)213分離的源極區(qū)210和漏極區(qū)212。在此實(shí)例中，晶體管形成于P型襯底201中且包括N+源極區(qū)210和N+漏極區(qū)212 ;然而，實(shí)施例不受如此限制。存儲(chǔ)器單元211的晶體管包括形成于襯底201上且位于溝道區(qū)213與電荷存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)224之間的電介質(zhì)材料222。在各種實(shí)施例中，電介質(zhì)材料222可為隧道氧化物材料(例如，Si02)且存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)224可為晶體管的浮動(dòng)?xùn)艠O。電荷存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)224可為金屬材料、多晶硅材料或納米晶體材料，以及適合于存儲(chǔ)電荷的其它材料。作為實(shí)例，在一些實(shí)施例中，電荷存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)224可為電荷捕集閃存(CTF)。在一個(gè)或一個(gè)以上實(shí)施例中，存儲(chǔ)器單元211包括二極管226，二極管226具有耦合到晶體管的電荷存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)224的第一電極(例如，底部電極)。如下文進(jìn)一步描述，在各種實(shí)施例中，二極管226可為金屬-絕緣體二極管。金屬-絕緣體二極管可包括在二極管的兩個(gè)電極之間(例如，在陽極與陰極之間)的一個(gè)或一個(gè)以上絕緣材料。舉例來說，二極管226可為金屬-絕緣體-絕緣體-金屬二極管(MIIM 二極管)或金屬-絕緣體-絕緣體-絕緣體-金屬二極管(MIIIM)。如本文中所使用，術(shù)語“金屬-絕緣體二極管”包括在二極管的電極之間具有一個(gè)或一個(gè)以上絕緣材料的二極管。實(shí)施例不限于特定類型的二極管226。舉例來說,在一些實(shí)施例中，二極管226可為PIN 二極管、齊納二極管、肖特基二極管、共振隧穿二極管(RTD)或晶閘管。在操作中，可與存儲(chǔ)器單元103的操作類似地將電荷添加到電荷存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)224和/或從電荷存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)224移除電荷以便對(duì)存儲(chǔ)器單元211進(jìn)行編程或擦除。舉例來說，改變電荷存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)224所存儲(chǔ)的電荷的量會(huì)改變晶體管的閾值電壓(Vt)，所述閾值電壓可指示存儲(chǔ)器單元的特定邏輯狀態(tài)?？赏ㄟ^感測響應(yīng)于被提供到二極管226 (例如，提供到頂部電極)的特定電壓的在源極210與漏極212之間的電流來確定(例如，讀取)存儲(chǔ)器單元211的狀態(tài)。舉例來說，如下文結(jié)合圖4進(jìn)一步描述，二極管226的第二電極可耦合到對(duì)應(yīng)于存儲(chǔ)器單元211的存取線(例如，字線)，漏極212可耦合到數(shù)據(jù)/感測線(例如，位線)，且源極210可耦合到接地?？蓪⒆x取電壓施加到字線且可通過感測位線的電流/電壓來確定單元211的狀態(tài)，此取決于晶體管的VU與圖1中所說明的1-晶體管快閃存儲(chǔ)器單元103不同，1-晶體管存儲(chǔ)器單元211不經(jīng)由通過電介質(zhì)隧道材料222的福勒-諾丁漢姆(Fowler-Nordheim)隧穿和/或熱電子注入來操作。而是,本發(fā)明的實(shí)施例可經(jīng)由通過二極管226而非通過電介質(zhì)材料222的導(dǎo)電路徑(例如，經(jīng)由通過二極管226的一個(gè)或一個(gè)以上絕緣體材料的電荷隧穿)將電荷添加到電荷存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)224和/或從電荷存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)224移除電荷。因?yàn)榕c操作存儲(chǔ)器單元211的二極管226相關(guān)聯(lián)的電壓低于與操作存儲(chǔ)器單元(例如，圖1中所展示的單元103)相關(guān)聯(lián)的電壓，所以存儲(chǔ)器單元211可提供減少的電力消耗和電介質(zhì)隧道材料222的減少的降級(jí)。電介質(zhì)材料222的減少的降級(jí)還可允許電介質(zhì)材料222比與單元103相關(guān)聯(lián)的隧道材料114薄。舉例來說，在一些實(shí)施例中，材料222可具有約40埃到60埃的厚度。圖3A說明根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)或一個(gè)以上實(shí)施例的處于擦除狀態(tài)和編程狀態(tài)中的存儲(chǔ)器單元。類似于圖2中所展示的存儲(chǔ)器單元211，圖3A中所說明的存儲(chǔ)器單元包括形成于襯底301中的晶體管。在此實(shí)例中，晶體管形成于P型襯底301中且包括N+源極區(qū)310和N+漏極區(qū)312。晶體管包括形成于襯底301上且位于溝道區(qū)313與電荷存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)324之間的電介質(zhì)材料322。在此實(shí)例中，電荷存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)324為晶體管的浮動(dòng)?xùn)艠O。浮動(dòng)?xùn)艠O324可為金屬材料、多晶硅材料或納米晶體材料，以及適合于存儲(chǔ)電荷的其它材料。圖3A中所說明的存儲(chǔ)器單元包括具有耦合到浮動(dòng)?xùn)艠O324的第一電極327的二極管326。在此實(shí)例中，二極管326為具有定位于第一電極327與第二電極329之間的絕緣體堆疊330的金屬-絕緣體二極管。絕緣體堆疊330包括第一絕緣材料328-1和第二絕緣材料328-2。因而，在此實(shí)例中，二極管326為MIIM 二極管。
圖3A的左側(cè)說明處于擦除狀態(tài)中的存儲(chǔ)器單元且圖3A的右側(cè)說明處于編程狀態(tài)中的存儲(chǔ)器單元。為了將存儲(chǔ)器單元置于擦除狀態(tài)中，可偏置二極管326以經(jīng)由絕緣體堆疊330從浮動(dòng)?xùn)艠O324移除電荷(例如，電子)。為了將單元置于編程狀態(tài)中，可偏置二極管326以經(jīng)由絕緣體堆疊330將電荷添加到浮動(dòng)?xùn)艠O324。對(duì)應(yīng)于本發(fā)明的一個(gè)或一個(gè)以上存儲(chǔ)器單元實(shí)施例的二極管326的特定配置可取決于各種因素，例如(例如)編程和/或擦除存儲(chǔ)器單元所要的電流電平。所要的電流電平可取決于若干因素，例如所要的編程時(shí)間。舉例來說，為了實(shí)現(xiàn)納秒(ns)級(jí)到毫秒(ms)級(jí)的編程時(shí)間，可使用約5kA/cm2到約5mA/cm2的電流密度。實(shí)施例不限于特定編程時(shí)間和/或電流密度要求。用以實(shí)現(xiàn)特定編程/擦除時(shí)間的電流密度可取決于各種因素，包括材料的類型、大小和/或浮動(dòng)?xùn)艠O324的厚度，以及其它因素。在一個(gè)或一個(gè)以上實(shí)施例中，二極管326可為不對(duì)稱的ΜΠΜ 二極管，例如硅化鉭/氧化硅/氧化鋯/氮化鈦(TaSi/SiOx/ZrOx/TiN)MnM 二極管或氮化硅鉭/氧化硅/氧化鉿/氮化鈦(TaSiN/SiOX/HfOX/TiN)MnM 二極管。在一個(gè)或一個(gè)以上實(shí)施例中，二極管326可為對(duì)稱的ΜΠΜ 二極管，例如氮化鈦/氮化硅/氧化鋁/氧化鉿/氮化鈦(TiN/Si3N4/A10x/Hf0x/TiN)MIIIM 二極管或硅化鉭/氮化硅/氧化鋁/氧化鋯/硅化鉭(TaSi/Si3N4/A10x/Zr0x/TaSi)MIIIM 二極管。對(duì)稱的二極管指代具有相同材料的兩個(gè)電極(例如，使得頂部/底部電極的功函數(shù)相同)的二極管，而非對(duì)稱的二極管包括由不同材料制成的電極。實(shí)施例不限于這些實(shí)例。舉例來說，二極管326的各種結(jié)構(gòu)可產(chǎn)生適合于編程、讀取和/或擦除根據(jù)本文中所描述的實(shí)施例的存儲(chǔ)器單元的對(duì)應(yīng)電流密度對(duì)電壓信號(hào)。圖3B為說明對(duì)應(yīng)于圖3A中所展示的存儲(chǔ)器單元的電流對(duì)電壓曲線的圖。所述圖說明漏極-源極電流(Ids)對(duì)跨越二極管326的電壓(Vd)。曲線332表示針對(duì)處于擦除狀態(tài)中的單元的電流對(duì)電壓曲線，而曲線333表示針對(duì)處于編程狀態(tài)中的單元的電流對(duì)電壓曲線。如上文所描述，可通過感測響應(yīng)于施加到二極管326的特定電壓Vd的電流Ids來確定存儲(chǔ)器單元的狀態(tài)。曲線332與曲線333之間的差異是歸因于存儲(chǔ)器單元的不同閾值電壓(Vt)，閾值電壓取決于是編程單元(例如，經(jīng)由絕緣體堆疊330將電子存儲(chǔ)于浮動(dòng)?xùn)艠O324上)還是擦除單元(例如，經(jīng)由絕緣體堆疊330從浮動(dòng)?xùn)艠O324移除電子)。圖4說明具有根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的一個(gè)或一個(gè)以上存儲(chǔ)器單元的存儲(chǔ)器陣列400的一部分。圖4的實(shí)施例說明類似于NAND快閃架構(gòu)的架構(gòu)。然而，實(shí)施例不限于此實(shí)
例。如圖4中所展示，存儲(chǔ)器陣列400包括存取線(例如，字線405-1、405-2.....405-N)
和對(duì)應(yīng)感測線(例如，局部位線407-1、407-2、...、407-M)。為了容易在數(shù)字環(huán)境中尋址，字線405-1、405-2、...、405-N的數(shù)目和局部位線407-1、407-2、...、407_M的數(shù)目可為2的某個(gè)冪(例如，256個(gè)字線乘4，096個(gè)位線)。存儲(chǔ)器陣列400包括NAND串409-1、409-2、...、409_M。每一 NAND串包括存儲(chǔ)器單元411-1、411-2、...、411-N，每一存儲(chǔ)器單元與相應(yīng)字線405_1、405_2、...、405_N相關(guān)聯(lián)。每一 NAND串409-1、409-2、...、409_M (和其構(gòu)成的存儲(chǔ)器單元)還與局部位線407-1、
407-2.....407-M相關(guān)聯(lián)。在源極選擇柵極(SGS)(例如，場效晶體管(FET) 413)與漏極選
擇柵極(SO))(例如，F(xiàn)ET419)之間源極到漏極地串聯(lián)連接每一 NAND串409_1、409_2、...、409-M的存儲(chǔ)器單元411-1、411-2、...、411_N。每一源極選擇柵極413經(jīng)配置以響應(yīng)于源極選擇線417上的信號(hào)而選擇性地將相應(yīng)NAND串409耦合到共同源極423，而每一漏極選擇柵極419經(jīng)配置以響應(yīng)于漏極選擇線415上的信號(hào)而選擇性地將相應(yīng)NAND串409耦合到相應(yīng)位線407。如圖4中所說明的實(shí)施例中所展示，源極選擇柵極413的源極連接到共同源極線423。源極選擇柵極413的漏極連接到對(duì)應(yīng)NAND串409-1的存儲(chǔ)器單元411-1的源極。漏極選擇柵極419的漏極在漏極接點(diǎn)421-1處連接到用于對(duì)應(yīng)NAND串409-1的局部位線407-1。漏極選擇柵極419的源極連接到對(duì)應(yīng)NAND串409-1的最后一個(gè)存儲(chǔ)器單元411-N的漏極。存儲(chǔ)器單元411-1、411_2、...、411_N可為存儲(chǔ)器單元，例如圖2中所說明的存儲(chǔ)器單元211。舉例來說，在一個(gè)或一個(gè)以上實(shí)施例中，存儲(chǔ)器單元411-1、411-2、...、411_N的建構(gòu)包括具有源極、漏極、浮動(dòng)?xùn)艠O或其它電荷存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)424的晶體管，以及二極管426。
存儲(chǔ)器單元411-1、411-2.....411-N的二極管426具有耦合到電荷存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)424的第一電
極和耦合到相應(yīng)字線405-1、405-2.....405-N的第二電極。因而，存儲(chǔ)器單元411-1、411-2、...、411_N 的“列”組成 NAND 串 409-1、409_2、...、409-M且分別耦合到給定局部位線407-1、407-2、...、407_M。存儲(chǔ)器單元411-1、
411-2.....411-N的“行”為共同耦合到給定字線405-1,405-2.....405-N的那些存儲(chǔ)器
單元。術(shù)語“列”和“行”的使用未打算暗示特定線性(例如，存儲(chǔ)器單元的垂直和/或水平定向)。將類似地布置NOR陣列架構(gòu)，不同之處在于將在選擇柵極之間并聯(lián)地耦合存儲(chǔ)器單兀的串。存儲(chǔ)器陣列400的操作可類似于NAND快閃存儲(chǔ)器單元(例如，結(jié)合圖1描述的單
元103)的陣列的操作。舉例來說，耦合到目標(biāo)(例如，選定)字線(例如，405-1、405-2.....405-N)的單元的子集可作為一群組一起編程和/或讀取。在編程操作期間，與以編程操作為目標(biāo)的存儲(chǔ)器單元相關(guān)聯(lián)的選定字線將接收第一電壓(例如，編程電壓)，所述第一電壓經(jīng)設(shè)計(jì)以在選定字線未被禁止編程(例如，經(jīng)由提供到存儲(chǔ)器單元所耦合到的位線的禁止電壓)的情況下改變耦合到所述選定字線的存儲(chǔ)器單元的數(shù)據(jù)狀態(tài)。施加到二極管426的頂部電極(例如，經(jīng)由所述選定字線)的編程電壓為足以激活(例如，接通)二極管426來產(chǎn)生通過二極管的導(dǎo)電路徑以將電荷添加到浮動(dòng)?xùn)艠O424的電壓。在各種實(shí)施例中，編程電壓不足以提供電子通過存儲(chǔ)器單元的隧穿電介質(zhì)材料(例如，圖2中所展示的材料222或圖3A中所展示的材料322)的隧穿。作為實(shí)例，編程電壓可具有約3伏到5伏的量值。為了執(zhí)行擦除操作，可用在極性上與編程電壓相反的擦除電壓來偏置存儲(chǔ)器單元411-1、411-2、...、411-N的二極管426。擦除電壓足以激活二極管來產(chǎn)生通過二極管426的導(dǎo)電路徑以從浮動(dòng)?xùn)艠O422移除電荷。類似于編程電壓，擦除電壓不足以提供電子通過單元的隧穿電介質(zhì)材料的隧穿。因而，擦除電壓足以產(chǎn)生通過二極管426的絕緣體材料(例如，通過圖3A中所展示的絕緣體堆疊330)的電子隧穿，但不足以提供通過位于晶體管的浮動(dòng)?xùn)艠O422與溝道區(qū)之間的電介質(zhì)材料的福勒-諾丁漢姆(Fowler-Nordheim)隧穿和/或熱電子注入。舉例來說，擦除電壓可為約3伏到5伏。然而，編程和/或擦除電壓的量值可取決于各種因素(例如，二極管426的配置和所要的編程電流和/或所要的編程速度，以及其它因素)而變化。在感測操作(例如，讀取操作)期間，可感測耦合到選定單元的位線的導(dǎo)通(例如，經(jīng)由位線的經(jīng)確定的電壓和/或電流改變)，以便確定選定單元的狀態(tài)。感測操作可涉及以量值上低于編程和/或擦除電壓的電壓偏置二極管426(例如，經(jīng)由選定字線405-1、405-2、...、405-N)且接著感測對(duì)應(yīng)于選定存儲(chǔ)器單元的位線(例如，位線407-1)上的電壓和/或電流?；蛘?，讀取操作可包括對(duì)位線(例如，407-1)進(jìn)行預(yù)充電且在選定單元開始導(dǎo)通的情況下感測放電。作為實(shí)例，跨越二極管426所施加的讀取電壓可為約-1伏到_2伏；然而，實(shí)施例不限于特定讀取電壓。存儲(chǔ)器單元411-1、411_2、...、411_N可為非易失性存儲(chǔ)器單元。然而，在一些實(shí)施例中，存儲(chǔ)器單元411-1、411-2、...、411-N可為易失性的，使得需要電力來維持單元的所存儲(chǔ)狀態(tài)。圖5A為對(duì)應(yīng)于根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)或一個(gè)以上實(shí)施例的二極管的能帶圖550。圖550可對(duì)應(yīng)于二極管，例如圖2中所展示的二極管226。在圖5A中所說明的實(shí)例中，二極管為在頂部電極(TE)與底部電極(BE)之間具有三個(gè)絕緣體材料(I1、12和13)的堆疊的ΜΙΠΜ 二極管。作為實(shí)例，頂部和/或底部電極可為例如TaS1、TiN, TaSiN的材料，或經(jīng)摻雜多晶硅材料。絕緣體堆疊可包括各種不同絕緣體材料，包括(但不限于)各種氧化物和/或氮化物材料，例如Si0x、Zr0x、Hf0x、A10x、Si3N4、Ta0x、La0x和SiON。在一個(gè)或一個(gè)以上實(shí)施例中，絕緣體堆疊的絕緣體I1、12和13可具有氧化物-氮化物-氧化物(ONO)配置。在一個(gè)或一個(gè)以上實(shí)施例中，絕緣體材料I1、12和13中的至少一者可為高K電介質(zhì)材料。實(shí)施例不限于特定二極管配置。舉例來說，一些實(shí)施例可包括在絕緣體堆疊中具有三種以上或三種以下絕緣體材料的二極管。在此實(shí)例中，第一(Il)和第三(13)絕緣體具有約5埃的厚度且第二絕緣體(12)具有約10埃的厚度。然而，絕緣體11、12和13的尺寸可取決于若干因素(例如，絕緣體材料的類型和所要電流密度對(duì)電壓曲線，以及其它因素)而變化。能帶圖550說明在反向偏壓下的ΜΙΠΜ 二極管(例如，頂部電極的電位低于底部電極的電位)。在此反向偏壓下，電子可隧穿通過二極管的絕緣體材料(例如，從頂部電極到底部電極)且可存儲(chǔ)于如上文所論述的耦合到底部電極的電荷存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)(例如，圖2中所展示的電荷存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)224或圖4中所展示的浮動(dòng)?xùn)艠O424)中。雖然未在圖550中展示，但跨越二極管所施加的正向偏壓可用以誘發(fā)電子從存儲(chǔ)器單元的電荷存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)通過絕緣體堆疊的隧穿以便從存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)移除電荷(例如，擦除存儲(chǔ)器單元)。圖5B為說明與圖5A的二極管相關(guān)聯(lián)的電流密度對(duì)電壓的圖560。曲線562表示在反向偏壓下的金屬-絕緣體二極管且曲線564表示在正向偏壓下的金屬-絕緣體二極管。在此實(shí)例中，二極管為對(duì)稱二極管，使得正向偏壓和反向偏壓曲線是對(duì)稱的；然而，實(shí)施例不限于此實(shí)例。舉例來說，本發(fā)明的實(shí)施例可包括具有各種非對(duì)稱配置的二極管，使得正向偏壓和反向偏壓曲線將為非對(duì)稱的。圖560表不可根據(jù)本文中所描述的一個(gè)或一個(gè)以上存儲(chǔ)器單兀(例如，圖2中所展示的存儲(chǔ)器單元211)來使用的二極管的電流密度對(duì)電壓響應(yīng)的一個(gè)實(shí)例。在操作中，可以第一電壓(例如，Vwrite566)偏置二極管以便編程存儲(chǔ)器單元。寫入電壓566足以提供通過二極管的絕緣體堆疊的適合電流以便快速地將電荷積聚于存儲(chǔ)器單元的電荷存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)上。在此實(shí)例中，Vwrite566為約-4伏，其提供約lX106A/cm2的電流密度。在各種實(shí)施例中，與編程電壓566相關(guān)聯(lián)的電流密度為至少lX104A/cm2。然而，電流密度可基于二極管的配置和/或單元的所要編程時(shí)間以及其它因素而變化。
可以第二電壓(例如，VeraSe568)偏置二極管以便擦除存儲(chǔ)器單元。即，擦除電壓568足以提供通過二極管的絕緣體堆疊的適合電流以便快速地從存儲(chǔ)器單元的電荷存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)移除電荷。在此實(shí)例中，Verase568為約4伏，其提供約IX 106A/cm2的電流密度。在各種實(shí)施例中，寫入電壓(例如，Vwrite566)和擦除電壓(例如，Verase568)不足以提供電荷通過晶體管的電荷存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)與溝道區(qū)之間的電介質(zhì)材料(例如，隧道氧化物材料)的隧穿。舉例來說，在一些實(shí)施例中，擦除電壓和寫入電壓可具有低于約5伏的量值。用寫入電壓566和/或擦除電壓568偏置二極管可包括在二極管的頂部電極與襯底的阱區(qū)之間產(chǎn)生特定電壓差。以不足以促進(jìn)通過隧道氧化物材料的福勒-諾丁漢姆(Fowler-Nordheim)隧穿和/或熱電子注入的電壓偏置存儲(chǔ)器單元的二極管可防止隧道氧化物材料的降級(jí)，以及具有其它益處。為了讀取存儲(chǔ)器單元的狀態(tài)，可用第三電壓(例如，Vread567)偏置二極管。讀取電壓567在量值上低于寫入電壓566和擦除電壓568，這是因?yàn)樾枰谧x取操作期間具有通過二極管的較低的電流流動(dòng)。在此實(shí)例中，Vread567為約-2伏，其提供約IX 102A/cm2的電流密度。在各種實(shí)施例中，與讀取電壓567相關(guān)聯(lián)的電流密度不超過IX 102A/cm2。可(例如)通過感測響應(yīng)于施加到金屬-絕緣體二極管的頂部電極的讀取電壓的在晶體管的源極與漏極之間的電流來確定邏輯狀態(tài)(例如，邏輯“O”或“ I”)。在本文中描述存儲(chǔ)器單元結(jié)構(gòu)和方法。一個(gè)或一個(gè)以上存儲(chǔ)器單元包括:晶體管，其具有電荷存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)；電介質(zhì)材料，其定位于所述晶體管的所述電荷存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)與溝道區(qū)之間，所述溝道區(qū)定位于源極區(qū)與漏極區(qū)之間；以及二極管的第一電極，其耦合到所述電荷存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)。一個(gè)或一個(gè)以上實(shí)施例包括:用第一電壓偏置二極管以經(jīng)由所述二極管將電荷添加到晶體管的電荷存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)；以及用第二電壓偏置所述二極管以經(jīng)由所述二極管從所述電荷存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)移除電荷。所述二極管的第一電極耦合到所述電荷存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)。而且，所述第一電壓和所述第二電壓不足以提供電荷通過所述晶體管的所述電荷存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)與溝道區(qū)之間的電介質(zhì)材料的隧穿。雖然已在本文中說明且描述了特定實(shí)施例，但所屬領(lǐng)域的技術(shù)人員應(yīng)了解，打算實(shí)現(xiàn)相同結(jié)果的布置可替換所展示的特定實(shí)施例。本發(fā)明意欲涵蓋本發(fā)明的各種實(shí)施例的改編或變化。應(yīng)理解，已以說明性方式而非限制性方式來進(jìn)行以上描述。在審閱以上描述之后，所屬領(lǐng)域的技術(shù)人員將明白以上實(shí)施例和本文中未特定描述的其它實(shí)施例的組合。本發(fā)明的各種實(shí)施例的范圍包括使用以上結(jié)構(gòu)和方法的其它應(yīng)用。因此，應(yīng)參考所附權(quán)利要求書連同所述權(quán)利要求書有權(quán)擁有的等效物的完整范圍來確定本發(fā)明的各種實(shí)施例的范圍。在前述具體實(shí)施方式
中，為了使本發(fā)明簡化的目的，在單一實(shí)施例中將各種特征分組在一起。此揭示方法不應(yīng)被解釋為反映本發(fā)明的所揭示的實(shí)施例必須使用比在每一權(quán)利要求中明確陳述的特征多的特征的意圖。而是，如所附權(quán)利要求書所反映，發(fā)明性標(biāo)的物在于比單一所揭示實(shí)施例的全部特征少的特征。因此，所附權(quán)利要求書特此并入于具體實(shí)施方式
中，其中每一權(quán)利要求獨(dú)立地作為一單獨(dú)實(shí)施例。
權(quán)利要求
1.一種存儲(chǔ)器單元，其包含: 晶體管，其包括電荷存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)； 電介質(zhì)材料，其定位于所述晶體管的所述電荷存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)與溝道區(qū)之間，所述溝道區(qū)定位于源極區(qū)與漏極區(qū)之間；以及 二極管的第一電極，所述第一電極耦合到所述電荷存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的存儲(chǔ)器單元，其中所述二極管為金屬-絕緣體二極管，所述金屬-絕緣體二極管具有定位于所述第一電極與第二電極之間的至少第一絕緣體材料和第二絕緣體材料。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的存儲(chǔ)器單元，其中所述二極管包括定位于所述第一電極與第二電極之間的至少三種絕緣體材料的堆疊。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的存儲(chǔ)器單元，其中所述電荷存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)是所述晶體管的浮動(dòng)?xùn)艠O。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的存儲(chǔ)器單元，其中所述二極管的第二電極耦合到對(duì)應(yīng)于所述存儲(chǔ)器單元的字線。
6.根據(jù)權(quán)利要求1到5中任一權(quán)利要求所述的存儲(chǔ)器單元，其中所述源極區(qū)和所述漏極區(qū)中的至少一者耦合到對(duì)應(yīng)于所述存儲(chǔ)器單元的位線。
7.根據(jù)權(quán)利要求1到5中任一權(quán)利要求所述的存儲(chǔ)器單元，其中所述存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)包括從包括以下各者的群組選擇的材料: 金屬材料；` 多晶娃材料；以及 納米晶體材料。
8.根據(jù)權(quán)利要求1到5中任一權(quán)利要求所述的存儲(chǔ)器單元，其包括通過所述二極管的導(dǎo)電路徑，所述導(dǎo)電路徑將電荷提供到所述存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)。
9.根據(jù)權(quán)利要求1到5中任一權(quán)利要求所述的存儲(chǔ)器單元，其包括通過所述二極管的導(dǎo)電路徑，所述導(dǎo)電路徑從所述存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)移除電荷。
10.一種存儲(chǔ)器單元，其包含: 晶體管，其具有通過電介質(zhì)材料而與溝道區(qū)分離的浮動(dòng)?xùn)艠O；以及 二極管的第一電極，所述第一電極耦合到所述浮動(dòng)?xùn)艠O。
11.根據(jù)權(quán)利要求10所述的存儲(chǔ)器單元，其中所述二極管為從包括以下各者的群組選擇的二極管: 金屬-絕緣體二極管； PIN 二極管； 齊納二極管； 肖特基二極管；以及 共振隧穿二極管RTD。
12.根據(jù)權(quán)利要求10所述的存儲(chǔ)器單元，其中所述二極管為金屬-絕緣體二極管，所述金屬-絕緣體二極管包括定位于所述金屬-絕緣體二極管的所述第一電極與第二電極之間的絕緣體堆疊的第一絕緣體材料和第二絕緣體材料。
13.根據(jù)權(quán)利要求12所述的存儲(chǔ)器單元，其包括通過所述絕緣體堆疊的導(dǎo)電路徑，電荷通過所述導(dǎo)電路徑被提供到所述浮動(dòng)?xùn)艠O并從所述浮動(dòng)?xùn)艠O移除。
14.根據(jù)權(quán)利要求12所述的存儲(chǔ)器單元，其中所述絕緣體堆疊包括定位于所述第一電極與所述第二電極之間的至少第三絕緣體材料。
15.根據(jù)權(quán)利要求10到14中任一權(quán)利要求所述的存儲(chǔ)器單元，其中所述二極管經(jīng)配置以使得其響應(yīng)于具有約4V的量值的第一所施加電壓而提供至少I X 104A/cm2的第一電流密度。
16.根據(jù)權(quán)利要求15所述的存儲(chǔ)器單元，其中所述二極管經(jīng)配置以使得其響應(yīng)于具有約2V的量值的第二所施加電壓而提供不超過lX102A/cm2的第二電流密度。
17.根據(jù)權(quán)利要求12所述的存儲(chǔ)器單元，其中所述絕緣體堆疊為ONO(氧化物-氮化物-氧化物)堆疊。
18.根據(jù)權(quán)利要求10到14中任一權(quán)利要求所述的存儲(chǔ)器單元，其中將所述溝道區(qū)與所述浮動(dòng)?xùn)艠O分離的所述電介質(zhì)材料的厚度小于約60埃。
19.一種操作存儲(chǔ)器單元的方法，所述方法包含: 用第一電壓偏置二極管以經(jīng)由所述二極管將電荷添加到晶體管的電荷存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)；以及 用第二電壓偏置所述二極管以經(jīng)由所述二極管從所述電荷存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)移除電荷； 其中所述二極管的第一電極耦合到所述電荷存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)；且 其中所述第一電壓和所述第二電壓不足以提供電荷通過所述晶體管的所述電荷存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)與溝道區(qū)之間的電介質(zhì)材料的隧穿。
20.根據(jù)權(quán)利要求19所述的方法，其中用所述第一電壓偏置所述二極管包括對(duì)所述存儲(chǔ)器單元進(jìn)行編程。
21.根據(jù)權(quán)利要求20所述的方法，其中用所述第二電壓偏置所述二極管包括擦除所述存儲(chǔ)器單元。
22.根據(jù)權(quán)利要求19到21中任一權(quán)利要求所述的方法，其中所述第一電壓和所述第二電壓具有小于約5V的量值。
23.根據(jù)權(quán)利要求19到21中任一權(quán)利要求所述的方法，其包括通過感測響應(yīng)于用量值上低于所述第一電壓和所述第二電壓的第三電壓偏置所述二極管的在所述晶體管的源極與漏極之間的電流來確定所述存儲(chǔ)器單元的狀態(tài)。
24.根據(jù)權(quán)利要求19到21中任一權(quán)利要求所述的方法，其中所述二極管為包括在所述二極管的所述第一電極與第二電極之間的至少兩種絕緣體材料的堆疊的金屬-絕緣體二極管。
25.一種操作存儲(chǔ)器單元的方法，所述方法包含: 通過經(jīng)由具有耦合到晶體管的浮動(dòng)?xùn)艠O的第一電極的金屬-絕緣體二極管的絕緣體堆疊將電荷提供到所述浮動(dòng)?xùn)艠O來將所述存儲(chǔ)器單元置于第一狀態(tài)中；以及 通過感測響應(yīng)于施加到所述金屬-絕緣體二極管的第二電極的讀取電壓的在所述晶體管的源極與漏極之間的電流來確定所述存儲(chǔ)器單元的邏輯狀態(tài)。
26.根據(jù)權(quán)利要求25所述的方法，其包括通過經(jīng)由所述金屬-絕緣體二極管的所述絕緣體堆疊從所述晶體管的所述浮動(dòng)?xùn)艠O移除電荷來將所述存儲(chǔ)器單元置于第二狀態(tài)中。
27.根據(jù)權(quán)利要求26所述的方法，其中所述第一狀態(tài)為編程狀態(tài)且所述第二狀態(tài)為擦除狀態(tài)。
28.根據(jù)權(quán)利要求25到27中任一權(quán)利要求所述的方法，其中將所述存儲(chǔ)器單元置于所述第一狀態(tài)中包括:提供所述第二電極與和所述晶體管相關(guān)聯(lián)的阱區(qū)之間的第一電壓差，所述第一電壓差不足以提供通過位于所述晶體管的所述浮動(dòng)?xùn)艠O與溝道區(qū)之間的電介質(zhì)材料的電荷隧穿。
29.根據(jù)權(quán)利要求25到27中任一權(quán)利要求所述的方法，其中所述絕緣體堆疊包括第一絕緣體材料、第二絕緣體材料和第三絕緣體材料，且其中所述第一絕緣體材料、所述第二絕緣體材料和所述第三絕緣體材料中的至`少一者為高K電介質(zhì)。
全文摘要
在本文中描述存儲(chǔ)器單元結(jié)構(gòu)和方法。一個(gè)或一個(gè)以上存儲(chǔ)器單元包括晶體管，其具有電荷存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)；電介質(zhì)材料，其定位于所述晶體管的所述電荷存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)與溝道區(qū)之間，所述溝道區(qū)定位于源極區(qū)與漏極區(qū)之間；以及二極管的第一電極，其耦合到所述電荷存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)。
文檔編號(hào)H01L27/115GK103119718SQ201180045020
公開日2013年5月22日 申請(qǐng)日期2011年8月24日 優(yōu)先權(quán)日2010年8月31日
發(fā)明者古爾特杰·S·桑胡, 巴斯卡爾·斯里尼瓦桑 申請(qǐng)人:美光科技公司