DE19631147A1 - Nichtflüchtige Speicherzelle - Google Patents

Description

Zur dauerhaften Speicherung von Daten sind nichtflüchtige Speicherzellen, sogenannte SONOS- oder MNOS-Zellen vorge­ schlagen worden, die jeweils einen speziellen MOS-Transistor umfassen (siehe zum Beispiel Lai et al, IEDM Tech. Dig. 1986, Seite 580 bis 583). Der MOS-Transistor umfaßt ein Gatedielek­ trikum, das mindestens eine Siliziumnitridschicht unterhalb der Gateelektrode und eine SiO₂-Schicht zwischen der Silizi­ umnitridschicht und dem Kanalbereich umfaßt. Zur Speicherung der Information werden Ladungsträger in der Siliziumnitrid­ schicht gespeichert.

Die Dicke der SiO₂-Schicht beträgt in diesen nichtflüchtigen Speicherzellen maximal 2,2 nm. Die Dicke der Siliziumnitrid­ schicht beträgt in modernen SONOS-Speichern üblicherweise et­ wa 10 nm. Zwischen der Siliziumnitridschicht und der Ga­ teelektrode ist meist eine weitere SiO₂-Schicht vorgesehen, die eine Dicke von 3 bis 4 nm aufweist. Diese nichtflüchtigen Speicherzellen sind elektrisch schreib- und löschbar. Beim Schreibvorgang wird an die Gateelektrode eine solche Spannung angelegt, daß Ladungsträger aus dem Substrat durch die maxi­ mal 2,2 nm dicke SiO₂-Schicht in die Siliziumnitridschicht tunneln. Zum Löschen wird die Gateelektrode so beschaltet, daß die in der Siliziumnitridschicht gespeicherten Ladungs­ träger durch die 2,2 nm dicke SiO₂-Schicht in der Kanalbe­ reich tunneln und aus dem Kanalbereich Ladungsträger vom ent­ gegengesetzten Leitfähigkeitstyp durch die SiO₂-Schicht in die Siliziumnitridschicht tunneln.

Die beschriebenen Speicherzellen, die vielfach als SONOS- Zellen bezeichnet werden, weisen eine Zeit für den Datener­ halt von 10 Jahren auf. Diese Zeit ist für viele Anwendun­ gen, zum Beispiel für die Speicherung von Daten in Computern, zu kurz.

Für Anwendungen, in denen längere Zeiten für den Datenerhalt gefordert werden, ist es bekannt, als nichtflüchtige Speicher EEPROM-Zellen mit floating gate zu verwenden. In diesen Spei­ cherzellen, die zum Beispiel aus Lai et al, IEDM Tech. Dig. 1986, Seite 580 bis 583, bekannt sind, ist zwischen einer Steuergateelektrode und dem Kanalbereich des MOS-Transistors eine Floating Gate Elektrode angeordnet, die vollständig von dielektrischem Material umgeben ist. Auf der Floating Gate Elektrode wird die Information in Form von Ladungsträgern ge­ speichert. Diese Speicherzellen, die auch als FLOTOX-Zellen bezeichnet werden, sind elektrisch schreib- und löschbar. Da­ zu wird die Steuergateelektrode mit einem solchen Potential verbunden, daß Ladungsträger aus dem Kanalbereich auf die Floating Gate Elektrode fließen (Schreiben) bzw. Ladungsträ­ ger von der Floating Gate Elektrode in den Kanalbereich flie­ ßen (Löschen). Diese FLOTOX-Zellen weisen Zeiten für den Da­ tenerhalt größer als 150 Jahre auf.

Im Vergleich zu den SONOS-Zellen sind sie jedoch kompliziert im Aufbau. Ferner ist der Platzbedarf der FLOTOX-Zellen im Vergleich zu den SONOS-Zellen größer, da die Steuergateelek­ trode die Floating Gate Elektrode seitlich überlappen muß. Schließlich ist die sogenannten Radiation hardness von FLOTOX-Zellen begrenzt. Unter Radiation hardness wird die Un­ empfindlichkeit der gespeicherten Ladung gegenüber äußeren Strahlungsquellen und/oder elektromagnetischen Feldern be­ zeichnet.

Der Erfindung liegt das Problem zugrunde, eine nichtflüchtige Speicherzelle anzugeben, die eine Zeit für den Datenerhalt von mindestens 150 Jahren aufweist, die einfach aufgebaut ist und in großer Packungsdichte integriert werden kann und die im Vergleich zu den FLOTOX-Zellen eine verbesserte Radiation hardness aufweist.

Dieses Problem wird erfindungsgemäß gelöst durch eine Spei­ cherzelle nach Anspruch 1. Weitere Ausgestaltungen gehen aus den Unteransprüchen hervor.

Die nichtflüchtige Speicherzelle umfaßt einen MOS-Transistor mit Sourcegebiet, Kanalbereich, Draingebiet, Gatedielektrikum und Gateelektrode, der als Gatedielektrikum eine dielektri­ sche Dreifachschicht aufweist. Die dielektrische Dreifach­ schicht umfaßt eine erste Siliziumoxidschicht, eine Silizium­ nitridschicht und eine zweite Siliziumoxidschicht. Die Sili­ ziumnitridschicht ist zwischen den beiden Siliziumoxidschich­ ten angeordnet. Die erste Siliziumoxidschicht und die zweite Siliziumoxidschicht weisen jeweils eine Dicke von mindestens 3 nm auf.

Von konventionellen SONOS-Zellen unterscheidet sich die er­ findungsgemäße Speicherzelle dadurch, daß die erste Siliziu­ moxidschicht, die zwischen dem Kanalbereich des MOS- Transistors und der Siliziumnitridschicht angeordnet ist, ei­ ne Dicke von mindestens 3 nm aufweist. In konventionellen SONOS-Zellen beträgt diese Dicke maximal 2,2 nm.

Die Erfindung macht sich die Erkenntnis zunutze, daß in kon­ ventionellen SONOS-Zellen der Ladungstransport durch die er­ ste Siliziumoxidschicht hauptsächlich über direktes Tunneln und modifiziertes Fowler-Nordheim-Tunneln erfolgt. Die Tun­ nelwahrscheinlichkeit für direktes Tunneln und modifiziertes Fowler-Nordheim-Tunneln und damit die Stromstärke für den La­ dungsträgertransport durch direktes Tunneln und modifiziertes Fowler-Nordheim-Tunneln hängt hauptsächlich von der Dicke der Tunnelbarriere, das heißt der Dicke der ersten Siliziumoxid­ schicht, und vom elektrischen Feld ab. Da in konventionellen SONOS-Zellen die erste Siliziumoxidschicht maximal 2,2 nm und die zweite Siliziumoxidschicht 3 bis 4 nm dick ist, überwiegt bei elektrischen Feldern unter 10 MV/cm stets der Strom durch direktes Tunneln durch die erste Siliziumoxidschicht. Über diesen direkten Tunnelstrom und modifiziertes Fowler- Nordheim-Tunneln erfolgt sowohl das Schreiben, als auch das Löschen der Information, durch entsprechende Beschaltung der Gateelektrode.

Die Erfindung macht sich weiterhin die Erkenntnis zunutze, daß auch ohne Beschaltung der Gateelektrode in konventionel­ len SONOS-Zellen ein Tunnelstrom, der auf direktes Tunneln zurückgeht, durch die erste Siliziumoxidschicht von der Sili­ ziumnitridschicht zum Kanalbereich fließt. Es wurde festge­ stellt, daß dieser direkte Tunnelstrom für die Zeit für den Datenerhalt bestimmend ist.

Weiterhin macht sich die Erfindung die Erkenntnis zunutze, daß die Tunnelwahrscheinlichkeit für direktes Tunneln mit zu­ nehmender Dicke der ersten Siliziumoxidschicht stark abnimmt und bei einer Dicke von mindestens 3 nm sehr klein wird, um mehrere (ungefähr 3) Größenordnungen kleiner als bei 2 nm.

Da in der erfindungsgemäßen Speicherzelle die erste Siliziu­ moxidschicht und die zweite Siliziumoxidschicht jeweils min­ destens 3 nm dick sind, wird in dieser Speicherzelle ein La­ dungsträgertransport aus der Siliziumnitridschicht zur Ga­ teelektrode oder zum Kanalbereich durch direktes Tunneln weitgehend vermieden. Das heißt, in der Siliziumnitridschicht gespeicherte Ladung bleibt praktisch unbegrenzt erhalten. Die Zeit für den Datenerhalt ist in der erfindungsgemäßen Spei­ cherzelle daher deutlich größer als in konventionellen SONOS- Zellen, mehr als 1000 Jahre statt 10 Jahre.

Vorzugsweise werden die Dicken der ersten Siliziumoxidschicht und der zweiten Siliziumoxidschicht in der erfindungsgemäßen Speicherzelle so gewählt, daß sie sich um einen Betrag im Be­ reich zwischen 0,5 und 1 nm unterscheiden. Die geringere der beiden Dicken der ersten Siliziumoxidschicht und der zweiten Siliziumoxidschicht liegt dabei im Bereich zwischen 3 und 5 nm. Die Dicke der Siliziumnitridschicht beträgt mindestens 5 nm. Der MOS-Transistor weist eine Gateelektrode aus n⁺- dotiertem Silizium auf. In dieser Ausführungsform ist die dielektrische Dreifachschicht elektrisch symmetrisch. Durch die unterschiedlichen Dicken der ersten Siliziumoxidschicht und der zweiten Siliziumoxidschicht werden die Austrittsar­ beitsunterschiede zwischen dem Kanalbereich und der Gateelek­ trode und hauptsächlich die beim Lesebetrieb anliegende, im allgemeinen positive Gatespannung berücksichtigt.

Da die Dicken der ersten Siliziumoxidschicht und der zweiten Siliziumoxidschicht jeweils mindestens 3 nm betragen, ist die Tunnelwahrscheinlichkeit für direktes Tunneln von Ladungsträ­ gern durch die beiden Siliziumoxidschicht sehr klein. Ein La­ dungsträgertransport durch die erste Siliziumoxidschicht bzw. zweite Siliziumoxidschicht findet beim Schreiben und Lesen nur durch Fowler-Nordheim-Tunneln statt.

Die Stromstärke des Ladungsträgertransports durch Fowler- Nordheim-Tunneln hängt nur von der Stärke des anliegenden elektrischen Feldes ab. Sie ist nicht explizit abhängig von der Dicke der Tunnelbarriere, das heißt der Dicke der ersten Siliziumoxidschicht bzw. zweiten Siliziumoxidschicht.

Da die dielektrische Dreifachschicht elektrisch symmetrisch ist, dominiert das Fowler-Nordheim-Tunneln von Elektronen den Ladungsträgertransport unabhängig von der Polarität des an­ liegenden Feldes. Das heißt, sowohl bei Anliegen einer posi­ tiven Spannung als auch bei Anliegen einer negativen Spannung an der Gateelektrode kommt es zum Fowler-Nordheim-Tunneln von Elektronen in die Siliziumnitridschicht. Liegt an der Gate­ elektrode eine positive Spannung an, so tunneln Elektronen aus dem Kanalbereich durch die erste Siliziumoxidschicht in die Siliziumnitridschicht. Liegt dagegen an der Gateelektrode eine negative Spannung an, so tunneln Elektronen durch Fow­ ler-Nordheim-Tunneln aus der Gateelektrode durch die zweite Siliziumoxidschicht in die Siliziumnitridschicht.

Da in dieser Speicherzelle die Wahrscheinlichkeit für direk­ tes Tunneln durch die erste Siliziumoxidschicht und die zwei­ te Siliziumoxidschicht sehr klein ist und da unabhängig von der anliegenden Polarität an der Gateelektrode durch Fowler- Nordheim-Tunneln Elektronen in die Siliziumnitridschicht transportiert werden, ist diese Speicherzelle nicht löschbar. Einmal in die Speicherzelle eingeschriebene Information kann nicht wieder gelöscht werden. Die Zeit für den Datenerhalt in der Speicherzelle beträgt mehr als 1000 Jahre.

Zum Einschreiben von Information in diese Speicherzelle wird eine Gatespannung von typisch + 12 V angelegt. Zum Lesen der Information wird eine Gatespannung von typisch + 3 V ange­ legt.

Soll die Speicherzelle mit positiver Lesespannung betrieben werden, so weist die erste Siliziumoxidschicht eine geringere Dicke als die zweite Siliziumoxidschicht auf. Soll die Spei­ cherzelle mit negativer Lesespannung betrieben werden, so weist die zweite Siliziumoxidschicht eine geringere Dicke als die erste Siliziumoxidschicht auf.

Die Speicherzelle wird, wie allgemein üblich, in Speicherzel­ lenanordnungen integriert, die matrixförmig eine Vielzahl identischer Speicherzellen aufweist.

Da die Speicherzelle keine Floating Gate Elektrode aufweist, ist ihre Radiation hardness größer als die für vergleichbare FLOTOX-Zelle. Der MOS-Transistor in der Speicherzelle kann sowohl als planarer als auch als vertikaler MOS-Transistor ausgebildet werden.

Im folgenden wird die Erfindung anhand der Ausführungsbei­ spiele und der Figuren näher erläutert.

Fig. 1 zeigt eine Speicherzelle mit einem planaren MOS- Transistor.

Fig. 2 zeigt eine Speicherzelle mit einem vertikalen MOS- Transistor.

In einem Substrat 1, das mindestens im Bereich einer Spei­ cherzelle monokristallines Silizium umfaßt, sind ein Source­ gebiet 2 und ein Draingebiet 3, die zum Beispiel n-dotiert sind, vorgesehen. Zwischen dem Sourcegebiet 2 und dem Drain­ gebiet 3 ist ein Kanalbereich 4 angeordnet. Sourcegebiet 2, Kanalbereich 4 und Draingebiet 3 sind nebeneinander an der Oberfläche des Substrats 1 angeordnet. Oberhalb des Kanalbe­ reichs 4 ist eine dielektrische Dreifachschicht 5 angeordnet, die eine erste SiO₂-Schicht 51, eine Si₃N₄-Schicht 52 und ei­ ne zweite SiO₂-Schicht 53 umfaßt. Die erste SiO₂-Schicht 51 ist an der Oberfläche des Kanalbereichs 4 an-geordnet und weist eine Dicke von 3 bis 6 nm, vorzugsweise 4 nm auf. An der Oberfläche der ersten SiO₂-Schicht 51 ist die Si₃N₄- Schicht 52 angeordnet. Sie weist eine Dicke von mindestens 5 nm, vorzugsweise 8 nm auf. An der Oberfläche der Si₃N₄- Schicht 52 ist die zweite SiO₂-Schicht 53 angeordnet, deren Dicke um 0,5 bis 1 nm größer als die Dicke der ersten SiO₂- Schicht 51 ist, das heißt im Bereich zwischen 3,5 und 6 nm, vorzugsweise bei 4,5 bis 5 nm, liegt.

Auf der Oberfläche der dielektrischen Dreifachschicht 5 ist eine Gateelektrode 6 aus zum Beispiel n-dotiertem Polysilizi­ um angeordnet. Die Gateelektrode 6 weist eine Dicke von zum Beispiel 200 nm und eine Dotierstoffkonzentration von zum Beispiel 10²¹ cm^-3 auf.

Ein Halbleiterschichtaufbau 11 aus zum Beispiel monokri­ stallinem Silizium umfaßt in vertikaler Aufeinanderfolge ein Sourcegebiet 12, ein Kanalgebiet 14 und ein Draingebiet 13 (siehe Fig. 2). Das Sourcegebiet 12 und das Draingebiet 13 sind zum Beispiel n-dotiert mit einer Dotierstoffkonzentrati­ on von 10²⁰ cm^-3. Das Kanalgebiet 14 ist zum Beispiel p­ dotiert mit einer Dotierstoffkonzentration von 10¹⁷ cm^-3. Das Sourcegebiet 12, das Draingebiet 13 und das Kanalgebiet 14 weisen eine gemeinsame Flanke 110 auf, die vorzugsweise senk­ recht oder leicht geneigt zur Oberfläche des Halbleiter­ schichtaufbaus 1 verläuft. Die Flanke 110 kann sowohl die Flanke eines Grabens oder einer Stufe in einem Substrat als auch die Flanke einer erhabenen Struktur, zum Beispiel einer Mesastruktur sein.

An der Flanke 110 ist eine dielektrische Dreifachstruktur 15 angeordnet, die eine erste SiO₂-Schicht 151, eine Si₃N₄- Schicht 152 und eine zweite SiO₂-Schicht 153 umfaßt. Die Oberfläche der zweiten SiO₂-Schicht 153 ist mit einer Ga­ teelektrode 16 bedeckt. Die Gateelektrode 16 ist zum Beispiel in Form eines Spacers aus n-dotiertem Polysilizium oder Me­ tall, zum Beispiel Aluminium gebildet. Die zweite SiO₂- Schicht 153 weist eine Dicke von zum Beispiel 3 bis 5 nm, vorzugsweise 4 nm auf. Die Si₃N₄-Schicht 152 weist eine Dicke von mindestens 5 nm, vorzugsweise 8 nm auf. Die erste SiO₂- Schicht 151 ist um 0,5 bis 1 nm dicker als die zweite SiO₂- Schicht 153, das heißt, sie weist eine Dicke zwischen 3,5 und 6 nm auf. Vorzugsweise weist sie eine Dicke von 4,5 nm auf. Die Dicken der ersten SiO₂-Schicht 151, der Si₃N₄-Schicht 152 sowie der zweiten SiO₂-Schicht 153 sind jeweils senkrecht zur Flanke 110 gemessen.

Claims (2)

1. Nichtflüchtige Speicherzelle,

• - mit einem MOS-Transistor, der als Gatedielektrikum eine dielektrische Dreifachschicht (5) mit einer ersten Siliziu­ moxidschicht (51), einer Siliziumnitridschicht (52) und ei­ ner zweiten Siliziumoxidschicht (53) aufweist,
• - wobei die erste Siliziumoxidschicht (51) und die zweite Si­ liziumoxidschicht (53) jeweils mindestens 3 nm dick sind.

2. Speicherzelle nach Anspruch 1,

• - bei der die Differenz der Dicken der ersten Siliziumoxid­ schicht (51) und der zweiten Siliziumoxidschicht (53) im Bereich zwischen 0,5 nm und 1 nm liegt,
• - bei der die geringere der Dicken der ersten Siliziumoxid­ schicht (51) und der zweiten Siliziumoxidschicht (53) im Bereich zwischen 3 nm und 5 nm liegt,
• - bei der die Dicke der Siliziumnitridschicht mindestens 5 nm beträgt,
• - bei der der MOS-Transistor eine Gateelektrode (6) aus n­ dotiertem Silizium aufweist.