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Die
vorliegende Erfindung betrifft im allgemeinen elektrisch löschbare
nichtflüchtige
Halbleiterspeicher und im besonderen einen nichtflüchtigen Halbleiterspeicher
mit der Konfiguration, durch die Forderungen an die dielektrische
Festigkeit gelockert werden.
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Elektrisch
wiederbeschreibbare nichtflüchtige
Speicher enthalten zum Beispiel den E2PROM; und
unter anderem hat der Flash-Speicher, der ein Gesamt- oder selektives
Gesamtlöschvermögen hat, in
den letzten Jahren die Aufmerksamkeit wegen seines Vermögens der
hohen Bitdichte auf sich gezogen. Die Speicherzelle des Flash-Speichers
hat eine zweischichtige Gate-Struktur, die aus einem Steuergate
und einem schwimmenden Gate gebildet ist, wobei das Speichern von
Informationen dadurch erreicht wird, daß die Eigenschaft genutzt wird,
daß bei Anwendung
von vorgeschriebenen Spannungen auf das Steuergate, das Drain und
die Source der Strom, der zwischen dem Drain und der Source fließt, in Abhängigkeit
davon variiert, ob eine Ladung auf dem schwimmenden Gate gespeichert
ist oder nicht. Im allgemeinen wird bei Flash-Speichern das Injizieren einer
Ladung in das schwimmende Gate als Schreiben bezeichnet.
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Beim
Schreiben wird eine hohe Spannung VPP (etwa 12 V) auf das Steuergate
angewendet, werden etwa 6 V auf das Drain angewendet und werden
0 V auf die Source angewendet. Unter diesen Bedingungen treffen
Elektronen, die durch die Speicherzelle fließen, auf ein starkes elektrisches
Feld nahe dem Drain, und einige der Elektronen, die durch dieses
Feld beschleunigt werden, erlangen genügend Energie, um die Energiebarriere
des Gate-Isolierfilms zu überwinden,
und werden dem schwimmenden Gate injiziert. Da das schwimmende Gate von
anderen Schaltungsregionen elektrisch isoliert ist, kann die injizierte
Ladung semipermanent in ihm gespeichert werden.
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Beim
Schreiben wird eine Zufuhrspannung VCC (etwa 5 V) auf das Steuergate
angewendet, werden etwa 1 V auf das Drain angewendet und werden
0 V auf die Source angewendet. Die Schwellenspannung des Zellentransistors
variiert in Abhängigkeit
von dem Vorhandensein oder Nichtvorhandensein einer Ladung auf dem
schwimmenden Gate, so daß der
Strom, der durch die selektierte Speicherzelle fließt, dementsprechend
variiert. Durch Abtasten und Verstärken dieses Stroms werden die
Informationen ausgelesen.
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Es
gibt zwei Hauptlöschverfahren:
das eine ist das Kanal-Löschverfahren,
bei dem die Ladung, die auf dem schwimmenden Gate gespeichert ist,
in den Kanal gezogen wird, d. h., in das Substrat oder eine Mulde,
und das andere ist das Source-Löschverfahren,
bei dem die Ladung in die Source gezogen wird.
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Beim
Kanal-Löschen
werden 0 V auf das Steuergate angewendet, bleiben das Drain und
die Source S offen und wird eine hohe Spannung VPP (etwa 12 V) auf
den Kanal (p-Mulde) angewendet. Dies bewirkt, daß die auf dem schwimmenden
Gate gespeicherte Ladung in den Kanal gezogen wird. Beim Source-Löschen wird die hohe Spannung
VPP auf die Source angewendet, und der Kanal bleibt geöffnet oder
mit Erde verbunden.
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Der
jüngste
Trend bei Halbleitervorrichtungen ging hin zu niedrigeren Zufuhrspannungen,
und die Reduzierung von Zufuhrspannungen ist auch bei Flash-Speichern
vorangetrieben worden. Die Konzeption der niedrigeren Spannung erfordert
auch die Reduzierung der hohen Spannung, die auf den Kanal oder
die Source beim Löschen
angewendet wird. In einer Vorrichtung mit einer einzelnen Spannung
wird eine Verstärkerschaltung
verwendet, um die hohe Spannung zu erzeugen, aber das Problem hierbei liegt
darin, daß die
Verstärkerschaltung
entsprechend größer sein
muß, wenn
die Zufuhrspannung reduziert wird.
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Bei
dem Source-Löschverfahren
muß, da
ein hohes Potential auf die Source angewendet wird, die Source-Diffusionsschicht
mit einer größeren Tiefe gebildet
werden, um eine ausreichende dielektrische Festigkeit vorzusehen,
um das hohe Potential zu halten. Dies hat die Anstrengung zur Verkleinerung
des Zellenbereichs behindert.
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Ferner
muß beim
selektiven Löschen
die Schaltung so konstruiert sein, daß die Source-Verbindungsleitung
(VSS-Leitung) partiell
auf ein verschiedenes Potential gesetzt werden kann. Dies erfordert
die Leitungsisolierung und das Hinzufügen einer Extraantriebsschaltung,
und die Chipgröße nimmt
entsprechend zu.
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Um
diese Probleme zu überwinden,
ist ein Negativspannungsanwendungslöschverfahren vorgeschlagen
worden, bei dem eine negative Spannung auf das Steuergate angewendet
wird, um eine Reduzierung der positiven Spannung zu gestatten, die
auf den Kanal oder die Source angewendet wird. Dieses Verfahren
wird nun zum vorherrschenden Verfahren beim Löschen.
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Gewöhnlich wird
die negative Spannung VBB, die auf das Steuergate anzuwenden ist,
ungefähr
auf –10
V gesetzt, und die Zufuhrspannung VCC von 5 V wird auf den Kanal
oder die Source angewendet.
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Die
Basisoperation des Flash-Speichers ist oben beschrieben worden.
Nichtflüchtige
Speicher, wie der Flash-Speicher,
erfordern zusätzlich
zu der herkömmlichen
Energiezufuhr die Energiezufuhr der hohen Spannung; deshalb müssen für Schaltungen, die
mit hohen Spannungen arbeiten, Transistoren für die hohe Spannung zusätzlich zu
Transistoren für
die normale Spannung hergestellt werden.
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Transistoren
des Verarmungsmodus sowie Transistoren des Anreicherungsmodus sind
in Energiezufuhrschaltungen und dergleichen weit verbreitet. Die
obigen zwei Transistortypen werden auf der Basis des Vorhandenseins
oder Nichtvorhanden seins eines Kanals mit einer Gate-Vorspannung Null
voneinander unterschieden. In einer Vorrichtung des Anreicherungsmodus
existiert kein Kanal mit der Gate-Vorspannung Null; in einer Vorrichtung
des Verarmungsmodus existiert der Kanal mit der Gate-Vorspannung
Null.
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Da
bei dem Transistor des Verarmungsmodus der Kanal gebildet wird,
wenn keine Gate-Vorspannung angewendet wird, wie oben beschrieben, ist
die Steuerung durch die Gate-Vorspannung
im Vergleich zu dem Transistor des Anreicherungsmodus jedoch komplex.
Deshalb erfolgt die Schaltungskonstruktion gewöhnlich auf der Basis von Vorrichtungen
des Anreicherungsmodus.
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Dies
schließt
jedoch die Verwendung von Transistoren des Verarmungsmodus bei der
Schaltungskonstruktion nicht aus; in Abhängigkeit von den Anwendungen
kann unter Verwendung von Vorrichtungen des Verarmungsmodus eine
weit effektivere Schaltungskonstruktion als unter Verwendung von
jenen des Anreicherungsmodus erfolgen. Konstantspannungsquellen
und Signalschaltanordnungen (Transfer-Gates) sind spezifische Beispiele.
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Das
Löschen
eines Flash-Speichers wird erreicht, indem Elektronen von dem schwimmenden Gate
in den Kanal oder in die Source gezogen werden, wobei der Quantentunneleffekt
genutzt wird. Der Strom (Tunnelstrom), der durch die Elektronen
verursacht wird, die gezogen werden, variiert jedoch exponentiell
mit der Feldstärke
zwischen dem schwimmenden Gate und dem Kanal oder der Source. Bei Halbleitervorrichtungen,
die Flash-Speicher enthalten, geht der Trend, wie zuvor erwähnt, hin
zu niedrigeren Zufuhrspannungen, und weiterhin werden jetzt immer
mehr Halbleitervorrichtungen zur Verwendung mit einer einzelnen
Energiezufuhr konstruiert. Bei den Flash-Speicher-Löschverfahren
unter Verwendung des Negativspannungsanwendungsverfahrens wird die
Zufuhr spannung VCC direkt auf den Kanal oder die Source anwendet.
Im Falle einer Halbleitervorrichtung, die zur Verwendung mit einer
einzelnen Energiezufuhr von zum Beispiel 3 Volt konstruiert wird,
würde dann,
falls diese Zufuhrspannung direkt auf den Kanal oder auf die Source
angewendet würde,
die resultierende Feldstärke
kleiner als jene bei einer Energiezufuhr von 5 Volt sein. Die Feldstärke zwischen
dem schwimmenden Gate und dem Kanal oder der Source beeinflußt weitgehend
den Tunnelstrom, wie oben beschrieben. Um dieselbe Löscheffektivität wie in
5-Volt-Vorrichtungen zu erreichen, muß ein elektrisches Feld mit
derselben Stärke
wie bei einer Zufuhrspannung von 5 V auf den Tunneloxidfilm angewendet
werden; falls die Zufuhrspannung von 3 V auf den Kanal oder die
Source angewendet wird, wird eine hohe negative Spannung, die hinsichtlich
des Absolutwertes hoch ist, auf das Steuergate angewendet werden
müssen.
Dies bedeutet die Anwendung einer großen Spannung auf den Oxidfilm
eines jeden Transistors, der in einer Verstärkerschaltung verwendet wird,
die die große
negative Spannung erzeugt, wodurch das Problem verursacht wird,
daß Extraforderungen
an die Spannungsfestigkeitscharakteristik (Zuverlässigkeit)
des Transistors gestellt werden.
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In
Halbleitervorrichtungen, wie beispielsweise Flash-Speichern, die hohe
Spannungen benötigen,
sind Schaltungen für
normale Spannung und hohe Spannung in derselben Schaltungsanordnung gemischt.
Zwei Arten von Transistoren, d. h. 5-Volt-Transistoren und 12-Volt-Transistoren,
werden auf selektive Weise gebildet, wobei die 12-Volt-Vorrichtungen
nur in einem Teil der gesamten integrierten Schaltung gebildet werden.
Dadurch nimmt jedoch die Verarbeitungskomplexität zu und wird die Herstellung
schwieriger.
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Eine
effektive Schaltungskonstruktion kann realisiert werden, wie zuvor
beschrieben, indem Transistoren des Verar mungsmodus für solch
eine Energiezufuhrschaltung verwendet werden, wie sie oben beschrieben
ist. Um einen Transistor des Verarmungsmodus zu implementieren,
wird gewöhnlich eine
Technik in der Art eines Wafer-Prozesses eingesetzt. Das heißt, eine
große
Anzahl von Ladungen mit derselben Polarität wie die Ladungen, die den
Kanal bilden, wird in der Kanalregion eines MOS-Transistors verteilt.
Bei einem n-Kanal-Transistor
des Verarmungsmodus wird die Vorrichtung zum Beispiel so gebildet,
daß ihre
Kanalregion vorrangig Ladungen mit negativer Polarität enthält; umgekehrt
wird ein p-Kanal-Transistor des Verarmungsmodus so gebildet, daß Ladungen
mit positiver Polarität
in seiner Kanalregion dominieren. Um die MOS-Transistor-Kanalregion
mit dem obigen Ladungsprofil zu versehen, werden in der Praxis p-
oder n-Typ-Verunreinigungen ionisiert
und durch ein Feld zur Injektion in die Kanalregion beschleunigt.
Diese Technik wird im allgemeinen als Ionenimplantation bezeichnet.
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Die
Ionenimplantation wird nicht nur zur Bildung von Transistoren des
Verarmungsmodus eingesetzt, sondern dieselbe Technik wird auch zum
Bilden von n-Kanal- und p-Kanal-Transistoren
des Anreicherungsmodus genutzt, die gewöhnlich als Schaltungselemente
verwendet werden. Da Vorrichtungen des Anreicherungsmodus und des
Verarmungsmodus jedoch unterschiedliche Ladungsverteilungen in der
Kanalregion erfordern, wird die Ladungsverteilung in der Kanalregion
dadurch eingestellt, daß die Ionendosis,
die Art des Ionenimplantats, die Feldstärke, etc., variiert werden.
Dies bedeutet, daß die
Herstellung von Transistoren des Verarmungsmodus unvermeidlich vermehrte
Arten von Ionenimplantaten bei den Wafer-Verarbeitungsschritten
einschließt. Eine
erhöhte
Anzahl von Verarbeitungsschritten verursacht solche Probleme wie
die erhöhte
Komplexität des
Wafer-Prozesses und eine längere
Zeit für
den Prozeßaufbau,
was schließlich
zu erhöhten
Kosten der Halbleitervorrichtungen führt.
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EP-A-0
520 505 offenbart einen nichtflüchtigen
Halbleiterspeicher, in dem eine negative Spannung auf das Steuergate
angewendet wird und eine positive Spannung auf die Source angewendet
wird, so daß Ladungen
in dem Steuergate mittels des F-N-Tunnelstroms extrahiert werden,
der in die Source injiziert wird.
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US-A-4
417 263 offenbart einen einzelnen n-Kanal-Transistor mit einer Source,
die mit einer Mulde verbunden ist, der eine Spannungsregelschaltung
einer integrierten MOS-Schaltung
vorsieht.
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US-A-4
675 557 offenbart eine Spannungspegelkonvertierungsschaltung, in
der eine Vielzahl von seriell verbundenen CMOS-FETs, die in jeweiligen
p-Mulden angeordnet sind, einen Spannungsteiler bildet, der zum
Herstellen einer Operationsspannung verwendet wird.
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TOSHIKATSU
JINBO ET AL: 'A
5-V-ONLY 16-MB FLASH MEMORY WITH SECTOR ERASE MODE' IEEE JOURNAL OF
SOLID-STATE CIRCUITS, Bd. 27, Nr. 11, 1. November 1992, Seiten 1547–1553, XP000320441,
offenbart einen nichtflüchtigen
Halbleiterspeicher gemäß der Präambel des
beiliegenden Anspruchs 1. Bei einer Kanal-Löschoperation werden eine interne
negative hohe Spannung (etwa –13
V), die durch eine Negativladungspumpschaltung erzeugt wird, und
ein positiver Impuls (Vcc) auf das Steuergate bzw. den Kanal angewendet.
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Gemäß der vorliegenden
Erfindung ist eine nichtflüchtige
Halbleiterspeicherschaltung vorgesehen, die umfaßt: eine Vielzahl von Speicherzellen, von
welchen Speicherzellen jede ein schwimmendes Gate, ein Steuergate,
ein Drain, eine Source und einen zwischen dem Drain und der Source
gebildeten Kanal enthält;
ein Negativspannungserzeugungsmittel, dessen erzeugte negative Spannung
auf das Steuergate ange wendet wird, um eine Ladung, die in dem schwimmenden
Gate gespeichert ist, aus dem schwimmenden Gate herauszuziehen,
wenn gespeicherte Daten elektrisch gelöscht werden; und ein Positivlöschspannungserzeugungsmittel,
das eine positive Spannung erzeugt, die bei einer Löschoperation auf
den Kanal angewendet wird, wodurch eine Ladung, die in dem schwimmenden
Gate gespeichert ist, in den Kanal gezogen wird; dadurch gekennzeichnet,
daß das
Positivlöschspannungserzeugungsmittel
eine Ladungspumpverstärkerschaltung
umfaßt und
während
der Löschoperation
eine positive Spannung erzeugt, die höher als die Zufuhrspannung
ist.
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Eine
Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung kann eine nichtflüchtige Halbleiterspeicherschaltung
vorsehen, die so konstruiert ist, um mit einer einzelnen Energiezufuhr
mit niedriger Spannung zu arbeiten, und die ein Negativspannungslöschverfahren
nutzt, wobei verhindert wird, daß eine hohe Belastung auf den
Gate-Oxidfilm jedes Transistors angewendet wird, der in einer Verstärkerschaltung verwendet
wird, die die negative Spannung erzeugt.
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Eine
nichtflüchtige
Halbleiterspeicherschaltung, die die Erfindung verkörpert, ist
ein Halbleiterspeicher, worin die gespeicherten Daten elektrisch gelöscht werden
können,
wobei jedes Speicherelement des Speichers ein Steuergate, ein schwimmendes
Gate, eine Source und ein Drain umfaßt, bei der zum Löschen eine
negative Spannung, die durch das Negativspannungserzeugungsmittel
erzeugt wird, auf das Steuergate angewendet wird.
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Zum
Löschen
wird eine Spannung, die höher als
die Zufuhrspannung ist, durch das Positivlöschspannungserzeugungsmittel
erzeugt, und diese Löschspannung
wird auf den Kanal angewendet.
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Gemäß dem Aufbau
der Erfindung wird eine höhere
Spannung als die Zufuhrspannung durch die Ladungspumpverstärker schaltung
des Positivlöschspannungserzeugungsmittels
erzeugt und auf den Kanal zum Löschen
angewendet, wodurch die Anwendung einer hohen Spannung trotz der
Energiezufuhr mit niedriger Spannung erreicht wird. Deshalb muß die Spannung,
die auf das Steuergate anzuwenden ist, hinsichtlich des Absolutwertes
nicht erhöht werden.
Da keine große
Spannung auf den Transistor angewendet wird, der in dem Negativspannungserzeugungsmittel
verwendet wird, kann das Problem der dielektrischen Durchschlagfestigkeit
vermieden werden.
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Die
vorliegende Erfindung geht aus der folgenden Beschreibung unter
Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen deutlicher hervor, in
denen:
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1 ein
Diagramm ist, das eine Transistorzellenstruktur eines Flash-Speichers
zeigt;
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2A und 2B Diagramme
zum Erläutern
von Lese- und Schreibverfahren für
den Flash-Speicher sind;
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3 ein
Diagramm zum Erläutern
eines Kanal-Löschverfahrens
ist, wobei die Anwendung der hohen Spannung genutzt wird;
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4 ein
Diagramm zum Erläutern
eines Source-Löschverfahrens
ist, wobei die Anwendung der hohen Spannung genutzt wird;
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5 ein
Diagramm zum Erläutern
eines Kanal-Löschverfahrens
ist, bei dem ein Negativspannungsanwendungsverfahren genutzt wird,
wobei eine negative Spannung auf das Steuergate angewendet wird;
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6 ein
Diagramm zum Erläutern
eines Source-Löschverfahrens
ist, bei dem das Negativspannungsanwendungsverfahren genutzt wird;
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7 ein
Diagramm ist, das den Basisfunktionsaufbau der Erfindung zeigt;
-
8 ein
Diagramm ist, das eine Anordnung zeigt, die zum Verstehen der Erfindung
hilfreich ist;
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9 ein
Blockdiagramm ist, das die Struktur einer Ausführungsform zeigt;
-
10 ein
Diagramm ist, das den Schaltungsaufbau einer Negativspannungsladungspumpschaltung
der Ausführungsform
zeigt;
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11 ein
Schaltungsdiagramm ist, das eine Negativladungspumpe und eine Negativvorspannungsanwendungsschaltung
zeigt;
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12 ein
Zeitdiagramm ist, das ein Signal, das auf die Negativvorspannungsanwendungsschaltung
angewendet wird, und Spannungsveränderungen einiger Knoten der
Negativvorspannungsanwendungsschaltung zeigt;
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13 ein
Zeitdiagramm ist, das Zeitlagensignale beim Schreiben der ersten
Ausführungsform zeigt;
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14 ein
Zeitdiagramm ist, das Zeitlagensignale beim Löschen der ersten Ausführungsform zeigt;
und
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15 ein
Diagramm ist, das eine Querschnittsstruktur einer Negativvorspannungsanwendungsschaltung
in der ersten Ausführungsform
zeigt.
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Bevor
eine detaillierte Beschreibung der bevorzugten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung erfolgt, werden gegenwärtige nichtflüchtige Halbleiterspeicher
beschrieben, wobei zum besseren Verstehen der Unterschiede zwischen
gegenwärtigen
Vorrichtungen und der vorliegenden Erfindung Bezug auf die dementsprechenden
beiliegenden Zeichnungen genommen wird.
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1 ist
ein Diagramm, das ein Beispiel für eine
Speicherzellenstruktur bei dem Flash-Speicher zeigt. Die Speicherzelle
hat, wie gezeigt, eine zweischichtige Gate-Struktur, die aus einem Steuergate (CG) 101 und
einem schwimmenden Gate (FG) 102 gebildet ist, wobei das
Speichern von Informationen durch das Nutzen der Eigenschaft erreicht
wird, daß dann,
wenn vorgeschriebene Spannungen auf das Steuergate 101,
das Drain (D) 104 und die Source (S) 103 angewendet
werden, der Strom, der zwischen dem Drain 104 und der Source 103 fließt, in Abhängigkeit
davon variiert, ob eine Ladung auf dem schwimmenden Gate 102 gespeichert
ist oder nicht. Im allgemeinen stellt in Flash-Speichern der logische Wert "H" einen gelöschten Zustand dar, d. h.,
den Zustand, in dem keine Ladung auf dem schwimmenden Gate 102 gespeichert
ist, und der logische Wert "L" stellt den Zustand
dar, in dem eine Ladung auf dem schwimmenden Gate 102 gespeichert
ist. Das Injizieren einer Ladung in das schwimmende Gate 102 wird als
Schreiben bezeichnet.
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Im
folgenden ist beschrieben, wie Informationsschreib-, -lese- und
-löschoperationen
an der Speicherzelle ausgeführt
werden, die die in 1 gezeigte Struktur hat. 2A und 2B zeigen
die Bedingungen von Spannungen, die auf die verschiedenen Abschnitte
der Flash-Speicherzelle bei Informationslese- und -schreiboperationen
angewendet werden. Und zwar betrifft 2A eine
Schreiboperation, und 2B betrifft eine Leseoperation.
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Beim
Schreiben wird eine hohe Spannung VPP (etwa 12 V) auf das Steuergate
(CG) angewendet, werden etwa 6 V auf das Drain (D) angewendet und
werden 0 V auf die Source (S) angewendet. Unter diesen Bedingungen
treffen Elektronen, die durch die Speicherzelle fließen, auf
ein starkes elektrisches Feld nahe dem Drain (D), und ein Teil der
Elektronen, die durch dieses Feld beschleunigt werden, erlangt genügend Energie,
um die Energiebarriere des Gate-Isolierfilms zu überwinden, und wird in das schwimmende
Gate (FG) injiziert. Da das schwimmende Gate (FG) von anderen Schaltungsregionen elektrisch
isoliert ist, kann die injizierte Ladung auf ihm semipermanent gespeichert
werden.
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Beim
Lesen wird eine Zufuhrspannung VCC (etwa 5 V) auf das Steuergate
(CG) angewendet, werden etwa 1 V auf das Drain (D) angewendet und werden
0 V auf die Source (S) angewendet. Die Schwellenspannung des Zellentransistors
variiert in Abhängigkeit
von dem Vorhandensein oder Nichtvorhandensein einer Ladung auf dem
schwimmenden Gate (FG), so daß der
Strom, der durch die selektierte Speicherzelle fließt, dementsprechend
variiert. Durch Abtasten und Verstärken dieses Stroms werden die
Informationen ausgelesen.
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Es
gibt zwei Hauptlöschverfahren:
das eine ist das Kanal-Löschverfahren,
bei dem die auf dem schwimmenden Gate 102 gespeicherte
Ladung in den Kanal gezogen wird, d. h., in das Substrat oder eine
Mulde, und das andere ist das Source-Löschverfahren,
bei dem die Ladung in die Source gezogen wird, wobei letzteres nicht
Teil der beanspruchten Erfindung ist.
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3 zeigt
die Bedingungen von Spannungen, die auf die verschiedenen Abschnitte
angewendet werden, wenn das Löschen
durch das Anwenden einer hohen Spannung auf den Kanal erfolgt, und 4 zeigt
die Bedingungen, wenn das Löschen durch
das Anwenden einer hohen Spannung auf die Source erfolgt.
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Beim
Kanal-Löschen
werden, wie in 3 gezeigt, 0 V auf das Steuergate
CG angewendet, bleiben das Drain D und die Source S offen und wird eine
hohe Spannung VPP (etwa 12 V) auf den Kanal (p-Mulde) angewendet.
Dies bewirkt, daß die
auf dem schwimmenden Gate FG gespeicherte Ladung in den Kanal gezogen
wird. Beim Source-Löschen wird,
wie in 4 gezeigt, die hohe Spannung VPP auf die Source
angewendet, und der Kanal (das Substrat p-sub bei dem gezeigten
Beispiel) bleibt geöffnet
oder mit Erde verbunden.
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Der
jüngste
Trend bei Halbleitervorrichtungen ging hin zu niedrigeren Zufuhrspannungen,
wie oben beschrieben, und auch die Reduzierung von Zufuhrspannungen
bei Flash-Speichern ist vorangetrieben worden. Die Konzeption der
niedrigeren Spannung erfordert auch die Reduzierung der hohen Spannung,
die auf den Kanal oder die Source beim Löschen angewendet wird. In einer
Vorrichtung mit einzelner Spannung wird eine Verstärkerschaltung verwendet,
um die hohe Spannung zu erzeugen, aber das Problem hierbei liegt
darin, daß die
Verstärkerschaltung
entsprechend größer sein
muß, wenn die
Zufuhrspannung reduziert wird.
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Bei
dem Source-Löschverfahren
muß, da
ein hohes Potential auf die Source S angewendet wird, die Source-Diffusionsschicht
mit einer größeren Tiefe gebildet
sein, um eine ausreichende dielektrische Festigkeit vorzusehen,
um das hohe Potential zu halten. Dies behindert die Anstrengung
zur Verkleinerung des Zellenbereichs.
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Ferner
muß die
Schaltung beim selektiven Löschen
so konstruiert sein, daß die
Source-Verbindungsleitung (VSS-Leitung)
partiell auf ein verschiedenes Potential gesetzt werden kann. Dies
erfordert die Leitungsisolierung und das Hinzufügen einer Extraantriebsschaltung,
und die Chipgröße wird
entsprechend vergrößert.
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Um
diese Probleme zu überwinden,
ist ein Negativspannungsanwendungslöschverfahren vorgeschlagen
worden, bei dem eine negative Spannung auf das Steuergate CG angewendet
wird, um eine Reduzierung der positiven Spannung zu gestatten, die
auf den Kanal oder die Source angewendet wird, wobei letzteres nicht
Teil der beanspruchten Erfindung ist. Dieses Verfahren wird nun
zum vorherrschenden Verfahren beim Löschen.
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5 und 6 sind
Diagramme, die die Bedingungen beim Kanal-Löschen bzw. Source-Löschen, wobei
letzteres nicht Teil der beanspruchten Erfindung ist, unter Einsatz
des Negativspannungsanwendungsverfahrens zeigen. Gewöhnlich wird
die negative Spannung VBB, die auf das Steuergate CG anzuwenden
ist, auf etwa –10
V festgelegt, und die Zufuhrspannung VCC von 5 V wird auf den Kanal oder
die Source angewendet.
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Das
Löschen
eines Flash-Speichers erfolgt dadurch, daß Elektronen von dem schwimmenden Gate
in den Kanal oder in die Source gezogen werden, wobei letzteres
nicht Teil der beanspruchten Erfindung ist, indem der Quantentunneleffekt
genutzt wird. Der Strom (Tunnelstrom), der durch die Elektronen
verursacht wird, die gezogen werden, variiert jedoch exponentiell
mit der Feldstärke
zwischen dem schwimmenden Gate und dem Kanal oder der Source. Bei
Halbleitervorrichtungen, die Flash-Speicher enthalten, geht der
Trend, wie zuvor erwähnt,
hin zu niedrigeren Zufuhrspannungen, und weiterhin werden jetzt
immer mehr Halbleitervorrichtungen zur Verwendung mit einer einzelnen
Energiezufuhr konstruiert. Bei den Flash-Speicher-Löschverfahren
unter Verwendung des Negativspannungsanwendungsverfahrens, wie in 5 und 6 gezeigt,
wird die Zufuhrspannung VCC direkt auf den Kanal oder die Source
angewendet, wobei letzteres nicht Teil der beanspruchten Erfindung
ist. Im Falle einer Halbleitervorrichtung, die zur Verwendung mit
einer einzelnen Energiezufuhr von zum Beispiel 3 V bestimmt ist, würde dann,
falls diese Zufuhrspannung direkt auf den Kanal oder die Source
angewendet werden würde,
wobei letzteres nicht Teil der beanspruchten Erfindung ist, die
resultierende Feldstärke
kleiner als jene bei einer Energiezufuhr von 5 V sein. Die Feldstärke zwischen
dem schwimmenden Gate und dem Kanal oder der Source beeinflußt weitgehend
den Tunnelstrom, wie oben beschrieben. Um dieselbe Löscheffektivität wie in
5-V-Vorrichtungen zu erhalten, muß ein elektrisches Feld mit
der selben Stärke
wie bei der Anwendung einer Zufuhrspannung von 5 V auf den Tunneloxidfilm
angewendet werden; falls die Zufuhrspannung von 3 V auf den Kanal
oder die Source angewendet wird, wird eine große negative Spannung, die hinsichtlich
des Absolutwertes groß ist,
auf das Steuergate angewendet werden müssen. Dies bedeutet die Anwendung
einer großen
Spannung auf den Oxidfilm jedes Transistors, der in einer Verstärkerschaltung
verwendet wird, die die große negative
Spannung erzeugt, wodurch das Problem verursacht wird, daß zusätzliche
Forderungen an die Spannungsfestigkeitscharakteristik (Zuverlässigkeit) des
Transistors gestellt werden.
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7 ist
ein Diagramm, das die Basisfunktionskonfiguration der Erfindung
zeigt, wie sie in den beigelegten Ansprüchen angegeben ist, und 8 zeigt
eine Anordnung, die zum Verstehen der Erfindung hilfreich ist.
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Der
nichtflüchtige
Halbleiterspeicher gemäß der Erfindung
ist, wie in 7 gezeigt, ein Halbleiterspeicher,
in dem die gespeicherten Daten elektrisch gelöscht werden können, wobei
jedes Speicherelement des Speichers ein Steuergate (CG) 101,
ein schwimmendes Gate (FG) 102, eine Source (S) 103 und
ein Drain (D) 104 umfaßt,
bei dem zum Löschen eine
negative Spannung, die durch ein Negativspannungserzeugungsmittel 120 erzeugt
wird, auf das Steuergate (CG) 101 angewendet wird.
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Zum
Löschen
wird eine Spannung, die höher als
die Zufuhrspannung ist, durch ein Positivlöschspannungserzeugungsmittel 140 erzeugt,
und diese Löschspannung
wird auf den Kanal angewendet.
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Gemäß der Konfiguration
der Erfindung wird eine Spannung, die höher als die Zufuhrspannung
ist, durch das Positivlöschspannungserzeugungsmittel 140 erzeugt
und zum Löschen
auf den Kanal angewendet, wodurch die Anwendung von hoher Spannung
trotz der Energiezufuhr mit niedriger Span nung erreicht wird. Deshalb
braucht die Spannung, die auf das Steuergate 101 anzuwenden
ist, hinsichtlich des Absolutwertes nicht erhöht zu werden. Da keine große Spannung
auf den Transistor angewendet wird, der in dem Negativspannungserzeugungsmittel 120 verwendet
wird, kann das Problem der dielektrischen Durchschlagfestigkeit
vermieden werden.
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9 ist
ein Blockdiagramm, das die Konfiguration eines Energiezufuhrsystems,
das zum Schreiben und Löschen
eines Flash-Speichers verwendet wird, gemäß einer Ausführungsform
zeigt; 10 ist ein Schaltungsdiagramm,
das einen Abschnitt von 9 eingehender zeigt; 11 ist
ein Schaltungsdiagramm, das eine Negativspannungsladungspumpe 156 und
eine Negativvorspannungsanwendungsschaltung 158 von 9 und 10 zeigt; 12 zeigt
Wellenformen zum Erläutern
der Operationen einer Negativvorspannungsanwendungsschaltung; 13 und 14 sind
Zeitlagendiagramme für
die in 9 und 10 gezeigten Signale; und 15 ist
ein Diagramm, das eine Querschnittsstruktur einer Negativvorspannungsanwendungsschaltung
zeigt.
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In 9 bezeichnet
Bezugszeichen 151 ein Befehlsregister, bezeichnet 152 ein
Statusregister, kennzeichnet 153 eine Schreib-/Löschschaltanordnung
und kennzeichnet 157 eine Schreib-/Löschzeitlagenerzeugungsschaltung.
Flash-Speicher sind im allgemeinen so konstruiert, daß die Schreib-/Löschoperationen
und Verifizierungsoperationen im Anschluß daran automatisch ausgeführt werden,
indem lediglich ein Befehl ausgegeben wird. Durch ein externes Befehlssignal
werden Daten, die in dem Befehlsregister 151 gespeichert
sind, ausgegeben und dem Statusregister 152 zugeführt, entsprechend
welchen Daten die Schreib-/Löschschaltanordnung
die verschiedenen Elemente in den Bereitschaftszustand für eine Schreib-
oder Löschoperation
umschaltet, und die Schreib-/Löschzeitlagenerzeugungsschaltung
führt Steuersignale, nämlich E,
/R und S1–S6,
den verschiedenen Elementen zu, um die spezifizierte Operation auszuführen. Diese
Steuersignale sind für
Schreib- bzw. Löschoperationen
in 6 gezeigt.
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Um
Spannungen zu erzeugen, die hinsichtlich des Absolutwertes größer als
die Zufuhrspannung sind und für
die Schreib- und Löschoperationen notwendig
sind, sind eine Wortleitungs-Positivladungspumpe 154, eine
Drain-Positivladungspumpe 155 und eine Negativladungspumpe 156 vorgesehen.
Die Wortleitungs-Positivladungspumpe 154 ist eine Schaltung,
die eine hohe Spannung in der Größenordnung
von 12 V zur Anwendung auf die Wortleitung erzeugt, mit der das
Steuergate der Zelle verbunden ist, die zum Schreiben selektiert
wurde. Diese Spannung wird auf einen Reihendecodierer 164 über eine
erste Positivvorspannungsanwendungsschaltung 160 angewendet.
Die Negativladungspumpe 156 ist eine Schaltung, die eine
negative Spannung in der Größenordnung
von –10
V zur Anwendung auf eine Wortleitung 162 während einer
Löschoperation
erzeugt. Diese Spannung wird auf die Wortleitung über eine
Negativvorspannungsanwendungsschaltung 158 angewendet.
Die Drain-Positivladungspumpe 155 ist eine Schaltung, die
eine positive Spannung in der Größenordnung
von 6 V zur Anwendung auf das Drain während einer Schreiboperation
erzeugt. Diese Spannung wird über
eine zweite Positivvorspannungsanwendungsschaltung 159 und einen
gemeinsamen Bus 163 auf die Bitleitung angewendet, mit
der die Zelle, die zu beschreiben ist, verbunden ist. In dieser
Ausführungsform
wird die Drain-Positivladungspumpe 155 als Verstärkerschaltung
verwendet, um eine Spannung zu erzeugen, die zum Löschen auf
den Kanal angewendet wird. Während
einer Löschoperation
wird deshalb die positive Spannung, die von der Drain-Positivladungspumpe 155 ausgegeben
wird, über
eine dritte Positivvorspannungsanwendungsschaltung auf eine Löschkanalsteuerung 165 angewendet.
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10 ist
ein Diagramm, das einen Abschnitt der Schaltung dieser Ausführungsform
eingehender zeigt. Die Bezugszeichen entsprechen jenen, die in 9 verwendet
wurden. Bezugszeichen 171 kennzeichnet ein Matrix-Array
von Speicherzellen, und 175 kennzeichnet eine Mulde. Bezugszeichen 172 kennzeichnet
ein Schalt-Array, das zwischen den Bitleitungen und der gemeinsamen
Busleitung 163 angeordnet ist. Bezugszeichen 174 bezeichnet
eine Gatterschaltung, die zwischen einer Wortleitung und dem Reihendecodierer 164 angeordnet
ist und die automatisch arbeitet, um den Reihendecodierer 164 von
der Wortleitung zu trennen, wenn die negative Spannung während einer
Löschoperation über die Negativvorspannungsschaltung 158 auf
die Wortleitung angewendet wird. Die hohe Spannung von der ersten
Positivvorspannungsschaltung wird auf einen Energiezufuhranschluß VRD des
Reihendecodierers 164 angewendet.
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11 ist
ein Schaltungsdiagramm, das die Negativspannungsladungspumpe 156 und
die Negativvorspannungsanwendungsschaltung 158 zeigt. Die
Positivspannungsladungspumpe 155 und die Positivvorspannungsanwendungsschaltungen 159, 161 haben
dieselben Bildungselemente wie jene von 10, außer daß p-Kanal-Transistoren von 10 durch
n-Kanal-Transistoren
ersetzt wurden. Diese Ladungspumpschaltung ist eine wohlbekannte
Verstärkerschaltung,
die jeweilig vorgeschriebene Spannungen als Antwort auf komplementäre Taktsignaleingaben
S3 und /S3 ausgibt. S1, /S1, S2, /S2 und S3, /S3 sind die komplementären Taktsignalpaare,
die von der Schreib-/Löschzeitlagenerzeugungsschaltung 157 zu
der Wortleitungs-Positivladungspumpe 154, der Drain-Positivladungspumpe 155 bzw.
der Negativladungspumpe 156 zugeführt werden.
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S4
bis S6 sind die Taktsignale, die den jeweiligen Vorspannungsanwendungsschaltungen 158, 159 und 161 zugeführt werden.
Die Negativvorspannungsanwendungsschaltung 158 ist aus
zwei p-Kanal-Transistoren und einem Kondensator gebildet. Während der
Negativspannungsausgabe wird das Taktsignal S4 einem Anschluß des Kondensators
zugeführt.
Im folgenden wird die Operation der Negativvorspannungsanwendungsschaltung 158 erläutert.
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Wellenformen
von 12 zeigen die Operation der Negativvorspannungsanwendungsschaltung 158.
Wenn das in 12 gezeigte Taktsignal S4 auf den
Anschluß des
Kondensators angewendet wird, variieren die Pegel an den Knoten
N2 und N3, wie in 12 gezeigt.
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Wenn
das Taktsignal S4, das auf den Kondensator angewendet wird, in der
Polarität
von positiv zu negativ umgekehrt wird, fällt der Pegel am Knoten N2
auf Grund einer kapazitiven Kopplung ab. Als Resultat wird der p-Kanal-Transistor Tr1 eingeschaltet. Ladungen
bewegen sich dann von dem Knoten N3 zu dem Knoten N2, bis der Pegel
an dem Knoten N2 dem Pegel an dem Knoten N3 gleicht.
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Wenn
das Taktsignal S4 in der Polarität
von negativ zu positiv umgekehrt wird, steigt der Pegel am Knoten
N2 auf Grund der kapazitiven Kopplung an. Als Resultat wird der
p-Kanal-Transistor
Tr1 ausgeschaltet und der p-Kanal-Transistor Tr2 eingeschaltet.
Ladungen bewegen sich dann von dem Knoten N2 auf den Knoten N1,
bis die Pegeldifferenz zwischen dem Knoten N1 und dem Knoten N2
der Schwellenspannung des p-Kanal-Transistors
Tr2 gleich wird. Wenn die obige Operation wiederholt wird, wird
die negative Spannung, die von der Negativspannungsladungspumpschaltung 156 ausgegeben
wird, in dem Knoten N3 induziert.
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Als
nächstes
wird unter Bezugnahme auf 13 und 14 die
Operation dieser Ausführungsform
beschrieben.
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Bei
einer Leseoperation werden S4–S6
entweder auf "H" oder "L" festgelegt. Alle Ladungspumpen werden
in den ausgeschalteten Zustand versetzt. Die Zufuhrspannung VCC
wird über
VRD auf den Reihendecodierer 164 angewendet, und die Wortleitung
wird mit VCC oder der Erdspannung VSS verbunden, je nachdem, ob
sie in dem selektierten oder nichtselektierten Zustand ist.
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Bei
einer Schreiboperation werden S4 und S6 entweder auf "H" oder "L" festgelegt,
und ein Taktsignal wird als Signal S5 zugeführt, wie in 13 gezeigt.
Da die Pegel von S3 und /S3 feststehend sind, bleibt die Negativladungspumpe
ausgeschaltet; da Taktsignale wie S1, /S3 und S2, /S2 zugeführt werden,
werden andererseits die beiden Positivladungspumpen 154 und 155 in
einen Operationszustand versetzt. Als Resultat wird die hohe Spannung
dem Anschluß VRD
zugeführt,
so daß die
durch den Reihendecodierer 164 selektierte Wortleitung
auf die hohe Spannung ansteigt, während die anderen Wortleitungen
auf 0 V bleiben. Die positive Spannung von der Drain-Positivladungspumpe 155 wird über die zweite
Positivvorspannungsschaltung 159 der gemeinsamen Busleitung 163 zugeführt; diese
positive Spannung wird auf die durch den Spaltendecodierer selektierte
Bitleitung angewendet.
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Da
die Sources aller Speicherzellen geerdet sind, wird die hohe Spannung
auf das Steuergate der Speicherzelle angewendet, die durch das Adreßsignal
selektiert wird, und wird die positive Spannung auf ihr Drain angewendet,
wobei ihre Source und ihr Kanal geerdet sind, wodurch das Schreiben
erreicht wird.
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Bei
einer Löschoperation,
wie in 14 gezeigt, ist S5 feststehend,
und Taktsignale wie S4 und S6 werden zugeführt, so daß die Drain-Positivladungspumpe 155 und
die Negativladungspumpe 156 in einen Operationszustand
versetzt werden.
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Als
Resultat wird die negative Spannung von der Negativladungspumpe 156 über die
Negativvorspannungsschaltung 158 auf die Wortleitung angewendet,
und die positive Spannung von der Drain-Positivladungspumpe 155 wird
auf die Mulde 175 über die
dritte Positivvorspannungsschaltung 161 und über die
Kanalsteuerung 165 angewendet, wodurch das Löschen erreicht
wird.
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Gemäß der obigen
Ausführungsform
kann, wie beschrieben, da die positive Spannung auf die Mulde 175 während einer
Löschoperation
angewendet wird, ein elektrisches Feld, das zum Löschen erforderlich
ist, auf den Tunneloxidfilm angewendet werden, indem die negative
Spannung mit derselben Größe wie in
einer vorherigen Vorrichtung auf die Wortleitung angewendet wird.
Es ist deshalb nicht erforderlich, der Wortleitung eine negative
Spannung mit einem großen
Absolutwert zuzuführen.
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In
der Ausführungsform
wird die positive Löschspannung
zum Löschen
auf die Mulde angewendet.
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15 ist
ein Diagramm, das eine Querschnittsstruktur der Negativvorspannungsanwendungsschaltung 158 zeigt,
wobei 181 ein Polysiliziumgate kennzeichnet, 182 einen
Gate-Oxidfilm kennzeichnet, 183 und 184 diffundierte
Schichten kennzeichnen, 185 einen Muldenkontakt kennzeichnet, 186 bis 188 Aluminiumverbindungen
kennzeichnen, 189 eine n-Mulde kennzeichnet und 190 ein p-Substrat
kennzeichnet. Im folgenden wird beschrieben, wie die Dicke des Gate-Oxidfilms 182 durch
die vorliegende Erfindung verbessert wird.
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Hierbei
wird angenommen, daß der
Kopplungskoeffizient des Flash-Speichers 0,5 beträgt, daß die Dicke
des Tunneloxidfilms 10 nm beträgt
und daß das
elektrische Feld zwischen dem schwimmenden Gate oder dem Kanal,
das zum Löschen erforderlich ist,
100 MV/cm beträgt.
Wenn die Zufuhrspannung 5 V beträgt,
ist dann, falls diese Spannung beim Löschen auf die Mulde anzuwenden
ist, eine Spannung von –10
V auf das Steuergate anzuwenden, um die obige Bedingung zu erreichen.
Falls in 15 das Potential der Mulde 189 0
V beträgt,
wird der Gate-Oxidfilm 182 einer maximalen Spannung von 10
V ausgesetzt. Falls das maximale Belastungsfeld des Transistors
von 15 3 MV/cm beträgt, muß der Gate-Oxidfilm eine Dicke
von nicht weniger als 35 nm haben.
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Falls
andererseits eine verstärkte
Spannung von 7 V auf den Kanal der Flash-Speicherzelle angewendet
wird, brauchen dem Steuergate nur –6 V zugeführt zu werden. Daher kann die
Dicke des Gate-Oxidfilms 182 von 15 auf
20 bis 25 nm reduziert werden.
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Da
in der vorliegenden Ausführungsform
somit keine große
Belastung auf den Gate-Oxidfilm jedes Transistors wirkt, der in
der Negativladungspumpe und der Negativvorspannungsschaltung verwendet
wird, ist es nicht notwendig, spezielle Transistoren für die hohe
Spannung zu bilden, und daher wird die Vorrichtungszuverlässigkeit
verbessert. Wie aus der bisherigen Beschreibung hervorgeht, kann
die Ladungspumpe zum Erzeugen der positiven Spannung, die auf das
Drain beim Schreiben angewendet wird, ferner auch als Ladungspumpe
zum Erzeugen der positiven Spannung verwendet werden, die beim Löschen auf
den Kanal angewendet wird; deshalb muß die Schaltungsgröße nicht
zunehmen.
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Da
gemäß der Erfindung,
wie oben beschrieben, keine negative Spannung mit großem Absolutwert
auf das Zellensteuergate beim Löschen
angewendet werden muß,
wirkt keine große
Belastung auf den Gate-Oxidfilm jedes Transistors, der in der Verstärkerschaltung
verwendet wird, die vorgesehen ist, um die negative Spannung zu
erzeugen, wobei der Effekt der ist, daß keine speziellen Transistoren
für die
hohe Spannung gebildet werden müssen,
so daß die
Vorrichtungszuverlässigkeit
zunimmt.
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In
dieser Beschreibung (einschließlich
der Ansprüche)
werden die Ausdrücke "positive Spannung" und "negative Spannung" verwendet, um Spannungen
zu bezeichnen, die relativ entgegengesetzte Polaritäten haben;
sie beschränken
die vorliegende Erfindung nicht unbedingt auf die Verwendung mit
irgendwelchen absoluten Spannungspolaritäten. Darüber hinaus ist der Ausdruck "herkömmliche
Zufuhrspannung" auf
keinen besonderen Spannungswert begrenzt.