WO1998059375A1 - Non-volatile nano-cristalline storage cell - Google Patents

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WO1998059375A1
WO1998059375A1 PCT/DE1998/001136 DE9801136W WO9859375A1 WO 1998059375 A1 WO1998059375 A1 WO 1998059375A1 DE 9801136 W DE9801136 W DE 9801136W WO 9859375 A1 WO9859375 A1 WO 9859375A1
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dielectric layer
gate electrode
memory cell
layer
nanocrystals
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PCT/DE1998/001136
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Hans Reisinger
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Siemens Aktiengesellschaft
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    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B82NANOTECHNOLOGY
    • B82YSPECIFIC USES OR APPLICATIONS OF NANOSTRUCTURES; MEASUREMENT OR ANALYSIS OF NANOSTRUCTURES; MANUFACTURE OR TREATMENT OF NANOSTRUCTURES
    • B82Y10/00Nanotechnology for information processing, storage or transmission, e.g. quantum computing or single electron logic
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01LSEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L29/00Semiconductor devices adapted for rectifying, amplifying, oscillating or switching, or capacitors or resistors with at least one potential-jump barrier or surface barrier, e.g. PN junction depletion layer or carrier concentration layer; Details of semiconductor bodies or of electrodes thereof  ; Multistep manufacturing processes therefor
    • H01L29/40Electrodes ; Multistep manufacturing processes therefor
    • H01L29/41Electrodes ; Multistep manufacturing processes therefor characterised by their shape, relative sizes or dispositions
    • H01L29/423Electrodes ; Multistep manufacturing processes therefor characterised by their shape, relative sizes or dispositions not carrying the current to be rectified, amplified or switched
    • H01L29/42312Gate electrodes for field effect devices
    • H01L29/42316Gate electrodes for field effect devices for field-effect transistors
    • H01L29/4232Gate electrodes for field effect devices for field-effect transistors with insulated gate
    • H01L29/42324Gate electrodes for transistors with a floating gate
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
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    • H01L29/00Semiconductor devices adapted for rectifying, amplifying, oscillating or switching, or capacitors or resistors with at least one potential-jump barrier or surface barrier, e.g. PN junction depletion layer or carrier concentration layer; Details of semiconductor bodies or of electrodes thereof  ; Multistep manufacturing processes therefor
    • H01L29/66Types of semiconductor device ; Multistep manufacturing processes therefor
    • H01L29/68Types of semiconductor device ; Multistep manufacturing processes therefor controllable by only the electric current supplied, or only the electric potential applied, to an electrode which does not carry the current to be rectified, amplified or switched
    • H01L29/76Unipolar devices, e.g. field effect transistors
    • H01L29/772Field effect transistors
    • H01L29/78Field effect transistors with field effect produced by an insulated gate
    • H01L29/788Field effect transistors with field effect produced by an insulated gate with floating gate
    • H01L29/7881Programmable transistors with only two possible levels of programmation
    • H01L29/7883Programmable transistors with only two possible levels of programmation charging by tunnelling of carriers, e.g. Fowler-Nordheim tunnelling

Definitions

  • non-volatile memory cells For permanent storage of data, non-volatile memory cells, so-called SONOS cells or MNOS cells, have been proposed, each comprising a special MOS transistor (see, for example, Lai et al, IEDM Tech. Dig. 1986, pages 580 to 583).
  • the MOS transistor comprises a gate dielectric, which comprises at least one silicon nitride layer below the gate electrode and a SiÜ 2 layer between the silicon nitride layer and the channel region. Charge carriers are stored in the silicon nitride layer to store the information.
  • the thickness of the SiO 2 layer in these non-volatile memory cells is at most 2.2 nm.
  • the thickness of the Si3N 4 layer in modern SONOS memories is usually about 10 nm.
  • Another SiO 2 layer is usually provided between the silicon nitride layer and the gate electrode which has a thickness of 3 to 4 nm.
  • To erase the gate electrode is wired so that the charge carriers stored in the silicon nitride layer tunnel through the maximum 2.2 nm thick SiO 2 layer into the channel area and from the channel area charge carriers of the opposite conductivity type tunnel through the SiÜ2 layer into the silicon nitride layer.
  • charge carriers of the first conductivity type tunnel from the gate electrode into the silicon nitride layer.
  • the layer thicknesses are dimensioned such that the charge carrier transport to the channel area predominates in comparison to the charge carrier transport from the gate electrode.
  • the deletion process typically requires times of 100 ms.
  • the SONOS cells have a data retention time of ⁇ 10 years. This time is too short for many applications, for example for storing data in computers.
  • EEPROM cells with a floating gate As the non-volatile memory, it is known to use EEPROM cells with a floating gate as the non-volatile memory.
  • a floating gate electrode is arranged between a control gate electrode and the channel region of the MOS transistor, which is completely surrounded by dielectric material. The information is stored in the form of charge carriers on the floating gate electrode.
  • These memory cells which are also referred to as FLOTOX cells, can be electrically written and erased.
  • the control gate electrode is connected to such a potential that charge carriers flow from the channel area onto the floating gate electrode (writing) or charge carriers flow from the floating gate electrode into the channel area (erase).
  • the deletion process in FLOTOX cells requires times of typically 100 ms.
  • the FLOTOX cells have data retention times greater than 150 years.
  • Radiation hardness refers to the insensitivity of the stored charge to external radiation sources and / or electromagnetic fields.
  • MOS transistor acts as a gate dielectric
  • the nanocrystals consist of silicon and are small, independent silicon bodies. They have a diameter of approximately 5 nm and spacings of approximately 5 nm. Charge is stored in these nanocrystals and, like the charge stored on a floating gate of an EEPROM, influences the threshold voltage of the MOS transistor.
  • the silicon oxide layer arranged below the nanocrystals acts as a tunnel oxide. The thickness of the tunnel oxide is approximately 1 to 2 nm. The time for data retention in these memory cells is a few weeks and is therefore too short for many applications, for example for storing data in computers.
  • the invention is based on the problem of specifying a non-volatile memory cell which takes less than 1 s for the deletion process, which is simple in construction and can be integrated in a high packing density and which has improved radiation hardness in comparison with the FLOTOX cells.
  • the non-volatile memory cell comprises a MOS transistor with source region, channel region, drain region, gate dielectric and gate electrode.
  • the gate dielectric has a first dielectric layer and a second dielectric layer, nanocrystals being arranged between the first dielectric layer and the second dielectric layer.
  • the gate electrode contains p + -doped silicon. Compared to FLOTOX cells, this memory cell has a lower write / erase voltage and, compared to SONOS cells, a longer time for data retention (retention time).
  • the memory cell according to the invention differs from the known memory cell in that the gate electrode contains p + -doped silicon. In comparison to n-doped silicon or metal, which is used as a gate electrode in conventional cells, the p + -
  • Doping reduces the occupancy probability of electronic states in the gate electrode by approximately a factor of 10 20 . During the quenching process, therefore, no electrons can tunnel from the gate electrode into the nanocrystals.
  • the memory cell according to the invention is therefore erased by tunneling holes from the channel region through the first dielectric layer into the nanocrystals and by tunneling electrons from the nanocrystals into the channel region.
  • n-doped silicon or metal is used as the gate electrode, electrons also tunnel from the gate electrode into the nanocrystals, which also have to be neutralized during the quenching process.
  • This electron current is suppressed in the memory cell according to the invention in that the number of electrons in the gate electrode is reduced through the use of p + -doped silicon.
  • the time for the erase process is reduced in the memory cell according to the invention by a factor of approximately 10 5 to 10 8 compared to conventional memory cells, with the tunnel oxide thickness being the same in each case.
  • the layer thickness of the first dielectric layer is therefore freely selectable and is preferably set so that the memory cell has the time required for the respective application to receive data, which also depends on this layer thickness.
  • the first dielectric layer and the second dielectric layer are preferably formed from silicon oxide.
  • the thickness of the first dielectric layer is 2 to 5 nm
  • the thickness of the second dielectric layer is 1 to 2 nm larger than that of the first dielectric layer.
  • the thickness of the first dielectric layer in the range between 2 and 5 nm is greater than that of the memory cell known from Tiwari and thereby improves the time for data retention (retention time) compared to the memory cell known from Tiwari.
  • This embodiment of the invention makes use of the knowledge that, in conventional memory cells, the charge transport through the first dielectric layer takes place primarily through direct tunneling because of the thickness of at most 2 nm.
  • Tunneling depends mainly on the thickness of the tunnel barrier, i.e. the thickness of the first dielectric layer, and on the electric field. With a layer thickness of the tunnel oxide of at most 2 nm, in the case of electrical fields below 10 MV / cm, the current always prevails through direct tunneling through the first dielectric layer. Via this direct tunnel current and modified Fowler-Nordheim tunneling, both the writing and the deletion of the information is carried out by appropriate wiring of the gate electrode.
  • the embodiment of the invention also makes use of the knowledge that even without wiring the gate electrode in the known memory cell, a tunnel current, which is due to direct tunneling, flows from the nanocrystals through the first silicon oxide layer to the channel region. It was found that this direct tunnel current is decisive for the time for the data retention.
  • the tunnel probability for direct tunneling decreases sharply with increasing thickness of the first dielectric layer and is very small with a thickness of at least 3 nm. Since in this embodiment of the memory cell according to the invention the first dielectric layer is at least 2 nm thick and the second dielectric layer is 1 to 2 nm thicker than the first dielectric layer, a charge carrier transport from the nanocrystals to the gate electrode or to the channel region takes place in this memory cell by direct tunneling largely avoided. This means that the charge stored in the nanocrystals remains virtually unlimited. The time for data retention in the memory cell according to the invention is therefore significantly longer than in conventional memory cells.
  • the thicknesses of the first dielectric layer and the second dielectric layer in the memory cell according to the invention are preferably selected such that they differ by an amount in the range between 0.5 and 2 nm.
  • the smaller of the two thicknesses of the first dielectric layer and the second dielectric layer is in the range between 2 and 5 nm.
  • the gate dielectric is electrically symmetrical. Due to the different thicknesses of the first dielectric layer and the second dielectric layer, the work function differences between the channel region and the gate electrode and mainly the generally positive gate voltage applied during reading operation are taken into account.
  • the tunneling probability for direct tunneling of charge carriers through the two dielectric layers is very small.
  • the charge carrier transport takes place during writing and reading only through Fowler-Nordheim tunnels through the first dielectric layer or second dielectric layer.
  • the current strength of the charge carrier transport through Fowler-Nordheim tunnels only depends on the strength of the adjacent one electric field. It is not explicitly dependent on the thickness of the tunnel barrier.
  • Fowler-Nordheim tunneling of electrons from the gate electrode through the second dielectric layer into the nanocrystals would be more energy-efficient, but since the Fermi level in the gate electrode is reduced to the level of the valence band, the Fowler Nordheim tunnel current of electrons from the gate electrode into the nanocrystals is negligible.
  • the information stored in the nanocrystals in the form of electrons is therefore deleted by tunneling holes from the channel region through the first dielectric layer into the nanocrystals.
  • a voltage level of approximately ⁇ 3.5 V to 5.5 V is required to write or delete information.
  • the voltage level required for writing or erasing is therefore only 1 to 3 V higher than for the memory cell known from Tiwari.
  • the times required for the erase process are typically 1 ms in the memory cell according to the invention.
  • the times required for the write process are typically 1 ⁇ s.
  • the time for data retention in the memory cell for example for a thickness of the first dielectric layer, which acts as a tunnel oxide, of 5 nm is more than a thousand years.
  • the memory cell is integrated in memory cell arrangements which have a plurality of identical memory cells in the form of a matrix.
  • the nanocrystals preferably contain silicon and / or germanium. They have an average diameter of 2 to 10 nm and distances of 2 to 10 nm.
  • the MOS transistor in the memory cell can be designed both as a planar and as a vertical MOS transistor.
  • Figure 1 shows a memory cell with a planar MOS transistor.
  • Figure 2 shows a memory cell with a vertical MOS transistor.
  • a source region 2 and a drain region 3, which are n-doped, for example, are provided in a substrate 1, which comprises monocrystalline silicon at least in the region of a memory cell (see FIG. 1).
  • a channel region 4 is arranged between the source region 2 and the drain region 3.
  • a gate dielectric 5 which comprises a first SiO 2 layer 51, nanocrystals 52 and a second SiO 2 layer 53.
  • the first SiO 2 layer 51 is arranged on the surface of the channel region 4 and has a thickness of 2 to 5 nm, preferably 4 nm
  • the nanocrystals 52 are arranged on the surface of the first SiO 2 layer 51. They contain silicon and have a diameter of 5 nm and an average distance of 5 nm.
  • the nanocrystals 52 are shown in FIG. 1 as a continuous layer.
  • the second SiO 2 layer 53 is arranged on the surface of the nanocrystals 52, the thickness of which is 0.5 to 2 nm greater than the thickness of the first SiO 2 layer 51, that is to say in the range between 2.5 and 7 nm, preferably at 4.5 to 5 nm.
  • a gate electrode 6 made of p + -doped polysilicon is arranged on the surface of the gate dielectric 5.
  • the gate electrode 6 has a thickness of, for example, 200 nm and a dopant concentration of, for example, 5 x 10 20 cm "3 .
  • a semiconductor layer structure 11 made of, for example, monocrystalline silicon comprises a source region 12, a channel region 14 and a drain region 13 in vertical succession (see FIG. 2).
  • the source region 12 and the drain region 13 are, for example, n-doped with a dopant concentration of 10 21 cm -3 .
  • the channel region 14 is, for example, p-doped with a dopant concentration of 10 17 cm "3.
  • the source region 12, the drain region 13 and the channel region 14 have a common flank 110, which preferably runs perpendicularly or slightly inclined to the surface of the semiconductor layer structure 11.
  • the flank 110 can be both the flank of a trench or a step in a substrate and the flank of a raised structure, for example a mesa structure.
  • a dielectric triple structure 15 is arranged on the flank 110, which comprises a first SiO 2 layer 151, nanocrystals 152 and a second SiO 2 layer 153.
  • the surface of the second SiO 2 layer 153 is covered with a gate electrode 16.
  • the gate electrode 16 is, for example, in the form of a spacer made of p + -doped polysilicon with a doping Concentration of 5 x 10 20 cm -3 formed.
  • the first SiO 2 layer 151 has a thickness of, for example, 2 to 5 nm, preferably 4 nm.
  • the second SiO 2 layer 153 is 0.5 to 2 nm thicker than the first SiO 2 layer 151, that is, it has a thickness between 2.5 and 7 nm. It preferably has a thickness of 4.5 nm.
  • the thicknesses of the first SiO 2 layer 151 and the second SiO 2 layer 153 are each measured perpendicular to the flank 110.
  • the nanocrystals 152 contain silicon and have a diameter of 5 nm and an average distance of 5 nm.
  • the nanocrystals 152 are shown in FIG. 2 as a continuous layer. For example, they are produced by CVD deposition.

Abstract

The invention relates to a non-volatile nano-cristalline storage cell comprising an MOS transistor with a first dielectric layer (51) acting as a gate dielectric and a second dielectric layer (53) between which nano-crystals (52) are arranged. The gate electrode of the MOS transistor contains p<+> doped silicon so that when a negative voltage is applied to the gate electrode, holes chiefly from the channel area (4) tunnel through the first dielectric layer (51) into the nano-crystals (52).

Description

Beschreibungdescription
NICHTFLÜCHTIGE NANOKRISTALLSPEICHERZELLENON-VOLATILE NANO CRYSTAL STORAGE CELL
Zur dauerhaften Speicherung von Daten sind nichtflüchtige Speicherzellen, sogenannte SONOS-Zellen oder MNOS-Zellen, vorgeschlagen 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 Gatedielektrikum, das mindestens eine Siliziumnitridschicht unterhalb der Gateelektrode und eine SiÜ2-Schicht zwischen der Siliziumnitridschicht und dem Kanalbereich umfaßt. Zur Speicherung der Information werden Ladungsträger in der Siliziumnitridschicht gespeichert.For permanent storage of data, non-volatile memory cells, so-called SONOS cells or MNOS cells, have been proposed, each comprising a special MOS transistor (see, for example, Lai et al, IEDM Tech. Dig. 1986, pages 580 to 583). The MOS transistor comprises a gate dielectric, which comprises at least one silicon nitride layer below the gate electrode and a SiÜ 2 layer between the silicon nitride layer and the channel region. Charge carriers are stored in the silicon nitride layer to store the information.
Die Dicke der Siθ2 -Schicht beträgt in diesen nichtflüchtigen Speicherzellen maximal 2,2 nm. Die Dicke der Si3N4-Schicht beträgt in modernen SONOS-Speichern üblicherweise etwa 10 nm. Zwischen der Siliziumnitridschicht und der Gateelektrode ist meist eine weitere SiÜ2 -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 maximal 2,2 nm dicke Siθ2~Schicht in die Siliziumnitridschicht tunneln. Zum Löschen wird die Gateelektrode so beschaltet, daß die in der Siliziumnitridschicht gespeicherten Ladungsträger durch die maximal 2,2 nm dicke Siθ2-Schicht in den Kanalbereich tunneln und aus dem Kanalbereich Ladungsträger vom entgegengesetzten Leitfähigkeitstyp durch die SiÜ2-Schicht in die Siliziumnitridschicht tunneln. Gleichzeitig tunneln Ladungsträger vom ersten Leitfähigkeitstyp aus der Gateelektrode in die Siliziumnitridschicht. Die Schichtdicken werden so bemessen, daß der Ladungsträgertransport zum Kanalbereich im Vergleich zum Ladungsträgertransport aus der Gateelektrode überwiegt. Für den Löschvorgang sind typischerweise Zeiten von 100 ms erforderlich. Die SONOS-Zellen weisen eine Zeit für den Datenerhalt von ≤ 10 Jahren auf. Diese Zeit ist für viele Anwendungen, zum Beispiel für die Speicherung von Daten in Computern, zu kurz.The thickness of the SiO 2 layer in these non-volatile memory cells is at most 2.2 nm. The thickness of the Si3N 4 layer in modern SONOS memories is usually about 10 nm. Another SiO 2 layer is usually provided between the silicon nitride layer and the gate electrode which has a thickness of 3 to 4 nm. These non-volatile memory cells can be electrically written and erased. During the writing process, such a voltage is applied to the gate electrode that charge carriers tunnel out of the substrate through the maximum 2.2 nm thick SiO 2 layer into the silicon nitride layer. To erase the gate electrode is wired so that the charge carriers stored in the silicon nitride layer tunnel through the maximum 2.2 nm thick SiO 2 layer into the channel area and from the channel area charge carriers of the opposite conductivity type tunnel through the SiÜ2 layer into the silicon nitride layer. At the same time, charge carriers of the first conductivity type tunnel from the gate electrode into the silicon nitride layer. The layer thicknesses are dimensioned such that the charge carrier transport to the channel area predominates in comparison to the charge carrier transport from the gate electrode. The deletion process typically requires times of 100 ms. The SONOS cells have a data retention time of ≤ 10 years. This time is too short for many applications, for example for storing data in computers.
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 Speicherzellen, die zum Beispiel aus Lai et al , IEDM Tech. Dig. 1986, Seite 580 bis 583 bekannt sind, ist zwischen einer Kontrollgateelektrode 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. Dazu wird die Steuergateelektrode mit einem solchen Potential verbunden, das Ladungsträger aus dem Kanalbereich auf die Floating Gate Elektrode fließen (Schreiben) bzw. Ladungsträ- ger von der Floating Gate Elektrode in den Kanalbereich fließen (Löschen) . Der Löschvorgang in FLOTOX-Zellen erfordert Zeiten von typisch 100 ms. Die FLOTOX-Zellen weisen Zeiten für den Datenerhalt größer als 150 Jahre auf.For applications in which longer times are required for data retention, it is known to use EEPROM cells with a floating gate as the non-volatile memory. In these memory cells, for example from Lai et al, IEDM Tech. Dig. 1986, pages 580 to 583, a floating gate electrode is arranged between a control gate electrode and the channel region of the MOS transistor, which is completely surrounded by dielectric material. The information is stored in the form of charge carriers on the floating gate electrode. These memory cells, which are also referred to as FLOTOX cells, can be electrically written and erased. For this purpose, the control gate electrode is connected to such a potential that charge carriers flow from the channel area onto the floating gate electrode (writing) or charge carriers flow from the floating gate electrode into the channel area (erase). The deletion process in FLOTOX cells requires times of typically 100 ms. The FLOTOX cells have data retention times greater than 150 years.
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 Steuergateelektrode 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 bezeichnet .Compared to the SONOS cells, however, they are complicated to set up. Furthermore, the space requirement of the FLOTOX cells is greater in comparison to the SONOS cells, since the control gate electrode has to overlap the floating gate electrode laterally. Finally, the so-called radiation hardness of FLOTOX cells is limited. Radiation hardness refers to the insensitivity of the stored charge to external radiation sources and / or electromagnetic fields.
Ferner ist vorgeschlagen worden (siehe Tiwari et al . , Appl . Phys. Lett. 68 (19), No. 4, March 1996) als Speicherzelle einen MOS-Transistor zu verwenden, der als Gatedielektrikum zwei Siliziumoxidschichten mit dazwischen angeordneten Nano- kristallen aufweist. Die Nanokristalle bestehen aus Silizium und stellen kleine voneinander unabhängige Siliziumkörper dar. Sie weisen einen Durchmesser von etwa 5 nm und Abstände von etwa 5 nm auf. In diesen Nanokristallen wird Ladung gespeichert, die ähnlich der gespeicherten Ladung auf einem Floating Gate eines EEPROM's die Einsatzspannung des MOS- Transistors beeinflußt. Die unterhalb der Nanokristalle angeordnete Siliziumoxidschicht wirkt dabei als Tunneloxid. Die Dicke des Tunneloxids beträgt etwa 1 bis 2 nm. Die Zeit für den Datenerhalt beträgt in diesen Speicherzellen einige Wochen und ist daher für viele Anwendungen, zum Beispiel für die Speicherung von Daten in Computern, zu kurz.Furthermore, it has been proposed (see Tiwari et al., Appl. Phys. Lett. 68 (19), No. 4, March 1996) to use a MOS transistor as the memory cell, which acts as a gate dielectric has two silicon oxide layers with nanocrystals arranged between them. The nanocrystals consist of silicon and are small, independent silicon bodies. They have a diameter of approximately 5 nm and spacings of approximately 5 nm. Charge is stored in these nanocrystals and, like the charge stored on a floating gate of an EEPROM, influences the threshold voltage of the MOS transistor. The silicon oxide layer arranged below the nanocrystals acts as a tunnel oxide. The thickness of the tunnel oxide is approximately 1 to 2 nm. The time for data retention in these memory cells is a few weeks and is therefore too short for many applications, for example for storing data in computers.
Der Erfindung liegt das Problem zugrunde, eine nichtflüchtige Speicherzelle anzugeben, die für den Löschvorgang Zeiten unter 1 s benötigen, die einfach aufgebaut ist und in großer Packungsdichte integriert werden kann und die im Vergleich zu den FLOTOX-Zellen eine verbesserte Radiation hardness auf- weist.The invention is based on the problem of specifying a non-volatile memory cell which takes less than 1 s for the deletion process, which is simple in construction and can be integrated in a high packing density and which has improved radiation hardness in comparison with the FLOTOX cells.
Dieses Problem wird erfindungsgemäß gelöst durch eine Speicherzelle nach Anspruch 1. Weitere Ausgestaltungen gehen aus den Unteransprüchen hervor .According to the invention, this problem is solved by a memory cell according to claim 1. Further developments emerge from the subclaims.
Die nichtfluchtige Speicherzelle umfaßt einen MOS-Transistor mit Sourcegebiet, Kanalbereich, Draingebiet, Gatedielektrikum und Gateelektrode. Das Gatedielektrikum weist eine erste dielektrische Schicht und eine zweite dielektrische Schicht auf, wobei zwischen der ersten dielektrischen Schicht und der zweiten dielektrischen Schicht Nanokristalle angeordnet sind. Die Gateelektrode enthält p+-dotiertes Silizium. Im Vergleich zu FLOTOX-Zellen weist diese Speicherzelle eine kleinere Schreib-/Löschspannung und im Vergleich zu SONOS-Zellen eine höhere Zeit für den Datenerhalt (Retention-Time) auf. Von der bekannten Speicherzelle unterscheidet sich die erfindungsgemäße Speicherzelle dadurch, daß die Gateelektrode p+- dotiertes Silizium enthält. Im Vergleich zu n-dotiertem Silizium oder Metall, das als Gateelektrode in konventionellen Zellen verwendet wird, ist im Idealfall durch die p+-The non-volatile memory cell comprises a MOS transistor with source region, channel region, drain region, gate dielectric and gate electrode. The gate dielectric has a first dielectric layer and a second dielectric layer, nanocrystals being arranged between the first dielectric layer and the second dielectric layer. The gate electrode contains p + -doped silicon. Compared to FLOTOX cells, this memory cell has a lower write / erase voltage and, compared to SONOS cells, a longer time for data retention (retention time). The memory cell according to the invention differs from the known memory cell in that the gate electrode contains p + -doped silicon. In comparison to n-doped silicon or metal, which is used as a gate electrode in conventional cells, the p + -
Dotierung die Besetzungswahrscheinlichkeit von elektronischen Zuständen in der Gateelektrode um etwa den Faktor 1020 reduziert. Beim Löschvorgang können daher keine Elektronen aus der Gateelektrode in die Nanokristalle tunneln. Der Löschvor- gang der erfindungsgemäßen Speicherzelle erfolgt daher über Tunneln von Löchern aus dem Kanalbereich durch die erste dielektrische Schicht in die Nanokristalle und durch Tunneln von Elektronen aus den Nanokristallen in den Kanalbereich.Doping reduces the occupancy probability of electronic states in the gate electrode by approximately a factor of 10 20 . During the quenching process, therefore, no electrons can tunnel from the gate electrode into the nanocrystals. The memory cell according to the invention is therefore erased by tunneling holes from the channel region through the first dielectric layer into the nanocrystals and by tunneling electrons from the nanocrystals into the channel region.
Bei Verwendung von n-dotiertem Silizium oder Metall als Gateelektrode tunneln zusätzlich Elektronen aus der Gateelektrode in die Nanokristalle, die beim Löschvorgang ebenfalls neutralisiert werden müssen. Dieser Elektronenstrom wird in der erfindungsgemäßen Speicherzelle dadurch unterdrückt, daß die Zahl der Elektronen in der Gateelektrode durch die Verwendung von p+-dotiertem Silizium reduziert ist. Die Zeit für den Löschvorgang ist in der erfindungsgemäßen Speicherzelle gegenüber konventionellen Speicherzellen um einen Faktor von ca. 105 bis 108 reduziert, bei jeweils gleicher Tunneloxid- dicke.If n-doped silicon or metal is used as the gate electrode, electrons also tunnel from the gate electrode into the nanocrystals, which also have to be neutralized during the quenching process. This electron current is suppressed in the memory cell according to the invention in that the number of electrons in the gate electrode is reduced through the use of p + -doped silicon. The time for the erase process is reduced in the memory cell according to the invention by a factor of approximately 10 5 to 10 8 compared to conventional memory cells, with the tunnel oxide thickness being the same in each case.
Dieses gilt unabhängig von der Dicke der ersten dielektrischen Schicht, die als Tunneloxid wirkt. Die Schichtdicke der ersten dielektrischen Schicht ist daher frei wählbar und wird vorzugsweise so eingestellt, daß die Speicherzelle die für die jeweilige Anwendung erforderliche Zeit für den Datenerhalt, die ebenfalls von dieser Schichtdicke abhängt, aufweist .This applies regardless of the thickness of the first dielectric layer, which acts as a tunnel oxide. The layer thickness of the first dielectric layer is therefore freely selectable and is preferably set so that the memory cell has the time required for the respective application to receive data, which also depends on this layer thickness.
Vorzugsweise werden die erste dielektrische Schicht und die zweite dielektrische Schicht aus Siliziumoxid gebildet. Die Dicke der ersten dielektrischen Schicht wird dabei auf 2 bis 5 nm, die Dicke der zweiten dielektrischen Schicht um 1 bis 2 nm größer als die der ersten dielektrischen Schicht eingestellt. Die Dicke der ersten dielektrischen Schicht im Bereich zwischen 2 und 5 nm ist größer als die der aus Tiwari bekannten Speicherzelle und verbessert dadurch die Zeit für den Datenerhalt (Retention-Time) gegenüber der aus Tiwari bekannten Speicherzelle.The first dielectric layer and the second dielectric layer are preferably formed from silicon oxide. The thickness of the first dielectric layer is 2 to 5 nm, the thickness of the second dielectric layer is 1 to 2 nm larger than that of the first dielectric layer. The thickness of the first dielectric layer in the range between 2 and 5 nm is greater than that of the memory cell known from Tiwari and thereby improves the time for data retention (retention time) compared to the memory cell known from Tiwari.
Diese Ausführungsform der Erfindung macht sich die Erkenntnis zunutze, daß in konventionellen Speicherzellen der Ladungs- transport durch die erste dielektrische Schicht wegen der Dicke von maximal 2 nm hauptsächlich über direktes Tunneln erfolgt. Die Tunnelwahrscheinlichkeit für direktes Tunneln und damit die Stromstärke für den Ladungsträgertransport durch direktes Tunneln und modifiziertes Fowler-Nordheim-This embodiment of the invention makes use of the knowledge that, in conventional memory cells, the charge transport through the first dielectric layer takes place primarily through direct tunneling because of the thickness of at most 2 nm. The tunnel probability for direct tunneling and thus the amperage for the transport of charge carriers through direct tunneling and modified Fowler-Nordheim
Tunneln hängt hauptsächlich von der Dicke der Tunnelbarriere, das heißt der Dicke der ersten dielektrischen Schicht, und vom elektrischen Feld ab. Bei einer Schichtdicke des Tunneloxids von maximal 2 nm überwiegt bei elektrischen Feldern unter 10 MV/cm stets der Strom durch direktes Tunneln durch die erste dielektrische Schicht. Über diesen direkten Tunnelstrom und modifiziertes Fowler-Nordheim-Tunneln erfolgt sowohl das Schreiben als auch das Löschen der Information, durch entsprechende Beschaltung der Gateelektrode.Tunneling depends mainly on the thickness of the tunnel barrier, i.e. the thickness of the first dielectric layer, and on the electric field. With a layer thickness of the tunnel oxide of at most 2 nm, in the case of electrical fields below 10 MV / cm, the current always prevails through direct tunneling through the first dielectric layer. Via this direct tunnel current and modified Fowler-Nordheim tunneling, both the writing and the deletion of the information is carried out by appropriate wiring of the gate electrode.
Die Ausführungsform der Erfindung macht sich weiterhin die Erkenntnis zunutze, daß auch ohne Beschaltung der Gateelektrode in der bekannten Speicherzelle ein Tunnelstrom, der auf direktes Tunneln zurückgeht, von den Nanokristallen durch die erste Siliziumoxidschicht zum Kanalbereich fließt. Es wurde festgestellt, daß dieser direkte Tunnelstrom für die Zeit für den Datenerhalt bestimmend ist .The embodiment of the invention also makes use of the knowledge that even without wiring the gate electrode in the known memory cell, a tunnel current, which is due to direct tunneling, flows from the nanocrystals through the first silicon oxide layer to the channel region. It was found that this direct tunnel current is decisive for the time for the data retention.
Weiterhin wird die Erkenntnis ausgenutzt, daß die Tunnelwahr- scheinlichkeit für direktes Tunneln mit zunehmender Dicke der ersten dielektrischen Schicht stark abnimmt und bei einer Dicke von mindestens 3 nm sehr klein ist . Da in dieser Ausführungsform der erfindungsgemäßen Speicherzelle die erste dielektrische Schicht mindestens 2 nm dick ist und die zweite dielektrische Schicht 1 bis 2 nm dicker als die erste dielektrische Schicht ist, wird in dieser Speicherzelle ein Ladungsträgertransport aus den Nanokristallen zur Gateelektrode oder zum Kanalbereich durch direktes Tunneln weitgehend vermieden. Das heißt, in den Nanokristallen gespeicherte Ladung bleibt praktisch unbegrenzt erhalten. Die Zeit für den Datenerhalt ist in der erfindungsgemäßen Speicherzelle daher deutlich größer als in konventionellen Speicherzellen.Furthermore, the knowledge is exploited that the tunnel probability for direct tunneling decreases sharply with increasing thickness of the first dielectric layer and is very small with a thickness of at least 3 nm. Since in this embodiment of the memory cell according to the invention the first dielectric layer is at least 2 nm thick and the second dielectric layer is 1 to 2 nm thicker than the first dielectric layer, a charge carrier transport from the nanocrystals to the gate electrode or to the channel region takes place in this memory cell by direct tunneling largely avoided. This means that the charge stored in the nanocrystals remains virtually unlimited. The time for data retention in the memory cell according to the invention is therefore significantly longer than in conventional memory cells.
Vorzugsweise werden die Dicken der ersten dielektrischen Schicht und der zweiten dielektrischen Schicht in der erfindungsgemäßen Speicherzelle so gewählt, daß sie sich um einen Betrag im Bereich zwischen 0,5 und 2 nm unterscheiden. Die geringere der beiden Dicken der ersten dielektrischen Schicht und der zweiten dielektrischen Schicht liegt dabei im Bereich zwischen 2 und 5 nm. In dieser Ausführungsform ist das Gate- dielktrikum elektrisch symmetrisch. Durch die unterschiedlichen Dicken der ersten dielektrischen Schicht und der zweiten dielektrischen Schicht werden die Austrittsarbeitsunterschie- de zwischen dem Kanalbereich und der Gateelektrode und haupt- sächlich die beim Lesebetrieb anliegende, im allgemeinen positive Gatespannung berücksichtigt.The thicknesses of the first dielectric layer and the second dielectric layer in the memory cell according to the invention are preferably selected such that they differ by an amount in the range between 0.5 and 2 nm. The smaller of the two thicknesses of the first dielectric layer and the second dielectric layer is in the range between 2 and 5 nm. In this embodiment, the gate dielectric is electrically symmetrical. Due to the different thicknesses of the first dielectric layer and the second dielectric layer, the work function differences between the channel region and the gate electrode and mainly the generally positive gate voltage applied during reading operation are taken into account.
Da die Dicken der ersten dielektrischen Schicht und der zweiten dielektrischen Schicht jeweils mindestens 2 nm betragen, ist die TunnelWahrscheinlichkeit für direktes Tunneln von Ladungsträgern durch die beiden dielektrischen Schichten sehr klein. Der Ladungsträgertransport findet beim Schreiben und Lesen nur durch Fowler-Nordheim-Tunneln durch die erste dielektrische Schicht bzw. zweite dielektrische Schicht statt. Die Stromstärke des Ladungsträgertransports durch Fowler- Nordheim-Tunneln hängt nur von der Stärke des anliegenden elektrischen Feldes ab. Er ist nicht explizit abhängig von der Dicke der Tunnelbarriere.Since the thicknesses of the first dielectric layer and the second dielectric layer are each at least 2 nm, the tunneling probability for direct tunneling of charge carriers through the two dielectric layers is very small. The charge carrier transport takes place during writing and reading only through Fowler-Nordheim tunnels through the first dielectric layer or second dielectric layer. The current strength of the charge carrier transport through Fowler-Nordheim tunnels only depends on the strength of the adjacent one electric field. It is not explicitly dependent on the thickness of the tunnel barrier.
Bei Anlegen einer positiven Spannung an die Gateelektrode überwiegt das Fowler-Nordheim-Tunneln von Elektronen aus dem Kanalbereich durch die erste dielektrische Schicht in die Nanokristalle. Durch Anlegen einer positiven Spannung an die Gateelektrode wird Information in die Speicherzelle eingeschrieben. Da im Leitungsband der Gateelektrode wegen der Verwendung von p+-dotiertem Silizium die Zahl der Elektronen reduziert ist, überwiegt bei Anliegen einer negativen Spannung an die Gateelektrode das Tunneln von Löchern aus dem Kanalbereich durch die erste dielektrische Schicht in die Nanokristalle. Aufgrund der Potentialverhältnisse wäre zwar das Fowler-Nordheim-Tunneln von Elektronen aus der Gateelektrode durch die zweite dielektrische Schicht in die Nanokristalle energetisch günstiger, da jedoch in der Gateelektrode das Fermi-Niveau auf das Niveau des Valenz-Bandes abgesenkt ist, ist der Fowler-Nordheim-Tunnelstrom von Elektronen von der Gateelektrode in die Nanokristalle vernachlässigbar. Durch Anlegen einer negativen Spannung an die Gateelektrode wird daher die in den Nanokristallen in Form von Elektronen gespeicherte Information durch das Tunneln von Löchern aus dem Kanalbereich durch die erste dielektrische Schicht in die Nanokristalle gelöscht. Zum Einschreiben bzw. Löschen von Informationen ist ein Spannungspegel von etwa ± 3,5 V bis 5,5 V erforderlich. Der zum Schreiben bzw. Löschen erforderliche Spannungspegel liegt somit nur 1 bis 3 V höher als für die aus Tiwari bekannte Speicherzelle. Die Zeiten, die für den Löschvorgang benötigt werden, liegen bei der erfindungsgemäßen Speicherzelle typischerweise bei 1 ms. Die Zeiten, die für den Schreibvorgang benötigt werden, liegen typischerweise bei 1 μs .When a positive voltage is applied to the gate electrode, Fowler-Nordheim tunneling of electrons from the channel region through the first dielectric layer into the nanocrystals predominates. By applying a positive voltage to the gate electrode, information is written into the memory cell. Since the number of electrons in the conduction band of the gate electrode is reduced due to the use of p + -doped silicon, tunneling of holes from the channel region through the first dielectric layer into the nanocrystals predominates when a negative voltage is applied to the gate electrode. Because of the potential relationships, Fowler-Nordheim tunneling of electrons from the gate electrode through the second dielectric layer into the nanocrystals would be more energy-efficient, but since the Fermi level in the gate electrode is reduced to the level of the valence band, the Fowler Nordheim tunnel current of electrons from the gate electrode into the nanocrystals is negligible. By applying a negative voltage to the gate electrode, the information stored in the nanocrystals in the form of electrons is therefore deleted by tunneling holes from the channel region through the first dielectric layer into the nanocrystals. A voltage level of approximately ± 3.5 V to 5.5 V is required to write or delete information. The voltage level required for writing or erasing is therefore only 1 to 3 V higher than for the memory cell known from Tiwari. The times required for the erase process are typically 1 ms in the memory cell according to the invention. The times required for the write process are typically 1 μs.
Da in dieser Speicherzelle die Wahrscheinlichkeit für direktes Tunneln durch die erste dielektrische Schicht und die zweite dielektrische Schicht vernachlässigbar ist, beträgt die Zeit für den Datenerhalt in der Speicherzelle zum Beispiel für eine Dicke der ersten dielektrischen Schicht, die als Tunneloxid wirkt, von 5 nm mehr als tausend Jahre.Since the probability of direct tunneling through the first dielectric layer and the second dielectric layer is negligible in this memory cell, is the time for data retention in the memory cell, for example for a thickness of the first dielectric layer, which acts as a tunnel oxide, of 5 nm is more than a thousand years.
Die Speicherzelle wird, wie allgemein üblich, in Speicherzellenanordnungen integriert, die matrixförmig eine Vielzahl identischer Speicherzellen aufweist.As is generally customary, the memory cell is integrated in memory cell arrangements which have a plurality of identical memory cells in the form of a matrix.
Die Nanokristalle enthalten vorzugsweise Silizium und/oder Germanium. Sie weisen einen mittleren Durchmesser von 2 bis 10 nm und Abstände von 2 bis 10 nm auf.The nanocrystals preferably contain silicon and / or germanium. They have an average diameter of 2 to 10 nm and distances of 2 to 10 nm.
Da die Speicherzelle keine Floating Gate Elektrode aufweist, ist ihre Radiation hardness größer als für die vergleichbare FLOTOX-Zelle. Der MOS-Transistor in der Speicherzelle kann sowohl als planarer als auch als vertikaler MOS-Transistor ausgebildet werden.Since the memory cell has no floating gate electrode, its radiation hardness is greater than for the comparable FLOTOX cell. The MOS transistor in the memory cell can be designed both as a planar and as a vertical MOS transistor.
Im folgenden wird die Erfindung anhand der Ausführungsbei- spiele und der Figuren näher erläutert.The invention is explained in more detail below with the aid of the exemplary embodiments and the figures.
Figur 1 zeigt eine Speicherzelle mit einem planaren MOS- Transistor.Figure 1 shows a memory cell with a planar MOS transistor.
Figur 2 zeigt eine Speicherzelle mit einem vertikalen MOS- Transistor.Figure 2 shows a memory cell with a vertical MOS transistor.
In einem Substrat 1, das mindestens im Bereich einer Speicherzelle monokristallines Silizium umfaßt, sind ein Source- gebiet 2 und ein Draingebiet 3, die zum Beispiel n-dotiert sind, vorgesehen (siehe Figur 1) . Zwischen dem Sourcegebiet 2 und dem Draingebiet 3 ist ein Kanalbereich 4 angeordnet. Oberhalb des Kanalbereichs 4 ist ein Gatedielektrikum 5 angeordnet, die eine erste Siθ2~Schicht 51, Nanokristalle 52 und eine zweite Siθ2"Schicht 53 umfaßt. Die erste Siθ2-Schicht 51 ist an der Oberfläche des Kanalbereichs 4 angeordnet und weist eine Dicke von 2 bis 5 nm, vorzugsweise 4 nm auf . An der Oberfläche der ersten Siθ2-Schicht 51 sind die Nanokristalle 52 angeordnet. Sie enthalten Silizium und weisen einen Durchmesser von 5 nm und einen mittleren Abstand von 5 nm auf. Der Übersichtlichkeit halber sind die Nanokristalle 52 in Figur 1 als durchgehende Schicht dargestellt. An der Oberfläche der Nanokristalle 52 ist die zweite Siθ2 -Schicht 53 angeordnet, deren Dicke um 0,5 bis 2 nm größer als die Dicke der ersten Siθ2~Schicht 51 ist, das heißt im Bereich zwischen 2,5 und 7 nm, vorzugsweise bei 4,5 bis 5 nm liegt.A source region 2 and a drain region 3, which are n-doped, for example, are provided in a substrate 1, which comprises monocrystalline silicon at least in the region of a memory cell (see FIG. 1). A channel region 4 is arranged between the source region 2 and the drain region 3. Arranged above the channel region 4 is a gate dielectric 5, which comprises a first SiO 2 layer 51, nanocrystals 52 and a second SiO 2 layer 53. The first SiO 2 layer 51 is arranged on the surface of the channel region 4 and has a thickness of 2 to 5 nm, preferably 4 nm The nanocrystals 52 are arranged on the surface of the first SiO 2 layer 51. They contain silicon and have a diameter of 5 nm and an average distance of 5 nm. For the sake of clarity, the nanocrystals 52 are shown in FIG. 1 as a continuous layer. The second SiO 2 layer 53 is arranged on the surface of the nanocrystals 52, the thickness of which is 0.5 to 2 nm greater than the thickness of the first SiO 2 layer 51, that is to say in the range between 2.5 and 7 nm, preferably at 4.5 to 5 nm.
Auf der Oberfläche des Gatedielektrikums 5 ist eine Gateelektrode 6 aus p+-dotiertem Polysilizium angeordnet. Die Gateelektrode 6 weist eine Dicke von zum Beispiel 200 nm und eine Dotierstoffkonzentration von zum Beispiel 5 x 1020 cm"3 auf .A gate electrode 6 made of p + -doped polysilicon is arranged on the surface of the gate dielectric 5. The gate electrode 6 has a thickness of, for example, 200 nm and a dopant concentration of, for example, 5 x 10 20 cm "3 .
Ein Halbleiterschichtaufbau 11 aus zum Beispiel monokristallinem Silizium umfaßt in vertikaler Aufeinanderfolge ein Sourcegebiet 12, ein Kanalgebiet 14 und ein Draingebiet 13 (siehe Figur 2) . Das Sourcegebiet 12 und das Draingebiet 13 sind zum Beispiel n-dotiert mit einer Dotierstoffkonzentration von 1021 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 senkrecht oder leicht geneigt zur Oberfläche des Halbleiterschichtaufbaus 11 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.A semiconductor layer structure 11 made of, for example, monocrystalline silicon comprises a source region 12, a channel region 14 and a drain region 13 in vertical succession (see FIG. 2). The source region 12 and the drain region 13 are, for example, n-doped with a dopant concentration of 10 21 cm -3 . The channel region 14 is, for example, p-doped with a dopant concentration of 10 17 cm "3. The source region 12, the drain region 13 and the channel region 14 have a common flank 110, which preferably runs perpendicularly or slightly inclined to the surface of the semiconductor layer structure 11. The flank 110 can be both the flank of a trench or a step in a substrate and the flank of a raised structure, for example a mesa structure.
An der Flanke 110 ist eine dielektrische Dreifachstruktur 15 angeordnet, die eine erste Siθ2 -Schicht 151, Nanokristalle 152 und eine zweite Siθ2 -Schicht 153 umfaßt. Die Oberfläche der zweiten Siθ2-Schicht 153 ist mit einer Gateelektrode 16 bedeckt. Die Gateelektrode 16 ist zum Beispiel in Form eines Spacers aus p+-dotiertem Polysilizium mit einer Dotier- Stoffkonzentration von 5 x 1020 cm-3 gebildet. Die erste Siθ2 -Schicht 151 weist eine Dicke von zum Beispiel 2 bis 5 nm, vorzugsweise 4 nm auf.Die zweite Siθ2~Schicht 153 ist um 0,5 bis 2 nm dicker als die erste Siθ2~Schicht 151, das heißt, sie weist eine Dicke zwischen 2,5 und 7 nm auf. Vorzugsweise weist sie eine Dicke von 4,5 nm auf. Die Dicken der ersten Siθ2 -Schicht 151 sowie der zweiten Siθ2 -Schicht 153 sind jeweils senkrecht zur Flanke 110 gemessen.A dielectric triple structure 15 is arranged on the flank 110, which comprises a first SiO 2 layer 151, nanocrystals 152 and a second SiO 2 layer 153. The surface of the second SiO 2 layer 153 is covered with a gate electrode 16. The gate electrode 16 is, for example, in the form of a spacer made of p + -doped polysilicon with a doping Concentration of 5 x 10 20 cm -3 formed. The first SiO 2 layer 151 has a thickness of, for example, 2 to 5 nm, preferably 4 nm. The second SiO 2 layer 153 is 0.5 to 2 nm thicker than the first SiO 2 layer 151, that is, it has a thickness between 2.5 and 7 nm. It preferably has a thickness of 4.5 nm. The thicknesses of the first SiO 2 layer 151 and the second SiO 2 layer 153 are each measured perpendicular to the flank 110.
Die Nanokristalle 152 enthalten Silizium und weisen einen Durchmesser von 5 nm und einen mittleren Abstand von 5 nm auf. Der Übersichtlichkeit halber sind die Nanokristalle 152 in Figur 2 als durchgehende Schicht dargestellt. Sie werden zum Beispiel durch CVD-Abscheidung hergestellt. The nanocrystals 152 contain silicon and have a diameter of 5 nm and an average distance of 5 nm. For the sake of clarity, the nanocrystals 152 are shown in FIG. 2 as a continuous layer. For example, they are produced by CVD deposition.

Claims

Patentansprüche claims
1. Nichtflüchtige Speicherzelle1. Non-volatile memory cell
- mit einem MOS-Transistor, der als Gatedielektrikum (5) eine erste dielektrische Schicht (51) und eine zweite dielektrische Schicht (53) aufweist, wobei zwischen der ersten dielektrischen Schicht (51) und der zweiten dielektrischen Schicht (53) Nanokristalle (52) angeordnet sind,- With a MOS transistor, which has a first dielectric layer (51) and a second dielectric layer (53) as gate dielectric (5), wherein between the first dielectric layer (51) and the second dielectric layer (53) nanocrystals (52 ) are arranged,
- wobei der MOS-Transistor eine Gateelektrode (6) aufweist, die p+-dotiertes Silizium enthält.- The MOS transistor has a gate electrode (6) which contains p + -doped silicon.
2. Speicherzelle nach Anspruch 1, bei der die erste dielektrische Schicht (51) und die zweite dielektrische Schicht (53) jeweils mindestens 2 nm dick sind.2. The memory cell of claim 1, wherein the first dielectric layer (51) and the second dielectric layer (53) are each at least 2 nm thick.
3. Speicherzelle nach Anspruch 1 oder 2, bei der die erste dielektrische Schicht (51) und die zweite dielektrische Schicht (53) jeweils SiÜ2 enthalten.3. Memory cell according to claim 1 or 2, wherein the first dielectric layer (51) and the second dielectric layer (53) each contain SiÜ2.
4. Speicherzelle nach einem der Ansprüche 1 bis 3,4. Memory cell according to one of claims 1 to 3,
- bei der die Differenz der Dicken der ersten dielektrischen Schicht (51) und der zweiten dielektrischen Schicht (53) im- The difference in the thicknesses of the first dielectric layer (51) and the second dielectric layer (53) in
Bereich zwischen 0,5 nm und 2 nm liegt,Range between 0.5 nm and 2 nm,
- bei der die geringere der Dicken der ersten dielektrischen Schicht (51) und der zweiten dielektrischen Schicht (53) im Bereich zwischen 2 nm und 5 nm liegt.- In which the smaller of the thicknesses of the first dielectric layer (51) and the second dielectric layer (53) is in the range between 2 nm and 5 nm.
5. Speicherzelle nach einem der Ansprüche 1 bis 4, bei der das p+-dotierte Silizium in der Gateelektrode (6) eine Dotierstoffkonzentration von mindestens 1 x 1020 cm"3 aufweist.5. Memory cell according to one of claims 1 to 4, in which the p + -doped silicon in the gate electrode (6) has a dopant concentration of at least 1 x 10 20 cm "3 .
6. Speicherzelle nach einem der Ansprüche 1 bis 5, bei der die Nanokristalle (52) Silizium aufweisen.6. Memory cell according to one of claims 1 to 5, in which the nanocrystals (52) have silicon.
7. Speicherzelle nach Anspruch 6, bei der die Nanokristalle (52) einen Durchmesser zwischen 2 und 10 nm aufweisen. 7. Memory cell according to claim 6, wherein the nanocrystals (52) have a diameter between 2 and 10 nm.
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