专利名称：决定分离闸存储胞元特性的方法
技术领域：
本发明涉及一种建立半导体组件特性的模式的方法，尤其是关于建立一种电可擦可编程只读存储器(electrically-erasable programmable read-only memory，EEPROM)特性的模式的方法。
一电可擦可编程只读存储器(EEPROM)是用于储存存在或不存在于漂浮闸(floating gate)上的电荷为形式的信息的电子内存组件。
闸极是“漂浮的”，是因为被绝缘材料所包围住，且于其上没有一电性接触。因此，即使连接于所述组件的电源移除后，漂浮闸极上的电荷仍将持续保有且不会漏电。因而这种形式内存为非易失性(nonvolatile)。为将电荷置于漂浮闸上，组件必须执行一强迫电荷越过绝缘材料的程序化程序。
电可擦可编程只读存储器(EEPROM)胞元可具有不同形式。其中一形式是“分离闸”胞元，它是借助一控制闸与漂浮闸的重叠排列赋予特性。随着这着排列，控制闸与漂浮闸皆对由组件源极至漏极的电子流动有着极大影响。另一形式是双多单晶体管的可删除通道氧化物胞元(double-poly single-transistor erasabletunnel oxide cell，ETOX cell)，它是使用两垂直排列的闸极，因此控制闸与组件主体分离一段距离。
众所熟知的是一成不变的程序化、删除与读取一电可擦可编程只读存储器(EEPROM)。例如，一程序化胞元(或执行一写入的操作)是借助以热电子注入而置放一负电荷于漂浮闸上。热电子注入包含提升漏极(drain，D)相对于源极(source，S)的电压至一足够正值。然后，提升控制闸(control gate，CG)相对于源极的电压至一足够正值。这致使电子于控制闸与漂浮闸下的通道由源极至漏极流动。借助控制闸设定的电场会吸引这些电子。由于高漏极电压，电子非常具有能量，即非常“热”。一些热电子具有足够能量而能穿越漂浮闸下的薄绝缘氧化层。所以电子可注入至漂浮闸。
删除或移除来自漂浮闸的电荷包括提升基层主体(body，B)电压至一足够正值与接地源极、控制闸与漏极的步骤。借助主体电压设定的电场会致使电子由漂浮闸向基层流动。
在置放电荷于胞元上或移除胞元上的电荷后，可读取胞元以决定其状态。当读取胞元时，可以一般金属氧化半导体场效应晶体管(MOSFET)方式施以电压于胞元上。因此，比程序化/写入或删除电压还小的正电压置于漏极与控制闸上，且测定由源极流动至漏极的电流量。
漂浮闸上电荷不存在通常被指定为一高逻辑状态，例如“1”。在这状态下，胞元为可完全导电的。反之，当漂浮闸上的电荷存在时，胞元于读取操作中为较不可导电的。漂浮闸上电荷的存在通常被指定为一低逻辑状态，例如“0”。在这状态下，胞元为部份或完全不可导电的。
胞元亦可以一多位方式程序化。于这多位程序化机构下，漂浮闸上的电荷量将可设定胞元于超过两状态之一状态。
一电可擦可编程只读存储器(EEPROM)胞元的操作特性主要视几何形状因子而定，例如电极间的距离。于一组件布置好后，将难以量测组件的几何形状。
当设计一传统电可擦可编程只读存储器(EEPROM)时，电容量测值已作为一直接物理量测值的代理。电容量测值可以解释为提供组件实际尺寸之一指标与组件的实际电子性能。通常这些量测值是用于决定“耦合电容值(couplingcapacitances)”，它可描述一电极对另一电极的影响。这些电容值的比例，即耦合比例(coupling ratios)，亦可以用于描述一电可擦可编程只读存储器(EEPROM)胞元。这些耦合比例不仅用于监视漂浮闸，且提供间隙区域与漂浮闸间的电压降的一指标，其中间隙区域为一控制闸与漂浮闸间的弱控制区域。一旦组件的电子性能建立模式后，所述模式可用于决定无法直接量测的漂浮闸的电压。
传统的设计程序，譬如HSPICE，是与决定的耦合比例联合以建立一组件的模式。伴随一正确的模式，则可增强胞元设计，因此可避免故障。所以，能够以一小安全容忍量来设计组件。
本发明的目的是提供一半导体组件特性的模式、一使用所述模式的胞元设计与一建立所述特性的模式的方法，以避免现有技术的缺点与限制所衍生问题。
本发明的另一目的是提供一种用于决定一分离闸存储胞元的特性的方法。
本发明再一目的是提供一种用于决定一分离闸存储胞元的两特性的方法。
为实现上述目的，根据本发明一方面的用于决定分离闸存储胞元特性的方法包含一决定分离闸存储胞元特性的方法，包括有将漂浮闸完全充电、于漂浮闸完全充电时量测存储胞元的一参数与根据量测值决定存储胞元的特性。
为实现上述目的，根据本发明另一方面的用于决定分离闸存储胞元特性的方法包括有初始化存储胞元、将内存置于反操作模式、扫视胞元的控制闸电压、量测胞元的源极电压与决定所述存储胞元的特性。
为实现上述目的，根据本发明又一方面的用于决定分离闸存储胞元的两特性的方法包括有定义一具有三个未知变量的第一函数、找出造成两未知变量的两特性、于当仅所述两特性为未知变量时定义一第二函数、量测一相对于一第二组件参数的第一组件参数以决定第一函数的剩余未知变量与使用量测值解第一函数与第二函数以决定两特性。
由本发明方法所得的正确的模式提供了胞元的准确负载电容与电阻，其意味着对于下一阶段干扰放大器上升至下降时间的电压比例可以正确地被认为致使一改善的设计与产品。
为更清楚理解本发明的目的、特点和优点，下面将结合附图对本发明进行详细说明。以下对较佳实施例的详尽描述仅用于举例用，而本发明并不限于这些实施例。
图1是一根据本发明的电可擦可编程只读存储器(EEPROM)的截面图；图2是一根据本发明的等效电容电路的电路图；图3A~B是根据本发明方式的用于决定耦合比例(coupling ratios)程序的流程图；以及图4~图7是根据本发明的程序所获得的量测值。
根据本发明的一电可擦可编程只读存储器(EEPROM)胞元具有如图1所显示的结构。电可擦可编程只读存储器(EEPROM)胞元可于一内存数组(memory array)中与其它相同结构的电可擦可编程只读存储器(EEPROM)胞元一并提供以提供一按块擦除存储器结构，其中删除仅于区块(block)或整个数组中执行，借以与一加载于一集成电路中的数组执行程序化。主体电极10与基层20连接并接地。漂浮闸30配置于介于源极区50与漏极区60间的通道区40的上方。控制闸区70重叠于漂浮闸30与通道区40。这样的排列，漂浮闸30与控制闸区70皆对于流过通道区40的电子有强大影响。于漏极区60、控制闸区70与源极区50上方分别提供电极80、90与100以供给这些区域适当电压。
图1所示的电可擦可编程只读存储器(EEPROM)可借助一等效电容电路建立模式。请参阅图2，所述等效电路包含有一介于控制闸电极90与漏极区电极80间的电容110(CD)，与一介于控制闸电极90与基层20的一部份130间的电容120(CSUB1)。基层的一部份130定义为于不与漂浮闸30重叠的控制闸区70之下的基层的一非通道部份。所述等效电路还包含有一介于控制闸电极90与通道区40的一部份150间的电容140(CGC1)，与一介于控制闸电极90与漂浮闸30间的电容160(CFG)。
另外，所述图2的等效电路还包含有一介于漂浮闸30与源极区电极100间的电容170(CS)，与一介于漂浮闸30与基层20的一部份190间的电容180(CSUB2)。基层的一部份190定义为于漂浮闸30与通道40的下的基层的一非通道部份。所述等效电路还包含有一介于漂浮闸30与漂浮闸之下的通道区40的一部份210间的电容200(C6C2)。
HSPICE模拟电路仿真工具或其它电路仿真程序可以与上述一致的电容电路予以程序化，且一旦电容值准确决定后，可用于预测胞元如何反应操作，譬如读取或写入。
为准确决定上述的电容值，电可擦可编程只读存储器(EEPROM)可与一量测组件连接以执行一半导体组件中的电流与电压量测，例如普遍使用的Hewlett-PackardModel Series Nos.HP 4142/4145/4156量测组件。电可擦可编程只读存储器(EEPROM)最好置于一“黑”箱中，其是用于遮蔽光线以消除量测扰乱。微定位器(Micropositioner)可使操作员或机械手臂使所欲连接与EEPROM相连。
许多耦合比例会影响EEPROM中的漂浮闸电压，如控制闸对漂浮闸的耦合比例(αG)、源极端对漂浮闸的耦合比例(αS)、漏极对漂浮闸的耦合比例(αD)与基层对漂浮闸的耦合比例(αSUB)。当然，控制闸对漂浮闸的耦合比例(αG)与源极端对漂浮闸的耦合比例(αS)对漂浮闸电压有最大影响。对分离闸EEPROM胞元而言，以上四个耦合比例是所仅应用的比例。至于其它EEPROM的结构则具有额外应用的比例。
例如，于如图2所示的EEPROM等效电路中，CT为总漂浮闸电容(＝CFG+CS+CGC2+CSUB2)。因此，漂浮闸耦合比例为αG=CFGCT]]>αS=CSCT]]>αSUB2=CSUB2CT]]>αGC2=CGC2CT----(1)]]>因为这里所描述的特殊程序，包含将EEPROM胞元的漂浮闸完全充电，即将所述胞元予以程序化至一“0”状态，以及提供一高临界电压(threshold voltage)，通道40微弱地反转而避免基层耦合。所以，αSUB2项可以忽略。再者，耦合比例αGC2亦可视为忽略，这是因为4通道40没有完全形成。
使用不可忽略的耦合比例与总电容的表示式，可得一第一线性方程式αG+αS＝1 (2)
因为第一线性方程式仅有未知变量αG与αS，仅需要两独立线性方程式。根据本实施例的方法提供了一方程式组合而能够使电路设计者迅速并准确地决定耦合比例。当图1的EEPROM的基层接地时，第一方程式才有效。
第二线性方程式则如下所推导。当胞元使用于反操作模式时，其中恒源极电流注入强迫所述胞元中，而考虑弱反转区域中的一源极电流，则源极电压VS与控制闸电压VCG相对于αG与αS耦合比例间的改变的关系可以决定。
于反操作模式下，源极电流对临界区域VS的依赖可以忽略。电流仅可经漂浮闸电压而影响，借助耦合比例，与基层，或背极偏压(back-gate bias)。如果背极(基层)处于接地电位时，则背极偏压可以忽略。所以，临界电流(IS)与漂浮闸电压(VFG)可表示为Is＝I0exp[β(VFG-VT)]VFG=αGVCG+αSVS+QFGCT----(3)]]>其中I0为常数，β为q/nkT(q/kT为热电压的倒数，25.9mV)，n为介于1.5~3的数字，VT为临界电压(threshold voltage)，QFG为漂浮闸上的电荷。取代VFG并取其自然对数可简化第(3)式为InIS=InIG+β(α0VCG+αSVS+QFGCT-VT)----(4)]]>VS=V0-αGαSVCGcos]]>(IS，QFG，VTbeing constant) (5)为维持IS、QFG与VT为常数，源极电流IS维持于一固定值。并且，所述胞元程序化于“0”状态，而能确保漂浮闸上具有高电荷以排拒外来电荷而使QFG与VT维持于常数值。
对第(5)式等号左方取对于变量VCG的偏微分可获得第二线性方程式其中S定义为S=αGαS----(6)]]>S≡dVSdVG----(7)]]>与本发明较佳实施例一致的方法，S值(耦合是数的比例)可借助决定控制闸相关于源极的电压改变速率的方法而量测的。图3A与图3B为使用根据本发明线性方程式以决定耦合是数αS与αG的程序。
如图4至图7的实验例亦将于上下文中作为参考用。
首先，EEPROM胞元借助移除胞元上电荷初始化(步骤310)。因此，所述胞元置于与一逻辑高状态一致的完全导电状态，例如“1”状态。然后，将所述胞元完全程序化以置放大量电荷于所述胞元上。换言之，所述胞元借助注入大量电荷于漂浮闸上以使所述胞元不导电而置于一逻辑低状态，例如“0”状态。删除与程序化所述胞元的循环可避免软程序(soft program)状况的发生。由于漂浮闸里有大量电荷，由充电源极电流的再注入电荷将有其限制。因此，伴随胞元的完全程序化，漂浮闸上的电荷(第(3)式的QFG)将在接续步骤中几乎为一常数，这是因为漂浮闸上完全电荷将显著地抑制接续步骤中的强迫电流所引起的电子注入。
于实验例中，“0”状态对应于5.4V的临界电压。为解释漂浮闸上的完全电荷的效应，于实验例中使用一逻辑“0”状态，临界电压于实验例程序中由5.4V变换至5.14V。与其相比较，当使用逻辑“1”状态时而胞元的临界电压由0.9V变换至2.2V，电子注入的问题是非常严重的。实际上，临界电压的大变换可显示漂浮闸的大电子注入，接着使得程序失败，这是因为QFG将不是常数。所以，胞元最好初始化于“0”状态。
在胞元初始化后，可借助正常读取操作来量测胞元的临界电压(步骤320)。换言之，当完全程序化时，决定ID对VCG以记录组件的正确值。
当控制闸电压的扫视范围与强迫电流为在一关系而使胞元维持于临界区域时，第(1)式至第(7)式仍然有效。当所述方法维持VCG与临界之下的值时，胞元的临界应予决定之。为了使用量测值决定临界，在胞元初始化后，量测IS对VCG以决定临界发生的VCG值，它是借助IS快速上升而显示的(步骤330)。或者，临界可大约决定，当临界(Vth)定义为VCG(于max.gm时)－1/2VDS。跨导(transconductance)gm为反转电荷反应闸极电压电荷的指针。当闸极电压增加时，跨导(transconductance)gm将渐增至一最大值，且然后饱和并降低其值。当VCG＜Vth时，IS为临界电流。如果所述胞元并反操作于临界区域的话(步骤340)，程序会终止，且显示一错误(步骤350)。
图4为当使用量测值决定临界时的胞元的操作。图4中，当VCG增加时而IS开始迅速上升时，临界发生。图4中不连续标号至上生的IS左方为量测组件的量测分辨率与组件制造的产物。这些标号可以忽略。
如果胞元操作于次临界区域，漏极电流ID与源极电流IS可直接量测以决定源极-基层连接是否具大量漏电流(步骤360)。的上所导衍的方程式是假设所有源极电流IS来自于漏极。如果有一寄生电流至源极，则这假设将不成立。
为决定是否有大量漏电，需验证电流ID与IS差的绝对值是否超过一与所想要量测值的容忍度的预决定值。电流ID与IS差的绝对值与ID绝对值的比例为一错误值ERR。对于一定义ERRI值的约3％容忍度而言，则当ERR比ERRI小时，基层电流是可容忍的，且当ERR比ERRI大时，基层电流会导致一错误值(步骤370)。如果绝对值太大的话，这程序将终止，并会显示错错(步骤350)。
图5显示实验例中源极与漏极电流的量测值。如图5黑体字所示，于VCG为3.6V时，源极电流(199.966nA)与漏极电流(200nA)相同，即显示基层电流可予以忽略。事实上，图5明显显示想电流间的差异。尽管如此，于所述实验例中，黑体字显示出基层电流为一0.034nA的定值。
如果基层电流可忽略的话，胞元将置于反操作模式(步骤380)。正电流由漏极流向源极，即电子由源极流向漏极，且源极上电压会比漏极上电压处于更高电位。
于反操作模式，IS设定于一常数值。于实验例中，IS设定于200nA，它比基层电流(0.034nA)大得多。控制闸电压借预决定或可变的增值而连续下降，例如在预决定的0.05V增值下由5V降至1V。于实验例中，扫视范围在0.05增值下为介于6V与2.3V之间。如果VCG是以增加大小来扫视的话，初始VCG低值需要VS设定于高值以建立一非电荷通道并产生源极电流。大VS值会导致所不想要的电子注入于漂浮闸中。
因为IS为一常数值，源极电压会增加。因此，借参考图3B与图6中的例子，可以得到VCG对VS的图样610(步骤410)。于图样610中的固定斜率范围中，胞元操作于次临界区域。
图6中的图样610的斜率或微分可以决定的(步骤420)。所述斜率非应了S值。图6中显示图样620的S对VCG绘图。为测试S仅是微弱地依赖VS的假设，如图7的实例所示，可以建立S对VS绘图。如图7所示，当VS递减则S＝f(VS)递增，这是因为电容CS的增加是由源极消耗区域扩大影响。
一旦S决定后，耦合比例αG与αS可以借助参考上述方程式(2)与(6)轻易地决定的(步骤430)。
为证实仅有一小量电荷注入于漂浮闸中，即临界电压仅偏移一小量，需建立ID对VCG绘图(步骤440)，且量测值可以确认导因于漂浮闸电荷的临界电压偏移可以忽略。因为上述导衍的方程式是假设漂浮闸上电荷为常数，如果有大量改变时，则假设将会错误。
临界电压已由步骤440决定，临界电压差值的绝对值，例如量测前的临界电压与借由本发明方法操作的临界电压的差值，需检视以判断其是否超过与量测值希望的容忍度一致所决定的预决定量(步骤450)。如果绝对值太大的话，例如大于0.1V，程序会终止并显示错误，因为严格的电流注入于漂浮闸上将会发生(步骤350)。
一旦耦合比例决定后，这些值将用于一模式化程序中，例如HSPICE，以设计并制造一电可擦可编程只读存储器(EEPROM)。使用习用模式化技术无法提供正确耦合比例值，其意味闸极对源极关系不能正确地描述而导致无法电路设计。
由本发明方法所得的正确的模式提供了胞元的准确负载电容与电阻，其意味着对于下一阶段干扰放大器上升至下降时间的电压比例可以正确地被认为致使一改善的设计与产品。
说明书与实施例是用于作为示例用，熟悉本技术的人员可以不偏离本发明精神而对本发明做不同的修正或改变，例如，对一只读存储器(ROM)或其它半导体组件的电极的电容建立模式是可以完成的。这些修正和改变均包括在本发明的专利保护范围内。
权利要求
1.一种用于决定一分离闸存储胞元特性的方法，包括下列步骤将一漂浮闸完全充电；于漂浮闸完全充电时量测所述存储胞元的一参数；以及根据所述量测值决定所述存储胞元的特性。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述将漂浮闸完全充电包含有移除所述漂浮闸上所有电荷，并且然后增加电荷于所述漂浮闸上至所述漂浮闸完全充电为止。
3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述参数的量测包含有量测相对于一源极闸电压的一控制闸电压。
4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述特性的决定包含有决定一电容特性。
5.一存储胞元，其特征在于，它是使用如权利要求1的所决定的特性进行设计的。
6.一存储胞元数组，其特征在于，所述数组的每一胞元是使用如权利要求1所决定的特性而设计的。
7.一种用于决定一分离闸存储胞元特性的方法，包括下列步骤将所述存储胞元初始化；将所述存储胞元置于一反操作模式；扫视所述存储胞元的一控制闸电压；量测所述胞元的一源极电压；以及决定所述存储胞元的特性。
8.如权利要求7所述的方法，其特征在于，所述初始化包含有量测所述胞元的相对于一控制闸电压的一漏极电流，以及量测所述胞元相对于一控制闸电压的一源极电流并决定所述存储胞元是否处于一次临界区域中，且如果所述存储胞元是处于一次临界区域中时，将一漏极电流与一源极电流相比较。
9.如权利要求7所述的方法，其特征在于，所述方法还包括确认所述特性的决定已否有效执行。
10.如权利要求9所述的方法，其特征在于，所述确认包含有决定一临界电压改变。
11.一存储胞元，其特征在于，它使用如权利要求7的所决定的特性进行设计。
12.一存储胞元数组，其特征在于，所述数组的每一胞元是使用如权利要求7所决定的特性而设计的。
13.一种用于决定一分离闸存储胞元的两特性的方法，包括下列步骤定义一含有三未知变量的第一函数，而所述两特性为其中的两未知变量；定义一第二函数而其中仅两特性为未知变量；量测一第一组件参数相对于一第二组件参数以决定所述第一函数的其余未知变量；以及使用量测值而解所述第一函数与所述第二函数以决定所述两特性。
14.如权利要求13所述的方法，其特征在于，所述第一函数为 ；其中S为其余未知变量，耦合比例αG为所述两特性的其一特性，耦合比例αS为所述两特性的另一特性，耦合比例αG为于总漂浮闸电容中漂浮闸电容对源极电极电容的比例，耦合比例αS为于总漂浮闸电容中控制闸电极对漂浮闸电极电容的比例。
15.如权利要求14所述的方法，其特征在于，所述第二函数为αG+αS＝1。
16.如权利要求15所述的方法，其特征在于，所述第一组件参数为一变化源极电压且所述第二组件参数为一变化控制闸电压，且其余未知变量S为变化源极电压与变化控制闸电压的比例。
17.一存储胞元，其特征在于，它使用如权利要求13所决定的特性进行设计。
18.一存储胞元数组，其特征在于，所述数组的每一胞元是使用如权利要求13所决定的特性而设计的。
19.一种用于决定一分离闸存储胞元耦合比例的方法，其特征在于，包括下列步骤将所述存储胞元初始化；将所述存储胞元置于一反操作模式；扫视所述存储胞元的一控制闸电压；量测所述胞元的一源极电压；以及决定所述存储胞元的耦合比例，其中所述耦合比例为于包含一差异胞元组件阻抗值的总组合胞元阻抗值中的差异胞元阻抗值的比例。
20.如权利要求19所述的方法，其特征在于，所述第一耦合比例为于总漂浮闸电容中的控制闸电极对漂浮闸电容的比例，而所述第二耦合比例为于总漂浮闸电容中的控制闸电极对漂浮闸电容的比例。
全文摘要
一种决定分离闸存储胞元特性的方法包括:将存储胞元初始化;将存储胞元置于反操作模式;扫视存储胞元的控制闸电压;量测胞元的源极电压以及决定存储胞元的耦合比例。初始化包含将胞元的漂浮闸完全充电并在此时进行量测。定义含有其中为两耦合比例的三未知变量的第一函数与仅有两耦合比例为未知变量的第二函数。通过使用量测值解第一函数与第二函数以决定分离闸存储胞元的两耦合比例。这样可建立所述分离闸存储胞元的一准确等效模式。
文档编号G11C16/00GK1388576SQ0111974
公开日2003年1月1日 申请日期2001年5月24日 优先权日2001年5月24日
发明者高启弘 申请人:华邦电子股份有限公司