专利名称：非易失性存储器的多电平单元编程方法
技术领域：
本发明是关于一种电子数据储存装置，具体而言，是关于一种非易失性多电平单元(MLCmulti-level-cell)半导体存储器装置及一种在对多单元(MBC)存储器内的多电平单元进行一系列编程时维持读取窗的持续时间的方法。
背景技术：
已知为电子可擦除的可编程只读存储器(EEPROM)及闪存的以电荷储存结构为主的电子可编程的可擦除非易失性存储器技术已广泛应用于许多现代应用上。闪存被设计成可以单独编程及读取的存储器单元阵列。闪存内的读出放大器是用以测定储存于非易失性存储器内的数据或数值。在典型的检测机制里，通过被感测的存储器单元的电流是由一电流读出放大器与参考电流进行比较。
许多存储器单元结构可以用来作为EEPROM及闪存。随着集成电路越来越小，以电荷捕获介电层为主的存储器单元结构因为制造过程简单而越来越受到青睐。存储器单元结构介由捕获在捕获介电层内例如氮化硅层内的电荷的方式来储存数据。当负电荷被捕获时，存储器单元的起始电压会增加。存储器单元的起始电压是经由从电荷捕获层移除负电荷的方式来降低。
如图1所示，图1示出一种传统多单元编程方法100，该方法是依次对具四位的氮化物捕获存储器单元进行编程的流程图。方法100依次进行对氮化物捕获存储器单元的编程首先从电平(level)I的编程(步骤110)开始，接着进行电平II的编程(步骤120)，接着进行电平III的编程(步骤130)。氮化物捕获存储器单元的顺序编程可能造成互补位扰乱(或第二位效应)，这进而由于高边界位移的影响而缩小了读取窗的宽度。以下将进一步参照图2对这一缺点加以说明。
图2示出说明氮化物捕获存储器单元内不同起始电压电平(level)的顺序编程的曲线图200。擦除后，曲线图200起初为电平0 210。在步骤1中，进行电平I的编程(步骤220)，其显示出起始电压分布225。在步骤2中，进行电平II的编程(步骤230)，其显示出一起始电压分布235。在步骤3中，进行电平III的编程240，其显示一起始电压分布245。每个编程顺序都将会造成较低Vt电平的高边界移动。在电平II编程230之后，在较低Vt电平的高边界右移，如225-2所示。符号ΔVt1 227代表在电平I编程220中较低Vt电平的高边界位移量。在电平III编程240之后，电平I编程中的较低Vt电平的高边界右移，如225-3所示，而在电平II编程中较低Vt电平的高边界右移，如235-2所示。符号ΔVt2 237表示电平II编程230中较低Vt电平的高边界的移动量。
对于一较高的Vt电平而言，会因互补位扰乱而引发较大的窗损失。结果，最高边界，H区域247，会产生对Vt移动量(ΔVt0，ΔVt1及ΔVt2)的主要影响。读取速度因为每个电平编程顺序皆由一被擦除Vt区域开始而变得较慢。
因此，需要一种多电平单元编程方法，该方法可降低或消除一存储器阵列中一或多个氮化物捕获存储器单元的较低Vt电平的高边界移动。
发明内容
本发明是提供一种改变氮化物捕获存储器单元的多位单元内的多电平单元编程顺序的新颖方法，其降低或消除编程步骤之间的起始电压移动，同时避免因互补位扰乱所引起对读取窗持续时间的抑制。本发明的氮化物捕获材料存储器单元的一适当实施例是SONOS单元。在第一实施例中，本发明是依下列顺序对具四个位的多位单元内的多电平单元进行编程的编程第三编程电平(电平III)，将第一编程电平(电平I)及第二编程电平(电平II)编程至电平I，以及从第一编程电平编程第二编程电平。在第二实施例中，本发明是依下列顺序对具四位的多位单元内的多电平单元进行编程编程第三编程电平(电平III)，编程第二编程电平(电平II)，及编程第一编程电平(电平I)。
广义而言，一具四位的氮化物捕获存储器单元的多位单元内的多电平单元的编程方法包括在氮化物捕获存储器单元内执行电平III编程，该电平III的编程具有第三起始电压电平；在电平III编程后，在氮化物捕获存储器单元内进行电平II编程，电平II编程具有第二起始电压电平；及在电平II编程后，在氮化物捕获存储器单元内进行电平I编程，电平I编程具有第一起始电压电平；其中第三起始电压电平高于第二起始电压电平，且第二起始电压电平高于第一起始电压电平。
有利地，本发明因互补位状态的相互作用而产生一较快编程速度。本发明也有利地抑制由于互补位扰乱造成的读取窗损失。
以下是详细说明本发明的结构与方法。本发明内容的目地并非在于定义本发明。本发明是由权利要求所限定。本发明的这些实施例、特征、观点及优点等将可通过以下的说明书，所附的权利要求及附图而得到更好的理解。
图1示出一种传统的多位单元编程方法的流程图，其依次对一具有四位的氮化物捕获存储器单元进行编程；图2示出对氮化物捕获存储器单元内不同编程电压电平顺序进行编程的示意图；图3A示出根据本发明的一种具二位的氮化物捕获存储器组件内多位单元的结构剖面图；图3B示出根据本发明的利用沟道热电子编程技术进行编程的氮化物储存单元的简化操作剖面视图；图4示出根据本发明的在一多位单元内的多电平单元的不同编程电压电平的示意图；图5示出根据本发明的在一多位单元氮化物捕获材料内的多电平单元的结构视图；
图6示出根据本发明的在多电平单元内互补位扰乱的示意图；图7示出根据本发明的第一实施例的一种提高多电平单元编程速度且同时抑制因互补位扰乱所引起的读取窗损失的方法；图8示出根据本发明的第二实施例的一种以相反编程顺序提高多电平单元编程速度且同时抑制因互补位扰乱所引起的读取窗损失的方法；图9示出根据本发明的第一和第二实施例中多电平单元的编程过程的流程图；以及图10示出根据本发明的一个实施例的四编程电平的起始电压的示意图。
具体实施例方式
现参考图3A，该图示出一种具二位的氮化物捕获存储器组件300内的多位单元(MBC)的结构的剖面图。第一位，位A 310，位于氮化物捕获存储器组件300的左侧上，而第二位B 320则位于氮化物捕获存储器组件300的右侧上。氮化物储存单元结构300是利用在p型基板334上的位线n+植入330及一位线n+植入332方式制得的。沟道336从位线n+植入330的右侧延伸到位线n+植入332的左侧。氧化物-氮化物-氧化物介电层338具有一被氮化硅层342覆盖的底部二氧化硅层340，其中氮化硅层342被一上二氧化硅层344覆盖。硅化钨(WSi2)及多晶硅导电栅极结构(例如由多晶硅及硅化钨所构成)348覆盖上二氧化硅层344。位线氧化物346位于位线n+植入332，WSi及多晶硅348之间。
请参考图3B，该图示出利用沟道热电子编程技术进行编程的氮化物储存单元的简化操作剖面视图350。当对位I 352进行编程时，漏极区域356定义在右侧上，并连接阻障层扩散N+(BD N+)358，而源极364则定义在左侧，并连接阻障层扩散N+366。另一方面，阻障层扩散N+366连接作为虚拟接地Vs的源极区域364。漏极及源极区域的认定与操作可利用虚拟接地Vs进行交换，使得当位I进行编程时漏极区域位于右侧而源极区域位于左侧，当位II进行编程时漏极区域位于左侧而源极区域位于右侧。编程期间电子364是储存于一氮化物层(Si3N4)370内的。
至于在既定存储器单元面积内增加氮化物捕获存储器组件300密度的技术，请参考图4，其示出的图形400为一种利用分离起始电压电平的电方式达到位总数从两位增加到四位的多电平单元。在一MLC实现中，第一编程电平(电平0)410，一第二编程电平(电平I)420，一第三编程电平(电平II)430，及一第四编程电平(电平III)内的编程电平(或起始电压电平)分别由二进制数格式11，01，10及00表示。在另一MLC实现中，编程电压电平分别由二进制数格式11，01，00及10表示。在又一MLC实现中，编程电压电平是以二进制数格式11，10，00及01表示的。本领域技术人员应了解起始电压电平定义不限于此三个实施例，而其它起始电压电平定义亦可用于本发明，且不脱离本发明的精神范畴。
为了在多位单元的氮化物存储器单元内建立一多电平单元，在图5中的氮化物捕获存储器单元500内左侧及右侧上的每个位具有二个Vt电平，使得氮化物捕获存储器单元500有效地包含四个位。氮化物捕获存储器单元500的左侧包含位I 510及位II 520，而氮化物捕获存储器单元500的右侧则包含位III 530及位4 540。换言之，氮化物捕获存储器单元500在左侧上具有二个位，位I 510及位II 520，而右侧上具有二个位，位III 530及位4 540。本领域技术人员应了解可施加额外的Vt电平给氮化物捕获存储器单元500内的每个位，以为每个氮化物捕获存储器单元500产生8个，16个或更多个位。
图6为示意图600，其示出氮化物捕获存储器单元500左侧与右侧之间的互补位扰乱(或第二位效应)。由于左侧上两个位中之一(位I 510或位II 520)与氮化物捕获存储器单元500内两个位中之一(位III 530或位4 540)之间的相互作用，起始电压将依互补位状态而受到影响。在多位单元氮化物捕获存储器单元500内，左侧上两个位之一(位I 510或位II 520)及右侧上两个位(位III 530或位4 540)之一落入L1区域610内，亦即落入低Vt区域内。在一实施例中，假设位I 510与位III 530落入L1区域610。起始电压Vt，位I 510会升到L2区域620，如果位III 530被编程至高Vt电平区区域630，即使位I 510未被编程。起始电压Vt的移动ΔVt是指一互补位扰乱。互补位扰乱造成互补较低Vt(或被擦除Vt)位的类似编程行为。Vt范围是指一起始电压状态，亦即施加于字线以使存储器单元可以被读取成相对于相应参考电流的被擦除状态的最小电压。
编程多电平单元的两个优先考虑因素为编程速度及读取窗。互补位扰乱是作为与改善氮化物捕获存储器单元的编程速度有关的因素。另一影响氮化物捕获存储器单元的编程速度的因素则为何时相邻位具有高起始电压Vt。例如，如果位I 510具有高起始电压Vt状态，则位III 530的编程速度可能较快。
图7示出一种提高多电平单元编程速度且同时抑制因互补位扰乱所引起的读取窗损失的方法的示意图700。示意图700显示出依下列顺序进行编程(1)进行电平III的编程；(2)进行电平I的编程，及将电平II编程成电平I，及(3)从电平I编程电平II。起初，氮化物捕获存储器单元500在电平0 710操作时被擦除。步骤1不是开始在电平I进行编程，而是氮化物捕获存储器单元500被编程成电平III720。步骤2时，在730里，氮化物捕获存储器单元500被编程至电平I，也将电平II编程至电平I。步骤3时，在740里，氮化物捕获存储器单元500从电平I被编程至电平II。
在第一实施例中，电平I位编程速度提升的理由有二。首先，就第一方法的编程顺序而言，如果相邻位为电平III且具有高Vt，则编程速度较快。换言之，如果位I 510(左侧)具有高Vt状态，则位III530的编程将更快。其次在一些位的初始点处由电平III编程产生的互补位扰乱，不是来自被擦除状态，而是来自图7所示的B区域725(而非图2所示的A区域215)，即转换至较高Vt区域。换言之，互补位扰乱是用以辅助编程。
电平II的编程速度在第一方法里获得提升，其原因有二。首先，在第一方法的编程顺序里，如果相邻位非电平III即电平I且二者皆为高Vt，则编程速度将更快。换言之，如果位I 510(左侧)具有高Vt状态，则位III 530(右侧)的编程将更快。其次，假定电平II的编程也在电平I编程状态时进行，则最终电平II编程期间一些位的初始点是来自图7所示的C区域735，而非图6所示的A区域215。
第一方法也维持了读取窗的持续时间。图2所示的读取窗损失ΔVt2 237被消除，图2所示的ΔVt1 227也明显受到抑制，因为第一方法的第一顺序是进行电平III 720的编程。如图7所示，ΔVt1 744小于图2所示的ΔVt1 227，因为ΔVt1 744受到H1区域750影响而非来自H区域752。参数ΔVt0 742的起始电压移动也获得改善，因为在第一方法中电平III目标根据较紧凑的电平I及电平II的读取窗而降低。
图8是一种以相反顺序提高多电平单元编程速度且同时抑制因互补位扰乱所引起的读取窗损失的方法的示意图800。图800所示的第二方法采用逆向编程顺序(1)编程电平III；(2)编程电平II及(3)编程电平I。图800所示的第二方法降低或消除电平I处的小读取窗损失ΔVt1。
首先，氮化物捕获存储器单元500在电平0 810处操作时呈被擦除状态。在步骤1中，氮化物捕获存储器单元500被编程至电平III820，而不是在电平I开始进行程序。步骤2中，氮化物捕获存储器单元500被编程至电平II 830。步骤3中，氮化物捕获存储器单元500被编程至电平840。
在图800所示的第二方法的逆向编程顺序中，在完成较低电平位编程后，除了不需要被编程的已擦除位区域外，相邻位(互补位)的不期望效应将被编程至较高电平。例如，电平II 830的编程完成后，不需要考虑相邻位是否稍后将被编程成较高电平(亦即电平III)，如互补位扰乱所引起的情况，因为电平III 820已经被编程了。因此，相对于传统方法而言，图800所示的第二方法的逆向编程顺序可降低或消除ΔVt1及ΔVt2读取窗损失。
请参考图9，其示出第一及第二具体实施例中多位单元内多电平单元的编程过程的流程图。虽然图7所示的第一实施例的编程方法及图8所示的第二实施例的编程方法可以分别实施，但是存储器阵列的编程行为因电流泵的有限能力而希望以数个编程单元组合方式实施。通常，如果编程单元在多电平单元内具有电平I或电平II等模式，则流程将遵照第二具体实施例的方法进行，否则将按照第一具体实施例的方法进行。
在步骤910里，过程启动编程顺序。因为图700所示的第一编程方法与图800所示的第二编程方法皆开始于电平III的编程，所以方法900在步骤912进行电平III的编程。步骤914时，方法900进行电平III编程的确认检查。在步骤916里检测上述确认结果，以决定是否通过电平III的确认。如果步骤906无法通过结果检测，则方法900决定一暂停极限。如果没有达到暂停极限，则方法900回到步骤912，进行电平III的编程。如果已经达到暂停极限，则方法900在步骤908显示电平III失败。然而，如果步骤916通过确认检测，则方法900前进至一编程单元并在步骤920分析是否编程单元在一单元内具有电平I或电平II。″一单元内具有电平I或电平II″是指一单元的左侧为电平I而相同单元右侧为电平II，或一单元左侧为电平II而相同单元右侧为电平I。如果方法900测定到编程单元在一单元内没有电平I或电平II，则方法进行图700所示的第一编程方法。如果方法900测定到编程单元在一单元内具有电平I或电平II，则方法进行图800所示的第二编程方法。
在实施第一实施例的方法时，方法900在步骤930进行电平I(I+II)的编程。在电平I的编程的同时，″预定电平II模式″至电平I也被编程，以降低接续编程电平II的时间。当步骤950编程电平II时，方法900只需要将模式从电平I编程至电平II，而非如传统所教导的从电平0到电平II。
在步骤930编程电平I(I+II)后，方法900在步骤940进行电平I(I+II)编程确认。步骤942里，方法900测定是否电平I确认测试已经通过。如果电平I确认未通过，则方法900在步骤944检查暂停极限。如果暂停极限未达到，则方法900回到步骤930。如果暂停极限已经达到，则方法900在步骤946表示电平I编程失败。如果电平I确认未通过，则方法900进行到步骤950，进行电平I的编程。
在开始编程电平II的步骤950后，方法900在步骤952进行电平II编程确认。步骤954里，方法900测定是否电平II确认测试已经通过。如果确认测试未通过，则方法900在步骤956检查暂停极限。如果暂停极限未达到，则方法900回到步骤950。如果暂停极限已经达到，则方法900在步骤958表示电平II编程失败。如果确认通过，则方法900在步骤980结束编程流程。
在实施第二实施例的方法时，在步骤960里，方法900进行电平II的编程。方法900在步骤962进行电平II编程确认。步骤964里，方法900检查是否电平II编程确认通过。如果确认未通过，则方法900在步骤966测定一暂停极限。如果暂停极限未达到，则方法900进行步骤960。如果暂停极限已经达到，则方法900在步骤968表示电平II编程失败。
如果编程确认通过，则方法900在步骤970进行电平I的编程。方法900在步骤972进行电平I的编程确认。步骤974里，方法900检查是否编程确认通过。如果编程确认未通过，则在步骤976里方法900检查一暂停极限。如果暂停极限没有达到，则方法900进行到步骤970。然而，如果暂停极限已经达到，则方法900在步骤978显示电平I编程失败。如果编程确认通过，则方法900在步骤980结束编程操作。
每个多位单元具有一左侧位(或位A 310)及一右侧位(位B 320)，如图3所示。多位单元内的多电平单元创造出四个位左侧上的位I510及位II 520及右侧上的位III及位4，以及在单一多位单元内有四个编程电平，电平0，电平I，电平II及电平III。因此，有十六个可能组合(电平0，电平0)，(电平0，电平I)，(电平0，电平II)，(电平0，电平III)，(电平I，电平0)，(电平I，电平I)，(电平I，电平II)，(电平I，电平III)，(电平II，电平0)，(电平II，电平I)，(电平II，电平II)，(电平II，电平III)，(电平III，电平0)，(电平III，电平I)，(电平III，电平II)及(电平III，电平III)。
多位单元氮化物捕获材料内多电平单元的编程的方法顺序可以视选定设计或实施方式而定。例如，方法顺序编程位于左侧上的第一位，右侧上的第三位，及左侧上的第二位。在另一实施例里，方法顺序编程一位于右侧上的第三位，位于左侧上的第一位，及右侧上的第四位。
图10示出四个编程电平的起始电压的示意图1000。在一具体实施例里，四个不同电平编码为电平0＝11，电平I＝01，电平II＝10，电平III＝00。本领域技术人员应了解其它编码或定义也可以实施，且不脱离本发明的精神范畴。四个不同电平形成从多电平单元左侧到多电平单元右侧共十六个可能条件组合，如下表1所示。
表1
电平0 1010编程(以双位数11编码)具有大约4.5伏特的起始电压，设定约在擦除确认(EV)电压电平I012。电平I 1020编程(以双位数01编码)具有大约4.5伏特+200微伏+200微伏+350微伏的起始电压。电平II 1030编程(以双位数10编码)具有大约4.5伏特+200微伏+200微伏+350微伏+200微伏+200微伏+350微伏的起始电压。电平III 1040编程(以双位数00编码)具有大约4.5伏特+200微伏+200微伏+350微伏+200微伏+200微伏+350微伏+200微伏+200微伏+350微伏的起始电压。第一读取电压RD11014设定在电平0 1010电压及电平I 1020电压。第二读取电压RD2 1022设定在电平I 1020电压及电平II 1030电压的间。第三读取电压RD3 1032设定在电平II 1030电压及电平III 1040电压的间。第一编程确认PV11016设定接近电平I 1020编程电压范围的底限。第二编程确认PV101024设定接近电平II 1030编程电压范围的底限。第三编程电压范围PV00 1034设定接近电平III 1040编程电压范围的底限。
虽然本发明是已参照较佳实施例来加以描述，应该理解的是，本发明创作并不受限于其详细描述内容。以电荷捕获介电层为主实施多位单元内的多电平单元的存储器单元结构，例如包括本领域所知的氮化物只读存储器(NROM)，SONOS及PHINES等。虽然多位单元内的多电平单元的编程已揭露如上，但是本发明仍可应用于页编程或其它类型如存储器阵列内的MBC的MLC区块，区段或次区块的编程。替换方式及修改样式已于先前描述中作出了建议，并且其它替换方式及修改样式将为本领域技术人员所思及。特别是，根据本发明的结构与方法，所有具有实质上相同于本发明的构件结合而达成与本发明实质上相同结果者皆不脱离本发明的精神范畴。因此，所有此等替换方式及修改样式是意欲落在本发明于所附权利要求及其等价物所界定的范畴中。
权利要求
1.一种编程一四位氮化物捕获存储器单元中的一多位单元内的一多电平单元的方法，该方法包括进行该氮化物存储器单元内的电平三的编程，其中该电平三的编程具有一第三起始电压电平；在该电平三编程后，进行该氮化物捕获存储器单元内的电平二的编程，其中该电平二的编程具有第二起始电压电平；及在该电平二编程后，进行该氮化物捕获存储器单元内的电平一的编程，其中该电平一的编程具有第一起始电压电平；其中该第三起始电压电平高于该第二起始电压电平，且其中该第二起始电压电平高于该第一起始电压电平。
2.如权利要求1所述的方法，还包括如果该电平三的编程已经通过电平三确认测试，进行该电平二的编程。
3.如权利要求1所述的方法，还包括如果该电平二的编程已经通过电平二确认测试，进行该电平一的编程。
4.如权利要求1所述的方法，还包括确认该氮化物捕获存储器单元内的电平三的编程；确认该氮化物捕获存储器单元内的电平二的编程；及确认该氮化物捕获存储器单元内的电平一的编程。
5.一种编程一存储器阵列中氮化物捕获存储器单元内的多电平单元的方法，该方法包括进行该氮化物捕获存储器单元内的电平三的编程；在该电平三编程后，进行该氮化物捕获存储器单元内的电平一的编程及电平二的编程，其中该电平二编程被编程至该电平一编程；及在该电平一编程后，以一个起始电压从该电平一的编程开始进行该氮化物捕获存储器单元内的电平二的编程；其中该电平三编程的起始电压电平高于该电平二编程的起始电压电平，且其中该电平二编程的起始电压电平高于该电平一编程的起始电压电平。
6.如权利要求5所述的方法，还包括如果该电平三编程已经通过电平三确认测试，则进行至该电平一的编程。
7.如权利要求6所述的方法，还包括如果该电平一编程已经通过电平一确认测试，则进行该电平二的编程，。
8.如权利要求7所述的方法，还包括确认该氮化物捕获存储器单元内电平三的编程；确认该氮化物捕获存储器单元内电平一的编程；及确认该氮化物捕获存储器单元内电平二的编程。
9.一种在一具有电平一编程、电平二编程及电平三编程的存储器阵列内的一氮化物捕获存储器单元的一多位单元里进行一多电平单元编程的方法，该方法包括进行该氮化物捕获存储器单元内的电平三的编程；在该电平三编程后，决定该氮化物捕获存储器单元是否需要该电平一编程及该电平二编程。
10.如权利要求9所述的方法，还包括如果该氮化物捕获存储器单元需要该电平一编程或该电平二编程，则进行该电平二的编程，。
11.如权利要求10所述的方法，还包括进行电平一的编程。
12.如权利要求9所述的方法，还包括如果该氮化物捕获存储器单元不需要电平一编程或电平二编程，则进行该电平一编程和该电平二编程。
13.如权利要求12所述的方法，还包括自该电平一编程进行该电平二的编程。
14.如权利要求9所述的方法，还包括如果该存储器阵列内的一编程单元需要该电平一编程或该电平二编程，则进行该电平二编程。
15.如权利要求9所述的方法，还包括如果该存储器阵列内的一编程单元不需要该电平一编程或该电平二编程，则进行该电平一编程和该电平二编程。
全文摘要
本发明披露了一种改变氮化物存储器单元中多位单元内多电平单元编程顺序的方法，该方法可降低或消除编程步骤之间起始电压移动，且同时避免因互补位扰乱所引起读取窗持续时间的抑制。在第一实施例中，本发明依下列顺序编程具四位的多位单元内的多电平单元编程一第三编程电平(电平Ⅲ)，编程一第一编程电平(电平Ⅰ)与一第二编程电平(电平Ⅱ)至电平Ⅰ，以及自第一编程电平对第二编程电平进行编程。在第二实施例中，本发明依下列顺序编程具四个位的多位单元内的多电平单元编程一第三编程电平(电平Ⅲ)，编程一第二编程电平(电平Ⅱ)及编程一第一编程电平(电平Ⅰ)。
文档编号G11C11/56GK101071635SQ20061013603
公开日2007年11月14日 申请日期2006年10月20日 优先权日2005年11月17日
发明者何文乔, 张钦鸿, 张坤龙, 洪俊雄 申请人:旺宏电子股份有限公司