CN1276518C - 使用复合分子材料的浮置栅极存储装置 - Google Patents

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Abstract

一种浮置栅极存储装置，该装置具有浮置栅极(20)以及位于该浮置栅极(20)上的绝缘层(22)。控制栅极(24)位于该绝缘层(22)上。该绝缘层(22)由分子基质所组成，该分子基质中分布有离子复合物。通过施加电场，该离子复合物在该分子基质中是可分离的，以改变该绝缘层(22)中的电阻系数(或导电性)。经由高电阻系数(低导电性)状态(电荷是由浮置栅极(20)所保留)至低的电阻系数(高导电性)状态之间的开关切换，储存在浮置栅极(20)中的电荷可以轻易地流至栅极电极(24)。

Description

使用复合分子材料的浮置栅极存储装置
技术领域
本发明涉及一种应用于储存数据的浮置栅极存储单元(memorycell)，特别是，涉及一种使用具有可改变电阻的介电质作为栅极绝缘体的浮置栅极存储装置。
背景技术
本件专利申请案的主要内容与2001年5月7日提出申请的美国专利临时申请案，编号第60/289,091号“使用复合分子材料的浮置栅极存储装置”所揭露的内容有关。
计算机数据的储存，特别是随机存取内存(RAM)渐渐变成电子硬件中的重要组件。由于速度与数据保存的特性不同，这些存储装置又可以区分为许多不同的类型。动态随机存取内存(DRAM)是一种易失性内存，其特征在于破坏性读取。这表示需要随时对该存储位(memory bits)提供电压，否则讯息就会消失。此外，每个存储元件均具有与其相关的晶体管。静态随机存取内存(SRAM)是将数据储存于双稳态正反器(bistable flip-flop)，通常是由交叉耦合的反向器(inverters)所构成。由于只要供应电源即可保留数值(value)，因此称为“静态的”。相对于“ROM”，此种静态随机存取内存亦为易失性内存，亦即，当电源关掉时，所储存的内容就会消失。通常，SRAM的速度较DRAM快，但每一个位都需要数个晶体管(大约六个)；因此，相较于DRAM，在相同的区域面积中，能够使用的SRAM位数目较少。
修改一般已知的MOSFET栅极电极，使半导体电荷能够储存在该栅极电极中，则新结构即变成一种非易失性的存储装置(浮置栅极晶体管)。非易失性的存储装置已被广泛地用于集成电路，例如电子可变只读存储器(EAOM)、可编程只读存储器(EPROM)、以及非易失性内存(NVRAM)。
在浮置栅极晶体管中，电荷从硅穿过第一绝缘层而射入并储存在该浮置栅极中或绝缘层氧化物的界面。所储存的电荷会增加临界电压的偏移，使装置处于较高的临界电压状态。对于非易失性内存的操作而言，需要较长的保持时间(retention time)。保持时间的定义是指所储存的电荷减少至其初始值50％的时间。对于设计良好的存储装置而言，该电荷的保持时间可以超过100年。欲抹除所储存的电荷使该装置恢复到“低临界电压的装态”时，则于该栅极施加高反向电压及/或使该装置暴露于UV光。该种已知的抹除编程是相对较慢的。
因此，仍需要一种缩短抹除时间且无须使用UV光的浮置栅极存储装置。
发明内容
本发明的具体实例可以符合上述及其它需求，本发明提供一种浮置栅极存储装置，该装置包括基材以及位于该基材上的第一绝缘层。该第一绝缘层上形成有浮置栅极，以及该第二绝缘层位于该浮置栅极上。控制栅极形成于该第二绝缘层上。该第一与第二绝缘层的至少一者具有可控制变化的电阻系数。
在某些具体实例中，该第一与第二绝缘层的至少一者是由分子基质(molecular matrix)所构成，且该分子基质中分布有离子复合物(ioniccomplexes)。
根据本发明，该电阻系数(或导电性)可随着所施加的相对电场而改变。经由开关切换，电阻系数可从高电阻状态(电荷由浮置栅极所保留)转换为较低的电阻状态，储存在浮置栅极的电荷可流至栅极电极。
本发明的其它具体实例亦可满足上述需求，本发明提供一种存储装置，该装置包括：第一绝缘层、位于该第一绝缘层上的浮置栅极、位于该浮置栅极上的第二绝缘层、以及位于该第二绝缘层上的控制栅极。该第一与第二绝缘层的至少一者包括可在低导电性与高导电性状态之间转换的材料，该低导电性与高导电性状态相对应于所施加的电场。
本发明的又一观点亦可满足前述需求，本发明提供一种存储装置，该装置包括：浮置栅极、位于该浮置栅极上的绝缘层、以及位于该绝缘层上的控制栅极。该绝缘层包括分子基质，且该分子基质中分布有离子复合物。
本发明的再一观点亦可满足前述需求，本发明提供一种操作浮置栅极存储装置的方法。该方法包括：使介于浮置栅极与控制栅极之间的绝缘层维持在第一导电状态至少一段足以保留浮置栅极的电荷的预定时间的步骤。在该绝缘层施加电场，使该绝缘层处于第二导电状态，相较于该第一导电状态，该第二导电状态具有较大数量级的导电性，以释放该浮置栅极中的电荷。
参照所附图以及下文所揭示的本发明详细说明，将更了解本发明的上述及其它特征、观点、以及优点。
附图说明
图1显示根据本发明的具体实例所建构的浮置栅极晶体管的非易失性存储装置；
图2a至2d显示根据本发明的理论精神，在不同操作状态，介于两个电极之间的分子复合材料；
图3显示本发明的存储装置的写入与抹除操作的电压-电流特性；以及
图4显示根据脉冲写入的临界振幅的对应脉冲写入时间。
具体实施方式
首先，参照图1，浮置栅极晶体管可以视为在用以使栅极与源极/漏极绝缘的介电质中埋置浮置传导垫而修改的MOSFET晶体管。由于一般所使用的介电质(例如，SiO2以及Si3O4)具有非常高的电阻系数，因此，存留于浮置栅极中的电荷，在该装置的保持时间期间，将会持续地留存在该栅极电极中，该保持时间可长达数年。然而，由于反向隧道隔层(tunnel barrier)的高电阻，栅极电极并不容易通过施加反向的外加电场而轻易地放电。由于此原因，一般是使用UV光照射该介电质，以增加该介电质的导电性。本发明提供一种无须使用UV光的结构。
本发明针对浮置栅极存储装置的结构与调控并解决其相关的问题。具体而言，本发明提供一种具有绝缘层的浮置栅极存储装置，该绝缘层用作为浮置栅极与控制栅极的电性绝缘，或该绝缘层具有较高的导电性以允许该浮置栅极的电荷得以快速地放电。其达成是通过使用一种在控制栅极与浮置栅极之间具有绝缘层的浮置闸晶体管，该绝缘层包括在一维方向展现不稳定的结构电性(structural electronic instability)的复合材料，且能够静态的与动态的调控复合材料的导电性。如同示例性的复合材料，使用一种在矩阵中具有离子复合物的分子基质。在施加电场的条件下，该离子复合物可控制地分离而改变了该绝缘层的导电性。
图1描述根据本发明所建构的浮置栅极存储装置的示范性示例。该浮置栅极存储装置包含基材12，其中，该基材分别形成有源极与漏极区域14、16。
第一绝缘层18形成于该基材10上，并跨越源极与漏极区域14、16。由导电性材料所形成的浮置栅极20，形成于该第一绝缘层18上。第二绝缘层22形成于该浮置栅极20上；接着，在该第二绝缘层上形成栅极电极24。如图所示，该栅极电极24与该源极区域16分别连接至电压Vg与Vd。该栅极电极24，如同该浮置栅极20，包括导电性材料。
根据某些具体实例，图1所示的绝缘层18、22两者中的至少一者包括一维方向的分子系统，该分子系统展现出由低导电性至高导电性的过渡性，反之亦然。通常，通过暂稳态(metastable)或稳定内存的S型(凹陷)电压-电流特性显示此种过渡。例如，依据转换的条件，此种存储单元的阻抗可介于～10MΩ以及～100Ω之间。此种分子系统的示例具有展现出所谓派尔斯传导(Peierls transition)的低维度系统。
许多不同的材料均可用作为绝缘层18、22。这些材料的实例将于下文中详细揭示，这些材料亦示于Yu H.Krieger所著“StructuralInstability of One-Dimensional System as a Physical Principle Underlyingthe Functioning of Molecular Electronic Devices”，Journal of StructuralChemistry，Vol.40，No.4，1999(Yu H.Krieger)文献中。特将其并入本文作为参考。
此种系统的结构组织有两种主要类型。第一，线性共轭聚合物的束状结构，彼此之间微弱地键结，且彼此之间的排列较无系统。第二，结晶结构，在一维的柱状结构具有个别的分子，且彼此之间的相互影响较不同柱状结构的分子间的相互影响活跃。
聚合的共轭系统主要包含聚亚乙烯基(polyvinylenes)，亦即，具有非环状共轭系统的聚合物，其中，该结构中的一维特性系受到线性大分子中的共轭机制所支配。聚乙炔即是此类型聚合物的典型代表。其电子结构系许多其它共轭聚合物的原型。
另一类型的分子化合物是由芳香族与杂环化合物所形成，由于分子间具有π键，因而具有高导电性。此种分子系统称为π复合物或电荷转移复合物，在这些系统中，其结构包含个别分离的一维柱状结构或束状结构，其对于转换及存储的应用具有明显的电子物理特性影响。分子电荷转移复合物是由两个分子所形成的施体-受体系统，其中的一个分子具有施体的特性，另一个具有受体的特性。在已知且具有一维结构的复合物中，四氰代对苯二甲烷(TCNQ)具有未饱和键结的平面分子，其以平行堆栈的晶体排列形成准一维系统。
在另一种一维系统的类型中，该阳离子是可变化且无规律地(dynamically disordered)。该种类型包含具有通式(TMTSF)2X的分子化合物。K2Pt(CN)4Br0.3×3H2O(KCP)类型的过渡金属盐亦为混价(mixed-valence)准一维复合物的典型代表，如酞菁基(phthalocyanines)及卟啉尿(porphyrins)。然而，纯的无机化合物，例如各向异性无机材料，如NbSe3，亦为令人注目的准一维结构化合物的实例。
不限于理论，发明人将在后文中描述本发明的材料中的导电性改变机制。如图2a至2d所示，示例性的分子复合物可用作为浮置栅极晶体管10中的绝缘层18、22的至少一者。该分子复合物包含准一维，或至少结构上及电性上为各向异性的分子基质，其中离子复合物分布于该数组中。聚合的共轭化合物，例如上述所揭示的示例性准一维系统(例如，聚合的苯乙炔)，可用作为各向异性的分子基质，该聚合的共轭化合物可选自聚对苯撑、聚苯亚乙烯、聚苯胺、聚噻吩、或聚吡咯之一者。该离子复合物可为盐，例如氯化钠(NaCl)，或其它在施加电场的条件下可分离的材料。图2a至2d揭示了示例性的各向异性分子基质，其包括垂直电极表面的链状分子聚集。然而，其它方向的该种分子或各向异性“通道”亦为可使用者，只要能够形成图2a至2d所示的电荷分布型态。
图2a至2d所示的分子薄膜中的电转换的特征在于高阻抗状态(即，“关闭”状态)，以及低阻抗状态(即，“开启”状态)两种稳定状态的存在。例如，“关闭”状态的阻抗通常大于～10MΩ。自“关闭”状态转换至“开启”状态是发生在所施加的电场超过临界值时。例如，“开启”状态的阻抗通常可小于～100Ω。通过电场极性的反转，可以产生从“开启”状态恢复到“关闭”状态的过渡。
有两种“开启”状态的型式可以被识别出来，即暂稳态(metastable)的型式(图2b)以及稳定型式(图2c)。存储单元的暂稳态型式的作用特征在于较低的PW与PER值(0.1至0.5V)、“开启”状态的高阻抗(大范围，约1kΩ至1MΩ)、较短的转换时间(少于1μs)、以及介于约10秒至数小时的较短保持时间。相反地，存储单元的稳定状态的型式的操作表现为较高的PW与PER值(3至10V)、“开启”状态的低阻抗(小于100Ω)、较长的转换时间(1ms以上)、以及较长的保持时间(介于数个月至数年)。在某些由这些材料所形成的存储单元中，储存六年以后仍可以在稳定型式中观察到其表现出大致上未改变的电子特性。
图2a显示“关闭”状态，假定该非向异性分子基质本身是良好的电绝缘体，在此状态下导电性实质上为零。施加外加的电场E时，即如图2b所示，钠盐分离成钠离子及氯离子，这些离子离开了在非向异性分子阵例中的最初位置，使得暂稳“开启”状态的导电性增加。更进一步增加电场之后，离子的分离将变得更加明显(图2c)，对上述所揭示的稳定“开启”状态的导电性而言，会随着离子分离而进一步增加。当长时间施加极大的电场时，阴离子与阳离子将累积在电极(图2d)，由于缺乏移动电荷(“关闭”状态)而导致导电性的急剧下降。
电极材料可为，例如金属(如，Al或Cu、ITO)、半导体、或导电聚合物。由图2a所示的“关闭”状态转变至图2b所示的“开启”状态需要施加约3至5V的外加电压，历时一段大约10至100ns的时间。由图2a所示的“关闭”状态转变至图2c所示的“开启”状态(具有较高的导电性以及较长的保持时间)，其达成是通过施加大约3至5V的外加电压，历时一段大约300ns至1μS的时间。分子复合物包括聚合的苯乙炔以及～5-7％氯化钠作为离子复合物，将于示例性具体实例的附图中揭示。
在浮置栅极晶体管中应用可变化导电性的栅极绝缘体，取代传统的介电质(例如，绝缘层22)的至少一者，则可在低导电性的状态(在该状态下，电荷是由浮置栅极所保留)与高导电性的状态(在该状态下，储存在浮置栅极20的电荷可流至栅极电极27)之间进行导电性的转换。因此，浮置栅极20可以重新回到启始状态，亦即，通过在源极/漏极14、16，与该栅极电极24之间施加反向电位而隔离该栅极24。
图3显示使用复合材料形成，例如绝缘层22时，该浮置栅极晶体管的应用状态的电流-电压(I-V)特性。分别将正电压施加至基态(ground)栅极电极，称为写入电压(在脉冲的实例中，称为脉冲写入)(PW)，所施加的正电压会赋予绝缘层22导电性；以及施加负电压，使绝缘层22恢复绝缘的特性，称为抹除电压(或脉冲抹除)(PER)。
图3显示写入操作(施加正电压)及抹除操作(施加负电压)的典型I-V曲线。该装置处于“关闭”状态，直到所施加的电压达到大约0.3V的临界值为止。在“关闭”状态时，穿过该存储单元的电流实质上为零。当所施加的电压超过0.3V的临界电压时，该存储单元10几乎零阻抗，随着穿过该单元的电压下降至非常小的数值，电流将增加至120μA以上，使该单元达到“开启”的状态。该单元将维持在“开启”状态，直到施加负电压为止，在本发明的具体实例中，该负电压大约为-1V。此为显示抹除周期(erase cycle)。抹除周期完成之后，该单元再次回到“关闭”状态。抹除操作所使用的参数(电压、脉冲持续期间)依该装置“开启”状态的特征值而定。
参照图4，改变绝缘层22的导电性所需的脉冲写入的脉冲持续期间与脉冲写入的幅度有关。例如，施加4V的脉冲，历时10μs，使绝缘层22从“关闭”状态转换至“开启”状态；另一方面，以大约1V的电压写入时，可能需要1ms以上的脉冲持续期间。于是，该装置10的绝缘层22的导电性变化速度可适用于特定应用领域。
因此，本发明提供一种对系统而言简单的且可抹除的，利用分子存储单元的浮置栅极晶体管存储芯片。该可抹除的浮置栅极晶体管存储芯片的电子电路系统是以已开发的DRAM芯片作为基础。根据该存储单元的“状态”，亦即暂稳态或稳定状态，该电路可发挥SRAM或DRAM的作用。
本发明已经详细说明并被揭示，应了解的是，这些说明与实例并非用以局限本发明，本发明的精神界定于所附的权利要求的范围中。

Claims (24)

1.一种浮置栅极存储装置，包括：
基材；
第一绝缘层，位于该基材上；
浮置栅极，与该第一绝缘层电接触；
第二绝缘层，与该浮置栅极电接触；以及
控制栅极，位于该第二绝缘层上；
其中，该第一与第二绝缘层的至少一者包括分子基质与分布于该分子基质的离子复合物，使该第一与第二绝缘层的至少一者具有可控制变化的电阻系数。
2.根据权利要求1所述的装置，其中，该离子复合物在施加电场的条件影响下，在分子基质中是可分离的。
3.根据权利要求2所述的装置，其中，该分子基质包括聚合的共轭化合物。
4.根据权利要求3所述的装置，其中，该聚合的共轭化合物是选自聚对苯撑、聚苯亚乙烯、聚苯胺、聚噻吩、或聚吡咯之一者。
5.根据权利要求2所述的装置，其中，该分子基质系包括芳香族的以及杂环的分子。
6.根据权利要求2所述的装置，其中，该分子基质包括准一维的复合物。
7.根据权利要求6所述的装置，其中，该准一维的复合物包括酞菁基。
8.根据权利要求6所述的装置，其中，该准一维的复合物包括卟啉尿。
9.根据权利要求2所述的装置，其中，该分子基质是各向异性无机材料。
10.根据权利要求9所述的装置，其中，该各向异性无机材料是NBSe3。
11.根据权利要求2所述的装置，其中，该分子基质是(TMTSF)2X的分子化合物。
12.根据权利要求2所述的装置，其中，该分子基质系K2Pt(CN)4Br0.3×3H2O(KCP)型的过渡金属盐。
13.一种存储装置，包括：
第一绝缘层；
浮置栅极，与该第一绝缘层电接触；
第二绝缘层，与该浮置栅极电接触；以及
控制栅极，位于该第二绝缘层上；
其中，该第一与第二绝缘层的至少一者包括分子基质与分布于该分子基质的离子复合物，该第一与第二绝缘层的至少一者可响应于所施加的电场而在低导电性与高导电性状态之间转换。
14.根据权利要求13所述的装置，其中，该离子复合物在施加电场的条件影响下，在分子基质中是可分离的。
15.根据权利要求14所述的装置，其中，该分子基质是包括聚合的共轭化合物。
16.根据权利要求14所述的装置，其中，该分子基质是包括芳香族的以及杂环的分子。
17.根据权利要求14所述的装置，其中，该分子基质包括准一维的复合物。
18.根据权利要求17所述的装置，其中，该准一维的复合物是酞菁基或卟啉尿的至少一者。
19.一种存储装置，包括：
浮置栅极；
绝缘层，与该浮置栅极电接触；以及
控制栅极，位于该绝缘层上；
其中，该绝缘层包括提供该绝缘层可变导电性的分子基质。
20.根据权利要求19所述的装置，其中，该绝缘层进一步包括分布于该分子基质的离子复合物。
21.根据权利要求20所述的装置，其中，该分子基质包括聚合的共轭化合物。
22.根据权利要求20所述的装置，其中，该分子基质包括芳香族的以及杂环的分子。
23.根据权利要求20所述的装置，其中，该分子基质包括准一维的复合物。
24.根据权利要求23所述的装置，其中，该准一维的复合物是酞菁基或卟啉尿的至少一者。
CNB02812491XA 2001-05-07 2002-05-07 使用复合分子材料的浮置栅极存储装置 Expired - Fee Related CN1276518C (zh)

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