In dieser Arbeit werden Speichertransistoren mit Oxid-Nitrid-Oxid-Speicherschicht und lokaler Ladungsspeicherung untersucht, die zur nichtflüchtigen Speicherung von Informationen genutzt werden. Charakteristisch für diese Transistoren ist, dass an beiden Enden des Transistorkanals innerhalb der Isolationsschicht Informationen in Form von Ladungspaketen unabhängig und getrennt voneinander gespeichert werden. Für das Auslesen, Programmieren und Löschen der Speichertransistoren werden die physikalischen Hintergründe diskutiert und grundlegende Algorithmen zur Implementierung dieser Operationen auf einer typischen Speicherfeldarchitektur aufgezeigt. Für Standard-MOS-Transistoren wird ein Kurzkanal-Schwellspannungsmodell abgeleitet und analytisch gelöst. Anhand dieser Modellgleichung werden die bekannten Kurzkanaleffekte betrachtet. Weiterhin wird ein Modell zur Berechnung des Drainstroms von Kurzkanaltransistoren im Subthreshold-Arbeitsbereich abgeleitet und gezeigt, dass sich die Drain-Source-Leckströme bei Kurzkanaltransistoren vergrößern. Die Erweiterung des Schwellspannungsmodells für Standard-MOS-Transistoren auf den Fall der lokalen Ladungsspeicherung innerhalb der Isolationsschicht erlaubt die Ableitung eines Schwellspannungsmodells für Oxid-Nitrid-Oxid-Transistoren mit lokaler Ladungsspeicherung. Dieses Modell gestattet die qualitative und quantitative Diskussion der Erhöhung der Schwellspannung durch die lokale Injektion von Ladungsträgern beim Programmiervorgang. Weiterhin ist es mit diesem Modell möglich, die Trennung der an beiden Kanalenden des Transistors gespeicherten Informationen beim Auslesevorgang qualitativ zu erklären und diese Bittrennung in Abhängigkeit von der Drainspannung zu berechnen. Für Langkanalspeichertransistoren wird eine analytische Näherungslösung des Schwellspannungsmodells angegeben, während das Kurzkanalverhalten durch die numerische Lösung der Modellgleichung bestimmt werden kann. Für Langkanalspeichertransistoren wird ein Subthreshold-Modell zur Berechnung des Drainstroms abgeleitet. Dieses Modell zeigt, dass sich die Leckströme von programmierten Speichertransistoren im Vergleich zu Standard-MOS-Transistoren gleicher Schwellspannung vergrößern. Die Ursache dieses Effekts, die Verringerung der Subthreshold-Steigung von Transistoren im programmierten Zustand, wird analysiert. Für einige praktische Beispiele wird die Anwendung der hergeleiteten Modellgleichungen beim Entwurf von Flash-Speichern demonstriert. / In this work, memory transistors with an oxide-nitride-oxide trapping-layer and local charge storage, which are used for non-volatile information storage, are examined. Characteristic for these transistors is an independent and separated storage of information by charge packages, located at both sides of the transistor channel, in the insulation layer. The physical backgrounds for reading, programming and erasing the memory transistors are discussed, and basic algorithms are shown for implementing these operations on a typical memory array architecture. For standard MOS-transistors a short channel threshold model is derived and solved analytically. By using these model equations, the known short channel effects are considered. Further, a model for calculating the drain current of short channel transistors in the subthreshold operation region is derived. This model is used to show the increase of drain-source leakage currents in short channel transistors. By extending the standard MOS-transistor threshold voltage model for local charge storage in the insulation layers, the derivation of a threshold voltage model for oxide-nitride-oxide transistors with local charge storage is enabled. This model permits the quantitative and qualitative discussion of the increase in threshold voltage caused by local injection of charges during programming. Furthermore, with this model, the separation of the information, which are stored at both sides of the transistor channel, in the read-out operation is explained qualitatively, and the bit separation is calculated dependent on the drain voltage. For long channel memory transistors an analytical approximation of the threshold voltage model is given, whereas the short channel behaviour can be determined by solving the model equation numerically. For long channel memory transistors, a subthreshold model for calculating the drain current is derived. This model shows the increase in leakage current of programmed memory transistors in comparision to standard MOS-transistors. The root cause of this effect, the reduced subthreshold swing of transistors in the programmed state, is analysed. The application of the derived model equations for the development of flash memories is demonstrated with some practical examples.

In dieser Arbeit werden Speichertransistoren mit Oxid-Nitrid-Oxid-Speicherschicht und lokaler Ladungsspeicherung untersucht, die zur nichtflüchtigen Speicherung von Informationen genutzt werden. Charakteristisch für diese Transistoren ist, dass an beiden Enden des Transistorkanals innerhalb der Isolationsschicht Informationen in Form von Ladungspaketen unabhängig und getrennt voneinander gespeichert werden. Für das Auslesen, Programmieren und Löschen der Speichertransistoren werden die physikalischen Hintergründe diskutiert und grundlegende Algorithmen zur Implementierung dieser Operationen auf einer typischen Speicherfeldarchitektur aufgezeigt. Für Standard-MOS-Transistoren wird ein Kurzkanal-Schwellspannungsmodell abgeleitet und analytisch gelöst. Anhand dieser Modellgleichung werden die bekannten Kurzkanaleffekte betrachtet. Weiterhin wird ein Modell zur Berechnung des Drainstroms von Kurzkanaltransistoren im Subthreshold-Arbeitsbereich abgeleitet und gezeigt, dass sich die Drain-Source-Leckströme bei Kurzkanaltransistoren vergrößern. Die Erweiterung des Schwellspannungsmodells für Standard-MOS-Transistoren auf den Fall der lokalen Ladungsspeicherung innerhalb der Isolationsschicht erlaubt die Ableitung eines Schwellspannungsmodells für Oxid-Nitrid-Oxid-Transistoren mit lokaler Ladungsspeicherung. Dieses Modell gestattet die qualitative und quantitative Diskussion der Erhöhung der Schwellspannung durch die lokale Injektion von Ladungsträgern beim Programmiervorgang. Weiterhin ist es mit diesem Modell möglich, die Trennung der an beiden Kanalenden des Transistors gespeicherten Informationen beim Auslesevorgang qualitativ zu erklären und diese Bittrennung in Abhängigkeit von der Drainspannung zu berechnen. Für Langkanalspeichertransistoren wird eine analytische Näherungslösung des Schwellspannungsmodells angegeben, während das Kurzkanalverhalten durch die numerische Lösung der Modellgleichung bestimmt werden kann. Für Langkanalspeichertransistoren wird ein Subthreshold-Modell zur Berechnung des Drainstroms abgeleitet. Dieses Modell zeigt, dass sich die Leckströme von programmierten Speichertransistoren im Vergleich zu Standard-MOS-Transistoren gleicher Schwellspannung vergrößern. Die Ursache dieses Effekts, die Verringerung der Subthreshold-Steigung von Transistoren im programmierten Zustand, wird analysiert. Für einige praktische Beispiele wird die Anwendung der hergeleiteten Modellgleichungen beim Entwurf von Flash-Speichern demonstriert. / In this work, memory transistors with an oxide-nitride-oxide trapping-layer and local charge storage, which are used for non-volatile information storage, are examined. Characteristic for these transistors is an independent and separated storage of information by charge packages, located at both sides of the transistor channel, in the insulation layer. The physical backgrounds for reading, programming and erasing the memory transistors are discussed, and basic algorithms are shown for implementing these operations on a typical memory array architecture. For standard MOS-transistors a short channel threshold model is derived and solved analytically. By using these model equations, the known short channel effects are considered. Further, a model for calculating the drain current of short channel transistors in the subthreshold operation region is derived. This model is used to show the increase of drain-source leakage currents in short channel transistors. By extending the standard MOS-transistor threshold voltage model for local charge storage in the insulation layers, the derivation of a threshold voltage model for oxide-nitride-oxide transistors with local charge storage is enabled. This model permits the quantitative and qualitative discussion of the increase in threshold voltage caused by local injection of charges during programming. Furthermore, with this model, the separation of the information, which are stored at both sides of the transistor channel, in the read-out operation is explained qualitatively, and the bit separation is calculated dependent on the drain voltage. For long channel memory transistors an analytical approximation of the threshold voltage model is given, whereas the short channel behaviour can be determined by solving the model equation numerically. For long channel memory transistors, a subthreshold model for calculating the drain current is derived. This model shows the increase in leakage current of programmed memory transistors in comparision to standard MOS-transistors. The root cause of this effect, the reduced subthreshold swing of transistors in the programmed state, is analysed. The application of the derived model equations for the development of flash memories is demonstrated with some practical examples.

Im Rahmen dieser Arbeit werden haftstellen-basierte Speicherzellen als mögliche Alternative zum bestehenden Floating-Gate Konzept untersucht. Hierbei wird zunächst mittels Simulation und ausgewählten Messverfahren das Verständnis der Funktionsweise vertieft. Der darauffolgende Abschnitt befasst sich mit der Verbesserung der elektrischen Eigenschaften, basierend auf Änderungen der verwendeten Materialien und dem räumlichen Aufbau. Abschließend erfolgt die Untersuchung der Anwendbarkeit des Zellkonzeptes in hochdichten Zellenfeldern.

Im Rahmen dieser Arbeit werden haftstellen-basierte Speicherzellen als mögliche Alternative zum bestehenden Floating-Gate Konzept untersucht. Hierbei wird zunächst mittels Simulation und ausgewählten Messverfahren das Verständnis der Funktionsweise vertieft. Der darauffolgende Abschnitt befasst sich mit der Verbesserung der elektrischen Eigenschaften, basierend auf Änderungen der verwendeten Materialien und dem räumlichen Aufbau. Abschließend erfolgt die Untersuchung der Anwendbarkeit des Zellkonzeptes in hochdichten Zellenfeldern.:Kurzfassung Abstract 1 Einleitung 2 Grundlagen aktiver Halbleiterelemente 2.1 Die MOS-Struktur 2.2 Der MOS-Feldeffekt-Transistor 2.3 Nichtflüchtige Festkörperspeicher 2.4 Speicherarchitekturen 2.5 Charakterisierungsmethoden von Halbleiter-Speicherelementen 3 Defektbasierte Ladungsspeicherung in dielektrischen Schichten 3.1 Physikalische Grundlagen von Haftstellen 3.2 Betrachtung der vertikalen Ladungsverteilung mit Hilfe von Simulationen 3.3 Ableitung der vertikalen Ladungsverteilung aus Messungen 4 Elektrisches Verhalten einer haftstellen-basierten Speicherzelle 4.1 Auswirkung von inhomogen verteilter Ladung in der Speicherschicht 4.2 Auswirkungen von Al2O3-Topoxid auf das Zellverhalten 4.3 Auswirkung des Steuerelektrodenmaterials auf das Zellverhalten 4.4 Einfluss von Kanal- und Source/Drain-Dotierung 5 Integration in eine stark skalierte NAND Architektur 5.1 Auswirkung struktureller Effekte auf die Speicherzelle 5.2 Störmechanismen beim Betrieb von stark skalierten NAND-Speichern 6 Zusammenfassung und Ausblick 6.1 Zusammenfassung 6.2 Ausblick Danksagung Lebenslauf Symbol- und Abkürzungsverzeichnis Literaturverzeichnis