JP2005057106A - Non volatile semiconductor memory device and its charge injecting method - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、低電圧動作が可能な単一層のゲート構造の不揮発性半導体メモリ装置と、その電荷注入方法に関するものである。 The present invention relates to a non-volatile semiconductor memory device having a single-layer gate structure capable of low-voltage operation, and a charge injection method thereof.
CMOSロジック回路と不揮発性メモリセルアレイを同一IC内に混載させる場合に、ロジック回路を製造するときに典型的に使用される単一ポリシリコンゲートプロセスを変更することなしに、同じプロセスによってメモリセルのトランジスタを同時に形成することが望ましい。このような要請を満たすメモリセルとして、P型基板内に形成したN型ウェル内にP型のソース領域およびドレイン領域と、P型ソース領域とP型ドレイン領域との間のチャネル領域の上側に形成されたポリシリコンゲート(フローティングゲート)とを具備する単一ポリシリコンゲート構造のメモリセルが知られている。(たとえば、特許文献1参照)。 When a CMOS logic circuit and a non-volatile memory cell array are mixedly mounted in the same IC, the same process can be used for the memory cell without changing the single polysilicon gate process typically used when manufacturing the logic circuit. It is desirable to form the transistors simultaneously. As a memory cell satisfying such a requirement, a P-type source region and drain region in an N-type well formed in a P-type substrate, and a channel region between the P-type source region and the P-type drain region are provided above. A memory cell having a single polysilicon gate structure including a formed polysilicon gate (floating gate) is known. (For example, refer to Patent Document 1).
このメモリセルでは、N型ウェル内に形成したP型の不純物拡散層(以下、不純物領域という)はコントロールゲートとして機能し、薄い酸化物層を介してフローティングゲートに対し容量的に結合されている。この単一ポリシリコンゲート構造のメモリセルのコントロールゲートおよびフローティングゲートは、より伝統的なスタックトゲートメモリセルのものと同様の態様でコンデンサを形成していることから、この単一ポリシリコンゲート構造のメモリセルは、二重ポリシリコンゲート構造のメモリセルの場合と同様な方法によりプログラム(データ書き込み)、データの消去および読み出しを行なうことが可能である。プログラミング、すなわちデータの書き込みは、チャネルを走行するエレクトロンを水平方向の電界により高エネルギー化してホットエレクトロンをドレイン端に発生させ、このホットエレクトロンを垂直方向の電界によってフローティングゲートに注入させ、蓄積させる。一方、データの消去は、フローティングゲートからエレクトロンをトンネル動作によって基板やドレイン領域に引き抜くことにより行なわれる。 In this memory cell, a P-type impurity diffusion layer (hereinafter referred to as an impurity region) formed in an N-type well functions as a control gate and is capacitively coupled to the floating gate through a thin oxide layer. . The control gate and floating gate of this single polysilicon gate structure memory cell form a capacitor in a manner similar to that of more traditional stacked gate memory cells, so this single polysilicon gate structure These memory cells can be programmed (data write), erased and read out by the same method as in the case of a memory cell having a double polysilicon gate structure. In programming, that is, data writing, the electrons traveling in the channel are increased in energy by a horizontal electric field to generate hot electrons at the drain end, and the hot electrons are injected into the floating gate by the vertical electric field and accumulated. On the other hand, data is erased by extracting electrons from the floating gate to the substrate or drain region by a tunnel operation.
上述した特許文献1に記載されている技術を、N型チャネルの単一ポリシリコンゲート構造のメモリセルに適用した場合、データ書き込み時あるいは消去時のゲート印加電圧がたとえば12V以上となることがあるという欠点を有している。これらの高い書き込み電圧および消去電圧は、このようなメモリセルの寸法を減少させることの可能な範囲を制限している。
解決しようとする課題は、単一層からなるゲート構造のメモリトランジスタにデータの書き込みを行う際に、使用する電圧が電源電圧より高く、この電圧を生成する回路の規模が大きくなること、また、ロジックトランジスタと共通のプロセスが使用できないことである。 The problem to be solved is that when data is written to a memory transistor having a single-layer gate structure, the voltage used is higher than the power supply voltage, and the scale of the circuit that generates this voltage is increased. The process common to the transistor cannot be used.
本発明に係る不揮発性半導体メモリ装置は、半導体基板に形成されているP型ウェル上に順次形成されているゲート絶縁膜およびフローティングゲートと、当該フローティングゲートの両側に位置する前記P型ウェルの表面部分に形成されている2つのソース・ドレイン領域と、前記P型ウェルに形成され、前記フローティングゲートに絶縁膜を介して容量結合している不純物領域からなるコントロールゲートと、を有する不揮発性半導体メモリ装置であって、データの書き込み時に、前記2つのソース・ドレイン領域間に書き込みドレイン電圧を供給し、前記コントロールゲートに書き込みゲート電圧を供給し、前記2つのソース・ドレイン領域のうちドレインとなるソース・ドレイン領域側でチャネル電荷の半導体格子への電離衝突に起因したホットエレクトロンを発生させ、当該ホットエレクトロンを前記フローティングゲートに注入させる電圧供給回路を、さらに有する。
好適に、前記2つのソース・ドレイン領域の少なくとも一方に、前記P型ウェルより高い濃度の高濃度チャネル領域が形成されている。
A nonvolatile semiconductor memory device according to the present invention includes a gate insulating film and a floating gate sequentially formed on a P-type well formed on a semiconductor substrate, and surfaces of the P-type well located on both sides of the floating gate. Nonvolatile semiconductor memory having two source / drain regions formed in a portion and a control gate formed of an impurity region formed in the P-type well and capacitively coupled to the floating gate via an insulating film A device that supplies a write drain voltage between the two source / drain regions, supplies a write gate voltage to the control gate, and serves as a drain of the two source / drain regions when writing data.・ Is caused by ionization collision of the channel charge to the semiconductor lattice on the drain region side To generate hot electrons, a voltage supply circuit for injecting the hot electrons into the floating gate further comprises.
Preferably, a high-concentration channel region having a higher concentration than the P-type well is formed in at least one of the two source / drain regions.
本発明に係る不揮発性半導体メモリ装置の電荷注入方法は、半導体基板に形成されているP型ウェル上に順次形成されているゲート絶縁膜およびフローティングゲートと、当該フローティングゲートの両側に位置する前記P型ウェルの表面部分に形成されている2つのソース・ドレイン領域と、前記P型ウェルに形成され、前記フローティングゲートに絶縁膜を介して容量結合している不純物領域からなるコントロールゲートと、を有している不揮発性半導体メモリ装置の電荷注入方法であって、データの書き込み時に、前記2つのソース・ドレイン領域間に書き込みドレイン電圧を供給し、前記コントロールゲートに書き込みゲート電圧を供給し、前記2つのソース・ドレイン領域のうちドレインとなるソース・ドレイン領域側でチャネル電荷の半導体格子への電離衝突に起因したホットエレクトロンを発生させ、当該ホットエレクトロンを前記フローティングゲートに注入させるステップを含む。
好適に、前記データの書き込み時に、前記2つのソース・ドレイン領域の少なくとも一方の側に設けられ前記P型ウェルより高い濃度の高濃度チャネル領域の存在により急峻となった電界によって急速にチャネル走行電荷を加速する。
According to the non-volatile semiconductor memory device charge injection method of the present invention, a gate insulating film and a floating gate sequentially formed on a P-type well formed on a semiconductor substrate, and the P located on both sides of the floating gate. Two source / drain regions formed in the surface portion of the type well, and a control gate formed of an impurity region formed in the P type well and capacitively coupled to the floating gate through an insulating film. In the nonvolatile semiconductor memory device, the charge injection method supplies a write drain voltage between the two source / drain regions, supplies a write gate voltage to the control gate, and writes the 2 Of the two source / drain regions, the channel is on the source / drain region side that is the drain The hot electrons due to ionization collision of the load of the semiconductor lattice is generated, comprising the step of injecting the hot electrons into the floating gate.
Preferably, at the time of writing the data, the channel traveling charge is rapidly increased by an electric field which is provided on at least one side of the two source / drain regions and has a high concentration channel region having a higher concentration than the P-type well. Accelerate.
本発明によれば、電圧供給回路によって、その動作に対応したステップ(データの書き込み時)において、2つのソース・ドレイン領域間に書き込みドレイン電圧が印加され、フローティングゲートに絶縁膜を介して容量結合している不純物領域からなるコントロールゲートに書き込みゲート電圧が印加される。これにより、ソースとして機能する一方のソース・ドレイン領域から供給されチャネルを走行するエレクトロンがドレイン側の空乏層内で半導体格子に衝突し、あるいは散乱を受け、高エネルギーのホールとエレクトロンの対を発生させる。このうち、ホットホールはPN接合の空乏層中で加速されて半導体格子に衝突し、再びエレクトロンとホールの対を生成して、その中のエレクトロンは、ホットエレクトロンになってドリフトしながら、その一部がフローティングゲート側に向かい垂直方向の電界によりさらに加速される。その結果、高いエネルギーを得たホットエレクトロンが、ゲート絶縁膜の電位障壁を乗り越え、フローティングゲートに注入される。これによりメモリトランジスタのスレッシュホールド電圧が、消去状態の低いレベルから上昇し、データが書き込まれた状態の高いレベルに変化する。
高濃度チャネル領域が形成されている場合、最初の電離衝突を起こすチャネル方向の電界がドレイン端で急峻になることから、より多くのエレクトロンとホールの対が発生し、その結果、より多くの2次電離衝突によるホットエレクトロンが発生する。
According to the present invention, the voltage supply circuit applies a write drain voltage between the two source / drain regions in the step corresponding to the operation (when writing data), and capacitively couples the floating gate via the insulating film. A write gate voltage is applied to the control gate composed of the impurity region. As a result, electrons that are supplied from one of the source / drain regions functioning as the source and run through the channel collide with the semiconductor lattice in the depletion layer on the drain side or are scattered to generate pairs of high-energy holes and electrons. Let Among these, hot holes are accelerated in the depletion layer of the PN junction and collide with the semiconductor lattice to generate electron-hole pairs again. The electrons therein become hot electrons and drift. The part is further accelerated by the electric field in the vertical direction toward the floating gate. As a result, hot electrons having high energy get over the potential barrier of the gate insulating film and are injected into the floating gate. As a result, the threshold voltage of the memory transistor rises from a low level in the erased state, and changes to a high level in which the data is written.
When the high-concentration channel region is formed, the electric field in the channel direction that causes the first ionization collision becomes steep at the drain end, so that more electron-hole pairs are generated. Hot electrons are generated by the next ionization collision.
本発明の不揮発性半導体メモリ装置およびその電荷注入方法は、電離衝突、たとえば2次電離衝突に起因したホットエレクトロンをフローティングゲートに注入させる単一層ゲート構造のメモリトランジスタを有することから、データの書き込み時の印加電圧を、従来のチャネルホットエレクトロン注入のときより低くできるという利点がある。とくに高濃度チャネル領域を設けた場合、そのホットエレクトロンの注入効率が高くなり、その分、さらに低電圧化が可能となる。 The nonvolatile semiconductor memory device and the charge injection method thereof according to the present invention includes a memory transistor having a single-layer gate structure that injects hot electrons caused by ionization collision, for example, secondary ionization collision, into the floating gate. There is an advantage that the applied voltage can be made lower than in the conventional channel hot electron injection. In particular, when a high-concentration channel region is provided, the hot electron injection efficiency is increased, and the voltage can be further reduced accordingly.
図1に、不揮発性半導体メモリ装置の概略構成を示す。
図1に図解した不揮発性半導体メモリ装置は、メモリセルアレイ(MCA)1と、メモリセルアレイ1の動作を制御するメモリ周辺回路とからなる。
メモリ周辺回路は、カラムバッファ2a、ロウバッファ2b、プリロウデコーダ(PR.DEC)3、メインロウデコーダ(MR.DEC)4、カラムデコーダ(C.DEC)5、入出力回路(I/O)6、カラムゲートアレイ(C.SEL)7、および、ウェル充放電回路(W.C/DC)8を有する。なお、ウェルバイアスを行わない場合、ウェル充放電回路8は省略可能である。メモリ周辺回路は、とくに図解していないが、必要に応じて電源電圧を若干昇圧して、当該昇圧後の電圧をメインロウデコーダ4、ウェル充放電回路8に供給する電源回路、および電源供給を制御する制御回路を含む。
FIG. 1 shows a schematic configuration of a nonvolatile semiconductor memory device.
The nonvolatile semiconductor memory device illustrated in FIG. 1 includes a memory cell array (MCA) 1 and a memory peripheral circuit that controls the operation of the
The memory peripheral circuit includes a
入出力回路6は、プログラムおよび読み出しデータのバッファ(BUF)のほか、書き込みまたは消去時などにビット線BLに所定電圧を印加するビット線駆動回路(BLD)、書き込みまたは消去時などにソース線SLに所定電圧を印加するソース線駆動回路(SLD)、センスアンプ(SA)を含む。この入出力回路6、メインロウデコーダ4内のワード線駆動回路(WLD)およびウェル充放電回路8、ならびに、これらに電源を供給する不図示の電源回路および制御回路が、本発明の「電圧供給回路」の一実施態様を構成する。
なお、図1は一般的なメモリ構成を示すものであるため、周辺回路の他の構成の、ここでの機能および動作の説明は省略する。
The input /
Since FIG. 1 shows a general memory configuration, descriptions of functions and operations of other configurations of the peripheral circuit are omitted here.
メモリセルアレイ1は、メモリセルをマトリクス状に配列して構成されている。各メモリセルは、1層のポリシリコン層からなるゲート電極構造を有し、チャネルの導電型がN型(以下、Nチャネル型という)のメモリトランジスタを各セルに有する。
The
図2にメモリセルの概略平面図を示す。また、図3に図2のA−A線の断面を、図4にB−B線の断面を、図5にC−C線の断面を、それぞれ示す。
図2においては、メモリセルを構成するメモリトランジスタ10と、メモリセルのビット線への接続を制御するセレクトトランジスタ11との直列接続部分を示している。セレクトトランジスタは必須ではないが、いわゆるNAND型などのメモリトランジスタを直列に接続したセルアレイ方式、あるいはメモリトランジスタを2つの不純物拡散層に対し並列に接続したセルアレイ方式では、これらのメモリトランジスタ群とビット線あるいはソース線との接続を制御するセレクトトランジスタが必要となる。
FIG. 2 is a schematic plan view of the memory cell. 3 shows a cross section taken along line AA in FIG. 2, FIG. 4 shows a cross section taken along line BB, and FIG. 5 shows a cross section taken along line CC.
FIG. 2 shows a serial connection portion of the
図3〜図5に示すように、メモリトランジスタ10およびセレクトトランジスタ11は、N型半導体基板20内に設けられたP型の不純物導電型を有するウェル(以下、Pウェルという)21内に形成されている。
より詳細には、Pウェル21の表面部分が、たとえばLOCOS(Local Oxidation of Silicon)法により素子分離絶縁層22が形成された部分と、素子分離絶縁層22が形成されていない部分、すなわちトランジスタの活性領域とに区分されている。図4の断面図に示すように、活性領域に、3つのN型の不純物領域23,24および25がこの順に互いに離間して形成されている。N型不純物領域23はメモリトランジスタ10のソースとして機能し、N型不純物領域24はメモリトランジスタ10のドレインおよびセレクトトランジスタ11のソースとして機能し、N型不純物領域25はセレクトトランジスタのドレインとして機能する。N型不純物領域23と24の間の活性領域26がメモリトランジスタ10のチャネル形成領域であり、N型不純物領域24と25の間の活性領域27がセレクトトランジスタ11のチャネル形成領域である。N型不純物領域23と24が本発明における“2つのソース・ドレイン領域”の一実施態様を構成する。
As shown in FIGS. 3 to 5, the
More specifically, the surface portion of the
チャネル形成領域26の上に、たとえば8〜13nm程度の厚さのシリコン酸化膜からなるゲート絶縁膜28が形成され、ゲート絶縁膜28の上にポリシリコンゲート29が形成されている。ポリシリコンゲート29は、メモリトランジスタ10のフローティングゲートとして機能する。以下、このポリシリコンゲートをフローティングゲートと記述する。フローティングゲート29は、図2に示すように、チャネル形成領域26上方の幅が狭いゲートフィンガー部29Aと、その一方側に形成された幅広の部分29Bとからなるパターンを有する。
A
フローティングゲート29の幅広の部分29Bの下方は素子分離絶縁層22が形成されていない活性領域となっており、図3および図5に示すように、その活性領域表面部分にコントロールゲートとして機能するP型不純物領域30が形成されている。以下、このP型不純物領域をコントロールゲートと記述する。
コントロールゲート30は、Pウェル21内に形成されたN型ウェル(以下、Nウェルという)31内に形成されている。つまり、コントロールゲートの形成部がウェルインウェル構造となっている。
コントロールゲート30とフローティングゲート29との間に、たとえば8〜13nm程度の厚さのシリコン酸化膜からなるゲート間絶縁膜32が形成されている。コントロールゲート30とフローティングゲート29とは、ゲート間絶縁膜32を介して容量結合している。ゲート間絶縁膜32は、ゲート絶縁膜28と同時に形成することができ、その場合、両者が共通の絶縁膜として形成される。
図2に示すように、フローティングゲート29およびゲート間絶縁膜32に一括して開口部33が形成され、その内側に一回り小さいパターンを有し導電性プラグなどからなるコンタクト34が形成されている。このコンタクト34の上に、図2中に破線で示すように、コントロールゲートへの電圧供給層、たとえばワード線WLが形成されている。
Below the
The
Between the
As shown in FIG. 2, the opening 33 is collectively formed in the floating
一方、セレクトトランジスタ11のチャネル形成領域27上に、たとえば酸化シリコン膜からなるゲート絶縁膜35が形成され、ゲート絶縁膜35の上にポリシリコンゲート36が形成されている。ポリシリコンゲート36は、メモリトランジスタのフローティングゲート29と同じポリシリコン膜をパターンニングして形成され、セレクトトランジスタのセレクトゲート線として機能する。以下、このポリシリコンゲートをセレクトゲートと記述する。
セレクトゲート36は、図2に示すように、たとえばワード線WLと平行に形成され、その方向のセル間で共通に設けられている。
On the other hand, a
As shown in FIG. 2, the
本実施の形態のメモリトランジスタはN型チャネルを有するが、その電荷注入効率を高める目的で、図4に示すように、ドレイン側のチャネル形成領域部分に、チャネル形成領域26より高い濃度のP型不純物領域からなる高濃度チャネル領域37が形成されている。高濃度チャネル領域37は、隣接したチャネル形成領域26の部分でチャネル方向の電界の集中性を高める役割がある。
Although the memory transistor of this embodiment has an N-type channel, for the purpose of increasing its charge injection efficiency, a P-type having a higher concentration than the
以下、メモリトランジスタの動作を説明する。
データの書き込みは、電離衝突、たとえば2次電離衝突により発生した高エネルギー電荷(ホットエレクトロン)をフローティングゲートに注入することにより行う。
図6(A)はデータ書き込みの動作の概念図、図6(B)は、チャネル方向のエレクトロンの加速電界Eを示す図である。また、図7は、書き込み時のバイアス条件を、消去時および読み出し時のバイアス条件とともに示す図表である。なお、これらのバイアス電圧は、図1に示す電圧供給回路、すなわち入出力回路6、メインロウデコーダ4内のワード線駆動回路(WLD)およびウェル充放電回路8などから供給される。
Hereinafter, the operation of the memory transistor will be described.
Data is written by injecting high energy charges (hot electrons) generated by ionization collision, for example, secondary ionization collision, into the floating gate.
FIG. 6A is a conceptual diagram of the data writing operation, and FIG. 6B is a diagram showing an acceleration electric field E of electrons in the channel direction. FIG. 7 is a chart showing the bias conditions at the time of writing together with the bias conditions at the time of erasing and reading. These bias voltages are supplied from the voltage supply circuit shown in FIG. 1, that is, the input /
ここで、“電離衝突”は2次電離衝突に限らないが、2次電離衝突により発生したホットエレクトロンはフローティングゲート29内に効率よく注入できることから、2次電離衝突ホットエレクトロン注入を用いることが望ましい。2次電離衝突ホットエレクトロン注入とは、ドレインとなるN型不純物領域24近傍で発生したホールが当該N型不純物領域24近傍の空乏層を横切って基板(Pウェル21)に注入されるとき、空乏層中で電界からエネルギーを得てホットになり、半導体格子に対し2次電離衝突を起こしてさらにエレクトロンとホールの対を発生させ、そのエレクトロンの一部が空乏層を横切り、垂直方向に向かって移動し、ゲート絶縁膜28のエネルギー障壁を越えフローティングゲート29内に注入されることである。
Here, the “ionization collision” is not limited to the secondary ionization collision, but hot electrons generated by the secondary ionization collision can be efficiently injected into the floating
フローティングゲート29が充電されていない消去状態で、メモリトランジスタ10は約1.5Vのスレッシュホールド電圧Vthを有している。
データの書き込み時に2次電離衝突を起こすバイアス条件として、図7に示すように、ソース線SL(N型不純物領域23)に0Vを印加し、オン状態のセレクトトランジスタ11を介してビット線BLからN型不純物領域24に3.5〜5.0Vの書き込みドレイン電圧を印加する。また、メモリトランジスタが形成されているPウェル21に0〜−4V、コントロールゲート30が形成されているNウェル31に5Vの各電圧を印加し、ワード線WLからコントロールゲート30に5Vの書き込みゲート電圧を印加する。このとき、コントロールゲート30とNウェル31を同電位としていることから、Pウェル21からNウェル31に電流が流れることはあっても、この電流がコントロールゲート30に流れ込まないので、コントロールゲート30の電位が変動することはない。
In the erased state where the floating
As a bias condition for causing secondary ionization collision at the time of data writing, as shown in FIG. 7, 0 V is applied to the source line SL (N-type impurity region 23), and the bit line BL is connected via the
このバイアス条件下、図6(A)に示すように、ソース線SL(N型不純物領域23)から供給されチャネルを走行するエレクトロンeがドレイン側の空乏層内あるいは高濃度チャネル領域37内でシリコン格子に衝突し、あるいは散乱を受け、高エネルギーのホールHHとエレクトロンHEの対を発生させる。このうち、ホットホールHHはPN接合の空乏層中で加速されてシリコン格子に衝突し、再びエレクトロンとホールの対を生成して、その中のエレクトロンは、ホットエレクトロンHEになってドリフトしながら、その一部がフローティングゲート29側に向かい垂直方向の電界によりさらに加速される。その結果、高いエネルギーを得たホットエレクトロンHEが、ゲート絶縁膜28の電位障壁を乗り越え、フローティングゲート29に注入される。
これによりメモリトランジスタ10のスレッシュホールド電圧Vthが、消去状態の約1.5Vから上昇し、“1”データが書き込まれた状態のスレッシュホールド電圧である約4.5Vに変化する。なお、“1”データを書き込まない“0”データ書き込みの場合は、ビット線電位を0Vとするとホットエレクトロン注入は起こらず、スレッシュホールド電圧Vthは消去状態の約1.5Vを維持する。
Under this bias condition, as shown in FIG. 6A, the electrons e supplied from the source line SL (N-type impurity region 23) and traveling through the channel form silicon in the depletion layer on the drain side or in the high
As a result, the threshold voltage Vth of the
データの消去は、フローティングゲート29に蓄積されているエレクトロンをFNトンネリングによりソース、ドレインの少なくとも一方に引き抜く、あるいは、チャネル全面に引き抜くことより行う。図7に2種類の消去方法についてバイアス条件を示している。
Data is erased by extracting electrons accumulated in the floating
図7に例示した[消去1]の方法では、ビット線BLを介してドレイン側のN型不純物領域24に正電圧、たとえば3.5〜5.0Vを印加し、ソース線SLを介してソース側のN型不純物領域23に0Vを印加し、Pウェル21に0Vを印加する。また、ワード線WLを介してコントロールゲート30に負電圧、たとえば−5Vを印加する。このとき、コントロールゲート30が形成されているNウェル31は0Vを印加するか、または、オープン状態とする。
このバイアス条件下、容量を介してコントロールゲート30に結合されたフローティングゲート29に負電圧が誘起され、この負電圧とドレイン(N型不純物領域24)に印加された正電圧とによる電界によって、フローティングゲート30内のエレクトロンがドレイン側から引き抜かれ、スレッシュホールド電圧Vthが消去状態の約1.5Vにまで低下する。このとき、Nウェル31をPウェル21と同電位あるいはフローティング状態としていることから、寄生トランジスタ効果が有効に防止される。
In the method of [Erase 1] illustrated in FIG. 7, a positive voltage, for example, 3.5 to 5.0 V is applied to the N-
Under this bias condition, a negative voltage is induced in the floating
図7に例示した[消去2]の方法では、ビット線BLを介してドレイン側のN型不純物領域24に正電圧、たとえば5.0Vを印加し、同じ正電圧をPウェル21にも印加する。この正電圧はソース線SLを介してソース側のN型不純物領域23に印加してもよいが、ここではN型不純物領域23をオープン状態としている。このとき、コントロールゲート30が形成されているNウェル31は5Vを印加するか、または、オープン状態とする。他のバイアス条件は、[消去1]と同じである。
このバイアス条件下、容量を介してコントロールゲート30に結合されたフローティングゲート29に負電圧が誘起され、この負電圧とドレイン(N型不純物領域24)およびチャネル(Pウェル21表面の反転層)に印加された正電圧とによる電界によって、フローティングゲート30内のエレクトロンがドレイン側およびチャネル全面から引き抜かれ、スレッシュホールド電圧Vthが消去状態の約1.5Vにまで低下する。[消去1]と同様に、Nウェル31をPウェル21と同電位あるいはフローティング状態としていることから、寄生トランジスタ効果が有効に防止される。
In the [erase 2] method illustrated in FIG. 7, a positive voltage, for example, 5.0 V is applied to the drain-side N-
Under this bias condition, a negative voltage is induced in the floating
データの読み出しは、ビットごとに行ってもよいし、ページ読み出しとしてもよい。いずれにしてもメモリトランジスタ10のデータ読み出しを行なう場合、ソース線を介してN型不純物領域23に0Vを印加し、Pウェル21を0Vで保持した状態で、電源電圧Vccレベルの正電圧を、ビット線BLを介してドレインに、ワード線WLを介してコントロールゲート30にそれぞれ印加する。このとき、書き込み時と同じ理由で、Nウェル31をコントロールゲート30と同電位とする。図7のバイアス電圧の例では、読み出しドレイン電圧としてビット線BLに1〜3.3Vを印加し、読み出しゲート電圧としてコントロール30に2.5〜5.0Vを印加し、これと同じ電圧をNウェル31にも印加する。これにより、メモリトランジスタ10は、それがプログラムされている場合、すなわちフローティングゲート29内に適量の負の電荷が格納されている“1”データ書き込み状態の場合にチャネル電流が流れメモリトランジスタ10がオンする。これに対し、フローティングゲート29内に適量の負の電荷が格納されていない場合は、メモリトランジスタ10がオフのままとなる。このメモリトランジスタのオンとオフを、たとえばビット線BL電位変化を増幅することにより検出し、記憶データを読み取る。
Data reading may be performed bit by bit or page reading. In any case, when data is read from the
前述したように、本実施の形態におけるデータの書き込みでは電離衝突現象を利用している。電離衝突により発生したホットエレクトロンHEは、単純にチャネル内を加速して高エネルギー化させたホットエレクトロンより、より低電界で発生する。
また、本実施の形態では、高濃度チャネル領域37が設けられているため、図6(B)に示すように、破線で示す高濃度チャネル領域37を設けない場合よりチャネル方向の電界の集中性が高く、その結果、チャネル走行エレクトロンeがシリコン格子に衝突するエネルギーが高くなる。あるいは、同じエネルギーを得るためのソース・ドレイン領域間電圧が低くて済む。本実施の形態において、高濃度チャネル領域37の形成は必須ではいが、上記理由により、高濃度チャネル領域37を形成することが、より望ましい。
さらに、Pウェル21に負電圧を印加するバックバイアスによりPウェル21とドレインとなるN型不純物領域24との間のPN接合が逆バイアスされ、より低いドレイン電圧で空乏層が拡がりやすい。また、書き込みゲート電圧も、バックバイアスしない場合に比べ低くしても、必要なホットエレクトロンの注入効率が容易に得られる。
As described above, the ionization collision phenomenon is used for data writing in this embodiment. Hot electrons HE generated by ionization collision are generated at a lower electric field than hot electrons simply accelerated in the channel to increase energy.
In the present embodiment, since the high
Furthermore, the PN junction between the P well 21 and the N-
以上より、本実施の形態では、動作電圧が従来に比べ低減されている。
従来のチャネルホットエレクトロン注入方式では、同じ量の電荷を同程度の時間でフローティングゲートに注入するためには書き込みゲート電圧として12Vほど必要であった。
これに対し、本実施の形態ではコントロールゲート30に印加する電圧は5V程度ですむ。これにより、ゲート長のスケーリングが従来に比べてしやすく、また、書き込み速度は100μs以下が得られている。また、本実施の形態では1層のポリシリコンゲート構造が採用され、このことと必要な電圧の最大値が5V程度ですむこととの組み合わせによって、ロジック混載メモリ装置などのようにメモリトランジスタの製造プロセスとロジックトランジスタの製造プロセスとの共通性あるいは親和性が高く、安いコストでロジック混載メモリ装置を実現することが可能となる。
さらに、ウェルインウェル構造とすることにより、コントロールゲート電位の変動がなく、確実な動作を実現している。
As described above, in this embodiment, the operating voltage is reduced as compared with the conventional case.
In the conventional channel hot electron injection method, about 12V is required as a write gate voltage in order to inject the same amount of charge into the floating gate in the same amount of time.
On the other hand, in this embodiment, the voltage applied to the
Furthermore, by adopting a well-in-well structure, the control gate potential does not fluctuate and a reliable operation is realized.
また、電荷注入効率の向上によって消費電力が低減されている。
従来のCHE注入によるデータ書き込み方法では、フローティングゲートを充電させるための書き込み電流の典型値は約0.5mAと大きかった。これに対し、本実施の形態にかかるメモリトランジスタ10は数10μAの書き込み電流ですむ。この書き込み電流を約1/10以下にできることは、データ書き込み時の電力消費を減少させ、その電力供給回路が小型化できるだけでなく、ページ書き込み、すなわちメモリアレイの1行内の複数個のメモリトランジスタ10に“1”データを同時に書き込むことを可能とする。
In addition, power consumption is reduced by improving the charge injection efficiency.
In the conventional data writing method using CHE injection, the typical value of the write current for charging the floating gate is as large as about 0.5 mA. On the other hand, the
また、従来のメモリトランジスタでは、低電圧動作を実現するためにフローティングゲートとコントロールゲートとのカップリング比を0.8以上に大きくとる必要があった。そのためコントロールゲートの面積が大きくなり、メモリセル全体の面積が大きかった。これに対し、本実施の形態では、電離衝突を利用した書き込みにより低電圧化が図られ、その結果、従来の1層ポリシリコンゲート構造のNチャネル型のメモリトランジスタと比較すると、本実施の形態のメモリトランジスタではコントロールゲートの面積が小さい。これにより、本実施の形態のメモリセルでは、セル面積が従来のメモリセルより小さい。 Further, in the conventional memory transistor, it is necessary to increase the coupling ratio between the floating gate and the control gate to 0.8 or more in order to realize a low voltage operation. Therefore, the area of the control gate is increased, and the area of the entire memory cell is large. On the other hand, in this embodiment, the voltage is reduced by writing using ionization collision. As a result, compared with the conventional N-channel type memory transistor having a single-layer polysilicon gate structure, this embodiment This memory transistor has a small control gate area. Thereby, in the memory cell of the present embodiment, the cell area is smaller than that of the conventional memory cell.
以下、いくつかの変形例を示す。 Hereinafter, some modifications will be described.
メモリトランジスタ10は、1回のデータ書き込みサイクル中に、それぞれが2値データである複数のビットを書き込むマルチレベルデータ記憶が可能である。メモリトランジスタ10のスレッシュホールド電圧Vthのレベルは、コントロールゲート30に印加される電圧値に依存し、この電圧値を細かく制御することによりマルチレベルデータ記憶が可能である。あるいは、ビット線電圧値を細かく制御してもマルチレベルのデータ記憶が可能である。このようなマルチレベルデータ記憶においては、メモリトランジスタ10のスレッシュホールド電圧Vthを正確に測定することが必要である。そのため、セレクトトランジスタ11のドレインとなるN型不純物25は、図4に示したように、高インピーダンス抵抗Rを介して電源電圧Vccの供給線に結合され、かつ電圧検知回路40へ結合される。電圧検知回路40はスレッシュホールド電圧Vthを正確に測定することができる。したがって、メモリトランジスタ10内にマルチレベルのデータを正確に格納させることが可能となる。
The
ここで、メモリトランジスタ10の消去の状態のスレッシュホールド電圧Vthが1Vであり、そのフローティングゲート29が完全に充電された書き込み状態のスレッシュホールド電圧Vthが約6Vであるとする。この場合、書き込みサイクル期間中にコントロールゲート30に印加される書き込みゲート電圧Vcgwとして5〜15Vの電圧範囲を使用すると、メモリトランジスタのスレッシュホールド電圧Vthは約1〜6Vの範囲内で細かく制御可能である。
より具体的な例を示すと、たとえば電源電圧Vccが約3.3Vである場合に、ビット線BLの電圧の範囲を約1〜3.3Vとし、書き込みゲート電圧Vcgwを順次変化させながら複数回のデータ書き込みを行う。その結果、メモリトランジスタ10のスレッシュホールド電圧Vthが4Vの幅をもった範囲内を変化する。この場合、メモリトランジスタ10のスレッシュホールド電圧Vthが4mVの増分、すなわち読み出し時に十分識別可能な電圧ステップで順次増加するように複数回の書き込みを繰り返すことができる。
データの読み出しでは、たとえばスレッシュホールド電圧の高いほうから、その電圧ステップの間のレベルに読み出しゲート電圧を順次変化させながら読み出し動作を繰り返し、記憶データのレベルを順次確定させていく。これにより、複数ビットの読み出しが可能となる。
データの消去では前述した消去方法を行い、すべてのレベルのデータを一括して消去する。
Here, it is assumed that the threshold voltage Vth in the erased state of the
More specifically, for example, when the power supply voltage Vcc is about 3.3 V, the voltage range of the bit line BL is set to about 1 to 3.3 V, and the write gate voltage Vcgw is sequentially changed a plurality of times. Write data. As a result, the threshold voltage Vth of the
In data reading, for example, the reading operation is repeated while sequentially changing the reading gate voltage from the higher threshold voltage to the level between the voltage steps, thereby sequentially determining the level of the stored data. Thereby, a plurality of bits can be read.
In erasing data, the erasing method described above is performed, and all levels of data are erased collectively.
他の変形例では、電流制限装置をビット線BLに結合させ、プログラミング電流が約200μAを超えることを防止させてもよい。 In other variations, a current limiting device may be coupled to the bit line BL to prevent the programming current from exceeding about 200 μA.
また、他の変形例では、セレクトトランジスタをソース側にのみ設ける、ソースとドレインの双方に設けることもできる。 In another modification, the select transistor can be provided only on the source side, and can be provided on both the source and drain.
さらに、他の変形例では、ウェル構造をツインウェル構造、すなわちPウェルとNウェルを隣接して設けたCMOS用のウェル構造とすることもできる。この変形例は、とくにCMOS構成のロジック回路との共通性を高めたロジック混載メモリ装置の実現に適している。Nチャネルのメモリトランジスタは通常、Pウェル側に形成される。なお、メモリトランジスタのコントロールゲート部分をウェルインウェル構造としてもよいし、さらに、重ねるウェルの個数を増やすこともできる。この場合、P型とN型のウェルがより多く重ねて形成されるためウェルバイアス時の電流消費を、前記した2重ウェルの場合よりさらに低減できる。 In another modification, the well structure may be a twin well structure, that is, a CMOS well structure in which a P well and an N well are provided adjacent to each other. This modification is particularly suitable for realizing a logic-embedded memory device having increased commonality with a logic circuit having a CMOS configuration. The N-channel memory transistor is usually formed on the P well side. Note that the control gate portion of the memory transistor may have a well-in-well structure, and the number of wells to be stacked can be increased. In this case, since more P-type and N-type wells are formed to overlap each other, current consumption at the time of well bias can be further reduced as compared with the case of the double well.
本発明は、フラッシュEEPROMなどの不揮発性半導体メモリの用途に広く適用できる。 The present invention can be widely applied to non-volatile semiconductor memories such as flash EEPROMs.
1…メモリセルアレイ、2a…カラムバッファ、2b…ロウバッファ、3…プリロウデコーダ、4…メインロウデコーダ、5…カラムデコーダ、6…入出力回路、7…カラムゲートアレイ、8…ウェル充放電回路、10…メモリトランジスタ、11…セレクトトランジスタ、20…半導体基板、21…Pウェル、22…素子分離絶縁層、23〜25…ソース・ドレイン領域、26,27…チャネル形成領域、28…ゲート絶縁膜、29…フローティングゲート、29A…ゲートフィンガー部、29B…フローティングゲートの幅広の部分、30…コントロールゲート、31…Nウェル、32…ゲート間絶縁膜、33…開口部、34…コンタクト、35…絶縁膜、36…セレクトゲート、37…高濃度チャネル領域、40…電圧検知回路、BL…ビット線、SL…ソース線、WL…ワード線、HH…ホットホール、HE…ホットエレクトロン
DESCRIPTION OF
Claims (11)
データの書き込み時に、前記2つのソース・ドレイン領域間に書き込みドレイン電圧を供給し、前記コントロールゲートに書き込みゲート電圧を供給し、前記2つのソース・ドレイン領域のうちドレインとなるソース・ドレイン領域側でチャネル電荷の半導体格子への電離衝突に起因したホットエレクトロンを発生させ、当該ホットエレクトロンを前記フローティングゲートに注入させる電圧供給回路を、さらに有する
不揮発性半導体メモリ装置。 A gate insulating film and a floating gate sequentially formed on a P-type well formed on a semiconductor substrate, and two sources / drains formed on a surface portion of the P-type well located on both sides of the floating gate A nonvolatile semiconductor memory device having a region and a control gate formed of an impurity region formed in the P-type well and capacitively coupled to the floating gate via an insulating film,
At the time of writing data, a write drain voltage is supplied between the two source / drain regions, a write gate voltage is supplied to the control gate, and the source / drain region serving as a drain of the two source / drain regions is supplied. A non-volatile semiconductor memory device further comprising a voltage supply circuit that generates hot electrons caused by ionization collision of channel charges with a semiconductor lattice and injects the hot electrons into the floating gate.
請求項1に記載の不揮発性半導体メモリ装置。 The nonvolatile semiconductor memory device according to claim 1, wherein a high-concentration channel region having a higher concentration than the P-type well is formed in at least one of the two source / drain regions.
請求項1に記載の不揮発性半導体メモリ装置。 The voltage supply circuit is configured such that the write drain voltage and the write gate voltage that generate the hot electrons due to secondary ionization collision in which charges generated by the ionization collision further collide with a semiconductor lattice are respectively applied to the two source / drain regions. The nonvolatile semiconductor memory device according to claim 1, wherein the nonvolatile semiconductor memory device is supplied to the control gate.
請求項1に記載の不揮発性半導体メモリ装置。 The voltage supply circuit divides a write gate voltage applied between the P-type well and the control gate into a positive voltage and a negative voltage having opposite polarities, supplies a positive voltage to the control gate, and supplies a negative voltage to the control gate. The nonvolatile semiconductor memory device according to claim 1, wherein the nonvolatile semiconductor memory device is supplied to the P-type well.
請求項1に記載の不揮発性半導体メモリ装置。 An N-type well is formed in the semiconductor substrate, the P-type well is formed in the N-type well to form a well-in-well structure, and the control gate is in the innermost well of the well-in-well structure. The nonvolatile semiconductor memory device according to claim 1, wherein the nonvolatile semiconductor memory device is formed.
請求項5に記載の不揮発性半導体メモリ装置。 The nonvolatile semiconductor memory device according to claim 5, wherein the voltage supply circuit further applies a reverse bias to a PN junction formed by the P-type well and the N-type well when the data is written.
データの書き込み時に、前記2つのソース・ドレイン領域間に書き込みドレイン電圧を供給し、前記コントロールゲートに書き込みゲート電圧を供給し、前記2つのソース・ドレイン領域のうちドレインとなるソース・ドレイン領域側でチャネル電荷の半導体格子への電離衝突に起因したホットエレクトロンを発生させ、当該ホットエレクトロンを前記フローティングゲートに注入させるステップを含む
不揮発性半導体メモリ装置の電荷注入方法。 A gate insulating film and a floating gate sequentially formed on a P-type well formed on a semiconductor substrate, and two sources / drains formed on a surface portion of the P-type well located on both sides of the floating gate A charge injection method for a non-volatile semiconductor memory device having a region and a control gate formed of an impurity region formed in the P-type well and capacitively coupled to the floating gate via an insulating film. ,
At the time of writing data, a write drain voltage is supplied between the two source / drain regions, a write gate voltage is supplied to the control gate, and the source / drain region serving as a drain of the two source / drain regions is supplied. A charge injection method for a non-volatile semiconductor memory device, comprising the steps of generating hot electrons caused by ionization collision of channel charges with a semiconductor lattice and injecting the hot electrons into the floating gate.
請求項7に記載の不揮発性半導体メモリ装置の電荷注入方法。 When the data is written, the channel charge is rapidly accelerated by an electric field that is provided on at least one side of the two source / drain regions and has a high concentration channel region having a higher concentration than the P-type well. 8. A method for injecting charges in a nonvolatile semiconductor memory device according to claim 7.
請求項7に記載の不揮発性半導体メモリ装置の電荷注入方法。 By supplying the write drain voltage and the write gate voltage to the two source / drain regions and the control gate, respectively, the charge generated by the ionization collision further collides with the semiconductor lattice to cause the hot ionization. The method of injecting electrons into the nonvolatile semiconductor memory device according to claim 7.
請求項7に記載の不揮発性半導体メモリ装置の電荷注入方法。 In the hot electron injection step, a write gate voltage applied between the P-type well and the control gate is divided into a positive voltage and a negative voltage having opposite polarities, and a positive voltage is supplied to the control gate; The charge injection method of the nonvolatile semiconductor memory device according to claim 7, wherein a negative voltage is supplied to the P-type well.
前記不揮発性半導体メモリ装置の電荷注入方法が、前記データの書き込み時に、さらに、前記P型ウェルと前記N型ウェルにより形成されているPN接合に逆向きのバイアスを印加するステップを含む
請求項7に記載の不揮発性半導体メモリ装置の電荷注入方法。
In the nonvolatile semiconductor memory device, an N-type well is formed in the semiconductor substrate, the P-type well is formed in the N-type well to have a well-in-well structure, and the control gate is Formed in the innermost well of the well-in-well structure,
The charge injection method of the nonvolatile semiconductor memory device further includes a step of applying a reverse bias to a PN junction formed by the P-type well and the N-type well when the data is written. A charge injection method for a nonvolatile semiconductor memory device according to claim 1.
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