JP2009146497A - Semiconductor device - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、半導体装置に関し、特に、不揮発性メモリセルを備えた半導体装置の動作方式に適用して有効な技術に関するものである。 The present invention relates to a semiconductor device, and more particularly to a technique effective when applied to an operation method of a semiconductor device including a nonvolatile memory cell.
LSIに組み込まれた集積半導体メモリの一つに不揮発性メモリがある。不揮発性メモリは、LSIの電源を切っても記憶情報が残る素子であり、LSIを様々な応用に用いるためには、極めて重要な素子になっている。 One type of integrated semiconductor memory incorporated in an LSI is a nonvolatile memory. The nonvolatile memory is an element in which stored information remains even when the power of the LSI is turned off, and is an extremely important element for using the LSI for various applications.
半導体素子の不揮発性メモリには、いわゆる浮遊ゲート型メモリや、絶縁膜を用いたメモリがある。通常、これらのメモリセルはマトリックス状に配置され、複数のビット線とワード線からなるアレイ(メモリアレイ)を構成して用いられる。 Non-volatile memories of semiconductor elements include so-called floating gate type memories and memories using insulating films. Normally, these memory cells are arranged in a matrix and used by forming an array (memory array) composed of a plurality of bit lines and word lines.
特開2003−46002号公報(特許文献1)には、絶縁膜性の電荷蓄積膜として、シリコン酸化膜/シリコン窒化膜/シリコン酸化膜の積層構造を用いており、メモリトランジスタの側面に選択トランジスタを配置した、いわゆるスプリットゲート型MONOS(Metal Oxide Nitride Oxide Semiconductor)メモリが開示されている。このメモリセルの動作方式は、書込み時にはソースサイド・ホットエレクトロン注入(以下、SSI−HE注入)、消去時にはバンド間誘起ホットホール注入(以下、BTBT−HH注入)方式が採用されている。 Japanese Patent Laid-Open No. 2003-46002 (Patent Document 1) uses a stacked structure of a silicon oxide film / a silicon nitride film / a silicon oxide film as an insulating film charge storage film, and a selection transistor is provided on the side surface of the memory transistor. A so-called split gate type MONOS (Metal Oxide Nitride Oxide Semiconductor) memory is disclosed. As the operation method of this memory cell, a source side hot electron injection (hereinafter referred to as SSI-HE injection) at the time of writing and an interband induced hot hole injection (hereinafter referred to as BTBT-HH injection) at the time of erasing are adopted.
書込み時のSSI−HE注入、消去時のBTBT−HH注入方式では、書込み動作による電子注入と消去動作によるホール注入位置が異なるためにミスマッチが生じ易く、電荷蓄積膜中に電子/ホールの電荷分布した状態となる。この状態で、メモリセルを放置すると電荷拡散が起こり、また電荷対消滅が起こることでメモリセルのしきい値が変化することが考えられる。 In the SSI-HE injection at the time of writing and the BTBT-HH injection at the time of erasing, the electron injection by the writing operation and the hole injection position by the erasing operation are different, so that mismatch easily occurs, and the electron / hole charge distribution in the charge storage film It will be in the state. In this state, if the memory cell is left unattended, charge diffusion occurs, and charge pair annihilation may occur, thereby changing the threshold value of the memory cell.
そこで、電荷分布のミスマッチを緩和してメモリセルを安定動作させる技術として、特開2006−12382号公報(特許文献2)には、書込み/消去動作時に複数回のパルス電圧または多段ステップ電圧をメモリゲートなどに印加する方式が開示されている。
本発明者らは、前記特許文献1、2で開示されているようなスプリットゲート型MONOSメモリについて検討を行っており、スケーリングに伴いメモリトランジスタのゲート長が短くなると、以下の課題が生じることを見出した。
The present inventors have studied a split gate type MONOS memory as disclosed in
図1はメモリゲート長が長い場合(a)〜(c)と短い場合(d)〜(f)のメモリセルの電荷分布のミスマッチを説明するための模式図である。なお、符号50、60はシリコン基板、符号51、61はメモリゲート、符号52、62は選択ゲート、符号53、54、63、64はシリコン酸化膜、符号55、65は電荷蓄積膜を構成するシリコン窒化膜、符号56、57、66、67はn型の半導体領域(拡散層)、符号58、68はp型ウェル、59、69はシリコン酸化膜を示す。
FIG. 1 is a schematic diagram for explaining a mismatch in charge distribution of memory cells when the memory gate length is long (a) to (c) and when the memory gate length is short (d) to (f).
メモリゲート長が長い場合には、前記特許文献2に記載されているような、書込み(図1(a))/消去(図1(b))動作時に多段ステップ電圧をメモリゲート52およびn型の半導体領域56に印加し、電荷分布のミスマッチを緩和すること(図1(c))が有効である。ここで、メモリゲート長が十分に長い場合には、消去時のBTBT−HH注入の注入位置は、書込み時のSSI−HE注入位置に対して十分に離れているため、メモリセル書換えに伴う電子およびホール分布のミスマッチは図1(c)に示すように、n型の半導体領域56側のシリコン窒化膜55(電荷蓄積膜)中にはホールが、選択ゲート52側のシリコン窒化膜55(電荷蓄積膜)中には電子が局在して分布することとなる。
When the memory gate length is long, the multi-step step voltage is set to the
一方、メモリゲート長が40nm程度以下となると、書込み(図1(d))/消去(図1(e))動作時に多段ステップ電圧をメモリゲート62およびn型の半導体領域66に印加し、電荷分布のミスマッチを緩和した場合であっても、ゲート長が短くなった分だけBTBT−HH注入位置が選択ゲート52側に寄ることになり、選択ゲート52とメモリゲート51を絶縁している領域までホールが到達するようになる。すなわち、メモリセル書換えに伴う電子およびホールのミスマッチは、図1(f)に示すように、n型の半導体領域66側のシリコン窒化膜65(電荷蓄積膜)には電子が、選択ゲート62側のシリコン窒化膜65(電荷蓄積膜)にはホールが局在して分布するようになり、メモリゲート長が長い場合と比較して分布が逆転してしまう。
On the other hand, when the memory gate length is about 40 nm or less, a multi-step voltage is applied to the
このため、メモリセル放置時には、チャネル上のシリコン窒化膜65(電荷蓄積膜)中の電子/ホールの移動の他に、選択ゲート62とメモリゲート61を絶縁している領域に到達したホールが拡散することにより、信頼度を大幅に損ねるという課題が生じることを本発明者らは見出した。
For this reason, when the memory cell is left, in addition to the movement of electrons / holes in the silicon nitride film 65 (charge storage film) on the channel, holes reaching the region where the
本発明の目的は、不揮発性メモリセルを備えた半導体装置の高信頼度化を図ることのできる技術を提供することにある。 An object of the present invention is to provide a technique capable of increasing the reliability of a semiconductor device including a nonvolatile memory cell.
本発明の前記ならびにその他の目的と新規な特徴は、本明細書の記述および添付図面から明らかになるであろう。 The above and other objects and novel features of the present invention will be apparent from the description of this specification and the accompanying drawings.
本願において開示される発明のうち、代表的なものの概要を簡単に説明すれば、次のとおりである。 Of the inventions disclosed in the present application, the outline of typical ones will be briefly described as follows.
本発明の一実施の形態は、電荷蓄積膜の選択ゲート側にホールが電子より多く分布している状態において、選択ゲートに正電圧を印加し、メモリゲートに0V(基準電圧)を印加して、ホールと電子とを結合させるものである。 In one embodiment of the present invention, a positive voltage is applied to the selection gate and 0 V (reference voltage) is applied to the memory gate in a state where holes are distributed more than electrons on the selection gate side of the charge storage film. , It combines holes and electrons.
本願において開示される発明のうち、代表的なものによって得られる効果を簡単に説明すれば以下のとおりである。 Among the inventions disclosed in the present application, effects obtained by typical ones will be briefly described as follows.
この一実施の形態によれば、不揮発性メモリセルを備えた半導体装置の高信頼度化を図ることができる。 According to this embodiment, the reliability of the semiconductor device including the nonvolatile memory cell can be increased.
以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、実施の形態を説明するための全図において、同一の機能を有する部材には同一の符号を付し、その繰り返しの説明は省略する場合がある。また、図面を見やすくするため、平面図であってもハッチングを付し、断面図であってもハッチングを付さない場合がある。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings. Note that components having the same function are denoted by the same reference symbols throughout the drawings for describing the embodiments, and the repetitive description thereof may be omitted. In addition, in order to make the drawing easy to see, hatching may be applied even in a plan view, and hatching may not be applied even in a cross-sectional view.
(実施の形態1)
図2は本実施の形態における複数の不揮発性メモリセル(以下、単にメモリセルという)から構成されたメモリアレイ9を備えた半導体装置(半導体集積回路装置)のブロック図である。図3は図2のメモリアレイ9のブロック図である。図4は図2のメモリアレイ9の等価回路図である。図5は図2のメモリアレイ9の平面を示す模式図であり、図6は図5のA−A’線、B−B’線、C−C’線、D−D’線の断面を示す模式図である。図7は本実施の形態におけるメモリセルMCの断面を示す模式図であり、図6のA−A’線の断面が拡大して示されている。
(Embodiment 1)
FIG. 2 is a block diagram of a semiconductor device (semiconductor integrated circuit device) including a
図2に示すように、本実施の形態における半導体装置は、制御回路1、入出力回路2、アドレスバッファ3、行デコーダ4、列デコーダ5、ベリファイセンスアンプ回路6、高速リードセンスアンプ回路7、書き換え回路8、メモリアレイ9、および電源回路10などから構成されている。メモリとして情報を記憶するメモリアレイ9に対して、制御回路1などの電子回路が配線によって電気的に接続されており、信号の受け渡しが行われる。また、図示しないが、メモリアレイ9、制御回路1などの電子回路に基準電圧を供給する電源線や、電源電圧を供給する電源線なども電気的に接続されている。
As shown in FIG. 2, the semiconductor device according to the present embodiment includes a
制御回路1は、接続先のマイクロコンピュータなどホストから入力される制御用信号を一時的に格納し、動作ロジックの制御を行う。また、詳細は後述するが、制御回路1はメモリアレイ9内のメモリセルのゲート電極の電位の制御を行なう。
The
入出力回路2には、メモリアレイ9から読み出しまたはメモリアレイ9へ書き込むデータ、プログラムデータなどの各種データが入出力される。アドレスバッファ3は、外部から入力されたアドレスを一時的に格納する。アドレスバッファ3には、行デコーダ4、ならびに列デコーダ5がそれぞれ接続されている。
Various data such as data read from or written to the
行デコーダ4は、アドレスバッファ3から出力された行アドレスに基づいてデコードを行い、列デコーダ5は、該アドレスバッファ3から出力された列アドレスに基づいてデコードを行う。
The row decoder 4 performs decoding based on the row address output from the
ベリファイセンスアンプ回路6は、消去/ 書き込みベリファイ用のセンスアンプであり、高速リードセンスアンプ回路7は、データリード時に用いられるリード用センスアンプである。書き換え回路8は、メモリセルMCを動作させるためのメモリゲート制御回路、選択ゲート制御回路、ソース制御回路、ドレイン制御回路などを有し、入出力回路2を介して入力された書き込みデータをラッチし、データ書き込みの制御を行う。電源回路10は、データ書き込みや消去、ベリファイ時などに用いられる様々な電圧を生成する電圧発生回路、および任意の電圧値を生成して書き換え回路に供給する電流トリミング回路11などから構成される。
The verify
メモリアレイ9は、複数のブロックに分割されており、図3ではA0からA7の8ブロックに分割した例が示されている。複数のブロックごとに信号の受け渡しを行うので、効率化が図れ、高速動作させることができる。
The
このメモリアレイ9は、図4に示すように、マトリクス状に設けられた複数のメモリセルMCによって構成されている。このメモリセルMCは電界効果型トランジスタから構成されており、情報を記憶するためのメモリトランジスタQmと、所定のメモリセルMCを選択するための選択トランジスタQcとを有する。なお、本実施の形態においては、説明のためnチャネル型の電界効果型トランジスタで形成したメモリセルMCについて述べるが、pチャネル型の電界効果型トランジスタでも原理的には同様に形成することができる。
As shown in FIG. 4, the
このメモリセルMCと前述の書き換え回路8とは電気的に接続されており、メモリセルのメモリゲート(MG)にはメモリゲート制御回路、選択ゲート(CG)には選択ゲート制御回路、ソースにはソース制御回路、ドレインにはドレイン制御回路などの電子回路が電気的に接続されている。
The memory cell MC and the above-described
このメモリアレイ9の平面レイアウトは、図5に示すように、半導体基板の主面のX方向およびこれと交差するY方向に沿ってマトリクス状に複数のメモリセルMCが設けられたものとなっている。X方向に延在するメモリゲート101、選択ゲート102がワード線として構成され、X方向に延在するn型の半導体領域106(拡散層、メモリセルMCのソース)がソース線として構成され、X方向に延在するn型の半導体領域107(拡散層、メモリセルMCのドレイン)とコンタクト110を介して電気的に接続されたY方向に延在する配線111がビット線として構成されており、前述した書き換え回路8などの電子回路と電気的に接続されている。
The planar layout of the
メモリアレイ9を構成するメモリセルMCは、図6および図7に示すように、半導体基板であるシリコン基板100の主面に設けられたp型の半導体領域であるウェル108と、ウェル108上にゲート絶縁膜であるシリコン酸化膜109を介して設けられた選択トランジスタQcのゲート電極である選択ゲート102とを有している。
As shown in FIGS. 6 and 7, the memory cells MC constituting the
また、メモリセルMCは、選択ゲート102の側壁およびウェル108に沿って設けられた電荷蓄積膜を含む積層絶縁膜と、積層絶縁膜を介して、ウェル108上に選択ゲート102と隣接して設けられたメモリトランジスタQmのゲート電極であるメモリゲート101とを有している。本実施の形態では、メモリゲート長が40nmとなるように、メモリトランジスタQmは構成されている。
In addition, the memory cell MC is provided adjacent to the
ウェル108と選択ゲート102との間の積層絶縁膜は、メモリゲート101下に極性が互いに異なる電子およびホールの電荷が蓄積される電荷蓄積膜であるシリコン窒化膜105を有し、シリコン酸化膜103とシリコン酸化膜104との間にそのシリコン窒化膜105が挟まれて積層されている。
The stacked insulating film between the well 108 and the
さらに、メモリセルMCは、選択ゲート102およびメモリゲート101下でチャネルが形成される領域(チャネル領域)を挟むようにウェル108に設けられ、n型の半導体領域106(ソース)および半導体領域107(ドレイン)を有している。
Further, the memory cell MC is provided in the well 108 so as to sandwich a region (channel region) where a channel is formed under the
このように、本実施の形態におけるメモリセルMCはシリコン基板100上に、メモリ動作させるメモリゲート101とセルの選択を行なう選択ゲート102が分かれて形成されている。メモリゲート101のゲート絶縁膜(積層絶縁膜)は2つのシリコン酸化膜103および104でシリコン窒化膜105を挟む構造で、いわゆるMONOS構造になっており、シリコン窒化膜105に電荷(電子、ホール)を注入することによりメモリとして動作させることができる。この動作は制御回路1などの電子回路が、選択ゲート102、メモリゲート101、p型のウェル108、n型の半導体領域106(ソース)、およびn型の半導体領域107(ドレイン)に電圧を印加して、ホールまたは電子を電荷蓄積膜であるシリコン窒化膜105に注入させる制御を行う。
As described above, in the memory cell MC in the present embodiment, the
次に、本実施の形態におけるメモリセルMCの基本動作として、読出し、書込み、消去の3動作の一例を説明する。本明細書では電荷蓄積膜内に電荷を増やす動作を書き込み動作、電荷を減らす動作を消去動作として説明する。 Next, an example of three operations of reading, writing, and erasing will be described as basic operations of the memory cell MC in the present embodiment. In this specification, an operation for increasing the charge in the charge storage film is described as a writing operation, and an operation for decreasing the charge is described as an erasing operation.
メモリセルMCのこれら読出し、書込み、消去の動作のために、選択ゲート102、メモリゲート101、ウェル108、半導体領域106(ソース)、および半導体領域107(ドレイン)に電圧が印加されるが、それらの制御はメモリセルMC(メモリアレイ9)と電気的に接続されている制御回路1などの電子回路から行われる。なお、本実施の形態における半導体装置では、基準電圧を0Vとし、電源電圧Vddを1.5Vとしている。
For these read, write, and erase operations of the memory cell MC, a voltage is applied to the
読出し動作時には、選択ゲート102に正電位として電源電圧Vdd、ウェル108に0V、半導体領域106(ソース)に0V、半導体領域107(ドレイン)に正電位として電源電圧Vdd、選択ゲート102に正電位として電源電圧Vddを印加することで選択ゲート102下のチャネルをオン状態にする。この状態で、書込み/消去状態により与えられるメモリゲート101のしきい値差を判別できる適切なメモリゲート電位(例えば0V)をメモリゲート101に印加することで、書き込み状態では、メモリゲート101のチャネルに電流が流れ、消去状態では、メモリゲート101のチャネルに電流がほとんど流れないようにすることができる。このため、メモリゲート101のチャネルに流れる電流量により、メモリセルMCの書き込み/消去状態を判別できる。
During a read operation, the
また、読出しに必要な電圧は全て電源電圧Vddであり、低圧系の電源回路のみで駆動できるためメモリセルを高速に読出すことが可能となる。 Further, all the voltages necessary for reading are the power supply voltage Vdd, which can be driven only by the low-voltage power supply circuit, so that the memory cell can be read at high speed.
書込み動作時には、ウェル108に0V、半導体領域106(ソース)に電源電圧Vddより高い正電位を印加した状態で、メモリゲート101に対して電源電圧Vddより高いゲートオーバードライブ電圧を印加することで、メモリゲート101下のチャネルをオン状態にする。なお、半導体領域107(ドレイン)に印加する電圧は、チャネルに所望の電流が流れるように回路制御される。
During a write operation, a gate overdrive voltage higher than the power supply voltage Vdd is applied to the
ここで選択ゲート102に対する電位をしきい値より例えば0.1ないし0.2V高い値として印加することで、オン状態にする。この電圧条件では、メモリゲート101−選択ゲート102間下のチャネル領域で強い電界が生じ、多くのホットエレクトロンが発生する。発生したホットエレクトロンの一部をメモリゲート101側の電荷蓄積膜であるシリコン窒化膜105に注入することで書込みを行う。一般的にはこの現象はソースサイド・ホットエレクトロン注入(SSI−HE注入)として知られている。
Here, the potential is applied to the
ここで、本実施の形態では、メモリセルMCの書込み動作においては、図8の表に示すような書込み電圧、パルス時間設定で行う多段書込みを利用しており、Step毎にメモリゲート101に印加する電圧を高くしていく。この結果、メモリゲート101下のシリコン窒化膜105中に電子を広く分布させることが可能となり、書込み特性の向上ならびに書込み後の電子保持特性を良好なものとすることが可能となる。
Here, in the present embodiment, the write operation of the memory cell MC uses multi-stage write performed by setting the write voltage and pulse time as shown in the table of FIG. 8, and is applied to the
消去動作時には、選択ゲート102に0V、メモリゲート101に負電位、ウェル108に0V、半導体領域106(ソース)に電源電圧より高い正電位、半導体領域107(ドレイン)に電源電圧Vddを印加する。この結果、メモリゲート101と半導体領域106(ソース)がオーバーラップした領域で強反転が生じるようにすることでバンド間トンネル現象を起こし、ホールを生成することができる。このメモリセルMCにおいては、発生したホールがチャネル方向へ加速され、メモリゲート101からの電界により引き寄せられてシリコン窒化膜105中に注入されることにより消去動作が行なわれる。すなわち、ホットエレクトロン注入により上昇していたメモリゲート101のしきい値を、ホール注入することにより引き下げることで消去を行う。一般的にはこの現象はバンド間誘起ホットホール注入(BTBT−HH注入)として知られている。
In the erase operation, 0V is applied to the
図9は本実施の形態におけるメモリセルMCの消去動作を示すシーケンスのフロー図である。このシーケンスの特徴は、本発明者らが見出した課題を解決するために、すなわち半導体領域106(ソース)側のシリコン窒化膜105(電荷蓄積膜)には電子が、選択ゲート102側のシリコン窒化膜105(電荷蓄積膜)にはホールが局在して分布してしまうミスマッチを緩和するために、消去パルス印加後に、消去ベリファイ前に選択ゲート102のみに正電位を印加するパルス(以下、緩和パルスという)を加える制御を行うことにある。
FIG. 9 is a flow chart of a sequence showing the erase operation of the memory cell MC in the present embodiment. The feature of this sequence is to solve the problem found by the present inventors, that is, electrons are transferred to the silicon nitride film 105 (charge storage film) on the semiconductor region 106 (source) side and silicon nitride on the
図10にメモリセルMCの書換えに伴う電子およびホール分布のミスマッチに関して、選択ゲート102に正電圧の緩和パルス印加の前後による違いを示す。図10(a)には緩和パルス印加前、同図(b)には緩和パルス印加後の電荷の分布が示されている。なお、図10では図面を見易くするためにハッチングは付していない。
FIG. 10 shows a difference between before and after applying a positive voltage relaxation pulse to the
選択ゲート102への正電圧のパルス印加前の場合には、図10(a)に示すように、ホールは電荷蓄積膜であるシリコン窒化膜105中の選択ゲート102側および、選択ゲート102とメモリゲート101を絶縁する積層絶縁膜領域に分布し、電子はシリコン窒化膜105中の半導体領域106(ソース)側に分布している。すなわち、電荷蓄積膜であるシリコン窒化膜105の選択ゲート102側にホールが電子より多く分布している状態である。
Before the positive voltage pulse is applied to the
この状態において、図10(b)に示すように、消去パルス印加後、消去ベリファイ前に選択ゲート102に正電圧の緩和パルス、メモリゲート101に緩和パルスの正電圧より低い電圧(例えば、0V)を印加することにより、選択ゲート102側の領域に分布しているホールを半導体領域106(ソース)側に移動させて電子とホールを結合させる。これにより、電子およびホール分布のミスマッチを緩和することができる。特に、スケーリングによる本実施の形態のようなメモリゲート長が40nmの場合や、それ以下のメモリゲート長の場合のメモリセルMCを放置しても、シリコン窒化膜105(電荷蓄積膜)において電子/ホールの移動を低減でき、また、選択ゲート102とメモリゲート101とを絶縁している領域にホールが拡散することを抑制することができる。
In this state, as shown in FIG. 10B, after the erase pulse is applied and before the erase verify, the
このように電荷蓄積膜であるシリコン窒化膜105の選択ゲート102側にホール(正の電荷)が電子(負の電荷)より多く分布している状態において、制御回路1などの電子回路が、選択ゲート102に正電圧を印加し、メモリゲート101にその正電圧より低い電圧を印加して、ホールと電子とを結合させる制御を行う。
Thus, in a state where holes (positive charges) are distributed more than electrons (negative charges) on the
具体的に、本実施の形態における制御回路1などの電子回路によって制御されるメモリセルMCの消去動作において、図11に多段消去電圧条件およびパルス時間設定の一例を示す。
Specifically, in the erase operation of the memory cell MC controlled by the electronic circuit such as the
この消去動作においては、まず、消去Stepを経る毎(Step1〜7)にメモリゲート101および半導体領域106(ソース)に印加する電圧を高くしていく。この多段消去パルスにより、消去初期の段階(電荷蓄積膜中に電子が存在する状況)でメモリゲート101に大きな負電圧、半導体領域106(ソース)に大きな正電圧を印加すると、電子の存在により実効的なメモリゲート101の負電圧が強められることで多量のホール発生・注入され、電荷蓄積膜を劣化させてしまうことの低減を図っている。また、多量のホールを発生させるために必要な大きな電流が半導体領域106(ソース)−ウェル108間に流れるため、それに応じた大きな電源が必要となるが、多段消去パルスにより、効率良く多量のホールを発生させることができる。また、消去が進み電荷蓄積膜中にホールが蓄積するようになると、ホールの存在によりメモリゲート101への負電圧が抑えられるため、ホールの発生・注入が抑制され消去速度が遅くなるが、多段消去パルスにより、効率良くホールの発生・注入を行うことができる。
In this erase operation, first, the voltage applied to the
続いて、Step8を行うが、選択ゲート102のみ正電圧を印加するパルス条件が、前述したホール分布を移動させる緩和パルスである。発明者らの検討の結果、緩和パルスは、その印加電圧を高く、印加時間を10μs以上とすることで効果が期待できることが明らかとなった。本実施の形態においては、選択ゲート102は低圧系の電源回路に接続されているため、回路制御の都合上、印加電圧を電源電圧Vdd(=+1.5V)とすることが好適である。
Subsequently,
続いて、図9に示したように、消去ベリファイ動作となるが、メモリセルMCのしきい値が所望の消去ベリファイレベルまで低下していない場合(ベリファイFail)には、Step7、Step8および消去ベリファイを繰り返して、ベリファイをパスするまで消去動作を行う。
Subsequently, as shown in FIG. 9, the erase verify operation is performed. However, when the threshold value of the memory cell MC is not lowered to a desired erase verify level (verify Fail),
図12には、図11における消去パルス(Step7)、緩和パルス(Step8)を印加し、消去ベリファイに至るまでのパルスシーケンスのタイミングチャートを示す。対象セル数は1セルの場合である。図中の時刻t0からt7が消去パルス印加動作、時刻t7からt10が緩和パルス印加動作、時刻t10からt13が消去ベリファイ動作であり、それぞれStep7、Step8、およびStep9として示している。メモリセルMCへのこれら消去パルス印加動作、緩和パルス印加動作、および消去ベリファイ動作のために、選択ゲート102、メモリゲート101、ウェル108、半導体領域106(ソース)、および半導体領域107(ドレイン)に電圧が印加されるが、それらの制御はメモリセルMC(メモリアレイ9)と電気的に接続されている制御回路1などの電子回路から行われる。なお、本実施の形態における半導体装置では、基準電圧を0Vとし、電源電圧Vddを+1.5Vとしている。
FIG. 12 shows a timing chart of a pulse sequence from application of the erase pulse (Step 7) and relaxation pulse (Step 8) in FIG. 11 to the erase verify. The number of target cells is one cell. In the figure, time t0 to t7 are erase pulse application operations, time t7 to t10 are relaxation pulse application operations, and time t10 to t13 are erase verify operations, which are shown as
まず、消去パルス印加動作について説明する。なお、消去パルス印加動作中(時刻t0〜t7)は、ウェル108に0Vが印加されている。 First, the erase pulse application operation will be described. Note that 0 V is applied to the well 108 during the erase pulse application operation (time t0 to t7).
時刻t0に消去パルス(Step7)印加電圧のうち、半導体領域106(ソース)およびメモリゲート101の電圧を基準電圧である0Vから共に立上げ始める。このとき選択ゲート102には0V、半導体領域107(ドレイン)にはVddが印加されている。時刻t1には半導体領域106(ソース)電圧がVddとなる。時刻t2にはメモリゲート101電圧が−7Vとなり、同時に半導体領域106(ソース)をさらに昇圧し始める。時刻t3で半導体領域106(ソース)は所望の6.5Vに昇圧される。
At time t0, among the voltages applied to the erase pulse (Step 7), the voltages of the semiconductor region 106 (source) and the
時刻t3からt4の間の時間が、半導体領域106(ソース)、メモリゲート101共に消去電圧が印加された状態であり、ホットホールを発生・注入してメモリセルのしきい値を低下させることができる。例えば図11では、50μsとなっている。
The time between time t3 and time t4 is a state in which the erase voltage is applied to both the semiconductor region 106 (source) and the
時刻t4において半導体領域106(ソース)を立下げ始め、時刻t5でVddとする。同時に時刻t5ではメモリゲート101を立下げ始める。時刻t6において、半導体領域106(ソース)を0Vに立下げ始め、時刻t7でメモリゲート101および半導体領域106(ソース)共に0Vとなる。
The semiconductor region 106 (source) starts to fall at time t4 and is set to Vdd at time t5. At the same time, the
続いて、緩和パルス印加動作について説明する。なお、緩和パルス印加動作中(時刻t7〜t10)は、ウェル108に0Vが印加されている。
Subsequently, the relaxation pulse application operation will be described. During the relaxation pulse application operation (time t7 to t10), 0 V is applied to the
時刻t7において、半導体領域107(ドレイン)の電圧をVddから立下げ始め、時刻t8で0Vとする。同時にt8では、選択ゲート102電圧を0Vから立上げ始め、時刻t9でVddとする。時刻t9からt10の間の時間が緩和パルス印加時間となり、半導体領域106(ソース)と半導体領域107(ドレイン)との間に電流が流れないように、それぞれに0Vを印加し、選択ゲート102に正電圧、メモリゲート101に0Vを印加する。これにより電荷蓄積膜(シリコン窒化膜108)の選択ゲート102側の領域に分布しているホールを半導体領域106(ソース)側に移動させて電子とホールを結合させる効果を得られる(図10(b)参照)。発明者らの検討では、選択ゲート102に印加する電圧が電源電圧の+1.5V、メモリゲート101に印加する電圧が0Vの場合、10μs以上でその効果が得られる。
At time t7, the voltage of the semiconductor region 107 (drain) starts to fall from Vdd, and is set to 0 V at time t8. At the same time, at t8, the voltage of the
続いて、消去ベリファイ動作について説明する。なお、消去ベリファイ動作中(時刻t10〜t13)は、ウェル108に0Vが印加されている。 Next, the erase verify operation will be described. Note that 0 V is applied to the well 108 during the erase verify operation (time t10 to t13).
時刻t10において半導体領域107(ドレイン)を立上げ始め、時刻t12でVddとする。時刻t12で半導体領域107(ドレイン)を立下げ始め、時刻t13で0Vとし消去ベリファイ動作を終了する。 The semiconductor region 107 (drain) starts to rise at time t10, and is set to Vdd at time t12. At time t12, the semiconductor region 107 (drain) starts to fall, and at time t13, the voltage is set to 0 V, and the erase verify operation is finished.
時刻t11からt12の間の時間でチャネル電流を流し、測定した電流量によりメモリセルのしきい値判定を行う。この際、制御回路1などの電子回路は、選択ゲート102、メモリゲート101、p型のウェル108、半導体領域106(ソース)、および半導体領域107(ドレイン)に電圧を印加して、半導体領域106(ソース)と半導体領域107(ドレイン)との間を流れる電流を測定させる制御を行う。なお、このベリファイ動作の制御は、消去動作の制御を行った後に行われる消去ベリファイ動作となる。
A channel current is passed during a time between time t11 and t12, and the threshold value of the memory cell is determined based on the measured current amount. At this time, an electronic circuit such as the
通常、数万個のメモリセルMC全ての消去ベリファイ動作を行った場合のその動作時間は、1μs以下の時間である。このため、半導体領域107(ドレイン)の立ち上がりのタイミングがずれて、消去ベリファイ動作前の緩和パルス印加と同様に、選択ゲート102に正電圧、メモリゲート101に0Vが印加された時間があっても、緩和パルス印加時間の10μs以上より極めて短い。すなわち、緩和パルス印加によって、選択ゲート102側の領域に分布しているホールは、半導体領域106(ソース)側の電子と充分に結合されており、半導体領域107(ドレイン)の立ち上がりのタイミングがずれた短い時間では、電子とホールの結合の効果は見えにくいものと考えられる。例えば、後述の図14を参照して説明するリテンション特性の改善が見えにくいものと考えられる。
Normally, when the erase verify operation is performed on all tens of thousands of memory cells MC, the operation time is 1 μs or less. For this reason, even when the rising timing of the semiconductor region 107 (drain) is shifted and there is a time during which the positive voltage is applied to the
本実施の形態では、緩和パルスと消去ベリファイ動作で選択ゲート102に同じ電圧のVddを連続して印加することにしている。これにより、同動作時において選択ゲート電圧の昇降圧するのに要する時間が不要となり、メモリセル動作を高速に行うことができる。例えば、図13に示すように、選択ゲート102に対して、緩和パルスを0VからVddまで昇圧して10μs間印加した後、降圧して0Vとなるような電圧を印加した場合であっても、前述した電荷蓄積膜中の電荷分布のミスマッチを緩和することができる。しかしながら、緩和パルスと消去ベリファイ動作で選択ゲート102に同じVddを連続して印加することにより、メモリセル動作を高速に行うことができる。
In the present embodiment, the same voltage Vdd is continuously applied to the
以上の本実施の形態におけるシーケンスにより書換え動作を行った後の消去側のリテンション特性を、緩和パルス印加が無い場合と比較して、図14に示す。図14は30000回書換えを室温で行った後に室温に放置した時のリテンション特性である。図中の(a)に示す緩和パルス無しの場合と比較して、(b)に示す緩和パルスがある場合には10時間程度の放置で0.1V程度リテンション特性が改善されていることがわかる。この理由は、前述したように、消去パルス印加後、消去ベリファイ前に、選択ゲート102にVdd、メモリゲート101に0Vを印加することにより、選択ゲート102側の領域に分布しているホールを半導体領域106(ソース)側に移動させて電子とホールを結合させることにより、電子およびホール分布のミスマッチが緩和されるからである。このように、リテンション特性を改善することによって、半導体装置の信頼度を向上することができる。
FIG. 14 shows the retention characteristics on the erase side after performing the rewrite operation according to the sequence in the present embodiment as compared with the case where no relaxation pulse is applied. FIG. 14 shows retention characteristics when rewriting is performed 30000 times at room temperature and then left at room temperature. It can be seen that the retention characteristic is improved by about 0.1 V when left for about 10 hours when the relaxation pulse shown in (b) is present, compared to the case without the relaxation pulse shown in (a) in the figure. . As described above, after the erase pulse is applied and before the erase verify, Vdd is applied to the
(実施の形態2)
実施の形態2においては複数ブロックで一括して選択ゲート正電圧パルスを印加する場合について記述する。メモリモジュールの構成、メモリアレイのブロック構成およびメモリセル構造は前記実施の形態1と同様である。
(Embodiment 2)
In the second embodiment, a case where a selective gate positive voltage pulse is applied collectively in a plurality of blocks will be described. The configuration of the memory module, the block configuration of the memory array, and the memory cell structure are the same as those in the first embodiment.
図15に実施の形態2である多段消去電圧条件を示す。ここでは、図3に示すように、メモリアレイ9は8ブロックに分割されているものとし、4ブロック同時に消去する場合を想定している。図15において、Step1とStep2はブロック:A0にのみ消去パルスを印加する。これは、前述したように、消去初期段階ではシリコン窒化膜105中の電子の影響で、半導体領域106(ソース)−ウェル108(シリコン基板100)間に大きな電流が流れてしまい電源能力が劣化することを抑制するためである。Step9〜11のように消去が進行するにつれて、消去パルス印加時の半導体領域106(ソース)−ウェル108(シリコン基板100)間電流も小さくなるため、複数ブロックに跨って同一の消去パルスを印加しても電源能力を劣化させることが無くなる。
FIG. 15 shows the multistage erase voltage conditions according to the second embodiment. Here, as shown in FIG. 3, the
Step12が緩和パルスの電圧条件であるが、緩和パルスは選択ゲート102以外の電極に印加する電圧は0Vであるためチャネルには電流が流れない。したがって、緩和パルスで消費する電力は小さく、複数ブロックの選択ゲート102に緩和パルスを印加することが可能となる。さらに、選択ゲート102に一括して緩和パルスを印加することができるため、印加パルス幅を長くしてもモジュールで見た消去速度は、前記実施の形態1の多段消去条件と同速にすることが可能となる。
図16には、書換え動作を行った後の消去側のリテンション特性の緩和パルスの印加パルス幅依存性を示した。図中の(a)緩和パルス無し、(b)緩和パルス(1.5V,10us)印加、(c)緩和パルス(1.5V,30us)印加、(d)緩和パルス(1.5V,100us)印加している。図から明らかなように、パルス幅を長くすることにより、電荷分布のミスマッチを緩和させる効果が大きくなり、リテンション特性が改善する。 FIG. 16 shows the dependency of the relaxation characteristics on the erase side after the rewrite operation on the applied pulse width of the relaxation pulse. (A) No relaxation pulse, (b) Relaxation pulse (1.5 V, 10 us) applied, (c) Relaxation pulse (1.5 V, 30 us) applied, (d) Relaxation pulse (1.5 V, 100 us) Applied. As is apparent from the figure, by increasing the pulse width, the effect of relaxing the mismatch of the charge distribution is increased, and the retention characteristics are improved.
(実施の形態3)
実施の形態3においては、緩和パルス印加時の選択ゲート102に、電源電圧Vddより高い電圧を印加する場合について記述する。メモリモジュールの構成、メモリアレイ9のブロック構成およびメモリセルMCの構造は前記実施の形態1と同様であるが、選択ゲート102の回路として、例えば図17に示すように、Vddの他に異なる電源電圧(V1>Vdd)のセレクタを設けて、同セレクタを介して選択ゲート102のドライバを駆動する回路が加えられており、Vddより高い電圧を印加することが可能となっている。また、同様の回路が、図7の半導体領域107(ドレイン)に給電する回路にも付加されており、半導体領域107(ドレイン)にもVdd以上の電圧を印加することが可能となっている。
(Embodiment 3)
In the third embodiment, a case where a voltage higher than the power supply voltage Vdd is applied to the
ただし、選択ゲート102に高い電圧を印加する場合には、ゲート絶縁膜破壊を起こさないように図7に示すメモリセルMCの構造おいて半導体領域106(ソース)、107にも同様の電圧を印加して、ゲート絶縁膜(シリコン酸化膜109)に掛かる電界(選択ゲート102への印加電圧とチャネル電位の差)を緩和する必要がある。
However, when a high voltage is applied to the
図18には、実施の形態3における消去パルス、緩和パルスを印加し、消去ベリファイに至るまでのパルスシーケンスのタイミングチャートを示す。ただし、多段消去条件は図11と同様とし、対象セル数も1セルの場合について記述する。また、図18中の図中の時刻t0からt7が消去パルス印加動作、時刻t7からt11が緩和パルス印加動作、時刻t11からt15が消去ベリファイ動作である。 FIG. 18 shows a timing chart of a pulse sequence from the application of the erase pulse and the relaxation pulse to the erase verify in the third embodiment. However, the multi-stage erase condition is the same as in FIG. 11 and the number of target cells is 1 cell. Further, in FIG. 18, the time t0 to t7 in FIG. 18 is the erase pulse application operation, the time t7 to t11 is the relaxation pulse application operation, and the time t11 to t15 is the erase verify operation.
まず、制御回路1など電子回路によって消去パルス印加動作が制御される。時刻t0に消去パルス(図11のStep7)印加電圧のうち、半導体領域106(ソース)およびメモリゲート101の電圧をベース電圧である0Vから共に立上げ始める。このとき選択ゲート102電圧は0V、半導体領域107(ドレイン)電圧は1.5Vである。時刻t1には半導体領域106(ソース)電圧が1.5Vとなる。時刻t2にはメモリゲート101電圧が−7Vとなり、同時に半導体領域106(ソース)をさらに昇圧し始める。時刻t3で半導体領域106(ソース)は所望の6.5Vに昇圧される。
First, the erase pulse application operation is controlled by an electronic circuit such as the
時刻t3からt4の間の時間が、半導体領域106(ソース)、メモリゲート101共に消去電圧が印加された状態であり、ホットホールを発生・注入してメモリセルのしきい値を低下させることができる。例えば図11では、50μsとなっている。
The time between time t3 and time t4 is a state in which the erase voltage is applied to both the semiconductor region 106 (source) and the
時刻t4において半導体領域106(ソース)を立下げ始め、時刻t5で1.5Vとする。同時に時刻t5ではメモリゲート101を立下げ始める。時刻t6において、半導体領域106(ソース)、107を0Vに立下げ始め、時刻t7でメモリゲート101および半導体領域106(ソース)、107共に0Vとなる。
The semiconductor region 106 (source) starts to fall at time t4 and is set to 1.5 V at time t5. At the same time, the
続いて、制御回路1などの電子回路によって緩和パルス印加動作が制御される。時刻t8において、選択ゲート102、半導体領域106(ソース)、107の電圧を0Vから立下げ始め、時刻t9でV1(V1>Vdd)とする。時刻t9からt10の間の時間が、緩和パルスが印加されている時間となり、発明者らの検討では10μs以上で効果が得られる。このように、半導体領域106(ソース)と半導体領域107(ドレイン)との間で電流が流れなければ、p型のウェル108に0Vを印加し、半導体領域106(ソース)に正電圧のV1を印加し、半導体領域107(ドレイン)に半導体領域106(ソース)と同じ正電圧のV1を印加して緩和パルス印加の動作が制御を行っても良い。
Subsequently, the relaxation pulse application operation is controlled by an electronic circuit such as the
続いて、制御回路1などの電子回路によって消去ベリファイ動作が制御される。時刻t10において選択ゲート102および半導体領域106(ソース)、107を減圧し始め、時刻t11で選択ゲート102をVdd、半導体領域106(ソース)、107を0Vとする。時刻t12で半導体領域107(ドレイン)を立上げ始め、時刻t13でVddとする。
Subsequently, the erase verify operation is controlled by an electronic circuit such as the
時刻t13からt14の間の時間でチャネル電流を流し、電流量によりメモリセルのしきい値判定を行う。通常、1マイクロ秒以下の時間である。時刻t14で半導体領域107(ドレイン)を立下げ始め、時刻t15で0Vとし消去ベリファイ動作を終了する。 A channel current is passed during a time between time t13 and t14, and the threshold value of the memory cell is determined based on the amount of current. Usually, the time is 1 microsecond or less. At time t14, the semiconductor region 107 (drain) starts to fall, and at time t15, the voltage is set to 0 V, and the erase verify operation is finished.
図19には、書換え動作を行った後の消去側のリテンション特性の緩和パルスの選択ゲート印加電圧依存性を示した。図中、(a)緩和パルス無し、(b)緩和パルス(1.5V,10us)印加、(c)緩和パルス(2.5V,10us)印加している。図から明らかなように、印加電圧を高くすることにより、電荷分布のミスマッチを緩和させる効果が大きくなり、リテンション特性が改善する。 FIG. 19 shows the dependency of the relaxation characteristics on the erase side after the rewrite operation on the selection gate applied voltage of the relaxation pulse. In the figure, (a) no relaxation pulse, (b) relaxation pulse (1.5 V, 10 us) applied, (c) relaxation pulse (2.5 V, 10 us) applied. As is apparent from the figure, by increasing the applied voltage, the effect of reducing the mismatch of the charge distribution is increased, and the retention characteristics are improved.
また、前記実施の形態2で記述したように、複数ブロックのCGに一括して緩和パルスを印加することも可能となり、前記実施の形態2で開示した効果と同様の効果が得られることは言うまでもない。 Further, as described in the second embodiment, it is possible to apply a relaxation pulse to a plurality of blocks of CG at the same time, and it goes without saying that the same effect as the effect disclosed in the second embodiment can be obtained. Yes.
(実施の形態4)
実施の形態4では、電荷蓄積膜ではなくシリコンなどで形成したナノサイズ微粒子に電荷を注入および放出することにより動作させるメモリセルに、本発明を適用した場合について述べる。図20には、実施の形態4におけるメモリセルの断面図を示している。図ではナノサイズ微粒子405が単層となっているが、複数回ナノサイズ微粒子を形成して多層とすることにより微粒子の密度を高くし、より多くの電荷を蓄積してメモリ動作マージンを広げることも可能である。
(Embodiment 4)
In the fourth embodiment, a case will be described in which the present invention is applied to a memory cell that is operated by injecting and releasing charges into nano-sized fine particles formed of silicon or the like instead of a charge storage film. FIG. 20 shows a cross-sectional view of the memory cell in the fourth embodiment. In the figure, the nano-sized
実施の形態4のメモリセル動作において、書込みにはホットエレクトロンのソースサイド注入方式、消去にはバンド間トンネルにより誘起したホットホール注入方式を用いると、電子/ホールの注入位置が異なることから電荷分布のミスマッチが生じてしまう。その結果、メモリセルを消去状態にして放置すると、ナノサイズ微粒子間の電荷のトンネル拡散によるメモリセルしきい値が上昇してしまう。 In the memory cell operation of the fourth embodiment, if the source side injection method of hot electrons is used for writing and the hot hole injection method induced by band-to-band tunneling is used for erasing, the electron / hole injection positions are different, and thus the charge distribution. The mismatch will occur. As a result, if the memory cell is left in the erased state, the threshold value of the memory cell increases due to the tunnel diffusion of charges between the nano-sized fine particles.
しかしながら、前記実施の形態1〜3に記載した本発明を適用することにより、前記の電荷分布のミスマッチを緩和して、メモリセルしきい値上昇を抑制し、信頼度を向上することが可能となる。 However, by applying the present invention described in the first to third embodiments, it is possible to alleviate the mismatch of the charge distribution, suppress an increase in memory cell threshold value, and improve reliability. Become.
(実施の形態5)
実施の形態5では、選択ゲートの両側にメモリゲートが存在する、いわゆるツインMONOS型メモリセルに、本発明を適用した場合について述べる。図21には、実施の形態5である不揮発性半導体記憶装置のメモリセルの断面図を示している。図21におけるメモリゲート101A(101)を選択ビットとした場合について、メモリ動作を説明する。なお、前記実施の形態1〜4では、半導体領域106をソース、半導体領域107をドレインとして説明したが、実施の形態5では、動作によって、半導体領域106がソースまたはドレインとなり、半導体領域107がドレインまたはソースとなる。
(Embodiment 5)
In the fifth embodiment, a case where the present invention is applied to a so-called twin MONOS type memory cell in which memory gates exist on both sides of a selection gate will be described. FIG. 21 shows a cross-sectional view of a memory cell of the nonvolatile semiconductor memory device according to the fifth embodiment. The memory operation will be described for the case where the
実施の形態5のメモリセル動作方式および印加電圧条件は前記実施の形態1〜4と同様であり、書込みにはホットエレクトロンのソースサイド注入方式、消去にはバンド間トンネルにより誘起したホットホール注入方式を用いる。ただし、読出し動作時および書込み動作時には非選択ビットとなるメモリゲート101B(101)には、例えば5V程度のパス電圧(Vpass)を印加して、半導体領域107電圧をパスさせる必要がある。また消去動作時には同ゲートには0Vを印加する。
The memory cell operation method and applied voltage conditions of the fifth embodiment are the same as those of the first to fourth embodiments, hot electron source side injection method for writing, and hot hole injection method induced by band-to-band tunneling for erasing. Is used. However, it is necessary to pass the voltage of the
したがって、実施の形態5のメモリセルにおいても、書込み/消去動作において電子/ホール分布のミスマッチが生じる。このため、消去パルス印加後、消去ベリファイ動作前に選択ゲート102に正電圧のミスマッチ緩和パルスを印加することにより、前記実施の形態1〜4と同様に、メモリセルの信頼度を向上させることが可能である。
Therefore, also in the memory cell of the fifth embodiment, electron / hole distribution mismatch occurs in the write / erase operation. Therefore, by applying a positive voltage mismatch relaxation pulse to the
(実施の形態6)
図22は実施の形態6におけるメモリアレイ9の平面を示す模式図であり、図23はそのメモリアレイ9を構成する複数のメモリセルMCの断面を示す模式図である。
(Embodiment 6)
FIG. 22 is a schematic diagram showing a plane of the
実施の形態6における半導体装置は、図2で示したと同様に、メモリアレイ9と、メモリアレイ9と電気的に接続された制御回路1などの電子回路とを備えている。また、図示しないが、メモリアレイ9、制御回路1などの電子回路に基準電圧を供給する電源線や、電源電圧を供給する電源線なども電気的に接続されている。なお、本実施の形態における半導体装置では、基準電圧を0Vとし、電源電圧Vddを1.5Vとしている。
The semiconductor device according to the sixth embodiment includes a
このメモリアレイ9の平面レイアウトは、図22に示すように、半導体基板の主面のX方向およびこれと交差するY方向に沿ってマトリクス状に複数のメモリセルMCが設けられたものとなっている。X方向に延在するメモリゲート601がワード線として構成され、X方向に延在するn型の半導体領域606(拡散層、メモリセルMCのソース)がソース線として構成され、X方向に延在するn型の半導体領域607(拡散層、メモリセルMCのドレイン)とコンタクト610を介して電気的に接続されたY方向に延在する配線611がビット線として構成されている。
The planar layout of the
実施の形態6におけるメモリセルMCは、図23に示すように、いわゆるNROMである。このNROMは、半導体基板であるシリコン基板600の主面に設けられたp型の半導体領域であるウェル608と、ウェル608上に電荷蓄積膜を含む積層絶縁膜を介して設けられたゲート電極であるメモリゲート601とを有している。
Memory cell MC in the sixth embodiment is a so-called NROM as shown in FIG. This NROM has a well 608 which is a p-type semiconductor region provided on the main surface of a
ウェル608とメモリゲート601との間の積層絶縁膜は、メモリゲート601下に極性が互いに異なる電子およびホールの電荷が蓄積される電荷蓄積膜であるシリコン窒化膜605を有し、シリコン酸化膜603とシリコン酸化膜604との間にそのシリコン窒化膜605が挟まれて積層されている。
The stacked insulating film between the well 608 and the
さらに、メモリセルMCは、メモリゲート601下でチャネルが形成される領域(チャネル領域)を挟むようにウェル608に設けられ、n型半導体領域606(ソース)およびn型半導体領域607(ドレイン)を有している。
Further, the memory cell MC is provided in the well 608 so as to sandwich a region (channel region) where a channel is formed under the
このn型半導体領域606、607(ソース/ドレイン)は、電荷蓄積膜であるシリコン窒化膜605の間に設けられている。言い換えると、電荷蓄積膜であるシリコン窒化膜605は、n型半導体領域606(ソース)とn型半導体領域607(ドレイン)との間に設けられている。実施の形態6では、n型半導体領域606、607が電荷蓄積膜605よりも高い位置まで積上げられていることが特徴である。この積上げられているn型半導体領域606、607は、例えば、メモリゲート601を加工した後、気相エピタキシャル成長法などによりシリコンを積上げた後にイオン注入することにより形成することが可能である。なお、本実施の形態6では、電荷蓄積膜であるシリコン窒化膜605が、n型半導体領域606(ソース)とn型半導体領域607(ドレイン)との間となるように、シリコン基板600からの積上げによりソース/ドレインを構成する場合について説明したが、シリコン基板600に溝を形成し、その溝内で電荷蓄積膜を含む積層膜を介したメモリゲート601を設けても良い。
The n-
次に、本メモリセルMCの基本動作として、読出し、書込み、消去の3動作の一例を説明する。 Next, an example of three operations of reading, writing, and erasing will be described as the basic operation of the memory cell MC.
読出し動作時には、n型半導体領域607に正電位(Vdd)を与え、この状態で、書込み/消去状態により与えられるメモリゲート601の閾値差を判別できる適切なメモリゲート電位(例えば3.5V)を印加することで、書き込み状態では、メモリゲート601のチャネルに電流が流れ、消去状態では、メモリゲート601のチャネルに電流がほとんど流れないようにすることができる。このため、メモリゲート601のチャネルに流れる電流量により、メモリセルの書き込み/消去状態を判別できる。
In a read operation, a positive potential (Vdd) is applied to the n-
書込み動作時には、読出し時にソースとなるn型半導体領域606に正電位を与える。メモリゲート601に対して高いゲートオーバードライブ電圧を加えることで、メモリゲート601下のチャネルをオン状態にする。またn型半導体領域607に印加する電圧は、チャネルに30μA程度の電流が流れるように回路制御される。この電圧条件では、チャネルを流れる電流の電子のエネルギーが高くなり、その一部がn型半導体領域606側で電荷蓄積膜であるシリコン窒化膜605に注入される(チャネルホットエレクトロン書込み方式)ことで、メモリセルMCのしきい値が上昇する。
At the time of writing operation, a positive potential is applied to the n-
セル動作においては、図24に示すように多段書込みを利用しており、Step毎にメモリゲート601に印加する電圧を高くしていく。これは、書込みが進むにつれて、シリコン窒化膜605中に注入された電子の影響により書込みメモリゲート601印加電圧が弱められるため同じ電圧を印加すると書込み速度が劣化するためである。
In the cell operation, multi-stage writing is used as shown in FIG. 24, and the voltage applied to the
消去動作時には、メモリゲート601に負電位を与え、n型半導体領域606に正電位を印加する。この結果、メモリゲート601とn型半導体領域606がオーバーラップした領域で強反転が生じるようにすることでバンド間トンネル現象を起こし、ホールを生成することができる。このメモリセルMCにおいては、発生したホールがチャネル方向へ加速され、メモリゲート601からの電界により引き寄せられてシリコン窒化膜605中に注入されることにより消去動作が行なわれる。すなわち、ホットエレクトロン注入により上昇していたメモリゲート601の閾値を、ホール注入することにより引き下げることで消去を行う。
During the erase operation, a negative potential is applied to the
図25には、実施の形態6である多段消去電圧条件およびパルス時間設定の一例を示す。実施の形態6においても、前記実施の形態1〜5と同様に、消去動作時に多段消去パルスを用いている。また、消去動作中、拡散層607にはVddが印加されている。
FIG. 25 shows an example of multi-stage erase voltage conditions and pulse time settings according to the sixth embodiment. In the sixth embodiment, similarly to the first to fifth embodiments, the multi-stage erase pulse is used during the erase operation. Further, Vdd is applied to the
図26には、図25における消去パルス(Step7)、ミスマッチ緩和パルス(Step8)を印加し、消去ベリファイ(Step9)に至るまでのパルスシーケンスのタイミングチャートを示す。対象セル数は1セルの場合である。図中の時刻t0からt7が消去パルス印加動作、時刻t7からt11が緩和パルス印加動作、時刻t10からt15が消去ベリファイ動作である。 FIG. 26 shows a timing chart of a pulse sequence from application of the erase pulse (Step 7) and mismatch relaxation pulse (Step 8) in FIG. 25 to erasure verification (Step 9). The number of target cells is one cell. In the figure, time t0 to t7 are erase pulse application operations, time t7 to t11 are relaxation pulse application operations, and time t10 to t15 are erase verify operations.
消去パルス動作について説明する。時刻t0に消去パルス(Step7)印加電圧のうち、n型半導体領域606およびメモリゲート601の電圧をベース電圧である0Vから共に立上げ始める。このときn型半導体領域607電圧はVddである。時刻t1にはn型半導体領域606電圧が1.5Vとなる。時刻t2にはメモリゲート601電圧が−7Vとなり、同時にn型半導体領域606をさらに昇圧し始める。時刻t3でn型半導体領域606は所望の6.5Vに昇圧される。
The erase pulse operation will be described. At time t0, among the voltages applied to the erase pulse (Step 7), the voltages of the n-
時刻t3からt4の間の時間が、n型半導体領域606、メモリゲート601共に消去電圧が印加された状態であり、ホットホールを発生・注入してメモリセルのしきい値を低下させることができる。例えば図25では、50μsとなっている。
The time between time t3 and time t4 is a state in which the erase voltage is applied to both the n-
時刻t4においてn型半導体領域606を立下げ始め、時刻t5でVddとする。同時に時刻t5ではメモリゲート601を立下げ始める。時刻t6において、n型半導体領域606、607を0Vに立下げ始め、時刻t7でメモリゲート601およびn型半導体領域606、607共に0Vとなる。
The n-
続いて、緩和パルス動作について説明する。時刻t8において、n型半導体領域606、607の電圧を立上げ始め、時刻t9でVddとする。時刻t9からt10の間の時間が緩和パルス印加時間となり、発明者らの検討では10μs秒以上で効果が得られる。
Subsequently, the relaxation pulse operation will be described. At time t8, the voltage of the n-
続いて、消去ベリファイ動作について説明する。時刻t10においてn型半導体領域606、607を立下げ、時刻t11で0Vとする。
Next, the erase verify operation will be described. The n-
時刻t11においてメモリゲート601を立上げ始め、時刻t12で3.5V程度の読出し電圧とする。同時に時刻t12で拡散層607印加電圧を立上げ始め、時刻t13でVddとする。
At time t11, the
時刻t13からt14の間の時間でチャネル電流を流し、電流量によりメモリセルMCのしきい値判定を行う。通常、1μs以下の時間である。時刻t14でn型半導体領域607を立下げ始め、時刻t15で0Vとし消去ベリファイ動作を終了する。
A channel current is passed during a time between time t13 and t14, and the threshold value of the memory cell MC is determined based on the amount of current. Usually, the time is 1 μs or less. At time t14, the n-
このようなシーケンスにより書換え動作を行うことにより、リテンション特性の改善に対して、前記実施の形態1と同様の効果が得られる。 By performing the rewriting operation according to such a sequence, the same effect as in the first embodiment can be obtained for the improvement of the retention characteristics.
また、実施の形態6のメモリセルにおいても、実施の形態2、3で開示した方法により、緩和パルス時間を長く、緩和パルス印加電圧を高くすることにより、リテンション特性改善効果を大きくできることは言うまでも無い。 In the memory cell of the sixth embodiment, it is needless to say that the effect of improving the retention characteristics can be increased by increasing the relaxation pulse time and increasing the relaxation pulse applied voltage by the method disclosed in the second and third embodiments. There is no.
以上、本発明者によってなされた発明を実施の形態に基づき具体的に説明したが、本発明は前記実施の形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々変更可能であることはいうまでもない。 As mentioned above, the invention made by the present inventor has been specifically described based on the embodiment. However, the present invention is not limited to the embodiment, and various modifications can be made without departing from the scope of the invention. Needless to say.
例えば、前記実施の形態1では、メモリゲート長が40nmの場合について説明したが、メモリゲート長が40nmより長いメモリセルの場合(図1(a)〜(c))でも、消去パルス印加後、消去ベリファイ前に緩和パルスを印加することによって、電子およびホール分布のミスマッチを緩和することができる。その場合(図1(c)参照)、電荷蓄積膜55の選択ゲート52側に電子がホールより多く分布しているので、選択ゲート52に負電圧の緩和パルス、メモリゲート51に緩和パルスの負電圧より高い電圧(例えば、0V)を印加することにより、選択ゲート52側の領域に分布している電子をソース56側に移動させて電子とホールを結合させることができるからである。
For example, in the first embodiment, the case where the memory gate length is 40 nm has been described. However, even in the case of a memory cell having a memory gate length longer than 40 nm (FIGS. 1A to 1C), after the erase pulse is applied, By applying a relaxation pulse before erasure verification, the mismatch between electron and hole distribution can be relaxed. In that case (see FIG. 1C), electrons are distributed more than holes on the side of the
本発明は、半導体装置、特に、民生、OA、車載、産業用途などの混載マイコン用記憶装置などに用いて好適である。 The present invention is suitable for use in a semiconductor device, in particular, a memory device for an embedded microcomputer for consumer use, OA, in-vehicle use, industrial use, and the like.
1 制御回路
2 入出力回路
3 アドレスバッファ
4 行デコーダ
5 列デコーダ
6 ベリファイセンスアンプ回路
7 高速リードセンスアンプ回路
8 書き換え回路
9 メモリアレイ
10 電源回路
11 電流トリミング回路
12 ブロック
100 シリコン基板(半導体基板)
101、101A、101B メモリゲート
102 選択ゲート
103、104 シリコン酸化膜
105 シリコン窒化膜(電荷蓄積膜)
106 n型半導体領域
107 n型半導体領域
108 p型ウェル(p型半導体領域)
109 シリコン酸化膜(ゲート絶縁膜)
110 コンタクト
111 配線
405 ナノサイズ微粒子
600 シリコン基板(半導体基板)
601 メモリゲート
603 シリコン酸化膜
604 シリコン酸化膜
605 シリコン窒化膜
606 n型半導体領域
607 n型半導体領域
608 p型ウェル
610 コンタクト
611 配線
MC メモリセル
Qc 選択トランジスタ
Qm メモリトランジスタ
DESCRIPTION OF
101, 101A,
106 n-type semiconductor region 107 n-type semiconductor region 108 p-type well (p-type semiconductor region)
109 Silicon oxide film (gate insulating film)
110
601
Claims (13)
前記メモリアレイと電気的に接続された電子回路と、
を備えた半導体装置であって、
前記不揮発性メモリセルは、
半導体基板の主面に設けられた第1導電型の第1半導体領域と、
前記第1半導体領域上に第1絶縁膜を介して設けられた第1ゲートと、
前記第1ゲートの側壁および前記第1半導体領域に沿って設けられた第2絶縁膜と、
前記第2絶縁膜を介して、前記第1半導体領域上に前記第1ゲートと隣接して設けられた第2ゲートと、
前記第1ゲートおよび前記第2ゲート下のチャネル領域を挟むように前記第1半導体領域に設けられ、前記第1導電型とは逆の第2導電型の第2半導体領域および第3半導体領域と、
を有する電界効果型トランジスタからなり、
前記第2絶縁膜は、
前記第2ゲート下に、第1極性の第1電荷および前記第1極性とは逆の第2電荷が蓄積される電荷蓄積膜を有し、
前記電子回路は、
前記第1ゲート、前記第2ゲート、前記第1半導体領域、前記第2半導体領域、および前記第3半導体領域に電圧を印加して、前記第1電荷または前記第2電荷を前記電荷蓄積膜に注入させる第1制御を有し、更に、
前記電荷蓄積膜の前記第1ゲート側に前記第1電荷が前記第2電荷より多く分布している状態において、前記第1ゲートに前記第1極性の第1電圧を印加し、前記第2ゲートに前記第1電圧より低い第2電圧を印加して、前記第1電荷と前記第2電荷とを結合させる第2制御を有することを特徴とする半導体装置。 A memory array composed of a plurality of nonvolatile memory cells provided in a matrix along the first direction of the main surface of the semiconductor substrate and the second direction intersecting therewith,
An electronic circuit electrically connected to the memory array;
A semiconductor device comprising:
The nonvolatile memory cell is
A first semiconductor region of a first conductivity type provided on the main surface of the semiconductor substrate;
A first gate provided on the first semiconductor region via a first insulating film;
A second insulating film provided along a side wall of the first gate and the first semiconductor region;
A second gate provided adjacent to the first gate on the first semiconductor region via the second insulating film;
A second conductivity type second semiconductor region and a third semiconductor region provided in the first semiconductor region so as to sandwich the channel region under the first gate and the second gate, and opposite to the first conductivity type; ,
A field effect transistor having
The second insulating film is
A charge storage film for storing a first charge of a first polarity and a second charge opposite to the first polarity under the second gate;
The electronic circuit is
A voltage is applied to the first gate, the second gate, the first semiconductor region, the second semiconductor region, and the third semiconductor region, and the first charge or the second charge is applied to the charge storage film. Having a first control to inject, and
In a state where the first charge is distributed more than the second charge on the first gate side of the charge storage film, the first voltage having the first polarity is applied to the first gate, and the second gate is applied. And a second control that applies a second voltage lower than the first voltage to combine the first charge and the second charge.
前記電子回路は、前記第1ゲート、前記第2ゲート、前記第1半導体領域、前記第2半導体領域、および前記第3半導体領域に電圧を印加して、前記第2半導体領域と前記第3半導体領域との間を流れる電流を測定させる第3制御を更に有しており、前記第2制御を行った後に、前記第3制御を行うことを特徴とする半導体装置。 The semiconductor device according to claim 1,
The electronic circuit applies a voltage to the first gate, the second gate, the first semiconductor region, the second semiconductor region, and the third semiconductor region, so that the second semiconductor region and the third semiconductor are applied. A semiconductor device, further comprising a third control for measuring a current flowing between the regions, wherein the third control is performed after the second control is performed.
前記第1半導体領域に基準電圧を印加し、前記第2半導体領域に前記基準電圧と異なる第3電圧を印加し、前記第3半導体領域に前記第3電圧と同じ第4電圧を印加して前記第2制御が行われることを特徴とする半導体装置。 The semiconductor device according to claim 1,
A reference voltage is applied to the first semiconductor region, a third voltage different from the reference voltage is applied to the second semiconductor region, a fourth voltage that is the same as the third voltage is applied to the third semiconductor region, and A semiconductor device characterized in that second control is performed.
前記第2制御を行う時間が、10μs以上であることを特徴とする半導体装置。 The semiconductor device according to claim 1,
A semiconductor device characterized in that the time for performing the second control is 10 μs or more.
前記複数の不揮発性メモリセルは、複数のブロックとして分割されており、
前記電子回路は、前記複数のブロックに対して一括して前記第2制御を行うことを特徴とする半導体装置。 The semiconductor device according to claim 1,
The plurality of nonvolatile memory cells are divided into a plurality of blocks,
The electronic circuit performs the second control collectively on the plurality of blocks.
第2ゲートのゲート長は、40nm以下であることを特徴とする半導体装置。 The semiconductor device according to claim 1,
A semiconductor device characterized in that the gate length of the second gate is 40 nm or less.
前記第1電圧は、電源電圧より高い電圧であることを特徴とする半導体装置。 The semiconductor device according to claim 1,
The semiconductor device according to claim 1, wherein the first voltage is higher than a power supply voltage.
前記電子回路は、前記第1ゲートに前記第1電圧を印加する際に、異なる複数の電圧源から一つを選択するセレクタを含むことを特徴とする半導体装置。 The semiconductor device according to claim 1,
The electronic circuit includes a selector that selects one of a plurality of different voltage sources when the first voltage is applied to the first gate.
前記電荷蓄積膜は、シリコン窒化膜であることを特徴とする半導体装置。 The semiconductor device according to claim 1,
The semiconductor device, wherein the charge storage film is a silicon nitride film.
前記電荷蓄積膜は、ナノサイズの微粒子であることを特徴とする半導体装置。 The semiconductor device according to claim 1,
The semiconductor device, wherein the charge storage film is nano-sized fine particles.
前記第1ゲートは、前記第1方向に延在して設けられており、
前記第2ゲートは、前記第1ゲートの両側壁側に、前記第1方向に延在して設けられていることを特徴とする半導体装置。 The semiconductor device according to claim 1,
The first gate is provided extending in the first direction,
The semiconductor device according to claim 1, wherein the second gate is provided on both side walls of the first gate so as to extend in the first direction.
前記メモリアレイと電気的に接続された電子回路と、
前記メモリアレイおよび前記電子回路に基準電圧を供給する第1電源線と、
前記メモリアレイおよび前記電子回路に電源電圧を供給する第2電源線と、
を備えた半導体装置であって、
前記不揮発性メモリセルは、
半導体基板の主面に設けられたp型の第1半導体領域と、
前記第1半導体領域上に第1絶縁膜を介して設けられた第1ゲートと、
前記第1ゲートの側壁および前記第1半導体領域に沿って設けられ、電荷蓄積膜を含む第2絶縁膜と、
前記第2絶縁膜を介して、前記第1半導体領域上に前記第1ゲートと隣接して設けられた第2ゲートと、
前記第1ゲートおよび前記第2ゲート下のチャネル領域を挟むように前記第1半導体領域に設けられ、n型の第2半導体領域および第3半導体領域と、
を有する電界効果型トランジスタからなり、
前記電子回路は、
前記第1半導体領域に前記基準電圧を印加し、前記第1ゲートに前記基準電圧を印加し、前記第2ゲートに前記基準電圧に対して負電圧を印加し、前記第2半導体領域に前記基準電圧に対して正電圧を印加し、前記第3半導体領域に電源電圧を印加する第1制御と、
前記第1半導体領域に前記基準電圧を印加し、前記第1ゲートに前記基準電圧に対して正電圧を印加し、前記第2ゲートに前記基準電圧を印加し、前記第2半導体領域に前記基準電圧を印加し、前記第3半導体領域に基準電圧を印加する第2制御と、
前記第1半導体領域に前記基準電圧を印加し、前記第1ゲートに前記電源電圧を印加し、前記第2ゲートに前記基準電圧を印加し、前記第2半導体領域に前記基準電圧を印加し、前記第3半導体領域に基準電圧に対して正電圧を印加する第3制御と、
を有し、
前記第1制御、前記第2制御、前記第3制御の順で、前記第1ゲート、前記第2ゲート、前記第1半導体領域、前記第2半導体領域、および前記第3半導体領域のそれぞれに電圧が印加されることを特徴とする半導体装置。 A memory array composed of a plurality of nonvolatile memory cells provided in a matrix along the first direction of the main surface of the semiconductor substrate and the second direction intersecting therewith,
An electronic circuit electrically connected to the memory array;
A first power supply line for supplying a reference voltage to the memory array and the electronic circuit;
A second power supply line for supplying a power supply voltage to the memory array and the electronic circuit;
A semiconductor device comprising:
The nonvolatile memory cell is
A p-type first semiconductor region provided on the main surface of the semiconductor substrate;
A first gate provided on the first semiconductor region via a first insulating film;
A second insulating film provided along a sidewall of the first gate and the first semiconductor region and including a charge storage film;
A second gate provided adjacent to the first gate on the first semiconductor region via the second insulating film;
An n-type second semiconductor region and a third semiconductor region provided in the first semiconductor region so as to sandwich a channel region under the first gate and the second gate;
A field effect transistor having
The electronic circuit is
The reference voltage is applied to the first semiconductor region, the reference voltage is applied to the first gate, a negative voltage with respect to the reference voltage is applied to the second gate, and the reference is applied to the second semiconductor region. A first control for applying a positive voltage to the voltage and applying a power supply voltage to the third semiconductor region;
The reference voltage is applied to the first semiconductor region, a positive voltage is applied to the first gate with respect to the reference voltage, the reference voltage is applied to the second gate, and the reference is applied to the second semiconductor region. A second control for applying a voltage and applying a reference voltage to the third semiconductor region;
Applying the reference voltage to the first semiconductor region; applying the power supply voltage to the first gate; applying the reference voltage to the second gate; applying the reference voltage to the second semiconductor region; A third control for applying a positive voltage to a reference voltage to the third semiconductor region;
Have
A voltage is applied to each of the first gate, the second gate, the first semiconductor region, the second semiconductor region, and the third semiconductor region in the order of the first control, the second control, and the third control. Is applied to the semiconductor device.
前記メモリアレイと電気的に接続された電子回路と、
を備えた半導体装置であって、
前記不揮発性メモリセルは、
半導体基板の主面に設けられた第1導電型の第1半導体領域と、
前記第1半導体領域上に絶縁膜を介して設けられたゲートと、
前記ゲート下のチャネル領域を挟むように前記第1半導体領域に設けられ、前記第1導電型とは逆の第2導電型の第2半導体領域および第3半導体領域と、
を有する電界効果型トランジスタからなり、
前記絶縁膜は、
前記ゲート下に、第1極性の第1電荷および前記第1極性とは逆の第2電荷が蓄積される電荷蓄積膜を有し、
前記第2半導体領域および前記第3半導体領域の間に設けられており、
前記電子回路は、
前記第1ゲート、前記第1半導体領域、前記第2半導体領域、および前記第3半導体領域に電圧を印加して、前記第1電荷または前記第2電荷を前記電荷蓄積膜に注入させる第1制御を有し、更に、
前記電荷蓄積膜の前記第2半導体領域側に前記第1電荷が前記第2電荷より多く分布している状態において、前記第2半導体領域に前記第1極性の第1電圧を印加し、前記ゲートに前記第1電圧より低い第2電圧を印加して、前記第1電荷と前記第2電荷とを結合させる第2制御を有することを特徴とする半導体装置。 A memory array composed of a plurality of nonvolatile memory cells provided in a matrix along the first direction of the main surface of the semiconductor substrate and the second direction intersecting therewith,
An electronic circuit electrically connected to the memory array;
A semiconductor device comprising:
The nonvolatile memory cell is
A first semiconductor region of a first conductivity type provided on the main surface of the semiconductor substrate;
A gate provided on the first semiconductor region via an insulating film;
A second semiconductor region and a third semiconductor region which are provided in the first semiconductor region so as to sandwich the channel region under the gate and which are opposite to the first conductivity type;
A field effect transistor having
The insulating film is
Under the gate, there is a charge storage film in which a first charge having a first polarity and a second charge opposite to the first polarity are stored,
Provided between the second semiconductor region and the third semiconductor region;
The electronic circuit is
First control for injecting the first charge or the second charge into the charge storage film by applying a voltage to the first gate, the first semiconductor region, the second semiconductor region, and the third semiconductor region. In addition,
In a state where the first charge is distributed more than the second charge on the second semiconductor region side of the charge storage film, the first voltage having the first polarity is applied to the second semiconductor region, and the gate And a second control that applies a second voltage lower than the first voltage to combine the first charge and the second charge.
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