JP2001024075A - Nonvolatile semiconductor memory and writing thereof' - Google Patents

Nonvolatile semiconductor memory and writing thereof'

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JP2001024075A
JP2001024075A JP19870499A JP19870499A JP2001024075A JP 2001024075 A JP2001024075 A JP 2001024075A JP 19870499 A JP19870499 A JP 19870499A JP 19870499 A JP19870499 A JP 19870499A JP 2001024075 A JP2001024075 A JP 2001024075A
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JP
Japan
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region
source
insulating film
memory device
semiconductor memory
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JP19870499A
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Japanese (ja)
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Ichiro Fujiwara
一郎 藤原
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Original Assignee
Sony Corp
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Publication date
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a memory transistor having a charge storage means such as FG, MONOS, etc., which can be suitably scaled to a gate length of 0.13 μm or less. SOLUTION: The memory includes a source region 2, a drain region 4, a gate insulating film 6 provided on a channel formation region 1a and having a charge storage means (charge trap) therein, and a gate electrode 8 provided thereon. An impurity concentration profile of the channel formation region 1a, source region 2 and/or drain region 4 is set to be varied to gradually increase a junction breakdown voltage of the source region 2 and/or drain region 4 from an impurity concentration profile optimum for suppressing a threshold reduction caused when a gate length is shortened to a predetermined rate (e.g. 10% or less). For example, when the profile is set so that the threshold is reduced by 15% or more, a short channel effect can be inhibited. As a result, even when the channel impurity concentration is relatively high, a write inhibit voltage can be applied.

Description

【発明の詳細な説明】DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

【0001】[0001]

【発明の属する技術分野】本発明は、メモリトランジス
タのチャネル形成領域とゲート電極との間のゲート絶縁
膜の内部に電荷蓄積手段(例えば、FG型におけるフロ
ーティングゲート、MONOS型やMNOS型における
窒化膜内の電荷トラップ、トップ絶縁膜と窒化膜との界
面近傍の電荷トラップ、或いは小粒径導電体等)を有
し、当該電荷蓄積手段に対し電荷(電子またはホール)
を電気的に注入して蓄積し又は引き抜くことを基本動作
とする不揮発性半導体記憶装置及びその書き込み方法に
関する。
The present invention relates to a charge storage means (for example, a floating gate of FG type, a nitride film of MONOS type or MNOS type) inside a gate insulating film between a channel forming region of a memory transistor and a gate electrode. Charge trap in the vicinity, a charge trap near the interface between the top insulating film and the nitride film, or a small-diameter conductor, etc.), and charge (electrons or holes) is charged to the charge storage means.
And a writing method therefor.

【0002】[0002]

【従来の技術】不揮発性半導体メモリは、電荷を保持す
る電荷蓄積手段(浮遊ゲート)が平面的に連続したFG
(Floating Gate) 型のほかに、電荷蓄積手段(電荷トラ
ップ)が平面的に離散化された、例えばMONOS(Met
al-Oxide-Nitride-Oxide Semiconductor) 型などがあ
る。
2. Description of the Related Art In a nonvolatile semiconductor memory, an FG in which charge storage means (floating gate) for holding charges is continuous in a plane is used.
In addition to the (Floating Gate) type, the charge accumulation means (charge trap) is discretized in a plane, for example, MONOS (Met
al-Oxide-Nitride-Oxide Semiconductor) type.

【0003】FG型の不揮発性メモリトランジスタで
は、半導体のチャネル形成領域上にゲート絶縁膜を介し
てポリシリコンなどからなるフローティングゲートが積
層され、さらに、フローティングゲート上に、たとえば
ONO(Oxide-Nitride-Oxide)膜などからなるゲート間
絶縁膜を介してコントロールゲートが積層されている。
In an FG type non-volatile memory transistor, a floating gate made of polysilicon or the like is stacked on a semiconductor channel formation region via a gate insulating film, and an ONO (Oxide-Nitride-) is formed on the floating gate. Oxide) A control gate is laminated via an inter-gate insulating film such as a film.

【0004】一方、MONOS型の不揮発性メモリトラ
ンジスタでは、半導体のチャネル形成領域上に、たとえ
ば、酸化シリコン膜あるいは窒化酸化膜などからなるト
ンネル絶縁膜、窒化膜あるいは窒化酸化膜などからなる
中間絶縁膜、酸化シリコン膜からなるトップ酸化膜が順
に積層され、このトップ絶縁膜上にゲート電極が形成さ
れている。
On the other hand, in a MONOS type nonvolatile memory transistor, a tunnel insulating film made of, for example, a silicon oxide film or a nitrided oxide film, or an intermediate insulating film made of a nitride film or a nitrided oxide film is formed on a semiconductor channel formation region. A top oxide film made of a silicon oxide film is sequentially stacked, and a gate electrode is formed on the top insulating film.

【0005】MONOS型不揮発性半導体メモリでは、
電荷保持を主体的に担っている窒化膜〔Six Ny (0
<x<1、0<y<1)〕膜中またはトップ酸化膜と窒
化膜との界面のキャリアトラップが空間的に(即ち、面
方向および膜厚方向に)離散化して拡がっているため
に、電荷保持特性が、トンネル絶縁膜厚のほかに、Si
x Ny 膜中のキャリアトラップに捕獲される電荷のエネ
ルギー的及び空間的な分布に依存する。
In a MONOS type nonvolatile semiconductor memory,
The nitride film [Six Ny (0
<X <1, 0 <y <1)] because carrier traps in the film or at the interface between the top oxide film and the nitride film are spatially discrete (that is, in the plane direction and the film thickness direction) and spread. In addition to the tunnel insulating film thickness,
It depends on the energy and spatial distribution of the charge trapped by the carrier trap in the xNy film.

【0006】トンネル絶縁膜に局所的にリーク電流パス
が発生した場合、FG型では多くの電荷がリークパスを
通ってリークして電荷保持特性が低下しやすいのに対
し、MONOS型では、電荷蓄積手段が空間的に離散化
されているため、リークパス周辺の局所的な電荷がリー
クパスを通して局所的にリークするに過ぎず、記憶素子
全体の電荷保持特性が低下しにくい。このため、MON
OS型においては、トンネル絶縁膜の薄膜化による電荷
保持特性の低下の問題はFG型ほど深刻ではない。した
がって、ゲート長が極めて短い微細メモリトランジスタ
におけるトンネル酸化膜のスケーリング性は、MONO
S型の方がFG型よりも優れている。
When a leak current path is locally generated in the tunnel insulating film, a large amount of charge leaks through the leak path in the FG type and the charge retention characteristic is apt to be deteriorated. Are spatially discretized, local charges around the leak path only leak locally through the leak path, and the charge retention characteristics of the entire memory element are unlikely to deteriorate. For this reason, MON
In the OS type, the problem of deterioration of the charge retention characteristics due to the thinning of the tunnel insulating film is not as serious as in the FG type. Therefore, the scaling property of the tunnel oxide film in the very small memory transistor having a very short gate length is expressed by MONO.
The S type is superior to the FG type.

【0007】上記したFG型不揮発性メモリ、あるいは
MONOS型などメモリトランジスタの電荷蓄積手段が
平面的に離散化されている不揮発性メモリについて、ビ
ットあたりのコスト低減、高集積化を図り大規模な不揮
発性メモリを実現するには、1トランジスタ型のセル構
造を実現することが必須である。しかし、とくにMON
OS型等の不揮発性メモリでは、メモリトランジスタに
選択トランジスタを接続させた2トランジスタ型が主流
であり、現在、1トランジスタセル技術の確立に向けて
種々の検討が行われている。
[0007] For the above-mentioned nonvolatile memory, such as the FG type nonvolatile memory or the MONOS type, in which the charge storage means of the memory transistor is discretely planarized, cost reduction per bit and high integration are achieved to achieve a large-scale nonvolatile memory. In order to realize a nonvolatile memory, it is essential to realize a one-transistor type cell structure. But especially MON
In a non-volatile memory such as an OS type, a two-transistor type in which a selection transistor is connected to a memory transistor is mainstream, and various studies are currently being conducted for establishing a one-transistor cell technology.

【0008】1トランジスタセル技術確立のためには、
電荷蓄積手段を含むゲート絶縁膜を中心としたデバイス
構造の最適化および信頼性向上のほかに、ディスターブ
特性の向上が必要である。そして、MONOS型不揮発
性メモリのディスターブ特性の改善する一方策として、
トンネル絶縁膜を通常の膜厚(1.6nm〜2.0n
m)より厚く設定する方向で検討が進められている。
In order to establish one-transistor cell technology,
In addition to optimizing the device structure centering on the gate insulating film including the charge storage means and improving the reliability, it is necessary to improve the disturb characteristics. As one measure for improving the disturb characteristics of the MONOS nonvolatile memory,
The tunnel insulating film has a normal thickness (1.6 nm to 2.0 n).
m) Studies are under way to set the thickness to be thicker.

【0009】また、1トランジスタセルでは、セル内に
選択トランジスタがないため、書き込み対象のセルと同
一な共通線に接続された非選択なセルにおけるメモリト
ランジスタのディスターブを如何に低減するかが重要で
ある。このため、非選択メモリトランジスタのソース不
純物領域、ドレイン不純物領域にビット線またはソース
線を介して書き込みインヒビット電圧を印加し、これに
より非選択メモリトランジスタの誤書込み、誤消去を防
止する技術が既に提案されている。
In a one-transistor cell, since there is no select transistor in the cell, it is important how to reduce the disturbance of the memory transistor in an unselected cell connected to the same common line as the cell to be written. is there. Therefore, a technique has already been proposed in which a write inhibit voltage is applied to a source impurity region and a drain impurity region of an unselected memory transistor via a bit line or a source line, thereby preventing erroneous writing and erroneous erasing of the unselected memory transistor. Have been.

【0010】[0010]

【発明が解決しようとする課題】ところが、主に短チャ
ネル効果の抑制の観点から、ソース・ドレイン不純物領
域の接合面の形成位置が素子寸法のスケーリングととも
に次第に浅くなり、また、ソース・ドレイン不純物領域
およびチャネル形成領域の不純物濃度を上げる必要か
ら、不純物濃度プロファイルがステップ接合に近く濃度
勾配が急峻な接合(abrupt junction) をもつようにな
る。この急峻な接合では、濃度勾配がゆるやかな接合(g
raded junction) と比較すると、接合耐圧が低くなる。
その結果、不揮発性メモリトランジスタの短ゲート長化
のためにチャネル形成領域の不純物濃度を上げていった
場合、メモリセル動作時にプログラムディスターブを防
止するために非選択セルに印加する書き込みインヒビッ
ト電圧より、ソースおよびドレインの接合耐圧が低くな
り、書き込み時のインヒビット電圧をソース・ドレイン
不純物領域に印加することができない事態が発生する。
However, mainly from the viewpoint of suppression of the short channel effect, the formation position of the junction surface of the source / drain impurity region becomes gradually shallower with scaling of the element size, and the source / drain impurity region becomes smaller. In addition, since the impurity concentration of the channel formation region needs to be increased, the impurity concentration profile becomes close to a step junction and has a junction with an abrupt concentration gradient (abrupt junction). In this steep junction, the junction with a gentle concentration gradient (g
raded junction), the junction withstand voltage is lower.
As a result, when the impurity concentration of the channel formation region is increased in order to shorten the gate length of the nonvolatile memory transistor, the write inhibit voltage applied to the non-selected cells in order to prevent program disturb during the memory cell operation is reduced. The junction withstand voltage of the source and the drain becomes low, so that an inhibit voltage at the time of writing cannot be applied to the source / drain impurity region.

【0011】本発明の目的は、FG型におけるフローテ
ィングゲート、あるいは、トンネル絶縁膜のスケーリン
グ性に優れるMONOS型などにおける平面的に離散化
されたキャリアトラップ等に電荷を蓄積させて基本動作
するメモリトランジスタを、ゲート長が極めて短くなっ
た場合に適した構造にした不揮発性半導体記憶装置を提
供することである。また、本発明の他の目的は、上記ト
ランジスタ構造に対する好適なバイアス設定手法を含む
不揮発性半導体記憶装置の書き込み方法を提供すること
である。
An object of the present invention is to provide a memory transistor which basically operates by accumulating charges in a floating gate of an FG type or a carrier trap which is discretized in a plane in a MONOS type or the like which has excellent scaling properties of a tunnel insulating film. Is to provide a nonvolatile semiconductor memory device having a structure suitable for a case where the gate length becomes extremely short. Another object of the present invention is to provide a writing method for a nonvolatile semiconductor memory device including a suitable bias setting method for the transistor structure.

【0012】[0012]

【課題を解決するための手段】本発明に係る不揮発性半
導体記憶装置は、半導体の表面部分にチャネル形成領域
を挟んで形成されたソース領域およびドレイン領域と、
当該チャネル形成領域上に設けられ内部に電荷蓄積手段
を含むゲート絶縁膜と、当該ゲート絶縁膜上のゲート電
極とを備えたメモリトランジスタを有する不揮発性半導
体記憶装置であって、上記チャネル形成領域,上記ソー
ス領域及び/又はドレイン領域の不純物濃度プロファイ
ルが、ゲート長を短くしたときに発生する上記メモリト
ランジスタのしきい値低下を所定割合に抑制する最適な
不純物濃度プロファイルから、当該ソース領域及び/又
はドレイン領域の接合耐圧を大きくする方向に変えてあ
る。
According to the present invention, there is provided a nonvolatile semiconductor memory device comprising: a source region and a drain region formed on a surface portion of a semiconductor with a channel forming region interposed therebetween;
A non-volatile semiconductor storage device including a memory transistor provided on a channel formation region and including a gate insulating film including a charge storage means therein and a gate electrode on the gate insulating film, wherein the channel formation region, The impurity concentration profile of the source region and / or the drain region is determined based on the optimum impurity concentration profile that suppresses a decrease in the threshold value of the memory transistor that occurs when the gate length is reduced to a predetermined ratio. It has been changed to increase the junction breakdown voltage of the drain region.

【0013】好適に、上記メモリトランジスタが複数、
ワード方向とビット方向に配置され、複数のワード線そ
れぞれに、上記メモリトランジスタのゲート電極が複数
接続され、上記ソース領域またはドレイン領域が、上記
ワード線と電気的に絶縁された状態で交差するビット方
向の共通線と結合され、書き込み時において選択された
ワード線にゲート電極が接続された上記メモリトランジ
スタのソース領域及び/又はドレイン領域に、当該領域
が上記チャネル形成領域に対して逆バイアスとなり、か
つ、上記接合耐圧より低い書き込みインヒビット電圧
を、上記共通線を介して印加する書き込みインヒビット
電圧供給手段を有する。
Preferably, a plurality of the memory transistors are provided,
Bits that are arranged in a word direction and a bit direction, a plurality of gate electrodes of the memory transistor are connected to each of a plurality of word lines, and the source region or the drain region intersects with the word lines in an electrically insulated state. A source line and / or a drain region of the memory transistor in which a gate electrode is connected to a word line selected at the time of writing; Further, there is provided write inhibit voltage supply means for applying a write inhibit voltage lower than the junction withstand voltage via the common line.

【0014】好適に、上記メモリトランジスタの不純物
濃度プロファイルは、ゲート長が十分に長いメモリトラ
ンジスタにおけるしきい値より15%以上しきい値が低
下するように設定されている。また、好適に、上記メモ
リトランジスタのチャネル形成領域の不純物ピーク濃度
が、4×1017cm-3より大きい。この濃度は接合耐圧
換算でたとえば9〜10V程度に相当し、この値はFG
型の書き込みインヒビット電圧値より大きい。さらに、
好適に、上記メモリトランジスタのゲート長は、0.1
3μm以下である。従来のまま不純物濃度プロファイル
のスケーリングを続けると、MONOS型では、接合耐
圧と書き込みインヒビット電圧(約5V)との大小関係
がゲート長0.13μm付近で逆転する。その一方、F
G型では、書き込みインヒビット電圧が約8VとMON
OS型より高いため、既にゲート長0.18μm付近で
書き込みインヒビット電圧と接合耐圧との大小関係が逆
転する。
Preferably, the impurity concentration profile of the memory transistor is set so that the threshold value is 15% or more lower than the threshold value of a memory transistor having a sufficiently long gate length. Preferably, an impurity peak concentration in the channel formation region of the memory transistor is higher than 4 × 10 17 cm −3 . This concentration is equivalent to, for example, about 9 to 10 V in terms of junction withstand voltage.
Greater than the write inhibit voltage value of the type. further,
Preferably, the gate length of the memory transistor is 0.1
3 μm or less. If the scaling of the impurity concentration profile is continued as it is in the conventional case, in the MONOS type, the magnitude relationship between the junction breakdown voltage and the write inhibit voltage (about 5 V) is reversed around the gate length of 0.13 μm. On the other hand, F
In the G type, the write inhibit voltage is about 8V and MON
Since the gate voltage is higher than that of the OS type, the magnitude relationship between the write inhibit voltage and the junction withstand voltage is already reversed near the gate length of 0.18 μm.

【0015】本発明は、ソース線分離NOR型、ソース
線およびビット線が階層化されたNOR型の不揮発性メ
モリ装置に好適である。また、メモリトランジスタ構造
に関して、本発明は、FG型にも適用可能であるが、M
ONOS型、ナノ結晶などの小粒径導電体を有する微細
粒子型など、電荷蓄積手段が少なくとも上記チャネル形
成領域と対向する面内で平面的に離散化されている不揮
発性メモリ装置にとくに好適である。これらの電荷蓄積
手段が平面的に離散化された不揮発性メモリトランジス
タは、FG型に比べトンネル絶縁膜のスケーリング性に
優れるからである。この場合、電荷蓄積手段は、すくな
くとも外部との間で電荷の移動がない場合に、上記チャ
ネル形成領域に対向する面全体としての導電性を持たな
い。
The present invention is suitable for a non-volatile memory device of a source line isolation NOR type and a NOR type in which source lines and bit lines are hierarchized. Further, with respect to the memory transistor structure, the present invention can be applied to the FG type.
Particularly suitable for a non-volatile memory device such as an ONOS type or a fine particle type having a small-diameter conductor such as a nanocrystal, in which the charge storage means is discretized in a plane at least in a plane opposed to the channel formation region. is there. This is because a nonvolatile memory transistor in which these charge storage means are discretized in a plane has excellent scaling properties of the tunnel insulating film as compared with the FG type. In this case, the charge accumulating means does not have conductivity on the entire surface facing the channel forming region when at least there is no transfer of electric charge between itself and the outside.

【0016】このような構成の不揮発性半導体記憶装置
では、短ゲート長化とともに短チャネル効果(とくに、
ロールオフ)の観点からソース・ドレイン不純物領域に
ついて薄層化、高濃度化が進み、その接合耐圧がゲート
長0.13μm以下で書き込みインヒビット電圧より低
くなるような場合に、接合耐圧を高める方向に不純物濃
度プロファイルを変更して対処している。このような不
純物プロファイル設定に関する新たな視点の導入理由
は、メモリトランジスタにおけるしきい値の低下が、読
み出しゲート電圧の設定を変えたりしてある程度対応で
きるうえ、しきい値を確認しながら消去状態を調整する
消去ベリファイによって是正することができるからであ
る。すなわち、本発明は、不揮発性半導体メモリデバイ
スではトランジスタのしきい値の低下がロジック系デバ
イスほど深刻な影響を与えないことに着目したものであ
る。
In the nonvolatile semiconductor memory device having such a configuration, the short channel effect (especially,
From the viewpoint of roll-off), when the thickness of the source / drain impurity region is reduced and the concentration is increased, and the junction breakdown voltage is lower than the write inhibit voltage at a gate length of 0.13 μm or less, the junction breakdown voltage is increased. This is addressed by changing the impurity concentration profile. The reason for introducing a new viewpoint regarding the setting of the impurity profile is that the decrease in the threshold value of the memory transistor can be dealt with to some extent by changing the setting of the read gate voltage, and the erase state is checked while checking the threshold value. This is because it can be corrected by the erase verify to be adjusted. That is, the present invention focuses on the fact that in a nonvolatile semiconductor memory device, a decrease in the threshold value of a transistor does not have as serious an effect as a logic device.

【0017】本発明に係る不揮発性半導体記憶装置の書
き込み方法は、半導体の表面部分にチャネル形成領域を
挟んで形成されたソース領域およびドレイン領域と、当
該チャネル形成領域上に設けられ内部に電荷蓄積手段を
含むゲート絶縁膜と、当該ゲート絶縁膜上のゲート電極
とを備え、上記チャネル形成領域,上記ソース領域及び
/又はドレイン領域の不純物濃度プロファイルを、ゲー
ト長を短くしたときに発生する上記メモリトランジスタ
のしきい値低下を所定割合に抑制する最適な不純物濃度
プロファイルから、当該ソース領域及び/又はドレイン
領域の接合耐圧を大きくする方向に変えてあるメモリト
ランジスタを有する不揮発性半導体記憶装置の書き込み
方法であって、書き込み時に、上記ソース領域またはド
レイン領域が上記チャネル形成領域に対して逆バイアス
となり、かつ、上記接合耐圧より低い書き込みインヒビ
ット電圧を、ソース領域,ドレイン領域の少なくとも一
方に印加する。
A writing method for a nonvolatile semiconductor memory device according to the present invention includes a source region and a drain region formed on a surface portion of a semiconductor with a channel formation region interposed therebetween, and a charge storage provided on the channel formation region and internally. A memory device comprising a gate insulating film including means and a gate electrode on the gate insulating film, wherein the impurity concentration profile of the channel forming region, the source region and / or the drain region is generated when the gate length is reduced. A writing method of a nonvolatile semiconductor memory device having a memory transistor having a direction in which the junction withstand voltage of the source region and / or the drain region is increased from an optimum impurity concentration profile for suppressing a decrease in the threshold value of the transistor to a predetermined ratio. In writing, the source region or the drain region is It becomes reverse biased with respect Yaneru formation region, and a low write inhibit voltage than the junction breakdown voltage, and applies the source region, at least one of the drain region.

【0018】このような構成の本発明に係る不揮発性半
導体記憶装置の書き込み方法では、書き込み時に、ソー
ス領域,ドリフト領域の少なくとも一方に、チャネル形
成領域とのpn接合を逆バイアスする書き込みインヒビ
ット電圧を印加する。この逆バイアス印加は、ゲート長
が0.13μm以下の領域では、ソース・ドレイン不純
物領域の接合耐圧が緩和されたことにより初めて可能と
なったものである。これにより、選択セルの書き込み時
に、非選択セルが共線線(ソース線、ビット線またはワ
ード線)を介してディスターブを受けにくくなる。
In the writing method of the nonvolatile semiconductor memory device according to the present invention having such a configuration, at the time of writing, the write inhibit voltage for reversely biasing the pn junction with the channel formation region is applied to at least one of the source region and the drift region. Apply. This reverse bias application is made possible for the first time in a region with a gate length of 0.13 μm or less because the junction withstand voltage of the source / drain impurity region is reduced. This makes it difficult for non-selected cells to be disturbed via the collinear line (source line, bit line or word line) when writing to the selected cell.

【0019】[0019]

【発明の実施の形態】第1実施形態 図1は、本発明の実施形態に係るソース分離NOR型の
不揮発性半導体メモリの概略構成を示す図である。
DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS First Embodiment FIG. 1 is a diagram showing a schematic configuration of a source-separated NOR type nonvolatile semiconductor memory according to an embodiment of the present invention.

【0020】本例の不揮発性メモリ装置90では、NO
R型メモリセルアレイの各メモリセルがメモリトランジ
スタ1個で構成されている。図1に示すように、メモリ
トランジスタM11〜M22が行列状に配置され、これ
らトランジスタ間がワード線、ビット線および分離型ソ
ース線によって配線されている。すなわち、ビット方向
に隣接するメモリトランジスタM11およびM12の各
ドレインがビット線BL1に接続され、各ソースがソー
ス線SL1に接続されている。同様に、ビット方向に隣
接するメモリトランジスタM21およびM22の各ドレ
インがビット線BL2に接続され、各ソースがソース線
SL2に接続されている。また、ワード方向に隣接する
メモリトランジスタM11とM21の各ゲートがワード
線WL1に接続され、同様に、ワード方向に隣接するメ
モリトランジスタM12とM22の各ゲートがワード線
WL2に接続されている。メモリセルアレイ全体では、
このようなセル配置およびセル間接続が繰り返されてい
る。
In the nonvolatile memory device 90 of this embodiment, NO
Each memory cell of the R-type memory cell array is composed of one memory transistor. As shown in FIG. 1, memory transistors M11 to M22 are arranged in a matrix, and these transistors are wired by word lines, bit lines, and separated source lines. That is, each drain of the memory transistors M11 and M12 adjacent in the bit direction is connected to the bit line BL1, and each source is connected to the source line SL1. Similarly, each drain of the memory transistors M21 and M22 adjacent in the bit direction is connected to the bit line BL2, and each source is connected to the source line SL2. The gates of the memory transistors M11 and M21 adjacent in the word direction are connected to the word line WL1, and similarly, the gates of the memory transistors M12 and M22 adjacent in the word direction are connected to the word line WL2. In the entire memory cell array,
Such cell arrangement and inter-cell connection are repeated.

【0021】図2は、具体的なセル配置パターンの一例
として、自己整合技術を用いた微細NOR型セルアレイ
の概略平面図である。また、図3は、図2のA−A’線
に沿った断面側から見た斜視図である。
FIG. 2 is a schematic plan view of a fine NOR type cell array using a self-alignment technique as an example of a specific cell arrangement pattern. FIG. 3 is a perspective view seen from a cross-sectional side along the line AA ′ in FIG.

【0022】この微細NOR型セルアレイ100では、
図3に示すように、p型半導体基板101(pウエルで
も可)の表面にトレンチまたはLOCOSなどから素子
分離絶縁層102が形成されている。素子分離絶縁層1
02は、図2に示すように、ビット方向(図2の縦方
向)に長い平行ストライプ状に配置されている。素子分
離絶縁層102にほぼ直交して、各ワード線WL1,W
L2,WL3,WL4,…が等間隔に配線されている。
このワード線は、後述するように、トンネル絶縁膜,窒
化膜,トップ絶縁膜からなるゲート絶縁膜と、ゲート電
極とを積層させて構成されている。本実施形態では、ゲ
ート長(ワード線の幅)が0.13μm以下、たとえば
0.1μmに微細化されている。
In this fine NOR type cell array 100,
As shown in FIG. 3, an element isolation insulating layer 102 is formed on a surface of a p-type semiconductor substrate 101 (a p-well is also possible) from a trench, LOCOS, or the like. Element isolation insulating layer 1
02 are arranged in parallel stripes long in the bit direction (vertical direction in FIG. 2) as shown in FIG. Each of the word lines WL1, W
L2, WL3, WL4,... Are wired at equal intervals.
As will be described later, this word line is formed by stacking a gate insulating film including a tunnel insulating film, a nitride film, and a top insulating film, and a gate electrode. In the present embodiment, the gate length (word line width) is reduced to 0.13 μm or less, for example, 0.1 μm.

【0023】各素子分離絶縁層102の間隔内の能動領
域において、各ワード線の離間スペースに、例えばn型
不純物が高濃度に導入されてソース領域Sとドレイン領
域Dとが交互に形成されている。このソース領域Sとド
レイン領域Dは、その大きさがワード方向(図2の横方
向)にはトレンチまたはLOCOS等の素子分離絶縁層
102の間隔のみで規定され、ビット方向にはワード線
間隔のみで規定される。したがって、ソース領域Sとド
レイン領域Dは、その大きさと配置のばらつきに関しマ
スク合わせの誤差が殆ど導入されないことから、極めて
均一に形成されている。
In the active region within the interval between the element isolation insulating layers 102, for example, an n-type impurity is introduced at a high concentration in the space between the word lines, and the source region S and the drain region D are alternately formed. I have. The size of the source region S and the drain region D is defined only by the interval between the element isolation insulating layers 102 such as trenches or LOCOS in the word direction (horizontal direction in FIG. 2), and only by the word line interval in the bit direction. Is defined by Therefore, the source region S and the drain region D are formed very uniformly since almost no mask alignment error is introduced with respect to variations in size and arrangement.

【0024】ワード線の上部および側壁は、絶縁層で覆
われている。すなわち、ワード線WL1,WL2,…の
上部に同じパターンにてオフセット絶縁層が配置され、
オフセット絶縁層、その下のゲート電極(ワード線)お
よびゲート絶縁膜からなる積層パターンの両側壁に、サ
イドウォール絶縁層が形成されている。このオフセット
絶縁層およびサイドウォール絶縁層により、各ワード線
同士のスペース部分に、ワード線に沿って細長い自己整
合コンタクトが開口されている。
The upper part and the side wall of the word line are covered with an insulating layer. That is, the offset insulating layers are arranged in the same pattern above the word lines WL1, WL2,.
Sidewall insulating layers are formed on both side walls of a laminated pattern including an offset insulating layer, a gate electrode (word line) thereunder, and a gate insulating film. By the offset insulating layer and the sidewall insulating layer, an elongated self-aligned contact is opened along the word line in a space between the word lines.

【0025】ソース領域Sまたはドレイン領域Dに一部
重なるように、自己整合コンタクト内に導電性材料が互
い違いに埋め込まれ、これによりビットコンタクト・プ
ラグBCおよびソースコンタクト・プラグSCが形成さ
れている。このビットコンタクト・プラグBCおよびソ
ースコンタクト・プラグSCの形成では、自己整合コン
タクト全域を埋め込むように導電材料を堆積し、その上
に、エッチングマスク用のレジストパターンを形成す
る。このとき、レジストパターンを自己整合コンタクト
の幅より一回り大きくし、また、一部を素子分離絶縁層
に重ねる。そして、このレジストパターンをマスクとし
てレジストパターン周囲の導電材料をエッチングにより
除去する。これにより、ビットコンタクト・プラグBC
およびソースコンタクト・プラグSCが同時に形成され
る。
A conductive material is alternately embedded in the self-aligned contact so as to partially overlap the source region S or the drain region D, thereby forming a bit contact plug BC and a source contact plug SC. In forming the bit contact plug BC and the source contact plug SC, a conductive material is deposited so as to fill the entire area of the self-aligned contact, and a resist pattern for an etching mask is formed thereon. At this time, the resist pattern is slightly larger than the width of the self-aligned contact, and a part thereof is overlapped with the element isolation insulating layer. Then, using the resist pattern as a mask, the conductive material around the resist pattern is removed by etching. Thereby, the bit contact plug BC
And source contact plug SC are simultaneously formed.

【0026】図示しない絶縁膜でコンタクト周囲の凹部
が埋め込まれている。この絶縁膜上を、ビットコンタク
ト・プラグBC上に接触するビット線BL1,BL2,
…と、ソースコンタクト・プラグSC上に接触するソー
ス線SLが交互に、平行ストライプ状に形成されてい
る。
The recess around the contact is filled with an insulating film (not shown). The bit lines BL1, BL2, BL2, BL2, BL2,
And the source lines SL contacting the source contact plugs SC are formed alternately in a parallel stripe shape.

【0027】この微細NOR型セルアレイ100は、そ
のビット線またはソース線に対するコンタクト形成が、
自己整合コンタクトの形成と、プラグの形成により達成
される。自己整合コンタクトの形成によって、ワード線
との絶縁分離が達成されるとともに、ソース領域Sまた
はドレイン領域Dの表出面が均一に形成される。そし
て、ビットコンタクト・プラグBCおよびソースコンタ
クト・プラグSCの形成は、この自己整合コンタクトコ
ンタクト内のソース領域Sまたはドレイン領域Dの表出
面に対して行う。したがって、各プラグの基板接触面
は、そのビット方向のサイズがほぼ自己整合コンタクト
形成により決められ、その分、コンタクト面積のバラツ
キは小さい。
In this fine NOR type cell array 100, the contact formation with respect to the bit line or the source line
This is achieved by forming self-aligned contacts and plugs. By the formation of the self-aligned contact, the insulation from the word line is achieved, and the exposed surface of the source region S or the drain region D is formed uniformly. Then, formation of the bit contact plug BC and the source contact plug SC is performed on the exposed surface of the source region S or the drain region D in the self-aligned contact contact. Therefore, the size of the plug contact surface of each plug in the bit direction is substantially determined by the formation of the self-aligned contact, and the contact area varies accordingly.

【0028】ビットコンタクト・プラグBCまたはソー
スコンタクト・プラグSCと、ワード線との絶縁分離が
容易である。すなわち、ワード線形成時に一括してオフ
セット絶縁層を形成しておき、その後、絶縁膜の成膜
と、全面エッチング(エッチバック)を行うだけでサイ
ドウォール絶縁層が形成される。また、ビットコンタク
ト・プラグBCとソースコンタクト・プラグSC、さら
に、ビット線とソース線が同一階層の導電層をパターン
ニングして形成されるため、配線構造が極めて簡素であ
り、工程数も少なく、製造コストを低く抑えるのに有利
な構造となっている。しかも、無駄な空間が殆どないこ
とから、各層の形成をウエハプロセス限界の最小線幅F
で行った場合、8F2 に近い非常に小さいセル面積で製
造できる。
It is easy to insulate and separate the bit contact plug BC or the source contact plug SC from the word line. That is, an offset insulating layer is formed at once when forming a word line, and thereafter, a sidewall insulating layer is formed only by forming an insulating film and etching the entire surface (etchback). In addition, since the bit contact plug BC and the source contact plug SC, and furthermore, the bit line and the source line are formed by patterning the same layer of conductive layer, the wiring structure is extremely simple, the number of steps is small, The structure is advantageous to keep manufacturing costs low. In addition, since there is almost no wasted space, the formation of each layer requires the minimum line width F of the wafer process limit.
Can be manufactured with a very small cell area close to 8F 2 .

【0029】図4は、本実施形態に係るMONOS型メ
モリトランジスタの素子構造を示す断面図である。
FIG. 4 is a sectional view showing the element structure of the MONOS type memory transistor according to this embodiment.

【0030】図4中、符号1はn型またはp型の導電型
を有するシリコンウエハ等の半導体基板またはウエル、
1aはチャネル形成領域、2および4は当該メモリトラ
ンジスタのソース領域およびドレイン領域を示す。本発
明で“チャネル形成領域”とは、表面側内部に電子また
は正孔が導電するチャネルが形成される領域をいう。本
例の“チャネル形成領域”は、半導体基板またはウエル
1内でソース領域2およびドレイン領域4に挟まれた部
分が該当する。ソース領域2およびドレイン領域4は、
チャネル形成領域1aと逆導電型の不純物を高濃度に半
導体基板1に導入することにより形成された導電率が高
い領域であり、種々の形態がある。通常、ソース領域2
及びドレイン領域4のチャネル形成領域1aに臨む基板
表面位置に、LDD(Lightly Doped Drain) と称する低
濃度領域を具備させることが多い。
In FIG. 4, reference numeral 1 denotes a semiconductor substrate or well such as a silicon wafer having n-type or p-type conductivity,
1a indicates a channel forming region, and 2 and 4 indicate a source region and a drain region of the memory transistor. In the present invention, the “channel forming region” refers to a region where a channel through which electrons or holes conduct is formed inside the surface side. The “channel formation region” in this example corresponds to a portion sandwiched between the source region 2 and the drain region 4 in the semiconductor substrate or the well 1. The source region 2 and the drain region 4
This is a region having a high conductivity formed by introducing an impurity of a conductivity type opposite to that of the channel forming region 1a into the semiconductor substrate 1 at a high concentration, and has various modes. Usually source area 2
In addition, a low-concentration region called an LDD (Lightly Doped Drain) is often provided at a substrate surface position of the drain region 4 facing the channel formation region 1a.

【0031】チャネル形成領域1a上には、ゲート絶縁
膜6を介してメモリトランジスタのゲート電極8が積層
されている。ゲート電極8は、一般に、p型またはn型
の不純物が高濃度に導入されて導電化されたポリシリコ
ン(doped poly-Si) 、又はdoped poly-Si と高融点金属
シリサイドとの積層膜からなる。このゲート電極8のチ
ャネル方向の長さ(ゲート長)は、0.13μm以下、
たとえば0.1μm程度である。
On the channel forming region 1a, a gate electrode 8 of a memory transistor is stacked via a gate insulating film 6. The gate electrode 8 is generally made of polysilicon (doped poly-Si) doped with p-type or n-type impurities at a high concentration and made conductive, or a laminated film of doped poly-Si and refractory metal silicide. . The length (gate length) of the gate electrode 8 in the channel direction is 0.13 μm or less,
For example, it is about 0.1 μm.

【0032】本実施形態におけるゲート絶縁膜6は、下
層から順に、トンネル絶縁膜10,窒化膜12,トップ
絶縁膜14から構成されている。トンネル絶縁膜10
は、熱酸化により形成された酸化シリコン(SiO2
の膜でもよいが、本例では短時間熱酸化法(RTO法)
により酸化膜を形成し、これを短時間熱窒化処理(RT
N処理)して得られた窒化酸化膜からなる。トンネル絶
縁膜10の膜厚は、使用用途に応じて2.0nmから
3.5nmの範囲内で決めることができ、ここでは2.
7nmに設定されている。
The gate insulating film 6 in this embodiment is composed of a tunnel insulating film 10, a nitride film 12, and a top insulating film 14 in order from the lower layer. Tunnel insulating film 10
Is silicon oxide (SiO 2 ) formed by thermal oxidation
In this example, a short-time thermal oxidation method (RTO method) may be used.
An oxide film is formed by thermal nitridation (RT
N treatment). The thickness of the tunnel insulating film 10 can be determined within a range of 2.0 nm to 3.5 nm according to the intended use.
It is set to 7 nm.

【0033】窒化膜12は、例えば5.0nmの窒化シ
リコン(Six Ny (0<x<1,0<y<1))膜か
ら構成されている。この窒化膜12は、たとえば減圧C
VD(LP−CVD)により作製され、膜中にキャリア
トラップが多く含まれている。窒化膜12は、プールフ
レンケル型(PF型)の電気伝導特性を示す。
The nitride film 12 is made of, for example, a 5.0 nm silicon nitride (Six Ny (0 <x <1, 0 <y <1)) film. This nitride film 12 is, for example,
It is manufactured by VD (LP-CVD) and contains many carrier traps in the film. The nitride film 12 exhibits a pool Frenkel type (PF type) electric conductivity.

【0034】トップ絶縁膜14は、窒化膜12との界面
近傍に深いキャリアトラップを高密度に形成する必要が
あり、このため、例えば成膜後の窒化膜を熱酸化して形
成される。トップ絶縁膜14がCVDで形成された場合
は熱処理によりこのトラップが形成される。トップ絶縁
膜14の膜厚は、ゲート電極8からのホールの注入を有
効に阻止してデータ書換可能な回数の低下防止を図るた
めに、最低でも3.0nm、好ましくは3.5nm以上
が必要である。
The top insulating film 14 needs to form deep carrier traps in the vicinity of the interface with the nitride film 12 at high density. For this reason, the top insulating film 14 is formed, for example, by thermally oxidizing the formed nitride film. When the top insulating film 14 is formed by CVD, this trap is formed by heat treatment. The thickness of the top insulating film 14 must be at least 3.0 nm, preferably at least 3.5 nm, in order to effectively prevent holes from being injected from the gate electrode 8 and to prevent the number of times data can be rewritten. It is.

【0035】ところで、微細化メモリトランジスタの設
計において、通常、CMOSロジックデバイスなどに対
する短チャネル効果抑制のための経験式として、次式
(1)に示すBrewsの式を用いて最小チャネル長L
min が決められる。
In designing a miniaturized memory transistor, usually, the minimum channel length L is calculated using the Brews equation shown in the following equation (1) as an empirical equation for suppressing a short channel effect in a CMOS logic device or the like.
min is determined.

【0036】[0036]

【数1】 Lmin =0.4×〔rj ×d×(Ws +Wd )21/3 …(1)Lmin = 0.4 × [rj × d × (Ws + Wd) 2 ] 1/3 (1)

【0037】ここで、rj はソース・ドレイン不純物領
域の接合の深さ、dは酸化シリコン膜に換算したゲート
絶縁膜厚さ、Ws はソース端から延びる空乏層の長さ、
Wdはドレイン端から延びる空乏層の長さを示す。この
Brewsの式は短チャネル効果をある程度含んで規定
され、その程度は、しきい値の低下(ロールオフ)が長
チャネルにおけるしきい値の10%以内である。このロ
ールオフ10%以内という仕様は、しきい値のバラツキ
を抑えるために、通常のロジック用トランジスタあるい
はDRAMメモリトランジスタで用いられているもので
ある。
Here, rj is the junction depth of the source / drain impurity region, d is the thickness of the gate insulating film in terms of a silicon oxide film, Ws is the length of the depletion layer extending from the source end,
Wd indicates the length of the depletion layer extending from the drain end. The Brews equation is defined to include the short channel effect to some extent, and the degree of the decrease (roll-off) of the threshold is within 10% of the threshold in the long channel. The specification of the roll-off within 10% is used for a normal logic transistor or a DRAM memory transistor in order to suppress the variation of the threshold value.

【0038】この式に従うと、最小チャネル長0.13
μm(ゲート長では0.18〜0.23μm程度に相
当)において、チャネル不純物濃度を1×1018
-3、ゲート絶縁膜の酸化膜換算値を9.5nmとした
場合、短チャネル効果を有効に抑止するためにはLDD
の接合深さを50nm以下にする必要があることが分か
る。その一方で、LDD接合深さをさらに浅くした場合
は、接合耐圧が低下することも分かった。1トランジス
タ型のMONOSメモリセルでは、後述するように書き
込み時に非選択セルのソース・ドレイン領域にpn接合
を逆バイアスする、いわゆる書き込みインヒビット電圧
の印加は正常動作のために必須となる。したがって、ソ
ース・ドレイン接合耐圧のこれ以上の低下は、1トラン
ジスタ型のMONOSメモリセルを0.13μm以下の
微細ゲート長で実現することを困難なものとする。言い
換えると、ロールオフを10%以内に抑えるという通常
のCMOSロジックデバイスの設計仕様は、0.13μ
m以下の微細ゲート長を有する1トランジスタ型のMO
NOSメモリセルにそのまま適用することは困難である
ことが判明した。
According to this equation, the minimum channel length is 0.13
μm (corresponding to a gate length of about 0.18 to 0.23 μm), the channel impurity concentration is 1 × 10 18 c
In the case where m −3 and the equivalent oxide thickness of the gate insulating film are 9.5 nm, LDD is required to effectively suppress the short channel effect.
It is understood that it is necessary to set the junction depth to 50 nm or less. On the other hand, it was also found that when the LDD junction depth was further reduced, the junction breakdown voltage was reduced. In the one-transistor type MONOS memory cell, application of a so-called write inhibit voltage for reversely biasing a pn junction to a source / drain region of a non-selected cell at the time of writing as described later is essential for normal operation. Therefore, a further decrease in the source-drain junction breakdown voltage makes it difficult to realize a one-transistor type MONOS memory cell with a fine gate length of 0.13 μm or less. In other words, the design specification of a normal CMOS logic device that suppresses the roll-off within 10% is 0.13 μm.
1-transistor type MO having a fine gate length of less than m
It has been found that it is difficult to apply the method to the NOS memory cell as it is.

【0039】そこで、本発明では、しきい値のロールオ
フを10%以上あえて許容し、これによりチャネル形成
領域およびソース・ドレイン領域の不純物濃度プロファ
イルの設計マージンを拡大して、その結果として、ソー
ス・ドレイン接合耐圧を向上させることを、ゲート長
0.13μm以下に微細化する際の新たな設計指針とし
て提案する。これにより、書き込みディスターブ電圧印
加ができ、MONOSメモリトランジスタの更なる微細
化が可能となる。
Therefore, in the present invention, the roll-off of the threshold value is intentionally allowed to be 10% or more, whereby the design margin of the impurity concentration profile of the channel formation region and the source / drain region is enlarged, and as a result, the source Improving the drain junction breakdown voltage is proposed as a new design guideline when miniaturizing the gate length to 0.13 μm or less. As a result, a write disturb voltage can be applied, and the MONOS memory transistor can be further miniaturized.

【0040】具体的に、本実施形態に係るメモリトラン
ジスタ(図4)においては、特に図示しないが不純物濃
度ピークを表面より深くしたリトログレードウエルの採
用によりチャネル形成領域の不純物濃度プロファイルを
規定し、そのピーク不純物濃度5〜20×1017cm-3
の範囲内で、LDDの接合深さを100nm以下として
いる。このゲート絶縁膜6の酸化膜厚換算値で10nm
以下の場合、しきい値のロールオフを15%以上(場合
によっては50%以上も可)許容している。このような
濃度プロファイル設計により、ゲート長が0.1μm程
度のMONOSメモリトランジスタが実現されている。
More specifically, in the memory transistor (FIG. 4) according to the present embodiment, although not shown, the impurity concentration profile of the channel formation region is defined by employing a retrograde well whose impurity concentration peak is deeper than the surface. Its peak impurity concentration is 5 to 20 × 10 17 cm −3.
Within this range, the junction depth of the LDD is set to 100 nm or less. The converted value of the oxide film thickness of the gate insulating film 6 is 10 nm.
In the following cases, the roll-off of the threshold is allowed to be 15% or more (in some cases, 50% or more is possible). With such a concentration profile design, a MONOS memory transistor having a gate length of about 0.1 μm is realized.

【0041】このような構成のメモリトランジスタの製
造においては、まず、用意した半導体基板1に対し素子
分離領域の形成、ウエルの形成、しきい電圧調整用のイ
オン注入等を必要に応じて行う。このウエルの形成時に
は、必要に応じて、上述した設計指針にもとづいて、後
で形成されるソース・ドレイン領域との接合耐圧を上げ
るための不純物濃度プロファイル設計を行う。つぎに、
半導体基板1の能動領域上にゲート絶縁膜6,ゲート電
極8,オフセット絶縁層(不図示)の積層膜を前記した
材料,膜厚および各成膜法にて積層させ、この積層膜を
一括して同一パターンにて加工する。なお、ゲート絶縁
膜6(ONO膜:トンネル絶縁膜/窒化膜/トップ絶縁
膜)のうちトンネル絶縁膜10を、たとえば3nm程度
まで厚膜化した場合、ONO膜厚仕様の典型値は、それ
ぞれ3.0nm/5.0nm/3.5nmとする。この
場合のONO膜の酸化シリコン膜厚の換算値は9nmで
ある。形成した積層パターンと自己整合的にソース・ド
レイン領域2,4を形成する。このとき、上述した設計
指針にもとづいて接合耐圧を上げるための不純物濃度プ
ロファイル設計を行う。続いて、サイドウォール絶縁層
の成膜により自己整合コンタクトを形成し、自己整合コ
ンタクトにより表出するソース・ドレイン領域2,4上
にビットコンタクト・プラグBCおよびソースコンタク
ト・プラグSCを形成する。これらプラグ周囲を層間絶
縁膜で埋め込み、層間絶縁膜上にビット線およびソース
線を形成した後、必要に応じて行う層間絶縁層を介した
上層配線の形成およびオーバーコート成膜とパッド開口
工程等を経て、当該不揮発性メモリトランジスタを完成
させる。
In manufacturing a memory transistor having such a configuration, first, an element isolation region, a well, an ion implantation for adjusting a threshold voltage, and the like are performed on the prepared semiconductor substrate 1 as necessary. At the time of forming the well, an impurity concentration profile design for increasing a junction breakdown voltage with a source / drain region to be formed later is performed as needed based on the above design guideline. Next,
On the active region of the semiconductor substrate 1, a laminated film of the gate insulating film 6, the gate electrode 8, and the offset insulating layer (not shown) is laminated by the above-mentioned materials, film thicknesses and respective film forming methods, and this laminated film is collectively formed. And process in the same pattern. When the thickness of the tunnel insulating film 10 of the gate insulating film 6 (ONO film: tunnel insulating film / nitride film / top insulating film) is increased to, for example, about 3 nm, a typical value of the ONO film thickness specification is 3 0.0 nm / 5.0 nm / 3.5 nm. In this case, the converted value of the silicon oxide film thickness of the ONO film is 9 nm. Source / drain regions 2 and 4 are formed in self-alignment with the formed laminated pattern. At this time, an impurity concentration profile design for increasing the junction withstand voltage is performed based on the above design guidelines. Subsequently, a self-aligned contact is formed by forming a sidewall insulating layer, and a bit contact plug BC and a source contact plug SC are formed on the source / drain regions 2 and 4 exposed by the self-aligned contact. After burying these plugs with an interlayer insulating film, forming bit lines and source lines on the interlayer insulating film, forming an upper layer wiring through an interlayer insulating layer, performing an overcoat film formation, and a pad opening step as required. After that, the nonvolatile memory transistor is completed.

【0042】本実施形態では、更にディスターブ特性を
改善するための手段として、図1に示すように、ビット
方向の共通線に接続され、非選択メモリトランジスタの
ソース領域2及び/又はドレイン領域4(図4)に逆バ
イアス電圧を印加する書き込みインヒビット電圧供給回
路92と、ワード線に接続され、非選択セルのゲート電
極8にチャネル形成領域1aに関し逆バイアスとなる電
圧を印加する非選択ワード線電圧供給回路94とを有す
る。
In the present embodiment, as a means for further improving the disturb characteristic, as shown in FIG. 1, the source region 2 and / or the drain region 4 ( 4) a write inhibit voltage supply circuit 92 for applying a reverse bias voltage, and a non-selected word line voltage connected to a word line and applying a reverse bias voltage to the gate electrode 8 of a non-selected cell with respect to the channel forming region 1a. And a supply circuit 94.

【0043】ここで、“共通線”とは、ビット方向(列
方向の)複数のメモリトランジスタ間でソース領域また
はドレイン領域を共通に直接接続するか、容量結合する
線をいい、例えばビット線やソース線のほかに、いわゆ
るブースタプレート等が該当する。図1は、共通線がビ
ット線およびソース線の場合である。また、“逆バイア
ス電圧”とは、ソース領域またはドレイン領域と、チャ
ネル形成領域が形成される半導体基板または半導体層の
バルク領域との間に形成されるpn接合を逆バイアスす
る方向の電圧をいう。さらに、“チャネル形成領域に関
して逆バイアスとなる方向”とは、チャネル形成領域の
電位を基準とした電圧印加がプラス側かマイナス側の方
向をいう。具体的には、チャネル形成領域の導電型がp
型の場合の当該方向はプラス側、n型の場合の当該方向
はマイナス側となる。
Here, the "common line" refers to a line in which a source region or a drain region is directly connected in common between a plurality of memory transistors in a bit direction (in a column direction) or capacitively coupled. A so-called booster plate or the like corresponds to the source line. FIG. 1 shows a case where the common line is a bit line and a source line. The “reverse bias voltage” refers to a voltage in a direction in which a pn junction formed between a source region or a drain region and a semiconductor substrate or a bulk region of a semiconductor layer in which a channel formation region is formed is reversely biased. . Further, “a direction in which a reverse bias is applied to the channel formation region” refers to a direction in which the voltage application based on the potential of the channel formation region is on the plus side or the minus side. Specifically, the conductivity type of the channel formation region is p
The direction in the case of the mold is on the plus side, and the direction in the case of the n-type is on the minus side.

【0044】これら書き込みインヒビット電圧供給回路
92および非選択ワード線電圧供給回路94は、選択セ
ルのプログラムに先立って非選択メモリトランジスタの
ゲート電極8、ソース領域2およびドレイン領域4に所
定電圧を印加することにより、特に図1の非選択セル
A,Bの誤書き込みまたは誤消去を防止し、プログラム
ディスターブマージンの大幅な改善を行うものである。
The write inhibit voltage supply circuit 92 and the unselected word line voltage supply circuit 94 apply a predetermined voltage to the gate electrode 8, the source region 2, and the drain region 4 of the unselected memory transistor prior to the programming of the selected cell. This prevents erroneous writing or erasing of the non-selected cells A and B in FIG. 1 in particular, and significantly improves the program disturb margin.

【0045】つぎに、このような構成の不揮発性メモリ
の書き込み動作について説明する。
Next, the write operation of the nonvolatile memory having such a configuration will be described.

【0046】ここで、図1に示すように、選択セルSと
の接続関係によって非選択セルA〜Cを定義する。すな
わち、選択セルSと同じ選択ワード線WL1に接続され
た非選択のセルをA、非選択ワード線WL2に接続され
たセルで、選択セルSと同じ選択ソース線SL1及び選
択ビット線BL1に接続された非選択のセルをC、選択
ワード線WL2に接続され、非選択ソース線SL2およ
び非選択ビット線BL2に接続された非選択のセルをB
と定義する。
Here, as shown in FIG. 1, non-selected cells A to C are defined according to the connection relationship with the selected cell S. That is, the non-selected cell connected to the same selected word line WL1 as the selected cell S is A, and the cell connected to the non-selected word line WL2 is connected to the same selected source line SL1 and selected bit line BL1 as the selected cell S. The selected unselected cells are connected to C, the unselected cells connected to the selected word line WL2, and the unselected cells connected to the unselected source line SL2 and the unselected bit line BL2 are set to B.
Is defined.

【0047】図5に、この4種類のセルに対する書き込
みバイアス電圧の設定条件例を示す。選択セルSにデー
タを書き込む際、まず、非選択ワード線バイアス回路9
4により、選択ワード線WL1および非選択ワード線W
L2に基板電位0Vのときは所定の電圧、例えば4.5
Vを印加する。また、書き込みインヒビット電圧供給回
路92により、非選択ソース線SL2および非選択ビッ
ト線BL2に基板電位0Vのときは所定の逆バイアス電
圧、例えば5Vを印加する。このとき、選択ソース線S
L1および選択ビット線BL1は、接地電位0Vで保持
する。この状態で、選択セルSが接続されたワード線W
L1の印加電圧を、所定の電圧(4.5V)からプログ
ラム電圧(例えば、12V)に上げる。
FIG. 5 shows an example of setting conditions of the write bias voltage for these four types of cells. When writing data to the selected cell S, first, the non-selected word line bias circuit 9
4, the selected word line WL1 and the unselected word line W
When the substrate potential is 0 V at L2, a predetermined voltage, for example, 4.5
V is applied. When the substrate potential is 0 V, a predetermined reverse bias voltage, for example, 5 V is applied to the unselected source line SL2 and the unselected bit line BL2 by the write inhibit voltage supply circuit 92. At this time, the selected source line S
L1 and the selected bit line BL1 are held at the ground potential of 0V. In this state, the word line W connected to the selected cell S is
The applied voltage of L1 is increased from a predetermined voltage (4.5 V) to a program voltage (for example, 12 V).

【0048】図6(A)に、ゲート長0.1μmのMO
NOS型不揮発性メモリトランジスタのヒステリシス特
性を示す。また、図6(B)に典型的な書き込み/消去
特性を示す。図6(A)に示すように、良好なメモリの
ヒステリシス電圧差(ヒステリシス・ウインドウ)が得
られた。また、十分なしきい値のウインドウ幅がとれる
ための条件として、書き込み時間はワード線印加電圧1
2Vで0.7msec、ワード線印加電圧11Vで1m
sec、消去時間は−8Vの電圧印加で80msecが
得られた。
FIG. 6A shows an MO having a gate length of 0.1 μm.
4 shows a hysteresis characteristic of a NOS type nonvolatile memory transistor. FIG. 6B shows typical write / erase characteristics. As shown in FIG. 6A, a good hysteresis voltage difference (hysteresis window) of the memory was obtained. In addition, as a condition for obtaining a sufficient threshold window width, the writing time is set to the word line applied voltage 1
0.7 msec at 2V, 1m at word line applied voltage of 11V
sec, and the erasing time was 80 msec by applying a voltage of -8V.

【0049】この書き込み方法では、非選択ワード線W
L2に例えば正の電圧を印加することにより、非選択セ
ルBのディスターブマージンが拡大され、この非選択セ
ルBが誤書き込みまたは誤消去されない。また、非選択
ビット線BL2および非選択ソース線SL2に逆バイア
ス電圧を印加することによって、選択ワード線WL1の
プログラム電圧の印加で非選択セルAが書き込み状態に
なることが防止できるとともに、非選択セルBが誤書き
込み(および誤消去)されない。このときのバイアス電
圧印加の順序は、上述のように非選択ワード線への電圧
印加、逆バイアス電圧印加、プログラム電圧印加の順で
行うと、非選択セルBがディスターブを受けにくく好ま
しい。
In this writing method, the unselected word line W
By applying, for example, a positive voltage to L2, the disturb margin of the unselected cell B is expanded, and the unselected cell B is not erroneously written or erased. Further, by applying a reverse bias voltage to the non-selected bit line BL2 and the non-selected source line SL2, it is possible to prevent the non-selected cell A from being in a write state due to the application of the program voltage of the selected word line WL1. Cell B is not erroneously written (and erroneously erased). As for the order of applying the bias voltage at this time, it is preferable that the application of the voltage to the non-selected word line, the application of the reverse bias voltage, and the application of the program voltage as described above are less likely to cause the non-selected cell B to be disturbed.

【0050】以上は、ディスターブ防止について述べて
きたが、本発明で拡大したソースおよびドレインの耐圧
(接合耐圧)が逆バイアスする際に問題とならないレベ
ルであることを調べ、また、インヒビット電圧のゲート
長依存性、主要デバイス特性についても確認しておく必
要がある。
Although the above description has been directed to the prevention of disturbance, it has been examined that the withstand voltage (junction withstand voltage) of the source and the drain expanded in the present invention is at a level that does not cause a problem when reverse biasing is performed. It is necessary to confirm the long dependence and the main device characteristics.

【0051】〔メモリトランジスタの耐圧〕消去状態の
メモリトランジスタの電流−電圧特性について、ゲート
電圧4Vの条件下、チャネル不純物濃度をパラメータと
して検討した。この結果を、図7のグラフに示す。ここ
で、接合耐圧はドレイン電流1nA/μmで定義する。
グラフから、接合耐圧はチャネル不純物濃度に依存し、
チャネル不純物濃度が高いほど接合耐圧が低くなる傾向
を示した。チャネル不純物のドーズ量が15×1012
-2の場合に最も高いピーク濃度を示し、その値は7〜
8×1017cm-3となる。このとき、接合耐圧7Vが得
られた。
[Withstand Voltage of Memory Transistor] The current-voltage characteristics of the memory transistor in the erased state were examined under the condition of a gate voltage of 4 V, using the channel impurity concentration as a parameter. The result is shown in the graph of FIG. Here, the junction breakdown voltage is defined by a drain current of 1 nA / μm.
From the graph, the junction breakdown voltage depends on the channel impurity concentration,
There was a tendency that the higher the channel impurity concentration, the lower the junction breakdown voltage. Channel impurity dose of 15 × 10 12 c
In the case of m -2 , the highest peak concentration is shown, and the value is 7 to
It becomes 8 × 10 17 cm −3 . At this time, a junction withstand voltage of 7 V was obtained.

【0052】〔インヒビット電圧のゲート長依存性〕図
8に、ソース/ドレインのインヒビット電圧の下限値に
ついて、ゲート長依存性を示す。書き込み電圧Vppが1
2Vまで条件でのインヒビット電圧の下限値は約5Vで
あり、ゲート長依存性は殆ど示さなかった。ただし、書
き込み電圧Vppに対してはやや依存し、書き込み電圧V
ppが10Vで、インヒビット電圧の下限値は4〜4.3
V程度にまで下がっている。
[Gate Length Dependence of Inhibit Voltage] FIG. 8 shows the gate length dependence of the lower limit value of the source / drain inhibit voltage. Write voltage Vpp is 1
The lower limit value of the inhibit voltage under the condition up to 2 V was about 5 V, and showed almost no dependence on the gate length. However, the write voltage Vpp slightly depends on the write voltage Vpp.
When pp is 10 V, the lower limit of the inhibit voltage is 4 to 4.3.
It has dropped to about V.

【0053】また、消去状態における電流−電圧特性の
ゲート電圧依存性をついて検討した。降伏電圧はゲート
電圧依存性を示さず、サブブレークダウン領域における
立ち上がり電圧はゲート電圧依存性を示した。サブブレ
ークダウン領域はゲートエッジ部のドレイン/ソース領
域表面でのバンド間トンネル現象に起因していると推定
されるが、電流レベルが小さいため、ここでは問題にな
らないと考えられる。
The gate voltage dependence of the current-voltage characteristic in the erased state was examined. The breakdown voltage did not show the gate voltage dependency, and the rise voltage in the sub-breakdown region showed the gate voltage dependency. The sub-breakdown region is presumed to be caused by the band-to-band tunneling phenomenon on the surface of the drain / source region at the gate edge portion. However, since the current level is small, it is considered that this is not a problem here.

【0054】以上より、約7Vの接合耐圧は、ソース・
ドレイン印加電圧(インヒビットS/D電圧)の下限が
5V程度であるのに対して十分マージンがあり、このた
めインヒビット電圧をソース領域及び/又はドレイン領
域に印加することが可能であることを確認した。また、
図7から、書き込み電圧Vppを10Vとした場合、イン
ヒビット電圧の下限は4V程度まで下がるので、チャネ
ル形成領域のピーク不純物濃度を2×1018cm-3とし
て接合耐圧を5Vとしても、当該メモリトランジスタは
問題なく動作することが分かった。
As described above, the junction withstand voltage of about 7 V is equal to the source voltage.
Although the lower limit of the drain applied voltage (inhibit S / D voltage) is about 5 V, there is a sufficient margin, and it has been confirmed that the inhibit voltage can be applied to the source region and / or the drain region. . Also,
As can be seen from FIG. 7, when the write voltage Vpp is 10 V, the lower limit of the inhibit voltage drops to about 4 V. Therefore, even if the peak impurity concentration of the channel formation region is 2 × 10 18 cm −3 and the junction breakdown voltage is 5 V, the memory transistor Turned out to work without problems.

【0055】〔主要デバイス特性〕消去状態での電流−
電圧特性を検討し、求めた読み出し電流とリーク電流の
電圧依存性を図9のグラフに示す。ゲート電圧0Vの場
合、ドレイン電圧1. 2Vでの非選択セルのリーク電流
値は約3nAであった。この場合の読み出し電流は30
μA以上であるため、非選択セルの誤読み出しが生じる
ことはないと考えられる。したがって、ゲート長0.1
μmのMONOS型メモリトランジスタにおいて読み出
し時のパンチスルー耐圧のマージンは十分あることが分
かった。
[Main Device Characteristics] Current in Erase State
The voltage characteristics of the read current and the leak current obtained by examining the voltage characteristics are shown in the graph of FIG. When the gate voltage was 0 V, the leakage current value of the unselected cells at a drain voltage of 1.2 V was about 3 nA. The read current in this case is 30
Since the current is equal to or more than μA, it is considered that erroneous reading of the non-selected cell does not occur. Therefore, a gate length of 0.1
It has been found that the margin of the punch-through breakdown voltage at the time of reading is sufficient in the MONOS type memory transistor of μm.

【0056】データ書換え10万回後でのリードディス
ターブ特性も評価し、その結果を図10に示す。データ
書換え10万回後での10年後のしきい値のウインドウ
幅は0.5V以上が得られ、センスアンプで十分検出で
きるレベルであることが分かった。したがって、10年
以上の読み出し時間が可能であることが分かった。
The read disturb characteristics after 100,000 data rewrites were also evaluated, and the results are shown in FIG. The threshold window width after 10 years after data rewriting 100,000 times was 0.5 V or more, which was a level that can be sufficiently detected by the sense amplifier. Therefore, it was found that a read time of 10 years or more was possible.

【0057】書き込み条件(プログラム電圧:12V、
プログラム時間:0.7msec)、消去条件(消去時
ゲート電圧:−8V、消去時間:80msec)でのデ
ータ書き換え特性を検討し、結果を図11に示す。デー
タ書換回数は、キャリアトラップが空間的に離散化され
ているために良好で、1×105 回を満足することが分
かった。また、ここにはデータを示していないが、1×
106 回のデータ書き換えも可能であることも確認し
た。また、データ保持特性は1×105 回のデータ書換
え後で85℃、10年を満足した。
Write conditions (program voltage: 12 V,
The data rewriting characteristics were examined under the programming time: 0.7 msec) and the erasing condition (erasing gate voltage: -8 V, erasing time: 80 msec), and the results are shown in FIG. It was found that the number of times of data rewriting was satisfactory because the carrier traps were spatially discretized, and satisfied 1 × 10 5 times. Although data is not shown here, 1 ×
It was also confirmed that 10 6 times of data rewrite is also possible. The data retention characteristics satisfy 85 ° C. and 10 years after data rewriting 1 × 10 5 times.

【0058】以上より、チャネル形成領域、ソース領域
およびドレイン領域の不純物濃度プロファイルを、短チ
ャネル効果に対する最適値より変えて、接合耐圧を向上
させたことにより、ゲート長を0. 1μmにスケーリン
グしたMONOS型不揮発性メモリトランジスタが実現
でき、充分な特性が得られていることを確かめることが
できた。また、実際のセル動作を検証することができ
た。
As described above, the MONOS in which the gate length is scaled to 0.1 μm is improved by changing the impurity concentration profiles of the channel formation region, the source region and the drain region from the optimum values for the short channel effect and improving the junction breakdown voltage. It was confirmed that a non-volatile memory transistor was realized and sufficient characteristics were obtained. In addition, the actual cell operation could be verified.

【0059】なお、不揮発性メモリ装置では、通常、消
去ベリファイにより消去状態でメモリトランジスタのし
きい値を揃えるシーケンスがあることから、各メモリト
ランジスタのしきい値低下を補償することが容易に行う
ことができる。したがって、不揮発性メモリにおけるし
きい値のロールオフ仕様の緩和は、ロジックデバイスほ
ど問題となることはない。
In the non-volatile memory device, since there is usually a sequence for aligning the threshold values of the memory transistors in the erased state by erase verify, it is easy to compensate for the decrease in the threshold value of each memory transistor. Can be. Therefore, the relaxation of the roll-off specification of the threshold value in the nonvolatile memory does not cause a problem as much as the logic device.

【0060】第2実施形態 本実施形態では、図4と同じ素子構造において、ゲート
長を85nmまでスケーリングした場合である。
Second Embodiment This embodiment is a case where the gate length is scaled to 85 nm in the same device structure as in FIG.

【0061】図12に、ゲート長85nmのMONOS
型メモリトランジスタの電流−電圧特性を示す。図よ
り、接合耐圧は7Vであり、ソース/ドレインインヒビ
ット電圧5Vに対して、また、十分にマージンがあるこ
とが分かる。
FIG. 12 shows a MONOS having a gate length of 85 nm.
1 shows the current-voltage characteristics of a type memory transistor. From the figure, it can be seen that the junction withstand voltage is 7 V, and there is a sufficient margin with respect to the source / drain inhibit voltage 5 V.

【0062】図13に、選択セルからの読み出し電流
と、非選択セルからのリーク電流とを併せて示す。ゲー
ト長が第1実施形態の100nmから更に85nmまで
スケーリングされているため、これにともないドレイン
電圧を1.1Vまでスケーリングした場合、パンチスル
ー電流に起因したリーク電流の増大が予想されいた。と
ころが、実際には、チャネル形成領域の不純物濃度をピ
ーク濃度で8×1017cm-3と高くできたため、読み出
し電流とリーク電流との比は、ゲート長0.1μmの場
合と比較して若干減少しているものの3桁以上とれてい
る。
FIG. 13 shows a read current from a selected cell and a leak current from an unselected cell. Since the gate length is further scaled from 100 nm of the first embodiment to 85 nm, when the drain voltage is scaled to 1.1 V accordingly, an increase in leak current due to punch-through current was expected. However, in practice, the impurity concentration of the channel formation region could be increased to a peak concentration of 8 × 10 17 cm −3 , so that the ratio between the read current and the leak current was slightly higher than that in the case where the gate length was 0.1 μm. Although it is decreasing, it has more than three digits.

【0063】図14に、消去状態でのメモリセルの読み
出し電流特性を示す。読み出しドレイン電圧を1.1V
にスケーリングした場合、読み出し電流は、読み出しゲ
ート電圧1.5Vで33.5μA/μm、読み出しゲー
ト電圧2Vで59.7μA/μmであった。
FIG. 14 shows the read current characteristics of the memory cell in the erased state. 1.1V read drain voltage
The read current was 33.5 μA / μm at a read gate voltage of 1.5 V and 59.7 μA / μm at a read gate voltage of 2 V.

【0064】図15に、ゲート長85nmMONOSメ
モリトランジスタのデータ書換え特性を示す。10万回
までのしきい値のウインドウ幅は十分大きく、10万回
までデータ書換えが可能であることが分かった。とくに
データは示さないが、100万回までのデータ書換えが
可能なことも確認した。
FIG. 15 shows data rewriting characteristics of a MONOS memory transistor having a gate length of 85 nm. It has been found that the threshold window width up to 100,000 times is sufficiently large that data can be rewritten up to 100,000 times. Although no particular data is shown, it was confirmed that the data could be rewritten up to 1 million times.

【0065】図16に、データ書換え1万回後でのリー
ドディスターブ特性を示す。測定値を外挿したしきい値
のウインドウ幅は10年後で0.5V以上あり、これに
より、10年間の連続読み出しが可能であることが分か
る。
FIG. 16 shows the read disturb characteristics after 10,000 data rewrites. The window width of the threshold value extrapolated from the measured value is 0.5 V or more after 10 years, which indicates that continuous reading for 10 years is possible.

【0066】以上、チャネル形成領域の不純物濃度をピ
ーク濃度値で8×1017cm-3に増大させることによ
り、ゲート長が0.1μmより更に小さい、ゲート長8
5nmのMONOS型不揮発性メモリが実現可能である
ことが確認できた。
As described above, by increasing the impurity concentration of the channel formation region to a peak concentration of 8 × 10 17 cm -3 , the gate length is further reduced to less than 0.1 μm.
It was confirmed that a 5 nm MONOS nonvolatile memory was feasible.

【0067】以下、第3および第4実施形態に、不揮発
性メモリの素子構造の変形例を示す。
The third and fourth embodiments show modifications of the element structure of the nonvolatile memory.

【0068】第3実施形態 本実施形態は、メモリトランジスタの電荷蓄積手段とし
てゲート絶縁膜中に埋め込まれ例えば10ナノメータ以
下の粒径を有する多数の互いに絶縁されたSiナノ結晶
を用いた不揮発性半導体記憶装置(以下、Siナノ結晶
型という)に関する。
Third Embodiment This embodiment is a non-volatile semiconductor using a large number of mutually insulated Si nanocrystals embedded in a gate insulating film and having a grain size of, for example, 10 nanometers or less, as charge storage means of a memory transistor. The present invention relates to a storage device (hereinafter, referred to as a Si nanocrystal type).

【0069】図17は、このSiナノ結晶型メモリトラ
ンジスタの素子構造を示す断面図である。本実施形態の
Siナノ結晶型不揮発性メモリが、先の第1実施形態と
異なるのは、本実施形態のゲート絶縁膜30が、窒化膜
12とトップ絶縁膜14に代えて、トンネル絶縁膜10
上の電荷蓄積手段としてのSiナノ結晶32と、その上
の酸化膜34とが、ゲート電極8との間に形成されてい
ることである。その他の構成、即ち半導体基板1、チャ
ネル形成領域1a、ソース領域2、ドレイン領域4、ト
ンネル絶縁膜10、ゲート電極8、誘電膜16およびプ
ルアップ電極18は、第1実施形態と同様である。
FIG. 17 is a sectional view showing an element structure of the Si nanocrystal type memory transistor. The Si nanocrystal nonvolatile memory of the present embodiment is different from the first embodiment in that the gate insulating film 30 of the present embodiment is different from the first embodiment in that the tunnel insulating film 10 is replaced with the nitride film 12 and the top insulating film 14.
That is, the Si nanocrystal 32 as the upper charge storage means and the oxide film 34 thereon are formed between the Si nanocrystal 32 and the gate electrode 8. Other configurations, that is, the semiconductor substrate 1, the channel formation region 1a, the source region 2, the drain region 4, the tunnel insulating film 10, the gate electrode 8, the dielectric film 16, and the pull-up electrode 18 are the same as those in the first embodiment.

【0070】Siナノ結晶32は、そのサイズ(直径)
が、好ましくは10nm以下、例えば4.0nm程度で
あり、個々のSiナノ結晶同士が酸化膜34で空間的
に、例えば4nm程度の間隔で分離されている。本例に
おけるトンネル絶縁膜10は、電荷蓄積手段(Siナノ
結晶32)が基板側に近いこととの関係で、第1実施形
態よりやや厚く、使用用途に応じて2.6nmから5.
0nmまでの範囲内で適宜選択できる。ここでは、4.
0nm程度の膜厚とした。
The size (diameter) of the Si nanocrystal 32 is
However, it is preferably 10 nm or less, for example, about 4.0 nm, and individual Si nanocrystals are spatially separated by the oxide film 34 at an interval of, for example, about 4 nm. The tunnel insulating film 10 in this example is slightly thicker than the first embodiment because of the fact that the charge storage means (Si nanocrystals 32) is closer to the substrate side, and ranges from 2.6 nm to 5.
It can be appropriately selected within a range up to 0 nm. Here, 4.
The thickness was about 0 nm.

【0071】このような構成のメモリトランジスタの製
造では、トンネル絶縁膜10の成膜後、例えばプラズマ
CVD法でトンネル酸化膜10の上に、複数のSiナノ
結晶32を形成する。また、Siナノ結晶32を埋め込
むように、酸化膜34を、例えば7nmほどLP−CV
Dにより成膜する。このLP−CVDでは、原料ガスが
DCSとN2 Oの混合ガス、基板温度が例えば700℃
とする。このときSiナノ結晶32は酸化膜34に埋め
込まれ、酸化膜34表面が平坦化される。平坦化が不十
分な場合は、新たに平坦化プロセス(例えばCMP等)
を行うとよい。その後、ゲート電極8を成膜し、ゲート
積層膜を一括してパターンニングする工程を経て、当該
Siナノ結晶型メモリトランジスタを完成させる。
In the manufacture of the memory transistor having such a configuration, after the formation of the tunnel insulating film 10, a plurality of Si nanocrystals 32 are formed on the tunnel oxide film 10 by, for example, a plasma CVD method. Further, the oxide film 34 is formed to a thickness of, for example, about 7 nm by LP-CV so as to bury the Si nanocrystal 32.
D is formed. In this LP-CVD, the source gas is a mixed gas of DCS and N 2 O, and the substrate temperature is, for example, 700 ° C.
And At this time, the Si nanocrystals 32 are embedded in the oxide film 34, and the surface of the oxide film 34 is flattened. If planarization is insufficient, a new planarization process (eg, CMP, etc.)
It is good to do. Thereafter, a gate electrode 8 is formed, and a step of collectively patterning the gate laminated film is performed, thereby completing the Si nanocrystal type memory transistor.

【0072】このように形成されたSiナノ結晶32
は、平面方向に離散化されたキャリアトラップとして機
能する。そのトラップレベルは、周囲の酸化シリコンと
のバンド不連続値で推定可能で、その推定値では約3.
1eV程度とされる。この大きさの個々のSiナノ結晶
32は、数個の注入電子を保持できる。なお、Siナノ
結晶32を更に小さくして、これに単一電子を保持させ
てもよい。
The thus formed Si nanocrystal 32
Function as carrier traps discretized in the plane direction. The trap level can be estimated by a band discontinuity with the surrounding silicon oxide, and the estimated value is about 3.
It is about 1 eV. Individual Si nanocrystals 32 of this size can hold several injected electrons. Note that the Si nanocrystal 32 may be made smaller to hold a single electron.

【0073】このような構成のSiナノ結晶型不揮発性
メモリについて、ランドキストのバックトンネリングモ
デルによりデータ保持特性を検討した。データ保持特性
を向上させるためには、トラップレベルを深くして、電
荷重心と半導体基板1との距離を大きくすることが重要
となる。そこで、ランドキストモデルを物理モデルに用
いたシミュレーションにより、トラップレベル3. 1e
Vの場合のデータ保持を検討した。この結果、トラップ
レベル3. 1eVの深いキャリアトラップを用いること
により、電荷保持媒体からチャネル形成領域1aまでの
距離が4. 0nmと比較的に近い場合でも良好なデータ
保持を示すことが分かり、予想通りの結果が得られた。
With respect to the Si nanocrystal type nonvolatile memory having such a configuration, the data retention characteristics were examined using a Landkist back tunneling model. In order to improve the data retention characteristics, it is important to increase the trap level and increase the distance between the charge center of gravity and the semiconductor substrate 1. Therefore, the simulation using the Landkist model as a physical model yields a trap level of 3.1e.
Data retention in the case of V was studied. As a result, it was found that by using a deep carrier trap having a trap level of 3.1 eV, good data retention was exhibited even when the distance from the charge retention medium to the channel formation region 1a was relatively short, 4.0 nm. The results were as follows.

【0074】第1実施形態と同様にして、ゲート長0.
1μmの微細メモリトランジスタを有する1トランジス
タセルの動作を確認した。次いで、低電圧プログラミン
グについて検討した。本例における書き込み時間は、プ
ログラム電圧が5Vの低プログラム電圧で1msec以
下であり、Siナノ結晶型の高速書き込み性が実証でき
た。
As in the first embodiment, the gate length is set to 0.1.
The operation of a one-transistor cell having a 1 μm fine memory transistor was confirmed. Next, low voltage programming was considered. The write time in this example was 1 msec or less at a low program voltage of 5 V, and the high-speed write performance of the Si nanocrystal type was demonstrated.

【0075】第4実施形態 本実施形態は、メモリトランジスタの電荷蓄積手段とし
て絶縁膜中に埋め込まれ互いに分離した多数の微細分割
型フローティングゲートを用いた不揮発性半導体記憶装
置(以下、微細分割FG型という)に関する。
Fourth Embodiment This embodiment is directed to a nonvolatile semiconductor memory device (hereinafter referred to as a finely divided FG type) using a large number of finely divided floating gates embedded in an insulating film and separated from each other as charge storage means of a memory transistor. About).

【0076】図18は、この微細分割FG型メモリトラ
ンジスタの素子構造を示す断面図である。本実施形態の
微細分割FG型不揮発性メモリが、先の第1実施形態と
異なるのは、メモリトランジスタがSOI基板に形成さ
れていることと、本実施形態のゲート絶縁膜40が、窒
化膜12とトップ絶縁膜14に代えて、トンネル絶縁膜
10上の電荷蓄積手段としての微細分割型フローティン
グゲート42と、その上の酸化膜44とが、ゲート電極
8との間に形成されていることである。その他の構成の
うち、トンネル絶縁膜10、ゲート電極8は、第1実施
形態と同様である。この微細分割フローティングゲート
42は、先の第3実施形態のSiナノ結晶32とともに
本発明でいう“小粒径導電体”の具体例に該当する。
FIG. 18 is a sectional view showing the element structure of this finely divided FG type memory transistor. The finely divided FG type nonvolatile memory of the present embodiment is different from the first embodiment in that the memory transistor is formed on the SOI substrate and the gate insulating film 40 of the present embodiment is formed of a nitride film 12 A finely divided floating gate 42 as a charge storage means on the tunnel insulating film 10 and an oxide film 44 thereon are formed between the gate electrode 8 instead of the gate insulating film 10 and the top insulating film 14. is there. Among other configurations, the tunnel insulating film 10 and the gate electrode 8 are the same as in the first embodiment. The finely divided floating gate 42, together with the Si nanocrystal 32 of the third embodiment, corresponds to a specific example of the “small grain size conductor” in the present invention.

【0077】SOI基板としては、酸素イオンをシリコ
ン基板に高濃度にイオン注入し基板表面より深い箇所に
埋込酸化膜を形成したSIMOX(Separation by Impl
anted Oxygen)基板や、一方のシリコン基板表面に酸化
膜を形成し他の基板と張り合わせた張合せ基板などが用
いられる。このような方法によって形成され図18に示
したSOI基板は、半導体基板46、分離酸化膜48お
よびシリコン層50とから構成され、シリコン層50内
に、チャネル形成領域50a,ソース領域2およびドレ
イン領域4が設けられている。なお、半導体基板46に
代えて、ガラス基板、プラスチック基板、サファイア基
板等を用いてもよい。
As an SOI substrate, SIMOX (Separation by Impl) in which oxygen ions are implanted into a silicon substrate at a high concentration and a buried oxide film is formed at a position deeper than the substrate surface.
An anted oxygen substrate or a bonded substrate in which an oxide film is formed on the surface of one silicon substrate and bonded to another substrate are used. The SOI substrate formed by such a method and shown in FIG. 18 includes a semiconductor substrate 46, an isolation oxide film 48, and a silicon layer 50. In the silicon layer 50, a channel formation region 50a, a source region 2, and a drain region are provided. 4 are provided. Note that a glass substrate, a plastic substrate, a sapphire substrate, or the like may be used instead of the semiconductor substrate 46.

【0078】微細分割フローティングゲート42は、通
常のFG型のフローティングゲートを、その高さが例え
ば5.0nm程度で、直径が例えば8nmまでの微細な
ポリSiドットに加工したものである。本例におけるト
ンネル絶縁膜10は、第1実施形態よりやや厚いが、通
常のFG型に比べると格段に薄く形成され、使用用途に
応じて2.5nmから4.0nmまでの範囲内で適宜選
択できる。ここでは、最も薄い2.5nmの膜厚とし
た。
The finely divided floating gate 42 is formed by processing a normal FG type floating gate into fine poly-Si dots having a height of, for example, about 5.0 nm and a diameter of, for example, 8 nm. The tunnel insulating film 10 in this example is slightly thicker than in the first embodiment, but is formed much thinner than a normal FG type, and is appropriately selected from a range of 2.5 nm to 4.0 nm according to the intended use. it can. Here, the thinnest film thickness is 2.5 nm.

【0079】このような構成のメモリトランジスタの製
造では、SOI基板上にトンネル絶縁膜10を成膜した
後、例えばLP−CVD法で、トンネル絶縁膜10の上
にポリシリコン膜(最終膜厚:5nm)を成膜する。こ
のLP−CVDでは、原料ガスがDCSとアンモニアの
混合ガス、基板温度が例えば650℃とする。つぎに、
例えば電子ビーム露光法を用いて、ポリシリコン膜を直
径が例えば8nmまでの微細なポリSiドットに加工す
る。このポリSiドットは、微細分割型フローティング
ゲート42(電荷蓄積手段)として機能する。その後、
微細分割型フローティングゲート42を埋め込むかたち
で、酸化膜44を、例えば9nmほどLP−CVDによ
り成膜する。このLP−CVDでは、原料ガスがDCS
とN2 Oの混合ガス、基板温度が例えば700℃とす
る。この時、微細分割型フローティングゲート42は酸
化膜44に埋め込まれ、酸化膜44表面が平坦化され
る。平坦化が不十分な場合は、新たに平坦化プロセス
(例えばCMP等)を行うとよい。その後、ゲート電極
8を成膜し、ゲート積層膜を一括してパターンニングす
る工程を経て、当該微細分割FG型メモリトランジスタ
を完成させる。
In the manufacture of a memory transistor having such a configuration, after a tunnel insulating film 10 is formed on an SOI substrate, a polysilicon film (final film thickness: 5 nm). In this LP-CVD, the source gas is a mixed gas of DCS and ammonia, and the substrate temperature is, for example, 650 ° C. Next,
For example, using an electron beam exposure method, the polysilicon film is processed into fine polysilicon dots having a diameter of, for example, up to 8 nm. This poly-Si dot functions as a finely divided floating gate 42 (charge storage means). afterwards,
An oxide film 44 is formed to a thickness of, for example, about 9 nm by LP-CVD while burying the finely divided floating gate 42. In this LP-CVD, the source gas is DCS
And a mixed gas of N 2 O and a substrate temperature of, for example, 700 ° C. At this time, the finely divided floating gate 42 is embedded in the oxide film 44, and the surface of the oxide film 44 is flattened. If the planarization is insufficient, a new planarization process (eg, CMP) may be performed. Thereafter, the gate electrode 8 is formed, and the finely divided FG type memory transistor is completed through a step of collectively patterning the gate laminated film.

【0080】このようにSOI基板を用い、フローティ
ングゲートが微細に分割されることについては、素子を
試作して特性を評価した結果、予想通りの良好な特性が
得られることを確認した。また、第1実施形態と同様に
して、ゲート長0.1μmの微細メモリトランジスタを
有する1トランジスタセルの動作を確認した。
As to the fact that the floating gate is finely divided using the SOI substrate as described above, as a result of evaluating the characteristics of a prototype device, it was confirmed that the expected good characteristics could be obtained. Further, in the same manner as in the first embodiment, the operation of a one-transistor cell having a fine memory transistor with a gate length of 0.1 μm was confirmed.

【0081】変形例 以上述べてきた第1〜第4実施形態において、種々の変
形が可能である。
[0081] In the first to fourth embodiments have been described above modification, and various modifications are possible.

【0082】まず、セル構造については、ビット線およ
びソース線が階層化された分離ソース型のNOR型を採
用できる。図19に、このNOR型メモリセルアレイの
回路構成を示す。また、図20に、このNOR型メモリ
セルアレイのパターン例を示す平面図を、図21に、図
20のB−B’線に沿った断面側から見た斜視図を示
す。
First, as the cell structure, an isolated source NOR type in which bit lines and source lines are hierarchized can be adopted. FIG. 19 shows a circuit configuration of this NOR type memory cell array. FIG. 20 is a plan view showing a pattern example of the NOR type memory cell array, and FIG. 21 is a perspective view seen from a cross-sectional side along the line BB 'in FIG.

【0083】この不揮発性メモリ装置110では、ビッ
ト線が主ビット線と副ビット線に階層化され、ソース線
が主ソース線と副ソース線に階層化されている。主ビッ
ト線MBL1に選択トランジスタS11を介して副ビッ
ト線SBL1が接続され、主ビット線MBL2に選択ト
ランジスタS21を介して副ビット線SBL2が接続さ
れている。また、主ソース線MSL(図21では、MS
L1およびMSL2に分割)に対し、選択トランジスタ
S12を介して副ソース線SSL1が接続され、選択ト
ランジスタS22を介して副ソース線SSL2が接続さ
れている。
In this nonvolatile memory device 110, bit lines are hierarchized into main bit lines and sub-bit lines, and source lines are hierarchized into main source lines and sub-source lines. The sub-bit line SBL1 is connected to the main bit line MBL1 via the selection transistor S11, and the sub-bit line SBL2 is connected to the main bit line MBL2 via the selection transistor S21. Also, the main source line MSL (MS in FIG. 21)
L1 and MSL2), a sub-source line SSL1 is connected via a selection transistor S12, and a sub-source line SSL2 is connected via a selection transistor S22.

【0084】そして、副ビット線SBL1と副ソース線
SSL1との間に、メモリトランジスタM11〜M1n
が並列接続され、副ビット線SBL2と副ソース線SS
L2との間に、メモリトランジスタM21〜M2nが並
列接続されている。この互いに並列に接続されたn個の
メモリトランジスタと、2つの選択トランジスタ(S1
1とS12、又は、S21とS22)とにより、メモリ
セルアレイを構成する単位ブロックが構成される。
The memory transistors M11 to M1n are provided between the sub bit line SBL1 and the sub source line SSL1.
Are connected in parallel, the sub bit line SBL2 and the sub source line SS
The memory transistors M21 to M2n are connected in parallel with L2. The n memory transistors connected in parallel to each other and two select transistors (S1
1 and S12 or S21 and S22) constitute a unit block constituting the memory cell array.

【0085】ワード方向に隣接するメモリトランジスタ
M11,M21,…の各ゲートがワード線WL1に接続
されている。同様に、メモリトランジスタM12,M2
2,…の各ゲートがワード線WL2に接続され、また、
メモリトランジスタM1n,M2n,…の各ゲートがワ
ード線WLnに接続されている。ワード方向に隣接する
選択トランジスタS11,S21,…は選択線SG1に
より制御され、選択トランジスタS12,S22,…は
選択線SG2により制御される。
The gates of the memory transistors M11, M21,... Adjacent in the word direction are connected to the word line WL1. Similarly, memory transistors M12, M2
, Are connected to the word line WL2.
Each gate of the memory transistors M1n, M2n,... Is connected to a word line WLn. Are controlled by a selection line SG1, and the selection transistors S12, S22,... Are controlled by a selection line SG2.

【0086】この微細NOR型セルアレイ110では、
図21に示すように、半導体基板111の表面にpウエ
ル112が形成されている。pウエル112は、トレン
チに絶縁物を埋め込んでなり、平行ストライプ状に配置
された素子分離絶縁層113によりワード線方向に絶縁
分離されている。
In this fine NOR type cell array 110,
As shown in FIG. 21, a p-well 112 is formed on a surface of a semiconductor substrate 111. The p-well 112 is formed by burying an insulator in a trench, and is insulated and separated in the word line direction by element isolation insulating layers 113 arranged in parallel stripes.

【0087】素子分離絶縁層112により分離された各
pウエル部分が、メモリトランジスタの能動領域とな
る。能動領域内の幅方向両側で、互いの距離をおいた平
行ストライプ状にn型不純物が高濃度に導入され、これ
により、副ビット線SBLおよび副ソース線SSLが形
成されている。これら副ビット線SBLおよび副ソース
線SSL上に絶縁膜を介して直交して、各ワード線WL
1,WL2,WL3,WL4,…が等間隔に配線されて
いる。このワード線は、後述するように、トンネル絶縁
膜,窒化膜,トップ絶縁膜からなるゲート絶縁膜と、ゲ
ート電極とを積層させて構成されている。本実施形態で
は、ゲート長(ワード線の幅)が0.13μm以下、た
とえば0.1μmに微細化されている。副ビット線SB
Lと副ソース線SSLとの間のpウエル部分112a
と、各ワード線との交差部分がメモリトランジスタのチ
ャネル形成領域となり、そのチャネル形成領域に接する
副ビット線部分がドレイン、副ソース線部分がソースと
して機能する。
Each p-well portion separated by the element isolation insulating layer 112 becomes an active region of the memory transistor. On both sides in the width direction in the active region, n-type impurities are introduced at a high concentration in parallel stripes spaced apart from each other, thereby forming a sub-bit line SBL and a sub-source line SSL. Each word line WL is orthogonal to these sub-bit lines SBL and sub-source lines SSL via an insulating film.
1, WL2, WL3, WL4,... Are wired at equal intervals. As will be described later, this word line is formed by stacking a gate insulating film including a tunnel insulating film, a nitride film, and a top insulating film, and a gate electrode. In the present embodiment, the gate length (word line width) is reduced to 0.13 μm or less, for example, 0.1 μm. Sub-bit line SB
P well portion 112a between L and sub-source line SSL
Then, the intersection with each word line becomes the channel formation region of the memory transistor, the sub-bit line portion in contact with the channel formation region functions as the drain, and the sub-source line portion functions as the source.

【0088】ワード線の上部および側壁は、図3の場合
と同様、オフセット絶縁層およびサイドウォール絶縁層
(本例では、通常の層間絶縁層でも可)により覆われて
いる。これら絶縁層には、所定間隔で副ビット線SBL
に達するビットコンタクト・プラグBCと、副ソース線
SSLに達するソースコンタクト・プラグSCとが形成
されている。これらのプラグBC,SCは、たとえば、
ビット線方向のメモリトランジスタが128個程度ごと
に設けられている。また、絶縁層上を、ビットコンタク
ト・プラグBC上に接触する主ビット線MBL1,BL
2,…と、ソースコンタクト・プラグSC上に接触する
主ソース線MSL1,BL2,…が交互に、平行ストラ
イプ状に形成されている。
As in the case of FIG. 3, the upper part and the side wall of the word line are covered with an offset insulating layer and a side wall insulating layer (in this example, a normal interlayer insulating layer is also possible). The sub-bit lines SBL are provided at predetermined intervals on these insulating layers.
, And a source contact plug SC reaching the sub-source line SSL. These plugs BC and SC are, for example,
There are provided about 128 memory transistors in the bit line direction. In addition, the main bit lines MBL1 and BL contacting the insulating layer with the bit contact plugs BC.
, And main source lines MSL1, BL2,... Contacting on the source contact plug SC are alternately formed in parallel stripes.

【0089】この微細NOR型セルアレイ100は、ビ
ット線およびソース線が階層化され、メモリセルごとに
ビットコンタクト・プラグBCおよびソースコンタクト
・プラグSCを形成する必要がない。したがって、コン
タクト抵抗自体のバラツキは基本的にない。ビットコン
タクト・プラグBCおよびソースコンタクト・プラグS
Cは、たとえば、128個のメモリセルごとに設けられ
るが、このプラグ形成を自己整合的に行わないときは、
オフセット絶縁層およびサイドウォール絶縁層は必要な
い。すなわち、通常の層間絶縁膜を厚く堆積してメモリ
トランジスタを埋め込む工程のみで足りる。このよう
に、本例では、更に工程を簡略化できる利点がある。
In this fine NOR type cell array 100, bit lines and source lines are hierarchized, and it is not necessary to form a bit contact plug BC and a source contact plug SC for each memory cell. Therefore, there is basically no variation in the contact resistance itself. Bit contact plug BC and source contact plug S
C is provided, for example, for every 128 memory cells. When this plug formation is not performed in a self-aligned manner,
No offset insulating layer and sidewall insulating layer are required. That is, only a process of embedding the memory transistor by thickly depositing a normal interlayer insulating film is sufficient. Thus, in this example, there is an advantage that the process can be further simplified.

【0090】また、副配線(副ビット線,副ソース線)
を不純物領域で構成した疑似コンタクトレス構造として
無駄な空間が殆どないことから、各層の形成をウエハプ
ロセス限界の最小線幅Fで行った場合、8F2 に近い非
常に小さいセル面積で製造できる。さらに、ビット線と
ソース線が階層化されており、選択トランジスタS11
又はS21が非選択の単位ブロックにおける並列メイン
トランジスタ群を主ビット線MBL1またはMBL2か
ら切り離すため、主ビット線の容量が著しく低減され、
高速化、低消費電力化に有利である。また、選択トラン
ジスタS12またはS22の働きで、副ソース線を主ソ
ース線から切り離して、低容量化することができる。な
お、更なる高速化のためには、副ビット線SBL1,S
BL2または副ソース線SSL1,SSL2はシリサイ
ドを張り付けた不純物領域で形成し、主ビット線MBL
1,MBL2はメタル配線を用いるとよい。
The sub wiring (sub bit line, sub source line)
From there is almost no wasted space as a pseudo contactless structure constituted by the impurity region, when subjected to the application of each layer the minimum line width F of the wafer process limits can be produced by cell area very small close to 8F 2. Further, the bit lines and the source lines are hierarchized, and the selection transistors S11
Alternatively, since S21 separates the parallel main transistor group in the unselected unit block from the main bit line MBL1 or MBL2, the capacity of the main bit line is significantly reduced,
This is advantageous for high speed and low power consumption. Further, by the operation of the selection transistor S12 or S22, the sub-source line can be separated from the main source line, and the capacitance can be reduced. In order to further increase the speed, the sub-bit lines SBL1 and SBL1
BL2 or the sub-source lines SSL1 and SSL2 are formed of impurity regions to which silicide is attached, and the main bit lines MBL
1 and MBL2 may use metal wiring.

【0091】また、NAND型のセル方式も採用でき
る。NAND型は、図19のメモリセルアレイを構成す
る単位ブロック内で、各メモリトランジスタM11〜M
1n、あるいはM21〜M1nを並列ではなく直列に接
続することにより達成される。この場合、副ビット線お
よび副ソース線の区別はなく、NAND列のチャネル形
成不純物領域となる。その他、とくに図示しないがDI
NOR型、いわゆるHiCR型と称されソース線を隣接
する2つのソース領域で共有した分離ソース型のセルア
レイから構成される微細NOR型セルであっても、本発
明が適用できる。
Further, a NAND cell system can also be adopted. In the NAND type, each of the memory transistors M11 to M11 in a unit block constituting the memory cell array of FIG.
1n or M21 to M1n are connected in series instead of in parallel. In this case, there is no distinction between the sub-bit line and the sub-source line, and it becomes the channel forming impurity region of the NAND string. Other DI (not shown)
The present invention can be applied to a NOR type cell, which is a so-called HiCR type and is composed of a separated source type cell array in which a source line is shared by two adjacent source regions.

【0092】また、第1実施形態の説明では、書き込み
インヒビット電圧供給回路92は、メモリトランジスタ
のソース領域2とドレイン領域4との双方に同時に同一
な逆バイアス電圧を付与することを前提としたが、本発
明では、逆バイアス電圧は同一電圧に限定されず、また
ソース領域2とドレイン領域4の何れか一方に逆バイア
ス電圧を付与し、他方をオープンとするようにしてもよ
い。また、ソース線とビット線で異なる電圧を印加する
ことも可能である。
In the description of the first embodiment, it is assumed that the write inhibit voltage supply circuit 92 simultaneously applies the same reverse bias voltage to both the source region 2 and the drain region 4 of the memory transistor. In the present invention, the reverse bias voltage is not limited to the same voltage, and a reverse bias voltage may be applied to one of the source region 2 and the drain region 4 and the other may be open. It is also possible to apply different voltages to the source line and the bit line.

【0093】本発明における“平面的に離散化された電
荷蓄積手段”は、窒化膜バルクのキャリアトラップおよ
び酸化膜と窒化膜界面付近に形成されたキャリアトラッ
プを含むことから、ゲート絶縁膜がNO(Nitride-Oxid
e) 膜なるMNOS型であっても本発明が適用できる。
The “planar discrete charge storage means” in the present invention includes a carrier trap formed in the bulk of the nitride film and a carrier trap formed near the interface between the oxide film and the nitride film. (Nitride-Oxid
e) The present invention is applicable to an MNOS type film.

【0094】本発明は、スタンドアロン型の不揮発性メ
モリのほか、ロジック回路と同一基板上に集積化したエ
ンベデッド型の不揮発性メモリに対しても適用可能であ
る。なお、第4実施形態のようにSOI基板を用いるこ
とは、第1〜第3実施形態のメモリトランジスタ構造に
重複して適用可能である。
The present invention can be applied not only to a stand-alone nonvolatile memory but also to an embedded nonvolatile memory integrated with a logic circuit on the same substrate. The use of the SOI substrate as in the fourth embodiment is applicable to the memory transistor structures of the first to third embodiments.

【0095】[0095]

【発明の効果】本発明に係る不揮発性半導体記憶装置及
びその書き込み方法によれば、メモリトランジスタのチ
ャネル形成領域、ソース領域およびドレイン領域の不純
物濃度プロファイルを、短チャネル効果に対する最適値
より変えて、接合耐圧を向上させたことにより、書き込
みインヒビット電圧を印加して非選択セルの誤書き込
み、誤消去を防止しながら、ゲート長を0. 1μm以下
にスケーリングした不揮発性メモリトランジスタが実現
できる。
According to the nonvolatile semiconductor memory device and the writing method of the present invention, the impurity concentration profiles of the channel formation region, the source region and the drain region of the memory transistor are changed from the optimum values for the short channel effect. By improving the junction breakdown voltage, it is possible to realize a nonvolatile memory transistor in which the gate length is scaled to 0.1 μm or less while applying a write inhibit voltage to prevent erroneous writing and erasing of unselected cells.

【図面の簡単な説明】[Brief description of the drawings]

【図1】本発明の第1実施形態に係るソース分離NOR
型の不揮発性半導体メモリの概略構成を示す図である。
FIG. 1 shows a source separation NOR according to a first embodiment of the present invention.
FIG. 1 is a diagram showing a schematic configuration of a nonvolatile semiconductor memory of a type.

【図2】本発明の第1実施形態に係る具体的なセル配置
パターンの一例として、自己整合技術を用いた微細NO
R型セルアレイの概略平面図である。
FIG. 2 shows an example of a specific cell arrangement pattern according to the first embodiment of the present invention.
It is a schematic plan view of an R-type cell array.

【図3】本発明の第1実施形態に係る図2のセルアレイ
でA−A’線に沿った断面側から見た斜視図である。
FIG. 3 is a perspective view of the cell array of FIG. 2 according to the first embodiment of the present invention, as viewed from a cross-sectional side along line AA ′.

【図4】本発明の第1実施形態に係るMONOS型メモ
リトランジスタの素子構造を示す断面図である。
FIG. 4 is a sectional view showing an element structure of the MONOS type memory transistor according to the first embodiment of the present invention.

【図5】本発明の第1実施形態において、4種類のセル
に対する書き込みバイアス電圧の設定条件例を示す図で
ある。
FIG. 5 is a diagram showing an example of setting conditions of a write bias voltage for four types of cells in the first embodiment of the present invention.

【図6】本発明の第1実施形態において、ゲート長0.
1μmのMONOS型不揮発性メモリトランジスタのヒ
ステリシス特性および書き込み/消去特性を示すグラフ
である。
FIG. 6 shows a first embodiment of the present invention.
5 is a graph showing hysteresis characteristics and write / erase characteristics of a 1 μm MONOS type nonvolatile memory transistor.

【図7】本発明の第1実施形態において、消去状態のメ
モリトランジスタの電流−電圧特性を示すグラフであ
る。
FIG. 7 is a graph showing current-voltage characteristics of a memory transistor in an erased state according to the first embodiment of the present invention.

【図8】本発明の第1実施形態において、ソース/ドレ
インのインヒビット電圧の下限値のゲート長依存性を示
すグラフである。
FIG. 8 is a graph showing a gate length dependency of a lower limit value of a source / drain inhibit voltage in the first embodiment of the present invention.

【図9】本発明の第1実施形態において、消去状態での
電流−電圧特性から求めた読み出し電流とリーク電流の
電圧依存性を示すグラフである。
FIG. 9 is a graph showing the voltage dependence of a read current and a leak current obtained from current-voltage characteristics in an erased state in the first embodiment of the present invention.

【図10】本発明の第1実施形態において、データ書換
え10万回後でのリードディスターブ特性を示すグラフ
である。
FIG. 10 is a graph showing read disturb characteristics after 100,000 times of data rewriting in the first embodiment of the present invention.

【図11】本発明の第1実施形態において、データ書き
換え特性を示すグラフである。
FIG. 11 is a graph showing data rewrite characteristics in the first embodiment of the present invention.

【図12】本発明の第2実施形態において、ゲート長8
5nmのMONOS型メモリトランジスタの電流−電圧
特性を示すグラフである。
FIG. 12 shows a second embodiment of the present invention, in which the gate length is 8
5 is a graph showing current-voltage characteristics of a 5-nm MONOS memory transistor.

【図13】本発明の第2実施形態において、読み出し電
流とリーク電流の電圧依存性を示すグラフである。
FIG. 13 is a graph showing voltage dependence of a read current and a leak current in a second embodiment of the present invention.

【図14】本発明の第2実施形態において、消去状態で
のメモリセルの読み出し電流特性を示すグラフである。
FIG. 14 is a graph showing read current characteristics of a memory cell in an erased state according to the second embodiment of the present invention.

【図15】本発明の第2実施形態において、ゲート長8
5nmMONOSメモリトランジスタのデータ書換え特
性を示すグラフである。
FIG. 15 shows a gate length of 8 in the second embodiment of the present invention.
4 is a graph showing data rewriting characteristics of a 5 nm MONOS memory transistor.

【図16】本発明の第2実施形態において、データ書換
え1万回後でのリードディスターブ特性を示すグラフで
ある。
FIG. 16 is a graph showing read disturb characteristics after 10,000 data rewrites in the second embodiment of the present invention.

【図17】本発明の第3実施形態に係るSiナノ結晶型
メモリトランジスタの素子構造を示す断面図である。
FIG. 17 is a cross-sectional view illustrating an element structure of a Si nanocrystal memory transistor according to a third embodiment of the present invention.

【図18】本発明の第4実施形態に係る微細分割FG型
メモリトランジスタの素子構造を示す断面図である。
FIG. 18 is a sectional view showing an element structure of a finely divided FG memory transistor according to a fourth embodiment of the present invention.

【図19】本発明の実施形態において、メモリセル方式
の他の適用例として、NOR型メモリセルアレイの回路
構成を示す回路図である。
FIG. 19 is a circuit diagram showing a circuit configuration of a NOR type memory cell array as another application example of the memory cell system in the embodiment of the present invention.

【図20】図19のNOR型メモリセルアレイのパター
ン例を示す平面図である。
20 is a plan view showing a pattern example of the NOR type memory cell array of FIG. 19;

【図21】図20のB−B’線に沿った断面側から見た
斜視図である。
21 is a perspective view seen from a cross-sectional side along the line BB ′ in FIG. 20;

【符号の説明】[Explanation of symbols]

1,101,111…半導体基板、1a,50a…チャ
ネル形成領域、2,S…ソース領域、4,D…ドレイン
領域、6,30,40…ゲート絶縁膜、8…ゲート電
極、10…トンネル絶縁膜、12…窒化膜、14…トッ
プ絶縁膜、32…Siナノ結晶、34,44…酸化膜、
42…微細分割型フローティングゲート、46…半導体
基板、48…分離酸化膜、50…シリコン層、90,1
00,110…微細NOR型メモリセルアレイ、92…
書き込みインヒビット電圧供給回路(書き込みインヒビ
ット電圧供給手段)、94…非選択ワード線バイアス回
路(非選択ワード線バイアス手段)、102,113…
素子分離絶縁層、112…pウエル、M11〜M22…
メモリトランジスタ、S11,ST0等…選択トランジ
スタ、A〜C…非選択セル、S…選択セル、BL1等…
ビット線、MBL1等…主ビット線、SBL…副ビット
線、SL1等…ソース線、MSL…主ソース線、SSL
1等…副ソース線、WL1等…ワード線、BC…ビット
コンタクト・プラグ、SC…ソースコンタクト・プラ
グ。
1, 101, 111: semiconductor substrate, 1a, 50a: channel forming region, 2, S: source region, 4, D: drain region, 6, 30, 40: gate insulating film, 8: gate electrode, 10: tunnel insulating Film, 12 nitride film, 14 top insulating film, 32 nanocrystal Si, 34, 44 oxide film,
42: finely divided floating gate, 46: semiconductor substrate, 48: isolation oxide film, 50: silicon layer, 90, 1
00, 110 ... fine NOR type memory cell array, 92 ...
Write inhibit voltage supply circuit (write inhibit voltage supply means), 94 ... non-selected word line bias circuit (non-selected word line bias means), 102, 113 ...
Element isolation insulating layer, 112 ... p well, M11 to M22 ...
Memory transistors, S11, ST0, etc .... Selection transistors, A to C: Unselected cells, S: Selected cells, BL1, etc.
Bit line, MBL1, etc .... Main bit line, SBL ... Sub bit line, SL1, etc .... Source line, MSL ... Main source line, SSL
1 etc .: sub-source line, WL1 etc ... word line, BC ... bit contact plug, SC ... source contact plug.

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Claims (25)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】半導体の表面部分にチャネル形成領域を挟
んで形成されたソース領域およびドレイン領域と、当該
チャネル形成領域上に設けられ内部に電荷蓄積手段を含
むゲート絶縁膜と、当該ゲート絶縁膜上のゲート電極と
を備えたメモリトランジスタを有する不揮発性半導体記
憶装置であって、 上記チャネル形成領域,上記ソース領域及び/又はドレ
イン領域の不純物濃度プロファイルが、ゲート長を短く
したときに発生する上記メモリトランジスタのしきい値
低下を所定割合に抑制する最適な不純物濃度プロファイ
ルから、当該ソース領域及び/又はドレイン領域の接合
耐圧を大きくする方向に変えてある不揮発性半導体記憶
装置。
1. A source region and a drain region formed on a surface portion of a semiconductor with a channel forming region interposed therebetween, a gate insulating film provided on the channel forming region and including charge storage means therein, and the gate insulating film A non-volatile semiconductor memory device having a memory transistor having an upper gate electrode, wherein the impurity concentration profile of the channel formation region, the source region and / or the drain region is generated when a gate length is reduced. A nonvolatile semiconductor memory device in which a junction withstand voltage of a source region and / or a drain region is increased from an optimum impurity concentration profile for suppressing a decrease in a threshold value of a memory transistor to a predetermined ratio.
【請求項2】上記メモリトランジスタが複数、ワード方
向とビット方向に配置され、 複数のワード線それぞれに、上記メモリトランジスタの
ゲート電極が複数接続され、 上記ソース領域またはドレイン領域が、上記ワード線と
電気的に絶縁された状態で交差するビット方向の共通線
と結合され、 書き込み時において選択されたワード線にゲート電極が
接続された上記メモリトランジスタのソース領域及び/
又はドレイン領域に、当該領域が上記チャネル形成領域
に対して逆バイアスとなり、かつ、上記接合耐圧より低
い書き込みインヒビット電圧を、上記共通線を介して印
加する書き込みインヒビット電圧供給手段を有する請求
項1に記載の不揮発性半導体記憶装置。
A plurality of memory transistors arranged in a word direction and a bit direction; a plurality of gate electrodes of the memory transistor connected to each of a plurality of word lines; and a source region or a drain region connected to the word line. A source region and / or a source region of the memory transistor having a gate electrode connected to a word line selected at the time of writing and coupled to a bit line common line that intersects while being electrically insulated.
2. The semiconductor device according to claim 1, further comprising: a write inhibit voltage supply unit configured to apply, via the common line, a write inhibit voltage, which is reverse biased to the channel formation region and lower than the junction withstand voltage, to the drain region. 14. The nonvolatile semiconductor memory device according to claim 1.
【請求項3】上記メモリトランジスタの不純物濃度プロ
ファイルは、ゲート長が十分に長いメモリトランジスタ
におけるしきい値より15%以上しきい値が低下するよ
うに設定されている請求項1に記載の不揮発性半導体記
憶装置。
3. The non-volatile memory according to claim 1, wherein the impurity concentration profile of the memory transistor is set so that the threshold value is 15% or more lower than the threshold value of a memory transistor having a sufficiently long gate length. Semiconductor storage device.
【請求項4】上記メモリトランジスタのチャネル形成領
域の不純物ピーク濃度が、4×1017cm-3より大きい
請求項1に記載の不揮発性半導体記憶装置。
4. The nonvolatile semiconductor memory device according to claim 1, wherein an impurity peak concentration in a channel formation region of said memory transistor is higher than 4 × 10 17 cm −3 .
【請求項5】上記メモリトランジスタのゲート長は、
0.13μm以下である請求項1に記載の不揮発性半導
体記憶装置。
5. The gate length of said memory transistor is:
2. The nonvolatile semiconductor memory device according to claim 1, wherein the thickness is 0.13 [mu] m or less.
【請求項6】上記ソース領域をビット方向で共通に接続
するソース線と、 上記ドレイン領域をビット方向で共通に接続するビット
線と、 上記ゲート電極をワード方向で共通に接続するワード線
とを有する請求項1に記載の不揮発性半導体記憶装置。
6. A source line for commonly connecting the source regions in the bit direction, a bit line for commonly connecting the drain regions in the bit direction, and a word line for commonly connecting the gate electrodes in the word direction. 2. The nonvolatile semiconductor memory device according to claim 1, comprising:
【請求項7】上記ソース線が、上記ソース領域をビット
方向で共通に接続する副ソース線と、当該副ソース線を
ビット方向で共通に接続する主ソース線とから構成さ
れ、 上記ビット線が、上記ドレイン領域をビット方向で共通
に接続する副ビット線と、当該副ビット線をビット方向
で共通に接続する主ビット線とから構成されている請求
項6に記載の不揮発性半導体記憶装置。
7. The source line includes a sub-source line commonly connecting the source regions in the bit direction, and a main source line commonly connecting the sub-source lines in the bit direction. 7. The nonvolatile semiconductor memory device according to claim 6, comprising: a sub-bit line commonly connecting said drain regions in the bit direction; and a main bit line commonly connecting said sub-bit lines in the bit direction.
【請求項8】上記電荷蓄積手段は、少なくとも上記チャ
ネル形成領域と対向する面内で平面的に離散化されてい
る請求項1に記載の不揮発性半導体記憶装置。
8. The nonvolatile semiconductor memory device according to claim 1, wherein said charge storage means is discretized in a plane at least in a plane facing said channel formation region.
【請求項9】上記電荷蓄積手段は、すくなくとも外部と
の間で電荷の移動がない場合に、上記チャネル形成領域
に対向する面全体としての導電性を持たない請求項1に
記載の不揮発性半導体記憶装置。
9. The non-volatile semiconductor device according to claim 1, wherein said charge storage means does not have conductivity as a whole surface facing said channel forming region when there is no transfer of electric charge at least to the outside. Storage device.
【請求項10】上記ゲート絶縁膜は、上記チャネル形成
領域上のトンネル絶縁膜と、 当該トンネル絶縁膜上の窒化膜または酸化窒化膜とを含
む請求項9に記載の不揮発性半導体記憶装置。
10. The nonvolatile semiconductor memory device according to claim 9, wherein said gate insulating film includes a tunnel insulating film on said channel formation region, and a nitride film or an oxynitride film on said tunnel insulating film.
【請求項11】上記ゲート絶縁膜は、上記チャネル形成
領域上のトンネル絶縁膜と、 上記電荷蓄積手段としてトンネル絶縁膜上に形成され互
いに絶縁された小粒径導電体とを含む請求項9に記載の
不揮発性半導体記憶装置。
11. The gate insulating film according to claim 9, wherein said gate insulating film includes a tunnel insulating film on said channel forming region, and small-diameter conductors formed on said tunnel insulating film and insulated from each other as said charge storage means. 10. The nonvolatile semiconductor memory device according to claim 1.
【請求項12】上記小粒径導電体の粒径が10ナノメー
タ以下である請求項11に記載の不揮発性半導体記憶装
置。
12. The nonvolatile semiconductor memory device according to claim 11, wherein said small-diameter conductor has a particle size of 10 nanometers or less.
【請求項13】半導体の表面部分にチャネル形成領域を
挟んで形成されたソース領域およびドレイン領域と、当
該チャネル形成領域上に設けられ内部に電荷蓄積手段を
含むゲート絶縁膜と、当該ゲート絶縁膜上のゲート電極
とを備え、上記チャネル形成領域,上記ソース領域及び
/又はドレイン領域の不純物濃度プロファイルを、ゲー
ト長を短くしたときに発生する上記メモリトランジスタ
のしきい値低下を所定割合に抑制する最適な不純物濃度
プロファイルから、当該ソース領域及び/又はドレイン
領域の接合耐圧を大きくする方向に変えてあるメモリト
ランジスタを有する不揮発性半導体記憶装置の書き込み
方法であって、 書き込み時に、上記ソース領域またはドレイン領域が上
記チャネル形成領域に対して逆バイアスとなり、かつ、
上記接合耐圧より低い書き込みインヒビット電圧を、ソ
ース領域,ドレイン領域の少なくとも一方に印加する不
揮発性半導体記憶装置の書き込み方法。
13. A source region and a drain region formed on a surface portion of a semiconductor with a channel forming region interposed therebetween, a gate insulating film provided on the channel forming region and including charge storage means therein, and the gate insulating film. And an impurity concentration profile of the channel forming region, the source region and / or the drain region, which suppresses a decrease in the threshold value of the memory transistor, which occurs when the gate length is reduced, to a predetermined ratio. A writing method for a nonvolatile semiconductor memory device having a memory transistor in which a junction withstand voltage of the source region and / or the drain region is changed from an optimum impurity concentration profile in a direction to increase the junction withstand voltage. The region is reverse biased with respect to the channel forming region, and
A writing method for a nonvolatile semiconductor memory device, wherein a write inhibit voltage lower than the junction withstand voltage is applied to at least one of a source region and a drain region.
【請求項14】上記不揮発性半導体記憶装置において、
上記メモリトランジスタが複数、ワード方向とビット方
向に配置され、 複数のワード線それぞれに、上記メモリトランジスタの
ゲート電極が複数接続され、 上記ソース領域またはドレイン領域が、上記ワード線と
電気的に絶縁された状態で交差するビット方向の共通線
と結合されており、 上記書き込みインヒビット電圧の印加を、上記共通線を
介して行う請求項13に記載の不揮発性半導体記憶装置
の書き込み方法。
14. The nonvolatile semiconductor memory device according to claim 14,
A plurality of the memory transistors are arranged in a word direction and a bit direction, a plurality of gate electrodes of the memory transistor are connected to each of the plurality of word lines, and the source region or the drain region is electrically insulated from the word lines. 14. The writing method for a nonvolatile semiconductor memory device according to claim 13, wherein the write inhibit voltage is applied via the common line, wherein the write inhibit voltage is applied through the common line in the bit direction that intersects in a crossed state.
【請求項15】上記書き込みインヒビット電圧は、上記
ソース領域をビット方向で共通に接続するソース線、及
び/又は、上記ドレイン領域をビット方向で共通に接続
するビット線を介して印加される請求項14に記載の不
揮発性半導体記憶装置の書き込み方法。
15. The write inhibit voltage is applied via a source line commonly connecting the source regions in the bit direction and / or a bit line commonly connecting the drain regions in the bit direction. 15. The writing method of the nonvolatile semiconductor memory device according to item 14.
【請求項16】上記メモリトランジスタの不純物濃度プ
ロファイルは、ゲート長が十分に長いメモリトランジス
タにおけるしきい値より15%以上しきい値が低下する
ように設定されている請求項13に記載の不揮発性半導
体記憶装置の書き込み方法。
16. The non-volatile memory according to claim 13, wherein the impurity concentration profile of the memory transistor is set so that the threshold value is at least 15% lower than the threshold value of a memory transistor having a sufficiently long gate length. A writing method of a semiconductor memory device.
【請求項17】上記メモリトランジスタのチャネル形成
領域の不純物ピーク濃度が、4×1017cm-3より大き
い請求項13に記載の不揮発性半導体記憶装置の書き込
み方法。
17. The method according to claim 13, wherein an impurity peak concentration of a channel formation region of the memory transistor is higher than 4 × 10 17 cm −3 .
【請求項18】上記メモリトランジスタのゲート長は、
0.13μm以下である請求項13に記載の不揮発性半
導体記憶装置の書き込み方法。
18. The gate length of the memory transistor is
14. The method according to claim 13, wherein the thickness is 0.13 [mu] m or less.
【請求項19】上記ソース領域をビット方向で共通に接
続するソース線と、 上記ドレイン領域をビット方向で共通に接続するビット
線と、 上記ゲート電極をワード方向で共通に接続するワード線
とを有する請求項13に記載の不揮発性半導体記憶装置
の書き込み方法。
19. A source line for commonly connecting the source regions in the bit direction, a bit line for commonly connecting the drain regions in the bit direction, and a word line for commonly connecting the gate electrodes in the word direction. 14. The writing method of the nonvolatile semiconductor memory device according to claim 13, comprising:
【請求項20】上記ソース線が、上記ソース領域をビッ
ト方向で共通に接続する副ソース線と、当該副ソース線
をビット方向で共通に接続する主ソース線とから構成さ
れ、 上記ビット線が、上記ドレイン領域をビット方向で共通
に接続する副ビット線と、当該副ビット線をビット方向
で共通に接続する主ビット線とから構成されている請求
項19に記載の不揮発性半導体記憶装置の書き込み方
法。
20. The source line is composed of a sub-source line commonly connecting the source regions in the bit direction, and a main source line commonly connecting the sub-source lines in the bit direction. 20. The nonvolatile semiconductor memory device according to claim 19, further comprising: a sub-bit line commonly connecting the drain regions in the bit direction; and a main bit line commonly connecting the sub-bit lines in the bit direction. Writing method.
【請求項21】上記電荷蓄積手段は、少なくとも上記チ
ャネル形成領域と対向する面内で平面的に離散化されて
いる請求項13に記載の不揮発性半導体記憶装置の書き
込み方法。
21. The method according to claim 13, wherein said charge storage means is discretely planarized at least in a plane facing said channel formation region.
【請求項22】上記電荷蓄積手段は、すくなくとも外部
との間で電荷の移動がない場合に、上記チャネル形成領
域に対向する面全体としての導電性を持たない請求項1
3に記載の不揮発性半導体記憶装置の書き込み方法。
22. The charge accumulating means does not have conductivity as a whole surface facing the channel forming region when there is no transfer of electric charge between at least the outside and the outside.
3. The writing method for the nonvolatile semiconductor memory device according to item 3.
【請求項23】上記ゲート絶縁膜は、上記チャネル形成
領域上のトンネル絶縁膜と、 当該トンネル絶縁膜上の窒化膜または酸化窒化膜とを含
む請求項22に記載の不揮発性半導体記憶装置の書き込
み方法。
23. The nonvolatile semiconductor memory device according to claim 22, wherein said gate insulating film includes a tunnel insulating film on said channel formation region, and a nitride film or an oxynitride film on said tunnel insulating film. Method.
【請求項24】上記ゲート絶縁膜は、上記チャネル形成
領域上のトンネル絶縁膜と、 上記電荷蓄積手段としてトンネル絶縁膜上に形成され互
いに絶縁された小粒径導電体とを含む請求項22に記載
の不揮発性半導体記憶装置の書き込み方法。
24. The gate insulating film according to claim 22, wherein the gate insulating film includes a tunnel insulating film on the channel forming region, and small-diameter conductors formed on the tunnel insulating film and insulated from each other as the charge storage means. The writing method of the nonvolatile semiconductor memory device described in the above.
【請求項25】上記小粒径導電体の粒径が10ナノメー
タ以下である請求項24に記載の不揮発性半導体記憶装
置の書き込み方法。
25. The writing method for a nonvolatile semiconductor memory device according to claim 24, wherein the small-diameter conductor has a particle size of 10 nanometers or less.
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