JP2001217327A - 不揮発性半導体記憶装置 - Google Patents

不揮発性半導体記憶装置

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JP2001217327A
JP2001217327A JP2000032618A JP2000032618A JP2001217327A JP 2001217327 A JP2001217327 A JP 2001217327A JP 2000032618 A JP2000032618 A JP 2000032618A JP 2000032618 A JP2000032618 A JP 2000032618A JP 2001217327 A JP2001217327 A JP 2001217327A
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Japan
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control gate
tunnel film
floating gate
erasing operation
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Tsutomu Kawaguchi
勉 川口
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Denso Corp
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Denso Corp
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 消去時間を延ばすことなく、トンネル膜の信
頼性を改善する。 【解決手段】 消去動作時には、コントロールゲート1
7に印加する電圧Vcgが経時的に小さくなるようにす
る。これにより、フローティングゲート15に蓄積され
ている電子量が消去動作の進行と共に減少してフローテ
ィングゲート電位Vfが大きくなっても、ソース−フロ
ーティングゲート間の電位差Vsfが小さくならず、消
去動作時間が延びないようにできる。また、消去スピー
ドを向上させるためにソース−コントロールゲート間の
電位差Vsfを高電圧にする必要がないため、消去動作
開始時にトンネル膜14にかかる電界強度を低減でき、
トンネル膜14にダメージが入ることを防止できる。さ
らに、消去動作中にソース拡散層12で発生するホット
ホールがトンネル膜14に注入されることによってトン
ネル膜の信頼性を劣化させることもない。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、電荷蓄積層とコン
トロールゲートの2層ゲート電極を有する不揮発性半導
体記憶装置に関し、特に電気的に消去可能なフラッシュ
メモリに適用して好適である。
【0002】
【従来の技術】従来、2層ゲート構造のフラッシュメモ
リの消去動作は、基板電位(Vsub)を接地状態、コ
ントロールゲートを接地又は負バイアスに印加した状態
でソースに高電圧を印加することにより行われている。
これにより、フローティングゲートに蓄積された電子が
トンネル膜を通ってソース拡散層に移動し、消去が行わ
れる。この消去動作時、トンネル膜に印加される電圧V
は、以下の式で表される。
【0003】
【数1】
【0004】ただし、Vはトンネル膜に印加される電圧
(ソース−フローティングゲート間の電位差)、C1
フローティングゲート−コントロールゲート間容量、C
2はソース拡散層−フローティングゲート間容量、Qは
フローティングゲートの電荷、Vsはソース印加電圧、
Vcgはコントロールゲート印加電圧を示している。
【0005】この数1より判るように、Vは、Vcg、
Vs及びQに大きく依存する。
【0006】従来の消去動作においては、図7に示すよ
うに、消去作動開始から終了までの間、Vcg、Vsを
一定にすると共に、消去スピードを上げるためにコント
ロールゲートとソース間の電位差が約12V以上となる
ような大きな電圧を印加していた。
【0007】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、消去動
作の開始直後においては、フローティングゲートに蓄積
されている電荷量Qが多いため、トンネル膜にかかる電
界が非常に大きくなり(図4参照)、トンネル膜に強い
ダメージが入って、装置の信頼性に悪影響を与えるとい
う問題が生じる。
【0008】これに対して、消去時におけるコントロー
ルゲート印加電圧Vcgを上げれば上記問題を解決する
ことができると考えられるが、単純に消去時の電圧を上
げただけでは消去時間が非常に延びる。
【0009】また、特開平9−260514号公報で
は、消去動作が進むにつれてソース拡散層に印加する電
圧を大きくすることを提案している。しかしながら、こ
のような場合、消去終了付近で非常に高い電圧がソース
拡散層に印加され、その高電圧によってバンド間トンネ
リングで発生したホットホールがトンネル膜に注入さ
れ、逆に装置の信頼性に影響を及ぼしてしまうという問
題がある。
【0010】本発明は上記点に鑑みてなされ、消去時間
を延ばすことなく、トンネル膜の信頼性を改善すること
ができる不揮発性半導体記憶装置を提供することを目的
とする。
【0011】
【課題を解決するための手段】上記目的を達成するた
め、請求項1乃至3に記載の発明では、消去動作時に
は、コントロールゲート(17)に印加する電圧(Vc
g)が変化し、該電圧が経時的に小さくなるようになっ
ていることを特徴としている。
【0012】このように、コントロールゲート印加電圧
が経時的に小さくなるようにすれば、電荷蓄積層に蓄積
されている電子量が消去動作の進行と共に減少し電荷蓄
積層の電荷によって誘起される電位が大きくなっても、
ソース−フローティングゲート間の電位差(Vsf)が
小さくならないようにできる。
【0013】このため、消去動作終了付近でもソース−
フローティングゲート間の電位差が下がらないので、消
去動作時間が延びない。そのため、消去初期にソース−
コントロールゲート間の電位差を高電圧にする必要がな
いため、消去動作開始時にトンネル膜にかかる電界強度
を低減することができ、トンネル膜にダメージが入るこ
とを防止できる。さらに、消去動作中にソース接合領域
で発生するホットホールがトンネル膜に注入されること
によってトンネル膜の信頼性を劣化させることもない。
【0014】例えば、請求項3に示すように、消去動作
時における電荷蓄積層の電荷(Q)の変化量に基づい
て、コントロールゲートに印加する電圧の変化量を設定
することができる。
【0015】なお、上記各手段の括弧内の符号は、後述
する実施形態に記載の具体的手段との対応関係を示すも
のである。
【0016】
【発明の実施の形態】以下、図に示す実施形態について
説明する。
【0017】本発明の一実施形態を適用した2層ゲート
構造の不揮発性半導体記憶装置(例えば、フラッシュメ
モリ)の消去動作を表した断面図を図1に示す。以下、
この図に基づいて不揮発性半導体記憶装置の消去動作を
説明する。
【0018】図1に示すように、半導体基板11の表層
部にはソース拡散層12とドレイン拡散層13とが離間
した状態で形成されている。そして、これらソース拡散
層12とドレイン拡散層13の間をチャネル領域とし
て、チャネル領域上には、酸化膜で構成されたトンネル
膜14を介してフローティングゲート15が形成されて
いる。さらに、フローティングゲート15上には絶縁膜
16を介してコントロールゲート17が形成されてお
り、半導体基板11上を含みフローティングゲート15
及びコントロールゲート17が絶縁膜18で覆われた状
態となっている。
【0019】なお、図示しないが、不揮発性半導体記憶
装置は、図1に示す構成を1つのメモリセルとして複数
のメモリセルがマトリクス状に配置され、各メモリセル
のドレイン拡散層13又は複数のメモリセルからなるメ
モリセルユニットのドレイン側がビット線に、各メモリ
セルのソース拡散層12又はメモリセルユニットのソー
ス側がソース線に、各メモリセルのコントロールゲート
17がワード線にそれぞれ接続されて構成されている。
【0020】このような構成の不揮発性半導体記憶装置
の消去動作について説明する。図2に、消去動作時にお
けるコントロールゲート印加電圧Vcg、ソース印加電
圧Vsの関係を示す。但し、本実施形態では、コントロ
ールゲート17に負バイアスを印加する場合を表してい
る。
【0021】図2に示すように、消去動作時には、ソー
ス印加電圧Vsを一定に保持し、コントロールゲート印
加電圧Vcgが経時的に小さくするように変化させてい
る。すなわち、コントロールゲート印加電圧Vcgが消
去動作開始時から終了時に至るまで順に小さくなるよう
にしている。本図ではコントロールゲート印加電圧Vc
gが経時的に段階的に小さくなるようにしており、V
0、V1、V2、V3、V4がV0>V1>V2>V3
>V4となるようにしている。この時の印加電圧の変化
量については、例えば、予め消去動作時におけるフロー
ティングゲート14の電荷Qの変化量をシミュレーショ
ン等で求めておき、このシミュレーション結果に基づい
て設定することができる。
【0022】なお、ここでは、コントロールゲート印加
電圧Vcgをパルス状にしているが、電圧が印加されて
いないときに消去が終了したか否かを逐次確認するため
にパルス状にしている。
【0023】このような図2に示す本実施形態の関係
と、上述した従来の消去動作時におけるコントロールゲ
ート印加電圧Vcg、ソース印加電圧Vsとの関係とを
簡略的に比較すると、図3のように示される。なお、図
3においては、本実施形態の関係を実線で示し、従来の
関係を二点鎖線で示してある。このように、従来では、
消去動作時においてコントロールゲート印加電圧Vcg
及びソース印加電圧Vsが共に一定に保持されていたの
に対し、本実施形態では、ソース印加電圧Vsを一定に
保ちつつコントロールゲート印加電圧Vcgが経時的に
小さくなるようにしている。
【0024】このため、本実施形態の消去動作における
フローティングゲート電位Vfやソース−フローティン
グゲート間の電位差Vsfの関係が図4のように示され
る。なお、参考として、図4中に従来の関係の場合にお
けるフローティングゲート電位Vfやソース−フローテ
ィングゲート間の電位差Vsfを二点鎖線で示してお
く。
【0025】この図から判るように、本実施形態の場合
には、消去動作中、ソース−フローティングゲート間の
電位差Vsfがほぼ一定に保たれている。これは、フロ
ーティングゲートに蓄積されている電子量が消去動作の
進行と共に減少するため、フローティングゲートの電荷
Qによって誘起される電位が大きくなりソース−フロー
ティングゲート間の電位差Vsfが小さくなるが、それ
を補償するようにコントロールゲート印加電圧Vcgを
下げているからである。
【0026】このように、コントロールゲート印加電圧
Vcgが経時的に小さくなるようにすれば、フローティ
ングゲート15に蓄積されている電子量が消去動作の進
行と共に減少し、フローティングゲート15の電荷Qに
よって誘起される電位が大きくなっても、ソース−フロ
ーティングゲート間の電位差Vsfが小さくならないよ
うにできる。
【0027】このため、消去動作終了付近でもソース−
フローティングゲート間の電位差Vsfが下がらないの
で、消去動作時間が延びないようにできる。
【0028】また、従来のように消去スピードを向上さ
せるためにソース−コントロールゲート間の電位差を高
電圧にする必要がないため、消去動作開始時にトンネル
膜14にかかる電界強度を低減することができ、トンネ
ル膜14にダメージが入ることを防止できる。
【0029】さらに、消去動作中にソース拡散層で発生
するホットホールがトンネル膜に注入されることによっ
てトンネル膜の信頼性を劣化させることもない。
【0030】(他の実施形態)上記実施形態では、コン
トロールゲート17に負バイアスが印加される場合につ
いて説明したが、コントロールゲート17に正バイアス
が印加される場合についても同様に、コントロールゲー
ト印加電圧Vcgを経時的に小さくするようにすれば上
記効果を奏することができる。
【0031】また、上記実施形態では、フローティング
ゲート15からソース拡散層12に電子を引き抜く場合
について説明したが、図5に示すようにフローティング
ゲート15からチャネル領域全体に電子を引き抜く場合
や、図6に示すようにドレイン拡散層13に電子を引き
抜く場合についても適用することができる。これらの場
合においては、電子を引き抜く領域(チャネル領域やド
レイン拡散層)とフローティングゲート15との間の電
位差が一定になるようにする。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の一実施形態における不揮発性半導体記
憶装置の消去動作を示した断面図である。
【図2】コントロールゲート印加電圧Vcg及びソース
印加電圧Vsの関係を示した図である。
【図3】本発明の一実施形態と従来それぞれにおけるコ
ントロールゲート印加電圧Vcgとソース印加電圧Vs
との関係を示した図である。
【図4】本発明の一実施形態と従来それぞれにおけるフ
ローティングゲート電位Vfとソース−フローティング
ゲート間の電位差Vsfの関係を示した図である。
【図5】他の実施形態における不揮発性半導体記憶装置
の消去動作を示した断面図である。
【図6】他の実施形態における不揮発性半導体記憶装置
の消去動作を示した断面図である。
【図7】従来の不揮発性半導体装置におけるコントロー
ルゲート印加電圧Vcgとソース印加電圧Vsとの関係
を示した図である。
【符号の説明】
11…半導体基板、12…ソース拡散層、13…ドレイ
ン拡散層、14…トンネル膜、15…フローティングゲ
ート、16…絶縁膜、17…コントロールゲート、18
…絶縁膜。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.7 識別記号 FI テーマコート゛(参考) H01L 27/10 481 Fターム(参考) 5B025 AA03 AB01 AC01 AD08 AE05 AE08 5F001 AA25 AB08 AC02 AE08 AF07 AH07 5F083 EP02 EP23 ER14 ER15 ER16 ER19 ER22 ER30 GA21 LA10 LA16 5F101 BA07 BB05 BC02 BE07 BF03 BG07

Claims (3)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 半導体基板(11)と、 前記半導体基板の表層部において互いに離間するように
    配置されたソース拡散層(12)及びドレイン拡散層
    (13)と、 前記ソース拡散層と前記ドレイン拡散層との間をチャネ
    ル領域とし、前記チャネル領域上に形成されたトンネル
    膜(14)と、 前記トンネル膜上に形成された電荷蓄積層(15)と、 前記電荷蓄積層の上に形成された絶縁膜(16)と、 前記絶縁膜上に形成されたコントロールゲート(17)
    とを備え、 消去動作時には、前記コントロールゲートに印加する電
    圧(Vcg)が変化し、該電圧が経時的に小さくなるよ
    うになっていることを特徴とする不揮発性半導体記憶装
    置。
  2. 【請求項2】 前記消去動作時には、前記ソース拡散層
    と前記電荷蓄積層との間の電位差がほぼ一定になること
    を特徴とする請求項1に記載の不揮発性半導体記憶装
    置。
  3. 【請求項3】 前記消去動作時における前記電荷蓄積層
    の電荷(Q)の変化量に基づいて、前記コントロールゲ
    ートに印加する電圧の変化量が設定されていることを特
    徴とする請求項1又は2に記載の不揮発性半導体記憶装
    置。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US8320191B2 (en) 2007-08-30 2012-11-27 Infineon Technologies Ag Memory cell arrangement, method for controlling a memory cell, memory array and electronic device

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US8320191B2 (en) 2007-08-30 2012-11-27 Infineon Technologies Ag Memory cell arrangement, method for controlling a memory cell, memory array and electronic device
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