JP2002064158A - 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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JP2002064158A
JP2002064158A JP2001205881A JP2001205881A JP2002064158A JP 2002064158 A JP2002064158 A JP 2002064158A JP 2001205881 A JP2001205881 A JP 2001205881A JP 2001205881 A JP2001205881 A JP 2001205881A JP 2002064158 A JP2002064158 A JP 2002064158A
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JP
Japan
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memory device
semiconductor memory
well region
nonvolatile semiconductor
well
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JP2001205881A
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English (en)
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Natsuo Ajika
夏夫 味香
Makoto Oi
誠 大井
Naoki Tsuji
直樹 辻
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Mitsubishi Electric Corp
Original Assignee
Mitsubishi Electric Corp
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 メモリサイズを大きくせずにゲート酸化膜の
劣化を抑制することが可能な不揮発性半導体記憶装置を
提供する。 【解決手段】 不揮発性半導体記憶装置は、半導体基板
201の主表面上に形成されたPウェル210と、Pウ
ェル210の表面上に所定の間隔を隔てて形成されたn
型のソース/ドレイン領域、このソース/ドレイン領域
に対応して形成されたフローティングゲートをそれぞれ
含む複数のメモリセルと、Pウェル210下に形成され
たボトムn層207とを備え、複数のメモリセルへの一
括消去動作をボトムn層207からPウェル210を介
して、それぞれのフローティングゲートに電子を注入す
ることにより行なう。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】この発明は、不揮発性半導体記憶
装置に関し、特に、電気的に情報の書込および消去が可
能な不揮発性半導体記憶装置に関する。
【0002】
【従来の技術】不揮発性半導体記憶装置においてフロー
ティングゲートに電子を注入する手段として、従来で
は、CHE(チャネルホットエレクトロン)注入、FN
トンネル注入が用いられている。図2は、従来のチャネ
ルホットエレクトロン注入を説明するための模式図であ
る。図2を参照して、チャネルホットエレクトロン注入
では、ドレイン領域近傍の高電界で加速され、その際エ
ネルギを失う衝突を経験しないエレクトロンは、高エネ
ルギを得るホットエレクトロンとなる。そして、フロー
ティングゲート電極130の電界によってゲート酸化膜
140のエネルギ障壁を飛び越えてフローティングゲー
ト130中にエレクトロンが入る。このようにして、チ
ャネルホットエレクトロン注入が行なわれる。
【0003】図3は、従来のFNトンネル注入を説明す
るための模式図である。図3を参照して、従来のFNト
ンネル注入では、コントロールゲート電極150に高電
圧を印加することによってフローティングゲート130
にも正の電圧を与える。これにより、エレクトロンはフ
ローティングゲート130の電界によってゲート酸化膜
140を通り抜けてフローティングゲート130に注入
される。このようにしてFNトンネル注入が行なわれ
る。
【0004】ここで、フローティングゲート130に電
子を注入する場合、本来絶縁性のゲート酸化膜140を
通じて電子のやりとりを行なうので、ゲート酸化膜14
0の劣化は避けて通ることのできない大きな問題であ
る。つまり、ゲート酸化膜140の劣化が不揮発性半導
体記憶装置の書換耐性を決める大きな要因となる。した
がって、フローティングゲート130に電子を注入する
手段として、ゲート酸化膜140へのダメージの小さい
方が望ましい。ゲート酸化膜140を通じて電子をやり
とりする場合、単位面積あたりの総通過電子量が同じな
ら、ゲート酸化膜140にかかる電界の弱い方が劣化が
小さいことが知られている。これは、ゲート酸化膜14
0にかかる電界の弱い方が新たな電子トラップの生成が
少ないからである。上記した2つの電子注入手段のう
ち、CHE注入においては電子注入場所がドレイン領域
近傍の狭い領域であるので、単位面積あたりの電子通過
量が大きく劣化が大きい。また、FN注入においては、
CHE注入に比べて単位面積あたりの電子通過量は小さ
いが、その物理メカニズム上、高電界が必要となり、劣
化を考慮すると低電界での注入手段が望まれる。
【0005】そこで、従来、ボトムn層を注入層として
基板ホットエレクトロン注入を起こすという物理メカニ
ズムが知られている。図4は、そのボトムn層を注入層
とする基板ホットエレクトロン注入を説明するための模
式図である。図4を参照して、SHE(基板ホットエレ
クトロン)注入について説明する。まず、ソース領域1
60とドレイン領域170とフローティングゲート13
0に正の電圧が印加される。これにより、チャネルが強
く空乏化する。ボトムn層120とPウェル102のp
n接合に順方向バイアスを印加すると、ボトムn層12
0からPウェル102内に電子が注入される。Pウェル
102内に注入された電子の一部は、チャネル部分の空
乏領域に拡散していく。空乏領域に達した電子は、空乏
層内の電界で加速され、ゲート酸化膜140とSiとの
エネルギ障壁を越えるエネルギを持ついわゆるホットな
電子となる。
【0006】このホットエレクトロンがゲート酸化膜1
40中をドリフトしてフローティングゲート130に達
する。上記したように、電子は主に空乏層内電界でゲー
ト酸化膜140に入るためのエネルギを得るので、FN
注入と異なりゲート酸化膜140にかかる電界が弱くて
もよい。このボトムn層120を注入層として基板ホッ
トエレクトロン注入を行なう方法では、FN注入と同様
に単位面積あたりの電子通過量が少なく、かつFN注入
と異なりゲート酸化膜140にかかる電界が弱くてもよ
い。したがって、この方法では、FN注入よりもさらに
ゲート酸化膜140の劣化が小さい。
【0007】しかしながら、このようなボトムn層12
0を注入層として基板ホットエレクトロン注入を行なう
ための構造を、NOR型などのフローティングゲートへ
の注入が書込に相当する不揮発性半導体記憶装置へ適用
する場合、次のような問題点があった。すなわち、フロ
ーティングゲートへの電子注入が書込に相当する不揮発
性半導体記憶装置では、書込はビットごとに行なわなけ
ればならないので、ボトムn層120を各セルごとに設
ける必要がある。このため、セルサイズが非常に大きく
なり、実際のメモリセルには適用不可能であるという問
題点があった。
【0008】
【発明が解決しようとする課題】この発明は、上記のよ
うな課題を解決するためになされたもので、ゲート酸化
膜の劣化を抑制することが可能な不揮発性半導体記憶装
置を提供することを目的とする。
【0009】
【課題を解決するための手段】この発明に従った不揮発
性半導体記憶装置は、半導体基板の主表面上に形成され
た第1導電型のウェル領域と、このウェル領域の表面上
に所定の間隔を隔てて形成された第2導電型のソース/
ドレイン領域、このソース/ドレイン領域に対応して形
成されたフローティングゲートをそれぞれ含む複数のメ
モリセルと、ウェル領域下に形成された第2導電型の埋
込層とを備え、複数のメモリセルへの一括消去動作を埋
込層からウェル領域を介して、それぞれのフローティン
グゲートに電子を注入することにより行なうものであ
る。
【0010】この発明の不揮発性半導体記憶装置におい
て、好ましくは、一括消去動作において、半導体基板お
よび埋込層を接地電位とし、消去されるメモリセルに対
応するウェル領域を接地電位より高く1.5Vより低い
電位とし、ソース/ドレイン領域をウェル領域の電位よ
り高い電位とする。
【0011】また、この発明の不揮発性半導体記憶装置
において、好ましくは、消去されないメモリセルに対応
するウェル領域の電位を消去されるメモリセルのウェル
領域の電位と同じとし、ソース/ドレイン領域のうち少
なくともドレイン領域をオープン状態とする。
【0012】
【作用】この発明の不揮発性半導体記憶装置では、フロ
ーティングゲートに電子を注入する動作が消去動作とな
る不揮発性半導体記憶装置においてウェル領域下に第2
導電型の埋込層が形成されているので、基板ホットエレ
クトロン注入が可能となり、ゲート酸化膜にかかる電界
が小さくなる。これにより、ゲート酸化膜の劣化が抑制
される。また、フローティングゲートに電子を注入する
動作が消去動作となる不揮発性半導体記憶装置に基板ホ
ットエレクトロン注入を適用することによって、セルサ
イズが従来のセルと同程度で製造可能となる。
【0013】好ましくは、この発明の不揮発性半導体記
憶装置においては、ウェル領域の電位を1.5Vより低
い値とすることによって、ソース/ドレイン領域を比較
的低い電位に設定しても、消去動作が可能となる。
【0014】好ましくは、この発明の不揮発性半導体記
憶装置においては、消去されないメモリセルに対応する
ウェル領域の電位と、消去されるメモリセルのウェル領
域の電位を同じとしても、ドレイン領域をオープン状態
とすることによって、消去動作を防止することができ
る。
【0015】
【実施例】以下、本発明の実施例を図面に基づいて説明
する。
【0016】図1は、本発明の実施例によるDINOR
(Divided Bit Line NOR)などのフローティングゲート
に電子を注入する動作が消去となる不揮発性半導体記憶
装置を示した断面図(a)および等価回路図(b)であ
る。ここで、DINOR型セルとは、NOR型セルに主
副ビット線構成を採用するとともに選択ゲートを追加し
たものである。このDINOR型セルに関しては、たと
えばNIKKEI MICRODEVICES 1993年1月号のpp.64-68に詳
しく開示されている。本実施例では、DINOR型など
のフローティングゲートに電子を注入する動作が消去と
なる不揮発性半導体記憶装置はソース線がつながってい
るブロック単位で電子の注入を行なえばよいという点に
着目している。
【0017】すなわち、ソース線がつながっているブロ
ック単位で電子の注入を行なえばよいので、従来のNO
R型などのフローティングゲートへの電子注入が書込に
相当し、1ビット毎に電子を注入することが必要な不揮
発性半導体記憶装置のようにボトムn層を必ずしもメモ
リセルごとに設ける必要がない。したがって、メモリセ
ルアレイサイズは従来のものと同等サイズで、ボトムn
層を注入層とした基板ホットエレクトロン注入を適用す
ることができる。具体的な構造としては、図5(a)に
示すように、主ビット線212と副ビット線211と選
択ゲート213および214を有するDINOR型のセ
ル構造において、半導体基板201上のPウェル210
下にボトムn層207を形成する。これにより、DIN
OR型でフローティングゲートに電子を注入する手段と
して、ボトムn層207を注入層として基板ホットエレ
クトロン注入を行なうことができる。なお、具体的な動
作条件(印加電圧など)は以下のとおりである。
【0018】(1)消去選択ブロック 基板=ボトムn層=GND GND<Pウェル<1.5(V) Pウェル<ソース線=副ビット線(ドレイン)<ワ
ード線(副ビット線に電圧を印加するために、選択ゲー
トと主ビット線を立上げる必要あり。) (2)消去非選択ブロック 基板=ボトムn層=GND GND<Pウェル<1.5(V) ワード線=GND ソース線=副ビット線=Open(選択ゲートをオ
フにする必要あり) あるいは、 (1)消去選択ブロック 基板=ボトムn層=GND GND<Pウェル<1.5(V) Pウェル<ソース線=副ビット線(ドレイン)<ワ
ード線(副ビット線に電圧を印加するために、選択ゲー
トと主ビット線を立上げる必要あり) (2)消去非選択ブロック 基板=ボトムn層=GND GND<Pウェル<1.5(V) ワード線=GND ソース線=Pウェル 副ビット線=Open(選択ゲートをオフにする必
要あり) なお、Pウェルに印加する電圧は、pn接合の順方向電
流が流れる程度の電圧程度であればよい。
【0019】
【発明の効果】この発明の不揮発性半導体記憶装置によ
れば、フローティングゲートに電子を注入する動作が消
去動作となる不揮発性半導体記憶装置において第1導電
型のウェル領域下に第2導電型の埋込層を設けることに
よって、フローティングゲートに電子を注入する動作が
消去動作となるセル構造においてセルサイズを従来のセ
ルと同程度に抑えたまま、基板ホットエレクトロン注入
を適用することができる。また、基板ホットエレクトロ
ン注入を用いることによってFNトンネル現象を利用す
る従来の消去方法に比べてゲート酸化膜にかかる電界を
小さくすることができ、その結果、ゲート酸化膜の劣化
を抑制することができる。これにより、書換耐性を向上
することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の実施例による、基板ホットエレクトロ
ン注入方法を適用可能な不揮発性半導体記憶装置を示し
た断面図(a)および等価回路図(b)である。
【図2】従来のチャネルホットエレクトロン注入を説明
するための模式図である。
【図3】従来のFNトンネル注入を説明するための模式
図である。
【図4】従来の基板ホットエレクトロン注入を説明する
ための模式図である。
【符号の説明】
201:半導体基板、207:ボトムn層、210:P
ウェル。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 辻 直樹 兵庫県伊丹市瑞原4丁目1番地 三菱電機 株式会社ユー・エル・エス・アイ開発研究 所内 Fターム(参考) 5F083 EP02 EP23 EP78 ER09 GA21 HA01 KA06 5F101 BA01 BB05 BC11 BE06 BF03

Claims (3)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 半導体基板の主表面上に形成された第1
    導電型のウェル領域と、 前記ウェル領域の表面上に所定の間隔を隔てて形成され
    た第2導電型のソース/ドレイン領域、前記ソース/ド
    レイン領域に対応して形成されたフローティングゲート
    をそれぞれ含む複数のメモリセルと、 前記ウェル領域下に形成された第2導電型の埋込層とを
    備え、 前記複数のメモリセルへの一括消去動作を前記埋込層か
    ら前記ウェル領域を介して、それぞれの前記フローティ
    ングゲートに電子を注入することにより行なう、不揮発
    性半導体記憶装置。
  2. 【請求項2】 一括消去動作において、前記半導体基板
    および前記埋込層を接地電位とし、消去される前記メモ
    リセルに対応する前記ウェル領域を接地電位より高く
    1.5Vより低い電位とし、前記ソース/ドレイン領域
    を前記ウェル領域の電位より高い電位とする、請求項1
    に記載の不揮発性半導体記憶装置。
  3. 【請求項3】 消去されない前記メモリセルに対応する
    前記ウェル領域の電位を消去される前記メモリセルの前
    記ウェル領域の電位と同じとし、前記ソース/ドレイン
    領域のうち少なくともドレイン領域をオープン状態とす
    る、請求項2に記載の不揮発性半導体記憶装置。
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