JP2004158614A - Nonvolatile semiconductor memory device and data writing method thereof - Google Patents

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To solve a problem that the reduction of cell area of a NAND type memory cell array is insufficient. <P>SOLUTION: The nonvolatile semiconductor memory device includes a plurality of transistor columns respectively including the first and the second select transistors S1, S2 and a plurality of memory transistors M1 to Mn cascade connected between such transistors S1, S2, charge accumulating film consisting of a plurality of dielectric material films stacked on a semiconductor 2 within the transistor columns, a plurality of word lines WL1 to WLn formed on the charge accumulating film to electrically connect the memory transistors M1 to Mn in adjacent different transistor columns in the row direction, the first upper wirings BSL1a, BSL2a to supply a first voltage V1 to the memory transistor via the first select transistor S1, and a second upper wiring BSL2b to supply a second voltage V2 to the memory transistor via the second select transistor S2. <P>COPYRIGHT: (C)2004,JPO

Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、いわゆるNANDストリング(トランジスタ列)を有し、選択されたメモリトランジスタに対しデータを電気的に書き込み可能な不揮発性半導体メモリ装置と、そのデータ書き込み方法とに関する。
【0002】
【従来の技術】
現在、フローティングゲートを有する一括消去型の不揮発性半導体メモリ(フラッシュメモリ)では、多くの種類のメモリセル方式が提案されているが、その中でセルサイズが小さく大容量化が可能なセル方式として、NAND型が知られている。
NAND型フラッシュメモリは、2つのセレクトトランジスタ間に複数のメモリトランジスタを縦続接続させたNANDストリングと称されるメモリブロックを有する。たとえば列方向に隣接する2個のNANDストリングで1個のビットコンタクトおよびソース線を共有することにより、1ビットあたりの実効的なセル面積の縮小を可能としている。ソース線は、通常、行方向に長い不純物拡散層からなり、行方向の複数のNANDストリングでも共有されている(例えば、特許文献1参照)。
【0003】
一般的なNAND型フラッシュメモリにおいて、その消去動作時に、選択NANDストリングの全ワード線に0V、非選択NANDストリングの全ワード線および基板に高電圧(例えば、20V)を印加する。
その結果、選択NANDストリングのメモリトランジスタのみ、フローティングゲートから基板に電子がFNトンネリングにより引き抜かれて、メモリトランジスタの閾値電圧は負方向にシフトして、例えば−3V程度になる。
【0004】
一方、データのプログラム(書き込み)動作は、選択するワード線に接続されたメモリトランジスタ一括に、いわゆるページ単位で行われ、選択するワード線に高電圧(例えば、18V)を、プログラム(“1”データを記憶)すべきメモリトランジスタが接続されたビット線に0V、プログラムを禁止(“0”データを保持)すべきメモリトランジスタが接続されたビット線に中間電位(例えば、9V)を印加する。
その結果、プログラムすべき選択メモリトランジスタのみ、フローティングゲート中に電子がFNトンネリングにより注入されて、選択メモリトランジスタの閾値電圧は正方向にシフトして、例えば2V程度になる。
【0005】
このNAND型のフラッシュメモリは、コンタクトや不純物拡散層配線が例えば64個といった多数のメモリセルやNANDストリング間で共有され、これらのセル当たりの占有面積が小さいため、高密度、大容量の不揮発性メモリの用途に適している。
【0006】
【特許文献1】
特許第2732601号公報、第5頁、右段、第45行から第49行、第9図(a)。
【0007】
【発明が解決しようとする課題】
NAND型フラッシュメモリにおいては、データの書き込みおよび消去の何れもFN(Fowler Nordheim)トンネル電流により行い、1メモリトランジスタに記憶できるデータは通常1つの2値データ、即ち1ビットのデータである。更なる大容量化のためには、素子の微細化に加え、1つのメモリトランジスタに複数ビットを記憶できる多値化の技術が重要である。
ところが、FG構造のメモリトランジスタで通常行われている多値化では、電荷を注入する領域が導体(ポリシリコンのフローティングゲート)であるため局所的な電荷の注入が出来ない。したがって、FG構造のメモリトランジスタに対しては、記憶状態の閾値電圧を細かく区切って複数ビットを記憶させる多値化が行われている。しかし、この多値化技術では周辺回路の制御が複雑化し、閾値電圧の変動によるエラーが生じやすい。
【0008】
本発明の第1の目的は、局所的な電荷の注入によるデータの書き込みにより多値化が可能な配線構造のNAND型の不揮発性半導体メモリ装置を提供することにある。
本発明の第2の目的は、NAND型に接続されたメモリトランジスタに2つのデータを独立に書き込むことができる不揮発性半導体メモリ装置のデータ書き込み方法を提供することにある。
【0009】
【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メモリ装置は、上記第1の目的を達成するためのものであり、独立にオンとオフが制御される第1および第2のセレクトトランジスタ、当該セレクトトランジスタの間に縦続接続されている複数のメモリトランジスタをそれぞれ含む複数のトランジスタ列と、上記トランジスタ列内で半導体の上に積層されている複数の誘電体膜からなり、当該積層された複数の誘電体膜内に電荷を蓄積する電荷蓄積膜と、上記電荷蓄積膜の上に形成され、上記複数のメモリトランジスタの縦続接続の方向と交差する方向に隣接する異なるトランジスタ列で上記メモリトランジスタのゲートを電気的に接続している複数のワード線と、上記第1のセレクトトランジスタを介して上記メモリトランジスタに第1の電圧を供給する第1の上部配線と、上記第2のセレクトトランジスタを介して上記メモリトランジスタに第2の電圧を供給する第2の上部配線と、を有する。
【0010】
本発明に係る不揮発性半導体メモリ装置のデータ書き込み方法は、前述した第2の目的を達成するためのものであり、独立にオンとオフが制御される第1および第2のセレクトトランジスタ、当該セレクトトランジスタの間に縦続接続されている複数のメモリトランジスタをそれぞれ含むトランジスタ列について、非選択のメモリトランジスタのゲートに当該非選択のメモリトランジスタをオンさせるパス電圧を印加するステップと、選択されたメモリトランジスタのゲートに書き込み電圧を印加するステップと、オン状態の上記第1および第2のセレクトトランジスタの一方の側から第1の電圧を上記トランジスタ列に供給するステップと、オン状態の上記第1および第2のセレクトトランジスタの他方の側から第2の電圧を上記トランジスタ列に供給するステップと、を有し、上記パス電圧、上記書き込み電圧、上記第1の電圧および上記第2の電圧を印加する各ステップを、上記第1の電圧を印加する側と上記第2の電圧を印加する側を相互に切り替えながら繰り返し、上記選択されたメモリトランジスタに対し第1のデータと第2のデータを独立に書き込む。
【0011】
本発明のデータ書き込み方法によれば、第1のデータの書き込み時に、パス電圧と書き込み電圧を上述のようにそれぞれ印加し、第1の電圧をトランジスタ列の一方端から印加し、第2の電圧をトランジスタ列の他方側から印加する。第1および第2の電圧は、それぞれオン状態の非選択のメモリトランジスタに伝達されて、選択されたメモリトランジスタのソースとドレインに到達する。このとき、ソースに伝達される第1または第2の電圧、ドレインに伝達される第1または第2の電圧、および、ゲートに印加される書き込み電圧の値を制御することによりドレイン側からの局所的な電荷の注入が可能である。ドレイン側から局所的に注入された電荷は、複数の誘電体膜からなり膜の平面および厚さの方向に導電率が極めて低い誘電体の積層膜(電荷蓄積膜)内で局所的に注入された領域を中心とした局所的位置で保持される。
第2のデータの書き込み時には、トランジスタ列の両端から印加する第1の電圧と第2の電圧を、第1のデータ書き込み時と相互に入れ替えて印加する。これにより、メモリトランジスタのソースとドレインが入れ替わり、第1のデータ書き込みにはソースであったドレインの側から電荷が電荷蓄積膜内に注入される。上述のように導電率が極めて低いため、第2のデータ書き込み時に注入された電荷は、既に注入され第1のデータに対応する蓄積された電荷と混じらない。
【0012】
本発明の不揮発性半導体メモリ装置において、電荷蓄積膜が複数の誘電体膜の積層膜であり、また、第1の電圧と第2の電圧を供給する配線が分けられ、何れもトランジスタより上層の配線層(第1の上部配線、第2の上部配線)からなる。このため、電圧の入れ替えが必要な上記データ書き込み方法の適用に適した配線構造となっている。また、これらの配線は上層の配線層からなるため不純物拡散層より抵抗率が低く、第1および第2の電圧が余り低下することなくトランジスタ列端に伝達される。
【0013】
【発明の実施の形態】
図1は、本実施形態に係る不揮発性半導体メモリ装置(以下、不揮発性メモリ)のメモリセルアレイの基本構成を示す回路図である。
図1において、メモリセルアレイ1の基本構成としてNANDストリングが繰り返し配置されている。図1では3つのNANDストリングが示されている。
各NANDストリングは、第1のセレクトトランジスタS1と第2のセレクトトランジスタS2と、その間に縦続接続されたn(例えば、n=64,128)個のメモリトランジスタM1〜Mnとから構成されている。
【0014】
第1のセレクトトランジスタS1に、列(COLUMN)方向に隣接する他のNANDストリングの第1のセレクトトランジスタS1が接続されている。2つの第1のセレクトトランジスタ間のノードが第1のコンタクトC1を介して、上層の配線層(以下、第1の上部配線)BSL1a,BSL2a,BSL3a,…に接続されている。
同様に、第2のセレクトトランジスタS2に、列(COLUMN)方向に隣接する他のNANDストリングの第2のセレクトトランジスタS2が接続されている。2つの第2のセレクトトランジスタ間のノードが第2のコンタクトC2を介して、上層の配線層(以下、第2の上部配線)BSL1b,BSL2b,BSL3b,…に接続されている。
第1の上部配線BSL1a,BSL2a,BSL3a,…および第2の上部配線BSL1b,BSL2b,BSL3b,…は、交互に、かつ互いに列方向に配線されている。
【0015】
行(ROW)方向に並ぶ複数のNANDストリングにおいて、第1のセレクトトランジスタS1は第1セレクトゲート線SG1により制御され、セレクトトランジスタS2は第2セレクトゲート線SG2により制御される。
また、行(ROW)方向に並ぶ複数のNANDストリングにおいて、それぞれ複数個のメモリトランジスタM1,M2,M3,…,Mnは、行方向のワード線WL1,WL2,WL3,…,WLnにより制御される。
【0016】
図1に示すメモリセルアレイにおいては、複数のNANDストリングが行列状に配置されている。このうち列方向2つのNANDストリング間で第1のコンタクトC1が共有され、第1のコンタクトC1を介して2つのNANDストリングが第1の上部配線BSL1a,BSL2a,BSL3a,…に接続されている。同様に、列方向2つのNANDストリング間で第2のコンタクトC2が共有され、第2のコンタクトC2を介して2つのNANDストリングが第2の上部配線BSL1b,BSL2b,BSL3b,…に接続されている。これらの接続関係は、列方向の他のストリングでも繰り返されている。
【0017】
図2は、図1に示す第2列目のNANDストリングを中心に示すメモリセルアレイの平面図である。図3は、図2にA−A線で示す部分の断面図である。図4は、図2にB−B線で示す部分の断面図である。
図3の断面図に示すように、例えばN型の半導体基板1内の表面側に、例えばP型のウェル(Pウェル)2が形成され、当該Pウェル2の表面側にトランジスタ列が配置させている。また、図4の断面図に示すように半導体基板1の表面部分が素子分離絶縁層10により電気的に分離されている。
【0018】
メモリトランジスタM1〜Mnは、Pウェル2上に複数の誘電体膜を積層させてなる電荷蓄積膜3を有する。また、電荷蓄積膜3上にワード線WL1〜WLnが積層されている。ワード線WL1〜WLnは、一般に、P型またはN型の不純物が高濃度に導入されたドープド多結晶シリコン、または、ドープド多結晶シリコンと高融点金属シリサイドとの積層膜からなる。
【0019】
ワード線間下方のPウェル2表面部分に、N型の不純物が導入されてソース・ドレイン不純物領域5が形成されている。
なお、ソース・ドレイン不純物領域5は、逆導電型の不純物を高濃度にPウェル2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。図では省略されているが、ソース・ドレイン不純物領域5の列方向両側端部に、エクステンション領域と称する低濃度不純物領域を具備させてもよい。
【0020】
第1および第2のセレクトトランジスタS1,S2は、通常のMOSFETで構成される。したがって、そのゲート絶縁膜4は、例えば二酸化シリコンからなる単層膜で構成されている。第1および第2のセレクトトランジスタS1,S2の各ゲート電極層は、それぞれ第1セレクトゲート線SG1,第2セレクトゲート線SG2を構成する。
【0021】
これらセレクトトランジスタおよびメモリトランジスタ上に、例えば二酸化シリコンなどからなる層間絶縁膜8が厚く堆積されている。層間絶縁膜8は複数の膜からなる。
第1セレクトゲート線SG1と、列方向に隣接する他のNANDストリングの第1セレクトゲート線SG1との間のPウェル2の表面部分に、N型不純物が高濃度に添加された第1の共有不純物領域6が形成されている。第1のコンタクトC1が、第1の共有不純物領域6上に形成されている。第2セレクトゲート線SG2と、列方向に隣接する他のNANDストリングの第2セレクトゲート線SG2との間のPウェル2の表面部分に、N型不純物が高濃度に添加された第2の共有不純物領域7が形成されている。第2のコンタクトC2が、第2の共有不純物領域7上に形成されている。
第1および第2のコンタクトC1,C2は、層間絶縁膜8に開孔されたコンタクト孔内を、例えばTi/TiN等の密着層を介在させてW等の金属プラグで埋め込むことにより形成されている。
層間絶縁膜8の複数の膜間に、第1のコンタクトC1に接する第1の上部配線BSL2aが形成されている。層間絶縁膜8上には、第2のコンタクトC2に接する第2の上部配線BSL2bが形成されている。第2の上部配線BSL2bは、第1の上部配線BSL2aの上層に形成されている。第1および第2の上部配線BSL2a,BSL2bは、例えば、Al等の主配線層の上下を、反射防止層(又は保護層)とバリアメタルで挟んだ3層構造から構成させることができる。
【0022】
本実施の形態における電荷蓄積手段を有して電気的なデータの記憶が可能な不揮発性メモリトランジスタとして、ゲート電極(ワード線)とチャネルが形成される半導体領域(Pウェル2)との間の電積蓄積膜3がONO(Oxide−Nitride−Oxide)膜からなるMONOS型が用いられている。
ここで“電荷蓄積手段”とは、電荷蓄積膜3内に形成され、その上方のゲート電極への印加電圧に応じて基板側との間で電荷をやり取りし、電荷を保持する電荷保持媒体をいう。MONOS型セルにおける電荷蓄積手段とは、ONO膜の窒化膜バルクのキャリアトラップ、或いは酸化膜と窒化膜界面付近に形成された深いキャリアトラップをいう。
【0023】
本実施の形態における電荷蓄積膜3は、下層から順に、第1の酸化膜31,窒化膜32,第2の酸化膜33から構成されている。
第1の酸化膜31は、例えば熱酸化により形成された二酸化シリコン(SiO2)からなる。第1の酸化膜31の膜厚は、使用用途に応じて2.5nmから6.0nmの範囲内で決めることができ、ここでは3.5nmに設定されている。なお、第1の酸化膜31の少なくとも表面部に、熱窒化処理によりされ窒化酸化層を薄く形成してもよい。
窒化膜32は、例えば8.0nmの窒化シリコン(Si(0<x<1,0<y<1))膜から構成されている。窒化膜32は、たとえば減圧CVD(LP−CVD)により作製される。
第2の酸化膜33は、窒化膜32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等を熱酸化して形成される。また、第2の酸化膜33をHTO(High Temperature chemical vapor deposited Oxide)法により形成したSiO膜としてもよい。第2の酸化膜33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。第2の酸化膜33の膜厚は、ゲート電極(ワード線)からのホールの注入を有効に阻止してデータ書き換え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。
【0024】
このNANDストリングの製造においては、まず、用意した半導体基板1に対し、素子分離絶縁層10およびPウェル2を形成した後に、メモリトランジスタのゲートしきい値電圧調整用のイオン注入等を必要に応じて行う。
【0025】
つぎに、例えば以下の手順によって、Pウェル2上に電荷蓄積膜3を成膜する。
短時間高温熱処理法(RTO法)により1000℃,10secの熱処理を行い、二酸化シリコン膜(第1の酸化膜31)を形成する。
つぎに、第1の酸化膜31上にLP−CVD法により窒化シリコン膜(窒化膜32)を、最終膜厚が8nmとなるように、これより厚めに堆積する。このCVDは、たとえば、ジクロロシラン(DCS)とアンモニアを混合したガスを用い、基板温度650℃で行う。
形成した窒化シリコン膜表面を熱酸化法により酸化して、たとえば3.5nmの酸化シリコン膜(第2の酸化膜33)を形成する。この熱酸化は、たとえばHO雰囲気にした炉内の温度を950℃に保った状態で40分程度行う。これにより、トラップレベル(窒化シリコン膜の伝導帯からのエネルギー差)が2.0eV以下の程度の深いキャリアトラップが約1〜2×1013/cmの密度で形成される。また、窒化膜32を構成する窒化シリコン膜が1nmに対し熱酸化シリコン膜(第2の酸化膜33)が1.6nm形成され、この割合で下地の窒化シリコン膜厚が減少し、窒化膜32の最終膜厚が8nmとなる。
【0026】
必要に応じて、メモリトランジスタ列以外の部分で3層構造の電荷蓄積膜3を除去し、セレクトトランジスタS1,S2のゲート絶縁膜4となる酸化シリコン膜を数nmほど熱酸化により形成する。この場合、電荷蓄積膜3を保護するために、後で選択的に除去可能な材料の膜を電荷蓄積膜3上に形成しておくことが望ましい。なお、セレクトトランジスタS1,S2には電荷注入が起こるほど高い電界がかからないので、セレクトトランジスタのゲート絶縁膜4を、電荷蓄積膜3と同じ構造することもできる。この場合、この電荷蓄積膜3の除去工程は不要である。
【0027】
ワード線となる導電膜を積層させる。そして、導電膜、および、その下の電荷蓄積膜3(およびゲート絶縁膜4)を一括してパターンニングする。これにより、ワード線WL1,WL2,WL3,…WLn、第1セレクトゲート線SG1および第2セレクトゲート線SG2が同時に形成される。
【0028】
これら行方向に長い平行ストライプ状の配線を形成した状態で、配線間のウェル表面にN型不純物をイオン注入し、アニールを行う。これにより、ワード線間およびワード線とセレクトトランジスタのゲートとの間に、ソース・ドレイン不純物領域5が形成され、さらに、セレクトトランジスタのゲート間に第1の共有不純物領域6あるいは第2の共有不純物領域7が形成される。
以上の工程を経て、例えば16〜64個のメモリトランジスタを含むNANDストリングが行方向に128〜256個並んで形成される。1本のワード線に接続されたセル数と、NANDストリング内のワード線の本数との積の数のセルにより、1つの書き換え単位(ページ)が構成される。通常、1ページは、例えば4K(=256×16)個のセルで構成される。
【0029】
メモリトランジスタおよびセレクトトランジスタを埋め込んで、例えば二酸化シリコンからなる層間絶縁膜8の下層膜をCVDし、この層間絶縁膜8に第1のコンタクトC1用の開口部を形成する。この開口部は第1の共有不純物領域6上で開口している。開口部を完全に埋め込むように、プラグ材料、例えばタングステンを堆積し、これを全面でエッチバックしてプラグ材料を層間絶縁膜8の下層膜上で分離する。これにより、第1の共有不純物領域6上に接続したプラグからなる第1のコンタクトC1が層間絶縁膜8の下層膜内に埋め込まれて形成される。この第1のコンタクトC1上に接続した第1の上部配線BSL2aを形成する。
さらに、層間絶縁膜8の上層膜をCVDする。以後、同様に、層間絶縁膜8の上層膜と下層膜に第2のコンタクトC2用の開口部を形成し、これをプラグ材料で埋め込んだ後、層間絶縁膜8の上層膜上に、第2のコンタクトC2上に接続した第2の上部配線BSL2bを形成する。
その後、必要なら、他の層間絶縁膜や上層配線を形成し、最後に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セルアレイを完成させる。
【0030】
このように形成されたメモリセルアレイにおいて、第1のセレクトゲート線SG1、ワード線WL1〜WLn、第2の第1のセレクトゲート線SG2の配線幅および配線間距離の最小寸法(プロセスおよび設計の最小ルール)をFとすると、これらの列方向のピッチは2Fとなる。
また、第1の上部配線BSL1a,BSL2a,…のピッチは、第1の上部配線幅F0、第1のコンタクト径F1、第1の上部配線同士の最小近接距離F2の合計となる。ここで、F0〜F2の全てをプロセスおよび設計の最小ルールFと規定すると、第1の上部配線のピッチは3Fとなる。なお、図2においては、第1のコンタクトC1と第1の上部配線BSL2aとの行方向の重ね合わせ寸法をゼロとしているが、両者に位置ずれが生じる場合を想定して、図2の符号Cexで示すように第1のコンタクトを第1の上部配線の幅中央付近まで予め拡大しておくことにより、第1のコンタクトと第1の上部配線との接触面積を十分確保することが出来る。
第2の上部配線BSL1a,BSL2a,…のピッチは、上述した第1の上部配線のピッチに制限されるので、同じ3Fとなる。
【0031】
メモリセルアレイの周辺回路としては、特に図示しないが、ローデコーダ(ワード線駆動回路を含む)、カラムデコーダ、ローおよびカラムバッファ、書き込みデータおよび読み出しデータが一時保持されるデータラッチ回路群、カラム選択回路、読み出し回路(センスアンプ)、電源回路およびウェルバイアス回路等を有している。
このうち、図1には、第1の上部配線と第2の上部配線に接続された第1の電圧供給手段20と、第1のセレクトゲート線および第2のセレクトゲート線、並びに、ワード線に接続された第2の電圧供給手段30とを示す。
第1の電圧供給手段20は、データの書き込み時に、選択した第1の上部配線BSL1a,BSL2a,BSL3a,…に第1の電圧を供給し、選択した第2の上部配線BSL1b,BSL2b,BSL3b,…に第2の電圧を供給し、また、必要に応じて、第1の上部配線に印加する電圧と第2の上部配線に供給する電圧とを切り替える。
第2の電圧供給手段30は、第1および第2のセレクトゲート線SG1,SG2を制御し、ワード線WL1,WL2,WL3,…,WLnに書き込み電圧やパス電圧を印加する。
【0032】
以下、第1および第2の電圧供給手段20,30(およびウェルバイアス回路)の制御により実行されるメモリセルの動作について説明する。なお、以下の説明では、図1に示す選択セルSselを動作対象とし、選択セルと同一行内の非選択セルCus1および選択セルと異なる行内の非選択セルCus2の誤動作防止についても説明する。
【0033】
図5(A)は、メモリトランジスタM2の一部を拡大して示す断面図、図5(B)は書き込み動作の説明図である。図6(A)〜図6(J)は、書き込み動作のタイミングチャートである。
データ書き込み期間中、図6(G)に示すように、選択されたセルを含むNANDストリングに接続された第2の上部配線BSL1bに第2の電圧V2、例えば接地電圧0Vを印加する。また、図6(H)および図6(I)に代表して示すように、非選択の第1の上部配線BSL2a,BSL3a,…、および、非選択の第2の上部配線BSL2b,BSL3b,…も接地電圧0Vで保持する。
【0034】
第1のデータの書き込みでは、図6(A)および図6(E)に示すように、第1および第2のセレクトゲート線SG1,SG2に、例えば6V〜8Vの電圧を印加して第1および第2のセレクトトランジスタS1,S2にオン状態を設定する。同時に、非選択のワード線WL1に、書き込み電圧Vwより十分低いがメモリトランジスタM1をオンし、かつ第1の電圧V1を伝達する程度のパス電圧Vpassを、例えば6V〜8Vの範囲内で印加する。また、他の非選択のワード線WL3〜WLnに、書き込み電圧Vwより十分低いがメモリトランジスタM3〜Mnをオンし、かつ第2の電圧V2(0V)を伝達する程度のパス電圧Vpassを、例えば6V〜8Vの範囲内で印加する。
つぎに、図6(C)に示すように、望ましくは若干遅れたタイミングで、選択セルCsel(メモリトランジスタM2)が接続されたワード線WL2に、所定の書き込み電圧Vwを、例えば6V〜10Vの範囲内で印加する。書き込み電圧Vwは、メモリトランジスタM2の閾値電圧より高く、かつドレイン電圧(第1の電圧V1)より高い電圧である。さらに、図6(F)に示すように、望ましくはさらに若干遅れたタイミングで、第1の上部配線BSL1aに第1の電圧V1を、例えば4V〜6Vの範囲内で印加する。
【0035】
これにより、メモリトランジスタM2のチャンネル形成領域CHにチャネルが形成され、チャネル内に、第2の電圧(0V)を印加したソース・ドレイン不純物領域5(ソースS)から電子が供給される。このとき、第1の電圧V1を印加したソース・ドレイン不純物領域5(ドレインD)とチャンネル形成領域CHのピンチオフ点の間の電界で、チャネル内の電子が加速される。加速された電子はドレイン端付近で高いエネルギーを得てホットキャリアとなり、垂直方向の電界に引き寄せられて、このドレイン端付近の電荷蓄積膜3の領域に注入され、電荷トラップに捕獲される。
なお、このとき、Pウェル2に印加する電圧は接地電圧0Vでもよいが、図6(J)に示すように、例えば最大で−3V程度の負電圧を印加してもよい。
【0036】
このデータの書き込み時に、ワード線WL2に接続され、ゲートに書き込み電圧Vwが印加された非選択のメモリセルCus1において、ソースおよびドレイン(並びにPウェル)が0Vで保持されているため、書き込み電圧Vwが高いとファウラーノルドハイム(FN)トンネル機構によりチャネル全面から電子が注入されるが、本例の場合、書き込み電圧VwがFG型の書き込み電圧より十分に低く、このような電子の注入は起こらない。また、他の非選択行のメモリセルCus2においては、前述したようにパス電圧Vpassが十分低いため、同様に電子の注入が有効に防止される。
なお、セレクトトランジスタS1,S2の閾値電圧とゲート印加電圧との関係を制御して、データ書き込み時に非選択のNANDストリングのセレクトトランジスタをカットオフさせ、いわゆるセルフブースとにより当該チャネルの電位を自動昇圧して非選択列の書き込みを有効に防止することもできる。
【0037】
第2のデータの書き込みでは、第1の電圧V1と第2の電圧V2の印加する対象の上部配線を切り替える。つまり、図6(F)に示す第1の電圧V1(正の電圧)を第2の上部配線BSL1bに印加し、図6(G)に示す第2の電圧V2(0V)を第1の上部配線BSL1aに印加する。これに応じて、必要なら、セレクトゲート線の印加電圧、非選択ワード線の印加電圧Vpassも切り替える。これにより、図5(A)においてソースSとドレインDが入れ替わり、第1のデータ書き込み時にはソースとなっていた側からホットエレクトロンが電荷蓄積膜3に局部的に注入される。
この第2のデータ書き込みにより注入された電子の保持領域と、前述した第1のデータ書き込みにより注入された電子の保持領域は位置的に離れており、2つの電子の保持領域が重なることがない。
【0038】
図7(A)〜図7(J)は、消去動作のタイミングチャートである。
消去時は、バンド間トンネリングに起因して発生したホットホール注入を用いて例えばブロック単位で行う。以下、この消去方法を、BTBT(Band to Band Tunneling)−HH(Hot Hole)注入消去という。
データの消去期間中、図7(G)〜図7(I)に示すように、選択されたセルを含むNANDストリングに接続された第2の上部配線BSL1b、非選択の第1の上部配線BSL2a,BSL3a,…、および、非選択の第2の上部配線BSL2b,BSL3b,…を接地電圧0Vで保持する。
【0039】
図7(A)および図7(E)に示すように、第1および第2のセレクトゲート線SG1,SG2に、例えば6V〜8Vの電圧を印加して第1および第2のセレクトトランジスタS1,S2にオン状態を設定する。同時に、非選択のワード線WL1に、消去は行われないがメモリトランジスタM1をオンし、かつ消去ドレイン電圧Vdeを伝達する程度のパス電圧Vpassを、例えば6V〜8Vの範囲内で印加する。また、他の非選択のワード線WL3〜WLnに、同様にメモリトランジスタM3〜Mnをオンし、かつ接地電圧0Vを伝達する程度のパス電圧Vpassを、例えば6V〜8Vの範囲内で印加する。
つぎに、図7(C)に示すように、望ましくは若干遅れたタイミングで、消去対象セルCselが接続されたワード線WL2に消去ゲート電圧Veを、例えば0〜−5Vの範囲内で印加する。さらに、図7(F)に示すように、望ましくはさらに若干遅れたタイミングで、第1の上部配線BSL1aに消去ドレイン電圧Vdeを、例えば4V〜6Vの範囲内で印加する。
【0040】
これにより、選択されたNANDストリングにおいて、その第1の上部配線BSL2aに印加された消去ドレイン電圧Vdeが、オン状態のセレクトトランジスタS1や非選択のメモリトランジスタM1を介して、選択セルCsel(メモリトランジスタM2)の一方のソース・ドレイン不純物領域5(ドレインD)に伝達される。このため、このソース・ドレイン不純物領域5とゲート電極(選択されたワード線WL2)との間に、第3の電圧として10Vを超える消去電圧(=|Ve|+Vde)が印加される。その結果、当該ソース・ドレイン不純物領域5において、その表面が深い空乏状態となりエネルギーバンドの曲がりが大きくなり、バンド間トンネル現象により電子が価電子帯より伝導帯にトンネルする。この際、電子とホール対が発生するが、そのうち電子はN型のソース・ドレイン不純物領域内に流れて吸収される。一方、発生したホールは接合付近に印加された高電界により加速されてホットホールとなり、チャネル形成領域の中心部の方向にドリフトする。このホットホールの一部が電荷蓄積膜3内の電荷トラップに局所的に注入される。
このため、当該メモリトランジスタM2に電子が注入された書き込み状態であり、その閾値電圧が高い場合に、注入されたホットホールにより蓄積されていた電子が相殺され、当該メモリトランジスタM2の閾値電圧が消去状態の低いレベルに低下する。
【0041】
この消去方法では、ソースとドレイン双方から消去を行うことができるが、上述のように消去を片側のみで行っても良い。また、消去を行わない側のセレクトトランジスタS2をカットオフさせて、他方のソース・ドレイン不純物領域をフローティングとすることも出来る。
なお、当然ながら、書き込み状態と消去状態の定義によっては、チャネルホットエレクトロン(CHE)注入を消去に用い、バンド間トンネル電流起因のホットホール注入を書き込みに用いることもできる。
【0042】
データの読み出し動作は、データ書きこみ時のドレインDからソースSに電流が流れる通常の読み出し(以下、フォワードリード方式と称す)と、データの読み出し時のドレインDとソースSのバイアスを、データの書き込み時には逆にし、書き込み時のソースSからドレインDに電流を流す逆方向の読み出し(以下、リバースリード方式と称す)のいずれかにより行う。以下には、リバースリード方式の場合を示す。
【0043】
図8(A)〜図8(J)は、リバースリード動作のタイミングチャートである。
データの読み出し期間中、図8(F)および図8(H)〜図8(J)に示すように、選択されたセルを含むNANDストリングに接続された第1の上部配線BSL1a、非選択の第1の上部配線BSL2a,BSL3a,…、非選択の第2の上部配線BSL2b,BSL3b,…、および、Pウェルを接地電圧0Vで保持する。
【0044】
図8(A)および図8(E)に示すように、第1および第2のセレクトゲート線SG1,SG2に、例えば3V〜5Vの電圧を印加して第1および第2のセレクトトランジスタS1,S2にオン状態を設定する。同時に、非選択のワード線WL1に、読み出しゲート電圧Vgrより低いがメモリトランジスタM1をオンし、かつ読み出しドレイン電圧Vdrを伝達する程度のパス電圧Vpassを、例えば3V〜5Vの範囲内で印加する。また、他の非選択のワード線WL3〜WLnに、読み出しゲート電圧Vgrより低いがメモリトランジスタM3〜Mnをオンし、かつ接地電圧0Vを伝達する程度のパス電圧Vpassを、例えば3V〜5Vの範囲内で印加する。
【0045】
つぎに、図8(C)に示すように、望ましくは若干遅れたタイミングで、選択セルCsel(メモリトランジスタM2)が接続されたワード線WL2に、所定の読み出しゲート電圧Vgrを、例えば3V〜5Vの範囲内で印加する。読み出しゲート電圧Vgrは、メモリトランジスタM2の書き込み状態の閾値電圧より低く、消去状態の閾値電圧より高区、かつ、当該メモリトランジスタM2が飽和領域で動作する電圧である。
さらに、図8(F)に示すように、望ましくはさらに若干遅れたタイミングで、第1の上部配線BSL1aに読み出しドレイン電圧Vdrを、例えば1V〜2Vの範囲内で印加する。リバースリード方式ではソース側のデータ(第2のデータ)を読み出す。このため、読み出しドレイン電圧Vdrを最適化することにより、ドレイン側の空乏層をソース側に十分延ばし、ドレイン側の第1のデータに対応した蓄積電荷が読み出し電界にあまり影響しないようにする。
これにより、メモリトランジスタMのデータの記憶状態に応じて、第1または第2の上部配線SBL1aまたはSBL1bの電流または電圧が変化する。この変化を周辺回路内のセンスアンプで増幅して読み出す。
【0046】
リバースリードにより第1のデータを読み出すには、読み出しドレイン電圧Vdrと接地電圧0Vを印加する対象の上部配線を切り替える。つまり、図8(G)に示す読み出しドレイン電圧Vdrを第1の上部配線BSL1aに印加し、図8(F)に示す接地電圧0Vを第2の上部配線BSL1bに印加する。これに応じて、必要なら、セレクトゲート線の印加電圧、非選択ワード線の印加電圧Vpassも切り替える。これにより、第2のデータ読み出しと同様に、第1または第2の上部配線SBL1aまたはSBL1bの電流または電圧が変化するので、この変化を周辺回路内のセンスアンプで増幅して読み出す。
なお、データの読み出しは、ページ、即ち1つのワード線に接続されたセルを単位として行ってもよい。
【0047】
消去に関し、他の方法の採用も可能である。
第1の消去方法の変更例では、消去したいメモリトランジスタM2の電荷蓄積膜3からチャンネル形成領域CHへのFNトンネルリングを用いて、チャンネル形成領域CHに、電荷蓄積膜3に蓄積された電荷を引き抜く。この場合、消去対象のメモリトランジスタM2が接続されたワード線WL2に、蓄積されている電荷と同じ極性の電位を与える。
第2の消去方法の変更例では、消去したいメモリトランジスタM2の電荷蓄積膜3からゲート電極(ワード線WL2)へのFNトンネルリングを用いて、ワード線WL2に、電荷蓄積膜3に蓄積された電荷を引き抜く。この場合、ワード線WL2に、蓄積されている電荷と反対の極性の電位を与える。
【0048】
また、トランジスタ構造に関し、以下の変更が可能である。
トランジスタの電荷蓄積膜の構造は、いわゆるMONOS型に限定されず、例えば、MNOS型でもよい。また、主に電荷の蓄積を行う膜は窒化膜32に限定されず、例えばAlあるいはTaなどの電荷とラップを離散的に有する高誘電体膜を用いてもよい。
また、メモリトランジスタが形成される半導体としては、Pウェル等のウェルやバルクシリコン基板に限定されず、例えば、SOI基板におけるSOI半導体層、あるいは、基板の積層構造内の薄膜ポリシリコンなどであってもよい。
【0049】
本実施の形態では、以下の種々の利点が得られる。
第1に、データの書き込み時に、第1の電圧V1(正の電圧)と第2の電圧V2(例えば、接地電圧0V)を供給する配線が分けられ、何れもトランジスタより上層の配線層(第1の上部配線SBL1a、第2の上部配線SBL1b)からなる。これらの配線は第1の電圧供給手段20に接続され、第1の電圧供給手段20によって第1および第2の電圧V1,V2が供給される。第1の電圧供給手段20は、上記2つの電圧の入れ替えが可能な構成を有しているため、2ビットを1セルに書き込むことが容易に実施できる。また、第1の上部配線SBL1a、第2の上部配線SBL1bが分離して設けられているため、ビットごとのランダムな書き込みが可能である。これらの上部配線は上層の配線層からなるため不純物拡散層より抵抗率が低く、第1および第2の電圧V1,V2が余り電圧降下なくNANDストリング端に伝達される。
また、バンド間トンネル電流を利用した高速消去をビットごとに行うことが出来る。バンド間トンネル電流を利用した高速消去はチャネルを形成しないで行うため消費電流が少なくてすむ。
【0050】
第2に、トランジスタの電荷蓄積膜が複数の誘電体膜を積層した、いわゆるMONOS型の構造を有するため、書き込み時および消去時の電圧がFG型に比べて低く設定できる。
また、それに付随して書き込み時、消去時の非選択セルのディスターブの問題が改善される。
データの書き込みにCHE注入を用いるため、第1の酸化膜を使用用途に応じて2.5nmから6.0nmの範囲内で決めることができる。読み出し時に、非選択ワード線にパス電圧を印加するが、第1の酸化膜が比較的に厚いため電荷蓄積膜への電荷のFN注入が起きない。すなわち、従来の2nm程度の薄い第1の酸化膜を使用したMONOS型では問題となっていた読み出し時の非選択ワード線に接続されたセルへの弱い誤書き込みを防ぐことができる。
【0051】
第3に、セル動作が安定している。
局所的な位置に2ビットのデータを記憶させる多値化技術であるため、閾値電圧を細かく分割して行う多値化より動作マージンが大きく動作が安定する。
さらに、周囲のセル間での容量結合が低減されている。
従来のFG型NANDメモリセルアレイでは、セルが微細化されるとフローティングゲート間あるいはフローティングゲートと隣接ワード線間の結合容量が大きくなり、フローティングゲートの電位変動、およびこれに起因した動作の安定性低下、誤動作が問題となる。
これに対し、本実施の形態では、離散化された電荷蓄積手段を有し、これは単一の導電層からなる従来のフローティングゲートとは異なり、近隣の他のセルの電荷蓄積手段やワード線と容量結合しない。したがって、このメモリセルは動作の安定性が高く、誤動作しにくい。
【0052】
第4に、第1の上部配線BSL1a等と第2の上部配線BSL1b等が異なる配線層で形成されているため、配線を分けてもセル面積は比較的小さい。2ビット記憶の場合は、従来のFG型NANDアレイのセルよりビット当たりのセル面積が縮小されている。
つまり、前述したように、本実施の形態におけるセルアレイでは、列方向の配線ピッチが2F、行方向の配線ピッチが3Fであるため、セル面積は約6Fとなる。また、第1および第2のコンタクトC1,C2の占有面積を仮に、それぞれ3F×3F=9Fとしても、これらは列方向に隣接する2つのNANDストリングで共有されているため、1ストリング内のセル数を例えば16個と最小に見積もっても、コンタクト面積はセル当たり0.28Fと極めて小さい。したがって、2ビット記憶の場合、ビット当たりの実効的なセル面積は、最大で約3.14F/bitとなる。これは、通常のFG型のセル面積4F/bitより小さい。
【0053】
【発明の効果】
本発明に係る不揮発性半導体メモリ装置のデータ書き込み方法によれば、コンタクトを数多くのセルで共有するため実効的なセル面積が小さい、いわゆるNANDメモリセルアレイにおいて、1つのメモリトランジスタに2ビットのデータ記憶を可能として、さらにビット当たりの実効的なセル面積の縮小が可能となる。また、閾値電圧を細かく分割した多値化ではないため、動作マージンが大きく動作が安定している。
本発明に係る不揮発性半導体メモリ装置によれば、上述したデータ書き込みを好適に実施できる構成を有した不揮発性半導体メモリ装置が提供できる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の実施の形態に係る不揮発性メモリセルアレイの基本構成を示す回路図である。
【図2】図1に示す第2列目のNANDストリングを中心に示すメモリセルアレイの平面図である。
【図3】図2にA−A線で示す部分の断面図である。
【図4】図2にB−B線で示す部分の断面図である。
【図5】(A)はメモリトランジスタの一部を拡大して示す断面図、(B)は書き込み動作の説明図である。
【図6】(A)〜(J)は、書き込み動作のタイミングチャートである。
【図7】(A)〜(J)は、消去動作のタイミングチャートである。
【図8】(A)〜(J)は、リバースリード動作のタイミングチャートである。
【符号の説明】
1…半導体基板、2…Pウェル、3…電荷蓄積膜、4…ゲート絶縁膜、5…ソース・ドレイン不純物領域、6…第1の共有不純物領域、7…第2の供給不純物領域、8…層間絶縁膜、10…素子分離絶縁層、20…第1の電圧供給手段、30…第2の電圧供給手段、31…第1の酸化膜、32…窒化膜、33…第2の酸化膜、CH…チャネル形成領域、BSL1a等…第1の上部配線、BSL1b等…第2の上部配線、M1等…メモリトランジスタ、S1等…セレクトトランジスタ、SG11等…セレクトゲート線、WL1等…ワード線。
[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to a nonvolatile semiconductor memory device having a so-called NAND string (transistor array) and capable of electrically writing data to a selected memory transistor, and a data writing method thereof.
[0002]
[Prior art]
At present, many types of memory cell schemes have been proposed for a batch erasing nonvolatile semiconductor memory (flash memory) having a floating gate. Among them, a cell scheme having a small cell size and capable of increasing the capacity has been proposed. , NAND type are known.
A NAND flash memory has a memory block called a NAND string in which a plurality of memory transistors are cascaded between two select transistors. For example, by sharing one bit contact and one source line between two NAND strings adjacent in the column direction, an effective cell area per bit can be reduced. The source line is usually formed of an impurity diffusion layer that is long in the row direction, and is shared by a plurality of NAND strings in the row direction (for example, see Patent Document 1).
[0003]
In a general NAND flash memory, at the time of an erase operation, 0 V is applied to all word lines of a selected NAND string, and a high voltage (for example, 20 V) is applied to all word lines of a non-selected NAND string and a substrate.
As a result, only the memory transistor of the selected NAND string has electrons extracted from the floating gate to the substrate by FN tunneling, and the threshold voltage of the memory transistor shifts in the negative direction to, for example, about -3V.
[0004]
On the other hand, the data programming (writing) operation is performed in units of a so-called page for the memory transistors connected to the selected word line at a time, and a high voltage (for example, 18 V) is applied to the selected word line by the program (“1”). A voltage of 0 V is applied to a bit line to which a memory transistor to store (data) is connected, and an intermediate potential (for example, 9 V) is applied to a bit line to which a memory transistor to inhibit program (retain "0" data) is connected.
As a result, electrons are injected into the floating gate by FN tunneling only in the selected memory transistor to be programmed, and the threshold voltage of the selected memory transistor shifts in the positive direction to, for example, about 2V.
[0005]
In the NAND flash memory, contacts and impurity diffusion layer wirings are shared by a large number of memory cells such as 64, for example, and NAND strings, and the area occupied by these cells is small. Suitable for memory applications.
[0006]
[Patent Document 1]
Japanese Patent No. 2732601, page 5, right column, line 45 to line 49, FIG. 9 (a).
[0007]
[Problems to be solved by the invention]
In a NAND flash memory, both writing and erasing of data are performed by FN (Fowler Nordheim) tunnel current, and data that can be stored in one memory transistor is usually one binary data, that is, 1-bit data. In order to further increase the capacity, in addition to miniaturization of elements, a multi-value technology capable of storing a plurality of bits in one memory transistor is important.
However, in the multi-valued operation generally performed in the memory transistor having the FG structure, since the region into which the charge is injected is a conductor (a floating gate of polysilicon), local charge injection cannot be performed. Therefore, multi-valued storage of a plurality of bits is performed on a memory transistor having an FG structure by finely dividing a threshold voltage in a storage state. However, in this multilevel technology, control of peripheral circuits is complicated, and errors due to fluctuations in threshold voltage are likely to occur.
[0008]
A first object of the present invention is to provide a NAND-type nonvolatile semiconductor memory device having a wiring structure capable of multi-leveling by writing data by local charge injection.
A second object of the present invention is to provide a data writing method for a nonvolatile semiconductor memory device that can independently write two data in a memory transistor connected in a NAND type.
[0009]
[Means for Solving the Problems]
A nonvolatile semiconductor memory device according to the present invention achieves the first object, and includes first and second select transistors whose on and off are independently controlled, and a cascade between the select transistors. A plurality of transistor rows each including a plurality of connected memory transistors, and a plurality of dielectric films stacked on a semiconductor in the transistor rows, and a charge is stored in the stacked dielectric films. And electrically connecting gates of the memory transistors in different transistor rows formed on the charge storage film and adjacent in a direction intersecting a direction of cascade connection of the plurality of memory transistors. And a first word line for supplying a first voltage to the memory transistor via the plurality of word lines and the first select transistor. Having an upper interconnection, and the second upper wiring for supplying the second voltage to the memory transistor via the second select transistor.
[0010]
A method of writing data in a nonvolatile semiconductor memory device according to the present invention achieves the second object described above, and includes first and second select transistors whose on and off are independently controlled, Applying a pass voltage for turning on the non-selected memory transistor to a gate of the non-selected memory transistor for a transistor row including a plurality of memory transistors connected in cascade between the transistors; Applying a write voltage to the gates of the first and second select transistors; supplying a first voltage to the transistor row from one side of the first and second select transistors in an on state; 2 from the other side of the select transistor. Supplying the pass voltage, the write voltage, the first voltage, and the second voltage to each other. The first data and the second data are independently written into the selected memory transistor by repeatedly switching the side to which the second voltage is applied.
[0011]
According to the data write method of the present invention, at the time of writing the first data, the pass voltage and the write voltage are respectively applied as described above, the first voltage is applied from one end of the transistor row, and the second voltage is applied. Is applied from the other side of the transistor row. The first and second voltages are transmitted to the unselected memory transistors in the ON state, respectively, and reach the source and drain of the selected memory transistor. At this time, by controlling the values of the first or second voltage transmitted to the source, the first or second voltage transmitted to the drain, and the write voltage applied to the gate, the local voltage from the drain side is controlled. Charge injection is possible. Electric charges locally injected from the drain side are locally injected in a dielectric laminated film (charge storage film) composed of a plurality of dielectric films and having extremely low conductivity in the direction of the plane and thickness of the film. It is held at a local position centered on the region that was set.
At the time of writing the second data, the first voltage and the second voltage applied from both ends of the transistor array are applied interchangeably with each other at the time of writing the first data. As a result, the source and drain of the memory transistor are switched, and charge is injected into the charge storage film from the side of the drain which was the source in the first data write. Since the conductivity is extremely low as described above, the charge injected at the time of writing the second data does not mix with the charge already injected and corresponding to the first data.
[0012]
In the nonvolatile semiconductor memory device according to the present invention, the charge storage film is a laminated film of a plurality of dielectric films, and a wiring for supplying the first voltage and the second voltage is divided, and each of the wirings is provided above the transistor. It is composed of wiring layers (first upper wiring, second upper wiring). For this reason, the wiring structure is suitable for applying the above-described data writing method which requires voltage replacement. Further, since these wirings are formed of an upper wiring layer, they have a lower resistivity than the impurity diffusion layer, and the first and second voltages are transmitted to the end of the transistor column without much lowering.
[0013]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
FIG. 1 is a circuit diagram showing a basic configuration of a memory cell array of a nonvolatile semiconductor memory device (hereinafter, nonvolatile memory) according to the present embodiment.
In FIG. 1, NAND strings are repeatedly arranged as a basic configuration of the memory cell array 1. FIG. 1 shows three NAND strings.
Each NAND string includes a first select transistor S1 and a second select transistor S2, and n (for example, n = 64, 128) memory transistors M1 to Mn cascaded therebetween.
[0014]
The first select transistor S1 of another NAND string adjacent in the column (COLUMN) direction is connected to the first select transistor S1. A node between the two first select transistors is connected to an upper wiring layer (hereinafter, a first upper wiring) BSL1a, BSL2a, BSL3a,... Via a first contact C1.
Similarly, the second select transistor S2 of another NAND string adjacent in the column (COLUMN) direction is connected to the second select transistor S2. A node between the two second select transistors is connected to an upper wiring layer (hereinafter, a second upper wiring) BSL1b, BSL2b, BSL3b,... Via a second contact C2.
The first upper wires BSL1a, BSL2a, BSL3a,... And the second upper wires BSL1b, BSL2b, BSL3b,.
[0015]
In a plurality of NAND strings arranged in a row (ROW) direction, the first select transistor S1 is controlled by a first select gate line SG1, and the select transistor S2 is controlled by a second select gate line SG2.
In a plurality of NAND strings arranged in a row (ROW) direction, a plurality of memory transistors M1, M2, M3,..., Mn are controlled by word lines WL1, WL2, WL3,. .
[0016]
In the memory cell array shown in FIG. 1, a plurality of NAND strings are arranged in a matrix. Among them, the first contact C1 is shared between two NAND strings in the column direction, and the two NAND strings are connected to the first upper wirings BSL1a, BSL2a, BSL3a,... Via the first contact C1. Similarly, the second contact C2 is shared between two NAND strings in the column direction, and the two NAND strings are connected to the second upper wirings BSL1b, BSL2b, BSL3b,... Via the second contact C2. . These connection relations are repeated in other strings in the column direction.
[0017]
FIG. 2 is a plan view of the memory cell array mainly showing the NAND strings in the second column shown in FIG. FIG. 3 is a cross-sectional view of a portion indicated by line AA in FIG. FIG. 4 is a cross-sectional view of a portion indicated by line BB in FIG.
As shown in the cross-sectional view of FIG. 3, for example, a P-type well (P-well) 2 is formed on the surface side in an N-type semiconductor substrate 1, and a transistor row is arranged on the surface side of the P-well 2. ing. Further, as shown in the cross-sectional view of FIG. 4, the surface portion of the semiconductor substrate 1 is electrically separated by the element isolation insulating layer 10.
[0018]
Each of the memory transistors M1 to Mn has a charge storage film 3 formed by stacking a plurality of dielectric films on a P well 2. The word lines WL1 to WLn are stacked on the charge storage film 3. The word lines WL1 to WLn are generally made of doped polycrystalline silicon into which P-type or N-type impurities are introduced at a high concentration, or a laminated film of doped polycrystalline silicon and refractory metal silicide.
[0019]
Source / drain impurity regions 5 are formed by introducing N-type impurities into the surface portion of P well 2 below between word lines.
The source / drain impurity region 5 is a region having a high conductivity formed by introducing an impurity of the opposite conductivity type into the P well 2 at a high concentration, and has various modes. Although not shown in the figure, low-concentration impurity regions called extension regions may be provided at both ends in the column direction of the source / drain impurity regions 5.
[0020]
The first and second select transistors S1 and S2 are formed of normal MOSFETs. Therefore, the gate insulating film 4 is constituted by a single layer film made of, for example, silicon dioxide. The gate electrode layers of the first and second select transistors S1 and S2 form a first select gate line SG1 and a second select gate line SG2, respectively.
[0021]
On these select transistors and memory transistors, an interlayer insulating film 8 made of, for example, silicon dioxide is deposited thickly. The interlayer insulating film 8 is composed of a plurality of films.
A first shared region in which an N-type impurity is added at a high concentration is provided on a surface portion of P well 2 between first select gate line SG1 and first select gate line SG1 of another NAND string adjacent in the column direction. Impurity region 6 is formed. First contact C1 is formed on first shared impurity region 6. A second common gate in which an N-type impurity is added at a high concentration is provided on the surface of P well 2 between second select gate line SG2 and second select gate line SG2 of another NAND string adjacent in the column direction. Impurity region 7 is formed. Second contact C2 is formed on second shared impurity region 7.
The first and second contacts C1 and C2 are formed by filling a contact hole formed in the interlayer insulating film 8 with a metal plug such as W through an adhesion layer such as Ti / TiN. I have.
A first upper wiring BSL2a that is in contact with the first contact C1 is formed between the plurality of films of the interlayer insulating film 8. On the interlayer insulating film 8, a second upper wiring BSL2b that is in contact with the second contact C2 is formed. The second upper wiring BSL2b is formed above the first upper wiring BSL2a. The first and second upper wirings BSL2a and BSL2b can have a three-layer structure in which the upper and lower main wiring layers of, for example, Al are sandwiched between an antireflection layer (or a protection layer) and a barrier metal.
[0022]
As a nonvolatile memory transistor having electric charge storage means in this embodiment and capable of storing electrical data, a non-volatile memory transistor between a gate electrode (word line) and a semiconductor region (P well 2) in which a channel is formed. The MONOS type in which the electric charge accumulation film 3 is formed of an ONO (Oxide-Nitride-Oxide) film is used.
Here, the "charge storage means" means a charge storage medium that is formed in the charge storage film 3 and exchanges charges with the substrate side in accordance with a voltage applied to a gate electrode above the charge storage film 3 to hold the charges. Say. The charge storage means in the MONOS cell refers to a carrier trap of a nitride film bulk of an ONO film or a deep carrier trap formed near an interface between an oxide film and a nitride film.
[0023]
The charge storage film 3 in the present embodiment is composed of a first oxide film 31, a nitride film 32, and a second oxide film 33 in order from the lower layer.
The first oxide film 31 is made of, for example, silicon dioxide (SiO 2) formed by thermal oxidation. The thickness of the first oxide film 31 can be determined within the range of 2.5 nm to 6.0 nm according to the intended use, and is set to 3.5 nm here. Note that a thin nitrided oxide layer may be formed on at least the surface of the first oxide film 31 by thermal nitridation.
The nitride film 32 is made of, for example, 8.0 nm silicon nitride (Si x N y (0 <x <1, 0 <y <1)). The nitride film 32 is formed, for example, by low pressure CVD (LP-CVD).
The second oxide film 33 needs to form deep carrier traps at a high density near the interface with the nitride film 32. For this reason, the second oxide film 33 is formed by, for example, thermally oxidizing a nitride film or the like after film formation. Further, the second oxide film 33 is formed by an HTO (High Temperature chemical vapor deposited Oxide) method. 2 It may be a film. When the second oxide film 33 is formed by CVD, this trap is formed by heat treatment. The thickness of the second oxide film 33 is at least 3.0 nm, preferably 3 nm, in order to effectively prevent holes from being injected from the gate electrode (word line) and to prevent a reduction in the number of times data can be rewritten. 0.5 nm or more is required.
[0024]
In the manufacture of this NAND string, first, after the element isolation insulating layer 10 and the P well 2 are formed in the prepared semiconductor substrate 1, ion implantation for adjusting the gate threshold voltage of the memory transistor is performed as necessary. Do it.
[0025]
Next, the charge storage film 3 is formed on the P well 2 by the following procedure, for example.
A heat treatment at 1000 ° C. for 10 seconds is performed by a short-time high-temperature heat treatment method (RTO method) to form a silicon dioxide film (first oxide film 31).
Next, a silicon nitride film (nitride film 32) is deposited on the first oxide film 31 by LP-CVD so as to have a final thickness of 8 nm. This CVD is performed at a substrate temperature of 650 ° C. using, for example, a gas obtained by mixing dichlorosilane (DCS) and ammonia.
The surface of the formed silicon nitride film is oxidized by a thermal oxidation method to form, for example, a 3.5 nm-thick silicon oxide film (second oxide film 33). This thermal oxidation is, for example, H 2 This is performed for about 40 minutes while maintaining the temperature in the furnace in an O atmosphere at 950 ° C. As a result, a deep carrier trap having a trap level (energy difference from the conduction band of the silicon nitride film) of about 2.0 eV or less can be formed in about 1-2 × 10 5 Thirteen / Cm 2 Formed at a density of The thermal silicon oxide film (the second oxide film 33) is formed to 1.6 nm with respect to the silicon nitride film constituting the nitride film 32 at 1 nm. Has a final thickness of 8 nm.
[0026]
If necessary, the charge storage film 3 having a three-layer structure is removed from a portion other than the memory transistor row, and a silicon oxide film serving as the gate insulating film 4 of the select transistors S1 and S2 is formed by thermal oxidation to a thickness of several nm. In this case, in order to protect the charge storage film 3, it is desirable to form a film of a material that can be selectively removed later on the charge storage film 3. Note that since a high electric field is not applied to the select transistors S1 and S2 so that charge injection occurs, the gate insulating film 4 of the select transistor can have the same structure as the charge storage film 3. In this case, the step of removing the charge storage film 3 is unnecessary.
[0027]
A conductive film serving as a word line is stacked. Then, the conductive film and the charge storage film 3 (and the gate insulating film 4) thereunder are collectively patterned. Thereby, the word lines WL1, WL2, WL3,... WLn, the first select gate line SG1, and the second select gate line SG2 are formed simultaneously.
[0028]
In the state where the parallel stripe-shaped wirings long in the row direction are formed, N-type impurities are ion-implanted into the well surface between the wirings, and annealing is performed. As a result, source / drain impurity regions 5 are formed between the word lines and between the word lines and the gates of the select transistors. Further, the first shared impurity region 6 or the second shared impurity region 5 is provided between the gates of the select transistors. Region 7 is formed.
Through the above steps, for example, 128 to 256 NAND strings including 16 to 64 memory transistors are formed in the row direction. One rewrite unit (page) is constituted by the number of cells equal to the product of the number of cells connected to one word line and the number of word lines in the NAND string. Normally, one page is composed of, for example, 4K (= 256 × 16) cells.
[0029]
By embedding the memory transistor and the select transistor, the lower layer film of the interlayer insulating film 8 made of, for example, silicon dioxide is subjected to CVD, and an opening for the first contact C1 is formed in the interlayer insulating film 8. This opening is formed on the first shared impurity region 6. A plug material, for example, tungsten is deposited so as to completely fill the opening, and this is etched back on the entire surface to separate the plug material on the lower layer film of the interlayer insulating film 8. As a result, the first contact C1 composed of a plug connected to the first shared impurity region 6 is formed by being buried in the lower layer film of the interlayer insulating film 8. A first upper wiring BSL2a connected to the first contact C1 is formed.
Further, the upper layer film of the interlayer insulating film 8 is subjected to CVD. Thereafter, similarly, an opening for the second contact C2 is formed in the upper layer film and the lower layer film of the interlayer insulating film 8, and this is buried with a plug material. A second upper wiring BSL2b connected to the contact C2 is formed.
After that, if necessary, another interlayer insulating film and an upper layer wiring are formed, and finally, the non-volatile memory cell array is completed through an overcoat film formation and a pad opening step.
[0030]
In the memory cell array thus formed, the minimum width of the wiring width and distance between the first select gate line SG1, the word lines WL1 to WLn, and the second first select gate line SG2 (minimum process and design) If the rule is F, the pitch in the column direction is 2F.
The pitch of the first upper wirings BSL1a, BSL2a,... Is the sum of the first upper wiring width F0, the first contact diameter F1, and the minimum proximity distance F2 between the first upper wirings. Here, when all of F0 to F2 are defined as the minimum rule F of the process and the design, the pitch of the first upper wiring is 3F. In FIG. 2, the overlapping dimension of the first contact C1 and the first upper wiring BSL2a in the row direction is set to zero. However, assuming that a displacement occurs between the two, a reference numeral Cex in FIG. By previously expanding the first contact to the vicinity of the center of the width of the first upper wiring as shown by, a sufficient contact area between the first contact and the first upper wiring can be secured.
Since the pitch of the second upper wirings BSL1a, BSL2a,... Is limited to the pitch of the first upper wirings described above, they are the same 3F.
[0031]
Although not shown, the peripheral circuits of the memory cell array include a row decoder (including a word line driving circuit), a column decoder, a row and column buffer, a data latch circuit group for temporarily storing write data and read data, and a column selection circuit. , A read circuit (sense amplifier), a power supply circuit, a well bias circuit, and the like.
FIG. 1 shows a first voltage supply means 20 connected to the first upper wiring and the second upper wiring, a first select gate line and a second select gate line, and a word line. And the second voltage supply means 30 connected to the power supply.
The first voltage supply means 20 supplies the first voltage to the selected first upper wirings BSL1a, BSL2a, BSL3a,. Are supplied with the second voltage, and the voltage applied to the first upper wiring and the voltage supplied to the second upper wiring are switched as necessary.
The second voltage supply means 30 controls the first and second select gate lines SG1 and SG2, and applies a write voltage or a pass voltage to the word lines WL1, WL2, WL3,..., WLn.
[0032]
Hereinafter, the operation of the memory cell executed under the control of the first and second voltage supply means 20, 30 (and the well bias circuit) will be described. In the following description, the operation of the selected cell Ssel shown in FIG. 1 will be described, and prevention of malfunction of the unselected cell Cus1 in the same row as the selected cell and the unselected cell Cus2 in a row different from the selected cell will also be described.
[0033]
FIG. 5A is an enlarged cross-sectional view showing a part of the memory transistor M2, and FIG. 5B is an explanatory diagram of a write operation. FIGS. 6A to 6J are timing charts of the write operation.
During the data writing period, as shown in FIG. 6G, a second voltage V2, for example, a ground voltage of 0 V is applied to the second upper wiring BSL1b connected to the NAND string including the selected cell. 6 (H) and 6 (I), unselected first upper wirings BSL2a, BSL3a,... And unselected second upper wirings BSL2b, BSL3b,. Is also held at the ground voltage of 0V.
[0034]
In writing the first data, as shown in FIGS. 6A and 6E, for example, a voltage of 6 V to 8 V is applied to the first and second select gate lines SG1 and SG2, and the first data is written. And set the ON state of the second select transistors S1 and S2. At the same time, a pass voltage Vpass that is sufficiently lower than the write voltage Vw but turns on the memory transistor M1 and transmits the first voltage V1 is applied to the unselected word line WL1 within a range of, for example, 6 V to 8 V. . In addition, a pass voltage Vpass that is sufficiently lower than the write voltage Vw but turns on the memory transistors M3 to Mn and transmits the second voltage V2 (0 V) is applied to the other unselected word lines WL3 to WLn, for example. The voltage is applied within the range of 6V to 8V.
Next, as shown in FIG. 6C, a predetermined write voltage Vw of, for example, 6 V to 10 V is applied to the word line WL2 to which the selected cell Csel (memory transistor M2) is connected, preferably at a slightly delayed timing. Apply within the range. The write voltage Vw is higher than the threshold voltage of the memory transistor M2 and higher than the drain voltage (first voltage V1). Further, as shown in FIG. 6F, the first voltage V1 is applied to the first upper wiring BSL1a within a range of, for example, 4V to 6V, preferably at a slightly later timing.
[0035]
As a result, a channel is formed in the channel formation region CH of the memory transistor M2, and electrons are supplied into the channel from the source / drain impurity region 5 (source S) to which the second voltage (0 V) is applied. At this time, electrons in the channel are accelerated by an electric field between the source / drain impurity region 5 (drain D) to which the first voltage V1 is applied and the pinch-off point of the channel formation region CH. The accelerated electrons obtain high energy near the drain end and become hot carriers, are attracted to the vertical electric field, are injected into the region of the charge storage film 3 near the drain end, and are captured by the charge trap.
At this time, the voltage applied to the P well 2 may be the ground voltage 0V, but as shown in FIG. 6 (J), for example, a negative voltage of about -3V at the maximum may be applied.
[0036]
At the time of writing the data, in the unselected memory cell Cus1 connected to the word line WL2 and applied with the write voltage Vw to the gate, the source and the drain (and the P well) are held at 0V, so the write voltage Vw Is higher, electrons are injected from the entire surface of the channel by the Fowler-Nordheim (FN) tunnel mechanism. In this example, however, the write voltage Vw is sufficiently lower than the FG type write voltage, and such electron injection does not occur. . In the memory cells Cus2 in the other non-selected rows, the pass voltage Vpass is sufficiently low as described above, so that the injection of electrons is similarly effectively prevented.
The relationship between the threshold voltages of the select transistors S1 and S2 and the gate applied voltage is controlled to cut off the select transistors of the non-selected NAND strings at the time of writing data, and the potential of the channel is automatically boosted by a so-called self booth. Thus, the writing of the non-selected columns can be effectively prevented.
[0037]
In the writing of the second data, the upper wiring to which the first voltage V1 and the second voltage V2 are applied is switched. That is, the first voltage V1 (positive voltage) shown in FIG. 6F is applied to the second upper wiring BSL1b, and the second voltage V2 (0 V) shown in FIG. The voltage is applied to the wiring BSL1a. Accordingly, if necessary, the applied voltage of the select gate line and the applied voltage Vpass of the unselected word line are also switched. As a result, the source S and the drain D are switched in FIG. 5A, and hot electrons are locally injected into the charge storage film 3 from the side serving as the source at the time of the first data writing.
The holding region for the electrons injected by the second data writing and the holding region for the electrons injected by the first data writing are separated from each other in position, and the two electron holding regions do not overlap. .
[0038]
FIGS. 7A to 7J are timing charts of the erase operation.
At the time of erasing, for example, block erasing is performed using hot hole injection generated due to band-to-band tunneling. Hereinafter, this erasing method is referred to as BTBT (Band to Band Tunneling) -HH (Hot Hole) implantation erasing.
During the data erasing period, as shown in FIGS. 7G to 7I, the second upper wiring BSL1b connected to the NAND string including the selected cell and the unselected first upper wiring BSL2a , BSL3a,... And unselected second upper wirings BSL2b, BSL3b,.
[0039]
As shown in FIGS. 7A and 7E, a voltage of, for example, 6 V to 8 V is applied to the first and second select gate lines SG1 and SG2, and the first and second select transistors S1 and SG2 are applied. The on state is set in S2. At the same time, a pass voltage Vpass that does not erase data but turns on the memory transistor M1 and transmits the erase drain voltage Vde is applied within a range of, for example, 6 V to 8 V to the unselected word line WL1. Similarly, a pass voltage Vpass sufficient to turn on the memory transistors M3 to Mn and transmit the ground voltage 0V is applied to other unselected word lines WL3 to WLn, for example, in a range of 6V to 8V.
Next, as shown in FIG. 7C, the erase gate voltage Ve is applied to the word line WL2 connected to the cell to be erased Csel, preferably within a range of 0 to -5 V, for example, at a slightly delayed timing. . Further, as shown in FIG. 7F, the erase drain voltage Vde is applied to the first upper wiring BSL1a within a range of, for example, 4V to 6V, preferably at a slightly later timing.
[0040]
As a result, in the selected NAND string, the erase drain voltage Vde applied to the first upper wiring BSL2a changes the selected cell Csel (memory transistor) via the ON-state select transistor S1 and the unselected memory transistor M1. M2) is transmitted to one of the source / drain impurity regions 5 (drain D). Therefore, an erase voltage (= | Ve | + Vde) exceeding 10 V is applied as a third voltage between the source / drain impurity region 5 and the gate electrode (selected word line WL2). As a result, in the source / drain impurity region 5, the surface is in a deep depletion state, the energy band is bent, and electrons tunnel from the valence band to the conduction band due to an interband tunneling phenomenon. At this time, an electron and a hole pair are generated, and the electron flows into the N-type source / drain impurity region and is absorbed. On the other hand, the generated holes are accelerated by the high electric field applied near the junction, become hot holes, and drift toward the center of the channel formation region. Some of the hot holes are locally injected into charge traps in the charge storage film 3.
For this reason, in a writing state in which electrons are injected into the memory transistor M2, and when the threshold voltage is high, the accumulated electrons are offset by the injected hot holes, and the threshold voltage of the memory transistor M2 is erased. The state drops to a lower level.
[0041]
In this erasing method, erasing can be performed from both the source and the drain, but erasing may be performed on only one side as described above. Alternatively, the select transistor S2 on the side on which erasing is not performed may be cut off, and the other source / drain impurity region may be floated.
Of course, depending on the definition of the write state and the erase state, channel hot electron (CHE) injection can be used for erasure and hot hole injection caused by an interband tunnel current can be used for write.
[0042]
The data read operation includes a normal read (hereinafter, referred to as a forward read method) in which a current flows from the drain D to the source S when writing data, and a bias between the drain D and the source S when reading data. The writing is performed in the reverse direction, and the reading is performed in one of the reverse directions in which a current flows from the source S to the drain D during writing (hereinafter, referred to as a reverse reading method). The case of the reverse read method will be described below.
[0043]
FIGS. 8A to 8J are timing charts of the reverse read operation.
During the data reading period, as shown in FIGS. 8F and 8H to 8J, the first upper wiring BSL1a connected to the NAND string including the selected cell, The first upper wirings BSL2a, BSL3a,..., Unselected second upper wirings BSL2b, BSL3b,.
[0044]
As shown in FIGS. 8A and 8E, a voltage of, for example, 3 V to 5 V is applied to the first and second select gate lines SG1 and SG2, and the first and second select transistors S1, The on state is set in S2. At the same time, a pass voltage Vpass, which is lower than the read gate voltage Vgr but is low enough to turn on the memory transistor M1 and transmit the read drain voltage Vdr, is applied to the unselected word line WL1, for example, in the range of 3V to 5V. In addition, a pass voltage Vpass lower than the read gate voltage Vgr but turning on the memory transistors M3 to Mn and transmitting the ground voltage 0V is applied to the other unselected word lines WL3 to WLn, for example, in the range of 3V to 5V. Apply within.
[0045]
Next, as shown in FIG. 8C, a predetermined read gate voltage Vgr is applied to the word line WL2 to which the selected cell Csel (memory transistor M2) is connected, preferably at a slightly delayed timing, for example, from 3 V to 5 V. Apply within the range. The read gate voltage Vgr is lower than the threshold voltage of the memory transistor M2 in the write state, higher than the threshold voltage in the erase state, and a voltage at which the memory transistor M2 operates in the saturation region.
Further, as shown in FIG. 8F, a read drain voltage Vdr is applied to the first upper wiring BSL1a, for example, in a range of 1 V to 2 V, preferably at a slightly later timing. In the reverse read method, data on the source side (second data) is read. For this reason, by optimizing the read drain voltage Vdr, the depletion layer on the drain side is sufficiently extended to the source side, and the accumulated charge corresponding to the first data on the drain side does not significantly affect the read electric field.
Thus, the current or voltage of the first or second upper wiring SBL1a or SBL1b changes according to the data storage state of the memory transistor M. This change is amplified and read by a sense amplifier in the peripheral circuit.
[0046]
To read the first data by the reverse read, the upper wiring to which the read drain voltage Vdr and the ground voltage 0V are applied is switched. That is, the read drain voltage Vdr shown in FIG. 8G is applied to the first upper wiring BSL1a, and the ground voltage 0V shown in FIG. 8F is applied to the second upper wiring BSL1b. Accordingly, if necessary, the applied voltage of the select gate line and the applied voltage Vpass of the unselected word line are also switched. As a result, similarly to the second data reading, the current or voltage of the first or second upper wiring SBL1a or SBL1b changes, and this change is amplified and read by the sense amplifier in the peripheral circuit.
Note that data may be read in units of pages, that is, cells connected to one word line.
[0047]
Other methods for erasing are also possible.
In the first modification of the erasing method, the charges accumulated in the charge storage film 3 are stored in the channel formation region CH by using FN tunneling from the charge storage film 3 of the memory transistor M2 to be erased to the channel formation region CH. Pull out. In this case, a potential having the same polarity as the accumulated charge is applied to the word line WL2 to which the memory transistor M2 to be erased is connected.
In the modified example of the second erasing method, the charge stored in the charge storage film 3 is stored in the word line WL2 by using FN tunneling from the charge storage film 3 of the memory transistor M2 to be erased to the gate electrode (word line WL2). Pull out the charge. In this case, a potential having a polarity opposite to that of the accumulated charge is applied to the word line WL2.
[0048]
Further, the following changes can be made to the transistor structure.
The structure of the charge storage film of the transistor is not limited to the MONOS type, but may be, for example, an MNOS type. Further, the film that mainly accumulates electric charges is not limited to the nitride film 32. 2 O 5 Or Ta 2 O 3 For example, a high dielectric film having charges and wraps discretely may be used.
The semiconductor on which the memory transistor is formed is not limited to a well such as a P well or a bulk silicon substrate, but may be, for example, an SOI semiconductor layer in an SOI substrate or a thin-film polysilicon in a laminated structure of the substrate. Is also good.
[0049]
In the present embodiment, the following various advantages can be obtained.
First, wiring for supplying a first voltage V1 (positive voltage) and a second voltage V2 (for example, a ground voltage of 0 V) at the time of data writing are separated, and each wiring is a wiring layer (a second wiring layer) above a transistor. One upper wiring SBL1a and a second upper wiring SBL1b). These wirings are connected to the first voltage supply means 20, and the first voltage supply means 20 supplies the first and second voltages V1 and V2. Since the first voltage supply means 20 has a configuration in which the above-mentioned two voltages can be exchanged, it is easy to write two bits into one cell. Further, since the first upper wiring SBL1a and the second upper wiring SBL1b are provided separately, random writing for each bit is possible. Since these upper wirings are composed of upper wiring layers, they have a lower resistivity than the impurity diffusion layers, and the first and second voltages V1 and V2 are transmitted to the ends of the NAND strings without much voltage drop.
Further, high-speed erasing using the interband tunnel current can be performed for each bit. Since high-speed erasing using the interband tunnel current is performed without forming a channel, current consumption can be reduced.
[0050]
Second, since the charge storage film of the transistor has a so-called MONOS structure in which a plurality of dielectric films are stacked, the voltage at the time of writing and erasing can be set lower than that of the FG type.
In addition, the problem of disturb of unselected cells at the time of writing and erasing is improved.
Since CHE injection is used for writing data, the first oxide film can be determined within a range from 2.5 nm to 6.0 nm depending on the intended use. At the time of reading, a pass voltage is applied to a non-selected word line. However, since the first oxide film is relatively thick, FN injection of charges into the charge storage film does not occur. That is, weak erroneous writing to a cell connected to an unselected word line at the time of reading, which has been a problem in the conventional MONOS type using a thin first oxide film of about 2 nm, can be prevented.
[0051]
Third, cell operation is stable.
Since this is a multi-valued technology that stores 2-bit data at a local position, the operation margin is larger than that of multi-valued data obtained by dividing the threshold voltage into smaller values, and the operation is stable.
Further, capacitive coupling between surrounding cells is reduced.
In the conventional FG type NAND memory cell array, when the cell is miniaturized, the coupling capacitance between the floating gates or between the floating gate and an adjacent word line increases, causing a fluctuation in the floating gate potential and a decrease in operation stability due to the fluctuation. Malfunctions are a problem.
On the other hand, in the present embodiment, a discrete charge storage means is provided, which is different from a conventional floating gate formed of a single conductive layer, and is different from the charge storage means and word line of other neighboring cells. Does not capacitively couple with Therefore, this memory cell has high operation stability and is unlikely to malfunction.
[0052]
Fourth, since the first upper wiring BSL1a and the like and the second upper wiring BSL1b and the like are formed in different wiring layers, the cell area is relatively small even if the wiring is divided. In the case of 2-bit storage, the cell area per bit is smaller than that of a conventional FG type NAND array cell.
That is, as described above, in the cell array according to the present embodiment, since the wiring pitch in the column direction is 2F and the wiring pitch in the row direction is 3F, the cell area is about 6F. 2 It becomes. Assuming that the area occupied by the first and second contacts C1 and C2 is 3F × 3F = 9F, respectively. 2 However, since these are shared by two NAND strings adjacent in the column direction, even if the number of cells in one string is estimated to be, for example, 16 as a minimum, the contact area is 0.28F per cell. 2 And extremely small. Therefore, for 2-bit storage, the effective cell area per bit is up to about 3.14F 2 / Bit. This is the normal FG type cell area 4F 2 / Bit.
[0053]
【The invention's effect】
According to the data writing method for a nonvolatile semiconductor memory device according to the present invention, in a so-called NAND memory cell array in which a contact is shared by a large number of cells, the effective cell area is small. And the effective cell area per bit can be further reduced. In addition, since the threshold voltage is not multi-valued with fine division, the operation margin is large and the operation is stable.
According to the nonvolatile semiconductor memory device of the present invention, it is possible to provide a nonvolatile semiconductor memory device having a configuration capable of suitably executing the above-described data writing.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a circuit diagram showing a basic configuration of a nonvolatile memory cell array according to an embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a plan view of a memory cell array mainly showing a NAND string in a second column shown in FIG. 1;
FIG. 3 is a cross-sectional view of a part indicated by line AA in FIG.
FIG. 4 is a cross-sectional view of a portion indicated by line BB in FIG.
FIG. 5A is a cross-sectional view showing a part of a memory transistor in an enlarged manner, and FIG. 5B is an explanatory diagram of a write operation.
FIGS. 6A to 6J are timing charts of a write operation.
FIGS. 7A to 7J are timing charts of an erasing operation.
FIGS. 8A to 8J are timing charts of a reverse read operation.
[Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Semiconductor substrate, 2 ... P well, 3 ... Charge storage film, 4 ... Gate insulating film, 5 ... Source / drain impurity region, 6 ... First shared impurity region, 7 ... Second supply impurity region, 8 ... Interlayer insulating film, 10 element isolation insulating layer, 20 first voltage supply means, 30 second voltage supply means, 31 first oxide film, 32 nitride film, 33 second oxide film, CH: channel formation region, BSL1a, etc .: first upper wiring, BSL1b, etc .: second upper wiring, M1, etc .: memory transistor, S1, etc. select transistor, SG11, etc. select gate line, WL1, etc. word line.

Claims (9)

独立にオンとオフが制御される第1および第2のセレクトトランジスタ、当該セレクトトランジスタの間に縦続接続されている複数のメモリトランジスタをそれぞれ含む複数のトランジスタ列と、
上記トランジスタ列内で半導体の上に積層されている複数の誘電体膜からなり、当該積層された複数の誘電体膜内に電荷を蓄積する電荷蓄積膜と、
上記電荷蓄積膜の上に形成され、上記複数のメモリトランジスタの縦続接続の方向と交差する方向に隣接する異なるトランジスタ列で上記メモリトランジスタのゲートを電気的に接続している複数のワード線と、
上記第1のセレクトトランジスタを介して上記メモリトランジスタに第1の電圧を供給する第1の上部配線と、
上記第2のセレクトトランジスタを介して上記メモリトランジスタに第2の電圧を供給する第2の上部配線と、
を有する不揮発性半導体メモリ装置。
First and second select transistors whose on and off are independently controlled, a plurality of transistor rows each including a plurality of memory transistors cascaded between the select transistors;
A charge storage film comprising a plurality of dielectric films stacked on a semiconductor in the transistor array, and storing charge in the plurality of stacked dielectric films;
A plurality of word lines formed on the charge storage film and electrically connecting the gates of the memory transistors in different transistor rows adjacent to each other in a direction crossing the direction of the cascade connection of the plurality of memory transistors;
A first upper wiring for supplying a first voltage to the memory transistor via the first select transistor;
A second upper wiring for supplying a second voltage to the memory transistor via the second select transistor;
A nonvolatile semiconductor memory device having:
上記第2の上部配線が、上記第1の上部配線の上層に形成されている
請求項1に記載の不揮発性半導体メモリ装置。
2. The nonvolatile semiconductor memory device according to claim 1, wherein said second upper wiring is formed on a layer above said first upper wiring.
上記第1の電圧を上記第1の上部配線に供給し、上記第2の電圧を上記第2の上部配線に供給することにより、上記トランジスタ列内で選択されたメモリトランジスタに第1のデータを記憶させ、上記第1の電圧および上記第2の電圧を印加する配線を上記第1の上部配線と上記第2の上部配線とで相互に切り替えて上記第1の電圧と上記第2の電圧を供給することにより、上記選択されたメモリトランジスタに第2のデータを上記第1のデータと独立に記憶させる第1の電圧供給手段と、
上記選択されたメモリトランジスタが接続されているワード線に書き込み電圧を印加し、当該選択されたメモリトランジスタと上記第1または第2のセレクトトランジスタとの間の非選択のメモリトランジスタが接続されているワード線に当該非選択のメモリトランジスタをオンさせるパス電圧を印加する第2の電圧供給手段と、
をさらに有する請求項1に記載の不揮発性半導体メモリ装置。
By supplying the first voltage to the first upper wiring and supplying the second voltage to the second upper wiring, the first data is supplied to the memory transistor selected in the transistor row. The wiring for applying the first voltage and the second voltage is switched between the first upper wiring and the second upper wiring to store the first voltage and the second voltage. Supply means for storing second data in the selected memory transistor independently of the first data,
A write voltage is applied to a word line to which the selected memory transistor is connected, and a non-selected memory transistor is connected between the selected memory transistor and the first or second select transistor. Second voltage supply means for applying a pass voltage to turn on the unselected memory transistor to the word line;
The nonvolatile semiconductor memory device according to claim 1, further comprising:
上記第1の電圧供給手段および上記第2の電圧供給手段は、上記第1の電圧、上記第2の電圧および上記書き込み電圧を制御し、上記選択されたメモリトランジスタにチャネルを形成し、チャネル内を加速する電荷を一方のチャネル端付近から上記電荷蓄積膜に注入させて上記第1のデータを書き込み、上記電圧の切り替えにより上記第1のデータを書き込んだ時と反対側のチャネル端付近から電荷を注入して上記第2のデータを書き込む
請求項3に記載の不揮発性半導体メモリ装置。
The first voltage supply means and the second voltage supply means control the first voltage, the second voltage, and the write voltage, form a channel in the selected memory transistor, and The first data is written by injecting the charge accelerating into the charge storage film from the vicinity of one channel end, and the charge is applied from the vicinity of the channel end on the opposite side to the time when the first data is written by switching the voltage. 4. The non-volatile semiconductor memory device according to claim 3, wherein said second data is written by injecting data.
上記第1の電圧供給手段および上記第2の電圧供給手段は、上記第1のデータが書き込まれた側、上記第2のデータが書き込まれた側の少なくとも一方の側で上記選択されたメモリトランジスタのゲートとソースまたはドレインとの間に第3の電圧を印加し、上記第1のデータの記憶領域、上記第2のデータの記憶領域の少なくとも一方に上記書き込み時と逆極性の電荷を上記半導体の側から注入することによって、記憶されているデータを消去する
請求項4に記載の不揮発性半導体メモリ装置。
The first voltage supply means and the second voltage supply means may include a memory transistor selected on at least one of a side on which the first data is written and a side on which the second data is written. A third voltage is applied between the gate and the source or drain of the semiconductor device, and a charge having a polarity opposite to that of the write operation is applied to at least one of the first data storage area and the second data storage area. 5. The nonvolatile semiconductor memory device according to claim 4, wherein stored data is erased by injecting the data from the side of the nonvolatile semiconductor memory.
上記第1の電圧供給手段と上記第2の電圧供給手段は、上記第1のデータまたは上記第2のデータの書き込み時に、上記第1および第2のセレクタトランジスタのゲート、上記非選択のメモリトランジスタのゲート、および上記選択されたメモリトランジスタのゲートにそれぞれ電圧を印加した後に、上記第1の電圧と上記第2の電圧の少なくとも一方を上記第1の上部配線または上記第2の上部配線に印加する
請求項4に記載の不揮発性半導体メモリ装置。
The first voltage supply means and the second voltage supply means, when writing the first data or the second data, use the gates of the first and second selector transistors, the non-selected memory transistor After applying a voltage to each of the gate of the selected memory transistor and the gate of the selected memory transistor, at least one of the first voltage and the second voltage is applied to the first upper wiring or the second upper wiring. The nonvolatile semiconductor memory device according to claim 4, wherein:
独立にオンとオフが制御される第1および第2のセレクトトランジスタ、当該セレクトトランジスタの間に縦続接続されている複数のメモリトランジスタをそれぞれ含むトランジスタ列について、
非選択のメモリトランジスタのゲートに当該非選択のメモリトランジスタをオンさせるパス電圧を印加するステップと、
選択されたメモリトランジスタのゲートに書き込み電圧を印加するステップと、
オン状態の上記第1および第2のセレクトトランジスタの一方の側から第1の電圧を上記トランジスタ列に供給するステップと、
オン状態の上記第1および第2のセレクトトランジスタの他方の側から第2の電圧を上記トランジスタ列に供給するステップと、
を有し、
上記パス電圧、上記書き込み電圧、上記第1の電圧および上記第2の電圧を印加する各ステップを、上記第1の電圧を印加する側と上記第2の電圧を印加する側を相互に切り替えながら繰り返し、上記選択されたメモリトランジスタに対し第1のデータと第2のデータを独立に書き込む
不揮発性半導体メモリ装置のデータ書き込み方法。
First and second select transistors whose on and off are independently controlled, and a transistor row including a plurality of memory transistors cascaded between the select transistors, respectively.
Applying a pass voltage to turn on the unselected memory transistor to the gate of the unselected memory transistor;
Applying a write voltage to the gate of the selected memory transistor;
Supplying a first voltage to the transistor array from one side of the first and second select transistors in an on state;
Supplying a second voltage to the transistor array from the other side of the first and second select transistors in an on state;
Has,
The steps of applying the pass voltage, the write voltage, the first voltage, and the second voltage are performed while switching between the side to which the first voltage is applied and the side to which the second voltage is applied. A data writing method for a non-volatile semiconductor memory device in which first data and second data are repeatedly written into the selected memory transistor independently.
上記第1のデータの書き込みおよび上記第2のデータの書き込みでは、上記第1および第2の電圧の供給の少なくとも一方のステップを、上記パス電圧を印加するステップ、上記書き込み電圧を印加するステップの後に行う
請求項7に記載の不揮発性半導体メモリ装置のデータ書き込み方法。
In the writing of the first data and the writing of the second data, at least one of the steps of supplying the first and second voltages includes the step of applying the pass voltage and the step of applying the write voltage. 8. The data writing method for a nonvolatile semiconductor memory device according to claim 7, which is performed later.
上記メモリトランジスタは、
半導体の上に積層されている複数の誘電体膜からなり当該積層された複数の誘電体膜内に電荷を蓄積する電荷蓄積膜と、
上記電荷蓄積膜の上に形成されているゲート電極と、
を有する
請求項7に記載の不揮発性半導体メモリ装置のデータ書き込み方法。
The memory transistor is
A charge storage film comprising a plurality of dielectric films stacked on the semiconductor and storing charge in the plurality of stacked dielectric films,
A gate electrode formed on the charge storage film;
8. The data writing method for a nonvolatile semiconductor memory device according to claim 7, comprising:
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