JP2005012219A - Sonosメモリ素子及びそのデータ消去方法 - Google Patents

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    • H01L29/66833Unipolar field-effect transistors with an insulated gate, i.e. MISFET with a charge trapping gate insulator, e.g. MNOS transistors

Abstract

【課題】 SONOSメモリ素子及びそのデータ消去方法を提供する。
【解決手段】 少なくとも一つのビットラインに接続された第1及び第2電極のうち少なくとも一つの電極とワードラインに接続されたゲート電極間の高電界によって発生するホットホールがトンネル酸化膜エネルギー障壁を越えて窒化膜に注入されることによってデータが消去されることを特徴とするSONOSメモリ素子のデータ消去方法である。本発明によれば、データ消去速度を向上させるとともに信頼性の高いデータ消去のできるメモリ素子を提供することができる。
【選択図】 図6

Description

本発明はSONOS(Silicon/Oxide/Nitride/Oxide/Silicon)メモリ素子及びそのデータの記録と消去方法に係り、さらに詳細にはホットホールを利用して消去速度を向上させたSONOSメモリ素子及びそのデータ消去方法に関する。
図1A及び図2Aは、一般的なSONOSフラッシュEEPROM(Electrically Erasable and Programmable Read Only Memory)のメモリセルでデータの記録及び消去の原理を概略的に示す図面である。図1B及び図2Bは、図1A及び図1Bに示されたEEPROMのメモリセルでデータの記録及び消去時にエネルギー準位を概略的に示す図面である。
図1A及び図2Aを参照すれば、SONOSフラッシュEEPROMは、p−Si基板1と基板1に形成されるソース電極2及びドレイン電極3と、基板1の上面に積層されるトンネル酸化膜4と、トンネル酸化膜4の上面に積層される窒化膜5と、当該窒化膜5の上面に形成されるブロッキング酸化膜6と、当該ブロッキング酸化膜6の上面に形成されるPoly−Siゲート電極7と、を含む。SONOSフラッシュメモリでトンネル酸化膜4と窒化膜5及びブロッキング酸化膜6は、一般的にONO(Oxide/Nitride/Oxide)膜と通称される。
図1A及び図1Bを参照すれば、SONOSフラッシュEEPROMにデータを記録するために、p−Si基板1を接地させ、ゲート電極7に所定の正電圧(VG>0)を印加する。それにより、基板1とゲート電極7間に電界が形成され、トンネル酸化膜4を横切るFN(Fowler−Nordheim)電流が発生する。
前記FN電流によってソース電極2及びドレイン電極3間のチャンネルを進んでいる電子e(チャンネル電流)は、トンネル酸化膜4のエネルギー障壁をトンネリングして窒化膜5に注入される。ナイトライト膜5にいったん保存された電子eは、ブロッキング酸化膜6のエネルギー障壁によって移動が阻止されて窒化膜5中にトラップされることによってメモリセルにデータが記録されることとなる。
図2A及び図2Bを参照すれば、SONOSフラッシュEEPROMに記録されたデータを消去する場合には、基板1を接地させ、ゲート電極7に所定の負電圧(Vg<0)を印加してデータ記録時と反対方向に電界を形成する。したがって、トンネル酸化膜4を横切るFN電流は記録時と反対方向に生成され、電子eは、FN電流によって窒化膜5からトンネル酸化膜4をトンネリングして基板1に移動することによってデータが消去される。
しかし、消去の実施において、FN電流を利用する場合、ゲート電極7からブロッキング酸化膜6に越える電子eによって消去速度が遅くなる現象が発生する。NORフラッシュメモリ素子の場合、記録時にCHEI(Channel Hot Electron Injection)方法を使用して局部的に電子をチャージングし、HHI(Hot Hole Injection)方法を利用して消去をする方法を一般的に利用するが、NANDフラッシュメモリの場合には、HHI方法では窒化膜の全体に広げられている電子を消去できないので、FN電流を利用した記録及び消去方法を利用してきた。
図3は、SONOSフラッシュEEPROMでFN方法を利用してデータを記録する場合、ゲート電圧の変化による記録時間としきい電圧Vthとの関係を示すグラフであり、図4は、SONOSフラッシュEEPROMでFN方法を利用してデータを消去する場合、ゲート電圧の変化による消去時間及びしきい電圧Vthの変化を示すグラフである。
図3及び図4を参照すれば、同一しきい電圧Vthでデータ消去時間がデータ記録時間より長くあらわれるので、消去速度が記録速度に比べて遅くなることが分かる。これは、ゲート電極から電子が注入される現象の生じていることが推測される。
本発明が解決しようとする課題は、消去速度が向上したSONOSメモリ素子及びその消去方法を提供することである。
前記課題を達成するために本発明は、少なくとも一つのビットラインに接続された第1及び第2電極のうち少なくとも一つの電極とワードラインに接続されたゲート電極間の高電界によって形成されるホットホールがトンネル酸化膜エネルギー障壁を越えて窒化膜に注入されることによってデータが消去されることを特徴とするSONOSメモリ素子を提供する。
前記第1及び第2電極に同一正電圧が印加され、前記ゲート電極に負電圧が印加されることが望ましい。
前記ビットラインは、前記第1及び第2電極のうち何れか一つの電極からホットホールが注入されるように何れか一つの電極に接続されているか、または前記ビットラインは、前記第1及び第2電極の各電極からホットホールが注入されるように前記第1及び第2電極に各々接続された2つのビットラインを接続させる構成とすることもできる。
前記窒化膜と前記ゲート電極間には電子のトンネリングを阻止する遮断ブロッキング酸化膜が形成される。
前記トンネル酸化膜を横切って形成されるFN電流によって前記窒化膜に電子がトンネリングされることによってデータが記録される。
前記トンネル酸化膜を横切って形成されるFN電流によって前記窒化膜にホールがトンネリングされることによってデータが消去され、この場合、前記ゲート電極に負電圧が印加される。
前記第1電極と第2電極間には約100nm未満の長さを有するチャンネルが形成されることが望ましい。
前記課題を達成するために本発明はまた、少なくとも一つのビットラインに接続された第1及び第2電極のうち少なくとも一つの電極に所定正電圧を印加する段階と、前記第1及び第2電極のうち少なくとも一つの電極から生成されるホットホールが窒化膜に注入されるようにワードラインに接続されたゲート電極に所定負電圧を印加することによって、前記第1及び第2電極のうち何れか一つの電極と前記ゲート電極間の高電界を形成する段階と、を含むことを特徴とするSONOSメモリ素子のデータ消去方法を提供する。
前記第1及び第2電極のうち何れか一つの電極に正電圧を印加し、何れか一つの電極にだけホットホールを注入できる。または、前記第1及び第2電極に接続された2つのビットラインを配置して各々正電圧を印加して両電極からホットホールを全て注入できる。
前記窒化膜と前記ゲート電極間に電子の移動を阻止するブロッキング酸化膜を形成する。
前記第1電極と第2電極間には約100nm未満の長さを有するチャンネルが形成されることが望ましい。
本発明によるSONOSメモリ素子及びそのデータ消去方法は、データを高速で消去できる。
以下、本発明の実施例によるSONOSメモリ素子の消去方法を、図面を参照して詳細に説明する。
図5Aは、本発明の実施例によるSONOSメモリ素子の構成を概略的に示す回路図である。図5Aを参照すれば、SONOSメモリ素子は、積層型ゲート構造を有する複数のメモリセルMを含む。カラム方向に配列される各メモリセルMは、MOSトランジスタの第1及び第2電極、すなわち、ソース及びドレイン電極を相互共有する形態で直列接続されている。メモリセルMのソース及びドレイン電極のうち何れか一つの電極は、選択ゲートトランジスタSGによって第1ビット線BL1に共通に接続される。
本発明の実施例によるメモリ素子では、前記第1ビット線BL1以外に別途に第2ビット線BL2を追加して第1ビット線BL1に接続していない他の一つの電極と共通に接続させる。第2ビット線BL2を別途に備えていない場合、第1ビット線BL1に接続する何れか一つの電極からのみホットホールが注入される一方、第2ビット線BL2をさらに備える場合、ソース及びドレイン電極の両電極からホットホールが注入されることとなる。
図5Bは、本発明の実施例によるSONOSメモリアレイの構成を概略的に示す回路図である。図5Bでは、積層型ゲート構造を有するメモリセルが複数のアレイ形態で配列された構造を表した。
図5Aと同様に、カラム方向に配列されるメモリセルは、MOSトランジスタの第1及び第2電極、すなわち、ソース及びドレイン電極を相互共有する形態で接続されている。第1電極、すなわち、ソース電極は、各ソースラインSL0、SL1、SL2、...と共通に接続されており、第2電極、すなわち、ドレイン電極は、各ビットラインBL0、BL1、BL2、...と共通に接続されている。そして、行方向に配列されるメモリセルのゲート電極は、ワードラインWL0、WL1、WL2、...と共通に接続されている。
ここで、図5BのソースラインSL0、SL1、SL2、...は、一種のビットラインであって、ドレイン電極と連結されたビットラインBL0、BL1、BL2、...と区別するために別途の名称で表記した。したがって、図5BのソースラインSL0、SL1、SL2、...及びビットラインBL0、BL1、BL2、...は、図5Aの第1ビットラインBL1及び第2ビスラインBL2に対応する。このような構成を通じて、特定アドレスを有するメモリセルのソース、ドレイン及びゲートに電圧を印加してデータを消去することができる。
図6は、本発明の実施例によるSONOSメモリ素子からデータを消去する原理を概略的に示す図面である。
一般的に、SONOSメモリ素子にデータを記録するためには、図1Aに示されたように第1及び第2電極、すなわちソース及びドレイン電極12,13と基板11とを接地させ、ゲート電極17に正の高電圧Vgを印加してトンネル酸化膜14にFN電流を発生させて電子をチャンネル前面からフローティングゲートである窒化膜15に注入させることによってデータを記録する。但し、ここで電子が窒化膜に注入される場合をデータの記録と称するか否かは任意的である。即ち、窒化膜に電子を注入する場合を“データの消去”と称し、電子を除去する場合(ホールを注入する状態)を“データの記録”と称することもできる。以下、窒化膜15に電子を注入する場合を“データの記録”とし、電子を除去する場合(ホールが注入された場合)を“データの消去”と表現する。
しかし、データ消去のためには窒化膜15に保存された電子を消滅させなければならない。このために、本発明の実施例によるSONOSメモリ素子で、p−ウェル型基板1を接地させ、n+型第1及び第2電極、すなわちソース及びドレイン電極12,13のうち何れか一つの電極に正電圧を印加し、ゲート電極17に負電圧を印加してソース及びドレイン電極12,13のうち何れか一つの電極とゲート電極17間に高電界を形成させる。この時、基板1のバルクに所定の正電圧を印加すれば、さらに効果的に高電界を形成することができる。
または、ソース及びドレイン電極12,13に正電圧Vs,Vdを印加すると同時に、ゲート電極17に負電圧Veを印加してソース及びドレイン電極12,13とゲート電極17間に高電界を形成させることによってホットホールhを生成する。ソース及びドレイン電極の電圧Vs,Vdは、同じ値や相異なる値を何れも利用でき、この場合にも基板1に所定正電圧を印加してさらに効果的に高電界を形成することができる。
ホットホールhは、高電界によって加速しつつトンネル酸化膜14のエネルギー障壁を越えて窒化膜15に注入される。窒化膜15に注入されたホットホールhは、電子と電気的に反応して陰電荷を相殺させることによってデータを消去する。本発明の実施例によるSONOSメモリ素子は、ホットホールを注入してデータを消去するHHI方法を使用する。効果的なデータ消去のために、HHI方法以外に従来のFN電流を利用した電子の消去を併用することもある。
従来NANDフラッシュメモリ素子でHHI方法はソース電極またはドレイン電極の近傍からの長さ40〜60nmのホール注入領域においてのみ局部的な消去だけを起こすので、データ消去に適していない面があった。しかし、本発明の実施例によるSONOSメモリ素子では、ソース及びドレイン電極12,13間のチャンネルが100nm未満と短く、ソース及びドレイン電極12,13の両側からホールが注入され、トンネル酸化膜14を通過するホットホールの全体注入長さが100nmを超えて窒化膜15の全体に広げられている電子を相殺することとなる。特に、SoC(System on Chip)でSOI(Silicon On Insulator)基板を使用する場合、トンネル酸化膜が厚いので、FN電流を利用したデータ消去方法は効率的でない。この場合、本発明のHHI方法を利用して窒化膜15の電子を効果的に消去できる。
図7Aは、本発明の実施例によるSONOSメモリ素子でドレイン電圧Vdを0Vにし、ゲート電圧Vgを−6Vに固定させた後、ソース電圧Vsを3V、4V、5Vに各々変化させる場合、消去時間としきい電圧Vthとの関係を示すグラフである。
図7Aを参照すれば、ソース電圧Vsが大きくなるほどしきい電圧Vgとの電圧差が大きくなるので、同一しきい電圧Vthで消去時間が次第に短くなることが分かる。ソース電極から注入されるホットホールの数は、ソース電圧Vsとゲート電圧Vgとの差異値に比例することが分かる。
図7Bは、本発明の実施例によるSONOSメモリ素子でドレイン電圧Vdを0Vに固定し、ソース電圧Vsを4Vに固定させた後、ゲート電圧Vgを−4V、−5V、−6Vに各々変化させる場合、消去時間としきい電圧Vthとの関係を示すグラフである。
図7Bを参照すれば、ゲート電圧Vgが大きくなるほどソース電圧Vsとの電圧差が大きくなるので、同一しきい電圧Vthで消去時間が次第に短くなることが分かる。ソース電圧Vsまたはゲート電圧Vgの変化による消去時間の変化は、図7Aに示されたグラフと図7Bに示されたグラフとで類似にあらわれ、消去速度は従来のNANDフラッシュメモリ素子の消去速度と類似にあらわれることが分かる。
図7Cは、本発明の実施例によるSONOSメモリ素子でゲート電圧Vgを−6Vに固定させ、ソース電圧Vsとドレイン電圧Vdとを各々3V、4V、5Vに同一に変化させる場合、消去時間としきい電圧Vthとの関係を示すグラフである。図7Cを参照すれば、図7A及び図7Bに示されたグラフとは違って、同一しきい電圧Vthで消去時間が顕著に短くなることが分かる。これは、ソース及びドレイン電極からホットホールを注入することが何れか一つの電極から注入することよりさらに効果的であるということを表す。
図8は、本発明の実施例によるSONOSメモリ素子にFN電流を利用してデータを記録し、HHI方法を利用して消去を実行する場合、回数としきい電圧Vthとの関係を示すグラフであり、図9は、105回を超える記録及び消去を実行した場合、保持時間としきい電圧Vthとの関係を示すグラフである。
図8は、データ記録時ゲート電圧Vgを12Vで1ms間印加し、データ消去時にゲート電圧Vgは−6V、ソース及びドレイン電圧Vs,Vdは5Vで5ms間印加した結果を示している。回数が104を超えて105に達するまで情報データ記録及び消去を実行しても、しきい電圧Vthがデータ記録時において1Vから2Vの間、またデータ消去時において−1.3Vから−1Vのあいだを維持することが分る。この結果より、本発明のSONOSメモリ素子の長期信頼性が高いことが確認できる。
図9を参照すれば、10万回のデータ記録及び消去後に保持時間が106秒を経過した時、しきい電圧の差が0.75Vを表すので、正常的なフラッシュメモリ素子の動作を表すことが分かる。本発明によるデータ消去方法は、感度限界値を0.5Vに設定する場合、有効な特性を有していることが分かる。
本発明のSONOSメモリ素子は、ソース及びドレイン電極に接続されたビットラインをさらに一つ追加し、ソース及びドレイン電極とゲート電極間に形成される高電界によってホットホールが窒化膜に注入されることによってデータを高速にかつ高い信頼性をもって消去することができる。
前記説明で多くの事項が具体的に記載されているが、それらは発明の範囲を限定するものではなく、望ましい実施例の例示として解釈されなければならない。したがって、本発明の範囲は説明された実施例によって限定されず、特許請求の範囲に記載された技術的思想によって決定されなければならない。
本発明は、その特性を向上させたメモリ素子に関するものであって、半導体メモリ装置の分野に広く利用できる。
従来SONOSフラッシュEEPROMでデータを記録する原理を概略的に示す図面である。 図1Aのエネルギー準位を示す図である。 従来SONOSフラッシュEEPROMでデータを消去する原理を概略的に示す図面である。 図2Aのエネルギー準位を示す図である。 従来のSONOSフラッシュEEPROMでゲート電圧Vgの変化による記録時間としきい電圧Vthとの関係を示すグラフである。 従来のSONOSフラッシュEEPROMでゲート電圧Vgの変化による消去時間としきい電圧Vthとの関係を示すグラフである。 本発明の実施例によるSONOSメモリ素子の構成を概略的に示す回路図である。 本発明の実施例によるSONOSメモリアレイの構成を概略的に示す回路図である。 本発明の実施例によるSONOSメモリ素子でデータを消去する原理を概略的に示す図面である。 本発明の実施例によるSONOSメモリ素子でゲート電圧Vgを固定させ、ソース電圧Vsを変化させる場合、消去時間としきい電圧Vthとの関係を示すグラフである。 本発明の実施例によるSONOSメモリ素子でソース電圧Vsを固定させ、ゲート電圧Vgを変化させる場合、消去時間としきい電圧Vthとの関係を示すグラフである。 本発明の実施例によるSONOSメモリ素子でゲート電圧Vgを固定させ、ソース電圧及びドレイン電圧Vs,Vdを変化させる場合、消去時間としきい電圧Vthとの関係を示すグラフである。 本発明の実施例によるSONOSメモリ素子で記録及び消去時、回数によるしきい電圧Vthの変化を示すグラフである。 本発明の実施例によるSONOSメモリ素子で記録及び消去時、保持時間としきい電圧Vthとの関係を示すグラフである。
符号の説明
11 基板
12 ソース電極
13 ドレイン電極
14 トンネル酸化膜
15 窒化膜
16 ブロッキング酸化膜
17 ゲート電極

Claims (15)

  1. 少なくとも一つのビットラインに接続された第1電極及び第2電極のうち少なくとも一つの電極とワードラインに接続されたゲート電極間の高電界によって形成されるホットホールがトンネル酸化膜のエネルギー障壁を越えて窒化膜に注入されることによってデータが消去されることを特徴とするSONOS(Silicon/Oxide/Nitride/Oxice/Silicon)メモリ素子。
  2. 前記第1及び第2電極に同一正電圧が印加され、前記ゲート電極に負電圧が印加されることを特徴とする請求項1に記載のSONOSメモリ素子。
  3. 前記ビットラインは、前記第1及び第2電極のうち何れか一つの電極からホットホールが注入されるように何れか一つの電極に接続されたことを特徴とする請求項1に記載のSONOSメモリ素子。
  4. 前記ビットラインは、前記第1及び第2電極の各電極からホットホールが注入されるように前記第1及び第2電極に各々接続された二つのラインを含むことを特徴とする請求項1に記載のSONOSメモリ素子。
  5. 前記窒化膜と前記ゲート電極間には電子のトンネリングを阻止するブロッキング酸化膜が形成されたことを特徴とする請求項1に記載のSONOSメモリ素子。
  6. 前記トンネル酸化膜を横切って形成されるFN電流によって前記窒化膜に電子がトンネリングされることによってデータが記録されることを特徴とする請求項1に記載のSONOSメモリ素子。
  7. 前記トンネル酸化膜を横切って形成されるFN電流によって前記窒化膜にホットホールがトンネリングされることによってデータが消去されることを特徴とする請求項1に記載のSONOSメモリ素子。
  8. 前記ゲート電極に負電圧が印加されることを特徴とする請求項7に記載のSONOSメモリ素子。
  9. 前記第1及び第2電極は、前記ゲート電極の下において隔離され当該離隔距離であるチャンネル長が約100nm未満であることを特徴とする請求項1に記載のSONOSメモリ素子。
  10. 少なくとも一つのビットラインに接続された第1及び第2電極のうち少なくとも一つの電極に所定正電圧を印加する段階と、
    前記第1及び第2電極のうち少なくとも一つの電極から生成されるホットホールが窒化膜に注入されるようにワードラインに接続されたゲート電極に所定負電圧を印加することによって、前記第1及び第2電極のうち何れか一つの電極と前記ゲート電極間の高電界を形成する段階と、を含むことを特徴とするSONOSメモリ素子のデータ消去方法。
  11. 前記第1及び第2電極のうち何れか一つの電極に正電圧を印加し、他の電極は接地させることを特徴とする請求項10に記載のSONOSメモリ素子のデータ消去方法。
  12. 前記第1及び第2電極に各々接続された二つのビットラインを配置して同一正電圧を印加することを特徴とする請求項10に記載のSONOSメモリ素子のデータ消去方法。
  13. 前記窒化膜と前記ゲート電極間に電子の移動を阻止するブロッキング酸化膜を形成することを特徴とする請求項10に記載のSONOSメモリ素子のデータ消去方法。
  14. 前記第1及び第2電極は、約100nm未満の前記チャンネル長を有することを特徴とする請求項10に記載のSONOSメモリ素子のデータ消去方法。
  15. 請求項1に記載のSONOSメモリ素子は、一つのビットラインと一つのワードラインに接続されており、
    半導体基板に前記第1電極と前記第2電極が形成されかつ前記ビットラインに接続され、
    前記トンネル酸化膜が前記基板上に形成され、
    前記窒化膜は前記トンネル酸化膜上に形成され、
    前記ブロッキング酸化膜は前記窒化膜上に形成され、
    前記ゲート電極は前記ブロッキング酸化膜状に形成されかつ前記ワードラインに接続されている前記基板に形成された半導体装置を構成していることを特徴とするSONOSメモリ素子。
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