JP2005064217A - Method of erasing nonvolatile semiconductor memory - Google Patents
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Abstract
Description
この発明は、不揮発性半導体記憶装置に書き込まれたビットデータを消去する消去方法に関する。 The present invention relates to an erasing method for erasing bit data written in a nonvolatile semiconductor memory device.
近年、従来のフラッシュメモリのフローティングゲートに代えて電導性の低い窒化膜等の電荷トラップ層を形成し、この電荷トラップ層のソース側およびドレイン側に別々に電荷を注入することによって、1つのメモリセルに2ビットの情報を記録可能にした不揮発性半導体メモリが提案されている(たとえば特許文献1)。 In recent years, a charge trap layer such as a low-conductivity nitride film is formed in place of the floating gate of a conventional flash memory, and charges are separately injected into the source side and the drain side of the charge trap layer. There has been proposed a nonvolatile semiconductor memory that can record 2-bit information in a cell (for example, Patent Document 1).
すなわち、この不揮発性半導体メモリは、ソース/ドレイン間に電圧を印加したときにこれが導通するか否かに影響を与えるのは、チャネル領域のうち電子放出(ソース)側の一部領域であることに着目し、電荷トラップ層のソース側領域に電荷を注入することによって、1ビットを記憶する。また、電極を逆に接続すればドレインが電子放出側になるため、電荷トラップ層のドレイン側領域に電荷を注入することによって、ドレインを接地してソースに負電圧(Vdr)を印加する逆向きの接続で読み出される1ビットを記憶する。このように、電荷トラップ層の両側の一部領域に別々に電荷を注入し、読出時には、印加する電圧の方向を逆転させて、すなわちチャンネル領域を挟んで対向する2つの領域におけるソース/ドレインとしての役割を逆転させて電荷トラップ層の両側に蓄積された電荷を別々に読み出すことにより、2ビットの情報の記録・読み出しを可能としている。 In other words, in this nonvolatile semiconductor memory, it is a partial region on the electron emission (source) side in the channel region that affects whether or not it is turned on when a voltage is applied between the source and drain. 1 bit is stored by injecting charges into the source side region of the charge trap layer. In addition, if the electrodes are connected in reverse, the drain becomes the electron emission side. Therefore, by injecting charges into the drain side region of the charge trap layer, the drain is grounded and a negative voltage (Vdr) is applied to the source. 1 bit read by the connection is stored. In this way, charges are separately injected into partial regions on both sides of the charge trap layer, and at the time of reading, the direction of the applied voltage is reversed, that is, as source / drain in two regions facing each other across the channel region By reversely reading the charge accumulated on both sides of the charge trapping layer by reversing the role of, it is possible to record / read 2-bit information.
図23を参照しながら、この不揮発性半導体メモリの構成及びデータの書き込み/読み出しの動作について簡単に説明する。同図に示すように、不揮発性半導体メモリ(メモリセル)100は、p型シリコン半導体基板101の表面領域に形成されたソース/ドレインとして機能する1対のn型領域102,103と、当該n型領域102,103間のチャネル領域上に形成されたトンネル酸化膜104、電荷トラップ層105、シリコン酸化膜106およびゲート電極107を有している。ここで、電荷トラップ層105はシリコン窒化膜で構成されている。
The configuration of this nonvolatile semiconductor memory and the data write / read operation will be briefly described with reference to FIG. As shown in the figure, a non-volatile semiconductor memory (memory cell) 100 includes a pair of n-
この不揮発性半導体メモリ100は、電荷トラップ層105の両端部の左右のプログラム領域108、109にそれぞれ独立して電子をトラップし、これら左右のプログラム領域108、109にそれぞれ電荷が注入されているか否か(プログラム/イレース)により、それぞれ1ビット、合計2ビットのデータを記録することが可能である。電荷の注入(プログラム)は、トンネル酸化膜104を介して電荷トラップ層105に電荷が注入されることによって行われる。電荷の注入はチャネルホットエレクトロン(CHE)によって行われる。
The
たとえば、右のプログラム領域109をプログラムする場合には、ソースを0V、ドレインを5V程度としてソース/ドレイン間に電位差を生じさせ、ゲート107に高電圧(10V程度)を印加してソース/ドレイン間にチャネル110を形成する。ここで、形成されたチャネル110の範囲l1 は同電位であり電界は生じない。チャネル110が形成されていない範囲l2ではソース/ドレイン間の電位差に起因して電界が生じるため、この範囲l2においてチャネルホットエレクトロン(CHE)が発生し、右のプログラム領域109に電子がトラップされる。
For example, when programming the
右のプログラム領域109のビットデータを読み出す場合には、ゲート107に読出電圧Vgreadを印加するとともに、プログラムの場合と逆方向の電圧Vdreadをソース/ドレイン間に印加する。なお、このときの電圧絶対値はプログラム時に比べて低く、Vdread=1.5V,Vgread=3V程度である。このとき、右のプログラム領域109に電子がトラップされている場合には、この電荷によるしきい値の上昇によりプログラム領域109の下層でチャネルが形成されず、ソース/ドレイン間がオンしない。一方、プログラム領域109に電子がトラップされていない場合にはソース/ドレイン間にチャネルが形成されてオンする。このように、プログラム領域109側のn型領域をソースとし、対向するn型領域をドレインとして用いることにより、プログラム領域109のビットを読み出すことができる。
When reading the bit data in the
なお、プログラム領域109に電子がトラップされていても、プログラム時と同じ方向に電圧を印加した場合には、ドレイン近傍の109領域下の空乏化によりソース/ドレイン間がオンするため、この方向の読み出し動作にプログラム領域109の電荷トラップの有無は影響を与えない。
Even if electrons are trapped in the
左側のプログラム領域108へのプログラムおよびビットデータの読み出しも上記と逆の手法で同様に行うことができ、上述したように、左右のプログラム領域への電荷の注入はそれぞれ独立して行うことができ、且つ、左右いずれか一方のプログラム領域に対する読み出し動作時に他方のプログラム領域の電荷トラップの有無は影響を与えないため、この1つのメモリセル内の左右のプログラム領域にそれぞれ1ビットずつのデータを記録・読み出しすることができる。
The program and bit data can be read into the
上記のようにプログラム領域109に電子(負電荷)を注入してプログラムする方式の場合、電子を引き抜くことによって消去(イレーズ)を行う。メモリの消去は、セル毎に行うのではなく、チップ全体またはブロック(一般的には512ビット)単位で行うようになっているが、各メモリセルの特性にバラツキがあるため、同時に消去処理をした場合、電荷消去の進行にそれぞれバラツキが生じる。電荷蓄積層から負電荷を引き抜くとしきい値電圧が低下するが、バラツキにより負電荷の消去が行き過ぎて正電荷がチャージされデプレッション化してしまうメモリセルが発生してしまう(オーバーイレーズ)という問題点があった。
In the case of a program method in which electrons (negative charges) are injected into the
この問題点に対応するため、また、書き込みおよび消去の信頼性を向上するため、電荷蓄積層にホール(正電荷)を注入してプログラムし、電子(負電荷)を注入して消去するようにした不揮発性半導体メモリセルが提案されている(非特許文献1)。
上記非特許文献によれば、消去動作として基板ホットエレクトロン注入を用いるとデータ保持特性の信頼度が低いため、FN(Fowler Nordheim)トンネルによる電子の注入で消去を行うことが提案されている。しかしながら、FNトンネルによる電子注入動作には、高い電圧(上記非特許文献1では+12V)が必要であり、このような高い電圧を取り扱うトランジスタには厚いゲート酸化膜を必要とし、そのためにトランジスタ自身の性能は劣ったものとなる。また外部から供給される電源電圧(例えば+3.3V)からこのような高電圧を発生させるための昇圧回路で消費される電力が大きくなってしまうという問題点があった。
According to the above non-patent literature, since the reliability of data retention characteristics is low when substrate hot electron injection is used as the erasing operation, it is proposed to perform erasing by electron injection through an FN (Fowler Nordheim) tunnel. However, the electron injection operation by the FN tunnel requires a high voltage (+12 V in
この発明は、FNトンネルによる電子注入よりも低電圧で動作させることができる基板ホットエレクトロン注入を用い、且つ信頼性の高い消去動作を実行することのできる不揮発性半導体記憶装置の消去方法を提供することを目的とする。 The present invention provides a method for erasing a nonvolatile semiconductor memory device that uses substrate hot electron injection that can be operated at a lower voltage than electron injection through an FN tunnel and that can perform a highly reliable erase operation. For the purpose.
この発明は、p型ウェル表面に所定間隔を開けて形成された一対のn型拡散層領域と、この一対のn型拡散層領域に挟まれたチャネル領域の上方にトンネル酸化膜を介して形成された不導体の電荷トラップ層と、前記電荷トラップ層の上方に絶縁膜を介して形成されたゲート電極とを含のメモリセルに対して、
前記電荷トラップ層に正電荷をトラップすることよってプログラムを行うとともに、基板ホットエレクトロン注入によって負電荷を注入することにより消去を行う方法であって、
前記基板ホットエレクトロン注入時に、前記ゲート電極と前記一対のn型拡散層領域との電位差を、前記一対のn型拡散層領域と前記p型ウェル内またはp型ウェルに隣接して形成されたn型エミッタ電極との電位差よりも大きく設定したことを特徴とする。
In the present invention, a pair of n-type diffusion layer regions formed on the surface of a p-type well at a predetermined interval and a channel region sandwiched between the pair of n-type diffusion layer regions are formed via a tunnel oxide film. A non-conductive charge trap layer and a gate electrode formed above the charge trap layer with an insulating film interposed therebetween,
A method of performing programming by trapping positive charges in the charge trapping layer and erasing by injecting negative charges by substrate hot electron injection,
At the time of the substrate hot electron injection, the potential difference between the gate electrode and the pair of n-type diffusion layer regions is determined so that the n is formed in the pair of n-type diffusion layer regions and the p-type well or adjacent to the p-type well. It is characterized in that it is set larger than the potential difference with the type emitter electrode.
また、この発明は、前記エミッタ電極として前記p型ウェルの周囲および底部に形成されたボトムn型ウェルを用いたことを特徴とする。 The present invention is characterized in that a bottom n-type well formed around and at the bottom of the p-type well is used as the emitter electrode.
また、この発明は、前記エミッタ電極として用いるボトムn型ウェルの電位を接地電位としたことを特徴とする。 The present invention is characterized in that the potential of the bottom n-type well used as the emitter electrode is a ground potential.
この発明によれば、不導体である電荷トラップ層へ正電荷を注入して書き込まれたメモリセルに対して、基板ホットエレクトロン注入で消去を行うことができるため、低い動作電圧で消去動作を実行することができる。また、このとき、引き込み電圧(n型拡散層領域(ソース、ドレイン)とゲート電極との電位差)を加速電圧(n型拡散層領域とエミッタとの電位差)よりも大きくしたことにより、信頼性の高い消去動作を実現することができる。 According to the present invention, the erase operation can be performed at a low operating voltage because the memory cell written by injecting the positive charge into the non-conductor charge trap layer can be erased by the injection of the substrate hot electrons. can do. At this time, since the pull-in voltage (potential difference between the n-type diffusion layer region (source and drain) and the gate electrode) is made larger than the acceleration voltage (potential difference between the n-type diffusion layer region and the emitter), reliability is improved. A high erase operation can be realized.
また、ボトムnウェルをエミッタ電極として用いたことにより、全体を均一に消去することができる。 Further, by using the bottom n-well as the emitter electrode, the whole can be erased uniformly.
また、この場合において、ボトムnウェルを接地電位としたことにより、一般的に接地されているp型基板との間に電流が流れず、消去効率を低下させることがない。 Further, in this case, since the bottom n-well is set to the ground potential, no current flows between the p-type substrate and the erasure efficiency, which is generally grounded.
図面を参照してこの発明の実施形態について説明する。
図1はこの発明の実施形態であるNチャンネルMONOSメモリセルの構造図である。p型半導体基板10の表面付近には、2重のウェル(ボトムn型ウェル11、p型ウェル12)が形成され、このp型ウェル12の表面付近に所定の間隔を開けてn型拡散領域13、14が形成されている。このメモリセルの動作時(読出時)において、n型拡散領域13、14は、一方がソースとして機能し、他方がドレインとして機能するが、後述するように、このメモリセルはビットデータを書き込むプログラム領域を左右2つ有するため、そのいずれを読み出すかによりどちらがソースまたはドレインの機能を担当するかは交代する。
Embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
FIG. 1 is a structural diagram of an N-channel MONOS memory cell according to an embodiment of the present invention. Double wells (bottom n-
p型ウェル12内の前記2つのn型拡散領域13、14の間に位置する領域がチャネル領域20である。このチャネル領域20の上方にこのチャネル領域20を覆うように3層のONO膜およびゲート電極18が形成されている。ONO膜は、酸化シリコンからなるトンネル酸化膜15、窒化シリコンからなり、注入された電荷(電子)を蓄積する電荷トラップ層16、および、酸化シリコンからなる絶縁膜17からなっている。これら3層の膜厚はそれぞれ5〜8nm程度である。また、ゲート電極18は、ポリシリコンで構成されている。
A region located between the two n-
なお、この構成のメモリセルでメモリセルアレイを構成する場合には、X方向のメモリセルのゲート電極18を一体に形成してワード線を兼ねさせ、たとえば図2や図8(B)のような構成になる。
When a memory cell array is constituted by the memory cells having this configuration, the
以上の構造のNチャネルMONOSメモリセルでは、電荷トラップ層16として窒化膜を用いている。窒化膜は電気伝導性が低いため、トラップされた電荷が膜内で移動せずトラップされた位置に留まる。
In the N-channel MONOS memory cell having the above structure, a nitride film is used as the
以上の構造のNチャネルMONOSメモリセルの動作について説明する。
電荷トラップ層16への電荷(電子)の注入(書き込み:プログラム)は、ゲート電極18と一方のn型拡散領域13または14の間に正負の高電圧を印加することによるBBHH(Band-to-Band tunneling induced Hot Hole)注入で行う。BBHH注入において、ホールは、n型拡散領域13または14付近から電荷トラップ層16に注入され、電荷トラップ層16内の左側プログラム領域16Lまたは右側プログラム領域16Rにトラップされる。トラップされた電荷は反対側に移動しない。
The operation of the N-channel MONOS memory cell having the above structure will be described.
Charge (electron) injection (writing: programming) into the
すなわち、書き込み時にどちらのn型拡散領域13、14に負の高電圧を印加するかによって、左右どちらのプログラム領域16L,Rに書き込みを行うかを選択することができる。また、読み出し時には(後述するように)、n型拡散領域13、14のどちらをソース/ドレインとして機能させるかによって、左右どちらのプログラム領域16L,Rを読み出すかを選択することができる。
That is, depending on which n-
したがって、左右のプログラム領域16L,Rは、それぞれ独立したプログラム領域として機能し、これによって、このPチャネルMONOSメモリセルでは1つのメモリセルで2ビットのデータを記憶することが可能である。 Therefore, the left and right program areas 16L and R function as independent program areas, respectively, whereby it is possible to store 2-bit data in one memory cell in this P-channel MONOS memory cell.
以下、この書き込みおよび読み出し動作について詳細に説明する。ここでは、左側プログラム領域16Lへの書き込みおよび読み出し動作について説明する。 Hereinafter, the writing and reading operations will be described in detail. Here, writing and reading operations to the left program area 16L will be described.
電荷トラップ層16への電荷の注入は、ゲート電極18に負の高電圧(Vgw)を印加するとともにn型拡散領域13に正の高電圧(Vdw)を印加したときに生じる空乏層の高電界を利用したバンド間トンネリングによるホットホール(BBHH:Band-to-Band tunneling induced Hot Hole)注入で行う。このときドレイン14は開放または接地状態にし、n型ウェル11は接地する。Vgwは−10V程度、Vdwは5V程度が好適である。
Charge injection into the
この電位配置にすることにより、図3に示すようにn型拡散領域13とn型ウェル11との接合面に空乏層の領域21が発生するとともに、n型拡散領域13内でバンド間トンネリング(BTBT)によるホール(正孔)が生成される。このホールが、空乏層領域21の強電界によって加速され高エネルギを持ったホットホールとなる。その一部がゲート電極18に印加された負電圧に吸引されて、トンネル酸化膜15を乗り越えて電荷トラップ層16に注入される。
With this potential arrangement, a
この電荷の注入は、n型拡散領域13/14間すなわちソース/ドレイン間がオフしている状態で行われるため、Vdwとして適当な電圧(5V前後)を印加することにより、10-2程度の注入効率を確保することができる。
This charge injection is performed in a state where the n-
n型拡散領域13を用いたBBHH注入による電荷は、電荷トラップ層16の左側プログラム領域16Lに保持される。
The charge due to the BBHH injection using the n-
ここで、NチャネルMONOSメモリセル(FET)は、ゲート電極に正電圧を印加したときにオンするが、ゲート電極とチャネル領域との間にある電荷トラップ層に正電荷がトラップ(書き込み:プログラム)されると、図4に示すようにゲート電極のしきい値電圧Vthが見かけ上低下する。ここで、書き込みが行われたビット(メモリセル)のしきい値の分布が、消去(イレース)が行われたビットのしきい値の分布よりも狭いのは、書き込みはビット毎に行うため、各ビットのしきい値を細かく調整しながら書き込むことができるが、消去はメモリ全体またはブロック単位で行うため各ビット毎の調整ができずばらつきが生じるためである。なお、消去は電荷トラップ層16への電子(負電荷)の注入によって行い、これによってメモリセルのしきい値は上昇する。
Here, the N-channel MONOS memory cell (FET) is turned on when a positive voltage is applied to the gate electrode, but positive charge is trapped in the charge trap layer between the gate electrode and the channel region (writing: programming). As a result, the threshold voltage Vth of the gate electrode apparently decreases as shown in FIG. Here, the threshold distribution of the bit (memory cell) to which writing has been performed is narrower than the threshold distribution of the bit to which erasing (erasing) has been performed, because writing is performed for each bit. Writing can be performed while finely adjusting the threshold value of each bit. However, since erasing is performed in the whole memory or in units of blocks, adjustment cannot be made for each bit, resulting in variations. Note that erasing is performed by injecting electrons (negative charges) into the
このように、ホール注入でプログラムされるNチャネルMONOSメモリセルでは、消去がしきい値が上昇する方向に行われるため、しきい値がばらついてもオーバーイレースという現象は生じ得ない。 Thus, in the N-channel MONOS memory cell programmed by hole injection, erasing is performed in the direction in which the threshold value rises. Therefore, even if the threshold value varies, the phenomenon of over-erasing cannot occur.
上記構成において、p型ウェル12およびボトムn型ウェル11は、512k個程度のメモリセルを1ブロックとして区画されており、消去はこのブロックを単位として行われる。
In the above configuration, the p-
上記の動作で書き込まれる左側プログラム領域16Lを読み出すには、図5に示すように、n型拡散領域13を接地し、n型拡散領域14にVdrを印加する。Vdrは1.5〜2V程度が好適である。すなわちこのとき、n型拡散領域13はソースとして機能し、n型拡散領域14はドレインとして機能する。以下この読出動作の説明においては、左側のn型拡散領域13をソースと呼び、右側のn型拡散領域14をドレインと呼ぶこととする。
In order to read the left program area 16L written by the above operation, the n-
この状態でゲート電極18に読出電圧Vgrを印加する。このゲート電圧Vgrは、図4に示す消去時のしきい値Vth(e)と書込時のしきい値Vth(p)の間の電圧になるように設定する。これにより、ゲート電圧を印加したとき、左側プログラム領域16Lの書き込みの有無によってソース/ドレイン間のオン/オフが決定される。すなわち、ソース/ドレイン間がオンするか否かで左側プログラム領域16Lが書き込みされているか否かのビットデータ(レフトビット)を読み出すことができる。
In this state, a read voltage Vgr is applied to the
左側プログラム領域16Lが書き込みされているとき(電荷がトラップされているとき)は、ゲート電極18に読出電圧Vgrを印加したとき、左側プログラム領域16Lに蓄積されている正電荷が加算されてしきい値電圧を超え、チャネル領域20のソース13側が正電位となってチャネルが形成され、ソース/ドレイン間が導通してオンする。このときのビットデータを“0”とする。
When the left program area 16L is written (when charge is trapped), the positive charge accumulated in the left program area 16L is added to the threshold when the read voltage Vgr is applied to the
一方、左側プログラム領域16Lが書き込みされていないとき(電荷が蓄積されていないとき)は、ゲート電極に読出電圧Vgrを印加しても、ソース/ドレイン間のチャネル領域20が正電位とならずチャネル領域20にチャネルが形成されない。このためソース/ドレイン間は導通せずオフのままである。このときのビットデータを“1”とする。
On the other hand, when the left program region 16L is not written (when charge is not accumulated), the
なお、この左側プログラム領域16Lの読出動作時において、右側プログラム領域16Rに書き込みがされていない場合に、この左側プログラム領域16Lの読出結果(オン/オフ)に影響を及ぼさないのは当然であるが、右側プログラム領域16Rの書き込みがされていても、ドレイン側のチャネル領域20が空乏化するため導通が維持され、左側プログラム領域16Lの読出結果に影響を及ぼさない。
In the read operation of the left program area 16L, if the right program area 16R is not written, it is natural that the read result (ON / OFF) of the left program area 16L is not affected. Even if the right side program region 16R is written, the
次に、電荷トラップ層16から電荷を除去する消去動作について説明する。消去動作は、メモリ全体またはブロック単位で行われるが、ここでは1つのメモリセルについてその消去動作を説明する。
Next, an erase operation for removing charges from the
消去は基板ホットエレクトロン注入で行う。図6は基板ホットエレクトロン注入による消去動作を説明する図である。この消去動作では、ゲート電極18に高電圧(10V程度)を印加して電荷トラップ層16に強い電界が生じるようにしている。これにより、電荷トラップ層16の浅いエネルギ準位にトラップされた電子をゲート電極18側に引き抜き、深いエネルギ準位にトラップされた電子のみで消去動作が行われるようにしている。
Erasing is performed by substrate hot electron injection. FIG. 6 is a diagram for explaining an erasing operation by substrate hot electron injection. In this erasing operation, a high voltage (about 10 V) is applied to the
また、これによりnウェル11およびpウェル12にそれほど高い電圧を印加しなくても、ゲート18の高電圧によって電子が加速されホットエレクトロン化することができる。基板ホットエレクトロン注入による消去動作の電位分布は以下のとおりである。ゲート電極18に10V程度の負の正電圧Vgeを印加し、ソース13、ドレイン14に3.3V程度の正電圧V2 を印加し、p型ウェル12には+1V程度の正電位VB 、n型ウェル11の電位V1 は0Vを印加する。p型基板10はGNDに接地されているので、この電位配置により、エミッタから基板側へのリーク電流が流れない。そして、各電圧の関係が、
|Vge−V2|>|V2 −V1 |
となるようにする。このように電圧を印加することにより、p型ウェル11、nウェル12およびn型拡散領域(ソース、ドレイン)13、14がnpnバイポーラトランジスタとして機能し、n型ウェル11からソース13、ドレイン14に向けて電子が放出される。一方、ゲート電極18には正の高電圧が印加されているため、電子の一部はゲート電極方向に引き寄せられトンネル酸化膜15を通過して電荷トラップ層16に突入する。この電子の負電荷によりホールの正電荷がキャンセルされ、その結果電荷トラップ層16の電荷はイレースされる。
In addition, this allows electrons to be accelerated and converted to hot electrons by the high voltage of the
| Vge−V 2 | >> | V 2 −V 1 |
To be. By applying the voltage in this manner, the p-
この消去動作は、1ブロック(512k個)のメモリセルにおいてライトビット、レフトビット共通に行われる。 This erase operation is performed in common for the write bit and the left bit in one block (512k) of memory cells.
ここで、レフトビットのプログラム、読み出し、ライトビットのプログラム、読み出しおよび消去(イレース)の電圧印加条件を図7にまとめて示しておく。 Here, voltage application conditions for left bit program, read, write bit program, read, and erase (erase) are collectively shown in FIG.
ここで、図8、図9を参照して上記メモリセルを複数配列したメモリセルアレイについて説明する。このメモリセルアレイはVGA(バーチャル・グラウンド・アレイ)型の接続形態になっている。図8(A)はメモリセルアレイの断面斜視図、同図(B)はそのうちの1つのメモリセルの構成を示す図、図9はその等価回路である。図8(A)において、破線は各メモリセルの境界を示す仮想的な線である。また、図10の等価回路には、書き込み時の各ワード線、カラム線への印加電圧を示している。 Here, a memory cell array in which a plurality of the memory cells are arranged will be described with reference to FIGS. This memory cell array has a VGA (virtual ground array) type connection form. 8A is a cross-sectional perspective view of the memory cell array, FIG. 8B is a diagram showing the configuration of one of the memory cells, and FIG. 9 is an equivalent circuit thereof. In FIG. 8A, the broken line is a virtual line indicating the boundary of each memory cell. Further, the equivalent circuit of FIG. 10 shows the voltage applied to each word line and column line at the time of writing.
p型ウェル12の表面に所定間隔を開けてY方向の複数のn型線状領域30がストライプ状に形成されている。このn型線状領域30はメモリセルの境界をまたいで形成されており、1本のn型線状領域30がX方向に隣接する2つのメモリセルのn型拡散領域13、14(ソース、ドレイン)を兼ねるとともにカラム線を兼ねている。このカラム線は、Yゲートとの接続に応じてビット線としても、ソース線としても機能する。
A plurality of n-type
ワード線31は、上記n型線状領域30と直交するようにX方向にストライプ状に形成されていて、各メモリセルのチャネル領域20の上方でゲート電極18を兼ねている。また、このワード線31と半導体基板(n型拡散領域13、14、チャネル領域20)との間にONO膜32が形成されている。このONO膜32もワード線31と同様に、X方向に連続的に形成されている。このONO膜32のうち、チャネル領域20上方の区間はトンネル酸化膜15、電荷トラップ層16および絶縁膜17として機能し、n型拡散領域13、14上方の区間は層間絶縁膜として機能する。
The
なお、この実施形態では、ONO膜32をワード線31と同様にX方向にストライプ状に形成しているが、ONO膜32は導電膜でないため、メモリセルアレイ全体に形成してもよい。このようにすることにより、ONO膜32をストライプ状にエッチングする処理プロセスを省略することができる。
In this embodiment, the
このようにこのメモリセルアレイでは、1本のn型線状領域(カラム線)30が、X方向に隣接する2つのメモリセルのn型拡散領域13,14を兼ねるため、メモリの構成が簡略化され、高集積化が可能である。また、この構成のメモリセルアレイでは、各メモリセルへの書き込み時に以下のような処理が必要である。
Thus, in this memory cell array, one n-type linear region (column line) 30 serves as the n-
目的のメモリセルの左側プログラム領域16L(レフトビット)への書き込み時には、図3に示すように、このメモリセルのゲート電極18となるワード線30(WLn)にVgwを印加するとともに、このメモリセルのn型拡散領域(ソース)13となるカラム線31にVdwを印加してBBHH注入を行うが、上記のように、この書き込みを行うメモリセルのn型拡散領域(ソース)13は、その左隣のメモリセルのn型拡散領域(ドレイン)14と共通化されており、且つVgwが印加されるワード線31は共通であるため、このままでは目的のメモリセルの左側プログラム領域16Lに書き込みを行うと同時に、その左隣のメモリセルの右側プログラム領域16R(ライトビット)にも書き込みが行われてしまう。
At the time of writing to the left program area 16L (left bit) of the target memory cell, as shown in FIG. 3, Vgw is applied to the word line 30 (WLn) serving as the
そこで、この実施形態では、図9および図10に示すように、書き込みを行うメモリセルの左隣のメモリセルにおいてVdwが印加されるn型拡散領域に対向するn型拡散領域であるn型拡散領域13に対して、書込阻止電圧を印加して、この左隣のメモリセル(のライトビット)に書き込みが行われるのを阻止している。図10では、左隣のメモリセルのn型拡散領域13に書込電圧Vdwの半分(Vdw/2)程度の書込阻止電圧を印加している。
Therefore, in this embodiment, as shown in FIGS. 9 and 10, an n-type diffusion which is an n-type diffusion region facing the n-type diffusion region to which Vdw is applied in the memory cell on the left side of the memory cell to be written. A write blocking voltage is applied to the
そうすると、この左隣のメモリセル内では左右のn型拡散領域13、14の横方向電界が緩和されてBBHHの発生を抑制することができ、この左隣のメモリセルの右側プログラム領域16RにBBHH注入による書き込みがされることを防止することができる。
As a result, the lateral electric field of the left and right n-
また、このVdw/2を印加されたn型拡散領域13と共通化されたn型拡散領域14を有するさらに左隣のメモリセルでは、n型拡散領域14とチャネル領域の境界付近に空乏層が発生するが、その電界の強さがVdw/2であるため、BBHHの発生が抑制される。
In the memory cell on the left side having the n-
図10では、書き込みを行うメモリセルの隣のメモリセルに対してVdw/2程度の電圧を印加するようにしているが、書込阻止電圧の印加方式はこれに限定されない。たとえば、図11(A)に示すように、目的のメモリセルの書き込みを行うプログラム領域側(同図では左側)の全てのカラム線にVdwを印加して空乏層を連結させてしまいBBHHを生じなくさせるようにしてもよい。 In FIG. 10, a voltage of about Vdw / 2 is applied to the memory cell adjacent to the memory cell to be written, but the method of applying the write blocking voltage is not limited to this. For example, as shown in FIG. 11A, Vdw is applied to all the column lines on the program area side (left side in the figure) where the target memory cell is written to connect the depletion layer, resulting in BBHH. You may make it disappear.
また、図11(B)に示すように、目的のメモリセルの書き込みを行うプログラム領域側(同図では左側)の複数のカラム線に漸減する書込阻止電圧を印加するようにしてもよい。同図の例では、目的のカラム線iにVdwを印加し、その左隣のカラム線i−1には2Vdw/3を印加し、さらに左隣のカラム線i−2にはVdw/3を印加している。これにより、カラム線i−2の左側のメモリセルに生じる電界の強さをVdw/3まで弱めることができ、BBHHの発生を確実に阻止することができる。 Further, as shown in FIG. 11B, a write inhibition voltage that gradually decreases may be applied to a plurality of column lines on the program area side (left side in the figure) in which the target memory cell is written. In the example shown in the figure, Vdw is applied to the target column line i, 2 Vdw / 3 is applied to the left column line i-1, and Vdw / 3 is applied to the left column line i-2. Applied. Thereby, the strength of the electric field generated in the memory cell on the left side of the column line i-2 can be reduced to Vdw / 3, and the generation of BBHH can be reliably prevented.
図9〜図11では、目的のメモリセルの左側プログラム領域16L(レフトビット)に書き込みを行う場合について説明したが、右側プログラム領域16R(ライトビット)に書き込みを行う場合には左右を反転して同様の処理を行う。
In FIGS. 9 to 11, the case where data is written to the
図12は上記VGA型のメモリセルアレイにおける読み出し時の各ワード線、カラム線への電圧印加状態を示す図である。読み出し時には、図4に示したように、目的のメモリセルのゲート/ドレインとなるカラム線(n型線状領域)30のうち、ビットデータ(レフトビット/ライトビット)を読み出す側のカラム線(ドレイン)にVdr(1.5〜2V)を印加し、対向するカラム線(ソース)を接地する。目的のメモリセル以外のカラム線はオープン状態にしておく。また、目的のメモリセルのゲート電極となるワード線に読出電圧Vgr(5V)を印加する。この状態でゲート/ドレイン間がオンするか否かでビットデータが読み出される。 FIG. 12 is a diagram showing a voltage application state to each word line and column line at the time of reading in the VGA type memory cell array. At the time of reading, as shown in FIG. 4, among the column lines (n-type linear regions) 30 serving as the gate / drain of the target memory cell, the column line on the side for reading bit data (left bit / right bit) ( Vdr (1.5 to 2 V) is applied to the drain), and the opposing column line (source) is grounded. Column lines other than the target memory cell are left open. In addition, a read voltage Vgr (5 V) is applied to the word line that becomes the gate electrode of the target memory cell. Bit data is read depending on whether the gate / drain is turned on in this state.
図8〜図12では、メモリセルのn型拡散領域がカラム線を兼ねているVGA(バーチャル・グラウンド・アレイ)型のメモリセルアレイについて説明したが、以下では、n型拡散領域を島状に形成し、上層に形成したメタルのカラム線とコンタクトプラグで接続したメモリセルアレイについて説明する。このメモリセルアレイではビット線、ソース線になるカラム線をメタルで構成しているため、低抵抗化が可能になり、高速書込、高速読出が可能になる。なお、各メモリセルの構造は異なるが、メモリセルアレイの接続形態的には図8〜図12に示したものと同じVGA接続である。 8 to 12, a VGA (virtual ground array) type memory cell array in which the n-type diffusion region of the memory cell also serves as a column line has been described. In the following, the n-type diffusion region is formed in an island shape. The memory cell array connected to the metal column lines formed in the upper layer by contact plugs will be described. In this memory cell array, the column lines to be the bit lines and source lines are made of metal, so that the resistance can be reduced, and high-speed writing and high-speed reading are possible. Although the structure of each memory cell is different, the connection configuration of the memory cell array is the same VGA connection as that shown in FIGS.
図13は、同メモリセルアレイの構造を示す平面図、図14は、同平面図におけるX1−X1断面図、X2−X2断面図およびY−Y断面図である。また、図17はその等価回路である。p型ウェル40の表面に平面形状が島状のn型拡散領域41がマトリクス状に形成されている。メモリセルSは、Y方向(上下)に隣接する2つの島状n型拡散領域41間に形成され、この間の領域がチャネル領域42となる。したがって、各n型拡散領域41は、Y方向に隣接する2つのメモリセルSのn型拡散領域13,14(ソース、ドレイン:図1参照)を兼ねている。
FIG. 13 is a plan view showing the structure of the memory cell array, and FIG. 14 is an X1-X1 sectional view, an X2-X2 sectional view, and a YY sectional view in the plan view. FIG. 17 is an equivalent circuit thereof. On the surface of the p-
X方向(左右)に並んでいる複数のチャネル領域42を覆うようにONO膜43およびワード線44が形成されている。また、Y方向にn型拡散領域41と同じ間隔で複数のカラム線45がストライプ状に形成されている。このカラム線45は、上層に形成されており、その下層の中間配線膜46を介してn型拡散領域41に接続されている。カラム線45と中間配線膜46とはビアホール47で接続され、中間配線膜46とn型拡散領域41とはコンタクトプラグ48で接続される。Y方向に配列されている1行の各n型拡散領域41は、その行の左右のカラム線に交互に接続される。
An
この構成のメモリセルを製造する場合、メタルのワード線44を形成したのち、セルフアラインでn型イオンを注入する工程が採用されるが、このとき、X方向にn型拡散領域がつながってしまわないように、Y方向のストライプ状のトレンチ分離層40をメモリセルのX方向のピッチで予め形成しておく。
When a memory cell having this structure is manufactured, a process of implanting n-type ions by self-alignment after forming a
なお、この実施形態ではONO膜43をワード線44と同様にストライプ状に形成しているが、ONO膜43は、メモリセルアレイ全体に形成してもよい。また、カラム線45は、中間配線膜46の中央を通るように形成されているが、中間配線膜46の上方を通過する範囲であれば中央でなくてもよい。
In this embodiment, the
1つのメモリセルは、上記のようにY方向に隣接する2つのn型拡散領域41をソース、ドレインとして構成されるため、連続する2本のカラム線で1列のメモリセル群を選択することができ、さらに1本のワード線を選択することにより、1つのメモリセルを選択することができる。
Since one memory cell is composed of two n-
また、図13、図14のメモリセルアレイでは、中間配線膜46を介してカラム線45と島状のn型拡散領域41とを接続しているが、図15、図16は、カラム線45からn型拡散領域141に対して直接コンタクトプラグ147を下ろす構成の実施形態を示している。
In the memory cell arrays of FIGS. 13 and 14, the
図15においては、カラム線45およびワード線46を破線で表し、基板上のトレンチ分離140、n型拡散領域141およびチャネル領域42を実線およびハッチングで示している。この実施形態では、n型拡散領域141を図13の中間配線膜46と同じようにX方向に3Fの長さに形成し、このn型拡散領域141の中央にカラム線45から直接コンタクトプラグ147を下ろしている。
In FIG. 15, column lines 45 and
なお、この形状のメモリセルアレイにおいても、カラム線45を対応するn型拡散領域141の上方であれば、その中央を通過するように形成する必要はない。
Even in the memory cell array of this shape, it is not necessary to form the
セルフアラインで上記形状のn型拡散領域141を形成するためには、トレンチ分離140を、カラム線45と並行してY方向全体に形成するのでなく、n型拡散領域141が形成される部分で切れている図15のようなレンガ積み格子状に形成し、この上にワード線44を形成したのち、n型不純物の注入を行う。
In order to form the n-
なお、この構成のメモリセルアレイも、図13,図14に示したものと同様に、図17に示すような等価回路となる。 Note that the memory cell array having this configuration also has an equivalent circuit as shown in FIG. 17, similar to those shown in FIGS.
これら図13〜図17に示したメモリセルアレイも、1つのカラム線45が、ビアホール47−中間配線膜46−コンタクトプラグ48を介して、または、コンタクトプラグ147を介して、ワード線方向(X方向)に隣接するn型拡散領域41に接続されているため、書き込み時に1つのワード線44にVgwを印加して、1つのカラム線にVdwを印加した場合に、目的のメモリセル以外に隣接するメモリセルにも書き込みが行われてしまう。このため、これを防止するためには、第1の実施形態のメモリセルと同様に、隣接するメモリセルの反対側のn型拡散領域41(隣接するカラム線45)に書込阻止電圧を印加する。書込阻止電圧の印加方式は、図9〜図12に示したメモリセルアレイにおける印加方式と同様でよい。
In the memory cell arrays shown in FIGS. 13 to 17, one
なお、図9〜図12で説明した書込阻止電圧の印加は、各メモリセルの左右のプログラム領域16L,Rの両方を記憶領域として用いる場合に必要な処理であり、もし、各メモリセルの一方のプログラム領域のみを用いて1ビット/セルの記憶を行う場合には、書込阻止電圧の印加は不要である。これは、上述したように、目的の側のプログラム領域の読み出しにおいて、反対側のプログラム領域のプログラム/アンプログラムは、読み出し結果に影響を与えないためである。 Note that the application of the write inhibition voltage described in FIGS. 9 to 12 is a process necessary when both the left and right program areas 16L and R of each memory cell are used as storage areas. When 1 bit / cell is stored using only one program area, it is not necessary to apply the write block voltage. This is because, as described above, in the reading of the target program area, the program / unprogram in the opposite program area does not affect the read result.
また、メモリセルのプログラム領域16L,Rの両方を記憶領域として用いる場合であっても、図18、図19のようにX方向に隣接するメモリセルのカラム線およびn型拡散領域を分離してアレイを構成することにより、書込阻止電圧を不要にすることも可能である。 Even when both of the memory cell program areas 16L and R are used as storage areas, the column lines and n-type diffusion areas of the memory cells adjacent in the X direction are separated as shown in FIGS. By configuring the array, it is possible to eliminate the write blocking voltage.
図18のメモリセルアレイでは、では、各メモリセルは、同図に破線で示すように斜めに形成され、このメモリセル内に左側n型拡散領域41L、右側n型拡散領域41Rおよびチャネル領域42が形成されている。左下の左側n型拡散領域41が左側カラム線45Lにコンタクトプラグ48で接続され、右上の右側n型拡散領域41Rが右側カラム線45Rにコンタクトプラグ48で接続されている。このメモリセルアレイにおいて、同図の破線で示したメモリセル以外の領域は絶縁層領域である。半導体基板表面において、そして、X方向に隣接するメモリセルにおいてn型拡散領域およびカラム線が共有されておらず、書込時にカラム線に印加される高電圧が隣のメモリセルにも印加されることがない。
In the memory cell array of FIG. 18, each memory cell is formed obliquely as shown by a broken line in FIG. 18, and a left n-
なお、この実施形態では、メモリセルアレイの平面図において、各メモリセルが右上から左下に形成されるようにレイアウトしているが、逆に左上から右下に形成するようにしてもよい。 In this embodiment, in the plan view of the memory cell array, each memory cell is laid out from the upper right to the lower left, but conversely, it may be formed from the upper left to the lower right.
また、図8に示した構造のメモリセルアレイの場合には、図20のように、隣接するメモリセルのn型拡散領域(n型線状領域)13、14を左右別々に形成してその間をトレンチ状の絶縁膜でアイソレーションすることにより、等価回路がやはり図19のようになり、書込阻止電圧を不要にすることができる。 In the case of the memory cell array having the structure shown in FIG. 8, as shown in FIG. 20, n-type diffusion regions (n-type linear regions) 13 and 14 of adjacent memory cells are separately formed on the left and right sides. By isolating with the trench-like insulating film, the equivalent circuit becomes as shown in FIG. 19, and the write blocking voltage can be made unnecessary.
なお、上記各実施形態のメモリセルアレイにおいて、ワード線はポリシリコン膜で構成されるが、コバルト膜を積層してシリサイド化することにより、より低抵抗化することが可能になる。 In the memory cell array of each of the above embodiments, the word line is formed of a polysilicon film. However, the resistance can be further reduced by forming a cobalt film and forming a silicide.
図21は、メモリセルを3次元構造にした例を示している。ストライプ状に形成されているn型線状領域13,14間のチャネル領域20をトレンチエッチングして溝状に堀り込み、このトレンチ(溝)と直交するONO膜52、およびゲート電極を兼ねるワード線53をこのトレンチの側壁、底面を沿うように形成している。これにより、n型線状領域13,14の間隔を短くしても、チャネル領域20がトレンチを迂回して形成されるため、チャネル長を確保しつつX方向に高集積化することができる。
FIG. 21 shows an example in which the memory cell has a three-dimensional structure. The
図22は、図21のトレンチエッチングをより深く施し、トレンチの底面にもn型拡散領域を形成した構成のメモリセルアレイの構造を示す図である。この構成では、n型拡散領域(ソース、ドレイン)が半導体基板の表面およびトレンチの底面に形成され、チャネルが半導体基板11に対して上下に形成されるため、X方向の集積度を極めて高くすることが可能になる。
FIG. 22 is a diagram showing the structure of a memory cell array having a structure in which the trench etching of FIG. 21 is performed deeper and an n-type diffusion region is formed on the bottom of the trench. In this configuration, the n-type diffusion regions (source and drain) are formed on the surface of the semiconductor substrate and the bottom surface of the trench, and the channels are formed above and below the
10…p型半導体基板、11…ボトムn型ウェル、12…p型ウェル、13、14…n型拡散領域、15…トンネル酸化膜、16…電荷トラップ層、17…絶縁膜、18…ゲート電極、
DESCRIPTION OF
Claims (3)
前記電荷トラップ層に正電荷をトラップすることよってプログラムを行うとともに、基板ホットエレクトロン注入によって負電荷を注入することにより消去を行う方法であって、
前記基板ホットエレクトロン注入時に、前記ゲート電極と前記一対のn型拡散層領域との電位差を、前記一対のn型拡散層領域と前記p型ウェル内またはp型ウェルに隣接して形成されたn型エミッタ電極との電位差よりも大きく設定したことを特徴とする不揮発性半導体記憶装置の消去方法。 A pair of n-type diffusion layer regions formed at predetermined intervals on the p-type well surface and a nonconductor formed above the channel region sandwiched between the pair of n-type diffusion layer regions via a tunnel oxide film A memory cell including a charge trap layer and a gate electrode formed above the charge trap layer via an insulating film,
A method of performing programming by trapping positive charges in the charge trapping layer and erasing by injecting negative charges by substrate hot electron injection,
At the time of the substrate hot electron injection, the potential difference between the gate electrode and the pair of n-type diffusion layer regions is determined so that the n is formed in the pair of n-type diffusion layer regions and the p-type well or adjacent to the p-type well. A method for erasing a nonvolatile semiconductor memory device, characterized in that the potential difference is set to be larger than a potential difference with a type emitter electrode.
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JP2006186378A (en) * | 2004-12-27 | 2006-07-13 | Samsung Electronics Co Ltd | Nor flash memory device with twin bit cell structure and manufacturing method therefor |
JP2007019493A (en) * | 2005-06-20 | 2007-01-25 | Qimonda Ag | Method of forming contact in flash memory device |
-
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