JP2005149617A - Nonvolatile semiconductor memory device and its operation method - Google Patents

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一郎 藤原
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To solve the problem of the difficulty of reducing an erasure voltage which obstructs the realization of single power voltage driving. <P>SOLUTION: The intial value V0 of data is stored in the memory cell group of arbitrary M bits in storage areas B0 to B10 having a capacity of (N+1) multiple, e.g., 11 times larger, of the bit number M necessary for data storage. When a data rewriting is instructed, instead of erasing the initial value V10 and writing a new data value in the same memory cell, the unused other memory cell group of M bits is selected to write a new data value V1. By executing this operation for each data rewriting instruction, the writing of new data values V1 to V10 is executed up to 10 times. When reading, by reading a latest value, data rewriting not using erasure is executed. <P>COPYRIGHT: (C)2005,JPO&NCIPI

Description

本発明は、メモリセルアレイに格納しているデータの書き換え回数が最大でN回(N:正の整数)と決められている不揮発性半導体メモリ装置と、その動作方法に関する。   The present invention relates to a nonvolatile semiconductor memory device in which the number of rewrites of data stored in a memory cell array is determined to be N (N: a positive integer) at maximum, and an operation method thereof.

不揮発性半導体メモリトランジスタは、大別すると、電荷を保持する電荷蓄積手段(浮遊ゲート)が平面的に連続したFG(Floating Gate)型と、電荷蓄積手段(電荷トラップ等)が平面的に離散化された、たとえばMONOS(Metal-Oxide-Nitride-Oxide Semiconductor)型がある。   Non-volatile semiconductor memory transistors can be broadly divided into FG (Floating Gate) type, in which charge storage means (floating gate) for holding charge is continuous in a plane, and charge storage means (charge trap, etc.) are made discrete in a plane. For example, there is a MONOS (Metal-Oxide-Nitride-Oxide Semiconductor) type.

FG型の不揮発性メモリトランジスタにおいては、半導体基板またはウェルの上に第1の誘電体膜、ポリシリコンなどからなるフローティングゲートFG、たとえばONO(Oxide-Nitride-Oxide)膜などからなる第2の誘電体膜、および、コントロールゲートがこの順で積層されている。   In the FG type nonvolatile memory transistor, a first dielectric film, a floating gate FG made of polysilicon or the like, for example, an ONO (Oxide-Nitride-Oxide) film or the like is formed on a semiconductor substrate or well. The body film and the control gate are stacked in this order.

MONOS型不揮発性メモリトランジスタにおいては、半導体基板またはウェルの上にボトム誘電体膜、電荷蓄積を主体的に担っている窒化膜〔Si(0<x<1、0<y<1)〕、トップ誘電体膜、およびゲート電極が順次積層されている。
MONOS型不揮発性メモリトランジスタにおいては、窒化膜中またはトップ誘電体膜と窒化膜との界面近傍に、電荷蓄積手段としてのキャリアトラップが空間的に(すなわち、面方向および膜厚方向に)離散化して拡がっている。このため、電荷保持特性が、ボトム誘電体膜の膜厚のほかに、窒化膜中のキャリアトラップに捕獲される電荷のエネルギー的および空間的な分布に依存する。
In the MONOS type nonvolatile memory transistor, a bottom dielectric film on a semiconductor substrate or well, a nitride film mainly responsible for charge accumulation [Si x N y (0 <x <1, 0 <y <1) ], A top dielectric film and a gate electrode are sequentially laminated.
In the MONOS type nonvolatile memory transistor, carrier traps as charge storage means are spatially discrete (that is, in the plane direction and the film thickness direction) in the nitride film or in the vicinity of the interface between the top dielectric film and the nitride film. Is spreading. For this reason, the charge retention characteristics depend on the energy and spatial distribution of charges trapped in carrier traps in the nitride film, in addition to the thickness of the bottom dielectric film.

ボトム誘電体膜に、欠陥等に起因して局所的なリーク電流パスが発生した場合、FG型メモリトランジスタにおいては、蓄積されていた電荷の多くがリークパスを通って基板側へリークし、電荷保持特性が低下しやすい。これに対し、MONOS型メモリトランジスタにおいては、電荷蓄積手段が空間的に離散化されているため、リークパス周辺の局所的な蓄積電荷がリークパスを通して局所的にリークするに過ぎず、メモリトランジスタ全体の電荷保持特性が低下しにくい。このため、MONOS型メモリトランジスタにおいては、ボトム誘電体膜の薄膜化による電荷保持特性の低下の問題はFG型メモリトランジスタほど深刻ではない。   When a local leakage current path occurs in the bottom dielectric film due to a defect or the like, in the FG type memory transistor, most of the accumulated charge leaks to the substrate side through the leakage path and holds the charge. Characteristics are likely to deteriorate. On the other hand, in the MONOS type memory transistor, since the charge storage means is spatially discretized, the local stored charge around the leak path only leaks locally through the leak path, and the charge of the entire memory transistor Retention characteristics are unlikely to deteriorate. For this reason, in the MONOS type memory transistor, the problem of deterioration of the charge retention characteristic due to the thinning of the bottom dielectric film is not as serious as the FG type memory transistor.

不揮発性メモリ装置は、大きく分けて、スタンドアロン型とロジック回路混載型が知られている。スタンドアロン型では、専用メモリICのメモリ素子として不揮発性メモリトランジスタが使用される。ロジック回路混載型では、システム・オン・チップのコアとしてメモリブロックと論理回路ブロックを有し、メモリブロック内でデータを不揮発的に保持するメモリ素子として不揮発性メモリトランジスタが使用される。   Nonvolatile memory devices are roughly classified into a stand-alone type and a logic circuit mixed type. In the stand-alone type, a nonvolatile memory transistor is used as a memory element of a dedicated memory IC. In the logic circuit mixed type, a memory block and a logic circuit block are provided as a system-on-chip core, and a nonvolatile memory transistor is used as a memory element that holds data in a nonvolatile manner in the memory block.

ロジック回路混載型の不揮発性メモリ装置の多くでは、1メモリトランジスタ型のメモリセルが用いられている。
FG型における1メモリトランジスタセルの代表例として、インテル社のETOXセルが知られている。ETOXセルをアレイ配置する際に、ソースを共有した共通ソース型のメモリセルアレイ方式が採用されている。
MONOS型の1メモリトランジスタセルは、セル面積が縮小化でき、低電圧化が容易な点で注目が集まっている。その代表例として、サイファン・セミコンダクタ社のNROMと称される高密度メモリセルが知られている。NROMセルは、電荷蓄積手段として離散化されたキャリアトラップを利用しているため、セル内の異なる2領域にそれぞれ電荷注入を行うことにより2ビット/セルのデータ記憶が可能である。NROMセルをアレイ配置するに際し、行方向に隣接するセル間で不純物拡散層を共有させ、2ビットデータの記憶または読み出し時に、不純物拡散層の機能をソースとドレインで入れ替えて用いるバーチャルグランドアレイ方式を採用している。
In many of the logic circuit mixed nonvolatile memory devices, one memory transistor type memory cell is used.
As a representative example of one memory transistor cell in the FG type, an Intel ETOX cell is known. When the ETOX cells are arranged in an array, a common source type memory cell array system sharing a source is adopted.
One memory transistor cell of the MONOS type is attracting attention because the cell area can be reduced and the voltage can be easily reduced. As a representative example, a high-density memory cell called NROM of Saifan Semiconductor is known. Since the NROM cell uses a discrete carrier trap as a charge storage means, it is possible to store data of 2 bits / cell by injecting charges into two different regions in the cell. When arranging NROM cells in an array, a virtual ground array method is used in which an impurity diffusion layer is shared between adjacent cells in the row direction, and the function of the impurity diffusion layer is switched between the source and drain when storing or reading 2-bit data. Adopted.

ETOXセルおよびNROMセルのデータ書き込みにおいては、FNトンネル注入に比べ低電圧化が容易なチャネルホットエレクトロン(CHE)注入が用いられる。CHE注入書き込みにおいては、ソースとドレインに電界を印加し、ソース側からチャネルに供給された電子をチャネルのドレイン側端でエネルギー的に励起し、ホットエレクトロンを発生させる。発生したホットエレクトロンのうち、ボトム誘電体膜のエネルギー障壁高さ(二酸化珪素膜の場合、3.2eV)を超えるホットエレクトロンが、電荷蓄積手段(フローティングゲートまたはキャリアトラップ)に注入される。   In the data writing of the ETOX cell and the NROM cell, channel hot electron (CHE) injection, which can easily reduce the voltage as compared with the FN tunnel injection, is used. In CHE injection writing, an electric field is applied to the source and drain, and electrons supplied to the channel from the source side are energized at the drain side end of the channel to generate hot electrons. Of the generated hot electrons, hot electrons exceeding the energy barrier height of the bottom dielectric film (3.2 eV in the case of a silicon dioxide film) are injected into the charge storage means (floating gate or carrier trap).

ところが、FG型メモリセルのCHE注入書き込みにおいては、3.2eVと高いエネルギー障壁高さを超えるほど電子を励起するには、ゲートに10V以上の電圧を印加する必要がある。この書き込みゲート電圧は、18V以上が必要であったFNトンネル書き込み時と比べると低いが、電源電圧2.5〜5.0Vに比べてかなり高い。MONOS型メモリセルのCHE注入書き込み時のゲート印加電圧は、FG型メモリセルのCHE注入書き込み時のゲート印加電圧より低いが、電源電圧よりは高い。たとえばNROMの場合、データ書き込み時に必要なゲート印加電圧は9Vである。
このため、FG型、MONOS型を問わず、メモリ周辺回路内の昇圧回路において電源電圧を昇圧して書き込みゲート電圧を生成する必要がある。
However, in CHE injection writing of the FG type memory cell, it is necessary to apply a voltage of 10 V or more to the gate in order to excite electrons as the energy barrier height exceeds 3.2 eV. This write gate voltage is lower than that at the time of FN tunnel writing which required 18 V or higher, but is considerably higher than the power supply voltage of 2.5 to 5.0 V. The gate application voltage at the CHE injection write of the MONOS type memory cell is lower than the gate application voltage at the CHE injection write of the FG type memory cell, but higher than the power supply voltage. For example, in the case of NROM, the gate application voltage required for data writing is 9V.
Therefore, it is necessary to boost the power supply voltage in the booster circuit in the memory peripheral circuit to generate the write gate voltage regardless of the FG type or the MONOS type.

メモリ周辺回路内の、昇圧回路および昇圧後の書き込みゲート電圧を印加する回路においては、高耐圧トランジスタが必要となる。高耐圧トランジスタは、メモリ周辺回路内の電源電圧仕様の他のトランジスタ、論理回路ブロックの論理トランジスタとプロセスの共通性が低い。このため、高耐圧トランジスタ専用の工程が必要であり、このことがロジック回路混載型メモリICの製造コストの低減を阻害している。   In the booster circuit and the circuit for applying the boosted write gate voltage in the memory peripheral circuit, a high breakdown voltage transistor is required. The high breakdown voltage transistor has low process commonality with other transistors of the power supply voltage specification in the memory peripheral circuit and logic transistors in the logic circuit block. For this reason, a process dedicated to the high breakdown voltage transistor is necessary, which hinders the reduction of the manufacturing cost of the logic circuit mixed memory IC.

このような実情に鑑みて、本出願人は、CHE注入とは異なる電荷注入モードである電離衝突を利用して電荷を注入する不揮発性半導体メモリ装置を既に出願している(特許文献1参照)。   In view of such circumstances, the present applicant has already filed a nonvolatile semiconductor memory device that injects charges using ionization collision, which is a charge injection mode different from CHE injection (see Patent Document 1). .

この出願に記載の技術によって電荷注入時の印加電圧を低減できる。ところが、とくにゲート長が100nmより短くなるほどにメモリセルの微細化が進み、それにともなって動作電圧をたとえば5V以下に低減する要求が高くなってきている。上記した電荷注入(データ書き込み)時の印加電圧の低減のみでは、この5V以下の低電圧動作の要求に十分に対応できない。つまり、このような微細メモリセルでは、蓄積電荷を引き抜きあるいは逆極性の電荷を注入することによってデータを消去するときの電圧(消去電圧)を低減する必要がある。とくにデータの書き込みに比べ消去の速度は一般的に遅く、消去電圧を低減すると書き換え動作が遅くなるなどメモリの動作速度に与える影響が大きいことから消去電圧は低減しにくい。その結果、メモリセルの微細化が進めば進むほどにデータを消去する際の電圧を下げる点で改善が余り進まず、このことが不揮発性メモリ装置全体の低電圧動作を著しく阻害するようになってきている。その結果として、単一の電源電圧を昇圧せずに用いてメモリセル動作を行う単一電源駆動の実現が困難となり、あるいは、ロジック混載の用途ではメモリ周辺回路のトランジスタとロジックトランジスタとでプロセスの共通化がしにくいなど、消去電圧の低減が困難であることに関して数々の問題が顕在化しつつある。
なお、データの書き込み時に電荷を注入しデータの消去時に蓄積電荷を引き抜く(または逆極性の電荷を注入する)場合と、データの消去時にすべてのメモリセルに電荷を注入しデータを書き込む時に任意のメモリセルから蓄積電荷を引き抜く(または逆極性の電荷を注入する)場合がある。
国際公開第WO 03/028111 A1号
The applied voltage at the time of charge injection can be reduced by the technique described in this application. However, as the gate length becomes shorter than 100 nm in particular, the miniaturization of the memory cell has progressed, and accordingly, the demand for reducing the operating voltage to, for example, 5 V or less has increased. Only the reduction of the applied voltage at the time of the above charge injection (data writing) cannot sufficiently meet the demand for the low voltage operation of 5 V or less. That is, in such a fine memory cell, it is necessary to reduce the voltage (erase voltage) when erasing data by extracting the stored charge or injecting the charge having the opposite polarity. In particular, the erase speed is generally slower than the data write, and if the erase voltage is reduced, the rewrite operation is slowed and the influence on the memory operation speed is large. Therefore, the erase voltage is difficult to reduce. As a result, as the miniaturization of memory cells progresses, the improvement does not progress much in terms of lowering the voltage when erasing data, and this significantly hinders the low voltage operation of the entire nonvolatile memory device. It is coming. As a result, it is difficult to realize a single power supply drive that performs a memory cell operation without boosting a single power supply voltage, or in a logic-embedded application, a process of a memory peripheral circuit transistor and a logic transistor is difficult. Numerous problems are becoming apparent regarding the difficulty in reducing the erase voltage, such as difficulty in sharing.
It should be noted that charges are injected when data is written and accumulated charges are extracted when data is erased (or charges of opposite polarity are injected), and when data is written and data is written to all memory cells when data is erased. In some cases, the stored charge is extracted from the memory cell (or a charge having a reverse polarity is injected).
International Publication No. WO 03/028111 A1

本発明が解決しようとする課題は、メモリセルの微細化および低電圧化を進め単一の電源電圧駆動あるいはロジック混載メモリを実現する上で、データの書き込みと消去を行う動作時の電圧の低減が困難であることが大きな障害となりつつあるということである。   The problem to be solved by the present invention is to reduce the voltage during the operation of writing and erasing data in realizing a single power supply voltage drive or logic embedded memory by advancing miniaturization and low voltage of the memory cell. It is that being difficult is becoming a major obstacle.

本発明にかかる不揮発性半導体メモリ装置は、不揮発性メモリトランジスタからなるメモリセルが行列状に配置されているメモリセルアレイと、前記メモリセルアレイに格納しているデータの書き換えを最大でN回(N:正の整数)制御するメモリ周辺回路と、を有し、前記メモリ周辺回路は、前記データの格納に必要なビット数Mの(N+1)倍の容量を有する格納領域内で任意のMビットのメモリセル群に前記データの初期値を格納し、当該データの書き換え指示があったときは、前記初期値を消去して同じメモリセル群に新たなデータ値を書き込む代わりに、前記(N+1)×Mビットの格納領域内で未使用の他のMビットのメモリセル群を選択して新たなデータ値を書き込み、データの書き換え指示のたびに、前記未使用の他のMビットのメモリセル群の選択、および、当該未使用のメモリセル群への新たなデータ値の書き込みが前記(N+1)×Mビットの格納領域内で最大N回繰り返されるように前記メモリセルアレイを制御する。   A nonvolatile semiconductor memory device according to the present invention includes a memory cell array in which memory cells made of nonvolatile memory transistors are arranged in a matrix, and rewrite of data stored in the memory cell array at most N times (N: A memory peripheral circuit that controls the memory peripheral circuit, and the memory peripheral circuit has an arbitrary M-bit memory within a storage area having a capacity of (N + 1) times the number of bits M required for storing the data. When the initial value of the data is stored in the cell group and there is an instruction to rewrite the data, instead of erasing the initial value and writing a new data value in the same memory cell group, the (N + 1) × M In the bit storage area, another unused M-bit memory cell group is selected and a new data value is written, and each time the data is rewritten, the other unused M bits are written. Control the memory cell array so that the selection of a new memory cell group and the writing of a new data value to the unused memory cell group are repeated N times in the (N + 1) × M bit storage area. To do.

本発明では、好適に、前記メモリ周辺回路は、前記メモリセルアレイに対しデータの書き換え指示があるたびに、新たに書き込もうとするデータのビット数Mと、その最大の書き換え可能回数Nとに応じて、当該データに専用の(N+1)×Mビットの格納領域を確保する制御を行う。
また、好適に、前記メモリ周辺回路は、データの読み出し時に、読み出し指示を受けたデータに対応した前記(N+1)×Mビットの格納領域内で最後に書き込まれたMビットのメモリセル群から値を読み出す。
また、好適に、前記メモリ周辺回路は、入力される信号に応じて最大の書き換え回数Nをデータごとに変更可能に構成されている。
In the present invention, preferably, each time the memory peripheral circuit is instructed to rewrite data to the memory cell array, the memory peripheral circuit according to the number of bits M of data to be newly written and the maximum rewritable number N thereof. Then, control for securing a storage area of (N + 1) × M bits dedicated to the data is performed.
Preferably, the memory peripheral circuit sets a value from the M-bit memory cell group written last in the (N + 1) × M-bit storage area corresponding to the data for which the read instruction has been received when reading data. Is read.
Preferably, the memory peripheral circuit is configured such that the maximum number of rewrites N can be changed for each data in accordance with an input signal.

本発明の不揮発性半導体メモリ装置で、あるデータの書き込みを行う場合、そのデータの書き込み指示がメモリ周辺回路に与えられるとする。するとメモリ周辺回路によって、データのビット数Mのみならず、その最大の書き換え回数Nに応じて、当該データの格納領域がメモリセルアレイ内で確保される。この格納領域の容量は(N+1)×Mビットである。あるいは、データのビット数Mが予めわかっている場合は、たとえば、そのMビットデータの格納領域を(N+1)個分予め用意しているブロック構成でもよい。これらの格納領域はあくまで当該データ専用であり、他のデータの格納には用いられない。そして、メモリ周辺回路の制御によってメモリセルアレイの当該格納領域に、書き込み指示があったデータの初期値が書き込まれ、格納される。
つぎに、このデータの書き換え指示があるとする。今までの不揮発性半導体メモリ装置では、既に書き込まれているデータの初期値を消去して、同じアドレスに新たなデータ値を書き込んでいた。ところが、本発明では、そのような書き換え方法に代わって、データの書き換え指示があるたびに、そのデータに割り当てられた格納領域内で未使用のMビットのメモリセル群を選択し、選択したメモリセル群に新たなデータ値を書き込む制御がメモリ周辺回路によって実行される。このような未使用のMビットのメモリセル群の選択と書き込みは、データの書き換え制御があるたびに行われ、そのたびにMビットずつ未使用のメモリセルが格納領域内で減っていく。この格納領域のビット数は(N+1)×Mと決められ、初期値の書き込み後に残りの未使用の領域はN×Mビットであることから、このような書き換え方法による回数の最大値はN回ということになる。また、データごとに最大の書き換え回数Nを指定することもでき、その場合、データのビット数Mと最大の書き換え回数Nにおうじて異なる容量の格納領域が柔軟に確保される。
データの読み出し時には、そのデータに割り当てられた格納領域内で最後に書き込まれたデータの値が読み出される。
In the nonvolatile semiconductor memory device of the present invention, when writing certain data, an instruction to write the data is given to the memory peripheral circuit. Then, the memory peripheral circuit secures the data storage area in the memory cell array in accordance with not only the number of data bits M but also the maximum number N of rewrites. The capacity of this storage area is (N + 1) × M bits. Alternatively, when the number of bits M of data is known in advance, for example, a block configuration in which (N + 1) storage areas for the M-bit data are prepared in advance may be used. These storage areas are dedicated to the data, and are not used for storing other data. Under the control of the memory peripheral circuit, the initial value of the data instructed for writing is written and stored in the storage area of the memory cell array.
Next, it is assumed that there is an instruction to rewrite this data. In the conventional nonvolatile semiconductor memory device, the initial value of already written data is erased and a new data value is written at the same address. However, in the present invention, instead of such a rewriting method, every time a data rewrite instruction is issued, an unused M-bit memory cell group is selected in the storage area assigned to the data, and the selected memory is selected. Control to write a new data value to the cell group is executed by the memory peripheral circuit. Selection and writing of such unused M-bit memory cell groups are performed each time data rewrite control is performed, and each time M bits are unused, unused memory cells are reduced in the storage area. The number of bits in this storage area is determined as (N + 1) × M, and the remaining unused area after the initial value is written is N × M bits. Therefore, the maximum number of times by such a rewriting method is N times. It turns out that. It is also possible to designate the maximum number of rewrites N for each data. In this case, storage areas having different capacities are flexibly secured according to the number of data bits M and the maximum number of rewrites N.
When reading data, the value of the data written last in the storage area assigned to the data is read.

本発明にかかる不揮発性半導体メモリ装置の動作方法は、不揮発性メモリトランジスタからなるメモリセルが行列状に配置されているメモリセルアレイに格納しているデータの書き換えを最大でN回(N:正の整数)実行する不揮発性半導体メモリ装置の動作方法であって、前記データの格納に必要なビット数Mの(N+1)倍の容量を有する格納領域内で任意のMビットのメモリセル群に前記データの初期値を格納する書き込みステップと、前記データの書き換え指示があったときは、前記初期値を消去して同じメモリセル群に新たなデータ値を書き込む代わりに、前記(N+1)×Mビットの格納領域内で未使用の他のMビットのメモリセル群を選択して新たなデータ値を書き込み、データの書き換え指示のたびに、前記未使用の他のMビットのメモリセル群の選択、および、当該未使用のメモリセル群への新たなデータ値の書き込みを前記(N+1)×Mビットの格納領域内で最大N回繰り返す書き換えステップと、を含む。   According to the operation method of the nonvolatile semiconductor memory device of the present invention, the data stored in the memory cell array in which the memory cells made of the nonvolatile memory transistors are arranged in a matrix is rewritten up to N times (N: positive) Integer) An operation method of a nonvolatile semiconductor memory device to be executed, wherein the data is stored in an arbitrary M-bit memory cell group in a storage area having a capacity of (N + 1) times the number of bits M required for storing the data. In the write step for storing the initial value and the data rewrite instruction, instead of erasing the initial value and writing a new data value in the same memory cell group, the (N + 1) × M bit In the storage area, another unused M-bit memory cell group is selected and a new data value is written, and each time the data is rewritten, the other unused M bits are written. Selection of Tsu preparative memory cell groups, and includes a rewriting step of repeating the maximum N times the writing of the new data values to the memory cell group of the unused said (N + 1) × M bit storage area, a.

本発明によれば、データの書き換え指示があったときに、実際に消去を行わないが、データの格納値を消去してから新たなデータ値を書き込む従来の書き換え動作と等価な擬似書き換えオペレーションが実行できる。すなわち、常に当該データを最大(N+1)個格納できるメモリ空間を用意し、書き換え指示ごとに、実際に新たなデータ値を書き込むメモリセル群を、たとえばシフトしながら次々に未使用のメモリセル群に新たなデータ値を書き込んでいくことと、当該データの読み出し対象を書き込みが最新のものに限定することにより、上記消去を使わない擬似書き換えオペレーションが実現できる。この擬似書き換えオペレーションでは、使用するメモリ空間が大きくなり書き換え回数も制限されるが、実際の動作は書き込みだけであり、単一極性の電源電圧駆動が可能となる。つまり、たとえばデータの書き込み時に電子を注入する場合、メモリトランジスタのソースを基準にドレインに正電圧を印加し、これとは別にゲートに正の電圧を印加することから、データの書き換えが正の電源電圧駆動で実行できる。その結果、メモリ周辺回路の構成を簡素にできるという利益が得られる。また、そのメモリ周辺回路を構成するトランジスタの製造プロセスを、ロジック混載時のロジックトランジスタの製造プロセスと完全に共通にすることを可能とする途が開けるという点でも利益が大きい。さらに、データの書き込み動作電圧は低減できるが、消去電圧の低減が困難な書き込み・消去オペレーションを採用する場合に適した動作方法が実現できる。なお、前述したように、ここでいうデータの書き込みと消去は、電荷の注入と引き抜きとの関係において一義的ではない。   According to the present invention, when a data rewrite instruction is given, the actual rewrite operation is not performed, but the pseudo rewrite operation equivalent to the conventional rewrite operation of writing a new data value after erasing the stored value of the data is performed. Can be executed. That is, a memory space capable of always storing up to (N + 1) pieces of the data is prepared, and for each rewrite instruction, a memory cell group to which a new data value is actually written is shifted to an unused memory cell group one after another, for example. By writing a new data value and limiting the data to be read to the latest writing, a pseudo-rewriting operation that does not use the erasure can be realized. In this pseudo-rewrite operation, the memory space to be used becomes large and the number of rewrites is limited, but the actual operation is only writing, and a single-polar power supply voltage drive is possible. In other words, for example, when electrons are injected at the time of data writing, a positive voltage is applied to the drain with respect to the source of the memory transistor, and a positive voltage is applied to the gate separately from this. Can be done with voltage drive. As a result, there is an advantage that the configuration of the memory peripheral circuit can be simplified. In addition, there is a great advantage in that it is possible to make the manufacturing process of the transistors constituting the memory peripheral circuit completely common with the manufacturing process of the logic transistors when the logic is mixed. Furthermore, an operation method suitable for the case of adopting a write / erase operation that can reduce the data write operation voltage but difficult to reduce the erase voltage can be realized. As described above, writing and erasing of data here are not unambiguous in the relationship between charge injection and extraction.

一般に、現在主流の汎用の不揮発性半導体メモリ装置は、書き換え回数10万回を保障する場合が多い。しかし、不揮発性半導体メモリ装置があらゆる書き換え可能なデータの記録媒体として広く用いられてきていることから、適当なアプリケーションに限れば、書き換え回数は数回から多くても数10回という場合も増えている。たとえば、著作権者の利益を護るため書き換え回数が制限される場合がある。あるいは、システムLSIなどの分野では、顧客の要望に応じて一部の機能を電気的に選択し、あるいは、所定の特性値(たとえば供給電圧値)を顧客の要望に応じて変更するように構成され、そのために電気的にデータの書き換えが可能な不揮発性メモリセルアレイがICの一部に埋め込まれている場合がある。これらの用途では、入力されるデータのビット数M、あるいは、その最大の書き換え回数Nが予め決められていることが多い。   In general, general-purpose nonvolatile semiconductor memory devices that are currently mainstream often guarantee 100,000 rewrites. However, since the nonvolatile semiconductor memory device has been widely used as a recording medium for all rewritable data, the number of rewrites is increased from several to several tens as long as it is limited to an appropriate application. Yes. For example, the number of rewrites may be limited to protect the interests of the copyright holder. Alternatively, in the field of system LSIs, etc., some functions are electrically selected according to the customer's request, or a predetermined characteristic value (for example, supply voltage value) is changed according to the customer's request. Therefore, there is a case where a nonvolatile memory cell array capable of electrically rewriting data is embedded in a part of the IC. In these applications, the number of input data bits M or the maximum number of rewrites N is often determined in advance.

たとえば、本発明を適用するアプリケーションとして、供給電圧値を変更するために抵抗を調整するようなアナログトリミング用途がある。このような用途では、データの書き換え回数は最大でも10回程度で十分であることが分かっている。上記アナログトリミング機能を持たせるために不揮発性メモリセルアレイをロジック回路と混載したMONOS型不揮発性メモリ装置(以下、ロジック混載メモリ装置という)を例として、以下、本発明の実施の形態の詳細を記述する。
このロジック混載メモリ装置は、メモリブロックと、論理回路ブロックとを有する。
For example, as an application to which the present invention is applied, there is an analog trimming application in which resistance is adjusted in order to change a supply voltage value. In such applications, it has been found that a maximum number of data rewrites of about 10 is sufficient. The details of the embodiments of the present invention will be described below, taking as an example a MONOS type nonvolatile memory device (hereinafter referred to as a logic-embedded memory device) in which a nonvolatile memory cell array is embedded with a logic circuit in order to provide the analog trimming function. To do.
This logic mixed memory device has a memory block and a logic circuit block.

図1に、メモリブロックの概略構成を示す。
図1に図解したメモリブロックは、メモリセルアレイ(MCA)1と、メモリセルアレイの動作を制御するメモリ周辺回路とからなる。
メモリ周辺回路は、カラムバッファ2a、ロウバッファ2b、プリロウデコーダ(PR.DEC)3、メインロウデコーダ(MR.DEC)4、カラムデコーダ(C.DEC)5、入出力回路(I/O)6、カラムゲートアレイ(C.SEL)7、ソース線駆動回路(SLD)8、および、ウェル充放電回路(W.C/DC)9を有する。メモリ周辺回路は、とくに図解していないが、必要に応じて電源電圧を若干昇圧して、当該昇圧後の電圧をメインロウデコーダ4、ソース線駆動回路8、ウェル充放電回路9に供給する電源回路、および電源供給を制御する制御回路を含む。なお、メモリ周辺回路からメモリセルアレイ1に出力することができる最大の電圧範囲を±5Vとすると、外部から供給される電源電圧が2.5V以下の場合は上述した昇圧が必要となるが、電源電圧が5Vの場合、昇圧は不要である。
FIG. 1 shows a schematic configuration of the memory block.
The memory block illustrated in FIG. 1 includes a memory cell array (MCA) 1 and a memory peripheral circuit that controls the operation of the memory cell array.
The memory peripheral circuit includes a column buffer 2a, a row buffer 2b, a pre-row decoder (PR.DEC) 3, a main row decoder (MR.DEC) 4, a column decoder (C.DEC) 5, and an input / output circuit (I / O). 6, a column gate array (C.SEL) 7, a source line driver circuit (SLD) 8, and a well charge / discharge circuit (WC / DC) 9. Although not specifically illustrated, the memory peripheral circuit slightly increases the power supply voltage as necessary, and supplies the boosted voltage to the main row decoder 4, the source line drive circuit 8, and the well charge / discharge circuit 9. A circuit and a control circuit for controlling power supply. If the maximum voltage range that can be output from the memory peripheral circuit to the memory cell array 1 is ± 5 V, the above-described boosting is required when the externally supplied power supply voltage is 2.5 V or less. When the voltage is 5V, boosting is unnecessary.

メインロウデコーダ4は、プリロウデコーダ3により指定されたワード線に所定電圧を印加するワード線駆動回路(WLD)を含む。
入出力回路6は、プログラムおよび読み出しデータのバッファ(BUF)のほか、データの書き込みまたは読み出し時等にビット線BLに所定電圧を印加するビット線駆動回路(BLD)、センスアンプ(SA)を含む。
The main row decoder 4 includes a word line driving circuit (WLD) that applies a predetermined voltage to the word line designated by the pre-row decoder 3.
The input / output circuit 6 includes a buffer (BUF) for program and read data, a bit line drive circuit (BLD) for applying a predetermined voltage to the bit line BL at the time of writing or reading data, and a sense amplifier (SA). .

本実施の形態では、メモリセルアレイ1に対するデータの書き換え方法に特徴があり、その方法はメモリ周辺回路がメモリセルアレイ1を制御することにより実行される。より詳細に、本実施の形態にかかる不揮発性メモリ装置は、書き込むデータのビット数Mと最大の書き換え回数Nとに応じた容量の格納領域を、データごとにメモリセルアレイ1の内部で確保する。この方法は、データのビット数Mや最大書き換え回数がデータごとにまちまちであり、また、これらが予め分からない場合に好適である。その方法により規定されたデータの格納領域を図2と図3に模式的に示す。   The present embodiment is characterized in a data rewriting method for the memory cell array 1, and this method is executed by the memory peripheral circuit controlling the memory cell array 1. More specifically, the nonvolatile memory device according to the present embodiment secures a storage area having a capacity corresponding to the number of bits M of data to be written and the maximum number of rewrites N in the memory cell array 1 for each data. This method is suitable when the number of data bits M and the maximum number of rewrites are different for each data, and these are not known in advance. Data storage areas defined by the method are schematically shown in FIGS.

図2に示す例では、データ1は4バイトで、その最大書き換え回数10回、データ2は8バイトで、その最大書き換え回数が3回と定められている場合を示す。図2に示す例では、データ1についての格納領域R1が最初の(10+1)×4=44バイトに定められ、続く(3+1)×8=32バイトがデータ2についての格納領域R2に定められる。これらのデータごとの格納領域R1,R2のアドレス範囲の情報は、メモリセルアレイ1の他の領域に書き換え可能に保持させてもよいし、あるいは、他のメモリに書き換え可能に保持させてもよい。または、このアドレス範囲の情報を外部から入力し、その情報によりメモリセルアレイのアクセス範囲を制限する、いわゆるマスクレジスタをメモリセルアレイに具備させる構成でもよい。   In the example shown in FIG. 2, data 1 is 4 bytes, the maximum number of rewrites is 10 times, data 2 is 8 bytes, and the maximum number of rewrites is 3 times. In the example shown in FIG. 2, the storage area R1 for data 1 is defined as the first (10 + 1) × 4 = 44 bytes, and the subsequent (3 + 1) × 8 = 32 bytes is defined as the storage area R2 for data 2. The information of the address ranges of the storage areas R1 and R2 for each data may be held in other areas of the memory cell array 1 in a rewritable manner, or may be held in other memories in a rewritable manner. Alternatively, the memory cell array may be provided with a so-called mask register that inputs the address range information from the outside and restricts the access range of the memory cell array based on the information.

図2に示すようにデータの格納範囲R1,R2,…をメモリセルアレイ1内で詰めて決定すると、メモリセルの利用効率は高いが、アドレス範囲の指定が複雑である。
そこで、図3に示すように、データの格納範囲を、ワード線セクタを最小単位としてその倍数で規定することができる。図3では、データ1の格納範囲R1が3ワード線セクタ分(60バイト)、データ2の格納範囲R2が2ワード線セクタ分(40バイト)確保されている。なお、データ1の最大書き換え回数が10回であり、データ2の最大書き換え回数が3回と定められている場合でも、メモリセルアレイの容量としては、さらに多い回数の書き換えが可能に構成してある。つまり、図3では、メモリ容量から可能なデータ1の値(4バイト)の保持数は、1つの初期値と14つの新たなデータ値とで合計15であることから、データ1の書き換え回数は14回である。また、メモリ容量から可能なデータ2の値(8バイト)の保持数は、1つの初期値と4つの新たなデータ値とで合計5であることから、データ2の書き換え回数は4回である。これらメモリ容量から可能なデータ1と2の書き換え可能回数14回と4回は、それぞれデータ1,2で規定されている最大の書き換え回数10回と3回より多く、その分、各格納領域R1とR2でメモリセルが余分に存在し、メモリセルの利用効率としては図2の場合より低い。しかし、図3に示すデータの格納方法は、ワード線セクタを最小単位として格納領域を選択し、これによるアドレス指定を含めたメモリ周辺回路の制御を簡素にできるという利点がある。
図2および図3では、それぞれの格納領域R1,R2,…においては、たとえば左上の隅を原点としたアドレスが決められているとすると、アドレスが若い順に、データの初期値、最初の書き換えによる新たなデータ値1、つぎの書き換えによる新たなデータ値2、…、が順次格納される。
When the data storage ranges R1, R2,... Are determined within the memory cell array 1 as shown in FIG. 2, the use efficiency of the memory cells is high, but the address range designation is complicated.
Therefore, as shown in FIG. 3, the data storage range can be defined by a multiple of the word line sector as a minimum unit. In FIG. 3, the storage range R1 for data 1 is secured for 3 word line sectors (60 bytes), and the storage range R2 for data 2 is secured for 2 word line sectors (40 bytes). Even when the maximum number of rewrites of data 1 is 10 and the maximum number of rewrites of data 2 is determined to be 3, the capacity of the memory cell array is configured so that a larger number of rewrites is possible. . In other words, in FIG. 3, the number of data 1 values (4 bytes) that can be stored from the memory capacity is 15 in total, one initial value and 14 new data values. 14 times. In addition, since the number of data 2 values (8 bytes) that can be stored from the memory capacity is 5 in total for one initial value and four new data values, the number of rewrites of data 2 is four. . The number of rewritable times 14 and 4 of data 1 and 2 possible from these memory capacities is larger than the maximum number of rewrites 10 and 3 defined in data 1 and 2, respectively. And R2 have extra memory cells, and the utilization efficiency of the memory cells is lower than in the case of FIG. However, the data storage method shown in FIG. 3 has the advantage that the memory peripheral circuit including address designation by this can be simplified by selecting the storage area with the word line sector as the minimum unit.
2 and 3, in each of the storage areas R1, R2,..., For example, if an address with the upper left corner as the origin is determined, the initial value of data and the first rewrite are performed in ascending order of the address. A new data value 1, a new data value 2, etc. by the next rewrite are sequentially stored.

ところで、データのビット数Mと最大書き換え回数Nが一定の場合、図4に示すようにメモリセルアレイ1を構成させることもできる。図4は、最大書き換え回数N=10の場合を示す。この場合、ビット長Mが一定の11個のブロックB0〜B10にメモリセルアレイ1が区分されている。データ1は、その初期値V0がブロックB0に格納され、最初の書き換えによる新たなデータ値V1がブロックB1に格納され、2回目の書き換えによる新たなデータ値V2がブロックB2に格納され、これが繰り返され、そして最後の書き換えによる値V10がブロックB10に格納される。   When the number of data bits M and the maximum number of rewrites N are constant, the memory cell array 1 can be configured as shown in FIG. FIG. 4 shows a case where the maximum number of rewrites N = 10. In this case, the memory cell array 1 is divided into 11 blocks B0 to B10 having a constant bit length M. For data 1, the initial value V0 is stored in the block B0, the new data value V1 by the first rewrite is stored in the block B1, and the new data value V2 by the second rewrite is stored in the block B2, and this is repeated. The value V10 obtained by the last rewrite is stored in the block B10.

つぎに、この図4に示す格納領域の構成を前提として、メモリ周辺回路のデータ書き込みおよび書き換え時の制御動作を簡単に記述する。
最初に、データ1の書き込み動作を説明する。まず、図示しないチップイネーブル信号が“ハイ(H)”の状態で、アドレス端子に入力されたアドレス信号A1〜Am+nがアドレスバッファ(カラムバッファ2aおよびロウバッファ2b)を介して、プリロウデコーダ3およびカラムデコーダ5に入力される。
入力されたアドレス信号の一部はプリロウデコーダ3によりデコードされ、アドレス信号により指定された所定のワード線WLが選択され、選択されたワード線WLsel.にメインロウデコーダ4内のワード線駆動回路(WLD)により所定の電圧が印加される。
データ1の書き込み時には、入力されるアドレス信号により図4に示す最初の行のワード線が選択され、ワード線駆動回路から所定のハイレベルの正電圧、たとえば3.3Vが選択されたワード線WLsel.に印加され、非選択のワード線WLunsel.はたとえば0Vで保持される。
Next, on the premise of the configuration of the storage area shown in FIG. 4, the control operation at the time of data writing and rewriting of the memory peripheral circuit will be briefly described.
First, the data 1 write operation will be described. First, in a state where a chip enable signal (not shown) is in a “high (H)” state, the address signals A1 to Am + n input to the address terminals are passed through the address buffers (column buffer 2a and row buffer 2b) and the pre-row decoder 3 and Input to the column decoder 5.
A part of the input address signal is decoded by the pre-row decoder 3, a predetermined word line WL designated by the address signal is selected, and the selected word line WLsel. A predetermined voltage is applied to the word line drive circuit (WLD) in the main row decoder 4.
When data 1 is written, the word line in the first row shown in FIG. 4 is selected by the input address signal, and a word line WLsel in which a predetermined high level positive voltage, for example, 3.3 V is selected from the word line driving circuit. . To the unselected word line WLunsel. Is held at 0V, for example.

残りのアドレス信号はカラムデコーダ5によりデコードされ、アドレス信号により指定された列選択線YLが選択され、これに所定電圧が印加される。
列選択線YLに所定電圧が印加されることにより、カラムゲートアレイ7内の所定のビット線選択トランジスタが導通状態に推移され、これに応じて、メモリセルアレイ1内でデータ1の初期値V0を格納するブロックB0に対応したM本の選択ビット線BLsel.が、入出力回路6に接続される。
The remaining address signal is decoded by the column decoder 5, the column selection line YL designated by the address signal is selected, and a predetermined voltage is applied thereto.
When a predetermined voltage is applied to the column selection line YL, a predetermined bit line selection transistor in the column gate array 7 changes to a conductive state, and the initial value V0 of data 1 is set in the memory cell array 1 accordingly. M selected bit lines BLsel. Corresponding to the block B0 to be stored. Are connected to the input / output circuit 6.

制御信号CSによって制御されたソース線駆動回路8により、書き込み時には接地電位GNDがソース線SLに印加される。
また、制御信号CS´によって制御されたウェル充放電回路9により、メモリセルアレイのウェルが書き込み時にのみ、所定の逆バイアス電圧(たとえば負電圧)に充電される。
The source line driving circuit 8 controlled by the control signal CS applies the ground potential GND to the source line SL at the time of writing.
Further, the well charge / discharge circuit 9 controlled by the control signal CS ′ charges the well of the memory cell array to a predetermined reverse bias voltage (for example, negative voltage) only at the time of writing.

これにより、データ1の書き込み時に、入出力バッファ内のデータ1の初期値V0に応じて、そのビットが「1」の場合にハイレベルの電圧が、そのビットが「0」の場合にローレベルの電圧が、それぞれ選択されたM本のビット線BLsel.に印加される。その結果、これら選択されたM本のビット線BLsel.と、選択されて励起されたワード線WLsel.との交点にあるM個のメモリセル群にデータ1の初期値V0が書き込まれ、格納される。具体的に、書き込みデータ1の初期値V0に応じて、その「1」のビットに対応した選択ビット線に3.3V程度の正電圧が印加され、「0」のビットに対応した選択ビット線に0Vが印加される。このうち選択ビット線に正電圧(3.3V)が印加されたメモリセルに、電離衝突(たとえば2次電離衝突)によるホットエレクトロンが注入され、その結果、メモリセルのしきい値が上昇して記憶データが「1」となる。選択ビット線が0Vで維持される「0」のビットに対応したメモリセルでは電離衝突が生じないでしきい値が上昇しないことから、記憶データが「0」となる。   As a result, when data 1 is written, according to the initial value V0 of data 1 in the input / output buffer, the high level voltage when the bit is “1” and the low level when the bit is “0” Of the M bit lines BLsel. To be applied. As a result, these selected M bit lines BLsel. And the selected and excited word line WLsel. The initial value V0 of data 1 is written and stored in a group of M memory cells at the intersection with. Specifically, according to the initial value V0 of the write data 1, a positive voltage of about 3.3 V is applied to the selected bit line corresponding to the “1” bit, and the selected bit line corresponding to the “0” bit. Is applied with 0V. Among these, hot electrons due to ionization collision (for example, secondary ionization collision) are injected into the memory cell in which a positive voltage (3.3 V) is applied to the selected bit line, and as a result, the threshold value of the memory cell increases. The stored data is “1”. In the memory cell corresponding to the bit of “0” in which the selected bit line is maintained at 0 V, the ionization collision does not occur and the threshold value does not rise, so the stored data becomes “0”.

後述するようにビット線方向に長い平行ストライプ状にウェルが分割されている場合、図1の構成では、ウェル選択をカラムアドレスに基づいて行うとよい。2次電離衝突によるホットエレクトロン注入書き込みでは、ウェルを負にバイアスすることが望ましく、この場合、選択されたウェルに、たとえば−1.0〜−3.5V程度が印加される。   As will be described later, when the wells are divided into parallel stripes that are long in the bit line direction, the well selection is preferably performed based on the column address in the configuration of FIG. In hot electron injection writing by secondary ionization collision, it is desirable to negatively bias the well. In this case, for example, about −1.0 to −3.5 V is applied to the selected well.

つぎに、データ1の書き換え動作を説明する。
まず、データ1の書き込み時と同様、チップイネーブル信号が“ハイ(H)”の状態で、アドレス端子に入力されたアドレス信号A1〜Am+nがアドレスバッファを介して、プリロウデコーダ3およびカラムデコーダ5に入力される。
入力されたアドレス信号の一部はプリロウデコーダ3によりデコードされ、アドレス信号により指定された所定のワード線WLが選択され、選択されたワード線WLsel.にメインロウデコーダ4内のワード線駆動回路(WLD)により所定の電圧が印加される。
データ1の書き換えであることから、入力されるアドレス信号により図4に示す最初の行のワード線が選択され、ワード線駆動回路から所定のハイレベルの正電圧、たとえば3.3Vが選択されたワード線WLsel.に印加され、非選択のワード線WLunsel.はたとえば0Vで保持される。
Next, the data 1 rewrite operation will be described.
First, as in the case of writing data 1, the pre-row decoder 3 and the column decoder 5 receive the address signals A1 to Am + n inputted to the address terminals through the address buffer while the chip enable signal is in the “high (H)” state. Is input.
A part of the input address signal is decoded by the pre-row decoder 3, a predetermined word line WL designated by the address signal is selected, and the selected word line WLsel. A predetermined voltage is applied to the word line drive circuit (WLD) in the main row decoder 4.
Since the data 1 is rewritten, the word line in the first row shown in FIG. 4 is selected by the input address signal, and a predetermined high level positive voltage, for example, 3.3 V is selected from the word line driving circuit. Word line WLsel. To the unselected word line WLunsel. Is held at 0V, for example.

残りのアドレス信号はカラムデコーダ5によりデコードされ、アドレス信号により指定された列選択線YLが選択され、これに所定電圧が印加される。
列選択線YLに所定電圧が印加されることにより、カラムゲートアレイ7内の所定のビット線選択トランジスタが導通状態に推移され、これに応じて、メモリセルアレイ1内でデータ1の最初の書き換えによる新たなデータ値V1を格納するブロックB1に対応した、つぎのM本の選択ビット線BLsel.が、入出力回路6に接続される。なお、このときブロックB0に対するアクセスが禁止される。
The remaining address signal is decoded by the column decoder 5, the column selection line YL designated by the address signal is selected, and a predetermined voltage is applied thereto.
When a predetermined voltage is applied to the column selection line YL, a predetermined bit line selection transistor in the column gate array 7 is changed to a conductive state, and accordingly, the first rewrite of data 1 in the memory cell array 1 is performed. The next M selected bit lines BLsel. Corresponding to the block B1 storing the new data value V1. Are connected to the input / output circuit 6. At this time, access to the block B0 is prohibited.

この時までに、入出力バッファ内にデータ1の新たなデータ値V1が入力されている。したがって、データ1の新たなデータ値V1に応じて、そのビットが「1」の場合にハイレベルの電圧(3.3V)が、そのビットが「0」の場合にローレベルの電圧(0V)が、それぞれ選択されたM本のビット線BLsel.に印加される。その結果、これら選択されたブロックB1に対応したM本のビット線BLsel.と、選択されて励起されたワード線WLsel.との交点にあるM個のメモリセル群(ブロックB1)にデータ1の新たなデータ値V1が書き込まれ、格納される。   By this time, a new data value V1 of data 1 has been input into the input / output buffer. Therefore, according to the new data value V1 of data 1, when the bit is “1”, the high level voltage (3.3V) is high, and when the bit is “0”, the low level voltage (0V) is high. Are respectively selected M bit lines BLsel. To be applied. As a result, the M bit lines BLsel. Corresponding to these selected blocks B1. And the selected and excited word line WLsel. A new data value V1 of data 1 is written and stored in a group of M memory cells (block B1) at the intersection with.

以後、同様にして、データ1の書き換え指示があるたびに、その新たなデータ値V2,…,V10を順次、ブロックB2,…,B10と異なる領域に書き込んでいく。そのたびに古いブロックにアクセス禁止が設定される。このため、書き換え回数が任意の時点でデータ1の読み出しを行う場合、最新の書き換え時に値が格納されたブロックへのアクセスしかできない。
なお、データ2、データ3、…と他のデータを格納する必要がある場合も、その基本的なデータの初期値の書き込みと、その書き換えの方法は、上記したデータ1の場合と同じである。
Thereafter, in the same manner, whenever there is an instruction to rewrite data 1, the new data values V2,..., V10 are sequentially written in a different area from the blocks B2,. Access prohibition is set for the old block each time. For this reason, when data 1 is read when the number of rewrites is arbitrary, only the block in which the value is stored at the time of the latest rewrite can be accessed.
When data 2, data 3,... And other data need to be stored, the basic data initial value writing and rewriting method are the same as those for data 1 described above. .

このように、3.3Vあるいは2.5V程度の電源電圧によるデータ書き換えの駆動を実現するには、メモリトランジスタの構造、データの書き込み方法などに工夫を行う必要がある。以下に、本実施の形態で適用可能なメモリセルアレイ方式、メモリトランジスタの断面構造、ならびに、データの書き込みと読み出しの方法などについて詳細に説明する。   Thus, in order to realize data rewrite driving with a power supply voltage of about 3.3 V or 2.5 V, it is necessary to devise the structure of the memory transistor, the data writing method, and the like. Hereinafter, a memory cell array method, a cross-sectional structure of a memory transistor, a method for writing and reading data, and the like that can be applied to this embodiment will be described in detail.

図5は、ソース分離NOR型の不揮発性メモリ装置の等価回路図である。図6は、その平面図、図7は、図6にA−A’線で示す断面からみた鳥瞰図である。
メモリセルを構成するメモリトランジスタM11〜M33が行列状に配置され、これらトランジスタ間がワード線、ビット線および分離型ソース線によって配線されている。
列(COLUMN)方向に隣接するメモリトランジスタM11、M12およびM13の各ドレインがビット線BL1に接続され、各ソースがソース線SL1に接続されている。列方向に隣接するメモリトランジスタM21、M22およびM23の各ドレインがビット線BL2に接続され、各ソースがソース線SL2に接続されている。列方向に隣接するメモリトランジスタM31、M32およびM33の各ドレインがビット線BL3に接続され、各ソースがソース線SL3に接続されている。
行(ROW)方向に隣接するメモリトランジスタM11、M21およびM31の各ゲートがワード線WL1に接続されている。行方向に隣接するメモリトランジスタM12、M22およびM32の各ゲートがワード線WL2に接続されている。行方向に隣接するメモリトランジスタM13、M23およびM33の各ゲートがワード線WL3に接続されている。
メモリセルアレイ全体では、図5に図解したセル配置およびセル間接続が繰り返されている。
FIG. 5 is an equivalent circuit diagram of a non-volatile memory device of the source isolation NOR type. FIG. 6 is a plan view thereof, and FIG. 7 is a bird's-eye view as seen from the cross section indicated by the line AA ′ in FIG.
Memory transistors M11 to M33 constituting the memory cell are arranged in a matrix, and these transistors are wired by a word line, a bit line, and a separated source line.
The drains of the memory transistors M11, M12, and M13 adjacent in the column (COLUMN) direction are connected to the bit line BL1, and the sources are connected to the source line SL1. The drains of the memory transistors M21, M22, and M23 adjacent in the column direction are connected to the bit line BL2, and the sources are connected to the source line SL2. The drains of the memory transistors M31, M32, and M33 adjacent in the column direction are connected to the bit line BL3, and the sources are connected to the source line SL3.
The gates of the memory transistors M11, M21, and M31 adjacent in the row (ROW) direction are connected to the word line WL1. Each gate of memory transistors M12, M22 and M32 adjacent in the row direction is connected to word line WL2. Each gate of memory transistors M13, M23, and M33 adjacent in the row direction is connected to word line WL3.
In the entire memory cell array, the cell arrangement and inter-cell connection illustrated in FIG. 5 are repeated.

微細NOR型セルアレイにおいては、図7に示すように、P型半導体基板SUBまたは図示を省略したPウェルの表面領域にトレンチまたはLOCOSなどから素子分離絶縁層ISOが形成されている。素子分離絶縁層ISOは、列(COLUMN)方向に長い平行ライン形状を有する。ワード線WL1,WL2,WL3,WL4,…が等間隔に形成され、それぞれのワード線が素子分離絶縁層ISOにほぼ直交している。
ワード線と半導体基板SUBとの間に、ボトム誘電体膜、主電荷蓄積膜、トップ誘電体膜からなる3層の積層膜(電荷蓄積膜)が形成されている。ゲート線の幅(ゲート長)が0.18μm以下、たとえば0.13μmに微細化されている。
素子分離絶縁層ISOの間隔内の半導体基板表面領域においては、N型不純物が高濃度に導入されて第1のソース・ドレイン領域(以下、ソース領域という)Sと第2のソース・ドレイン領域(以下、ドレイン領域という)Dとが交互に形成されている。ソース領域Sとドレイン領域Dの行(ROW)方向の寸法は、素子分離絶縁層ISOの間隔で規定される。ソース領域Sとドレイン領域Dの列(COLUMN)方向の寸法は、ワード線WL1〜WL4の間隔で規定される。ソース領域Sとドレイン領域Dは、その寸法と配置のばらつきに関しマスク合わせの誤差が殆ど導入されないことから、極めて均一に形成されている。
In the fine NOR type cell array, as shown in FIG. 7, an element isolation insulating layer ISO is formed from a trench or LOCOS in a surface region of a P-type semiconductor substrate SUB or a P-well not shown. The element isolation insulating layer ISO has a parallel line shape that is long in the column (COLUMN) direction. Word lines WL1, WL2, WL3, WL4,... Are formed at equal intervals, and each word line is substantially orthogonal to the element isolation insulating layer ISO.
Between the word line and the semiconductor substrate SUB, a three-layered film (charge storage film) including a bottom dielectric film, a main charge storage film, and a top dielectric film is formed. The width (gate length) of the gate line is reduced to 0.18 μm or less, for example, 0.13 μm.
In the surface region of the semiconductor substrate within the interval between the element isolation insulating layers ISO, N-type impurities are introduced at a high concentration, and a first source / drain region (hereinafter referred to as a source region) S and a second source / drain region ( (Hereinafter referred to as the drain region) D are alternately formed. The dimension of the source region S and the drain region D in the row (ROW) direction is defined by the distance between the element isolation insulating layers ISO. The dimension in the column (COLUMN) direction of the source region S and the drain region D is defined by the interval between the word lines WL1 to WL4. The source region S and the drain region D are formed to be very uniform because almost no mask alignment error is introduced with respect to variations in dimensions and arrangement.

隣接する2本のワード線の間で、ワード線に沿って細長い自己整合コンタクト部SACが開口されている。自己整合コンタクト部SAC内においては、オフセット絶縁層OFおよびサイドウォール絶縁層SWによりワード線が被覆されている。
ソース領域Sまたはドレイン領域Dに一部重なるように、自己整合コンタクト部SAC内に導電性材料が互い違いに埋め込まれ、これによりビットコンタクト・プラグBCおよびソースコンタクト・プラグSCが形成されている。ビットコンタクト・プラグBCは、ドレイン領域Dに対し行(ROW)方向の一方端部に重なっている。ソースコンタクト・プラグSCは、ソース領域Sに対し行(ROW)方向の他方端部に重なっている。その結果、ビットコンタクト・プラグBCとソースコンタクト・プラグSCは、図7に示すように、互い違いに形成されている。これは、ビットコンタクト・プラグBCはビット線と接続され、ソースコンタクト・プラグSCはソース線と接続されるからである。
Between the two adjacent word lines, an elongated self-aligned contact portion SAC is opened along the word line. In the self-aligned contact portion SAC, the word line is covered with the offset insulating layer OF and the sidewall insulating layer SW.
Conductive materials are alternately buried in the self-aligned contact portions SAC so as to partially overlap the source region S or the drain region D, whereby the bit contact plug BC and the source contact plug SC are formed. The bit contact plug BC overlaps the drain region D at one end in the row (ROW) direction. The source contact plug SC overlaps the other end portion in the row (ROW) direction with respect to the source region S. As a result, the bit contact plugs BC and the source contact plugs SC are alternately formed as shown in FIG. This is because the bit contact plug BC is connected to the bit line, and the source contact plug SC is connected to the source line.

ビットコンタクト・プラグBCおよびソースコンタクト・プラグSCの形成では、自己整合コンタクト部SAC全域を埋め込むように導電材料を堆積し、導電材料の上に、エッチングマスク用のレジストを形成する。このとき、レジストを自己整合コンタクト部の幅より一回り大きくし、また、レジストの一部を素子分離絶縁層に重ねる。レジストをマスクとしてレジスト周囲の導電材料をエッチングにより除去する。これにより、ビットコンタクト・プラグBCおよびソースコンタクト・プラグSCが同時に形成される。
図示しない絶縁膜でコンタクト周囲の凹部が埋め込まれている。この絶縁膜上を、ビットコンタクト・プラグBC上に接触するビット線BL1,BL2,…と、ソースコンタクト・プラグSC上に接触するソース線SLが交互に形成されている。ビット線とソース線は、列(COLUMN)方向に長い平行ラインの形状を有している。
In forming the bit contact plug BC and the source contact plug SC, a conductive material is deposited so as to fill the entire self-aligned contact portion SAC, and a resist for an etching mask is formed on the conductive material. At this time, the resist is made slightly larger than the width of the self-aligned contact portion, and a part of the resist is overlaid on the element isolation insulating layer. Using the resist as a mask, the conductive material around the resist is removed by etching. As a result, the bit contact plug BC and the source contact plug SC are formed simultaneously.
A recess around the contact is filled with an insulating film (not shown). On the insulating film, bit lines BL1, BL2,... Contacting the bit contact plug BC and source lines SL contacting the source contact plug SC are alternately formed. The bit line and the source line have a parallel line shape that is long in the column (COLUMN) direction.

微細NOR型セルアレイは、ビット線またはソース線に対するコンタクト形成が、自己整合コンタクト部SACの形成と、プラグBC,SCの形成により達成される。自己整合コンタクト部SACの形成によって、ワード線との絶縁分離が達成される。自己整合コンタクト部SACの形成時に、ソース領域Sまたはドレイン領域Dの表出面が均一に形成される。ビットコンタクト・プラグBCおよびソースコンタクト・プラグSCの形成は、自己整合コンタクト部コンタクトSAC内のソース領域Sまたはドレイン領域Dの表出面に対して行う。各プラグの基板接触面は、列(COLUMN)方向のサイズが自己整合コンタクト部SAC形成時に決められ、コンタクト面積のバラツキが小さい。
ビットコンタクト・プラグBCまたはソースコンタクト・プラグSCと、ワード線との絶縁分離が容易である。ワード線形成時に一括してオフセット絶縁層OFを形成し、その後、絶縁膜の成膜と全面エッチング(エッチバック)を行うだけでサイドウォール絶縁層SWが形成される。ビットコンタクト・プラグBCとソースコンタクト・プラグSC、ビット線とソース線は、それぞれ同一階層の導電層をパターンニングして形成される。このため、配線構造が極めて簡素であり、工程数も少なく、製造コストを低く抑えるのに有利な構造となっている。
In the fine NOR type cell array, the contact formation with respect to the bit line or the source line is achieved by the formation of the self-aligned contact portion SAC and the formation of the plugs BC and SC. By forming the self-aligned contact portion SAC, insulation isolation from the word line is achieved. When the self-aligned contact portion SAC is formed, the exposed surface of the source region S or the drain region D is formed uniformly. The bit contact plug BC and the source contact plug SC are formed on the exposed surface of the source region S or the drain region D in the self-aligned contact portion contact SAC. The size of the substrate contact surface of each plug in the column (COLUMN) direction is determined when the self-aligned contact portion SAC is formed, and the variation in the contact area is small.
The bit contact plug BC or the source contact plug SC can be easily isolated from the word line. The sidewall insulating layer SW is formed by simply forming the offset insulating layer OF at the time of forming the word line and then performing the formation of the insulating film and the entire surface etching (etchback). The bit contact plug BC and the source contact plug SC, and the bit line and the source line are formed by patterning conductive layers in the same layer. For this reason, the wiring structure is very simple, the number of processes is small, and the structure is advantageous for keeping the manufacturing cost low.

図8に、メモリトランジスタの行方向(以下、チャネル方向という)の拡大断面図を示す。
図8においては、ドレイン領域Dとソース領域Sとの間に挟まれ、ワード線WLが交差する部分が、当該メモリトランジスタのチャネル形成領域CHである。チャネル形成領域CHに、ドレイン領域Dに接する高濃度チャネル領域HRが形成されている。高濃度チャネル領域HRは、他のチャネル形成領域CHの部分より高濃度なP型となっている。後述するように、高濃度チャネル領域HRは、隣接したチャネル形成領域CH部分でチャネル方向の電界の集中性を高める役割がある。
FIG. 8 is an enlarged cross-sectional view of the memory transistor in the row direction (hereinafter referred to as channel direction).
In FIG. 8, a portion sandwiched between the drain region D and the source region S and intersecting the word line WL is a channel formation region CH of the memory transistor. A high concentration channel region HR in contact with the drain region D is formed in the channel formation region CH. The high-concentration channel region HR is a P-type having a higher concentration than other channel formation regions CH. As will be described later, the high-concentration channel region HR has a role of increasing the concentration of the electric field in the channel direction in the adjacent channel formation region CH.

高濃度チャネル領域HRを含むチャネル形成領域CHの上に電荷蓄積膜GDが形成され、電荷蓄積膜GDの上にメモリトランジスタのゲート電極(ワード線WL)が形成されている。ワード線WLは、P型またはN型の不純物が高濃度に導入されて導電化されたドープド多結晶硅素、高融点金属シリサイド、またはドープド多結晶硅素と高融点金属シリサイドとの積層膜からなる。ワード線WLの実効部分、すなわちソース・ドレイン間距離に相当するチャネル方向の長さ(ゲート長)は、0.18μm以下、たとえば130nm程度である。   A charge storage film GD is formed on the channel formation region CH including the high concentration channel region HR, and a gate electrode (word line WL) of the memory transistor is formed on the charge storage film GD. The word line WL is made of doped polycrystalline silicon, refractory metal silicide, or a laminated film of doped polycrystalline silicon and refractory metal silicide that has been made conductive by introducing a high concentration of P-type or N-type impurities. The effective portion of the word line WL, that is, the length in the channel direction (gate length) corresponding to the distance between the source and the drain is 0.18 μm or less, for example, about 130 nm.

本実施の形態における電荷蓄積膜GDは、下層から順に、ボトム誘電体膜BTM,主電荷蓄積膜CHS,トップ誘電体膜TOPから構成されている。
ボトム誘電体膜BTMは、たとえば、酸化膜を形成し、これを窒化処理して形成する。ボトム誘電体膜BTMの膜厚は、たとえば4nmから9.0nmの範囲内で決めることができ、ここでは4〜6nmに設定されている。また、半導体基板がシリコンからなる場合、ボトム誘電体膜BTMのシリコン基板との伝導体側のバリアハイトが、二酸化シリコン(SiO)とシリコン(Si)とのバリアハイトより低く設定されている。
The charge storage film GD in the present embodiment is composed of a bottom dielectric film BTM, a main charge storage film CHS, and a top dielectric film TOP in order from the lower layer.
The bottom dielectric film BTM is formed, for example, by forming an oxide film and nitriding it. The film thickness of the bottom dielectric film BTM can be determined within a range of 4 nm to 9.0 nm, for example, and is set to 4 to 6 nm here. When the semiconductor substrate is made of silicon, the barrier height of the bottom dielectric film BTM on the conductor side with respect to the silicon substrate is set lower than the barrier height of silicon dioxide (SiO 2 ) and silicon (Si).

ここで、2次元電離衝突によるチャリアそのものではないが、その発生の元となるDAHC(drain avalanche hot carrier)の注入効率Pを次式(1)に示す。   Here, the injection efficiency P of DAHC (drain avalanche hot carrier), which is not the charia itself due to the two-dimensional ionization collision, is shown in the following equation (1).

[式1]
P=A・exp{−(B・q・φc)/(k・Te)}…(1)
式(1)においては、AおよびBは定数、qは電子電荷の絶対値(=1.6×10-19C)、φcはバリアハイト、kはボルツマン定数、Teは絶対温度を示す。
[Formula 1]
P = A · exp {− (B · q · φc) / (k · Te)} (1)
In the formula (1), A and B are constants, q is an absolute value of electronic charge (= 1.6 × 10 −19 C), φc is a barrier height, k is a Boltzmann constant, and Te is an absolute temperature.

式(1)から算出される二酸化シリコンのシリコン基板との伝導帯側のバリアハイト3.2Vに対し、酸化窒化(oxynitride)膜のシリコン基板との伝導帯側のバリアハイトが2.0Vと低い値を有する。このようなバリアハイトの大小関係の条件を満たすボトム誘電体膜BTMの他の材料としては、後述するように、アルミニウム、タンタル、チタン、ジルコニウム、ハフニウム、ランタンの酸化物またはシリケイトなどからなる膜を用いることができる。これらの材料のシリコン基板との導電帯側のバリアハイトの概算値は、酸化アルミニウム(Al):2.8eV、酸化タンタル(Ta):1.45eV、酸化チタン(TiO):1.1eV、酸化ジルコニウム(ZrO):1.4eV、酸化ハフニウム(HfO):1.5eV、酸化イットリウム(Y):2.3eV、珪酸ジルコニウム(ZrSiO):1.5eV、ジルコン酸バリウム(BaZrO):0.8eVと、何れも二酸化シリコンのシリコン基板との伝導帯側のバリアハイト3.2Vより低く設定されている。 The barrier height on the conduction band side with the silicon substrate of silicon dioxide calculated from the formula (1) is 3.2 V, whereas the barrier height on the conduction band side with the silicon substrate of the oxynitride film is 2.0 V, which is a low value. Have. As another material of the bottom dielectric film BTM that satisfies the condition of the barrier height, a film made of aluminum, tantalum, titanium, zirconium, hafnium, lanthanum oxide, silicate, or the like is used as described later. be able to. The approximate values of the barrier height on the conductive band side of these materials with the silicon substrate are as follows: aluminum oxide (Al 2 O 3 ): 2.8 eV, tantalum oxide (Ta 2 O 5 ): 1.45 eV, titanium oxide (TiO 2 ) : 1.1 eV, zirconium oxide (ZrO 2 ): 1.4 eV, hafnium oxide (HfO 2 ): 1.5 eV, yttrium oxide (Y 2 O 3 ): 2.3 eV, zirconium silicate (ZrSiO 4 ): 1.5 eV Barium zirconate (BaZrO 3 ): 0.8 eV, both of which are set lower than the barrier height of 3.2 V on the conduction band side with the silicon dioxide silicon substrate.

主電荷蓄積膜CHSは、たとえば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。主電荷蓄積膜CHSは、たとえば減圧CVD(LP−CVD)により作製され、膜中にキャリアトラップが多く含まれている。主電荷蓄積膜CHSは、フレンケルプール型(FP型)の電気伝導特性を示す。
トップ誘電体膜TOPは、主電荷蓄積膜CHS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る。このため、主電荷蓄積膜CHSは、たとえば成膜後の窒化膜を熱酸化して形成される。トップ誘電体膜TOPを高温度CVD酸化膜(HTO)としてもよい。トップ誘電体膜TOP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。トップ誘電体膜TOPの膜厚は、ゲート電極(ワード線WL)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。
The main charge storage film CHS is composed of, for example, an 8.0 nm silicon nitride (Si x N y (0 <x <1, 0 <y <1)) film. The main charge storage film CHS is produced, for example, by low pressure CVD (LP-CVD), and contains many carrier traps. The main charge storage film CHS exhibits Frenkel pool type (FP type) electrical conduction characteristics.
The top dielectric film TOP needs to form deep carrier traps at high density near the interface with the main charge storage film CHS. For this reason, the main charge storage film CHS is formed, for example, by thermally oxidizing a nitride film after film formation. The top dielectric film TOP may be a high temperature CVD oxide film (HTO). When the top dielectric film TOP is formed by CVD, this trap is formed by heat treatment. The film thickness of the top dielectric film TOP is at least 3.0 nm, preferably 3 in order to effectively prevent hole injection from the gate electrode (word line WL) and prevent a decrease in the number of times data can be rewritten. .5 nm or more is required.

このような構成のメモリトランジスタの製造においては、用意した半導体基板SUBに対し素子分離絶縁層ISOおよびPウェルW(図7では省略)を形成する。ドレイン領域Dおよびソース領域Sとなる不純物領域(第1および第2のソース・ドレイン領域)をイオン注入法により形成する。斜めイオン注入法などにより、高濃度チャネル領域HRを形成する。必要に応じて、閾値電圧調整用のイオン注入を行う。   In manufacturing the memory transistor having such a configuration, the element isolation insulating layer ISO and the P well W (not shown in FIG. 7) are formed on the prepared semiconductor substrate SUB. Impurity regions (first and second source / drain regions) to be the drain region D and the source region S are formed by ion implantation. The high concentration channel region HR is formed by an oblique ion implantation method or the like. If necessary, ion implantation for adjusting the threshold voltage is performed.

つぎに、PウェルWおよび素子分離絶縁層ISOが形成された半導体基板SUBの上に、電荷蓄積膜GDを形成する。
具体的に、短時間高温熱処理法(RTO法)により1000℃,10秒の熱処理を行い、オキシナイトライド膜(ボトム誘電体膜BTM)を形成する。ボトム誘電体膜BTMの膜厚は4〜9nmが望ましく、本実施例では5nmとする。ボトム誘電体膜BTMは、前述したようにシリコン基板との伝導帯側のバリアハイトを低くする意味で二酸化シリコン(SiO)以外の材料の膜、前述したように、たとえば酸化窒化シリコン(SiON)膜、窒化シリコン(SiN)膜、アルミナ膜などの各種シリケイト膜、さらには、その他の高誘電率の材料からなる膜から構成してもよい。
ボトム誘電体膜BTM上に、窒化シリコン膜(主電荷蓄積膜CHS)を、最終膜厚が8nmとなるように、これより厚めにLP−CVD法により堆積する。このCVDは、たとえば、ジクロルシラン(DCS)とアンモニアを混合したガスを用い、基板温度730℃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4.5nmの酸化シリコン膜(トップ誘電体膜TOP)を形成する。この熱酸化は、たとえばHO雰囲気、炉温度950℃で行う。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、窒化シリコン膜(主電荷蓄積膜CHS)が1nmに対し熱酸化シリコン膜(トップ誘電体膜TOP)が1.5nm形成され、この割合で下地の窒化シリコン膜厚が減少し、窒化シリコン膜の最終膜厚が8nmとなる。
Next, the charge storage film GD is formed on the semiconductor substrate SUB on which the P well W and the element isolation insulating layer ISO are formed.
Specifically, heat treatment is performed at 1000 ° C. for 10 seconds by a short time high temperature heat treatment method (RTO method) to form an oxynitride film (bottom dielectric film BTM). The film thickness of the bottom dielectric film BTM is desirably 4 to 9 nm, and is 5 nm in this embodiment. The bottom dielectric film BTM is a film made of a material other than silicon dioxide (SiO 2 ) in the sense of lowering the barrier height on the conduction band side with the silicon substrate as described above. For example, as described above, for example, a silicon oxynitride (SiON) film In addition, various silicate films such as a silicon nitride (SiN) film and an alumina film, and other films made of a material having a high dielectric constant may be used.
On the bottom dielectric film BTM, a silicon nitride film (main charge storage film CHS) is deposited by LP-CVD so as to have a final film thickness of 8 nm. This CVD is performed at a substrate temperature of 730 ° C. using a gas in which dichlorosilane (DCS) and ammonia are mixed, for example.
The surface of the formed silicon nitride film is oxidized by a thermal oxidation method to form, for example, a silicon oxide film (top dielectric film TOP) of 4.5 nm. This thermal oxidation is performed, for example, in an H 2 O atmosphere and a furnace temperature of 950 ° C. As a result, deep carrier traps having a trap level (energy difference from the conduction band of the silicon nitride film) of about 2.0 eV or less are formed at a density of about 1 to 2 × 10 13 / cm 2 . In addition, a thermal silicon oxide film (top dielectric film TOP) is formed to a thickness of 1.5 nm with respect to 1 nm of the silicon nitride film (main charge storage film CHS), and the underlying silicon nitride film thickness is reduced at this rate. The final film thickness is 8 nm.

ゲート電極(ワード線WL)となる導電膜とオフセット絶縁層(不図示)との積層膜を積層させ、この積層膜を一括して同一パターンにて加工する。
続いて、図7のメモリセルアレイ構造とするために、サイドウォール絶縁層とともに自己整合コンタクト部を形成し、自己整合コンタクト部により表出するドレイン領域Dおよびソース領域S上に、ビットコンタクト・プラグBCおよびソースコンタクト・プラグSCとなるプラグを形成する。
これらプラグ周囲を層間絶縁膜で埋め込み、層間絶縁膜上にビット線BLおよびソース線SLを形成した後、必要に応じて層間絶縁層の堆積、コンタクト形成、上層配線の形成を行う。最後に、オーバーコートの成膜とパッドの開口工程等を経て、当該不揮発性メモリセルアレイを完成させる。
A laminated film of a conductive film to be a gate electrode (word line WL) and an offset insulating layer (not shown) is laminated, and the laminated film is processed in the same pattern all together.
Subsequently, in order to obtain the memory cell array structure of FIG. 7, a self-aligned contact portion is formed together with the sidewall insulating layer, and the bit contact plug BC is formed on the drain region D and the source region S exposed by the self-aligned contact portion. Then, a plug to be the source contact plug SC is formed.
The periphery of these plugs is filled with an interlayer insulating film, and after the bit line BL and the source line SL are formed on the interlayer insulating film, the interlayer insulating layer is deposited, contacts are formed, and the upper wiring is formed as necessary. Finally, the nonvolatile memory cell array is completed through an overcoat film formation process, a pad opening process, and the like.

つぎに、図5に図解したソース分離NOR型の不揮発性メモリセルアレイのバイアス設定例および動作を説明する。
図9(A)は、データ書き込みの動作の概念図、すなわち、ホットエレクトロンが注入の概念図、図9(B)は、チャネル方向の電子の加速電界Eを示す図である。本実施の形態では、電離衝突現象の一種である2次電離衝突によって発生したホットエレクトロン注入により書き込みを行う。
具体的に、図9(A)に示すように、ソース(ソース領域S)の電圧0Vを基準として、ゲート(ワード線WL)に3〜4V、ドレイン(ドレイン領域D)にVsd=3.3Vを印加する。また、バックバイアスとしてPウェルWに、PウェルWと副ソース線(第1のソース・ドレイン領域)SSLまたは副ビット線(第2のソース・ドレイン領域)SBLとの間のPN接合を逆バイアスする方向の電圧Vwell、たとえば−3Vを印加する。このとき第2のソース・ドレイン領域とウェル間に印加される電圧は、第2のソース・ドレイン領域とウェル間の耐圧より小さい電圧値が選択される。
Next, a bias setting example and operation of the source-separated NOR type nonvolatile memory cell array illustrated in FIG. 5 will be described.
FIG. 9A is a conceptual diagram of the data writing operation, that is, a conceptual diagram of hot electron injection, and FIG. 9B is a diagram showing an acceleration electric field E of electrons in the channel direction. In the present embodiment, writing is performed by hot electron injection generated by secondary ionization collision, which is a kind of ionization collision phenomenon.
Specifically, as shown in FIG. 9A, the gate (word line WL) is 3 to 4 V and the drain (drain region D) is Vsd = 3.3 V with reference to the voltage of 0 V at the source (source region S). Is applied. Further, as a back bias, a PN junction between the P well W and the sub source line (first source / drain region) SSL or the sub bit line (second source / drain region) SBL is reverse-biased as a back bias. A voltage Vwell, for example, -3V, is applied. At this time, a voltage value smaller than the breakdown voltage between the second source / drain region and the well is selected as the voltage applied between the second source / drain region and the well.

このバイアス条件下、ソース領域Sから供給されチャネルを走行する電子eがドレイン領域D側の空乏層内でシリコン格子に衝突し、あるいは散乱を受け、高エネルギーのホールHHとエレクトロンHEの対を発生させる。このうち、ホットホールHHはPN接合の空乏層中で加速されて2次電離衝突し、さらに電子とホールの対を発生させる。2次電離衝突により発生した電子は、ホットエレクトロンHEになってドリフトしながら、その一部がワード線WL側に向かい垂直方向の電界により更に加速される。高いエネルギーを得たホットエレクトロンHEが、ボトム誘電体膜BTMの電位障壁を乗り越え、主電荷蓄積膜CHS中のキャリアトラップに捕獲される。この電荷捕獲領域(記憶部)は、ドレイン側の一部に限定される。   Under this bias condition, electrons e that are supplied from the source region S and travel through the channel collide with the silicon lattice in the depletion layer on the drain region D side, or are scattered to generate a pair of high energy holes HH and electron HE. Let Among these, the hot hole HH is accelerated in the depletion layer of the PN junction and collides with the secondary ionization to generate a pair of electrons and holes. The electrons generated by the secondary ionization collision become hot electrons HE and drift while being partially accelerated toward the word line WL by a vertical electric field. Hot electrons HE having high energy overcome the potential barrier of the bottom dielectric film BTM and are captured by carrier traps in the main charge storage film CHS. This charge trapping region (memory portion) is limited to a part on the drain side.

電離衝突により発生したホットエレクトロンHEは、単純にチャネル内を加速して高エネルギー化するCHE注入方式より、より低電界で発生する。
また、この実施の形態では、高濃度チャネル領域HRが設けられているため、図9(B)に示すように、破線で示す高濃度チャネル領域HRを設けない場合よりチャネル方向の電界の集中性が高く、その結果、チャネル走行電子eがシリコン格子に衝突するエネルギーが高くなる。あるいは、同じエネルギーを得るためのソース・ドレイン領域間電圧が低くて済む。本実施の形態においては、高濃度チャネル領域HRの形成は必須ではないが、上記理由により、高濃度チャネル領域HRを形成することが、より望ましい。
さらに、バックバイアスによりPウェルWと副ビット線をなすN不純物領域との間のPN接合が逆バイアスされ、より低いドレイン電圧で空乏層が拡がりやすい。また、ゲート電極の印加電圧も、バックバイアスしない場合に比べ低くしても、必要なホットエレクトロンの注入効率が容易に得られる。
Hot electron HE generated by ionization collision is generated at a lower electric field than the CHE injection method in which the channel is simply accelerated to increase energy.
In this embodiment, since the high-concentration channel region HR is provided, as shown in FIG. 9B, the concentration of electric field in the channel direction is higher than in the case where the high-concentration channel region HR indicated by the broken line is not provided. As a result, the energy that the channel traveling electrons e collide with the silicon lattice increases. Alternatively, the voltage between the source and drain regions for obtaining the same energy may be low. In the present embodiment, the formation of the high concentration channel region HR is not essential, but for the above reason, it is more desirable to form the high concentration channel region HR.
Further, the PN junction between the P well W and the N + impurity region forming the sub-bit line is reverse-biased by the back bias, and the depletion layer is easily spread with a lower drain voltage. Also, even if the voltage applied to the gate electrode is lower than when no back bias is applied, the required hot electron injection efficiency can be easily obtained.

以上より、本実施の形態では、最大動作電圧が従来に比べ低減されている。
たとえば、従来のチャネルホットエレクトロン注入方式では、同じ量の電荷を同程度の時間で主電荷蓄積膜CHSに注入するためのバイアス条件が、ドレイン電圧4.5V、ゲート電圧9Vほど必要であった。
これに対し、本実施の形態では、ドレイン電圧が2.5〜3.3V、ゲート電圧が3.3Vである。
As described above, in this embodiment, the maximum operating voltage is reduced as compared with the conventional case.
For example, in the conventional channel hot electron injection method, the bias conditions for injecting the same amount of charge into the main charge storage film CHS in the same amount of time are required as the drain voltage 4.5V and the gate voltage 9V.
On the other hand, in this embodiment, the drain voltage is 2.5 to 3.3 V and the gate voltage is 3.3 V.

データの読み出しは、ビットごとに行ってもよいし、ページ読み出しとしてもよい。また、ソース・ドレイン間電圧の印加方向が書き込み時と同じフォワードリード方法、逆のリバースリード方法の何れを採用してもよい。
フォワードリード方法とリバースリード方法は、電荷が蓄積される記憶部に対してソースとドレインが逆転しているが、バイアス電圧値そのものを変える必要性は乏しい。一般に、リバースリード方法が、より感度が高い。ただし、書き込み後の検証読み出しでは、ビット線の電位変化が小さくて済むフォワードリード方法が好ましい。また、ゲート長のスケーリングが進むと、フォワードリード方法でも十分な感度が得られやすい。
Data reading may be performed bit by bit or page reading. Further, either the forward read method or the reverse reverse method in which the source-drain voltage application direction is the same as that at the time of writing may be employed.
In the forward read method and the reverse read method, the source and the drain are reversed with respect to the storage unit in which charges are accumulated, but it is not necessary to change the bias voltage value itself. In general, the reverse read method is more sensitive. However, a forward read method in which a change in the potential of the bit line is small is preferable for verification reading after writing. As gate length scaling progresses, sufficient sensitivity is likely to be obtained even with the forward read method.

メモリセルアレイの各動作に必要な諸電圧は、メモリ周辺回路の各種ドライバ等から供給される。
メモリ周辺回路は、データ書き込み時に、互いの電位差がゲートと基板間に印加すべき第2の電圧(6〜7V)となる第1極性の電圧(3〜4V)と第2極性の電圧(−3V)とをそれぞれ生成する。第1極性の電圧(3〜4V)をゲート電極、たとえばワード線WLに印加し、第2極性の電圧(−3V)を半導体基板、たとえばPウェルWに印加する。
メモリ周辺回路においては、上記第2の電圧(6〜7V)を取り扱う回路で通常の電源電圧VCC系トランジスタあるいはロジック回路トランジスタより少し耐圧が高いトランジスタ(以下、便宜上、中耐圧トランジスタという)が必要となっていた。ところが、本実施の形態では、第2の電圧を第1極性の電圧(3〜4V)と第2極性の電圧(−3V)に分け、それぞれの絶対値を電源電圧VCCの電圧程度とすることにより、さらには、前述したデータの書き換えに消去を用いないことにより、中耐圧トランジスタを不要にできる。なお、電源電圧VCCが2.5Vと低い場合は、より高い4〜6V程度の電圧を昇圧回路により発生させる必要がある。
Various voltages necessary for each operation of the memory cell array are supplied from various drivers of the memory peripheral circuit.
The memory peripheral circuit has a first polarity voltage (3 to 4 V) and a second polarity voltage (−) that cause a potential difference between the gate and the substrate to be a second voltage (6 to 7 V) to be applied between the gate and the substrate during data writing. 3V) respectively. A first polarity voltage (3 to 4 V) is applied to the gate electrode, for example, the word line WL, and a second polarity voltage (-3 V) is applied to the semiconductor substrate, for example, the P well W.
In the memory peripheral circuit, the second voltage (6~7V) in the circuit dealing with the normal power supply voltage V CC based transistor or logic circuitry little breakdown voltage than the transistor is high transistor (hereinafter, for convenience, that medium-voltage transistor) is necessary It was. However, in this embodiment, the second voltage divided into a first polarity voltage (3 to 4V) and the second polarity voltage (-3 V), to each of the absolute value and the voltage about power supply voltage V CC In addition, by eliminating the use of erasing for the above-described data rewrite, the intermediate voltage transistor can be eliminated. Incidentally, when the power supply voltage V CC is 2.5V and low, it is necessary to generate a boosting circuit higher 4~6V voltage of about.

本実施の形態の不揮発性メモリでは、データ書き込み時に電荷注入効率が従来のソースサイドCHE注入より高い2次電離衝突によるホットエレクトロン注入を利用している。また、データの書き換え時に消去を用いないことにより、メモリ周辺回路のトランジスタの耐圧を最大で4〜6V程度に抑制することが可能となった。
従来の不揮発性メモリでは、いわゆるVPP系と称される10数Vから、場合によっては20Vを超える高耐圧のトランジスタを必要としていた。このようなトランジスタの形成はVCC系トランジスタあるいはロジック回路トランジスタとのプロセスの共通性が低いうえ、これを生成する昇圧回路の規模が大きくなり、電力消費も大きいものであった。これらの点で、本実施の形態の不揮発性メモリは優れている。
The nonvolatile memory according to the present embodiment uses hot electron injection by secondary ionization collision, which has higher charge injection efficiency than conventional source side CHE injection at the time of data writing. In addition, by eliminating erasing when rewriting data, it is possible to suppress the withstand voltage of the transistors in the memory peripheral circuit to about 4 to 6 V at the maximum.
In the conventional nonvolatile memory, a transistor with a high breakdown voltage exceeding 10V, sometimes called a so-called VPP system, is required in some cases. Such formation of the transistor after less common of the process of the V CC based transistor or logic circuit transistor, scale of the booster circuit becomes large to generate this was achieved, greater power consumption. In these respects, the nonvolatile memory of the present embodiment is excellent.

ところで、4〜6V程度の耐圧は一般的なVCC系の回路でも必要とされている。つまり、VCC系の回路の入出力(I/O)段に使用され、外部からの信号の影響を受けるI/Oトランジスタは、通常の使用電圧は電源電圧VCCであっても他のトランジスタより高い耐圧となるように設計されているのが普通である。あるいは、ゲート絶縁膜厚等のプロセスパラメータを他の高速ロジックトランジスタと変えてある場合もある。そして、I/Oトランジスタのバーンイン電圧は6V程度であり、数秒間の印加で破壊されないことを、その信頼性スペックにうたっていることが多い。また、I/Oトランジスタの耐圧はバーンイン電圧より高い。 Meanwhile, the breakdown voltage of about 4~6V is required in the circuit of a general V CC system. In other words, an I / O transistor that is used in the input / output (I / O) stage of a VCC system circuit and that is affected by an external signal is another transistor even if the normal operating voltage is the power supply voltage VCC. Usually, it is designed to have a higher pressure resistance. Alternatively, the process parameters such as the gate insulating film thickness may be changed from those of other high-speed logic transistors. And the burn-in voltage of an I / O transistor is about 6V, and it is often said that the reliability specification does not break when applied for several seconds. The breakdown voltage of the I / O transistor is higher than the burn-in voltage.

本実施の形態では、I/Oトランジスタの少なくともプロセスは、メモリ周辺回路のオフセット付き中耐圧トランジスタと同じとしている。I/Oトランジスタは、他のロジックトランジスタとプロセスが同じ場合と、若干異なる場合がある。しかし、いずれにしても、メモリ周辺回路とロジック部のプロセスは少なくとも一部、より望ましくは全てで共通化されている。
このことは、上述した書き込み方法の採用に付随して可能となっている。つまり、上記書き込み方法によって100μ秒の高速書き込みが可能となり、フラッシュメモリの実用上必要な書き換え回数は最大でも数10回を考慮すると、その積算の印加時間は数m秒(実際には、プログラムデータの論理により確率的にその半分程度)であり、これはI/Oトランジスタのバーンインの条件より遥かに緩やかな使用環境である。また、マージンを十分とりたいときでも、プロセスそのものは、I/Oトランジスタや通常のロジック回路トランジスタと共通にする。さらにマージンをとりたい場合、本実施の形態では少なくともゲート絶縁膜仕様は共通とし、ドレイン側の不純物分布のプロファイルに差をつけるなどにより対処する。
In this embodiment, at least the process of the I / O transistor is the same as that of the intermediate voltage transistor with an offset in the memory peripheral circuit. The I / O transistor may be slightly different from the case where the process is the same as other logic transistors. However, in any case, the processes of the memory peripheral circuit and the logic unit are shared by at least a part, more preferably all.
This is possible with the adoption of the writing method described above. In other words, the above writing method enables high-speed writing of 100 μs, and considering the maximum number of rewrites necessary for practical use of the flash memory is several tens of times, the integration application time is several milliseconds (actually, program data This is a use environment much more gradual than the burn-in condition of the I / O transistor. Even when a sufficient margin is desired, the process itself is made common to I / O transistors and normal logic circuit transistors. In the present embodiment, at least the gate insulating film specifications are common and a difference is made in the impurity distribution profile on the drain side, for example, when a margin is desired.

つぎに、不揮発性メモリ装置の製造例を、図面を用いて説明する。
図10は、メモリセルアレイの形成領域とメモリ周辺回路または論理回路ブロックの形成領域と示す不揮発性メモリ装置の断面図である。
図解した構造においては、メモリセルアレイと、メモリ周辺回路または論理回路ブロックの形成領域は、ともにウェル・イン・ウェル(WIW)構造の分離がなされている。メモリトランジスタが形成されるPウェルWの周囲に、基板深部に深いN不純物領域10aと基板表面に達するN型の不純物領域11とからなるNウェルNWaが形成されている。同様に、メモリ周辺回路または論理回路ブロックの形成領域においても、Pウェル12の周囲に、基板深部に深いN不純物領域10bと基板表面に達するN型の不純物領域13とからなるNウェルNWbが形成されている。
Next, an example of manufacturing a nonvolatile memory device will be described with reference to the drawings.
FIG. 10 is a cross-sectional view of a nonvolatile memory device showing a memory cell array formation region and a memory peripheral circuit or logic circuit block formation region.
In the illustrated structure, the memory cell array and the memory peripheral circuit or logic circuit block formation region are both separated in a well-in-well (WIW) structure. Around the P-well W where the memory transistor is formed, an N-well NWa formed of a deep N + impurity region 10a in the deep part of the substrate and an N-type impurity region 11 reaching the substrate surface is formed. Similarly, in the formation region of the memory peripheral circuit or logic circuit block, an N well NWb composed of an N + impurity region 10b deep in the substrate deep portion and an N type impurity region 13 reaching the substrate surface is formed around the P well 12. Is formed.

Pウェル12上には、たとえば、数nm〜10数nm程度の熱酸化シリコンからなるゲート絶縁膜17を介して、ドープド多結晶珪素からなるゲート電極18が形成されている。Nウェル13上には、同様なゲート絶縁膜17を介して、たとえば逆の導電型を有した不純物を添加したドープド多結晶珪素からなるゲート電極19が形成されている。
ゲート電極18両側のPウェル12表面に、N型のソース・ドレイン不純物領域20が形成されている。ゲート電極19両側のNウェル13表面に、P型のソース・ドレイン不純物領域21が形成されている。
両ゲート電極18,19とゲート絶縁膜17との積層パターンの両側面に、酸化シリコン系の絶縁膜からなるサイドウォール絶縁層22が形成されている。
On the P well 12, for example, a gate electrode 18 made of doped polycrystalline silicon is formed via a gate insulating film 17 made of thermally oxidized silicon having a thickness of several nanometers to several tens of nanometers. A gate electrode 19 made of doped polycrystalline silicon, for example, doped with an impurity having the opposite conductivity type is formed on the N well 13 through a similar gate insulating film 17.
N-type source / drain impurity regions 20 are formed on the surface of the P well 12 on both sides of the gate electrode 18. P-type source / drain impurity regions 21 are formed on the surface of the N well 13 on both sides of the gate electrode 19.
Sidewall insulating layers 22 made of a silicon oxide insulating film are formed on both side surfaces of the laminated pattern of the gate electrodes 18 and 19 and the gate insulating film 17.

トランジスタのゲート電極18,19の上に、とくに図解していないが、必要に応じて設けたオフセット絶縁層と、全面に形成された層間絶縁膜によりゲート電極18,19の周囲が絶縁層で覆われている。また、ソース・ドレイン不純物領域20,21に接続するコンタクトが形成されている。配線層がコンタクト上に接し、メモリトランジスタのビット線等と同じアルミ配線層から形成されている。   Although not specifically illustrated on the gate electrodes 18 and 19 of the transistor, the periphery of the gate electrodes 18 and 19 is covered with an insulating layer by an offset insulating layer provided as necessary and an interlayer insulating film formed on the entire surface. It has been broken. Further, contacts connected to the source / drain impurity regions 20 and 21 are formed. The wiring layer is in contact with the contact, and is formed from the same aluminum wiring layer as the bit line of the memory transistor.

この不揮発性メモリ装置の製造は、まず、P型シリコンウェハ等の半導体基板SUBを用意し、たとえばトレンチアイソレーション法により、必要に応じて素子分離絶縁層ISOを半導体基板SUBに形成する。素子分離絶縁層ISOの形成では、エッチングマスク層を基板上に形成して、異方性エッチングにより基板を所定深さ掘り、絶縁物でトレンチ内を埋め込む。トレンチ間の基板表面の絶縁物を、たとえばレジストをマスクにしたエッチングにより一部除去した後、CMP(Chemical Mechanical Polishing)を行う。絶縁物の一部除去は、CMPの際に研磨量が絶縁膜の凸部の面積に依存し、あるいは大面積の凸部でディッシング(dishing)などの研磨不均一を起しやすいことから、面積の大小による不具合を是正するため、CMP前に凸部の縁部のみ残してトレンチ間で突出する絶縁膜の大部分を予め除去するために行う。
これら工程では、トレンチエッチングマスク層の形成用の第1マスク“TER”と、埋め込み絶縁膜の一部除去用の第2マスク“AIM”といった2枚のフォトマスクが必要である。
In the manufacture of this nonvolatile memory device, first, a semiconductor substrate SUB such as a P-type silicon wafer is prepared, and an element isolation insulating layer ISO is formed on the semiconductor substrate SUB as necessary by, for example, a trench isolation method. In the formation of the element isolation insulating layer ISO, an etching mask layer is formed on the substrate, the substrate is dug to a predetermined depth by anisotropic etching, and the trench is filled with an insulator. After partially removing the insulator on the substrate surface between the trenches by, for example, etching using a resist as a mask, CMP (Chemical Mechanical Polishing) is performed. In the case of partial removal of the insulator, the amount of polishing depends on the area of the protrusions of the insulating film during CMP, or it is easy to cause polishing nonuniformity such as dishing at the protrusions of a large area. In order to correct the problem due to the size of this, it is performed in advance to remove most of the insulating film protruding between the trenches, leaving only the edge of the projection before CMP.
In these steps, two photomasks are required, which are a first mask “TER” for forming the trench etching mask layer and a second mask “AIM” for partially removing the buried insulating film.

半導体基板SUB上に、第3マスク“DNW”を用いてレジストパターンを形成する。このレジストパターンをマスクとしてイオン注入を行い、その開口部下方の基板深部に深いN不純物領域10a,10bを形成する。
レジストパターンを除去後、異なるパターンおよび条件のレジスト形成とイオン注入を行って、Pウェルの形成を行う。このレジストのパターンニングでは第4マスク“PWL”を用いる。これにより、メモリトランジスタ用のPウェルWと、周辺回路および論理回路用のPウェル12がウェハの異なる領域に同時形成される。
A resist pattern is formed on the semiconductor substrate SUB using a third mask “DNW”. Using this resist pattern as a mask, ion implantation is performed to form deep N + impurity regions 10a and 10b in the deep portion of the substrate below the opening.
After removing the resist pattern, resist formation and ion implantation with different patterns and conditions are performed to form a P-well. In this resist patterning, a fourth mask “PWL” is used. As a result, the P well W for the memory transistor and the P well 12 for the peripheral circuit and the logic circuit are simultaneously formed in different regions of the wafer.

レジストを除去後、同じような手順にて異なるパターンおよび条件のレジスト形成とイオン注入を行い、Nウェルの形成を行う。このレジストのパターンニングでは第5マスク“NWL”を用いる。これにより、メモリトランジスタ用のNウェルNWaがPウェルWの周囲に形成され、周辺回路および論理回路用のNウェルNWbがウェハの異なる領域に同時形成される。
レジストの除去後、異なるパターンおよび条件のレジスト形成とイオン注入を2回繰り返す。これによって、メモリトランジスタとセレクトトランジスタのしきい値電圧の調整をそれぞれ行う。メモリトランジスタのしきい値電圧調整用としては第6マスク“MVA”、セレクトトランジスタのしきい値電圧調整用としては第7マスク“SEL−VA”を用いる。
After removing the resist, resist formation and ion implantation with different patterns and conditions are performed in the same procedure to form an N well. In this resist patterning, a fifth mask “NWL” is used. As a result, the N well NWa for the memory transistor is formed around the P well W, and the N well NWb for the peripheral circuit and the logic circuit is simultaneously formed in different regions of the wafer.
After removing the resist, resist formation and ion implantation with different patterns and conditions are repeated twice. Thus, the threshold voltages of the memory transistor and the select transistor are adjusted respectively. The sixth mask “MVA” is used for adjusting the threshold voltage of the memory transistor, and the seventh mask “SEL-VA” is used for adjusting the threshold voltage of the select transistor.

これらの工程においては、熱酸化法により酸化シリコンからなるボトム誘電体膜BTMを形成し、その上にLP−CVD法などで窒化膜(電荷蓄積膜)CHSを堆積する。主電荷蓄積膜CHS表面を熱酸化するなどの方法により、主電荷蓄積膜CHS上にトップ誘電体膜TOPを形成する。
形成した第トップ誘電体膜TOPの上に、第8マスク“GTET(ONO−ET)”を用いて、メモリトランジスタ領域を覆うレジストパターンを形成する。レジストをマスクにして、周辺回路および論理回路側のONO膜をエッチングにより除去する。
In these steps, a bottom dielectric film BTM made of silicon oxide is formed by thermal oxidation, and a nitride film (charge storage film) CHS is deposited thereon by LP-CVD or the like. A top dielectric film TOP is formed on the main charge storage film CHS by a method such as thermally oxidizing the surface of the main charge storage film CHS.
A resist pattern that covers the memory transistor region is formed on the formed top dielectric film TOP by using an eighth mask “GTET (ONO-ET)”. Using the resist as a mask, the ONO film on the peripheral circuit and logic circuit side is removed by etching.

レジストを除去後、露出した基板およびウェルWの表面を数nm〜10数nm程度熱酸化し、周辺回路および論理回路に共通のゲート絶縁膜17aを形成する。
メモリトランジスタの素子分離絶縁層SIOに挟まれたPウェルの能動領域に、第9マスク“BN”を用いてレジストパターンを形成し、イオン注入を行う。これにより、たとえば、N不純物領域からなるドレイン領域Dおよびソース領域Sが形成される。
第10マスク“BN2(N+II)”を用いたレジスト形成とイオン注入により、ドレイン領域Dおよびソース領域Sの一部、たとえばビットコンタクトが形成される側半分の長さに更に不純物の追加注入を行う。これにより、不純物領域の配線抵抗によるトランジスタ特性のバラツキが低減される。
After removing the resist, the exposed substrate and the surface of the well W are thermally oxidized by about several nm to several tens nm to form a gate insulating film 17a common to the peripheral circuit and the logic circuit.
A resist pattern is formed in the active region of the P well sandwiched between the element isolation insulating layers SIO of the memory transistor by using the ninth mask “BN”, and ion implantation is performed. Thereby, for example, a drain region D and a source region S made of N + impurity regions are formed.
By the resist formation and ion implantation using the tenth mask “BN2 (N + II)”, an additional impurity is further implanted into the length of a part of the drain region D and the source region S, for example, the half of the side where the bit contact is formed. . As a result, the variation in transistor characteristics due to the wiring resistance of the impurity region is reduced.

レジスト除去後、全面にドープド多結晶珪素からなるゲート導電膜を成膜する。ゲート導電膜の上に第11マスク“1PS”を用いてレジストを形成し、異方性エッチングを行って、ワード線WLおよびゲート電極18,19を形成する。
レジストの除去後、メモリトランジスタ領域のみ開口するレジストを第12マスク“Ch-stp”を用いて形成する。レジストをマスクにP型不純物を浅くイオン注入する。このとき、ワード線WLおよび素子分離絶縁層ISOが自己整合マスクとなり、ワード線WL間のPウェル表面にチャネルストップ用のP型不純物領域が形成される。
After removing the resist, a gate conductive film made of doped polycrystalline silicon is formed on the entire surface. A resist is formed on the gate conductive film using the eleventh mask “1PS”, and anisotropic etching is performed to form the word line WL and the gate electrodes 18 and 19.
After removing the resist, a resist opening only in the memory transistor region is formed using a twelfth mask “Ch-stp”. P-type impurities are shallowly ion-implanted using a resist as a mask. At this time, the word line WL and the element isolation insulating layer ISO serve as a self-alignment mask, and a P-type impurity region for channel stop is formed on the P well surface between the word lines WL.

レジスト除去後、周辺回路および論理回路のNMOS側のゲート電極周囲を開口するレジストを第13マスク“HV−NLD”を用いて形成し、イオン注入を行う。これにより、メモリ周辺回路および論理回路のNMOSトランジスタ用のN型ソース・ドレイン不純物領域20が形成される。
同様にして、PMOS側のP型ソース・ドレイン不純物領域21を、第14マスク“HV−PLD”を用いて形成する。
After removing the resist, a resist opening around the gate electrode on the NMOS side of the peripheral circuit and logic circuit is formed using a thirteenth mask “HV-NLD”, and ion implantation is performed. As a result, N + type source / drain impurity regions 20 for the NMOS transistors of the memory peripheral circuit and logic circuit are formed.
Similarly, the P + -type source / drain impurity region 21 on the PMOS side is formed using the fourteenth mask “HV-PLD”.

更に高濃度のソース・ドレイン不純物領域を、第15マスク“NSD”と第16マスク“PSD”を用いて、周辺回路および論理回路のNMOS側とPMOS側にそれぞれ形成する。このうち高濃度のN型不純物の導入の際は、メモリトランジスタのコンタクトが形成される部分に対し、コンタクト抵抗低減のために不純物が追加注入される。   Further, high-concentration source / drain impurity regions are formed on the NMOS side and the PMOS side of the peripheral circuit and logic circuit, respectively, using the fifteenth mask “NSD” and the sixteenth mask “PSD”. Among these, when high-concentration N-type impurities are introduced, impurities are additionally implanted into the portion where the contact of the memory transistor is formed in order to reduce contact resistance.

その後、第17マスク“1AC”を用いたビットコンタクトおよびソースコンタクトの同時形成、第18マスク“1Al”を用いたビット線BLとソース線SLおよび他の配線の形成、オーバーコート膜の成膜、第19マスク“PAD”を用いた電極パッドの開口を行って、当該不揮発性メモリ装置を完成させる。   Thereafter, simultaneous formation of the bit contact and source contact using the seventeenth mask “1AC”, formation of the bit line BL and source line SL and other wiring using the eighteenth mask “1Al”, film formation of an overcoat film, The electrode pad is opened using the nineteenth mask “PAD” to complete the nonvolatile memory device.

論理回路用の低耐圧・高速トランジスタは、NMOSトランジスタNLTおよびPMOSトランジスタPLTともに、それぞれ最適化された濃度のウェル103または104に形成されている。ソース・ドレイン不純物領域105,106が極限まで高濃度,薄層化されている。ゲート絶縁膜厚が3〜8nm、ゲート長が0.25μm程度とスケーリングされている。   The low breakdown voltage / high speed transistor for the logic circuit is formed in the well 103 or 104 having the optimized concentration for both the NMOS transistor NLT and the PMOS transistor PLT. The source / drain impurity regions 105 and 106 are highly concentrated and thinned to the limit. The gate insulating film thickness is scaled to 3 to 8 nm and the gate length is about 0.25 μm.

以上より、本実施の形態に係る不揮発性メモリ装置の製造方法においては、メモリ周辺回路と論理回路のメモリトランジスタを同じサイズで同時形成することにより、製造工程の共通性が高いだけ製造工程が簡単で歩留り向上もしやすい利点がある。具体的に上記例では、マスク枚数で7枚、レジストパターンの形成工程が7工程、イオン注入工程が6工程、異方性エッチング工程が1工程不要となる。実際にコスト計算した結果、従来の製造方法で製造したMNOS型半導体メモリ装置に比べ、チップコストで25%程度の低減ができることを確認した。
なお、前述したように、耐圧が6V低程度のロジック回路のI/Oトランジスタを採用することができる。この場合、不純物濃度の最適化に関する第13マスクと第14マスクも不要となり、レジストパターンの形成およびイオン注入の各工程が削減され、その結果、さらなるコスト低減が達成できる。
As described above, in the method for manufacturing the nonvolatile memory device according to the present embodiment, the memory peripheral circuit and the memory transistor of the logic circuit are simultaneously formed in the same size, so that the manufacturing process is simple due to the high commonality of the manufacturing process. It is easy to improve the yield. Specifically, in the above example, seven masks, seven resist pattern forming steps, six ion implantation steps, and one anisotropic etching step are unnecessary. As a result of actual cost calculation, it was confirmed that the chip cost can be reduced by about 25% compared with the MNOS type semiconductor memory device manufactured by the conventional manufacturing method.
As described above, an I / O transistor of a logic circuit having a breakdown voltage of about 6V can be employed. In this case, the thirteenth mask and the fourteenth mask related to the optimization of the impurity concentration are not necessary, and the steps of forming the resist pattern and ion implantation are reduced, and as a result, further cost reduction can be achieved.

本実施の形態においては、注入電荷の保持領域の下方のチャネル形成領域の一部の途中にピンチオフ点が存在すると、フォワードリードがより有効に行えるため望ましい。
そのためには、たとえば、書き込み時に印加する電圧の値および印加時間を調整して、ゲート絶縁膜GDに対し、ドレイン側のN型不純物領域(ドレイン領域D)と高濃度チャネル領域HRとの境界からチャネル中央側に少なくとも20nm以上にまでホットエレクトロンを注入するとよい。この場合の中性閾値電圧、すなわちチャネルドープにのみ依存した注入電荷が存在しない領域下方の閾値電圧を、平均値で1.5V以下に予め設定しておくことが望ましい。
このようにすると、注入電荷の保持領域の下方のチャネル形成領域の全てがピンチオフせず、かつ中性閾値電圧が十分低いため、電荷注入による閾値電圧変化をフォワードリードにより容易に検出できる。
In this embodiment, it is desirable that a pinch-off point exists in the middle of a part of the channel formation region below the injection charge holding region because forward reading can be performed more effectively.
For this purpose, for example, by adjusting the voltage value and application time applied at the time of writing, the gate insulating film GD is separated from the boundary between the drain-side N-type impurity region (drain region D) and the high-concentration channel region HR. Hot electrons may be injected to the center side of the channel to at least 20 nm or more. In this case, it is desirable to previously set the neutral threshold voltage, that is, the threshold voltage below the region where there is no injection charge depending only on channel doping, to an average value of 1.5 V or less.
In this way, since all of the channel formation region below the injection charge holding region is not pinched off and the neutral threshold voltage is sufficiently low, a threshold voltage change due to charge injection can be easily detected by forward reading.

非選択セルからのオフリーク電流低減のためは、読み出し時に非選択ワード線を若干、負電圧でバイアスするとよい。あるいは、ソース線を若干、正方向にバイアスしてもよい。たとえば、非選択ワード線に0Vを印加して、かわりに全てのソース線に、望ましくは0Vより大きく0.5V以下の電圧、たとえば0.3Vを印加してもよい。   In order to reduce the off-leakage current from the non-selected cell, it is preferable to slightly bias the non-selected word line with a negative voltage during reading. Alternatively, the source line may be slightly biased in the positive direction. For example, 0V may be applied to the unselected word line, and a voltage higher than 0V and 0.5V or less, for example, 0.3V, for example, may be applied to all the source lines instead.

1つのシステムまたはサブシステムそのものを1つのLSIで実現することを目的としたシステムLSIは、その多くに不揮発性メモリを搭載する。このシステムLSI用途の不揮発性メモリは、CMOSプロセスとの共通性と、高速性を基本とした種々の高い性能が求められている。
本実施の形態の不揮発性メモリ装置は、FG型のフローティングゲートや、ソースサイド注入方式のMONOS型など、特殊なゲート構造を不要としながら高速動作を実現している。したがって、プロセス工程数、フォトマスク枚数が少ないうえ、CMOSプロセスとの共通性が高く、システムLSIなどの混載用途の不揮発性メモリとして高い総合性能を有しているという利点がある。
Many system LSIs intended to realize one system or subsystem itself with one LSI are equipped with a non-volatile memory. Nonvolatile memories for system LSI use are required to have various high performances based on commonality with CMOS processes and high speed.
The nonvolatile memory device of this embodiment realizes high-speed operation without using a special gate structure such as an FG type floating gate or a source side injection type MONOS type. Therefore, there are advantages that the number of process steps and the number of photomasks are small, the commonality with the CMOS process is high, and the high performance is obtained as a non-volatile memory for mixed use such as a system LSI.

以下に、メモリセルアレイ方式、トランジスタ構造などの関する変形例を記述する。
図11に、メモリセルアレイ(MCA)1の回路構成の一例を示す。このアレイ構成は階層化されたビット線およびソース線を有し、いわゆるSSL(Separated Source Line)型と称される。図12に、このメモリセルアレイの平面図を示す。図13に、図12のB−B´線に沿った断面側から見た鳥瞰図を示す。
このメモリセルアレイでは、ビット線が主ビット線と副ビット線に階層化され、ソース線が主ソース線と副ソース線に階層化されている。
図11に示すように、主ビット線MBL1にセレクトトランジスタS11を介して副ビット線SBL1が接続され、主ビット線MBL2にセレクトトランジスタS21を介して副ビット線SBL2が接続されている。また、主ソース線MSL1にセレクトトランジスタS12を介して副ソース線SSL1が接続され、主ソース線MSL2にセレクトトランジスタS22を介して副ソース線SSL2が接続されている。
Hereinafter, modifications related to the memory cell array system, the transistor structure, and the like will be described.
FIG. 11 shows an example of a circuit configuration of the memory cell array (MCA) 1. This array configuration has hierarchical bit lines and source lines, and is called a so-called SSL (Separated Source Line) type. FIG. 12 shows a plan view of this memory cell array. FIG. 13 shows a bird's-eye view seen from the cross-sectional side along the line BB ′ of FIG.
In this memory cell array, bit lines are hierarchized into main bit lines and sub-bit lines, and source lines are hierarchized into main source lines and sub-source lines.
As shown in FIG. 11, the sub bit line SBL1 is connected to the main bit line MBL1 via the select transistor S11, and the sub bit line SBL2 is connected to the main bit line MBL2 via the select transistor S21. Further, the sub source line SSL1 is connected to the main source line MSL1 via the select transistor S12, and the sub source line SSL2 is connected to the main source line MSL2 via the select transistor S22.

副ビット線SBL1と副ソース線SSL1との間に、メモリトランジスタM11〜M1n(たとえば、n=64)が並列接続され、副ビット線SBL2と副ソース線SSL2との間に、メモリトランジスタM21〜M2nが並列接続されている。この互いに並列に接続されたn個のメモリトランジスタと、2つのセレクトトランジスタ(S11とS12、または、S21とS22)とにより、メモリセルアレイを構成する単位のブロックが構成される。   Memory transistors M11 to M1n (for example, n = 64) are connected in parallel between sub-bit line SBL1 and sub-source line SSL1, and memory transistors M21 to M2n are connected between sub-bit line SBL2 and sub-source line SSL2. Are connected in parallel. The n memory transistors connected in parallel to each other and the two select transistors (S11 and S12 or S21 and S22) constitute a unit block constituting the memory cell array.

ワード方向に隣接するメモリトランジスタM11,M21の各ゲートがワード線WL1に接続されている。同様に、メモリトランジスタM12,M22の各ゲートがワード線WL2に接続され、また、メモリトランジスタM1n,M2nの各ゲートがワード線WLnに接続されている。
ワード方向に隣接するセレクトトランジスタS11は選択ゲート線SG11により制御され、セレクトトランジスタS21は選択ゲート線SG21により制御される。同様に、ワード方向に隣接するセレクトトランジスタS12は選択ゲート線SG12により制御され、セレクトトランジスタS22は選択ゲート線SG22により制御される。なお、主ソース線MSL1とMSL2を共通化し、セレクトトランジスタSG11とSG21を共通の選択ゲート線により制御させるようにしてもよい。
The gates of the memory transistors M11 and M21 adjacent in the word direction are connected to the word line WL1. Similarly, the gates of the memory transistors M12 and M22 are connected to the word line WL2, and the gates of the memory transistors M1n and M2n are connected to the word line WLn.
The select transistor S11 adjacent in the word direction is controlled by the select gate line SG11, and the select transistor S21 is controlled by the select gate line SG21. Similarly, the select transistor S12 adjacent in the word direction is controlled by the select gate line SG12, and the select transistor S22 is controlled by the select gate line SG22. The main source lines MSL1 and MSL2 may be shared, and the select transistors SG11 and SG21 may be controlled by a common selection gate line.

メモリセルアレイにおいては、図13に図解したように、半導体基板SUBの表面にPウェルWが形成されている。PウェルWは、たとえばトレンチに絶縁物を埋め込んで形成された、平行ストライプのパターン形状の素子分離絶縁層ISOにより、行方向に絶縁分離されている。なお、ウェル・イン・ウェル(WIW)構造の採用も可能である。
素子分離絶縁層ISOにより分離された各Pウェル部分が、メモリトランジスタの能動領域となる。能動領域内の幅方向両側で、互いに距離をおいた平行ストライプのウェル部分にN型不純物が高濃度に導入され、これにより、第2のソース・ドレイン領域としての副ビット線SBL1,SBL2(以下、SBLと表記)、および、第1のソース・ドレイン領域としての副ソース線SSL1,SSL2(以下、SSLと表記)が形成されている。
副ビット線SBLおよび副ソース線SSL上に直交する平行ストライプのパターン形状を有し、内部に電荷蓄積手段を含む積層絶縁膜(電荷蓄積膜)が形成されている。電荷蓄積膜の上に、ゲート電極を兼用する各ワード線WL1,WL2,WL3,WL4,…(以下、WLと表記)が形成されている。
副ビット線SBLと副ソース線SSLとの間のPウェルWの部分のうち、各ワード線WLと交差する部分がメモリトランジスタのチャネル形成領域である。チャネル形成領域に接する副ビット線(第2のソース・ドレイン領域)の部分がドレイン、チャネル形成領域に接する副ソース線(第1のソース・ドレイン領域)の部分がソースとして機能する。
ワード線WLの上面および側壁は、オフセット絶縁層およびサイドウォール絶縁層(本例では、通常の層間絶縁層でも可)により覆われている。
これら絶縁層には、所定間隔で副ビット線SBLに達するビットコンタクト・プラグBCと、副ソース線SSLに達するソースコンタクト・プラグSCと、が形成されている。これらのコンタクト・プラグBC,SCは、たとえばポリシリコンまたは高融点金属などからなる導電体、たとえばプラグであり、ビット方向のメモリトランジスタ64個ごとに設けられている。
絶縁層上に、ビットコンタクト・プラグBC上に接する主ビット線MBL1,MBL2,…(以下、MBLと表記)と、ソースコンタクト・プラグSC上に接する主ソース線MSL1,MSL2,…(以下、MSLと表記)とが交互に形成されている。主ビット線と主ソース線は、列方向に長い平行ストライプのパターン形状を有する。
In the memory cell array, as illustrated in FIG. 13, a P well W is formed on the surface of the semiconductor substrate SUB. The P well W is insulated and isolated in the row direction by, for example, an element isolation insulating layer ISO having a parallel stripe pattern shape formed by burying an insulator in a trench. A well-in-well (WIW) structure can also be adopted.
Each P well portion separated by the element isolation insulating layer ISO becomes an active region of the memory transistor. N-type impurities are introduced into the well portions of the parallel stripes spaced from each other in the width direction in the active region at a high concentration, whereby sub-bit lines SBL1 and SBL2 (hereinafter referred to as second source / drain regions) , SBL), and sub-source lines SSL1 and SSL2 (hereinafter referred to as SSL) as first source / drain regions.
A stacked insulating film (charge storage film) having a parallel stripe pattern shape perpendicular to the sub-bit line SBL and the sub-source line SSL and including charge storage means is formed inside. On the charge storage film, word lines WL1, WL2, WL3, WL4,... (Hereinafter referred to as WL) that also serve as gate electrodes are formed.
Of the portion of the P-well W between the sub-bit line SBL and the sub-source line SSL, the portion that intersects each word line WL is a channel formation region of the memory transistor. The portion of the sub bit line (second source / drain region) in contact with the channel formation region functions as a drain, and the portion of the sub source line (first source / drain region) in contact with the channel formation region functions as a source.
The upper surface and side walls of the word line WL are covered with an offset insulating layer and a sidewall insulating layer (in this example, a normal interlayer insulating layer is also acceptable).
In these insulating layers, a bit contact plug BC reaching the sub bit line SBL at a predetermined interval and a source contact plug SC reaching the sub source line SSL are formed. These contact plugs BC and SC are conductors, for example, plugs made of, for example, polysilicon or refractory metal, and are provided for every 64 memory transistors in the bit direction.
Main bit lines MBL1, MBL2,... (Hereinafter referred to as MBL) in contact with the bit contact plug BC on the insulating layer, and main source lines MSL1, MSL2,... (Hereinafter referred to as MSL) in contact with the source contact plug SC. Are written alternately. The main bit line and the main source line have a parallel stripe pattern shape that is long in the column direction.

図解したメモリセルアレイは、ビット線およびソース線が階層化され、メモリセルごとにビットコンタクト・プラグBCおよびソースコンタクト・プラグSCを形成する必要がない。したがって、コンタクト抵抗のセル間のバラツキは基本的にない。ビットコンタクト・プラグBCおよびソースコンタクト・プラグSCは、たとえば64個のメモリセルごとに設けられる。ビットコンタクト・プラグBCおよびソースコンタクト・プラグSCの形成を自己整合的に行わないときは、オフセット絶縁層およびサイドウォール絶縁層は必要ない。この場合、通常の層間絶縁膜を厚く堆積してメモリトランジスタを埋め込んだ後、通常のフォトリソグラフィとエッチングによりコンタクトを開口し、導電材料をコンタクト内に埋め込む。   In the illustrated memory cell array, bit lines and source lines are hierarchized, and there is no need to form bit contact plugs BC and source contact plugs SC for each memory cell. Therefore, there is basically no variation in contact resistance between cells. Bit contact plug BC and source contact plug SC are provided for every 64 memory cells, for example. When the bit contact plug BC and the source contact plug SC are not formed in a self-aligning manner, the offset insulating layer and the sidewall insulating layer are not necessary. In this case, after a normal interlayer insulating film is deposited thickly to embed a memory transistor, a contact is opened by normal photolithography and etching, and a conductive material is embedded in the contact.

副ビット線(第2のソース・ドレイン領域)SBL,副ソース線(第1のソース・ドレイン)SSLを不純物領域で構成した疑似コンタクトレス構造となっている。このため、無駄な空間が殆どないことから、各層の形成をウェハプロセス限界の最小寸法Fで行った場合、8Fに近い非常に小さいセル面積が実現できる。
ビット線とソース線が階層化されており、セレクトトランジスタS11またはS21が非選択の単位ブロックにおける並列メモリトランジスタ群を主ビット線MBLから切り離す。このため、主ビット線MBLの容量が著しく低減され、高速化、低消費電力化に有利である。セレクトトランジスタS12またはS22の働きで、副ソース線SSLを主ソース線MSLから切り離して、低容量化することができる。
更なる高速化のためには、副ビット線SBLおよび副ソース線SSLを、シリサイドを張りつけた不純物領域で形成し、主ビット線MBLおよび主ソース線MSLをメタル配線とするとよい。
It has a pseudo contactless structure in which the sub-bit line (second source / drain region) SBL and the sub-source line (first source / drain) SSL are constituted by impurity regions. For this reason, since there is almost no useless space, when each layer is formed with the minimum dimension F of the wafer process limit, a very small cell area close to 8F 2 can be realized.
The bit lines and source lines are hierarchized, and the select memory S11 or S21 separates the parallel memory transistor group in the unselected unit block from the main bit line MBL. For this reason, the capacity of the main bit line MBL is significantly reduced, which is advantageous for high speed and low power consumption. The sub-source line SSL can be separated from the main source line MSL by the action of the select transistor S12 or S22, and the capacitance can be reduced.
In order to further increase the speed, it is preferable that the sub bit line SBL and the sub source line SSL are formed in an impurity region to which silicide is attached, and the main bit line MBL and the main source line MSL are metal wirings.

メモリトランジスタ構造についても、種々変形が可能である。以下、これらの変形例を説明する。
メモリトランジスタは、半導体基板に形成されている必要は必ずしもない。本発明の“チャネル形成領域が表面領域に規定される半導体基板”は、基板バルクのほかウェルを含む。SOI型基板構造の場合、基板上に絶縁膜が形成され、絶縁膜上にSOI半導体層が形成されている。この場合のSOI半導体層を、本発明の“チャネル形成領域が表面領域に規定される半導体基板”として用いることができる。
Various modifications can be made to the memory transistor structure. Hereinafter, these modifications will be described.
The memory transistor is not necessarily formed on the semiconductor substrate. The “semiconductor substrate in which a channel formation region is defined as a surface region” of the present invention includes a well in addition to a substrate bulk. In the case of an SOI type substrate structure, an insulating film is formed on the substrate, and an SOI semiconductor layer is formed on the insulating film. The SOI semiconductor layer in this case can be used as a “semiconductor substrate in which a channel formation region is defined as a surface region” in the present invention.

図14は、メモリトランジスタ構造の変形例を示す断面図である。
図14に図解したメモリトランジスタにおいては、N型の不純物領域からなるドレイン領域Dおよびソース領域Sの内側端(ドレイン領域D側のみでも可)に、より低濃度なN型の低濃度不純物領域LDDを有している。高濃度チャネル領域HRは、たとえばドレイン領域D側の低濃度不純物領域LDDのチャネル中央側端に接して形成されている。
FIG. 14 is a cross-sectional view showing a modification of the memory transistor structure.
In the memory transistor illustrated in FIG. 14, an N-type low-concentration impurity region LDD having a lower concentration is formed at the inner end of the drain region D and the source region S (only the drain region D side can be formed). have. The high concentration channel region HR is formed, for example, in contact with the channel center side end of the low concentration impurity region LDD on the drain region D side.

低濃度不純物領域LDDの形成は、たとえば図13に示すメモリセルアレイにおいては、ドレイン領域D(図13の場合、副ビット線SBLに相当)とソース領域S(図13の場合、副ソース線SSLに相当)とを平行ライン形状でウェル内に形成する過程で形成できる。すなわち、平行ライン形状のマスク層をウェル上に形成して、そのマスク層周囲のウェル表面に、先ず、低濃度でN型不純物をイオン注入して低濃度不純物領域LDDを形成する。つぎに、マスク層の幅方向の2つの側面にサイドウォール形状のスペーサ層を形成して、このスペーサ層周囲のウェル表面に、より高濃度でN型不純物をイオン注入してドレイン領域Dとソース領域Sを形成する。
高濃度チャネル領域HRは、マスク層の形成直後あるいは低濃度不純物領域LDD形成時のイオン注入後に、P型不純物を斜めイオン注入法によりマスク層の一方端部下方に導入することで形成できる。
For example, in the memory cell array shown in FIG. 13, the low concentration impurity region LDD is formed in the drain region D (corresponding to the sub bit line SBL in FIG. 13) and the source region S (in FIG. 13, in the sub source line SSL). Can be formed in the well in a parallel line shape. That is, a parallel line-shaped mask layer is formed on a well, and first, a low concentration impurity region LDD is formed by ion-implanting N-type impurities at a low concentration on the well surface around the mask layer. Next, sidewall-shaped spacer layers are formed on the two side surfaces in the width direction of the mask layer, and N-type impurities are ion-implanted at a higher concentration into the well surface around the spacer layer to form the drain region D and the source. Region S is formed.
The high-concentration channel region HR can be formed by introducing P-type impurities below the one end of the mask layer by an oblique ion implantation method immediately after the mask layer is formed or after ion implantation at the time of forming the low-concentration impurity region LDD.

高濃度チャネル領域HRを有することは必須ではないが、高濃度チャネル領域HRを形成した場合、これを有しない素子構造に比べ、電子の注入効率が高い。
高濃度チャネル領域HRと低濃度不純物領域LDDの双方を形成した場合、さらに望ましい。この場合、チャネル走行キャリア(電子)にとっては、低濃度不純物領域LDDが低抵抗領域と機能するので、隣接した高濃度チャネル領域HRの相対的な抵抗比が高くなり、高濃度チャネル領域HRで、より大きな電圧降下が生じやすくなる。そのため、チャネル方向電界の急峻性が高濃度チャネル領域HRで更に高まり、その分、電子注入効率が高くなる。したがって、さらなる高速書き込みが可能となる。
It is not essential to have the high-concentration channel region HR, but when the high-concentration channel region HR is formed, electron injection efficiency is higher than that of an element structure that does not have the high-concentration channel region HR.
It is further desirable when both the high concentration channel region HR and the low concentration impurity region LDD are formed. In this case, since the low concentration impurity region LDD functions as a low resistance region for channel traveling carriers (electrons), the relative resistance ratio of the adjacent high concentration channel region HR becomes high, and in the high concentration channel region HR, A larger voltage drop is likely to occur. Therefore, the steepness of the channel direction electric field is further increased in the high concentration channel region HR, and the electron injection efficiency is increased correspondingly. Therefore, further high-speed writing becomes possible.

メモリトランジスタの電荷蓄積手段に離散化された導電体を用いてもよい。ここでは、この電荷蓄積手段として、ゲート誘電体膜中に埋め込まれたとえば10nm以下の粒径を有する多数の互いに絶縁された導電体(以下、小粒径導電体と称する)を用いたメモリトランジスタを説明する。   A discretized conductor may be used for the charge storage means of the memory transistor. Here, a memory transistor using a large number of mutually insulated conductors (hereinafter referred to as small grain conductors) embedded in the gate dielectric film and having a grain size of, for example, 10 nm or less is used as the charge storage means. explain.

図15は、電荷蓄積手段としての小粒径導電体を用いたメモリトランジスタの構造を示す断面図である。
図15に図解したメモリトランジスタにおいては、ゲート誘電体膜GDが、ボトム誘電体膜BTM、その上に形成された電荷蓄積手段としての離散的な小粒径導電体MC、および小粒径導電体MCを覆う誘電体膜DFとからなる。
その他の構成、すなわちPウェルW、チャネル形成領域CH、(高濃度チャネル領域HR)、第2のソース・ドレイン領域(ドレイン領域Dまたは副ビット線SBL)、第1のソース・ドレイン領域(ソース領域Sまたは副ソース線SSL)、および、ゲート電極(ワード線WL)は、図8と同様である。
FIG. 15 is a cross-sectional view showing the structure of a memory transistor using a small particle size conductor as charge storage means.
In the memory transistor illustrated in FIG. 15, the gate dielectric film GD includes a bottom dielectric film BTM, discrete small particle conductors MC as charge storage means formed thereon, and small particle conductors. It consists of a dielectric film DF covering the MC.
Other configurations, that is, P well W, channel formation region CH, (high concentration channel region HR), second source / drain region (drain region D or sub-bit line SBL), first source / drain region (source region) S or the sub-source line SSL) and the gate electrode (word line WL) are the same as those in FIG.

小粒径導電体MCは、たとえば、微細な非晶質SiGe1−X(0≦x≦1)または多結晶SiGe1−X(0≦x≦1)等の導電体により構成されている。小粒径導電体MCのサイズ(直径)は、好ましくは10nm以下、たとえば4.0nm程度である。個々の小粒径導電体同士が誘電体膜DFで空間的に、たとえば4nm程度の間隔で分離されている。
本例におけるボトム誘電体膜BTMは、使用用途に応じて2.6nmから5.0nmまでの範囲内で適宜選択できる。ここでは、4.0nm程度の膜厚とした。
The small particle conductor MC is composed of a conductor such as fine amorphous Si X Ge 1-X (0 ≦ x ≦ 1) or polycrystalline Si X Ge 1-X (0 ≦ x ≦ 1), for example. Has been. The size (diameter) of the small particle size conductor MC is preferably 10 nm or less, for example, about 4.0 nm. Individual small grain size conductors are spatially separated by a dielectric film DF, for example, at intervals of about 4 nm.
The bottom dielectric film BTM in this example can be appropriately selected within the range from 2.6 nm to 5.0 nm depending on the intended use. Here, the film thickness is about 4.0 nm.

図15に図解したメモリトランジスタの製造方法について説明する。
PウェルW,ドレイン領域D,ソース領域S(および高濃度チャネル領域HR)を形成後、前述したと同様な方法によりボトム誘電体膜BTMを成膜する。
たとえばLP−CVD法を用いたSiGe1−X成膜の初期過程に生じるSiGe1−Xの小粒径導電体MCの集合体をボトム誘電体膜BTM上に形成する。SiGe1−Xの小粒径導電体MCは、シラン(SiH)あるいはジクロルシラン(DCS)とゲルマン(GeH)と水素を原料ガスとして用い、500℃〜900℃程度の成膜温度で形成される。小粒径導電体MCの密度、大きさは、シランあるいはジクロルシランと水素の分圧あるいは流量比を調整することによって制御できる。水素分圧が大きい方が小粒径導電体MCのもととなる核の密度を高くできる。あるいは、非化学量論的組成のSiOをシランあるいはジクロルシランと酸化二窒素(NO)を原料ガスとして500℃〜800℃程度の成膜温度で形成し、その後900℃〜1100℃の高温でアニールすることで、SiOと小粒径導電体相が分離し、SiOに埋め込まれた小粒径導電体MCの集合体が形成される。
小粒径導電体MCを埋め込むように、誘電体膜DFを、たとえば7nmほどLP−CVDにより成膜する。このLP−CVDでは、原料ガスがジクロルシラン(DCS)と酸化二窒素(NO)の混合ガス、基板温度がたとえば700℃とする。このとき小粒径導電体MCは誘電体膜DFに埋め込まれる。
その後、ワード線WLとなる導電膜を成膜し、これを一括してパターンニングする工程を経て、当該メモリトランジスタを完成させる。
A method of manufacturing the memory transistor illustrated in FIG. 15 will be described.
After forming the P well W, the drain region D, and the source region S (and the high concentration channel region HR), the bottom dielectric film BTM is formed by the same method as described above.
For example, an assembly of Si X Ge 1-X small-diameter conductors MC generated in the initial process of Si X Ge 1-X film formation using LP-CVD is formed on the bottom dielectric film BTM. The Si X Ge 1-X small particle size conductor MC uses silane (SiH 4 ) or dichlorosilane (DCS), germane (GeH 4 ), and hydrogen as source gases at a film forming temperature of about 500 ° C. to 900 ° C. It is formed. The density and size of the small particle size conductor MC can be controlled by adjusting the partial pressure or flow rate ratio of silane or dichlorosilane and hydrogen. The higher the hydrogen partial pressure, the higher the density of nuclei that is the basis of the small particle size conductor MC. Alternatively, a non-stoichiometric composition of SiO X is formed using silane or dichlorosilane and dinitrogen oxide (N 2 O) as raw material gas at a film forming temperature of about 500 ° C. to 800 ° C., and then high temperature of 900 ° C. to 1100 ° C. By annealing at, SiO 2 and the small particle conductor phase are separated, and an aggregate of small particle conductors MC embedded in SiO 2 is formed.
A dielectric film DF is formed by LP-CVD, for example, with a thickness of about 7 nm so as to embed the small-diameter conductor MC. In this LP-CVD, the source gas is a mixed gas of dichlorosilane (DCS) and dinitrogen oxide (N 2 O), and the substrate temperature is 700 ° C., for example. At this time, the small particle conductor MC is embedded in the dielectric film DF.
Thereafter, a conductive film to be the word line WL is formed, and the memory transistor is completed through a process of patterning the conductive film collectively.

このように形成された小粒径導電体MCは、平面方向に離散化されたキャリアトラップとして機能する。個々の小粒径導電体MCは、数個の注入電子を保持できる。なお、小粒径導電体MCを更に小さくして、これに単一電子を保持させてもよい。   The small particle conductor MC formed in this way functions as a carrier trap discretized in the plane direction. Each small particle conductor MC can hold several injection electrons. Note that the small particle conductor MC may be further reduced to hold a single electron.

ところで、メモリトランジスタのゲート誘電体膜GDの構造は、実施の形態で主に説明したMONOS型に用いられる3層の誘電体膜および上記小粒径導電体型に限定されない。ゲート誘電体膜の要件は、電荷トラップ等の電荷蓄積手段が離散化されていることであり、これらの要件を満たす種々の他の構成を採用可能である。
たとえば、いわゆるMNOS型等のように、二酸化珪素等からなるボトム誘電体膜BTMと、その上に形成された窒化珪素等からなる電荷保持能力を有した膜CHSとの2層構成であってもよい。
By the way, the structure of the gate dielectric film GD of the memory transistor is not limited to the three-layer dielectric film mainly used in the MONOS type described in the embodiment and the above-described small grain size conductor type. The requirement of the gate dielectric film is that the charge storage means such as charge traps are discretized, and various other configurations that satisfy these requirements can be adopted.
For example, a so-called MNOS type or the like may have a two-layer structure of a bottom dielectric film BTM made of silicon dioxide or the like and a film CHS made of silicon nitride or the like and having a charge holding ability. Good.

また、酸化アルミニウムAl、酸化タンタルTa、酸化ジルコニウムZrO等の金属酸化物等からなる誘電体膜も多くのトラップを含むことが知られており、MONOS型またはMNOS型と同じ様な膜構造においては、電荷保持能力を有した膜CHSとして採用可能である。
さらに、ボトム誘電体膜の材料として、その他の金属酸化物を上げると、たとえば、チタン、ハフニウム、ランタンの酸化物よりなる膜があり、あるいはタンタル、チタン、ジルコニウム、ハフニウム、ランタンのシリケイトよりなる膜を採用することもできる。
ボトム誘電体膜の材料として、酸化アルミニウム(Al)が選択された場合には、たとえば、塩化アルミニウム(AlCl)と二酸化炭素(CO)と水素(H)をガスの原料としたCVD法、またはアルミニウムアルコキシド(Al(CO),Al(CO),Al(CO)等)の熱分解を用いる。
ボトム誘電体膜の材料として、酸化タンタル(Ta)が選択された場合には、たとえば、塩化タンタル(TaCl)と二酸化炭素(CO)と水素(H)をガスの原料としたCVD法、またはTaCl(OC、あるいはTa(OCの熱分解を用いる。
ボトム誘電体膜の材料として、酸化ジルコニウム(ZrO)が選択された場合には、たとえば、Zrを酸素雰囲気中でスパッタリングする方法を用いる。
It is also known that dielectric films made of metal oxides such as aluminum oxide Al 2 O 3 , tantalum oxide Ta 2 O 5 , zirconium oxide ZrO 2, etc. also contain many traps. In a similar film structure, the film can be used as a film CHS having a charge holding capability.
Further, when other metal oxides are raised as the material of the bottom dielectric film, for example, there are films made of oxides of titanium, hafnium, lanthanum, or films made of tantalum, titanium, zirconium, hafnium, lanthanum silicates. Can also be adopted.
When aluminum oxide (Al 2 O 3 ) is selected as the material for the bottom dielectric film, for example, aluminum chloride (AlCl 3 ), carbon dioxide (CO 2 ), and hydrogen (H 2 ) are used as gas raw materials. CVD method or thermal decomposition of aluminum alkoxide (Al (C 2 H 5 O) 3 , Al (C 3 H 7 O) 3 , Al (C 4 H 9 O) 3, etc.) is used.
When tantalum oxide (Ta 2 O 5 ) is selected as the material for the bottom dielectric film, for example, tantalum chloride (TaCl 5 ), carbon dioxide (CO 2 ), and hydrogen (H 2 ) are used as gas raw materials. CVD method, or thermal decomposition of TaCl 2 (OC 2 H 5 ) 2 C 5 H 7 O 2 or Ta (OC 2 H 5 ) 5 is used.
When zirconium oxide (ZrO x ) is selected as the material for the bottom dielectric film, for example, a method of sputtering Zr in an oxygen atmosphere is used.

同様に、電荷蓄積膜は、二酸化珪素、窒化珪素、酸化窒化珪素に限られず、たとえば、酸化アルミニウムAl、酸化タンタルTa、酸化ジルコニウムZrOのいずれの材料から選択してもよい。なお、これらの金属酸化物の形成方法については、上述した通りである。
さらに、トップ誘電体膜TOPは、その他の金属酸化膜として、チタン、ハフニウム、ランタンの酸化物よりなる膜でもよいし、あるいはタンタル、チタン、ジルコニウム、ハフニウム、ランタンのシリケイトよりなる膜を採用することもできる。
Similarly, the charge storage film is not limited to silicon dioxide, silicon nitride, and silicon oxynitride. For example, the charge storage film may be selected from any material of aluminum oxide Al 2 O 3 , tantalum oxide Ta 2 O 5 , and zirconium oxide ZrO 2. Good. The method for forming these metal oxides is as described above.
Further, the top dielectric film TOP may be a film made of an oxide of titanium, hafnium, lanthanum, or a film made of tantalum, titanium, zirconium, hafnium, lanthanum silicate as another metal oxide film. You can also.

本実施の形態によれば、いわゆる消去を行わないデータ書き換え方法により、消去電圧の低減を考慮する必要がなくなり、書き込み時の電圧を低減するだけで動作全体の低電圧化が図れるようになった。書き込み時の低電圧化については、電離衝突を利用したホットエレクトロン注入を利用し、また、ボトム誘電体膜BTMの材料選択によってバリアハイトを低減し、さらには、高濃度チャネル領域HRの濃度をある程度高くすることにより、単一の電源電圧で動作が可能となった。バックバイアスを行うとさらに電荷の注入効率が上がり、2.5〜3.3V程度の電源電圧での駆動が可能となる。なお、上述した記述でデータ書き込みは、電子を選択的に注入するとしたが、その他、電子を引き抜く、ホールを注入するあるいはホールを引き抜くなどのオペレーションで行うことができる。それらに対応してデータの消去を、電子を注入する、ホールを引き抜くあるいはホールを注入するなどのオペレーションで行ってもよい。
このような、消去を行わないデータ書き換え方法の採用は、適切なアプリケーションを選択することにより実現できる。
According to the present embodiment, the so-called erasing data rewriting method eliminates the need to consider the reduction of the erasing voltage, and the voltage of the entire operation can be lowered only by reducing the voltage at the time of writing. . For lowering the voltage at the time of writing, hot electron injection using ionization collision is used, the barrier height is reduced by selecting the material of the bottom dielectric film BTM, and the concentration of the high concentration channel region HR is increased to some extent. By doing so, it is possible to operate with a single power supply voltage. When the back bias is performed, the charge injection efficiency is further increased, and driving with a power supply voltage of about 2.5 to 3.3 V is possible. In the above description, data writing is performed by selectively injecting electrons. However, other operations such as extracting electrons, injecting holes, or extracting holes can be performed. Corresponding to these, data may be erased by operations such as injecting electrons, extracting holes, or injecting holes.
Adopting such a data rewriting method without erasing can be realized by selecting an appropriate application.

実施の形態にかかる不揮発性メモリ装置のメモリブロックの概略構成を示すブロック図1 is a block diagram showing a schematic configuration of a memory block of a nonvolatile memory device according to an embodiment メモリセルアレイのデータの格納領域を模式的に示す図The figure which shows the data storage area of a memory cell array typically メモリセルアレイのワード線セクタを単位としたデータの格納領域を模式的に示す図A diagram schematically showing a data storage area in units of word line sectors of a memory cell array メモリセルアレイのデータの格納領域をブロックで規定した場合の模式図Schematic diagram when data storage area of memory cell array is specified by block ソース分離NOR型メモリセルアレイの等価回路図Equivalent circuit diagram of source isolated NOR type memory cell array ソース分離NOR型メモリセルアレイの平面図Plan view of source isolated NOR type memory cell array 図6のA−A’線に沿った断面側から見た鳥瞰図Bird's-eye view seen from the cross-sectional side along line A-A 'in FIG. メモリトランジスタのチャネル方向の拡大断面図Enlarged sectional view of the memory transistor in the channel direction データ書き込みの動作の概念図と、そのチャネル方向の電子の加速電界を示す図Conceptual diagram of data writing operation and diagram showing acceleration electric field of electrons in the channel direction メモリセルアレイの形成領域とメモリ周辺回路または論理回路ブロックの形成領域と示す不揮発性メモリ装置の断面図Sectional drawing of the non-volatile memory device which shows the formation area of a memory cell array, and the formation area of a memory peripheral circuit or a logic circuit block メモリセルアレイの変形例を示す等価回路図Equivalent circuit diagram showing a modification of the memory cell array 変形例のメモリセルアレイの平面図Plan view of a memory cell array of a modification example 図12のB−B´線に沿った断面側から見た鳥瞰図Bird's eye view seen from the cross-sectional side along the line BB 'in FIG. メモリトランジスタ構造の変形例を示す断面図Sectional drawing which shows the modification of memory transistor structure 電荷蓄積手段としての小粒径導電体を用いたメモリトランジスタ構造の変形例を示す断面図Sectional drawing which shows the modification of the memory transistor structure using the small particle size conductor as a charge storage means

符号の説明Explanation of symbols

1…メモリセルアレイ、2a〜9…メモリ周辺回路、BL1等…ビット線、BTM…ボトム誘電体膜(最下層の誘電体膜)、CH…チャネル形成領域、CHS…主電荷蓄積膜、TOP…トップ誘電体膜、GD…電荷蓄積膜、HR…高濃度チャネル領域、M11等…メモリトランジスタ、S…ソース領域、D…ドレイン領域、MBL1等…主ビット線、MSL1等…主ソース線、SBL1等…副ビット線、SL1等…ソース線、SSL1等…副ソース線、SUB…半導体基板、W…Pウェル、WL1等…ワード線
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Memory cell array, 2a-9 ... Memory peripheral circuit, BL1, etc. Bit line, BTM ... Bottom dielectric film (lowermost dielectric film), CH ... Channel formation region, CHS ... Main charge storage film, TOP ... Top Dielectric film, GD ... charge storage film, HR ... high concentration channel region, M11, etc .... memory transistor, S ... source region, D ... drain region, MBL1, etc .... main bit line, MSL1, etc .... main source line, SBL1, etc. Sub-bit line, SL1, etc .... Source line, SSL1, etc. Sub-source line, SUB ... Semiconductor substrate, W ... P well, WL1, etc. Word line

Claims (11)

不揮発性メモリトランジスタからなるメモリセルが行列状に配置されているメモリセルアレイと、
前記メモリセルアレイに格納しているデータの書き換えを最大でN回(N:正の整数)制御するメモリ周辺回路と、を有し、
前記メモリ周辺回路は、前記データの格納に必要なビット数Mの(N+1)倍の容量を有する格納領域内で任意のMビットのメモリセル群に前記データの初期値を格納し、当該データの書き換え指示があったときは、前記初期値を消去して同じメモリセル群に新たなデータ値を書き込む代わりに、前記(N+1)×Mビットの格納領域内で未使用の他のMビットのメモリセル群を選択して新たなデータ値を書き込み、データの書き換え指示のたびに、前記未使用の他のMビットのメモリセル群の選択、および、当該未使用のメモリセル群への新たなデータ値の書き込みが前記(N+1)×Mビットの格納領域内で最大N回繰り返されるように前記メモリセルアレイを制御する
不揮発性半導体メモリ装置。
A memory cell array in which memory cells made of nonvolatile memory transistors are arranged in a matrix; and
A memory peripheral circuit for controlling rewriting of data stored in the memory cell array at most N times (N: a positive integer),
The memory peripheral circuit stores an initial value of the data in an arbitrary M-bit memory cell group in a storage area having a capacity of (N + 1) times the number of bits M required for storing the data, When there is a rewrite instruction, instead of erasing the initial value and writing a new data value in the same memory cell group, another unused M-bit memory in the (N + 1) × M-bit storage area A cell group is selected and a new data value is written, and each time a data rewrite instruction is issued, selection of the other unused M-bit memory cell group and new data to the unused memory cell group are selected. A non-volatile semiconductor memory device that controls the memory cell array such that value writing is repeated at most N times in the storage area of (N + 1) × M bits.
前記メモリ周辺回路は、前記メモリセルアレイに対しデータの書き換え指示があるたびに、新たに書き込もうとするデータのビット数Mと、その最大の書き換え可能回数Nとに応じて、当該データに専用の(N+1)×Mビットの格納領域を確保する制御を行う
請求項1に記載の不揮発性半導体メモリ装置。
Each time the memory peripheral circuit is instructed to rewrite data to the memory cell array, the memory peripheral circuit is dedicated to the data according to the number of bits M of data to be newly written and the maximum number N of possible rewrites ( The nonvolatile semiconductor memory device according to claim 1, wherein control for securing a storage area of (N + 1) × M bits is performed.
前記メモリ周辺回路は、データの読み出し時に、読み出し指示を受けたデータに対応した前記(N+1)×Mビットの格納領域内で最後に書き込まれたMビットのメモリセル群から値を読み出す
請求項1に記載の不揮発性半導体メモリ装置。
The memory peripheral circuit reads a value from an M-bit memory cell group written last in the (N + 1) × M-bit storage area corresponding to data for which a read instruction has been received when reading data. A nonvolatile semiconductor memory device according to claim 1.
前記メモリ周辺回路は、入力される信号に応じて最大の書き換え回数Nをデータごとに変更可能に構成されている
請求項1に記載の不揮発性半導体メモリ装置。
The nonvolatile semiconductor memory device according to claim 1, wherein the memory peripheral circuit is configured to be able to change a maximum number of rewrites N for each data in accordance with an input signal.
前記メモリトランジスタのそれぞれが、
半導体基板の表面領域に規定されている第1導電型のチャネル形成領域と、
前記チャネル形成領域の一方の側に形成され、前記メモリ周辺回路に電気的に接続されている第1のソース・ドレイン領域と、
前記チャネル形成領域の他方の側に形成され、前記メモリ周辺回路に電気的に接続されている第2のソース・ドレイン領域と、
少なくとも前記チャネル形成領域の上に形成され複数の誘電体膜からなる電荷蓄積膜と、
前記電荷蓄積膜の上に形成され、前記メモリ周辺回路に電気的に接続されているゲート電極と、を有し、
前記電荷蓄積膜を構成する最下層の誘電体膜と前記半導体基板との間に形成されている伝導帯側のバリアハイトが、二酸化珪素とシリコンとのバリアハイトより低く設定され、
前記メモリ周辺回路は、データの書き込み時に、第1の電圧と第2の電圧を生成し、生成した前記第1の電圧を前記第1のソース・ドレイン領域の電位を基準として前記第2のソース・ドレイン領域に印加し、生成した前記第2の電圧を前記ゲート電極に印加し、前記第2のソース・ドレイン領域側で電離衝突によりホットエレクトロンを発生させ、発生させた前記ホットエレクトロンを前記第2のソース・ドレイン領域側から前記電荷蓄積膜に注入させる
請求項1に記載の不揮発性半導体メモリ装置。
Each of the memory transistors is
A channel formation region of a first conductivity type defined in the surface region of the semiconductor substrate;
A first source / drain region formed on one side of the channel formation region and electrically connected to the memory peripheral circuit;
A second source / drain region formed on the other side of the channel formation region and electrically connected to the memory peripheral circuit;
A charge storage film formed of at least a plurality of dielectric films on the channel formation region;
A gate electrode formed on the charge storage film and electrically connected to the memory peripheral circuit,
The barrier height on the conduction band side formed between the lowermost dielectric film constituting the charge storage film and the semiconductor substrate is set lower than the barrier height of silicon dioxide and silicon,
The memory peripheral circuit generates a first voltage and a second voltage at the time of writing data, and the generated second voltage is based on the potential of the first source / drain region. Applying to the drain region, applying the generated second voltage to the gate electrode, generating hot electrons by ionization collision on the second source / drain region side, and generating the generated hot electrons in the first region; The nonvolatile semiconductor memory device according to claim 1, wherein the charge storage film is injected from the source / drain region side of 2.
前記チャネル形成領域は、少なくとも前記第2のソース・ドレイン領域側の端部に、前記チャネル形成領域の他の領域より高濃度な第1導電型の高濃度チャネル領域を有している
請求項5に記載の不揮発性半導体メモリ装置。
6. The channel formation region has a high-concentration channel region of a first conductivity type having a higher concentration than other regions of the channel formation region at least at an end portion on the second source / drain region side. A nonvolatile semiconductor memory device according to claim 1.
前記半導体基板が前記メモリ周辺回路に電気的に接続され、
前記メモリ周辺回路は、前記ホットエレクトロンの注入時に、前記半導体基板と前記第2のソース・ドレイン領域との間に形成されるPN接合を逆バイアスする電圧を生成し、生成した前記電圧を前記半導体基板に印加する
請求項5に記載の不揮発性半導体メモリ装置。
The semiconductor substrate is electrically connected to the memory peripheral circuit;
The memory peripheral circuit generates a voltage for reverse-biasing a PN junction formed between the semiconductor substrate and the second source / drain region when the hot electrons are injected, and the generated voltage is used for the semiconductor The nonvolatile semiconductor memory device according to claim 5, wherein the nonvolatile semiconductor memory device is applied to a substrate.
前記半導体基板が前記メモリ周辺回路に電気的に接続され、
前記メモリ周辺回路は、データの書き込み時に、互いの電位差が前記第2の電圧と等しい第1極性の電圧と第2極性の電圧を生成し、生成した前記第1極性の電圧を前記ゲート電極に印加し、生成した前記第2極性の電圧を前記半導体基板に印加する
請求項5に記載の不揮発性半導体メモリ装置。
The semiconductor substrate is electrically connected to the memory peripheral circuit;
The memory peripheral circuit generates a first polarity voltage and a second polarity voltage whose potential difference is equal to the second voltage when writing data, and the generated first polarity voltage is applied to the gate electrode. The nonvolatile semiconductor memory device according to claim 5, wherein the second polarity voltage generated by applying the voltage is applied to the semiconductor substrate.
前記メモリセルアレイと前記メモリ周辺回路とを含むメモリブロックと、
論理回路ブロックと、を有し、
前記メモリ周辺回路内のトランジスタの最も厚いゲート絶縁膜の膜厚が、前記論理回路ブロック内の入出力トランジスタのゲート絶縁膜の膜厚と同じに設定され、
前記メモリ周辺回路がデータの書き込み時に生成する前記第1極性の電圧の絶対値および前記第2極性の電圧の絶対値のそれぞれが、前記入出力トランジスタの耐圧および/またはバーンイン電圧の絶対値以下に設定されている
請求項8に記載の不揮発性半導体メモリ装置。
A memory block including the memory cell array and the memory peripheral circuit;
A logic circuit block;
The film thickness of the thickest gate insulating film of the transistor in the memory peripheral circuit is set to be the same as the film thickness of the gate insulating film of the input / output transistor in the logic circuit block,
Each of the absolute value of the first polarity voltage and the absolute value of the second polarity voltage generated when the memory peripheral circuit writes data is less than the absolute value of the withstand voltage of the input / output transistor and / or the burn-in voltage. The nonvolatile semiconductor memory device according to claim 8, wherein the nonvolatile semiconductor memory device is set.
不揮発性メモリトランジスタからなるメモリセルが行列状に配置されているメモリセルアレイに格納しているデータの書き換えを最大でN回(N:正の整数)実行する不揮発性半導体メモリ装置の動作方法であって、
前記データの格納に必要なビット数Mの(N+1)倍の容量を有する格納領域内で任意のMビットのメモリセル群に前記データの初期値を格納する書き込みステップと、
前記データの書き換え指示があったときは、前記初期値を消去して同じメモリセル群に新たなデータ値を書き込む代わりに、前記(N+1)×Mビットの格納領域内で未使用の他のMビットのメモリセル群を選択して新たなデータ値を書き込み、データの書き換え指示のたびに、前記未使用の他のMビットのメモリセル群の選択、および、当該未使用のメモリセル群への新たなデータ値の書き込みを前記(N+1)×Mビットの格納領域内で最大N回繰り返す書き換えステップと、
を含む不揮発性半導体メモリ装置の動作方法。
This is a method of operating a nonvolatile semiconductor memory device that rewrites data stored in a memory cell array in which memory cells made of nonvolatile memory transistors are arranged in a matrix at most N times (N is a positive integer). And
A write step of storing an initial value of the data in an arbitrary M-bit memory cell group in a storage area having a capacity of (N + 1) times the number of bits M required for storing the data;
When there is an instruction to rewrite the data, instead of erasing the initial value and writing a new data value in the same memory cell group, another unused M in the storage area of (N + 1) × M bits. A bit memory cell group is selected and a new data value is written, and each time a data rewrite instruction is issued, the other unused M bit memory cell group is selected and the unused memory cell group is selected. A rewriting step of repeating writing of a new data value at most N times in the storage area of (N + 1) × M bits;
A method for operating a nonvolatile semiconductor memory device including:
前記メモリトランジスタのそれぞれが、
半導体基板の表面領域に規定されている第1導電型のチャネル形成領域と、
前記チャネル形成領域の一方の側に形成され、前記メモリ周辺回路に電気的に接続されている第1のソース・ドレイン領域と、
前記チャネル形成領域の他方の側に形成され、前記メモリ周辺回路に電気的に接続されている第2のソース・ドレイン領域と、
少なくとも前記チャネル形成領域の上に形成され複数の誘電体膜からなる電荷蓄積膜と、
前記電荷蓄積膜の上に形成され、前記メモリ周辺回路に電気的に接続されているゲート電極と、を有し、
前記電荷蓄積膜を構成する最下層の誘電体膜と前記半導体基板との間に形成されている伝導帯側のバリアハイトが、二酸化珪素とシリコンとのバリアハイトより低く設定され、
前記メモリ周辺回路は、データの書き込み時に、第1の電圧と第2の電圧を生成し、生成した前記第1の電圧を前記第1のソース・ドレイン領域の電位を基準として前記第2のソース・ドレイン領域に印加し、生成した前記第2の電圧を前記ゲート電極に印加し、前記第2のソース・ドレイン領域側で電離衝突によりホットエレクトロンを発生させ、発生させた前記ホットエレクトロンを前記第2のソース・ドレイン領域側から前記電荷蓄積膜に注入させる
請求項10に記載の不揮発性半導体メモリ装置の動作方法。
Each of the memory transistors is
A channel formation region of a first conductivity type defined in the surface region of the semiconductor substrate;
A first source / drain region formed on one side of the channel formation region and electrically connected to the memory peripheral circuit;
A second source / drain region formed on the other side of the channel formation region and electrically connected to the memory peripheral circuit;
A charge storage film formed of at least a plurality of dielectric films on the channel formation region;
A gate electrode formed on the charge storage film and electrically connected to the memory peripheral circuit,
The barrier height on the conduction band side formed between the lowermost dielectric film constituting the charge storage film and the semiconductor substrate is set lower than the barrier height of silicon dioxide and silicon,
The memory peripheral circuit generates a first voltage and a second voltage at the time of writing data, and the generated second voltage is based on the potential of the first source / drain region. Applying to the drain region, applying the generated second voltage to the gate electrode, generating hot electrons by ionization collision on the second source / drain region side, and generating the generated hot electrons in the first region; The operation method of the non-volatile semiconductor memory device according to claim 10, wherein the charge storage film is injected from the source / drain region side of 2.
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