JP2005150765A - Semiconductor storage device, its manufacturing method and operating method, and portable electronic apparatus - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、半導体記憶装置、その製造方法及び動作方法、並びに携帯電子機器に関する。より詳細には、電荷量の変化を電流量に変換する機能を有する素子からなる半導体記憶装置とその製造方法及び動作方法、そのような半導体記憶装置を用いた携帯電子機器に関する。 The present invention relates to a semiconductor memory device, a manufacturing method and an operation method thereof, and a portable electronic device. More specifically, the present invention relates to a semiconductor memory device including an element having a function of converting a change in charge amount into a current amount, a manufacturing method and an operation method thereof, and a portable electronic device using such a semiconductor memory device.
従来から、可変抵抗体の抵抗値を記憶情報とし、その抵抗値を変えることにより記憶情報を書き換え、その抵抗値を検出することにより記憶情報を読み出す不揮発性メモリとして、MRAM(Magnetic Random Access Memory)がある(M. Durlam et al., Nonvolatile Ram Based on Magnetic Tunnel Junction Elements, International Solid-State Circuits Conference Digest of Technical Papers, pp130-131, Feb. 2000:非特許文献1)。
このようなMRAMを構成する1つのメモリセルの模式的な断面図を図36(a)に、等価回路図を図36(b)に示す。
Conventionally, MRAM (Magnetic Random Access Memory) has been used as a non-volatile memory that reads the stored information by using the resistance value of the variable resistor as stored information, rewriting the stored information by changing the resistance value, and detecting the resistance value. (M. Durlam et al., Nonvolatile Ram Based on Magnetic Tunnel Junction Elements, International Solid-State Circuits Conference Digest of Technical Papers, pp130-131, Feb. 2000: Non-Patent Document 1).
FIG. 36A shows a schematic cross-sectional view of one memory cell constituting such an MRAM, and FIG. 36B shows an equivalent circuit diagram.
メモリセルは、可変抵抗911と選択トランジスタ912とがメタル配線917及びコンタクトプラグ918を介して接続されて構成されている。また、可変抵抗911の一端にはビット線914が接続されている。
可変抵抗911はMTJ(Magnetic Tunnel Junction)で構成されており、ビット線914に対して直交する方向に延設された書き換えワード線913とビット線との交点において、両者に挟まれている。
The memory cell is configured by connecting a
The
選択トランジスタ912は、半導体基板919上に形成された一対の拡散領域920とゲート電極とにより構成されており、拡散領域920の一方はメタル配線917及びコンタクトプラグ918を介して可変抵抗911に接続されており、他方はソース線915に接続されている。なお、ゲート電極は、選択ワード線916を構成している。
MRAMの書き換え動作は、ビット線914及び書き換えワード線913に流れる電流により発生する合成磁場が、可変抵抗911の抵抗値を変化させることにより行われる。一方、読み出し動作は、選択トランジスタ912をオン状態にした上で、可変抵抗911に流れる電流値、つまり、可変抵抗911の抵抗値を検知することにより行われる。
このように、MRAMのメモリセルは、3端子素子である可変抵抗911と、3端子素子である選択トランジスタ912との2つの素子により構成されている。そのため、さらなるメモリの微細化や大容量化を実現するのには限界があり、困難である。
The rewrite operation of the MRAM is performed by changing the resistance value of the
As described above, the memory cell of the MRAM includes two elements, that is, the
本発明は、選択可能なメモリセルを実質的に1つの素子で構成し、微細化及び高集積化に十分に対応することができる半導体記憶装置、その製造方法及び動作方法、そのような半導体記憶装置を有する携帯電子機器を提供することを目的とする。
すなわち、本発明によれば、半導体層内に形成された第1導電型の領域と、半導体層内に該第1導電型の領域と接して形成された第2導電型の領域と、前記半導体層上に前記第1及び第2導電型の領域の境界を跨って配置されたメモリ機能体と、該メモリ機能体に接しかつ第1導電型の領域上に絶縁膜を介して設けられた電極とを有する半導体記憶装置が提供される。
The present invention relates to a semiconductor memory device in which a selectable memory cell is substantially composed of one element and can sufficiently cope with miniaturization and high integration, a manufacturing method and an operation method thereof, and such a semiconductor memory. It is an object of the present invention to provide a portable electronic device having a device.
That is, according to the present invention, a first conductivity type region formed in a semiconductor layer, a second conductivity type region formed in contact with the first conductivity type region in the semiconductor layer, and the semiconductor A memory function body arranged on the layer across the boundary between the first and second conductivity type regions, and an electrode in contact with the memory function body and provided on the first conductivity type region via an insulating film A semiconductor memory device is provided.
また、半導体層内に形成された第1導電型の領域と、半導体層内に該第1導電型の領域の両側に形成された2つの第2導電型の領域と、前記半導体層上に前記第1及び第2導電型の領域の境界を跨ってそれぞれ配置された2つのメモリ機能体と、該メモリ機能体のそれぞれに接しかつ第1導電型の領域上に絶縁膜を介して設けられた電極とを有する半導体記憶装置が提供される。
さらに、半導体層内に形成されたチャネル領域と、該チャネル領域の両側に設けられた可変抵抗領域と、該可変抵抗領域を介してチャネル領域の両側に設けられた2つの拡散領域と、チャネル領域上にゲート絶縁膜を介して設けられたゲート電極と、該ゲート電極の両側に、可変抵抗領域と拡散領域の一部とを跨るように配置された2つのメモリ機能体とを備える半導体記憶装置が提供される。
A first conductivity type region formed in the semiconductor layer; two second conductivity type regions formed on both sides of the first conductivity type region in the semiconductor layer; and Two memory function bodies respectively disposed across the boundary between the first and second conductivity type regions, and in contact with each of the memory function bodies and provided on the first conductivity type region via an insulating film A semiconductor memory device having an electrode is provided.
A channel region formed in the semiconductor layer; a variable resistance region provided on both sides of the channel region; two diffusion regions provided on both sides of the channel region through the variable resistance region; A semiconductor memory device comprising: a gate electrode provided on a gate insulating film thereon; and two memory function bodies arranged on both sides of the gate electrode so as to straddle a variable resistance region and a part of a diffusion region Is provided.
また、半導体層上にゲート絶縁膜を介して形成されたゲート電極と、該ゲート電極下に配置されたチャネル領域と、該チャネル領域の両側に配置され、該チャネル領域と逆導電型を有する拡散領域と、該ゲート電極の両側であって前記拡散領域にオーバーラップして形成された、電荷を保持するためのメモリ機能体からなる半導体記憶装置が提供される。
さらに、半導体基板、半導体基板内に設けられたウェル領域又は絶縁体上に配置された半導体層と、該半導体基板、半導体基板内に設けられたウェル領域又は絶縁体上に配置された半導体層上に形成されたゲート絶縁膜と、該ゲート絶縁膜上に形成された単一のゲート電極と、該ゲート電極直下に配置されたチャネル領域と、チャネル領域の両側に配置された2つの拡散領域と、前記ゲート電極の両側であって、拡散領域にオーバーラップして形成された側壁絶縁膜からなるメモリセルを1つ以上有してなり、前記側壁絶縁膜が電荷を保持する機能を有してなることを特徴とする半導体記憶装置が提供される。
In addition, a gate electrode formed on the semiconductor layer through a gate insulating film, a channel region disposed under the gate electrode, a diffusion disposed on both sides of the channel region and having a conductivity type opposite to that of the channel region There is provided a semiconductor memory device comprising a region and a memory function body for holding electric charges formed on both sides of the gate electrode and overlapping the diffusion region.
Furthermore, a semiconductor substrate, a semiconductor layer disposed on a well region or an insulator provided in the semiconductor substrate, and a semiconductor layer disposed on the semiconductor substrate or a well region or an insulator provided in the semiconductor substrate A gate insulating film formed on the gate insulating film, a single gate electrode formed on the gate insulating film, a channel region disposed immediately below the gate electrode, and two diffusion regions disposed on both sides of the channel region, And having at least one memory cell made of a sidewall insulating film formed on both sides of the gate electrode so as to overlap the diffusion region, and the sidewall insulating film has a function of holding charges. A semiconductor memory device is provided.
またさらに、半導体基板と、該半導体基板内に形成された第1導電型のウェル領域と、該ウェル領域上に形成されたゲート絶縁膜と、該ゲート絶縁膜上に形成された複数のワード線と、該ワード線の両側にそれぞれ形成された複数の第2導電型の拡散領域と、少なくとも該拡散領域の一部の上、もしくは前記ウェル領域の一部から拡散領域の一部の上に跨って、前記複数のワード線の両側に、前記ワード線、ウェル領域、拡散領域に対して直接又は絶縁膜を介して形成された、電荷を蓄積又はトラップする機能を有する電荷保持膜と、前記拡散領域と接続され、前記ワード線と交差する方向に伸びる複数のビット線からなり、ワード線が、下端部に凹部を有しており、電荷保持膜の少なくとも1部が、直接又は絶縁膜を介して前記凹部内に埋め込まれてなることを特徴とする半導体記憶装置が提供される。 Still further, a semiconductor substrate, a first conductivity type well region formed in the semiconductor substrate, a gate insulating film formed on the well region, and a plurality of word lines formed on the gate insulating film A plurality of second conductivity type diffusion regions respectively formed on both sides of the word line, and at least a part of the diffusion region or a part of the well region and a part of the diffusion region. A charge holding film having a function of accumulating or trapping charges formed on both sides of the plurality of word lines, directly or via an insulating film with respect to the word line, well region, and diffusion region; and the diffusion A plurality of bit lines connected to the region and extending in a direction crossing the word line, the word line has a recess at the lower end, and at least a part of the charge retention film is directly or via an insulating film Embedded in the recess The semiconductor memory device characterized by filled-comprising is provided.
さらに、半導体基板上にゲート絶縁膜及びゲート電極を形成し、電荷を蓄積又はトラップする機能を有する絶縁膜を得られた基板上全面に堆積し、該絶縁膜を選択的にエッチングしてゲート電極の側壁に側壁絶縁膜を形成することからなる半導体記憶装置の製造方法が提供される。 Further, a gate insulating film and a gate electrode are formed on the semiconductor substrate, an insulating film having a function of accumulating or trapping charges is deposited on the entire surface of the obtained substrate, and the insulating film is selectively etched to form a gate electrode. A method of manufacturing a semiconductor memory device is provided, which comprises forming a sidewall insulating film on the sidewall of the semiconductor memory device.
また、別の観点から、P型半導体基板、半導体基板中に形成されたP型ウェル領域又は絶縁体上に配置されたP型半導体層上に形成された、1つのゲート電極と、該1つのゲート電極下方に配置されたチャネル領域と、該チャネル領域の両側に位置する2つのN型ソース/ドレイン領域と、該ソース/ドレイン領域近傍に存在するメモリ機能体からなる半導体記憶装置に対して、一方のソース/ドレイン領域を基準電圧とし、前記ゲート電極を基準電圧よりも低い電圧に設定し、前記半導体基板、半導体基板中に形成された前記ウェル領域又は絶縁体上に形成された前記半導体層を基準電圧よりも高い電圧に設定し、他方のソース・ドレイン領域を、前記半導体基板、半導体基板中に形成された前記ウェル領域又は絶縁体上に形成された前記半導体層よりも高い電圧に設定することにより、ホールを前記メモリ機能体に注入する半導体記憶装置の動作方法が提供される。 From another point of view, one gate electrode formed on a P-type semiconductor substrate, a P-type well region formed in the semiconductor substrate, or a P-type semiconductor layer disposed on an insulator, and the one For a semiconductor memory device comprising a channel region disposed under a gate electrode, two N-type source / drain regions located on both sides of the channel region, and a memory function body existing in the vicinity of the source / drain region, The semiconductor layer formed on the semiconductor substrate, the well region formed in the semiconductor substrate, or the insulator, with one source / drain region set as a reference voltage and the gate electrode set to a voltage lower than the reference voltage Is set to a voltage higher than a reference voltage, and the other source / drain region is formed on the semiconductor substrate, the well region formed in the semiconductor substrate, or the insulator. By setting a higher voltage than the conductor layer, a method of operating a semiconductor memory device for injecting holes into the memory functional element is provided.
さらに、N型半導体基板、半導体基板中に形成されたN型ウェル領域又は絶縁体上に配置されたN型半導体層上に形成された、1つのゲート電極と、該1つのゲート電極下方のチャネル領域と、該チャネル領域の両側に位置する2つのP型ソース・ドレイン領域と、該ソース/ドレイン領域近傍に存在するメモリ機能体からなる半導体記憶装置に対して、一方のソース・ドレイン領域を基準電圧とし、前記ゲート電極を基準電圧よりも高い電圧に設定し、前記半導体基板、半導体基板中に形成された前記ウェル領域又は絶縁体上に配置された前記半導体層を基準電圧よりも低い電圧に設定し、他方のソース・ドレイン領域を、半導体基板、半導体基板中に形成された前記ウェル領域又は絶縁体上に配置された前記半導体層よりも低い電圧に設定することにより、電子を前記メモリ機能体に注入する半導体記憶装置の動作方法が提供される。
また、上記半導体記憶装置を備えた携帯電子機器が提供される。
Furthermore, one gate electrode formed on an N-type semiconductor substrate, an N-type well region formed in the semiconductor substrate, or an N-type semiconductor layer disposed on an insulator, and a channel below the one gate electrode One source / drain region is used as a reference for a semiconductor memory device comprising a region, two P-type source / drain regions located on both sides of the channel region, and a memory function body in the vicinity of the source / drain region. The gate electrode is set to a voltage higher than a reference voltage, and the semiconductor substrate and the semiconductor layer disposed on the well region or insulator formed in the semiconductor substrate are set to a voltage lower than the reference voltage. And the other source / drain region is set to a voltage lower than that of the semiconductor layer disposed on the semiconductor substrate, the well region formed in the semiconductor substrate, or the insulator. By operating method of the semiconductor memory device for injecting electrons into the memory functional element is provided.
In addition, a portable electronic device including the semiconductor memory device is provided.
本発明によれば、従来技術であるMRAMのメモリセルが2つの素子によって構成されていたのに対して、実質的に1つの素子によってメモリセルを構成することができ、さらなる微細化及び高集積化を実現することができる。
また、1つの素子における構成がシンプルであり、つまり、半導体層内に形成された第1導電型の領域と、それに隣接する第2導電型の領域と、上記半導体層表面における上記第1及び第2導電型の領域の境界を跨って配置されたメモリ機能体と、該メモリ機能体に接しかつ第1導電型の領域上に絶縁膜を介して設けられた電極とにより構成することができるため、占有面積のより縮小化を図ることができるとともに、半導体記憶装置の読出し速度を向上させることができる。
According to the present invention, the memory cell of the conventional MRAM is composed of two elements, whereas the memory cell can be substantially composed of one element, and further miniaturization and high integration can be achieved. Can be realized.
Further, the configuration of one element is simple, that is, the first conductivity type region formed in the semiconductor layer, the second conductivity type region adjacent thereto, and the first and second regions on the surface of the semiconductor layer. Since it can be configured by a memory function body arranged across the boundary of the two conductivity type region and an electrode in contact with the memory function body and provided on the first conductivity type region via an insulating film Thus, the occupied area can be further reduced, and the reading speed of the semiconductor memory device can be improved.
さらに、半導体層内に形成された第1導電型の領域と、それに隣接する2つの第2導電型の領域と、上記半導体層表面における上記第1及び第2導電型の領域の境界を跨ってそれぞれ配置された2つのメモリ機能体と、メモリ機能体のそれぞれに接しかつ第1導電型の領域上に絶縁膜を介して設けられた電極とを有するので、半導体記憶装置の読出し速度を向上させることができるとともに、さらに集積度を向上させることができる。
また、2つのメモリ機能体のそれぞれに独立して電荷を蓄積することにより、2ビット以上の情報を記憶する場合は、1ビット当たりの素子面積を小さくすることができるから、半導体記憶装置の製造コストを低減することができる。
Furthermore, the first conductivity type region formed in the semiconductor layer, two adjacent second conductivity type regions, and the boundary between the first and second conductivity type regions on the semiconductor layer surface are straddled. Since it has two memory function bodies arranged respectively and electrodes provided in contact with each of the memory function bodies and on the first conductivity type region via an insulating film, the reading speed of the semiconductor memory device is improved. And the degree of integration can be further improved.
In addition, when storing information of 2 bits or more by accumulating charges independently in each of the two memory function bodies, the element area per bit can be reduced. Cost can be reduced.
別の観点から、チャネル領域と、該チャネル領域の両側に設けられた可変抵抗領域と、該可変抵抗領域を介してチャネル領域の両側に設けられた拡散領域と、チャネル領域上にゲート絶縁膜を介して設けられたゲート電極と、該ゲート電極の両側に、可変抵抗領域及び拡散領域の一部に跨るように配置された2つのメモリ機能体とを備えることにより、半導体記憶記憶装置の読出し動作速度を向上することができる。
また、2つのメモリ機能体のうち一方に記憶された情報を読み出す時に、ピンチオフ点を前記チャネル領域内であって、他方のメモリ機能体に近い領域に形成させれば、他方のメモリ機能体の記憶状態の如何にかかわらず、一方のメモリ機能体の記憶情報を感度よく検出することができる。このことは、2ビット動作を可能にする大きな要因となる。
From another point of view, a channel region, variable resistance regions provided on both sides of the channel region, diffusion regions provided on both sides of the channel region via the variable resistance region, and a gate insulating film on the channel region Read operation of the semiconductor memory device by comprising a gate electrode provided through the two and two memory function bodies arranged on both sides of the gate electrode so as to straddle part of the variable resistance region and the diffusion region Speed can be improved.
In addition, when reading information stored in one of the two memory functional units, if the pinch-off point is formed in the channel region and in a region close to the other memory functional unit, the other memory functional unit Regardless of the storage state, the storage information of one memory function body can be detected with high sensitivity. This is a major factor enabling 2-bit operation.
さらに、メモリ機能体が、ゲート電極下ではなく、ゲート電極の両側に配置されるため、ゲート絶縁膜をメモリ機能体として機能させる必要がなく、ゲート絶縁膜を、メモリ機能体とは分離して、単純にゲート絶縁膜としての機能のみに使用することが可能となり、LSIのスケーリング則に応じた設計を行なうことが可能となる。このため、フラッシュメモリのようにフローティングゲートをチャネルとコントロールゲートの間に挿入する必要がなく、さらに、ゲート絶縁膜としてメモリ機能をもたせたONO膜を採用する必要がなく、微細化に応じたゲート絶縁膜を採用することが可能となるとともに、ゲート電極の電界がチャネルに及ぼす影響が強くなり、短チャネル効果に強いメモリ機能を有する半導体記憶装置を実現することができる。よって、微細化して集積度を向上させることができるとともに、安価な半導体記憶装置を提供することができる。 Further, since the memory function body is arranged not on the gate electrode but on both sides of the gate electrode, it is not necessary to make the gate insulating film function as the memory function body, and the gate insulating film is separated from the memory function body. Therefore, it can be used only for the function as the gate insulating film, and the design according to the scaling rule of the LSI can be performed. For this reason, it is not necessary to insert a floating gate between the channel and the control gate as in a flash memory, and it is not necessary to use an ONO film having a memory function as a gate insulating film. An insulating film can be employed, and the influence of the electric field of the gate electrode on the channel is increased, so that a semiconductor memory device having a memory function strong against the short channel effect can be realized. Therefore, miniaturization can improve the integration degree and an inexpensive semiconductor memory device can be provided.
また、1つのメモリセルに対して必要な、ゲート電極と接続されている又はゲート電極そのものの機能を有するワード線に関し、1本配置するのみで、従来の選択トランジスタとメモリセルトランジスタの機能を兼ねることができるため、半導体記憶装置のさらなる高集積化が可能となる。
さらに、メモリ機能体中の電荷の多寡をソース/ドレイン領域の一方からソース/ドレイン領域の他方へ流れる電流量の変化により検知すれば、メモリ機能体中のわずかな電荷の違いを大きな電流差として判別することができる。
Further, only one word line which is necessary for one memory cell and is connected to the gate electrode or having the function of the gate electrode itself can be used as a conventional selection transistor and a memory cell transistor. Therefore, the semiconductor memory device can be further highly integrated.
Furthermore, if the amount of charge in the memory function body is detected by a change in the amount of current flowing from one of the source / drain regions to the other of the source / drain regions, a slight difference in charge in the memory function body can be regarded as a large current difference. Can be determined.
また、メモリ機能体の下に位置する可変抵抗部の抵抗値が、電荷メモリ機能体中の電荷の多寡により変化し、メモリ機能体中の電荷の有無をソース/ドレイン領域の一方からソース/ドレイン領域の他方へ流れる電流量の変化により検知すれば、メモリ機能体中のわずかな電荷の違いを大きな電流差として判別することができる。
さらに、メモリセル1つあたり、単一のゲート電極が、その両側に形成された2つのメモリ機能体にはさまれた構造は、メモリ機能体の電荷量を変化させるため電極数を最低限にする。したがって、メモリセル占有面積を小さくすることができる。
In addition, the resistance value of the variable resistance portion located under the memory function body changes depending on the amount of charge in the charge memory function body, and the presence / absence of charge in the memory function body is changed from one of the source / drain regions to the source / drain region. If detection is performed based on a change in the amount of current flowing to the other side of the region, a slight difference in charge in the memory function body can be determined as a large current difference.
Furthermore, a structure in which a single gate electrode per memory cell is sandwiched between two memory function bodies formed on both sides of the memory cell minimizes the number of electrodes to change the charge amount of the memory function body. To do. Therefore, the area occupied by the memory cell can be reduced.
また、メモリセル1つあたり、単一のゲート電極が、その両側に形成された2つのメモリ機能体にはさまれた構造であって、メモリ機能体中の電荷の多寡をソース/ドレイン領域の一方からソース/ドレイン領域の他方へ流れる電流量の変化により検知する検知方法、つまり、わずかな電荷の違いを大きな電流差として判別することができる検知方法に必要な電極数を最低限にする。したがって、メモリセル占有面積を小さくすることができる。 Each memory cell has a structure in which a single gate electrode is sandwiched between two memory function bodies formed on both sides thereof, and the amount of charge in the memory function body is reduced in the source / drain regions. The number of electrodes necessary for a detection method for detecting by a change in the amount of current flowing from one side to the other of the source / drain regions, that is, a detection method capable of determining a slight difference in charge as a large current difference is minimized. Therefore, the area occupied by the memory cell can be reduced.
さらに、メモリセル1つあたり、単一のゲート電極が、その両側に形成された2つのメモリ機能体にはさまれ、該メモリ機能体の下に位置する可変抵抗部の抵抗値をメモリ機能体中の電荷の有無により変化させ、メモリ機能体中の電荷の多寡をソース/ドレイン領域の一方からソース/ドレイン領域の他方へ流れる電流量の変化により検知する検知方法、つまり、わずかな電荷の違いを大きな電流差として判別することができる検知方法に必要な電極数を最低限にする。したがって、メモリセル占有面積を小さくすることができる。 Further, a single gate electrode per memory cell is sandwiched between two memory function bodies formed on both sides thereof, and the resistance value of the variable resistance portion located under the memory function body is determined as the memory function body. Detection method that detects the amount of charge in the memory function body by changing the amount of current flowing from one of the source / drain regions to the other of the source / drain regions, that is, a slight difference in charge Can be determined as a large current difference, and the number of electrodes necessary for the detection method is minimized. Therefore, the area occupied by the memory cell can be reduced.
また、半導体基板もしくはウェル領域もしくは絶縁体膜上に位置する半導体層と接続された1つの端子と、ソース/ドレイン領域と接続された2つの端子と、ゲート電極に接続された1つの端子とは、複数のメモリセルから1つのメモリセルを選択し書込・消去・読み出しできるメモリセルに必要な最低限の端子を構成する。したがって、最も少ない端子数で1つのメモリセルを構成することができる。 One terminal connected to the semiconductor layer located on the semiconductor substrate or the well region or the insulator film, two terminals connected to the source / drain region, and one terminal connected to the gate electrode A minimum terminal required for a memory cell that can select one memory cell from a plurality of memory cells and write / erase / read it is configured. Therefore, one memory cell can be configured with the smallest number of terminals.
さらに、半導体基板もしくはウェル領域もしくは絶縁体上に位置する半導体層に与える電圧と、単一のゲート電極に与える電圧と、2つのソース・ドレイン電極のそれぞれに与える電圧の合計4つの電圧を与えることのみにより、1つのメモリセルの読み出し、書込、もしくは消去動作のいずれかをおこなう動作方法は、最も少ないノードで1つのメモリセル動作を行なうことができる。
また、単一のゲート電極の両側に形成されたゲート電極側壁絶縁膜がメモリ機能体として機能するため、ロジックトランジスタで構成された回路とメモリ記憶装置の混載が容易になる。
Furthermore, a total of four voltages are applied, that is, a voltage applied to the semiconductor layer located on the semiconductor substrate or well region or insulator, a voltage applied to a single gate electrode, and a voltage applied to each of the two source / drain electrodes. Thus, the operation method for performing any one of the read, write, and erase operations for one memory cell can perform one memory cell operation with the fewest nodes.
In addition, since the gate electrode side wall insulating films formed on both sides of the single gate electrode function as a memory function body, it is easy to mix the circuit constituted by the logic transistor and the memory storage device.
さらに、電荷を保持する機能を有するゲート電極側壁絶縁膜の少なくとも一部がソース/ドレイン領域とオーバーラップしているため、読出し電流の減少が抑制される。したがって、半導体記憶記憶装置の読出し動作速度を高速にすることができる。
また、1つの半導体記憶装置によって、2ビットの情報を蓄えることが可能となり、しかも、1つのゲート電極の両側に配置するメモリ機能体はゲート電極によって互いに完全に分離されているため、互いのメモリ機能体間での電気的干渉を避けることが可能となり、さらなる微細化を実現しながら、多値の情報を記憶する半導体記憶装置を実現することができる。
Furthermore, since at least a part of the gate electrode side wall insulating film having a function of holding electric charge overlaps with the source / drain regions, a decrease in read current is suppressed. Therefore, the read operation speed of the semiconductor memory device can be increased.
Further, it is possible to store 2-bit information by one semiconductor memory device, and the memory function bodies arranged on both sides of one gate electrode are completely separated from each other by the gate electrode. It is possible to avoid electrical interference between functional bodies, and a semiconductor memory device that stores multi-value information while realizing further miniaturization can be realized.
加えて、本発明の半導体記憶装置は、そのまま論理回路を構成するトランジスタとしても使用可能であるから、論理回路とメモリ回路との混載プロセスを非常に簡単にすることができる。
ソース/ドレイン領域の一部が、チャネル領域表面又はゲート絶縁膜下面よりも高い位置に延設され、かつメモリ機能体の少なくとも一部がゲート電極と前記ソース/ドレイン領域の一部に挟持されてなる場合には、ソース/ドレイン領域の浅い接合化が実現できるとともに、接合部分において急峻な不純物の濃度プロファイルを実現することが可能となる。よって、短チャネル効果を極めて効果的に抑制し、素子のさらなる微細化を実現することができ、さらに、ドレイン耐圧を低減でき、電子注入又はホール注入による書込・消去電圧を低減できる。
In addition, since the semiconductor memory device of the present invention can be used as a transistor constituting a logic circuit as it is, the mixed process of the logic circuit and the memory circuit can be greatly simplified.
A part of the source / drain region is extended to a position higher than the surface of the channel region or the lower surface of the gate insulating film, and at least a part of the memory function body is sandwiched between the gate electrode and a part of the source / drain region. In this case, it is possible to realize shallow junction of the source / drain regions and realize a steep impurity concentration profile at the junction. Therefore, the short channel effect can be suppressed extremely effectively, the device can be further miniaturized, the drain breakdown voltage can be reduced, and the write / erase voltage by electron injection or hole injection can be reduced.
また、ゲート電極とソース/ドレイン領域によって、メモリ機能体を挟持することにより、ゲート電極とソース/ドレイン領域間に直接電界をかけ、選択した2つのノード間で電子又はホールの注入、電子又はホールの引き抜きが可能となり、ホットエレクトロンやホットホール注入と比較して、書込・消去効率を向上させることができる。
ソース/ドレイン領域が、ゲート電極端に対してオフセットされて配置される場合には、ゲート電極に電圧を印加したときのメモリ機能体下のオフセット領域の寄生抵抗がメモリ機能体に蓄積された電荷量によって大きく変化させることができ、メモリ効果を増大させることができる。
In addition, by sandwiching the memory function body between the gate electrode and the source / drain region, an electric field is directly applied between the gate electrode and the source / drain region, and electrons or holes are injected between the two selected nodes. Can be extracted, and the write / erase efficiency can be improved as compared with hot electron or hot hole injection.
In the case where the source / drain region is disposed offset with respect to the gate electrode end, the parasitic resistance in the offset region under the memory function body when a voltage is applied to the gate electrode is stored in the memory function body. It can be changed greatly depending on the amount, and the memory effect can be increased.
本発明において、ソース/ドレイン領域がN型半導体からなる場合には、一方のソース/ドレイン領域が基準電圧、他方のソース/ドレイン領域及びゲート電極が基準電圧よりも高い電圧に設定されることにより、又は一方のソース/ドレイン領域が基準電圧、他方のソース/ドレイン領域が基準電圧よりも高い電圧、ゲート電極が基準電圧よりも低い電圧に設定されることにより、すなわち、3つの電極の相対電位を設定するのみで、メモリ機能体に、選択的に、電子又はホールが注入され得るため、半導体記憶装置におけるメモリセル当たりの電極数を少なくでき、セル面積のさらなる縮小化を実現することができる。 In the present invention, when the source / drain region is made of an N-type semiconductor, one source / drain region is set to a reference voltage, and the other source / drain region and the gate electrode are set to a voltage higher than the reference voltage. Or one source / drain region is set to a reference voltage, the other source / drain region is set to a voltage higher than the reference voltage, and the gate electrode is set to a voltage lower than the reference voltage, that is, the relative potential of the three electrodes. Therefore, the number of electrodes per memory cell in the semiconductor memory device can be reduced and the cell area can be further reduced because electrons or holes can be selectively injected into the memory function body. .
同様に、ソース/ドレイン領域がP型半導体からなる場合には、一方のソース/ドレイン領域が基準電圧、他方のソース/ドレイン領域及びゲート電極が基準電圧よりも低い電圧に設定されることにより、又は一方のソース/ドレイン領域が基準電圧、他方のソース/ドレイン領域が基準電圧よりも低い電圧、ゲート電極が基準電圧よりも高い電圧に設定されることにより、メモリ機能体に、選択的に、ホール又は電子が注入され得るため、セル面積のさらなる縮小化を実現することができる。 Similarly, when the source / drain region is made of a P-type semiconductor, one source / drain region is set to a reference voltage, and the other source / drain region and the gate electrode are set to a voltage lower than the reference voltage. Alternatively, one of the source / drain regions is set to a reference voltage, the other source / drain region is set to a voltage lower than the reference voltage, and the gate electrode is set to a voltage higher than the reference voltage. Since holes or electrons can be injected, the cell area can be further reduced.
ウェル領域又は拡散領域上であって、ゲート電極の両端に直接又は絶縁膜を介して、電荷保持膜が形成されている場合には、電荷保持膜における電荷の多寡に応じて反転層を制御することができる。よって、大きなヒステリシス(閾値の変化)を得ることができ、良好な特性の半導体記憶装置を得ることができる。
半導体基板が、表面半導体層を有するSOI基板からなり、第1導電型のウェル領域が前記表面半導体層にボディ領域として形成されてなる場合には、拡散領域とボディ領域との接合容量を著しく小さくすることができ、素子の高速化及び低消費電力化が可能となる。
When the charge holding film is formed on the well region or the diffusion region directly or via the insulating film at both ends of the gate electrode, the inversion layer is controlled according to the amount of charge in the charge holding film. be able to. Therefore, a large hysteresis (change in threshold value) can be obtained, and a semiconductor memory device with favorable characteristics can be obtained.
When the semiconductor substrate is an SOI substrate having a surface semiconductor layer and the first conductivity type well region is formed as a body region in the surface semiconductor layer, the junction capacitance between the diffusion region and the body region is significantly reduced. Thus, the device can be increased in speed and power consumption can be reduced.
電荷保持膜が、ゲート電極端近傍において、拡散領域及び/又はウェル領域もしくはボディ領域と絶縁膜を介して接している場合には、保持電荷の漏れを抑制することができ、電荷の保持特性を向上させることができる。
ゲート電極が、下端部に凹部を有しており、電荷保持膜の少なくとも1部が、直接又は絶縁膜を介して前記凹部内に埋め込まれている場合には、電荷保持膜の少なくとも一部がゲート電極で覆われているので、特に消去時においてホットキャリアの注入効率を改善することができ、よって、高速な消去動作を実現することが可能となる。
When the charge holding film is in contact with the diffusion region and / or the well region or the body region through the insulating film in the vicinity of the edge of the gate electrode, leakage of the held charge can be suppressed, and the charge holding characteristic can be improved. Can be improved.
When the gate electrode has a recess at the lower end and at least a part of the charge retention film is embedded in the recess directly or via an insulating film, at least a part of the charge retention film is Since it is covered with the gate electrode, the efficiency of hot carrier injection can be improved particularly during erasing, and thus a high-speed erasing operation can be realized.
ゲート電極が、側壁に側壁絶縁膜を有し、該側壁絶縁膜の一部が電荷保持膜として形成されてなる場合には、側壁絶縁膜をマスクとして拡散領域を形成するためのイオン注入を行なうことにより、拡散領域端の位置を制御するのが容易となる。よって、拡散領域がゲート電極の下方にまで達しないようにして、ウェル領域又はボディ領域が電荷保持膜と直接又は絶縁膜を介して接する領域を形成することができる。したがって、良好な特性を有する半導体記憶装置を得ることができる。
また、本発明の半導体記憶装置の製造方法によれば、簡単な工程により、高性能、高集積化が可能な半導体記憶装置を製造することが可能となる。
When the gate electrode has a side wall insulating film on the side wall and a part of the side wall insulating film is formed as a charge holding film, ion implantation for forming a diffusion region is performed using the side wall insulating film as a mask. This makes it easy to control the position of the end of the diffusion region. Therefore, a region where the well region or the body region is in contact with the charge holding film directly or via the insulating film can be formed so that the diffusion region does not reach below the gate electrode. Therefore, a semiconductor memory device having good characteristics can be obtained.
Further, according to the method for manufacturing a semiconductor memory device of the present invention, it is possible to manufacture a semiconductor memory device capable of high performance and high integration by a simple process.
さらに、本発明の半導体装置のウェル領域又はボディ領域がP型の導電型を有する場合には、一方の拡散領域を基準電圧とし、ゲート電極を基準電圧よりも低い電圧に設定し、ウェル領域又はボディ領域を基準電圧よりも高い電圧に設定し、他方の拡散領域をウェル領域又はボディ領域の電圧よりも高い電圧に設定することにより、P型ウェル領域又はボディ領域から、基準電圧に固定された拡散領域に対して順方向電流が流れる。このため、P型ウェル領域又はボディ領域と、他方の拡散領域との接合において、バンド間トンネルによりホットホールが発生するに足りない電圧差しか印加されない場合においても、基準電圧に固定された拡散領域からウェル領域またはボディ領域に注入された電子が、ホットホールを発生させることができる。したがって、他方の拡散領域に隣接するメモリ機能体にホールを注入する効果が増大し、ホール注入時の動作時の電圧を低下させることができる。 Furthermore, when the well region or the body region of the semiconductor device of the present invention has a P-type conductivity type, one diffusion region is set as a reference voltage, the gate electrode is set to a voltage lower than the reference voltage, and the well region or The body region is set to a voltage higher than the reference voltage, and the other diffusion region is set to a voltage higher than the voltage of the well region or the body region, so that the reference voltage is fixed from the P-type well region or the body region. A forward current flows through the diffusion region. For this reason, even when only a voltage difference sufficient to generate hot holes due to interband tunneling is not applied at the junction between the P-type well region or body region and the other diffusion region, the diffusion region is fixed to the reference voltage. Electrons injected from the well into the well region or the body region can generate hot holes. Therefore, the effect of injecting holes into the memory function body adjacent to the other diffusion region is increased, and the voltage during operation at the time of hole injection can be lowered.
また、本発明の半導体装置のウェル領域又はボディ領域がN型の導電型を有する場合には、N型のウェル領域又はボディ領域から基準電圧に固定された拡散領域に対して順方向電流が流れる。このため、ウェル領域又はボディ領域と、他方の拡散領域との接合においてバンド間トンネルによりホットエレクトロンが発生するに足りない電圧差しか印加されない場合においても、基準電圧に固定された拡散領域からウェル領域またはボディ領域に注入されたホールが、ホットエレクトロンを発生させることができる。したがって、他方の拡散領域に隣接するメモリ機能体に電子を注入する効果が増大し、電子注入時の動作時の電圧を低下させることができる。 Further, when the well region or body region of the semiconductor device of the present invention has an N-type conductivity type, a forward current flows from the N-type well region or body region to the diffusion region fixed to the reference voltage. . Therefore, even when only a voltage difference sufficient to generate hot electrons due to interband tunneling at the junction between the well region or the body region and the other diffusion region is applied, the diffusion region is fixed from the diffusion region fixed to the reference voltage. Alternatively, holes injected into the body region can generate hot electrons. Therefore, the effect of injecting electrons into the memory function body adjacent to the other diffusion region is increased, and the voltage during operation during electron injection can be reduced.
上述のメモリ機能体は、電荷を蓄積又はトラップ又は電荷分極状態を保持する機能を有する膜によって形成されており、例えば、シリコン窒化膜を含む絶縁体膜、導電膜もしくは半導体層を内部に含む絶縁体膜、導電体もしくは半導体ドットを1つ以上含む絶縁体膜等の単層又は積層構造によって形成されている。シリコン窒化膜を含む絶縁体膜の場合、シリコン窒化膜は、電荷をトラップする準位が多数存在するため大きなヒステリシス特性を得ることができ、また、電荷保持時間が長く、リークパスの発生による電荷漏れの問題が生じないため保持特性が良好であり、さらに、LSIプロセスではごく標準的に用いられる材料であるため、量産工場に導入しやすい効果がある。また、導電膜もしくは半導体層を内部に含む絶縁体膜である場合、導電体もしくは半導体中への電荷の注入量を自由に制御できるため、多値化しやすい効果がある。また、導電体もしくは半導体ドットを1つ以上含む絶縁体膜である場合、電荷の直接トンネリングによる書込・消去が行いやすくなり、低消費電力化の効果がある。さらに、上記電荷保持膜の一形態として、電界により分極方向が変化するPZT、PLZT等の強誘電体膜を用いてもよい。この場合、分極により強誘電体膜の表面に実質的に電荷が発生し、その状態で保持される。従って、メモリ機能を有する膜外から電荷を供給され電荷をトラップする膜と同様なヒステリシス特性を得ることができ、かつ、強誘電体膜の電荷保持は、膜外からの電荷注入の必要がなく、膜内の電荷の分極のみによってヒステリシス特性を得ることができるため、高速に書込・消去ができる効果がある。 The memory function body described above is formed of a film having a function of accumulating or trapping charges or maintaining a charge polarization state. For example, an insulating film including a silicon nitride film, an insulating film including a conductive film or a semiconductor layer therein. It is formed of a single layer or a laminated structure such as an insulator film including one or more body films, conductors, or semiconductor dots. In the case of an insulator film including a silicon nitride film, the silicon nitride film has a large hysteresis characteristic because there are many levels for trapping charges, has a long charge retention time, and charge leakage due to the occurrence of a leakage path. Therefore, the retention characteristic is good, and since it is a material that is used very standardly in the LSI process, there is an effect that it can be easily introduced into a mass production factory. In addition, in the case of an insulator film including a conductive film or a semiconductor layer, the amount of charge injected into the conductor or the semiconductor can be freely controlled, so that there is an effect of being easily multi-valued. In addition, in the case of an insulator film including one or more conductors or semiconductor dots, writing / erasing by direct tunneling of electric charge is facilitated, and there is an effect of reducing power consumption. Further, as one form of the charge retention film, a ferroelectric film such as PZT or PLZT whose polarization direction is changed by an electric field may be used. In this case, electric charges are substantially generated on the surface of the ferroelectric film due to polarization, and the charges are held in this state. Therefore, it is possible to obtain the same hysteresis characteristic as a film that supplies charges from outside the film having a memory function and traps charges, and the charge retention of the ferroelectric film does not require charge injection from outside the film. Since hysteresis characteristics can be obtained only by polarization of charges in the film, there is an effect that writing / erasing can be performed at high speed.
また、メモリ機能体が電荷を保持する機能を有する膜を含み、電荷を保持する機能を有する膜の少なくとも一部とソース/ドレイン領域とがオーバーラップしているので、読出し電流の減少が抑制される。したがって、半導体記憶記憶装置の読出し動作速度を高速にすることができる。
さらには、SOI層からなる半導体層上に、ゲート絶縁膜とゲート電極とメモリ機能体が形成された場合には、拡散領域とボディ領域との接合容量を著しく小さくすることができ、素子の高速化及び低消費電力化が可能となる。
また、ウェル領域を含んだ半導体層を用いた場合には、ゲート絶縁膜直下の不純物濃度をメモリ動作(書換え動作及び読出し動作)に最適にしつつ、その他の電気特性(耐圧、接合容量、短チャネル効果)を制御するのが容易になる。
In addition, since the memory functional unit includes a film having a function of holding charge, and at least a part of the film having the function of holding charge overlaps with the source / drain region, a decrease in read current is suppressed. The Therefore, the read operation speed of the semiconductor memory device can be increased.
Furthermore, when the gate insulating film, the gate electrode, and the memory function body are formed on the semiconductor layer made of the SOI layer, the junction capacitance between the diffusion region and the body region can be remarkably reduced, and the high-speed operation of the device can be achieved. And lower power consumption.
In addition, when a semiconductor layer including a well region is used, other electrical characteristics (breakdown voltage, junction capacitance, short channel) while optimizing the impurity concentration immediately below the gate insulating film for the memory operation (rewrite operation and read operation) Effect) can be easily controlled.
さらには、メモリ機能体が電荷を保持する機能を有する電荷保持膜と絶縁膜とを含んでいれば、電荷の散逸を防いで保持特性を向上させることができる。また、メモリ機能体が電荷保持膜のみで構成される場合に比べて電荷保持膜の体積を適度に小さくすることができる。電荷保持膜の体積を適度に小さくすることにより電荷保持膜内での電荷の移動を制限し、記憶保持中に電荷移動による特性変化が起こるのを抑制することができる。したがって、メモリの保持特性を改善することができる。メモリ機能体内に、ゲート絶縁膜がなす面と略並行な電荷保持膜があることにより、電荷保持膜に蓄積された電荷の多寡によりオフセット領域での反転層の形成されやすさを効果的に制御することができる。そのため、メモリ効果を大きくすることができる。また、電荷保持膜はゲート絶縁膜表面と略平行に配置されているため、オフセット量がばらついた場合でもメモリ効果の変化を比較的小さく保つことができる。そのため、メモリ効果のばらつきを抑制することができる。さらに、電荷保持膜が、ゲート絶縁膜表面と略平行に配置された膜状であるから、上方向への電荷の移動が抑制される。それゆえ、記憶保持中に電荷移動による特性変化が起こるのを抑制することができる。したがって、メモリ効果が大きくてばらつきの少ない、保持特性の良い半導体記憶装置を得ることができる。 Furthermore, if the memory function body includes a charge holding film having a function of holding charges and an insulating film, it is possible to prevent charge dissipation and improve holding characteristics. In addition, the volume of the charge holding film can be reduced appropriately compared to the case where the memory function body is composed of only the charge holding film. By appropriately reducing the volume of the charge retention film, the movement of charges in the charge retention film can be limited, and the change in characteristics due to the charge movement during memory retention can be suppressed. Therefore, the retention characteristic of the memory can be improved. In the memory function body, there is a charge holding film that is almost parallel to the surface formed by the gate insulating film, which effectively controls the ease with which the inversion layer is formed in the offset region due to the amount of charge accumulated in the charge holding film. can do. Therefore, the memory effect can be increased. In addition, since the charge retention film is disposed substantially parallel to the surface of the gate insulating film, the change in the memory effect can be kept relatively small even when the offset amount varies. Therefore, variation in memory effect can be suppressed. Furthermore, since the charge holding film is in the form of a film disposed substantially parallel to the surface of the gate insulating film, the upward movement of charges is suppressed. Therefore, it is possible to suppress changes in characteristics due to charge transfer during storage. Therefore, it is possible to obtain a semiconductor memory device having a large memory effect and a small variation and good holding characteristics.
また、メモリ機能体が、ゲート電極側面と略平行に延びた電荷保持膜をさらに含む場合、半導体記憶装置の保持特性の悪化を防ぎながら書換え速度を高速にすることができる。
さらに、ゲート電極とゲート電極側面と略平行に延びた電荷保持膜とを隔てる絶縁膜をさらに含む場合は、ゲート電極側面と略平行に延びた電荷保持膜とゲート電極との間での電荷の出入りを抑制することができる。したがって、半導体記憶装置の信頼性を高くすることができる。
また、ゲート絶縁膜表面と略平行に延びた電荷保持膜とチャネル領域又は半導体層とを隔てる絶縁膜をさらに含む場合は、ゲート絶縁膜表面と略平行な電荷保持膜に蓄積された電荷の散逸が抑制されるため、さらに保持特性のよい半導体記憶装置を得ることができる。
Further, when the memory function body further includes a charge holding film extending substantially in parallel with the side surface of the gate electrode, the rewriting speed can be increased while preventing deterioration of the holding characteristics of the semiconductor memory device.
Furthermore, in the case of further including an insulating film separating the gate electrode and the charge holding film extending substantially in parallel with the side surface of the gate electrode, the charge between the charge holding film extending substantially in parallel with the side surface of the gate electrode and the gate electrode can be reduced. Going in and out can be suppressed. Therefore, the reliability of the semiconductor memory device can be increased.
Further, in the case of further including an insulating film separating the charge holding film extending substantially parallel to the surface of the gate insulating film and the channel region or the semiconductor layer, the charge stored in the charge holding film substantially parallel to the surface of the gate insulating film is dissipated. Therefore, a semiconductor memory device with better holding characteristics can be obtained.
電荷保持膜とチャネル領域又は半導体層とを隔てる絶縁膜の膜厚が、ゲート絶縁膜の膜厚より薄い場合は、メモリの耐圧性能を低下させることなく書込み動作及び消去動作の電圧を低下させ、又は書込み動作及び消去動作を高速にすることが可能となり、メモリ効果を増大することが可能となる。
また、電荷保持膜とチャネル領域又は半導体層とを隔てる絶縁膜の膜厚が、ゲート絶縁膜の膜厚より厚い場合は、メモリの短チャネル効果を悪化させることなく保持特性を改善することが可能となる。
When the film thickness of the insulating film separating the charge holding film and the channel region or the semiconductor layer is smaller than the film thickness of the gate insulating film, the voltage of the write operation and the erase operation is decreased without decreasing the withstand voltage performance of the memory, Alternatively, the writing operation and the erasing operation can be performed at high speed, and the memory effect can be increased.
In addition, when the thickness of the insulating film that separates the charge holding film from the channel region or the semiconductor layer is larger than the thickness of the gate insulating film, the holding characteristics can be improved without deteriorating the short channel effect of the memory. It becomes.
さらに、前記第1導電型の半導体層は、メモリ機能体の下かつソース/ドレイン領域近傍で、ゲート電極下における第1導電型の半導体層表面近傍よりも、第1導電性を与える不純物濃度が濃い領域を有しているので、拡散領域と半導体層との接合が、メモリ機能体の直下で急峻となる。そのため、書込み及び消去動作時にホットキャリアが発生し易くなり、書込み動作及び消去動作の電圧を低下させ、又は書込み動作及び消去動作を高速にすることが可能となる。更に、ゲート絶縁膜直下の不純物濃度は比較的薄いので、メモリが消去状態にあるときの閾値は低く、ドレイン電流は大きくなる。そのため、読出し速度が向上する。したがって、書換え電圧が低く又は書換え速度が高速で、かつ、読出し速度が高速な半導体記憶装置を得ることができる。 Further, the first conductivity type semiconductor layer has an impurity concentration that gives the first conductivity under the memory function body and in the vicinity of the source / drain region than in the vicinity of the surface of the first conductivity type semiconductor layer under the gate electrode. Since it has a dark region, the junction between the diffusion region and the semiconductor layer becomes steep immediately below the memory function body. Therefore, hot carriers are likely to be generated during writing and erasing operations, and the voltage for the writing and erasing operations can be reduced, or the writing and erasing operations can be performed at high speed. Further, since the impurity concentration immediately below the gate insulating film is relatively thin, the threshold when the memory is in the erased state is low, and the drain current is large. Therefore, the reading speed is improved. Therefore, it is possible to obtain a semiconductor memory device having a low rewrite voltage, a high rewrite speed, and a high read speed.
また、チャネル長方向の切断面におけるゲート電極長をA、ソース/ドレイン領域間のチャネル長をB、一方のメモリ機能体の端から他方のメモリ機能体の端までの距離をCとするとき、A<B<Cなる関係が成り立つため、メモリ効果の増大、読出し動作の高速化及び短チャネル効果の低減が実現する。
さらに、メモリ機能体のゲート電極と反対側のそれぞれに配置されたソース/ドレイン領域がN型(P型)の場合、メモリ機能体に電子(ホール)を注入して記憶状態を変化させる時と、メモリ機能体の記憶状態を読み出す時とで、ソース/ドレイン領域の一方及び他方に印加する電圧の大小関係を逆にする。そのため、所望のメモリ機能体の記憶状況を感度良く検出することができる。さらには、リードディスターブに対する耐性が向上する。
また、携帯電子機器が本発明の半導体記憶装置を備えることにより、機能及び動作速度を向上させることができるとともに、製造コストの削減に伴って安価な携帯電子機器が得られる。
When the gate electrode length at the cut surface in the channel length direction is A, the channel length between the source / drain regions is B, and the distance from the end of one memory function body to the end of the other memory function body is C, Since the relationship A <B <C is established, the memory effect is increased, the read operation is speeded up, and the short channel effect is reduced.
Further, when the source / drain regions disposed on the opposite side of the gate electrode of the memory function body are N-type (P-type), when the memory state is changed by injecting electrons (holes) into the memory function body; The magnitude relationship between the voltages applied to one and the other of the source / drain regions is reversed when the storage state of the memory function body is read. Therefore, it is possible to detect the storage status of a desired memory function body with high sensitivity. Furthermore, the resistance to read disturb is improved.
In addition, since the portable electronic device includes the semiconductor memory device of the present invention, the function and the operation speed can be improved, and an inexpensive portable electronic device can be obtained as the manufacturing cost is reduced.
以下に、本発明の半導体記憶装置、その製造方法及び携帯電子機器について、図面に基づいて詳細に説明する。なお、以下に説明においては、導電型は逆であってもよいし、各実施の形態において説明されている構成要件は、他の実施の形態において適用してもよい。 Hereinafter, a semiconductor memory device, a manufacturing method thereof, and a portable electronic device of the present invention will be described in detail with reference to the drawings. In the following description, the conductivity types may be reversed, and the constituent requirements described in each embodiment may be applied in other embodiments.
実施の形態1
本実施の形態の半導体記憶装置は、可変抵抗を有して実質的に1つの3端子素子により構成される。
図1(a)は、本発明の半導体記憶装置の一例として、液晶TFT表示素子のガラスパネル上に形成された記憶装置のメモリセルの概略断面図である。この記憶装置は画像調整用に用いられる。また、図1(b)は、メモリセルの等価回路図である。
このメモリセルは、図1(a)に示したように、ガラスパネル601上の半導体層602内に形成されたP型拡散領域603と、半導体層602内にP型拡散領域603と接して形成されたN型拡散領域604と、半導体層602上に、P型拡散領域603とN型拡散領域604との境界を跨って配置されたメモリ機能体605と、このメモリ機能体605に接し、P型拡散領域603上に絶縁膜606を介して形成されP型拡散領域603とは絶縁された単一の電極607とを有している。さらに、P型拡散領域603の表面には高融点金属シリサイド膜608が形成されており、この高融点金属シリサイド膜608には配線609aが接続されている。また、N型拡散領域604の表面にも高融点金属シリサイド膜608が形成されており、この高融点金属シリサイド膜608には配線609bが接続されている。配線609a、609bは、それぞれ層間絶縁膜610に開口したコンタクト孔を埋めるコンタクトプラグ612を介して高融点金属シリサイド608に接続されている。
The semiconductor memory device of the present embodiment has a variable resistor and is substantially constituted by one three-terminal element.
FIG. 1A is a schematic cross-sectional view of a memory cell of a memory device formed on a glass panel of a liquid crystal TFT display element as an example of the semiconductor memory device of the present invention. This storage device is used for image adjustment. FIG. 1B is an equivalent circuit diagram of the memory cell.
As shown in FIG. 1A, this memory cell is formed by contacting a P-
また、図1(b)に示すように、P型拡散領域603の表面付近であって電極607下の部分は、スイッチ機能を有しており、P型拡散領域603の表面付近であってメモリ機能体605の下の部分は、可変抵抗Aとなっている。電極607は、スイッチを切り替える入力端子としての機能を有している。スイッチ及び可変抵抗Aは、電極607とこの電極607に隣接して形成された(電極607の側壁に形成された)メモリ機能体605との下に隣接して形成されている。つまり、スイッチと可変抵抗Aとは、電極607とメモリ機能体605との境界で規定される位置において互いに隣接して形成されており、実質的に一体である。したがって、スイッチと可変抵抗と電極607とは、1つの素子631から構成される。
Further, as shown in FIG. 1B, a portion near the surface of the P-
なお、メモリセルを複数個配列してメモリセルアレイを構成する場合には、電極607をワード線622に、素子631の一端をビット線623に接続すればよい。
このメモリセルは、P型拡散領域603と、N型拡散領域604と、選択ワード線として機能する電極607とのそれぞれに所定の電圧を与えることにより、読み出し及び書き換えを行うことができる。
Note that when a memory cell array is formed by arranging a plurality of memory cells, the
This memory cell can be read and rewritten by applying predetermined voltages to the P-
例えば、P型拡散領域603の電圧を基準電位とし、N型拡散領域604に、基準電位に対して正方向の電圧を印加する。この際、電極607を非選択状態(例えば、基準電圧印加状態)にしておくと電極607の下はP型のままである。そのため、P型拡散領域603とN型拡散領域604とのPN接合が逆バイアス状態となり、配線609aと配線609bとの間には、PN逆方向電流しか流れず、電流値としてはほとんど無視できる。これに対し、電極607を選択状態(例えば、基準電圧に対して正方向に電圧を印加)にすると、電極607の下はN型に反転するため、可変抵抗Aの抵抗値に従った電流が流れる。したがって、この電流を検知することにより、メモリ情報を読み出すことができる。
For example, the voltage of the P-
可変抵抗Aの抵抗値は、メモリ機能体605内に蓄えられた電荷量によって変化させる、すなわち書き換えを行うことができる。メモリ機能体605内に電荷を蓄えるために、P型拡散領域603を基準電圧として、N型拡散領域604に読み出し時と比較して非常に大きな逆バイアス電圧(例えば、読み出し時の電位差の3倍以上)を印加することにより、バンド間トンネル電流を利用する。つまり、電極607を基準電圧に対して正に印加すると電子が、負に印加するとホールが、それぞれメモリ機能体605内に蓄えられる。また、P型拡散領域603を基準電圧として、N型拡散領域604に比較的大きな逆バイアス(例えば、読み出し時の2〜3倍程度)を印加し、同時に電極607に正電圧を印加することにより、チャネルホット電子によりメモリ機能体605内に電荷を蓄えてもよいし、これらの両者により、メモリ機能体605内に電荷を蓄えてもよい。
The resistance value of the variable resistor A can be changed according to the amount of charge stored in the
なお、N型拡散領域604とP型拡散領域603とが、逆導電型の場合には、上記印加電圧の符号を全て反対にすることにより、同様に書き換え動作を行うことができる。
このように、この実施の形態のメモリセルは、実質的に1つの素子から構成され、1つの素子はわずか3端子を有するのみである。したがって、半導体記憶装置の微細化及び高集積化を実現することができる。
When the N-
Thus, the memory cell of this embodiment is substantially composed of one element, and one element has only three terminals. Therefore, miniaturization and high integration of the semiconductor memory device can be realized.
メモリ機能体605は、少なくとも、電荷を保持する領域又は電荷を蓄え、保持する機能を有する膜を含んで構成される。さらに、メモリ機能体605は、電荷を逃げにくくする領域又は電荷を逃げにくくする機能を有する膜を含むことが好ましい。例えば、メモリ機能体605において、P型拡散領域603、N型拡散領域604及び電極607と接触する面を、電荷を逃げにくくする領域等で構成し、電荷を保持する領域が直接P型拡散領域603、N型拡散領域604及び電極607と接触しないようにすることにより、飛躍的に記憶保持時間の信頼性を向上させることができる。ただし、メモリ機能体605における電荷を保持する領域等は、P型拡散領域603とN型拡散領域604との境界を跨って配置されていることが、読み出し速度を向上させる上で非常に重要である。
The
電極607は、メモリ機能体605の側壁のみに形成されるか、あるいはメモリ機能体605の上部を覆わないことが好ましい。このような配置により、コンタクトプラグ612と電極607又はコンタクトプラグ612とメモリ機能体605との距離を近づけて又は重なるように配置して、微細化を図る場合においても、電極607と配線609bとが短絡することを防止することができる。
The
高融点金属シリサイド膜608は、チタン、タンタル、モリブデン、タングステン等の高融点金属によるシリサイドにより形成することができ、P型拡散領域603及びN型拡散領域604と高融点金属シリサイド膜608とはオーミック接続、ショットキー接続のいずれでもよい。
なお、配線609aとP型拡散領域603との接続は、図2に示すように、高融点金属シリサイド膜608を形成せずに、P型拡散領域603の中にN型拡散領域611を形成して、このN型拡散領域を介して行ってもよい。
The refractory
As shown in FIG. 2, the
実施の形態2
本発明の半導体記憶装置は、図3に示したように、電極807の両側にメモリ機能膜805を形成してもよい。つまり、実施の形態1に示したメモリセルの電極607を中心に左右対称とする以外は、実施の形態1のメモリセルと実質的に同様の構成としてもよい。
このような構成により、実施の形態1と比較して、さらに集積度を向上させることができる。
In the semiconductor memory device of the present invention, the
With such a configuration, the degree of integration can be further improved as compared with the first embodiment.
つまり、電極807により、2つのメモリ機能体805の記憶情報(メモリ機能体805内に蓄積されている電荷量に応じた可変抵抗Aの抵抗情報)を、2つのN型拡散領域804間に流れる電流量として、それぞれ独立に読み出すことができる。例えば、2つのN型拡散領域804の一方を基準電圧とし、電極807に正電圧を印加してP型拡散領域803に反転層を形成させる。この際さらに、他方のN型拡散領域804に、反転層の一部が消失する(空乏層となる)のに十分な正電圧を印加する。これにより、反転層が消失した側の可変抵抗Aは、空乏化により実質的に可変抵抗機能を失う。したがって、一方のN型拡散領域804の側にある可変抵抗Aの情報のみを、2つのN型拡散領域804間に流れる電流量として読み出すことができる。
In other words, the storage information of the two memory function bodies 805 (resistance information of the variable resistor A according to the amount of charge accumulated in the memory function body 805) flows between the two N-
このような方法により、2つのメモリ機能体805のそれぞれに、独立して電荷を蓄積させ、独立して読み出すことにより、1つのメモリセルで2ビット(4値)の情報を記憶することができる。
さらに、それぞれのメモリ機能体に蓄積する電荷量を多値化(3値以上)することにより、より記憶量を増やすことが可能である。例えば、それぞれのメモリ機能体805に3値の記憶を行えば、1つのメモリセルあたり9値の記憶ができ、1つのメモリ機能体に4値の記憶を行えば16値(4ビット)の記憶ができ、1つのメモリ機能体に8値の記憶を行えば64値(6ビット)の記憶ができる。
By such a method, two bits (four values) of information can be stored in one memory cell by accumulating charges independently in each of the two
Furthermore, it is possible to increase the storage amount by multi-value (three or more values) of the charge amount accumulated in each memory function body. For example, if 3 values are stored in each
実施の形態3
この実施の形態のメモリセルは、図4に示したように、SOI基板900上に、ロジックLSIと不揮発性メモリとを混載してFPGA(Field Programmable Gate Array)を構成するものであり、可変抵抗領域902が別途形成されている。
つまり、このメモリセルは、N型シリコン層によって形成されるチャネル領域901と、このチャネル領域901の両側に形成された可変抵抗領域902と、これら可変抵抗領域902を介してチャネル領域901の両側に設けられたN型の拡散領域903と、チャネル領域901上にゲート絶縁膜904を介して設けられたゲート電極905と、このゲート電極905の両側であって、可変抵抗領域902と拡散領域903の一部とを跨るように配置された2つのメモリ機能体906とから構成される。
As shown in FIG. 4, the memory cell of this embodiment forms a field programmable gate array (FPGA) by combining a logic LSI and a non-volatile memory on an
That is, this memory cell includes a
可変抵抗領域902は、P型不純物が支配的に導入された、すなわち、P型不純物濃度がN型不純物濃度よりも高く導入されたシリコン層であり、チャネル領域901と拡散領域903とに挟まれたために、空乏化している。この空乏化は、完全空乏化であってもよいし、部分空乏化であってもよい。
メモリ機能体906は、ONO膜(シリコン酸化膜9061、シリコン窒化膜9062、シリコン酸化膜9063)により形成されており、電荷を蓄え、保持する機能を有する膜としてL字状のシリコン窒化膜を用いた。
なお、チャネル領域901と、拡散領域903とは、同じ導電型でなくてもよい。重要なことは、可変抵抗領域902に、拡散領域とは逆導電型を与える不純物を、同導電型を与える不純物よりも多く導入することである。
The
The
Note that the
このメモリセルは、メモリ機能体906に蓄えられた電荷によって可変抵抗領域902の抵抗を変化させることができる。具体的には、メモリ機能体906に蓄えられた電荷によって、可変抵抗領域902においてP型の性質がより強くなったり、N型の性質がより強くなったりする。ゲート電極905に正電圧を加えることにより、ゲート電極905側壁から発生する回りこみ電界によって、可変抵抗領域902と拡散903との障壁が低下し、拡散領域903とチャネル領域901との間で電流が流れる。その電流が、可変抵抗領域902の抵抗値によって変化することにより、メモリ効果が生じる。
In this memory cell, the resistance of the
例えば、一方の拡散領域903の電圧を基準電位として、ゲート電極905に正方向の電圧を印加する。このとき、他方の拡散領域903に印加する電圧を基準電位に対して正方向に印加する。他方の拡散領域903に印加する電圧は、他方の拡散領域903の側において、ゲート電極905側壁からの回りこみ電界よりも他方の拡散領域903からの電界が支配的になって可変抵抗領域902が空乏化するまで、電圧を高くする。このような電圧印加条件であれば、正の電圧を印加した他方の拡散領域903側の可変抵抗領域902においては、拡散領域電界の影響が支配的な空乏層に変化し、可変抵抗機能が消失する。したがって、一方の拡散領域903側(基準電圧印加)の可変抵抗領域902の情報のみを記憶情報として、つまり、可変抵抗領域902の記憶情報を独立に、2つの領域903間に流れる電流量として読み出すことができる。ここで、可変抵抗領域902が、N型が支配的な場合、つまり拡散領域がP型の場合は、上記印加電圧の符号を全て反対にすることにより、同様に読み出し動作を行うことができる。
なお、この実施の形態では、ゲート電極下の電流が流れる領域をチャネル領域と定義している。
For example, a positive voltage is applied to the
In this embodiment, a region where a current under the gate electrode flows is defined as a channel region.
実施の形態4
この実施の形態の半導体記憶装置を構成するメモリセルは、2ビットの記憶が可能な不揮発性メモリセルとして、図5(c)に示したように、半導体基板1上に、ゲート絶縁膜2を介して、通常のトランジスタと同程度のゲート長を有するゲート電極3が形成されており、ゲート絶縁膜2及びゲート電極3の側壁に、サイドウォールスペーサ(側壁絶縁膜)形状のメモリ機能体となる電荷保持膜4が形成されて構成されている。ゲート電極下の半導体基板表面はチャネル領域6となっている。また、チャネル領域6の両側にはチャネル領域の導電型、つまり、この実施の形態では、半導体基板表面の導電型と逆導電型の不純物拡散領域からなるソース/ドレイン領域が形成されている。ソース/ドレイン領域は、高濃度不純物拡散領域7と低濃度不純物拡散領域8から構成され、チャネル領域6近傍に低濃度不純物拡散領域8が配置されている。
The memory cell constituting the semiconductor memory device of this embodiment is a non-volatile memory cell capable of storing 2 bits. As shown in FIG. 5C, the
メモリ機能体は、ソース/ドレイン領域の上に形成されており、少なくともメモリ機能体下に位置するソース/ドレイン領域の一部は、低濃度不純物拡散領域8であることが好ましく、この低濃度不純物拡散領域8は、メモリ機能体中に蓄えられた電荷の多寡により、空乏化又は導電型が逆転するように設定されていることが好ましい。
このメモリセルでは、メモリトランジスタのメモリ機能体は、ゲート絶縁膜とは独立して形成されている。つまり、メモリ機能体が担うメモリ機能と、ゲート絶縁膜が担うトランジスタ動作機能とは分離されている。したがって、メモリ機能体である電荷保持膜4は、メモリ機能に適した材料で形成することができる。
The memory function body is formed on the source / drain region, and at least a part of the source / drain region located below the memory function body is preferably the low concentration
In this memory cell, the memory function body of the memory transistor is formed independently of the gate insulating film. That is, the memory function performed by the memory function body is separated from the transistor operation function performed by the gate insulating film. Therefore, the
また、高濃度不純物拡散領域7がゲート電極3からオフセットされていることにより、ゲート電極3に電圧を印加したときのメモリ機能体となる電荷保持膜4下の低濃度不純物拡散領域8の反転しやすさを、メモリ機能体となる電荷保持膜4に蓄積された電荷量によって大きく変化させることができ、メモリ効果を増大させることが可能となる。
このメモリセルは、メモリ機能体への電子注入(Nチャネル型素子の場合は書込みと定義)において低濃度不純物拡散領域8が空乏化又は反転する。このため、見かけ上、ゲート電極に対してソース/ドレイン領域がオフセットされたMOSFETと等価の構造となり、ソース/ドレイン領域間の電流量が極端に減少する。これに対し、メモリ機能体へのホール注入(Nチャネル型素子の場合は消去と定義)では、もともと低濃度不純物拡散領域8が形成されているため、イニシャル状態(電子もホールもメモリ機能体に蓄積されていない状態、もしくは、熱平衡状態)と比較して、ソース/ドレイン領域間の電流は大きく変化しない。
Further, since the high-concentration
In this memory cell, the low-concentration
したがって、このメモリセルでは、不揮発性メモリ(例えば、EEPROMやFLASH)において大きな問題となる過消去が生じず、過消去対策周辺回路を設ける必要がないという大きな利点がある。
このメモリセルは、通常のロジックトランジスタと同様の工程を経て、形成することができる。
Therefore, this memory cell has a great advantage that non-erasing which is a big problem in a nonvolatile memory (for example, EEPROM or FLASH) does not occur and it is not necessary to provide an over-erasing countermeasure peripheral circuit.
This memory cell can be formed through the same process as a normal logic transistor.
まず、図5(a)に示すように、半導体基板1上に、膜厚1〜6nm程度のシリコン酸窒化膜からなるゲート絶縁膜2及び膜厚50〜400nm程度のポリシリコン、ポリシリコンと高融点金属シリサイドの積層膜又はポリシリコンと金属との積層膜からなるゲート電極材料膜を形成し、所望の形状にパターニングすることによりゲート電極3を形成する。
なお、ゲート絶縁膜及びゲート電極の材料は、上述したように、その時代のスケーリング則に則ったロジックプロセスにおいて使われる材料を用いればよく、上記材料に限定されるものではない。
First, as shown in FIG. 5A, a
Note that, as described above, the material for the gate insulating film and the gate electrode may be a material used in a logic process in accordance with the scaling law of that era, and is not limited to the above materials.
続いて、ゲート絶縁膜2とは完全に分離して、図5(b)に示すように、得られた半導体基板1上全面に、膜厚20〜100nm程度のシリコン窒化膜からなる膜を形成し、異方性エッチングによりエッチバックすることにより、記憶に最適な電荷保持膜4を、ゲート電極の側壁にサイドウォールスペーサ状に形成する。なお、シリコン窒化膜の代わりに、膜厚2〜20nm程度のシリコン酸化膜と膜厚2〜100nm程度のシリコン窒化膜を順次堆積し、異方性エッチングによりエッチバックして記憶に最適な電荷保持膜4を、ゲート電極の側壁にサイドウォールスペーサ状に形成することがより好ましい。
Subsequently, completely separated from the
その後、図5(c)に示すように、ゲート電極3及び電荷保持膜4をマスクとしてイオン注入することにより、ソース/ドレイン領域(高濃度不純物拡散領域7及び低濃度不純物拡散領域8)を形成する。低濃度不純物拡散領域8はメモリ機能体4を形成する工程の前にイオン注入により形成してもよい。なお、低濃度不純物拡散領域8は、チャネルを形成する不純物と逆導電型で、1×1016/cm3〜1×1018/cm3、さらに、1×1016/cm3〜5×1017/cm3の範囲の不純物濃度を有していることが好ましい。
Thereafter, as shown in FIG. 5C, ion implantation is performed using the
このように、ゲート絶縁膜2とメモリ機能体となる電荷保持膜4とを分離して配置させることにより、通常のトランジスタと同じ製造工程で、同じ程度の短チャネル効果を有するメモリセルトランジスタを形成できる。したがって、上記の手順で同一チップ上に形成したトランジスタの一部で論理回路部を構成し、その他のトランジスタでメモリ部(例えば、不揮発性メモリ)を構成することができる。この場合、論理回路部はメモリ機能体に電荷が注入されない電圧範囲で動作させれば、トランジスタの特性の変化を防ぐことができ、メモリ部では、メモリ機能体に電荷が注入されるに十分な電圧を印加することにより、書換えを行なうことができる。つまり、論理回路と不揮発性メモリとを極めて簡単な工程で混載させることが可能となる。
従来技術で示した可変抵抗型2素子/セル型不揮発性メモリ(MRAM)以外に、代表的な不揮発性メモリとしてEEPROMがある。
In this manner, by disposing the
In addition to the variable resistance type two element / cell type nonvolatile memory (MRAM) shown in the prior art, there is an EEPROM as a typical nonvolatile memory.
EEPROMは、図6(a)に示したように、コントロールゲート線(CGL)に接続された選択トランジスタ(STr)と、ワード線(WL)に接続され、電荷保持膜(MF)を有するメモリトランジスタ(MTr)との2つのトランジスタにより、メモリセルが構成されていたのに対して、上記構造のメモリセルは、図6(b)に示したように、2つのメモリ機能体によるの2つの可変抵抗効果によって、1つのゲート電極(つまり、1本のワード線、WL)で、選択トランジスタとメモリトランジスタとの機能を備えたメモリセルを構成できる。すなわち、ソース・ドレイン領域間かつチャネル領域両端において、ゲート電極両側のメモリ機能体下に配置された可変抵抗が、チャネル領域と接続されているとみなすことができる。メモリ機能体は、該メモリ機能体に保持された電荷の多寡に対応して、ゲート電極への電圧印加によって、メモリ機能体下に位置する拡散領域の抵抗を変化させ、一方の拡散領域から他方の拡散領域に電流量を変化させるように構成されている。また、1つのメモリセルが、半導体基板に接続された1つの端子と、2つの拡散領域に接続された2つの端子と、ゲート電極に接続された1つの端子との4つの端子のみによって構成されている。さらに、この半導体記憶装置は、半導体基板に与えられる電圧と、ゲート電極に与えられる電圧と、2つの拡散領域のそれぞれに与えられる電圧との4種の電圧印加のみにより、読み出し、書込み又は消去動作のいずれか行われる。 As shown in FIG. 6A, the EEPROM is a memory transistor having a selection transistor (STr) connected to the control gate line (CGL) and a charge holding film (MF) connected to the word line (WL). Whereas the memory cell is composed of two transistors (MTr), the memory cell having the above structure has two variables by two memory function bodies as shown in FIG. A memory cell having a function of a selection transistor and a memory transistor can be configured with one gate electrode (that is, one word line, WL) by the resistance effect. That is, it can be considered that the variable resistors arranged under the memory function body on both sides of the gate electrode between the source / drain regions and at both ends of the channel region are connected to the channel region. The memory function body changes the resistance of the diffusion region located under the memory function body by applying a voltage to the gate electrode in accordance with the amount of charge held in the memory function body, and changes the resistance from one diffusion region to the other. The amount of current is changed in the diffusion region. In addition, one memory cell includes only four terminals, one terminal connected to the semiconductor substrate, two terminals connected to the two diffusion regions, and one terminal connected to the gate electrode. ing. Further, this semiconductor memory device performs a read, write or erase operation only by applying four kinds of voltages: a voltage applied to the semiconductor substrate, a voltage applied to the gate electrode, and a voltage applied to each of the two diffusion regions. Either done.
これにより、1つのメモリセルを選択するために、ゲート電極と接続されている又はゲート電極そのものの機能を有するワード線を1本選択するのみでよい。また、2つのトランジスタを形成する必要がなく、さらなる高集積化が可能となる。換言すれば、ゲート電極つまりコントロールゲート線やワード線の本数が増えてセル面積が小さくならない図6(a)に対し、本発明では、1つのセルに対してワード線1本で動作させることができる。例えば、ワード線を最小加工寸法(最小の配線幅と最小の配線間隔)で形成し、メモリセル領域内に敷き詰めるとすると、1つのメモリセルを構成する上で、1本のワード線ですむ場合は、ワード線がn本必要な場合と比べて1/nのセル占有面積に縮小できる効果がある。(図6(a)を例にすると、メモリセルを構成するにあたり、ワード線2本必要としており、1つのメモリセルあたり1ビット(2値)の情報を記憶している。これに対し、図6(b)では、ワード線1本で1つのメモリセルを構成しており、1つのメモリセルあたり、2ビット(1つのゲート電極(ワード線)の両側に電荷保持膜があるため)、4値の情報を記憶している。つまり、メモリセルとして、1/2(ワード線が2本対1本)の占有面積となり、1ビットあたりは、1/4の占有面積まで縮小できる効果がある。 Accordingly, in order to select one memory cell, it is only necessary to select one word line connected to the gate electrode or having the function of the gate electrode itself. Further, it is not necessary to form two transistors, and further high integration is possible. In other words, in contrast to FIG. 6A in which the number of gate electrodes, that is, control gate lines and word lines is not increased and the cell area is not reduced, in the present invention, one cell can be operated with one word line. it can. For example, if a word line is formed with the minimum processing dimensions (minimum wiring width and minimum wiring interval) and is laid out in the memory cell area, one word line is required to form one memory cell. Has an effect that the cell occupation area can be reduced to 1 / n as compared with the case where n word lines are required. (In FIG. 6A, as an example, two word lines are required to configure a memory cell, and 1 bit (binary) information is stored for each memory cell. In 6 (b), one word line constitutes one memory cell, and there are 2 bits per memory cell (because there are charge holding films on both sides of one gate electrode (word line)), 4 In other words, the memory cell has an occupation area of 1/2 (two word lines versus one) as a memory cell, and there is an effect that the bit area can be reduced to 1/4 occupation area. .
実施の形態5
実施の形態4におけるシリコン窒化膜によるメモリ機能体(電荷保持膜4)に代えて、図7(a)〜(e)に示すように、多種多様なメモリ機能体を採用することができる。
例えば、図7(a)に示すように、メモリ機能体は、膜厚1〜20nm程度のシリコン酸化膜41、膜厚2〜100nm程度のシリコン窒化膜42、膜厚5〜100nm程度のシリコン酸化膜43からなるONO膜によって形成されている。
また、メモリ機能体は、図7(b)に示すように、膜厚1〜20nm程度のシリコン酸化膜44、膜厚2〜100nm程度のシリコン窒化膜45からなるON膜によって形成されていてもよい。
As shown in FIGS. 7A to 7E, a wide variety of memory function bodies can be employed in place of the memory function body (charge holding film 4) using the silicon nitride film in the fourth embodiment.
For example, as shown in FIG. 7A, the memory functional unit includes a
Further, as shown in FIG. 7B, the memory function body may be formed by an ON film made of a
さらに、メモリ機能体は、図7(c)に示すように、膜厚1〜20nm程度のシリコン酸化膜46、膜厚5〜100nm程度のシリコン窒化膜47からなるON膜によって形成されており、シリコン窒化膜47が半導体基板と接触していてもよい。なお、シリコン酸化膜46とシリコン窒化膜47とを入れ替えてもよい。
また、メモリ機能体は、図7(d)に示すように、膜厚1nm〜20nm程度のシリコン酸化膜からなる絶縁膜48を介して膜厚10〜100nm程度のポリシリコンからなるフローティングゲート導電膜49によって形成されていてもよい。なお、導電膜を用いる場合には、メモリ膜表面は図示していないが、絶縁膜で覆われることが好ましい。
Further, as shown in FIG. 7C, the memory function body is formed by an ON film composed of a
Further, as shown in FIG. 7 (d), the memory function body includes a floating gate conductive film made of polysilicon having a thickness of about 10 to 100 nm via an insulating
さらに、メモリ機能体は、図7(e)のように、膜厚5〜100nm程度のシリコン酸化膜、シリコン窒化膜、高誘電体膜等の絶縁体材料からなる絶縁膜481によって形成されており、その絶縁膜481中に、シリコンなどの導電体からなるドット状(直径1〜8nm程度)のフローティングゲート導電膜491が1つ以上分散されている。
上述した構成のメモリ機能体、特にシリコン窒化膜系のメモリ機能体を使用すれば、量産工場に導入しやすく非常に好ましいが、上述する膜構成及び材料に限定されるものではなく、電荷保持機能を有する膜又は電荷保持機能を有する材料(例えば、シリコン窒化膜、リン・ボロン等の不純物を含むシリケートガラス、シリコンカーバイド、アルミナ、ハフニウムオキサイド、ジルコニウムオキサイド、タンタルオキサイド、酸化亜鉛、強誘電体材料等)と絶縁膜の積層構造膜もしくは、絶縁体中に離散的に電荷保持機能を有する材料を含んでいれば、基本的に本発明の半導体記憶装置を実施することができる。
Further, as shown in FIG. 7E, the memory function body is formed by an insulating
If a memory function body having the above-described configuration, particularly a silicon nitride film-based memory function body is used, it is very preferable to be easily introduced into a mass production factory. Or a material having a charge retention function (for example, silicon nitride film, silicate glass containing impurities such as phosphorus and boron, silicon carbide, alumina, hafnium oxide, zirconium oxide, tantalum oxide, zinc oxide, ferroelectric material, etc. The semiconductor memory device of the present invention can be basically implemented as long as the insulating film includes a stacked structure film or a material having a discrete charge holding function.
実施の形態6
この実施の形態の半導体記憶装置を構成するメモリセルは、図8に示したように、半導体基板中に形成されたP型ウェル11の表面に、N型の第1の拡散領域12と第2の拡散領域13とが形成されており、これらの拡散領域12、13の間であって、ウェル11の最上層部にチャネル領域が形成されている。このチャネル領域上には、膜厚1〜6nm程度のシリコン酸化膜又はシリコン酸窒化膜からなるゲート絶縁膜14を介してゲート電極17が形成されている。ゲート電極17は、拡散領域12、13とオーバーラップしておらず、ゲート電極17で覆われないチャネル領域(図8中、71)がわずかに残されている。ゲート電極17の両端には、電荷を蓄積又はトラップすることにより情報を記憶するため、膜厚10〜100nm程度(半導体基板の水平方向の幅)のシリコン窒化膜からなり、メモリ機能体となる電荷保持膜15、16が配置しており、ゲート電極17で覆われないチャネル領域71が、電荷保持膜15、16で覆われている。ここで重要なことは、拡散領域12、13とメモリ機能体となる電荷保持膜が少なくとも一部オーバーラップしていることである。
As shown in FIG. 8, the memory cell constituting the semiconductor memory device of this embodiment has an N-type
次に、この半導体記憶装置の動作原理を以下に説明する。以下の動作原理は本実施の形態の半導体記憶装置のみならず、本発明の他実施形態の半導体記憶装置においても適用することができる。
この半導体記憶装置の書込み動作原理を、図9(a)及び図9(b)を用いて説明する。
ここで、書込みとは、電荷保持膜に電子を注入することを意味する。
Next, the operation principle of this semiconductor memory device will be described below. The following operation principle can be applied not only to the semiconductor memory device of this embodiment but also to the semiconductor memory device of other embodiments of the present invention.
The principle of write operation of this semiconductor memory device will be described with reference to FIGS. 9 (a) and 9 (b).
Here, writing means injecting electrons into the charge holding film.
メモリ機能体となる電荷保持膜16に電子を注入する(書込む)ためには、図9(a)に示すように、第1の拡散領域12をソース電極に、第2の拡散領域13をドレイン電極とする。例えば、第1の拡散領域12及びウェル11に0V、第2の拡散領域13に+6V、ゲート電極17に+2Vを印加すればよい。このような電圧条件によれば、反転層410が、第1の拡散領域12(ソース電極)から伸びるが、第2の拡散領域13(ドレイン電極)に達することなく、ピンチオフ点が発生する。電子は、ピンチオフ点から第2の拡散領域13(ドレイン電極)まで高電界により加速され、いわゆるホットエレクトロンとなる。このホットエレクトロンが電荷保持膜16に注入されることにより書込みが行なわれる。
In order to inject (write) electrons into the
なお、電荷保持膜15近傍では、ホットエレクトロンが発生しないため、書込みは行なわれない。また、拡散領域12、13とメモリ機能体となる電荷保持膜がまったくオーバーラップしていない場合も、ホットエレクトロンの発生が抑制され、実用的な印加電圧範囲(電圧差20V以下)で書込みが困難になる。
このようにして、メモリ機能体となる電荷保持膜16に電子を注入して、書込みを行なうことができる。
Note that no writing is performed in the vicinity of the
In this way, writing can be performed by injecting electrons into the
一方、メモリ機能体となる電荷保持膜15に電子を注入する(書込む)ためには、図9(b)に示すように、第2の拡散領域13をソース電極に、第1の拡散領域12をドレイン電極とする。例えば、第2の拡散領域13及びウェル11に0V、第1の拡散領域12に+6V、ゲート電極17に+2Vを印加すればよい。このように、電荷保持膜16に電子を注入する場合とは、ソース/ドレイン領域を入れ替えることにより、電荷保持膜15に電子を注入して、書込みを行なうことができる。
次に、上記半導体記憶装置の読み出し動作原理を、図10を用いて説明する。
On the other hand, in order to inject (write) electrons into the
Next, the read operation principle of the semiconductor memory device will be described with reference to FIG.
メモリ機能体となる電荷保持膜15に記憶された情報を読み出す場合、第1の拡散領域12をソース電極、第2の拡散領域13をドレイン電極とし、トランジスタを飽和領域動作させる。例えば、第1の拡散領域12及びウェル11に0V、第2の拡散領域13に+2V、ゲート電極17に+1Vを印加すればよい。この際、電荷保持膜15に電子が蓄積していない場合には、ドレイン電流が流れやすい。一方、領域15に電子が蓄積している場合は、電荷保持膜15近傍で反転層410が形成されにくいので、ドレイン電流は流れにくい。したがって、ドレイン電流を検出することにより、電荷保持膜15の記憶情報を読み出すことができる。このとき、電荷保持膜16における電荷蓄積の有無は、ドレイン近傍がピンチオフしているため、ドレイン電流に影響を与えない。このように、読出し時においてトランジスタを飽和領域動作させる(ドレイン近傍をピンチオフさせる)ことにより、電荷保持膜16の記憶状況の如何にかかわらず、電荷保持膜15の記憶情報を感度良く検出することができる。このことは、2ビット動作を可能にする大きな要因となっている。
When reading information stored in the
以上の説明で明らかなように、メモリ機能体となる電荷保持膜15に電子を注入する(書込む)場合と、電荷保持膜15の記憶情報を読み出す場合とでは、ソース電極とドレイン電極の役割を入れ替えている。言い換えれば、メモリ機能体に電子を注入して記憶状態を変化させる時と、メモリ機能体の記憶状態を読み出す時とで、第1及び第2の拡散領域(ソース/ドレイン領域)の一方及び他方に印加する電圧の大小関係を逆にしている。そのため、以下に述べるようにリードディスターブに対する耐性が向上するという効果をも得ることができる。
As is clear from the above description, the roles of the source electrode and the drain electrode in the case where electrons are injected (written) into the
例えば、電荷保持膜15の記憶情報を読み出すために第2の拡散領域13をソース電極とし、第1の拡散領域12をドレイン電極とした(すなわち、書込み動作時と読み出し動作時でソース/ドレイン電極の役割を同じにする)場合、読出し動作毎にわずかな電子が電荷保持膜15に注入される。これは、読出し動作における小さなドレイン電圧によっても、ドレイン電極側では電子が比較的高いエネルギーをもつためである。そのため、書換え動作を行なわないで多数回の読出しを行った場合に、電荷保持膜15の記憶情報が書き換わる恐れがある。
しかし、書込み動作時と読み出し動作時でソース/ドレイン電極の役割を入れ替えれば、読出し動作時には電荷保持膜15はソース電極側となるために、このような誤書込みの恐れがない。したがって、リードディスターブに対する耐性が向上する。
For example, the
However, if the roles of the source / drain electrodes are exchanged during the write operation and the read operation, the
電荷保持膜16に記憶された情報を読み出す場合、第2の拡散領域13をソース電極に、第1の拡散領域12をドレイン電極とし、トランジスタを飽和領域動作させる。例えば、第2の拡散領域13及びウェル11に0V、第1の拡散領域12に+2V、ゲート電極17に+1Vを印加すればよい。このように、電荷保持膜15に記憶された情報を読み出す場合とは、ソース/ドレイン領域を入れ替えることにより、電荷保持膜16に記憶された情報の読出しを行なうことができる。
When reading the information stored in the
なお、ゲート電極17で覆われないチャネル領域71が残されている場合、ゲート電極17で覆われないチャネル領域においては、電荷保持膜15、16の余剰電子の有無によって反転層が消失又は形成され、その結果、大きなヒステリシス(閾値の変化)が得られる。ただし、ゲート電極17で覆われないチャネル領域71の幅があまり大きいと、ドレイン電流が大きく減少し、読出し速度が大幅に遅くなる。特に、電荷保持膜15、16と第1、第2の拡散領域がまったくオーバーラップしていない場合は、もはや実用的な記憶装置として機能しないほど読出し速度が遅くなった。したがって、十分なヒステリシスと読出し速度が得られるように、ゲート電極17で覆われないチャネル領域71の幅を決定することが好ましい。
When the
拡散領域12、13がゲート電極17端に達している場合、つまり、拡散領域12、13とゲート電極17とがオーバーラップしている場合であっても、書込み動作によりトランジスタの閾値はほとんど変わらなかったが、ソース/ドレイン端での寄生抵抗が大きく変わり、ドレイン電流は大きく減少(1桁以上)した(本実施の形態では、拡散領域12、13の濃度が濃く、実施の形態4のようにチャネル近傍の濃度を薄くしていないため、導電型が反転するまでには至らず、閾値はほとんど変わらなかった)。したがって、ドレイン電流の検出により読出しが可能であり、メモリとしての機能を得ることができる。ただし、より大きなメモリヒステリシス効果を必要とする場合、拡散領域12、13とゲート電極17とがオーバーラップしていないほうが好ましい。
Even when the
しかも、拡散領域12、13がゲート電極17端とオフセットしている(すなわち、オーバーラップしていない)場合には、通常のロジックトランジスタと比較して、短チャネル効果を強力に防止することができ、より一層のゲート長の微細化を図ることができる。また、構造的に短チャネル効果抑制に適しているため、ロジックトランジスタと比較して膜厚の厚いゲート絶縁膜を採用することができ、信頼性を向上させることが可能となる。
いずれにしても、電荷保持膜15、16と第1、第2の拡散領域をオーバーラップさせることで、電荷保持膜15,16に蓄積される電荷の有無によってゲート電極17で覆われないチャネル領域71の抵抗が大きく変化するのであるから、実施の形態4での図6(b)における2つの可変抵抗の抵抗を独立に変化させることができる。
さらに、上記半導体記憶装置の消去動作原理を説明する。
In addition, when the
In any case, the channel region that is not covered with the
Further, the erase operation principle of the semiconductor memory device will be described.
まず、第1の方法として、メモリ機能体となる電荷保持膜15に記憶された情報を消去する場合、第1の拡散領域12に正電圧(例えば、+6V)、ウェル11に0Vを印加して、第1の拡散領域12とウェル11とのPN接合に逆バイアスをかけ、さらにゲート電極17に負電圧(例えば、−5V)を印加すればよい。このとき、上記ゲート絶縁膜近傍におけるPN接合では、負電圧が印加されたゲート電極の影響により、特にポテンシャルの勾配が急になる。そのため、バンド間トンネルによりPN接合のウェル領域11側にホットホールが発生する。このホットホールが負の電位をもつゲート電極17方向に引きこまれ、その結果、電荷保持膜15にホール注入が行なわれる。このようにして、電荷保持膜15の消去が行なわれる。このとき第2の拡散領域13には0Vを印加すればよい。
電荷保持膜16に記憶された情報を消去する場合は、上記において第1の拡散領域と第2の拡散領域の電位を入れ替えればよい。
First, as a first method, when erasing information stored in the
When erasing information stored in the
第2の方法として、図11に示すようにメモリ機能体となる電荷保持膜15に記憶された情報を消去する場合、第1の拡散領域12に正電圧(例えば、+5V)、第2の拡散領域13に0V、ゲート電極17に負電圧(例えば、−4V)、ウェル11に正電圧(例えば、0.8V)を印加すればよい。この際、ウェル11と第2の拡散領域13との間に順方向電圧が印加され、ウェル11に電子が注入される。注入された電子は、ウェル11と第1の拡散領域12とのPN接合まで拡散し、そこで強い電界により加速されてホットエレクトロンとなる。このホットエレクトロンは、PN接合において、電子−ホール対を発生させる。PN接合で発生したホットホールは負の電位をもつゲート電極17方向に引きこまれ、その結果、電荷保持膜15にホール注入が行なわれる。
As a second method, when erasing information stored in the
この第2の方法によれば、ウェル11と第1の拡散領域12とのPN接合において、バンド間トンネルによりホットホールが発生するに足りない電圧しか印加されない場合においても、第2の拡散領域13から注入された電子により、ホットホールを発生させることができる。したがって、消去動作時の電圧を低下させることができる。
なお、電荷保持膜15に記憶された情報を消去する場合、第1の消去方法では、第1の拡散領域12に+6Vを印加しなければならなかったが、第2の消去方法では、+5Vで足りた。このように、第2の方法によれば、消去時の電圧を低減することができるので、消費電力が低減され、ホットキャリアによる半導体記憶装置の劣化を抑制することができる。
According to the second method, the
Note that when erasing information stored in the
以上の動作方法により、1トランジスタ当り選択的に2ビット(4値)の書込み及び消去が可能となる。このため、1ビットあたりの占有面積を小さして、半導体記憶装置の製造コストを低減することができる。なお、フラッシュメモリなどで用いられる多値化技術においては、極めて精緻な閾値制御を要していたが、本発明の半導体記憶装置に上記動作方法を適用した場合は、そのような閾値制御を行う必要がない。
また、上記動作方法では、ソース電極とドレイン電極を入れ替えることによって1トランジスタ当り2ビットの書込み及び消去をさせているが、ソース電極とドレイン電極を固定して1ビットメモリとして動作させてもよい。この場合ソース/ドレイン領域の一方を共通固定電圧とすることが可能となり、ソース/ドレイン領域に接続されるビット線の本数を半減できる。
なお、上記読み出し、書込み及び消去の各動作はNチャネル素子の場合について説明したが、Pチャネル素子の場合は全ての印加電圧の符号を反対にすることにより同様の動作を行うことができる。
With the above operation method, it is possible to selectively write and erase 2 bits (4 values) per transistor. For this reason, the occupation area per bit can be reduced, and the manufacturing cost of the semiconductor memory device can be reduced. Note that multilevel technology used in flash memory or the like requires extremely precise threshold control. However, when the above operation method is applied to the semiconductor memory device of the present invention, such threshold control is performed. There is no need.
In the above operation method, writing and erasing of 2 bits per transistor are performed by switching the source electrode and the drain electrode. However, the source electrode and the drain electrode may be fixed and operated as a 1-bit memory. In this case, one of the source / drain regions can be set to a common fixed voltage, and the number of bit lines connected to the source / drain regions can be halved.
Although the above-described operations of reading, writing, and erasing have been described for the case of an N-channel element, in the case of a P-channel element, the same operation can be performed by reversing the signs of all applied voltages.
実施の形態7
この実施の形態の半導体記憶装置は、図12に示すように、実施の形態6における半導体基板をSOI(Silicon on Insulator)基板とする以外は、実質的に同様の構成を有する。
この半導体記憶装置は、半導体基板81上に埋め込み酸化膜83が形成され、さらにその上にSOI層が形成されている。SOI層内には拡散領域12、13が形成され、それ以外の領域はボディ領域82となっている。
この半導体記憶装置によっても、実施の形態6の半導体記憶装置と同様の作用効果を奏する。さらに、拡散領域12、13とボディ領域82との接合容量を著しく小さくすることができるので、素子の高速化や低消費電力化が可能となる。
As shown in FIG. 12, the semiconductor memory device of this embodiment has substantially the same configuration except that the semiconductor substrate in the sixth embodiment is an SOI (Silicon on Insulator) substrate.
In this semiconductor memory device, a buried
This semiconductor memory device also has the same effect as the semiconductor memory device of the sixth embodiment. Further, since the junction capacitance between the
実施の形態8
この実施の形態の半導体記憶装置は、図13に示すように、電荷保持膜15、16とウェル11及び拡散領域12、13との間に、ゲート絶縁膜14が延設されて配置している以外、実施の形態6の半導体記憶装置と実質的に同様の構成を有する。
すなわち、電荷保持膜が、少なくともゲート電極近傍において、拡散領域及び/又はウェル領域もしくはボディ領域(SOI基板を使用した場合)と、絶縁膜を介して接している。
In the semiconductor memory device of this embodiment, as shown in FIG. 13, a
That is, the charge retention film is in contact with the diffusion region and / or the well region or the body region (when an SOI substrate is used) through the insulating film at least in the vicinity of the gate electrode.
この半導体記憶装置によっても、実施の形態6の半導体記憶装置と同様の作用効果を奏する。さらに、電荷保持膜15、16とウェル11及び拡散領域12、13との間のゲート絶縁膜14により、保持電荷の漏れが抑制され、保持特性を向上させることができる。加えて、チャネル領域の全面がゲート絶縁膜14で覆われるため、反転層キャリアの界面散乱を抑制することによりドレイン電流を増加させ、ひいては、読出し速度を向上させることができる。
また、電荷保持膜下の絶縁膜は、ゲート絶縁膜とは別に設計、形成してもよい。ゲート電極は短チャネル効果抑制を優先して設計し、電荷保持膜下の絶縁膜をゲート絶縁膜よりも厚く又は薄く形成してもよい。なお、電荷保持膜はシリコン窒化膜に限る必要はなく、上述した構成、材料の膜でもよい。
This semiconductor memory device also has the same effect as the semiconductor memory device of the sixth embodiment. Furthermore, the
The insulating film under the charge retention film may be designed and formed separately from the gate insulating film. The gate electrode may be designed with priority given to suppressing the short channel effect, and the insulating film under the charge retention film may be formed thicker or thinner than the gate insulating film. The charge holding film is not limited to the silicon nitride film, and may be a film having the above-described configuration and material.
実施の形態9
この実施の形態の半導体記憶装置は、図14に示すように、シリコン窒化膜からなる電荷保持膜19が、ゲート電極17のゲート側壁絶縁膜を構成している以外は、実施の形態8の半導体記憶装置と実質的に同様である。
この半導体記憶装置では、実際に電荷が蓄積又はトラップされて記憶が保持されるのは、電荷保持膜19中の領域20、21部分である。
As shown in FIG. 14, the semiconductor memory device of this embodiment is similar to that of the semiconductor device of the eighth embodiment except that the
In this semiconductor memory device, the charges are actually accumulated or trapped and the memory is held in the
この半導体記憶装置によっても、実施の形態8の半導体記憶装置と同様の作用効果を奏する。さらに、ゲート電極17の側壁が、ゲート側壁絶縁膜状の電荷保持膜19で被覆されているため、電荷保持膜19をマスクとして、拡散領域12、13を形成するためのイオン注入を行なえば、拡散領域12、13の端部の位置を制御するのが容易となる。例えば、ゲート電極17で覆われないチャネル領域をわずかに残し、電荷保持膜19によって、ゲート電極17で覆われないチャネル領域を覆うことが容易となる。したがって、大きなヒステリシス(閾値の変化)をもつ半導体記憶装置を容易に作製することができる。
また、電荷保持膜19下の絶縁膜をゲート絶縁膜とは別に設計してもよい。ゲート電極は短チャネル効果抑制を優先して設計、形成し、電荷保持膜下の絶縁膜をゲート絶縁膜よりも厚く又は薄く形成してもよい。
This semiconductor memory device also has the same effects as the semiconductor memory device of the eighth embodiment. Further, since the side wall of the
Further, the insulating film under the
実施の形態10
この実施の形態の半導体記憶装置は、図15に示すように、電荷保持膜22が、ゲート絶縁膜14上でL字型に形成されており、シリコン酸化膜からなるゲート側壁絶縁膜25で被覆されている以外は、実施の形態9の半導体記憶装置と実質的に同様である。
この半導体記憶装置では、実際に電荷が蓄積又はトラップされて記憶が保持されるのは、電荷保持膜22中の領域23、24部分である。
この実施の形態の半導体記憶装置は、実施の形態9の半導体記憶装置と同様の作用効果を奏する。また、電荷保持膜22は、ゲート絶縁膜14とゲート側壁絶縁膜25とに挟まれるため、ONO膜構造となり、電子やホールの注入効率を高めて、動作速度を早めることができる。
Embodiment 10
In the semiconductor memory device of this embodiment, as shown in FIG. 15, the
In this semiconductor memory device, it is the
The semiconductor memory device of this embodiment has the same operational effects as the semiconductor memory device of the ninth embodiment. In addition, since the
この半導体記憶装置の製造方法を、図16に基づいて説明する。なお、素子分離領域などの形成は省略する。
まず、図16(a)に示すように、P型のウェル11上に、膜厚1〜6nm程度のシリコン酸化膜又はシリコン酸窒化膜、あるいは膜厚1〜100nm程度の高誘電膜等からなるゲート絶縁膜14を形成し、さらにゲート電極17をパターニングする。
次に、図16(b)に示すように、得られた半導体基板上全面に、CVD法により膜厚5〜20nm程度のシリコン窒化膜53及び膜厚20〜100nm程度のシリコン酸化膜54をこの順に堆積する。
A method of manufacturing this semiconductor memory device will be described with reference to FIG. Note that formation of an element isolation region and the like is omitted.
First, as shown in FIG. 16A, a P-
Next, as shown in FIG. 16B, a
なお、図16(a)のゲート電極17のパターンニング工程の際に露出するゲート絶縁膜がダメージを受けるようなパターンニング工程(エッチング工程)であれば、ゲート電極下以外の露出したゲート絶縁膜を除去した後、酸化又はCVD法によるシリコン酸化膜やシリコン酸窒化膜、あるいはCVD法等による高誘電膜をシリコン窒化膜53の下にあらかじめ形成してもよい。
続いて、図16(c)に示すようにシリコン酸化膜54及びシリコン窒化膜53をゲート電極17及び半導体基板に対して選択的にエッチバックする。これにより、L字型のシリコン窒化膜53からなる電荷保持膜22と、この電荷保持膜22を被覆するゲート側壁絶縁膜25が形成される。その後、拡散領域12、13を形成する。
このように、この実施の形態の半導体記憶装置は、絶縁膜形成工程とエッチバック工程のみの簡単な工程により作製することができる。
If the patterning process (etching process) is such that the gate insulating film exposed during the patterning process of the
Subsequently, as shown in FIG. 16C, the
As described above, the semiconductor memory device of this embodiment can be manufactured by a simple process including an insulating film forming process and an etch back process.
実施の形態11
この実施の形態の半導体記憶装置は、図17に示すように、ゲート電極17が両下端に凹部を有しており、この凹部内にシリコン窒化膜からなる電荷保持膜19の少なくとも一部が埋設され、電荷保持膜19とゲート電極17とがシリコン酸化膜81により隔てられて構成される以外は、実施の形態9の半導体記憶装置と実質的に同様である。
この半導体記憶装置によっても、実施の形態9の半導体記憶装置と同様の作用効果を奏する。
In the semiconductor memory device of this embodiment, as shown in FIG. 17, the
This semiconductor memory device also has the same effects as the semiconductor memory device of the ninth embodiment.
さらに、消去動作時、図17の矢印71で示す領域付近に発生したホットホールが、負電位のゲート電極に引き寄せられ、矢印72のように、効率よく電荷保持膜19に注入され、そのため、消去動作を高速にすることができる。
なお、この半導体記憶装置では、実際に電荷が蓄積又はトラップされて記憶が保持されるのは、電荷保持膜19中の、主としてゲート電極の凹部に埋設された部分(矢印72の先端付近)である。
この半導体記憶装置の製造方法を、図18に基づいて説明する。なお、素子分離領域などの形成は省略する。
まず、図18(a)に示すように、P型のウェル11上に、ゲート絶縁膜14及びゲート電極17を形成した後、全面を酸化してシリコン酸化膜51を形成する。この時のシリコン酸化膜厚は、例えば、5nm〜20nmとすることができる。この時、ゲート電極17の両下端には楔状にバーズビークが形成される。
Further, during the erasing operation, hot holes generated in the vicinity of the region indicated by the
In this semiconductor memory device, the charge is actually accumulated or trapped and the memory is held in the portion of the
A method of manufacturing this semiconductor memory device will be described with reference to FIG. Note that formation of an element isolation region and the like is omitted.
First, as shown in FIG. 18A, after forming the
次に、図18(b)に示すように、シリコン酸化膜51を等方性エッチングにより除去した後、全面を再酸化してシリコン酸化膜52を形成する。このシリコン酸化膜52は、電荷保持膜とゲート電極、チャネル領域(ウェル領域)及び拡散領域(ソース/ドレイン領域)とを隔てる絶縁膜となる。この時のシリコン酸化膜厚は、特に限定されるものではないが、半導体記憶装置の書換え特性及び保持特性の両立の観点から、4nm〜20nmとするのが好ましい。
次に、図18(c)に示すように、シリコン窒化膜を全面に堆積(例えば20nm〜200nm)した後エッチングバックを行なうことにより、ゲート側壁絶縁膜状の電荷保持膜19を形成する。その後、電荷保持膜19をマスクとして不純物イオン注入及び熱処理を行うことにより拡散領域12、13を形成して半導体記憶装置が完成する(上部配線等は省略した)。
Next, as shown in FIG. 18B, after the
Next, as shown in FIG. 18C, a silicon nitride film is deposited on the entire surface (for example, 20 nm to 200 nm) and then etched back to form a
実施の形態12
この実施の形態の半導体記憶装置は、図19に示すように、少なくともその一部がゲート電極17の凹部内に埋設されたシリコン窒化膜からなる電荷保持膜82が、シリコン酸化膜81、83に挟まれて構成される以外は、実施の形態11の半導体記憶装置と実質的に同様である。
この半導体記憶装置によっても、実施の形態11の半導体記憶装置と同様の作用効果を奏する。また、電荷保持膜82は、シリコン酸化膜81、83に挟まれたONO膜構造であるため、電子やホールの注入効率を高めて、動作速度を早くすることができる。
この半導体記憶装置は、例えば、実施の形態11の半導体記憶装置を形成する方法において、図18(b)の状態の後にシリコン窒化膜(例えば、5nm〜15nm)とシリコン酸化膜(例えば20nm〜200nm)をこの順に堆積し、シリコン酸化膜及びシリコン窒化膜をエッチングバックすることにより形成することができる。
In the semiconductor memory device of this embodiment, as shown in FIG. 19, a
This semiconductor memory device also has the same operational effects as the semiconductor memory device of the eleventh embodiment. In addition, since the
For example, in the method of forming the semiconductor memory device according to the eleventh embodiment, this semiconductor memory device has a silicon nitride film (for example, 5 nm to 15 nm) and a silicon oxide film (for example, 20 nm to 200 nm) after the state shown in FIG. ) Are deposited in this order, and the silicon oxide film and the silicon nitride film are etched back.
実施の形態13
この実施の形態の半導体記憶装置は、図20に示すように、素子分離領域31を有する半導体基板中に形成されたP型ウェル11上に、膜厚1〜6nm程度のシリコン酸化膜からなるゲート絶縁膜14を介してゲート電極17が形成されている。ゲート電極17の側壁には、膜厚20〜100nm程度のシリコン窒化膜からなる電荷保持膜32が形成されている。なお、電荷保持膜の形態は本実施例の形態に限るものではなくこれまで示したような様々な形態がある。電荷保持膜32の側壁には、さらに、ポリシリコンからなるサイドウォール26、27が形成されている。また、このサイドウォール26、27の直下のウェル11表面には、N型の不純物が染み出して、N型領域28、29がそれぞれ形成されている。サイドウォール26とN型領域28とは一体となって第1の拡散領域を構成し、同様にサイドウォール27とN型領域29とは第2の拡散領域を構成する。素子分離領域31の表面は、シリコン窒化膜30により覆われている。
As shown in FIG. 20, the semiconductor memory device of this embodiment includes a gate made of a silicon oxide film having a thickness of about 1 to 6 nm on a P-type well 11 formed in a semiconductor substrate having an
この半導体記憶装置において、実際に電荷が蓄積又はトラップされて記憶が保持されるのは、電荷保持膜32中の領域23、24部分である。
この半導体記憶装置は、拡散領域がポリシリコンからなるライズド構造であるため、浅い接合化が極めて容易である。したがって、短チャネル効果を極めて効果的に抑制し、素子の微細化を図ることができる。
また、図示しないが、拡散領域にコンタクトを設ける際のマージンを、ライズド構造をもたない場合に比べて小さくすることができる。よって、拡散領域とウェルとの接合面積を著しく小さくして、接合容量を小さくすることができる。これにより、高速に動作させることができ、かつ消費電力を抑えることができる。
In this semiconductor memory device, the charges are actually accumulated or trapped and the memory is held in the
In this semiconductor memory device, since the diffusion region has a raised structure made of polysilicon, it is very easy to form a shallow junction. Therefore, the short channel effect can be suppressed extremely effectively and the device can be miniaturized.
Although not shown, the margin when providing the contact in the diffusion region can be reduced as compared with the case where the raised structure is not provided. Therefore, the junction area between the diffusion region and the well can be significantly reduced, and the junction capacitance can be reduced. Thereby, it can be operated at high speed and power consumption can be suppressed.
さらに、この半導体記憶装置は、書込みがなされない程度の低電圧で動作させれば、低消費電力化、高速動作化及び微細化が可能な通常の電界効果トランジスタとして論理回路を構成することができる。すなわち、全く共通の構造をもつ素子が、論理回路を構成する素子としても、メモリ回路を構成する素子としても使用できる。したがって、論理回路とメモリ回路との混載プロセスを非常に簡単にすることができる。
この半導体記憶装置を形成する方法を、図21及び図22を用いて説明する。
Further, this semiconductor memory device can constitute a logic circuit as a normal field effect transistor capable of reducing power consumption, high speed operation, and miniaturization when operated at a low voltage that does not allow writing. . That is, an element having a completely common structure can be used as an element constituting a logic circuit or an element constituting a memory circuit. Therefore, the mixed mounting process of the logic circuit and the memory circuit can be greatly simplified.
A method for forming this semiconductor memory device will be described with reference to FIGS.
まず、図21(a)に示すように、半導体基板内にP型のウェル11を形成し、続いて、例えばSTI法を用いて素子分離領域31を形成する。得られたウェル11上に、膜厚1〜6nm程度のシリコン酸化膜からなるゲート絶縁膜14を形成する。次に、ゲート電極となるポリシリコン膜と絶縁膜55とをこの順に堆積する。その後、所定の形状のレジストパターンをマスクとして用いて、ポリシリコン膜及び絶縁膜55をパターニングする。また、レジストパターンをマスクとして絶縁膜55のみをパターニングし、レジストパターンを除去した後に絶縁膜55をマスクとしてポリシリコン膜をエッチングしてもよい。これにより、絶縁膜55からなるキャップを有するゲート電極17が形成される。
次に、図21(b)に示すように、得られた半導体基板上全面に、シリコン窒化膜58を堆積し、素子分離領域31上をレジストパターン56でマスクする。
First, as shown in FIG. 21A, a P-
Next, as shown in FIG. 21B, a
続いて、図21(c)に示すように、レジストパターン56をマスクとして用いて、シリコン窒化膜58をエッチバックすることにより、ゲート電極17及び絶縁膜55の側壁にシリコン窒化膜による電荷保持膜32を形成するとともに、素子分離領域31上に、シリコン窒化膜30を残す。シリコン窒化膜30は、後工程のエッチング工程において、半導体基板及び素子分離領域31を保護する。特に、後述するポリシリコンによるサイドウォール26、27を形成する際のエッチバック工程と、絶縁膜55を除去するためのエッチング工程と、拡散領域上にコンタクト孔を形成する際のエッチング工程で重要である。
次いで、図22(d)に示すように、得られた半導体基板上全面に、ポリシリコン膜57を堆積する。
Subsequently, as shown in FIG. 21C, the
Next, as shown in FIG. 22D, a
次に、ポリシリコン膜57を絶縁膜55が露出するまでエッチバックする。この際、ポリシリコン膜57は、その一部がシリコン窒化膜30上にまでおよび、これらによって、素子分離領域31を完全に被覆することが好ましい。
その後、図22(e)に示すように、絶縁膜55を、等方性エッチングにより除去する。なお、これらのエッチングの際に、シリコン窒化膜30がストッパーとなり、素子分離領域31がオーバーエッチングされるのを防止することができる。続いて、所定形状のレジストパターンをマスクとして用いて、ポリシリコン膜57の一部を異方性エッチングで除去して、互いに分離したサイドウォール26、27を形成する。これにより、サイドウォール26、27に、不純物注入すると、それぞれが拡散領域(ソース領域又はドレイン領域)を構成する。
Next, the
Thereafter, as shown in FIG. 22E, the insulating
次に、ゲート電極17及びサイドウォール26、27に不純物をイオン注入し、不純物活性化のためのアニールを行なう。これにより、不純物イオンはウェル11中に拡散して領域28、29を形成し、サイドウォール26、27と一体となって、それぞれ拡散領域を形成する。
この半導体記憶装置によれば、1トランジスタ当り2ビットの記憶を実現しながら、短チャネル効果が極めて抑制され、微細化が可能となる。また、高速動作と低消費電力化が可能である。
さらに、この半導体記憶装置は、そのまま論理回路を構成するトランジスタとしても使用可能であるから、論理回路とメモリ回路との混載プロセスを非常に簡単にすることができる。
Next, impurities are ion-implanted into the
According to this semiconductor memory device, the short channel effect is extremely suppressed while miniaturization is possible while realizing storage of 2 bits per transistor. In addition, high-speed operation and low power consumption are possible.
Furthermore, since this semiconductor memory device can be used as a transistor constituting a logic circuit as it is, the mixed mounting process of the logic circuit and the memory circuit can be greatly simplified.
加えて、サイドウォール26、27に注入された不純物イオンをウェル11へ固層拡散させることにより、非常に急峻なプロファイルをもつソース/ドレイン領域とウェル領域との接合を形成することができる。つまり、1020cm-3以上の不純物濃度をもつソース/ドレイン領域と、1018cm-3以上の不純物濃度をもつウェルとの間で急峻プロファイル接合を形成することができ、ゲート電極に1V印加した時のドレイン耐圧が3V以下とすることができる。このため、ゲート電極3V、N型のソース/ドレイン領域の一方及びウェルをGND、N型のソース/ドレイン領域の他方を3Vに設定するだけで、3Vに設定した方のソース/ドレイン領域近傍の電荷保持膜に電子を注入することができる。また、逆に、ゲート電極に−2V、N型のソース/ドレイン領域の一方をGND、ウェルを0.8V(PN接合のビルトインポテンシャル程度の電圧又はPN接合のビルトインポテンシャルよりも若干高い電圧)、N型のソース/ドレイン領域の他方を3Vに設定するだけで、3Vに設定した方のソース/ドレイン領域近傍の電荷保持膜にホールを注入することができる。このように、ソース/ドレイン領域とウェル領域との接合を急峻なプロファイルに設計することにより、ドレイン耐圧を低く設定でき、この効果によって、書込消去電圧を低く設定することができる。
In addition, the impurity ions implanted into the
実施の形態14
本発明の半導体記憶装置の新たな書込、消去方法を説明する。
この書込・消去方法は、以下に示すように、ビット線とワード線間の電界を利用しているため、例えば、実施の形態13の構造が有効であるが、他の実施形態の構造であっても適用できる。なお、この場合、ゲート電極と接続又はゲート電極そのものの機能を有するワード線と、ソース/ドレイン領域と接続されるビット線を交差するように設けることにより、選択された電荷保持膜のみに大きな電界をかけることができる。
A new writing and erasing method of the semiconductor memory device of the present invention will be described.
Since this write / erase method uses an electric field between a bit line and a word line as shown below, for example, the structure of the thirteenth embodiment is effective, but the structure of the other embodiments is effective. It can be applied even if it exists. In this case, a large electric field is applied only to the selected charge retention film by providing a word line connected to the gate electrode or having a function of the gate electrode itself and a bit line connected to the source / drain region. Can be applied.
選択ビット線を基準電位(例えば、0V)とする。このとき、選択ワード線に+VDD、非選択ビット線に+2/3VDD、非選択ワード線に+1/3VDDを印加する。これにより、選択ワード線と選択ビット線を対抗電極とする電荷保持膜には電界差VDDが印加され、他の電荷保持膜は、すべて電界差1/3VDDが印加される。電界差VDDで書込・消去ができ、電界差1/3VDDでは書込・消去が起こらない電荷保持膜を用いれば、ランダムアクセス書込・消去可能となる。この方法では、トンネル電流によって書込・消去が直接行われるため、低電流で書込消去が可能となり、低消費電力化の効果がある。
The selected bit line is set to a reference potential (for example, 0 V). At this time, + VDD is applied to the selected word line, +2/3 VDD is applied to the non-selected bit line, and +1/3 VDD is applied to the non-selected word line. As a result, the electric field difference VDD is applied to the charge holding film having the selected word line and the selected bit line as counter electrodes, and the
また、バルク基板を用いた大規模集積メモリは、図23(a)及び図23(b)に示したように、半導体基板内(半導体基板表面)に形成された第1導電型のウェル領域1901と、該ウェル領域1901上に形成されたゲート絶縁膜1902と、該ゲート絶縁膜上に形成された複数のワード線1903と、前記複数のワード線1903の両側にそれぞれ形成された複数の第2導電型の拡散領域1905と、少なくとも前記拡散領域の一部の上もしくは、前記ウェル領域の一部および拡散領域の一部の上に跨って、前記複数のワード線の両側に、前記ワード線、ウェル領域、拡散領域に対して、直接又は絶縁膜を介して形成された、電荷を蓄積又はトラップする機能を有する電荷保持膜1904と、前記複数の拡散領域と接続され、前記ワード線と交差する方向に伸びる複数のビット線(図示せず)からなる。なお、図23(a)において、1910は素子分離領域を示している。また、図23(b)は、図23(a)のA−A’線における断面図を示している。ビット線(図示せず)と第2導電型の拡散領域(ソース/ドレイン領域)1905を接続する端子(ビット線そのものであってもよい)1907とワード線(ゲート電極)1903間に電荷保持膜1904が挟まれているのが好ましい。この場合、ゲート電極と端子間に直接電界をかけ、選択した2つのノード間で電子又はホールの注入、電子又はホールの引き抜きが可能となり、ホットエレクトロンやホットホール注入と比較して、書込・消去効率を向上させることができる。
なお、メモリセルが図23に示すほどには密集していない場合、第2導電型の拡散領域(ソース/ドレイン領域)1905を接続する端子1907と電荷保持膜1904の間には層間絶縁膜が介在することになる。この場合の書込み、消去方法は、本実施の形態に記述した方法よりも、実施の形態6の方法を用いるほうが好ましい。
In addition, as shown in FIGS. 23A and 23B, the large scale integrated memory using the bulk substrate has a first conductivity type well region 1901 formed in the semiconductor substrate (the surface of the semiconductor substrate). A gate insulating film 1902 formed on the well region 1901, a plurality of word lines 1903 formed on the gate insulating film, and a plurality of second lines formed on both sides of the plurality of word lines 1903, respectively. A conductive
If the memory cells are not as dense as shown in FIG. 23, an interlayer insulating film is formed between the terminal 1907 connecting the diffusion region (source / drain region) 1905 of the second conductivity type and the
実施の形態15
この実施の形態の半導体記憶装置は、メモリ機能体161、162が電荷を保持する領域(電荷を蓄える領域であって、電荷を保持する機能を有する膜であってもよい)と電荷を逃げにくくする領域(電荷を逃げにくくする機能を有する膜であってもよい)から構成される。例えば、図24に示すように、ONO構造を有している。すなわち、シリコン酸化膜141とシリコン酸化膜143との間にシリコン窒化膜142が挟まれ、メモリ機能体161、162を構成している。ここで、シリコン窒化膜は電荷を保持する機能を果たす。また、シリコン酸化膜141、143はシリコン窒化膜中に蓄えられた電荷を逃げにくくする機能を有する膜の役割を果たす。
In the semiconductor memory device according to this embodiment, the
また、メモリ機能体161、162における電荷を保持する領域(シリコン窒化膜142)は、拡散領域112、113とそれぞれオーバーラップしている。ここで、オーバーラップするとは、拡散領域112、113の少なくとも一部の領域上に、電荷を保持する領域(シリコン窒化膜142)の少なくとも一部が存在することを意味する。なお、111は半導体基板、114はゲート絶縁膜、117はゲート電極、171は(ゲート電極と拡散領域との)オフセット領域である。図示しないが、ゲート絶縁膜114下であって半導体基板111最表面部はチャネル領域となる。
メモリ機能体161、162における電荷を保持する領域142と拡散領域112、113とがオーバーラップすることによる効果を説明する。
In addition, the regions (silicon nitride film 142) for holding charges in the
A description will be given of the effect of the
図25は、図24の右側のメモリ機能体162周辺部の拡大図である。W1はゲート電極114と拡散領域113とのオフセット量を示す。また、W2はゲート電極のチャネル長方向の切断面におけるメモリ機能体162の幅を示しているが、メモリ機能体162のうちシリコン窒化膜142のゲート電極117と離れた側の端が、ゲート電極117から離れた側のメモリ機能体162の端と一致しているため、メモリ機能体162の幅をW2として定義した。メモリ機能体162と拡散領域113とのオーバーラップ量はW2−W1で表される。特に重要なことは、メモリ機能体162のうちシリコン窒化膜142が、拡散領域113とオーバーラップする、つまり、W2>W1なる関係を満たすことである。
FIG. 25 is an enlarged view of the periphery of the
なお、図26に示すように、メモリ機能体162aのうちシリコン窒化膜142aのゲート電極と離れた側の端が、ゲート電極から離れた側のメモリ機能体162aの端と一致していない場合は、W2をゲート電極端からシリコン窒化膜142aのゲート電極と遠い側の端までと定義すればよい。
図27は、図25の構造において、メモリ機能体162の幅W2を100nmに固定し、オフセット量W1を変化させたときのドレイン電流Idを示している。ここで、ドレイン電流は、メモリ機能体162を消去状態(ホールが蓄積されている)とし、拡散領域112、113をそれぞれソース電極、ドレイン電極として、デバイスシミュレーションにより求めた。
As shown in FIG. 26, when the end of the silicon functional film 162a away from the gate electrode of the
FIG. 27 shows the drain current Id when the width W2 of the
図27から明らかなように、W1が100nm以上(すなわち、シリコン窒化膜142と拡散領域113とがオーバーラップしない)では、ドレイン電流が急速に減少している。ドレイン電流値は、読出し動作速度にほぼ比例するので、W1が100nm以上ではメモリの性能は急速に劣化する。一方、シリコン窒化膜142と拡散領域113とがオーバーラップする範囲においては、ドレイン電流の減少は緩やかである。したがって、電荷を保持する機能を有する膜であるシリコン窒化膜142の少なくとも一部とソース/ドレイン領域とがオーバーラップすることが好ましい。
As is apparent from FIG. 27, when W1 is 100 nm or more (that is, the
上述したデバイスシミュレーションの結果を踏まえて、W2を100nm固定とし、W1を設計値として60nm及び100nmとして、メモリセルアレイを作製した。W1が60nmの場合、シリコン窒化膜142と拡散領域112、113とは設計値として40nmオーバーラップし、W1が100nmの場合、設計値としてオーバーラップしない。これらのメモリセルアレイの読出し時間を測定した結果、ばらつきを考慮したワーストケースで比較して、W1を設計値として60nmとした場合の方が、読出しアクセス時間で100倍高速であった。実用上、読み出しアクセス時間は1ビットあたり100ナノ秒以下であることが好ましいが、W1=W2では、この条件を到底達成できないことが分かった。また、製造ばらつきまで考慮した場合、W2−W1>10nmであることがより好ましいことが判明した。
Based on the result of the device simulation described above, a memory cell array was fabricated with W2 fixed at 100 nm and W1 set to 60 nm and 100 nm as design values. When W1 is 60 nm, the
メモリ機能体161(領域181)に記憶された情報の読み出しは、実施の形態6と同様に、拡散領域112をソース電極とし、拡散領域113をドレイン領域としてチャネル領域中のドレイン領域に近い側にピンチオフ点を形成するのが好ましい。すなわち、2つのメモリ機能体のうち一方に記憶された情報を読み出す時に、ピンチオフ点をチャネル領域内であって、他方のメモリ機能体に近い領域に形成させるのが好ましい。これにより、メモリ機能体162の記憶状況の如何にかかわらず、メモリ機能体161の記憶情報を感度よく検出することができ、2ビット動作を可能にする大きな要因となる。
一方、2つのメモリ機能体の片側のみに情報を記憶させる場合又は2つのメモリ機能体を同じ記憶状態にして使用する場合には、読出し時に必ずしもピンチオフ点を形成しなくてもよい。
Reading of information stored in the memory function body 161 (region 181) is performed on the side close to the drain region in the channel region using the
On the other hand, when information is stored only on one side of two memory function bodies or when two memory function bodies are used in the same storage state, a pinch-off point does not necessarily have to be formed at the time of reading.
なお、図24には図示していないが、半導体基板111の表面にウェル領域(Nチャネル素子の場合はP型ウェル)を形成することが好ましい。ウェル領域を形成することにより、チャネル領域の不純物濃度をメモリ動作(書換え動作及び読出し動作)に最適にしつつ、その他の電気特性(耐圧、接合容量、短チャネル効果)を制御するのが容易になる。
メモリ機能体は、メモリの保持特性を向上させる観点から、電荷を保持する機能を有する電荷保持膜と絶縁膜とを含んでいるのが好ましい。この実施の形態では、電荷保持膜として電荷をトラップする準位を有するシリコン窒化膜142、絶縁膜として電荷保持膜に蓄積された電荷の散逸を防ぐ働きのあるシリコン酸化膜141、143を用いている。メモリ機能体が電荷保持膜と絶縁膜とを含むことにより電荷の散逸を防いで保持特性を向上させることができる。さらに、メモリ機能体が電荷保持膜のみで構成される場合に比べて電荷保持膜の体積を適度に小さくすることができる。電荷保持膜の体積を適度に小さくすることにより電荷保持膜内での電荷の移動を制限し、記憶保持中に電荷移動による特性変化が起こるのを抑制することができる。
Although not shown in FIG. 24, a well region (a P-type well in the case of an N channel element) is preferably formed on the surface of the
The memory function body preferably includes a charge holding film having a function of holding charges and an insulating film from the viewpoint of improving the holding characteristics of the memory. In this embodiment, a
また、メモリ機能体は、ゲート絶縁膜表面と略平行に配置される電荷保持膜を含むこと、いいかえると、メモリ機能体における電荷保持膜の上面が、ゲート絶縁膜上面から等しい距離に位置するように配置されることが好ましい。具体的には、図28に示したように、メモリ機能体162の電荷保持膜142aが、ゲート絶縁膜114表面と略平行な面を有している。言い換えると、電荷保持膜142aは、ゲート絶縁膜114表面に対応する高さから、均一な高さに形成されることが好ましい。メモリ機能体162中に、ゲート絶縁膜114表面と略平行な電荷保持膜142aがあることにより、電荷保持膜142aに蓄積された電荷の多寡によりオフセット領域171での反転層の形成されやすさを効果的に制御することができ、ひいてはメモリ効果を大きくすることができる。また、電荷保持膜142aをゲート絶縁膜114の表面と略平行とすることにより、オフセット量(W1)がばらついた場合でもメモリ効果の変化を比較的小さく保つことができ、メモリ効果のばらつきを抑制することができる。しかも、電荷保持膜142a上部方向への電荷の移動が抑制され、記憶保持中に電荷移動による特性変化が起こるのを抑制することができる。
In addition, the memory function body includes a charge holding film disposed substantially parallel to the surface of the gate insulating film. In other words, the upper surface of the charge holding film in the memory function body is positioned at an equal distance from the upper surface of the gate insulating film. It is preferable to arrange | position. Specifically, as shown in FIG. 28, the
さらに、メモリ機能体162は、ゲート絶縁膜114の表面と略平行な電荷保持膜142aとチャネル領域(又はウェル領域)とを隔てる絶縁膜(例えば、シリコン酸化膜144のうちオフセット領域171上の部分)を含むことが好ましい。この絶縁膜により、電荷保持膜に蓄積された電荷の散逸が抑制され、さらに保持特性の良い半導体記憶装置を得ることができる。
なお、電荷保持膜142aの膜厚を制御すると共に、電荷保持膜142a下の絶縁膜(シリコン酸化膜144のうちオフセット領域171上の部分)の膜厚を一定に制御することにより、半導体基板表面から電荷保持膜中に蓄えられる電荷までの距離を概ね一定に保つことが可能となる。つまり、半導体基板表面から電荷保持膜中に蓄えられる電荷までの距離を、電荷保持膜142a下の絶縁膜の最小膜厚値から、電荷保持膜142a下の絶縁膜の最大膜厚値と電荷保持膜142aの最大膜厚値との和までの間に制御することができる。これにより、電荷保持膜142aに蓄えられた電荷により発生する電気力線の密度を概ね制御することが可能となり、メモリ素子のメモリ効果の大きさばらつきを非常に小さくすることが可能となる。
Further, the
Note that the surface of the semiconductor substrate is controlled by controlling the film thickness of the
実施の形態16
この実施の形態は、メモリ機能体162の電荷保持膜142が、図29に示すように、略均一な膜厚で、ゲート絶縁膜114の表面と略平行に配置され(矢印181)、さらに、ゲート電極117側面と略平行に配置された(矢印182)形状を有している。
ゲート電極117に正電圧が印加された場合には、メモリ機能体162中での電気力線は矢印183のように、シリコン窒化膜142を2回(矢印182及び矢印181が示す部分)通過する。なお、ゲート電極117に負電圧が印加された時は電気力線の向きは反対側となる。ここで、シリコン窒化膜142の比誘電率は約6であり、シリコン酸化膜141、143の比誘電率は約4である。したがって、矢印181で示す電荷保持膜のみが存在する場合よりも、電気力線183方向におけるメモリ機能体162の実効的な比誘電率が大きくなり、電気力線の両端での電位差をより小さくすることができる。すなわち、ゲート電極117に印加された電圧の多くの部分が、オフセット領域171における電界を強くするために使われることになる。
In this embodiment, as shown in FIG. 29, the
When a positive voltage is applied to the
書換え動作時に電荷がシリコン窒化膜142に注入されるのは、発生した電荷がオフセット領域171における電界により引き込まれるためである。したがって、矢印182で示される電荷保持膜を含むことにより、書換え動作時にメモリ機能体162に注入される電荷が増加し、書換え速度が増大する。
なお、シリコン酸化膜143の部分もシリコン窒化膜であった場合、つまり、電荷保持膜がゲート絶縁膜114の表面に対応する高さに対して均一でない場合、シリコン窒化膜の上方向への電荷の移動が顕著になって、保持特性が悪化する。
The charge is injected into the
If the
電荷保持膜は、シリコン窒化膜に代えて、比誘電率が非常大きい酸化ハフニウムなどの高誘電体により形成されることがより好ましい。
さらに、メモリ機能体は、ゲート絶縁膜表面と略平行な電荷保持膜とチャネル領域(又はウェル領域)とを隔てる絶縁膜(シリコン酸化膜141のうちオフセット領域171上の部分)をさらに含むことが好ましい。この絶縁膜により、電荷保持膜に蓄積された電荷の散逸が抑制され、さらに保持特性を向上させることができる。
The charge holding film is more preferably formed of a high dielectric such as hafnium oxide having a very high relative dielectric constant instead of the silicon nitride film.
Further, the memory function body further includes an insulating film (a portion of the
また、メモリ機能体は、ゲート電極と、ゲート電極側面と略平行な向きに延びた電荷保持膜とを隔てる絶縁膜(シリコン酸化膜141のうちゲート電極117に接した部分)をさらに含むことが好ましい。この絶縁膜により、ゲート電極から電荷保持膜へ電荷が注入されて電気的特性が変化することを防止し、半導体記憶装置の信頼性を向上させることができる。
さらに、実施の形態15と同様に、電荷保持膜142下の絶縁膜(シリコン酸化膜141のうちオフセット領域171上の部分)の膜厚を一定に制御すること、さらにゲート電極側面上に配置する絶縁膜(シリコン酸化膜141のうちゲート電極117に接した部分)の膜厚を一定に制御することが好ましい。これにより、電荷保持膜142に蓄えられた電荷により発生する電気力線の密度を概ね制御することができるとともに、電荷リークを防止することができる。
The memory function body may further include an insulating film (a portion of the
Further, as in the fifteenth embodiment, the film thickness of the insulating film under the charge holding film 142 (the portion of the
実施の形態17
この実施の形態は、ゲート電極、メモリ機能体及びソース/ドレイン領域間距離の最適化に関する。
図30に示したように、Aはチャネル長方向の切断面におけるゲート電極長、Bはソース/ドレイン領域間の距離(チャネル長)、Cは一方のメモリ機能体の端から他方のメモリ機能体の端までの距離、つまり、チャネル長方向の切断面における一方のメモリ機能体内の電荷を保持する機能を有する膜の端(ゲート電極と離れている側)から他方のメモリ機能体内の電荷を保持する機能を有する膜の端(ゲート電極と離れている側)までの距離を示す。
This embodiment relates to optimization of the distance between the gate electrode, the memory function body, and the source / drain region.
As shown in FIG. 30, A is the gate electrode length at the cut surface in the channel length direction, B is the distance between the source / drain regions (channel length), and C is the end of one memory function body to the other memory function body. Holds the charge in the other memory function body from the end of the film (the side away from the gate electrode) having the function of retaining the charge in one memory function body at the distance to the end of the channel, that is, the cut surface in the channel length direction The distance to the end of the film having the function of (a side away from the gate electrode) is shown.
まず、B<Cであることが好ましい。チャネル領域のうちゲート電極117下の部分とソース/ドレイン領域112、113との間にはオフセット領域171が存する。B<Cにより、メモリ機能体161、162(シリコン窒化膜142)に蓄積された電荷により、オフセット領域171の全領域において、反転の容易性が効果的に変動する。したがって、メモリ効果が増大し、特に読出し動作の高速化が実現する。
また、ゲート電極117とソース/ドレイン領域112、113がオフセットしている場合、つまり、A<Bが成立する場合には、ゲート電極に電圧を印加したときのオフセット領域の反転のしやすさがメモリ機能体に蓄積された電荷量によって大きく変化し、メモリ効果が増大するとともに、短チャネル効果を低減することができる。ただし、メモリ効果が発現する限りにおいては、必ずしも存在する必要はない。オフセット領域171がない場合においても、ソース/ドレイン領域112、113の不純物濃度が十分に薄ければ、メモリ機能体161、162(シリコン窒化膜142)においてメモリ効果が発現し得る。
したがって、A<B<Cであるのが最も好ましい。
First, it is preferable that B <C. An offset
Further, when the
Therefore, it is most preferable that A <B <C.
実施の形態18
この実施の形態の半導体記憶装置は、図31に示すように、実施の形態15における半導体基板をSOI基板とする以外は、実質的に同様の構成を有する。
この半導体記憶装置は、半導体基板181上に埋め込み酸化膜183が形成され、さらにその上にSOI層が形成されている。SOI層内には拡散領域112、113が形成され、それ以外の領域はボディ領域182となっている。
この半導体記憶装置によっても、実施の形態15の半導体記憶装置と同様の作用効果を奏する。さらに、拡散領域112、113とボディ領域182との接合容量を著しく小さくすることができるので、素子の高速化や低消費電力化が可能となる。
Embodiment 18
As shown in FIG. 31, the semiconductor memory device of this embodiment has substantially the same configuration except that the semiconductor substrate in
In this semiconductor memory device, a buried
This semiconductor memory device also has the same operational effects as the semiconductor memory device of the fifteenth embodiment. Furthermore, since the junction capacitance between the
実施の形態19
この実施の形態の半導体記憶装置は、図32に示すように、実施の形態15において、N型のソース/ドレイン領域112、113のチャネル側に隣接して、P型高濃度領域191を追加した以外は、実質的に同様の構成を有する。
すなわち、P型高濃度領域191におけるP型を与える不純物(例えばボロン)濃度が、領域192におけるP型を与える不純物濃度より高い。P型高濃度領域191におけるP型の不純物濃度は、例えば、5×1017〜1×1019cm-3程度が適当である。また、領域192のP型の不純物濃度は、例えば、5×1016〜1×1018cm-3とすることができる。
In the semiconductor memory device of this embodiment, as shown in FIG. 32, a P-type
That is, the concentration of impurities (for example, boron) that gives P-type in the P-type
このように、P型高濃度領域191を設けることにより、拡散領域112、113と半導体基板111との接合が、メモリ機能体161、162の直下で急峻となる。そのため、書込み及び消去動作時にホットキャリアが発生し易くなり、書込み動作及び消去動作の電圧を低下させ、あるいは書込み動作及び消去動作を高速にすることが可能となる。さらに、領域192の不純物濃度は比較的薄いので、メモリが消去状態にあるときの閾値が低く、ドレイン電流は大きくなる。そのため、読出し速度が向上する。したがって、書換え電圧が低く又は書換え速度が高速で、かつ、読出し速度が高速な半導体記憶装置を得ることができる。
Thus, by providing the P-type
また、図32において、ソース/ドレイン領域近傍であってメモリ機能体の下(すなわち、ゲート電極の直下ではない)において、P型高濃度領域191を設けることにより、トランジスタ全体としての閾値は著しく上昇する。この上昇の程度は、P型高濃度領域191がゲート電極の直下にある場合に比べて著しく大きい。メモリ機能体に書込み電荷(トランジスタがNチャネル型の場合は電子)が蓄積した場合は、この差がいっそう大きくなる。一方、メモリ機能体に十分な消去電荷(トランジスタがNチャネル型の場合は正孔)が蓄積された場合は、トランジスタ全体としての閾値は、ゲート電極下のチャネル領域(領域192)の不純物濃度で決まる閾値まで低下する。すなわち、消去時の閾値は、P型高濃度領域191の不純物濃度には依存せず、一方で、書込み時の閾値は非常に大きな影響を受ける。よって、P型高濃度領域191をメモリ機能体の下であってソース/ドレイン領域近傍に配置することにより、書込み時の閾値のみが非常に大きく変動し、メモリ効果(書込時と消去時での閾値の差)を著しく増大させることができる。
In FIG. 32, by providing the P-type
実施の形態20
この実施の形態の半導体記憶装置は、図33に示すように、実施の形態15において、電荷保持膜(シリコン窒化膜142)とチャネル領域又はウェル領域とを隔てる絶縁膜の厚さ(T1)が、ゲート絶縁膜の厚さ(T2)よりも薄いこと以外は、実質的に同様の構成を有する。
ゲート絶縁膜114は、メモリの書換え動作時における耐圧の要請から、その厚さT2には下限値が存在する。しかし、絶縁膜の厚さT1は、耐圧の要請かかわらず、T2よりも薄くすることが可能である。T1を薄くすることにより、メモリ機能体への電荷の注入が容易になり、書込み動作及び消去動作の電圧を低下させ、又は書込み動作及び消去動作を高速にすることが可能となり、また、シリコン窒化膜142に電荷が蓄積された時にチャネル領域又はウェル領域に誘起される電荷量が増えるため、メモリ効果を増大させることができる。
As shown in FIG. 33, in the semiconductor memory device of this embodiment, the thickness (T1) of the insulating film that separates the charge holding film (silicon nitride film 142) from the channel region or well region is the same as that of the fifteenth embodiment. The structure is substantially the same except that it is thinner than the thickness (T2) of the gate insulating film.
The
したがって、T1<T2とすることにより、メモリの耐圧性能を低下させることなく、書込み動作及び消去動作の電圧を低下させ、又は書込み動作及び消去動作を高速にし、さらにメモリ効果を増大することが可能となる。
なお、絶縁膜の厚さT1は、製造プロセスによる均一性や膜質が一定の水準を維持することが可能であり、かつ保持特性が極端に劣化しない限界となる0.8nm以上であることがより好ましい。
Therefore, by setting T1 <T2, it is possible to reduce the voltage of the write operation and the erase operation or to speed up the write operation and the erase operation without further reducing the withstand voltage performance of the memory, and to further increase the memory effect. It becomes.
In addition, the thickness T1 of the insulating film can be maintained at a certain level of uniformity and film quality due to the manufacturing process, and is more than 0.8 nm, which is a limit at which the retention characteristics are not extremely deteriorated. preferable.
実施の形態21
この実施の形態の半導体記憶装置は、図34に示すように、実施の形態15において、電荷保持膜(シリコン窒化膜142)とチャネル領域又はウェル領域とを隔てる絶縁膜の厚さ(T1)が、ゲート絶縁膜の厚さ(T2)よりも厚いこと以外は、実質的に同様の構成を有する。
ゲート絶縁膜114は、素子の短チャネル効果防止の要請から、その厚さT2には上限値が存在する。しかし、絶縁膜の厚さT1は、短チャネル効果防止の要請かかわらず、T2よりも厚くすることが可能である。T1を厚くすることにより、メモリ機能体に蓄積された電荷が散逸するのを防ぎ、メモリの保持特性を改善することが可能となる。
したがって、T1>T2とすることにより、メモリの短チャネル効果を悪化させることなく保持特性を改善することが可能となる。
なお、絶縁膜の厚さT1は、書換え速度の低下を考慮して、20nm以下であることが好ましい。
As shown in FIG. 34, in the semiconductor memory device of this embodiment, the thickness (T1) of the insulating film that separates the charge holding film (silicon nitride film 142) from the channel region or well region is the same as that of the fifteenth embodiment. The structure is substantially the same except that it is thicker than the thickness (T2) of the gate insulating film.
The
Therefore, by setting T1> T2, the retention characteristic can be improved without deteriorating the short channel effect of the memory.
Note that the thickness T1 of the insulating film is preferably 20 nm or less in consideration of a decrease in rewriting speed.
実施の形態22
上述した半導体記憶装置が組み込まれた携帯電子機器である携帯電話を、図35に示す。
この携帯電話は、主として、制御回路211、電池212、RF(無線周波数)回路213、表示部214、アンテナ215、信号線216、電源線217等によって構成されており、制御回路211には、上述した本発明の半導体記憶装置が組み込まれている。なお、制御回路211は、実施の形態10で説明したような、同一構造の素子をメモリ回路素子及び論理回路素子として兼用した集積回路であるのが好ましい。これにより、集積回路の製造が容易になり、携帯電子機器の製造コストを特に低減することができる。
このように、1トランジスタ当り2ビットの記憶が可能であり、かつ微細化が容易である半導体記憶装置を携帯電子機器に用いることにより、携帯電子機器の機能と動作速度を向上させ、製造コストを削減することが可能になる。
A mobile phone which is a mobile electronic device in which the above-described semiconductor memory device is incorporated is shown in FIG.
This cellular phone mainly includes a
In this way, by using a semiconductor memory device capable of storing 2 bits per transistor and easily miniaturized in a portable electronic device, the function and operation speed of the portable electronic device are improved, and the manufacturing cost is reduced. It becomes possible to reduce.
なお、本発明の半導体記憶装置は、主として、拡散領域である第1導電型の領域と、第2導電型の領域と、第1及び第2導電型の領域の境界を跨って配置されたメモリ機能体と、絶縁膜を介して設けられた電極とから構成されるか、あるいは、主として、ゲート絶縁膜と、ゲート絶縁膜上に形成されたゲート電極と、ゲート電極の両側に形成されたメモリ機能体と、メモリ機能体のゲート電極と反対側のそれぞれに配置されたソース/ドレイン領域(拡散領域)と、ゲート電極下に配置されたチャネル領域とから構成される。
この半導体記憶装置は、1つの電荷保持膜に2値又はそれ以上の情報を記憶することにより、4値又はそれ以上の情報を記憶するメモリ素子として機能し、また、メモリ機能体による可変抵抗効果により、選択トランジスタとメモリトランジスタとの機能を兼ね備えたメモリセルとしても機能する。
The semiconductor memory device of the present invention mainly includes a memory disposed across the boundary between the first conductivity type region, which is a diffusion region, the second conductivity type region, and the first and second conductivity type regions. It is composed of a functional body and an electrode provided via an insulating film, or mainly a gate insulating film, a gate electrode formed on the gate insulating film, and a memory formed on both sides of the gate electrode A functional unit, a source / drain region (diffusion region) disposed on the opposite side of the gate electrode of the memory functional unit, and a channel region disposed under the gate electrode.
This semiconductor memory device functions as a memory element that stores quaternary or higher information by storing binary or higher information in one charge retention film, and also has a variable resistance effect by the memory function body. As a result, the memory cell also functions as a memory cell having the functions of a selection transistor and a memory transistor.
本発明の半導体装置は、半導体基板上、好ましくは半導体基板内に形成された第1導電型のウェル領域上に形成されることが好ましい。
半導体基板としては、半導体装置に使用されるものであれば特に限定されるものではなく、例えば、シリコン、ゲルマニウム等の元素半導体、シリコンゲルマニウム、GaAs、InGaAs、ZnSe、GaN等の化合物半導体によるバルク基板が挙げられる。また、表面に半導体層を有するものとして、SOI(Silicon on Insulator)基板又は多層SOI基板等の種々の基板、ガラスやプラスチック基板上に半導体層を有するものを用いてもよい。なかでもシリコン基板又は表面にシリコン層が形成されたSOI基板等が好ましい。半導体基板又は半導体層は、内部を流れる電流量に多少が生ずるが、単結晶(例えば、エピタキシャル成長による)、多結晶又はアモルファスのいずれであってもよい。
The semiconductor device of the present invention is preferably formed on a semiconductor substrate, preferably on a first conductivity type well region formed in the semiconductor substrate.
The semiconductor substrate is not particularly limited as long as it is used in a semiconductor device. For example, a bulk substrate made of an elemental semiconductor such as silicon or germanium, or a compound semiconductor such as silicon germanium, GaAs, InGaAs, ZnSe, or GaN. Is mentioned. In addition, as a semiconductor layer on the surface, various substrates such as an SOI (Silicon on Insulator) substrate or a multilayer SOI substrate, or a substrate having a semiconductor layer on a glass or plastic substrate may be used. Among these, a silicon substrate or an SOI substrate having a silicon layer formed on the surface is preferable. The semiconductor substrate or semiconductor layer has some amount of current flowing through it, but may be single crystal (for example, by epitaxial growth), polycrystalline, or amorphous.
この半導体基板又は半導体層上には、素子分離領域が形成されていることが好ましく、さらにトランジスタ、キャパシタ、抵抗等の素子、これらによる回路、半導体装置や層間絶縁膜が組み合わせられて、シングル又はマルチレイヤー構造で形成されていてもよい。なお、素子分離領域は、LOCOS膜、トレンチ酸化膜、STI膜等種々の素子分離膜により形成することができる。半導体基板は、P型又はN型の導電型を有していてもよく、半導体基板には、少なくとも1つの第1導電型(P型又はN型)のウェル領域が形成されていることが好ましい。半導体基板及びウェル領域の不純物濃度は、当該分野で公知の範囲のものが使用できる。なお、半導体基板としてSOI基板を用いる場合には、表面半導体層には、ウェル領域が形成されていてもよいが、チャネル領域下にボディ領域を有していてもよい。 An element isolation region is preferably formed on the semiconductor substrate or semiconductor layer, and further, elements such as transistors, capacitors, resistors, etc., a circuit using these elements, a semiconductor device, and an interlayer insulating film are combined to form a single or multi-layer. It may be formed with a layer structure. The element isolation region can be formed by various element isolation films such as a LOCOS film, a trench oxide film, and an STI film. The semiconductor substrate may have a P-type or N-type conductivity type, and at least one first conductivity type (P-type or N-type) well region is preferably formed in the semiconductor substrate. . The impurity concentration in the semiconductor substrate and well region can be within the range known in the art. When an SOI substrate is used as the semiconductor substrate, a well region may be formed in the surface semiconductor layer, but a body region may be provided under the channel region.
ゲート絶縁膜又は絶縁膜は、通常、半導体装置に使用されるものであれば特に限定されるものではなく、例えば、シリコン酸化膜、シリコン窒化膜等の絶縁膜;酸化アルミニウム膜、酸化チタニウム膜、酸化タンタル膜、酸化ハフニウム膜などの高誘電体膜の単層膜又は積層膜を使用することができる。なかでも、シリコン酸化膜が好ましい。ゲート絶縁膜は、例えば、1〜20nm程度、好ましく1〜6nm程度の膜厚とすることが適当である。ゲート絶縁膜は、ゲート電極直下にのみ形成されていてもよいし、ゲート電極よりも大きく(幅広)で形成されていてもよい。 The gate insulating film or the insulating film is not particularly limited as long as it is usually used in a semiconductor device. For example, an insulating film such as a silicon oxide film or a silicon nitride film; an aluminum oxide film, a titanium oxide film, A single-layer film or a laminated film of a high dielectric film such as a tantalum oxide film or a hafnium oxide film can be used. Of these, a silicon oxide film is preferable. The gate insulating film is suitably about 1 to 20 nm, preferably about 1 to 6 nm, for example. The gate insulating film may be formed only directly under the gate electrode, or may be formed larger (wider) than the gate electrode.
ゲート電極又は電極は、ゲート絶縁膜上に、通常半導体装置に使用されるような形状又は下端部に凹部を有した形状で形成されている。なお、単一のゲート電極とは、ゲート電極としては、1種又は2種以上の導電膜によって分離されることなく、一体形状として形成されているゲート電極を意味する。また、ゲート電極は、側壁に側壁絶縁膜を有していてもよい。ゲート電極は、通常、半導体装置に使用されるものであれば特に限定されるものではなく、導電膜、例えば、ポリシリコン:銅、アルミニウム等の金属:タングステン、チタン、タンタル等の高融点金属:高融点金属とのシリサイド等の単層膜又は積層膜等が挙げられる。ゲート電極の膜厚は、例えば50〜400nm程度の膜厚で形成することが適当である。なお、ゲート電極の下にはチャネル領域が形成されている。 The gate electrode or electrode is formed on the gate insulating film in a shape usually used in a semiconductor device or a shape having a recess at the lower end. Note that a single gate electrode means a gate electrode that is formed as an integral shape without being separated by one or more conductive films. The gate electrode may have a sidewall insulating film on the sidewall. The gate electrode is not particularly limited as long as it is normally used in a semiconductor device, and conductive film, for example, polysilicon: metal such as copper and aluminum: refractory metal such as tungsten, titanium, and tantalum: Examples thereof include a single layer film or a laminated film such as silicide with a refractory metal. The gate electrode is suitably formed to a thickness of about 50 to 400 nm, for example. A channel region is formed under the gate electrode.
メモリ機能体は、少なくとも、電荷を保持するか、電荷を蓄え、保持する機能を有するか、電荷をトラップするか、電荷分極状態を保持する機能を有する膜又は領域を含んで構成される。これらの機能を果たすものとしては、シリコン窒化物;シリコン;リン、ボロン等の不純物を含むシリケートガラス;シリコンカーバイド;アルミナ;ハフニウムオキサイド、ジルコニウムオキサイド、タンタルオキサイド等の高誘電体;酸化亜鉛;強誘電体;金属等が挙げられる。メモリ機能体は、例えば、シリコン窒化膜を含む絶縁体膜;導電膜もしくは半導体層を内部に含む絶縁体膜;導電体もしくは半導体ドットを1つ以上含む絶縁体膜;電界により内部電荷が分極し、その状態が保持される強誘電体膜を含む絶縁膜等の単層又は積層構造によって形成することができる。なかでも、シリコン窒化膜は、電荷をトラップする準位が多数存在するため大きなヒステリシス特性を得ることができ、また、電荷保持時間が長く、リークパスの発生による電荷漏れの問題が生じないため保持特性が良好であり、さらに、LSIプロセスではごく標準的に用いられる材料であるため、好ましい。 The memory function body is configured to include at least a film or a region having a function of holding charge, storing and holding charge, trapping charge, or holding a charge polarization state. Silicon nitride; silicon; silicate glass containing impurities such as phosphorus and boron; silicon carbide; alumina; high dielectrics such as hafnium oxide, zirconium oxide and tantalum oxide; zinc oxide; ferroelectric Body; metal and the like. The memory functional unit includes, for example, an insulator film including a silicon nitride film; an insulator film including a conductive film or a semiconductor layer; an insulator film including one or more conductors or semiconductor dots; Further, it can be formed by a single layer or a laminated structure such as an insulating film including a ferroelectric film in which the state is maintained. In particular, the silicon nitride film has a large hysteresis characteristic because there are many levels for trapping charges, and it has a long charge retention time, so there is no problem of charge leakage due to the occurrence of a leak path. In addition, it is preferable because it is a standard material used in LSI processes.
シリコン窒化膜などの電荷保持機能を有する絶縁膜を内部に含む絶縁膜をメモリ機能体として用いることにより、記憶保持に関する信頼性を高めることができる。シリコン窒化膜は絶縁体であるから、その一部に電荷のリークが生じた場合でも、直ちにシリコン窒化膜全体の電荷が失われることがないからである。さらに信頼性を高めるためには、電荷を保持する機能を有する絶縁膜は、必ずしも膜状である必要はなく、電荷を保持する機能を有する絶縁体が絶縁膜に離散的に存在することが好ましい。具体的には、電荷を保持しにくい材料、例えば、シリコン酸化物中にドット状に分散していることが好ましい。
また、導電膜もしくは半導体層を内部に含む絶縁体膜をメモリ機能体として用いることにより、導電体もしくは半導体中への電荷の注入量を自由に制御できるため、多値化しやすい効果がある。
By using an insulating film including an insulating film having a charge holding function, such as a silicon nitride film, as a memory function body, reliability regarding memory holding can be improved. This is because the silicon nitride film is an insulator, so that even if charge leakage occurs in a part of the silicon nitride film, the charge of the entire silicon nitride film is not immediately lost. In order to further improve the reliability, the insulating film having a function of holding charges is not necessarily in the form of a film, and it is preferable that insulators having a function of holding charges are present discretely in the insulating film. . Specifically, it is preferably dispersed in a dot shape in a material that does not easily retain electric charges, for example, silicon oxide.
In addition, by using an insulator film including a conductive film or a semiconductor layer as a memory function body, the amount of charge injected into the conductor or semiconductor can be freely controlled, so that there is an effect that multi-value is easily obtained.
さらに、導電体もしくは半導体ドットを1つ以上含む絶縁体膜をメモリ機能体として用いることにより、電荷の直接トンネリングによる書込・消去が行いやすくなり、低消費電力化の効果がある。
また、メモリ機能体として、電界により分極方向が変化するPZT、PLZT等の強誘電体膜を用いてもよい。この場合、分極により強誘電体膜の表面に実質的に電荷が発生し、その状態で保持される。従って、メモリ機能を有する膜外から電荷を供給され電荷をトラップする膜と同様なヒステリシス特性を得ることができ、かつ、強誘電体膜の電荷保持は、膜外からの電荷注入の必要がなく、膜内の電荷の分極のみによってヒステリシス特性を得ることができるため、高速に書込・消去ができる効果がある。
つまり、メモリ機能体は、電荷を逃げにくくする領域又は電荷を逃げにくくする機能を有する膜をさらに含むことが好ましい。電荷を逃げにくくする機能を果たすものとしては、シリコン酸化膜等が挙げられる。
Furthermore, by using an insulator film including one or more conductors or semiconductor dots as a memory function body, writing / erasing by direct tunneling of electric charge is facilitated, and there is an effect of reducing power consumption.
Further, as the memory function body, a ferroelectric film such as PZT or PLZT whose polarization direction is changed by an electric field may be used. In this case, charges are substantially generated on the surface of the ferroelectric film due to polarization, and the state is maintained in that state. Therefore, it is possible to obtain the same hysteresis characteristics as a film that supplies charges from outside the film having a memory function and traps charges, and the charge retention of the ferroelectric film does not require charge injection from outside the film. Since hysteresis characteristics can be obtained only by polarization of charges in the film, there is an effect that writing / erasing can be performed at high speed.
That is, the memory function body preferably further includes a region that makes it difficult to escape charges or a film that has a function that makes it difficult to escape charges. A silicon oxide film or the like can be cited as a material that makes it difficult to escape charges.
メモリ機能体に含まれる電荷保持膜は、直接又は絶縁膜を介してゲート電極の両側に形成されており、また、直接、ゲート絶縁膜又は絶縁膜を介して半導体基板(ウェル領域、ボディ領域又はソース/ドレイン領域もしくは拡散領域)上に配置している。ゲート電極の両側の電荷保持膜は、直接又は絶縁膜を介してゲート電極の側壁の全て又は一部を覆うように形成されていることが好ましい。応用例としては、ゲート電極が下端部に凹部を有する場合には、直接又は絶縁膜を介して凹部を完全に又は凹部の一部を埋め込むように形成されていてもよいが、この場合製造工程が複雑になるため、工業的には前述したようにメモリ機能体はゲート電極側壁のみを覆い、ゲート電極がメモリ機能体の上部まで覆う構造になっていない方が好ましい。電荷保持膜として導電膜を用いる場合には、電荷保持膜が半導体基板(ウェル領域、ボディ領域又はソース/ドレイン領域もしくは拡散領域)又はゲート電極と直接接触しないように、絶縁膜を介して配置させることが好ましい。例えば、導電膜と絶縁膜との積層構造、絶縁膜内に導電膜をドット状等に分散させた構造、ゲートの側壁に形成された側壁絶縁膜内の一部に配置した構造等が挙げられる。 The charge holding film included in the memory functional unit is formed on both sides of the gate electrode directly or via an insulating film, and directly on the semiconductor substrate (well region, body region or (Source / drain region or diffusion region). The charge retention films on both sides of the gate electrode are preferably formed so as to cover all or part of the side wall of the gate electrode directly or via an insulating film. As an application example, when the gate electrode has a recess at the lower end, the recess may be formed directly or via an insulating film so that the recess is completely embedded or partially embedded in the recess. Therefore, it is preferable that the memory function body covers only the side wall of the gate electrode and the gate electrode does not cover the memory function body as described above. In the case where a conductive film is used as the charge holding film, the charge holding film is disposed via an insulating film so as not to be in direct contact with the semiconductor substrate (well region, body region, source / drain region or diffusion region) or the gate electrode. It is preferable. For example, a laminated structure of a conductive film and an insulating film, a structure in which a conductive film is dispersed in a dot shape or the like in the insulating film, a structure in which the conductive film is disposed in a part of the side wall insulating film formed on the side wall of the gate, etc. .
拡散領域又はソース/ドレイン領域は、半導体基板又はウェル領域と逆導電型の拡散領域として、電荷保持膜のゲート電極と反対側のそれぞれに配置されている。ソース/ドレイン領域と半導体基板又メモリ機能体はウェル領域との接合は、不純物濃度が急峻であることが好ましい。ホットエレクトロンやホットホールが低電圧で効率良く発生し、より低電圧で高速な動作が可能となるからである。ソース/ドレイン領域の接合深さは、特に限定されるものではなく、得ようとする半導体記憶装置の性能等に応じて、適宜調整することができる。なお、半導体基板としてSOI基板を用いる場合には、ソース/ドレイン領域は、表面半導体層の膜厚よりも小さな接合深さを有していてもよいが、表面半導体層の膜厚とほぼ同程度の接合深さを有していることが好ましい。 The diffusion region or the source / drain region is disposed on the opposite side of the charge holding film as the diffusion region having a conductivity type opposite to that of the semiconductor substrate or well region. The junction between the source / drain region and the semiconductor substrate or memory function body is preferably a steep impurity concentration. This is because hot electrons and hot holes are efficiently generated at a low voltage, and a high-speed operation can be performed at a lower voltage. The junction depth of the source / drain regions is not particularly limited, and can be appropriately adjusted according to the performance of the semiconductor memory device to be obtained. When an SOI substrate is used as the semiconductor substrate, the source / drain regions may have a junction depth smaller than the film thickness of the surface semiconductor layer, but approximately the same as the film thickness of the surface semiconductor layer. It is preferable to have the following junction depth.
ソース/ドレイン領域は、ゲート電極端とオーバーラップするように配置していてもよいし、ゲート電極端と一致するように配置してもよいし、ゲート電極端に対してオフセットされて配置されていてもよい。特に、オフセットされている場合には、ゲート電極に電圧を印加したときの電荷保持膜下のオフセット領域の反転しやすさがメモリ機能体に蓄積された電荷量によって大きく変化し、メモリ効果が増大するとともに、短チャネル効果の低減をもたらすため、好ましい。ただし、あまりオフセットしすぎると、ソース・ドレイン間の駆動電流が著しく小さくなるため、ゲート長方向に対して平行方向の電荷保持膜の厚さよりもオフセット量つまり、ゲート長方向における一方のゲート電極端から近い方のソース・ドレイン領域までの距離は短い方が好ましい。特に重要なことは、メモリ機能体の中の電荷蓄積領域の少なくとも一部が、拡散領域であるソース/ドレイン領域の一部とオーバーラップしていることである。本発明のメモリの本質は、メモリ機能体の側壁部にのみ存在するゲート電極とソース/ドレイン領域間の電圧差によりメモリ機能体を横切る電界によって記憶を書き換えることであるためである。 The source / drain region may be disposed so as to overlap the gate electrode end, may be disposed so as to coincide with the gate electrode end, or may be disposed offset with respect to the gate electrode end. May be. In particular, when offset is applied, the ease of inversion of the offset region under the charge retention film when a voltage is applied to the gate electrode varies greatly depending on the amount of charge accumulated in the memory function body, thereby increasing the memory effect. In addition, the short channel effect is reduced, which is preferable. However, if the offset is too large, the drive current between the source and the drain is remarkably reduced, so that the offset amount is larger than the thickness of the charge holding film in the direction parallel to the gate length direction, that is, one gate electrode end in the gate length direction. It is preferable that the distance from the source to the nearer source / drain region is shorter. It is particularly important that at least a part of the charge storage region in the memory functional unit overlaps a part of the source / drain region which is a diffusion region. This is because the essence of the memory of the present invention is that the memory is rewritten by an electric field across the memory function body due to a voltage difference between the gate electrode and the source / drain region existing only on the side wall portion of the memory function body.
ソース/ドレイン領域は、その一部が、チャネル領域表面、つまり、ゲート絶縁膜下面よりも高い位置に延設されていてもよい。この場合には、半導体基板内に形成されたソース/ドレイン領域上に、このソース/ドレイン領域と一体化した導電膜が積層されて構成されていることが適当である。導電膜としては、例えば、ポリシリコン、アモルファスシリコン等の半導体、シリサイド、上述した金属、高融点金属等が挙げられる。なかでも、ポリシリコンが好ましい。ポリシリコンは、不純物拡散速度が半導体基板に比べて非常に大きいために、半導体基板内におけるソース/ドレイン領域の接合深さを浅くするのが容易で、短チャネル効果の抑制がしやすいためである。なお、この場合には、このソース/ドレイン領域の一部は、ゲート電極とともに、メモリ機能体の少なくとも一部を挟持するように配置することが好ましい。 A part of the source / drain region may be extended to a position higher than the surface of the channel region, that is, the lower surface of the gate insulating film. In this case, it is appropriate that a conductive film integrated with the source / drain region is laminated on the source / drain region formed in the semiconductor substrate. Examples of the conductive film include semiconductors such as polysilicon and amorphous silicon, silicide, the above-described metals, refractory metals, and the like. Of these, polysilicon is preferable. This is because polysilicon has a very large impurity diffusion rate compared to a semiconductor substrate, so that it is easy to reduce the junction depth of the source / drain regions in the semiconductor substrate and to easily suppress the short channel effect. . In this case, it is preferable that a part of the source / drain region is arranged so as to sandwich at least a part of the memory function body together with the gate electrode.
本発明の半導体記憶装置は、通常の半導体プロセスによって、例えば、ゲート電極の側壁に単層又は積層構造のサイドウォールスペーサを形成する方法と同様の方法によって形成することができる。具体的には、ゲート電極又は電極を形成した後、電荷保持膜、電荷保持膜/絶縁膜、絶縁膜/電荷保持膜、絶縁膜/電荷保持膜/絶縁膜等の電荷保持膜を含む単層膜又は積層膜を形成し、適当な条件下でエッチバックしてこれらの膜をサイドウォールスペーサ状に残す方法;絶縁膜又は電荷保持膜を形成し、適当な条件下でエッチバックしてサイドウォールスペーサ状に残し、さらに電荷保持膜又は絶縁膜を形成し、同様にエッチバックしてサイドウォールスペーサ状に残す方法;粒子状の電荷保持材料を絶縁膜材料中に分散させ、これをゲート電極を含む半導体基板上に塗布または堆積し、適当な条件下でエッチバックして、絶縁膜材料をサイドウォールスペーサ形状に残す方法;ゲート電極を形成した後、上記単層膜又は積層膜を形成し、マスクを用いてパターニングする方法等が挙げられる。また、ゲート電極又は電極を形成する前に、電荷保持膜、電荷保持膜/絶縁膜、絶縁膜/電荷保持膜、絶縁膜/電荷保持膜/絶縁膜等を形成し、これらの膜のチャネル領域となる領域に開口を形成し、その上全面にゲート電極材料膜を形成し、このゲート電極材料膜を、開口を含み、開口よりも大きな形状でパターニングする方法等が挙げられる。
本発明の半導体記憶装置は、電池駆動の携帯電子機器、特に携帯情報端末に用いることができる。携帯電子機器としては、携帯情報端末、携帯電話、ゲーム機器等が挙げられる。
The semiconductor memory device of the present invention can be formed by a normal semiconductor process, for example, by a method similar to the method of forming a single layer or stacked structure side wall spacer on the side wall of the gate electrode. Specifically, after forming a gate electrode or an electrode, a single layer including a charge holding film, a charge holding film / insulating film, an insulating film / charge holding film, an insulating film / charge holding film / insulating film, etc. A method of forming a film or a laminated film and etching back under appropriate conditions to leave these films in the form of sidewall spacers; forming an insulating film or charge holding film and etching back under appropriate conditions to form sidewalls A method of forming a charge holding film or an insulating film, leaving it in a spacer form, and etching back in the same manner to leave it in a side wall spacer form; dispersing the particulate charge holding material in the insulating film material, A method of coating or depositing on a semiconductor substrate, etching back under appropriate conditions, and leaving an insulating film material in a sidewall spacer shape; after forming a gate electrode, forming the above single layer film or laminated film And patterning the with a mask. Further, before forming the gate electrode or electrode, a charge holding film, a charge holding film / insulating film, an insulating film / charge holding film, an insulating film / charge holding film / insulating film, etc. are formed, and channel regions of these films are formed. And forming a gate electrode material film on the entire surface, and patterning the gate electrode material film in a shape larger than the opening.
The semiconductor memory device of the present invention can be used for a battery-driven portable electronic device, particularly a portable information terminal. Examples of the portable electronic device include a portable information terminal, a mobile phone, and a game device.
1、81、111、919 半導体基板
2、14、114、904、1902 ゲート絶縁膜
3、17、117、903 ゲート電極
4、15、16、20、21、22、32、1904 電荷保持膜
5、1905 ソース/ドレイン領域
6 ゲート電極が形成された領域
7 高濃度不純物拡散領域
8 低濃度不純物拡散領域
11 ウェル
12 第1の拡散領域
13 第2の拡散領域
18、41、43、44、46、54、141、143、9061、9063 シリコン酸化膜
19、25 ゲート側壁絶縁膜
23、24 電荷が蓄積又はトラップされる領域
26、27 サイドウォール
28、29 N型領域
30、42、45、47、51、53、58、142、142a、9062 シリコン窒化膜
31 素子分離領域
48、55、481、491、606、1906 絶縁膜
49、481、491 フローティングゲート導電膜
52 レジストパターン
56 レジストパターン
57 ポリシリコン膜
71 ゲート電極で覆われないチャネル領域
72 ホットホールの移動方向
82 ボディ領域
83 埋め込み酸化膜
112、113、920 拡散領域
142 電荷を保持する領域
161、162、162a、605、805、906 メモリ機能体
171 オフセット領域
181、192 領域
182〜183 電気力線
191、603、803 P型拡散領域
211 制御回路
212 電池
213 RF(無線周波数)回路
214 表示部
215 アンテナ
216 信号線
217 電源線
410 反転層
601 ガラスパネル
602 半導体層
604、804、903 N型拡散領域
607、807 電極
608 高融点金属シリサイド膜
609a、609b 配線
610 層間絶縁膜
612、918 コンタクトプラグ
622、1903 ワード線
623、914 ビット線
631 素子
900 SOI基板
901 チャネル領域
902 可変抵抗領域
911 可変抵抗
912 選択トランジスタ
913 書き換えワード線
915ソース線
916 選択ワード線
917 メタル配線
1901 半導体基板、半導体基板内に設けられたウェル領域又は絶縁体上に位置する半導体層
1902 ゲート絶縁膜
1907 ビット線とソース・ドレイン領域とを接続する端子
1, 81, 111, 919 Semiconductor substrate 2, 14, 114, 904, 1902 Gate insulating film 3, 17, 117, 903 Gate electrode 4, 15, 16, 20, 21, 22, 32, 1904 Charge holding film 5, 1905 Source / drain region 6 Region where gate electrode is formed 7 High concentration impurity diffusion region 8 Low concentration impurity diffusion region 11 Well 12 First diffusion region 13 Second diffusion region 18, 41, 43, 44, 46, 54 , 141, 143, 9061, 9063 Silicon oxide film 19, 25 Gate sidewall insulating film 23, 24 Region where charge is accumulated or trapped 26, 27 Side wall 28, 29 N-type region 30, 42, 45, 47, 51, 53, 58, 142, 142a, 9062 Silicon nitride film 31 Element isolation region 48, 55, 481, 491, 06, 1906 Insulating film 49, 481, 491 Floating gate conductive film 52 Resist pattern 56 Resist pattern 57 Polysilicon film 71 Channel region not covered with gate electrode 72 Moving direction of hot hole 82 Body region 83 Embedded oxide film 112, 113, 920 Diffusion region 142 Charge holding region 161, 162, 162a, 605, 805, 906 Memory function body 171 Offset region 181, 192 region 182-183 Electric field line 191, 603, 803 P-type diffusion region 211 Control circuit 212 Battery 213 RF (Radio Frequency) circuit 214 Display unit 215 Antenna 216 Signal line 217 Power line 410 Inversion layer 601 Glass panel 602 Semiconductor layer 604, 804, 903 N-type diffusion region 607, 807 Electrode 6 08 Refractory metal silicide film 609a, 609b Wiring 610 Interlayer insulating film 612, 918 Contact plug 622, 1903 Word line 623, 914 Bit line 631 Element 900 SOI substrate 901 Channel area 902 Variable resistance area 911 Variable resistance 912 Select transistor 913 Rewrite word Line 915 Source line 916 Selected word line 917 Metal wiring 1901 Semiconductor substrate, well region provided in semiconductor substrate or semiconductor layer located on insulator 1902 Gate insulating film 1907 Terminal connecting bit line and source / drain region
Claims (29)
前記側壁絶縁膜が電荷を保持する機能を有してなることを特徴とする半導体記憶装置。 A semiconductor substrate, a semiconductor layer disposed on a well region or an insulator provided in the semiconductor substrate, and a semiconductor layer disposed on the semiconductor substrate or the semiconductor layer disposed on the well region or insulator provided in the semiconductor substrate The gate insulating film formed, a single gate electrode formed on the gate insulating film, a channel region disposed immediately below the gate electrode, two diffusion regions disposed on both sides of the channel region, Having one or more memory cells made of sidewall insulating films formed on both sides of the gate electrode and overlapping the diffusion region;
The semiconductor memory device, wherein the sidewall insulating film has a function of holding electric charge.
該半導体基板内に形成された第1導電型のウェル領域と、
該ウェル領域上に形成されたゲート絶縁膜と、
該ゲート絶縁膜上に形成された複数のワード線と、
該ワード線の両側にそれぞれ形成された複数の第2導電型の拡散領域と、
少なくとも該拡散領域の一部の上、もしくは前記ウェル領域の一部から拡散領域の一部の上に跨って、前記複数のワード線の両側に、前記ワード線、ウェル領域、拡散領域に対して直接又は絶縁膜を介して形成された、電荷を蓄積又はトラップする機能を有する電荷保持膜と、
前記拡散領域と接続され、前記ワード線と交差する方向に伸びる複数のビット線からなり、
ワード線が、下端部に凹部を有しており、電荷保持膜の少なくとも1部が、直接又は絶縁膜を介して前記凹部内に埋め込まれてなることを特徴とする半導体記憶装置。 A semiconductor substrate;
A first conductivity type well region formed in the semiconductor substrate;
A gate insulating film formed on the well region;
A plurality of word lines formed on the gate insulating film;
A plurality of second conductivity type diffusion regions respectively formed on both sides of the word line;
At least on a part of the diffusion region, or across a part of the diffusion region from a part of the well region to the word line, the well region, and the diffusion region on both sides of the plurality of word lines. A charge holding film formed directly or via an insulating film and having a function of accumulating or trapping charges;
A plurality of bit lines connected to the diffusion region and extending in a direction intersecting the word lines;
A word line has a recess at its lower end, and at least a portion of the charge retention film is embedded in the recess directly or via an insulating film.
電荷を蓄積又はトラップする機能を有する絶縁膜を得られた基板上全面に堆積し、
該絶縁膜を選択的にエッチングしてゲート電極の側壁に側壁絶縁膜を形成することからなる請求項22に記載の半導体記憶装置の製造方法。 Forming a gate insulating film and a gate electrode on a semiconductor substrate;
An insulating film having a function of accumulating or trapping charges is deposited on the entire surface of the obtained substrate,
23. The method of manufacturing a semiconductor memory device according to claim 22, further comprising: selectively etching the insulating film to form a side wall insulating film on the side wall of the gate electrode.
一方のソース/ドレイン領域を基準電圧とし、前記ゲート電極を基準電圧よりも低い電圧に設定し、前記半導体基板、半導体基板中に形成された前記ウェル領域又は絶縁体上に形成された前記半導体層を基準電圧よりも高い電圧に設定し、他方のソース・ドレイン領域を、前記半導体基板、半導体基板中に形成された前記ウェル領域又は絶縁体上に形成された前記半導体層よりも高い電圧に設定することにより、ホールを前記メモリ機能体に注入することを特徴とする半導体記憶装置の動作方法。 One gate electrode formed on a P-type semiconductor substrate, a P-type well region formed in the semiconductor substrate or a P-type semiconductor layer disposed on an insulator, and disposed below the one gate electrode For a semiconductor memory device comprising a channel region, two N-type source / drain regions located on both sides of the channel region, and a memory functional unit existing in the vicinity of the source / drain region,
The semiconductor layer formed on the semiconductor substrate, the well region formed in the semiconductor substrate, or the insulator, with one source / drain region set as a reference voltage and the gate electrode set to a voltage lower than the reference voltage Is set to a voltage higher than the reference voltage, and the other source / drain region is set to a voltage higher than the semiconductor layer, the well region formed in the semiconductor substrate, or the semiconductor layer formed on the insulator. Then, a hole is injected into the memory function body, thereby operating the semiconductor memory device.
一方のソース・ドレイン領域を基準電圧とし、前記ゲート電極を基準電圧よりも高い電圧に設定し、前記半導体基板、半導体基板中に形成された前記ウェル領域又は絶縁体上に配置された前記半導体層を基準電圧よりも低い電圧に設定し、他方のソース・ドレイン領域を、半導体基板、半導体基板中に形成された前記ウェル領域又は絶縁体上に配置された前記半導体層よりも低い電圧に設定することにより、電子を前記メモリ機能体に注入することを特徴とする半導体記憶装置の動作方法。 One gate electrode formed on an N-type semiconductor substrate, an N-type well region formed in the semiconductor substrate, or an N-type semiconductor layer disposed on an insulator, and a channel region below the one gate electrode, For a semiconductor memory device comprising two P-type source / drain regions located on both sides of the channel region and a memory functional unit existing in the vicinity of the source / drain region,
The semiconductor layer disposed on the semiconductor substrate, the well region or the insulator formed in the semiconductor substrate, with one source / drain region set as a reference voltage and the gate electrode set to a voltage higher than the reference voltage Is set to a voltage lower than a reference voltage, and the other source / drain region is set to a voltage lower than that of the semiconductor substrate, the well region formed in the semiconductor substrate, or the semiconductor layer disposed on the insulator. Thus, an operation method of a semiconductor memory device, wherein electrons are injected into the memory function body.
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