JP2006099845A - Semiconductor device and its data writing method - Google Patents

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To set a threshold value voltage after writing almost equal to a voltage applied to a gate electrode during data writing when data is written in a MONOS element. <P>SOLUTION: A writing power source circuit 2 supplies a voltage Vg and a voltage Vpp higher than this to the gate electrode of a MONOS element to write data in a memory element 1 constituted of the MONOS element. In this case, when the threshold voltage Vth of the memory element 1 reaches the gate applied voltage Vg, a drain current Ids flowing to the memory element 1 stops flowing. A writing end detection circuit 3 detect the end of the data writing in the memory element 1 by detecting the stopped flowing of the drain current Ids during writing, and sends a stop signal S2 to the writing power source circuit 2. The writing power source circuit 2 receives the stop signal S2 to stop the supply of a voltage to the memory element 1. <P>COPYRIGHT: (C)2006,JPO&NCIPI

Description

この発明は、半導体装置およびそのデータ書き込み方法に関し、特にゲート電極と半導体表面との間にONO(酸化膜−窒化膜−酸化膜)積層膜を有するいわゆるMONOS(金属−酸化膜−窒化膜−酸化膜−半導体)構造を備えた半導体装置およびそのデータ書き込み方法に関する。   The present invention relates to a semiconductor device and a data writing method thereof, and more particularly to a so-called MONOS (metal-oxide film-nitride film-oxidation) having an ONO (oxide film-nitride film-oxide film) laminated film between a gate electrode and a semiconductor surface. The present invention relates to a semiconductor device having a (film-semiconductor) structure and a data writing method thereof.

従来、ゲート電圧に応じてしきい値を制御することにより少なくとも3値を記憶可能な不揮発性半導体記憶装置であって、ゲート絶縁膜が、半導体基板上に第1の酸化膜(O)、窒化膜(N)、第2の酸化膜(O)を順に積層した構造、すなわちMONOS構造を有するものが提案されている(例えば、特許文献1参照。)。この提案によれば、データを書き込む際に、1ミリ秒間、ゲート電圧を7V、8Vまたは9Vに設定することによって、データの書き込み後に、ベリファイ動作を行うことなく、それぞれ−1V、−0.3Vまたは0.5Vのしきい値電圧が得られるとしている。   Conventionally, a nonvolatile semiconductor memory device capable of storing at least three values by controlling a threshold value according to a gate voltage, wherein a gate insulating film is formed on a semiconductor substrate by a first oxide film (O), nitrided A structure in which a film (N) and a second oxide film (O) are sequentially stacked, that is, a structure having a MONOS structure has been proposed (for example, see Patent Document 1). According to this proposal, when data is written, the gate voltage is set to 7V, 8V, or 9V for 1 millisecond, so that after the data is written, a verify operation is not performed, and then -1V and -0.3V, respectively. Alternatively, a threshold voltage of 0.5V is obtained.

特開平9−74146号公報Japanese Patent Laid-Open No. 9-74146

しかしながら、本発明者らが検討した結果、上記特許文献1に開示された半導体記憶装置には、以下のような問題点のあることが判明した。第1に、書き込み時間が1ミリ秒と短いため、トンネル酸化膜となる第1の酸化膜の厚さのばらつきによって、データが書き込まれた状態のしきい値電圧(以下、書き込み後のしきい値電圧とする)にばらつきが生じる。また、このようなばらつきがあるにもかかわらず、書き込み動作の終了タイミングを時間で管理しているだけであるため、書き込み動作中に、しきい値電圧が所望の値に到達しているか否かを判断することができない。   However, as a result of investigations by the present inventors, it has been found that the semiconductor memory device disclosed in Patent Document 1 has the following problems. First, since the writing time is as short as 1 millisecond, a threshold voltage (hereinafter referred to as a threshold after writing) in which data has been written due to variations in the thickness of the first oxide film serving as a tunnel oxide film. Value voltage). Even though there is such a variation, the end timing of the write operation is only managed by time, so whether or not the threshold voltage has reached a desired value during the write operation. Cannot be judged.

従って、書き込み後のしきい値電圧が所望の値になるようにするには、上記特許文献1では不要であるとされているにもかかわらず、通常のメモリ素子と同様にベリファイ動作を行う必要があると考えられる。第2に、多値化するためには、ある程度、トンネル確率を上げる必要があるため、トンネル酸化膜を薄くする必要がある。しかし、トンネル酸化膜を薄くすると、データ保持特性が低下するおそれがある。   Therefore, in order to make the threshold voltage after writing become a desired value, it is necessary to perform a verify operation in the same manner as a normal memory element, although it is unnecessary in the above-mentioned Patent Document 1. It is thought that there is. Second, in order to increase the number of values, it is necessary to increase the tunnel probability to some extent, so that the tunnel oxide film needs to be thinned. However, if the tunnel oxide film is thinned, the data retention characteristics may be degraded.

この発明は、上述した従来技術による問題点を解消するため、書き込み後のしきい値電圧が、データ書き込み時にゲート電極に印加した電圧に等しいか、またはほぼ等しい半導体装置を提供することを目的とする。また、多値化しても高いデータ保持特性を有する半導体装置を提供することを目的とする。   An object of the present invention is to provide a semiconductor device in which a threshold voltage after writing is equal to or substantially equal to a voltage applied to a gate electrode at the time of data writing in order to solve the above-described problems caused by the prior art. To do. It is another object of the present invention to provide a semiconductor device having high data retention characteristics even when multi-valued.

また、書き込み後のしきい値電圧を所望の値に自動的に設定することができる半導体装置のデータ書き込み方法を提供することを目的とする。さらに、データ保持特性の低下を招くことなく、多値化することができる半導体装置のデータ書き込み方法を提供することを目的とする。   It is another object of the present invention to provide a data writing method for a semiconductor device that can automatically set a threshold voltage after writing to a desired value. It is another object of the present invention to provide a data writing method for a semiconductor device which can be multi-valued without causing deterioration of data retention characteristics.

上述した課題を解決し、目的を達成するため、請求項1の発明にかかる半導体装置は、ソース領域とドレイン領域との間の半導体層上にトンネル酸化膜が積層され、該トンネル酸化膜上に窒化膜が積層され、該窒化膜上にトップ酸化膜が積層され、該トップ酸化膜上にゲート電極が積層されており、前記窒化膜に、前記トンネル酸化膜を介して前記半導体層から供給されたホットエレクトロンを蓄積することによってデータを記憶するメモリ素子と、前記メモリ素子にデータを書き込む際に、前記メモリ素子のしきい値電圧が、前記ゲート電極に印加した電圧に等しくなるか、またはほぼ等しくなるまで、書き込み動作を行う書き込み用電源回路と、を備えることを特徴とする。   In order to solve the above-described problems and achieve the object, a semiconductor device according to the first aspect of the present invention includes a tunnel oxide film stacked on a semiconductor layer between a source region and a drain region, and on the tunnel oxide film. A nitride film is stacked, a top oxide film is stacked on the nitride film, and a gate electrode is stacked on the top oxide film. The nitride film is supplied from the semiconductor layer via the tunnel oxide film. A memory element for storing data by accumulating hot electrons, and when writing data to the memory element, a threshold voltage of the memory element is equal to or substantially equal to a voltage applied to the gate electrode. And a power supply circuit for writing which performs a writing operation until they are equal to each other.

請求項2の発明にかかる半導体装置は、請求項1に記載の発明において、前記書き込み用電源回路が、前記メモリ素子に流れるドレイン電流の電流量がゼロまたはほぼゼロになるまで、書き込み動作を行うことを特徴とする。   A semiconductor device according to a second aspect of the present invention is the semiconductor device according to the first aspect, wherein the write power supply circuit performs a write operation until the amount of drain current flowing through the memory element becomes zero or substantially zero. It is characterized by that.

請求項3の発明にかかる半導体装置は、請求項1に記載の発明において、前記書き込み用電源回路が、前記メモリ素子に流れるドレイン電流の電流量が、書き込み開始時のドレイン電流の電流量の1/2以下になるまで、書き込み動作を行うことを特徴とする。   A semiconductor device according to a third aspect of the present invention is the semiconductor device according to the first aspect, wherein the amount of drain current flowing in the memory element of the power supply circuit for writing is 1 of the amount of drain current at the start of writing. The write operation is performed until it becomes less than / 2.

請求項4の発明にかかる半導体装置は、請求項2または3に記載の発明において、前記ドレイン電流の電流量に基づいて、前記書き込み用電源回路の書き込み動作を停止させる書き込み終了検出回路を、さらに備えることを特徴とする。   According to a fourth aspect of the present invention, there is provided a semiconductor device according to the second or third aspect, further comprising: a write end detection circuit that stops a write operation of the write power supply circuit based on a current amount of the drain current. It is characterized by providing.

請求項5の発明にかかる半導体装置は、請求項1〜4のいずれか一つに記載の発明において、前記書き込み用電源回路が、データの書き込み時に、前記ゲート電極に印加する電圧として、2種類以上の異なる電圧を発生することを特徴とする。   A semiconductor device according to a fifth aspect of the present invention is the semiconductor device according to any one of the first to fourth aspects, wherein the write power supply circuit has two types of voltages applied to the gate electrode when data is written. It is characterized by generating the above different voltages.

また、請求項6の発明にかかる半導体装置は、ソース領域とドレイン領域との間の半導体層上にトンネル酸化膜が積層され、該トンネル酸化膜上に窒化膜が積層され、該窒化膜上にトップ酸化膜が積層され、該トップ酸化膜上にゲート電極が積層されており、前記窒化膜に、前記トンネル酸化膜を介して前記半導体層から供給されたホットエレクトロンを蓄積することによってデータを記憶するメモリ素子と、前記メモリ素子にデータを書き込む際に、100ミリ秒以上の間、書き込み動作を行う書き込み用電源回路と、を備えることを特徴とする。   According to another aspect of the semiconductor device of the present invention, a tunnel oxide film is stacked on a semiconductor layer between a source region and a drain region, a nitride film is stacked on the tunnel oxide film, and the nitride film is formed on the nitride film. A top oxide film is stacked, a gate electrode is stacked on the top oxide film, and data is stored in the nitride film by accumulating hot electrons supplied from the semiconductor layer via the tunnel oxide film. And a writing power supply circuit that performs a writing operation for 100 milliseconds or more when data is written to the memory element.

請求項7の発明にかかる半導体装置は、請求項6に記載の発明において、データの書き込み開始と同時に計時を開始し、100ミリ秒以上の所定の時間が経過した時点で、前記書き込み用電源回路の書き込み動作を停止させる計時手段を、さらに備えることを特徴とする。   According to a seventh aspect of the present invention, there is provided a semiconductor device according to the sixth aspect, wherein the write power supply circuit starts measuring time simultaneously with the start of data writing, and when a predetermined time of 100 milliseconds or more has elapsed. It is further characterized by further comprising time measuring means for stopping the writing operation.

請求項8の発明にかかる半導体装置は、請求項6または7に記載の発明において、前記書き込み用電源回路が、データの書き込み時に、前記ゲート電極に印加する電圧として、2種類以上の異なる電圧を発生することを特徴とする。   The semiconductor device according to an eighth aspect of the present invention is the semiconductor device according to the sixth or seventh aspect, wherein the write power supply circuit applies two or more different voltages as voltages applied to the gate electrode when data is written. It is generated.

また、請求項9の発明にかかる半導体装置は、ソース領域とドレイン領域との間の半導体層上にトンネル酸化膜が積層され、該トンネル酸化膜上に窒化膜が積層され、該窒化膜上にトップ酸化膜が積層され、該トップ酸化膜上にゲート電極が積層されており、前記窒化膜に、前記トンネル酸化膜を介して前記半導体層から供給されたホットエレクトロンを蓄積することによってデータを記憶し、かつデータが書き込まれた状態のときのしきい値電圧が、データ書き込み時に前記ゲート電極に印加された電圧に等しくなるか、またはほぼ等しくなるメモリ素子と、前記メモリ素子にデータが書き込まれる際に、前記メモリ素子に流れるドレイン電流の停止レベルを検出するとともに、ドレイン電流の停止レベルを検出したときに前記メモリ素子への書き込みを停止させる書き込み終了検出回路と、を備えることを特徴とする。   According to another aspect of the semiconductor device of the present invention, a tunnel oxide film is stacked on the semiconductor layer between the source region and the drain region, a nitride film is stacked on the tunnel oxide film, and the nitride film is formed on the nitride film. A top oxide film is stacked, a gate electrode is stacked on the top oxide film, and data is stored in the nitride film by accumulating hot electrons supplied from the semiconductor layer via the tunnel oxide film. In addition, the threshold voltage when data is written is equal to or substantially equal to the voltage applied to the gate electrode at the time of data writing, and data is written to the memory element. And detecting the stop level of the drain current flowing through the memory element and detecting the stop level of the drain current. Characterized in that it comprises a write end detecting circuit for stopping the writing of the.

また、請求項10の発明にかかる半導体装置は、ソース領域とドレイン領域との間の半導体層上にトンネル酸化膜が積層され、該トンネル酸化膜上に窒化膜が積層され、該窒化膜上にトップ酸化膜が積層され、該トップ酸化膜上にゲート電極が積層されており、前記窒化膜に、前記トンネル酸化膜を介して前記半導体層から供給されたホットエレクトロンを蓄積することによってデータを記憶し、かつデータの書き込み時に前記ゲート電極に印加される電圧に応じて異なるしきい値電圧を実現する半導体装置であって、データが書き込まれた状態のしきい値電圧が、データの書き込み時に前記ゲート電極に印加された電圧に等しいか、またはほぼ等しいことを特徴とする。   According to another aspect of the semiconductor device of the present invention, a tunnel oxide film is stacked on a semiconductor layer between a source region and a drain region, a nitride film is stacked on the tunnel oxide film, and the nitride film is formed on the nitride film. A top oxide film is stacked, a gate electrode is stacked on the top oxide film, and data is stored in the nitride film by accumulating hot electrons supplied from the semiconductor layer via the tunnel oxide film. And a semiconductor device that realizes a different threshold voltage according to a voltage applied to the gate electrode at the time of data writing, wherein the threshold voltage in a state where data is written is It is characterized by being equal to or approximately equal to the voltage applied to the gate electrode.

また、請求項11の発明にかかる半導体装置のデータ書き込み方法は、ソース領域とドレイン領域との間の半導体層上にトンネル酸化膜が積層され、該トンネル酸化膜上に窒化膜が積層され、該窒化膜上にトップ酸化膜が積層され、該トップ酸化膜上にゲート電極が積層されており、前記窒化膜に、前記トンネル酸化膜を介して前記半導体層から供給されたホットエレクトロンを蓄積することによってデータを記憶するメモリ素子にデータを書き込むにあたって、前記メモリ素子のしきい値電圧が、前記ゲート電極に印加した電圧に等しくなるか、またはほぼ等しくなるまで、書き込み動作を行うことを特徴とする。   In the data writing method of the semiconductor device according to the invention of claim 11, a tunnel oxide film is stacked on the semiconductor layer between the source region and the drain region, a nitride film is stacked on the tunnel oxide film, A top oxide film is laminated on the nitride film, a gate electrode is laminated on the top oxide film, and hot electrons supplied from the semiconductor layer via the tunnel oxide film are accumulated in the nitride film. When writing data to the memory element that stores data, the write operation is performed until the threshold voltage of the memory element becomes equal to or substantially equal to the voltage applied to the gate electrode. .

請求項12の発明にかかる半導体装置のデータ書き込み方法は、請求項11に記載の発明において、前記メモリ素子に流れるドレイン電流の電流量がゼロまたはほぼゼロになるまで、書き込み動作を行うことを特徴とする。   According to a twelfth aspect of the present invention, there is provided a data write method for a semiconductor device according to the eleventh aspect, wherein the write operation is performed until the amount of drain current flowing through the memory element becomes zero or almost zero. And

請求項13の発明にかかる半導体装置のデータ書き込み方法は、請求項11に記載の発明において、前記メモリ素子に流れるドレイン電流の電流量が、書き込み開始時のドレイン電流の電流量の1/2以下になるまで、書き込み動作を行うことを特徴とする。   According to a thirteenth aspect of the present invention, there is provided a data writing method for a semiconductor device according to the eleventh aspect, wherein the amount of drain current flowing through the memory element is less than or equal to ½ of the amount of drain current at the start of writing. The write operation is performed until

請求項14の発明にかかる半導体装置のデータ書き込み方法は、請求項11〜13のいずれか一つに記載の発明において、前記メモリ素子に書き込まれるデータに応じて、前記ゲート電極に、2種類以上の異なる電圧のうちのいずれかを印加することを特徴とする。   According to a fourteenth aspect of the present invention, there is provided a data writing method for a semiconductor device according to any one of the eleventh to thirteenth aspects, wherein two or more types are applied to the gate electrode in accordance with data written to the memory element. Any one of the different voltages is applied.

また、請求項15の発明にかかる半導体装置のデータ書き込み方法は、ソース領域とドレイン領域との間の半導体層上にトンネル酸化膜が積層され、該トンネル酸化膜上に窒化膜が積層され、該窒化膜上にトップ酸化膜が積層され、該トップ酸化膜上にゲート電極が積層されており、前記窒化膜に、前記トンネル酸化膜を介して前記半導体層から供給されたホットエレクトロンを蓄積することによってデータを記憶するメモリ素子にデータを書き込むにあたって、100ミリ秒以上の間、書き込み動作を行うことを特徴とする。   According to a fifteenth aspect of the present invention, there is provided a data writing method for a semiconductor device in which a tunnel oxide film is stacked on a semiconductor layer between a source region and a drain region, a nitride film is stacked on the tunnel oxide film, A top oxide film is laminated on the nitride film, a gate electrode is laminated on the top oxide film, and hot electrons supplied from the semiconductor layer via the tunnel oxide film are accumulated in the nitride film. When writing data to a memory element that stores data, the writing operation is performed for 100 milliseconds or more.

請求項16の発明にかかる半導体装置のデータ書き込み方法は、請求項15に記載の発明において、前記メモリ素子に書き込まれるデータに応じて、前記ゲート電極に、2種類以上の異なる電圧のうちのいずれかを印加することを特徴とする。   According to a sixteenth aspect of the present invention, there is provided a data writing method for a semiconductor device according to the fifteenth aspect of the present invention, in which one of two or more different voltages is applied to the gate electrode in accordance with data written to the memory element. It is characterized by applying these.

請求項1、10または11の発明によれば、データの書き込み時間を十分に長く設定することにより、データの書き込み中、ゲート絶縁膜中の窒化膜にホットエレクトロンが蓄積されるのに伴って、しきい値電圧が上昇し、やがて飽和して書き込み時のゲート電極への印加電圧(以下、書き込み時のゲート印加電圧とする)に達すると、チャネル内にチャネル電流が流れなくなる。それによって、インパクトイオン化によるホットエレクトロンの発生が停止し、データの書き込みが自動的に終了する。   According to the invention of claim 1, 10 or 11, by setting the data write time sufficiently long, hot electrons are accumulated in the nitride film in the gate insulating film during the data write, When the threshold voltage rises and eventually becomes saturated and reaches the voltage applied to the gate electrode at the time of writing (hereinafter referred to as the gate applied voltage at the time of writing), the channel current does not flow in the channel. Thereby, the generation of hot electrons due to impact ionization is stopped, and the data writing is automatically terminated.

このとき、トンネル酸化膜の厚さがばらついていても、書き込み後のしきい値電圧は、書き込み時のゲート印加電圧に等しいか、ほぼ等しくなるので、書き込み後のしきい値電圧のばらつきが小さくなる。また、書き込み後のしきい値電圧が所望の値になっているか否かを確認する必要がないので、ベリファイ動作が不要となる。さらに、ゲート絶縁膜中のトンネル酸化膜が厚くても、書き込み後のしきい値電圧が書き込み時のゲート印加電圧に等しいか、ほぼ等しくなるので、トンネル酸化膜を厚くすることによって、データ保持特性の向上を図ることができる。   At this time, even if the thickness of the tunnel oxide film varies, the threshold voltage after writing is equal to or substantially equal to the gate applied voltage at the time of writing, so that variation in threshold voltage after writing is small. Become. In addition, since it is not necessary to confirm whether or not the threshold voltage after writing is a desired value, the verify operation is not necessary. Furthermore, even if the tunnel oxide film in the gate insulating film is thick, the threshold voltage after writing is equal to or almost equal to the gate applied voltage at the time of writing. Can be improved.

請求項2または12の発明によれば、しきい値電圧が飽和して書き込み時のゲート印加電圧に達し、チャネル内にチャネル電流が流れなくなると、ドレイン電流の電流量がゼロになるので、ドレイン電流をモニターすることにより、所望のしきい値電圧に達したか否かを判断することができる。モニターしたドレイン電流量がゼロまたはほぼゼロであるときに、しきい値電圧が所望の値となる。   According to the second or twelfth aspect of the present invention, when the threshold voltage is saturated and reaches the gate applied voltage at the time of writing and the channel current does not flow in the channel, the amount of drain current becomes zero. By monitoring the current, it can be determined whether a desired threshold voltage has been reached. When the monitored drain current amount is zero or almost zero, the threshold voltage becomes a desired value.

請求項3または13の発明によれば、ドレイン電流の電流量が、書き込み開始時のドレイン電流の電流量の1/2以下になると、しきい値電圧がほぼ飽和しておおよそ書き込み時のゲート印加電圧に等しくなるので、ドレイン電流をモニターすることにより、所望のしきい値電圧にほぼ達したか否かを判断することができる。モニターしたドレイン電流量が書き込み開始時の1/2以下になるときに、しきい値電圧がおおよそ所望の値となる。   According to the third or thirteenth aspect of the present invention, when the amount of drain current becomes ½ or less of the amount of drain current at the start of writing, the threshold voltage is almost saturated and the gate application at the time of writing is approximately Since it becomes equal to the voltage, it is possible to determine whether or not the desired threshold voltage has been substantially reached by monitoring the drain current. When the monitored drain current amount is ½ or less of the write start time, the threshold voltage becomes approximately a desired value.

請求項4の発明によれば、書き込み終了検出回路により、ドレイン電流をモニターし、ドレイン電流量がゼロまたはほぼゼロであるとき、あるいはドレイン電流量が書き込み開始時の1/2以下であるときに、書き込み用電源回路に停止信号を送り、書き込み用電源回路の書き込み動作を停止させることができる。請求項5、8、14または16の発明によれば、書き込み時のゲート印加電圧が2種類以上の異なる電圧であることによって、多値化を図ることができる。その際、書き込み後のしきい値電圧が書き込み時のゲート印加電圧に等しいか、ほぼ等しいので、多値のしきい値電圧間のマージンが拡大する。   According to the invention of claim 4, the drain current is monitored by the write end detection circuit, and when the drain current amount is zero or almost zero, or when the drain current amount is ½ or less of the write start time. Then, a stop signal can be sent to the write power supply circuit to stop the write operation of the write power supply circuit. According to the invention of claim 5, 8, 14 or 16, the gate application voltage at the time of writing is two or more different voltages, so that multi-value can be achieved. At this time, since the threshold voltage after writing is equal to or substantially equal to the gate applied voltage at the time of writing, the margin between the multi-value threshold voltages is expanded.

請求項6または15の発明によれば、データの書き込み時間が100ミリ秒以上であれば、書き込み後のしきい値電圧は、書き込み時のゲート印加電圧に等しいか、ほぼ等しくなる。従って、トンネル酸化膜の厚さがばらついていても、書き込み後のしきい値電圧のばらつきが小さくなる。また、書き込み後のしきい値電圧が所望の値になっているか否かを確認する必要がないので、ベリファイ動作が不要となる。さらに、ゲート絶縁膜中のトンネル酸化膜が厚くても、書き込み後のしきい値電圧が書き込み時のゲート印加電圧に等しいか、ほぼ等しくなるので、トンネル酸化膜を厚くすることによって、データ保持特性の向上を図ることができる。   According to the invention of claim 6 or 15, if the data writing time is 100 milliseconds or more, the threshold voltage after writing is equal to or substantially equal to the gate applied voltage at the time of writing. Therefore, even if the thickness of the tunnel oxide film varies, the variation in threshold voltage after writing becomes small. In addition, since it is not necessary to confirm whether or not the threshold voltage after writing is a desired value, the verify operation is not necessary. Furthermore, even if the tunnel oxide film in the gate insulating film is thick, the threshold voltage after writing is equal to or almost equal to the gate applied voltage at the time of writing. Can be improved.

請求項7の発明によれば、計時手段により、書き込み開始から100ミリ秒以上の所定の時間が経過した時点で、書き込み用電源回路に停止信号を送り、書き込み用電源回路の書き込み動作を停止させることができる。請求項9の発明によれば、ドレイン電流の電流量が所定の停止レベルになると、しきい値電圧が飽和して書き込み時のゲート印加電圧に等しくなるか、またはほぼ飽和しておおよそ書き込み時のゲート印加電圧に等しくなるので、ドレイン電流をモニターすることにより、所望のしきい値電圧またはほぼ所望のしきい値電圧に達したか否かを判断することができる。モニターしたドレイン電流量が所定の停止レベルになるときに、しきい値電圧が所望の値またはおおよそ所望の値となる。   According to the seventh aspect of the present invention, when a predetermined time of 100 milliseconds or more has elapsed from the start of writing, the time measuring means sends a stop signal to the writing power supply circuit to stop the writing operation of the writing power supply circuit. be able to. According to the ninth aspect of the present invention, when the amount of drain current reaches a predetermined stop level, the threshold voltage is saturated and becomes equal to the gate applied voltage at the time of writing, or is almost saturated and is approximately at the time of writing. Since it becomes equal to the gate applied voltage, it is possible to determine whether or not the desired threshold voltage or almost the desired threshold voltage has been reached by monitoring the drain current. When the monitored drain current amount reaches a predetermined stop level, the threshold voltage becomes a desired value or approximately a desired value.

本発明にかかる半導体装置によれば、書き込み後のしきい値電圧が書き込み時のゲート印加電圧に等しいか、またはほぼ等しい半導体装置が得られるという効果と、多値化しても高いデータ保持特性を有する半導体装置が得られるという効果とを奏する。また、本発明にかかる半導体装置のデータ書き込み方法によれば、書き込み後のしきい値電圧を所望の値に自動的に設定することができるという効果と、データ保持特性の低下を招くことなく、多値化することができるという効果とを奏する。   According to the semiconductor device of the present invention, it is possible to obtain a semiconductor device in which the threshold voltage after writing is equal to or substantially equal to the gate applied voltage at the time of writing, and high data retention characteristics even when multi-valued. There is an effect that a semiconductor device can be obtained. In addition, according to the data writing method of the semiconductor device according to the present invention, the threshold voltage after writing can be automatically set to a desired value, and without causing deterioration in data retention characteristics. There is an effect that it can be multi-valued.

以下に添付図面を参照して、この発明にかかる半導体装置およびそのデータ書き込み方法の好適な実施の形態を詳細に説明する。なお、以下の各実施の形態および添付図面においては、同様の構成には同一の符号を付して説明を省略する。   Exemplary embodiments of a semiconductor device and a data writing method thereof according to the present invention will be explained below in detail with reference to the accompanying drawings. In the following embodiments and the accompanying drawings, the same components are denoted by the same reference numerals and description thereof is omitted.

実施の形態1.
図1は、実施の形態1の半導体装置の全体構成を示すブロック図である。図1に示すように、実施の形態1は、メモリ素子1、書き込み用電源回路2、書き込み終了検出回路3およびデータ出力回路4を備えている。メモリ素子1は、MONOS構造を有する。書き込み用電源回路2は、外部から供給された書き込み開始信号S1に基づいて、メモリ素子1にデータを書き込むための電圧、例えば後述する書き込み時のゲート印加電圧Vgおよびそれよりも高い電圧Vppを供給し、メモリ素子1に対するデータの書き込み動作を行う。また、書き込み用電源回路2は、書き込み終了検出回路3から停止信号S2を受け取ると、メモリ素子1へのゲート印加電圧Vgおよび高電圧Vppの供給を停止する。
Embodiment 1 FIG.
FIG. 1 is a block diagram showing an overall configuration of the semiconductor device according to the first embodiment. As shown in FIG. 1, the first embodiment includes a memory element 1, a write power supply circuit 2, a write end detection circuit 3, and a data output circuit 4. The memory element 1 has a MONOS structure. The write power supply circuit 2 supplies a voltage for writing data to the memory element 1, for example, a gate applied voltage Vg at the time of writing and a voltage Vpp higher than that, which will be described later, based on a write start signal S1 supplied from the outside. Then, a data write operation to the memory element 1 is performed. Further, when the write power supply circuit 2 receives the stop signal S2 from the write end detection circuit 3, the write power supply circuit 2 stops the supply of the gate applied voltage Vg and the high voltage Vpp to the memory element 1.

書き込み終了検出回路3は、データの書き込み時にメモリ素子1を流れるドレイン電流Idsを検出し、ドレイン電流Idsが所定の停止レベル、例えばゼロまたはほぼゼロ、あるいは書き込み開始時の電流量の1/2以下になることによって、メモリ素子1へのデータの書き込みが終了したことを検出する。そして、書き込み終了検出回路3は、データの書き込み終了を検出すると、書き込み用電源回路2に停止信号S2を送る。データ出力回路4は、データの読み出し時にメモリ素子1を流れるドレイン電流Idsを検出し、データ読み出し信号S3を外部へ出力する。   The write end detection circuit 3 detects the drain current Ids flowing through the memory element 1 when writing data, and the drain current Ids is a predetermined stop level, for example, zero or almost zero, or less than 1/2 of the current amount at the start of writing. Thus, it is detected that the writing of data to the memory element 1 is completed. The write end detection circuit 3 sends a stop signal S2 to the write power supply circuit 2 when detecting the end of data writing. The data output circuit 4 detects the drain current Ids flowing through the memory element 1 when reading data, and outputs a data read signal S3 to the outside.

図2は、実施の形態1の半導体装置の要部の構成を示す回路図である。図2に示すように、MONOS構造を有するメモリ素子(以下、MONOS素子とする)11のドレインは、読み出し用のpチャネルMOSトランジスタ(以下、読み出し用PMOSとする)12のドレインおよび書き込み用のpチャネルMOSトランジスタ(以下、書き込み用PMOSとする)13のドレインに接続されている。読み出し用PMOS12と書き込み用PMOS13とでは、チャネル長およびチャネル幅が異なっており、読み出し用PMOS12のオン抵抗は、書き込み用PMOS13のオン抵抗よりも高い。つまり、読み出し用PMOS12は、書き込み用PMOS13よりも電流が流れにくいという特性を有する。MONOS素子11のソースは、nチャネルMOSトランジスタ(以下、NMOSとする)14のドレインに接続されている。MONOS素子11は、前記メモリ素子1を構成する。   FIG. 2 is a circuit diagram showing a configuration of a main part of the semiconductor device according to the first embodiment. As shown in FIG. 2, the drain of a memory element (hereinafter referred to as a MONOS element) 11 having a MONOS structure is connected to the drain of a read p-channel MOS transistor (hereinafter referred to as a read PMOS) 12 and the write p. It is connected to the drain of a channel MOS transistor (hereinafter referred to as a writing PMOS) 13. The read PMOS 12 and the write PMOS 13 have different channel lengths and channel widths, and the on-resistance of the read PMOS 12 is higher than the on-resistance of the write PMOS 13. That is, the read PMOS 12 has a characteristic that current is less likely to flow than the write PMOS 13. The source of the MONOS element 11 is connected to the drain of an n-channel MOS transistor (hereinafter referred to as NMOS) 14. The MONOS element 11 constitutes the memory element 1.

読み出し用PMOS12のソースおよびバルクと書き込み用PMOS13のソースおよびバルクとは、正側の電源ライン17に接続されている。NMOS14のソースおよびバルクとMONOS素子11のバルクとは、負側の電源ライン18に接続されている。MONOS素子11と読み出し用PMOS12との接続ノードN1は、第1のインバータ15の入力端子に接続されている。第1のインバータ15は、データ出力回路4の機能を有しており、その出力端子OUT1からデータ読み出し信号S3を出力する。   The source and bulk of the read PMOS 12 and the source and bulk of the write PMOS 13 are connected to the positive power supply line 17. The source and bulk of the NMOS 14 and the bulk of the MONOS element 11 are connected to the negative power supply line 18. A connection node N 1 between the MONOS element 11 and the read PMOS 12 is connected to an input terminal of the first inverter 15. The first inverter 15 has the function of the data output circuit 4 and outputs a data read signal S3 from its output terminal OUT1.

MONOS素子11とNMOS14との接続ノードN2は、第2のインバータ16の入力端子に接続されている。第2のインバータ16は、書き込み終了検出回路3の機能を有しており、その出力端子OUT2から停止信号S2を出力する。MONOS素子11のゲート電極MG、読み出し用PMOS12のゲート電極PG1、書き込み用PMOS13のゲート電極PG2、NMOS14のゲート電極NGには、スタンバイモード、データ書き込みモード、データ読み出しモード、データ消去モードなどの動作モードに応じて、図示しない書き込み用電源回路2(図1参照)等により、適宜電圧が印加される。また、正側の電源ライン17の電圧VDDおよび負側の電源ライン18の電圧VSSも動作モードに応じて適宜変更される。   A connection node N2 between the MONOS element 11 and the NMOS 14 is connected to the input terminal of the second inverter 16. The second inverter 16 has the function of the write end detection circuit 3 and outputs a stop signal S2 from its output terminal OUT2. For the gate electrode MG of the MONOS element 11, the gate electrode PG1 of the read PMOS 12, the gate electrode PG2 of the write PMOS 13, and the gate electrode NG of the NMOS 14, there are operation modes such as a standby mode, a data write mode, a data read mode, and a data erase mode. Accordingly, a voltage is appropriately applied by a writing power supply circuit 2 (not shown) (see FIG. 1) or the like. Further, the voltage VDD of the positive power supply line 17 and the voltage VSS of the negative power supply line 18 are also appropriately changed according to the operation mode.

ここで、実施の形態1の半導体装置の動作を説明する前に、図3〜図8を参照しながら、MONOS素子の特性について考察する。図3は、MONOS素子に対してデータの書き込みを行った際の、しきい値電圧Vthとデータ書き込みのための電圧を印加した時間(書き込み時間)との関係を示す特性図であり、図4は、図3の横軸を対数で表したものである。なお、図3および図4においては、横軸の電圧印加時間は、データの書き込み中に各測定時刻でしきい値電圧Vthを測定しては、再びデータの書き込みを行うという作業を繰り返し行ったときの、データの書き込みを行った時間の積算値を表している。   Here, before describing the operation of the semiconductor device of the first embodiment, the characteristics of the MONOS element will be considered with reference to FIGS. FIG. 3 is a characteristic diagram showing the relationship between the threshold voltage Vth and the time for applying the data write voltage (write time) when data is written to the MONOS element. Is a logarithm of the horizontal axis of FIG. In FIGS. 3 and 4, the voltage application time on the horizontal axis was measured by repeatedly measuring the threshold voltage Vth at each measurement time during data writing and then writing data again. Represents the integrated value of the time when the data was written.

図3および図4に示す特性を調べるにあたっては、以下に記す寸法および濃度を有するMONOS素子を用いた。半導体基板に形成されたp型のウェルの濃度は、1.00×1018cm-3であった。チャネル幅およびチャネル長は、それぞれ10μmおよび1.0μmであった。このチャネル領域に接するn型のLDD(ライトリ・ドープド・ドレイン)領域の濃度は、3.30×1019cm-3であった。ゲート絶縁膜のトンネル酸化膜、窒化膜およびトップ酸化膜の厚さは、それぞれ34.1オングストローム、64.0オングストロームおよび35.6オングストロームであった。 In examining the characteristics shown in FIGS. 3 and 4, a MONOS element having the dimensions and concentrations described below was used. The concentration of the p-type well formed in the semiconductor substrate was 1.00 × 10 18 cm −3 . The channel width and channel length were 10 μm and 1.0 μm, respectively. The concentration of the n-type LDD (lightly doped drain) region in contact with the channel region was 3.30 × 10 19 cm −3 . The thicknesses of the tunnel oxide film, the nitride film, and the top oxide film of the gate insulating film were 34.1 angstrom, 64.0 angstrom, and 35.6 angstrom, respectively.

以上の寸法および濃度を有するMONOS素子を3個用意し、それぞれの書き込み時のゲート印加電圧Vgを5V(試料1とする)、6V(試料2とする)および7V(試料3とする)とした。試料1〜3では、書き込み時のドレイン電極への印加電圧(以下、書き込み時のドレイン印加電圧とする)は、いずれも7Vであった。図3および図4より、試料1〜3のいずれにおいても、しきい値電圧Vthは、データの書き込み時間が100ミリ秒になるまでは急激に高くなるが、100ミリ秒以上になるとほぼ飽和していることがわかる。すなわち、MONOS素子では、100ミリ秒以上の書き込み時間でデータを書き込むと、書き込み後のしきい値電圧Vthがほぼ一定値となる。なお、MONOS素子の一般的な用途におけるデータ書き込み時間は、1ミリ秒以下であり、しきい値電圧Vthが急激に高くなる領域にある。   Three MONOS elements having the above dimensions and concentrations were prepared, and the gate application voltage Vg at the time of writing was set to 5V (referred to as sample 1), 6V (referred to as sample 2), and 7V (referred to as sample 3). . In Samples 1 to 3, the voltage applied to the drain electrode at the time of writing (hereinafter referred to as the drain applied voltage at the time of writing) was 7V. 3 and 4, in any of samples 1 to 3, the threshold voltage Vth increases rapidly until the data writing time reaches 100 milliseconds, but is almost saturated when the time exceeds 100 milliseconds. You can see that That is, in the MONOS element, when data is written in a writing time of 100 milliseconds or more, the threshold voltage Vth after writing becomes a substantially constant value. Note that the data write time in a general application of the MONOS element is 1 millisecond or less, and the threshold voltage Vth is in a region where it rapidly increases.

図5は、MONOS素子に対して書き込み時間を十分に長くしてデータの書き込みを行った際の、書き込み後のしきい値電圧Vthと書き込み時のゲート印加電圧Vgとの関係を示す特性図である。図5に示す特性を調べるにあたっては、以下に記す寸法および濃度を有する4個のMONOS素子(試料4、試料5、試料6および試料7とする)を用いた。これら4個のMONOS素子のp型のウェルの濃度、チャネル幅およびチャネル長、並びにゲート絶縁膜のトンネル酸化膜、窒化膜およびトップ酸化膜の各厚さは、それぞれ前記試料1と同じであった。   FIG. 5 is a characteristic diagram showing the relationship between the threshold voltage Vth after writing and the gate applied voltage Vg at the time of writing when data is written with a sufficiently long writing time for the MONOS element. is there. In examining the characteristics shown in FIG. 5, four MONOS elements (referred to as Sample 4, Sample 5, Sample 6, and Sample 7) having the dimensions and concentrations described below were used. The concentration of the p-type well, the channel width and the channel length of these four MONOS elements, and the thicknesses of the tunnel oxide film, nitride film, and top oxide film of the gate insulating film were the same as those of the sample 1 respectively. .

n型のLDD領域の濃度は、試料4では4.62×1018cm-3、試料5では1.98×1019cm-3、試料6では3.30×1019cm-3、試料7では6.60×1019cm-3であった。また、試料4〜7では、いずれも、書き込み時のドレイン印加電圧は9Vであり、書き込み時間は100ミリ秒であった。 The concentration of the n-type LDD region is 4.62 × 10 18 cm −3 in sample 4, 1.98 × 10 19 cm −3 in sample 5, 3.30 × 10 19 cm −3 in sample 6, and sample 7 Then, it was 6.60 × 10 19 cm −3 . In Samples 4 to 7, the drain applied voltage at the time of writing was 9 V, and the writing time was 100 milliseconds.

図5より、試料4〜7のいずれにおいても、ゲート電極に3V以上の電圧を印加してデータの書き込みを行うと、書き込み後のしきい値電圧Vthが書き込み時のゲート印加電圧Vgに等しいか、ほぼ等しくなることがわかる。このことは、図3からもわかる。具体的には、図3および図5より明らかなように、書き込み後のしきい値電圧Vthは、書き込み時のゲート印加電圧Vgの±0.5Vの範囲におさまる値となる。   As shown in FIG. 5, in any of samples 4 to 7, when data is written by applying a voltage of 3 V or more to the gate electrode, is the threshold voltage Vth after writing equal to the gate applied voltage Vg at the time of writing? It can be seen that they are almost equal. This can also be seen from FIG. Specifically, as apparent from FIGS. 3 and 5, the threshold voltage Vth after writing is a value that falls within the range of ± 0.5 V of the gate applied voltage Vg at the time of writing.

図6は、MONOS素子に対して書き込み時間を十分に長くしてデータの書き込みを行った際の、書き込み後のしきい値電圧の変化量ΔVthと書き込み時のドレイン印加電圧Vdとの関係を示す特性図である。書き込み後のしきい値電圧の変化量ΔVthは、書き込み後のしきい値電圧Vth(writeVth)と初期のしきい値電圧Vth(asVth)との差分である。図6に示す特性を調べるにあたっては、上述した試料4〜7を用いた。書き込み時のゲート印加電圧Vgは9Vであり、書き込み時間は100ミリ秒であった。   FIG. 6 shows the relationship between the threshold voltage variation ΔVth after writing and the drain applied voltage Vd at the time of writing when data is written with a sufficiently long writing time for the MONOS element. FIG. The change amount ΔVth of the threshold voltage after writing is a difference between the threshold voltage Vth (writeVth) after writing and the initial threshold voltage Vth (asVth). In examining the characteristics shown in FIG. 6, the samples 4 to 7 described above were used. The gate application voltage Vg at the time of writing was 9 V, and the writing time was 100 milliseconds.

図6より、試料4〜7のいずれにおいても、ドレイン印加電圧Vdがある値以上でないと、データの書き込みが起こらないことがわかる。図6に示す例では、ドレイン印加電圧Vdが4.5V(図6の中央に破線で示す)以上になると、インパクトイオン化が発生し、ホットエレクトロンが発生してデータの書き込み状態となる。   As can be seen from FIG. 6, data writing does not occur in any of samples 4 to 7 unless the drain application voltage Vd is equal to or higher than a certain value. In the example shown in FIG. 6, when the drain application voltage Vd becomes 4.5 V or more (shown by a broken line in the center of FIG. 6), impact ionization occurs, hot electrons are generated, and a data write state is entered.

図7は、MONOS素子に対してデータの書き込みを行った際の、書き込み時のドレイン電流Idsと書き込み時間との関係を示す特性図である。図7に示す特性を調べるにあたっては、p型のウェルおよびn型のLDD領域の各濃度、チャネル幅およびチャネル長、並びにゲート絶縁膜の窒化膜およびトップ酸化膜の各厚さがそれぞれ前記試料1と同じであり、ゲート絶縁膜のトンネル酸化膜の厚さが27.3オングストロームであるMONOS素子(試料8とする)を用いた。   FIG. 7 is a characteristic diagram showing the relationship between the drain current Ids at the time of writing and the writing time when data is written to the MONOS element. In examining the characteristics shown in FIG. 7, the respective concentrations of the p-type well and the n-type LDD region, the channel width and the channel length, and the thicknesses of the nitride film and the top oxide film of the gate insulating film were determined as the sample 1. The MONOS element (referred to as sample 8) in which the thickness of the tunnel oxide film of the gate insulating film is 27.3 angstroms was used.

そして、書き込み時のゲート印加電圧Vgおよび書き込み時のドレイン印加電圧は、ともに7Vとした。図7より、データの書き込み開始とともにドレイン電流Idsが急激に減少するのがわかる。ドレイン電流Idsは、その電流量が書き込み開始時の電流量の1/2になるまでの急激に減少し、その後は、ほとんど流れなくなる。このときの、データを書き込む前のしきい値電圧Vth(初期値)が1.625Vであったのに対して、書き込み後のしきい値電圧Vthは、7.003Vであった。   The gate applied voltage Vg at the time of writing and the drain applied voltage at the time of writing were both set to 7V. As can be seen from FIG. 7, the drain current Ids sharply decreases with the start of data writing. The drain current Ids rapidly decreases until the current amount becomes 1/2 of the current amount at the start of writing, and almost no longer flows thereafter. At this time, the threshold voltage Vth (initial value) before writing data was 1.625V, whereas the threshold voltage Vth after writing was 7.003V.

図8は、MONOS素子に対してデータの書き込みを行った際の、書き込み時間と書き込み後のしきい値電圧Vthと書き込み時のゲート印加電圧Vgとの関係を示す特性図である。図8に示す特性を調べるにあたっては、前記試料8と同じ寸法および濃度のMONOS素子(試料9とする)と、ゲート絶縁膜のトンネル酸化膜の厚さが34.1オングストロームであることを除いて、試料9と同じ寸法および濃度のMONOS素子(試料10とする)とを用いた。試料9および10では、いずれも、書き込み時のドレイン印加電圧は7Vであり、書き込み時間は1秒であった。比較のため、試料9と試料10とに対して、ドレイン印加電圧を7Vとし、書き込み時間を1ミリ秒にしてデータの書き込みを行った。   FIG. 8 is a characteristic diagram showing the relationship between the writing time, the threshold voltage Vth after writing, and the gate applied voltage Vg during writing when data is written to the MONOS element. In examining the characteristics shown in FIG. 8, except that the thickness of the MONOS element (referred to as sample 9) having the same size and concentration as the sample 8 and the tunnel oxide film of the gate insulating film is 34.1 angstroms. A MONOS element (referred to as Sample 10) having the same dimensions and concentration as Sample 9 was used. In Samples 9 and 10, the drain applied voltage at the time of writing was 7 V, and the writing time was 1 second. For comparison, data was written to Sample 9 and Sample 10 at a drain applied voltage of 7 V and a writing time of 1 millisecond.

試料9と試料10とでは、ゲート絶縁膜のトンネル酸化膜の厚さが異なるため、試料9のデータ書き込み前のしきい値電圧Vth(初期値)が1.1Vであるのに対して、試料10のデータ書き込み前のしきい値電圧Vth(初期値)は、2.1Vであった。しかし、図8より、書き込み時間が1秒間と十分に長いと、試料9および10のいずれでも、書き込み後のしきい値電圧Vthが書き込み時のゲート印加電圧Vgにほぼ等しいことがわかる。   Since the thickness of the tunnel oxide film of the gate insulating film is different between the sample 9 and the sample 10, the threshold voltage Vth (initial value) before data writing of the sample 9 is 1.1 V, whereas the sample 9 The threshold voltage Vth (initial value) before 10 data writing was 2.1V. However, FIG. 8 shows that when the writing time is sufficiently long as 1 second, the threshold voltage Vth after writing is almost equal to the gate applied voltage Vg at the time of writing in both the samples 9 and 10.

つまり、MONOS素子の製造時にトンネル酸化膜の厚さにばらつきが生じ、それによってしきい値電圧Vthの初期値が異なっていても、書き込み時間を十分に長くすることによって、書き込み後のしきい値電圧Vthは同じような値(書き込み時のゲート印加電圧Vgの±0.5Vの範囲内の値)となる。それに対して、書き込み時間が1ミリ秒間である場合には、しきい値電圧Vthの初期値が異なっていることが原因で、書き込み後のしきい値電圧Vthに差が生じてしまう。   That is, even when the thickness of the tunnel oxide film is varied during the manufacture of the MONOS element, and the initial value of the threshold voltage Vth is thereby different, the threshold value after writing is increased by sufficiently increasing the writing time. The voltage Vth has a similar value (a value within a range of ± 0.5 V of the gate application voltage Vg at the time of writing). On the other hand, when the writing time is 1 millisecond, a difference occurs in the threshold voltage Vth after writing because the initial value of the threshold voltage Vth is different.

以上考察したように、MONOS素子では、データの書き込み時間が十分に長くなると、ドレイン電流Idsが流れなくなるか、またはほとんど流れなくなり、また書き込み後のしきい値電圧Vthが書き込み時のゲート印加電圧Vgに等しいか、またはほぼ等しくなる。これは、MONOS素子では、インパクトイオン化によって発生したホットエレクトロンがゲート絶縁膜のトンネル酸化膜を通って窒化膜に蓄積されることによりデータを記憶するが、書き込みによってしきい値電圧Vthが書き込み時のゲート印加電圧Vgにまで上昇すると、チャネル内にチャネル電流が流れなくなるため、インパクトイオン化によるホットエレクトロンの発生が停止するからである。   As discussed above, in the MONOS element, when the data writing time becomes sufficiently long, the drain current Ids does not flow or hardly flows, and the threshold voltage Vth after writing is the gate applied voltage Vg at the time of writing. Is equal to or nearly equal to This is because, in the MONOS element, hot electrons generated by impact ionization are stored in the nitride film through the tunnel oxide film of the gate insulating film, but the threshold voltage Vth is reduced by writing. This is because, when the gate applied voltage Vg is increased, the channel current stops flowing in the channel, and the generation of hot electrons due to impact ionization is stopped.

従って、MONOS素子へのデータの書き込みは、自動的に停止する。つまり、データの書き込み時間を十分に長くすることによって、自己制御的にデータの書き込みが終了する。以上の考察に基づいて、実施の形態1は、MONOS素子にデータを書き込む際に、書き込み時間を十分に長くし、それによって、書き込み後のしきい値電圧Vthを書き込み時のゲート印加電圧Vgに等しいか、またはほぼ等しくすることを特徴とする。   Accordingly, data writing to the MONOS element automatically stops. That is, the data writing is completed in a self-control manner by sufficiently increasing the data writing time. Based on the above considerations, in the first embodiment, when writing data to the MONOS element, the writing time is made sufficiently long, whereby the threshold voltage Vth after writing is set to the gate applied voltage Vg at writing. It is characterized by being equal or approximately equal.

次に、図2に示す構成の半導体装置の動作について説明する。以下の動作の説明においては、半導体装置は、特に限定しないが、例えば、正側の電源ライン17を接地電位とし、負側の電源ライン18を負の電位とする負電源により駆動されるものとする。そして、特に限定しないが、例えば、相対的に高いレベルの電圧(以下、Hレベルの電圧とする)を0.0Vとし、相対的に低いレベルの電圧(以下、Lレベルの電圧とする)を−1.5Vとする。また、例えば、高電圧Vppを−9.0Vとし、MONOS素子11のゲート電極MGに印加する電圧(ゲート印加電圧Vg)を0〜−9.0Vの範囲の電圧とする。   Next, the operation of the semiconductor device having the configuration shown in FIG. 2 will be described. In the following description of the operation, the semiconductor device is not particularly limited. For example, the semiconductor device is driven by a negative power source having the positive power line 17 as a ground potential and the negative power line 18 as a negative potential. To do. Although not particularly limited, for example, a relatively high level voltage (hereinafter referred to as H level voltage) is set to 0.0 V, and a relatively low level voltage (hereinafter referred to as L level voltage) is set. -1.5V. For example, the high voltage Vpp is set to −9.0V, and the voltage applied to the gate electrode MG of the MONOS element 11 (gate applied voltage Vg) is set to a voltage in the range of 0 to −9.0V.

スタンバイモードでは、読み出し用PMOS12のゲート電極PG1と書き込み用PMOS13のゲート電極PG2とには、Hレベルの電圧が印加される。MONOS素子11のゲート電極MGとNMOS14のゲート電極NGとには、Lレベルの電圧が印加される。また、正側の電源ライン17の電圧VDDは、Hレベルの電圧となる。負側の電源ライン18の電圧VSSは、Lレベルの電圧となる。従って、スタンバイモードでは、MONOS素子11、読み出し用PMOS12、書き込み用PMOS13およびNMOS14は、いずれもオフ状態である。   In the standby mode, an H level voltage is applied to the gate electrode PG1 of the read PMOS 12 and the gate electrode PG2 of the write PMOS 13. An L level voltage is applied to the gate electrode MG of the MONOS element 11 and the gate electrode NG of the NMOS 14. Further, the voltage VDD of the positive power supply line 17 is an H level voltage. The voltage VSS of the negative power supply line 18 is an L level voltage. Accordingly, in the standby mode, the MONOS element 11, the read PMOS 12, the write PMOS 13 and the NMOS 14 are all in an off state.

データ書き込みモードでは、読み出し用PMOS12のゲート電極PG1とNMOS14のゲート電極NGとには、Hレベルの電圧が印加される。書き込み用PMOS13のゲート電極PG2には、高電圧Vppが印加される。MONOS素子11のゲート電極MGには、ゲート印加電圧Vgが印加される。正側の電源ライン17の電圧VDDは、Hレベルの電圧となる。負側の電源ライン18の電圧VSSは、高電圧Vppとなる。このとき、読み出し用PMOS12は、オフ状態である。書き込み用PMOS13とNMOS14とは、オン状態となる。   In the data write mode, an H level voltage is applied to the gate electrode PG1 of the read PMOS 12 and the gate electrode NG of the NMOS. A high voltage Vpp is applied to the gate electrode PG2 of the write PMOS 13. A gate application voltage Vg is applied to the gate electrode MG of the MONOS element 11. The voltage VDD of the positive power supply line 17 is an H level voltage. The voltage VSS of the negative power supply line 18 becomes the high voltage Vpp. At this time, the reading PMOS 12 is in an off state. The writing PMOS 13 and NMOS 14 are turned on.

データの書き込み開始後、MONOS素子11のしきい値電圧Vthがゲート印加電圧Vgに達するまでは、MONOS素子11にはドレイン電流Idsが流れる。それによって、MONOS素子11と読み出し用PMOS12との接続ノード(以下、第1の接続ノードとする)N1と、MONOS素子11とNMOS14との接続ノード(以下、第2の接続ノードとする)N2との電圧は、ともにHレベルとなる。従って、第1のインバータ15の出力端子OUT1と第2のインバータ16の出力端子OUT2との電圧は、ともにLレベルとなる。   After the start of data writing, the drain current Ids flows through the MONOS element 11 until the threshold voltage Vth of the MONOS element 11 reaches the gate applied voltage Vg. Accordingly, a connection node (hereinafter referred to as a first connection node) N1 between the MONOS element 11 and the read PMOS 12 and a connection node (hereinafter referred to as a second connection node) N2 between the MONOS element 11 and the NMOS 14 Are both at the H level. Accordingly, the voltages at the output terminal OUT1 of the first inverter 15 and the output terminal OUT2 of the second inverter 16 are both at the L level.

データの書き込みが進んで、MONOS素子11のしきい値電圧Vthがゲート印加電圧Vgに達すると、MONOS素子11にドレイン電流Idsが流れなくなる。それによって、第2の接続ノードN2の電圧は、HレベルからLレベルに切り替わる。それに伴って、第2のインバータ16の出力端子OUT2の電圧は、LレベルからHレベルに切り替わる。つまり、第2のインバータ16から出力される停止信号S2の電位が切り替わり、データの書き込み終了が検出されたことになる。   When data writing proceeds and the threshold voltage Vth of the MONOS element 11 reaches the gate applied voltage Vg, the drain current Ids does not flow through the MONOS element 11. Thereby, the voltage of the second connection node N2 is switched from the H level to the L level. Accordingly, the voltage at the output terminal OUT2 of the second inverter 16 is switched from the L level to the H level. That is, the potential of the stop signal S2 output from the second inverter 16 is switched, and the end of data writing is detected.

この停止信号S2の電位の切り替わりに基づいて、書き込み用電源回路2からの電圧供給が停止し、書き込み動作が停止する。一方、第1の接続ノードN1は、MONOS素子11がオフ状態になってもHレベルの電圧のままであるので、第1のインバータ15の出力端子OUT1の電圧は、Lレベルのままである。   Based on the switching of the potential of the stop signal S2, the voltage supply from the write power supply circuit 2 is stopped, and the write operation is stopped. On the other hand, since the first connection node N1 remains at the H level even when the MONOS element 11 is turned off, the voltage at the output terminal OUT1 of the first inverter 15 remains at the L level.

データ読み出しモードでは、読み出し用PMOS12のゲート電極PG1とMONOS素子11のゲート電極MGとには、Lレベルの電圧が印加される。書き込み用PMOS13のゲート電極PG2とNMOS14のゲート電極NGとには、Hレベルの電圧が印加される。正側の電源ライン17の電圧VDDは、Hレベルの電圧となる。負側の電源ライン18の電圧VSSは、Lレベルの電圧となる。このとき、読み出し用PMOS12とNMOS14とは、オン状態である。書き込み用PMOS13は、オフ状態となる。   In the data read mode, an L level voltage is applied to the gate electrode PG1 of the read PMOS 12 and the gate electrode MG of the MONOS element 11. An H level voltage is applied to the gate electrode PG2 of the write PMOS 13 and the gate electrode NG of the NMOS 14. The voltage VDD of the positive power supply line 17 is an H level voltage. The voltage VSS of the negative power supply line 18 is an L level voltage. At this time, the read PMOS 12 and the NMOS 14 are in the on state. The writing PMOS 13 is turned off.

MONOS素子11にデータが書き込まれていないか、あるいはデータが消去されている場合、MONOS素子11にドレイン電流Idsが流れる。それによって、第1の接続ノードN1と第2の接続ノードN2との電圧は、ともにLレベルとなる。従って、第1のインバータ15の出力端子OUT1と第2のインバータ16の出力端子OUT2との電圧は、ともにHレベルとなる。それに対して、MONOS素子11にデータが書き込まれている場合には、MONOS素子11には、ドレイン電流Idsが流れない。   When no data is written in the MONOS element 11 or when data is erased, the drain current Ids flows through the MONOS element 11. As a result, the voltages of the first connection node N1 and the second connection node N2 both become L level. Therefore, the voltages at the output terminal OUT1 of the first inverter 15 and the output terminal OUT2 of the second inverter 16 are both at the H level. On the other hand, when data is written in the MONOS element 11, the drain current Ids does not flow through the MONOS element 11.

従って、第1の接続ノードN1の電圧は、Hレベルであり、第1のインバータ15の出力端子OUT1の電圧は、Lレベルである。つまり、データ読み出し信号S3の電圧は、MONOS素子11にデータが書き込まれている場合には、Lレベルとなり、データが書き込まれていないか、消去されている場合には、Hレベルとなるので、MONOS素子11のデータ(記憶状態)が読み出されたことになる。一方、第2の接続ノードN2は、MONOS素子11にデータが書き込まれていないか、消去されていてもLレベルの電圧のままであるので、第2のインバータ16の出力端子OUT2の電圧は、Hレベルのままである。   Therefore, the voltage at the first connection node N1 is at the H level, and the voltage at the output terminal OUT1 of the first inverter 15 is at the L level. That is, the voltage of the data read signal S3 is L level when data is written in the MONOS element 11, and is H level when data is not written or erased. This means that the data (memory state) of the MONOS element 11 has been read. On the other hand, since the second connection node N2 remains at the L level voltage even when data is not written in or erased from the MONOS element 11, the voltage at the output terminal OUT2 of the second inverter 16 is It remains at the H level.

データ消去モードでは、読み出し用PMOS12のゲート電極PG1と書き込み用PMOS13のゲート電極PG2とには、Lレベルの電圧が印加される。MONOS素子11のゲート電極MGには、高電圧Vppが印加される。NMOS14のゲート電極NGには、Hレベルの電圧が印加される。正側の電源ライン17の電圧VDDと負側の電源ライン18の電圧VSSとは、Hレベルの電圧となる。これによって、MONOS素子11では、そのソース、ドレインおよびバルクにHレベルの電圧が印加された状態で、そのゲート電極MGに高電圧Vpp(負の高電圧)が印加されるので、データが消去される。   In the data erasing mode, an L level voltage is applied to the gate electrode PG1 of the read PMOS 12 and the gate electrode PG2 of the write PMOS 13. A high voltage Vpp is applied to the gate electrode MG of the MONOS element 11. An H level voltage is applied to the gate electrode NG of the NMOS 14. The voltage VDD of the positive power supply line 17 and the voltage VSS of the negative power supply line 18 are H level voltages. Thereby, in the MONOS element 11, the high voltage Vpp (negative high voltage) is applied to the gate electrode MG in a state where the H level voltage is applied to the source, drain and bulk, so that the data is erased. The

実施の形態1によれば、MONOS素子11へのデータの書き込み時間を十分に長く設定することにより、MONOS素子11のしきい値電圧Vthがゲート印加電圧Vgに等しくなって、データの書き込みが自動的に終了する。従って、MONOS素子11のトンネル酸化膜の厚さがばらついていても、書き込み後のしきい値電圧Vthは、ほとんどばらつかない。そのため、書き込み時のゲート印加電圧Vgとして、2種類以上の異なる電圧を設定することによって、多値化を図ることができる。多値化した場合、多値のしきい値電圧間のマージンが拡大する。また、ベリファイ動作が不要となる。さらに、トンネル酸化膜を厚くして、データ保持特性の向上を図ることができる。また、データの書き込み中にドレイン電流をモニターすることにより、しきい値電圧Vthが所望の値、すなわちゲート印加電圧Vgに達したか否かを判断することができる。   According to the first embodiment, by setting the data writing time to the MONOS element 11 sufficiently long, the threshold voltage Vth of the MONOS element 11 becomes equal to the gate applied voltage Vg, and data writing is automatically performed. End automatically. Therefore, even if the thickness of the tunnel oxide film of the MONOS element 11 varies, the threshold voltage Vth after writing hardly varies. Therefore, multi-value can be achieved by setting two or more different voltages as the gate application voltage Vg at the time of writing. In the case of multi-value, the margin between multi-value threshold voltages is expanded. Also, the verify operation is not necessary. Further, the data retention characteristics can be improved by increasing the thickness of the tunnel oxide film. Further, by monitoring the drain current during data writing, it is possible to determine whether or not the threshold voltage Vth has reached a desired value, that is, the gate applied voltage Vg.

実施の形態2.
図9は、実施の形態2の半導体装置の全体構成を示すブロック図である。図9に示すように、実施の形態2は、書き込み終了検出回路3の代わりに計時手段5を有し、この計時手段5が書き込み用電源回路2に停止信号S2を出力する構成のものである。その他の構成は、実施の形態1の図1に示す構成と同じである。計時手段5は、例えばカウンタにより構成されている。このカウンタは、例えば書き込み開始信号S1の入力によりリセットされた後、カウントを開始し、予め設定されたカウント数、すなわち時間になると、停止信号S2を出力する。予め設定されたカウント数(時間)は、特に限定しないが、例えば図4の特性図より、100ミリ秒以上に相当する値であるのが適当である。実施の形態2によれば、実施の形態1と同様の効果が得られる。
Embodiment 2. FIG.
FIG. 9 is a block diagram showing an overall configuration of the semiconductor device of the second embodiment. As shown in FIG. 9, the second embodiment has a timing means 5 instead of the write end detection circuit 3, and the timing means 5 outputs a stop signal S 2 to the power supply circuit 2 for writing. . Other configurations are the same as those shown in FIG. 1 of the first embodiment. The time measuring means 5 is constituted by a counter, for example. For example, the counter starts counting after being reset by the input of the write start signal S1, and outputs a stop signal S2 when a preset count number, that is, time is reached. The preset count number (time) is not particularly limited, but for example, from the characteristic diagram of FIG. 4, a value corresponding to 100 milliseconds or more is appropriate. According to the second embodiment, the same effect as in the first embodiment can be obtained.

実施の形態3.
図10は、実施の形態3の半導体装置の全体構成を示す回路図である。図10に示すように、実施の形態3は、複数(図示例では、3個)のMONOS素子21,31,41を用いて、電源電圧の変動を検出する回路を構成したものである。正側の電源ライン17と第1の接続ノードN1との間の読み出し用PMOS12および書き込み用PMOS13の接続関係は、実施の形態1(図2)の構成と同様である。3個のMONOS素子21,31,41の各ドレインは、いずれも第1の接続ノードN1に接続されている。
Embodiment 3 FIG.
FIG. 10 is a circuit diagram showing the overall configuration of the semiconductor device of the third embodiment. As shown in FIG. 10, in the third embodiment, a circuit for detecting fluctuations in the power supply voltage is configured by using a plurality (three in the illustrated example) of MONOS elements 21, 31, and 41. The connection relationship between the read PMOS 12 and the write PMOS 13 between the positive power supply line 17 and the first connection node N1 is the same as the configuration of the first embodiment (FIG. 2). The drains of the three MONOS elements 21, 31, 41 are all connected to the first connection node N1.

第1の接続ノードN1と負側の電源ライン18との間において、第1のMONOS素子21と第1のNMOS24との接続関係、第2のMONOS素子31と第2のNMOS34との接続関係、並びに第3のMONOS素子41と第3のNMOS44との接続関係は、いずれも実施の形態1(図2)のMONOS素子11とNMOS14との接続関係と同様である。また、実施の形態1(図2)と同様に、第1の接続ノードN1には、第1のインバータ15が接続されている。   Between the first connection node N1 and the negative power line 18, the connection relationship between the first MONOS element 21 and the first NMOS 24, the connection relationship between the second MONOS element 31 and the second NMOS 34, The connection relationship between the third MONOS element 41 and the third NMOS 44 is the same as the connection relationship between the MONOS element 11 and the NMOS 14 in the first embodiment (FIG. 2). As in the first embodiment (FIG. 2), the first inverter 15 is connected to the first connection node N1.

実施の形態1において図6の特性図を参照しながら説明した通り、MONOS素子にデータを書き込むためには、MONOS素子のドレイン電極にある値以上の電圧を印加する必要がある。従って、図10に示す構成において、まず、第1、第2および第3のMONOS素子21,31,41の各ドレイン電極に書き込みに十分な電圧を印加するとともに、第1のMONOS素子21のゲート電極MG1、第2のMONOS素子31のゲート電極MG2および第3のMONOS素子41のゲート電極MG3に、それぞれ例えば3.5V、3.2Vおよび3.0Vを印加する。そして、書き込み後のしきい値電圧Vthが書き込み時のゲート印加電圧Vgに等しくなる条件で、データの書き込みを行う。   As described in the first embodiment with reference to the characteristic diagram of FIG. 6, in order to write data to the MONOS element, it is necessary to apply a voltage higher than a certain value to the drain electrode of the MONOS element. Therefore, in the configuration shown in FIG. 10, first, a voltage sufficient for writing is applied to each drain electrode of the first, second, and third MONOS elements 21, 31, 41, and the gate of the first MONOS element 21. For example, 3.5 V, 3.2 V, and 3.0 V are applied to the electrode MG1, the gate electrode MG2 of the second MONOS element 31, and the gate electrode MG3 of the third MONOS element 41, respectively. Data is written under the condition that the threshold voltage Vth after writing is equal to the gate applied voltage Vg at the time of writing.

それによって、第1のMONOS素子21、第2のMONOS素子31および第3のMONOS素子41のそれぞれの書き込み後のしきい値電圧Vthは、3.5V、3.2Vおよび3.0Vとなる。この状態で、実施の形態1において説明したデータの読み出しモードにし、第1のMONOS素子21のゲート電極MG1と第1のNMOS24のゲート電極NG1、第2のMONOS素子31のゲート電極MG2と第2のNMOS34のゲート電極NG2、および第3のMONOS素子41のゲート電極MG3と第3のNMOS44のゲート電極NG3とに電源電圧(設定値:3.5V)を順次印加する。   Thereby, the threshold voltages Vth after writing of the first MONOS element 21, the second MONOS element 31, and the third MONOS element 41 become 3.5V, 3.2V, and 3.0V, respectively. In this state, the data reading mode described in the first embodiment is set, and the gate electrode MG1 of the first MONOS element 21, the gate electrode NG1 of the first NMOS 24, the gate electrode MG2 of the second MONOS element 31, and the second A power supply voltage (setting value: 3.5 V) is sequentially applied to the gate electrode NG2 of the NMOS 34, the gate electrode MG3 of the third MONOS element 41, and the gate electrode NG3 of the third NMOS 44.

電源電圧が3.5Vよりも高ければ、その電源電圧を第1のMONOS素子21のゲート電極MG1、第2のMONOS素子31のゲート電極MG2および第3のMONOS素子41のゲート電極MG3のいずれに印加しても、第1のインバータ15の出力端子OUT1は、Hレベルの電圧となる。従って、電源電圧が3.5Vよりも高いことがわかる。電源電圧が3.2〜3.5Vの間であれば、その電源電圧を第1のMONOS素子21のゲート電極MG1に印加したときには、第1のインバータ15の出力端子OUT1は、Lレベルの電圧となる。   If the power supply voltage is higher than 3.5 V, the power supply voltage is applied to any one of the gate electrode MG1 of the first MONOS element 21, the gate electrode MG2 of the second MONOS element 31, and the gate electrode MG3 of the third MONOS element 41. Even if the voltage is applied, the output terminal OUT1 of the first inverter 15 becomes an H level voltage. Therefore, it can be seen that the power supply voltage is higher than 3.5V. If the power supply voltage is between 3.2 and 3.5 V, when the power supply voltage is applied to the gate electrode MG1 of the first MONOS element 21, the output terminal OUT1 of the first inverter 15 is at the L level voltage. It becomes.

3.2〜3.5Vの電源電圧を第2のMONOS素子31のゲート電極MG2および第3のMONOS素子41のゲート電極MG3に印加したときには、第1のインバータ15の出力端子OUT1は、Hレベルの電圧となる。従って、電源電圧が3.2〜3.5Vであることがわかる。電源電圧が3.0〜3.2Vの間であれば、その電源電圧を第1のMONOS素子21のゲート電極MG1および第2のMONOS素子31のゲート電極MG2に印加したときには、第1のインバータ15の出力端子OUT1は、Lレベルの電圧となる。   When a power supply voltage of 3.2 to 3.5 V is applied to the gate electrode MG2 of the second MONOS element 31 and the gate electrode MG3 of the third MONOS element 41, the output terminal OUT1 of the first inverter 15 is at the H level. Voltage. Therefore, it can be seen that the power supply voltage is 3.2 to 3.5V. If the power supply voltage is between 3.0 and 3.2 V, when the power supply voltage is applied to the gate electrode MG1 of the first MONOS element 21 and the gate electrode MG2 of the second MONOS element 31, the first inverter The 15 output terminals OUT1 are at L level voltage.

3.0〜3.2Vの電源電圧を第3のMONOS素子41のゲート電極MG3に印加したときには、第1のインバータ15の出力端子OUT1は、Hレベルの電圧となる。従って、電源電圧が3.0〜3.2Vであることがわかる。このように、実施の形態3によれば、各MONOS素子21,31,41の書き込み後のしきい値電圧Vthと電源電圧とを比較することにより、電源電圧の変動を知ることができる。なお、電源電圧の設定値は、MONOS素子のデータ読み出し時にMONOS素子に書き込みが生じない範囲の電圧であれば、3.5Vに限らない。また、各MONOS素子の書き込み後のしきい値電圧Vthは、電源電圧の値に応じて適宜選択される。   When a power supply voltage of 3.0 to 3.2 V is applied to the gate electrode MG3 of the third MONOS element 41, the output terminal OUT1 of the first inverter 15 becomes an H level voltage. Therefore, it can be seen that the power supply voltage is 3.0 to 3.2V. As described above, according to the third embodiment, the fluctuation of the power supply voltage can be known by comparing the threshold voltage Vth after the writing of each MONOS element 21, 31, 41 with the power supply voltage. The set value of the power supply voltage is not limited to 3.5 V as long as the voltage is within a range in which no writing occurs in the MONOS element when data is read from the MONOS element. Further, the threshold voltage Vth after writing in each MONOS element is appropriately selected according to the value of the power supply voltage.

実施の形態4.
図11は、実施の形態4の半導体装置の全体構成を示す回路図である。図1に示すように、実施の形態4は、MONOS素子51を用いて、基準電圧発生回路を構成したものである。MONOS素子51のドレインは、抵抗59の一端に接続されている。抵抗59の他端は、正側の電源ライン17に接続されている。MONOS素子51のソースおよびバルクは、負側の電源ライン18に接続されている。
Embodiment 4 FIG.
FIG. 11 is a circuit diagram showing the overall configuration of the semiconductor device of the fourth embodiment. As shown in FIG. 1, in the fourth embodiment, a reference voltage generation circuit is configured by using a MONOS element 51. The drain of the MONOS element 51 is connected to one end of the resistor 59. The other end of the resistor 59 is connected to the positive power supply line 17. The source and bulk of the MONOS element 51 are connected to the negative power supply line 18.

実施の形態1において図6の特性図を参照しながら説明した通り、MONOS素子にデータを書き込むためには、MONOS素子のドレイン電極にある値以上の電圧を印加する必要がある。従って、図11に示す構成において、まず、MONOS素子51のドレイン電極に書き込みに十分な電圧を印加するとともに、MONOS素子51のゲート電極MGに、希望する基準電圧となるような電圧Vgを印加する。そして、書き込み後のしきい値電圧Vthが書き込み時のゲート印加電圧Vgに等しくなる条件で、データの書き込みを行う。   As described in the first embodiment with reference to the characteristic diagram of FIG. 6, in order to write data to the MONOS element, it is necessary to apply a voltage higher than a certain value to the drain electrode of the MONOS element. Therefore, in the configuration shown in FIG. 11, first, a voltage sufficient for writing is applied to the drain electrode of the MONOS element 51, and a voltage Vg that provides a desired reference voltage is applied to the gate electrode MG of the MONOS element 51. . Data is written under the condition that the threshold voltage Vth after writing is equal to the gate applied voltage Vg at the time of writing.

それによって、MONOS素子51の書き込み後のしきい値電圧Vthは、希望する基準電圧となる。この状態で、MONOS素子51のゲート電極MGに、書き込み後のしきい値電圧Vthよりも高く、かつ書き込みが生じない電圧範囲内での電源電圧を印加することにより、MONOS素子51と抵抗59との接続ノードN3の出力電圧Voutが基準電圧となる。このように、実施の形態4によれば、基準電圧を発生させることができる。   Thereby, the threshold voltage Vth after writing in the MONOS element 51 becomes a desired reference voltage. In this state, the MONOS element 51 and the resistor 59 are applied to the gate electrode MG of the MONOS element 51 by applying a power supply voltage that is higher than the threshold voltage Vth after writing and within a voltage range in which writing does not occur. The output voltage Vout of the connection node N3 becomes the reference voltage. Thus, according to the fourth embodiment, the reference voltage can be generated.

なお、トンネル酸化膜を厚くしてデータ保持特性の向上を図った場合でも、十分に長い時間、データの書き込みを行うことによって、書き込み後のしきい値電圧Vthが書き込み時のゲート印加電圧Vgに等しくなる。従って、トンネル酸化膜を厚くすることにより、書き込み後のしきい値電圧Vthが時間の経過とともに変動する際の変動量を小さくすることができる。また、定期的に、MONOS素子51のゲート電極MGに、希望する基準電圧となるような電圧Vgを印加して書き込みを行うことによって、書き込み後のしきい値電圧Vthの変動量を小さくすることができる。   Even when the data retention characteristics are improved by increasing the thickness of the tunnel oxide film, by writing data for a sufficiently long time, the threshold voltage Vth after writing becomes the gate applied voltage Vg at the time of writing. Will be equal. Therefore, by increasing the thickness of the tunnel oxide film, it is possible to reduce the amount of fluctuation when the threshold voltage Vth after writing varies with time. In addition, by periodically writing to the gate electrode MG of the MONOS element 51 by applying a voltage Vg that becomes a desired reference voltage, the amount of variation in the threshold voltage Vth after writing is reduced. Can do.

以上において、本発明は、上述した実施の形態に限らず、種々変更可能である。例えば、書き込み終了検出回路3の構成は、実施の形態1の構成に限らない。また、上述した種々の寸法、濃度および電圧等の数値は一例であり、これに限定されるものではない。   As described above, the present invention is not limited to the above-described embodiment, and various modifications can be made. For example, the configuration of the write end detection circuit 3 is not limited to the configuration of the first embodiment. The numerical values such as various dimensions, concentrations, and voltages described above are examples, and the present invention is not limited thereto.

以上のように、本発明にかかる半導体装置およびそのデータ書き込み方法は、MONOS素子を用いた半導体装置に有用であり、例えば、時計、携帯電話機あるいは小型の電子機器などに内蔵される、電源電圧等の変動を検出する装置や基準電圧を発生する装置に適している。   As described above, the semiconductor device and the data writing method thereof according to the present invention are useful for a semiconductor device using a MONOS element. For example, a power supply voltage incorporated in a watch, a mobile phone, a small electronic device, or the like. It is suitable for a device that detects fluctuations in voltage and a device that generates a reference voltage.

実施の形態1の半導体装置の全体構成を示すブロック図である。1 is a block diagram showing an overall configuration of a semiconductor device according to a first embodiment. 実施の形態1の半導体装置の要部の構成を示す回路図である。3 is a circuit diagram showing a configuration of a main part of the semiconductor device of the first embodiment. FIG. MONOS素子のしきい値電圧とデータ書き込み時の電圧印加時間との関係を示す特性図である。It is a characteristic view showing the relationship between the threshold voltage of the MONOS element and the voltage application time at the time of data writing. MONOS素子のしきい値電圧とデータ書き込み時の電圧印加時間(対数表示)との関係を示す特性図である。It is a characteristic view showing the relationship between the threshold voltage of the MONOS element and the voltage application time (logarithm display) at the time of data writing. MONOS素子の書き込み後のしきい値電圧と書き込み時のゲート印加電圧との関係を示す特性図である。It is a characteristic view showing the relationship between the threshold voltage after writing of the MONOS element and the gate applied voltage at the time of writing. MONOS素子の書き込み後のしきい値電圧の変化量と書き込み時のドレイン印加電圧との関係を示す特性図である。It is a characteristic view showing the relationship between the amount of change of the threshold voltage after writing of the MONOS element and the drain applied voltage at the time of writing. MONOS素子の書き込み時のドレイン電流と書き込み時間との関係を示す特性図である。It is a characteristic view showing the relationship between the drain current and the writing time at the time of writing of the MONOS element. MONOS素子の書き込み時間と書き込み後のしきい値電圧と書き込み時のゲート印加電圧との関係を示す特性図である。It is a characteristic view showing the relationship between the writing time of the MONOS element, the threshold voltage after writing, and the gate applied voltage at the time of writing. 実施の形態2の半導体装置の全体構成を示すブロック図である。FIG. 6 is a block diagram showing an overall configuration of a semiconductor device according to a second embodiment. 実施の形態3の半導体装置の構成を示す回路図である。FIG. 6 is a circuit diagram illustrating a configuration of a semiconductor device according to a third embodiment. 実施の形態4の半導体装置の構成を示す回路図である。FIG. 10 is a circuit diagram showing a configuration of a semiconductor device according to a fourth embodiment.

符号の説明Explanation of symbols

MG,MG1,MG2,MG3 ゲート電極
1,11,21,31,41,51 メモリ素子
2 書き込み用電源回路
3 書き込み終了検出回路
5 計時手段

MG, MG1, MG2, MG3 Gate electrode 1, 11, 21, 31, 41, 51 Memory element 2 Power supply circuit for writing 3 Write end detection circuit 5 Timekeeping means

Claims (16)

ソース領域とドレイン領域との間の半導体層上にトンネル酸化膜が積層され、該トンネル酸化膜上に窒化膜が積層され、該窒化膜上にトップ酸化膜が積層され、該トップ酸化膜上にゲート電極が積層されており、前記窒化膜に、前記トンネル酸化膜を介して前記半導体層から供給されたホットエレクトロンを蓄積することによってデータを記憶するメモリ素子と、
前記メモリ素子にデータを書き込む際に、前記メモリ素子のしきい値電圧が、前記ゲート電極に印加した電圧に等しくなるか、またはほぼ等しくなるまで、書き込み動作を行う書き込み用電源回路と、
を備えることを特徴とする半導体装置。
A tunnel oxide film is stacked on the semiconductor layer between the source region and the drain region, a nitride film is stacked on the tunnel oxide film, a top oxide film is stacked on the nitride film, and a top oxide film is stacked on the top oxide film. A gate electrode, and a memory element that stores data by accumulating hot electrons supplied from the semiconductor layer via the tunnel oxide film in the nitride film;
A power supply circuit for writing that performs a write operation until a threshold voltage of the memory element is equal to or substantially equal to a voltage applied to the gate electrode when data is written to the memory element;
A semiconductor device comprising:
前記書き込み用電源回路は、前記メモリ素子に流れるドレイン電流の電流量がゼロまたはほぼゼロになるまで、書き込み動作を行うことを特徴とする請求項1に記載の半導体装置。   The semiconductor device according to claim 1, wherein the write power supply circuit performs a write operation until the amount of drain current flowing through the memory element becomes zero or substantially zero. 前記書き込み用電源回路は、前記メモリ素子に流れるドレイン電流の電流量が、書き込み開始時のドレイン電流の電流量の1/2以下になるまで、書き込み動作を行うことを特徴とする請求項1に記載の半導体装置。   The write power supply circuit performs a write operation until a current amount of a drain current flowing through the memory element is equal to or less than a half of a current amount of a drain current at the start of writing. The semiconductor device described. 前記ドレイン電流の電流量に基づいて、前記書き込み用電源回路の書き込み動作を停止させる書き込み終了検出回路を、さらに備えることを特徴とする請求項2または3に記載の半導体装置。   4. The semiconductor device according to claim 2, further comprising a write end detection circuit that stops a write operation of the write power supply circuit based on a current amount of the drain current. 前記書き込み用電源回路は、データの書き込み時に、前記ゲート電極に印加する電圧として、2種類以上の異なる電圧を発生することを特徴とする請求項1〜4のいずれか一つに記載の半導体装置。   5. The semiconductor device according to claim 1, wherein the write power supply circuit generates two or more different voltages as a voltage to be applied to the gate electrode when writing data. 6. . ソース領域とドレイン領域との間の半導体層上にトンネル酸化膜が積層され、該トンネル酸化膜上に窒化膜が積層され、該窒化膜上にトップ酸化膜が積層され、該トップ酸化膜上にゲート電極が積層されており、前記窒化膜に、前記トンネル酸化膜を介して前記半導体層から供給されたホットエレクトロンを蓄積することによってデータを記憶するメモリ素子と、
前記メモリ素子にデータを書き込む際に、100ミリ秒以上の間、書き込み動作を行う書き込み用電源回路と、
を備えることを特徴とする半導体装置。
A tunnel oxide film is stacked on the semiconductor layer between the source region and the drain region, a nitride film is stacked on the tunnel oxide film, a top oxide film is stacked on the nitride film, and a top oxide film is stacked on the top oxide film. A gate electrode, and a memory element that stores data by accumulating hot electrons supplied from the semiconductor layer via the tunnel oxide film in the nitride film;
A power supply circuit for writing that performs a writing operation for 100 milliseconds or more when data is written to the memory element;
A semiconductor device comprising:
データの書き込み開始と同時に計時を開始し、100ミリ秒以上の所定の時間が経過した時点で、前記書き込み用電源回路の書き込み動作を停止させる計時手段を、さらに備えることを特徴とする請求項6に記載の半導体装置。   7. The clocking device according to claim 6, further comprising timing means for starting timing simultaneously with the start of data writing and stopping the writing operation of the power supply circuit for writing when a predetermined time of 100 milliseconds or more has elapsed. A semiconductor device according to 1. 前記書き込み用電源回路は、データの書き込み時に、前記ゲート電極に印加する電圧として、2種類以上の異なる電圧を発生することを特徴とする請求項6または7に記載の半導体装置。   8. The semiconductor device according to claim 6, wherein the write power supply circuit generates two or more different voltages as voltages to be applied to the gate electrode when writing data. ソース領域とドレイン領域との間の半導体層上にトンネル酸化膜が積層され、該トンネル酸化膜上に窒化膜が積層され、該窒化膜上にトップ酸化膜が積層され、該トップ酸化膜上にゲート電極が積層されており、前記窒化膜に、前記トンネル酸化膜を介して前記半導体層から供給されたホットエレクトロンを蓄積することによってデータを記憶し、かつデータが書き込まれた状態のときのしきい値電圧が、データ書き込み時に前記ゲート電極に印加された電圧に等しくなるか、またはほぼ等しくなるメモリ素子と、
前記メモリ素子にデータが書き込まれる際に、前記メモリ素子に流れるドレイン電流の停止レベルを検出するとともに、ドレイン電流の停止レベルを検出したときに前記メモリ素子への書き込みを停止させる書き込み終了検出回路と、
を備えることを特徴とする半導体装置。
A tunnel oxide film is stacked on the semiconductor layer between the source region and the drain region, a nitride film is stacked on the tunnel oxide film, a top oxide film is stacked on the nitride film, and a top oxide film is stacked on the top oxide film. A gate electrode is stacked, data is stored by storing hot electrons supplied from the semiconductor layer via the tunnel oxide film in the nitride film, and data is written. A memory element having a threshold voltage equal to or substantially equal to a voltage applied to the gate electrode during data writing;
A write end detection circuit that detects a stop level of a drain current flowing through the memory element when data is written to the memory element, and that stops writing to the memory element when the stop level of the drain current is detected; ,
A semiconductor device comprising:
ソース領域とドレイン領域との間の半導体層上にトンネル酸化膜が積層され、該トンネル酸化膜上に窒化膜が積層され、該窒化膜上にトップ酸化膜が積層され、該トップ酸化膜上にゲート電極が積層されており、前記窒化膜に、前記トンネル酸化膜を介して前記半導体層から供給されたホットエレクトロンを蓄積することによってデータを記憶し、かつデータの書き込み時に前記ゲート電極に印加される電圧に応じて異なるしきい値電圧を実現する半導体装置であって、
データが書き込まれた状態のしきい値電圧が、データの書き込み時に前記ゲート電極に印加された電圧に等しいか、またはほぼ等しいことを特徴とする半導体装置。
A tunnel oxide film is stacked on the semiconductor layer between the source region and the drain region, a nitride film is stacked on the tunnel oxide film, a top oxide film is stacked on the nitride film, and a top oxide film is stacked on the top oxide film. A gate electrode is stacked, and data is stored in the nitride film by accumulating hot electrons supplied from the semiconductor layer via the tunnel oxide film, and is applied to the gate electrode when data is written. A semiconductor device that realizes different threshold voltages depending on the voltage to be
A semiconductor device, wherein a threshold voltage in a state where data is written is equal to or substantially equal to a voltage applied to the gate electrode when data is written.
ソース領域とドレイン領域との間の半導体層上にトンネル酸化膜が積層され、該トンネル酸化膜上に窒化膜が積層され、該窒化膜上にトップ酸化膜が積層され、該トップ酸化膜上にゲート電極が積層されており、前記窒化膜に、前記トンネル酸化膜を介して前記半導体層から供給されたホットエレクトロンを蓄積することによってデータを記憶するメモリ素子にデータを書き込むにあたって、
前記メモリ素子のしきい値電圧が、前記ゲート電極に印加した電圧に等しくなるか、またはほぼ等しくなるまで、書き込み動作を行うことを特徴とする半導体装置のデータ書き込み方法。
A tunnel oxide film is stacked on the semiconductor layer between the source region and the drain region, a nitride film is stacked on the tunnel oxide film, a top oxide film is stacked on the nitride film, and a top oxide film is stacked on the top oxide film. When writing data to a memory element that stores data by accumulating hot electrons supplied from the semiconductor layer via the tunnel oxide film, the gate electrode is stacked.
A data writing method for a semiconductor device, wherein a writing operation is performed until a threshold voltage of the memory element becomes equal to or substantially equal to a voltage applied to the gate electrode.
前記メモリ素子に流れるドレイン電流の電流量がゼロまたはほぼゼロになるまで、書き込み動作を行うことを特徴とする請求項11に記載の半導体装置のデータ書き込み方法。   12. The method of writing data in a semiconductor device according to claim 11, wherein the write operation is performed until the amount of drain current flowing through the memory element becomes zero or substantially zero. 前記メモリ素子に流れるドレイン電流の電流量が、書き込み開始時のドレイン電流の電流量の1/2以下になるまで、書き込み動作を行うことを特徴とする請求項11に記載の半導体装置のデータ書き込み方法。   12. The data write of the semiconductor device according to claim 11, wherein the write operation is performed until the amount of drain current flowing through the memory element becomes ½ or less of the amount of drain current at the start of writing. Method. 前記メモリ素子に書き込まれるデータに応じて、前記ゲート電極に、2種類以上の異なる電圧のうちのいずれかを印加することを特徴とする請求項11〜13のいずれか一つに記載の半導体装置のデータ書き込み方法。   14. The semiconductor device according to claim 11, wherein any one of two or more different voltages is applied to the gate electrode in accordance with data written to the memory element. Data writing method. ソース領域とドレイン領域との間の半導体層上にトンネル酸化膜が積層され、該トンネル酸化膜上に窒化膜が積層され、該窒化膜上にトップ酸化膜が積層され、該トップ酸化膜上にゲート電極が積層されており、前記窒化膜に、前記トンネル酸化膜を介して前記半導体層から供給されたホットエレクトロンを蓄積することによってデータを記憶するメモリ素子にデータを書き込むにあたって、
100ミリ秒以上の間、書き込み動作を行うことを特徴とする半導体装置のデータ書き込み方法。
A tunnel oxide film is stacked on the semiconductor layer between the source region and the drain region, a nitride film is stacked on the tunnel oxide film, a top oxide film is stacked on the nitride film, and a top oxide film is stacked on the top oxide film. When writing data to a memory element that stores data by accumulating hot electrons supplied from the semiconductor layer via the tunnel oxide film, the gate electrode is stacked.
A data writing method for a semiconductor device, wherein a writing operation is performed for 100 milliseconds or more.
前記メモリ素子に書き込まれるデータに応じて、前記ゲート電極に、2種類以上の異なる電圧のうちのいずれかを印加することを特徴とする請求項15に記載の半導体装置のデータ書き込み方法。


16. The data writing method for a semiconductor device according to claim 15, wherein one of two or more different voltages is applied to the gate electrode in accordance with data written to the memory element.


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