JP2008052811A - Nonvolatile semiconductor device - Google Patents

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Sayako Fujii
紗耶子 藤井
Takahiro Nakauchi
孝浩 中内
Kiyomi Naruge
清実 成毛
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a semiconductor storage device wherein erroneous writing and erroneous erasure in a memory cell associated with minuteness of the memory cell are reduced. <P>SOLUTION: The nonvolatile semiconductor device wherein a charge storage layer and a control gate layer are layered on a channel via an insulating film and memory cells MC11 to MC1n, ..., MCm1 to MCmn each having a diffusion layer forming a current path are disposed in a matrix shape sandwiching the channel and which has bit lines BL1 to BLn connected to the diffusion layers of the plurality of memory cells MC11 to MC1n, ..., MCm1 to MCmn is provided with transistors TR1 to TRn connected to the bit lines BL1 to BLn and discharging voltage applied to the diffusion layers of the memory cells MC11 to MCmn and having a prescribed value or more. Drains of the transistors TR1 to TRn are connected to the bit lines BL1 to BLn and sources thereof are grounded. Each of the transistors TR1 to TRn has a prescribed threshold and is carried out diode-connection. <P>COPYRIGHT: (C)2008,JPO&INPIT

Description

本発明は、不揮発性半導体装置に関する。   The present invention relates to a nonvolatile semiconductor device.

電気的書き換えを可能としたEEPROMとして、従来、NOR型EEPROMがある。NOR型EEPROMの1つのメモリセルは、半導体基板上に絶縁膜を介して浮遊ゲート(電荷蓄積層)と制御ゲートとが積層されたMOSFET構造を有する。複数個のメモリセルは、N−チャネル型MOSFETの場合、そのドレイン・ゲートをビット線・ワード線に接続した、マトリクス配列されたNOR型メモリセルユニットを構成する。このようなNOR型EEPROMとしては、例えば、特許文献1記載のような技術文献も開示されている。   Conventionally, there is a NOR type EEPROM that can be electrically rewritten. One memory cell of a NOR type EEPROM has a MOSFET structure in which a floating gate (charge storage layer) and a control gate are stacked on a semiconductor substrate via an insulating film. In the case of an N-channel type MOSFET, the plurality of memory cells constitute a NOR type memory cell unit arranged in a matrix in which drains and gates thereof are connected to bit lines and word lines. As such a NOR type EEPROM, for example, a technical document as disclosed in Patent Document 1 is also disclosed.

上記NOR型メモリセルのようなチャネルホットエレクトロンプログラム方式(ソース・ドレイン間に電位差を与え、チャネル電流を流しホットエレクトロンを発生させ書き込みを行う方式)を用いた不揮発性メモリセルであれば、プログラミングにドレインパルス電圧印加方式を使用する。このNOR型メモリセルにおいて、メモリセルを微細化していく場合、以下の2つの問題点を解決しなければならない。   If it is a non-volatile memory cell using a channel hot electron programming system (a system in which a potential difference is applied between the source and drain, a channel current is passed to generate hot electrons and writing is performed) like the NOR type memory cell, programming is possible. The drain pulse voltage application method is used. In the NOR type memory cell, when the memory cell is miniaturized, the following two problems must be solved.

1点目は、ゲート長を短縮化していくとドレイン耐圧が低下する一方、書き込みに必要なドレイン電圧はゲート長の短縮化とともに低減できないという問題である。一般的に、浮遊ゲート型の不揮発性メモリセルにおいて、Si基板中にある電子を浮遊ゲートへ注入する方式のプログラミングでは、基板中の電子がトンネル酸化膜のエネルギー障壁を越えるためのエネルギーが必要となる。チャネルホットエレクトロンプログラミング方式を使用する場合、そのエネルギーを獲得するためにはドレインに酸化膜の障壁を超えるだけのエネルギーに相当する電圧、およそ3〜4V以上を印加する必要がある。しかしながら、ゲート長を短縮していくとドレイン耐圧は低下していく。すなわち、ゲート長を短縮化してもプログラミングに必要な最小ドレイン電圧(上記3〜4V)は変わらず、ドレイン耐圧の低下だけが一方的に進むので、プログラミング時のドレイン電圧のマージンは確保できなくなってゆく問題が発生する。   The first problem is that when the gate length is shortened, the drain breakdown voltage decreases, while the drain voltage required for writing cannot be reduced along with the shortening of the gate length. Generally, in a floating gate type non-volatile memory cell, programming in which electrons in a Si substrate are injected into the floating gate requires energy for electrons in the substrate to cross the energy barrier of the tunnel oxide film. Become. When the channel hot electron programming method is used, in order to acquire the energy, it is necessary to apply a voltage corresponding to energy sufficient to exceed the barrier of the oxide film to the drain, approximately 3 to 4 V or more. However, the drain breakdown voltage decreases as the gate length is shortened. That is, even if the gate length is shortened, the minimum drain voltage (3 to 4 V) required for programming does not change, and only the drain breakdown voltage decreases unilaterally. Therefore, the drain voltage margin during programming cannot be secured. Problems will occur.

2点目は、メモリセルを微細化していくとドレイン負荷抵抗が増加する結果、ドレイン電圧をある程度増分しないとプログラミングできず、プログラミング終了時にはセルのドレインにドレイン耐圧を超える電圧が印加されてしまう可能性を生ずるという問題点である。ドレイン耐圧を超えた場合、選択セルはプログラミング閾値の低下、非選択セルはドレインディスターブ(Drain Disturb)が発生し、ひどい場合は誤書き込み、誤消去が発生する。これは、ドレインコンタクトサイズ縮小に伴うドレインコンタクト抵抗の増加、ビット線配線幅と膜厚の縮小に伴うビット線抵抗の増加、さらには、セルサイズ縮小に伴うカラムゲートのチャネル抵抗の増加により、セルのドレイン側につく負荷抵抗値が大きくなることに起因する。   Secondly, as the memory cell is miniaturized, the drain load resistance increases. As a result, the drain voltage cannot be programmed unless the drain voltage is increased to some extent, and a voltage exceeding the drain withstand voltage may be applied to the drain of the cell at the end of programming. It is a problem of producing sex. When the drain withstand voltage is exceeded, the programming threshold is lowered in the selected cell, and drain disturb occurs in the non-selected cell. In severe cases, erroneous writing and erroneous erasing occur. This is because the drain contact resistance increases as the drain contact size decreases, the bit line resistance increases as the bit line wiring width and film thickness decrease, and the column gate channel resistance increases as the cell size decreases. This is because the load resistance value on the drain side increases.

次に、上記のように負荷抵抗値の増大によりプログラミング閾値の低下、及び誤書き込みが生じる仕組みを説明する。チャネルホットエレクトロンプログラミング方式のようなチャネル電流を必要とするプログラミング方式の場合、ドレイン負荷抵抗では電圧降下V=(負荷抵抗R)×(チャネル電流I)が起こる。そのため、セルのドレインにプログラミングに必要な最小電圧(3〜4V)以上の電圧、言い換えると、ドレイン負荷抵抗の電圧降下分を加えたプログラミング電圧を印加する必要がある。ここで問題となるのは、プログラミングが終了した時点でのセルのドレイン耐圧である。すなわち、ゲート長を短縮化したメモリセルのドレイン耐圧は低下している。そのセルがプログラミングされると浮遊ゲートに電子が注入されるため閾値が上昇し、チャネル電流が減少する。その結果、負荷抵抗の電圧降下分が低下し、セルのドレインにはプログラミング開始時点でのドレイン電圧以上が印加される。もしも、その電圧がドレイン耐圧以上となる場合、プログラミングする選択セルでは、ドレインでホットホールが発生し、浮遊ゲートへ注入されてしまうので、せっかく書き込んだ閾値が低下してしまう恐れがある。   Next, a description will be given of a mechanism in which a decrease in programming threshold and erroneous writing occur due to an increase in load resistance value as described above. In the case of a programming method that requires a channel current such as the channel hot electron programming method, a voltage drop V = (load resistance R) × (channel current I) occurs in the drain load resistance. Therefore, it is necessary to apply a voltage equal to or higher than the minimum voltage (3 to 4 V) necessary for programming to the cell drain, in other words, a programming voltage including a voltage drop of the drain load resistance. The problem here is the drain breakdown voltage of the cell when programming is completed. That is, the drain breakdown voltage of the memory cell with a shortened gate length is lowered. When the cell is programmed, electrons are injected into the floating gate, increasing the threshold and reducing the channel current. As a result, the voltage drop of the load resistance is reduced, and the drain voltage at the start of programming is applied to the drain of the cell. If the voltage exceeds the drain breakdown voltage, a hot cell is generated in the drain in the selected cell to be programmed and injected into the floating gate, so that the written threshold may be lowered.

一方、選択セルとビット線が共通な非選択セル(プログラミングを行わないがドレインにパルス電圧が印加されるセル)においては、データの保持が2値/セル方式の場合、プログラミングされていないセルでは、ドレイン耐圧以上の電圧が印加されてしまうと、そのドレインで発生するホットエレクトロンが浮遊ゲートに注入されてしまう。つまり、閾値が上昇し誤書き込み(ドレインディスターブ)が発生する。他方、プログラミングされているセルでは、そのドレインで発生するホットホールが浮遊ゲートに注入されるので、閾値が低下してしまう誤消去(ドレインディスターブ)が発生する。   On the other hand, in a non-selected cell (a cell in which a pulse voltage is applied to the drain without performing programming) in which the selected cell and the bit line are common, in a case where data is held in a binary / cell system, When a voltage higher than the drain breakdown voltage is applied, hot electrons generated at the drain are injected into the floating gate. That is, the threshold value rises and erroneous writing (drain disturb) occurs. On the other hand, in a programmed cell, hot holes generated at the drain thereof are injected into the floating gate, so that erroneous erasure (drain disturb) that lowers the threshold value occurs.

以上のような2つの問題を解決しなければ、チャネルホットエレクトロンプログラミング方式でかつ、ドレインパルス電圧印加方式のメモリセルを微細化していくことはできない。
特開平07−30000号公報
Unless the above two problems are solved, it is impossible to miniaturize a memory cell of the channel hot electron programming method and of the drain pulse voltage application method.
Japanese Patent Application Laid-Open No. 07-30000

本発明は、微細化に伴うメモリセルへの誤書き込み及び誤消去を低減した半導体記憶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 memory device in which erroneous writing and erroneous erasing to a memory cell due to miniaturization are reduced.

本発明に係る不揮発性半導体装置は、チャネル上に絶縁膜を介して電荷蓄積層、制御ゲート層が積層され、当該チャネルを挟んで電流経路を形成する拡散層を設けたメモリセルがマトリクス状に配置され、複数の前記メモリセルの拡散層に接続されたビット線を有する不揮発性半導体装置において、前記ビット線に接続され、前記拡散層にかかる所定値以上の電圧を放電するスイッチング素子を備えることを特徴とする。   In the nonvolatile semiconductor device according to the present invention, a memory cell having a charge accumulation layer and a control gate layer laminated on a channel via an insulating film and a diffusion layer forming a current path across the channel is arranged in a matrix. A non-volatile semiconductor device having a bit line arranged and connected to a diffusion layer of a plurality of memory cells, comprising a switching element connected to the bit line and discharging a voltage of a predetermined value or more applied to the diffusion layer. It is characterized by.

この発明によれば、微細化に伴うメモリセルへの誤書き込み及び誤消去を低減した半導体記憶装置を提供することが可能となる。   According to the present invention, it is possible to provide a semiconductor memory device in which erroneous writing and erroneous erasing to a memory cell due to miniaturization are reduced.

まず、図6〜図8を参照して、従来のNOR型不揮発性半導体メモリセルアレイについて説明する。   First, a conventional NOR type nonvolatile semiconductor memory cell array will be described with reference to FIGS.

図6を参照してドレインパルス印加方式のプログラミング方式を説明する。図6は、従来のチャネルホットエレクトロンプログラミング方式の浮遊ゲート構造を持つNOR型不揮発性半導体メモリセルアレイの回路図である。図6に示すように、NOR型不揮発性半導体メモリセルアレイは、複数のメモリセルMC11〜MC1n,・・・,MCm1〜MCmnと、複数のワード線WL1〜WLnと、複数のビット線BL1〜BLnとにより構成されている。   The programming method of the drain pulse application method will be described with reference to FIG. FIG. 6 is a circuit diagram of a NOR type nonvolatile semiconductor memory cell array having a floating channel structure of a conventional channel hot electron programming method. 6, the NOR type nonvolatile semiconductor memory cell array includes a plurality of memory cells MC11 to MC1n,..., MCm1 to MCmn, a plurality of word lines WL1 to WLn, and a plurality of bit lines BL1 to BLn. It is comprised by.

ここで、点線で囲まれたメモリセルMC22(選択セルS)に対してプログラミングを行う場合、まずはワード線を選択(選択ワード線)し、9〜10Vの電圧を印加する。ワード線の電圧が安定した時点で、選択したビット線(選択ビット線)にドレインパルス電圧4〜5Vを印加する。印加されたセルのソース、ドレイン間ではプログラミング電流が流れ始め、ドレイン端でホットエレクトロンが発生する。そして、そのホットエレクトロンは、浮遊ゲートに注入される。このとき、図6に示すように、選択ビット線BL2には、選択セルS(MC22)のほか、プログラミングしない非選択セルMC12,MC32〜MCm2が繋がっている。通常、選択ビット線BL2には、選択セルS(MC22)の電流と非選択セルMC12,MC32〜MCm2の合計電流が流れることになる。   Here, when programming is performed on the memory cell MC22 (selected cell S) surrounded by a dotted line, first, a word line is selected (selected word line), and a voltage of 9 to 10 V is applied. When the voltage of the word line is stabilized, a drain pulse voltage of 4 to 5 V is applied to the selected bit line (selected bit line). A programming current begins to flow between the source and drain of the applied cell, and hot electrons are generated at the drain end. Then, the hot electrons are injected into the floating gate. At this time, as shown in FIG. 6, in addition to the selected cell S (MC22), non-programmed cells MC12 and MC32 to MCm2 that are not programmed are connected to the selected bit line BL2. Normally, the current of the selected cell S (MC22) and the total current of the non-selected cells MC12, MC32 to MCm2 flow through the selected bit line BL2.

ここで、選択セルMC22だけに注目した簡略図(図7)を使用してプログラミング時のビット線電流を説明する。なお、実際には、非選択セルMC12,MC32〜MCm2にもある程度の電流は流れるが非選択セルのリーク電流は、非常に小さいので、無視している。図7に示すように、メモリセルMC11〜MC1n,・・・,MCm1〜MCmnには、ドレイン負荷抵抗Rがつく。この負荷抵抗Rは、セルのコンタクト抵抗やビット線の配列抵抗、そして、カラムゲートのチャネル抵抗等を含むものである。この抵抗値Rは、微細化を進めていくと、大きな値となる。この微細に伴う抵抗値Rの増大は、上述したように、ドレインコンタクトサイズ縮小、ビット線配線幅と膜厚の縮小、カラムゲートのチャネル抵抗の増加等により生じるものである。   Here, the bit line current at the time of programming will be described using a simplified diagram (FIG. 7) focusing on only the selected cell MC22. In practice, a certain amount of current also flows through the unselected cells MC12, MC32 to MCm2, but the leakage current of the unselected cells is very small and is ignored. As shown in FIG. 7, the drain load resistance R is applied to the memory cells MC11 to MC1n,..., MCm1 to MCmn. The load resistance R includes cell contact resistance, bit line array resistance, column gate channel resistance, and the like. The resistance value R increases as the miniaturization proceeds. As described above, the increase in the resistance value R due to the fineness is caused by the drain contact size reduction, the bit line wiring width and film thickness reduction, the column gate channel resistance increase, and the like.

次に、図8を参照してプログラミング時のビット線電流を説明する。図8において、左側の図は、セルに印加するドレイン電圧とチャネル電流の関係を示すものであり、右側の図は、メモリセルMC11〜MC1n,・・・,MCm1〜MCmnのプログラミング電圧の閾値の分布を示す図である。図8の抵抗Rの負荷線Lrは、図7の負荷抵抗Rによるものである。プログラミング時においては、メモリセルMC11〜MC1n,・・・,MCm1〜MCmnのドレインにパルス電圧を印加するのでチャネル電流が流れ、ビット線電流は、破線のような静特性に沿って、電流が増加していく。そして、ドレイン負荷抵抗Rが大きい場合、電圧降下、V=(負荷抵抗R)×(ビット線電流I)が発生するので、プログラミング電流は、負荷抵抗線との交点Aで止まる。そして、ドレイン近傍でホットエレクトロンが発生すると、除々にプログラミングが始まり、閾値は低下し、プログラミング電流はB点まで低下する。実際はメモリセルMC11〜MC1n,・・・,MCm1〜MCmnの寸法のばらつき等の影響で、図8に示すようなVth分布を持ち、B’点まで低下するものもある。その後、電流は破線の静特性を通って0Vまで戻り、プログラミングは終了する。この場合のプログラミングの電圧の最大値はB’点の電圧となる。微細化されていない状態にあっては、図8に示すように、メモリセルのドレイン耐圧D点(パンチスルー電圧)が、B’点よりも十分大きいため、ドレイン耐圧による選択セルプログラミング電圧の閾値の低下や非選択セルのドレインディスターブは特に問題ならなかった。   Next, the bit line current during programming will be described with reference to FIG. 8, the left diagram shows the relationship between the drain voltage applied to the cell and the channel current, and the right diagram shows the programming voltage threshold values of the memory cells MC11 to MC1n,..., MCm1 to MCmn. It is a figure which shows distribution. The load line Lr of the resistor R in FIG. 8 is due to the load resistor R in FIG. At the time of programming, a pulse voltage is applied to the drains of the memory cells MC11 to MC1n,..., MCm1 to MCmn, so that a channel current flows, and the bit line current increases along the static characteristics as indicated by the broken line. I will do it. When the drain load resistance R is large, a voltage drop V = (load resistance R) × (bit line current I) occurs, so that the programming current stops at the intersection A with the load resistance line. When hot electrons are generated near the drain, programming starts gradually, the threshold value decreases, and the programming current decreases to point B. Actually, some of the memory cells MC11 to MC1n,..., MCm1 to MCmn have a Vth distribution as shown in FIG. Thereafter, the current returns to 0V through the static characteristic of the broken line, and the programming ends. In this case, the maximum programming voltage is the voltage at the B 'point. In the non-miniaturized state, as shown in FIG. 8, since the drain breakdown voltage point D (punch through voltage) of the memory cell is sufficiently larger than the B ′ point, the threshold of the selected cell programming voltage due to the drain breakdown voltage. There was no particular problem with the decrease of the drain and the drain disturbance of the non-selected cells.

このようなNOR型不揮発性半導体メモリセルについて微細化を進めていくと、上述した2つの問題が発生する。次に、図9を参照して、NOR型不揮発性半導体メモリセルの微細化における問題点を説明する。図9は、従来のNOR型不揮発性半導体メモリセルにおいて、微細化した状態のドレイン電圧特性を示す図である。   When miniaturization of such a NOR type nonvolatile semiconductor memory cell is advanced, the above-described two problems occur. Next, a problem in miniaturization of a NOR type nonvolatile semiconductor memory cell will be described with reference to FIG. FIG. 9 is a diagram showing drain voltage characteristics in a miniaturized state in a conventional NOR type nonvolatile semiconductor memory cell.

1つ目の問題は、ゲート長の短縮によるドレイン耐圧の低下である。その結果、図8と比較して、図9においては、書き込み開始A点とドレイン耐圧の低下によるブレイクダウン電圧C点(或いはC’点)の電圧差が小さくなっていることが解る。すなわち、ゲート長を短縮化しても、プログラミングに必要な最小ドレイン電圧は変わらず、ドレイン耐圧の低下だけが一方的に進み、プログラミング時のドレイン電圧のマージンは確保できない。   The first problem is a decrease in the drain breakdown voltage due to the shortening of the gate length. As a result, it can be seen that in FIG. 9, the voltage difference between the write start point A and the breakdown voltage point C (or point C ′) due to the decrease in the drain breakdown voltage is smaller than in FIG. That is, even if the gate length is shortened, the minimum drain voltage required for programming does not change, only the drain breakdown voltage decreases unilaterally, and a drain voltage margin during programming cannot be secured.

2つ目の問題は、ドレインコンタクトサイズ縮小、及びビット線配線幅と膜厚の縮小によるドレイン負荷抵抗の増加である。セルがプログラミングされると浮遊ゲートに電子が注入されるため閾値が上昇し、プログラミング電流が減少する。その結果、負荷抵抗Rによる電圧降下Vが低下するので、A点からドレイン電圧が上昇し、図9に示すようにドレイン耐圧(C’点)以上の電圧(B’点)がドレインにかかることになる。このような状態のとき、プログラミングする選択セルでは、ドレインでホットホールが発生し、浮遊ゲートに注入されてしまうので、せっかく書き込んだ閾値が低下してしまう。一方、プログラミングされていないセルでは、ドレインにドレイン耐圧以上の電圧が印加されてしまうと、そのドレインで発生するホットエレクトロンが浮遊ゲートに注入されてしまうので、閾値が上昇し誤書き込みが発生する。   The second problem is an increase in drain load resistance due to a reduction in drain contact size and a reduction in bit line wiring width and film thickness. When the cell is programmed, electrons are injected into the floating gate, increasing the threshold and reducing the programming current. As a result, since the voltage drop V due to the load resistance R decreases, the drain voltage rises from the point A, and as shown in FIG. 9, a voltage higher than the drain breakdown voltage (point C ′) (point B ′) is applied to the drain. become. In such a state, in the selected cell to be programmed, a hot hole is generated in the drain and injected into the floating gate, so that the written threshold value is lowered. On the other hand, in a non-programmed cell, if a voltage higher than the drain breakdown voltage is applied to the drain, hot electrons generated in the drain are injected into the floating gate, so that the threshold value increases and erroneous writing occurs.

従来のNOR型不揮発性半導体メモリセルアレイは、このような問題点を有するものであった。   The conventional NOR type nonvolatile semiconductor memory cell array has such problems.

[第1実施形態]
次に、図1A〜図3を参照して、本発明の第1実施形態に係るNOR型不揮発性半導体メモリセルについて説明する。
[First Embodiment]
Next, a NOR type nonvolatile semiconductor memory cell according to the first embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS.

図1Aは、本発明の第1実施形態に係るNOR型の不揮発性半導体メモリにおけるメモリセルアレイの一部構成を示す回路図である。図1Aに示すように、NOR型の不揮発性半導体メモリは、複数のメモリセルMC11〜MC1n,・・・,MCm1〜MCmnと、複数のワード線WL1〜WLnと、複数のビット線BL1〜BLnとにより構成されている。   FIG. 1A is a circuit diagram showing a partial configuration of a memory cell array in the NOR type nonvolatile semiconductor memory according to the first embodiment of the present invention. As shown in FIG. 1A, a NOR type nonvolatile semiconductor memory includes a plurality of memory cells MC11 to MC1n,..., MCm1 to MCmn, a plurality of word lines WL1 to WLn, and a plurality of bit lines BL1 to BLn. It is comprised by.

図1Bは、各メモリセルMC11〜MCmnの概略構成を示す図である。図1Bに示すように、各メモリセルMC11〜MCmnは、P型半導体基板Subと、その表面に形成されたN+型拡散層Difとを有している。また、各メモリセルMC11〜MCmnのN+型拡散層Dif間にあって、P型半導体基板Subの表面には、絶縁層Inを介して、電荷蓄積層(浮遊ゲート)CAが積層され、さらに、その電荷蓄積層CA上には、絶縁層Inを介して、ワード線WL1〜WLnに接続される制御ゲート層CGが積層されている。なお、一方のN+型拡散層Difは、ソース層Sとして機能し、他方のN+型拡散層Difは、ドレイン層Dとして機能する。つまり、各メモリセルMC11〜MCmnは、nチャネルMOSFET構造を有している。   FIG. 1B is a diagram showing a schematic configuration of each of the memory cells MC11 to MCmn. As shown in FIG. 1B, each of the memory cells MC11 to MCmn has a P-type semiconductor substrate Sub and an N + type diffusion layer Dif formed on the surface thereof. In addition, a charge storage layer (floating gate) CA is stacked on the surface of the P-type semiconductor substrate Sub between the N + type diffusion layers Dif of the memory cells MC11 to MCmn via the insulating layer In. On the storage layer CA, a control gate layer CG connected to the word lines WL1 to WLn is stacked via an insulating layer In. One N + type diffusion layer Dif functions as the source layer S, and the other N + type diffusion layer Dif functions as the drain layer D. That is, each of the memory cells MC11 to MCmn has an n-channel MOSFET structure.

これら各メモリセルMC11〜MCmnは、そのドレイン層Dをビット線BL1〜BLnに接続し、その制御ゲート層CGをワード線WL1〜WLnに接続し、そのソース層Sを接地している。このように形成されたドレイン層D及び制御ゲート層CGに所定電圧を印加することにより、P型半導体基板Sub表面のソース層S及びドレイン層D間(チャネル)に電流経路が形成され、チャネル電流が流れ、チャネルホットエレクトロンプログラミングにより書き込みが行われる。   Each of these memory cells MC11 to MCmn has its drain layer D connected to bit lines BL1 to BLn, its control gate layer CG connected to word lines WL1 to WLn, and its source layer S grounded. By applying a predetermined voltage to the drain layer D and the control gate layer CG thus formed, a current path is formed between the source layer S and the drain layer D (channel) on the surface of the P-type semiconductor substrate Sub, and the channel current Then, writing is performed by channel hot electron programming.

特に、本発明の第1実施形態に係る不揮発性半導体メモリは、従来例と異なり、ビット線BL1〜BLn毎にn型MOSトランジスタTR1〜TRnが設けられている。各トランジスタTR1〜TRnは、そのドレインをビット線BL1〜BLnに接続し、そのソースを接地している。そして、各トランジスタTR1〜TRnは、所定の閾値を有し、ダイオード接続されている。なお、トランジスタTR1〜TRnが有する所定の閾値電圧は、チャネルの不純物濃度、或いは絶縁膜の膜厚等で調整可能である。   In particular, unlike the conventional example, the nonvolatile semiconductor memory according to the first embodiment of the present invention is provided with n-type MOS transistors TR1 to TRn for each of the bit lines BL1 to BLn. Each transistor TR1 to TRn has its drain connected to the bit lines BL1 to BLn and its source grounded. Each of the transistors TR1 to TRn has a predetermined threshold value and is diode-connected. Note that the predetermined threshold voltage of the transistors TR1 to TRn can be adjusted by the impurity concentration of the channel, the film thickness of the insulating film, or the like.

ここで、選択セルMC22だけに注目した簡略図は、図2に示すようになる。図2に示すように、寄生抵抗Rに接続された選択セルMC22と並列に、トランジスタTR2が接続されている。   Here, a simplified diagram focusing only on the selected cell MC22 is as shown in FIG. As shown in FIG. 2, a transistor TR2 is connected in parallel with the selected cell MC22 connected to the parasitic resistance R.

図3は、本発明の第1実施形態に係るNOR型不揮発性半導体メモリセルのドレイン電圧特性を示す図である。なお、図3は、上述した図8及び図9と同様の構成である。図3に示すように、上記回路を有する不揮発性半導体メモリにおいては、ゲート長を短縮化したことにより、プログラミング時にドレイン耐圧が低下してしまい、書き込み終了電圧B’点が、ブレイクダウン電圧値C’点を越えることとなる。しかしながら、本発明の第1実施形態によれば、プログラミング終了前に、曲線Ltr(選択セル+非選択セル+トランジスタのドレイン特性)に示すように所定の閾値でMOSトランジスタTR1〜TRnをターンオンして、トランジスタTR1〜TRnに大電流を流し、メモリセルのドレインの電圧を放電することができる。したがって、ビット線を流れる電流は、負荷抵抗線とE点で交わり、ドレイン電圧はそれ以上上昇することはない。   FIG. 3 is a diagram showing drain voltage characteristics of the NOR type nonvolatile semiconductor memory cell according to the first embodiment of the present invention. Note that FIG. 3 has the same configuration as that of FIGS. 8 and 9 described above. As shown in FIG. 3, in the non-volatile semiconductor memory having the above-described circuit, the drain withstand voltage is lowered during programming due to the shortened gate length, and the write end voltage B ′ is set at the breakdown voltage value C. 'The point will be exceeded. However, according to the first embodiment of the present invention, before programming, the MOS transistors TR1 to TRn are turned on at a predetermined threshold as shown by the curve Ltr (selected cell + non-selected cell + transistor drain characteristics). A large current can be passed through the transistors TR1 to TRn to discharge the drain voltage of the memory cell. Therefore, the current flowing through the bit line intersects with the load resistance line at point E, and the drain voltage does not rise any further.

したがって、第1実施形態に係るメモリセルアレイは、ドレイン耐圧以下でドレイン電圧の上昇は終了することになり、メモリセルの微細化に伴う誤書き込み、及び誤消去を低減することができる。また、ビット線一本に対して、トランジスタを一つ加える構成であるので、メモリセルアレイの面積の増加も抑制することができる。   Therefore, in the memory cell array according to the first embodiment, the rise of the drain voltage ends when the drain breakdown voltage is lower than the drain breakdown voltage, and erroneous writing and erasing due to the miniaturization of the memory cell can be reduced. In addition, since one transistor is added to one bit line, an increase in the area of the memory cell array can be suppressed.

[第2実施形態]
次に、図4を参照して、本発明の第2実施形態に係る半導体装置について説明する。図4は、第2実施形態に係るNOR型の不揮発性半導体メモリセルにおけるメモリセルアレイの一部構成を示す回路図である。なお、第1実施形態と同様の構成には、同一符号を付し、その説明を省略する。
[Second Embodiment]
Next, a semiconductor device according to the second embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. FIG. 4 is a circuit diagram showing a partial configuration of the memory cell array in the NOR type nonvolatile semiconductor memory cell according to the second embodiment. In addition, the same code | symbol is attached | subjected to the structure similar to 1st Embodiment, and the description is abbreviate | omitted.

図4に示すように、第2実施形態にメモリセルアレイは、第1実施形態のトランジスタTR1〜TRnの替わりに、複数、例えば6つのPN接合ダイオードが直列に接続されたダイオード部DI1〜DInを備えている。これらダイオード部DI1〜DInは、メモリセルMC11〜MCmnの拡散層にかかる所定値以上の電圧を放電する機能を有する。   As shown in FIG. 4, the memory cell array according to the second embodiment includes diode portions DI1 to DIn in which a plurality of, for example, six PN junction diodes are connected in series instead of the transistors TR1 to TRn of the first embodiment. ing. These diode portions DI1 to DIn have a function of discharging a voltage higher than a predetermined value applied to the diffusion layers of the memory cells MC11 to MCmn.

したがって、第2実施形態に係るメモリセルアレイは、第1実施形態と同様にメモリセルの微細化に伴う誤書き込み、誤消去を低減することができる。なお、ダイオード部DI1〜DInに大電流を発生させる閾値電圧の調整は、直列に接続したPN接合ダイオードの数により制御可能である。   Therefore, the memory cell array according to the second embodiment can reduce erroneous writing and erroneous erasing accompanying the miniaturization of the memory cell, as in the first embodiment. The adjustment of the threshold voltage for generating a large current in the diode parts DI1 to DIn can be controlled by the number of PN junction diodes connected in series.

[第3実施形態]
次に、図5を参照して、本発明の第3実施形態に係る半導体装置について説明する。図5は、第3実施形態に係るNOR型の不揮発性半導体メモリセルにおけるメモリセルアレイの一部構成を示す回路図である。なお、第1実施形態と同様の構成には、同一符号を付し、その説明を省略する。
[Third embodiment]
Next, a semiconductor device according to a third embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. FIG. 5 is a circuit diagram showing a partial configuration of a memory cell array in a NOR type nonvolatile semiconductor memory cell according to the third embodiment. In addition, the same code | symbol is attached | subjected to the structure similar to 1st Embodiment, and the description is abbreviate | omitted.

図5に示すように、第3実施形態にメモリセルアレイは、第1実施形態のトランジスタTR1〜TRnの替わりに設けられた電荷蓄積層(浮遊ゲート)を有するトランジスタTR1’〜TRn’と、そのトランジスタTR1’〜TRn’の制御ゲート層に接続された制御回路CC1〜CCnを備える。なお、このトランジスタTR1’〜TRn’は、メモリセルMC11〜MCmnよりも制御ゲート層のゲート長を長く設計し、更にドレイン層の濃度を低濃度化したものである。トランジスタTR1’〜TRn’は、電荷蓄積層に蓄積された電荷の量に従って閾値電圧を変化させることができる。   As shown in FIG. 5, the memory cell array according to the third embodiment includes transistors TR1 ′ to TRn ′ having charge storage layers (floating gates) provided instead of the transistors TR1 to TRn of the first embodiment, and the transistors Control circuits CC1 to CCn connected to the control gate layers of TR1 ′ to TRn ′ are provided. In the transistors TR1 'to TRn', the gate length of the control gate layer is designed longer than that of the memory cells MC11 to MCmn, and the concentration of the drain layer is further reduced. The transistors TR1 'to TRn' can change the threshold voltage according to the amount of charge accumulated in the charge accumulation layer.

制御回路CC1〜CCnは、外部より入力される電圧を読み取り、読み取った電圧に基づき内部電圧を生成し、その内部電圧をトランジスタTR1’〜TRn’の制御ゲート層に印加する機能を有する。   The control circuits CC1 to CCn have a function of reading a voltage input from the outside, generating an internal voltage based on the read voltage, and applying the internal voltage to the control gate layers of the transistors TR1 'to TRn'.

すなわち、トランジスタTR1’〜TRn’は、制御回路CC1〜CCnからの内部電圧に基づき、電流を導通する状態となり、メモリセルMC11〜MCmnの拡散層にかかる所定値以上の電圧を放電する機能を有する。   That is, the transistors TR1 ′ to TRn ′ are in a state of conducting current based on the internal voltages from the control circuits CC1 to CCn, and have a function of discharging a voltage higher than a predetermined value applied to the diffusion layers of the memory cells MC11 to MCmn. .

したがって、第3実施形態に係るメモリセルアレイは、第1実施形態と同様に
メモリセルアレイの微細化に伴う誤書き込み、及び誤消去を低減することができる。また、制御回路CC1〜CCnからトランジスタTR1’〜TRn’の制御ゲート層に印加される電圧により、トランジスタTR1’〜TRn’の電荷蓄積層に注入される電子を制御し、トランジスタTR1’〜TRn’に大電流を発生させる閾値電圧を調整することができる。
Therefore, the memory cell array according to the third embodiment can reduce erroneous writing and erroneous erasure associated with the miniaturization of the memory cell array as in the first embodiment. Further, the electrons applied to the charge storage layers of the transistors TR1 ′ to TRn ′ are controlled by the voltage applied from the control circuits CC1 to CCn to the control gate layers of the transistors TR1 ′ to TRn ′, and the transistors TR1 ′ to TRn ′. The threshold voltage for generating a large current can be adjusted.

以上、発明の実施形態を説明したが、本発明はこれらに限定されるものではなく、発明の趣旨を逸脱しない範囲内において種々の変更、追加、置換等が可能である。例えば、上記第1〜第3実施形態においては、メモリセルに浮遊ゲート構造型を用いたが、MONOS型やSONOS型であってもよい。   As mentioned above, although embodiment of invention was described, this invention is not limited to these, A various change, addition, substitution, etc. are possible within the range which does not deviate from the meaning of invention. For example, in the first to third embodiments, the floating gate structure type is used for the memory cell, but it may be a MONOS type or a SONOS type.

符号の説明Explanation of symbols

MC11〜MCmn…メモリセル、WL1〜WLn…ワード線、BL1〜BLn…ビット線、TR1〜TRn,TR1’〜TRn’…トランジスタ、DI1〜DIn…ダイオード部、CC1〜CCn…制御回路。   MC11 to MCmn ... memory cells, WL1 to WLn ... word lines, BL1 to BLn ... bit lines, TR1 to TRn, TR1 'to TRn' ... transistors, DI1 to DIn ... diode sections, CC1 to CCn ... control circuits.

本発明の第1実施形態に係るNOR型の不揮発性半導体メモリにおけるメモリセルアレイの一部構成を示す回路図である。1 is a circuit diagram showing a partial configuration of a memory cell array in a NOR type nonvolatile semiconductor memory according to a first embodiment of the present invention. 各メモリセルの概略構成を示す図である。It is a figure which shows schematic structure of each memory cell. 選択セルS(MC22)について、トランジスタTR2との関係を示した図である。It is the figure which showed the relationship with transistor TR2 about the selection cell S (MC22). 本発明の第1実施形態に係るNOR型不揮発性半導体メモリセルにおいて、メモリセルを微細化した状態のドレイン電圧特性を示す図である。FIG. 4 is a diagram showing drain voltage characteristics in a state where the memory cell is miniaturized in the NOR type nonvolatile semiconductor memory cell according to the first embodiment of the present invention. 本発明の第2実施形態に係るNOR型の不揮発性半導体メモリにおけるメモリセルアレイの一部構成を示す回路図である。FIG. 5 is a circuit diagram showing a partial configuration of a memory cell array in a NOR type nonvolatile semiconductor memory according to a second embodiment of the present invention. 本発明の第3実施形態に係るNOR型の不揮発性半導体メモリにおけるメモリセルアレイの一部構成を示す回路図である。FIG. 5 is a circuit diagram showing a partial configuration of a memory cell array in a NOR type nonvolatile semiconductor memory according to a third embodiment of the present invention. 従来のNOR型の不揮発性半導体メモリにおけるメモリセルアレイの一部構成を示す回路図である。FIG. 6 is a circuit diagram showing a partial configuration of a memory cell array in a conventional NOR type nonvolatile semiconductor memory. 選択セルS(MC22)について、寄生負荷抵抗Rとの関係を示した図である。It is the figure which showed the relationship with the parasitic load resistance R about the selection cell S (MC22). 従来のNOR型不揮発性半導体メモリセルにおいて、メモリセルを微細化していない場合のドレイン電圧特性を示す図である。In the conventional NOR type non-volatile semiconductor memory cell, it is a figure which shows the drain voltage characteristic when the memory cell is not miniaturized. 従来のNOR型不揮発性半導体メモリセルにおいて、メモリセルを微細化した状態のドレイン電圧特性を示す図である。In the conventional NOR type non-volatile semiconductor memory cell, it is a figure which shows the drain voltage characteristic in the state where the memory cell was miniaturized.

Claims (5)

チャネル上に絶縁膜を介して電荷蓄積層、制御ゲート層が積層され、当該チャネルを挟んで電流経路を形成する拡散層を設けたメモリセルがマトリクス状に配置され、複数の前記メモリセルの拡散層に接続されたビット線を有する不揮発性半導体装置において、
前記ビット線に接続され、前記拡散層にかかる所定値以上の電圧を放電するスイッチング素子を備えることを特徴とする不揮発性半導体装置。
A charge storage layer and a control gate layer are stacked on the channel via an insulating film, and memory cells provided with a diffusion layer that forms a current path across the channel are arranged in a matrix, and a plurality of memory cells are diffused. In a nonvolatile semiconductor device having a bit line connected to a layer,
A nonvolatile semiconductor device comprising a switching element connected to the bit line and discharging a voltage of a predetermined value or more applied to the diffusion layer.
前記スイッチング素子は、一端が前記ビット線に接続され、他端が接地されていることを特徴とする請求項1記載の不揮発性半導体装置。   The nonvolatile semiconductor device according to claim 1, wherein one end of the switching element is connected to the bit line and the other end is grounded. 前記スイッチング素子は、ダイオード接続されたトランジスタであることを特徴とする請求項2記載の不揮発性半導体装置。   The nonvolatile semiconductor device according to claim 2, wherein the switching element is a diode-connected transistor. 前記スイッチング素子は、アノード側が前記ビット線に接続され、カソード側が接地された、直列に接続された複数のダイオードであることを特徴とする請求項1記載の不揮発性半導体装置。   2. The nonvolatile semiconductor device according to claim 1, wherein the switching element is a plurality of diodes connected in series, the anode side being connected to the bit line and the cathode side being grounded. 前記トランジスタは、前記メモリセルと比較して前記制御ゲート層のゲート長が長く、且つ前記メモリセルと比較して前記拡散層の拡散濃度が低濃度であり、電荷蓄積領域を有することを特徴とする請求項2又は3記載の不揮発性半導体装置。   The transistor is characterized in that the gate length of the control gate layer is longer than that of the memory cell, the diffusion concentration of the diffusion layer is lower than that of the memory cell, and has a charge storage region. The nonvolatile semiconductor device according to claim 2.
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