JP2008277747A - Nonvolatile semiconductor storage device and its data rewriting method - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、不揮発性半導体記憶装置及びそのデータ書き換え方法に関するものである。 The present invention relates to a nonvolatile semiconductor memory device and a data rewriting method thereof.
近年、浮遊ゲート電極と制御ゲート電極を有する不揮発性半導体記憶装置において、低電圧でのデータ消去が可能な点から、ドレインと半導体基板との間にアバランシェ降伏を生じさせて、これに伴うホットキャリアを浮遊ゲート電極に注入することにより、データの消去を行うホットホール方式が注目されている(例えば特許文献1参照)。
本発明者は、浮遊ゲート電極と制御ゲート電極が積層された所謂スタックトゲート構造の不揮発性半導体記憶装置において、ソースからドレインに向う電子のうち、高エネルギー状態にある電子(ホットエレクトロン)をドレイン近傍で浮遊ゲート電極に注入して、データの書き込み状態とするホットエレクトロンによるデータ書き込みと、上記したアバランシェ降伏に伴うホットホールによるデータ消去の、書き換え回数による閾値電圧Vtの変化について確認を行った。なお、各書き換え回数においてデータ数はn=5とし、書き換え温度は25℃とした。その結果、書き換え回数が増えるほど、書き込み後(電子注入後)の閾値電圧Vtが低くなることが明らかとなった。すなわち、書き換え可能回数が少ないことが懸念される。 In the nonvolatile semiconductor memory device having a so-called stacked gate structure in which a floating gate electrode and a control gate electrode are stacked, the inventor drains electrons (hot electrons) in a high energy state among electrons from the source to the drain. The change in the threshold voltage Vt due to the number of rewrites was confirmed for the data writing by hot electrons to be in a data writing state by injecting the floating gate electrode in the vicinity and the data erasing by the hot hole accompanying the avalanche breakdown. It should be noted that the number of data in each number of rewrites was n = 5, and the rewrite temperature was 25 ° C. As a result, it was found that the threshold voltage Vt after writing (after electron injection) decreases as the number of rewrites increases. That is, there is a concern that the number of rewritable times is small.
本発明は上記問題点に鑑み、書き換え回数の増加に伴う書き込み後の閾値電圧の低下を抑制することのできる不揮発性半導体記憶装置及びそのデータ書き換え方法を提供することを目的とする。 In view of the above problems, an object of the present invention is to provide a nonvolatile semiconductor memory device and a data rewriting method thereof that can suppress a decrease in threshold voltage after writing accompanying an increase in the number of times of rewriting.
本発明者は、書き換え回数の増加に伴う書き込み後の閾値電圧Vt低下の主要因が、データ消去時のアバランシェ降伏によって絶縁膜にトラップが生じ、このトラップに捕獲される電子量が、書き換え回数の増加に伴って増加することにあることを見出した。以下の発明は、この知見に基づくものである。 The inventor of the present invention is that the main factor of the decrease in the threshold voltage Vt after writing accompanying the increase in the number of rewrites is that a trap occurs in the insulating film due to avalanche breakdown at the time of data erasure, and the amount of electrons trapped in this trap is We found that it is to increase with the increase. The following invention is based on this finding.
上記目的を達成する為に請求項1に記載の不揮発性半導体記憶装置は、第1導電型の半導体基板と、半導体基板の主表面の表層部に互いに離間して形成され、第1導電型とは逆の第2導電型不純物が拡散された領域であるソース及びドレインと、半導体基板のソースとドレインとの間のチャネル形成領域上に絶縁膜を介して配置されたゲート電極として、浮遊ゲート電極と、少なくとも一部が浮遊ゲート電極と容量結合された制御ゲート電極とを備え、アバランシェ降伏により、チャネル形成領域のドレイン近傍端部に生じるホットキャリアによって消去を行う電気的に書き換え可能な不揮発性半導体記憶装置であって、書き込み時においてチャネル形成領域における電界強度が最大となる電界集中部(所謂ピンチオフ点)の位置が、ドレイン近傍端部とは異なり、ドレイン近傍端部とは反対側のソース近傍端部とドレイン近傍端部との間の中間部内とされていることを特徴とする。
In order to achieve the above object, a non-volatile semiconductor memory device according to
本発明によれば、書き込み時において、ソース近傍端部とドレイン近傍端部との間の中間部内の電界集中部で、ソースからドレインに向う電子を高エネルギー状態とすることができる。すなわち、チャネル形成領域のうち、主として電界集中部において、高エネルギー状態にある電子を浮遊ゲート電極に注入することができる。このように、書き込み時における電子注入位置と消去時におけるホットキャリア注入位置が異なるので、書き込み時に絶縁膜のトラップに捕獲される電子量を低減することができる。そして、書き換え回数の増加に伴う書き込み後の閾値電圧の低下を抑制することができる。 According to the present invention, at the time of writing, electrons directed from the source to the drain can be brought into a high energy state at the electric field concentration portion in the intermediate portion between the end portion near the source and the end portion near the drain. That is, electrons in a high energy state can be injected into the floating gate electrode mainly in the electric field concentration portion in the channel formation region. Thus, since the electron injection position at the time of writing is different from the hot carrier injection position at the time of erasing, the amount of electrons captured by the trap of the insulating film at the time of writing can be reduced. And the fall of the threshold voltage after writing accompanying the increase in the frequency | count of rewriting can be suppressed.
なお、チャネル形成領域のドレイン近傍端部とは、消去時にホットキャリアが生じるドレイン端部から所定範囲であり、換言すればアバランシェ降伏によって絶縁膜にトラップが生じる範囲である。また、ソース近傍端部は、ソース側においてドレイン近傍端部と同一幅の範囲である。 Note that the end of the channel formation region near the drain is a predetermined range from the end of the drain where hot carriers are generated during erasing, in other words, a range where traps are generated in the insulating film due to avalanche breakdown. Further, the source vicinity end portion is in the same width range as the drain vicinity end portion on the source side.
具体的には、請求項2に記載のように、電界集中部とドレイン近傍端部との間隔を0.06μm以上とすると良い。このような構成とすると、書き換え回数の増加に伴う書き込み後の閾値電圧の低下をより効果的に抑制することができる。
Specifically, as described in
具体的には、請求項3に記載のように、チャネル形成領域のうち、電界集中部のソース側端部からドレインまでの第1のチャネル形成領域を含む第1のトランジスタと、第1のチャネル形成領域と隣接する第2のチャネル形成領域を含む第2のトランジスタを有し、浮遊ゲート電極が中性状態において、第2のトランジスタの閾値電圧の絶対値が、第1のトランジスタの閾値電圧の絶対値よりも大きくされた構成とすることが好ましい。 Specifically, the first transistor including the first channel forming region from the source side end of the electric field concentration portion to the drain in the channel forming region, and the first channel as defined in claim 3 A second transistor including a second channel formation region adjacent to the formation region, and the floating gate electrode is in a neutral state; the absolute value of the threshold voltage of the second transistor is equal to the threshold voltage of the first transistor; It is preferable to make the configuration larger than the absolute value.
このような構成とすると、ともに第1導電型である第1のチャネル形成領域と第2のチャネル形成領域のうち、第2のチャネル形成領域が第1のチャネル形成領域よりも第2導電型に反転しにくくなる。したがって、電界集中部(ピンチオフ点)を、第1のチャネル形成領域のソース側端部付近(第2のチャネル形成領域側端部付近)とすることができる。 With such a configuration, of the first channel formation region and the second channel formation region, both of which are of the first conductivity type, the second channel formation region has a second conductivity type rather than the first channel formation region. It becomes difficult to reverse. Therefore, the electric field concentration portion (pinch-off point) can be set near the source side end of the first channel formation region (near the second channel formation region side end).
請求項3に記載の発明においては、例えば請求項4に記載のように、制御ゲート電極が浮遊ゲート電極と積層されて容量結合された積層部位と、チャネル形成領域上に浮遊ゲート電極との間に所定の隙間を有して並んで配置された並設部位を有し、電界集中部が、チャネル形成領域の中間部のうち、浮遊ゲート電極との対向部位又は対向部位に対してソース側の近傍部位とされた構成としても良い。
In the invention described in
このように、浮遊ゲート電極がチャネル形成領域のうちのドレイン側に偏って配置された所謂スプリットゲート構造の不揮発性半導体記憶装置において、書き込み時における電子注入位置を、消去時におけるホットキャリア注入位置と異なる位置とすることができる。 As described above, in the so-called split gate structure nonvolatile semiconductor memory device in which the floating gate electrode is biased to the drain side of the channel formation region, the electron injection position at the time of writing is the hot carrier injection position at the time of erasing. Different positions can be used.
例えば請求項5に記載のように、制御ゲート電極の積層部位が第1のトランジスタに含まれた構成とすると良い。このような構成とすると、チャネル形成領域のうち、浮遊ゲート電極と対向する対向部位のソース側端部、又は、対向部位のソース側端部に隣接する近傍部位を電界集中部とすることができる。なお、制御ゲート電極の並設部と浮遊ゲート電極との間の隙間がチャネル形成時の抵抗成分となるため、これによっても、チャネル形成領域のうち、浮遊ゲート電極と対向する対向部位のソース側端部、又は、対向部位のソース側端部に隣接する近傍部位を電界集中部としやすくすることができる。
For example, as described in
請求項5に記載の発明においては、例えば請求項6に記載のように、第1のチャネル形成領域との境界からソースまでの領域を第2のチャネル形成領域とし、並設部位が第2のトランジスタに含まれた構成としても良い。このような構成とすると、構成を簡素化することができる。それ以外にも、第1のチャネル形成領域との境界からソース側の一部の領域のみを第2のチャネル形成領域とすることもできる。
In the invention described in
また、請求項3に記載の発明においては、請求項7に記載のように、制御ゲート電極が、チャネル形成領域上において、浮遊ゲート電極と積層されて容量結合された積層部位のみを有する構成としても良い。 According to a third aspect of the invention, as in the seventh aspect, the control gate electrode has only a laminated portion laminated with the floating gate electrode and capacitively coupled on the channel formation region. Also good.
このような構造(例えば所謂スタックトゲート構造)の不揮発性半導体記憶装置においても、書き込み時における電子注入位置を、消去時におけるホットキャリア注入位置と異なる位置とすることができる。 Even in a nonvolatile semiconductor memory device having such a structure (for example, a so-called stacked gate structure), the electron injection position at the time of writing can be set to a position different from the hot carrier injection position at the time of erasing.
請求項3〜7いずれかに記載の発明においては、例えば請求項8に記載のように、第2のチャネル形成領域の不純物濃度が、第1のチャネル形成領域の不純物濃度よりも高くされた構成とすると良い。
In the invention according to any one of
不純物濃度が高いほど導電型が逆(反対の)導電型に反転しにくいため、このような構成とすると、ともに第1導電型である第1のチャネル形成領域と第2のチャネル形成領域のうち、第2のチャネル形成領域が第1のチャネル形成領域よりも第2導電型に反転しにくくなる。したがって、浮遊ゲート電極が中性状態において、第2のトランジスタの閾値電圧の絶対値を第1のトランジスタの閾値電圧の絶対値よりも大きくすることができる。 Since the higher the impurity concentration, the more difficult the conductivity type is inverted to the opposite (opposite) conductivity type. With this configuration, the first channel formation region and the second channel formation region, both of which are the first conductivity type, are used. The second channel formation region is less likely to be inverted to the second conductivity type than the first channel formation region. Therefore, when the floating gate electrode is in a neutral state, the absolute value of the threshold voltage of the second transistor can be made larger than the absolute value of the threshold voltage of the first transistor.
請求項3〜8いずれかに記載の発明においては、請求項9に記載のように、第2のチャネル形成領域上において、半導体基板の主表面と浮遊ゲート電極との間に介在される絶縁膜の厚さが、第1のチャネル形成領域上において、半導体基板の主表面と浮遊ゲート電極との間に介在される絶縁膜の厚さよりも厚くされた構成としても良い。
In the invention according to any one of
絶縁膜が厚いほど一定の制御ゲート電圧に対して電界が減少するので、このような構成とすると、ともに第1導電型である第1のチャネル形成領域と第2のチャネル形成領域のうち、第2のチャネル形成領域が第1のチャネル形成領域よりも第2導電型に反転しにくくなる。したがって、浮遊ゲート電極が中性状態において、第2のトランジスタの閾値電圧の絶対値を第1のトランジスタの閾値電圧の絶対値よりも大きくすることができる。 Since the electric field decreases with respect to a constant control gate voltage as the insulating film is thicker, with this configuration, the first channel formation region and the second channel formation region, both of which are of the first conductivity type, are used. The second channel formation region is less likely to be inverted to the second conductivity type than the first channel formation region. Therefore, when the floating gate electrode is in a neutral state, the absolute value of the threshold voltage of the second transistor can be made larger than the absolute value of the threshold voltage of the first transistor.
請求項3〜9いずれかに記載の発明においては、請求項10に記載のように、浮遊ゲート電極が、第1のチャネル形成領域上に設けられ、半導体基板の主表面との間に介在された絶縁膜と接する第1の浮遊ゲート電極部と、第2のチャネル形成領域上に設けられ、半導体基板の主表面との間に介在された絶縁膜と接するとともに第1の浮遊ゲート電極部と接する第2の浮遊ゲート電極部を有し、第1の浮遊ゲート電極部と第2の浮遊ゲート電極部が、互いに異なる仕事関数の材料を用いて形成された構成としても良い。
In the invention according to any one of
このように、浮遊ゲート電極におけるチャネル形成領域上の部分のうち、第1の浮遊ゲート電極部と第2の浮遊ゲート電極部とで、構成材料の仕事関数が異なる構成としても、浮遊ゲート電極が中性状態において、第2のトランジスタの閾値電圧の絶対値を第1のトランジスタの閾値電圧の絶対値よりも大きくすることができる。 As described above, even if the work functions of the constituent materials are different between the first floating gate electrode portion and the second floating gate electrode portion in the portion of the floating gate electrode on the channel formation region, the floating gate electrode In the neutral state, the absolute value of the threshold voltage of the second transistor can be made larger than the absolute value of the threshold voltage of the first transistor.
例えば、請求項11に記載のように、第2導電型がN導電型(反転層がN導電型)の場合には、第2の浮遊ゲート電極部が、第1の浮遊ゲート電極部の構成材料よりも仕事関数の大きい材料を用いて形成された構成とすれば良い。
For example, when the second conductivity type is an N conductivity type (the inversion layer is an N conductivity type) as in
また、請求項3〜11いずれかに記載の発明においては、請求項12に記載のように、半導体基板が、その主表面に、主表面の裏面からの高さが第1のトランジスタよりも第2のトランジスタのほうが高くされた段差を有し、制御ゲート電極に所定電圧を印加することにより、第2のチャネル形成領域に形成される反転層の厚さよりも段差が大きくされた構成としても良い。
In the invention according to any one of
このような構成とすると、書き込み時において、ソースからドレインに向う電子を、第1のチャネル形成領域のソース側端部付近の電界集中部で高エネルギー状態としつつ、高エネルギー状態にある電子(ホットエレクトロン)を、進行方向を変えずに浮遊ゲート電極に注入することができる。したがって、請求項3〜11いずれかに記載の効果に相俟って書き込み効率をさらに向上することができる。
With such a configuration, at the time of writing, electrons from the source to the drain are changed to a high energy state in the electric field concentration portion near the source side end portion of the first channel formation region, while being in a high energy state (hot Electrons) can be injected into the floating gate electrode without changing the traveling direction. Therefore, the writing efficiency can be further improved in combination with the effect described in any one of
次に、請求項13に記載の発明は、第1導電型の半導体基板の主表面に、第1導電型とは逆の第2導電型不純物拡散領域であるソース及びドレインが互いに離間して形成され、半導体基板のソースとドレインとの間のチャネル形成領域上に、絶縁膜を介してスプリットゲート構造の浮遊ゲート電極及び制御ゲート電極が配置された不揮発性半導体記憶装置において、書き込み時に、ソースからドレインに向う電子のうち、高エネルギー状態にある電子を浮遊ゲート電極に注入してデータの書き込み状態とし、消去時に、ドレインと半導体基板との間にアバランシェ降伏を生じさせて、これに伴うホットキャリアを浮遊ゲート電極に注入することにより、データの消去を行う不揮発性半導体記憶装置のデータ書き換え方法であって、消去時において、制御ゲート電極のうち、浮遊ゲート電極と積層されて容量結合された積層部位を含むトランジスタの閾値電圧の絶対値が、チャネル形成領域上に浮遊ゲート電極との間に所定の隙間を有して並んで配置された並設部位を含むトランジスタの閾値電圧の絶対値よりも小さくなるようにデータを消去し、この閾値電圧の関係を満たした状態から書き込みを行うことを特徴とする。 Next, according to a thirteenth aspect of the present invention, a source and a drain which are second conductivity type impurity diffusion regions opposite to the first conductivity type are formed on the main surface of the first conductivity type semiconductor substrate so as to be separated from each other. In a non-volatile semiconductor memory device in which a floating gate electrode and a control gate electrode having a split gate structure are disposed on a channel formation region between a source and a drain of a semiconductor substrate via an insulating film, the source can be Among electrons toward the drain, electrons in a high energy state are injected into the floating gate electrode to make a data write state, and at the time of erasure, an avalanche breakdown is generated between the drain and the semiconductor substrate, and hot carriers associated therewith are generated. Is a method for rewriting data in a nonvolatile semiconductor memory device in which data is erased by injecting into the floating gate electrode. Among the control gate electrodes, the absolute value of the threshold voltage of the transistor including the stacked portion that is stacked and capacitively coupled with the floating gate electrode has a predetermined gap between the channel formation region and the floating gate electrode. Data is erased so as to be smaller than the absolute value of the threshold voltage of the transistors including the juxtaposed portions arranged side by side, and writing is performed from a state in which this threshold voltage relationship is satisfied.
このように本発明によれば、書き込み時の初期に、チャネル形成領域のうち、浮遊ゲートに対向する対向部位に先に反転層(チャネル)を形成し、反転層のソース側端部付近を上記した発明の電界集中部とすることができる。すなわち、書き込み時における電子注入位置を消去時におけるホットキャリア注入位置と異なる位置とすることができる。したがって、書き込み時に絶縁膜のトラップに捕獲される電子量を低減し、書き換え回数の増加に伴う書き込み後の閾値電圧の低下を抑制することができる。 As described above, according to the present invention, in the initial stage of writing, an inversion layer (channel) is formed in the channel formation region at a portion facing the floating gate first, and the vicinity of the end of the inversion layer near the source side is It can be set as the electric field concentration part of the invention. That is, the electron injection position at the time of writing can be set to a position different from the hot carrier injection position at the time of erasing. Therefore, the amount of electrons trapped in the trap of the insulating film at the time of writing can be reduced, and a decrease in threshold voltage after writing accompanying an increase in the number of rewrites can be suppressed.
なお、請求項14に記載のように、消去時において、制御ゲート電極の電位を、半導体基板と同電位又は半導体基板に対して負の電位に固定すると、書き込み前の状態で、チャネル形成領域のうち、浮遊ゲートに対向する対向部位を選択的にディプレッション状態(チャネルが形成された状態)とすることができるので、より好ましい。
In addition, as described in
先ず、本発明の実施形態について説明する前に、本発明者が本発明を創作するに至った経緯を説明する。本発明者は、電気的に書き換え可能な不揮発性半導体記憶装置において、書き換え回数の増加に伴う書き込み後の閾値電圧Vt低下の原因について調査した。具体的には、チャージポンピング法を用いて、所謂スタックトゲート構造の不揮発性半導体記憶装置において、半導体基板と浮遊ゲート電極との間の絶縁膜(酸化膜)にトラップされる電荷量を測定した。その結果、図1に示すように、書き換え回数が多くなるほど書き込み後(電子注入後)の電子捕獲量が増加することが確認された。図1は、書き換え回数と絶縁膜の電荷蓄積量との関係を示す図である。 First, before describing the embodiment of the present invention, the background of the inventor's creation of the present invention will be described. The present inventor investigated the cause of the decrease in the threshold voltage Vt after writing in the electrically rewritable nonvolatile semiconductor memory device with the increase in the number of rewrites. Specifically, the charge trapping method was used to measure the amount of charge trapped in the insulating film (oxide film) between the semiconductor substrate and the floating gate electrode in the so-called stacked gate nonvolatile semiconductor memory device. . As a result, as shown in FIG. 1, it was confirmed that the amount of electron capture after writing (after electron injection) increased as the number of rewrites increased. FIG. 1 is a diagram showing the relationship between the number of rewrites and the charge accumulation amount of the insulating film.
これは、データ消去時(ホットホール注入時)に、アバランシェ降伏によるダメージを受けて絶縁膜に電子のトラップが形成され、データ書き込み時(浮遊ゲート電極への電子注入時)に、絶縁膜のトラップに電子が捕獲されることを示唆している。そして、書き換え回数が増えるほど絶縁膜に捕獲される電子量が増加し、その結果絶縁膜の電子に対するポテンシャルが高くなって、浮遊ゲート電極へ注入される電子量が減少するものと考えられる。 This is because an electron trap is formed in the insulating film due to damage caused by avalanche breakdown during data erasing (hot hole injection), and an insulating film trap during data writing (electron injection into the floating gate electrode). Suggests that electrons are captured. The number of electrons trapped in the insulating film increases as the number of times of rewriting increases. As a result, the potential of the insulating film with respect to electrons increases, and the amount of electrons injected into the floating gate electrode decreases.
このように、本発明者は、書き換え回数の増加に伴う書き込み後の閾値電圧Vt低下の主要因が、データ消去時のアバランシェ降伏によって絶縁膜にトラップが生じ、このトラップに捕獲される電子量が、書き換え回数の増加に伴って増加することにあることを見出した。本発明は、この知見に基づくものであり、以下、本発明の実施の形態を図に基づいて説明する。
(第1実施形態)
図2は、本発明の第1実施形態に係る不揮発性半導体記憶装置の主要部の概略構成を示す断面図である。なお、本発明の不揮発性半導体記憶装置は、浮遊ゲート電極と制御ゲート電極の2つのゲート電極を有し、アバランシェ降伏により、チャネル形成領域のドレイン近傍端部に生じるホットキャリアによって消去を行う電気的に書き換え可能な不揮発性半導体記憶装置である。本実施形態においては、その一例として、所謂スプリットゲート構造の不揮発性半導体記憶装置を例に説明する。
As described above, the present inventor found that the main cause of the decrease in the threshold voltage Vt after writing accompanying the increase in the number of rewrites is that a trap occurs in the insulating film due to avalanche breakdown at the time of data erasing, and the amount of electrons trapped in this trap And found that the number of rewrites increases with the increase in the number of rewrites. The present invention is based on this finding, and hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
(First embodiment)
FIG. 2 is a cross-sectional view showing a schematic configuration of a main part of the nonvolatile semiconductor memory device according to the first embodiment of the present invention. Note that the nonvolatile semiconductor memory device of the present invention has two gate electrodes, a floating gate electrode and a control gate electrode, and performs electrical erasure by hot carriers generated at the end near the drain of the channel formation region by avalanche breakdown. It is a rewritable nonvolatile semiconductor memory device. In the present embodiment, a nonvolatile semiconductor memory device having a so-called split gate structure will be described as an example.
図2に示すように、不揮発性半導体記憶装置1は、P導電型(P)の半導体基板10を有しており、この半導体基板10の主表面の表層部に、例えば不純物濃度が1×1020cm−3程度のN導電型(N+)の不純物拡散領域であるソース20とドレイン30が、互いに離間して形成されている。そして、半導体基板10の表層部におけるソース20とドレイン30に挟まれた領域が、不揮発性半導体記憶装置1のチャネル形成領域11となっている。
As shown in FIG. 2, the nonvolatile
チャネル形成領域11は、書き込み時において、ソース20からドレイン30に向かう電子を、消去時にホットホールが生じるドレイン30の近傍ではなく、ドレイン近傍端部とソース近傍端部との間の中間部において高エネルギー状態とし、該位置において電子(ホットエレクトロン)を浮遊ゲート電極40に注入できるように構成されている。具体的には、チャネル形成領域11において書き込み時に電界強度が最大となる電界集中部のソース側端部からドレイン30までの領域である第1チャネル形成領域12と、第1チャネル形成領域12と隣接する領域である第2チャネル形成領域13とを少なくとも含んでいる。この第1チャネル形成領域12が特許請求の範囲に記載の第1のチャネル形成領域に相当し、第2チャネル形成領域13が特許請求の範囲に記載の第2のチャネル形成領域に相当する。なお、チャネル形成領域11のドレイン近傍端部とは、消去時にホットキャリアが生じるドレイン端部から所定範囲の領域であり、換言すればアバランシェ降伏によって第1ゲート絶縁膜60にトラップが生じる領域である。また、ソース近傍端部は、ソース20側においてドレイン近傍端部と同一幅の領域である。
The
本実施形態においては、チャネル形成領域11が、第1チャネル形成領域12と第2チャネル形成領域13の2つからなり、第2チャネル形成領域13がソース20まで延びている。詳しくは、図2に示す破線で囲まれた領域がそれぞれ第1チャネル形成領域12及び第2チャネル形成領域13を示しており、後述する浮遊ゲート電極40と制御ゲート電極50の並設部52との間の隙間90に対応する範囲内において、2つのチャネル形成領域12,13の境界が設定されている。また、第1チャネル形成領域12は、その不純物濃度が5×1016cm−3程度に調整されており、第2チャネル形成領域13は、その不純物濃度が1.5×1017cm−3程度に調整されている。すなわち、第2チャネル形成領域13のほうが第1チャネル形成領域12よりも高濃度となっている。このチャネル形成領域11の構成が、本実施形態の不揮発性半導体記憶装置1の特徴部分である。その効果については後述する。なお、第1チャネル形成領域12の不純物濃度は、半導体基板10と同じでも良いし、半導体基板10よりも高濃度でも良い。本実施形態においては、P導電型不純物が注入されて半導体基板10よりも高濃度となっている。
In the present embodiment, the
なお、本実施形態においては、半導体基板10にソース20及びドレイン30が形成される例を示したが、半導体基板10の主表面に、半導体基板10よりも高濃度のP導電型(P)のウェル領域が形成され、当該ウェル領域内において、ソース20とドレイン30が形成された構成としても良い。
In the present embodiment, an example in which the
半導体基板10の主表面上には、例えば多結晶シリコン膜に不純物を導入してなる浮遊ゲート電極40と制御ゲート電極50の2つのゲート電極40,50が配置されている。浮遊ゲート電極40は、図2に示すように、ドレイン30側に偏ってチャネル形成領域11上に配置されている。詳しくは、チャネル形成領域11の電位に影響を与えるように、厚さ10nm程度の第1ゲート絶縁膜60を介して、第1チャネル形成領域12上に対向配置されている。したがって、浮遊ゲート電極40の電荷蓄積状態に応じて、第1チャネル形成領域12の電位を変化させ、該領域に例えばチャネルを形成することができる。また、浮遊ゲート電極40は、ドレイン30及びその近傍部位上にも対向配置されており、データ消去時に、ドレイン30近傍で発生する高エネルギー状態にあるホール(ホットホール)を浮遊ゲート電極40に注入させることができる。
On the main surface of the
制御ゲート電極50は、その一部が中間絶縁膜70を介して、浮遊ゲート電極40上に積層配置されている。中間絶縁膜70は、浮遊ゲート電極40と制御ゲート電極50を電気的に絶縁するものであり、例えば酸化膜―窒化膜―酸化膜の三層構造からなる絶縁膜(所謂ONO膜)を採用することができる。制御ゲート電極50のうち、中間絶縁膜70を介して浮遊ゲート電極40上(及びその近傍)に積層され、浮遊ゲート電極40と容量結合された積層部51が、第1チャネル形成領域12と対向しており、第1トランジスタ2のゲート電極となっている。この第1トランジスタ2が特許請求の範囲に記載の第1のトランジスタに相当し、本実施形態においてはメモリセルトランジスタとなっている。
A part of the
また、制御ゲート電極50は、チャネル形成領域11上に浮遊ゲート電極40と所定の隙間90をもって並んで配置された並設部52を有している。この並設部52は、第2チャネル形成領域12と対向しており、第2トランジスタ3のゲート電極となっている。この第2トランジスタ3が特許請求の範囲に記載の第2のトランジスタに相当し、本実施形態においては選択トランジスタとなっている。並設部52は、第1ゲート絶縁膜60よりも厚い第2ゲート絶縁膜80(例えば20〜30nm程度)を介して、浮遊ゲート電極40の配置されないチャネル形成領域11(第2チャネル形成領域13)上に対向配置されている。すなわち、並設部52は、チャネル形成領域11において、ソース20側に偏って配置されている。したがって、チャネル形成領域11のソース20近傍では、制御ゲート電極50がチャネル形成領域11に対して、電流制御機能を独立して発揮することができる。
In addition, the
このように本実施形態に係る不揮発性半導体記憶装置1は、1つの制御ゲート電極50が第2トランジスタ3のゲート電極としての機能も果たすスプリットゲート構造となっている。なお、本実施形態においては、浮遊ゲート電極40が中性状態において、第1トランジスタ2の制御ゲート電極50から見た閾値電圧Vt1が0.8V程度、第2トランジスタ3の制御ゲート電極50から見た閾値電圧Vt2が1V程度となっている。
As described above, the nonvolatile
このような構成の不揮発性半導体記憶装置1は、公知の半導体プロセスによって形成することができる。一例としては、先ず、P導電型(P)の半導体基板10の表面を熱酸化して第1ゲート絶縁膜60となる酸化シリコン膜を形成するとともに、チャネル形成領域11にボロン等のP導電型不純物を注入して第1チャネル形成領域12及び第2チャネル形成領域13を形成する。次に、酸化シリコン膜上にCVD法によって浮遊ゲート電極40となる多結晶シリコン層(第1ポリ)を形成する。そして、多結晶シリコン層上に中間絶縁膜70となるONO膜を形成した後、選択的にエッチングをして、第1ゲート絶縁膜60、浮遊ゲート電極40、及び中間絶縁膜70を形成する。次に、半導体基板10の表面を熱酸化して第2ゲート絶縁膜80となる酸化シリコン膜を形成し、酸化シリコン膜上にCVD法によって制御ゲート電極50となる多結晶シリコン層(第2ポリ)を形成する。そして、選択的にエッチングをして、第2ゲート絶縁膜80及び制御ゲート電極50を形成する。この後、リン等のN導電型不純物を、浮遊ゲート電極40及び制御ゲート電極50をマスクとして、半導体基板10に注入することで、ソース20及びドレイン30が形成される。例えばこのようにして、不揮発性半導体記憶装置1を形成することができる。なお、それ以外の製法を採用することもできる。
The nonvolatile
次に、上記した不揮発性半導体記憶装置1の書き込み・消去動作(データ書き換え動作)について、図3を用いて説明する。図3は、書き込み・消去動作を説明するための図であり、(a)は書き込み、(b)は消去を示している。
Next, write / erase operations (data rewrite operations) of the nonvolatile
データの書き込みは、周知の方法であるチャネルホットエレクトロン(CHE)方式で行う。具体的には、図3(a)に示すようにソース20を基板電位と同電位とし、ドレイン30に基板電位に対して正の電圧(好ましくは9V以下)を印加した状態で、制御ゲート電極50にドレイン30への印加電圧よりも大きい正の電圧(好ましくは12V以下)を印加する。なお、本実施形態においては、図3(a)に示すように、ソース20と半導体基板10を接地し、ドレイン30に5V、制御ゲート電極50に8Vを印加するようにしている。
Data is written by a channel hot electron (CHE) method which is a well-known method. Specifically, as shown in FIG. 3A, the
ここで、本実施形態においては、チャネル形成領域11をともにP導電型の第1チャネル形成領域12及び第2チャネル形成領域13により構成し、第2チャネル形成領域13の不純物濃度を第1チャネル形成領域12よりも高くしている。すなわち、第2チャネル形成領域13のほうが第1チャネル形成領域12よりもチャネル(N導電型反転層)が形成されにくい構成としている。換言すれば、第2チャネル形成領域13を含む第2トランジスタ3の制御ゲート電極50から見た閾値電圧Vt2の絶対値を、第1チャネル形成領域12を含む第1トランジスタ2の制御ゲート電極50から見た閾値電圧Vt1の絶対値よりも大きくしている。
Here, in the present embodiment, the
したがって、書き込み時において、先ず制御ゲート電極50に印加される電圧が第1トランジスタ2の閾値電圧Vt1を超えると、第1チャネル形成領域12内にN導電型のチャネルが形成される。この状態は、ドレイン30が第1チャネル形成領域12のソース側端部まで延びた構成と等価とみなすことができる。次に、制御ゲート電極50に印加される電圧が第2トランジスタ3の閾値電圧Vt2を超えると、第2チャネル形成領域13内にもN導電型のチャネルが形成される。このとき、第1チャネル形成領域12にはすでにチャネルが形成されているので、第1チャネル形成領域12のソース側端部が、チャネル形成領域11において電界強度が最大の電界集中部(換言すればピンチオフ点)となる。したがって、ソース20から供給される電子を、ドレイン30に向けてチャネル形成領域11を高速で移動する(すなわちチャネル電流が流れる)際に、第1チャネル形成領域12のソース側端部付近において高エネルギー状態とすることができる。そして、第1チャネル形成領域12のソース側端部付近において、高エネルギー状態となった電子(ホットエレクトロン)が、第1ゲート絶縁膜60を飛び越えて浮遊ゲート電極40に注入される。これにより、データの書き込みがなされる。
Therefore, at the time of writing, when the voltage applied to the
なお、第1チャネル形成領域12を含む第1トランジスタ2の閾値電圧Vt1は、低すぎると、書き込み時において電子注入に長時間を要することとなる。したがって、好ましくは、−4V以上となるように第1チャネル形成領域12の不純物濃度や第1ゲート絶縁膜60の膜厚などを調整すると良い。
If the threshold voltage Vt1 of the
また、データの消去は、周知の方法であるホットホール(HH)方式で行う。具体的には、制御ゲート電極50に、基板電位と同電位又は基板電位に対して負の電圧を印加し、ソース20を浮遊電位とし、ドレイン30に、基板電位に対して半導体基板10との間でアバランシェ降伏を生じる正の電圧(例えば5〜12V程度)を印加する。なお、本実施形態においては、図3(b)に示すように、半導体基板10を接地し、ソース20を浮遊電位、ドレイン30に8V、制御ゲート電極50に−2Vを印加するようにしている。
Data is erased by a hot hole (HH) method which is a well-known method. Specifically, a voltage equal to or negative with respect to the substrate potential is applied to the
上記した条件とすると、図3(b)に示すように、ドレイン30と半導体基板10との間でアバランシェ降伏が生じてアバランシェ電流が流れ、これに伴ってドレイン30近傍で発生する高エネルギー状態にあるホール(ホットホール)が、浮遊ゲート電極40のドレイン近傍部位に注入される。これにより、浮遊ゲート電極40に注入された電子が中和され、データが消去される。
Under the above-described conditions, as shown in FIG. 3B, an avalanche breakdown occurs between the
なお、本発明者は、上記の効果をシミュレーションと実測で確認している。その結果を図4〜図7に示す。図4〜図6は、シミュレーション結果を示す図であり、図7は実測結果を示す図である。図4は、濃度分布を示す図である。図5は、データ書き込み時における電界強度分布を示す図であり、(a)は図4において破線で囲まれた領域100の電界強度分布、(b)は図4において破線で囲まれた領域101の電界強度分布を示している。図6は、データ消去時における電界強度分布を示す図であり、(a)は図4において破線で囲まれた領域100の電界強度分布、(b)は図3において破線で囲まれた領域101の電界強度分布を示している。図7は、書き換え回数と閾値電圧Vtとの関係を示す図である。なお、図7においては、本実施形態に係る不揮発性半導体記憶装置1の結果を実線で示し、比較例として、ホットエレクトロン注入位置とホットキャリア注入位置が同じである従来の不揮発性半導体記憶装置の結果を破線で示している。また、書き換え温度25℃において、各書き換え回数につき5個ずつそれぞれ閾値電圧のデータを取得した。
In addition, this inventor has confirmed said effect by simulation and actual measurement. The results are shown in FIGS. 4 to 6 are diagrams illustrating simulation results, and FIG. 7 is a diagram illustrating actual measurement results. FIG. 4 is a diagram showing the concentration distribution. 5A and 5B are diagrams showing the electric field strength distribution at the time of data writing. FIG. 5A shows the electric field strength distribution of the
図4に示すように、第2チャネル形成領域13の不純物濃度が第1チャネル形成領域12の不純物濃度よりも高くされた構成において、書き込み時に、ドレイン30の近傍ではなく、第1チャネル形成領域11のソース側端部付近で電界集中が生じていることが、図5(a),(b)から明らかである。また、消去時においては、ドレイン30の近傍で電界集中が生じていることが、図6(a),(b)から明らかである。この結果は、第1チャネル形成領域11のソース側端部付近でホットエレクトロンが浮遊ゲート電極40に注入され、ドレイン30の近傍でホットキャリアが浮遊ゲート電極40に注入されることを示唆している。
As shown in FIG. 4, in the configuration in which the impurity concentration of the second
また、図7に示すように、本実施形態に係る不揮発性半導体記憶装置1によれば、従来の不揮発性半導体記憶装置と比べて、書き込み後の閾値電圧Vtの低下を抑制できることが明らかである。
Further, as shown in FIG. 7, it is clear that the nonvolatile
このように、本実施形態においては、スプリットゲート構造であって、アバランシェ降伏により、チャネル形成領域11のドレイン近傍端部に生じるホットキャリアによって消去を行う電気的に書き換え可能な不揮発性半導体記憶装置1において、チャネル形成領域11を、ドレイン30から所定領域の第1チャネル形成領域12と、第1チャネル形成領域12に隣接する第2チャネル形成領域13とにより構成した。そして、第2チャネル形成領域13の不純物濃度を第1チャネル形成領域12の不純物濃度よりも高くするとともに、2つのチャネル形成領域12,13の境界を、ドレイン近傍端部とは異なり、ドレイン近傍端部とソース近傍端部との間の中間部内とした。したがって、書き込み時において、チャネル形成領域11のうち、ソース近傍端部とドレイン近傍端部との間の中間部で、ソース20からドレイン30に向う電子を高エネルギー状態とすることができる。その結果、書き込み時における電子注入位置と消去時におけるホットキャリア注入位置が異なる位置となるので、書き込み時に第1ゲート絶縁膜60のトラップに捕獲される電子量を低減し、書き換え回数の増加に伴う書き込み後の閾値電圧Vtの低下を抑制することができる。換言すれば、書き換え回数が多くなっても、書き込み後の閾値電圧Vtを短時間で所定値とすることができる。
As described above, in this embodiment, the electrically rewritable nonvolatile
また、本実施形態においては、第1チャネル形成領域12と第2チャネル形成領域13の境界を、チャネル形成領域11上に対向配置された浮遊ゲート電極40と制御ゲート電極50の並設部52との隙間90に対応する部位内としている。チャネル形成領域11において、隙間90に対応する部位はチャネル形成時の抵抗成分となるため、これによっても、第1チャネル形成領域12のソース側端部付近に電界集中させやすくすることができる。特に上記の構成においては、消去時に、制御ゲート電極50に基板電位と同電位又は負の電位を印加することができる。この場合、浮遊ゲート電極40の電荷蓄積状態が電子のより少ない状態となるので、消去時間を短縮することもできる。
Further, in the present embodiment, the boundary between the first
また、本実施形態においては、2つのチャネル形成領域12,13の不純物濃度によって、書き込み時における電子注入位置を制御することができるので、構成を簡素化することができる。
Further, in this embodiment, the electron injection position at the time of writing can be controlled by the impurity concentration of the two
なお、本実施形態においては、チャネル形成領域11において、電界集中部である第1チャネル形成領域12のソース側端部と、ドレイン近傍端部との間隔については特に言及しなかった。しかしながら、電界集中部とドレイン近傍端部との間隔を0.06μm以上とすると良い。このように、電界集中部とドレイン近傍端部が離れた構成とすると、書き換え回数の増加に伴う書き込み後の閾値電圧Vtの低下をより効果的に抑制することができる。この点は、本発明者によるシミュレーション結果から明らかとなっている。
In the present embodiment, in the
また、本実施形態においては、第1チャネル形成領域12と第2チャネル形成領域13の境界を、浮遊ゲート電極40と制御ゲート電極50の並設部52との隙間90に対応する部位内とする例を示した。しかしながら、ドレイン近傍端部とは異なり、ドレイン近傍端部とソース近傍端部との間の中間部内であって、高エネルギー状態とされた電子(ホットエレクトロン)を浮遊ゲート電極40に注入可能な構成であれば採用することができる。例えば図8に示すように、第1チャネル形成領域12と第2チャネル形成領域13の境界を、浮遊ゲート電極40の直下領域としても良い。この場合、隙間90から離れていれば、隙間90に対応する部位の効果はなくなるものの、第1チャネル形成領域12と第2チャネル形成領域13との不純物濃度の差に基づく閾値電圧Vt1,Vt2の関係より、第1チャネル形成領域12のソース側端部を電界集中部とすることができる。図8は、変形例を示す断面図である。
In the present embodiment, the boundary between the first
また、図9に示すように、半導体基板10の主表面の表層部に、ドレイン30のソース側端部に隣接してP導電型の高濃度領域14(例えば濃度が1×1018cm−3程度)を設けた構成としても良い。このような構成とすると、ドレイン30と半導体基板10との間でアバランシェ降伏が生じやすくなり、消去時において低電圧で高エネルギー状態にあるホール(ホットホール)を浮遊ゲート電極40に注入させることができる。すなわち、低電圧駆動の不揮発性半導体記憶装置1とすることができる。図9は、変形例を示す断面図である。なお、このような高濃度領域14は、ドレイン30をくるむように設けても良いし、ドレイン側だけでなくソース20側に設けても良い。
Further, as shown in FIG. 9, in the surface layer portion of the main surface of the
また、本実施形態においては、データ消去時に、制御ゲート電極50の電位を、基板電位と同電位又は基板電位に対して負の電位に固定する例を示した。しかしながら、基板電位よりも高い電位としても良い。ただし、基板電位よりも高い電位に固定すると、ホールが浮遊ゲート電極40に注入されにくくなり、消去時間がその分長くなる。
In the present embodiment, the example in which the potential of the
なお、本実施形態においては、不揮発性半導体記憶装置1として、Nチャネル型の例を示した。しかしながらPチャネル型を採用することもできる。Pチャネル型の場合も、NNチャネル型と同様に、第2チャネル形成領域13を含む第2トランジスタ3の制御ゲート電極50から見た閾値電圧Vt2の絶対値が、第1チャネル形成領域12を含む第1トランジスタ2の制御ゲート電極50から見た閾値電圧Vt1の絶対値よりも大きくなるようにすれば良い。具体的には、第2チャネル形成領域13の不純物濃度を第1チャネル形成領域12よりも高くすると、第2チャネル形成領域13のほうが第1チャネル形成領域12よりもチャネル(P導電型反転層)が形成されにくくなり、閾値電圧Vt1,Vt2が上記関係を満たすこととなる。
In the present embodiment, an example of the N channel type is shown as the nonvolatile
(第2実施形態)
次に、本発明の第2実施形態を、図10に基づいて説明する。図10は、第2実施形態に係る不揮発性半導体記憶装置の概略構成を示す断面図である。
(Second Embodiment)
Next, a second embodiment of the present invention will be described based on FIG. FIG. 10 is a cross-sectional view showing a schematic configuration of the nonvolatile semiconductor memory device according to the second embodiment.
第2実施形態に係る不揮発性半導体記憶装置は、第1実施形態に示した不揮発性半導体記憶装置と共通するところが多いので、以下、共通部分については詳しい説明は省略し、異なる部分を重点的に説明する。なお、第1実施形態に示した要素と同一の要素には、同一の符号を付与するものとする。 Since the non-volatile semiconductor memory device according to the second embodiment is in common with the non-volatile semiconductor memory device shown in the first embodiment, a detailed description of the common parts will be omitted below, and different parts will be emphasized. explain. In addition, the same code | symbol shall be provided to the element same as the element shown in 1st Embodiment.
本実施形態においては、例えば図10に示すように、チャネル形成領域11が3つのチャネル形成領域12,13,15によって構成され、一端がドレイン30までの第1チャネル形成領域12と一端がソース20までの第3チャネル形成領域15によって、第2チャネル形成領域13が挟まれた構成となっている。そして、第2チャネル形成領域13の不純物濃度が他のチャネル形成領域12,15よりも高くされ、第2チャネル形成領域13を含む第2トランジスタ3の閾値電圧Vt2が、他のチャネル形成領域12,15を含むトランジスタ2,4の閾値電圧Vt1,Vt3よりも高くなっている点を特徴とする。
In the present embodiment, for example, as shown in FIG. 10, the
このような構成としても、第1チャネル形成領域12のソース側端部を電界集中部とすることができる。なお、第1チャネル形成領域12と第3チャネル形成領域15の不純物濃度は同じでも良いし、異なる濃度でも良い。本実施形態においては同一濃度としている。
Even in such a configuration, the end portion on the source side of the first
また、図10においては、第1チャネル形成領域12と第2チャネル形成領域13の境界を、浮遊ゲート電極40の直下領域とし、第2チャネル形成領域13と第3チャネル形成領域15の境界を、隙間90の直下領域としている。しかしながら、各境界の位置は上記例に限定されるものではない。図10に示すように、第1チャネル形成領域12と第2チャネル形成領域13の境界を浮遊ゲート電極40の直下領域とする場合には、例えば斜め方向のイオン注入とイオン注入による不要部の中和によって、選択的に第2チャネル形成領域13を形成することができる。
In FIG. 10, the boundary between the first
なお、本実施形態に示した構成に対し、第1実施形態の変形例として示した高濃度領域14を組み合わせることもできる。また、Pチャネル型を採用することもできる。
Note that the high-
(第3実施形態)
次に、本発明の第3実施形態を、図11に基づいて説明する。図11は、第3実施形態に係る不揮発性半導体記憶装置の概略構成を示す断面図である。
(Third embodiment)
Next, a third embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. FIG. 11 is a cross-sectional view showing a schematic configuration of the nonvolatile semiconductor memory device according to the third embodiment.
第3実施形態に係る不揮発性半導体記憶装置は、第1実施形態に示した不揮発性半導体記憶装置と共通するところが多いので、以下、共通部分については詳しい説明は省略し、異なる部分を重点的に説明する。なお、第1実施形態に示した要素と同一の要素には、同一の符号を付与するものとする。 Since the non-volatile semiconductor memory device according to the third embodiment is common in common with the non-volatile semiconductor memory device shown in the first embodiment, the detailed description of the common parts will be omitted below, and different parts will be emphasized. explain. In addition, the same code | symbol shall be provided to the element same as the element shown in 1st Embodiment.
本実施形態においては、第1実施形態に示した構成において、図11に示すように、半導体基板10が、その主表面に、主表面の裏面からの高さが第1トランジスタ2(第1チャネル形成領域12)よりも第2トランジスタ3(第2チャネル形成領域13)のほうが高くされた段差部16を有し、制御ゲート電極50に所定電圧を印加することにより第2チャネル形成領域13に形成されるチャネル(N導電型反転層)の厚さL3よりも、段差部16の段差L2が大きくされた構成となっている。
In the present embodiment, in the configuration shown in the first embodiment, as shown in FIG. 11, the
このような構成とすると、書き込み時において、ソース20からドレイン30に向う電子を、第1チャネル形成領域12のソース側端部付近で高エネルギー状態としつつ、高エネルギー状態にある電子(ホットエレクトロン)を、進行方向を変えずに浮遊ゲート電極40に注入することができる。したがって、書き込み効率をさらに向上することができる。すなわち、書き込み時間を短縮することができる。また、書き込み後の閾値電圧Vtの低下を抑制することができる。
With such a configuration, at the time of writing, electrons from the
また、本実施形態においては、第2チャネル形成領域13に形成されるチャネル(N導電型反転層)の厚さL3よりも、段差部16の段差L2が大きくされる例を示した。しかしながら、段差部16の段差L2は、上記例に限定されるものではない。少なからず段差があれば良い(すなわち、L2>0)。段差L2が大きいほうが、高エネルギー状態にある電子を、浮遊ゲート電極40に効率よく注入することができるが、段差部16の形成や、半導体基板10の主表面上に形成される部位の形成が困難となる。したがって、0.2μm以下、好ましくは0.06μm程度とすると良い。
Further, in the present embodiment, an example in which the step L2 of the stepped
また、本実施形態においては、第1実施形態のうち、図2に示した構成と段差部16とを組み合わせる例を示した。しかしながら、第1実施形態に示した変形例や第2実施形態に示した構成と段差部16を組み合わせた構成としても良い。
Moreover, in this embodiment, the example which combined the structure shown in FIG. 2 and the level | step-
(第4実施形態)
次に、本発明の第4実施形態を、図12に基づいて説明する。図12は、第4実施形態に係る不揮発性半導体記憶装置のデータ書き換え方法を説明するための概略断面図であり、(a)は消去終了時、(b)は書き込み時の初期を示している。
(Fourth embodiment)
Next, a fourth embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. 12A and 12B are schematic cross-sectional views for explaining the data rewriting method of the nonvolatile semiconductor memory device according to the fourth embodiment. FIG. 12A shows the end of erasing, and FIG. 12B shows the initial stage of writing. .
第4実施形態に係る不揮発性半導体記憶装置のデータ書き換え方法は、第1実施形態に示した不揮発性半導体記憶装置及びその書き換え動作(方法)と共通するところが多いので、以下、共通部分については詳しい説明は省略し、異なる部分を重点的に説明する。なお、第1実施形態に示した要素と同一の要素には、同一の符号を付与するものとする。 Since the data rewriting method for the nonvolatile semiconductor memory device according to the fourth embodiment is in common with the nonvolatile semiconductor memory device and its rewriting operation (method) shown in the first embodiment, the common parts will be described in detail below. The explanation is omitted, and different parts are explained mainly. In addition, the same code | symbol shall be provided to the element same as the element shown in 1st Embodiment.
第1実施形態においては、第2チャネル形成領域13の不純物濃度を第1チャネル形成領域12の不純物濃度よりも高くすることで、第2トランジスタ3の閾値電圧Vt2を第1トランジスタ2の閾値電圧Vt1よりも高くし、これによって書き込み時に第1チャネル形成領域12のソース側端部に電界集中するようにする例を示した。これに対し、本実施形態においては、チャネル形成領域11に部分的にチャネルを形成し、これによって書き込み時の初期にこのチャネルのソース側端部に電界集中するようにする点を特徴とする。
In the first embodiment, the threshold voltage Vt2 of the
図12(a),(b)に示す不揮発性半導体記憶装置1は、チャネル形成領域11が不純物濃度の差によって複数のチャネル形成領域に分割されていない点以外の構成は、第1実施形態の図2に示した不揮発性半導体記憶装置1(すなわち従来のスプリットゲート構造の不揮発性半導体記憶装置)と同じである。このような構成の不揮発性半導体記憶装置1において、制御ゲート電極50のうち、浮遊ゲート電極40上(及びその近傍)に積層され、浮遊ゲート電極40と容量結合された積層部51を、第1トランジスタ2のゲート電極とする。また、チャネル形成領域11上に浮遊ゲート電極40と並んで配置された並設部52を、第2トランジスタ3のゲート電極とする。そして、消去時に、浮遊ゲート電極40に例えばホットホールを十分に注入し、これにより第1トランジスタ2の閾値電圧Vt1の絶対値を第2トランジスタ3の閾値電圧Vt2の絶対値よりも小さくすることで、第1実施他形態に示した不揮発性半導体記憶装置1と同様の効果を得ることができる。
The nonvolatile
本実施形態においては、図12(a)に示すように、消去時に、制御ゲート電極50の電位を、基板電位と同電位又は基板電位に対して負の電位に固定する。本実施形態においては、消去時において、半導体基板10を接地し、ソース20を浮遊電位、ドレイン30に8V、制御ゲート電極50に−2Vを印加するようにしている。
In this embodiment, as shown in FIG. 12A, at the time of erasing, the potential of the
このように、制御ゲート電極50の電位を基板電位と同電位又は基板電位に対して負の電位に固定すると、浮遊ゲート電極40の電荷蓄積状態を電子のより少ない状態とすることができる。そして、図12(a)に示すように、消去終了の時点で、チャネル形成領域11のうち、浮遊ゲート電極40に対向する対向部位に選択的に反転層17(図中の破線で囲まれた領域)を形成することができる。すなわち、チャネル形成領域11を部分的にディプレッション状態とすることができる。なお、消去開始時において、反転層17は形成されていないので、ドレイン30近傍でホットキャリアを浮遊ゲート電極40に注入することができる。
Thus, when the potential of the
したがって、書き込みに切り替えた瞬間(書き込み初期)において、図12(b)に示すように、チャネル形成領域11のうち、反転層17のソース側端部付近が電界集中部となる。そして、ソース20からドレイン30に向かう電子のうち、反転層17のソース側端部付近において高エネルギー状態とされた電子(ホットエレクトロン)を、浮遊ゲート電極40に注入することができる。なお、時間とともに反転層17は消えてしまうが、浮遊ゲート電極40中の電子がより少ない書き込み初期ほどホットエレクトロンが浮遊ゲート電極40に注入されやすいので、電子注入の主たる部分を占めることができる。なお、本実施形態においては、書き込み時において、半導体基板10とソース20を接地し、ドレイン30に5V、制御ゲート電極50に8Vを印加するようにしている。
Therefore, at the moment of switching to writing (initial stage of writing), as shown in FIG. 12B, the vicinity of the source side end of the
このように、本実施形態に示すデータ書き換え方法によれば、書き込み時における電子注入位置を消去時におけるホットキャリア注入位置と異なる位置とすることができる。したがって、書き込み時に第1ゲート絶縁膜60のトラップに捕獲される電子量を低減し、書き換え回数の増加に伴う書き込み後の閾値電圧Vtの低下を抑制することができる。
Thus, according to the data rewriting method shown in the present embodiment, the electron injection position at the time of writing can be set to a position different from the hot carrier injection position at the time of erasing. Therefore, the amount of electrons trapped in the trap of the first
また、制御ゲート電極50の電位を、基板電位と同電位又は基板電位に対して負の電位に固定してデータ消去を行うので、基板電位に対して正の電位に固定する構成に比べて、消去時間を短縮することができる。
Further, since data erasure is performed by fixing the potential of the
なお、第1実施形態に示す構成(図2参照)においては、消去時に本実施形態に示す消去と同様の方法を採用する例を示した。したがって、チャネル形成領域12,13の濃度差による効果に、本実施形態に示すデータ書き換え方法の効果が相俟って、第1チャネル形成領域12のソース側端部(浮遊ゲート電極40のソース側端部の直下)に電界集中しやすい構成となっている。
In the configuration shown in the first embodiment (see FIG. 2), an example in which the same method as the erase shown in the present embodiment is adopted at the time of erase is shown. Therefore, the effect of the data rewriting method shown in the present embodiment is combined with the effect of the concentration difference between the
また、本実施形態においては、書き込み前の状態における浮遊ゲート電極40の電荷蓄積状態を制御することで、チャネル形成領域11のうち、浮遊ゲート電極40の直下に選択的に反転層17(チャネル)を形成する例を示した。しかしながら、反転層17(チャネル)を形成する例に限定されるものではない。第1実施形態に示す第1チャネル形成領域12のソース側端部を浮遊ゲート電極40のソース側端部と一致させると、第1チャネル形成領域12と本実施形態に示す反転層17の形成範囲とが一致する。この一致状態において、第1実施形態に示す第1トランジスタ2及び第2トランジスタ3の概念を本実施形態に当てはめると、本実施形態に示す反転層17(第1チャネル形成領域12に相当)の形成された状態は、第2トランジスタ3の閾値電圧Vt2を第1トランジスタ2の閾値電圧Vt1よりも大きくした状態と等価となる。したがって、反転層17(チャネル)の有無に限らず、第2トランジスタ3の閾値電圧Vt2が第1トランジスタ2の閾値電圧Vt1よりも大きくなるように、浮遊ゲート電極40の電荷蓄積状態を制御すれば良い。
Further, in the present embodiment, by controlling the charge accumulation state of the floating
また、本実施形態においては、上記したデータ書き換え方法をNチャネル型の不揮発性半導体記憶装置1に適用する例を示したが、Pチャネル型の不揮発性半導体記憶装置1に適用することもできる。
In the present embodiment, the example in which the above-described data rewriting method is applied to the N-channel nonvolatile
(第5実施形態)
次に、本発明の第5実施形態を、図13に基づいて説明する。図13は、第5実施形態に係る不揮発性半導体記憶装置の概略構成を示す断面図である。
(Fifth embodiment)
Next, a fifth embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. FIG. 13 is a cross-sectional view showing a schematic configuration of the nonvolatile semiconductor memory device according to the fifth embodiment.
第5実施形態に係る不揮発性半導体記憶装置は、第1〜第3実施形態に示した不揮発性半導体記憶装置と共通するところが多いので、以下、共通部分については詳しい説明は省略し、異なる部分を重点的に説明する。なお、上記した各実施形態に示した要素と同一の要素には、同一の符号を付与するものとする。 Since the nonvolatile semiconductor memory device according to the fifth embodiment is common in common with the nonvolatile semiconductor memory devices shown in the first to third embodiments, a detailed description of the common parts will be omitted below, and different parts will be omitted. Explain mainly. In addition, the same code | symbol shall be provided to the element same as the element shown to each above-mentioned embodiment.
第1〜第3実施形態においては、不揮発性半導体記憶装置1としてスプリットゲート構造の例を示した。しかしながら、第1〜第3実施形態に示した特徴的な構造を、制御ゲート電極50が、チャネル形成領域11上において、浮遊ゲート電極40と積層されて容量結合された積層部位のみを有する構造(すなわち、チャネル形成領域11上において並設部52を有さない構造)の不揮発性半導体記憶装置1に適用することもできる。
In the first to third embodiments, the example of the split gate structure is shown as the nonvolatile
例えば図13に示す不揮発性半導体記憶装置1は、制御ゲート電極50全体が、浮遊ゲート電極40を介して半導体基板10上に配置された所謂スタックトゲート構造の不揮発性半導体記憶装置1となっている。そして、ゲート電極40,50の構造以外、第1実施形態に示した構造(図2参照)と同じ構造となっている。具体的には、P導電型(P)の半導体基板10の主表面の表層部に、N導電型(N+)の不純物拡散領域であるソース20とドレイン30が、互いに離間して形成されている。そして、半導体基板10の表層部におけるソース20とドレイン30に挟まれた領域が、不揮発性半導体記憶装置1のチャネル形成領域11となっている。半導体基板10の主表面上(チャネル形成領域11を含むソース20の端部からドレイン30の端部まで)には、第1ゲート絶縁膜60を介して浮遊ゲート電極40が積層されている。また、浮遊ゲート電極40上に中間絶縁膜70を介して制御ゲート電極50が積層配置されており、これにより、スタックトゲート構造の不揮発性半導体記憶装置1が構成されている。また、ドレイン30までの第1チャネル形成領域12と、第1チャネル形成領域12に隣接する第2チャネル形成領域13(図13に示す例では、第1実施形態に対応してソース20まで)の境界が、チャネル形成領域11のうち、ドレイン近傍端部とは異なり、ドレイン近傍端部とソース近傍端部との間の中間部内となっている。また、第2チャネル形成領域13の不純物濃度が第1チャネル形成領域12の不純物濃度よりも高くされ、これにより第2トランジスタ3の閾値電圧Vt2の絶対値が第1トランジスタ2の閾値電圧Vt1の絶対値よりも高くなっている。
For example, the nonvolatile
このような構成としても、書き込み時において、第1チャネル形成領域12のソース側端部付近で電界集中させることができる。すなわち、書き込み時における電子注入位置と消去時におけるホットキャリア注入位置を異なる位置とすることができる。したがって、書き込み時に第1ゲート絶縁膜60のトラップに捕獲される電子量を低減し、書き換え回数の増加に伴う書き込み後の閾値電圧Vtの低下を抑制することができる。換言すれば、書き込み後の閾値電圧Vtを短時間で所定値とすることができる。
Even with such a configuration, the electric field can be concentrated in the vicinity of the source-side end portion of the first
なお、本実施形態においては、ゲート電極40,50の以外の構成が、第1実施形態に示した構成(図2参照)と同様とされる例を示した。しかしながら、第1実施形態に示した変形例、第2実施形態に示した構成、第3実施形態に示した構成に対して、上記したゲート構造を組み合わせた構成としても良い。
In the present embodiment, an example is shown in which the configuration other than the
(第6実施形態)
次に、本発明の第6実施形態を、図14に基づいて説明する。図14は、第6実施形態に係る不揮発性半導体記憶装置の概略構成を示す断面図である。
(Sixth embodiment)
Next, a sixth embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. FIG. 14 is a cross-sectional view showing a schematic configuration of the nonvolatile semiconductor memory device according to the sixth embodiment.
第6実施形態に係る不揮発性半導体記憶装置は、第1〜3,5実施形態に示した不揮発性半導体記憶装置と共通するところが多いので、以下、共通部分については詳しい説明は省略し、異なる部分を重点的に説明する。なお、上記した各実施形態に示した要素と同一の要素には、同一の符号を付与するものとする。 Since the nonvolatile semiconductor memory device according to the sixth embodiment is in common with the nonvolatile semiconductor memory devices shown in the first to third and fifth embodiments, the detailed description of the common parts is omitted below, and the different parts. Will be explained with emphasis. In addition, the same code | symbol shall be provided to the element same as the element shown to each above-mentioned embodiment.
第5実施形態においては、第2チャネル形成領域13の不純物濃度が第1チャネル形成領域12の不純物濃度よりも高くされ、これにより第2トランジスタ3の閾値電圧Vt2の絶対値が第1トランジスタ2の閾値電圧Vt1の絶対値よりも高くされた例を示した。これに対し、本実施形態においては、半導体基板10の主表面と浮遊ゲート電極40との間に介在される絶縁膜の厚さに部分的な差を設けることで、第2トランジスタ3の閾値電圧Vt2の絶対値を第1トランジスタ2の閾値電圧Vt1の絶対値よりも高くする点を特徴とする。
In the fifth embodiment, the impurity concentration of the second
一例として図14に示す不揮発性半導体記憶装置1は、基本的な構造が第5実施形態に示した不揮発性半導体記憶装置1と同じとなっている。すなわち、所謂スタックトゲート構造の不揮発性半導体記憶装置となっている。そして、第1チャネル形成領域12と第2チャネル形成領域13の不純物濃度がほぼ同一とされた(不純物濃度に差がない)代わりに、半導体基板10の主表面と浮遊ゲート電極40との間に介在される絶縁膜である第1ゲート絶縁膜60の厚さが部分的に異なる厚さとなっている。詳しくは、図14に示すように、第1ゲート絶縁膜60のうち、第2チャネル形成領域13上に配置された第2チャネル対向部62の厚さ(浮遊ゲート電極40と制御ゲート電極50の積層方向の厚さ)が、第1チャネル形成領域12上に配置された第1チャネル対向部61の厚さよりも厚くなっている。
As an example, the nonvolatile
ここで、半導体基板10の主表面と浮遊ゲート電極40との間に介在される絶縁膜の厚さが厚いほど、一定の制御ゲート電圧に対して電界が減少し、チャネル形成領域が反転しにくくなる。したがって、上記構成とすると、第2チャネル形成領域13が第1チャネル形成領域12よりもP導電型に反転しにくくなる。そして、これにより、浮遊ゲート電極40が中性状態において、第2トランジスタ3の閾値電圧Vt2の絶対値が第1トランジスタ2の閾値電圧Vt1の絶対値よりも大きくなっている。すなわち、書き込み時において、第1チャネル形成領域12のソース側端部付近で電界集中させることができ、これにより、書き込み時における電子注入位置と消去時におけるホットキャリア注入位置を異なる位置とすることができる。したがって、書き込み時に第1ゲート絶縁膜60のトラップに捕獲される電子量を低減し、書き換え回数の増加に伴う書き込み後の閾値電圧Vtの低下を抑制することができる。換言すれば、書き込み後の閾値電圧Vtを短時間で所定値とすることができる。
Here, as the thickness of the insulating film interposed between the main surface of the
なお、本実施形態においては、所謂スタックトゲート構造の不揮発性半導体記憶装置1において、第1ゲート絶縁膜60の厚さに部分的な差を設ける例を示した。しかしながら、第1実施形態に示したような所謂スプリットゲート構造の不揮発性半導体記憶装置1(図8参照)において、第1ゲート絶縁膜60の厚さに部分的な差を設けることで、第2トランジスタ3の閾値電圧Vt2の絶対値を第1トランジスタ2の閾値電圧Vt1の絶対値よりも大きくするようにしても良い。
In the present embodiment, an example in which a partial difference is provided in the thickness of the first
また、本実施形態に示す第1ゲート絶縁膜60の構成を、第1〜第3実施形態に示した構成や第5実施形態に示した構成と組み合わせても良い。例えば、不純物濃度と絶縁膜の膜厚をともに調整することで、第2トランジスタ3の閾値電圧Vt2の絶対値が第1トランジスタ2の閾値電圧Vt1の絶対値より高くなるようにしても良い。例えば図15に示すように、チャネル形成領域11が3つのチャネル形成領域12,13,15によって構成され、一端がドレイン30までの第1チャネル形成領域12と一端がソース20までの第3チャネル形成領域15によって、第2チャネル形成領域13が挟まれた構成となっている。そして、第1ゲート絶縁膜60のうち、第3チャネル形成領域15上に配置された第3チャネル対向部63の厚さが、第1チャネル形成領域12上に配置された第1チャネル対向部61の厚さよりも厚く、第2チャネル形成領域13上に配置された第2チャネル対向部62の厚さが、第3チャネル対向部63の厚さよりも厚くなっている。このような構成とすると、第2実施形態に示した構成同様、第2チャネル形成領域13を含む第2トランジスタ3の閾値電圧Vt2を、他のチャネル形成領域12,15を含むトランジスタ2,4の閾値電圧Vt1,Vt3よりも高くすることができる。すなわち、第2チャネル形成領域13を他のチャネル形成領域12,15よりも反転しにくくすることができる。なお、図15に示す例では、第3チャネル形成領域15上に配置された第3チャネル対向部63の厚さが、第1チャネル形成領域12上に配置された第1チャネル対向部61の厚さよりも厚くされる例を示した。しかしながら、同一の厚さとしても良い。図15は、変形例を示す断面図である。
Further, the configuration of the first
なお、Pチャネル型の場合にも、上記したNチャネル型同様、第2チャネル形成領域13上に配置された第2チャネル対向部62の厚さを、第1チャネル形成領域12上に配置された第1チャネル対向部61の厚さよりも厚くすることで、第2トランジスタ3の閾値電圧Vt2の絶対値が第1トランジスタ2の閾値電圧Vt1の絶対値より高くなるようにすれば良い。
In the case of the P channel type as well, the thickness of the second
(第7実施形態)
次に、本発明の第7実施形態を、図16及び図17に基づいて説明する。図16は、第7実施形態に係る不揮発性半導体記憶装置の概略構成を示す断面図である。図17(a)〜(f)は、図16に示す不揮発性半導体記憶装置のうち、浮遊ゲート電極の製造過程を示す断面図である。
(Seventh embodiment)
Next, a seventh embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. FIG. 16 is a cross-sectional view showing a schematic configuration of the nonvolatile semiconductor memory device according to the seventh embodiment. 17A to 17F are cross-sectional views showing the manufacturing process of the floating gate electrode in the nonvolatile semiconductor memory device shown in FIG.
第7実施形態に係る不揮発性半導体記憶装置は、第1〜3,5,6実施形態に示した不揮発性半導体記憶装置と共通するところが多いので、以下、共通部分については詳しい説明は省略し、異なる部分を重点的に説明する。なお、上記した各実施形態に示した要素と同一の要素には、同一の符号を付与するものとする。 Since the nonvolatile semiconductor memory device according to the seventh embodiment is in common with the nonvolatile semiconductor memory devices shown in the first to third, fifth, and sixth embodiments, a detailed description of common parts is omitted below. Focus on the differences. In addition, the same code | symbol shall be provided to the element same as the element shown to each above-mentioned embodiment.
上記実施形態においては、第2トランジスタ3の閾値電圧Vt2の絶対値を第1トランジスタ2の閾値電圧Vt1の絶対値よりも高くするために、第2チャネル形成領域13の不純物濃度が第1チャネル形成領域12の不純物濃度よりも高くされた例を示した。また、第1ゲート絶縁膜60のうち、第2チャネル形成領域13上に配置された第2チャネル対向部62の厚さが、第1チャネル形成領域12上に配置された第1チャネル対向部61の厚さよりも厚くされた例を示した。これに対し、本実施形態においては、浮遊ゲート電極40が、第1チャネル形成領域12上と第2チャネル形成領域13上とで、異なる仕事関数の材料を用いて形成されている点を特徴とする。
In the above embodiment, in order to make the absolute value of the threshold voltage Vt2 of the
一例として図16に示す不揮発性半導体記憶装置1は、基本的な構造が第5実施形態に示した不揮発性半導体記憶装置1同様、所謂スタックトゲート構造の不揮発性半導体記憶装置となっている。不揮発性半導体記憶装置1では、第1チャネル形成領域12と第2チャネル形成領域13の不純物濃度がほぼ同一とされ、第1ゲート絶縁膜60の膜厚が、第1チャネル形成領域12上と第2チャネル形成領域13上とでほぼ等しくなっている。また、浮遊ゲート電極40が、第1チャネル形成領域12上に設けられ、第1ゲート絶縁膜60と接する第1浮遊ゲート電極部41と、第2チャネル形成領域13上に設けられ、第1ゲート絶縁膜60と接するとともに第1浮遊ゲート電極部41と接する第2浮遊ゲート電極部42を有している。そして、第1浮遊ゲート電極部41と第2浮遊ゲート電極部42が、互いに異なる仕事関数の材料を用いて形成されている。
As an example, the nonvolatile
詳しくは、図16に示すように、第1浮遊ゲート電極部41と第2浮遊ゲート電極部42が半導体基板10の主表面とそれぞれ対向するように互いに隣接しつつ並んで配置されている。そして、第2浮遊ゲート電極部42が、第1浮遊ゲート電極部41を構成する材料の仕事関数φ1よりも仕事関数φ2が大きい材料を用いて形成されている。第1浮遊ゲート電極部41と第2浮遊ゲート電極部42の構成材料の組み合わせは、上記関係(φ2>φ1)を満たしていれば良い。本実施形態においては一例として、第1浮遊ゲート電極部41がアルミニウム、第2浮遊ゲート電極部42は、p+多結晶シリコンを採用している。
Specifically, as shown in FIG. 16, the first floating
なお、上記構成の浮遊ゲート電極40は、例えば以下に示す製造方法によって形成することができる。先ず、図17(a)に示すように、ドレイン30の形成された半導体基板10を準備し、第1ゲート絶縁膜60を介して、半導体基板10の主表面上に、周知のフォトリソグラフィーにより例えばシリコン酸化膜からなるマスク110を形成する。マスク110は、第2チャネル形成領域13(図示略)に対応する部分を含む所定部分が開口されており、このマスク110を介して、半導体基板10の主表面上にp+多結晶シリコン膜42aを成膜する。そして、マスク110と面一となるように、マスク110上のp+多結晶シリコン膜42aを例えば研磨により除去する。これにより、図17(b)に示すように、第2浮遊ゲート電極部42が形成される。次に、図17(c)に示すように、マスク110及び第2浮遊ゲート電極部42上の所定位置に周知のフォトリソグラフィーにより、レジスト111を形成する。レジスト111は、第1チャネル形成領域12(図示略)に対応する部分を含む所定部分が開口されており、このレジスト111を介して、図17(c)に示すように、マスク110を選択的にエッチングする。そして、レジスト111を除去後、図17(d)に示すように、マスク110を介して、半導体基板10の主表面上にAl膜41aを成膜する。次に、マスク110及び第2浮遊ゲート電極部42と面一となるように、マスク110及び第2浮遊ゲート電極部42上のAl膜41aを例えば研磨により除去する。これにより、図17(e)に示すように、第1浮遊ゲート電極部41が形成される。そして、図17(f)に示すように、マスク110を除去してソース20を形成した後、周知のプロセスによって、中間絶縁膜70や制御ゲート電極50を形成することで、不揮発性半導体記憶装置1を得ることができる。
The floating
ここで、MOS構造の閾値電圧は公知であるように、本実施形態に示す例のごとく第1ゲート絶縁膜60の厚さが一定の場合、半導体基板10と浮遊ゲート電極40の仕事関数差、第1ゲート絶縁膜60中の電荷、第1ゲート絶縁膜60と半導体基板10の界面の閾値電圧により決定される。本実施形態では、第1ゲート絶縁膜60中の電荷、第1ゲート絶縁膜60と半導体基板10の界面の閾値電圧は変更しない構造となっている。したがって、閾値電圧は半導体基板10と浮遊ゲート電極40の仕事関数差によって決定される。また、仕事関数とは、フェルミ準位と真空準位との間のエネルギー差であり、電子を表面から取り出すのに必要なエネルギーであり、半導体基板10の仕事関数が一定の場合には、Nチャネル型において、浮遊ゲート電極40の仕事関数が大きいほど、高エネルギー状態にある電子(ホットエレクトロン)が浮遊ゲート電極40に注入されにくくなる。すなわち、閾値電圧の絶対値が高くなる。
Here, as is well known, the threshold voltage of the MOS structure, when the thickness of the first
本実施形態では、上記したように浮遊ゲート電極40におけるチャネル形成領域11上の部分のうち、第2チャネル形成領域13と対向する第2浮遊ゲート電極部42が、第1チャネル形成領域12と対向する第1浮遊ゲート電極部41を構成する材料の仕事関数φ1よりも仕事関数φ2が大きい材料を用いて形成されている。これにより、浮遊ゲート電極40が中性状態において、第2トランジスタ3の閾値電圧Vt2の絶対値が第1トランジスタ2の閾値電圧Vt1の絶対値よりも大きくなっている。すなわち、書き込み時において、第1チャネル形成領域12のソース側端部付近で電界集中させることができ、これにより、書き込み時における電子注入位置と消去時におけるホットキャリア注入位置を異なる位置とすることができる。したがって、書き込み時に第1ゲート絶縁膜60のトラップに捕獲される電子量を低減し、書き換え回数の増加に伴う書き込み後の閾値電圧Vtの低下を抑制することができる。換言すれば、書き込み後の閾値電圧Vtを短時間で所定値とすることができる。
In the present embodiment, as described above, the second floating
なお、本実施形態においては、所謂スタックトゲート構造の不揮発性半導体記憶装置1において、浮遊ゲート電極40を仕事関数の異なる複数の材料を用いて形成する例を示した。しかしながら、第1実施形態に示したような所謂スプリットゲート構造の不揮発性半導体記憶装置1(図8参照)において、浮遊ゲート電極40を仕事関数の異なる複数の材料を用いて形成することで、第2トランジスタ3の閾値電圧Vt2の絶対値を第1トランジスタ2の閾値電圧Vt1の絶対値よりも大きくするようにしても良い。
In the present embodiment, an example in which the floating
また、本実施形態においては、浮遊ゲート電極40を構成する第1浮遊ゲート電極部41と第2浮遊ゲート電極部42が、半導体基板10の主表面とそれぞれ対向するように互いに隣接しつつ並んで配置される例を示した。しかしながら、例えば図18に示すように、第1浮遊ゲート電極部41の一部が、第2浮遊ゲート電極部42上にも直接接して積層配置された構成としても良い。このような構成も、フォトリソグラフィーなど周知のプロセスで形成することができる。図18は、変形例を示す断面図である。なお、図18に示す例では、第1浮遊ゲート電極部41の一部が、第2浮遊ゲート電極部42上にも直接接して積層配置される例を示したが、第2浮遊ゲート電極部42の一部が、第1浮遊ゲート電極部41上にも直接接して積層配置された構成としても良い。
In the present embodiment, the first floating
また、本実施形態に示す浮遊ゲート電極40の構成を、第1〜第3実施形態に示した構成、第5実施形態に示した構成、第6実施形態に示した構成と組み合わせても良い。例えば図19に示すように、チャネル形成領域11が3つのチャネル形成領域12,13,15によって構成され、一端がドレイン30までの第1チャネル形成領域12と一端がソース20までの第3チャネル形成領域15によって、第2チャネル形成領域13が挟まれた構成となっている。そして、浮遊ゲート電極40におけるチャネル形成領域11上の部分のうち、第3チャネル形成領域15と対向する第3浮遊ゲート電極部43が、第1チャネル形成領域12と対向する第1浮遊ゲート電極部41を構成する材料の仕事関数φ1よりも仕事関数φ3が大きい材料を用いて形成されている。また、第2チャネル形成領域13と対向する第2浮遊ゲート電極部42が、第3チャネル形成領域15と対向する第3浮遊ゲート電極部43を構成する材料の仕事関数φ3よりも仕事関数φ2が大きい材料を用いて形成されている。このような構成とすると、第2実施形態及び図15に示した構成同様、第2チャネル形成領域13を含む第2トランジスタ3の閾値電圧Vt2を、他のチャネル形成領域12,15を含むトランジスタ2,4の閾値電圧Vt1,Vt3よりも高くすることができる。すなわち、第2チャネル形成領域13を他のチャネル形成領域12,15よりも反転しにくくすることができる。なお、図19に示す例では、第3チャネル形成領域15上に配置された第3浮遊ゲート電極部43の仕事関数φ3が、第1チャネル形成領域12上に配置された第1浮遊ゲート電極部41の仕事関数φ1よりも大きい例を示した。しかしながら、第1浮遊ゲート電極部41と第3浮遊ゲート電極部43が同一材料(仕事関数の等しい材料)を用いて構成されても良い。図19は、変形例を示す断面図である。
The configuration of the floating
なお、Pチャネル型の場合には、上記したNチャネル型と逆の関係とすれば良い。すなわち、第2浮遊ゲート電極部42が、第1浮遊ゲート電極部41を構成する材料の仕事関数φ1よりも仕事関数φ2が小さい材料を用いて形成された構成とすれば良い。このように、φ1>φ2を満たせば、第2トランジスタ3の閾値電圧Vt2の絶対値を第1トランジスタ2の閾値電圧Vt1の絶対値より高くすることができる。
In the case of the P-channel type, the relationship may be opposite to that of the N-channel type described above. That is, the second floating
以上、本発明の好ましい実施形態について説明したが、本発明は上記した実施形態になんら制限されることなく、本発明の主旨を逸脱しない範囲において、種々変形して実施することが可能である。 The preferred embodiments of the present invention have been described above. However, the present invention is not limited to the above-described embodiments, and various modifications can be made without departing from the spirit of the present invention.
1・・・不揮発性半導体記憶装置
2・・・第1トランジスタ
3・・・第2トランジスタ
11・・・チャネル形成領域
12・・・第1チャネル形成領域
13・・・第2チャネル形成領域
20・・・ソース
30・・・ドレイン
40・・・浮遊ゲート電極
50・・・制御ゲート電極
51・・・積層部
52・・・並設部
DESCRIPTION OF
Claims (14)
前記半導体基板の主表面の表層部に互いに離間して形成され、前記第1導電型とは逆の第2導電型不純物が拡散された領域であるソース及びドレインと、
前記半導体基板の前記ソースと前記ドレインとの間のチャネル形成領域上に絶縁膜を介して配置されたゲート電極として、浮遊ゲート電極と、少なくとも一部が前記浮遊ゲート電極と容量結合された制御ゲート電極とを備え、
アバランシェ降伏により、前記チャネル形成領域のドレイン近傍端部に生じるホットキャリアによって消去を行う電気的に書き換え可能な不揮発性半導体記憶装置であって、
書き込み時において前記チャネル形成領域における電界強度が最大となる電界集中部の位置が、前記ドレイン近傍端部とは異なり、前記ドレイン近傍端部とは反対側のソース近傍端部と前記ドレイン近傍端部との間の中間部内とされていることを特徴とする不揮発性半導体記憶装置。 A first conductivity type semiconductor substrate;
A source and a drain which are formed in a surface layer portion of the main surface of the semiconductor substrate so as to be spaced apart from each other and in which a second conductivity type impurity opposite to the first conductivity type is diffused;
A floating gate electrode as a gate electrode disposed via an insulating film on a channel formation region between the source and drain of the semiconductor substrate, and a control gate at least partially capacitively coupled to the floating gate electrode With electrodes,
An electrically rewritable nonvolatile semiconductor memory device that performs erasure by hot carriers generated at an end near the drain of the channel formation region by avalanche breakdown,
The position of the electric field concentration portion where the electric field strength is maximum in the channel formation region at the time of writing is different from the end portion near the drain, and the end portion near the source and the end portion near the drain opposite to the end portion near the drain A non-volatile semiconductor memory device characterized by being in an intermediate portion between the two.
前記浮遊ゲート電極が中性状態において、前記第2のトランジスタにおける閾値電圧の絶対値が、前記第1のトランジスタにおける閾値電圧の絶対値よりも大きいことを特徴とする請求項1又は請求項2に記載の不揮発性半導体記憶装置。 Of the channel formation region, a first transistor including a first channel formation region from the source side end of the electric field concentration portion to the drain, and a second channel formation adjacent to the first channel formation region A second transistor including a region;
The absolute value of the threshold voltage in the second transistor is larger than the absolute value of the threshold voltage in the first transistor when the floating gate electrode is in a neutral state. The nonvolatile semiconductor memory device described.
前記電界集中部は、前記チャネル形成領域の中間部のうち、前記浮遊ゲート電極との対向部位又は前記対向部位に対してソース側の近傍部位とされていることを特徴とする請求項3に記載の不揮発性半導体記憶装置。 The control gate electrode is arranged side by side with a predetermined gap between the layered portion laminated and capacitively coupled with the floating gate electrode and the floating gate electrode on the channel formation region. Having a region,
The said electric field concentration part is made into the site | part vicinity of the source side with respect to the said opposing part with respect to the said floating gate electrode among the intermediate parts of the said channel formation area, The Claim 3 characterized by the above-mentioned. Nonvolatile semiconductor memory device.
前記並設部位は、前記第2のトランジスタに含まれていることを特徴とする請求項5に記載の不揮発性半導体記憶装置。 The second channel formation region is a region to the source;
6. The nonvolatile semiconductor memory device according to claim 5, wherein the juxtaposed portion is included in the second transistor.
前記第1の浮遊ゲート電極部と前記第2の浮遊ゲート電極部は、互いに異なる仕事関数の材料を用いて形成されていることを特徴とする請求項3〜9いずれか1項に記載の不揮発性半導体記憶装置。 The floating gate electrode is provided on the first channel formation region, and has a first floating gate electrode portion in contact with the insulating film interposed between the main surface of the semiconductor substrate and the second channel A second floating gate electrode portion provided on a formation region, in contact with the insulating film interposed between the main surface of the semiconductor substrate and in contact with the first floating gate electrode portion;
The non-volatile device according to any one of claims 3 to 9, wherein the first floating gate electrode portion and the second floating gate electrode portion are formed using materials having different work functions. Semiconductor memory device.
前記第2の浮遊ゲート電極部は、前記第1の浮遊ゲート電極部の構成材料よりも仕事関数の大きい材料を用いて形成されていることを特徴とする請求項10に記載の不揮発性半導体記憶装置。 The second conductivity type is an N conductivity type,
The nonvolatile semiconductor memory according to claim 10, wherein the second floating gate electrode portion is formed using a material having a work function larger than that of the constituent material of the first floating gate electrode portion. apparatus.
前記段差は、前記制御ゲート電極に所定電圧を印加することにより、前記第2のチャネル形成領域に形成される反転層の厚さよりも大きいことを特徴とする請求項3〜11いずれか1項に記載の不揮発性半導体記憶装置。 The semiconductor substrate has a step on its main surface, the height of the second transistor being higher than that of the first transistor from the back surface of the main surface;
12. The step according to claim 3, wherein the step is larger than a thickness of the inversion layer formed in the second channel formation region by applying a predetermined voltage to the control gate electrode. The nonvolatile semiconductor memory device described.
前記消去時において、前記制御ゲート電極のうち、前記浮遊ゲート電極と積層されて容量結合された積層部位を含むトランジスタの閾値電圧の絶対値が、前記チャネル形成領域上に前記浮遊ゲート電極との間に所定の隙間を有して並んで配置された並設部位を含むトランジスタの閾値電圧の絶対値よりも小さくなるようにデータを消去し、前記閾値電圧の関係を満たした状態から書き込みを行うことを特徴とする不揮発性半導体記憶装置のデータ書き換え方法。 A source and a drain which are second conductivity type impurity diffusion regions opposite to the first conductivity type are formed on the main surface of the first conductivity type semiconductor substrate so as to be separated from each other, and the source and drain of the semiconductor substrate are formed. In a nonvolatile semiconductor memory device in which a floating gate electrode and a control gate electrode having a split gate structure are arranged on a channel formation region between the source and the drain, the electrons from the source to the drain during writing Then, electrons in a high energy state are injected into the floating gate electrode to obtain a data write state, and at the time of erasure, an avalanche breakdown is generated between the drain and the semiconductor substrate, and hot carriers associated therewith are transferred to the floating gate electrode. A method of rewriting data in a nonvolatile semiconductor memory device that erases data by injecting into a floating gate electrode,
At the time of erasing, an absolute value of a threshold voltage of a transistor including a stacked portion of the control gate electrode that is stacked and capacitively coupled with the floating gate electrode is between the floating gate electrode and the channel forming region. The data is erased to be smaller than the absolute value of the threshold voltage of the transistor including the juxtaposed portion arranged side by side with a predetermined gap, and writing is performed from a state where the threshold voltage relationship is satisfied. A method of rewriting data in a nonvolatile semiconductor memory device.
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