JP2009141134A - Semiconductor memory device and manufacturing method thereof, and operating method of semiconductor memory device - Google Patents

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a semiconductor memory device capable of compatibly improving a write speed and suppressing readout disturbance. <P>SOLUTION: A charge accumulation film and a gate electrode 105 are formed on a semiconductor layer, and two first conductivity diffusion regions A and B are formed in semiconductor layers on both sides of a channel region formed below the gate electrode 105. The channel region is so formed that the channel width Wb on the side where the diffusion region B comes into contact with the channel region is not larger than the channel width Wa on the side where the diffusion region A comes into contact with the channel region. Upon storing operation, a higher voltage is applied to the diffusion region A than to the diffusion region B, and upon readout operation, a higher voltage is applied to the diffusion region B than to the diffusion region A. <P>COPYRIGHT: (C)2009,JPO&INPIT

Description

本発明は、半導体記憶装置、より具体的には、ホットキャリアを用いて書込みを行う不揮発性半導体記憶装置及びその製造方法と半導体記憶装置の動作方法に関するものである。   The present invention relates to a semiconductor memory device, and more particularly to a nonvolatile semiconductor memory device that performs writing using hot carriers, a method for manufacturing the same, and a method for operating the semiconductor memory device.

フローティングゲートを用いた従来の不揮発性記憶装置は、例えば図16の構成を有する。図16に示す半導体記憶装置は、NMOSFETの製造と同様の方法で製造された場合を示す。この不揮発性記憶装置は、絶縁膜からなる素子分離領域900を設けたp型半導体基板901上に、第一の絶縁膜902、導電体からなるフローティングゲート903、第二の絶縁膜904、ゲート電極905を有している。一般にはそれぞれ、半導体基板901としてはシリコン基板、第一の絶縁膜902としてはシリコン酸化膜、第二の絶縁膜904としてはシリコン酸化膜、あるいはシリコン酸化膜/シリコン窒化膜/シリコン酸化膜の3層構造がしばしば用いられる。また、フローティングゲート903及びゲート電極905としてはポリシリコン膜がしばしば用いられる。   A conventional nonvolatile memory device using a floating gate has, for example, the configuration shown in FIG. The semiconductor memory device shown in FIG. 16 shows a case where the semiconductor memory device is manufactured by the same method as that for manufacturing the NMOSFET. This nonvolatile memory device includes a first insulating film 902, a floating gate 903 made of a conductor, a second insulating film 904, a gate electrode on a p-type semiconductor substrate 901 provided with an element isolation region 900 made of an insulating film. 905. Generally, the semiconductor substrate 901 is a silicon substrate, the first insulating film 902 is a silicon oxide film, the second insulating film 904 is a silicon oxide film, or silicon oxide film / silicon nitride film / silicon oxide film 3. A layer structure is often used. A polysilicon film is often used as the floating gate 903 and the gate electrode 905.

これらは周知の方法、すなわち、第一の絶縁膜902は半導体基板901表面の熱酸化によって、また、フローティングゲート903、第二の絶縁膜904及びゲート電極905は化学気相成長法(CVD法)によって所定形状に形成され、さらに、リソグラフィ及びドライエッチングによって所定形状に加工される。ゲート電極の両側には、その一部をゲート電極とオーバーラップする形で、イオン注入及び活性化アニールによって形成されたn型拡散領域である、ソース906、ドレイン907を有する。なお、コンタクトプラグ、メタル配線等は図示省略した。   These are known methods, that is, the first insulating film 902 is thermally oxidized on the surface of the semiconductor substrate 901, and the floating gate 903, the second insulating film 904, and the gate electrode 905 are formed by chemical vapor deposition (CVD). Is formed into a predetermined shape, and further processed into a predetermined shape by lithography and dry etching. On both sides of the gate electrode, a source 906 and a drain 907, which are n-type diffusion regions formed by ion implantation and activation annealing, are partially overlapped with the gate electrode. Note that contact plugs, metal wirings, etc. are not shown.

この記憶装置へ書込みを行う際には、図17に示すように、ソース906へグラウンド電位、ドレイン907へ正の書込み電圧、ゲート電極905へ正の書込み電圧を印加する。このとき、ゲート電極下のチャネル908に、ソース906からドレイン907へ電子流909が流れるが、この電子流909は、ドレイン907端付近において、ドレイン907による高電界により加速され、インパクトイオン化によるホットホール・ホットエレクトロンペアを発生させる。このうちホットエレクトロンの一部は、ゲート電極905の正バイアスに引き寄せられ、第1の絶縁膜902のポテンシャルエネルギーを越えてフローティングゲート903へ飛び込み、蓄積電荷910となる。この蓄積電荷910が存在する状態が、書込み状態となる。   When writing to this memory device, as shown in FIG. 17, a ground potential is applied to the source 906, a positive write voltage is applied to the drain 907, and a positive write voltage is applied to the gate electrode 905. At this time, an electron flow 909 flows from the source 906 to the drain 907 in the channel 908 under the gate electrode. This electron flow 909 is accelerated by a high electric field by the drain 907 in the vicinity of the end of the drain 907 and hot holes due to impact ionization.・ Generate hot electron pairs. Among these, a part of hot electrons is attracted to the positive bias of the gate electrode 905 and jumps to the floating gate 903 beyond the potential energy of the first insulating film 902 to become the accumulated charge 910. A state where the accumulated charge 910 exists is a write state.

この記憶装置の読出し時には、ソース906へグラウンド電位、ドレイン907へは上記書込み電圧よりも低い、正の読出し電圧、ゲート電極905へは上記書込み電圧よりも低い正の読出し電圧を印加する。このときゲート電極下のチャネル908を介してソース906からドレイン907へ電子流が流れるので、この電子流の多寡を読出し電流としてモニターする。すなわち、蓄積電荷910が存在する書込み状態では、ゲート電極905がチャネル908へ及ぼす電界が、蓄積電荷910によって遮蔽されるためにしきい値が上昇し、蓄積電荷910が存在しない場合に比較して、読出し電流が低くなる。よって、読出し電流の多寡が、蓄積電荷910の有無ないし多寡を反映するので、この記憶装置に書き込まれた情報の読出しが可能となる。   When reading data from the memory device, a ground potential is applied to the source 906, a positive read voltage lower than the write voltage is applied to the drain 907, and a positive read voltage lower than the write voltage is applied to the gate electrode 905. At this time, since an electron flow flows from the source 906 to the drain 907 via the channel 908 under the gate electrode, the amount of the electron flow is monitored as a read current. That is, in the writing state in which the accumulated charge 910 exists, the threshold voltage rises because the electric field exerted on the channel 908 by the gate electrode 905 is shielded by the accumulated charge 910, compared to the case where the accumulated charge 910 does not exist. The read current is lowered. Therefore, the amount of read current reflects the presence or absence of accumulated charge 910, so that the information written in this storage device can be read.

ここで、上記不揮発性記憶装置に対し、書込み特性を向上する方法が、例えば、特許文献1に提案されている。この半導体記憶装置は、断面構造は上記技術に沿うが、平面構造に特徴があり、これを、図18に示す。図18はソース906、ドレイン907、チャネル領域908の平面図を示し、この半導体記憶装置は、ソース906付近のチャネル幅911に対し、ドレイン907付近のチャネル幅912を狭くすることを特徴としている。
この構造により、単純に全チャネル領域にわたってチャネル幅を縮小する場合よりもオン電流の減少を少なくしつつ、書込み速度を向上することができる。
特開昭63−37669号公報
Here, for example, Patent Literature 1 proposes a method for improving the write characteristics of the nonvolatile memory device. This semiconductor memory device has a cross-sectional structure conforming to the above technique, but has a planar structure, which is shown in FIG. FIG. 18 is a plan view of the source 906, the drain 907, and the channel region 908. This semiconductor memory device is characterized in that the channel width 912 near the drain 907 is narrower than the channel width 911 near the source 906.
With this structure, it is possible to improve the writing speed while reducing the decrease in the on-current as compared with the case where the channel width is simply reduced over the entire channel region.
JP 63-37669 A

書込み効率を向上させることは、単に高速書込みができるという利点を持つだけではなく、より低い電圧で書込みが起こることになる。特許文献1の技術では、ドレイン側のチャネル幅が狭くなるような固定した構造に、半導体記憶装置を作りこんでおり、これによって、ドレイン近傍のチャネル抵抗を相対的に高くし、ソース〜ドレイン間の横方向電界をより効果的にドレイン近傍に集中させ、書込み効率を高めている。
しかしこれは同時に、読出し動作時にもドレイン近傍の電界集中を高めることになり、読出しディスターブ(誤書込み)を強める副作用も有することになる。読出しディスターブとは、繰り返しの読出しによって、もともと書込みを行っていないセルまでも、しきい値が次第に上昇してしまう現象である。読出しディスターブは、読出し時は書込み時よりは低い電圧で動作させるものの、読出し時にもソースからドレインへ電子流を流すため、ドレイン近傍でホットキャリアが発生し、これが繰り返しの読出しによって徐々にフローティングゲートに蓄積していってしまうことによる。
Improving the write efficiency not only has the advantage that high-speed writing can be performed, but also writing occurs at a lower voltage. In the technique of Patent Document 1, a semiconductor memory device is built in a fixed structure that narrows the channel width on the drain side, thereby relatively increasing the channel resistance in the vicinity of the drain, and The horizontal electric field is more effectively concentrated near the drain to increase the writing efficiency.
However, this also increases the electric field concentration in the vicinity of the drain during the read operation, and has the side effect of increasing read disturb (erroneous write). Read disturb is a phenomenon in which the threshold value gradually rises even to cells that are not originally written by repeated reading. Read disturb operates at a voltage lower than that at the time of writing at the time of reading.However, since electrons flow from the source to the drain also at the time of reading, hot carriers are generated in the vicinity of the drain. By accumulating.

特許文献1の技術では、書込み効率を向上するために、ドレイン付近の電界を高める構造をとっているが、その副作用として、読出し時にもホットキャリア生成が促進され、読出しディスターブを起こしやすい、という課題がある。
本発明は、上記課題を解決するものであり、書込み速度の向上と、かつ読出しディスターブの抑制を両立させることが可能な半導体記憶装置を提供するものである。またこの半導体記憶装置の製造方法を提供するものである。更に、この半導体記憶装置の動作方法を提供するものである。
In the technique of Patent Document 1, a structure for increasing the electric field in the vicinity of the drain is adopted in order to improve the writing efficiency. However, as a side effect, hot carrier generation is promoted even during reading, and reading disturb is likely to occur. There is.
The present invention solves the above-described problems, and provides a semiconductor memory device capable of achieving both improvement in write speed and suppression of read disturb. The present invention also provides a method for manufacturing the semiconductor memory device. Furthermore, the present invention provides a method for operating this semiconductor memory device.

上記課題を解決するため、第一の発明の半導体記憶装置は、半導体層と、前記半導体層上に形成された、電荷蓄積機能を有する電荷蓄積膜と、前記電荷蓄積膜上に形成されたゲート電極と、前記ゲート電極の下部の前記半導体層に形成されたチャネル領域と、前記チャネル領域の両側の前記半導体層に形成された2つの第1導電型の拡散領域(A)及び(B)と、前記ゲート電極、前記2つの拡散領域(A)及び(B)へそれぞれ所定電圧を印加する制御回路と、を備え、前記チャネル領域は、前記一方の拡散領域(A)が接する側のチャネル幅Waよりも他方の拡散領域(B)が接する側のチャネル幅Wbの方が大きく形成され、かつ前記制御回路は、記憶動作時には前記一方の拡散領域(A)へ前記他方の拡散領域(B)よりも高い電圧を印加し、読出し時には前記他方の拡散領域(B)へ前記一方の拡散領域(A)よりも高い電圧を印加するものである。   In order to solve the above problems, a semiconductor memory device according to a first aspect of the present invention includes a semiconductor layer, a charge storage film having a charge storage function formed on the semiconductor layer, and a gate formed on the charge storage film. An electrode, a channel region formed in the semiconductor layer below the gate electrode, and two first conductivity type diffusion regions (A) and (B) formed in the semiconductor layer on both sides of the channel region; A control circuit for applying a predetermined voltage to each of the gate electrode and the two diffusion regions (A) and (B), and the channel region has a channel width on the side where the one diffusion region (A) is in contact The channel width Wb on the side where the other diffusion region (B) contacts is larger than Wa, and the control circuit transfers the other diffusion region (B) to the one diffusion region (A) during the storage operation. Higher voltage Applied to, at the time of reading is to apply a voltage higher than the one of the diffusion regions to the other diffusion region (B) (A).

上記発明によれば、書込み時にはチャネル幅が狭くチャネル抵抗の高い拡散領域(A)側をドレイン領域として書込み電圧を印加するため、ドレイン領域端での横方向電界を効果的に高めることができる。そのため書込み効率を向上できるので、書込みの高速化あるいは書込みの低電圧化が可能となる。
一方、読出し時にはチャネル幅が広くチャネル抵抗の低い拡散領域(B)側をドレイン領域として読出し電圧を印加するため、ドレイン領域端での横方向電界は緩和され、繰り返し読出しを行っても読出しディスターブ(誤書込み)が起こりにくいメリットを持つ。すなわち高い書込み効率と高い読出しディスターブ耐性を兼ね備えた高性能・高信頼性半導体記憶装置が得られる。
According to the above-described invention, since the write voltage is applied with the diffusion region (A) having a narrow channel width and high channel resistance as the drain region during writing, the lateral electric field at the drain region end can be effectively increased. As a result, the writing efficiency can be improved, so that the writing speed can be increased or the writing voltage can be lowered.
On the other hand, at the time of reading, since the reading voltage is applied using the diffusion region (B) side having a wide channel width and low channel resistance as the drain region, the lateral electric field at the end of the drain region is alleviated. (Incorrect writing) is less likely to occur. That is, a high performance and high reliability semiconductor memory device having both high write efficiency and high read disturb tolerance can be obtained.

本発明の一実施形態の半導体記憶装置は、前記電荷蓄積膜が、少なくともその一部おいて、半導体層側より順に、第1の絶縁膜、前記ゲート電極と同一材からなる導電体膜及び第2の絶縁膜からなる。
この構成により、フローティングゲート型構造を有するメモリセルと、同時に回路用の通常トランジスタを容易に形成することができるメリットがある。
In the semiconductor memory device of one embodiment of the present invention, the charge storage film has at least a part of the first insulating film, a conductor film made of the same material as the gate electrode, and a first electrode in order from the semiconductor layer side. 2 insulating films.
This configuration has an advantage that a memory cell having a floating gate type structure and a normal transistor for a circuit can be easily formed at the same time.

本発明の一実施形態の半導体記憶装置は、前記電荷蓄積膜が、絶縁膜であることを特徴とする。
このことにより、チャネル幅の狭い一方の拡散領域(A)近傍の電荷蓄積膜中に、蓄積電荷が局在し、かつ読出し時にドレイン領域となる他方の拡散領域(B)側はチャネル幅が広く低抵抗であることから、蓄積電荷の影響が読出し電流の多寡へ敏感に反映されることになり、書込み状態と消去状態の読出し電流差(ウィンドウ)が大きい、信頼性の高い半導体記憶装置が得られる。
また、書込み時に電荷注入される位置を効果的に局在化させることができ、書込み時と消去時の電荷注入位置を整合させることができるので、書換え時に電荷が中和されずに残ることを極力防ぎ、電荷残りに起因する書換え劣化を防ぐことができる。
The semiconductor memory device according to one embodiment of the present invention is characterized in that the charge storage film is an insulating film.
As a result, the accumulated charge is localized in the charge accumulation film near one diffusion region (A) having a narrow channel width, and the channel width is wide on the other diffusion region (B) side that becomes the drain region at the time of reading. Because of its low resistance, the effect of accumulated charge is sensitively reflected in the amount of read current, and a highly reliable semiconductor memory device with a large read current difference (window) between the write state and erase state can be obtained. It is done.
In addition, it is possible to effectively localize the position where charge is injected at the time of writing, and to match the position of charge injection at the time of writing and erasing, so that the charge remains without being neutralized at the time of rewriting. As much as possible, it is possible to prevent rewriting deterioration caused by the remaining charge.

本発明の一実施形態の半導体記憶装置は、前記電荷蓄積膜が、少なくともその一部おいて、半導体層側より順に、第1の絶縁膜、電荷蓄積機能を有する絶縁体、及び第2の絶縁膜からなる構造を有することを特徴とする。
この構造により、蓄積電荷は、第1の絶縁膜・第2の絶縁膜によって外部へ流出することが防がれるので、長期保持に適している。また、絶縁体中に電荷が保持されているので、第1の絶縁膜や第2の絶縁膜の一部に損傷が発生しても、蓄積電荷が損傷箇所から一度に流出することがないので、信頼性が高い。
In the semiconductor memory device according to an embodiment of the present invention, the charge storage film includes at least a part of the first insulating film, an insulator having a charge storage function, and a second insulation in order from the semiconductor layer side. It has the structure which consists of a film | membrane.
With this structure, the accumulated charge is prevented from flowing out to the outside by the first insulating film and the second insulating film, which is suitable for long-term holding. In addition, since charges are held in the insulator, even if a part of the first insulating film or the second insulating film is damaged, the accumulated charge does not flow out from the damaged portion at once. High reliability.

本発明の一実施形態の半導体記憶装置は、前記半導体層が、前記拡散領域とは異なる第2導電型のウェル領域を備えていることを特徴とする。これにより、ウェル領域を備えることにより半導体層の抵抗が下がり、半導体層の電位制御性が高まるため、デバイス間のバラツキが抑制される。
本発明の一実施形態の半導体記憶装置は、前記チャネル幅Wbに対する前記チャネル幅Waの比が20%から80%であることを特徴とする。この比率とすることで、上記効果を得つつ、記憶装置としての信頼性を損なわない程度の読出しオン電流が得られ、最も効果的に本発明の利点を発揮することができる。チャネル幅Wbに対する前記チャネル幅Waの比は、40%から70%にすると、上記効果をより顕著に得ることができる。
The semiconductor memory device according to an embodiment of the present invention is characterized in that the semiconductor layer includes a well region of a second conductivity type different from the diffusion region. Thereby, by providing the well region, the resistance of the semiconductor layer is lowered, and the potential controllability of the semiconductor layer is increased, so that variation between devices is suppressed.
The semiconductor memory device of one embodiment of the present invention is characterized in that a ratio of the channel width Wa to the channel width Wb is 20% to 80%. With this ratio, a read-on current that does not impair the reliability of the memory device can be obtained while obtaining the above-described effect, and the advantages of the present invention can be exhibited most effectively. When the ratio of the channel width Wa to the channel width Wb is 40% to 70%, the above effect can be obtained more remarkably.

本発明の一実施形態の半導体記憶装置は、前記他方の拡散領域(B)端部において、前記ゲート電極下の前記半導体層に、前記他方の拡散領域(B)よりも不純物濃度の薄い第1導電型領域を備えていることを特徴とする。
このことにより、読出し時においてドレイン領域となる前記他方の拡散領域(B)端部の横方向電界をさらに緩和し、さらに読出しディスターブ耐性の高い、高信頼性半導体記憶装置が得られる。
In the semiconductor memory device according to an embodiment of the present invention, the first diffusion region having a lower impurity concentration than the other diffusion region (B) is formed in the semiconductor layer below the gate electrode at the end of the other diffusion region (B). A conductive type region is provided.
As a result, a highly reliable semiconductor memory device can be obtained in which the lateral electric field at the end of the other diffusion region (B), which becomes the drain region at the time of reading, is further relaxed and the read disturb resistance is high.

本発明の一実施形態の半導体記憶装置は、前記チャネル領域が、前記他方の拡散領域(B)から前記一方の拡散領域(A)に向かって、(1)前記チャネル幅Wbの領域、(2)前記チャネル幅Wbから前記チャネル幅Waへ減少する領域、(3)前記チャネル幅Waの領域から成ることを特徴とする。
このことにより、チャネル形状が鋭角または直角となることを防ぎ、その角の部分にゲート電界が集中して絶縁膜破壊することを防止するため、信頼性の高い記憶装置が得られる。
In one embodiment of the present invention, in the semiconductor memory device, the channel region extends from the other diffusion region (B) toward the one diffusion region (A), (1) a region having the channel width Wb, (2 And (3) a region that decreases from the channel width Wb to the channel width Wa, and (3) a region that has the channel width Wa.
Accordingly, the channel shape is prevented from becoming an acute angle or a right angle, and the gate electric field is concentrated on the corner portion to prevent the insulating film from being broken, so that a highly reliable memory device can be obtained.

本発明の一実施形態の半導体記憶装置は、少なくとも前記一方の拡散領域(A)のゲート電極方向に隣接した部位に、真性半導体または第2導電型半導体の領域を備えることを特徴とする。
つまり、少なくとも一方の拡散領域(A)側のチャネル幅Waを素子分離で規定せず、第1導電型不純物が注入されている領域の幅で規定されていることから、動作時の電流経路も、素子分離等で規定されず、他方の拡散領域(B)と一方の拡散領域(A)の付近のチャネル幅Wb,Waと、動作時の電界によって自動的に規定される。従って、素子形成時のフォトアライメントずれ等の影響を受けにくい構造であり、素子特性バラツキを効果的に防止する。
The semiconductor memory device according to one embodiment of the present invention is characterized in that an intrinsic semiconductor region or a second conductivity type semiconductor region is provided in at least a portion of the one diffusion region (A) adjacent to the gate electrode direction.
That is, the channel width Wa on the side of at least one diffusion region (A) is not defined by element isolation, but is defined by the width of the region where the first conductivity type impurity is implanted. It is not defined by element isolation or the like, but is automatically defined by the channel widths Wb and Wa in the vicinity of the other diffusion region (B) and one diffusion region (A) and the electric field during operation. Therefore, the structure is not easily affected by a photoalignment deviation or the like at the time of element formation, and the element characteristic variation is effectively prevented.

本発明の一実施形態の半導体記憶装置は、少なくともワード線方向に複数のメモリセルを有し、隣り合うメモリセル同士、前記一方の拡散領域(A)と前記他方の拡散領域(B)が互い違いとなるように配列されていることを特徴とする。また特に、複数のメモリセルが二次元的に配列される場合には、ビット線が、前記一方の拡散領域(A)同士、前記他方の拡散領域(B)同士を接続するようにジグザグ型に設けられていることを特徴とする。
このような構造をとることで、素子分離幅及びビット線間隔を確保しつつ密集した配置が可能となり、チップ面積の縮小が可能となる。
A semiconductor memory device according to an embodiment of the present invention has a plurality of memory cells at least in the word line direction, and adjacent memory cells, the one diffusion region (A) and the other diffusion region (B) are staggered. It is arranged so that In particular, when a plurality of memory cells are two-dimensionally arranged, the bit lines are zigzag-shaped so as to connect the one diffusion region (A) and the other diffusion region (B). It is provided.
By adopting such a structure, a dense arrangement is possible while ensuring the element isolation width and the bit line interval, and the chip area can be reduced.

本発明の一実施形態の半導体記憶装置は、少なくともワード線方向に複数のメモリセルを有し、前記他方の拡散領域(B)が隣り合うメモリセル同士で共有されていることを特徴とする。
この構成では、ワード線方向に隣接する他方の拡散領域(B)を分離する必要がないことから、チップ面積の縮小が可能となる。また、他方の拡散領域(B)へ接続するビット線を共有できるためビット線の本数を減らせることから、回路も簡略化することができ、さらにチップ面積縮小の効果がある。
A semiconductor memory device according to an embodiment of the present invention has a plurality of memory cells at least in the word line direction, and the other diffusion region (B) is shared by adjacent memory cells.
In this configuration, it is not necessary to separate the other diffusion region (B) adjacent in the word line direction, so that the chip area can be reduced. In addition, since the number of bit lines can be reduced because the bit line connected to the other diffusion region (B) can be shared, the circuit can be simplified and the chip area can be reduced.

本発明の一実施形態の半導体記憶装置は、前記半導体層が、絶縁基板上に形成されていることを特徴とする。
このように、本発明により、高価な半導体基板を使用せず、廉価なガラス基板等の上に形成することは、製造コストを抑えることができ、産業上重要な意義をもつ。かつ本実施形態には次のような効果がある。一般に、絶縁基板上へメモリを形成する場合には、半導体基板を使用する場合に比べ、半導体層の結晶性や、半導体層と絶縁膜の界面状態が良好でないため、書込み時、チャネル中でのキャリア散乱等の影響で、電荷保持膜へ電荷注入される範囲が広範囲になりやすい傾向がある。これは、書換え時の電荷中和不良による書換え劣化の原因になりうる。本実施形態では、電荷注入される位置を効果的に局在化させることができ、書込み時と消去時の電荷注入位置を整合させることができるので、書換え劣化を防ぐことができる。これにより、廉価で繰り返し書換え可能なメモリを実現する。
The semiconductor memory device according to one embodiment of the present invention is characterized in that the semiconductor layer is formed on an insulating substrate.
As described above, according to the present invention, forming on an inexpensive glass substrate or the like without using an expensive semiconductor substrate can suppress the manufacturing cost and has an important industrial significance. In addition, this embodiment has the following effects. In general, when forming a memory on an insulating substrate, the crystallinity of the semiconductor layer and the interface state between the semiconductor layer and the insulating film are not as good as when using a semiconductor substrate. Due to the influence of carrier scattering and the like, the range in which charges are injected into the charge holding film tends to be wide. This can cause rewrite degradation due to charge neutralization failure during rewrite. In this embodiment, the charge injection position can be effectively localized, and the charge injection position at the time of writing and at the time of erasing can be matched, so that rewriting deterioration can be prevented. This realizes an inexpensive and rewritable memory.

本発明の一実施形態の半導体記憶装置は、前記ゲート電極に対して、前記一方の拡散領域(A)と同一の側に、前記ウェル濃度より第2導電型不純物濃度の濃い、ボディコンタクト領域を有することを特徴とする。
このように、絶縁基板上に半導体記憶装置を設けた際、ボディコンタクトを設け、半導体層の電位を制御することで、素子間バラツキを抑え、安定した書込み動作ができる。特にこの構成では、書込み時にドレイン領域として機能する一方の拡散領域(A)側にボディコンタクトを設けていることで、書込み時にキャリアが発生する位置とボディコンタクトが近く、キャリアを効率的に排出できる。そのため、ボディ電位の変動を抑え、書込み速度低下等の異常動作を防止して安定な書込みを行う効果が高い。また同時に、ボディコンタクトを設けるにあたって、チャネル幅を狭く設定した一方の拡散領域(A)の横の剰余スペースを用いてこれを搭載しているため、チップ上のスペースを効率的に活用した高密度なレイアウトが実現できる。
The semiconductor memory device of one embodiment of the present invention includes a body contact region having a second conductivity type impurity concentration higher than the well concentration on the same side as the one diffusion region (A) with respect to the gate electrode. It is characterized by having.
As described above, when the semiconductor memory device is provided over the insulating substrate, the body contact is provided and the potential of the semiconductor layer is controlled, so that variation between elements can be suppressed and stable writing operation can be performed. In particular, in this configuration, by providing the body contact on the side of one diffusion region (A) that functions as a drain region at the time of writing, the position where the carrier is generated at the time of writing is close to the body contact, and the carrier can be efficiently discharged. . For this reason, it is highly effective to perform stable writing by suppressing fluctuations in body potential and preventing abnormal operations such as a decrease in writing speed. At the same time, when the body contact is provided, it is mounted using the extra space next to one diffusion region (A) with a narrow channel width, so the high density that efficiently utilizes the space on the chip A simple layout.

本発明の一実施形態の半導体記憶装置は、ボディコンタクト領域と前記一方の拡散領域(A)の間に、不純物濃度の薄い領域を有することを特徴とする。
これにより、一方の拡散領域(A)とボディコンタクト領域との逆方向耐圧が高まり、両者の間のリーク電流が抑えられるので、消費電力の低い半導体記憶装置が提供される。
本発明の一実施形態の半導体記憶装置は、前記ボディコンタクト領域の一部が、前記ゲート電極直下の半導体層領域と近接するか、または前記ゲート電極とオーバーラップしていることを特徴とする。これにより、消去動作を行う際に、ボディコンタクト領域からゲート電極下半導体層へキャリアが流れ込んで蓄積層が形成され、消去時にキャリアが発生する位置からボディコンタクト領域に到るまでの低抵抗な電流経路が出来るので、安定した高速な消去が可能となる。
A semiconductor memory device according to an embodiment of the present invention is characterized in that a region having a low impurity concentration is provided between a body contact region and the one diffusion region (A).
Thereby, the reverse breakdown voltage between one diffusion region (A) and the body contact region is increased, and the leakage current between them is suppressed, so that a semiconductor memory device with low power consumption is provided.
The semiconductor memory device according to an embodiment of the present invention is characterized in that a part of the body contact region is close to or overlaps with the semiconductor layer region immediately below the gate electrode. As a result, when performing an erase operation, carriers flow from the body contact region to the semiconductor layer under the gate electrode to form a storage layer, and a low-resistance current from the position where carriers are generated during erase to the body contact region Since a route is formed, stable and high-speed erasure is possible.

第二の発明の半導体記憶装置は、半導体層と、前記半導体層に形成された第1導電型の2つの拡散領域(A)及び(B)と、前記2つの拡散領域(A)及び(B)間の前記半導体層に形成されたチャネル領域と、前記チャネル領域上にゲート絶縁膜を介して少なくとも一方の拡散領域(A)に対してオフセットするように形成されたゲート電極と、前記ゲート電極の少なくとも一方の前記拡散領域(A)側の側壁に形成されたゲート側壁絶縁膜と、前記ゲート側壁絶縁膜内に配置された電荷トラップ準位を有する絶縁体とよりなるメモリセルと、前記半導体層、前記ゲート電極、前記2つの拡散領域(A)及び(B)へそれぞれ所定電圧を印加する制御回路とを備え、前記チャネル領域は、前記一方の拡散領域(A)が接する側のチャネル幅Waよりも他方の拡散領域(B)が接する側のチャネル幅Wbの方が大きく形成され、かつ前記制御回路は、記憶動作時には前記一方の拡散領域(A)へ前記他方の拡散領域(B)よりも高い電圧を印加し、読出し時には前記他方の拡散領域(B)へ前記一方の拡散領域(A)よりも高い電圧を印加するものである。   The semiconductor memory device of the second invention is a semiconductor layer, two diffusion regions (A) and (B) of the first conductivity type formed in the semiconductor layer, and the two diffusion regions (A) and (B ) Between the channel region formed in the semiconductor layer, a gate electrode formed on the channel region so as to be offset with respect to at least one diffusion region (A) via a gate insulating film, and the gate electrode A memory cell comprising: a gate sidewall insulating film formed on at least one of the sidewalls on the diffusion region (A) side; an insulator having a charge trap level disposed in the gate sidewall insulating film; and the semiconductor A control circuit that applies a predetermined voltage to each of the layer, the gate electrode, and the two diffusion regions (A) and (B), and the channel region has a channel width on the side where the one diffusion region (A) contacts The channel width Wb on the side where the other diffusion region (B) contacts is larger than a, and the control circuit transfers the other diffusion region (B) to the one diffusion region (A) during the memory operation. A voltage higher than that of the one diffusion region (A) is applied to the other diffusion region (B) at the time of reading.

上記発明によれば、記憶部をゲート電極下ではなく、サイドウォール状に設けているので、ゲート電極とチャネルの距離が近く、少なくとも一方の拡散領域(A)とゲート電極とがオフセットしている。したがって、短チャネル効果に強いメリットがある。これに加え、上記第一の発明と同様のメリットもある。すなわち、書込み時にはチャネル幅が狭くチャネル抵抗の高い一方の拡散領域(A)側をドレイン領域として書込み電圧を印加するため、ドレイン領域端での横方向電界を効果的に高めることができる。このため、書込み効率を向上できるので、書込みの高速化あるいは書込みの低電圧化が可能となる。一方、読出し時にはチャネル幅が広くチャネル抵抗の低い他方の拡散領域(B)側をドレイン領域として読出し電圧を印加するため、ドレイン領域端での横方向電界は緩和され、繰り返し読出しを行っても読出しディスターブ(誤書込み)が起こりにくいメリットを持つ。
すなわち高い書込み効率と高い読出しディスターブ耐性を兼ね備えた高性能・高信頼性半導体記憶装置が得られる。特に、上記のように、書込みを行う一方の拡散領域(A)側(ドレイン領域側)がオフセット構造をとっている場合、書込み時にドレイン領域端へ電界集中しにくく、書込み効率が低くなる傾向にある。この点からも、本第二の発明は、サイドウォール状記憶部を有しながら高い書込み効率を実現するという、重要な効果を持つ。また、読出し時にドレイン領域となる他方の拡散領域(B)側はチャネル幅が広く低抵抗であることから、蓄積電荷の影響が読出し電流の多寡へ敏感に反映されることになる。このため書込み状態と消去状態の読出し電流差(ウィンドウ)が大きく、信頼性が高いというメリットもある。
According to the above invention, since the memory portion is provided not in the gate electrode but in the side wall shape, the distance between the gate electrode and the channel is short, and at least one diffusion region (A) and the gate electrode are offset. . Therefore, there is a strong merit for the short channel effect. In addition to this, there are advantages similar to those of the first invention. That is, at the time of writing, a writing voltage is applied using one diffusion region (A) having a narrow channel width and high channel resistance as a drain region, so that the lateral electric field at the end of the drain region can be effectively increased. For this reason, since the writing efficiency can be improved, the writing speed can be increased or the writing voltage can be lowered. On the other hand, since a read voltage is applied with the other diffusion region (B) having a wide channel width and low channel resistance as a drain region at the time of reading, the lateral electric field at the end of the drain region is alleviated, and reading is performed even when repeated reading is performed. It has the merit that disturb (erroneous writing) hardly occurs.
That is, a high performance and high reliability semiconductor memory device having both high write efficiency and high read disturb tolerance can be obtained. In particular, as described above, when one diffusion region (A) side (drain region side) on which writing is performed has an offset structure, electric field concentration is unlikely to occur at the drain region end during writing, and writing efficiency tends to be low. is there. Also from this point, the second invention has an important effect of realizing high write efficiency while having the sidewall-shaped storage section. Further, since the other diffusion region (B) side, which becomes the drain region at the time of reading, has a wide channel width and low resistance, the influence of the accumulated charge is sensitively reflected on the amount of reading current. Therefore, there is a merit that the read current difference (window) between the write state and the erase state is large and the reliability is high.

本発明の一実施形態の半導体記憶装置は、前記半導体層が、前記拡散領域とは異なる第2導電型のウェル領域を備えていることを特徴とする。これにより、ウェル領域を備えることにより半導体層の抵抗が下がり、半導体層の電位制御性が高まるため、デバイス間のバラツキが抑制される。
本発明の一実施形態の半導体記憶装置は、前記チャネル幅Wbに対する前記チャネル幅Waの比が20%から80%であることを特徴とする。
この比率とすることで、上記効果を得つつ、記憶装置としての信頼性を損なわない程度の読出しオン電流が得られ、最も効果的に本発明の利点を発揮することができる。チャネル幅Wbに対する前記チャネル幅Waの比は、40%から70%にすると、上記効果をより顕著に得ることができる。
The semiconductor memory device according to an embodiment of the present invention is characterized in that the semiconductor layer includes a well region of a second conductivity type different from the diffusion region. Thereby, by providing the well region, the resistance of the semiconductor layer is lowered, and the potential controllability of the semiconductor layer is increased, so that variation between devices is suppressed.
The semiconductor memory device of one embodiment of the present invention is characterized in that a ratio of the channel width Wa to the channel width Wb is 20% to 80%.
With this ratio, a read-on current that does not impair the reliability of the memory device can be obtained while obtaining the above-described effect, and the advantages of the present invention can be exhibited most effectively. When the ratio of the channel width Wa to the channel width Wb is 40% to 70%, the above effect can be obtained more remarkably.

本発明の一実施形態の半導体記憶装置は、前記他方の拡散領域(B)端部において、前記ゲート電極下の前記半導体層に、前記他方の拡散領域(B)よりも不純物濃度の薄い第1導電型領域を備えていることを特徴とする。
このことにより、読出し時においてドレイン領域となる前記他方の拡散領域(B)端部の横方向電界をさらに緩和し、さらに読出しディスターブ耐性の高い、高信頼性半導体記憶装置が得られる。
本発明の一実施形態の半導体記憶装置は、前記チャネル領域が、前記他方の拡散領域(B)から前記一方の拡散領域(A)に向かって、(1)前記チャネル幅Wbの領域、(2)前記チャネル幅Wbから前記チャネル幅Waへ減少する領域、(3)前記チャネル幅Waの領域から成ることを特徴とする。
このことにより、チャネル形状が鋭角または直角となることを防ぎ、その角の部分にゲート電界が集中して絶縁膜破壊することを防止するため、信頼性の高い記憶装置が得られる。
In the semiconductor memory device according to an embodiment of the present invention, the first diffusion layer having a lower impurity concentration than the other diffusion region (B) is formed in the semiconductor layer below the gate electrode at the end of the other diffusion region (B). A conductive type region is provided.
As a result, a highly reliable semiconductor memory device can be obtained in which the lateral electric field at the end of the other diffusion region (B), which becomes the drain region at the time of reading, is further relaxed and the read disturb resistance is high.
In one embodiment of the present invention, in the semiconductor memory device, the channel region extends from the other diffusion region (B) toward the one diffusion region (A), (1) a region having the channel width Wb, (2 And (3) a region that decreases from the channel width Wb to the channel width Wa, and (3) a region that has the channel width Wa.
Accordingly, the channel shape is prevented from becoming an acute angle or a right angle, and the gate electric field is concentrated on the corner portion to prevent the insulating film from being broken, so that a highly reliable memory device can be obtained.

本発明の一実施形態の半導体記憶装置は、少なくとも前記一方の拡散領域(A)のゲート電極方向に隣接した部位に、真性半導体または第2導電型半導体の領域を備えることを特徴とする。
つまり、少なくとも一方の拡散領域(A)側のチャネル幅Waを素子分離で規定せず、第1導電型不純物が注入されている領域の幅で規定されている。このため、動作時の電流経路も、素子分離等で規定されず、他方の拡散領域(B)と一方の拡散領域(A)の付近のチャネル幅Wb,Waと、動作時の電界によって自動的に規定される。つまり、素子形成時のフォトアライメントずれ等の影響を受けにくい構造であり、素子特性バラツキを効果的に防止する。
The semiconductor memory device according to one embodiment of the present invention is characterized in that an intrinsic semiconductor region or a second conductivity type semiconductor region is provided in at least a portion of the one diffusion region (A) adjacent to the gate electrode direction.
That is, the channel width Wa on the side of at least one diffusion region (A) is not defined by element isolation, but is defined by the width of the region where the first conductivity type impurity is implanted. Therefore, the current path during operation is not defined by element isolation or the like, and is automatically determined by the channel widths Wb and Wa near the other diffusion region (B) and one diffusion region (A) and the electric field during operation. Stipulated in That is, it is a structure that is not easily affected by a photoalignment shift or the like during element formation, and effectively prevents element characteristic variations.

本発明の一実施形態の半導体記憶装置は、少なくともワード線方向に複数のメモリセルを有し、隣り合うメモリセル同士、前記一方の拡散領域(A)と前記他方の拡散領域(B)が互い違いとなるように配列されていることを特徴とする。また特に、複数のメモリセルが二次元的に配列される場合には、ビット線が、前記一方の拡散領域(A)同士、前記他方の拡散領域(B)同士を接続するようにジグザグ型に設けられていることを特徴とする。
このような構造をとることで、素子分離幅及びビット線間隔を確保しつつ密集した配置が可能となり、チップ面積の縮小が可能となる。
A semiconductor memory device according to an embodiment of the present invention has a plurality of memory cells at least in the word line direction, and adjacent memory cells, the one diffusion region (A) and the other diffusion region (B) are staggered. It is arranged so that In particular, when a plurality of memory cells are two-dimensionally arranged, the bit lines are zigzag-shaped so as to connect the one diffusion region (A) and the other diffusion region (B). It is provided.
By adopting such a structure, a dense arrangement is possible while ensuring the element isolation width and the bit line interval, and the chip area can be reduced.

本発明の一実施形態の半導体記憶装置は、少なくともワード線方向に複数のメモリセルを有し、前記他方の拡散領域(B)が隣り合うメモリセル同士で共有されていることを特徴とする。
この構成では、ワード線方向に隣接する他方の拡散領域(B)を分離する必要がないことから、チップ面積の縮小が可能となる。また、他方の拡散領域(B)へ接続するビット線を共有できるためビット線の本数を減らせることから、回路も簡略化することができ、さらにチップ面積縮小の効果がある。
本発明の一実施形態の半導体記憶装置は、前記半導体層が、絶縁基板上に形成されていることを特徴とする。
これにより、高価な半導体基板を使用せず、廉価なガラス基板等の上に形成することで、製造コストを抑えることができる。
このように、本発明により、高価な半導体基板を使用せず、廉価なガラス基板等の上に形成することは、製造コストを抑えることができ、産業上重要な意義をもつ。かつ本実施形態には次のような効果がある。一般に、絶縁基板上へメモリを形成する場合には、半導体基板を使用する場合に比べ、半導体層の結晶性や、半導体層と絶縁膜の界面状態が良好でないため、書込み時、チャネル中でのキャリア散乱等の影響で、電荷保持膜へ電荷注入される範囲が広範囲になりやすい傾向がある。これは、書換え時の電荷中和不良による書換え劣化の原因になりうる。本実施形態では、電荷注入される位置を効果的に局在化させることができ、書込み時と消去時の電荷注入位置を整合させることができるので、書換え劣化を防ぐことができる。これにより、廉価で繰り返し書換え可能なメモリを実現する。
A semiconductor memory device according to an embodiment of the present invention has a plurality of memory cells at least in the word line direction, and the other diffusion region (B) is shared by adjacent memory cells.
In this configuration, it is not necessary to separate the other diffusion region (B) adjacent in the word line direction, so that the chip area can be reduced. In addition, since the number of bit lines can be reduced because the bit line connected to the other diffusion region (B) can be shared, the circuit can be simplified and the chip area can be reduced.
The semiconductor memory device according to one embodiment of the present invention is characterized in that the semiconductor layer is formed on an insulating substrate.
As a result, the manufacturing cost can be reduced by forming on an inexpensive glass substrate or the like without using an expensive semiconductor substrate.
As described above, according to the present invention, forming on an inexpensive glass substrate or the like without using an expensive semiconductor substrate can suppress the manufacturing cost and has an important industrial significance. In addition, this embodiment has the following effects. In general, when forming a memory on an insulating substrate, the crystallinity of the semiconductor layer and the interface state between the semiconductor layer and the insulating film are not as good as when using a semiconductor substrate. Due to the influence of carrier scattering and the like, the range in which charges are injected into the charge holding film tends to be wide. This can cause rewrite degradation due to charge neutralization failure during rewrite. In this embodiment, the charge injection position can be effectively localized, and the charge injection position at the time of writing and at the time of erasing can be matched, so that rewriting deterioration can be prevented. This realizes an inexpensive and rewritable memory.

本発明の一実施形態の半導体記憶装置は、前記ゲート電極に対して、前記一方の拡散領域(A)と同一の側に、前記ウェル濃度より第2導電型不純物濃度の濃い、ボディコンタクト領域を有することを特徴とする。
本発明によれば、絶縁基板上に半導体記憶装置を設けた際、ボディコンタクトを設け、半導体層の電位を制御することで、素子間バラツキを抑え、安定した書込み動作ができる。そして、特に書込み時にドレイン領域として機能する一方の拡散領域(A)側にボディコンタクトを設けていることで、書込み時にキャリアが発生する位置とボディコンタクトが近く、キャリアを効率的に排出できるので、ボディ電位の変動を抑え、書込み速度低下等の異常動作を防止して安定な書込みを行う効果が高い。また同時に、ボディコンタクトを設けるにあたって、チャネル幅を狭く設定した一方の拡散領域(A)の横の剰余スペースを用いてこれを搭載しているため、チップ上のスペースを効率的に活用した高密度なレイアウトが実現できる。
The semiconductor memory device of one embodiment of the present invention includes a body contact region having a second conductivity type impurity concentration higher than the well concentration on the same side as the one diffusion region (A) with respect to the gate electrode. It is characterized by having.
According to the present invention, when a semiconductor memory device is provided on an insulating substrate, a body contact is provided and the potential of the semiconductor layer is controlled, so that variation between elements can be suppressed and stable writing operation can be performed. And by providing the body contact on the side of one diffusion region (A) that functions as a drain region particularly at the time of writing, the position where the carrier is generated at the time of writing is close to the body contact, so that carriers can be efficiently discharged. The effect of stable writing is suppressed by suppressing fluctuations in body potential and preventing abnormal operations such as a decrease in writing speed. At the same time, when the body contact is provided, it is mounted using the extra space next to one diffusion region (A) with a narrow channel width, so the high density that efficiently utilizes the space on the chip A simple layout.

本発明の一実施形態の半導体記憶装置は、ボディコンタクト領域と前記拡散領域(A)の間に、不純物濃度の薄い領域を有することを特徴とする。
これにより、一方の拡散領域(A)とボディコンタクト領域との逆方向耐圧が高まり、両者の間のリーク電流が抑えられるので、消費電力の低い半導体記憶装置が提供される。
A semiconductor memory device according to an embodiment of the present invention is characterized in that a region having a low impurity concentration is provided between a body contact region and the diffusion region (A).
Thereby, the reverse breakdown voltage between one diffusion region (A) and the body contact region is increased, and the leakage current between them is suppressed, so that a semiconductor memory device with low power consumption is provided.

本発明の一実施形態の半導体記憶装置は、前記ボディコンタクト領域の一部が、前記ゲート電極直下の半導体層領域と近接するか、または前記ゲート電極とオーバーラップしていることを特徴とする。
これにより、消去動作を行う際に、ボディコンタクト領域からゲート電極下半導体層へキャリアが流れ込んで蓄積層が形成され、消去時にキャリアが発生する位置からボディコンタクト領域に到るまでの低抵抗な電流経路が出来るので、安定した高速な消去が可能となる。
The semiconductor memory device according to an embodiment of the present invention is characterized in that a part of the body contact region is close to or overlaps with the semiconductor layer region immediately below the gate electrode.
As a result, when performing an erase operation, carriers flow from the body contact region to the semiconductor layer under the gate electrode to form a storage layer, and a low-resistance current from the position where carriers are generated during erase to the body contact region Since a route is formed, stable and high-speed erasure is possible.

本発明の半導体記憶装置の製造方法の一実施形態は、前記他方の拡散領域(B)端部において、前記ゲート電極下の前記半導体層に、前記他方の拡散領域(B)よりも不純物濃度の薄い第1導電型領域を備えていることを特徴とする上記半導体記憶装置の製造方法であって、前記不純物濃度の薄い第1導電型領域の不純物の導入は、ゲート電極形成工程よりも後に、垂直に対し15°以上の角度をもって第1導電型不純物注入を行うことを特徴とする。
この方法により、特殊な工程や製造装置を用いることなく、簡便に不純物濃度の薄い第1導電型領域を導入することができる。
In one embodiment of the method for manufacturing a semiconductor memory device of the present invention, the impurity concentration of the semiconductor layer under the gate electrode is higher than that of the other diffusion region (B) at the end of the other diffusion region (B). A method of manufacturing a semiconductor memory device comprising a thin first conductivity type region, wherein the introduction of impurities in the first conductivity type region having a low impurity concentration is performed after the gate electrode forming step. The first conductivity type impurity implantation is performed at an angle of 15 ° or more with respect to the vertical.
By this method, the first conductivity type region having a low impurity concentration can be easily introduced without using a special process or manufacturing apparatus.

本発明の半導体記憶装置の製造方法の一実施形態は、少なくとも前記拡散領域(A)のゲート電極方向に隣接した部位に、真性半導体または第2導電型半導体の領域を備えることを特徴とする上記半導体記憶装置の製造方法であって、ゲート電極を形成する工程と、注入マスクを設ける工程と、イオン注入法により前記一方の拡散領域(A)と前記他方の拡散領域(B)の第1導電型不純物を注入する工程とを順に含み、前記注入マスクのゲート電極方向開口幅は、前記他方の拡散領域(B)部分よりも前記一方の拡散領域(A)部分の方が狭いことを特徴とする。
この方法により、特殊な工程や製造装置を用いることなく、簡便に上記半導体記憶装置を製造することができ、かつフォト時の目合せズレがメモリセルのデバイス特性に与える影響が小さいので、デバイス間バラツキの小さい半導体記憶装置が製造される。
In one embodiment of the method for manufacturing a semiconductor memory device of the present invention, an intrinsic semiconductor region or a second conductivity type semiconductor region is provided at least in a portion adjacent to the diffusion region (A) in the gate electrode direction. A method of manufacturing a semiconductor memory device, the step of forming a gate electrode, the step of providing an implantation mask, and the first conductivity of the one diffusion region (A) and the other diffusion region (B) by ion implantation. A step of implanting a type impurity, and the opening width in the gate electrode direction of the implantation mask is narrower in the one diffusion region (A) portion than in the other diffusion region (B) portion. To do.
With this method, the semiconductor memory device can be easily manufactured without using a special process or manufacturing apparatus, and the effect of misalignment during photo on the device characteristics of the memory cell is small. Semiconductor memory devices with small variations are manufactured.

本発明の半導体記憶装置の動作方法は、上記第一の発明ないし第二の発明の半導体記憶装置の動作方法であって、記憶動作時には前記一方の拡散領域(A)へ前記他方の拡散領域(B)よりも高い電圧を印加し、読出し時には前記他方の拡散領域(B)へ前記一方の拡散領域(A)よりも高い電圧を印加することを特徴とする。
これにより、書込み時には高い書込み効率が発揮されるので、高速書込みあるいは低電圧書込みが可能となり、読出し時には読出しディスターブによる誤書込みが防止することができる。
The operating method of the semiconductor memory device according to the present invention is the operating method of the semiconductor memory device according to any one of the first to second inventions, wherein the other diffusion region (A) is transferred to the one diffusion region (A) during the storage operation. A voltage higher than that of B) is applied, and a voltage higher than that of the one diffusion region (A) is applied to the other diffusion region (B) at the time of reading.
As a result, high writing efficiency is exhibited during writing, so that high-speed writing or low-voltage writing is possible, and erroneous writing due to read disturb can be prevented during reading.

一実施形態の半導体記憶装置の動作方法は、記憶動作時に、前記半導体層の電位を基準として、前記一方の拡散領域(A)と前記ゲート電極に互いに逆のバイアス印加することを特徴とする。
この動作方法によって、例えば記憶動作のひとつである消去動作を行うことにより、一方の拡散領域(A)と半導体層の間にバンド間トンネルに起因する電流が流れ、さらに二次的にホットキャリアが生成されて、このホットキャリアにより蓄積電荷の消去を行うため、比較的低い電圧で高速に消去ができる。特に、電荷蓄積機能を有する絶縁膜を備えた半導体記憶装置に対する消去では、書込み時と消去時に電荷のやりとりを一方の拡散領域(A)近傍に限定して行うことができる。書込み・消去する部位を合致させ、書込みによる蓄積電荷を消去で効果的に中和し、他の部位へ余計なキャリアが注入されることを極力抑えるので、繰り返しの書込み・消去を行っても、高い保持能力を実現できる。
The operation method of the semiconductor memory device according to one embodiment is characterized in that biases opposite to each other are applied to the one diffusion region (A) and the gate electrode with reference to the potential of the semiconductor layer during the memory operation.
With this operation method, for example, by performing an erasing operation which is one of the storage operations, a current caused by a band-to-band tunnel flows between one diffusion region (A) and the semiconductor layer, and hot carriers are secondarily generated. Since the generated charges are erased by the generated hot carriers, the erase can be performed at a high speed with a relatively low voltage. In particular, in erasing a semiconductor memory device including an insulating film having a charge storage function, charge exchange can be performed only in the vicinity of one diffusion region (A) during writing and erasing. Match the parts to be written and erased, effectively neutralize the accumulated charge by writing, and suppress the injection of extra carriers to other parts as much as possible, so even if you repeatedly write and erase, High holding ability can be realized.

以上詳述したように、本発明によれば、高い書込み効率を有しつつ、従来の半導体記憶装置よりも読出しディスターブを受けにくい半導体記憶装置が提供される。特に、電荷蓄積機能を有する絶縁膜を備え、その絶縁膜へ電荷蓄積を行うことで情報を記憶する構造をとる場合には、電荷に対し敏感でウィンドウが広くなる効果も有するため、長期保持にも適した信頼性の高い半導体記憶装置が得られる。本発明の半導体記憶装置は絶縁体基板上に形成することで、低コストに製造することもできる。また、上述の実施形態をとることで、メモリセルを高い密度で効率的に配列することができ、チップ面積の増加を抑えることができる。   As described above in detail, according to the present invention, there is provided a semiconductor memory device that has high write efficiency and is less susceptible to read disturb than a conventional semiconductor memory device. In particular, when an insulating film having a charge storage function is provided and information is stored by storing charges in the insulating film, the structure is sensitive to charges and has the effect of widening the window. And a highly reliable semiconductor memory device suitable for the above can be obtained. The semiconductor memory device of the present invention can be manufactured at low cost by being formed over an insulator substrate. Further, by adopting the above-described embodiment, memory cells can be efficiently arranged with high density, and an increase in chip area can be suppressed.

以下、本発明を図示の形態により詳細に説明する。以下、第1〜7実施形態においては、主にn型デバイスについて説明するが、p型デバイスとして実施してもよく、その場合は、以下の記述において、不純物の導電型を逆導電型とし、印加電圧を逆バイアスとすればよい。n型デバイスの場合、電荷蓄積膜に電子が蓄積された状態、p型デバイスではホールが蓄積された状態を書込み状態と定義する。消去状態とは、電子ないしホールがほとんど蓄積されていない場合、あるいは電子とホールが同程度蓄積され、電荷が中和されている状態を指す。なお、ガラス基板等の絶縁基板を用いた第8実施形態は、p型デバイスとして形成されることが特に好ましいため、p型デバイスについて説明している。   Hereinafter, the present invention will be described in detail with reference to the drawings. Hereinafter, in the first to seventh embodiments, an n-type device will be mainly described. However, it may be implemented as a p-type device. In that case, in the following description, the conductivity type of the impurity is set to the reverse conductivity type. The applied voltage may be a reverse bias. In the case of an n-type device, a state in which electrons are accumulated in the charge storage film, and in a p-type device, a state in which holes are accumulated is defined as a write state. The erased state refers to a state in which almost no electrons or holes are accumulated, or a state in which electrons and holes are accumulated to the same extent and charges are neutralized. Since the eighth embodiment using an insulating substrate such as a glass substrate is particularly preferably formed as a p-type device, the p-type device is described.

(第1実施形態)
図1から図3を用いて第1実施形態における半導体記憶装置の構成を説明する。図1は本実施形態におけるメモリセル部の断面模式図、図2はその平面模式図である。
図1の断面図に示すように、シリコン酸化膜等の絶縁膜からなる素子分離領域100を設けたp型半導体基板101上に、第一の絶縁膜102、導電体からなるフローティングゲート103、第二の絶縁膜104、ゲート電極105を形成する。
一般にはそれぞれ、半導体基板101としてはシリコン基板、第一の絶縁膜102としてはシリコン酸化膜、第二の絶縁膜104としてはシリコン酸化膜、あるいはシリコン酸化膜/シリコン窒化膜/シリコン酸化膜の3層構造を用いることができる。フローティングゲート103及びゲート電極105としては例えばポリシリコン膜が用いられるが、タングステン等の金属を用いてもよい。
(First embodiment)
The configuration of the semiconductor memory device according to the first embodiment will be described with reference to FIGS. FIG. 1 is a schematic cross-sectional view of a memory cell portion in this embodiment, and FIG. 2 is a schematic plan view thereof.
As shown in the cross-sectional view of FIG. 1, on a p-type semiconductor substrate 101 provided with an element isolation region 100 made of an insulating film such as a silicon oxide film, a first insulating film 102, a floating gate 103 made of a conductor, A second insulating film 104 and a gate electrode 105 are formed.
In general, the semiconductor substrate 101 is a silicon substrate, the first insulating film 102 is a silicon oxide film, the second insulating film 104 is a silicon oxide film, or silicon oxide film / silicon nitride film / silicon oxide film 3. A layer structure can be used. For example, a polysilicon film is used as the floating gate 103 and the gate electrode 105, but a metal such as tungsten may be used.

これらは周知の方法、すなわち、第一の絶縁膜102は半導体基板101表面の熱酸化によって形成される。また、フローティングゲート103、第二の絶縁膜104及びゲート電極105は化学気相成長法(CVD法)によって形成され、さらに、リソグラフィ及びドライエッチングによって加工される。フローティングゲート103とゲート電極105とは、互いに同一材料で形成されてもよいし、異なる材質の導電体で形成されてもよい。
特にフローティングゲート103とゲート電極105は、同一材料を用いれば、回路用非メモリ素子との混載が容易となるメリットがある。すなわち、第二の絶縁膜104を堆積後、メモリ素子形成部をフォトレジスト等で覆い、回路形成部の第二絶縁膜104をエッチング除去した後、フォトレジストを除去し、ゲート電極105堆積以降の工程を行えば、メモリセル部はフローティングゲート型構造が得られ、同時に回路形成部ではフローティングゲートの無い(フローティングゲート103とゲート電極105が直接接して一体化した)通常トランジスタ構造が得られる。これにより、複雑な工程を経ることなく、メモリ素子と非メモリ素子が同時に形成できる。
These are known methods, that is, the first insulating film 102 is formed by thermal oxidation of the surface of the semiconductor substrate 101. The floating gate 103, the second insulating film 104, and the gate electrode 105 are formed by chemical vapor deposition (CVD), and further processed by lithography and dry etching. The floating gate 103 and the gate electrode 105 may be formed of the same material or different conductors.
In particular, if the same material is used for the floating gate 103 and the gate electrode 105, there is an advantage that it is easy to mix with the non-memory element for a circuit. That is, after the second insulating film 104 is deposited, the memory element forming portion is covered with a photoresist or the like, the second insulating film 104 in the circuit forming portion is removed by etching, the photoresist is removed, and the gate electrode 105 and the subsequent layers are deposited. When the process is performed, the memory cell portion has a floating gate type structure, and at the same time, the circuit formation portion has a normal transistor structure having no floating gate (the floating gate 103 and the gate electrode 105 are integrated in direct contact). Thereby, a memory element and a non-memory element can be formed simultaneously without going through a complicated process.

さてここで、第一の絶縁膜102及び第二の絶縁膜104の膜厚は、半導体記憶装置の用途・仕様に応じ、適宜決定すればよい。一般に、これらの膜が薄いほど、短チャネル効果を抑制し、微細化に適しているが、過度に薄いと電荷保持能力の低下を招く恐れもある。また、書込み時には第一の絶縁膜102を通してホットキャリアがフローティングゲート103へ注入されるのであるから、第一の絶縁膜102が薄い方が、書込み効率が向上する。
以上の点と、製造すべき半導体装置の微細化レベル・電圧仕様・書込み速度仕様・保持仕様等を鑑みて、技術者はこれらの膜の適切な膜厚を選べばよい。一般には第一の絶縁膜102の膜厚は3nm〜20nm程度が好ましく、第二の絶縁膜104の膜厚は5nm〜50nm程度の範囲で、第一の絶縁膜よりも厚く設定するのが好ましい。本実施例では第一の絶縁膜厚を6nm、第二の絶縁膜厚を15nmとする。
Here, the film thicknesses of the first insulating film 102 and the second insulating film 104 may be appropriately determined according to the use and specification of the semiconductor memory device. In general, as these films are thinner, the short channel effect is suppressed and suitable for miniaturization. However, if the film is too thin, there is a possibility that the charge holding ability may be lowered. In addition, since hot carriers are injected into the floating gate 103 through the first insulating film 102 at the time of writing, the writing efficiency is improved when the first insulating film 102 is thinner.
In view of the above points and the miniaturization level, voltage specification, write speed specification, retention specification, etc. of the semiconductor device to be manufactured, an engineer may select an appropriate film thickness of these films. In general, the thickness of the first insulating film 102 is preferably about 3 nm to 20 nm, and the thickness of the second insulating film 104 is preferably set to be thicker than the first insulating film in the range of about 5 nm to 50 nm. . In this embodiment, the first insulating film thickness is 6 nm and the second insulating film thickness is 15 nm.

ゲート電極の両側の半導体基板には、その一部をゲート電極とオーバーラップする形で、イオン注入及び活性化アニールによって形成されたn型拡散領域である、拡散領域(B)106、拡散領域(A)107を有する。なお、コンタクトプラグ、メタル配線等は図示省略した。また、必要に応じ、ゲート電極105側壁に絶縁膜サイドウォールを形成してもよい。また、これも必要に応じ、拡散領域106,107やゲート電極105のシート抵抗を下げるため、その表面に金属シリサイド膜等の低抵抗膜を形成してもよく、特にその場合は、サイドウォールも形成しておくことで、サリサイド技術による簡便なシリサイド膜形成が可能となる。
特に、本半導体記憶装置をセルアレイ状に配列する場合で、かつゲート電極105をそのまま複数のセルに跨るワード線として使用する場合は、ゲート電極105材料の堆積よりも前に、フローティングゲート103を、素子ごとに、紙面垂直方向にも分断しておくのがよい。
On the semiconductor substrate on both sides of the gate electrode, a diffusion region (B) 106, which is an n-type diffusion region formed by ion implantation and activation annealing, and a diffusion region ( A) 107 is included. Note that contact plugs, metal wirings, etc. are not shown. Further, an insulating film side wall may be formed on the side wall of the gate electrode 105 as necessary. Also, if necessary, a low resistance film such as a metal silicide film may be formed on the surface of the diffusion regions 106 and 107 and the gate electrode 105 in order to reduce the sheet resistance. By forming it, a simple silicide film can be formed by the salicide technique.
In particular, when the semiconductor memory device is arranged in a cell array, and when the gate electrode 105 is used as a word line across a plurality of cells as it is, the floating gate 103 is formed before the deposition of the gate electrode 105 material. It is preferable to divide each element in the direction perpendicular to the paper surface.

次に図2の平面図に示すように、紙面左側の拡散領域(B)106がゲート電極105と向かい合う部分のチャネル幅Wb(図中111)に対し、紙面右側の拡散領域(A)107がゲート電極105と向かい合う部分のチャネル幅Wa(図中112)が、小さくなるように形成されていることを特徴としている。と同時に、メモリセルに対する書込み動作時には、電子流を拡散領域(B)106から拡散領域(A)107の方向(図中113の矢印)へ流すこと、メモリセルに対する読出し動作時には、逆に、電子流を拡散領域(A)107から拡散領域(B)106の方向(図中114の矢印)へ流すこと、を特徴としている。   Next, as shown in the plan view of FIG. 2, the diffusion region (A) 107 on the right side of the drawing sheet has a channel width Wb (111 in the drawing) where the diffusion region (B) 106 on the left side of the drawing sheet faces the gate electrode 105. The channel width Wa (112 in the figure) of the portion facing the gate electrode 105 is formed to be small. At the same time, an electron flow is made to flow from the diffusion region (B) 106 to the diffusion region (A) 107 (arrow 113 in the figure) during the write operation to the memory cell, and conversely during the read operation to the memory cell, the electron flow It is characterized by flowing a flow from the diffusion region (A) 107 to the diffusion region (B) 106 (indicated by an arrow 114 in the figure).

具体的には、素子分離領域100によって、チャネル幅Wb(図中111)を有するように紙面左側の拡散領域(B)106の形状を設定し、またチャネル幅Wa(図中112)を有するように紙面右側の拡散領域(A)107の形状を設定する。また同様にチャネル108の形状を素子分離領域100によって設定する。
この半導体記憶装置の書込み時には、半導体基板101及び拡散領域(B)106をグラウンド電位、ゲート電極105に書込みゲート電圧(例えば5V程度の電圧)、拡散領域(A)に書込みドレイン電圧(例えば5V程度の電圧)を印加する。つまり、拡散領域(B)をソース領域、拡散領域(A)をドレイン領域として動作させている。
この時、チャネル108には、紙面左から右方向の電子流113が流れるが、拡散領域(A)107側のチャネル幅Wa(112)がチャネル幅Wb(111)より狭くなっているため、この付近のチャネル抵抗が高くなっており、拡散領域(B)106から拡散領域(A)107へ向けての横方向電界が、この付近に効果的にかかることになる。従って、ホットキャリア生成効率が高くなり、高速書込みが可能であるため、高性能の半導体記憶装置が提供できるメリットがある。また、キャリア生成効率を高くできるということは、書込み速度を維持したまま、書込み電圧の低電圧化が可能であるということであるから、周辺回路の簡略化や高寿命化というメリットを得ることも可能である。
Specifically, the shape of the diffusion region (B) 106 on the left side of the drawing is set so as to have the channel width Wb (111 in the figure) by the element isolation region 100, and the channel width Wa (112 in the figure) is set. The shape of the diffusion region (A) 107 on the right side of the page is set. Similarly, the shape of the channel 108 is set by the element isolation region 100.
At the time of writing in this semiconductor memory device, the semiconductor substrate 101 and the diffusion region (B) 106 are grounded, the gate electrode 105 has a write gate voltage (for example, a voltage of about 5 V), and the diffusion region (A) has a write drain voltage (for example, about 5 V). Voltage). That is, the diffusion region (B) is operated as a source region and the diffusion region (A) is operated as a drain region.
At this time, the electron flow 113 flows from the left to the right in the drawing on the channel 108, but the channel width Wa (112) on the diffusion region (A) 107 side is narrower than the channel width Wb (111). The channel resistance in the vicinity is high, and a lateral electric field from the diffusion region (B) 106 to the diffusion region (A) 107 is effectively applied to this vicinity. Therefore, the hot carrier generation efficiency is increased, and high-speed writing is possible. Therefore, there is an advantage that a high-performance semiconductor memory device can be provided. In addition, the fact that the carrier generation efficiency can be increased means that the write voltage can be lowered while maintaining the write speed, so that advantages such as simplification of the peripheral circuit and longer life can be obtained. Is possible.

次に読出し時であるが、この場合は例えば、今度は半導体基板101と拡散領域(A)107をグラウンド電位、ゲート電極105に書込みゲート電圧より低電圧の読出しゲート電圧(例えば3V程度の電圧)、拡散領域(B)に書込みドレイン電圧よりも低電圧で、更に読出しゲート電圧よりも低電圧の読出しドレイン電圧(例えば1.5V程度の電圧)を印加する。つまり、今度は、狭いチャネル幅Wa(112)を有している側の拡散領域(A)をソース領域、広いチャネル幅Wb(111)を有している側の拡散領域(B)をドレイン領域として動作させている。
この時、チャネル108には、紙面右から左方向の電子流114が流れるが、一般にドレイン電界がかかりやすいドレイン領域端(拡散領域(B)端)において、チャネル幅Wb(111)がチャネル幅Wa(112)より広くなっているため、抵抗が低くなっており、この部位における横方向電界が緩和されている。このため、読出し動作時には、ドレイン領域端におけるホットキャリア生成が弱められることになり、読出しディスターブが発生しにくい構造となっているので、繰り返しの読出しでも誤動作を起こしにくい、信頼性の高い半導体記憶装置が提供される。
Next, at the time of reading, in this case, for example, this time, the semiconductor substrate 101 and the diffusion region (A) 107 are grounded, and the gate electrode 105 has a read gate voltage lower than the write gate voltage (for example, a voltage of about 3 V). Then, a read drain voltage (for example, a voltage of about 1.5 V) lower than the write drain voltage and lower than the read gate voltage is applied to the diffusion region (B). That is, this time, the diffusion region (A) on the side having the narrow channel width Wa (112) is the source region, and the diffusion region (B) on the side having the wide channel width Wb (111) is the drain region. It is operating as.
At this time, an electron flow 114 flows from the right to the left in the drawing on the channel 108. In general, the channel width Wb (111) is the channel width Wa at the drain region end (diffusion region (B) end) where a drain electric field is likely to be applied. Since it is wider than (112), the resistance is low, and the lateral electric field at this portion is relaxed. Therefore, the hot carrier generation at the end of the drain region is weakened at the time of the read operation, and the read disturb is less likely to occur. Therefore, a highly reliable semiconductor memory device that is less likely to malfunction even during repeated reading. Is provided.

チャネル幅Wb(111)に対するチャネル幅Wa(112)の比としては、チャネル幅Wa(112)をより小さくした方が、上記効果が得られやすい反面、過度に小さくするとオン電流の低下を招き信頼性を損なう恐れもあるので、一般的にWa/Wb比は20%〜80%程度に設定するのが好ましい。更には40%から70%にすると、上記効果をより顕著に得ることができる。本実施例では比を50%とした。
本発明は、上記構成のメモリセルに加え、上記動作を成すための回路、すなわち、書込み動作時には拡散領域(A)へ拡散領域(B)よりも高い電圧を印加し、読出し動作時には拡散領域(B)へ拡散領域(A)よりも高い電圧を印加する機能を持った一連の回路を備えることを特徴とする。その回路構成の一例として、本実施形態の半導体記憶装置主要部の模式図を図3に示す。
As for the ratio of the channel width Wa (112) to the channel width Wb (111), the smaller the channel width Wa (112), the easier the above effect is obtained. In general, the Wa / Wb ratio is preferably set to about 20% to 80%. Furthermore, if it is made 40% to 70%, the above effect can be obtained more remarkably. In this example, the ratio was 50%.
The present invention applies a voltage higher than that of the diffusion region (B) to the diffusion region (A) during a write operation and a circuit for performing the above operation in addition to the memory cell having the above-described configuration. B) includes a series of circuits having a function of applying a voltage higher than that of the diffusion region (A). As an example of the circuit configuration, a schematic diagram of the main part of the semiconductor memory device of this embodiment is shown in FIG.

一般に半導体記憶装置においては、複数のメモリセルを二次元的に配列した、セルアレイ構成をとる場合が多いが、ここでは説明をわかりやすくするため、メモリセル1つのみを表示している。メモリセル115に対し、広いチャネル幅Wbを有する側の拡散領域(B)106、狭いチャネル幅を有する側の拡散領域(A)107にそれぞれ、ビット線116、117が接続されており、これらはさらに、選択トランジスタ118、119を介して、それぞれ、読出しドレイン電圧制御回路1001、書込みドレイン電圧制御回路1002に接続されている。また、ビット線116、117はそれぞれ、選択トランジスタ120、121を介して、グラウンド電源にも接続されている。また、メモリセル115のゲート電極は、ワード線122を通じ、ワード線制御回路1003に接続されている。なおこれらの構成に加え、センスアンプ等の読出し用回路が適宜設置される(例えば読出しドレイン電圧制御回路1001と選択トランジスタ118の間に、カット用トランジスタを介して接続される)が、ここでは図示を省略した。   In general, a semiconductor memory device often has a cell array configuration in which a plurality of memory cells are two-dimensionally arranged, but only one memory cell is displayed here for easy understanding. Bit lines 116 and 117 are connected to the diffusion region (B) 106 on the side having a wide channel width Wb and the diffusion region (A) 107 on the side having a narrow channel width with respect to the memory cell 115, respectively. Further, it is connected to a read drain voltage control circuit 1001 and a write drain voltage control circuit 1002 via selection transistors 118 and 119, respectively. The bit lines 116 and 117 are also connected to a ground power supply via selection transistors 120 and 121, respectively. The gate electrode of the memory cell 115 is connected to the word line control circuit 1003 through the word line 122. In addition to these configurations, a read circuit such as a sense amplifier is appropriately installed (for example, connected between the read drain voltage control circuit 1001 and the select transistor 118 via a cut transistor). Was omitted.

選択トランジスタ118、119、120、121は、選択回路1004によって動作を制御されるが、本実施形態では、最も単純な構成として、2本の制御線でこれらを制御する場合を示している。すなわち、拡散領域(A)107と書込みドレイン電圧制御回路1002を接続する選択トランジスタ119、及び拡散領域(B)106とGND電源を接続する選択トランジスタ120は、ともに選択トランジスタ制御線123を通じて選択回路1004によって制御される。一方、拡散領域(B)106と読出しドレイン電圧制御回路1001を接続する選択トランジスタ118、及び拡散領域(A)107とGND電源を接続する選択トランジスタ121は、ともに選択トランジスタ制御線124を通じて選択回路1004に制御される。   The operations of the selection transistors 118, 119, 120, and 121 are controlled by the selection circuit 1004. In this embodiment, the simplest configuration is illustrated in which these are controlled by two control lines. In other words, the selection transistor 119 that connects the diffusion region (A) 107 and the write drain voltage control circuit 1002 and the selection transistor 120 that connects the diffusion region (B) 106 and the GND power supply both through the selection transistor control line 123. Controlled by. On the other hand, the selection transistor 118 that connects the diffusion region (B) 106 and the read drain voltage control circuit 1001 and the selection transistor 121 that connects the diffusion region (A) 107 and the GND power supply both through the selection transistor control line 124. Controlled.

書込み時には、書込みドレイン電圧制御回路1002より書込みドレイン電圧を供給し、ワード線制御回路1003より書込みゲート電圧を印加するとともに、選択回路1004により制御線123にオン信号を入力、制御線124にオフ信号を入力させることで、選択トランジスタ119、120がオン、選択トランジスタ118、121がオフし、拡散領域(B)106をソース領域、拡散領域(A)107がドレイン領域となってメモリセル115に書込みが行われる。
読出し時には、読出しドレイン電圧制御回路1001より読出しドレイン電圧を供給し、ワード線制御回路1003より読出しゲート電圧を印加するとともに、選択回路1004により制御線123にオフ信号を入力、制御線124にオン信号を入力させることで、選択トランジスタ118、121がオン、選択トランジスタ119、120がオフし、拡散領域(A)107をソース領域、拡散領域(B)106がドレイン領域となってメモリセル115に書込みが行われる。
以上の構成により、高い書込み効率と、高い読出しディスターブ耐性をもつ半導体記憶装置が得られる。
At the time of writing, a writing drain voltage is supplied from the writing drain voltage control circuit 1002, a writing gate voltage is applied from the word line control circuit 1003, an ON signal is input to the control line 123 by the selection circuit 1004, and an OFF signal is input to the control line 124. , The selection transistors 119 and 120 are turned on, the selection transistors 118 and 121 are turned off, the diffusion region (B) 106 becomes the source region, and the diffusion region (A) 107 becomes the drain region. Is done.
At the time of reading, a read drain voltage is supplied from the read drain voltage control circuit 1001, a read gate voltage is applied from the word line control circuit 1003, an off signal is input to the control line 123 by the selection circuit 1004, and an on signal is supplied to the control line 124. , The selection transistors 118 and 121 are turned on, the selection transistors 119 and 120 are turned off, the diffusion region (A) 107 becomes the source region, and the diffusion region (B) 106 becomes the drain region. Is done.
With the above configuration, a semiconductor memory device having high write efficiency and high read disturb tolerance can be obtained.

なお、図3はあくまで一例であって、本発明の適用にあたっては必ずしもこの図3の通りの回路構成に従う必要はない。要するに、ゲート両側の拡散領域端において互いにチャネル幅が異なるメモリセル構成であること、及び、書込み時にはチャネル幅が狭い方の拡散領域をドレイン領域とし、読出し時にはチャネル幅が広い方の拡散領域をドレイン領域とすることが、本発明の重要な点であり、これを満たす構成になっていればよいのである。
例えば、選択トランジスタ118と121、119と120の制御をそれぞれ同一の制御線で行う必要はなく、各々別の制御線を設置してもよい。また、上述のように、図3はメモリセル単体に対する回路構成を示しているが、複数ビットの記憶を行う半導体記憶装置を実現するには、ワード線方向、ビット線方向、あるいはその両方向に二次元的に、複数のメモリセルを配置し、これに応じて複数のワード線・ビット線を設置することで、メモリセルアレイを構成することができる。
ワード線に沿った方向、すなわち紙面横方向にセルを複数配置する場合には、隣接セルを左右反転して設置することで、ビット線を共有する構成にすることもでき、この場合はチップ占有面積を小さくできるので、製造コストを低く抑えられる効果がある。選択トランジスタやこれを制御する制御線の設計も、セルアレイ構成に合わせて適宜行えばよい。
FIG. 3 is merely an example, and it is not always necessary to follow the circuit configuration as shown in FIG. 3 in applying the present invention. In short, the memory cells have different channel widths at the ends of the diffusion regions on both sides of the gate, and the diffusion region with the narrower channel width is used as the drain region during writing, and the diffusion region with the wider channel width is used as the drain during reading. Setting the area is an important point of the present invention, and it is sufficient if the structure satisfies this.
For example, the selection transistors 118, 121, 119, and 120 need not be controlled by the same control line, and different control lines may be provided. Further, as described above, FIG. 3 shows a circuit configuration for a single memory cell. However, in order to realize a semiconductor memory device for storing a plurality of bits, two word lines, two bit lines, or both directions can be realized. A memory cell array can be configured by dimensionally arranging a plurality of memory cells and arranging a plurality of word lines / bit lines accordingly.
When multiple cells are arranged in the direction along the word line, that is, in the horizontal direction of the paper, the bit line can be shared by installing the adjacent cells in the left-right direction. Since the area can be reduced, the manufacturing cost can be reduced. The design of the selection transistor and the control line for controlling the selection transistor may be appropriately performed according to the cell array configuration.

また、このような構成のアレンジは、従来の不揮発性半導体記憶装置に対して用いられている技術を適宜応用し、適切な回路構成を選択し、自由に設計することができる。
最後に、本半導体装置の消去動作についてであるが、FNトンネリングによる蓄積電子の引き抜きによって行ってもよいし、バンド間トンネルによるホットキャリア生成によって行っても良い。FNトンネリングによって行う場合は例えば、拡散領域と基板をグラウンド電位とし、ゲート電極に高い負の電圧(例えば−15V程度)を印加することによって、フローティングゲートから基板へ蓄積電子をトンネリングさせ、消去する。
図3の構成の場合は、読出しドレイン電圧制御回路1001・書込みドレイン電圧制御回路1002からの電圧出力を停止させるとともに、選択回路1004により制御線123、124にオン信号を入力し、選択トランジスタ120、121を通じて拡散領域106、107をグラウンド電位とし、さらにワード線制御回路1003からゲート電極に負の消去電圧を印加することで、消去が行われる。
Moreover, the arrangement of such a configuration can be freely designed by appropriately applying a technique used for a conventional nonvolatile semiconductor memory device, selecting an appropriate circuit configuration.
Finally, regarding the erasing operation of the semiconductor device, it may be performed by extracting stored electrons by FN tunneling, or by hot carrier generation by band-to-band tunneling. In the case of performing FN tunneling, for example, the diffusion region and the substrate are set to the ground potential, and a high negative voltage (for example, about −15 V) is applied to the gate electrode, whereby the stored electrons are tunneled from the floating gate to the substrate and erased.
3, the voltage output from the read drain voltage control circuit 1001 and the write drain voltage control circuit 1002 is stopped, and an ON signal is input to the control lines 123 and 124 by the selection circuit 1004. Erasing is performed by setting the diffusion regions 106 and 107 to the ground potential through 121 and applying a negative erasing voltage from the word line control circuit 1003 to the gate electrode.

一方、バンド間トンネルによるホットキャリア生成にて消去を行う場合には、基板をグラウンド電位、拡散領域の一方あるいは両方に正の消去電圧(例えば5V)、ゲート電極に負の消去電圧(例えば−8V)を印加する。この時、ゲート電極下に生成した蓄積層と拡散領域との間に、急峻な接合が生じ、拡散領域から蓄積層への電子の流れ、いわゆるバンド間トンネル現象が発生する。このトンネル電子は電界加速されてホットキャリアを発生させ、そのホットキャリアのうちホールはゲート電界に引かれてフローティングゲートに飛び込むため、蓄積電荷の消去が行われる。
図3の構成の場合は、例えば、読出しドレイン電圧制御回路1001に消去電圧発生機能を備えさせておき、選択回路1004により制御線123へオフ信号、制御線124へオン信号を入れることで、拡散領域(B)106へ消去電圧を印加する。同時にワード線制御回路1003からゲート電極へ負の消去ゲート電圧を印加することで、消去動作が行われる。
ここで、消去の際に逆に拡散領域(A)側へ消去電圧を印加する構成としても、消去は可能であるが、拡散領域(B)106側でバンド間トンネルを発生させた方が、より効率的な消去ができる。両拡散領域106、107へ消去電圧を印加すれば、さらに効率的な消去が可能であるが、この方法も、簡単な回路変更により実現することができる。
On the other hand, when erasing is performed by hot carrier generation by band-to-band tunneling, the substrate is grounded, a positive erasing voltage (for example, 5V) is applied to one or both of the diffusion regions, and a negative erasing voltage (for example, -8V is applied to the gate electrode). ) Is applied. At this time, a steep junction is formed between the storage layer generated under the gate electrode and the diffusion region, and an electron flow from the diffusion region to the storage layer, a so-called interband tunneling phenomenon occurs. The tunnel electrons are accelerated by the electric field to generate hot carriers. Among the hot carriers, holes are attracted by the gate electric field and jump into the floating gate, so that the accumulated charges are erased.
In the case of the configuration of FIG. 3, for example, the read drain voltage control circuit 1001 is provided with an erasing voltage generation function, and the selection circuit 1004 inputs an off signal to the control line 123 and an on signal to the control line 124. An erase voltage is applied to the region (B) 106. At the same time, an erase operation is performed by applying a negative erase gate voltage from the word line control circuit 1003 to the gate electrode.
Here, erasing is possible even if the erasing voltage is applied to the diffusion region (A) side at the time of erasing, but it is better to generate an interband tunnel on the diffusion region (B) 106 side. More efficient erasure is possible. If an erasing voltage is applied to both diffusion regions 106 and 107, more efficient erasing is possible, but this method can also be realized by a simple circuit change.

以上述べた半導体記憶装置は、特別な製造装置等を必要とすることなく、従来の製造方法を用いて作成することができる。また、本発明の基本的な技術思想を損なわない範囲で、従来の回路技術を駆使することにより、様々な応用展開が可能となる。上記実施例では、読出し時のソース電位とドレイン電位を制御し、両者の間に流れる読出し電流をモニターする方法をとっているが、この方法以外にも、例えばソース領域側をフローティング状態にし、読出し時のソース領域側の電位上昇をモニターするような方法も、とることが可能である。   The semiconductor memory device described above can be manufactured using a conventional manufacturing method without requiring a special manufacturing apparatus or the like. In addition, various application developments are possible by making full use of conventional circuit technology within a range not impairing the basic technical idea of the present invention. In the above embodiment, the source potential and the drain potential at the time of reading are controlled and the reading current flowing between them is monitored, but other than this method, for example, the source region side is put in a floating state and reading is performed. It is also possible to take a method of monitoring the potential increase on the source region side.

(第2実施形態)
図4は、第2実施形態の半導体記憶装置におけるメモリセル部の断面模式図である。概ね上述の第1実施形態に近い構成となっているが、第1実施形態との違いは、記憶電荷を、フローティングゲートではなく、電荷蓄積絶縁膜225に蓄積することである。その材料としては、電荷蓄積機能を有した絶縁膜であればよく、シリコン窒化膜や、酸化アルミニウム、酸化ハフニウム等の各種高誘電材料膜、あるいはそれらの積層膜を用いることができるし、導電体等の電荷蓄積可能なドットを内部に含有する絶縁膜(シリコン酸化膜等)を用いることも可能である。特にシリコン窒化膜を使用するのが、一般的製造ラインにて最も簡便に扱うことができ、安価に製造できるメリットがある。
(Second Embodiment)
FIG. 4 is a schematic cross-sectional view of a memory cell portion in the semiconductor memory device of the second embodiment. Although the configuration is almost similar to that of the first embodiment described above, the difference from the first embodiment is that the stored charge is stored in the charge storage insulating film 225 instead of the floating gate. As the material, any insulating film having a charge storage function may be used, and silicon nitride films, various high dielectric material films such as aluminum oxide and hafnium oxide, or laminated films thereof can be used. It is also possible to use an insulating film (such as a silicon oxide film) that contains dots capable of accumulating charges. In particular, the use of a silicon nitride film has the merit that it can be most easily handled in a general production line and can be manufactured at low cost.

つまり、この第2実施形態の半導体記憶装置は、シリコン酸化膜等の絶縁膜からなる素子分離領域100を設けたp型半導体基板101上に、第一の絶縁膜102、電荷蓄積絶縁膜225、第二の絶縁膜104、ゲート電極105を有している。一般にはそれぞれ、半導体基板101としてはシリコン基板、第一の絶縁膜102、第二の絶縁膜104としてはシリコン酸化膜を用いることができる。ゲート電極105としては例えばポリシリコン膜が用いられるが、タングステン等の金属を用いてもよい。   That is, in the semiconductor memory device of the second embodiment, the first insulating film 102, the charge storage insulating film 225, the p-type semiconductor substrate 101 provided with the element isolation region 100 made of an insulating film such as a silicon oxide film, A second insulating film 104 and a gate electrode 105 are provided. In general, a silicon substrate can be used as the semiconductor substrate 101, and a silicon oxide film can be used as the first insulating film 102 and the second insulating film 104. For example, a polysilicon film is used as the gate electrode 105, but a metal such as tungsten may be used.

第一の絶縁膜102は半導体基板101表面を酸化して得てもよいし、CVD等の手法によってシリコン酸化膜等を堆積してもよい。第二の絶縁膜104は、CVD等によるシリコン酸化膜等を用いることができる。膜厚は、やはり第一実施形態同様、半導体記憶装置の仕様によって適切に決定すればよく、一般的に言えば第一の絶縁膜102の膜厚は3nm〜20nm程度、電荷蓄積膜絶縁膜225の膜厚は5nm〜50nm、第二の絶縁膜104の膜厚は5nm〜50nm程度の範囲で、かつ第二の絶縁膜を第一の絶縁膜よりも厚く設定するのが、保持能力・書込み効率等の面から、好ましい。本実施例では第一の絶縁膜厚を5nm、第二の絶縁膜厚を10nmとし、電荷蓄積絶縁膜225としてシリコン窒化膜を用いて、膜厚を10nmとする。この積層構造により、電荷蓄積絶縁膜225に蓄積された電荷が外部に漏れることを極力防ぎ、長時間保持が可能となる。   The first insulating film 102 may be obtained by oxidizing the surface of the semiconductor substrate 101, or a silicon oxide film or the like may be deposited by a technique such as CVD. As the second insulating film 104, a silicon oxide film by CVD or the like can be used. Similarly to the first embodiment, the film thickness may be determined appropriately according to the specifications of the semiconductor memory device. Generally speaking, the film thickness of the first insulating film 102 is about 3 nm to 20 nm, and the charge storage film insulating film 225 is. The film thickness of 5 nm to 50 nm, the film thickness of the second insulating film 104 is set in the range of about 5 nm to 50 nm, and the second insulating film is set to be thicker than the first insulating film. It is preferable from the aspect of efficiency. In this embodiment, the first insulating film thickness is 5 nm, the second insulating film thickness is 10 nm, a silicon nitride film is used as the charge storage insulating film 225, and the film thickness is 10 nm. With this stacked structure, the charge accumulated in the charge storage insulating film 225 is prevented from leaking to the outside as much as possible, and can be held for a long time.

ゲート電極の両側の半導体基板には、その一部をゲート電極とオーバーラップする形で、イオン注入及び活性化アニールによって形成されたn型拡散領域である、拡散領域(B)106、拡散領域(A)107を有する。なお、コンタクトプラグ、メタル配線等は図示省略した。また、必要に応じ、ゲート電極105側壁に絶縁膜サイドウォールを形成してもよい。また、これも必要に応じ、拡散領域106,107やゲート電極105のシート抵抗を下げるため、その表面に金属シリサイド膜等の低抵抗膜を形成してもよく、特にその場合は、サイドウォールも形成しておくことで、サリサイド技術による簡便なシリサイド膜形成が可能となる。   On the semiconductor substrate on both sides of the gate electrode, a diffusion region (B) 106, which is an n-type diffusion region formed by ion implantation and activation annealing, and a diffusion region ( A) 107 is included. Note that contact plugs, metal wirings, etc. are not shown. Further, an insulating film side wall may be formed on the side wall of the gate electrode 105 as necessary. Also, if necessary, a low resistance film such as a metal silicide film may be formed on the surface of the diffusion regions 106 and 107 and the gate electrode 105 in order to reduce the sheet resistance. By forming it, a simple silicide film can be formed by the salicide technique.

第2実施形態のメモリセルを形成するには、紙面垂直方向に複数のメモリセルを配置する場合でも、後述の理由から、電荷蓄積膜225をセルごとに分断する必要がない。このため、第一の絶縁膜102、電荷蓄積膜225、第二の絶縁膜104、ゲート電極105材料膜をすべて堆積した後、リソグラフィ及びエッチング技術によって、簡便に加工される。   In order to form the memory cell of the second embodiment, even when a plurality of memory cells are arranged in the direction perpendicular to the paper surface, it is not necessary to divide the charge storage film 225 for each cell for the reason described later. Therefore, after the first insulating film 102, the charge storage film 225, the second insulating film 104, and the gate electrode 105 material film are all deposited, they are easily processed by lithography and etching techniques.

第2実施形態においても、図2に示したように、一方の拡散領域(B)106端におけるチャネル幅Wb(111)を、もう一方の拡散領域(A)107端のチャネル幅Wa(112)よりも大きくしており、書込み時には拡散領域(A)をドレイン領域、読出し時には拡散領域(B)をドレイン領域として動作させる。これにより、第1実施例同様、書込み効率が高く読出しディスターブが起こりにくい利点があるが、これに加え、次のようなメリットもある。   Also in the second embodiment, as shown in FIG. 2, the channel width Wb (111) at the end of one diffusion region (B) 106 is changed to the channel width Wa (112) at the end of the other diffusion region (A) 107. The diffusion region (A) is operated as a drain region during writing, and the diffusion region (B) is operated as a drain region during reading. As a result, as in the first embodiment, there is an advantage that the writing efficiency is high and read disturb hardly occurs. In addition, there are the following advantages.

第2実施形態では、電荷蓄積を絶縁膜により行うため、書込みを行った後、蓄積電荷が膜中をほとんど移動せず、図5に示すように、蓄積電荷226は書込み時のドレイン領域である拡散領域(B)107の近傍の電荷蓄積膜225中に局在化する。従って、第2実施形態の半導体記憶装置はチャネル幅Wb(111)と、チャネル幅Wa(112)の段差付近からドレイン側の電荷蓄積膜225に注入された電子が蓄積される。
ここで便宜的に、チャネル領域108を、上部電荷蓄積膜225中に電荷が蓄積される領域227と、上部電荷蓄積膜225中に電荷が蓄積されない領域228に、概ね分けて考えてみる。
読出し時にはこれら領域227、228が抵抗として働くが、蓄積電荷226の有無によってチャネル抵抗が主に変化するのは電荷が蓄積される領域227である。よって、電荷が蓄積される領域227に対し電荷が蓄積されない領域228の抵抗がもともと大きければ、蓄積電荷226の有無が読出し電流の多寡に与える影響が相対的に小さくなる。逆に、電荷が蓄積されない領域228の抵抗が小さければ、全チャネル抵抗のうち、電荷が蓄積される領域227の抵抗の占める割合が大きくなる。つまり蓄積電荷226の有無によって、電荷が蓄積される領域227の抵抗が変化する時、全チャネル抵抗もこれに伴い顕著に変化することになるので、結局、蓄積電荷226の有無が読出し電流の多寡に与える影響が相対的に大きくなる。ここで、本実施形態では、拡散領域(B)106側のチャネル幅が大きくなっているため、電荷が蓄積されない領域228の抵抗が低く抑えられている。このため、蓄積電荷226が読出し電流の多寡に与える影響を大きくすることができ、書込み状態と消去状態の電流差(ウィンドウ)を大きくすることができるので、信頼性が高く長期保持にも適した半導体記憶装置が得られるメリットがあるのである。
In the second embodiment, since charge accumulation is performed by an insulating film, the accumulated charge hardly moves in the film after writing, and the accumulated charge 226 is a drain region at the time of writing as shown in FIG. Localized in the charge storage film 225 in the vicinity of the diffusion region (B) 107. Therefore, in the semiconductor memory device of the second embodiment, electrons injected from the vicinity of the step between the channel width Wb (111) and the channel width Wa (112) are accumulated in the charge storage film 225 on the drain side.
Here, for convenience, the channel region 108 is roughly divided into a region 227 in which charges are stored in the upper charge storage film 225 and a region 228 in which charges are not stored in the upper charge storage film 225.
These regions 227 and 228 function as resistances at the time of reading, but the channel resistance mainly changes depending on the presence or absence of the accumulated charge 226 in the region 227 where charges are accumulated. Therefore, if the resistance of the region 228 where charge is not accumulated is originally higher than the region 227 where charge is accumulated, the influence of the presence or absence of the accumulated charge 226 on the amount of read current is relatively small. Conversely, if the resistance of the region 228 where charge is not accumulated is small, the proportion of the resistance of the region 227 where charge is accumulated out of the total channel resistance. That is, when the resistance of the region 227 in which charges are accumulated changes depending on the presence / absence of the accumulated charge 226, the total channel resistance also changes accordingly. Therefore, the presence / absence of the accumulated charge 226 ultimately determines the amount of read current. The impact on the is relatively large. Here, in this embodiment, since the channel width on the diffusion region (B) 106 side is large, the resistance of the region 228 in which charge is not accumulated is kept low. For this reason, the influence of the stored charge 226 on the amount of read current can be increased, and the current difference (window) between the written state and the erased state can be increased. There is an advantage that a semiconductor memory device can be obtained.

加えて、導電体のフローティングゲートを用いた場合には、第一の絶縁膜102や第二の絶縁膜104の一部に損傷が発生した場合、蓄積電荷がすべてその損傷部から漏れてしまう可能性があるが、本実施形態では膜中の電荷移動が起こりにくい絶縁膜内に電荷を蓄積しているため、第一の絶縁膜102や第二の絶縁膜104の一部に損傷が発生しても、その付近の電荷が漏れるだけで、全蓄積電荷が一度に漏れ出すことがなく、その意味からも信頼性が高い。
また、電荷が膜中に局在することから、ワード線方向に電荷蓄積膜225を分断しないでも、メモリセルを形成することが可能であり、簡便な製造が可能であることは、上述した通りである。
In addition, when a conductive floating gate is used, if the first insulating film 102 or a part of the second insulating film 104 is damaged, all accumulated charges may leak from the damaged portion. However, in this embodiment, since charges are accumulated in the insulating film in which the charge transfer in the film is unlikely to occur, the first insulating film 102 and a part of the second insulating film 104 are damaged. However, it is highly reliable from this point of view because all the accumulated charges do not leak at once, only the charges in the vicinity leak.
In addition, since charges are localized in the film, a memory cell can be formed without dividing the charge storage film 225 in the word line direction, and simple manufacturing is possible as described above. It is.

なお、本実施形態の場合、書込み後の蓄積電荷226は拡散領域(A)107端近傍に局在していることから、消去の際は、基板101をグラウンド電位とし、拡散領域(A)107へ正の消去電圧(例えば5V)、ゲート電極105へ負の消去電圧(例えば−8V)を印加して、バンド間トンネルを利用した消去方法を用いるのが好ましい。これにより、拡散領域(A)107端でホットホールが発生し、これが電荷蓄積膜225へ注入されることで、蓄積電荷226が消去されることになるが、この消去の際の電荷のやり取りを領域227部分に限定するので、消去後の電荷蓄積膜225の電荷を極力消滅させることができ、繰り返しの書込み消去に適している。本方法により、比較的低電圧・短時間での消去も可能となる。   In the present embodiment, the accumulated charge 226 after writing is localized in the vicinity of the end of the diffusion region (A) 107. Therefore, when erasing, the substrate 101 is set to the ground potential and the diffusion region (A) 107 is obtained. It is preferable to apply a positive erase voltage (for example, 5V) to the gate electrode 105 and a negative erase voltage (for example, −8V) to the gate electrode 105 and use an erase method using a band-to-band tunnel. As a result, a hot hole is generated at the end of the diffusion region (A) 107 and injected into the charge storage film 225, whereby the stored charge 226 is erased. Since it is limited to the region 227, the charge in the charge storage film 225 after erasure can be eliminated as much as possible, which is suitable for repeated writing and erasing. By this method, erasing can be performed at a relatively low voltage in a short time.

特に本実施形態のように電荷蓄積膜が絶縁体である場合、書込み時の注入領域と消去時の注入領域を合致させることが、書換え耐性の向上にとって重要である。書込み/消去時に注入されるキャリアは絶縁体である電荷蓄積膜中を自由に移動できないため、もし、書込み時の注入領域と消去時の注入領域が合致していないと、電荷中和が不十分となり、膜中電荷残りが発生する。繰り返しの書換えによってこの電荷残りは次第に蓄積され、読出し電流の低下などのメモリ特性劣化を招くことになる。ここで、バンド間トンネルを利用した上記消去方法では、消去が拡散領域端の比較的限定された範囲に注入されるのに対し、チャネル電流を利用してホットキャリアを発生させる上記書込み方法においては、拡散領域(ドレイン領域)端以外のチャネル領域でも一部、ホットキャリアが発生してしまうので、これが書換え時の電荷残りとなり、特性劣化の原因となり得る。ここで本実施形態では、書込み時のドレイン領域端付近のチャネル幅を小さくし抵抗を高くしているため、書込み時の横方向電界をドレイン領域端部に集中することができる。
以上説明のように、書込み時の注入領域と消去時の注入領域を合致させることは重要であるが、本発明によれば、チャネル領域の形状を設計することにより、書込み時の注入領域と消去時の注入領域を合致させることができる。
これにより、ドレイン領域端以外におけるホットキャリア生成を抑えつつ、ホットキャリア発生位置をドレイン領域端部に効果的に局在化させることができるので、書込み/消去時の電荷注入領域を合致させて書換え時の電荷残りを防ぎ、書換え特性劣化を防止する効果がある。
In particular, when the charge storage film is an insulator as in the present embodiment, it is important to improve the rewriting resistance to match the injection region at the time of writing with the injection region at the time of erasing. Since carriers injected during writing / erasing cannot move freely in the charge storage film, which is an insulator, charge neutralization is insufficient if the injection region during writing does not match the injection region during erasing As a result, the charge remaining in the film is generated. This remnant of charge is gradually accumulated by repeated rewriting, leading to deterioration of memory characteristics such as a decrease in read current. Here, in the above erasing method using the band-to-band tunnel, erasing is injected into a relatively limited range at the end of the diffusion region, whereas in the above writing method in which hot carriers are generated using the channel current, In the channel region other than the end of the diffusion region (drain region), hot carriers are partially generated, and this becomes a charge residue at the time of rewriting, which can cause deterioration of characteristics. Here, in the present embodiment, since the channel width near the drain region end at the time of writing is reduced and the resistance is increased, the lateral electric field at the time of writing can be concentrated at the end of the drain region.
As described above, it is important to match the implantation region at the time of writing with the implantation region at the time of erasing. However, according to the present invention, by designing the shape of the channel region, The time injection area can be matched.
This makes it possible to effectively localize the hot carrier generation position at the end of the drain region while suppressing the generation of hot carriers other than at the end of the drain region. This has the effect of preventing residual charge and preventing deterioration of the rewrite characteristics.

読出し動作時に関しても、今度はドレイン電界の影響がもっとも小さいソース領域端付近のチャネル幅を小さくし、チャネルの他の領域の抵抗を相対的に下げることで、チャネル全領域にわたってチャネルホットキャリアが発生しにくい構造になっており、読出しディスターブを防ぐ。チャネル中央部でホットキャリア注入が起こってしまうと、拡散領域端での消去ではこの注入キャリアを消すことができないために電荷が残り続けることになり、例えば書換えによるリフレッシュ動作を行ってもディスターブ劣化を回復することができなくなってしまう。本実施形態は、このようなディスターブを抑制することで、繰り返し読出しに強い信頼性の高い半導体記憶装置となっている。
以上述べたように、本実施形態は、絶縁膜への電荷蓄積によって情報記憶を行う半導体記憶装置に対し、書込み時にはドレイン領域端部のチャネル幅を小さくし、読出し時にはドレイン領域端部のチャネル幅を大きくする機能を持たせることによって、(1)書込み高速化、(2)読出しウィンドウの増大、(3)書換え劣化の抑制、(4)読出しディスターブの防止、という各効果を有する、高性能で信頼性の高い半導体記憶装置を提供する。
Even during the read operation, channel hot carriers are generated over the entire channel area by reducing the channel width near the edge of the source region where the influence of the drain electric field is the smallest and relatively reducing the resistance of other regions of the channel. The structure is difficult to read and prevents read disturb. If hot carrier injection occurs in the center of the channel, the injected carriers cannot be erased by erasing at the end of the diffusion region, and charges continue to remain.For example, even if a refresh operation by rewriting is performed, disturb deterioration is caused. You will not be able to recover. The present embodiment is a highly reliable semiconductor memory device that is resistant to repeated reading by suppressing such disturbance.
As described above, this embodiment reduces the channel width at the end of the drain region at the time of writing and the channel width at the end of the drain region at the time of reading, for a semiconductor memory device that stores information by accumulating charges in the insulating film. By having the function of increasing the size, the following effects can be achieved: (1) faster writing, (2) increased read window, (3) suppression of rewrite degradation, and (4) prevention of read disturb. A highly reliable semiconductor memory device is provided.

(第3実施形態)
第3の実施形態では、記憶部をゲート電極の下ではなく、ゲート電極側部に設けることを特徴とする。すなわち図6に示すように、シリコン酸化膜等の絶縁膜からなる素子分離領域100を設けたp型半導体基板101上に、ゲート絶縁膜327、ゲート電極105を有し、かつこのゲート電極105の側壁部に、第一の絶縁膜328、電荷蓄積絶縁膜325、第二の絶縁膜329からなる、サイドウォール状記憶部を有する。ゲート電極の両側の半導体基板には、イオン注入及び活性化アニールによって形成されたn型拡散領域である、拡散領域(B)106、拡散領域(A)107を有する。
そして、この実施形態3においても図2に示したように、一方の拡散領域(B)106端におけるチャネル幅Wb(111)を、もう一方の拡散領域(A)107端のチャネル幅Wa(112)よりも大きくしており、書込み時には拡散領域(A)をドレイン領域、読出し時には拡散領域(B)をドレイン領域として動作させる。特に、チャネル幅がWbからWaへ変化する段部を、拡散領域(A)107側のサイドウォール状記憶部の下に配置することが、好ましい。
なお、図6の実施形態はゲート電極105の両側の側壁にそれぞれ第一の絶縁膜328、電荷蓄積絶縁膜325、第二の絶縁膜329からなる、サイドウォール状記憶部を形成したが、必ずしも両側に形成されている必要はなく、少なくとも書込みや消去の際に電荷注入を行う拡散領域(A)107側に形成されていればよい。
(Third embodiment)
The third embodiment is characterized in that the storage unit is provided not on the gate electrode but on the side of the gate electrode. That is, as shown in FIG. 6, a gate insulating film 327 and a gate electrode 105 are provided on a p-type semiconductor substrate 101 provided with an element isolation region 100 made of an insulating film such as a silicon oxide film. A sidewall-shaped memory portion including a first insulating film 328, a charge storage insulating film 325, and a second insulating film 329 is provided on the side wall portion. The semiconductor substrate on both sides of the gate electrode has a diffusion region (B) 106 and a diffusion region (A) 107 which are n-type diffusion regions formed by ion implantation and activation annealing.
Also in the third embodiment, as shown in FIG. 2, the channel width Wb (111) at the end of one diffusion region (B) 106 is changed to the channel width Wa (112) at the end of the other diffusion region (A) 107. The diffusion region (A) is operated as a drain region during writing, and the diffusion region (B) is operated as a drain region during reading. In particular, it is preferable to dispose the step portion where the channel width changes from Wb to Wa under the sidewall-shaped storage portion on the diffusion region (A) 107 side.
In the embodiment of FIG. 6, the side wall-shaped memory portion including the first insulating film 328, the charge storage insulating film 325, and the second insulating film 329 is formed on the side walls on both sides of the gate electrode 105. It does not need to be formed on both sides, and may be formed at least on the diffusion region (A) 107 side where charge injection is performed at the time of writing or erasing.

また図6に示すように、ゲート電極105と、少なくとも拡散領域(A)107が、オーバーラップせず、第一の絶縁膜328・電荷蓄積絶縁膜325・第二の絶縁膜329からなるサイドウォール記憶部の下部において、オフセットする構造をとっていることを特徴とする。
この構造は例えば、次のような方法で比較的簡便に得ることが可能である。すなわち、ゲート電極105を形成した後、半導体層101とゲート電極105の表面を熱酸化して第一の絶縁膜328を形成し、続いてCVD等の方法により電荷蓄積絶縁膜325、第二の絶縁膜329を形成し、しかる後に異方性エッチング技術によってエッチバックすることによってサイドウォール状記憶部を形成することができる。さらにここに、砒素等のn型不純物を注入した後で活性化アニールを行うことで、ゲート電極105とオフセットした拡散領域(A)107、(B)106を形成することができる。
電荷蓄積絶縁膜325としては、電荷蓄積機能を有した絶縁膜であればよく、シリコン窒化膜や、酸化アルミニウム、酸化ハフニウム等の各種高誘電材料膜、あるいはそれらの積層膜を用いることができるし、導電体等の電荷蓄積可能なドットを内部に含有する絶縁膜(シリコン酸化膜等)を用いることも可能である。特にシリコン窒化膜を使用するのが、一般的製造ラインにて最も簡便に扱うことができ、安価に製造できるメリットがある。
Further, as shown in FIG. 6, the gate electrode 105 and at least the diffusion region (A) 107 do not overlap, and the side wall is formed of the first insulating film 328, the charge storage insulating film 325, and the second insulating film 329. In the lower part of the storage unit, an offset structure is employed.
This structure can be obtained relatively simply by the following method, for example. That is, after forming the gate electrode 105, the surfaces of the semiconductor layer 101 and the gate electrode 105 are thermally oxidized to form the first insulating film 328, and then the charge storage insulating film 325, the second insulating film 325, and the second insulating film 328 are formed by a method such as CVD. The insulating film 329 is formed and then etched back by an anisotropic etching technique, whereby the sidewall memory portion can be formed. Further, diffusion annealing (A) 107 and (B) 106 offset from the gate electrode 105 can be formed by performing activation annealing after implanting an n-type impurity such as arsenic.
The charge storage insulating film 325 may be an insulating film having a charge storage function, and may be a silicon nitride film, various high dielectric material films such as aluminum oxide and hafnium oxide, or a laminated film thereof. It is also possible to use an insulating film (silicon oxide film or the like) containing therein a dot capable of storing charges such as a conductor. In particular, the use of a silicon nitride film has the merit that it can be most easily handled in a general production line and can be manufactured at low cost.

書込み時には上記のように、拡散領域(A)107をドレイン領域、拡散領域(B)106をソース領域として書込み動作を行うが、この時、チャネル幅Wb(111)とチャネル幅Wa(112)の付近はチャネル抵抗が高くなっており、高効率にホットエレクトロンが発生し、その一部は、図7に示すように、拡散領域(A)107側(紙面右側)のゲート電極105側壁部に存在する電荷蓄積絶縁膜325下部へと注入され、蓄積電荷326となる。
本実施形態でも、蓄積電荷326が絶縁膜中に保持されている点、及び、第一の絶縁膜327・第二の絶縁膜328によって外部と遮断されている点から、上記第2実施形態で説明した通り、長期保持に適した構造となっている。図6、図7に示すように、ゲート電極の両側にサイドウォール状記憶部を形成する場合は2ビットメモリとなり、ゲート電極の右側または左側の一方にサイドウォール状記憶部を形成する場合は、1ビットメモリとなる。読出し時には上記のように、今度は拡散領域(B)106をドレイン領域、拡散領域(A)107をソース領域として読出し動作を行うが、ここで、ソース領域である拡散領域(A)107とゲート電極105がオフセットした構造であるため、読出し電流の大きさは、そのオフセット部の上部に蓄積電荷326が存在するか否かによって影響を受けやすく、よって情報読出しが可能となる。
At the time of writing, as described above, the writing operation is performed using the diffusion region (A) 107 as the drain region and the diffusion region (B) 106 as the source region. At this time, the channel width Wb (111) and the channel width Wa (112) are set. In the vicinity, the channel resistance is high and hot electrons are generated with high efficiency. A part of the hot electrons are present on the side wall of the gate electrode 105 on the diffusion region (A) 107 side (right side of the drawing) as shown in FIG. The charge storage insulating film 325 is injected into the lower portion of the charge storage insulating film 325 to be stored charge 326.
Also in the present embodiment, the accumulated charge 326 is retained in the insulating film, and is blocked from the outside by the first insulating film 327 and the second insulating film 328. As explained, the structure is suitable for long-term holding. As shown in FIGS. 6 and 7, when the sidewall memory portions are formed on both sides of the gate electrode, a 2-bit memory is formed, and when the sidewall memory portions are formed on the right side or the left side of the gate electrode, It becomes a 1-bit memory. At the time of reading, as described above, the reading operation is performed using the diffusion region (B) 106 as the drain region and the diffusion region (A) 107 as the source region. Here, the diffusion region (A) 107 serving as the source region and the gate are performed. Since the electrode 105 has an offset structure, the magnitude of the read current is easily affected by whether or not the accumulated charge 326 exists above the offset portion, and thus information can be read.

第3実施形態でも、上記第1、第2実施形態で説明してきた通り、書込み時にはドレイン領域側チャネル幅が小さく、読出し時にはドレイン領域側チャネル幅が大きくなる構成であるため、書込み効率が高く読出しディスターブに強い利点がある。また、第2実施形態で説明したように、読出し時にドレイン領域側の抵抗が低いので、蓄積電荷326が読出し電流に与える影響が大きく、読出しウィンドウが大きく信頼性が高いというメリットがある。さらにこれらに加え、本実施形態では、ゲート電極とチャネル領域の間に電荷蓄積膜が無いため両者の距離が近いこと、及びゲート電極と拡散領域がオフセットする構造をとっていることから、短チャネル効果に強いメリットがあり、オフリークの少ない記憶装置が得られる。
第3実施形態は、ゲート電極105の両側にサイドウォール状記憶部を形成しているので、2ビットメモリとして使用することができる。また、ゲート電極105の片側にのみサイドウォール状記憶部を形成し他場合は、1ビットメモリとして使用することができる。
Also in the third embodiment, as described in the first and second embodiments, the drain region side channel width is small at the time of writing and the drain region side channel width is large at the time of reading. Disturb has a strong advantage. Further, as described in the second embodiment, since the resistance on the drain region side is low at the time of reading, there is an advantage that the accumulated charge 326 has a large influence on the reading current, and the reading window is large and the reliability is high. In addition to these, in this embodiment, since there is no charge storage film between the gate electrode and the channel region, the distance between the two is short, and the structure is such that the gate electrode and the diffusion region are offset. There is a strong merit in effect, and a memory device with less off-leakage can be obtained.
The third embodiment can be used as a 2-bit memory because the side wall-like storage portions are formed on both sides of the gate electrode 105. In addition, in the case where a side wall-like storage portion is formed only on one side of the gate electrode 105, it can be used as a 1-bit memory.

特に上記のように、書込みを行う拡散領域(A)側(ドレイン領域側)がオフセット構造をとっている場合には、一般に、書込み時にドレイン領域端への電界集中が起こりにくく、書込み効率が低くなる傾向にある。第3実施形態は、このようなオフセット構造でありながら高い書込み効率を有し、さらに読出しディスターブは抑制されている半導体記憶装置を提供している。特に、チャネル幅がWbからWaへと切り替わる段部が、拡散領域(A)側のサイドウォール状記憶部の下に位置していると、特に顕著な効果を得ることができる。   In particular, as described above, when the diffusion region (A) side (drain region side) on which writing is performed has an offset structure, generally, electric field concentration at the drain region end hardly occurs at the time of writing, and writing efficiency is low. Tend to be. The third embodiment provides a semiconductor memory device that has a high write efficiency while suppressing the read disturb while having such an offset structure. In particular, when the step portion where the channel width is switched from Wb to Wa is located under the side wall-like storage portion on the diffusion region (A) side, a particularly remarkable effect can be obtained.

(第4実施形態)
第4の実施形態は、ほぼ第2実施形態に従っているが、これよりもさらに読出しディスターブに強い記憶装置を提供する。第2実施形態と異なる点は、図8に示すように、拡散領域(B)106端部のゲート電極105下に、拡散領域(B)106よりも低濃度のn型領域430が設けられていることである。
これにより、拡散領域(B)106端部のpn接合が緩やかなものとなるので、読出し時にドレイン領域となる拡散領域(B)106端部での横方向電界が、さらに緩和され、読出しディスターブが起こりにくい構造となる。と同時に、書込み時には、ドレイン領域となる拡散領域(A)107側には低濃度領域430が設けられていないことから、急峻な接合となっており、効率的書込みが行われる。
(Fourth embodiment)
The fourth embodiment substantially conforms to the second embodiment, but provides a storage device that is more resistant to read disturb than this. The difference from the second embodiment is that, as shown in FIG. 8, an n-type region 430 having a lower concentration than the diffusion region (B) 106 is provided below the gate electrode 105 at the end of the diffusion region (B) 106. It is that you are.
As a result, the pn junction at the end of the diffusion region (B) 106 becomes gentle, so that the lateral electric field at the end of the diffusion region (B) 106 that becomes the drain region at the time of reading is further relaxed, and the read disturb is reduced. It is a structure that is unlikely to occur. At the same time, at the time of writing, since the low concentration region 430 is not provided on the diffusion region (A) 107 side serving as a drain region, a steep junction is formed and efficient writing is performed.

第4実施形態の構造は、例えば、ゲート電極形成前に、レジストマスクによって所望の位置に低濃度のn型注入を行っておくことでも得られるし、また、ゲート電極105形成後に、n型不純物を、拡散領域(B)106側から斜め注入することでも得られる。特に、チップ上に複数のメモリセルを形成する際、すべてのセルにおいて、拡散領域(B)106・拡散領域(A)107の向きを合わせていれば、これら拡散領域の形成の際の注入レジストマスクをそのまま用い、上記斜め注入を行うことでも、この低濃度n型領域を形成することができる。
本実施形態は、第2実施形態に基づいた例を示したが、これに限定されるものではなく、例えば上記第1実施形態、第3実施形態等に適用してもよく、読出しディスターブ低下の効果がある。
The structure of the fourth embodiment can also be obtained, for example, by performing low-concentration n-type implantation at a desired position with a resist mask before forming the gate electrode. Also, after forming the gate electrode 105, the n-type impurity can be obtained. Can also be obtained by oblique implantation from the diffusion region (B) 106 side. In particular, when a plurality of memory cells are formed on a chip, if all the cells are aligned with the diffusion regions (B) 106 and 107 (A) 107, the implantation resist for forming these diffusion regions is used. This low-concentration n-type region can also be formed by using the mask as it is and performing the oblique implantation.
Although the present embodiment has shown an example based on the second embodiment, the present invention is not limited to this. For example, the present embodiment may be applied to the first embodiment, the third embodiment, etc. effective.

(第5実施形態)
第5実施形態では、上記第2実施形態と同様の断面形状(図4)をとっており、第2実施形態同様に一方の拡散領域(A)付近のチャネル幅をもう一方の拡散領域(B)付近よりも狭くする構造をとっているが、平面構造に特徴があり、その平面模式図を図9に示す。この第5実施形態では、チャネル108が、拡散領域(B)106から拡散領域(A)107にかけて、チャネル幅Wbの領域508b、チャネル幅がWbからWaへ連続的に減少する領域508c、チャネル幅Waの領域508aにわけられる。
第5実施形態では、チャネル108の途中で徐々にチャネル幅がWbからWaへ変化していく構造であるため、ゲート電極105下において素子分離領域100が角を持つ部位の形状が、例えば70°〜30°、さらに好ましくは60°〜50°の傾斜をもつよう鈍角になっている。傾斜角が30°または50°より小さくなれば、素子面積が大きくなり、またチャネル抵抗が高くならないので、好ましくない。
このように、書込みや消去を行う際に素子分離領域100が角を持つ部分に過度に電界が集中することを防ぎ、絶縁膜破壊を防止するので、信頼性の高い記憶装置が得られる。更に、角部に丸みをつけると、電界集中を防止することができる。
(Fifth embodiment)
The fifth embodiment has the same cross-sectional shape (FIG. 4) as that of the second embodiment, and the channel width in the vicinity of one diffusion region (A) is set to the other diffusion region (B) as in the second embodiment. ) The structure is narrower than the vicinity, but has a planar structure, and a schematic plan view thereof is shown in FIG. In the fifth embodiment, the channel 108 has a channel width Wb region 508b from the diffusion region (B) 106 to the diffusion region (A) 107, a region 508c in which the channel width continuously decreases from Wb to Wa, and a channel width. It is divided into a Wa area 508a.
In the fifth embodiment, since the channel width gradually changes from Wb to Wa in the middle of the channel 108, the shape of the portion where the element isolation region 100 has a corner under the gate electrode 105 is, for example, 70 °. It is obtuse so as to have an inclination of -30 °, more preferably 60 ° -50 °. If the tilt angle is smaller than 30 ° or 50 °, the device area increases and the channel resistance does not increase, which is not preferable.
As described above, when writing or erasing is performed, an electric field is prevented from being excessively concentrated on a portion where the element isolation region 100 has a corner, and breakdown of the insulating film is prevented, so that a highly reliable memory device can be obtained. Further, when the corners are rounded, electric field concentration can be prevented.

さらに、本半導体装置を形成する際に行うリソグラフィ工程において、チャネル幅Wbの領域508bのチャネル長と、チャネル幅Waの領域508aのチャネル長が、目合せズレマージンよりも大きくなるようにフォトマスク上で設計されていることが好ましい(この時、領域508bと領域508aとのチャネル長の和は、目合せズレマージンの2倍よりも大きくなる)。この時、最大限に目合せズレが発生しても、ゲート電極105端は必ず、チャネル幅が均一な領域508b・領域508a上に来ることになり、チャネル幅が連続的に変化している領域508cがチャネルの途中に来ることになるので、目合せズレによるオン電流のバラツキを小さく抑えることができる。
本実施形態は第2実施形態へ適用を行ったが、これに限定されるものではなく、例えば上記第1、第3、第4のいずれの実施形態にも適用可能である。
Further, in the lithography process performed when forming the semiconductor device, the channel length of the region 508b having the channel width Wb and the channel length of the region 508a having the channel width Wa are set on the photomask so as to be larger than the misalignment margin. (At this time, the sum of the channel lengths of the region 508b and the region 508a is larger than twice the misalignment margin). At this time, even if misalignment occurs to the maximum extent, the end of the gate electrode 105 always comes over the regions 508b and 508a having a uniform channel width, and the channel width continuously changes. Since 508c comes in the middle of the channel, variations in on-current due to misalignment can be reduced.
Although the present embodiment has been applied to the second embodiment, the present invention is not limited to this. For example, the present embodiment can be applied to any of the first, third, and fourth embodiments.

(第6実施形態)
第6実施形態もまた、上記第2実施形態と同様の断面形状(図4)をとっており、第2実施形態同様に一方の拡散領域(A)付近のチャネル幅をもう一方の拡散領域(B)付近よりも狭くする構造をとっているが、図10に示すように、少なくとも拡散領域(A)607側のチャネル幅Wa(112)を、素子分離ではなく不純物注入幅で規定していることを特徴としている。すなわち、少なくとも拡散領域(A)607側には、ゲート電極105に沿う方向に隣接して、ソース・ドレイン用不純物注入が行われない半導体基板表面631が存在し、この分、チャネル幅Wa(112)は、拡散領域(B)606側のチャネル幅Wb(111)よりも小さくなっている。
(Sixth embodiment)
The sixth embodiment also has the same cross-sectional shape (FIG. 4) as the second embodiment, and the channel width in the vicinity of one diffusion region (A) is set to the other diffusion region (as in the second embodiment). B) Although the structure is narrower than the vicinity, as shown in FIG. 10, at least the channel width Wa (112) on the diffusion region (A) 607 side is defined not by element isolation but by the impurity implantation width. It is characterized by that. That is, at least on the diffusion region (A) 607 side, there is a semiconductor substrate surface 631 adjacent to the direction along the gate electrode 105 where source / drain impurity implantation is not performed, and accordingly, the channel width Wa (112 ) Is smaller than the channel width Wb (111) on the diffusion region (B) 606 side.

本第6実施形態の半導体記憶装置形成にあたっては、ゲート電極105形成後、拡散領域を形成する際に、注入フォトマスクの形状を図11の凸部632に示すように、拡散領域(A)を形成しようとする側において、形成しようとするチャネル幅Waに合わせて開口幅を狭くしておくとよい。
本実施形態では、素子分離によってチャネル幅を規定せず、拡散領域(B)と(A)の付近のチャネル幅Wb,Wa及び動作時の電界によってチャネル上の電流経路が決定するため、フォトアライメントのズレの影響がさらに小さくなり、素子特性のバラツキをより効果的に防止できるメリットがある。
なお、ここでは拡散領域(B)606側では素子分離開口幅とチャネル幅Wbを一致させたが、拡散領域(B)606側でも、素子分離開口幅よりも注入マスク632幅を小さくすることで、注入によって拡散領域(B)606幅Wb(111)を決定してもよく、要するに、Wb>Waとなっていればよい。
本実施形態は第2実施形態へ適用を行ったが、これに限定されるものではなく、例えば上記他の実施形態にも適用可能である。
In forming the semiconductor memory device of the sixth embodiment, after forming the gate electrode 105, when forming the diffusion region, the shape of the implantation photomask is changed to the diffusion region (A) as shown by the convex portion 632 in FIG. On the side to be formed, the opening width may be narrowed in accordance with the channel width Wa to be formed.
In this embodiment, the channel width is not defined by element isolation, and the current path on the channel is determined by the channel widths Wb and Wa near the diffusion regions (B) and (A) and the electric field during operation. There is an advantage that the influence of the deviation is further reduced, and variation in device characteristics can be more effectively prevented.
Here, the element isolation opening width and the channel width Wb are made to coincide on the diffusion region (B) 606 side, but also on the diffusion region (B) 606 side, the width of the implantation mask 632 is made smaller than the element isolation opening width. The diffusion region (B) 606 width Wb (111) may be determined by implantation. In short, it is sufficient that Wb> Wa.
Although this embodiment has been applied to the second embodiment, the present invention is not limited to this, and can be applied to, for example, the other embodiments described above.

(第7実施形態)
例えば第5実施形態について、メモリセルを2次元的に配列し、セルアレイ状にした場合を図12に示す。ワード線を兼用するゲート電極705が紙面上下方向に配置され、その左右に、チャネル幅が大きい拡散領域(B)706とチャネル幅が小さい拡散領域(A)707が互い違いに配列されている。特に、ゲート下で連続的にチャネル幅が変化する第5実施形態のメモリセルは、このようにワード線方向に連続して配置する場合、左右互い違いに配置することで、素子分離幅を確保しつつ密集した配置が可能となり、チップ面積の縮小が可能となる。また本実施形態では、紙面左右方向に隣り合うセル同士も、拡散領域を共有化するため、左右反転して配置している。これにより面積の縮小が実現できることは、上記第1実施形態にて述べた通りである。
(Seventh embodiment)
For example, in the fifth embodiment, FIG. 12 shows a case where memory cells are two-dimensionally arranged to form a cell array. Gate electrodes 705 that also serve as word lines are arranged in the vertical direction of the drawing, and diffusion regions (B) 706 having a large channel width and diffusion regions (A) 707 having a small channel width are alternately arranged on the left and right sides thereof. In particular, when the memory cells of the fifth embodiment whose channel width continuously changes under the gate are arranged continuously in the word line direction in this way, the device isolation width is ensured by arranging them alternately left and right. However, a dense arrangement is possible, and the chip area can be reduced. In the present embodiment, cells adjacent in the horizontal direction on the paper surface are also reversed left and right in order to share the diffusion region. As described in the first embodiment, the area can be reduced by this.

また、各拡散領域に落としたコンタクトプラグを紙面左右方向に接続するようにビット線が配置され、書込み・読出し・消去等の動作が適切に行われるように適宜、選択トランジスタがビット線へ配置されるが、ここでは特にビット線を、チャネル幅の大きい拡散領域(B)706へ接続されるビット線734と、チャネル幅の小さい拡散領域(A)707へ接続されるビット線735とに分ける。このため、図12に示すように、ビット線はジグザグ型に配置される。こうすることで、ビット線は、書込み時にドレイン電圧を供給するビット線735と、読出し時にドレイン電圧を供給するビット線734の2種類に役割分担させることができ、前者に対する読出しドレイン電圧供給能力や、後者に対する読出しドレイン電圧供給能力は、不要となるので、回路の簡略化、チップ面積の節約が可能となる。   In addition, the bit line is arranged so that the contact plug dropped in each diffusion region is connected in the horizontal direction on the paper surface, and the selection transistor is appropriately arranged on the bit line so that operations such as writing, reading, and erasing are appropriately performed. In this case, however, the bit line is divided into a bit line 734 connected to the diffusion region (B) 706 having a large channel width and a bit line 735 connected to the diffusion region (A) 707 having a small channel width. Therefore, as shown in FIG. 12, the bit lines are arranged in a zigzag shape. In this way, the bit line can be divided into two types of roles: a bit line 735 that supplies a drain voltage at the time of writing and a bit line 734 that supplies a drain voltage at the time of reading. Since the read drain voltage supply capability for the latter is not required, the circuit can be simplified and the chip area can be saved.

また、図13に示すような配列も可能である。図13では、ワード線方向にセルを並べる際、上述のような互い違いの配列ではなく、同じ向きの配列とし、さらに拡散領域(A)707同士をワード線方向に連結し共通領域とした構成となっている(707b)。共通拡散領域(B)707bへのコンタクト733は、例えばその端部などで一括してとることができるので、ビット線の本数を減らすことができ、回路の簡略化、チップ面積の節約が可能となる。あるセルに書込みを行う場合は、当該セルに接続するワード線705と当該に接続するビット線735へ書込み電圧を与え、共通拡散領域(B)707bをグラウンド電位とする。そのセルを読み出す場合には、当該セルに接続するワード線705へ読出し電圧、共通拡散領域(A)707bへ接続するビット線734へ読出し電圧を与えるとともに、当該セルに接続するビット線735をグラウンド電位などとする(他のビット線は例えば共通拡散領域(A)と同電位にチャージしてフローティング状態にする)ことで、行うことができる。   An arrangement as shown in FIG. 13 is also possible. In FIG. 13, when the cells are arranged in the word line direction, the arrangement is not the staggered arrangement as described above, but the same orientation, and the diffusion regions (A) 707 are connected in the word line direction to form a common region. (707b). Since the contacts 733 to the common diffusion region (B) 707b can be taken together at the end thereof, for example, the number of bit lines can be reduced, the circuit can be simplified, and the chip area can be saved. Become. When writing to a certain cell, a writing voltage is applied to the word line 705 connected to the cell and the bit line 735 connected to the cell, and the common diffusion region (B) 707b is set to the ground potential. When reading the cell, the read voltage is applied to the word line 705 connected to the cell, the read voltage is applied to the bit line 734 connected to the common diffusion region (A) 707b, and the bit line 735 connected to the cell is grounded. This can be done by setting it to a potential or the like (for example, other bit lines are charged to the same potential as the common diffusion region (A) to be in a floating state).

(第8実施形態)
第8実施形態は、ガラス基板や樹脂基板等の絶縁基板上に半導体記憶装置を形成している。半導体基板を用いないことで、廉価な製造が可能となり、また様々な基板上に記憶装置が設けられるので、液晶表示装置、有機EL表示装置、プラズマディスプレイ等の各表示素子の記憶素子として用いるなど広い用途に用いることができる。
本実施形態のようにガラス基板等の耐熱性の低い基板を用いる場合には、製造の際に低温のプロセスを用いることになるが、このような場合には、n型デバイスよりもp型デバイスとしてメモリセルを形成した方が、書込み及び消去を繰り返し安定に行うことができ、より信頼性が高いため、好ましい。比較的低温のプロセスでメモリセルを製造した場合、書込みや消去の際に発生する高エネルギーなキャリアによって、メモリセルの絶縁膜や、絶縁膜と半導体層の界面等にダメージを受ける恐れがあるが、p型デバイスの方が、このダメージが起こりにくく、より信頼性が高いメモリセルとなるのである。
図14は、第8実施形態の断面模式図である。まず、ガラス等からなる絶縁体基板801上に、シリコン等からなるn型半導体層808を設け、適宜パターニングを行う。その後、CVD等の方法で、シリコン酸化膜等からなる第一の絶縁膜802、シリコン窒化膜等からなる電荷蓄積絶縁膜825、シリコン酸化膜等からなる第二の絶縁膜804、タングステン等の金属からなるゲート電極材料を堆積し、リソグラフィ及びエッチングによって、ゲート電極805を形成する。電荷蓄積絶縁膜825は他に、各種高誘電材料膜や、導電体ドットを含有する絶縁膜を用いてもよい。
(Eighth embodiment)
In the eighth embodiment, a semiconductor memory device is formed on an insulating substrate such as a glass substrate or a resin substrate. By not using a semiconductor substrate, inexpensive manufacturing is possible, and a storage device is provided on various substrates, so that it is used as a storage element for each display element such as a liquid crystal display device, an organic EL display device, a plasma display, etc. It can be used for a wide range of applications.
When a substrate having low heat resistance such as a glass substrate is used as in the present embodiment, a low-temperature process is used during manufacturing. In such a case, a p-type device is used rather than an n-type device. It is preferable to form a memory cell because it is possible to perform writing and erasure repeatedly and stably and is more reliable. When a memory cell is manufactured by a process at a relatively low temperature, there is a risk of damage to the insulating film of the memory cell or the interface between the insulating film and the semiconductor layer due to high energy carriers generated during writing or erasing. In the p-type device, this damage is less likely to occur and the memory cell is more reliable.
FIG. 14 is a schematic cross-sectional view of the eighth embodiment. First, an n-type semiconductor layer 808 made of silicon or the like is provided on an insulator substrate 801 made of glass or the like, and patterned appropriately. Thereafter, by a method such as CVD, a first insulating film 802 made of a silicon oxide film, a charge storage insulating film 825 made of a silicon nitride film, a second insulating film 804 made of a silicon oxide film, etc., a metal such as tungsten A gate electrode material 805 is deposited, and a gate electrode 805 is formed by lithography and etching. In addition to the charge storage insulating film 825, various high dielectric material films and insulating films containing conductor dots may be used.

その後、p型不純物注入を行い、拡散領域を形成するが、この時に、図15に示すように上記第6実施形態に倣い、フォトレジストマスクを設けて注入することにより、ゲート電極805の片側にはチャネル幅の広い拡散領域(B)806(チャネル幅Wb:811)、もう片側にはチャネル幅Waの狭い拡散領域(A)807(チャネル幅Wa:812)を設ける。チャネル幅Wbの広い拡散領域(B)806と、チャネル幅Waの狭い拡散領域(A)807は、以上の説明のように、書込み時の注入領域と消去時の注入領域を合致させるように、チャネル領域の形状を設計する。これにより書込み時の注入領域と消去時の注入領域を合致させることができる。一般的に、絶縁基板上に形成した半導体層は、半導体基板上に形成した半導体記憶装置に比べて、書換え時の電荷中和が困難であり、これが書換え劣化の原因となっている。しかし本発明により、書込み時の注入領域と消去時の注入領域を合致させるように、チャネル領域の形状を形成できるので、書換え時の電荷中和が可能になる。
さらにここで、図15の平面図に示すように、本実施形態では、拡散領域(A)807と同じ側に、半導体層808と同じn型で、不純物濃度が濃い、ボディコンタクト領域836が設けられている。このボディコンタクト領域836上には、ボディ電位制御のためのコンタクトプラグが設置されている(拡散領域(B)806、拡散領域(A)807上にも当然コンタクトプラグが設置されるが、ここでは図示略)。このボディコンタクト領域836も、拡散領域形成同様、周知のリソグラフィ技術と注入技術により、簡単に設けることができる。
Thereafter, p-type impurity implantation is performed to form a diffusion region. At this time, as shown in FIG. 15, a photoresist mask is provided and implanted on one side of the gate electrode 805 according to the sixth embodiment. Is provided with a diffusion region (B) 806 (channel width Wb: 811) having a wide channel width and a diffusion region (A) 807 (channel width Wa: 812) having a narrow channel width Wa on the other side. As described above, the diffusion region (B) 806 having a wide channel width Wb and the diffusion region (A) 807 having a narrow channel width Wa are formed so that the implantation region at the time of writing and the implantation region at the time of erasure coincide with each other. Design the shape of the channel region. Thereby, the implantation region at the time of writing and the implantation region at the time of erasing can be matched. In general, a semiconductor layer formed on an insulating substrate is more difficult to neutralize charges at the time of rewriting than a semiconductor memory device formed on a semiconductor substrate, which causes rewriting deterioration. However, according to the present invention, the shape of the channel region can be formed so that the injection region at the time of writing coincides with the injection region at the time of erasing, so that charge neutralization at the time of rewriting becomes possible.
Further, as shown in the plan view of FIG. 15, in this embodiment, a body contact region 836 having the same n-type and high impurity concentration as the semiconductor layer 808 is provided on the same side as the diffusion region (A) 807. It has been. On this body contact region 836, contact plugs for body potential control are installed (Naturally, contact plugs are also installed on diffusion region (B) 806 and diffusion region (A) 807. (Not shown). The body contact region 836 can also be easily provided by a well-known lithography technique and implantation technique as in the case of the diffusion region formation.

本実施形態の記憶装置の動作は、上記各実施形態に倣って行うが、特に本実施形態はp型デバイスとして形成されているため、上記各実施形態とは印加電圧を逆のバイアスにすることで、動作させることができる。すなわち、書込み動作に関しては、ソースとなる拡散領域(B)806を基準電位とした場合、拡散領域(A)807に例えば−6〜−15Vの書込みドレイン電圧、ゲート電極805に例えば−6〜−18Vの書込みゲート電圧、ボディコンタクト領域836には例えばソースと同じ基準電位を印加することで、行うことができる。消去動作に関しては、ボディコンタクト領域836を基準電位とした場合、拡散領域(A)807に負の消去電圧(例えば−8〜−15V)、ゲート電極805に正の消去電圧(例えば5〜20V)を印加することで行うことができる。読出し動作は、拡散領域(A)807をソースとし、これを基準電位とした場合、ドレインとなる拡散領域(B)806へ例えば−4Vの読出しドレイン電圧、ゲート電極805に例えば−4Vの読出しゲート電圧を印加することで行うことができる。読出し時のボディコンタクト領域836は、フローティングとしてもよいが、ソースと同じ基準電位などの適当な電圧を印加することで、より安定した読出し動作を行うことができる。   The operation of the memory device according to the present embodiment is performed in accordance with each of the above embodiments. In particular, since the present embodiment is formed as a p-type device, the applied voltage is set to a reverse bias with respect to each of the above embodiments. It can be operated. That is, regarding the write operation, when the diffusion region (B) 806 serving as the source is set to the reference potential, the write drain voltage of −6 to −15 V, for example, is applied to the diffusion region (A) 807, and the −6 to −− is applied to the gate electrode 805, for example. For example, the same reference potential as that of the source can be applied to the 18 V write gate voltage and the body contact region 836. Regarding the erase operation, when the body contact region 836 is set to the reference potential, the diffusion region (A) 807 has a negative erase voltage (for example, −8 to −15 V), and the gate electrode 805 has a positive erase voltage (for example, 5 to 20 V). This can be done by applying. In the read operation, when the diffusion region (A) 807 is used as a source and this is set as a reference potential, for example, a read drain voltage of −4V is applied to the diffusion region (B) 806 serving as a drain, and a −4V read gate is applied to the gate electrode 805. This can be done by applying a voltage. The body contact region 836 at the time of reading may be floating, but a more stable reading operation can be performed by applying an appropriate voltage such as the same reference potential as the source.

本実施形態では、薄膜トランジスタ型の不揮発性メモリセルとなっているが、特に書込み動作時には大量のホットキャリアが発生するため、この発生キャリアによる誤動作や書込み効率低下を防ぐためにも、ボディコンタクトを設け、ボディ電位を制御することが好ましい。ここで、本実施形態では、書込み時にドレイン領域として機能する拡散領域(A)807と同じ側にボディコンタクト領域836を設けていることが利点となっており、書込み時にドレイン領域近傍で発生したホールは、空乏状態にあるゲート電極805下の半導体層808を長距離に渡って移動する必要なく、近くのボディコンタクト領域836から効率よく排出されていくため、ボディ電位の変動を抑えることができ、素子間バラツキを抑え、安定した書込み動作が可能となる。と同時に、チャネル幅の小さい拡散領域(A)側にボディコンタクト領域836を設けているためにレイアウト上もコンパクトに収めることができ、高密度にレイアウトできる省スペースのメリットもある。   In this embodiment, it is a thin film transistor type nonvolatile memory cell, but since a large amount of hot carriers are generated particularly during a write operation, a body contact is provided in order to prevent malfunction due to the generated carriers and a decrease in write efficiency. It is preferable to control the body potential. Here, the present embodiment is advantageous in that the body contact region 836 is provided on the same side as the diffusion region (A) 807 functioning as a drain region at the time of writing, and holes generated in the vicinity of the drain region at the time of writing. Since the semiconductor layer 808 under the gate electrode 805 in the depletion state does not need to move over a long distance and is efficiently discharged from the nearby body contact region 836, fluctuations in body potential can be suppressed. Stable writing operation is possible by suppressing variation between elements. At the same time, since the body contact region 836 is provided on the side of the diffusion region (A) having a small channel width, the layout can be compactly accommodated, and there is also an advantage of space saving that enables a high-density layout.

ここで、拡散領域(A)807と、ボディコンタクト領域836の間には、書込み時に高い電圧差が接合に対し逆方向にかかるが、本実施形態では単結晶基板を用いていないことから、両者を若干離して設置し、間に薄いn型領域831を挟む構造が、より好ましい。ボディコンタクト領域836と拡散領域(A)807とを直接に隣接させるよりも、このように間に薄いn型領域831を挟む方が、逆方向リーク電流を低く抑えることができ、消費電力を抑えることができる。
さらに、図15に示すように、ボディコンタクト領域836は、ゲート電極805端に届くように配置してもよい。この構造により、バンド間トンネルを用いた消去を行う際、ゲート電極805に印加した負電圧によって、ボディコンタクト領域836からゲート電極805下にホールが流れ込み蓄積層が形成され、キャリアが発生する部位からボディコンタクト領域836に到るまでの低抵抗な電流経路が出来るので、安定した高速な消去が可能となる。
Here, between the diffusion region (A) 807 and the body contact region 836, a high voltage difference is applied in the opposite direction to the junction at the time of writing, but since the single crystal substrate is not used in the present embodiment, A structure in which a thin n-type region 831 is sandwiched between them is more preferable. Rather than making body contact region 836 and diffusion region (A) 807 directly adjacent to each other, sandwiching thin n-type region 831 in this way can reduce reverse leakage current and reduce power consumption. be able to.
Further, as shown in FIG. 15, the body contact region 836 may be disposed so as to reach the end of the gate electrode 805. With this structure, when performing erasing using a band-to-band tunnel, a negative voltage applied to the gate electrode 805 causes holes to flow from the body contact region 836 under the gate electrode 805 to form an accumulation layer, and from a site where carriers are generated. Since a low-resistance current path to the body contact region 836 can be formed, stable high-speed erasing can be performed.

一般的に、絶縁基板上に半導体記憶装置を形成する場合、半導体層808の結晶性や、半導体層808と絶縁膜802の界面状態が、単結晶半導体基板を用いる場合に比較して良好でないため、チャネル中でのキャリア散乱が起こりやすく、ドレイン領域端以外、例えばチャネル途中においてもホットキャリアが発生しやすい傾向がある。このため、書込み時に比較的広範囲にキャリアが注入されてしまい、書換え後の電荷残りによる書換え劣化が、単結晶基板を用いる場合よりも大きな問題となりうる。読出し時にもホットキャリアが発生しやすく、読出しディスターブが大きな問題になりうる。特に廉価なガラス基板等を用いる場合には、製造コストが下げられるメリットがある反面、高温プロセスを適用できないので、半導体層の結晶状態や絶縁膜との界面状態を良好にするのが難しく、これらの問題が顕在化しやすい傾向にある。
しかし、これらの問題点は、上述した本実施形態の技術によって、非常に効果的に抑制することができる。つまり、書込み時にはドレイン領域側のチャネル幅を小さくすることでドレイン領域端以外の領域の横方向電界を緩和し、電荷注入をドレイン領域端に局在化させることができるので、書換え劣化の防止に大きな効果がある。読出し時にはソース領域端のチャネル幅を小さくすることで、ソース領域端以外の横方向電界を緩和し、読出しディスターブを防ぐ。
In general, when a semiconductor memory device is formed over an insulating substrate, the crystallinity of the semiconductor layer 808 and the interface state between the semiconductor layer 808 and the insulating film 802 are not favorable as compared with the case where a single crystal semiconductor substrate is used. In addition, carrier scattering tends to occur in the channel, and hot carriers tend to be generated even in the middle of the channel other than at the end of the drain region. For this reason, carriers are injected in a relatively wide range at the time of writing, and rewriting deterioration due to charge remaining after rewriting can be a greater problem than when a single crystal substrate is used. Hot carriers are also likely to occur during reading, and read disturb can be a major problem. In particular, when using inexpensive glass substrates, etc., there is a merit that the manufacturing cost can be reduced, but since it is not possible to apply a high temperature process, it is difficult to improve the crystal state of the semiconductor layer and the interface state with the insulating film. This problem tends to become obvious.
However, these problems can be very effectively suppressed by the technique of the present embodiment described above. In other words, by reducing the channel width on the drain region side during writing, the lateral electric field in the region other than the drain region end can be relaxed, and charge injection can be localized at the drain region end. There is a big effect. By reducing the channel width at the end of the source region at the time of reading, the lateral electric field other than at the end of the source region is relaxed, and reading disturb is prevented.

また、絶縁基板上に形成したデバイスは、特性バラツキが比較的大きくなるため、書込み時に同じ電圧条件を印加しても、デバイスによって内部の電界の分布が異なり、電荷が注入される位置がばらついて、これも書換え時電荷残りによる書換え劣化の原因になりうる。この点に関しても、本実施形態の技術により、書込み時の横方向電界がドレイン領域端に集中され、電荷注入位置ばらつきを抑えることができるので、高歩留まりが実現できる。
なお、本実施形態は、電荷蓄積絶縁膜825を電荷の蓄積に用いたが、第1実施形態のようにフローティングゲート構造とすることもできる。ただし、上記第2実施形態でも述べたように、第一の絶縁膜や第二の絶縁膜の一部に電荷のリークパスが生じた場合、フローティングゲート構造では蓄積電荷がすべて流出してしまう可能性があるが、絶縁膜を電荷蓄積膜825として用いた場合、全電荷が一度に流出することがない。特に本実施形態のように耐熱性の低い基板を用いる場合には、高温の製造プロセスを用いることができないため、電荷蓄積部を外部から遮断する第一の絶縁膜802及び第二の絶縁膜804として、高密度で絶縁性の高い膜を形成することができない場合がある。この場合には、上記のような電荷リークパスが生じる可能性もより高くなるため、絶縁膜を電荷蓄積膜825として用いた方が、電荷の長期保持の面で有利であり、とりわけ好ましい。
また、本実施形態では電荷蓄積部をゲート電極の下に設けたが、第3実施形態のように電荷蓄積部をサイドウォール状にしてもよい。
In addition, since the device formed on an insulating substrate has a relatively large variation in characteristics, even if the same voltage condition is applied during writing, the distribution of the internal electric field varies depending on the device, and the position where charge is injected varies. This can also cause deterioration of rewriting due to charge remaining during rewriting. Also in this regard, the technique of the present embodiment concentrates the lateral electric field at the time of writing on the end of the drain region and can suppress variations in charge injection position, so that a high yield can be realized.
In the present embodiment, the charge storage insulating film 825 is used for charge storage, but a floating gate structure may be used as in the first embodiment. However, as described in the second embodiment, if a charge leakage path occurs in a part of the first insulating film or the second insulating film, all the accumulated charges may flow out in the floating gate structure. However, when an insulating film is used as the charge storage film 825, all charges do not flow out at once. In particular, when a substrate having low heat resistance is used as in the present embodiment, a high-temperature manufacturing process cannot be used. Therefore, the first insulating film 802 and the second insulating film 804 that block the charge storage portion from the outside. In some cases, a high-density and highly insulating film cannot be formed. In this case, since there is a higher possibility that the above-described charge leak path is generated, the use of the insulating film as the charge storage film 825 is advantageous in terms of long-term charge retention and is particularly preferable.
In this embodiment, the charge storage portion is provided below the gate electrode. However, the charge storage portion may be formed in a sidewall shape as in the third embodiment.

本発明の第1実施形態の半導体記憶装置のメモリセル部の概略断面図である。1 is a schematic cross-sectional view of a memory cell portion of a semiconductor memory device according to a first embodiment of the present invention. 本発明の第1実施形態の半導体記憶装置のメモリセル部の概略平面図である1 is a schematic plan view of a memory cell portion of a semiconductor memory device according to a first embodiment of the present invention. 本発明の第1実施形態の半導体記憶装置の構成を表す概略図である。1 is a schematic diagram illustrating a configuration of a semiconductor memory device according to a first embodiment of the present invention. 本発明の第2実施形態の半導体記憶装置のメモリセル部の概略断面図である。It is a schematic sectional drawing of the memory cell part of the semiconductor memory device of 2nd Embodiment of this invention. 本発明の第2実施形態の半導体記憶装置のメモリセル部の書込み状態の概略断面図である。It is a schematic sectional drawing of the write-in state of the memory cell part of the semiconductor memory device of 2nd Embodiment of this invention. 本発明の第3実施形態の半導体記憶装置のメモリセル部の概略断面図である。It is a schematic sectional drawing of the memory cell part of the semiconductor memory device of 3rd Embodiment of this invention. 本発明の第3実施形態の半導体記憶装置のメモリセル部の書込み状態の概略断面図である。It is a schematic sectional drawing of the write-in state of the memory cell part of the semiconductor memory device of 3rd Embodiment of this invention. 本発明の第4実施形態の半導体記憶装置のメモリセル部の概略断面図である。It is a schematic sectional drawing of the memory cell part of the semiconductor memory device of 4th Embodiment of this invention. 本発明の第5実施形態の半導体記憶装置のメモリセル部の概略平面図であるIt is a schematic plan view of the memory cell part of the semiconductor memory device of 5th Embodiment of this invention. 本発明の第6実施形態の半導体記憶装置のメモリセル部の概略平面図であるIt is a schematic plan view of the memory cell part of the semiconductor memory device of 6th Embodiment of this invention. 本発明の第6実施形態の半導体記憶装置のメモリセル部のソース・ドレイン領域形成用フォト工程を表す概略平面図であるIt is a schematic plan view showing the photo process for source / drain region formation of the memory cell part of the semiconductor memory device of 6th Embodiment of this invention. 本発明の第6実施形態の半導体記憶装置のメモリセルアレイ部の概略平面図であるIt is a schematic plan view of the memory cell array part of the semiconductor memory device of 6th Embodiment of this invention. 本発明の第6実施形態の半導体記憶装置のメモリセルアレイ部の概略平面図であるIt is a schematic plan view of the memory cell array part of the semiconductor memory device of 6th Embodiment of this invention. 本発明の第8実施形態の半導体記憶装置のメモリセル部の概略断面図である。It is a schematic sectional drawing of the memory cell part of the semiconductor memory device of 8th Embodiment of this invention. 本発明の第8実施形態の半導体記憶装置のメモリセル部の概略平面図であるIt is a schematic plan view of the memory cell part of the semiconductor memory device of 8th Embodiment of this invention. 従来の半導体記憶装置の概略断面図である。It is a schematic sectional drawing of the conventional semiconductor memory device. 従来の半導体記憶装置の書込み動作を表す概略断面図である。It is a schematic sectional drawing showing the write-in operation | movement of the conventional semiconductor memory device. 特許文献1の半導体記憶装置の概略平面図である。1 is a schematic plan view of a semiconductor memory device of Patent Document 1. FIG.

符号の説明Explanation of symbols

100 素子分離領域
101 シリコン基板
102 第一の絶縁膜
103 フローティングゲート
104 第二の絶縁膜
105 ゲート電極
106 拡散領域(B)
107 拡散領域(A)
108 チャネル領域
115 メモリセル
225 電荷蓄積絶縁膜
226 蓄積電荷
227 書込みによって電荷が蓄積される領域
228 書込みによって電荷が蓄積されない領域
325 電荷蓄積絶縁膜
326 蓄積電荷
327 ゲート絶縁膜
328 第一の絶縁膜
329 第二の絶縁膜
430 低濃度n型領域
508a チャネル幅Waの領域
508b チャネル幅Wbの領域
508c チャネル幅がWbからWaへ連続的に減少する領域
606 拡散領域(B)
607 拡散領域(A)
631 ソース・ドレイン不純物注入がなされていない半導体基板表面
632 ソース・ドレイン不純物注入用フォトレジストマスク開口部
705 ゲート電極(ワード線)
706 拡散領域(B)
707 拡散領域(A)
707b 共通拡散領域
733 コンタクトプラグ
734 拡散領域(B)同士を紙面横方向に接続するビット線
735 拡散領域(A)同士を紙面横方向に接続するビット線
801 絶縁性基板
802 第一の絶縁膜
804 第二の絶縁膜
805 ゲート電極
806 拡散領域(B)
807 拡散領域(A)
808 半導体層
811 拡散領域(B)とゲート電極とが面する部分のチャネル幅Wb
812 拡散領域(A)とゲート電極とが面する部分のチャネル幅Wa
831 ソース・ドレイン不純物注入及びボディコンタクト注入がなされていない半導体基板表面
832 ボディコンタクト用高濃度領域
1001 読出しドレイン電圧制御回路
1002 書込みドレイン電圧制御回路
1003 ワード線制御回路
1004 選択回路
100 element isolation region 101 silicon substrate 102 first insulating film 103 floating gate 104 second insulating film 105 gate electrode 106 diffusion region (B)
107 Diffusion region (A)
108 Channel region 115 Memory cell 225 Charge storage insulating film 226 Stored charge 227 Region 228 where charge is stored by writing 228 Region where charge is not stored by writing 325 Charge storage insulating film 326 Stored charge 327 Gate insulating film 328 First insulating film 329 Second insulating film 430 Low-concentration n-type region 508a Channel width Wa region 508b Channel width Wb region 508c Region 606 in which channel width continuously decreases from Wb to Wa Diffusion region (B)
607 Diffusion area (A)
631 Semiconductor substrate surface 632 without source / drain impurity implantation Photoresist mask opening 705 for source / drain impurity implantation Gate electrode (word line)
706 Diffusion region (B)
707 Diffusion region (A)
707b Common diffusion region 733 Contact plug 734 Bit line 735 that connects diffusion regions (B) in the horizontal direction on the paper surface Bit line 801 that connects diffusion regions (A) in the horizontal direction on the paper surface Insulating substrate 802 First insulating film 804 Second insulating film 805 Gate electrode 806 Diffusion region (B)
807 Diffusion area (A)
808 Semiconductor layer 811 Channel width Wb of portion where diffusion region (B) and gate electrode face
812 Channel width Wa of the portion where the diffusion region (A) faces the gate electrode
831 Semiconductor substrate surface 832 in which source / drain impurity implantation and body contact implantation are not performed High concentration region for body contact 1001 Read drain voltage control circuit 1002 Write drain voltage control circuit 1003 Word line control circuit 1004 selection circuit

Claims (20)

半導体層と、
前記半導体層上に形成された、電荷蓄積機能を有する電荷蓄積膜と、
前記電荷蓄積膜上に形成されたゲート電極と、
前記ゲート電極の下部の前記半導体層に形成されたチャネル領域と、
前記チャネル領域の両側の前記半導体層に形成された2つの第1導電型の拡散領域(A)及び(B)と、
前記ゲート電極、前記2つの拡散領域(A)及び(B)へそれぞれ所定電圧を印加する制御回路と、
を備え、前記チャネル領域は、前記一方の拡散領域(A)が接する側のチャネル幅Waよりも他方の拡散領域(B)が接する側のチャネル幅Wbの方が大きく形成され、かつ前記制御回路は、記憶動作時には前記一方の拡散領域(A)へ前記他方の拡散領域(B)よりも高い電圧を印加し、読出し時には前記他方の拡散領域(B)へ前記一方の拡散領域(A)よりも高い電圧を印加する半導体記憶装置。
A semiconductor layer;
A charge storage film formed on the semiconductor layer and having a charge storage function;
A gate electrode formed on the charge storage film;
A channel region formed in the semiconductor layer below the gate electrode;
Two first conductivity type diffusion regions (A) and (B) formed in the semiconductor layer on both sides of the channel region;
A control circuit for applying a predetermined voltage to the gate electrode and the two diffusion regions (A) and (B),
The channel region is formed such that the channel width Wb on the side in contact with the other diffusion region (B) is larger than the channel width Wa on the side in contact with the one diffusion region (A), and the control circuit Applies a higher voltage to the one diffusion region (A) than the other diffusion region (B) during the storage operation, and from the one diffusion region (A) to the other diffusion region (B) during reading. A semiconductor memory device that applies a higher voltage.
前記電荷蓄積膜は、少なくともその一部おいて、前記半導体層側より順に、第1の絶縁膜、前記ゲート電極と同一材からなる導電体膜、及び第2の絶縁膜からなる請求項1に記載の半導体記憶装置。   2. The charge storage film according to claim 1, wherein at least part of the charge storage film includes, in order from the semiconductor layer side, a first insulating film, a conductor film made of the same material as the gate electrode, and a second insulating film. The semiconductor memory device described. 前記電荷蓄積膜は、絶縁膜である請求項1に記載の半導体記憶装置。   The semiconductor memory device according to claim 1, wherein the charge storage film is an insulating film. 前記電荷蓄積膜は、少なくともその一部おいて、前記半導体層側より順に、第1の絶縁膜、電荷蓄積機能を有する絶縁体、及び第2の絶縁膜からなる構造を有する請求項3に記載の半導体記憶装置。   4. The charge storage film according to claim 3, wherein at least part of the charge storage film has a structure including a first insulating film, an insulator having a charge storage function, and a second insulating film in order from the semiconductor layer side. Semiconductor memory device. 半導体層と、
前記半導体層に形成された第1導電型の2つの拡散領域(A)及び(B)と、
前記2つの拡散領域(A)及び(B)間の前記半導体層に形成されたチャネル領域と、
前記チャネル領域上にゲート絶縁膜を介して少なくとも一方の拡散領域(A)に対してオフセットするように形成されたゲート電極と、
前記ゲート電極の少なくとも一方の前記拡散領域(A)側の側壁に形成されたゲート側壁絶縁膜と、
前記ゲート側壁絶縁膜内に配置された電荷トラップ準位を有する絶縁体と
よりなるメモリセルと、
前記半導体層、前記ゲート電極、前記2つの拡散領域(A)及び(B)へそれぞれ所定電圧を印加する制御回路と
を備え、前記チャネル領域は、前記一方の拡散領域(A)が接する側のチャネル幅Waよりも他方の拡散領域(B)が接する側のチャネル幅Wbの方が大きく形成され、かつ前記制御回路は、記憶動作時には前記一方の拡散領域(A)へ前記他方の拡散領域(B)よりも高い電圧を印加し、読出し時には前記他方の拡散領域(B)へ前記一方の拡散領域(A)よりも高い電圧を印加する半導体記憶装置。
A semiconductor layer;
Two diffusion regions (A) and (B) of the first conductivity type formed in the semiconductor layer;
A channel region formed in the semiconductor layer between the two diffusion regions (A) and (B);
A gate electrode formed on the channel region so as to be offset with respect to at least one diffusion region (A) via a gate insulating film;
A gate sidewall insulating film formed on a sidewall of at least one of the gate electrodes on the diffusion region (A) side;
A memory cell made of an insulator having a charge trap level disposed in the gate sidewall insulating film;
A control circuit that applies a predetermined voltage to each of the semiconductor layer, the gate electrode, and the two diffusion regions (A) and (B), and the channel region is on the side in contact with the one diffusion region (A) The channel width Wb on the side in contact with the other diffusion region (B) is formed larger than the channel width Wa, and the control circuit transfers the other diffusion region (A) to the one diffusion region (A) during the storage operation. A semiconductor memory device that applies a voltage higher than B) and applies a voltage higher than that of the one diffusion region (A) to the other diffusion region (B) at the time of reading.
前記半導体層は、前記2つの拡散領域とは異なる第2導電型のウェル領域を備えている請求項1から5までのいずれか1項に記載の半導体記憶装置。   6. The semiconductor memory device according to claim 1, wherein the semiconductor layer includes a well region of a second conductivity type different from the two diffusion regions. 7. 前記チャネル幅Wbに対する前記チャネル幅Waの比が20%から80%である請求項1から6までのいずれか1項に記載の半導体記憶装置。   The semiconductor memory device according to claim 1, wherein a ratio of the channel width Wa to the channel width Wb is 20% to 80%. 前記他方の拡散領域(B)端部は、前記ゲート電極下の前記半導体層に、前記他方の拡散領域(B)よりも不純物濃度の薄い第1導電型領域を備えている請求項1から7までのいずれか1項に記載の半導体記憶装置。   The end of the other diffusion region (B) includes a first conductivity type region having a lower impurity concentration than the other diffusion region (B) in the semiconductor layer under the gate electrode. The semiconductor memory device according to any one of the above. 前記チャネル領域は、前記他方の拡散領域(B)から前記一方の拡散領域(A)に向かって、(1)前記チャネル幅Wbを有する領域、(2)前記チャネル幅Wbから前記チャネル幅Waへ減少する領域、(3)チャネル幅Waを有する領域から成る請求項1から8までのいずれか1項に記載の半導体記憶装置。   The channel region includes (1) a region having the channel width Wb from the other diffusion region (B) toward the one diffusion region (A), and (2) from the channel width Wb to the channel width Wa. 9. The semiconductor memory device according to claim 1, wherein the semiconductor memory device comprises a decreasing region and (3) a region having a channel width Wa. 少なくとも前記一方の拡散領域(A)のゲート電極延伸方向に隣接した部位に、真性半導体または第2導電型半導体の領域を備える請求項1から9までのいずれか1項に記載の半導体記憶装置。   10. The semiconductor memory device according to claim 1, further comprising an intrinsic semiconductor region or a second conductivity type semiconductor region in a region adjacent to at least the one diffusion region (A) in the gate electrode extending direction. 11. 少なくともワード線方向に複数のメモリセルを有し、隣り合うメモリセル同士、前記一方の拡散領域(A)と前記他方の拡散領域(B)が互い違いとなるように配列されている請求項1から10までのいずれか1項に記載の半導体記憶装置。   2. A plurality of memory cells in at least a word line direction, wherein adjacent memory cells, the one diffusion region (A) and the other diffusion region (B) are arranged alternately. 11. The semiconductor memory device according to any one of up to 10. 複数のメモリセルが二次元的に配列されており、ビット線が、前記一方の拡散領域(A)同士、前記他方の拡散領域(B)同士を接続するようにジグザグ型に設けられている請求項11に記載の半導体記憶装置。   A plurality of memory cells are two-dimensionally arranged, and a bit line is provided in a zigzag pattern so as to connect the one diffusion region (A) and the other diffusion region (B). Item 12. The semiconductor memory device according to Item 11. 少なくともワード線方向に複数のメモリセルを有し、前記他方の拡散領域(B)が隣り合うメモリセル同士で共有されている請求項1から10までのいずれか1項に記載の半導体記憶装置。   11. The semiconductor memory device according to claim 1, comprising a plurality of memory cells in at least a word line direction, wherein the other diffusion region (B) is shared by adjacent memory cells. 前記半導体層が、絶縁基板上に形成されている請求項1から13までのいずれか1項に記載の半導体記憶装置。   The semiconductor memory device according to claim 1, wherein the semiconductor layer is formed on an insulating substrate. 前記ゲート電極に対して、前記一方の拡散領域(A)と同一の側に、前記ウェル濃度より第2導電型不純物濃度の濃い、ボディコンタクト領域を有する請求項14記載の半導体記憶装置。   15. The semiconductor memory device according to claim 14, further comprising a body contact region having a second conductivity type impurity concentration higher than the well concentration on the same side as the one diffusion region (A) with respect to the gate electrode. 前記ボディコンタクト領域と前記一方の拡散領域(A)の間に、不純物濃度の薄い領域を有する請求項15記載の半導体記憶装置。   16. The semiconductor memory device according to claim 15, wherein a region having a low impurity concentration is provided between the body contact region and the one diffusion region (A). 前記ボディコンタクト領域の一部が、前記ゲート電極直下の半導体層領域と近接するか、または前記ゲート電極とオーバーラップしている請求項15または16記載の半導体記憶装置。   17. The semiconductor memory device according to claim 15, wherein a part of the body contact region is close to or overlaps with the semiconductor layer region immediately below the gate electrode. 請求項8記載の半導体記憶装置の製造方法であって、
前記不純物濃度の薄い第1導電型領域の不純物の導入は、ゲート電極形成工程よりも後に、垂直に対し15°以上の角度をもって第1導電型不純物注入を行う半導体記憶装置の製造方法。
A method of manufacturing a semiconductor memory device according to claim 8, comprising:
The method of manufacturing a semiconductor memory device, wherein the introduction of the impurity in the first conductivity type region having a low impurity concentration is performed by implanting the first conductivity type impurity at an angle of 15 ° or more with respect to the vertical after the gate electrode forming step.
請求項10記載の半導体記憶装置の製造方法であって、
ゲート電極を形成する工程と、
注入マスクを設ける工程と、
イオン注入法により前記拡散領域(A)と前記拡散領域(B)の第1導電型不純物を注入する工程とを順に含み、
前記注入マスクのゲート電極方向開口幅は、前記拡散領域(B)部分よりも前記拡散領域(A)部分の方が狭い半導体記憶装置の製造方法。
A method for manufacturing a semiconductor memory device according to claim 10, comprising:
Forming a gate electrode;
Providing an implantation mask;
And sequentially injecting the first conductivity type impurity in the diffusion region (A) and the diffusion region (B) by ion implantation,
A method of manufacturing a semiconductor memory device, wherein the opening width of the implantation mask in the gate electrode direction is narrower in the diffusion region (A) portion than in the diffusion region (B) portion.
請求項1から19までのいずれか1項記載の半導体記憶装置の動作方法であって、記憶動作時に、前記半導体層の電位を基準として、前記一方の拡散領域(A)と前記ゲート電極に互いに逆のバイアス印加する半導体記憶装置の動作方法。   20. The operation method of a semiconductor memory device according to claim 1, wherein the one diffusion region (A) and the gate electrode are connected to each other with reference to the potential of the semiconductor layer during the storage operation. A method of operating a semiconductor memory device to which a reverse bias is applied.
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