JP2011023097A - Writing method in charge trapping memory device, erasing method, and charge trapping memory device - Google Patents

Writing method in charge trapping memory device, erasing method, and charge trapping memory device Download PDF

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義嗣 田中
Yasushi Akasaka
泰志 赤坂
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a charge trapping memory device having high rewriting resistance. <P>SOLUTION: The charge trapping memory device is constituted so that a tunnel oxide film, a charge trap film, a blocking insulating film, and a gate electrode are laminated in order on a silicon substrate, and a voltage of one of poles is applied to the gate electrode to trap charges supplied from the silicon substrate in the charge trap film, thereby writing information, and the voltage of the other pole is applied to the gate electrode to pull out the charges trapped in the charge trap film, thereby erasing information. A film thickness of the tunnel oxide film is equal to or less than 3 nm. <P>COPYRIGHT: (C)2011,JPO&INPIT

Description

本発明は、チャージトラップ型メモリ装置における書き込み方法、消去方法及びチャージトラップ型メモリ装置に関する。   The present invention relates to a writing method, an erasing method, and a charge trap memory device in a charge trap memory device.

不揮発性メモリ装置の一種であるフラッシュメモリとして、フローティングゲート型メモリ装置が知られている。   As a flash memory which is a kind of nonvolatile memory device, a floating gate type memory device is known.

また、次世代の不揮発性メモリ装置として、シリコン基板上に順に、トンネル酸化膜、チャージトラップ膜、ブロッキング絶縁膜、ゲート電極が形成された積層構造を有するフラッシュメモリとして、所謂チャージトラップ型メモリ装置が知られている。   As a next-generation nonvolatile memory device, a so-called charge trap type memory device is used as a flash memory having a laminated structure in which a tunnel oxide film, a charge trap film, a blocking insulating film, and a gate electrode are sequentially formed on a silicon substrate. Are known.

このチャージトラップ型メモリ装置としては、SONOS構造(ポリシリコン膜、SiO(アモルファス)膜、SiN膜、SiO膜、シリコン基板の積層構造)、SANOS構造(ポリシリコン膜、Al(結晶質)膜、SiN膜、SiO膜、シリコン基板の積層構造)、TANOS構造(TaN膜、Al(結晶質)膜、SiN膜、SiO膜、シリコン基板の積層構造)、MANOS構造(金属膜、Al(結晶質)膜、SiN膜、SiO膜、シリコン基板の積層構造)等の構造を有するものが知られている。 As this charge trap type memory device, there are SONOS structure (polysilicon film, SiO 2 (amorphous) film, SiN film, SiO 2 film, laminated structure of silicon substrate), SANOS structure (polysilicon film, Al 2 O 3 (crystal) Material), SiN film, SiO 2 film, laminated structure of silicon substrate), TANOS structure (TaN film, Al 2 O 3 (crystalline) film, SiN film, SiO 2 film, laminated structure of silicon substrate), MANOS structure Those having a structure such as (a metal film, an Al 2 O 3 (crystalline) film, a SiN film, a SiO 2 film, a laminated structure of silicon substrates) are known.

特開平4−153999号公報JP-A-4-153999 特開平5−258583号公報JP-A-5-255853 特開2007−193862号公報JP 2007-193862 A

しかしながら、フラッシュメモリは不揮発性メモリであるという利点は有しているが、フラッシュメモリは書き換え耐久性が揮発性メモリ等に比べて低いため、書き換え耐久性の高いフラッシュメモリが望まれている。   However, the flash memory has an advantage that it is a non-volatile memory. However, since the flash memory has lower rewrite durability than a volatile memory or the like, a flash memory with high rewrite durability is desired.

特に、フローティングゲート型メモリ装置に対し、チャージトラップ型メモリ装置の場合、構成される素子の高さを低くすることができ、構造が簡単なものとなり微細化しやすくなり、高集積化、低コスト化することができるといった利点や、ロジック回路との整合性が高いといった利点を有しており、チャージトラップ型メモリ装置の書き換え耐久性の向上は特に望まれるものである。   In particular, in the case of a charge trap type memory device compared to a floating gate type memory device, the height of the constituent elements can be reduced, the structure becomes simple and easy to miniaturize, and high integration and cost reduction are achieved. It is particularly desirable to improve the rewriting durability of the charge trap memory device.

本発明は、上記に鑑みてなされたものであり、書き換え耐久性を高め、更には、信頼性を高めたチャージトラップ型メモリ装置を提供すること、また、記憶保持特性のよいチャージトラップ型メモリ装置における書き込み方法及び消去方法を提供すること目的とするものである。   The present invention has been made in view of the above, and provides a charge trap memory device having improved rewrite durability and further improved reliability, and a charge trap memory device having good memory retention characteristics. It is an object of the present invention to provide a writing method and an erasing method.

本発明は、シリコン基板上に、トンネル酸化膜、チャージトラップ膜、ブロッキング絶縁膜、ゲート電極が順次積層形成されており、前記ゲート電極に一方の極の電圧を印加することにより、前記シリコン基板より供給された電荷を、前記チャージトラップ膜にトラップし、情報の書き込みを行い、前記ゲート電極に他方の極の電圧を印加することにより、前記チャージトラップ膜にトラップされている電荷を引抜き、情報の消去を行うチャージトラップ型メモリ装置における書き込み方法において、前記チャージトラップ型メモリ装置における書き込み電圧の印加方向に、書き込み開始電圧以上の電圧値の第1のパルス電圧を印加し、前記第1のパルス電圧を印加後に、前記書き込み電圧の印加方向とは逆方向に、消去開始電圧未満の電圧値の第2のパルス電圧を印加することを特徴とする。   In the present invention, a tunnel oxide film, a charge trap film, a blocking insulating film, and a gate electrode are sequentially stacked on a silicon substrate, and by applying a voltage of one pole to the gate electrode, The supplied charge is trapped in the charge trap film, information is written, and the voltage of the other electrode is applied to the gate electrode, thereby extracting the charge trapped in the charge trap film and In a writing method in a charge trap memory device that performs erasing, a first pulse voltage having a voltage value equal to or higher than a write start voltage is applied in a direction in which a write voltage is applied in the charge trap memory device, and the first pulse voltage is applied. After the voltage is applied, the voltage is less than the erase start voltage in the direction opposite to the direction in which the write voltage is applied. And applying a second pulse voltage.

また、本発明は、前記トンネル酸化膜の膜厚は、3nm以下であることを特徴とする。   In the present invention, the tunnel oxide film has a thickness of 3 nm or less.

また、本発明は、前記トンネル酸化膜は、SiON膜により形成されており、前記トンネル酸化膜における窒素の組成は、シリコン基板側よりもチャージトラップ膜側の方が高い、組成傾斜を有する膜であることを特徴とする。   In the present invention, the tunnel oxide film is formed of a SiON film, and the composition of nitrogen in the tunnel oxide film is higher on the charge trap film side than on the silicon substrate side and has a composition gradient. It is characterized by being.

また、本発明は、前記第1のパルス電圧をVpa1とした場合、Vpa1≧+14Vであって、前記第2のパルス電圧をVpa2とした場合、−5V≧Vpa2≧−9Vであることを特徴とする。   Further, the present invention is characterized in that when the first pulse voltage is Vpa1, Vpa1 ≧ + 14V, and when the second pulse voltage is Vpa2, −5V ≧ Vpa2 ≧ −9V. To do.

また、本発明は、シリコン基板上に、トンネル酸化膜、チャージトラップ膜、ブロッキング絶縁膜、ゲート電極が順次積層形成されており、前記ゲート電極に一方の極の電圧を印加することにより、前記シリコン基板より供給された電荷を、前記チャージトラップ膜にトラップし、情報の書き込みを行い、前記ゲート電極に他方の極の電圧を印加することにより、前記チャージトラップ膜にトラップされている電荷を引抜き、情報の消去を行うチャージトラップ型メモリ装置における消去方法において、前記チャージトラップ型メモリ装置における消去電圧の印加方向に、消去開始電圧以上の電圧値の第1のパルス電圧を印加し、前記第1のパルス電圧を印加後に、前記消去電圧の印加方向とは逆方向に、書き込み開始電圧未満の電圧値の第2のパルス電圧を印加することを特徴とする。   In the present invention, a tunnel oxide film, a charge trap film, a blocking insulating film, and a gate electrode are sequentially laminated on a silicon substrate, and the silicon electrode is applied by applying a voltage of one pole to the gate electrode. The charge supplied from the substrate is trapped in the charge trap film, information is written, and the voltage of the other electrode is applied to the gate electrode, thereby extracting the charge trapped in the charge trap film, In an erasing method in a charge trap memory device for erasing information, a first pulse voltage having a voltage value equal to or higher than an erasing start voltage is applied in an erasing voltage application direction in the charge trap memory device. After the pulse voltage is applied, a voltage value less than the write start voltage is applied in the direction opposite to the erase voltage application direction. And applying a pulse voltage.

また、本発明は、前記トンネル酸化膜の膜厚は、3nm以下であることを特徴とする。   In the present invention, the tunnel oxide film has a thickness of 3 nm or less.

また、本発明は、前記トンネル酸化膜は、SiON膜により形成されており、前記トンネル酸化膜における窒素の組成は、シリコン基板側よりもチャージトラップ膜側の方が高い、組成傾斜を有する膜であることを特徴とする。   In the present invention, the tunnel oxide film is formed of a SiON film, and the composition of nitrogen in the tunnel oxide film is higher on the charge trap film side than on the silicon substrate side and has a composition gradient. It is characterized by being.

また、本発明は、前記第1のパルス電圧をVpa1とした場合、Vpa1≦−14Vであって、前記第2のパルス電圧をVpa2とした場合、+5V≦Vpa2≦+9Vであることを特徴とする。   Further, the present invention is characterized in that when the first pulse voltage is Vpa1, Vpa1 ≦ −14V, and when the second pulse voltage is Vpa2, + 5V ≦ Vpa2 ≦ + 9V. .

また、本発明は、シリコン基板上に、トンネル酸化膜、チャージトラップ膜、ブロッキング絶縁膜、ゲート電極が順次積層形成されており、前記ゲート電極に一方の極の電圧を印加することにより、前記シリコン基板より供給された電荷を、前記チャージトラップ膜にトラップし、情報の書き込みを行い、前記ゲート電極に他方の極の電圧を印加することにより、前記チャージトラップ膜にトラップされている電荷を引抜き、情報の消去を行うチャージトラップ型メモリ装置であって、前記トンネル酸化膜の膜厚は、3nm以下であることを特徴とする。   In the present invention, a tunnel oxide film, a charge trap film, a blocking insulating film, and a gate electrode are sequentially laminated on a silicon substrate, and the silicon electrode is applied by applying a voltage of one pole to the gate electrode. The charge supplied from the substrate is trapped in the charge trap film, information is written, and the voltage of the other electrode is applied to the gate electrode, thereby extracting the charge trapped in the charge trap film, A charge trap type memory device for erasing information, wherein the tunnel oxide film has a thickness of 3 nm or less.

また、本発明は、前記トンネル酸化膜は、SiO膜により形成されていることを特徴とする。 Further, the present invention is characterized in that the tunnel oxide film is formed of a SiO 2 film.

また、本発明は、前記トンネル酸化膜は、前記シリコン基板の表面を熱酸化することにより形成したものであることを特徴とする。   Further, the present invention is characterized in that the tunnel oxide film is formed by thermally oxidizing the surface of the silicon substrate.

また、本発明は、シリコン基板上に、トンネル酸化膜、チャージトラップ膜、ブロッキング絶縁膜、ゲート電極が順次積層形成されており、前記ゲート電極に一方の極の電圧を印加することにより、前記シリコン基板より供給された電荷を、前記チャージトラップ膜にトラップし、情報の書き込みを行い、前記ゲート電極に他方の極の電圧を印加することにより、前記チャージトラップ膜にトラップされている電荷を引抜き、情報の消去を行うチャージトラップ型メモリ装置であって、前記トンネル酸化膜は、SiON膜により形成されており、前記トンネル酸化膜における窒素の組成は、シリコン基板側よりもチャージトラップ膜側の方が高い、組成傾斜を有する膜であることを特徴とする。   In the present invention, a tunnel oxide film, a charge trap film, a blocking insulating film, and a gate electrode are sequentially laminated on a silicon substrate, and the silicon electrode is applied by applying a voltage of one pole to the gate electrode. The charge supplied from the substrate is trapped in the charge trap film, information is written, and the voltage of the other electrode is applied to the gate electrode, thereby extracting the charge trapped in the charge trap film, In the charge trap type memory device for erasing information, the tunnel oxide film is formed of a SiON film, and the composition of nitrogen in the tunnel oxide film is more on the charge trap film side than on the silicon substrate side. It is a film having a high composition gradient.

また、本発明は、前記チャージトラップ膜は、SiN膜により形成されているものであることを特徴とする。   Furthermore, the present invention is characterized in that the charge trap film is formed of a SiN film.

また、本発明は、前記ブロッキング絶縁膜は、Al膜又はSiO膜により形成されているものであることを特徴とする。 Further, the present invention is characterized in that the blocking insulating film is formed of an Al 2 O 3 film or a SiO 2 film.

また、本発明は、前記ゲート電極は、ポリシリコン膜、金属窒化物膜、金属膜のいずれかにより形成されているものであることを特徴とする。   Further, the present invention is characterized in that the gate electrode is formed of any one of a polysilicon film, a metal nitride film, and a metal film.

本発明によれば、書き換え耐久性を高め、更には、信頼性を高めたチャージトラップ型のメモリ装置を提供することができる。また、記憶保持特性のよいチャージトラップ型メモリ装置における書き込み方法及び消去方法を提供することができる。   According to the present invention, it is possible to provide a charge trap type memory device with improved rewrite durability and further improved reliability. In addition, it is possible to provide a writing method and an erasing method in a charge trap memory device with good memory retention characteristics.

チャージトラップ型メモリ装置の構成図Configuration diagram of charge trap memory device チャージトラップ型メモリ装置のC−Vカーブの概要図Outline diagram of CV curve of charge trap type memory device 本実施の形態におけるチャージトラップ型メモリ装置のC−Vカーブ図CV curve diagram of charge trap type memory device in this embodiment 厚さが4nmのトンネル酸化膜のチャージトラップ型メモリ装置のC−Vカーブ図CV curve diagram of charge trap type memory device with tunnel oxide film of 4nm thickness 本実施の形態におけるチャージトラップ型メモリ装置の書き換え回数と電圧の相関図Correlation diagram between the number of rewrites and voltage in the charge trap memory device in this embodiment 厚さが4nmのトンネル酸化膜のチャージトラップ型メモリ装置の書き換え回数と電圧の相関図Correlation diagram between the number of rewrites and voltage in a charge trap type memory device with a tunnel oxide film with a thickness of 4 nm 正のパルス電圧による書き込みパルス印加後の経過時間とVfbとの相関図Correlation diagram between elapsed time after application of write pulse by positive pulse voltage and Vfb 正のパルス電圧による書き込みパルスの波形図Waveform diagram of write pulse with positive pulse voltage 第2の実施の形態における書き込みパルスの波形図Waveform diagram of write pulse in the second embodiment 第2の実施の形態における書き込みパルス印加後の経過時間とVfbとの相関図Correlation diagram between elapsed time after application of write pulse and Vfb in the second embodiment

本発明を実施するための形態について、以下に説明する。   The form for implementing this invention is demonstrated below.

〔第1の実施の形態〕
(チャージトラップ型メモリ装置)
図1に基づき、第1の実施の形態におけるチャージトラップ型メモリ装置について説明する。
[First embodiment]
(Charge trap memory device)
A charge trap memory device according to the first embodiment will be described with reference to FIG.

本実施の形態におけるチャージトラップ型メモリ装置は、シリコン基板10上に、順に、トンネル酸化膜11、チャージトラップ膜12、ブロッキング絶縁膜13、ゲート電極14が積層形成されている。   In the charge trap memory device according to the present embodiment, a tunnel oxide film 11, a charge trap film 12, a blocking insulating film 13, and a gate electrode 14 are sequentially stacked on a silicon substrate 10.

トンネル酸化膜11は、シリコン酸化膜(SiO膜)により形成されており、シリコン酸化膜の膜厚は2nmである。尚、本実施の形態では、トンネル酸化膜11をシリコン酸化膜(SiO膜)により形成されているが、このシリコン酸化膜に窒素を混入させたシリコン酸窒化膜(SiON膜)により形成してもよい。また、トンネル酸化膜11となるシリコン酸化膜(SiO膜)は、シリコン基板10の表面を熱酸化することにより形成される。形成されるトンネル酸化膜11は、均一な膜厚が要求され、また、形成される膜厚が2nmと薄いため、トンネル酸化膜11は熱酸化により形成することが好ましい。 The tunnel oxide film 11 is formed of a silicon oxide film (SiO 2 film), and the thickness of the silicon oxide film is 2 nm. In this embodiment, the tunnel oxide film 11 is formed of a silicon oxide film (SiO 2 film). However, the tunnel oxide film 11 is formed of a silicon oxynitride film (SiON film) in which nitrogen is mixed into the silicon oxide film. Also good. A silicon oxide film (SiO 2 film) that becomes the tunnel oxide film 11 is formed by thermally oxidizing the surface of the silicon substrate 10. The formed tunnel oxide film 11 is required to have a uniform film thickness, and since the formed film thickness is as thin as 2 nm, the tunnel oxide film 11 is preferably formed by thermal oxidation.

また、チャージトラップ膜12は、シリコン窒化膜(SiN膜)により形成されている。本実施の形態におけるチャージトラップ膜12の膜厚は7nmである。   The charge trap film 12 is formed of a silicon nitride film (SiN film). The film thickness of the charge trap film 12 in the present embodiment is 7 nm.

ブロッキング絶縁膜13は、シリコン酸化膜(SiO膜)、酸化アルミニウム膜(Al膜)又は、高誘電率膜(High−k膜)により形成されている。高誘電率膜(High−k膜)を構成する材料としては、酸化ハフニウム(HfO)、酸化ジルコニウム(ZrO)、五酸化タンタル(Ta)、酸化イットリウム(Y)等が挙げられる。尚、本実施の形態においては、ブロッキング絶縁膜13は、酸化アルミニウム膜(Al膜)により形成されており、形成されるブロッキング絶縁膜13の膜厚は、15nmである。 The blocking insulating film 13 is formed of a silicon oxide film (SiO 2 film), an aluminum oxide film (Al 2 O 3 film), or a high dielectric constant film (High-k film). Examples of the material constituting the high dielectric constant film (High-k film) include hafnium oxide (HfO 2 ), zirconium oxide (ZrO 2 ), tantalum pentoxide (Ta 2 O 5 ), yttrium oxide (Y 2 O 3 ), and the like. Is mentioned. In the present embodiment, the blocking insulating film 13 is formed of an aluminum oxide film (Al 2 O 3 film), and the formed blocking insulating film 13 has a thickness of 15 nm.

また、ゲート電極14は、ポリシリコン膜、導電性を有する金属窒化物膜、金属膜により形成されている。導電性を有する金属窒化物膜としては、TiN膜、TaN膜が挙げられ、金属膜としては、タングステン(W)、白金(Pt)等の金属材料からなる膜が挙げられる。尚、本実施の形態では、ゲート電極はTiN膜により形成されている。   The gate electrode 14 is formed of a polysilicon film, a conductive metal nitride film, and a metal film. Examples of the conductive metal nitride film include a TiN film and a TaN film, and examples of the metal film include a film made of a metal material such as tungsten (W) or platinum (Pt). In the present embodiment, the gate electrode is formed of a TiN film.

尚、図1はチャージトラップ型メモリ装置におけるMOS(Metal Oxide Semiconductor)キャパシタの構造を示すものであるが、ソース電極及びドレイン電極を形成したトランジスタとして構成してもよい。   FIG. 1 shows the structure of a MOS (Metal Oxide Semiconductor) capacitor in a charge trap memory device, but it may be configured as a transistor having a source electrode and a drain electrode.

次に、図1に示すチャージトラップ型メモリ装置における情報の書き込み及び消去方法について説明する。チャージトラップ型メモリ装置において情報の書き込み及び消去を行うためには、ゲート電極14に接続された書き込み/消去制御回路20より所定の電圧を印加することにより行われる。具体的には、書き込みは、書き込み/消去制御回路20より、18Vの正のパルス電圧を印加して、シリコン基板10側より負の電荷である電子を供給し、供給された電子をチャージトラップ膜12においてトラップすることにより行われる。また、消去は、書き込み/消去制御回路20より、−18V又は−20Vの負のパルス電圧を印加することにより、チャージトラップ膜12にトラップされている電子をデトラップすることにより行われる。   Next, a method for writing and erasing information in the charge trap memory device shown in FIG. 1 will be described. Information is written and erased in the charge trap memory device by applying a predetermined voltage from the write / erase control circuit 20 connected to the gate electrode 14. Specifically, for writing, a positive pulse voltage of 18 V is applied from the write / erase control circuit 20 to supply electrons that are negative charges from the silicon substrate 10 side, and the supplied electrons are supplied to the charge trap film. This is done by trapping at 12. Erasing is performed by detrapping electrons trapped in the charge trap film 12 by applying a negative pulse voltage of −18V or −20V from the write / erase control circuit 20.

図2は、本実施の形態におけるチャージトラップ型メモリ装置におけるC−Vカーブを示す。この図は、縦軸を容量Cg(F/cm)とし、横軸を電圧Vg(V)としたものである。この図に示されるように、書き込みの際には、電子がトラップされるためC−Vカーブが正方向にシフトする。一方、消去の際には、電子のデトラップにより、C−Vカーブが負方向にシフトする。このように、情報の書き込み及び消去の際には、C−Vカーブが平行移動する。尚、本実施の形態においては、電子がデトラップされる場合には、正の電荷であるホールがトラップされる場合も含むものとする。 FIG. 2 shows a CV curve in the charge trap memory device according to the present embodiment. In this figure, the vertical axis represents capacity Cg (F / cm 2 ), and the horizontal axis represents voltage Vg (V). As shown in this figure, at the time of writing, electrons are trapped, so the CV curve shifts in the positive direction. On the other hand, at the time of erasing, the CV curve shifts in the negative direction due to electron detrapping. Thus, the CV curve moves in parallel when writing and erasing information. In the present embodiment, the case where electrons are detrapped includes the case where positive holes are trapped.

(トンネル酸化膜)
発明者らは、上述したチャージトラップ型メモリ装置において、トンネル酸化膜11の膜厚を薄くした場合に、書き換え耐久性が向上することを見出した。具体的には、図1に示すチャージトラップ型メモリ装置において、トンネル酸化膜11の膜厚が2nmのものと、トンネル酸化膜11の膜厚が4nmのものとを作製し評価を行ったところ、トンネル酸化膜11の膜厚が2nmのチャージトラップ型メモリ装置において書き換え耐久性が向上することを見出したのである。
(Tunnel oxide film)
The inventors have found that in the above-described charge trap memory device, when the thickness of the tunnel oxide film 11 is reduced, the rewrite durability is improved. Specifically, in the charge trap memory device shown in FIG. 1, when a tunnel oxide film 11 having a thickness of 2 nm and a tunnel oxide film 11 having a thickness of 4 nm were fabricated and evaluated, It has been found that the rewriting durability is improved in a charge trap memory device having a tunnel oxide film 11 having a thickness of 2 nm.

図3に、トンネル酸化膜11の膜厚が2nmのチャージトラップ型メモリ装置の消去時におけるC−Vカーブを示し、図4に、トンネル酸化膜11の膜厚が4nmのチャージトラップ型メモリ装置の消去時におけるC−Vカーブを示す。   FIG. 3 shows a CV curve at the time of erasure of the charge trap type memory device having a tunnel oxide film 11 having a thickness of 2 nm. FIG. 4 shows the charge trap type memory device having a tunnel oxide film 11 having a thickness of 4 nm. The CV curve at the time of erasure | elimination is shown.

図3に示すように、トンネル酸化膜11の膜厚が2nmのチャージトラップ型メモリ装置の場合では、消去を繰り返し行ってもC−Vカーブの形状には殆ど変化がない。これに対し、図4に示すように、トンネル酸化膜11の膜厚が4nmのチャージトラップ型メモリ装置の場合では、書き込みと消去を繰り返すに従い、C−Vカーブの形状が変化する。このように、C−Vカーブが変化することにより、チャージトラップ型メモリ装置における特性が当初の特性と異なるものとなり、信頼性を低下させてしまう。   As shown in FIG. 3, in the case of a charge trap type memory device having a tunnel oxide film 11 with a thickness of 2 nm, the shape of the CV curve hardly changes even if erasing is repeated. On the other hand, as shown in FIG. 4, in the case of a charge trap memory device having a tunnel oxide film 11 having a thickness of 4 nm, the shape of the CV curve changes as writing and erasing are repeated. Thus, when the CV curve changes, the characteristics of the charge trap memory device become different from the initial characteristics, and the reliability is lowered.

また、図5に、トンネル酸化膜11の膜厚が2nmのチャージトラップ型メモリ装置における書き換え回数と書き込みされた状態の電圧Vp1及び消去された状態の電圧Ve1との関係を示す。この図に示されるように、書き換え回数に依存することなく、書き込みされた状態の電圧Vp1は約5V前後で一定であり、消去された状態の電圧Ve1は約−4V前後で一定である。   FIG. 5 shows the relationship between the number of rewrites and the voltage Vp1 in the written state and the voltage Ve1 in the erased state in the charge trap type memory device having a thickness of the tunnel oxide film 11 of 2 nm. As shown in this figure, the voltage Vp1 in the written state is constant around 5V and the voltage Ve1 in the erased state is constant around -4V without depending on the number of rewrites.

一方、図6に、トンネル酸化膜11の膜厚が4nmのチャージトラップ型メモリ装置における書き換え回数と書き込みされた状態の電圧Vp2及び消去された状態の電圧Ve2との関係を示す。この図に示されるように、書き込みされた状態の電圧Vp2は約5.5V前後であるが、書き換え回数に依存して若干低下している。また、消去された状態の電圧Ve2は約2V前後であるが、書き換え回数に依存して上昇する傾向にあり、特に、10回以上において特に上昇している。 On the other hand, FIG. 6 shows the relationship between the number of rewrites and the voltage Vp2 in the written state and the voltage Ve2 in the erased state in the charge trap memory device having a tunnel oxide film 11 having a film thickness of 4 nm. As shown in this figure, the voltage Vp2 in the written state is about 5.5V, but it is slightly lowered depending on the number of rewrites. Further, the voltage Ve2 in the erased state is about 2V longitudinal tends to increase depending on the number of times of rewriting, in particular, are particularly elevated in more than 10 3 times.

以上のように、トンネル酸化膜11の膜厚が4nmのチャージトラップ型メモリ装置よりも、トンネル酸化膜11の膜厚が2nmのチャージトラップ型メモリ装置の方が、書き換え耐久性が向上し、更には、信頼性が向上する。これは、チャージトラップ型メモリ装置は、トンネル酸化膜11においてトンネル効果により通り抜けた電子がチャージトラップ膜12にトラップされることにより、書き込みが行われるものであることから、トンネル効果により電子が通るトンネル酸化膜11を薄くすることにより、チャージトラップ型メモリ装置の特性の書き換えを繰り返すことにより生じる変化を、抑制することができることによるものと考えられる。   As described above, the charge trap type memory device having the tunnel oxide film 11 having a thickness of 2 nm has improved the rewrite durability and the charge trap type memory device having the tunnel oxide film 11 having a thickness of 4 nm. Improve reliability. This is because in the charge trap memory device, since electrons that have passed through the tunnel oxide film 11 due to the tunnel effect are trapped in the charge trap film 12, writing is performed. It is considered that the change caused by rewriting the characteristics of the charge trap memory device can be suppressed by making the oxide film 11 thinner.

よって、トンネル酸化膜11は薄いほど、チャージトラップ型メモリ装置における書き換え耐久性は向上するものと考えられるが、チャージトラップ型メモリ装置としての機能を確保するため、即ち、トンネル酸化膜11がトンネル効果を有するものとして機能するためには、均一に2〜3原子層は必要であるものと考えられ、膜厚は1nm以上必要であるものと考えられる。   Accordingly, it is considered that the thinner the tunnel oxide film 11 is, the more the rewriting durability in the charge trap type memory device is improved. However, in order to ensure the function as the charge trap type memory device, that is, the tunnel oxide film 11 has the tunnel effect. In order to function as a material having a thickness of 2 to 3, it is considered that a 2 to 3 atomic layer is required uniformly, and a film thickness of 1 nm or more is considered necessary.

また、本実施の形態におけるチャージトラップ型メモリ装置においては、トンネル酸化膜11の膜厚が2nmでは書き換え耐久性は良好となるものであるが、図4及び図6に示す結果を踏まえた上で、発明者らの経験に基づくならば、トンネル酸化膜11の膜厚は3nm以下であれば、良好な書き換え耐久性を得ることができるものと考えられる。   In the charge trap memory device according to the present embodiment, the rewriting durability is good when the thickness of the tunnel oxide film 11 is 2 nm. However, based on the results shown in FIGS. Based on the experience of the inventors, it is considered that good rewriting durability can be obtained if the thickness of the tunnel oxide film 11 is 3 nm or less.

また、本実施の形態では、トンネル酸化膜11をシリコン酸化膜(SiO膜)により形成した場合について示したが、上述したようにシリコン酸窒化膜(SiON膜)により形成しても同様の効果を得ることができる。この場合、トンネル酸化膜11を膜厚方向に組成傾斜を有する傾斜材料により形成してもよい。具体的には、シリコン基板10側においては窒素が0又は窒素の組成が低く、チャージトラップ膜12側においては、窒素の組成が高くなるように構成する。 In the present embodiment, the tunnel oxide film 11 is formed of a silicon oxide film (SiO 2 film). However, as described above, the same effect can be obtained by forming the tunnel oxide film 11 using a silicon oxynitride film (SiON film). Can be obtained. In this case, the tunnel oxide film 11 may be formed of a gradient material having a composition gradient in the film thickness direction. Specifically, it is configured such that nitrogen is zero or the composition of nitrogen is low on the silicon substrate 10 side and the composition of nitrogen is high on the charge trap film 12 side.

トンネル酸化膜11にシリコン酸窒化膜(SiON膜)を用いることにより、書き換え耐久性をより高めることができ、また、トンネル酸化膜11を組成傾斜膜とすることにより、トンネル酸化膜11とチャージトラップ膜12との界面におけるバンド構造の変化を緩やかなものとすることができ、より一層書き換え耐久性を高めることができ、信頼性を向上させることができる。   By using a silicon oxynitride film (SiON film) for the tunnel oxide film 11, the rewrite durability can be further improved, and by using the tunnel oxide film 11 as a composition gradient film, the tunnel oxide film 11 and the charge trap can be used. The change in the band structure at the interface with the film 12 can be made gradual, the rewriting durability can be further improved, and the reliability can be improved.

〔第2の実施の形態〕
次に、第2の実施の形態について説明する。本実施の形態は、図1に示すチャージトラップ型メモリ装置における書き込み方法及び消去方法に関するものである。尚、本実施の形態において用いたチャージトラップ型メモリ装置は、トンネル酸化膜の膜厚が4nmのものである。
[Second Embodiment]
Next, a second embodiment will be described. The present embodiment relates to a writing method and an erasing method in the charge trap memory device shown in FIG. In the charge trap memory device used in this embodiment, the tunnel oxide film has a thickness of 4 nm.

図7は、チャージトラップ型メモリ装置において、書き込み電圧(Vprgm)が+14V、+14.8V、+16Vの場合における書き込み動作の後の経過時間とフラットバンド電圧(Vfb)との関係を示す。尚、チャージトラップ型メモリ装置における書き込みは、図8に示すような正のパルス電圧を約10m秒間(書き込みパルス)印加することにより行なったものである。本来であれば、書き込み動作の後フラットバンド電圧は、変化することなく一定であることが望ましいが、図7に示されるように、書き込み動作後、時間の経過に伴いフラットバンド電圧(Vfb)の値は低下してしまう。また、フラットバンド電圧の低下は、書き込み電圧(Vprgm)が高い程、顕著である。   FIG. 7 shows the relationship between the elapsed time after the write operation and the flat band voltage (Vfb) when the write voltage (Vprgm) is + 14V, + 14.8V, and + 16V in the charge trap memory device. Note that writing in the charge trap memory device is performed by applying a positive pulse voltage as shown in FIG. 8 for about 10 msec (writing pulse). Originally, it is desirable that the flat band voltage is constant without changing after the write operation. However, as shown in FIG. 7, the flat band voltage (Vfb) increases with time after the write operation. The value will drop. Further, the flat band voltage decreases more significantly as the write voltage (Vprgm) is higher.

次に、チャージトラップ型メモリ装置において、図9に示す形状の書き込みパルスを印加した場合について説明する。この書き込みパルスは、第1のパルス電圧Vpa1として+16Vの正のパルス電圧を約10m秒間印加した後、第2のパルス電圧Vpa2として−9Vの負のパルス電圧を約10m秒間印加するものである。尚、図1に示すチャージトラップ型メモリ装置は、12V以上で書き込み及び消去が開始されるものであり、第1のパルス電圧Vpa1として12V以上の電圧を印加し、第2のパルス電圧Vpa2として書き込まれた情報が消去されないように、12V未満の電圧を印加する。尚、この電圧は、チャージトラップ型メモリ装置におけるトンネル酸化膜の膜厚に依存する場合があり、このような場合には、形成されているトンネル酸化膜の膜厚に対応した電圧が印加される。   Next, a case where a write pulse having the shape shown in FIG. 9 is applied to the charge trap memory device will be described. In this write pulse, a positive pulse voltage of + 16V is applied as the first pulse voltage Vpa1 for about 10 msec, and then a negative pulse voltage of −9V is applied as the second pulse voltage Vpa2 for about 10 msec. The charge trap memory device shown in FIG. 1 starts writing and erasing at 12 V or higher, applies a voltage of 12 V or higher as the first pulse voltage Vpa1, and writes as the second pulse voltage Vpa2. A voltage of less than 12V is applied so that the recorded information is not erased. Note that this voltage may depend on the thickness of the tunnel oxide film in the charge trap memory device. In such a case, a voltage corresponding to the thickness of the tunnel oxide film formed is applied. .

図10に、図1に示すチャージトラップ型メモリ装置において、図9に示す形状の書き込みパルスを印加した後の経過時間とフラットバンド電圧(Vfb)との関係を示す。正のパルス電圧のみを印加した場合において、フラットバンド電圧の値が略同じ5VとなるVprgmが+14.8Vの場合と比較すると、書き込み動作後の経過時間に対するフラットバンド電圧の低下は、図9に示す形状の書き込みパルスを印加した場合の方が少ない。即ち、図9に示す形状の書き込みパルスを印加した場合の方が、書き込まれた情報を長く保持することができる。言い換えれば、図1に示すチャージトラップ型メモリ装置において、図9に示す形状の書き込みパルスにより書き込みを行なうことにより、書き込まれた情報の記憶保持時間が長くなり記憶保持特性が良好なものとなる。尚、上述した内容は、トンネル酸化膜の膜厚が4nmの場合のものであるが、トンネル酸化膜が3nm以下においても同様であるものと考えられる。   FIG. 10 shows the relationship between the elapsed time after applying the write pulse having the shape shown in FIG. 9 and the flat band voltage (Vfb) in the charge trap memory device shown in FIG. When only a positive pulse voltage is applied, the flat band voltage decreases with respect to the elapsed time after the write operation as compared to the case where Vprgm is +14.8 V where the value of the flat band voltage is approximately the same 5 V as shown in FIG. There are fewer cases where a write pulse of the shape shown is applied. That is, the written information can be held longer when the write pulse having the shape shown in FIG. 9 is applied. In other words, in the charge trap memory device shown in FIG. 1, by performing writing with the write pulse having the shape shown in FIG. 9, the memory holding time of the written information becomes longer and the memory holding characteristics are improved. The above description is for the case where the thickness of the tunnel oxide film is 4 nm, but it is considered that the same applies to the case where the tunnel oxide film is 3 nm or less.

このような書き込みパルスとしては、図1に示すチャージトラップ型メモリ装置において、情報の書き込まれる方向に書き込み開始電圧以上の電圧(第1のパルス電圧)を印加した後、情報が消去される方向に消去開始電圧未満の電圧(第2のパルス電圧)を印加するものであればよい。図1に示すチャージトラップ型メモリ装置は、情報の書き込み及び消去が開始する電圧が12Vであるため、第1のパルス電圧Vpa1は、Vpa1≧+12Vであればよく、また、情報を確実に書き込むためには、Vpa1≧+14Vであることが好ましく、更には、Vpa1は+16Vが好ましい。また、第2のパルス電圧Vpa2は、0V>Vpa2>−12Vであればよく、また、書き込まれた情報が消去されないためには、−5V≧Vpa2≧−9Vであることが好ましく、更には、Vpa2は−9Vが好ましい。   As such a write pulse, in the charge trap type memory device shown in FIG. 1, after applying a voltage (first pulse voltage) higher than the write start voltage in the information write direction, the information is erased. What is necessary is just to apply a voltage (second pulse voltage) lower than the erase start voltage. In the charge trap memory device shown in FIG. 1, the voltage at which information writing and erasing starts is 12V. Therefore, the first pulse voltage Vpa1 may be Vpa1 ≧ + 12V, and in order to write information reliably. Is preferably Vpa1 ≧ + 14V, and Vpa1 is preferably + 16V. The second pulse voltage Vpa2 may be 0V> Vpa2> −12V, and in order not to erase written information, it is preferable that −5V ≧ Vpa2 ≧ −9V. Vpa2 is preferably -9V.

以上、書き込み動作について説明したが、消去動作についても同様であり、上記と逆の符号の電圧を印加することにより消去動作を行なうことができる。具体的には、情報の書き込み及び消去が開始する電圧が12Vであるため、消去動作の際には、第1のパルス電圧Vpa1は、Vpa1≦−12Vであればよく、また、情報を確実に消去するためには、Vpa1≦−14Vであることが好ましく、更には、Vpa1は−16Vが好ましい。また、第2のパルス電圧Vpa2は、0V<Vpa2<+12Vであればよく、また、さらに書き込みが行なわれないためには、+5V≦Vpa2≦+9Vであることが好ましく、更には、Vpa2は+9Vが好ましい。   Although the writing operation has been described above, the same applies to the erasing operation, and the erasing operation can be performed by applying a voltage having the opposite sign to the above. Specifically, since the voltage at which information writing and erasing is started is 12V, the first pulse voltage Vpa1 may be Vpa1 ≦ −12V during the erasing operation, and the information is surely stored. In order to erase, Vpa1 ≦ −14V is preferable, and Vpa1 is preferably −16V. The second pulse voltage Vpa2 may be 0V <Vpa2 <+ 12V, and in order to prevent further writing, it is preferable that + 5V ≦ Vpa2 ≦ + 9V, and Vpa2 is + 9V. preferable.

以上、本発明の実施に係る形態について説明したが、上記内容は、発明の内容を限定するものではない。   As mentioned above, although the form which concerns on implementation of this invention was demonstrated, the said content does not limit the content of invention.

11 シリコン酸化膜
12 チャージトラップ膜
13 ブロッキング絶縁膜
14 ゲート電極
20 書き込み/消去制御回路
11 Silicon oxide film 12 Charge trap film 13 Blocking insulating film 14 Gate electrode 20 Write / erase control circuit

Claims (15)

シリコン基板上に、トンネル酸化膜、チャージトラップ膜、ブロッキング絶縁膜、ゲート電極が順次積層形成されており、前記ゲート電極に一方の極の電圧を印加することにより、前記シリコン基板より供給された電荷を、前記チャージトラップ膜にトラップし、情報の書き込みを行い、前記ゲート電極に他方の極の電圧を印加することにより、前記チャージトラップ膜にトラップされている電荷を引抜き、情報の消去を行うチャージトラップ型メモリ装置における書き込み方法において、
前記チャージトラップ型メモリ装置において、書き込み電圧の印加方向に、書き込み開始電圧以上の電圧値の第1のパルス電圧を印加し、
前記第1のパルス電圧を印加後に、前記書き込み電圧の印加方向とは逆方向に、消去開始電圧未満の電圧値の第2のパルス電圧を印加することを特徴とするチャージトラップ型メモリ装置における書き込み方法。
A tunnel oxide film, a charge trap film, a blocking insulating film, and a gate electrode are sequentially stacked on the silicon substrate, and a charge supplied from the silicon substrate is applied by applying a voltage of one electrode to the gate electrode. The charge is trapped in the charge trap film, the information is written, the voltage of the other electrode is applied to the gate electrode, the charge trapped in the charge trap film is extracted, and the information is erased In the writing method in the trap type memory device,
In the charge trap memory device, a first pulse voltage having a voltage value equal to or higher than a write start voltage is applied in a direction in which the write voltage is applied,
A write in a charge trap memory device, wherein after applying the first pulse voltage, a second pulse voltage having a voltage value less than an erase start voltage is applied in a direction opposite to a direction in which the write voltage is applied. Method.
前記トンネル酸化膜の膜厚は、3nm以下であることを特徴とする請求項1に記載のチャージトラップ型メモリ装置における書き込み方法。   2. The write method according to claim 1, wherein the thickness of the tunnel oxide film is 3 nm or less. 前記トンネル酸化膜は、SiON膜により形成されており、前記トンネル酸化膜における窒素の組成は、シリコン基板側よりもチャージトラップ膜側の方が高い、組成傾斜を有する膜であることを特徴とする請求項1に記載のチャージトラップ型メモリ装置における書き込み方法。   The tunnel oxide film is formed of a SiON film, and the composition of nitrogen in the tunnel oxide film is a film having a composition gradient that is higher on the charge trap film side than on the silicon substrate side. The write method in the charge trap memory device according to claim 1. 前記第1のパルス電圧をVpa1とした場合、Vpa1≧+14Vであって、
前記第2のパルス電圧をVpa2とした場合、−5V≧Vpa2≧−9Vであることを特徴とする請求項1から3のいずれかに記載のチャージトラップ型メモリ装置における書き込み方法。
When the first pulse voltage is Vpa1, Vpa1 ≧ + 14V,
4. The method for writing in a charge trap memory device according to claim 1, wherein when the second pulse voltage is Vpa2, -5V ≧ Vpa2 ≧ −9V.
シリコン基板上に、トンネル酸化膜、チャージトラップ膜、ブロッキング絶縁膜、ゲート電極が順次積層形成されており、前記ゲート電極に一方の極の電圧を印加することにより、前記シリコン基板より供給された電荷を、前記チャージトラップ膜にトラップし、情報の書き込みを行い、前記ゲート電極に他方の極の電圧を印加することにより、前記チャージトラップ膜にトラップされている電荷を引抜き、情報の消去を行うチャージトラップ型メモリ装置における消去方法において、
前記チャージトラップ型メモリ装置において、消去電圧の印加方向に、消去開始電圧以上の電圧値の第1のパルス電圧を印加し、
前記第1のパルス電圧を印加後に、前記消去電圧の印加方向とは逆方向に、書き込み開始電圧未満の電圧値の第2のパルス電圧を印加することを特徴とするチャージトラップ型メモリ装置における消去方法。
A tunnel oxide film, a charge trap film, a blocking insulating film, and a gate electrode are sequentially stacked on the silicon substrate, and a charge supplied from the silicon substrate is applied by applying a voltage of one electrode to the gate electrode. The charge is trapped in the charge trap film, the information is written, the voltage of the other electrode is applied to the gate electrode, the charge trapped in the charge trap film is extracted, and the information is erased In the erasing method in the trap type memory device,
In the charge trap memory device, a first pulse voltage having a voltage value equal to or higher than an erasing start voltage is applied in an erasing voltage application direction;
An erasure in a charge trap memory device, wherein after applying the first pulse voltage, a second pulse voltage having a voltage value less than a write start voltage is applied in a direction opposite to the direction in which the erase voltage is applied. Method.
前記トンネル酸化膜の膜厚は、3nm以下であることを特徴とする請求項5に記載のチャージトラップ型メモリ装置における消去方法。   6. The erase method for a charge trap memory device according to claim 5, wherein the tunnel oxide film has a thickness of 3 nm or less. 前記トンネル酸化膜は、SiON膜により形成されており、前記トンネル酸化膜における窒素の組成は、シリコン基板側よりもチャージトラップ膜側の方が高い、組成傾斜を有する膜であることを特徴とする請求項5に記載のチャージトラップ型メモリ装置における消去方法。   The tunnel oxide film is formed of a SiON film, and the composition of nitrogen in the tunnel oxide film is a film having a composition gradient that is higher on the charge trap film side than on the silicon substrate side. 6. An erasing method in a charge trap type memory device according to claim 5. 前記第1のパルス電圧をVpa1とした場合、Vpa1≦−14Vであって、
前記第2のパルス電圧をVpa2とした場合、+5V≦Vpa2≦+9Vであることを特徴とする請求項5から7のいずれかに記載のチャージトラップ型メモリ装置における消去方法。
When the first pulse voltage is Vpa1, Vpa1 ≦ −14V,
8. The erasing method in the charge trap memory device according to claim 5, wherein when the second pulse voltage is Vpa2, + 5V ≦ Vpa2 ≦ + 9V.
シリコン基板上に、トンネル酸化膜、チャージトラップ膜、ブロッキング絶縁膜、ゲート電極が順次積層形成されており、
前記ゲート電極に一方の極の電圧を印加することにより、前記シリコン基板より供給された電荷を、前記チャージトラップ膜にトラップし、情報の書き込みを行い、
前記ゲート電極に他方の極の電圧を印加することにより、前記チャージトラップ膜にトラップされている電荷を引抜き、情報の消去を行うチャージトラップ型メモリ装置であって、
前記トンネル酸化膜の膜厚は、3nm以下であることを特徴とするチャージトラップ型メモリ装置。
A tunnel oxide film, a charge trap film, a blocking insulating film, and a gate electrode are sequentially stacked on the silicon substrate.
By applying a voltage of one electrode to the gate electrode, the charge supplied from the silicon substrate is trapped in the charge trap film, and information is written,
A charge trap type memory device for erasing information by extracting a charge trapped in the charge trap film by applying a voltage of the other electrode to the gate electrode;
The charge trap memory device, wherein the tunnel oxide film has a thickness of 3 nm or less.
前記トンネル酸化膜は、SiO膜により形成されていることを特徴とする請求項9に記載のチャージトラップ型メモリ装置。 The tunnel oxide film, a charge trap memory device according to claim 9, characterized in that it is formed by the SiO 2 film. 前記トンネル酸化膜は、前記シリコン基板の表面を熱酸化することにより形成したものであることを特徴とする請求項9または10に記載のチャージトラップ型メモリ装置。   11. The charge trap memory device according to claim 9, wherein the tunnel oxide film is formed by thermally oxidizing the surface of the silicon substrate. シリコン基板上に、トンネル酸化膜、チャージトラップ膜、ブロッキング絶縁膜、ゲート電極が順次積層形成されており、
前記ゲート電極に一方の極の電圧を印加することにより、前記シリコン基板より供給された電荷を、前記チャージトラップ膜にトラップし、情報の書き込みを行い、
前記ゲート電極に他方の極の電圧を印加することにより、前記チャージトラップ膜にトラップされている電荷を引抜き、情報の消去を行うチャージトラップ型メモリ装置であって、
前記トンネル酸化膜は、SiON膜により形成されており、前記トンネル酸化膜における窒素の組成は、シリコン基板側よりもチャージトラップ膜側の方が高い、組成傾斜を有する膜であることを特徴とするチャージトラップ型メモリ装置。
A tunnel oxide film, a charge trap film, a blocking insulating film, and a gate electrode are sequentially stacked on the silicon substrate.
By applying a voltage of one electrode to the gate electrode, the charge supplied from the silicon substrate is trapped in the charge trap film, and information is written,
A charge trap type memory device for erasing information by extracting a charge trapped in the charge trap film by applying a voltage of the other electrode to the gate electrode;
The tunnel oxide film is formed of a SiON film, and the composition of nitrogen in the tunnel oxide film is a film having a composition gradient that is higher on the charge trap film side than on the silicon substrate side. Charge trap type memory device.
前記チャージトラップ膜は、SiN膜により形成されているものであることを特徴とする請求項9から12のいずれかに記載のチャージトラップ型メモリ装置。   13. The charge trap memory device according to claim 9, wherein the charge trap film is formed of a SiN film. 前記ブロッキング絶縁膜は、Al膜又はSiO膜により形成されているものであることを特徴とする請求項9から13のいずれかに記載のチャージトラップ型メモリ装置。 The charge trap type memory device according to claim 9, wherein the blocking insulating film is formed of an Al 2 O 3 film or a SiO 2 film. 前記ゲート電極は、ポリシリコン膜、金属窒化物膜、金属膜のいずれかにより形成されているものであることを特徴とする請求項9から14のいずれかに記載のチャージトラップ型メモリ装置。   15. The charge trap memory device according to claim 9, wherein the gate electrode is formed of any one of a polysilicon film, a metal nitride film, and a metal film.
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