JP2011155266A - Nonvolatile memory cell, memory array having the same, and method of operating cell and array - Google Patents

Nonvolatile memory cell, memory array having the same, and method of operating cell and array Download PDF

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a method of designing a nonvolatile memory cell that is enhanced in data retention performance and improved in operation speed, and can be operated (programming/deletion/retrieval) a number of times and an array. <P>SOLUTION: A semiconductor substrate 101 includes a source region 102 and a drain region 104 that are disposed under the surface of the substrate 101 and separated by a channel region 106. A tunnel dielectric structure 120 is disposed above the channel region 106. A memory cell 100 includes: the tunnel dielectric structure 120 having at least one layer with a low hole tunneling barrier height, a charge storage layer 130 disposed above the tunnel dielectric structure 120, an insulation layer 140 disposed above the charge storage layer 130, and a gate electrode 150 disposed above the insulation layer 140. An array of the memory cell 100 and an operation method are provided. <P>COPYRIGHT: (C)2011,JPO&INPIT

Description

関連出願の相互参照
本出願は、2005年1月3日出願の米国仮特許出願60/640,229号、2005年1月27日出願の米国仮特許出願60/647,012号、2005年6月10日出願の米国仮特許出願60/689,231号、及び2005年6月10日出願の米国仮特許出願60/689,314号に基づくものであり、又、米国法典35編119条(e)項により前記米国仮特許出願の優先権を主張する。前記各米国仮特許出願は、引用をもって、その全内容が本出願に内包されている。
CROSS REFERENCE TO RELATED APPLICATIONS This application is based on US Provisional Patent Application 60 / 640,229 filed January 3, 2005, US Provisional Patent Application 60 / 647,012, filed January 27, 2005, June 6, 2005. Based on US Provisional Patent Application 60 / 689,231 filed on May 10, and United States Provisional Patent Application 60 / 689,314 filed June 10, 2005, Claim the priority of the US provisional patent application under paragraph e). Each of the above US provisional patent applications is incorporated herein by reference in its entirety.

発明の背景
不揮発性メモリ(NVM:Non−volatile memory)は、NVMセルを有するデバイスであり、デバイスへの電力供給が除去された時でさえ情報を連続的に記憶することができる半導体メモリを指す。NVMには、マスクROM(Mask ROM:Mask Read−Only Memory)、プログラマブルROM(PROM:Programmable Read−Only Memory)、消去可能プログラマブルROM(EPROM:Erasable Programmable Read−Only Memory)、電気的消去可能プログラマブルROM(EEPROM:Electrically Erasable Programmable Read−Only Memory)、及びフラッシュメモリ(Flash Memory)などが含まれる。不揮発性メモリは半導体業界において広く使用されており、プログラム(書き込み)されたデータの損失を防止するために開発されたメモリとして分類される。通常、不揮発性メモリは、デバイスのエンドユース要件に基づいてプログラム、読み出し及び/又は消去が可能であり、プログラムされたデータを長期間に渡って記憶することができる。
BACKGROUND OF THE INVENTION Non-volatile memory (NVM) is a device having NVM cells and refers to a semiconductor memory that can continuously store information even when the power supply to the device is removed. . The NVM includes mask ROM (Mask Read-Only Memory), programmable ROM (PROM: Programmable Read-Only Memory), erasable programmable ROM (EPROM: Erasable Programmable Read-Only Memory Programmable). (EEPROM: Electrically Erasable Programmable Read-Only Memory) and flash memory (Flash Memory) are included. Non-volatile memories are widely used in the semiconductor industry and are classified as memories developed to prevent loss of programmed (written) data. Typically, non-volatile memory can be programmed, read and / or erased based on the end use requirements of the device, and programmed data can be stored over a long period of time.

概して、不揮発性メモリデバイスは多様な設計を取り得る。NVMセル設計の1つの例が、所謂、SONOS(ケイ素(silicon)−酸化物(oxide)−窒化物(nitride)−酸化物(oxide)−ケイ素(silicon))デバイスである。SONOSデバイスは、薄いトンネル酸化物層(酸化被膜)を使用することができ、ホール(正孔)の直接トンネリング消去動作を行わせることができる。このような設計は、良好な消去速度を有し得るが、データ保持能力は一般に低い。これは、メモリデバイスの保持状態の期間に存在することのある低電界強度においてさえ直接トンネリングが起こり得ることが一因である。   In general, non-volatile memory devices can take a variety of designs. One example of an NVM cell design is the so-called SONOS (silicon-oxide-nitride-oxide-silicon) device. The SONOS device can use a thin tunnel oxide layer (oxide film) and can perform a direct tunneling erase operation of holes. Such a design may have a good erase speed, but the data retention capability is generally low. This is partly because direct tunneling can occur even at low field strengths that may exist during the retention state of the memory device.

もう1つのNVM設計は、保持状態の期間における電荷の損失を防止するためにより厚いトンネル酸化物層を使用するNROM(nitrided read−only memory:窒化ROM)である。しかしながら、厚いトンネル酸化物層はチャネル消去速度に影響を与えることがある。結果として、ホールトラップを注入して電子を補うために、バンド間トンネリングホットホール(BTBTHH:band−to−band tunneling hot−hole)消去方法を用いることができる。しかし、BTBTHH消去方法は、いくつかの信頼性の問題を引き起こすことがある。例えば、BTBTHH消去方法を採用したNROMデバイスの特性は、多数のP/E(program/erase:プログラム/消去)サイクルの後で劣化することがある。   Another NVM design is an NROM (Nitride Read-Only Memory) that uses a thicker tunnel oxide layer to prevent charge loss during the hold state. However, a thick tunnel oxide layer can affect the channel erase rate. As a result, a band-to-band tunneling hot-hole (BTBTHH) erasing method can be used to inject hole traps to supplement electrons. However, the BTBTHH erasure method can cause some reliability problems. For example, the characteristics of NROM devices that employ the BBTTHH erase method may degrade after a number of P / E (program / erase) cycles.

従って、当該技術分野においては、向上されたデータ保持性能及び向上された動作速度をもって、多数回にわたり動作(プログラム/消去/読み出し)させることのできる不揮発性メモリセル設計及びアレイが求められている。   Accordingly, there is a need in the art for non-volatile memory cell designs and arrays that can be operated (programmed / erased / read) multiple times with improved data retention and improved operating speed.

発明の概要
本発明は、不揮発性メモリデバイスに関するものであり、より詳しくは、自己収束消去動作を容易にすると共に保持状態の期間におけるメモリデバイスの電荷蓄積層内での電荷保持能力を保持してもいるトンネル誘電体構造を有する不揮発性メモリデバイスに関するものである。
SUMMARY OF THE INVENTION The present invention relates to a non-volatile memory device, and more particularly, to facilitate self-convergence erasing and to retain the charge retention capability in the charge storage layer of the memory device during the retention state. The present invention also relates to a nonvolatile memory device having a tunnel dielectric structure.

本発明の一実施形態は、半導体基板であって、該基板の表面より下に配置され且つチャネル領域によって分離されたソース領域及びドレイン領域を備えた半導体基板と;前記チャネル領域より上に配置されたトンネル誘電体構造であって、低いホールトンネリング障壁高さを有する少なくとも1つの層を備えたトンネル誘電体構造と;前記トンネル誘電体構造より上に配置された電荷蓄積層と;前記電荷蓄積層より上に配置された絶縁層と;前記絶縁層より上に配置されたゲート電極と;を有するメモリセルを含む。   One embodiment of the present invention is a semiconductor substrate, comprising a semiconductor substrate having a source region and a drain region disposed below the surface of the substrate and separated by a channel region; and disposed above the channel region A tunnel dielectric structure comprising at least one layer having a low hole tunneling barrier height; a charge storage layer disposed above the tunnel dielectric structure; and the charge storage layer A memory cell having an insulating layer disposed above the insulating layer; and a gate electrode disposed above the insulating layer.

本発明の他の実施形態は、半導体基板であって、該基板の表面より下に配置され且つチャネル領域で分離されたソース領域及びドレイン領域を備えた半導体基板と;前記チャネル領域より上に配置された多層トンネル誘電体構造であって、低いホールトンネリング障壁高さを有する少なくとも1つの層を備えた多層トンネル誘電体構造と;前記多層トンネル誘電体構造より上に配置された電荷蓄積層と;前記電荷蓄積層より上に配置された絶縁層と;前記絶縁層より上に配置されたゲート電極と;を有するメモリセルを含む。   Another embodiment of the present invention is a semiconductor substrate comprising a source region and a drain region disposed below the surface of the substrate and separated by a channel region; and disposed above the channel region A multilayer tunnel dielectric structure comprising at least one layer having a low hole tunneling barrier height; a charge storage layer disposed above the multilayer tunnel dielectric structure; A memory cell having an insulating layer disposed above the charge storage layer; and a gate electrode disposed above the insulating layer.

特定の好ましい実施形態においては、前記低いホールトンネリング障壁高さを提供する層は、窒化ケイ素(Si34)又は酸化ハフニウム(HfO2)などの材料(物質)を含んでいてよい。本発明の特定の好ましい実施形態においては、メモリセルは、酸化ケイ素、窒化ケイ素及び酸化ケイ素の積み重ねられた誘電体3層構造(ONO)などの複数の層を備えたトンネル誘電体構造を有する。このようなトンネル誘電体構造は、SONONOS(ケイ素−酸化物−窒化物−酸化物−窒化物−酸化物−ケイ素)又は超格子SONONOS設計を提供する。 In a particular preferred embodiment, the layer providing the low hole tunneling barrier height may comprise a material (substance) such as silicon nitride (Si 3 N 4 ) or hafnium oxide (HfO 2 ). In certain preferred embodiments of the present invention, the memory cell has a tunnel dielectric structure with multiple layers, such as silicon oxide, silicon nitride and silicon oxide stacked dielectric tri-layer structure (ONO). Such tunnel dielectric structures provide SONONOS (silicon-oxide-nitride-oxide-nitride-oxide-silicon) or superlattice SONONOS designs.

本発明の特定の好ましい実施形態においては、前記トンネル誘電体構造は、それぞれが最大で約4nmまで(約4nm以下)の厚さを有する少なくとも2つの誘電体層を有することができる。又、本発明の特定の好ましい実施形態においては、前記ゲート電極は、N+ポリシリコンの仕事関数値よりも大きな仕事関数値を有する材料を含む。 In certain preferred embodiments of the invention, the tunnel dielectric structure may have at least two dielectric layers each having a thickness of up to about 4 nm (about 4 nm or less). Also, in certain preferred embodiments of the present invention, the gate electrode comprises a material having a work function value greater than that of N + polysilicon.

特定の好ましい実施形態においては、前記トンネル誘電体構造は、低いホールトンネリング障壁高さを有する材料を含む層を有することができ、その材料は、その材料の濃度がその層内のある深度位置で最大になるような濃度勾配にて、その層内に存在する。   In certain preferred embodiments, the tunnel dielectric structure can have a layer that includes a material having a low hole tunneling barrier height, the material having a concentration of the material at a depth in the layer. It exists in that layer with a concentration gradient that maximizes.

本発明はまた、本明細書に記載される1つ以上の実施形態に従う複数のメモリセル(即ち、アレイ)を有する不揮発性メモリデバイスを含む。本明細書にて用いられる「複数」とは、2つ以上を意味する。本発明に従うメモリデバイスは、増大された消去速度、向上された電荷保持能力、及びより大きな動作ウインドウを含む、著しく改善された動作特性を示す。   The present invention also includes non-volatile memory devices having a plurality of memory cells (ie, arrays) in accordance with one or more embodiments described herein. As used herein, “plurality” means two or more. Memory devices according to the present invention exhibit significantly improved operating characteristics including increased erase speed, improved charge retention capability, and a larger operating window.

本発明はまた、不揮発性メモリセル及びアレイの操作方法を含む。本発明に従う操作方法は、メモリデバイス群のVt分布をタイト化するように、自己収束方法を適用することによってメモリデバイス群をリセットする工程と;チャネル+FN注入によって前記メモリデバイス群のうち少なくとも1つをプログラムする工程と;前記メモリデバイス群のうち少なくとも1つの消去された状態のレベルとプログラムされた状態のレベルとの間の電圧を印加することによって、前記メモリデバイス群のうち少なくとも1つを読み出す工程と;を有する。本明細書にて用いられる表現「タイト化(tighten)」とは、1つのアレイの多数のメモリセル間の閾(スレッショルド)電圧分布を狭めることを意味する。概して、閾電圧分布が「タイト化」されると、従来の設計よりもアレイの動作が改善されるように、複数のセルの閾電圧は互いに狭い範囲内にある。例えば、本発明の1つ以上の実施形態に従うメモリセルを有するNANDアレイなどの、いくつかの好ましい実施形態においては、「タイト化」された閾電圧分布とは、多様なメモリセルの閾電圧が互いに0.5Vの範囲内にあることを示す。本発明に従うメモリセルを使用する他のアーキテクチャにおいては、「タイト化」された閾電圧分布は、上限(最大値)から下限(最小値)まで約1.0Vの範囲を有することもある。   The present invention also includes a method for operating non-volatile memory cells and arrays. The operating method according to the invention comprises resetting a memory device group by applying a self-convergence method so as to tighten the Vt distribution of the memory device group; and at least one of the memory device groups by channel + FN injection. Reading at least one of the memory device groups by applying a voltage between the erased state level and the programmed state level of at least one of the memory device groups; And a process. As used herein, the expression “tighten” means to narrow the threshold voltage distribution between multiple memory cells in an array. In general, when the threshold voltage distribution is “tightened”, the threshold voltages of the cells are within a narrow range of each other so that the operation of the array is improved over conventional designs. In some preferred embodiments, such as, for example, a NAND array having memory cells according to one or more embodiments of the present invention, a “tightened” threshold voltage distribution is the threshold voltage of various memory cells. It shows that it exists in the range of 0.5V mutually. In other architectures using memory cells according to the present invention, the “tightened” threshold voltage distribution may have a range of about 1.0 V from an upper limit (maximum value) to a lower limit (minimum value).

本発明に従う操作方法の一実施形態は、次の各工程により本発明に従うアレイを操作することを含む。即ち、その操作は、自己収束リセット/消去電圧を、基板及びリセット/消去されるべき各メモリセルにおけるゲート電極に印加する工程と;複数のメモリセルのうち少なくとも1つをプログラムする工程と;メモリデバイス群のうち少なくとも1つの消去された状態のレベルとプログラムされた状態のレベルとの間の電圧を印加することによって、複数のメモリセルのうち少なくとも1つを読み出す工程と;を有する。   An embodiment of the operating method according to the invention comprises operating the array according to the invention by the following steps. That is, the operation includes applying a self-converging reset / erase voltage to the substrate and the gate electrode in each memory cell to be reset / erased; programming at least one of the plurality of memory cells; Reading at least one of the plurality of memory cells by applying a voltage between at least one erased state level and a programmed state level of the device group.

本発明はまた、半導体基板を提供する工程であって、該基板の表面より下の該基板内に形成され且つチャネル領域によって分離されたソース領域及びドレイン領域を備えた半導体基板を提供する工程と;前記チャネル領域より上にトンネル誘電体構造を形成する工程と;前記トンネル誘電体構造より上に電荷蓄積層を形成する工程と;前記電荷蓄積層より上に絶縁層を形成する工程と;前記絶縁層より上にゲート電極を形成する工程と;を有し、前記トンネル誘電体構造を形成する工程は、少なくとも2つの誘電体層を形成することを含み、該少なくとも2つの誘電体層のうち1つは、該少なくとも2つの誘電体層のうち他方よりも低いホールトンネリング障壁高さを有することを特徴とするメモリセルの形成方法を含む。   The present invention also provides a semiconductor substrate, the semiconductor substrate comprising a source region and a drain region formed in the substrate below the surface of the substrate and separated by a channel region; Forming a tunnel dielectric structure above the channel region; forming a charge storage layer above the tunnel dielectric structure; forming an insulating layer above the charge storage layer; Forming a gate electrode above the insulating layer, wherein the step of forming the tunnel dielectric structure includes forming at least two dielectric layers, of the at least two dielectric layers. One includes a method of forming a memory cell, wherein the hole tunneling barrier height is lower than the other of the at least two dielectric layers.

本明細書にて用いられる表現「低い(小さい)ホールトンネリング障壁高さ」とは、一般には、二酸化ケイ素のおおよそのホールトンネリング障壁高さ以下の値を意味する。特に、低いホールトンネリング障壁高さは、好ましくは、約4.5eV以下である。より好ましくは、低いホールトンネリング障壁高さは、約1.9eV以下である。   The expression “low (small) hole tunneling barrier height” as used herein generally means a value below the approximate hole tunneling barrier height of silicon dioxide. In particular, the low hole tunneling barrier height is preferably about 4.5 eV or less. More preferably, the low hole tunneling barrier height is about 1.9 eV or less.

上述の発明の概要及び後述の発明の詳細な説明は、添付図面と合わせて読むことにより、より良く理解されるであろう。発明の説明を目的として、現在好ましい実施形態を添付図面に示した。しかし、本発明が図示された通りの配置及び機器に限定されるものではないことを理解されたい。   The foregoing summary, as well as the following detailed description of the invention, will be better understood when read in conjunction with the appended drawings. For the purpose of illustrating the invention, there are shown in the drawings embodiments which are presently preferred. However, it should be understood that the invention is not limited to the arrangement and equipment as shown.

図1a及び図1bはそれぞれ、本発明の一実施形態に従うNチャネル(N型)メモリセルの概略断面図及び本発明の一実施形態に従うPチャネル(P型)メモリセルの概略断面図である。1a and 1b are a schematic cross-sectional view of an N-channel (N-type) memory cell according to an embodiment of the present invention and a schematic cross-sectional view of a P-channel (P-type) memory cell according to an embodiment of the present invention, respectively. 図2は、各種のプログラミング方法の下での、本発明の一実施形態に従うトンネル誘電体構造の閾電圧(電荷捕捉能力)を示すグラフである。FIG. 2 is a graph illustrating the threshold voltage (charge trapping capability) of a tunnel dielectric structure according to an embodiment of the present invention under various programming methods. 図3は、消去期間における時間経過に対する、本発明の一実施形態に従うSONONOSメモリセルの閾電圧を示すグラフである。FIG. 3 is a graph illustrating the threshold voltage of a SONONOS memory cell according to an embodiment of the present invention with respect to time elapsed during the erase period. 図4は、保持期間における時間経過に対する、本発明の一実施形態に従うSONONOSメモリセルの閾電圧を示すグラフである。FIG. 4 is a graph illustrating the threshold voltage of a SONONOS memory cell according to one embodiment of the present invention over time in a retention period. 図5a及び5bは、本発明の各種の実施形態に従うONOトンネル誘電体構造のバンドエネルギー図である。Figures 5a and 5b are band energy diagrams of ONO tunnel dielectric structures according to various embodiments of the present invention. 図5c及び5dは、本発明の各種の実施形態に従うONOトンネル誘電体構造のバンドエネルギー図である。Figures 5c and 5d are band energy diagrams of ONO tunnel dielectric structures according to various embodiments of the present invention. 図5eは、本発明の各種の実施形態に従うONOトンネル誘電体構造のバンドエネルギー図である。FIG. 5e is a band energy diagram of an ONO tunnel dielectric structure according to various embodiments of the present invention. 図6は、3つの異なるトンネル誘電体構造についてのホールトンネリング電流と電界強度との関係を示すグラフである。FIG. 6 is a graph showing the relationship between hole tunneling current and field strength for three different tunnel dielectric structures. 図7aは、各種のプログラミング後の消去期間における時間経過に対する本発明の一実施形態に従うメモリセルの閾電圧を示すグラフである。FIG. 7a is a graph illustrating the threshold voltage of a memory cell according to an embodiment of the present invention over time during various erase periods after programming. 図7bは、消去期間における時間経過に対する本発明の一実施形態に従う白金ゲートを有するメモリセルの閾電圧を示すグラフである。FIG. 7b is a graph illustrating the threshold voltage of a memory cell having a platinum gate according to an embodiment of the present invention over time during the erase period. 図7cは、図7bで言及したメモリセルのキャパシタンスと電圧との関係を示すグラフである。FIG. 7c is a graph showing the relationship between the capacitance and voltage of the memory cell referred to in FIG. 7b. 図7dは、図7bで言及したメモリセルのキャパシタンスと電圧との関係を示すグラフである。FIG. 7d is a graph showing the relationship between the capacitance and voltage of the memory cell referred to in FIG. 7b. 図8は、各種動作条件の下で多数のプログラム/消去サイクルを実行した場合の本発明の一実施形態に従うメモリセルの閾電圧を示すグラフである。FIG. 8 is a graph illustrating the threshold voltage of a memory cell according to an embodiment of the present invention when multiple program / erase cycles are performed under various operating conditions. 図9は、本発明の一実施形態に従うメモリセルについて、1サイクル後及び103サイクル後の電流−電圧(IV)関係を示すグラフである。FIG. 9 is a graph showing a current-voltage (IV) relationship after one cycle and after 103 cycles for a memory cell according to an embodiment of the present invention. 図10は、一組のプログラミング及び消去条件の下で多数のプログラム/消去サイクルを実行した場合の本発明の一実施形態に従うメモリセルの閾電圧を示すグラフである。FIG. 10 is a graph illustrating the threshold voltage of a memory cell according to an embodiment of the present invention when multiple program / erase cycles are performed under a set of programming and erase conditions. 図11は、本発明の一実施形態に従うメモリセルについて、VG加速保持試験における閾電圧の経時変化を示すグラフである。FIG. 11 is a graph showing a change with time of the threshold voltage in the VG accelerated holding test for the memory cell according to the embodiment of the present invention. 図12a及び図12bはそれぞれ、本発明の一実施形態に従うメモリセルによるバーチャルグランドアレイの等価回路図及びレイアウト図である。12a and 12b are an equivalent circuit diagram and a layout diagram, respectively, of a virtual ground array with memory cells according to an embodiment of the present invention. 図13は、図12bの線12B−12Bに沿った、本発明の一実施形態に従うメモリセルによるバーチャルグランドアレイの模式断面図である。FIG. 13 is a schematic cross-sectional view of a virtual ground array with memory cells according to one embodiment of the present invention along line 12B-12B of FIG. 12b. 図14a及び図14bは、本発明の一実施形態に従うメモリセルを有するメモリアレイの等価回路図であり、本発明に従う動作の2つの実施形態に従った適当なリセット/消去電圧を示す図である。FIGS. 14a and 14b are equivalent circuit diagrams of a memory array having memory cells according to one embodiment of the present invention, illustrating appropriate reset / erase voltages according to two embodiments of operation according to the present invention. . 図15a及び図15bは、本発明の一実施形態に従うメモリセルを有するメモリアレイの等価回路図であり、本発明に従う一つのプログラミング方法を示す図である。15a and 15b are equivalent circuit diagrams of a memory array having memory cells according to an embodiment of the present invention, illustrating a programming method according to the present invention. 図16a及び図16bは、本発明の一実施形態に従うメモリセルを有するメモリアレイの等価回路図であり、本発明に従う一つのビット読み出し方法を示す図である。FIGS. 16a and 16b are equivalent circuit diagrams of a memory array having memory cells according to an embodiment of the present invention, illustrating a bit read method according to the present invention. 図17は、各種の消去条件の下での時間経過に対する本発明の一実施形態に従うメモリセルの閾電圧を示すグラフである。FIG. 17 is a graph illustrating the threshold voltage of a memory cell according to an embodiment of the present invention over time under various erase conditions. 図18は、多数のプログラム/消去サイクルを実行した場合の本発明の一実施形態に従うメモリセルの閾電圧を示すグラフである。FIG. 18 is a graph illustrating the threshold voltage of a memory cell according to an embodiment of the present invention when multiple program / erase cycles are performed. 図19a及び図19bはそれぞれ、種々のゲート電圧の下での一実施形態に従うメモリセルのドレインにおける電流を、対数目盛り及び線形目盛りで表したグラフである。FIGS. 19a and 19b are graphs representing the current at the drain of the memory cell according to one embodiment under various gate voltages, on a logarithmic scale and a linear scale, respectively. 図20は、本発明の一実施形態に従うメモリセルを有するアレイの等価回路図であり、本発明に従う一つのビットプログラミング方法を示す図である。FIG. 20 is an equivalent circuit diagram of an array having memory cells according to an embodiment of the present invention, illustrating a bit programming method according to the present invention. 図21a及び図21bは、本発明の一実施形態に従うバーチャルグランドアレイのレイアウト図及び等価回路図である。21a and 21b are a layout diagram and an equivalent circuit diagram of a virtual ground array according to an embodiment of the present invention. 図22a及び図22bはそれぞれ、本発明の一実施形態に従うメモリセルによるNANDアレイの等価回路図及びレイアウト図である。22a and 22b are respectively an equivalent circuit diagram and a layout diagram of a NAND array including memory cells according to an embodiment of the present invention. 図23a及び図23bはそれぞれ、図22bの線22A−22A及び22B−22Bに沿った、本発明の一実施形態に従うメモリセルによるNANDアレイの模式断面図である。FIGS. 23a and 23b are schematic cross-sectional views of NAND arrays with memory cells according to one embodiment of the present invention, taken along lines 22A-22A and 22B-22B of FIG. 22b, respectively. 図24aは、本発明の一実施形態に従うNANDの等価回路図であり、本発明に従う一つの動作方法を示す図である。図24bは、異なる初期閾電圧を有する2つのメモリセルについて、本発明の一実施形態に従うリセット動作中の時間経過に対する閾電圧示す図である。FIG. 24a is an equivalent circuit diagram of a NAND according to an embodiment of the present invention, illustrating one method of operation according to the present invention. FIG. 24b is a diagram illustrating threshold voltages over time during a reset operation according to an embodiment of the present invention for two memory cells having different initial threshold voltages. 図25は、本発明の一実施形態に従う一つの動作方法を示す等価回路図である。FIG. 25 is an equivalent circuit diagram illustrating one method of operation according to an embodiment of the present invention. 図26は、各種の消去条件の下での時間経過に対する本発明の一実施形態に従うメモリセルの閾電圧を示すグラフである。FIG. 26 is a graph illustrating the threshold voltage of a memory cell according to an embodiment of the present invention over time under various erase conditions. 図27は、本発明の一実施形態に従う一つの動作方法を示す等価回路図である。FIG. 27 is an equivalent circuit diagram illustrating an operation method according to an embodiment of the present invention. 図28は、一組のプログラミング及び消去条件の下で多数のプログラム/消去サイクルを実行した場合の本発明の一実施形態に従うメモリセルの閾電圧を示すグラフである。FIG. 28 is a graph illustrating the threshold voltage of a memory cell according to an embodiment of the present invention when multiple program / erase cycles are performed under a set of programming and erase conditions. 図29a及び図29bはそれぞれ、3つの異なるサイクル数での種々のゲート電圧の下での一実施形態に従うメモリセルのドレインにおける電流を、対数目盛り及び線形目盛りで表したグラフである。FIGS. 29a and 29b are graphs representing, respectively, on a logarithmic scale and a linear scale, the current at the drain of a memory cell according to one embodiment under various gate voltages at three different cycle numbers. 図30は、3つの異なる温度及びサイクル条件での保持期間における時間経過に対する本発明の一実施形態に従うメモリセルの閾電圧を示すグラフである。FIG. 30 is a graph illustrating the threshold voltage of a memory cell according to an embodiment of the present invention over time during a holding period at three different temperatures and cycle conditions. 図31は、本発明の一実施形態に従うNANDアレイのワード線の模式断面図である。FIG. 31 is a schematic cross-sectional view of a word line of a NAND array according to an embodiment of the present invention. 図32は、本発明の一実施形態に従うNANDアレイのワード線形成技術を示す模式断面図である。FIG. 32 is a schematic cross-sectional view showing a word line forming technique of a NAND array according to an embodiment of the present invention.

発明の詳細な説明
以下、本発明及びその現在好ましい実施形態について詳細に説明する。それらの例は添付の図面に示した。可能な限り、同一又は類似の部分を参照するのには、図面及び説明文において同一又は類似の参照番号を使用した。グラフ以外の図面は、かなり単純化された形態にあり、縮尺も正確ではないことを理解されたい。本明細書の開示内容に関連して、上端(頂部)、下端(底部)、左、右、上方、下方、上、下、真下、後方及び前方などの方向を示す表現は、単なる簡明化のために添付図面に関して使用されている。図面についての以下の説明に関連して用いられているこのような方向を示す表現は、添付の特許請求の範囲に明示されていない如何なる形式においても本発明の範囲を限定するものと解釈すべきではない。本明細書の開示内容は、図示された特定の実施形態に言及しているが、これらの実施形態は例示のために提示したものであって、限定のために提示したものでないことを理解されたい。本明細書に記載される工程段階及び構造は、完全な集積回路の製造のための完全な工程フローをカバーしたものではないことを理解されたい。本発明は、当該技術分野において既知又は開発されるであろう各種の集積回路製造技術と共に実施することができる。
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION The present invention and its presently preferred embodiments are described in detail below. Examples of these are shown in the accompanying drawings. Wherever possible, the same or similar reference numbers have been used in the drawings and the description to refer to the same or like parts. It should be understood that the drawings other than the graph are in a fairly simplified form and are not to scale. In the context of this disclosure, expressions that indicate directions such as top (top), bottom (bottom), left, right, top, bottom, top, bottom, directly below, back, and front are merely simplifications. Therefore, it is used with reference to the accompanying drawings. Such orientation used in connection with the following description of the drawings should be construed as limiting the scope of the invention in any manner not explicitly set forth in the appended claims. is not. While the disclosure herein refers to particular illustrated embodiments, it is understood that these embodiments are presented for purposes of illustration and not limitation. I want. It should be understood that the process steps and structures described herein do not cover a complete process flow for the manufacture of a complete integrated circuit. The present invention can be implemented with various integrated circuit manufacturing techniques that are known or developed in the art.

本発明に従うメモリセルは、SONOS及びNROMデバイスにおける信頼性の問題のいくつかを解決することができる。例えば、本発明に従うメモリセル構造は、良好な電荷保持特性を維持したまま、高速FNチャネル消去方法を可能にすることができる。又、本発明に従うメモリセルの各種の実施形態は、BTBTHH消去方法への依存を低減することができ、それによって多数回のP/Eサイクルの後でのデバイス劣化を防止することができる。   The memory cell according to the present invention can solve some of the reliability problems in SONOS and NROM devices. For example, the memory cell structure according to the present invention can enable a fast FN channel erase method while maintaining good charge retention characteristics. Also, various embodiments of the memory cell according to the present invention can reduce reliance on the BBTTHH erase method, thereby preventing device degradation after multiple P / E cycles.

一例では、極薄トンネル誘電体、即ち、極薄酸化物層を、低いホールトンネリング障壁高さの層(低ホールトンネリング障壁層)と共に、トンネル誘電体構造が多層構造である実施形態において採用することができる。これにより、より良好なストレス(応力)耐性を提供することができる。又、本発明に従う不揮発性メモリセルは、多数回のP/Eサイクルの後での劣化をほとんど示さない。   In one example, an ultra-thin tunnel dielectric, i.e., an ultra-thin oxide layer, along with a low hole tunneling barrier height layer (low hole tunneling barrier layer) is employed in embodiments where the tunnel dielectric structure is a multilayer structure. Can do. Thereby, more favorable stress (stress) tolerance can be provided. Also, the non-volatile memory cell according to the present invention shows little degradation after multiple P / E cycles.

本発明に従うメモリセルは、図1a及び図1bに示されているような、nチャネル(n型)設計、pチャネル(p型)設計のいずれを採用することもできる。図1aは、本発明の一実施形態に従うnチャネルメモリセル100の断面図である。このメモリセルは、少なくとも2つのnドープ(添加)領域102、104を備えたp型基板101を有する。ドープ領域102、104はそれぞれ、印加される電圧に応じてソース又はドレインのいずれとしても機能することができる。参考として、図1aに示されるように、ドープ領域102はソースとして働くことができ、ドープ領域104はドレインとして働くことができる。基板101は更に、2つのnドープ領域の間にチャネル領域106を有する。チャネル領域106より上の、基板101の表面上には、トンネル誘電体構造120がある。特定の好ましい実施形態においては、トンネル誘電体構造120は、3層の薄いONO構造を有することができる。この構造においては、低いホールトンネリング障壁高さの窒化物層(窒化被膜)124が、薄い下側の酸化物層122と上側の薄い酸化物層126との間に挟まれている。メモリセル100は更に、好ましくは窒化物でありトンネル誘電体構造120より上に配置される電荷捕捉(即ち、電荷蓄積)層130と、好ましくはブロッキング酸化物を含み電荷捕捉層130より上に配置される絶縁層140とを有する。ゲート150は、絶縁層140の上に配置される。   The memory cell according to the present invention can adopt either an n-channel (n-type) design or a p-channel (p-type) design as shown in FIGS. 1a and 1b. FIG. 1a is a cross-sectional view of an n-channel memory cell 100 according to one embodiment of the present invention. This memory cell has a p-type substrate 101 with at least two n-doped (added) regions 102, 104. Each of the doped regions 102, 104 can function as either a source or a drain depending on the applied voltage. For reference, as shown in FIG. 1a, doped region 102 can serve as a source and doped region 104 can serve as a drain. The substrate 101 further has a channel region 106 between the two n-doped regions. Above the channel region 106 and on the surface of the substrate 101 is a tunnel dielectric structure 120. In certain preferred embodiments, the tunnel dielectric structure 120 can have a three-layer thin ONO structure. In this structure, a low hole tunneling barrier height nitride layer (nitride coating) 124 is sandwiched between a thin lower oxide layer 122 and an upper thin oxide layer 126. The memory cell 100 further includes a charge trapping (ie, charge storage) layer 130 that is preferably nitride and disposed above the tunnel dielectric structure 120, and preferably includes a blocking oxide and is disposed above the charge trapping layer 130. And an insulating layer 140 to be formed. The gate 150 is disposed on the insulating layer 140.

図1bは、本発明の一実施形態に従うpチャネルメモリセル200の断面図である。このメモリセルは、少なくとも2つのpドープ領域202、204を備えたn型基板201を有する。ドープ領域202、204はそれぞれ、ソース又はドレインのいずれとしても機能することができる。基板201は更に、2つのpドープ領域の間にチャネル領域206を有する。pチャネルメモリセル200も同様に、トンネル誘電体構造220、電荷捕捉(即ち、電荷蓄積)層230、絶縁層240、及びゲート250を有する。トンネル誘電体構造220は、低いホールトンネリング障壁高さの窒化物層224が、薄い下側の酸化物層222と上側の薄い酸化物層226との間に挟まれた、3層の薄いONO構造を有する。   FIG. 1b is a cross-sectional view of a p-channel memory cell 200 in accordance with one embodiment of the present invention. This memory cell has an n-type substrate 201 with at least two p-doped regions 202, 204. Each of the doped regions 202, 204 can function as either a source or a drain. The substrate 201 further has a channel region 206 between the two p-doped regions. The p-channel memory cell 200 similarly includes a tunnel dielectric structure 220, a charge trapping (ie, charge storage) layer 230, an insulating layer 240, and a gate 250. The tunnel dielectric structure 220 is a three-layer thin ONO structure in which a low hole tunneling barrier height nitride layer 224 is sandwiched between a thin lower oxide layer 222 and an upper thin oxide layer 226. Have

このように、例えば、図1a及び図1bに示すように、本発明に従うメモリセルは、第1の酸化ケイ素層O1、第1の窒化ケイ素層N1、及び第2の酸化ケイ素層O2を備える多層薄膜トンネル誘電体構造と;第2の窒化ケイ素層N2などの電荷蓄積層と;第3の酸化ケイ素層O3などの絶縁層と;を、半導体基板(例えば、シリコン基板)などの基板上に接触(on)して有するか又は基板の上方(over)(「above(上側)」)に有していてよい。トンネリング誘電体構造は、メモリデバイスの消去/リセット動作中に、基板から電荷蓄積層へのホールのトンネリングを生じさせることができる。本発明の不揮発性メモリセルにおけるトンネル誘電体構造は、メモリ動作中に、好ましくは無視できるほど小さい(極めて小さい)電荷捕捉効率を有し、より好ましくは電荷を全く捕捉しない。   Thus, for example, as shown in FIGS. 1a and 1b, a memory cell according to the present invention comprises a multilayer comprising a first silicon oxide layer O1, a first silicon nitride layer N1, and a second silicon oxide layer O2. A thin film tunnel dielectric structure; a charge storage layer, such as a second silicon nitride layer N2, and an insulating layer, such as a third silicon oxide layer O3; on a substrate, such as a semiconductor substrate (eg, a silicon substrate) (On) or over (“above”) the substrate. The tunneling dielectric structure can cause tunneling of holes from the substrate to the charge storage layer during an erase / reset operation of the memory device. The tunnel dielectric structure in the non-volatile memory cell of the present invention preferably has a negligibly small (very small) charge trapping efficiency during memory operation, and more preferably does not trap any charge at all.

窒化ケイ素層、HfO2、及びAl23などの電荷蓄積材料を、トンネル誘電体構造における低いホールトンネリング障壁高さの層として使用することができる。本発明の特定の好ましい実施形態においては、窒化ケイ素などの電荷蓄積効率の高い材料を、メモリデバイスにおける電荷蓄積層として使用することができる。電荷の損失を防ぐブロッキング酸化物は、第3の酸化ケイ素層O3などの絶縁層として働くことができる。又、本発明に従うメモリセルは、絶縁層より上に、ポリシリコンゲートなどのゲート又はゲート電極を有する。トンネル誘電体構造、電荷蓄積層、絶縁層、及びゲートは、基板より上であって、チャネル領域の少なくとも一部の上側に形成することができる。チャネル領域は、ソース領域とドレイン領域とによって画成され、且つ、それらの間に配置される。 Charge storage materials such as silicon nitride layers, HfO 2 , and Al 2 O 3 can be used as low hole tunneling barrier height layers in tunnel dielectric structures. In certain preferred embodiments of the present invention, materials with high charge storage efficiency such as silicon nitride can be used as the charge storage layer in the memory device. The blocking oxide that prevents charge loss can serve as an insulating layer, such as the third silicon oxide layer O3. The memory cell according to the present invention has a gate such as a polysilicon gate or a gate electrode above the insulating layer. The tunnel dielectric structure, the charge storage layer, the insulating layer, and the gate can be formed above the substrate and above at least a portion of the channel region. The channel region is defined by and disposed between the source region and the drain region.

本発明の各種実施形態に従うメモリセルは、負のゲート電圧(Vg)、例えば約−10Vから約−20VまでのVgの下で、約10msecの高速のFN消去速度を提供することができるトンネル誘電体構造を有する。一方、電荷保持能力も維持することができ、いくつかの例においては、電荷保持能力は多くの従来のSONOSデバイスよりも良好であり得る。本発明に従うメモリセルはまた、NROMデバイスで一般に用いられているバンド間ホットホール消去動作の使用を避けることが可能である。このようなバンド間ホットホール消去動作の回避は、ホットホールによるダメージを大幅に排除することができ、従ってこのような回避は望ましい。   A memory cell according to various embodiments of the present invention can provide a tunnel dielectric that can provide a high FN erase rate of about 10 msec under a negative gate voltage (Vg), eg, Vg from about -10V to about -20V. Has a body structure. On the other hand, charge retention capability can also be maintained, and in some examples, charge retention capability can be better than many conventional SONOS devices. The memory cell according to the present invention can also avoid the use of the band-to-band hot hole erase operation commonly used in NROM devices. Such avoidance of the inter-band hot hole erasing operation can largely eliminate the damage due to the hot holes, and therefore such avoidance is desirable.

図2を参照すると、本発明の一実施形態に従うトンネル誘電体構造についての閾(スレッショルド)電圧の実測値は、連続するプログラミング(書き込み)パルスの下での変化しない閾電圧レベルによって証明されるように、極薄O1/N1/O2構造が無視できるほど小さい捕捉効率を有し得ることを示す。図2の試験例では、O1/N1/O2層はそれぞれ、30、30、35オングストローム(Å)の厚さを有する。図2に示すように、各種のプログラミング方法、即ち、−FNプログラミング、+FNプログラミング、及びCHE(channel hot electron:チャネルホットエレクトロン)プログラミングを用いた数ショットのプログラムの間に、閾電圧Vtは約1.9ボルトで一定である。従って、このような極薄O1/N1/O2膜は、変調されたトンネル誘電体構造として働くことができる。CHE、+FN及び−FNを含む各種の電荷注入方法の下での結果は全て、無視できるほど小さい電荷捕捉を示唆している。製造工程又はデバイス構造は、界面トラップ(捕捉)を最小化するように設計することができ、従ってO1/N1界面とN1/O2界面のいずれもアクティブにならない。   Referring to FIG. 2, the measured threshold voltage for a tunnel dielectric structure according to one embodiment of the present invention is evidenced by the unchanged threshold voltage level under successive programming (write) pulses. Shows that an ultrathin O1 / N1 / O2 structure can have negligible capture efficiency. In the test example of FIG. 2, the O1 / N1 / O2 layers have thicknesses of 30, 30, and 35 angstroms, respectively. As shown in FIG. 2, the threshold voltage Vt is about 1 during several shots of programming using various programming methods, ie, -FN programming, + FN programming, and CHE (channel hot electron) programming. .9 volts constant. Thus, such an ultrathin O1 / N1 / O2 film can act as a modulated tunnel dielectric structure. All results under various charge injection methods including CHE, + FN and -FN suggest negligibly small charge trapping. The manufacturing process or device structure can be designed to minimize interface trapping and therefore neither the O1 / N1 interface nor the N1 / O2 interface is active.

図3は、本発明の一実施形態に従うSONONOS構造を有するメモリセルの消去特性を示す。図3に記載した実施形態におけるメモリセルは、それぞれ15Å、20Å及び18Åの厚さを有するONOトンネル誘電体構造を備えたn−MOSFET設計を有する。この実施形態のメモリセルは、約70Åの厚さを有する窒化ケイ素電荷蓄積層、約90Åの厚さを有する酸化ケイ素絶縁層、及び例えばnドープ多結晶シリコンなどの任意の適切な導電材料を含むゲートを有する。図3を参照すると、10msec以内といった高速FN消去を達成することができ、又、優れた自己収束消去特性を得ることもできる。   FIG. 3 shows erase characteristics of a memory cell having a SONONOS structure according to an embodiment of the present invention. The memory cell in the embodiment described in FIG. 3 has an n-MOSFET design with an ONO tunnel dielectric structure having a thickness of 15 mm, 20 mm, and 18 mm, respectively. The memory cell of this embodiment includes a silicon nitride charge storage layer having a thickness of about 70 mm, a silicon oxide insulating layer having a thickness of about 90 mm, and any suitable conductive material such as, for example, n-doped polycrystalline silicon. Has a gate. Referring to FIG. 3, high-speed FN erasure within 10 msec can be achieved, and excellent self-convergent erasure characteristics can be obtained.

図4は、図3を参照して説明した本発明に従うメモリセルの一実施形態によるSONONOSデバイスの電荷保持特性を示す。図示されているように、保持特性は従来のSONOSデバイスのそれよりも良好とすることが可能であり、数桁良くなり得る。   FIG. 4 shows the charge retention characteristics of a SONONOS device according to one embodiment of the memory cell according to the present invention described with reference to FIG. As shown, the retention characteristics can be better than that of conventional SONOS devices and can be several orders of magnitude better.

図5a及び図5bは、低いホールトンネリング障壁高さを有する少なくとも1つの層を有するトンネル誘電体構造を用いることによって得られる効果を説明するバンド図である。図5aには、メモリデータ保持期間に存在し得る低電界下での、この例ではO1/N1/O2の3層であるトンネル誘電体構造のバンド図を示す。低電界下においては、点線の矢印で示した直接トンネリングを除去することができ、これによって保持状態の期間に良好な電荷保持能力を提供する。一方、図5bに示されているような高電界下におけるバンド図のオフセットは、N1及びO2の障壁効果を低減することができ、これによりO1を通した直接トンネリングが起こり得る。少なくとも1つの低いホールトンネリング障壁高さの層を有するトンネル誘電体構造は、効率的なFN消去動作を可能にすることができる。   FIGS. 5a and 5b are band diagrams illustrating the effect obtained by using a tunnel dielectric structure having at least one layer with a low hole tunneling barrier height. FIG. 5a shows a band diagram of a tunnel dielectric structure of three layers of O1 / N1 / O2 in this example under a low electric field that may exist during the memory data retention period. Under low electric field, direct tunneling indicated by dotted arrows can be eliminated, thereby providing good charge retention capability during the retention period. On the other hand, the band diagram offset under high electric field as shown in FIG. 5b can reduce the barrier effect of N1 and O2, which can cause direct tunneling through O1. A tunnel dielectric structure having at least one low hole tunneling barrier height layer can enable an efficient FN erase operation.

図5c及び図5dは、一例におけるもう一組みのバンド図を示す。一例におけるより良好なバンドオフセット状態のためには、N1の厚さをO1の厚さよりも厚くすることができる。同じ電界E01=14MV/cmにおける価電子帯のバンド図がプロットされている。WKB近似によるトンネリング確率は、シャドー領域と相関する。この例では、厚さがN1=O1の場合、バンドオフセットは、O2の障壁を完全には取り除かない。一方、N1>O1の場合、バンドオフセットは、より容易にO1を取り除くことができる。従って、同じO1内の電界の下では、厚さがN1>O1の場合に、ホールトンネリング電流をより大きくすることができる。   5c and 5d show another set of band diagrams in one example. For better band offset conditions in one example, the thickness of N1 can be greater than the thickness of O1. A band diagram of the valence band at the same electric field E01 = 14 MV / cm is plotted. The tunneling probability by the WKB approximation correlates with the shadow area. In this example, if the thickness is N1 = O1, the band offset does not completely remove the O2 barrier. On the other hand, when N1> O1, the band offset can more easily remove O1. Therefore, under the same electric field in O1, the hole tunneling current can be further increased when the thickness is N1> O1.

図6に示される、実測及びシミュレーションされたホールトンネリング電流の実験は、本発明の特定の実施形態に従うトンネル誘電体構造を通過するホールトンネリングを更に説明する。例えば、O1/N1/O2誘電体を通したホールトンネリング電流は、極薄酸化物についてのそれと、厚い酸化物についてのそれとの間の値になり得る。一例では、高電界下において、そのホールトンネリング電流は、極薄酸化物についてのそれとほぼ等しいことがある。しかし、低電界下においては、直接トンネリングを抑制することができる。図6に示されるように、たった1MV/cmの低電界強度においてさえ、薄い酸化物層を通したホールトンネリング電流は検出される。比較的高い電界強度、例えば11〜13mV/cmにおいてさえ、厚い酸化物を通したホールトンネリング電流は無視できるほど小さい。しかし、高電界強度の存在時に、ONOトンネル誘電体構造を通したホールトンネリング電流は、薄い酸化物層についてのそれに近付く。図6において、低電界下における極薄酸化物を通したホールトンネリングによる大きな電流リークは、グラフの領域Aに見ることができる。図6において、高電界強度におけるO1/N1/O2トンネル誘電体構造を通したホールトンネリング電流は、グラフの領域Bに見ることができる。図6において、低電界におけるO1/N1/O2トンネル誘電体構造及び厚い酸化物を通した事実上存在しないトンネリング電流は、グラフの領域Cに見ることができる。   The measured and simulated hole tunneling current experiments shown in FIG. 6 further illustrate hole tunneling through a tunnel dielectric structure in accordance with certain embodiments of the present invention. For example, the hole tunneling current through an O1 / N1 / O2 dielectric can be a value between that for an ultra-thin oxide and that for a thick oxide. In one example, under a high electric field, the hole tunneling current may be approximately equal to that for an ultrathin oxide. However, direct tunneling can be suppressed under a low electric field. As shown in FIG. 6, hole tunneling current through a thin oxide layer is detected even at a low field strength of only 1 MV / cm. Even at relatively high field strengths, eg 11-13 mV / cm, the hole tunneling current through the thick oxide is negligibly small. However, in the presence of high field strength, the hole tunneling current through the ONO tunnel dielectric structure approaches that for a thin oxide layer. In FIG. 6, a large current leak due to hole tunneling through an ultrathin oxide under a low electric field can be seen in region A of the graph. In FIG. 6, the hole tunneling current through the O1 / N1 / O2 tunnel dielectric structure at high field strength can be seen in region B of the graph. In FIG. 6, the virtually nonexistent tunneling current through the O1 / N1 / O2 tunnel dielectric structure and thick oxide at low electric fields can be seen in region C of the graph.

本発明に従うメモリセル設計は、これに限定されるものではないが、NOR及び/又はNAND型のフラッシュメモリを含む、各種のメモリタイプへ適用することができる。   The memory cell design according to the present invention can be applied to various memory types including, but not limited to, NOR and / or NAND type flash memories.

上述したように、トンネル誘電体層は、低いホールトンネリング障壁高さを提供することのできる1つの層を含む、2つ以上の層を有していてよい。一例では、低いホールトンネリング障壁高さを提供する層は、窒化ケイ素を含んでいてよい。この層は2つの酸化ケイ素層の間に挟まれていてよく、これにより、窒化ケイ素が中間層として用いられる場合にはO/N/Oトンネル誘電体を形成することができる。本発明の特定の好ましい実施形態においては、トンネル誘電体構造内の各層の厚さは、最大で約4nmまで(約4nm以下)である。いくつかの好ましい実施形態においては、トンネル誘電体構造内の各層は、約1nmから3nmの厚さを有し得る。一つの典型的なデバイスにおいては、3層構造は、約10Åから30Åの酸化ケイ素層などの下端層、約10Åから30Åの窒化ケイ素層などの中間層、及び約10Åから30Åの別の酸化ケイ素層などの上端層を有していてよい。一つの特定の例においては、15Åの下端酸化ケイ素層、20Åの中間窒化ケイ素層、及び18Åの上端酸化ケイ素層を有するO/N/Oの3層構造を用いることができる。   As described above, the tunnel dielectric layer may have more than one layer, including one layer that can provide a low hole tunneling barrier height. In one example, the layer that provides a low hole tunneling barrier height may include silicon nitride. This layer may be sandwiched between two silicon oxide layers, which can form an O / N / O tunnel dielectric when silicon nitride is used as an intermediate layer. In certain preferred embodiments of the present invention, the thickness of each layer in the tunnel dielectric structure is up to about 4 nm (about 4 nm or less). In some preferred embodiments, each layer in the tunnel dielectric structure may have a thickness of about 1 nm to 3 nm. In one exemplary device, the three-layer structure includes a bottom layer such as a silicon oxide layer of about 10 to 30 inches, an intermediate layer such as a silicon nitride layer of about 10 to 30 inches, and another silicon oxide of about 10 to 30 inches. It may have an upper end layer such as a layer. In one particular example, an O / N / O three-layer structure with a 15 下端 bottom silicon oxide layer, a 20 中間 intermediate silicon nitride layer, and an 18 上端 top silicon oxide layer can be used.

一例では、薄いO/N/Oの3層構造は、無視できるほど小さい電荷捕捉を示す。図5a、図5b及び図6を参照して説明したように、理論的なバンド図及びトンネリング電流の分析は、各層の厚さが3nm以下のO1/N1/O2構造などのトンネル誘電体構造が、保持期間における低電界下でのホールの直接トンネリングを抑制可能であることを示唆することができる。そうでありながら、高電界下においては、依然として効率的なホールトンネリングを可能とすることができる。これは、バンドオフセットにより、N1及びO2のトンネリング障壁を効果的に取り除くことができるためであると考えられる。従って、本提案のデバイスは、高速ホールトンネリング消去を可能としながら、従来のSONOSデバイスの保持性能上の問題を回避することができる。実験による分析は、本発明の多様な実施形態に従うメモリセルの優れた耐久特性及び保持特性を示す。   In one example, a thin O / N / O trilayer structure exhibits negligibly small charge trapping. As described with reference to FIGS. 5 a, 5 b, and 6, the theoretical band diagram and the tunneling current analysis show that the tunnel dielectric structure such as the O1 / N1 / O2 structure in which the thickness of each layer is 3 nm or less is used. It can be suggested that the direct tunneling of holes under a low electric field during the holding period can be suppressed. Nevertheless, efficient hole tunneling can still be possible under high electric fields. This is considered to be because the tunneling barrier of N1 and O2 can be effectively removed by the band offset. Therefore, the proposed device can avoid the problem of the holding performance of the conventional SONOS device while enabling high-speed hole tunneling erasure. Experimental analysis shows the excellent endurance and retention characteristics of memory cells according to various embodiments of the present invention.

特定の好ましい実施形態においては、トンネル誘電体構造は、少なくとも1つの中間層と、その中間層の両側面(対向する側面)上の2つの隣接層とを有する。中間層及び2つの隣接層の各層は、第1の材料及び第2の材料を含む。第2の材料は、第1の材料の価電子帯エネルギー準位よりも大きい価電子帯エネルギー準位を有し、又第2の材料は、第1の材料の伝導帯エネルギー準位よりも小さい伝導帯エネルギー準位を有する。又、第2の材料の濃度は、2つの隣接層におけるよりも中間層において高く、第1の材料の濃度は、中間層におけるよりも2つの隣接層において高い。本発明のこの実施形態に従うトンネル誘電体構造においては、好ましくは、第1の材料は酸素及び/又は酸素含有化合物を含み、第2の材料は窒素及び/又は窒素含有化合物を含む。例えば、第1の材料は、酸化ケイ素などの酸化物を含むことができ、第2の材料は、Si34又はSixyzなどの窒化物を含むことができる。 In certain preferred embodiments, the tunnel dielectric structure has at least one intermediate layer and two adjacent layers on both sides (opposite sides) of the intermediate layer. Each layer of the intermediate layer and the two adjacent layers includes a first material and a second material. The second material has a valence band energy level that is greater than the valence band energy level of the first material, and the second material is less than the conduction band energy level of the first material. It has a conduction band energy level. Also, the concentration of the second material is higher in the intermediate layer than in the two adjacent layers, and the concentration of the first material is higher in the two adjacent layers than in the intermediate layer. In the tunnel dielectric structure according to this embodiment of the present invention, preferably the first material comprises oxygen and / or an oxygen containing compound and the second material comprises nitrogen and / or a nitrogen containing compound. For example, the first material can include an oxide such as silicon oxide, and the second material can include a nitride such as Si 3 N 4 or Si x O y N z .

本発明のこの態様に従うトンネル誘電体は3つ以上の層から成っていてよく、最小のホールトンネリング障壁高さを有する材料の濃度が、2つの隣接層におけるよりも中間層内において高い限り、全ての層が類似の成分(例えば、Si、N及びO)を含んでいてよい。   The tunnel dielectric according to this aspect of the invention may consist of more than two layers, as long as the concentration of the material having the smallest hole tunneling barrier height is higher in the intermediate layer than in the two adjacent layers. The layers may include similar components (eg, Si, N and O).

本発明の上述の実施形態に従う特定のトンネル誘電体構造においては、第2の材料は、中間層における第2の材料の濃度が一方の隣接層/中間層界面から中間層内のある深度位置での最大濃度まで増加し、又その最大濃度深度位置から他方の隣接層/中間層界面でのより低い濃度まで低下するような勾配の濃度にて中間層内に存在することができる。濃度の増減は漸進的であることが好ましい。   In certain tunnel dielectric structures according to the above-described embodiments of the present invention, the second material has a concentration of the second material in the intermediate layer at a depth position in the intermediate layer from one adjacent layer / intermediate layer interface. Can be present in the intermediate layer at a gradient concentration that increases to a maximum concentration of and decreases from that maximum concentration depth position to a lower concentration at the other adjacent layer / interlayer interface. The concentration increase / decrease is preferably gradual.

本発明の更に他の実施形態において、トンネル誘電体構造は、少なくとも1つの中間層と、その中間層の両側面(対向する側面)上の2つの隣接層とを有する。2つの隣接層は第1の材料を含み、中間層は第2の材料を含む。第2の材料は、第1の材料の価電子帯エネルギー準位よりも大きい価電子帯エネルギー準位を有し、又第2の材料は、第1の材料の伝導帯エネルギー準位よりも小さい伝導帯エネルギー準位を有する。又、第2の材料は、中間層における第2の材料の濃度が一方の隣接層/中間層界面から中間層内のある深度位置での最大濃度まで増加し、又その最大濃度深度位置から他方の隣接層/中間層界面でのより低い濃度まで低下するような勾配の濃度にて中間層内に存在する。濃度の増減は漸進的であることが好ましい。本発明のこの実施形態に従うトンネル誘電体構造においては、好ましくは、第1の材料は酸素及び/又は酸素含有化合物を含み、第2の材料は窒素及び/又は窒素含有化合物を含む。例えば、第1の材料は、酸化ケイ素などの酸化物を含むことができ、第2の材料は、Si34又はSixyzなどの窒化物を含むことができる。 In yet another embodiment of the invention, the tunnel dielectric structure has at least one intermediate layer and two adjacent layers on both sides (opposite sides) of the intermediate layer. The two adjacent layers include a first material and the intermediate layer includes a second material. The second material has a valence band energy level that is greater than the valence band energy level of the first material, and the second material is less than the conduction band energy level of the first material. It has a conduction band energy level. The second material also increases the concentration of the second material in the intermediate layer from one adjacent layer / intermediate layer interface to the maximum concentration at a certain depth position in the intermediate layer, and from the maximum concentration depth position to the other. Present in the intermediate layer at a gradient concentration that decreases to a lower concentration at the adjacent layer / interlayer interface. The concentration increase / decrease is preferably gradual. In the tunnel dielectric structure according to this embodiment of the present invention, preferably the first material comprises oxygen and / or an oxygen containing compound and the second material comprises nitrogen and / or a nitrogen containing compound. For example, the first material can include an oxide such as silicon oxide, and the second material can include a nitride such as Si 3 N 4 or Si x O y N z .

例えば、トンネル誘電体層が3層ONO構造を有する本発明の実施形態においては、下端酸化物層及び上端酸化物層は二酸化ケイ素を含むことができ、中間の窒化物層は例えば酸窒化ケイ素(シリコンオキシナイトライド)及び窒化ケイ素から成っていてよく、同層内における窒化ケイ素(即ち、2つの材料のうち、より小さいホールトンネリング障壁高さを有する材料)の濃度は一定ではなく、むしろその層を挟んでいる酸化物層との2つの界面の間の層内のある深度位置における最大値に達する。   For example, in an embodiment of the invention where the tunnel dielectric layer has a three-layer ONO structure, the bottom oxide layer and the top oxide layer can include silicon dioxide, and the intermediate nitride layer can be, for example, silicon oxynitride ( Silicon oxynitride) and silicon nitride, and the concentration of silicon nitride (ie, of the two materials having a smaller hole tunneling barrier height) in the same layer is not constant, rather the layer A maximum is reached at a certain depth in the layer between the two interfaces with the oxide layer sandwiching the.

最小のホールトンネリング障壁高さを有する材料がその最大濃度に達する中間層内の正確な位置は臨界的なものではなく、それは、濃度勾配内に存在して、又中間層内のある位置でトンネル誘電体層内におけるその最大濃度に達しさえすればよい。   The exact location in the intermediate layer where the material with the lowest hole tunneling barrier height reaches its maximum concentration is not critical, it exists within the concentration gradient and is tunneled at some location in the intermediate layer. It is only necessary to reach its maximum concentration in the dielectric layer.

最小のホールトンネリング障壁高さを有する材料の濃度を傾斜させることは、不揮発性メモリデバイス、特にSONONOS、又はSONONOS類似の構造を有する不揮発性メモリデバイスの種々の特性を改善する上で有利に働き得る。例えば、保持状態における電荷損失を低減することができ、高電界下におけるホールトンネリングを改善することができ、又、それが起こり得る範囲内でトンネル誘電体における電荷捕捉を防止することができる。   Increasing the concentration of the material having the minimum hole tunneling barrier height can be beneficial in improving various characteristics of non-volatile memory devices, particularly non-volatile memory devices having a SONONOS or SONONOS-like structure. . For example, charge loss in the holding state can be reduced, hole tunneling under high electric fields can be improved, and charge trapping in the tunnel dielectric can be prevented to the extent that it can occur.

トンネル誘電体層のバンド図は、本発明のこの態様に従って、中間層の価電子帯のエネルギー準位及び伝導帯のエネルギー準位が一定値を有さず、むしろ最小のホールトンネリング障壁高さを有する材料の濃度によって層の厚さ方向に沿って変化するように好適に変更することができる。図5eを参照すると、本発明のこの態様に従うONOの3層のトンネル誘電体の変更が、バンド図によって示されている。中間層(層−2)は窒化ケイ素から成る。外側の層(層−1及び層−3)は二酸化ケイ素から成る。層−2における窒化ケイ素の濃度は変化させられ、これにより、価電子帯のエネルギー準位、伝導帯のエネルギー準位は、窒化ケイ素の濃度が最大となる層−2内の深度で、それぞれ最大値、最小値に達する。考えられる3つの窒化ケイ素濃度勾配が図5eに示されている。図示された破線は、濃度勾配によって得られる、変化する価電子帯と伝導帯のエネルギー準位を表す。図5eに示されるように、破線上の円は層−2内の3つの別個の最大窒化ケイ素濃度を表しており、最低の価電子帯エネルギー準位と最高の伝導帯エネルギー準位は、窒化ケイ素の濃度最大値と合致している。   The band diagram of the tunnel dielectric layer shows that, according to this aspect of the invention, the energy level of the valence band and the energy level of the conduction band do not have constant values, but rather the minimum hole tunneling barrier height. It can change suitably so that it may change along the thickness direction of a layer with the density | concentration of the material which has. Referring to FIG. 5e, a three-layer tunnel dielectric modification of ONO according to this aspect of the invention is illustrated by a band diagram. The intermediate layer (layer-2) is made of silicon nitride. The outer layers (Layer-1 and Layer-3) consist of silicon dioxide. The concentration of silicon nitride in layer-2 is changed, so that the energy level of the valence band and the energy level of the conduction band are respectively maximum at the depth in layer-2 where the concentration of silicon nitride is maximum. Reach the minimum value. Three possible silicon nitride concentration gradients are shown in FIG. 5e. The dashed lines shown represent the energy levels of the changing valence and conduction bands obtained by the concentration gradient. As shown in FIG. 5e, the circle on the dashed line represents the three distinct maximum silicon nitride concentrations in layer-2, the lowest valence band energy level and the highest conduction band energy level being It is consistent with the maximum concentration of silicon.

本発明のこのような実施形態に従う多層トンネル誘電体構造は、様々な方法で作製することができる。例えば、第1の二酸化ケイ素層又は酸窒化ケイ素層は、これに限定されるものではないが、化学蒸着(CVD)法、並びに、熱酸化、ラジカル(ISSG)酸化、及びプラズマ酸化/窒化を含む任意の数の従来の酸化手法を用いて形成することができる。次いで、SiNの傾斜濃度を有する中間層は、例えば、化学蒸着法、又は別法では、第1の層の頂部上に形成された余分な酸化物又は酸窒化物のプラズマ窒化によって形成することができる。次いで、第3の層である上側の酸化物層は、例えば、酸化又は化学蒸着によって形成することができる。   Multi-layer tunnel dielectric structures according to such embodiments of the invention can be made in a variety of ways. For example, the first silicon dioxide layer or silicon oxynitride layer includes, but is not limited to, chemical vapor deposition (CVD), and thermal oxidation, radical (ISSG) oxidation, and plasma oxidation / nitridation. It can be formed using any number of conventional oxidation techniques. The intermediate layer having a graded concentration of SiN may then be formed, for example, by chemical vapor deposition or, alternatively, plasma nitridation of excess oxide or oxynitride formed on top of the first layer. it can. Then, the upper oxide layer, which is the third layer, can be formed, for example, by oxidation or chemical vapor deposition.

次いで、電荷蓄積層を、トンネル誘電体構造の上方に形成することができる。一例では、約5nmから10nmの電荷蓄積層を、トンネル誘電体構造の上方に形成することができる。一つの特定の例では、厚さが約7nm以上の窒化ケイ素層を使用することができる。電荷蓄積層より上の絶縁層は、厚さが約5nmから12nmであってよい。例えば、厚さが約9nm以上の酸化ケイ素層を使用することができる。又、この酸化ケイ素層は、酸化ケイ素層を形成するように窒化物層の少なくとも一部を熱処理変換することによって形成することができる。本明細書に記載される好適な材料の層を形成するためには、既知の又はこれから開発されるであろう任意の方法を用いることができ、それにより、トンネル誘電体層、電荷蓄積層及び/又は絶縁層を堆積又は形成することができる。好適な方法は、例えば、熱成長法及び化学蒸着法を含む。   A charge storage layer can then be formed over the tunnel dielectric structure. In one example, a charge storage layer of about 5 nm to 10 nm can be formed over the tunnel dielectric structure. In one particular example, a silicon nitride layer having a thickness of about 7 nm or more can be used. The insulating layer above the charge storage layer may have a thickness of about 5 nm to 12 nm. For example, a silicon oxide layer having a thickness of about 9 nm or more can be used. The silicon oxide layer can be formed by heat-treating at least a part of the nitride layer so as to form a silicon oxide layer. Any method known or that will be developed may be used to form the layers of suitable materials described herein, such as a tunnel dielectric layer, a charge storage layer, and An insulating layer can be deposited or formed. Suitable methods include, for example, thermal growth methods and chemical vapor deposition methods.

一例では、加熱変換処理は、高密度又は濃度の界面トラップを提供することができ、これによりメモリデバイスの捕捉効率を向上させることができる。例えば、窒化物の加熱変換は、ゲート流量比をH2:O2=1000:4000sccmとして、1000(Cにおいて実施することができる。   In one example, the heat conversion process can provide high density or concentration interface traps, which can improve the capture efficiency of the memory device. For example, heat conversion of nitride can be performed at 1000 (C, with a gate flow ratio of H2: O2 = 1000: 4000 sccm.

更に、窒化ケイ素は一般に非常に低いホール障壁(約1.9eV)を有するため、高電界下においてホールトンネリングに対して無抵抗(透過的)になり得る。一方、ONO構造などのトンネル誘電体の全体の厚さは、低電界下における電子の直接トンネリングを防止することができる。一例では、この非均衡的挙動は、高速ホットトンネリング消去だけではなく、保持期間における電荷リークの低減又は除去をも提供するメモリデバイスを与えることができる。   Furthermore, silicon nitride generally has a very low hole barrier (about 1.9 eV) and can therefore be non-resistive (transparent) to hole tunneling under high electric fields. On the other hand, the overall thickness of a tunnel dielectric such as an ONO structure can prevent direct tunneling of electrons under a low electric field. In one example, this non-equilibrium behavior can provide a memory device that provides not only fast hot tunneling erase, but also a reduction or elimination of charge leakage during the retention period.

典型的なデバイスは、0.12μmNROM/NBit技術によって製造することができる。表1は、一例におけるデバイス構造及びパラメータを示す。提示した極薄O/N/Oを有するトンネル誘電体は、ホールトンネリング電流を変更することができる。一例では、より厚い(7nm)N2層は電荷捕捉層として働くことができ、又O3(9nm)層はブロッキング層として働くことができる。N2及びO3は両方とも、NROM/NBit技術を使用して製造することができる。   A typical device can be fabricated by 0.12 μm NROM / NBit technology. Table 1 shows the device structure and parameters in one example. The tunnel dielectric with the proposed ultra-thin O / N / O can change the hole tunneling current. In one example, a thicker (7 nm) N2 layer can serve as a charge trapping layer, and an O3 (9 nm) layer can serve as a blocking layer. Both N2 and O3 can be manufactured using NROM / NBit technology.

本発明の特定の実施形態においては、ゲートは、N+ポリシリコンの仕事関数よりも大きな仕事関数を有する材料を含むことができる。本発明の特定の好ましい実施形態においては、このような高仕事関数ゲート材料は、例えば、白金、イリジウム、タングステン、及びその他の貴金属などの金属を含むことができる。好ましくは、このような実施形態におけるゲート材料は、約4.5eV以上の仕事関数を有する。特定の好ましい実施形態においては、ゲート材料は、例えば、白金又はイリジウムなどの高仕事関数金属を含む。更に、好ましい高仕事関数材料は、これに限定されるものではないが、P+ポリシリコン、及び、例えば窒化チタン及び窒化タンタルなどの金属窒化物を含む。本発明の特に好ましい実施形態においては、ゲート材料は白金を含む。 In particular embodiments of the present invention, the gate can include a material having a work function greater than that of N + polysilicon. In certain preferred embodiments of the present invention, such high work function gate materials may include metals such as, for example, platinum, iridium, tungsten, and other noble metals. Preferably, the gate material in such an embodiment has a work function of about 4.5 eV or greater. In certain preferred embodiments, the gate material comprises a high work function metal such as, for example, platinum or iridium. Further, preferred high work function materials include, but are not limited to, P + polysilicon and metal nitrides such as titanium nitride and tantalum nitride. In a particularly preferred embodiment of the invention, the gate material comprises platinum.

高仕事関数ゲート材料を有する本発明の実施形態に従う典型的なデバイスもまた、0.12μmNROM/NBit技術によって製造することができる。表2は、一例におけるデバイス構造及びパラメータを示す。提示した極薄O/N/Oを有するトンネル誘電体は、ホールトンネリング電流を変更することができる。一例では、より厚い(7nm)N2層は電荷捕捉層として働くことができ、又O3(9nm)層はブロッキング層として働くことができる。N2及びO3は両方とも、NROM/NBit技術を使用して製造することができる。   A typical device according to an embodiment of the present invention having a high work function gate material can also be fabricated by 0.12 μm NROM / NBit technology. Table 2 shows the device structure and parameters in one example. The tunnel dielectric with the proposed ultra-thin O / N / O can change the hole tunneling current. In one example, a thicker (7 nm) N2 layer can serve as a charge trapping layer, and an O3 (9 nm) layer can serve as a blocking layer. Both N2 and O3 can be manufactured using NROM / NBit technology.

本発明の高仕事関数ゲート材料を使用した実施形態に従うメモリセルは、他の実施形態よりも更に改善された消去特性を示す。高仕事関数ゲート材料は、捕捉層内へのゲート電子注入を抑制する。メモリセルがN+ポリシリコンゲートを有する本発明の特定の実施形態においては、消去期間における電荷捕捉層内へのホールトンネリングは、ゲート電子注入と同時に発生する。この自己収束消去効果は、NAND用途においては望ましくないことがある、消去された状態におけるより高い閾電圧レベルを招く。本発明の高仕事関数ゲート材料を使用した実施形態に従うメモリセルは、例えば、NOR型及びNAND型のメモリを含む種々のタイプのメモリ用途において使用することができる。しかし、本発明の高仕事関数ゲート材料を使用した実施形態に従うメモリセルは、消去/リセットされた状態における上昇された閾電圧が望ましくないことがあるNAND用途における使用に特に適している。本発明の高仕事関数ゲート材料を使用した実施形態に従うメモリセルは、ホールトンネリング方法によって、又好ましくは−FN消去動作によって、消去することができる。 Memory cells according to embodiments using the high work function gate material of the present invention exhibit improved erase characteristics over other embodiments. The high work function gate material suppresses gate electron injection into the trapping layer. In certain embodiments of the invention where the memory cell has an N + polysilicon gate, hole tunneling into the charge trapping layer during the erase period occurs simultaneously with gate electron injection. This self-converging erase effect results in a higher threshold voltage level in the erased state, which may be undesirable in NAND applications. Memory cells according to embodiments using the high work function gate material of the present invention can be used in various types of memory applications including, for example, NOR-type and NAND-type memories. However, memory cells according to embodiments using the high work function gate material of the present invention are particularly suitable for use in NAND applications where the elevated threshold voltage in the erased / reset state may be undesirable. Memory cells according to embodiments using the high work function gate material of the present invention can be erased by a hole tunneling method, and preferably by an -FN erase operation.

ONOトンネリング誘電体及びN+ポリシリコンゲートを有する典型的なデバイスは、従来のSONOS又はNROM方法によってプログラムすることができ、又チャネルFNホールトンネリングによって消去することができる。図7aは、一例においてONOトンネリング誘電体を有する典型的なSONONOSデバイスの消去特性を示す。図7aを参照して、より高いゲート電圧は、より速い消去速度をもたらす。又、ゲート注入もより強力であり、その結果生じる動的平衡点(ダイナミックバランスポイント)(これはVtを決定する)がより高いため、より高い飽和Vtをも有する。これは、グラフの右側に示されており、閾電圧が、消去ゲート電圧に応じて約3ボルトから約5ボルトまでの電圧において最小値に達している。ホールトンネリング電流は、図7aにおける曲線の微分による過渡解析手法(非定常解析法)によって抽出することができる。図7aにおける測定値から抽出されたホール電流は、前述した図6に示されている。比較のために、WKB近似を用いてシミュレートされたホールトンネリング電流もプロットされている。実験結果は、我々の予測と妥当に一致している。O1/N1/O2積層体を通したトンネリング電流は、高電界下においては極薄O1についてのそれに近づき、一方低電界下においては消される。 A typical device having an ONO tunneling dielectric and an N + polysilicon gate can be programmed by conventional SONOS or NROM methods and can be erased by channel FN hole tunneling. FIG. 7a shows the erase characteristics of a typical SONONOS device having an ONO tunneling dielectric in one example. Referring to FIG. 7a, a higher gate voltage results in a faster erase speed. Gate injection is also more powerful and has a higher saturation Vt because the resulting dynamic balance point (which determines Vt) is higher. This is shown on the right side of the graph, with the threshold voltage reaching a minimum at a voltage from about 3 volts to about 5 volts, depending on the erase gate voltage. The hole tunneling current can be extracted by a transient analysis method (unsteady analysis method) based on the differentiation of the curve in FIG. The Hall current extracted from the measured values in FIG. 7a is shown in FIG. For comparison, the hole tunneling current simulated using the WKB approximation is also plotted. The experimental results are in reasonable agreement with our predictions. The tunneling current through the O1 / N1 / O2 stack approaches that for ultrathin O1 under high electric fields, but is extinguished under low electric fields.

高仕事関数ゲート材料を有する本発明のメモリセルの特定の実施形態においては、高仕事関数ゲートがゲート電子注入を抑制し、消去又はリセットされた状態におけるデバイスの閾電圧を非常に低くすることが可能であり、又消去時間に応じて負にすることさえもできる。図7bに、ゲートが白金から成り、トンネル誘電体層が15/20/18オングストロームのONO構造を有する本発明の一実施形態に従うメモリデバイスの閾電圧値を示す。図7bに示されるように、−FN消去動作期間における同様のゲート電圧(−18V)にて、デバイスの閾電圧を−3V以下に設定することができる。このデバイスについて、対応するキャパシタンス(容量)とゲート電圧値との関係を図7cに示す。   In certain embodiments of the memory cell of the present invention having a high work function gate material, the high work function gate may suppress gate electron injection, resulting in a very low device threshold voltage in the erased or reset state. Yes, and can even be negative depending on the erase time. FIG. 7b shows the threshold voltage value of a memory device according to an embodiment of the present invention in which the gate is made of platinum and the tunnel dielectric layer has an ONO structure of 15/20/18 angstroms. As shown in FIG. 7b, the threshold voltage of the device can be set to −3V or lower with the same gate voltage (−18V) in the −FN erase operation period. The relationship between the corresponding capacitance and the gate voltage value for this device is shown in FIG.

更に、本発明の高仕事関数ゲート材料を使用した実施形態に従うメモリデバイスの保持特性は改善される。白金ゲートを有するメモリデバイスの保持特性を、容量がゲート電圧の関数として、消去及びプログラム後、及びその各動作の30分後並びに各動作の2時間後についてグラフ化されている図7dに示す。極めて小さい偏差が観察される。   Furthermore, the retention characteristics of memory devices according to embodiments using the high work function gate material of the present invention are improved. The retention characteristics of a memory device having a platinum gate is shown in FIG. 7d, where the capacitance is graphed as a function of gate voltage after erasing and programming, after 30 minutes of each operation and after 2 hours of each operation. A very small deviation is observed.

本発明の種々の実施形態に従うメモリセルは、少なくとも2つの別個の方法(スキーム)で動作させることができる。例えば、1セル当たり2ビット(即ち、2bits/cell)の動作を実行するために、逆読み出しを伴うCHEプログラミング(モード1)を使用することができる。更に、1セル当たり2ビットの動作のために、低電力(低出力)+FNプログラミング(モード2)を使用することもできる。いずれのモードも、同じホールトンネリング消去方法を使用することができる。モード1は、NOR型フラッシュメモリのためのバーチャルグランドアレイアーキテクチャのために好適に使用することができる。モード2は、NAND型フラッシュメモリのために好適に使用することができる。   Memory cells according to various embodiments of the invention can be operated in at least two distinct ways (schemes). For example, CHE programming with reverse read (mode 1) can be used to perform 2 bits per cell (ie, 2 bits / cell) operation. In addition, low power (low power) + FN programming (mode 2) can be used for 2 bit operation per cell. In both modes, the same hole tunneling elimination method can be used. Mode 1 can be suitably used for a virtual ground array architecture for NOR flash memory. Mode 2 can be suitably used for NAND flash memory.

一例として、図8は、モード1動作における、本発明の一実施形態に従うバーチャルグランドアレイアーキテクチャNOR型フラッシュメモリの優れた耐久特性を示す。トンネル誘電体構造を有するこのようなメモリデバイスの消去の劣化は、ホールトンネリング消去(Vg=−15V)が均一チャネル消去方法であるので生じない。対応するIV曲線も図9に示す。同図は、多数のP/Eサイクルの後にデバイスの劣化がほとんどないことを示唆する。一例では、これは、極薄酸化物/窒化物層が良好なストレス免除特性を有するためであると考えられる。更に、このメモリデバイスは、ホットホール起因のダメージが加えられることがない。図10には、モード2動作における、本発明の一実施形態に従うNAND型フラッシュメモリの耐久特性が示されている。より速い収束消去時間のために、より大きなバイアス(Vg=−16V)を使用することができる。この例においても、優れた耐久性が得られる。   As an example, FIG. 8 illustrates the excellent endurance characteristics of a virtual ground array architecture NOR flash memory according to an embodiment of the present invention in mode 1 operation. Erase degradation of such a memory device having a tunnel dielectric structure does not occur because hole tunneling erase (Vg = -15V) is a uniform channel erase method. The corresponding IV curve is also shown in FIG. The figure suggests that there is little device degradation after multiple P / E cycles. In one example, this may be because the ultra-thin oxide / nitride layer has good stress relief characteristics. Furthermore, this memory device is not damaged by hot holes. FIG. 10 shows durability characteristics of the NAND flash memory according to the embodiment of the present invention in mode 2 operation. A larger bias (Vg = −16V) can be used for faster convergence erase time. Also in this example, excellent durability can be obtained.

図4には、本発明の一実施形態に従う典型的なSONONOSデバイスの電荷保持性能が示されている。同図においては、100時間後に、たった60mVの電荷損失が観察される。従来のSONOSデバイスよりも数桁規模良好な、保持特性の改善が得られる。VG加速保持試験もまた、低電界下において直接トンネリングが抑制され得ることを示す。図11は、10K回のP/Eサイクルを行ったデバイスに関するVG加速保持試験の一例を示す。1000秒ストレス後の−VGストレスにおいて電荷損失は小さく、低電界におけるホールの直接トンネリングが抑制され得ることを示す。   FIG. 4 shows the charge retention performance of a typical SONONOS device according to one embodiment of the present invention. In the figure, a charge loss of only 60 mV is observed after 100 hours. The retention characteristics are improved by several orders of magnitude better than conventional SONOS devices. The VG accelerated hold test also shows that direct tunneling can be suppressed under low electric fields. FIG. 11 shows an example of a VG accelerated holding test for a device that has been subjected to 10K P / E cycles. The charge loss is small at −VG stress after 1000 seconds stress, indicating that direct tunneling of holes in a low electric field can be suppressed.

従って、上述の例において特定されるSONONOS設計は、高速ホールトンネリング消去に、優れた耐久特性をもたらすことができる。前述のように、この設計は、NOR及びNAND型の窒化蓄積(記憶)フラッシュメモリの両方において実現することできる。更に、本発明に従うメモリアレイは、類似又は異なる構成の多数のメモリデバイスを有していてよい。   Therefore, the SONONOS design specified in the above example can provide excellent durability characteristics for high speed hole tunneling erasure. As mentioned above, this design can be implemented in both NOR and NAND type nitride storage (memory) flash memories. Furthermore, a memory array according to the present invention may have multiple memory devices of similar or different configuration.

本発明に従うアレイの種々の実施形態においては、本発明に従うメモリセルは、バーチャルグランドアレイアーキテクチャにおいて、従来のNROM又はSONOSデバイス代わりに用いることができる。ホットホール注入の代わりにFNホールトンネリングを用いることにより、信頼性の問題及び消去の劣化を解決するか又は低減することができる。本発明の範囲を後述の特定の構造に限定する意図はないが、以下、本発明のメモリアレイによる種々の動作方法を、典型的なNOR型バーチャルグランドアレイアーキテクチャに関して説明する。   In various embodiments of the array according to the present invention, the memory cells according to the present invention can be used in a virtual ground array architecture in place of conventional NROM or SONOS devices. By using FN hole tunneling instead of hot hole injection, reliability problems and erasure degradation can be solved or reduced. Although not intended to limit the scope of the present invention to the particular structures described below, various methods of operation with the memory array of the present invention will now be described with respect to a typical NOR virtual ground array architecture.

CHE又はCHISEL(channel initiated secondary electron:チャネルイニシエイテッドセカンダリーエレクトロン(チャネル開始2次電子))プログラミング及び逆読み出しを、1セル当たり2ビットのメモリアレイのために用いることができる。又、消去方法は、均一チャネルFNホールトンネリング消去であってよい。一例では、アレイアーキテクチャは、バーチャルグランドアレイ又はJTOXアレイであってよい。図12a〜図20を参照して、トンネル誘電体としては、ホールの直接トンネリングを提供するように各層が約3nm以下の厚さを有するO1/N1/O2の3層構造を用いることができる。図12a〜図20を参照して、N2は、高い捕捉効率を提供するように厚さが5nmより厚くてよい。絶縁層であるO3は、O3とN2との間の界面における大きなトラップ密度を提供するように、湿式変換された上端酸化物(酸化ケイ素)などの、湿式酸化によって形成された酸化ケイ素層であってよい。O3は、この酸化ケイ素層からの電荷損失を防止するように、厚さが約6nm以上であってよい。   CHE or CHISEL (channel initiated secondary electron) programming and reverse read can be used for a 2-bit memory array per cell. The erasing method may be uniform channel FN hole tunneling erasing. In one example, the array architecture may be a virtual ground array or a JTOX array. Referring to FIGS. 12a-20, the tunnel dielectric can use an O1 / N1 / O2 three-layer structure with each layer having a thickness of about 3 nm or less to provide direct tunneling of holes. With reference to FIGS. 12a-20, N2 may be thicker than 5 nm to provide high capture efficiency. The insulating layer, O3, is a silicon oxide layer formed by wet oxidation, such as a wet-converted top oxide (silicon oxide), to provide a large trap density at the interface between O3 and N2. It's okay. O3 may have a thickness of about 6 nm or more so as to prevent charge loss from the silicon oxide layer.

図12a及び図12bは、3層ONOトンネル誘電体を有するメモリセルなどの、上述したメモリセルを組み込んだバーチャルグランドアレイアーキテクチャの一例を示す。特に、図12aは、メモリアレイの一部分の等価回路を示し、図12bは、メモリアレイの一部分の典型的なレイアウトを示す。   FIGS. 12a and 12b show an example of a virtual ground array architecture incorporating the memory cells described above, such as memory cells having a three-layer ONO tunnel dielectric. In particular, FIG. 12a shows an equivalent circuit of a portion of the memory array, and FIG. 12b shows a typical layout of a portion of the memory array.

更に、図13は、アレイ内に組み込まれた数個のメモリセルの概略断面図を示す。一例では、埋設拡散(BD:buried diffusion)領域は、メモリセルのソース又はドレイン領域のためのN+ドープジャンクション(接合)であってよい。基板は、p型基板であってよい。一例では、−FN消去期間に起こり得るBDOX領域(BDより上の酸化物)の破壊(ブレークダウン,絶縁破壊)を避けるために、厚いBDOX(>50nm)を用いることができる。 Further, FIG. 13 shows a schematic cross-sectional view of several memory cells incorporated in the array. In one example, the buried diffusion (BD) region may be an N + doped junction (junction) for the source or drain region of the memory cell. The substrate may be a p-type substrate. In one example, thick BDOX (> 50 nm) can be used to avoid breakdown (breakdown, breakdown) of the BDOX region (oxide above BD) that can occur during the -FN erase period.

図14a及び図14bは、上述したトンネル誘電体設計を有する1セル当たり2ビット(即ち、2bits/cell)のメモリセルを組み込んだ典型的なバーチャルグランドアレイのための、考えられる電気的リセット方法(スキーム)を示す。更なるP/Eサイクルを実行する前に、全てのデバイスは先ず電気的な「リセット」を受けることができる。リセット処理は、同一アレイ内のメモリセル群におけるVtの一様性を確保することができ、又デバイスのVtを収束消去された状態へと上げることができる。例えば、図14aに示すような、1秒間のVg=−15Vの印加は、窒化ケイ素の電荷捕捉層内へいくらかの電荷を注入して、動的平衡状態に到達させる効果を有し得る。リセットにより、例えばそれらの製造工程期間におけるプラズマ帯電効果などにより不均一に帯電されたメモリセル群であっても、それらのVtを収束させる(揃える)ことができる。自己収束バイアス条件を生成するための別の方法は、ゲート電圧及び基板電圧の両方に対してバイアスをかけることである。例えば、図14bを参照して、Vg=−8V、及びPウェル(P−well:P型ウェル)=+7Vを印加することができる。   FIGS. 14a and 14b show possible electrical reset methods for a typical virtual ground array incorporating 2 bits per cell (ie, 2 bits / cell) memory cells having the tunnel dielectric design described above (ie, Scheme). Before performing further P / E cycles, all devices can first undergo an electrical “reset”. The reset process can ensure the uniformity of Vt in the memory cells in the same array, and can raise the Vt of the device to a state of being converged and erased. For example, the application of Vg = -15V for 1 second, as shown in FIG. 14a, can have the effect of injecting some charge into the silicon nitride charge trapping layer to reach a dynamic equilibrium. By resetting, for example, even if the memory cell group is charged non-uniformly due to the plasma charging effect during the manufacturing process period, the Vt can be converged (aligned). Another way to generate a self-focusing bias condition is to bias both the gate voltage and the substrate voltage. For example, referring to FIG. 14b, Vg = −8V and P-well (P-well) = + 7V can be applied.

図15a及び図15bは、上述したトンネル誘電体設計を有する1セル当たり2ビットのメモリセルを組み込んだ典型的なバーチャルグランドアレイのためのプログラミング方法(スキーム)を示す。デバイスをプログラムするために、チャネルホットエレクトロン(CHE)プログラミングを用いることができる。図15aに示されるビット−1のプログラミングのためには、電子は、BLN(ビット線N)の上のジャンクションエッジ内へ局所的に注入される。図15bに示されるビット−2のプログラミングのためには、電子は、BLN−1の上に蓄えられる。WL(ワード線)のための典型的なプログラミング電圧は、約6Vから12Vである。BL(ビット線)のための典型的なプログラミング電圧は約3Vから7Vであり、又Pウェルは接地された状態にしておくことができる。   FIGS. 15a and 15b illustrate a programming method (scheme) for a typical virtual ground array that incorporates 2 bits of memory cells per cell having the tunnel dielectric design described above. Channel hot electron (CHE) programming can be used to program the device. For the bit-1 programming shown in FIG. 15a, electrons are locally injected into the junction edge above BLN (bit line N). For the bit-2 programming shown in FIG. 15b, electrons are stored on BLN-1. A typical programming voltage for WL (word line) is about 6V to 12V. A typical programming voltage for BL (bit line) is about 3V to 7V, and the P-well can be left grounded.

図16a及び図16bは、上述したトンネル誘電体設計を有する1セル当たり2ビットのメモリセルを組み込んだ典型的なバーチャルグランドアレイのための読み出し方法(スキーム)を示す。一例では、デバイスを読み出して、1セル当たり2ビットの動作を実行するために、逆読み出しが用いられる。図16aを参照して、ビット−1の読み出しのためには、1.6Vなどの適当な読み出し電圧がBLN−1に印加される。図16bを参照して、ビット−2の読み出しのためには、1.6Vなどの適当な読み出し電圧がBLNに印加される。一例では、読み出し電圧は、約1Vから2Vの範囲内にあってよい。ワード線及びPウェルは、接地された状態にしておくことができる。しかし、Vsを上げて逆に読み出す方法(raised−Vs reverse read method)などのその他の変更された読み出し方法(スキーム)を実行することもできる。例えば、Vsを上げて逆に読み出す方法は、ビット−2の読み出しのためにはVd/Vs=1.8/0.2V、又ビット−1の読み出しのためにはVd/Vs=0.2/1.8を用いることができる。   FIGS. 16a and 16b illustrate a read method (scheme) for a typical virtual ground array that incorporates two bits of memory cells per cell having the tunnel dielectric design described above. In one example, reverse read is used to read the device and perform a 2-bit operation per cell. Referring to FIG. 16a, for reading bit-1, an appropriate read voltage such as 1.6V is applied to BLN-1. Referring to FIG. 16b, for reading bit-2, an appropriate read voltage such as 1.6V is applied to BLN. In one example, the read voltage may be in the range of about 1V to 2V. The word line and the P well can be kept grounded. However, other modified read methods (schemes) such as a raised-Vs reverse read method can also be performed. For example, in the reverse reading method by increasing Vs, Vd / Vs = 1.8 / 0.2V for reading bit-2 and Vd / Vs = 0.2 for reading bit-1. /1.8 can be used.

図14a及び図14bはまた、上述したトンネル誘電体設計を有する1セル当たり2ビットのメモリセルを組み込んだ典型的なバーチャルグランドアレイのためのセクタ消去方法(スキーム)を示す。一例では、メモリセル群を同時に消去するために、チャネルホールトンネリング消去によるセクタ消去を適用することができる。SONONOS構造を有するメモリセル内のONOトンネル誘電体は、約10〜50msec及び自己収束チャネル消去速度にて起こり得る高速消去を提供することができる。一例では、セクタ消去動作条件は、リセット処理と同様とすることができる。例えば、図14aを参照して、WL群に同時にVG=約−15Vを印加し、又BL群を全てフローティング状態にしておくことにより、セクタ消去を達成することができる。Pウェルは、接地された状態にしておくことができる。   14a and 14b also illustrate a sector erase method (scheme) for a typical virtual ground array that incorporates two bits of memory cells per cell having the tunnel dielectric design described above. In one example, sector erasure by channel hole tunneling erasure can be applied to simultaneously erase memory cell groups. An ONO tunnel dielectric in a memory cell having a SONONOS structure can provide fast erase that can occur at about 10-50 msec and a self-focusing channel erase rate. In one example, the sector erasing operation condition can be the same as the reset process. For example, referring to FIG. 14a, sector erase can be achieved by simultaneously applying VG = about −15 V to the WL group and leaving all the BL groups in a floating state. The P-well can be left grounded.

或いは、図14bを参照して、WL群に約−8Vを印加し、又Pウェルに約+7Vを印加することによっても、セクタ消去を達成することができる。いくつかの例においては、完全なセクタ消去動作を、如何なる過剰消去(over−erase)又は消去困難(hard−to−erase:消去不足)のセルをも有することなく、100msec以内に実行することができる。上述のデバイス設計は、優れた自己収束特性をもたらすチャネル消去を容易にすることができる。   Alternatively, referring to FIG. 14b, sector erase can also be achieved by applying approximately -8V to the WL group and applying approximately + 7V to the P-well. In some examples, a complete sector erase operation may be performed within 100 msec without having any over-erase or hard-to-erase cells. it can. The device design described above can facilitate channel erasure resulting in excellent self-convergence characteristics.

図17は、SONONOSデバイスを用いる一例における消去特性を示す。SONONOSデバイスの一例は、O1/N1/O2/N2/O3の厚さがそれぞれ約15/20/18/70/90オングストロームであってよく、N+ポリシリコンゲート及びO3としての加熱変換された上端酸化物を有していてよい。種々のゲート電圧に対する消去速度が示されている。ゲート電圧がより高いと、消去速度がより高速になる。 FIG. 17 shows erase characteristics in an example using a SONONOS device. An example of a SONONOS device may have an O1 / N1 / O2 / N2 / O3 thickness of about 15/20/18/70/90 angstroms, respectively, N + polysilicon gate and heat-converted top as O3 It may have an oxide. The erase rate for various gate voltages is shown. The higher the gate voltage, the faster the erase speed.

しかし、収束したVtもまた、より高い。これは、より高いゲート電圧の下では、ゲート注入がよりアクティブであるからである。ゲート注入を低減するためには、消去期間においてゲートから注入される電子を低減するように、ゲート材料としてP+ポリシリコンゲート又は高仕事関数を有するその他の金属ゲートを代わりに使用することができる。 However, the converged Vt is also higher. This is because gate injection is more active under higher gate voltages. To reduce gate injection, a P + polysilicon gate or other metal gate with a high work function can be used instead as a gate material to reduce electrons injected from the gate during the erase period. .

図18は、バーチャルグランドアレイアーキテクチャにおいてSONONOSデバイスを用いた場合の耐久特性を示す。いくつかの例における耐久特性は優れている。プログラミング条件は、ビット−1に対してはVg/Vd=8.5/4.4V、0.1μsecであり、ビット−2に対してはVg/Vs=8.5/4.6V、0.1μsecである。FN消去は、約50msec間のVg=−15Vを使用することができ、2ビットを同時に消去することができる。FN消去は、自己収束均一チャネル消去であるため、消去不足又は過剰消去のセルは通常存在しない。いくつかの例においては、上述して提示したデバイスは、プログラム/消去の確認(検証)又はステッピングアルゴリズムを用いなくても、優れた耐久特性を示す。   FIG. 18 shows endurance characteristics when a SONONOS device is used in a virtual ground array architecture. The durability characteristics in some examples are excellent. Programming conditions are Vg / Vd = 8.5 / 4.4V, 0.1 μsec for bit-1 and Vg / Vs = 8.5 / 4.6V, 0. 1 μsec. The FN erase can use Vg = −15 V for about 50 msec, and two bits can be erased simultaneously. Since FN erase is a self-focusing uniform channel erase, there are usually no under-erased or over-erased cells. In some examples, the devices presented above exhibit excellent endurance characteristics without using program / erase verification (verification) or stepping algorithms.

図19a及び図19bは、一例におけるP/Eサイクル中のI−V特性を示す。対応するI−V曲線が、対数目盛(図19a)及び線形目盛(図19b)の両方で示されている。一例では、SONONOSデバイスは、多数のP/Eサイクルの後に劣化をほとんど有さない。そのため、サブスレショルドスイング(S.S.)及びトランスコンダクタンス(gm)の両方ともが、多数のサイクルの後でもほとんど同じである。このSONONOSデバイスは、NROMデバイスよりも優れた耐久特性を有する。その要因の1つは、ホットホール注入が用いられないことであると考えられる。更に、前述したように、極薄酸化物は、厚いトンネル酸化物よりも良好なストレス耐性を有し得る。   19a and 19b show the IV characteristics during the P / E cycle in one example. Corresponding IV curves are shown on both a logarithmic scale (FIG. 19a) and a linear scale (FIG. 19b). In one example, SONONOS devices have little degradation after multiple P / E cycles. Therefore, both the subthreshold swing (SS) and transconductance (gm) are almost the same after many cycles. This SONONOS device has superior durability characteristics than the NROM device. One of the factors seems to be that hot hole injection is not used. Furthermore, as described above, ultrathin oxides can have better stress resistance than thick tunnel oxides.

図20は、一例におけるCHISELプログラミング方法(スキーム)を示す。デバイスをプログラムするための別の方法は、CHISELプログラミング方法(スキーム)を使用することであり、これはホットキャリア効率を増大させるように負の基板バイアスを用いて衝撃イオン化(衝突電離)を促進する。又、ボディー効果(基板バイアスの効果)によって、プログラミング電流を低減することもできる。同図には典型的な条件が示されており、ここでは基板には負の電圧(−2V)が印加され、又ジャンクション電圧が約3.5Vに下げられている。従来のNROMデバイス及び技術については、チャネルの中央領域付近により多くの電子を注入することがあるため、CHISELプログラミングを適用することはできない。又、ホットホール消去は、従来のNROMデバイスにおけるチャネル中央領域付近の電子を除去するのには効果的でない。   FIG. 20 illustrates a CHISEL programming method (scheme) in one example. Another way to program the device is to use the CHISEL programming method (scheme), which promotes impact ionization (impact ionization) with a negative substrate bias to increase hot carrier efficiency. . In addition, the programming current can be reduced by the body effect (the effect of the substrate bias). The figure shows typical conditions, where a negative voltage (-2V) is applied to the substrate and the junction voltage is lowered to about 3.5V. For conventional NROM devices and techniques, CHISEL programming cannot be applied because more electrons may be injected near the central region of the channel. Also, hot hole erasure is not effective in removing electrons near the channel center region in conventional NROM devices.

図21a及び図21bは、一例におけるJTOXバーチャルグランドアレイ設計を示す。JTOXバーチャルグランドアレイは、メモリアレイ内のSONONOSメモリセルの使用を実現するもう1つの方法を提供する。一例において、JTOX構造とバーチャルグランドアレイとの間で異なる点の一つは、JTOX構造内のデバイス群がSTI処理(加工)によって分離されていることである。図21aには、典型的なレイアウト例が示されている。図21bは、対応する等価回路を示しており、これはバーチャルグランドアレイのそれと同じである。   21a and 21b show a JTOX virtual ground array design in one example. The JTOX virtual ground array provides another way to realize the use of SONONOS memory cells in the memory array. In one example, one of the differences between the JTOX structure and the virtual ground array is that the devices in the JTOX structure are separated by STI processing (processing). FIG. 21a shows a typical layout example. FIG. 21b shows the corresponding equivalent circuit, which is the same as that of the virtual ground array.

前述したように、本発明に従うメモリセル構造は、NOR型及びNAND型のフラッシュメモリの両方に適している。以下、メモリアレイ設計及びその動作方法の更なる例について説明する。本発明の範囲を後述の特定の構造に限定することを意図するものではないが、以下、本発明のメモリアレイによる種々の動作方法を、典型的なNANDアーキテクチャに関して説明する。   As described above, the memory cell structure according to the present invention is suitable for both NOR type and NAND type flash memories. In the following, further examples of memory array design and methods of operation thereof will be described. While not intending to limit the scope of the present invention to the specific structures described below, various methods of operation with the memory array of the present invention are described below with respect to a typical NAND architecture.

前述したように、ONOトンネリング誘電体を有するnチャネルSONONOSメモリデバイスを、メモリデバイスに利用することができる。図22a及び図22bは、NANDアレイアーキテクチャの一例を示す。図23a及び図23bは、典型的なメモリアレイ設計を2つの異なる方向から見た断面図である。いくつかの例においては、メモリアレイの動作方法は、+FNプログラミング、自己収束リセット/消去、及び読み出し方法を含んでいてよい。更に、いくつかの例においては、プログラムディスターブ(プログラム阻害)を防止するために、回路動作方法が含まれていてよい。   As described above, an n-channel SONONOS memory device having an ONO tunneling dielectric can be utilized for the memory device. 22a and 22b show an example of a NAND array architecture. Figures 23a and 23b are cross-sectional views of a typical memory array design from two different directions. In some examples, the method of operating the memory array may include + FN programming, self-convergent reset / erase, and read methods. Further, in some examples, a circuit operation method may be included to prevent program disturb.

シングルブロックゲート構造設計に加えて、ソース/ドレイン領域に隣接して配置された2つのトランジスタゲート間に位置付けられたSONONOSデバイスを用いるNANDアレイなどの、スプリットゲートアレイを用いてもよい。いくつかの例においては、スプリットゲート設計は、デバイス寸法をF=30nm以下に縮小することができる。更に、良好な信頼性を得ること、フローティングゲート間の結合効果(inter−floating−gate coupling effect)を低減又は除去すること、又はこれらの両方を達成することができるように、デバイスを設計することができる。前述したように、SONONOSメモリデバイスは、優れた自己収束消去を提供することができ、これはセクタ消去動作及びVt分布の制御に役立つ。更に、タイト化された消去状態分布は、多値用途(MLC)を容易にすることができる。   In addition to the single block gate structure design, a split gate array may be used, such as a NAND array using a SONONOS device positioned between two transistor gates located adjacent to the source / drain regions. In some examples, a split gate design can reduce device dimensions to F = 30 nm or less. In addition, designing the device to achieve good reliability, reduce or eliminate inter-floating-gate coupling effects, or both Can do. As described above, SONONOS memory devices can provide excellent self-convergent erase, which helps control the sector erase operation and Vt distribution. Furthermore, the tightened erased state distribution can facilitate multilevel applications (MLC).

メモリアレイ構造のために特定の設計を用いることによって、有効チャネル長(Leff)を大きくして、短チャネル効果(short−channel effect)を低減又は除去することができる。いくつかの例は、拡散ジャンクションを使用しないで設計することができ、これによりメモリデバイスの製造工程におけるシャロージャンクション(浅い接合)の提供又はポケットインプランテーションの使用において生じる課題を回避することができる。   By using a specific design for the memory array structure, the effective channel length (Leff) can be increased to reduce or eliminate short-channel effects. Some examples can be designed without the use of diffusion junctions, thereby avoiding the challenges that arise in providing shallow junctions or using pocket implantation in the memory device manufacturing process.

図1は、SONONOS設計を有するメモリデバイスの一例を示す。更に、前述の表1は、異なる層のために用いられる材料及びその厚さの一例を示す。いくつかの例においては、ゲート注入を低減することによって達成することのできる、より低い飽和リセット/消去Vtを提供するように、P+ポリシリコンゲートを用いることができる。 FIG. 1 shows an example of a memory device having a SONONOS design. Further, Table 1 above shows an example of materials used for different layers and their thickness. In some examples, a P + polysilicon gate can be used to provide a lower saturation reset / erase Vt that can be achieved by reducing gate implantation.

図22a及び図22bは、拡散ジャンクションを備え、表1に記載される実施形態に従うメモリセルを有する、SONONOS−NANDアレイなどのメモリアレイの一例を示す。一例では、個々のデバイスは、シャロートレンチアイソレーション(STI:shallow−trench isolation(浅い溝による分離))又はシリコンオンインシュレータ(SOI:silicon−on−insulator(絶縁体上シリコン))の分離技術を用いるなどの、多様な分離技術によって互いに分離することができる。図22aを参照して、メモリアレイは、BL1及びBL2などの多数のビット線と、WL1、WLN−1及びWLNなどの多数のワード線とを有していてよい。更に、アレイは、ソース線トランジスタ(群)(即ち、ソース線選択トランジスタ(群)或いはSLT(群))と、ビット線トランジスタ(群)(即ち、ビット線選択トランジスタ(群)或いはBLT(群))とを有していてよい。図示されているように、アレイ内のメモリセルは、SONONOS設計を用いることができ、又SLT及びBLTは、n型金属酸化膜半導体電界効果トランジスタ(NMOSFET:n−type metal−oxide−semiconductor field−effect transistor)を有していてよい。   FIGS. 22a and 22b show an example of a memory array, such as a SONONOS-NAND array, having a diffusion junction and having memory cells according to the embodiments described in Table 1. FIG. In one example, the individual devices use shallow trench isolation (STI: shallow-trench isolation) or silicon-on-insulator (SOI) isolation technology. Can be separated from each other by various separation techniques. Referring to FIG. 22a, the memory array may have a number of bit lines such as BL1 and BL2 and a number of word lines such as WL1, WLN-1 and WLN. Further, the array includes a source line transistor (s) (ie, source line select transistor (s) or SLT (group)) and a bit line transistor (s) (ie, bit line select transistor (s) or BLT (group)). ). As shown, the memory cells in the array can use the SONONOS design, and SLT and BLT are n-type metal-oxide-semiconductor field-effect transistors (NMOSFETs). an effect transistor).

図22bは、NANDアレイなどのメモリアレイのレイアウトの一例を示す。図22bを参照して、Lgはメモリセルのチャネル長であり、Lsはメモリデバイスの個々の線(ライン)間の間隔である。更に、Wはメモリセルのチャネル幅であり、Wsは個々のビット線間の分離領域又はソース/ドレイン領域の幅であり、これは一例ではSTI幅であってよい。   FIG. 22b shows an example of the layout of a memory array such as a NAND array. Referring to FIG. 22b, Lg is the channel length of the memory cell, and Ls is the spacing between individual lines of the memory device. Further, W is the channel width of the memory cell, and Ws is the width of the isolation region or source / drain region between individual bit lines, which in one example may be the STI width.

図22a及び図22bを再度参照して、メモリデバイスは、順次に接続してNANDアレイを形成することができる。例えば、1列のメモリデバイスは16又は32個のメモリデバイスを有していてよく、16又は32の列数を提供することができる。BLT(群)及びSLT(群)は、対応するNAND列を制御するための選択トランジスタとして使用することができる。一例では、BLT及びSLTのためのゲート誘電体は、窒化ケイ素捕捉層を含まない酸化ケイ素層であってよい。このような構成は、全てのケースにおいて必ずしも求められるものではないが、いくつかの例においては、メモリアレイの動作中に起きることのあるBLT及びSLTのVtシフトを防止することができる。別法として、BLT及びSLTは、それらのゲート誘電体層として、ONONO層の組み合わせを用いることができる。   Referring again to FIGS. 22a and 22b, memory devices can be connected in sequence to form a NAND array. For example, a column of memory devices may have 16 or 32 memory devices and can provide 16 or 32 column numbers. BLT (s) and SLT (s) can be used as select transistors for controlling the corresponding NAND strings. In one example, the gate dielectric for BLT and SLT may be a silicon oxide layer that does not include a silicon nitride capture layer. Such a configuration is not required in all cases, but in some examples can prevent BLT and SLT Vt shifts that may occur during operation of the memory array. Alternatively, BLT and SLT can use a combination of ONONO layers as their gate dielectric layers.

いくつかの例においては、BLT及びSLTに印加されるゲート電圧は、ゲートディスターブ(ゲート阻害)をほとんど引き起こすことがないと考えられる10V未満とすることができる。BLT及びSLTのゲート誘電体層が帯電されるか又は電荷捕捉されることがあるケースにおいては、追加の−Vg消去をBLT又はSLTのゲートに印加して、それらのゲート誘電体層を放電させることができる。   In some examples, the gate voltage applied to the BLT and SLT can be less than 10V, which is considered to cause little gate disturb. In cases where the BLT and SLT gate dielectric layers may be charged or charge trapped, an additional -Vg erase may be applied to the BLT or SLT gates to discharge the gate dielectric layers. be able to.

図22aを再度参照して、各BLTは、ビット線(BL)に接続されていてよい。一例では、BLは、STIのピッチと同じか又はほぼ同じピッチを有する金属線であってよい。又、各SLTは、ソース線(SL)に接続される。ソース線は、WLに平行であり、又読み出し検知のためのセンスアンプに接続される。ソース線は、タングステンなどの金属、又はポリシリコン線、又は拡散N+ドープ線であってよい。 Referring back to FIG. 22a, each BLT may be connected to a bit line (BL). In one example, the BL may be a metal line having a pitch that is the same as or approximately the same as the pitch of the STI. Each SLT is connected to a source line (SL). The source line is parallel to WL and is connected to a sense amplifier for reading detection. The source line may be a metal such as tungsten, or a polysilicon line, or a diffused N + doped line.

図23aは、SONONOS−NANDメモリアレイなどの典型的なメモリアレイの、チャネル長方向に沿った断面図を示す。典型的には、Lg及びLsは、デバイス(又はノード)の限界寸法を一般的に表すFにほぼ等しい。限界寸法は、製造のために用いられる技術によって変わり得る。例えば、F=50nmは、50nmのノードを使用することを意味する。図23bは、SONONOS−NANDメモリアレイなどの典型的なメモリアレイの、チャネル幅方向に沿った断面図を示す。図23bを参照して、チャネル幅方向におけるピッチは、チャネル長方向におけるピッチにほぼ等しいか又はそれより少し大きい。従って、メモリセルのサイズは、ほぼ1セル当たり4F2(即ち、4F2/cell)である。   FIG. 23a shows a cross-sectional view along the channel length direction of a typical memory array, such as a SONONOS-NAND memory array. Typically, Lg and Ls are approximately equal to F, which generally represents the critical dimension of the device (or node). The critical dimension can vary depending on the technology used for manufacturing. For example, F = 50 nm means using a 50 nm node. FIG. 23b shows a cross-sectional view along the channel width direction of a typical memory array, such as a SONONOS-NAND memory array. Referring to FIG. 23b, the pitch in the channel width direction is approximately equal to or slightly larger than the pitch in the channel length direction. Accordingly, the size of the memory cell is approximately 4F2 (ie, 4F2 / cell) per cell.

上述のアレイなどのメモリアレイの製造についてのいくつかの例においては、製造工程は、2つだけの主要マスク(プライマリーマスク)又はリソグラフィー処理を使用することを含んでいてよく、例えば、1つはポリシリコン(ワード線)のためで、もう1つはSTI(ビット線)のためである。これに対して、NAND型フローティングゲートデバイスの製造は、少なくとも2つのポリ(poly)処理と、もう1つのインターポリ(inter−poly)ONO処理とを必要とするだろう。従って、提示したデバイスの構造及び製造工程は、NAND型フローティングゲートメモリのそれよりも簡単であると考えられる。   In some examples for the manufacture of memory arrays, such as the arrays described above, the manufacturing process may include using only two primary masks (primary masks) or lithographic processes, for example one One is for polysilicon (word line) and the other is for STI (bit line). In contrast, the fabrication of NAND floating gate devices will require at least two poly processes and another inter-poly ONO process. Therefore, it is considered that the structure and manufacturing process of the presented device is simpler than that of the NAND type floating gate memory.

図23aを参照して、一例では、ワード線(WL)間の間隔(Ls)は、N+ドープ領域のシャロージャンクションなどのシャロージャンクションで形成することができ、これはメモリデバイスのソース又はドレイン領域として働くことができる。図23aに示されるように、傾斜ポケットインプランテーション(tilt−angle pocket implantation)などの追加のインプランテーション及び/又は拡散処理を実施することができ、これにより1つ以上のシャロージャンクション領域に隣接する、1つ以上の「ポケット」領域、即ち、ジャンクションのポケット拡張部分を提供することができる。いくつかの例においては、このような構造は、より良好なデバイス特性を提供することができる。 Referring to FIG. 23a, in one example, the spacing (Ls) between word lines (WL) can be formed by a shallow junction, such as a shallow junction of an N + doped region, which is the source or drain region of a memory device. Can work as. As shown in FIG. 23a, additional implantation and / or diffusion processes such as tilt-angle pocket implantation can be performed, thereby adjoining one or more shallow junction regions, One or more “pocket” regions may be provided, ie, a pocket extension of the junction. In some examples, such a structure can provide better device characteristics.

個々のメモリデバイスを分離するのにSTIが用いられるいくつかの例において、特に、用いられるジャンクションバイアスがより高く上げられる場合には、STI領域のトレンチ(溝)深さは、Pウェル内の空乏幅より大きくすることができる。例えば、プログラム禁止(阻止)ビット線(群)(プログラミング中に非選択のビット線(群))については、ジャンクションバイアスは約7V程度まで高くすることができる。一例では、STI領域の深さは、約200nmから400nmの範囲内にすることができる。   In some instances where STI is used to isolate individual memory devices, especially when the junction bias used is raised higher, the trench depth of the STI region is depleted in the P-well. Can be larger than the width. For example, for a program inhibit (block) bit line (group) (a bit line (group) that is not selected during programming), the junction bias can be increased to about 7V. In one example, the depth of the STI region can be in the range of about 200 nm to 400 nm.

メモリアレイが製造された後に、Vt分布をタイト化する(Vtのばらつきを抑える)ために、メモリアレイの他の動作の前に、先ず、リセット動作を実行することができる。図24aは、このような動作の一例を示す。一例では、他のオペレーションが開始する前に、先ず、VG=約−7V及びVPウェル(VP−well)=+8Vを印加して、アレイをリセットすることができる(VG及びVP−wellの電圧降下は、各WL及びPウェル内のゲート電圧内に分配することができる。)。リセット中に、BL(群)は、フローティングにするか、又はPウェルと同電圧に上げることができる。図24bに示されるように、リセット動作は、優れた自己収束特性を提供することができる。一例では、SONONOSデバイス群が当初多様なVtに帯電されていても、リセット動作は、それらをリセット/消去状態へと「タイト化」することができる。一例では、リセット時間は約100msecである。この例において、メモリアレイは、Lg/W=0.22/0.16μmのN+ポリシリコンゲートを有する、ONONO=15/20/18/70/90オングストロームのnチャネルSONONOSデバイスを使用することができる。 After the memory array is manufactured, a reset operation can be performed first before other operations of the memory array in order to tighten the Vt distribution (to reduce Vt variation). FIG. 24a shows an example of such an operation. In one example, the array can be reset (VG and VP-well voltage drops) by first applying VG = approximately −7V and VP well (VP-well) = + 8V before other operations begin. Can be distributed within the gate voltage within each WL and P well.) During reset, BL (s) can be floated or raised to the same voltage as the P-well. As shown in FIG. 24b, the reset operation can provide excellent self-convergence characteristics. In one example, even though the SONONOS device group is initially charged to various Vt, the reset operation can “tighten” them into the reset / erase state. In one example, the reset time is about 100 msec. In this example, the memory array may use ONONO = 15/20/18/70/90 angstrom n-channel SONONOS devices with Lg / W = 0.22 / 0.16 μm N + polysilicon gates. it can.

一般に、従来のフローティングゲートデバイスは、自己収束消去を提供することができない。これに対して、SONONOSデバイスは、収束性のリセット/消去方法で動作させることができる。いくつかの例においては、この動作は不可欠なものとなり得る。なぜなら、処理の不均一性又はプラズマ帯電効果などのある種の処理上の問題によって、初期Vtの分布はしばしば広範囲に渡るからである。典型的な自己収束「リセット」は、メモリデバイス群の初期Vtの分布のタイト化、即ち、初期Vtの分布の範囲を狭めるのを助けることができる。   In general, conventional floating gate devices cannot provide self-converging erase. In contrast, SONONOS devices can be operated with a convergent reset / erase method. In some examples, this operation can be essential. This is because the initial Vt distribution is often wide due to certain processing problems such as processing non-uniformity or plasma charging effects. A typical self-convergence “reset” can help to tighten the initial Vt distribution of the memory devices, ie, narrow the range of the initial Vt distribution.

プログラミング動作の一例においては、選択されたWLには、チャネル+FN注入を生じさせるように、約+16Vから+20Vの電圧などの高い電圧を印加することができる。他のパスゲート(PASS gate)(他の非選択WL(群))は、NAND列における反転層を生じさせるように、オンとすることができる。いくつかの例においては、+FNプログラミングは、低電力方法であってよい。一例では、並列の4Kバイトのセルのページプログラミングなどの並列プログラミング方法は、プログラミングスループットを10MB/sec以上に増大させることができるが、その場合でも全電流消費を1mA以内に制御することができる。いくつかの例においては、他のBLにおけるプログラムディスターブを防止するために、約7Vの電圧などの高い電圧を、他のBLに印加することができる。これにより、反転層の電位がより高く上げられて、非選択BL(図25中のセルBなど)における電圧降下を抑制することができる。   In one example of a programming operation, a high voltage, such as a voltage of about + 16V to + 20V, can be applied to the selected WL to cause channel + FN injection. Other pass gates (other unselected WL (s)) can be turned on to produce inversion layers in the NAND string. In some examples, + FN programming may be a low power method. In one example, a parallel programming method such as page programming of parallel 4 Kbyte cells can increase the programming throughput to 10 MB / sec or more, but still can control the total current consumption to within 1 mA. In some examples, a high voltage, such as a voltage of about 7V, can be applied to other BLs to prevent program disturb in the other BLs. Thereby, the potential of the inversion layer is raised higher, and a voltage drop in the non-selected BL (such as the cell B in FIG. 25) can be suppressed.

読み出し動作のいくつかの例においては、選択されたWLは、消去された状態のレベル(EV)とプログラムされた状態のレベル(PV)との間の電圧へ上げることができる。他のWLは、「パスゲート」として働くことができ、それによりそれらのゲート電圧は、PVよりも高い電圧に上げることができる。いくつかの例においては、消去動作は、上述のリセット動作と同様であってよく、これは同じか又は類似のリセットVtへの自己収束を可能とすることができる。   In some examples of read operations, the selected WL can be raised to a voltage between the erased state level (EV) and the programmed state level (PV). Other WLs can act as “pass gates” so that their gate voltage can be raised to a higher voltage than PV. In some examples, the erase operation may be similar to the reset operation described above, which may allow self-convergence to the same or similar reset Vt.

図25は、メモリアレイの操作の一例を示す。プログラミングは、SONONOS窒化物捕捉層内への電子のチャネル+FN注入を含んでいてよい。いくつかの例は、Vg=約+18Vを選択されたWLN−1へ印加すること、及びVG=約+10VをBLT並びに他のWLへ印加することを含んでいてよい。セルBにおけるチャネルホットエレクトロン注入を防止するために、SLTはオフとすることができる。この例では、NAND列内の全てのトランジスタがオンとされるため、反転層は列を通過する。更に、BL1が接地されるため、BL1内の反転層はゼロ電位を有する。一方、他のBLは、約+7Vの電圧などの高い電位に上げられ、これにより他のBLの反転層の電位はより高くなる。   FIG. 25 shows an example of the operation of the memory array. Programming may include channeling electrons + FN injection into the SONONOS nitride trapping layer. Some examples may include applying Vg = about + 18V to the selected WLN-1 and applying VG = about + 10V to the BLT and other WLs. In order to prevent channel hot electron injection in cell B, the SLT can be turned off. In this example, since all the transistors in the NAND string are turned on, the inversion layer passes through the string. Furthermore, since BL1 is grounded, the inversion layer in BL1 has a zero potential. On the other hand, the other BLs are raised to a high potential such as a voltage of about + 7V, so that the potential of the inversion layer of the other BL becomes higher.

特に、プログラミングのために選択されたセルであるセルAに関しては、電圧降下は約+18Vであり、これは+FN注入を引き起こす。又、Vtは、PVへと上げることができる。セルBに関しては、電圧降下は+11Vであり、FN注入はVgに対して敏感であるため、これはかなり少ない+FN注入しか引き起こさない。セルCに関しては、+10Vしか印加されないので、+FN注入を引き起こさないか又は無視できるほど少ない+FN注入しか引き起こさない。いくつかの例においては、プログラミング動作は、例示した技術に限定されるものではない。言い換えれば、他の適切なプログラム禁止技術を適用することもできる。   In particular, for cell A, the cell selected for programming, the voltage drop is about + 18V, which causes + FN injection. Also, Vt can be raised to PV. For cell B, the voltage drop is + 11V and this causes only a little + FN injection since the FN injection is sensitive to Vg. For cell C, only + 10V is applied, so it does not cause + FN injection or negligibly little + FN injection. In some examples, the programming operation is not limited to the illustrated technique. In other words, other appropriate program prohibition techniques can be applied.

図24a、図26、及び図27は更に、アレイ動作のいくつかの例を示しており、又いくつかの例における耐久特性及び保持特性を示している。図示されているように、多数の動作サイクルの後のデバイスの劣化は、非常に小さいままであり得る。図24aは、典型的な消去動作を示しており、これはリセット動作と同様であってよい。一例では、消去は、セクタ単位又はブロック単位で行われる。前述したように、このメモリデバイスは、良好な自己収束消去特性を有し得る。いくつかの例においては、消去飽和Vtは、Vgに依存し得る。例えば、より高いVgは、より高い飽和Vtを生じさせることができる。図26Bに示されるように、収束時間は、約10〜100msecとすることができる。   FIGS. 24a, 26, and 27 further illustrate some examples of array operation, and show endurance and retention characteristics in some examples. As shown, device degradation after multiple operating cycles may remain very small. FIG. 24a shows a typical erase operation, which may be similar to a reset operation. In one example, erasure is performed in units of sectors or blocks. As described above, this memory device may have good self-converging erase characteristics. In some examples, the erase saturation Vt may depend on Vg. For example, a higher Vg can cause a higher saturation Vt. As shown in FIG. 26B, the convergence time can be about 10-100 msec.

図27は、典型的な読み出し動作を示す。一例では、読み出しは、消去された状態のVt(EV)とプログラムされた状態のVt(PV)との間のゲート電圧を印加することによって行うことができる。例えば、ゲート電圧は約5Vであってよい。一方、他のWLとBLT及びSLTには、約+9Vの電圧などのより高いゲート電圧が印加され、他のメモリセルの全てをオンとする。一例では、セルAのVtが5Vより高い場合には、読み出し電流は非常に小さくてよい(<0.1μA)。セルAのVtが5Vより低い場合には、読み出し電流はより高くてよい(>0.1μA)。その結果、メモリの状態、即ち、格納された情報を識別(決定)することができる。   FIG. 27 shows a typical read operation. In one example, the reading can be performed by applying a gate voltage between Vt (EV) in the erased state and Vt (PV) in the programmed state. For example, the gate voltage may be about 5V. On the other hand, a higher gate voltage such as a voltage of about +9 V is applied to the other WL, BLT, and SLT, turning on all other memory cells. In one example, if Vt of cell A is higher than 5V, the read current may be very small (<0.1 μA). If Vt of cell A is lower than 5V, the read current may be higher (> 0.1 μA). As a result, the state of the memory, that is, the stored information can be identified (determined).

いくつかの例においては、他のWLのためのパスゲート電圧は、高Vt状態、即ち、プログラムされた状態のVtよりも高くすべきであるが、しかしゲートディスターブを引き起こすほど高くし過ぎるべきではない。一例では、パスゲート電圧は、約7〜10Vの範囲内にある。BLに印加される電圧は、約1Vであってよい。より大きな読み出し電圧は、より大きな電流を生じさせることができるが、いくつかの例においては、リードディスターブ(読み出し阻害)がより顕著になることがある。いくつかの例においては、センシングアンプを、ソース線上(ソースセンシング)又はビット線上(ドレインセンシング)に配置することができる。   In some examples, the pass gate voltage for the other WL should be higher than the high Vt state, ie, the programmed state Vt, but not too high to cause gate disturb. . In one example, the pass gate voltage is in the range of about 7-10V. The voltage applied to BL may be about 1V. A larger read voltage can produce a larger current, but in some examples, read disturb may be more pronounced. In some examples, the sensing amplifier can be placed on the source line (source sensing) or on the bit line (drain sensing).

NAND列のいくつかの例は、1列当たり8、16又は32個のメモリデバイスを有し得る。より大きなNAND列は、オーバヘッドを低減する(より多く省く)ことができ、又アレイ効率を増大することができる。しかし、いくつかの例においては、読み出し電流がより小さくなることがあり、又ディスターブがより顕著になることがある。従って、適切なNAND列の数を、種々の設計、製造及び動作上のファクタに基づいて選択すべきである。   Some examples of NAND columns may have 8, 16 or 32 memory devices per column. Larger NAND strings can reduce overhead (and save more) and increase array efficiency. However, in some examples, the read current may be smaller and the disturb may be more pronounced. Therefore, the appropriate number of NAND strings should be selected based on various design, manufacturing and operational factors.

図28は、特定の典型的なデバイスのサイクル耐久特性を示す。図28を参照すると、+FNプログラム及び−FN消去を用いたP/Eサイクルを実行することができ、その結果は良好な耐久特性を示唆している。この例では、消去条件は、10msec間のVg=約−16Vである。いくつかの例においては、単一ショットのみの消去が必要とされ、又状態の確認は不要である。メモリのVtウインドウは、劣化がなく良好である。   FIG. 28 shows the cycle endurance characteristics of certain typical devices. Referring to FIG. 28, a P / E cycle with + FN program and -FN erase can be performed and the results suggest good endurance characteristics. In this example, the erase condition is Vg = about −16 V for 10 msec. In some examples, erasing of only a single shot is required and status confirmation is not required. The Vt window of the memory is good without deterioration.

図29a及び図29bは、典型的なメモリデバイスのIV特性を、異なる目盛を使用して示している。特に、図29aはデバイスの少ないスイング劣化を示しており、又図29bはデバイスの少ないgm劣化を示している。図30は、典型的なSONONOSデバイスの保持特性を示す。図30を参照すると、良好な保持能力が得られており、10Kサイクル後に、室温(常温)で200時間放置した後に動作されたデバイスに関して、電荷損失は100mV未満である。図30はまた、高温における許容し得る電荷損失を示している。   Figures 29a and 29b show the IV characteristics of a typical memory device using different scales. In particular, FIG. 29a shows low swing degradation of the device and FIG. 29b shows low gm degradation of the device. FIG. 30 shows the retention characteristics of a typical SONONOS device. Referring to FIG. 30, good retention capability has been obtained, and the charge loss is less than 100 mV for a device that was operated after 10K cycles and left at room temperature (room temperature) for 200 hours. FIG. 30 also shows acceptable charge loss at high temperatures.

いくつかの例においては、スプリットゲートSONONOS−NAND設計などのスプリットゲート設計を、メモリアレイの更に積極的な縮小化を達成するために用いることができる。図31は、このような設計を用いる一例を示す。図31を参照して、各ワード線間、即ち、同じビット線を共用する2つの隣接するメモリデバイス間の間隔(Ls)は、低減することができる。一例では、Lsは、約30nm又は30nm未満に縮めることができる。図示されるように、同じビット線に沿った、スプリットゲート設計を用いたメモリデバイス群は、1つのソース領域及び1つのドレイン領域だけを共有する。言い換えると、スプリットゲートSONONOS−NANDアレイは、メモリデバイスのいくつかのために、拡散領域、即ち、N+ドープ領域などのジャンクションを使用しないことが可能である。一例では、この設計は、いくつかの例においてはより複雑な製造工程を含むことがあるシャロージャンクション及び隣接「ポケット」の必要性を、低減又は除去することができる。更に、いくつかの例においては、この設計は、短チャネル効果により受ける影響がより少ない。これは、一例では、チャネル長が、例えばLg=2F−Lsへと増大されるなど、増大されたことによる。 In some examples, a split gate design such as a split gate SONONOS-NAND design can be used to achieve more aggressive shrinking of the memory array. FIG. 31 shows an example using such a design. Referring to FIG. 31, the distance (Ls) between each word line, that is, between two adjacent memory devices sharing the same bit line can be reduced. In one example, Ls can be reduced to about 30 nm or less than 30 nm. As shown, memory devices using a split gate design along the same bit line share only one source region and one drain region. In other words, the split gate SONONOS-NAND array may not use junctions such as diffusion regions, ie N + doped regions, for some of the memory devices. In one example, this design can reduce or eliminate the need for shallow junctions and adjacent “pockets” that, in some examples, can include more complex manufacturing processes. Furthermore, in some examples, this design is less affected by short channel effects. This is because, in one example, the channel length has been increased, for example to Lg = 2F-Ls.

図32は、スプリットゲート設計を用いたメモリアレイの典型的な製造工程を示す。この模式図は、単に説明のための一例であり、メモリアレイは種々の異なる方法において設計及び製造することができる。図32を参照して、メモリデバイスを提供するための材料による複数の層が形成された後、それらの層の上に形成されたハードマスクとしての酸化ケイ素構造を使用して、それらの層のパターニングを行うことができる。例えば、酸化ケイ素領域は、リソグラフィー及びエッチング処理によって画成することができる。一例では、最初の酸化ケイ素領域を画成するために用いられるパターンは、約Fの幅、及び約Fの酸化ケイ素領域間の間隔を有していてよく、結果として約2Fのピッチをもたらす。最初の酸化ケイ素領域がパターニングされた後に、次いで、各酸化ケイ素領域を拡大し又それらの間隔を狭めるために、上記パターニングされた領域の周囲に酸化ケイ素スペーサを形成することができる。   FIG. 32 illustrates a typical manufacturing process for a memory array using a split gate design. This schematic diagram is merely an illustrative example, and the memory array can be designed and manufactured in a variety of different ways. Referring to FIG. 32, after a plurality of layers are formed with materials to provide a memory device, the silicon oxide structure as a hard mask formed on those layers is used to form those layers. Patterning can be performed. For example, the silicon oxide region can be defined by lithography and etching processes. In one example, the pattern used to define the initial silicon oxide regions may have a width of about F and a spacing between the silicon oxide regions of about F, resulting in a pitch of about 2F. After the initial silicon oxide regions are patterned, silicon oxide spacers can then be formed around the patterned regions to enlarge each silicon oxide region and reduce their spacing.

図32を再度参照して、酸化ケイ素領域が形成された後、それをハードマスクとして利用してその下にある層の画成、即ち、パターニングを行い、1つ以上のメモリデバイス、例えば多数のNAND列を提供することができる。更に、隣接するメモリデバイス間の、例えば図32に示されるLs間隔などの空間を満たすために、酸化ケイ素などの絶縁材料を使用することができる。   Referring again to FIG. 32, after the silicon oxide region is formed, it is used as a hard mask to define, i.e., pattern, the underlying layer, and one or more memory devices, e.g., multiple A NAND string can be provided. Further, an insulating material such as silicon oxide can be used to fill a space between adjacent memory devices, such as the Ls spacing shown in FIG.

一例では、同一ビット線に沿った隣接するメモリデバイス間の間隔Lsは、約15nmから約30nmの範囲内とすることができる。前述したように、この例では、実効チャネル長は、2F−Lsに拡大することができる。一例では、Fが約30nmであり、又Lsが約15nmであれば、Leffは約45nmである。これらの典型的なメモリデバイスの操作に関しては、ゲート電圧は15V以下に低減することができる。更に、Ls間隔におけるスペーサのブレークダウンを避けるために、ワード線間におけるポリシリコン間電圧降下が7Vを越えないように設計することができる。一例では、これは、隣接するワード線間の電界を5MV/cm未満とすることによって達成することができる。   In one example, the spacing Ls between adjacent memory devices along the same bit line can be in the range of about 15 nm to about 30 nm. As described above, in this example, the effective channel length can be expanded to 2F-Ls. In one example, if F is about 30 nm and Ls is about 15 nm, Leff is about 45 nm. For the operation of these typical memory devices, the gate voltage can be reduced to 15V or less. Furthermore, in order to avoid spacer breakdown in the Ls interval, it can be designed so that the voltage drop between polysilicons between word lines does not exceed 7V. In one example, this can be achieved by making the electric field between adjacent word lines less than 5 MV / cm.

従来のNANDフローティングゲートデバイスにおける拡散ジャンクションを伴うLeffは、そのゲート長の約半分である。これに対して、一例では、提示した設計(スプリットゲートNAND)の場合、Fが約50nmであり、又Leffが約30nmであれば、Leffは約80nmである。より長いLeffは、短チャネル効果の影響を低減又は除去することによって、より良好なデバイス特性を提供することができる。   The Leff with diffusion junction in conventional NAND floating gate devices is about half of its gate length. In contrast, in one example, for the proposed design (split gate NAND), if F is about 50 nm and Leff is about 30 nm, Leff is about 80 nm. Longer Leff can provide better device characteristics by reducing or eliminating the effects of short channel effects.

前述したように、スプリットゲートNAND設計は、同一ビット線における隣接するメモリセル間の間隔(Ls)を更に縮小することができる。これに対して、従来のNAND型フローティングゲートデバイスは、フローティングゲート間の結合効果によってメモリウインドウが失われる(狭くなる)ことがあるため、小さい間隔を提供することができない。フローティングゲート間の結合は、隣接するフローティングゲート間の結合容量が大きいときの(隣接するフローティングゲート間の結合容量が非常に大きくなりリードディスターブが起きるほど、フローティングゲート間の間隔が小さいときの)隣接するメモリセル間の干渉である。前述したように、この設計は、いくつかの拡散ジャンクションの作製を不要にすることができ、又全てのワード線がオンにされれば、反転層は直接連結することが可能である。従って、この設計は、メモリデバイスの製造工程を簡略化することができる。   As described above, the split gate NAND design can further reduce the interval (Ls) between adjacent memory cells in the same bit line. On the other hand, the conventional NAND type floating gate device cannot provide a small interval because the memory window may be lost (narrowed) due to the coupling effect between the floating gates. Coupling between floating gates is when the coupling capacitance between adjacent floating gates is large (when the spacing between floating gates is so small that the coupling capacitance between adjacent floating gates becomes so large that read disturb occurs) Interference between memory cells. As previously mentioned, this design can eliminate the need for the creation of several diffusion junctions, and the inversion layers can be directly connected if all word lines are turned on. Thus, this design can simplify the memory device manufacturing process.

以上説明したように、メモリデバイスの構造設計、アレイ設計及び動作を含む上述のいくつかの例は、望ましいアレイ寸法、良好な信頼性、良好な性能、又はこれらのうちいずれかの組み合わせを提供することができる。上述のいくつかの実施形態は、NANDフラッシュメモリ及びデータアプリケーション用のフラッシュメモリなどの不揮発フラッシュメモリの寸法の縮小のために適用することができる。いくつかの実施形態は、一様で自己収束性のチャネルホットトンネリング消去が可能なSONONOSデバイスを提供することができる。又、いくつかの実施形態は、メモリデバイスの良好な耐久性を提供することができ、又、いくらかの消去不足又は過剰消去の問題を低減することができる。又、P/Eサイクル後の劣化が小さく電荷保持能力が良好であるなどの、良好なデバイス特性を提供することができる。メモリアレイ内のデバイスの一様性は、異常ビット又はセルを生じることなく提供することができる。更に、いくつかの実施形態は、スプリットゲートNAND設計により、良好な短チャネルデバイス特性を提供することができ、これによりメモリデバイスの動作中に良好なセンスマージンを提供することができる。   As explained above, the above examples, including memory device structural design, array design and operation, provide desirable array dimensions, good reliability, good performance, or any combination thereof. be able to. Some of the embodiments described above can be applied to reduce the size of non-volatile flash memory such as NAND flash memory and flash memory for data applications. Some embodiments can provide a SONONOS device capable of uniform, self-convergent channel hot tunneling erasure. Some embodiments may also provide good durability of the memory device and may reduce some under-erase or over-erase problems. In addition, it is possible to provide good device characteristics such as little deterioration after the P / E cycle and good charge retention capability. The uniformity of the devices in the memory array can be provided without producing abnormal bits or cells. In addition, some embodiments can provide good short channel device characteristics due to the split gate NAND design, which can provide good sense margin during operation of the memory device.

本発明の好適な実施形態の上記開示は、例示と説明のためになされたものである。これは、包括的なものではなく、本発明を開示された通りの形式に限定するもではない。本発明の広範な発明概念を逸脱することなく上記の実施形態に変更を行え得ることは当業者には理解されよう。従って、当然のことながら、本発明は開示された特定の実施形態に限定されず、添付した請求の範囲で限定される本発明の精神と範囲内でなされる変更も包含する。   The above disclosure of preferred embodiments of the present invention has been made for purposes of illustration and description. This is not exhaustive and does not limit the invention to the precise form disclosed. Those skilled in the art will appreciate that changes can be made to the above embodiments without departing from the broad inventive concept of the invention. Accordingly, it is to be understood that the invention is not limited to the specific embodiments disclosed, but also encompasses modifications made within the spirit and scope of the invention as defined by the appended claims.

Claims (11)

半導体基板上に配置された複数のメモリセルを有するメモリアレイの操作方法であり、前記メモリセルのそれぞれは、前記基板の表面より下に配置され且つチャネル領域によって分離されたソース領域及びドレイン領域と、前記チャネル領域より上に配置されたトンネル誘電体構造であって、低いホールトンネリング障壁高さを有する少なくとも1つの層を備えたトンネル誘電体構造と、前記トンネル誘電体構造より上に配置された電荷蓄積層と、前記電荷蓄積層より上に配置された絶縁層と、前記絶縁層より上に配置されたゲート電極と、を有する前記方法であって、
自己収束リセット/消去電圧を、前記基板及びリセット/消去されるべき各メモリセルにおける前記ゲート電極へ印加する工程と、
前記複数のメモリセルのうち少なくとも1つをプログラムする工程と、
前記メモリデバイス群のうち少なくとも1つの消去された状態のレベルとプログラムされた状態のレベルとの間の電圧を印加することによって前記複数のメモリセルのうち少なくとも1つを読み出す工程と、
を有することを特徴とする方法。
A method of operating a memory array having a plurality of memory cells disposed on a semiconductor substrate, each of the memory cells comprising a source region and a drain region disposed below the surface of the substrate and separated by a channel region A tunnel dielectric structure disposed above the channel region, the tunnel dielectric structure comprising at least one layer having a low hole tunneling barrier height, and disposed above the tunnel dielectric structure The method comprising: a charge storage layer; an insulating layer disposed above the charge storage layer; and a gate electrode disposed above the insulating layer,
Applying a self-focusing reset / erase voltage to the gate electrode in the substrate and each memory cell to be reset / erased;
Programming at least one of the plurality of memory cells;
Reading at least one of the plurality of memory cells by applying a voltage between at least one erased state level and a programmed state level of the memory device group;
A method characterized by comprising:
更に、自己収束リセット/消去電圧を、前記基板及び前記少なくとも1つのプログラムされたメモリセルにおける前記ゲート電極に印加する工程を有することを特徴とする請求項16に記載の方法。   The method of claim 16, further comprising applying a self-converging reset / erase voltage to the gate electrode in the substrate and the at least one programmed memory cell. 自己収束リセット/消去電圧を印加する工程は、負のゲート電圧Vgと、基板電圧Vsと、を印加することを含み、約−20Vから約−12Vの電位差Vg−Vsを有することを特徴とする請求項16に記載の方法。   The step of applying the self-convergence reset / erase voltage includes applying a negative gate voltage Vg and a substrate voltage Vs, and has a potential difference Vg−Vs of about −20V to about −12V. The method of claim 16. 前記少なくとも1つのプログラムされたメモリセルに自己収束リセット/消去電圧を印加する工程は、負のゲート電圧Vgと、基板電圧Vsと、を印加することを含み、約−20Vから約−12Vの電位差Vg−Vsを有することを特徴とする請求項16に記載の方法。   The step of applying a self-focusing reset / erase voltage to the at least one programmed memory cell includes applying a negative gate voltage Vg and a substrate voltage Vs, the potential difference being about −20V to about −12V. The method of claim 16, comprising Vg−Vs. 自己収束リセット/消去電圧を印加する工程は、約−20Vから約−12Vのゲート電圧を印加すること及び前記基板を接地することを含むことを特徴とする請求項16に記載の方法。   The method of claim 16, wherein applying a self-converging reset / erase voltage comprises applying a gate voltage of about -20V to about -12V and grounding the substrate. 自己収束リセット/消去電圧を印加する工程は、約−10Vから約−2Vのゲート電圧及び約+5Vから約+10Vの基板電圧を印加することを含むことを特徴とする請求項16に記載の方法。   The method of claim 16, wherein applying the self-converging reset / erase voltage comprises applying a gate voltage of about -10V to about -2V and a substrate voltage of about + 5V to about + 10V. 前記メモリアレイはNORアーキテクチャを有し、プログラムする工程はチャネルホットエレクトロン注入を含むことを特徴とする請求項16に記載の方法。   The method of claim 16, wherein the memory array has a NOR architecture and the step of programming includes channel hot electron injection. 前記メモリアレイはNANDアーキテクチャを有し、プログラムする工程はチャネル+FN注入を含むことを特徴とする請求項16に記載の方法。   The method of claim 16, wherein the memory array has a NAND architecture and the programming step includes channel + FN implantation. 前記メモリアレイはNORアーキテクチャを有し、プログラムする工程はチャネルイニシエイテッドセカンダリーエレクトロン注入を含むことを特徴とする請求項16に記載の方法。   The method of claim 16, wherein the memory array has a NOR architecture, and the step of programming includes channel initiated secondary electron injection. 前記メモリセル群のうち少なくとも1つをプログラムする工程は、約+16Vから約+20Vの電圧を少なくとも1つの選択されたワード線に印加すること及び前記基板を接地することを含むことを特徴とする請求項23に記載の方法。   The step of programming at least one of the group of memory cells includes applying a voltage of about + 16V to about + 20V to at least one selected word line and grounding the substrate. Item 24. The method according to Item 23. 前記少なくとも1つのメモリセルをプログラムする工程は更に、約+7Vの電圧を少なくとも1つの選択されていないビット線に印加することを含むことを特徴とする請求項25に記載の方法。   26. The method of claim 25, wherein programming the at least one memory cell further comprises applying a voltage of about + 7V to at least one unselected bit line.
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