JP2754887B2 - Nonvolatile semiconductor memory device and write / erase method therefor - Google Patents

Nonvolatile semiconductor memory device and write / erase method therefor

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JP2754887B2
JP2754887B2 JP22310190A JP22310190A JP2754887B2 JP 2754887 B2 JP2754887 B2 JP 2754887B2 JP 22310190 A JP22310190 A JP 22310190A JP 22310190 A JP22310190 A JP 22310190A JP 2754887 B2 JP2754887 B2 JP 2754887B2
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Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 この発明は半導体記憶装置、特に電気的に書き込み消
去可能な不揮発性半導体記憶装置(ELECTRICALLY ERASA
BLE PROM;EEPROM)に関するものである。
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION [Industrial Application Field] The present invention relates to a semiconductor memory device, in particular, an electrically writable and erasable nonvolatile semiconductor memory device (ELECTRICALLY ERASA).
BLE PROM; EEPROM).

〔従来の技術〕[Conventional technology]

第6図は従来の書き込みをアバランシェ注入、消去を
F−Nトンネリングで行う半導体記憶装置(EEPROM)で
あって、電気的にデータの書き込み及び消去を行う1つ
の半導体記憶素子(以下メモリセルと称す)を示す構造
断面図である。
FIG. 6 shows a conventional semiconductor memory device (EEPROM) in which avalanche injection is performed for writing and FN tunneling is performed for erasing, and one semiconductor memory element (hereinafter referred to as a memory cell) for electrically writing and erasing data. FIG.

なお通常のEPROMも類似の構造である。 A normal EPROM has a similar structure.

図において、(1)は濃度約1.5×1015/cm3、比抵抗
約10Ω−cmのP型シリコン半導体基板、(2)は上記シ
リコン基板(1)上に形成された濃度約1×1016/cm3
ウェル領域、(3)はシリコン基板(1)の主面上に形
成された厚さ約100Åのトンネル酸化膜(ゲート酸化
膜)、(4)はこのゲート酸化膜(3)上に形成された
多結晶シリコン層からなるフローティングゲート、
(5)はこのフローティングゲート(4)上に形成され
た層間絶縁膜、(6)はこの層間絶縁膜上に形成された
多結晶シリコン層からなるコントロールゲート、(7)
は砒素を1×1020/cm3導入して形成されたN+型のソース
領域で、ソース線(図示せず)に接続されているもので
ある。(8)はソース領域と同様のドレイン領域、
(9)は図示から明らかな如くドレイン領域に直接接続
され、アルミ合金で形成されたビット線である。
In the figure, (1) is a P-type silicon semiconductor substrate having a concentration of about 1.5 × 10 15 / cm 3 and a specific resistance of about 10 Ω-cm, and (2) is a concentration of about 1 × 10 5 formed on the silicon substrate (1). A well region of 16 / cm 3 , (3) a tunnel oxide film (gate oxide film) having a thickness of about 100 ° formed on the main surface of the silicon substrate (1), and (4) a gate oxide film (3) A floating gate made of a polycrystalline silicon layer formed thereon,
(5) is an interlayer insulating film formed on the floating gate (4), (6) is a control gate made of a polycrystalline silicon layer formed on the interlayer insulating film, (7)
Is an N + type source region formed by introducing arsenic at 1 × 10 20 / cm 3, which is connected to a source line (not shown). (8) is a drain region similar to the source region,
(9) is a bit line directly connected to the drain region and made of an aluminum alloy, as is apparent from the drawing.

次にこのEEPROMの動作について説明する。メモリセル
へのデータの書き込みは、外部から与えられた高電圧の
12.5Vがコントロールゲート(6)に、そしてN+型ドレ
イン領域(8)には負荷抵抗を介して上記外部から与え
られた高電圧から8Vに降圧された電圧が印加される。一
方N+ソース領域(7)はソース線を介して接地された接
地電位(GND)となる。このとき、N+ソース領域(7)
からN+ドレイン領域(8)に向けて電子が移動し、この
メモリセルには約0.5mA程度の電流が流れる。このとき
移動する電子は、ドレイン領域(8)近傍の高電界によ
り加速され、シリコン基板(1)の表面からゲート酸化
膜(3)へのエネルギー障壁3.2eVを越す高いエネルギ
ーを得る。この高いエネルギーを得た電子はホットエレ
クトロンと呼ばれ、その一部はゲート酸化膜(3)の障
壁をとびこえてコントロールゲート(6)の高電圧に引
かれてフローティングゲート(4)に注入される。こう
してフローティングゲート(4)は負に帯電した状態に
なる。この状態をデータの「0」に対応させている。メ
モリセルの消去は、外部から与えられた高電圧の12.5V
をソース線を介してソース領域(7)に印加する。一方
コントロールゲート(6)は接地されて接地電位(GN
D)となり、ドレイン領域(8)はフローティング状態
にされる。
Next, the operation of this EEPROM will be described. Writing data to a memory cell is performed by applying a high-voltage applied externally.
12.5V is applied to the control gate (6), and the N + type drain region (8) is applied with a voltage stepped down from the externally applied high voltage to 8V via a load resistor. On the other hand, the N + source region (7) has a ground potential (GND) grounded via the source line. At this time, the N + source region (7)
Electrons move toward the N + drain region (8), and a current of about 0.5 mA flows through this memory cell. At this time, the moving electrons are accelerated by a high electric field near the drain region (8) and obtain high energy exceeding an energy barrier of 3.2 eV from the surface of the silicon substrate (1) to the gate oxide film (3). The electrons that have obtained this high energy are called hot electrons, and a part of them is pulled over by the high voltage of the control gate (6) over the barrier of the gate oxide film (3) and injected into the floating gate (4). You. Thus, the floating gate (4) is in a negatively charged state. This state corresponds to "0" of the data. Erase of memory cell is performed by externally applied high voltage 12.5V
Is applied to the source region (7) via the source line. On the other hand, the control gate (6) is grounded and the ground potential (GN
D), and the drain region (8) is in a floating state.

このとき、フローティングゲート(4)とソース領域
(7)の間のゲート酸化膜()に高電界が発生してF−
Nトンネリングが生じ、フローティングゲート(4)と
ソース領域(7)との間にトンネル電流が流れる。この
ようにしてフローティングゲート(4)は電気的に中性
の状態もしくは正に帯電した状態となる。この状態をデ
ータの「1」に対応させている。
At this time, a high electric field is generated in the gate oxide film () between the floating gate (4) and the source region (7), and F-
N tunneling occurs, and a tunnel current flows between the floating gate (4) and the source region (7). Thus, the floating gate (4) is in an electrically neutral state or a positively charged state. This state corresponds to data “1”.

〔発明が解決しようとする課題〕[Problems to be solved by the invention]

従来の書き込みをアバランシェ注入、消去をF−Nト
ンネリングで行うEEPROMは以上のように、 (イ)書き込み時のドレイン領域(8)に印加される電
圧8Vで、この時に流れる電流が0.5〜1mAもあり書き込み
に要する電力が大きいので、外部から印加され、種々の
周辺回路を駆動するための5Vの電源電位に基づいてメモ
リセルが形成される半導体基板に形成される昇圧回路、
いわゆるオンチップ昇圧回路によって昇圧した電位(8
V)をドレイン領域(8)に印加することには無理があ
り、外部から与えられる高電圧を負荷抵抗を介して降圧
した電位(8V)をドレイン領域(8)に印加せざるを得
ず、5V単一電源化が困難であった。
As described above, the conventional EEPROM in which avalanche injection is performed for writing and FN tunneling is performed for erasing is as follows. (A) When the voltage is applied to the drain region (8) at the time of writing, the current flowing at this time is 0.5 to 1 mA Since the power required for writing is large, a booster circuit formed on a semiconductor substrate on which a memory cell is formed based on a power supply potential of 5 V applied from the outside and driving various peripheral circuits,
The potential boosted by the so-called on-chip booster circuit (8
It is impossible to apply V) to the drain region (8), and it is necessary to apply a potential (8 V) obtained by stepping down a high voltage given from outside via a load resistor to the drain region (8). It was difficult to use a single 5V power supply.

(ロ)また本構造のメモリセルでは選択トランジスタを
有していない、つまり、ドレイン領域(8)が直接ビッ
ト線(9)に接続され、ソース領域(7)がソース線に
接続されている構成をとっているので、通常消去は全デ
ータを一括して行うか、または小さな単位としても数キ
ロバイト単位で行なわれる。従って、消去時1メモリセ
ル当りに流れる電流がnAのオーダ(特に接合のリーク電
流)であっても、キロバイトないしメガバイト単位で消
去を行なうと、μA〜mAオーダの電流が流れてしまう。
この為に消去時のソース領域(7)に印加する高電圧
も、上記と同様の理由によりオンチップ昇圧回路内で発
生させることは不可能である。
(B) The memory cell of this structure does not have a select transistor, that is, the drain region (8) is directly connected to the bit line (9), and the source region (7) is connected to the source line. Therefore, the erasure is usually performed in a lump of all data or in a unit of several kilobytes even in a small unit. Therefore, even if the current flowing per memory cell at the time of erasing is on the order of nA (especially junction leakage current), if erasing is performed in units of kilobytes or megabytes, a current on the order of μA to mA will flow.
For this reason, a high voltage applied to the source region (7) at the time of erasing cannot be generated in the on-chip booster circuit for the same reason as described above.

上記(イ)の書き込み時のドレイン領域(8)に印加
される電圧については、高集積化に伴うスケーリングに
よってウェル領域(2)の不純物濃度が高くなるにした
がい、ホットエレクトロンの発生率が上がるので、印加
電圧8Vは低下していく可能性がある。第2図にその例を
示す。これはウェル濃度およびドレイン構造の最適化に
よりドレイン電圧5V、ゲート電圧12Vで書き込みができ
た例である。図示のごとく、パルス巾10μSecで充分な
書き込みが行なわれており、実用的な動作特性が得られ
ている。書き込み時コントロールゲート(6)に印加さ
れる高電圧12Vは、電流がほとんど流れないので書き込
み電力が小さくてよく、外部から印加される5Vの電源電
位に基づいてオンチップ昇圧回路によって昇圧した電位
(12V)をコントロールゲート(6)に印加しても問題
なく駆動でき、外部から印加される5Vの電源電位によっ
てメモリセルへのデータの書き込みを行えることになる
ものである。
Regarding the voltage applied to the drain region (8) at the time of writing (a), as the impurity concentration in the well region (2) increases due to scaling accompanying high integration, the generation rate of hot electrons increases. However, the applied voltage 8V may decrease. FIG. 2 shows an example. This is an example in which writing can be performed with a drain voltage of 5 V and a gate voltage of 12 V by optimizing the well concentration and the drain structure. As shown, sufficient writing has been performed with a pulse width of 10 μSec, and practical operating characteristics have been obtained. The high voltage 12V applied to the control gate (6) at the time of writing requires little writing power because almost no current flows, and the potential boosted by the on-chip boosting circuit based on the power supply potential of 5V applied from the outside ( Even if 12V) is applied to the control gate (6), driving can be performed without any problem, and data can be written to the memory cell by a power supply potential of 5V applied from the outside.

一方上記(ロ)の消去動作にはF−Nトンネリングを
用いるために、ソース領域(7)とフローティングゲー
ト(4)の間のゲート酸化膜に10MV/cm以上の高電界が
必要である。さらにゲート酸化膜(3)の膜厚はデバイ
ス特性や信頼性上の問題から、極端に薄くすることは出
来ない。このような理由によりソース領域(7)に印加
する電圧を下げることは困難である。
On the other hand, since the FN tunneling is used in the erasing operation (b), a high electric field of 10 MV / cm or more is required in the gate oxide film between the source region (7) and the floating gate (4). Further, the thickness of the gate oxide film (3) cannot be extremely reduced due to problems in device characteristics and reliability. For this reason, it is difficult to lower the voltage applied to the source region (7).

さらに上記のように書き込み電圧を下げるために、ま
た微細トランジスタの動作のためにウェル濃度を高めて
いくと、接合耐圧が低下し、消去動作によりデバイスに
大きな劣化が生じることになる。即ちコントロールゲー
ト(6)を接地電位とし、ソース(7)に高電圧を印加
すると、フローティングゲート(4)とソース領域
(7)の重なりの部分でバンド間トンネリング現象が生
じる。このバンド間トンネリングにより発生した電子−
ホール対のうちのホールがソース領域(7)の正電位に
より反発してチャネル領域あるいは基板(1)の方に流
れていく。このとき上記のようにウェル濃度が高くソー
ス領域(7)の接合耐圧が低くなっている。
Further, as described above, when the well concentration is increased for lowering the writing voltage and for operating the fine transistor, the junction breakdown voltage is reduced, and the device is greatly deteriorated by the erasing operation. That is, when the control gate (6) is set to the ground potential and a high voltage is applied to the source (7), an inter-band tunneling phenomenon occurs at the overlapping portion of the floating gate (4) and the source region (7). The electrons generated by this inter-band tunneling
Holes of the hole pairs are repelled by the positive potential of the source region (7) and flow toward the channel region or the substrate (1). At this time, the well concentration is high and the junction breakdown voltage of the source region (7) is low as described above.

言い換えれば、アバランシェ現象が起こりやすくなっ
ていると、この発生したホールがアバランシェ降伏を起
こし、多量に生成されたホールが縦方向電界にひかれて
フローティングゲート(4)に注入される。
In other words, if the avalanche phenomenon is likely to occur, the generated holes cause avalanche breakdown, and a large number of generated holes are attracted to the vertical electric field and injected into the floating gate (4).

つまりウェル濃度が高くなってくるとF−Nトンネリ
ングによるフローティングゲート(4)からソース領域
(7)への電子の引き抜きよりも、フローティングゲー
ト(4)とソース領域(7)間の縦方向電界によりバン
ド間トンネリングが起き、電子−ホール対が発生し、こ
のホールがソース領域(7),ドレイン領域(8)間の
横方向電界により加速されてアバランシェ降伏を起こ
し、多量に生成されたホットホールの注入により消去が
起きるようになってくる。
In other words, when the well concentration becomes higher, the vertical electric field between the floating gate (4) and the source region (7) is more effective than the extraction of electrons from the floating gate (4) to the source region (7) by FN tunneling. Band-to-band tunneling occurs, and electron-hole pairs are generated. These holes are accelerated by a lateral electric field between the source region (7) and the drain region (8), causing avalanche breakdown, and generating a large amount of hot holes. Erasing is caused by the implantation.

そしてゲート酸化膜(3)に対しては、電子の注入に
比較してホールの注入は大きなダメージを与えることが
知られており、上記のようなホットホール注入による消
去では、ゲート酸化膜(3)が急速に劣化し、書き換え
回数を確保することができない。
It is known that hole injection causes a greater damage to the gate oxide film (3) than electron injection. ) Deteriorates rapidly and the number of rewrites cannot be secured.

この発明は上記のような問題点を解消するためになさ
れたもので、単一電源で動作可能でかつ、データの書き
換え回数の増大された不揮発性半導体記憶装置(EEPRO
M)を得ることを目的としている。
SUMMARY OF THE INVENTION The present invention has been made to solve the above problems, and has been made in consideration of a non-volatile semiconductor memory device (EEPRO) operable with a single power supply and having an increased number of data rewrites.
M) is intended to gain.

〔課題を解決するための手段〕[Means for solving the problem]

第1の発明に係る不揮発性半導体記憶装置は、第1導
電型の半導体基板の一主面に形成され、ソース線に接続
された第2導電型のソース領域と、前記半導体基板の一
主面に前記ソース領域からチャネル領域を介して形成さ
れ、ビット線に直接接続された第2導電型のドレイン領
域と、前記チャネル領域上に絶縁膜を介して形成された
フローティングゲートと、このフローティングゲートの
表面上に絶縁膜を介して対向して形成されたコントロー
ルゲートとを有するトランジスタ素子のみからなるメモ
リセル、および、前記半導体基板の一主面に形成され、
前記メモリセルのデータ消去時に、第1の幅を有した負
の電位からなる第1のパルスを前記コントロールゲート
に印加するとともに、前記ソース線を介して、前記第1
の幅より狭い第2の幅を有した正の電位からなる第2の
パルスを、前記第1のパルスの印加期間内に前記ソース
領域に印加する書き込み・消去手段を備えたものであ
る。
A nonvolatile semiconductor memory device according to a first aspect of the present invention includes a second conductive type source region formed on one main surface of a first conductive type semiconductor substrate and connected to a source line, and one main surface of the semiconductor substrate. A drain region of the second conductivity type formed from the source region via the channel region and directly connected to the bit line; a floating gate formed on the channel region via an insulating film; A memory cell consisting solely of a transistor element having a control gate and a control gate formed facing each other with an insulating film interposed therebetween, and formed on one main surface of the semiconductor substrate;
When erasing data in the memory cell, a first pulse having a first width and a negative potential is applied to the control gate, and the first pulse is supplied to the control gate via the source line.
And a write / erase means for applying a second pulse of a positive potential having a second width smaller than the width of the first pulse to the source region within an application period of the first pulse.

さらに、第2の発明に係る不揮発性半導体記憶装置
は、書き込み・消去手段が、メモリセルのデータ書き込
み時に、第3の幅を有した正の電位からなる第3のパル
スをコントロールゲートに印加し、ビット線を介して、
前記第3の幅より狭い第4の幅を有した、前記第3のパ
ルスの正の電位より低い正の電位からなる第4のパルス
を、前記第3のパルスの印加期間内にドレイン領域に印
加するとともに、接地電位をソース領域に印加する印加
手段をさらに備えたものである。
Further, in the nonvolatile semiconductor memory device according to the second invention, the write / erase means applies a third pulse having a third width and having a positive potential to the control gate when writing data to the memory cell. , Via the bit line,
A fourth pulse having a fourth width smaller than the third width and having a positive potential lower than the positive potential of the third pulse is supplied to the drain region within the application period of the third pulse. In addition to the applying means, an applying means for applying the ground potential to the source region is further provided.

また、第3の発明に係る不揮発性半導体記憶装置は、
半導体基板が、その一主面に形成された、前記半導体基
板の濃度より高濃度の第1導電型の半導体ウエル領域を
さらに備えるとともに、ソース領域とドレイン領域とが
前記半導体ウエル領域の一主面に形成されたものであ
る。
Further, the nonvolatile semiconductor memory device according to the third invention is characterized in that:
The semiconductor substrate further includes a semiconductor well region of a first conductivity type having a higher concentration than that of the semiconductor substrate formed on one main surface of the semiconductor substrate, and a source region and a drain region are formed on one main surface of the semiconductor well region. It is formed in.

さらに、第4の発明に係る不揮発性半導体記憶装置
は、外部から印加される第一電源電位によって駆動され
る不揮発性半導体記憶装置において、第1導電型の半導
体基板の一主面に形成され、ソース線に接続された第2
導電型のソース領域と、前記半導体基板の一主面に前記
ソース領域からチャネル領域を介して形成され、ビット
線に直接接続された第2導電型のドレイン領域と、前記
チャネル領域上に絶縁膜を介して形成されたフローティ
ングゲートと、このフローティングゲートの表面上に絶
縁膜を介して対向して形成されたコントロールゲートと
を有するトランジスタ素子のみからなるメモリセル、お
よび、前記半導体基板の一主面に形成され、前記単一電
源電位によって駆動され、負の電位を出力する内部負電
位発生手段と、前記メモリセルのデータ消去時に、前記
内部負電位発生手段から出力された、第1の幅を有した
負の電位からなる第1のパルスを前記コントロールゲー
トに印加するとともに、前記ソース線を介して、前記単
一電源電位に基づいた、前記第1の幅より狭い第2の幅
を有した正の電位からなる第2のパルスを、前記第1の
パルスの印加期間内に前記ソース領域に印加する電位印
可手段とを有した書き込み・消去手段を備えたものであ
る。
Further, the nonvolatile semiconductor memory device according to the fourth invention is formed on one main surface of the first conductivity type semiconductor substrate in the nonvolatile semiconductor memory device driven by the first power supply potential applied from the outside. The second connected to the source line
A conductive type source region, a second conductive type drain region formed on one main surface of the semiconductor substrate from the source region via a channel region and directly connected to a bit line, and an insulating film on the channel region A memory cell consisting solely of a transistor element having a floating gate formed through the substrate and a control gate formed on the surface of the floating gate so as to oppose the insulating gate via an insulating film, and one main surface of the semiconductor substrate An internal negative potential generating means driven by the single power supply potential and outputting a negative potential; and a first width output from the internal negative potential generating means when data is erased from the memory cell. A first pulse having a negative potential is applied to the control gate, and based on the single power supply potential via the source line. And a potential applying means for applying a second pulse composed of a positive potential having a second width smaller than the first width to the source region within an application period of the first pulse. It is provided with writing / erasing means.

また、第5の発明に係る不揮発性半導体記憶装置は、
単一電源電位によって駆動され、前記単一電源電位より
高い正の電位を出力する内部高電位発生手段をさらに備
えるとともに、書き込み・消去手段が、メモリセルのデ
ータ書き込み時に、前記内部高電位発生手段から出力さ
れた、第3の幅を有した正の電位からなる第3のパルス
をコントロールゲートに印加し、前記ビット線を介し
て、前記単一電源電位に基づいた、前記第3の幅より狭
い第4の幅を有した、前記第3のパルスの正の電位より
低い正の電位からなる第4のパルスを、前記第3のパル
スの印加期間内にドレイン領域に印加するとともに、接
地電位をソース領域に印加する電位印加手段をさらに備
えたものである。
Further, the nonvolatile semiconductor memory device according to the fifth invention is characterized in that:
An internal high-potential generating means driven by a single power supply potential and outputting a positive potential higher than the single power-supply potential; and And a third pulse having a third potential and having a third potential and output from the third gate based on the single power supply potential is applied to the control gate via the bit line. A fourth pulse having a narrow fourth width and having a positive potential lower than the positive potential of the third pulse is applied to the drain region within an application period of the third pulse, and a ground potential is applied. Is further provided to apply a potential to the source region.

さらに、第6の発明に係る不揮発性半導体記憶装置の
書き込み・消去方法は、第1導電型の半導体基板の一主
面に形成され、ソース線に接続された第2導電型のソー
ス領域と、前記半導体基板の一主面に前記ソース領域か
らチャネル領域を介して形成され、ビット線に直接接続
された第2導電型のドレイン領域と、前記チャネル領域
上に絶縁膜を介して形成されたフローティングゲート
と、このフローティングゲートの表面上に絶縁膜を介し
て対向して形成されたコントロールゲートとを有するト
ランジスタ素子のみからなるメモリセルを備えた不揮発
性半導体記憶装置の書き込み・消去方法において、前記
メモリセルのデータ消去時に、第1の幅を有した負の電
位からなる第1のパルスを前記コントロールゲートに印
加した後に、前記ソース線を介して、前記第1の幅より
狭い第2の幅を有した正の電位からなる第2のパルス
を、前記第1のパルスの印加期間内に前記ソース領域に
印加して、前記フローティングゲートに蓄積された電子
を引き抜くものである。
Further, a writing / erasing method for a nonvolatile semiconductor memory device according to a sixth aspect of the present invention includes a second conductivity type source region formed on one main surface of the first conductivity type semiconductor substrate and connected to a source line; A second conductivity type drain region formed on the one main surface of the semiconductor substrate from the source region via a channel region and directly connected to a bit line; and a floating region formed on the channel region via an insulating film. In a method for writing and erasing a nonvolatile semiconductor memory device comprising a memory cell comprising only a transistor element having a gate and a control gate formed on a surface of the floating gate so as to face through an insulating film, the memory At the time of erasing data from the cell, after applying a first pulse of a negative potential having a first width to the control gate, Applying, via a line, a second pulse of a positive potential having a second width smaller than the first width to the source region within an application period of the first pulse; This is to extract the electrons accumulated in the gate.

また、第7の発明に係る不揮発性半導体装置の書き込
み・消去方法は、メモリセルのデータ書き込み時に、第
3の幅を有した正の電位からなる第3のパルスをコント
ロールゲートに印加し、ビット線を介して、前記第3の
幅より狭い第4の幅を有した、前記第3のパルスの正の
電位より低い正の電位からなる第4のパルスを、前記第
3のパルスの印加期間内にドレイン領域に印加するとと
もに、接地電位をソース領域に印加して、フローティン
グゲートに電子を蓄積させることをさらに備えたもので
ある。
In the method for writing / erasing data in a nonvolatile semiconductor device according to a seventh aspect of the present invention, at the time of writing data to a memory cell, a third pulse of a positive potential having a third width is applied to the control gate, A fourth pulse having a fourth width smaller than the third width and having a positive potential lower than the positive potential of the third pulse is applied through a line to an application period of the third pulse. And applying a ground potential to the source region to accumulate electrons in the floating gate.

〔作用〕[Action]

第1および第2の発明にあっては、書き込み・消去手
段がデータ消去時にコントロールゲートに負の電位から
なる第1のパルスを印加することで、容量カップリング
によりフローティングゲートの電位を下げてソース領域
に印加する第2のパルスの正の電位を低くし、ソース領
域−ドレイン間の横方向電界を小さくしてホットホール
の生成を減少できるとともに、コントロールゲートに印
加するための負の電位およびソース領域に印加するため
の正の電位を外部から印加される同じ電源電位にて発生
でき、さらに、ソース領域に第1のパルスの印加期間内
に第1と幅より狭い第2の幅を有した正の電位からなる
第2のパルスを与えることによりソース領域からドレイ
ン領域へ流れるチャージ電流を抑えられ、チャージ電流
によるホッホールの生成も抑えられる。
In the first and second inventions, the writing / erasing means applies a first pulse having a negative potential to the control gate at the time of data erasing, thereby lowering the potential of the floating gate by capacitive coupling to reduce the source. The positive potential of the second pulse applied to the region can be reduced, the lateral electric field between the source region and the drain can be reduced to reduce the generation of hot holes, and the negative potential for applying to the control gate and the source can be reduced. A positive potential for application to the region can be generated at the same power supply potential applied from the outside, and the source region has a second width smaller than the first and the width within the application period of the first pulse. By giving the second pulse having a positive potential, the charge current flowing from the source region to the drain region can be suppressed, and the Hophole due to the charge current can be reduced. Formed can be suppressed.

さらに、第3の発明にあっては、メモリセルのトラン
ジスタ素子のソース領域およびドレイン領域を基板濃度
より高濃度の半導体ウエル領域に形成しているため、デ
ータ書き込み時にドレイン領域に印加される電位を低く
できて、コントロールゲートに印加するための電位およ
びドレイン領域に印加するための電位を外部から印加さ
れる同じ電源電位にて発生できるとともに、書き込み・
消去手段が、データ消去時にコントロールゲートに負の
電位からなる第1のパルスを印加することにより、容量
カップリングによりフローティングゲートの電位が下げ
られてソース領域に印加する第2のパルスの正の電位を
低くでき、ソース領域−ドレイン間の横方向電界を小さ
くしてホットホールの生成を減少できるとともに、コン
トロールゲートに印加するための負の電位およびソース
領域に印加するための正の電位を、外部から印加される
同じ電源電位にて発生できる。
Further, in the third invention, since the source region and the drain region of the transistor element of the memory cell are formed in the semiconductor well region having a higher concentration than the substrate concentration, the potential applied to the drain region at the time of data writing is reduced. The potential for application to the control gate and the potential for application to the drain region can be generated at the same power supply potential applied from the outside,
The erasing means applies a first pulse having a negative potential to the control gate at the time of data erasure, whereby the potential of the floating gate is lowered by capacitive coupling and the positive potential of the second pulse applied to the source region is reduced. , The generation of hot holes can be reduced by reducing the lateral electric field between the source region and the drain, and the negative potential applied to the control gate and the positive potential applied to the source Can be generated at the same power supply potential applied from the power supply.

また、第4および第5の発明にあっては、データ消去
時にコントロールゲートに負の電位を印加するようにし
たため、コントロールゲートに負の電位を印加するため
の書き込み・消去手段の内部負電位発生手段を単一電源
電位により駆動できるとともに、メモリセルのトランジ
スタ素子のソース領域に印加する正の電位を単一電源電
位に基づいた正の電位にできて単一電源化を可能ならし
めるとともに、ソース領域−ドレイン領域間の横方向電
界を小さくして、ホットホールの生成を減少できる。
Further, in the fourth and fifth inventions, a negative potential is applied to the control gate at the time of data erasing, so that the internal negative potential generation of the writing / erasing means for applying a negative potential to the control gate is performed. The means can be driven by a single power supply potential, and the positive potential applied to the source region of the transistor element of the memory cell can be made a positive potential based on the single power supply potential, thereby enabling a single power supply. The generation of hot holes can be reduced by reducing the lateral electric field between the region and the drain region.

さらに、第6および第7の発明にあっては、データ消
去時にコントロールゲートに負の電位からなる第1のパ
ルスを印加することにより、容量カップリングによりフ
ローティングゲートの電位が下げられ、ソース領域に印
加する第2のパルスの正の電位を低くでき、ソース領域
−ドレイン間の横方向電界を小さくしてホットホールの
生成を減少できるとともに、コントロールゲートに印加
するための負の電位およびソース領域に印加するための
正の電位を、外部から印加される同じ電源電位にて発生
でき、さらに、ソース領域に第1のパルスの印加期間内
に第1の幅より狭い第2の幅を有した正の電位からなる
第2のパルスを与えることにより、ソース領域からドレ
イン領域へ流れるチャージ電流を抑えられ、チャージ電
流によるホットホールの生成も抑えられる。
Further, in the sixth and seventh inventions, the potential of the floating gate is lowered by the capacitive coupling by applying the first pulse having a negative potential to the control gate at the time of data erasure, and the potential of the source region is reduced. The positive potential of the second pulse to be applied can be lowered, the generation of hot holes can be reduced by reducing the lateral electric field between the source region and the drain, and the negative potential for application to the control gate and the source region can be reduced. A positive potential for application can be generated at the same power supply potential applied from the outside, and a positive potential having a second width smaller than the first width within the application period of the first pulse is applied to the source region. By applying the second pulse having the potential of the charge current, the charge current flowing from the source region to the drain region can be suppressed, and Generation of can be suppressed.

〔実施例〕〔Example〕

以下、この発明の一実施例を図について説明する。第
1図はこの発明によるオペレーションモードを示してい
る。書き込み時(A)にはまずソース電位(Vs)を0Vに
設定し、コントロールゲート電圧(Vg)を12Vに上げ
る。その後ドレイン電圧(Vd)を5Vに上げる。この時の
ドレイン(7)にかかる電圧パルス巾は10μSec程度で
ある。その後ドレイン電圧を0Vにし、次にコントロール
ゲート電圧を0Vにおとす。このような書き込み条件で動
作させたメモリセル特性を第2図に示す。ウェル濃度5
×1016/cm3,ドレイン濃度1×1020/cm3でウェハプロセ
ス中の処理温度を900℃以下にする事で、ドレイン電圧5
V、コントロールゲート電圧12V、10μSecでしきい値電
圧Vth7Vと充分な書き込み状態が得られている。そし
て、この書き込み時、コントロールゲート(6)に印加
する電圧は12Vであるものの、上記発明が解決しようと
する課題の項目で述べたように、外部から印加される5V
の電源電位に基づいてオンチップ昇圧回路によって昇圧
した電位(12V)をコントロールゲート(6)に印加し
ても問題なく駆動でき、しかも、ドレイン領域(8)が
形成される半導体ウェル領域(2)の濃度を5×1016/c
m3と高濃度にしているためドレイン領域(8)に印加す
る電圧は5Vでよく、特別な昇圧回路を設けることなく外
部から印加される5Vの電源電位に基づいて印加できるも
のである。要するに、データの書き込みのために、コン
トロールゲート(6)に正の高電圧を発生(内部高電位
発生手段による発生)して正の高電圧を与え、ドレイン
領域(8)に正の電位を与える書き込み・消去手段を、
メモリセルが形成される同じ半導体基板に形成でき、か
つ、単一の電源電位(5V)で駆動できるものである。
An embodiment of the present invention will be described below with reference to the drawings. FIG. 1 shows an operation mode according to the present invention. At the time of writing (A), first, the source potential (Vs) is set to 0V, and the control gate voltage (Vg) is increased to 12V. Thereafter, the drain voltage (Vd) is increased to 5V. At this time, the voltage pulse width applied to the drain (7) is about 10 μSec. After that, the drain voltage is set to 0V, and then the control gate voltage is set to 0V. FIG. 2 shows the characteristics of the memory cell operated under such a write condition. Well concentration 5
By setting the processing temperature during wafer processing to 900 ° C. or less at × 10 16 / cm 3 and a drain concentration of 1 × 10 20 / cm 3 , a drain voltage of 5
With V, the control gate voltage is 12 V, and the threshold voltage Vth is 7 V at 10 μSec, a sufficient write state is obtained. At the time of writing, although the voltage applied to the control gate (6) is 12V, as described in the item of the problem to be solved by the invention, the voltage applied from the outside is 5V.
Even if a potential (12 V) boosted by the on-chip boosting circuit based on the power supply potential of the semiconductor well is applied to the control gate (6) without any problem, the semiconductor well region (2) in which the drain region (8) is formed Concentration of 5 × 10 16 / c
Since the concentration is as high as m 3 , the voltage applied to the drain region (8) may be 5V, and can be applied based on a power supply potential of 5V applied from outside without providing a special booster circuit. In short, for writing data, a positive high voltage is generated in the control gate (6) (generated by the internal high potential generating means) to apply a positive high voltage, and a positive potential is applied to the drain region (8). Write / erase means
It can be formed on the same semiconductor substrate on which a memory cell is formed, and can be driven by a single power supply potential (5 V).

消去時には第1図(B)に示すように、まずドレイン
電圧(Vd)をフローティング状態にし、コントロールゲ
ート電圧(Vg)を−12Vに設定する。その後ソース電圧
(Vs)を5Vに上げる。この時のソース領域(7)にかか
る電圧パルス巾は100mSec程度である。
At the time of erasing, as shown in FIG. 1B, first, the drain voltage (Vd) is set to a floating state, and the control gate voltage (Vg) is set to -12V. After that, the source voltage (Vs) is increased to 5V. At this time, the voltage pulse width applied to the source region (7) is about 100 mSec.

そして、この消去時、コントロールゲート(6)に印
加する電圧は−12Vであるものの、コントロールゲート
(6)にはほとんど電流が流れないため、外部から印加
される5Vの電源電位に基づいてオンチップ降圧回路によ
って降圧した電位(−12V)をコントロールゲート
(6)に印加しても問題なく駆動でき、しかも、ソース
領域(7)に印加する電圧は5Vでよく、特別な昇圧回路
を設けることなく外部から印加される5Vの電源電位に基
づいて印加できるものである。要するに、データの消去
のために、コントロールゲート(6)に負の電圧を発生
(内部負電位発生手段による発生)して負の電圧を与
え、ソース領域(7)に正の電位を与える書き込み・消
去手段を、メモリセルが形成される同じ半導体基板に形
成でき、かつ、単一の電源電位(5V)で駆動できるもの
である。
At the time of this erasing, although the voltage applied to the control gate (6) is -12 V, almost no current flows through the control gate (6). Even if the potential (-12V) stepped down by the step-down circuit is applied to the control gate (6), the drive can be performed without any problem. In addition, the voltage applied to the source region (7) may be 5V, and no special step-up circuit is required. It can be applied based on a power supply potential of 5 V applied from the outside. In short, in order to erase data, a negative voltage is generated at the control gate (6) (generated by the internal negative potential generating means) to apply a negative voltage, and a positive voltage is applied to the source region (7). The erasing means can be formed on the same semiconductor substrate on which the memory cells are formed, and can be driven by a single power supply potential (5 V).

次に、このような消去条件で動作させたメモリセル消
去特性を第3図に示す。
Next, the erase characteristics of the memory cell operated under such erase conditions are shown in FIG.

この第3図には、比較のために従来のコントロールゲ
ートを0Vソースに10V印加した場合の消去特性も併記し
ている。このようにコントロールゲート(6)に−12V
を印加することでソース電圧が5Vでも充分に消去動作が
行なわれていることがわかる。これら2種の消去モード
において生じている電流成分を確認するために、第4図
に示すような測定を行なった。
FIG. 3 also shows, for comparison, the erase characteristics when a conventional control gate is applied with 10 V to a 0 V source. Thus, -12V is applied to the control gate (6).
It can be seen that the erasing operation is sufficiently performed even when the source voltage is 5 V by applying. In order to confirm the current components generated in these two types of erase modes, a measurement as shown in FIG. 4 was performed.

第4図は、メモリセルのフローティングゲート(6)
に電極を接続し、ソース電流とゲート電流のソース電圧
依存性を測定したものである。この時基板(1)は接
地、ドレイン領域はフローティングである。実線が従来
のコントロールゲート0V消去に相当し、破線が本発明に
よるコントロールゲートに−12V印加消去に相当する電
源−電圧のグラフである。コントロールゲート(6)と
フローティングゲート(4)との容量結合比は約0.5で
あるので第4図ではゲート電圧Vgに−5Vを印加してい
る。
FIG. 4 shows a floating gate (6) of a memory cell.
Are connected to the electrodes, and the source voltage dependence of the source current and the gate current is measured. At this time, the substrate (1) is grounded, and the drain region is floating. The solid line corresponds to the conventional control gate 0 V erase, and the broken line is the power supply-voltage graph corresponding to the control gate according to the present invention, which is applied with -12 V applied. Since the capacitive coupling ratio between the control gate (6) and the floating gate (4) is about 0.5, -5 V is applied to the gate voltage Vg in FIG.

いずれのモードにおいてもソース電流を見ればわかる
ように、ソース電圧(Vs)約8Vでアバランシェ降伏が起
こっている。
In any of the modes, as can be seen from the source current, avalanche breakdown occurs at a source voltage (Vs) of about 8V.

この時Vg=接地(GND)ではゲート電流はほとんど流
れておらず、また消去動作は行なわれていない事がわか
る。さらにソース電圧(Vs)10Vでは完全なアバランシ
ェ降伏が起こっており、ゲート電流は流れているもの
の、ほとんどがホットホール注入による電流であると考
えられる。一方ゲート(Vg)−5V印加条件では、ソース
電圧(Vs)4V程度からゲート電流が流れ始めている。ア
バランシェ降伏は8V近辺で生じているのでソース電圧
(Vs)5Vでは充分に余裕があり、このゲート電流はF−
Nトンネリングによる電子電流が支配的であると考えら
れる。このようにゲートに負電位を印加することによ
り、ソース電位を低くおさえることができ、これによる
横方向電界の緩和によってホットホールの生成が抑制さ
れることが確認できた。
At this time, it can be seen that when Vg = ground (GND), almost no gate current flows, and no erase operation is performed. Furthermore, at the source voltage (Vs) of 10 V, complete avalanche breakdown occurs, and although the gate current flows, it is considered that most of the current is due to hot hole injection. On the other hand, under a gate (Vg) -5 V application condition, a gate current starts to flow from a source voltage (Vs) of about 4 V. Since avalanche breakdown occurs around 8V, there is sufficient margin at a source voltage (Vs) of 5V, and this gate current is F-
It is considered that the electron current due to N tunneling is dominant. By applying a negative potential to the gate in this manner, it was confirmed that the source potential could be kept low, and the generation of hot holes was suppressed by the relaxation of the lateral electric field.

第5図は単体メモリセルの書き換え特性を測定したも
のを示す。白抜き丸印が従来のコントロールゲート0V,
ソース10V消去での特性を示し、黒丸印が本発明のコン
トロールゲート−12V,ソース5V消去での特性である。パ
ルス巾はいずれも100mSec,書き込みはいずれもドレイン
5V,コントロールゲート12V,10μSecで行なった。第5図
から明らかなように本発明で提案した消去モードは、従
来法に比較して書き換え特性が大幅に改善されているこ
とがわかる。
FIG. 5 shows the measured rewriting characteristics of a single memory cell. The white circle is the conventional control gate 0V,
The characteristics at the time of erasing the source 10 V are shown, and the black circles show the characteristics at the time of erasing the control gate -12 V and the source 5 V of the present invention. All pulse widths are 100mSec, writing is drain
The test was performed at 5 V, control gate 12 V, and 10 μSec. As is clear from FIG. 5, the erasing mode proposed in the present invention has a significantly improved rewriting characteristic as compared with the conventional method.

しかも、コントロールゲート(6)に−12Vを印加し
た後に、ソース領域(7)に5Vを印加し、ソース領域
(7)の印加電位を0Vにした後、コントロールゲート
(6)の印加電位を0Vにしているため、ソース領域
(7)に5Vが印加されている時は必ずコントロールゲー
ト(6)に−12Vが印加されているため、ソース領域か
らドレイン領域へ流れるチャージ電流を抑えることがで
き、チャージ電流によるホットホールの生成を抑えら
れ、ホットホールのゲート絶縁膜(3)への注入が減少
してデータ書き換え回数の増大が図れる。
Moreover, after applying -12 V to the control gate (6), 5V is applied to the source region (7), the applied potential of the source region (7) is set to 0V, and then the applied potential of the control gate (6) is set to 0V. Therefore, when −5 V is applied to the control gate (6) whenever 5 V is applied to the source region (7), the charge current flowing from the source region to the drain region can be suppressed. The generation of hot holes due to the charge current can be suppressed, the injection of hot holes into the gate insulating film (3) decreases, and the number of times of data rewriting can be increased.

[発明の効果] この発明の第1および第2の発明は、フローティング
ゲートに電子が蓄積されているか蓄積された電子が引き
抜かれているかによってデータを記憶し、電気的に書き
込み・消去可能なフローティングゲート型のトランジス
タ素子のみからなるメモリセルを有したものにおいて、
半導体基板の一主面に形成され、メモリセルのデータ消
去時に、メモリセルのトランジスタ素子のコントロール
ゲートに第1の幅を有した負の電位からなる第1のパル
スを印加するとともに、メモリセルのトランジスタ素子
のソース領域にソース線を介して第1のパルスの印加期
間内に第1の幅より狭い第2の幅を有した正の電位から
なる第2のパルスを印加する書き込み・消去手段を設け
たので、データ消去時にコントロールゲートに負の電位
からなる第1のパルスを印加することにより、容量カッ
プリングによりフローティングゲートの電位が下げら
れ、ソース領域に印加する第2のパルスの正の電位を低
くでき、ソース領域−ドレイン間の横方向電界を小さく
なさしめてホットホールの生成を減少できるためホット
ホールのゲート絶縁膜への注入が減少してデータ書き換
え回数の増大が図れるとともに、コントロールゲートに
印加するための負の電位及びソース領域に印加するため
の正の電位を外部から印加される同じ電源電位にて発生
できて単一電源化を可能にならしめるとともに、さら
に、ソース領域に第1のパルスの印加期間内に第1の幅
より狭い第2の幅を有した正の電位からなる第2のパル
スを与えてソース領域からドレイン領域へ流れるチャー
ジ電流を抑え、チャージ電流によるホットホールの生成
を抑えているため、さらなるホットホールのゲート絶縁
膜への注入が減少してデータ書き換え回数の増大が図れ
るという効果を有しているものである。
[Effects of the Invention] The first and second inventions of the present invention store data depending on whether electrons are accumulated in the floating gate or whether the accumulated electrons are withdrawn, and the electrically writable / erasable floating gate is provided. In those having a memory cell consisting only of a gate type transistor element,
A first pulse formed on one main surface of the semiconductor substrate and having a negative potential having a first width and applied to a control gate of a transistor element of the memory cell when data is erased from the memory cell, Writing / erasing means for applying a second pulse having a second potential smaller than the first width and having a positive potential to the source region of the transistor element through the source line during the application period of the first pulse; Since the first pulse having a negative potential is applied to the control gate during data erasing, the potential of the floating gate is lowered by capacitive coupling, and the positive potential of the second pulse applied to the source region is erased. And the generation of hot holes can be reduced by reducing the lateral electric field between the source region and the drain. And the number of data rewrites can be increased, and a negative potential to be applied to the control gate and a positive potential to be applied to the source region can be generated at the same external power supply potential. And a second pulse having a positive potential having a second width smaller than the first width is applied to the source region within the application period of the first pulse. As a result, the charge current flowing from the source region to the drain region is suppressed, and the generation of hot holes due to the charge current is suppressed. It is what you have.

この発明の第3の発明は、フローティングゲートに電
子が蓄積されているか蓄積された電子が引き抜かれてい
るかによってデータを記憶し、電気的に書き込み・消去
可能なフローティングゲート型のトランジスタ素子のみ
からなるメモリセルを有したものにおいて、メモリセル
のトランジスタ素子のソース領域及びドレイン領域を基
板濃度より高濃度の半導体ウェル領域に形成するととも
に、半導体基板の一主面に形成され、メモリセルのデー
タ消去時に、メモリセルのトランジスタ素子のコントロ
ールゲートに第1の幅を有した負の電位からなる第1の
パルスを印加するとともに、メモリセルのトランジスタ
素子のソース領域にソース線を介して第2の幅を有した
正の電位からなる第2のパルスを印加する書き込み・消
去手段を設けたので、データ書き込み時にドレイン領域
に印加される電位を低くできてコントロールゲートに印
加するための電位及びソース領域に印加するための電位
を外部から印加される同じ電源電位にて発生でき、さら
に、データ消去時にコントロールゲートに負の電位から
なる第1のパルスを印加することにより、容量カップリ
ングによりフローティングゲートの電位が下げられ、ソ
ース領域に印加する第2のパルスの正の電位を低くで
き、ソース領域−ドレイン間の横方向電界を小さくなさ
しめてホットホールの生成を減少できるためホットホー
ルのゲート絶縁膜への注入が減少してデータ書き換え回
数の増大が図れるとともに、コントロールゲートに印加
するための負の電位及びソース領域に印加するための正
の電位を外部から印加される同じ電源電位にて発生でき
て単一電源化を可能にならしめるという効果を有してい
るものである。
A third aspect of the present invention comprises only a floating gate type transistor element which stores data depending on whether electrons are accumulated in the floating gate or whether the accumulated electrons are extracted and which can be electrically written and erased. In a device having a memory cell, the source region and the drain region of the transistor element of the memory cell are formed in a semiconductor well region having a higher concentration than the substrate concentration, and are formed on one main surface of the semiconductor substrate. Applying a first pulse of a negative potential having a first width to the control gate of the transistor element of the memory cell, and applying a second width to the source region of the transistor element of the memory cell via a source line. Since the writing / erasing means for applying the second pulse having the positive potential is provided. The potential applied to the drain region during data writing can be lowered, and the potential for applying to the control gate and the potential for applying to the source region can be generated at the same power supply potential applied from the outside. By applying the first pulse having a negative potential to the control gate, the potential of the floating gate is reduced by capacitive coupling, and the positive potential of the second pulse applied to the source region can be reduced. Since the generation of hot holes can be reduced by reducing the horizontal electric field between the drains, the injection of hot holes into the gate insulating film decreases, the number of times of data rewriting can be increased, and the negative potential for applying to the control gate can be reduced. And the same power supply voltage applied externally to apply a positive potential for application to the source region. Those having the effect that occupies not allow a single power reduction and can generate at.

また、第4および第5の発明によれば、フローティン
グゲートに電子が蓄積されているか蓄積された電子が引
き抜かれているかによってデータを記憶し、電気的に書
き込み・消去可能なフローティングゲート型のトランジ
スタ素子のみからなるメモリセルを有したものにおい
て、半導体基板の一主面に形成され、単一電源電位によ
って駆動され、負の電位を出力する内部負電位発生手段
と、メモリセルのデータ消去時に、メモリセルのトラン
ジスタ素子のコントロールゲートに内部負電位発生手段
から出力された負の電位を印加するとともに、メモリセ
ルのトランジスタ素子のソース領域にソース線を介して
単一電源電位に基づいた正の電位を印加する電位印加手
段とを有した書き込み・消去手段を設けたので、コント
ロールゲートに負の電位を印加するための書き込み・消
去手段の内部負電位発生手段を単一電源電位により駆動
できるとともにメモリセルのトランジスタ素子のソース
領域に印加する正の電位を単一電源電位に基づいた正の
電位にでき、単一電源化を可能になるという効果を有す
るとともに、ソース領域−ドレイン間の横方向電界を小
さくなさしめてホットホールの生成を減少できるためホ
ットホールのゲート絶縁膜への注入が減少してデータ書
き換え回数の増大が図れるという効果を有するものであ
る。
According to the fourth and fifth aspects of the present invention, a floating gate transistor capable of electrically writing and erasing data by storing data depending on whether electrons are accumulated in the floating gate or the accumulated electrons are extracted. An internal negative potential generating means which is formed on one main surface of a semiconductor substrate, is driven by a single power supply potential, and outputs a negative potential, A negative potential output from the internal negative potential generating means is applied to the control gate of the transistor element of the memory cell, and a positive potential based on a single power supply potential is applied to the source region of the transistor element of the memory cell via the source line. Since the writing / erasing means having the potential applying means for applying the The internal negative potential generating means of the writing / erasing means for applying the voltage can be driven by a single power supply potential, and the positive potential applied to the source region of the transistor element of the memory cell is changed to a positive potential based on the single power supply potential. In addition to the effect that a single power supply can be achieved, the generation of hot holes can be reduced by reducing the lateral electric field between the source region and the drain, so that the injection of hot holes into the gate insulating film is reduced. This has the effect that the number of times of data rewriting can be increased.

さらに、第6および第7の発明によれば、フローティ
ングゲートに電子が蓄積されているか蓄積された電子が
引き抜かれているかによってデータを記憶し、電気的に
書き込み・消去可能なフローティングゲート型のトラン
ジスタ素子のみからなるメモリセルを有したものにおい
て、メモリセルのトランジスタ素子のコントロールゲー
トに負の電位を印加した後に、メモリセルのトランジス
タ素子のソース領域にソース線を介して正の電位を印加
してメモリセルのトランジスタ素子のフローティングゲ
ートに蓄積された電子を引き抜くものとしたので、コン
トロールゲートに負の電位を印加することにより、容量
カップリングによりフローティングゲートの電位が下げ
られ、ソース領域に印加する正の電位を低くでき、ソー
ス領域−ドレイン間の横方向電界を小さくなさしめてホ
ットホールの生成を減少できるためホットホールのゲー
ト絶縁膜への注入が減少してデータ書き換え回数の増大
が図れるとともに、コントロールゲートに印加するため
の負の電位及びソース領域に印加するための正の電位を
外部から印加される同じ電源電位にて発生できて単一電
源化を可能にならしめるとともに、さらに、ソース領域
に印加する正の電位をコントロールゲートに印加する負
の電位の印加した後に印加してソース領域からドレイン
領域へ流れるチャージ電流を抑え、チャージ電流による
ホットホールの生成を抑えているため、さらなるホット
ホールのゲート絶縁膜への注入が減少してデータ書き換
え回数の増大が図れるという効果を有しているものであ
る。
Further, according to the sixth and seventh inventions, a floating gate type transistor capable of electrically writing and erasing data by storing data depending on whether electrons are accumulated in the floating gate or the accumulated electrons are extracted. In a device having a memory cell consisting of only elements, a negative potential is applied to the control gate of the transistor element of the memory cell, and then a positive potential is applied to the source region of the transistor element of the memory cell via a source line. Since the electrons accumulated in the floating gate of the transistor element of the memory cell are extracted, by applying a negative potential to the control gate, the potential of the floating gate is lowered by capacitive coupling and the positive potential applied to the source region is reduced. Potential between the source region and the drain Since the generation of hot holes can be reduced by reducing the lateral electric field, the injection of hot holes into the gate insulating film decreases, the number of times of data rewriting can be increased, and a negative potential and a source region to be applied to the control gate can be achieved. A positive potential to be applied to the source region can be generated at the same power supply potential applied from the outside, thereby making it possible to use a single power supply. Further, a positive potential applied to the source region is applied to the control gate by a negative potential. After applying the potential, the charge current flowing from the source region to the drain region is suppressed, and the generation of hot holes due to the charge current is suppressed. Therefore, the injection of further hot holes into the gate insulating film is reduced and data is rewritten. This has the effect of increasing the number of times.

【図面の簡単な説明】[Brief description of the drawings]

第1図は本発明の一実施例による半導体記憶装置のオペ
レーションモード図、第2図は書き込み特性を示したも
ので縦軸は書き込み後のメモリセルのVth,横軸は高電圧
パルス巾を示している。第3図は消去特性を示したもの
で、黒丸印が本発明によるゲート負印加消去モード,白
丸印が従来例のゲート0V消去モードによる消去特性であ
る。第4図は、メモリセルのフローティングゲートに電
極を接続した素子におけるゲート電流とソース電流のソ
ース電圧依存性を示したグラフである。実線が従来例で
のゲート0V消去に相当し、破線が本発明のゲート負印加
消去に相当する。第5図は、本発明と従来例での消去方
法の違いによる書き換え回数特性を示したものである。
白丸印が従来例、黒丸印が本発明での消去方法の結果を
示す。第6図は従来例および本発明でのメモリセルの断
面構造を示したもので、(1)は半導体基板、(2)は
ウェル領域、(3)はゲート酸化膜、(4)はフローテ
ィングゲート、(5)は層間絶縁膜、(6)はコントロ
ールゲート、(7)はソース領域、(8)はドレイン領
域、(9)はビット線を示す。 尚図中同一符号は同一または相当部分を示す。
FIG. 1 is an operation mode diagram of a semiconductor memory device according to one embodiment of the present invention, and FIG. 2 shows write characteristics. The vertical axis shows Vth of a memory cell after writing, and the horizontal axis shows high voltage pulse width. ing. FIG. 3 shows the erasing characteristics. The black circles indicate the erasing characteristics in the gate negative application erasing mode according to the present invention, and the white circles indicate the erasing characteristics in the conventional gate 0 V erasing mode. FIG. 4 is a graph showing a source voltage dependency of a gate current and a source current in an element having an electrode connected to a floating gate of a memory cell. The solid line corresponds to the gate 0V erase in the conventional example, and the broken line corresponds to the gate negative applied erase of the present invention. FIG. 5 shows the number of times of rewriting due to the difference between the erasing method of the present invention and the conventional example.
White circles indicate the results of the conventional example, and black circles the results of the erasing method according to the present invention. FIG. 6 shows sectional structures of a memory cell according to the conventional example and the present invention, wherein (1) is a semiconductor substrate, (2) is a well region, (3) is a gate oxide film, and (4) is a floating gate. , (5) indicates an interlayer insulating film, (6) indicates a control gate, (7) indicates a source region, (8) indicates a drain region, and (9) indicates a bit line. In the drawings, the same reference numerals indicate the same or corresponding parts.

Claims (7)

(57)【特許請求の範囲】(57) [Claims] 【請求項1】第1導電型の半導体基板の一主面に形成さ
れ、ソース線に接続された第2導電型のソース領域と、
前記半導体基板の一主面に前記ソース領域からチャネル
領域を介して形成され、ビット線に直接接続された第2
導電型のドレイン領域と、前記チャネル領域上に絶縁膜
を介して形成されたフローティングゲートと、このフロ
ーティングゲートの表面上に絶縁膜を介して対向して形
成されたコントロールゲートとを有するトランジスタ素
子のみからなるメモリセル、および、 前記半導体基板の一主面に形成され、前記メモリセルの
データ消去時に、第1の幅を有した負の電位からなる第
1のパルスを前記コントロールゲートに印加するととも
に、前記ソース線を介して、前記第1の幅より狭い第2
の幅を有した正の電位からなる第2のパルスを、前記第
1のパルスの印加期間内に前記ソース領域に印加する書
き込み・消去手段 を備えた不揮発性半導体記憶装置。
A source region of a second conductivity type formed on one main surface of a semiconductor substrate of a first conductivity type and connected to a source line;
A second surface formed on one main surface of the semiconductor substrate from the source region via a channel region and directly connected to a bit line;
Only a transistor element having a drain region of a conductivity type, a floating gate formed on the channel region via an insulating film, and a control gate formed on the surface of the floating gate and facing the insulating film via an insulating film And a first pulse formed on one main surface of the semiconductor substrate and having a negative potential having a first width and applied to the control gate when data is erased from the memory cell. , A second line narrower than the first width via the source line.
A non-volatile semiconductor memory device, comprising: a writing / erasing means for applying a second pulse having a width of a positive potential to the source region within an application period of the first pulse.
【請求項2】書き込み・消去手段が、メモリセルのデー
タ書き込み時に、第3の幅を有した正の電位からなる第
3のパルスをコントロールゲートに印加し、ビット線を
介して、前記第3の幅より狭い第4の幅を有した、前記
第3のパルスの正の電位より低い正の電位からなる第4
のパルスを、前記第3のパルスの印加期間内にドレイン
領域に印加するとともに、接地電位をソース領域に印加
する印加手段をさらに備えた、請求項1に記載の不揮発
性半導体記憶装置。
2. A writing / erasing means for applying a third pulse of a positive potential having a third width to a control gate at the time of writing data to a memory cell, and applying the third pulse via a bit line. A fourth pulse having a fourth width smaller than the width of the third pulse and having a positive potential lower than the positive potential of the third pulse.
2. The non-volatile semiconductor memory device according to claim 1, further comprising an application unit that applies the pulse to the drain region during the application period of the third pulse and applies a ground potential to the source region.
【請求項3】半導体基板が、その一主面に形成された、
前記半導体基板の濃度より高濃度の第1導電型の半導体
ウエル領域をさらに備えるとともに、前記ソース領域と
前記ドレイン領域とが前記半導体ウエル領域の一主面に
形成された、請求項1または請求項2に記載の不揮発性
半導体記憶装置。
3. A semiconductor substrate formed on one main surface thereof.
The semiconductor well region of a first conductivity type having a higher concentration than the semiconductor substrate, and the source region and the drain region are formed on one main surface of the semiconductor well region. 3. The nonvolatile semiconductor memory device according to item 2.
【請求項4】外部から印加される第一電源電位によって
駆動される不揮発性半導体記憶装置において、 第1導電型の半導体基板の一主面に形成され、ソース線
に接続された第2導電型のソース領域と、前記半導体基
板の一主面に前記ソース領域からチャネル領域を介して
形成され、ビット線に直接接続された第2導電型のドレ
イン領域と、前記チャネル領域上に絶縁膜を介して形成
されたフローティングゲートと、このフローティングゲ
ートの表面上に絶縁膜を介して対向して形成されたコン
トロールゲートとを有するトランジスタ素子のみからな
るメモリセル、および、 前記半導体基板の一主面に形成され、前記単一電源電位
によって駆動され、負の電位を出力する内部負電位発生
手段と、前記メモリセルのデータ消去時に、前記内部負
電位発生手段から出力された、第1の幅を有した負の電
位からなる第1のパルスを前記コントロールゲートに印
加するとともに、前記ソース線を介して、前記単一電源
電位に基づいた、前記第1の幅より狭い第2の幅を有し
た正の電位からなる第2のパルスを、前記第1のパルス
の印加期間内に前記ソース領域に印加する電位印可手段
とを有した書き込み・消去手段 を備えた不揮発性半導体記憶装置。
4. A nonvolatile semiconductor memory device driven by a first power supply potential applied from the outside, wherein said nonvolatile semiconductor memory device is formed on one main surface of a semiconductor substrate of a first conductivity type and connected to a source line. A source region, a second conductivity type drain region formed on one main surface of the semiconductor substrate from the source region via a channel region, and directly connected to a bit line, and an insulating film on the channel region. A memory cell consisting of only a transistor element having a floating gate formed by the above, and a control gate formed on the surface of the floating gate so as to face through an insulating film, and formed on one main surface of the semiconductor substrate. Internal negative potential generating means driven by the single power supply potential and outputting a negative potential; and the internal negative potential generating means for erasing data in the memory cell. Applying a first pulse of a negative potential having a first width and output from the potential generating means to the control gate, and via the source line, based on the single power supply potential, Writing / erasing having potential applying means for applying a second pulse composed of a positive potential having a second width smaller than the first width to the source region within an application period of the first pulse; A nonvolatile semiconductor memory device comprising:
【請求項5】単一電源電位によって駆動され、前記単一
電源電位より高い正の電位を出力する内部高電位発生手
段をさらに備えるとともに、 書き込み・消去手段が、メモリセルのデータ書き込み時
に、前記内部高電位発生手段から出力された、第3の幅
を有した正の電位からなる第3のパルスをコントロール
ゲートに印加し、前記ビット線を介して、前記単一電源
電位に基づいた、前記第3の幅より狭い第4の幅を有し
た、前記第3のパルスの正の電位より低い正の電位から
なる第4のパルスを、前記第3のパルスの印加期間内に
ドレイン領域に印加するとともに、接地電位をソース領
域に印加する電位印加手段をさらに備えた、請求項4に
記載の不揮発性半導体記憶装置。
5. An internal high potential generating means driven by a single power supply potential and outputting a positive potential higher than the single power supply potential, wherein the writing / erasing means is configured to write the data to a memory cell when writing the data. A third pulse consisting of a positive potential having a third width and output from the internal high potential generating means is applied to a control gate, and the third pulse is applied to the control gate via the bit line based on the single power supply potential. A fourth pulse having a fourth width smaller than the third width and having a positive potential lower than the positive potential of the third pulse is applied to the drain region within the application period of the third pulse. 5. The nonvolatile semiconductor memory device according to claim 4, further comprising a potential applying means for applying a ground potential to the source region.
【請求項6】第1導電型の半導体基板の一主面に形成さ
れ、ソース線に接続された第2導電型のソース領域と、
前記半導体基板の一主面に前記ソース領域からチャネル
領域を介して形成され、ビット線に直接接続された第2
導電型のドレイン領域と、前記チャネル領域上に絶縁膜
を介して形成されたフローティングゲートと、このフロ
ーティングゲートの表面上に絶縁膜を介して対向して形
成されたコントロールゲートとを有するトランジスタ素
子のみからなるメモリセルを備えた不揮発性半導体記憶
装置の書き込み・消去方法において、 前記メモリセルのデータ消去時に、第1の幅を有した負
の電位からなる第1のパルスを前記コントロールゲート
に印加した後に、前記ソース線を介して、前記第1の幅
より狭い第2の幅を有した正の電位からなる第2のパル
スを、前記第1のパルスの印加期間内に前記ソース領域
に印加して、前記フローティングゲートに蓄積された電
子を引き抜くことを特徴とする、不揮発性半導体記憶装
置の書き込み・消去方法。
6. A source region of a second conductivity type formed on one main surface of a semiconductor substrate of a first conductivity type and connected to a source line;
A second surface formed on one main surface of the semiconductor substrate from the source region via a channel region and directly connected to a bit line;
Only a transistor element having a drain region of a conductivity type, a floating gate formed on the channel region via an insulating film, and a control gate formed on the surface of the floating gate and facing the insulating film via an insulating film In the method for writing and erasing a nonvolatile semiconductor memory device including a memory cell comprising: a first pulse having a first width and a negative potential having a first width is applied to the control gate when erasing data from the memory cell. Later, a second pulse having a second width smaller than the first width and having a positive potential is applied to the source region via the source line within an application period of the first pulse. Extracting electrons stored in the floating gate, and writing / erasing the nonvolatile semiconductor memory device.
【請求項7】メモリセルのデータ書き込み時に、第3の
幅を有した正の電位からなる第3のパルスをコントロー
ルゲートに印加し、ビット線を介して、前記第3の幅よ
り狭い第4の幅を有した、前記第3のパルスの正の電位
より低い正の電位からなる第4のパルスを、前記第3の
パルスの印加期間内にドレイン領域に印加するととも
に、接地電位をソース領域に印加して、フローティング
ゲートに電子を蓄積させることをさらに備えた、請求項
6に記載の不揮発性半導体記憶装置の書き込み・消去方
法。
7. When writing data into a memory cell, a third pulse having a third width and a positive potential is applied to a control gate, and a fourth pulse narrower than the third width is applied via a bit line. A fourth pulse having a width of a lower positive potential than the positive potential of the third pulse is applied to the drain region within the application period of the third pulse, and the ground potential is applied to the source region. 7. The method according to claim 6, further comprising accumulating electrons in the floating gate by applying a voltage to the floating gate.
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