JP2901785B2 - Semiconductor storage device - Google Patents

Semiconductor storage device

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JP2901785B2
JP2901785B2 JP3138136A JP13813691A JP2901785B2 JP 2901785 B2 JP2901785 B2 JP 2901785B2 JP 3138136 A JP3138136 A JP 3138136A JP 13813691 A JP13813691 A JP 13813691A JP 2901785 B2 JP2901785 B2 JP 2901785B2
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夏夫 味香
誠 大井
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Description

【発明の詳細な説明】DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

【0001】[0001]

【産業上の利用分野】この発明は、半導体記憶装置に関
し、特に、電気的にデータの書込または消去が可能なフ
ラッシュEEPROM(Electrically E
rasable and Programable R
ead Only Memory:EEPROM)に関
する。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a semiconductor memory device, and more particularly, to a flash EEPROM (Electrically Erasable) which can electrically write or erase data.
rasable and Programmable R
(Ead Only Memory: EEPROM).

【0002】[0002]

【従来の技術】従来、半導体記憶装置のうち、電気的に
データの書込および消去が可能なものとして、フラッシ
ュEEPROM(不揮発性半導体記憶装置)が知られて
いる。図14は、従来のフラッシュEEPROMの全体
構成を示すブロック図である。
2. Description of the Related Art Conventionally, a flash EEPROM (nonvolatile semiconductor memory device) has been known as a semiconductor memory device capable of electrically writing and erasing data. FIG. 14 is a block diagram showing the overall configuration of a conventional flash EEPROM.

【0003】図14を参照して、従来のフラッシュEE
PROMは、データを記憶するためのメモリセル(図示
せず)がマトリクス状に複数個配置されたメモリセルア
レイ30と、外部からのアドレス信号を解読するための
Xデコーダ21およびYデコーダ22と、Yゲート23
と、制御回路24と、入出力回路25とを備えている。
Xデコーダ21、Yデコーダ22、Yゲート23、制御
回路24、入出力回路25およびメモリセルアレイ30
は、半導体チップ26上の同一基板上に形成されてい
る。従来のフラッシュEEPROMは、さらに、電源入
力端子Vcc28と、高圧電源入力端子VPP29とを備
えている。
Referring to FIG. 14, a conventional flash EE
The PROM has a memory cell array 30 in which a plurality of memory cells (not shown) for storing data are arranged in a matrix, an X decoder 21 and a Y decoder 22 for decoding external address signals, and a Y cell. Gate 23
, A control circuit 24, and an input / output circuit 25.
X decoder 21, Y decoder 22, Y gate 23, control circuit 24, input / output circuit 25, and memory cell array 30
Are formed on the same substrate on the semiconductor chip 26. Conventional flash EEPROM further includes a power supply input terminal Vcc28, and a high voltage power input terminal V PP 29.

【0004】図15は、図14に示したメモリセルアレ
イを構成するメモリセル(半導体記憶素子)を示す断面
構造図である。
FIG. 15 is a sectional structural view showing a memory cell (semiconductor storage element) constituting the memory cell array shown in FIG.

【0005】図15を参照して、従来のメモリセルは、
不純物濃度1×1015/cm3 、比抵抗10Ω・cmの
特性を有するP型シリコン半導体基板31と、加速電圧
30〜40KV、ドーズ量1×1015/cm2 の条件下
で砒素(As)をイオン注入することにより形成された
不純物濃度1×1020/cm3 のn+ 型ドレイン領域3
2と、加速電圧100〜150KV、ドーズ量5×10
15/cm2 の条件下で砒素(As)をイオン注入するこ
とにより形成された不純物濃度1×1020/cm3 のn
+ のソース領域33と、n+ 型ドレイン領域32とn+
型ソース領域33との間に形成されたチャネル領域34
と、チャネル領域34上に形成された厚さ100Åのゲ
ート酸化膜35と、ゲート酸化膜35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36と、
フローティングゲート36上に形成された層間絶縁膜3
7と、層間絶縁膜37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38とを備えている。
Referring to FIG. 15, a conventional memory cell comprises:
P-type silicon semiconductor substrate 31 having an impurity concentration of 1 × 10 15 / cm 3 and a specific resistance of 10 Ω · cm, arsenic (As) under the conditions of an acceleration voltage of 30 to 40 KV and a dose of 1 × 10 15 / cm 2 It was formed by ion implantation impurity concentration 1 × 10 20 / cm 3 of n + -type drain region 3
2, acceleration voltage 100 to 150 KV, dose 5 × 10
N having an impurity concentration of 1 × 10 20 / cm 3 formed by ion implantation of arsenic (As) under a condition of 15 / cm 2
+ Source region 33, n + type drain region 32 and n +
Channel region 34 formed between mold source region 33
A 100 ° thick gate oxide film 35 formed on the channel region 34, a floating gate 36 made of a polycrystalline silicon layer formed on the gate oxide film 35,
Interlayer insulating film 3 formed on floating gate 36
7 and a control gate 38 made of a polycrystalline silicon layer formed on the interlayer insulating film 37.

【0006】次に、図14および図15を参照して、従
来のフラッシュEEPROMのデータの書込および消去
動作について説明する。
Next, with reference to FIGS. 14 and 15, data writing and erasing operations of a conventional flash EEPROM will be described.

【0007】メモリセルへのデータの書込は、まず、高
圧電源入力端子VPP29に12.5Vを印加する。この
高圧電源入力端子VPP29からコントロールゲート38
に12.5Vが供給される。これと同時に、n+ 型ドレ
イン領域32に負荷抵抗を介して8Vが供給される。一
方、n+ 型ソース領域33は接地され、接地電位(GN
D)となる。このような状態下で、n+ 型ソース領域3
3からn+ 型ドレイン領域32に向けて電子が移動す
る。チャネル領域34には、0.5〜1mA程度の電流
が流れる。このとき、流れる電子は、n+ 型ドレイン領
域32近傍の高電界により加速される。これにより、電
子は、P型シリコン半導体基板31の表面からゲート酸
化膜35へのエネルギ障壁3.2eVを越す高いエネル
ギを得る。この高いエネルギを得た電子はホットエレク
トロンと呼ばれる。ホットエレクトロンの一部は、ゲー
ト酸化膜35の障壁を飛越えてコントロールゲート38
の高電位(12.5V)に引かれてフローティングゲー
ト36に注入される。フローティングゲート36は電気
的にマイナスの状態となる。この書込状態をデータの
「0」に対応させている。
For writing data to the memory cell, first, 12.5 V is applied to the high voltage power supply input terminal V PP 29. The control gate 38 is connected to the high-voltage power supply input terminal V PP 29.
Is supplied with 12.5V. At the same time, 8 V is supplied to the n + -type drain region 32 via a load resistor. On the other hand, the n + type source region 33 is grounded, and the ground potential (GN
D). Under such a condition, the n + type source region 3
Electrons move from 3 toward the n + -type drain region 32. A current of about 0.5 to 1 mA flows through the channel region 34. At this time, the flowing electrons are accelerated by a high electric field near the n + -type drain region 32. Thereby, electrons obtain high energy exceeding an energy barrier of 3.2 eV from the surface of the P-type silicon semiconductor substrate 31 to the gate oxide film 35. The electrons that have obtained this high energy are called hot electrons. Part of the hot electrons jumps over the barrier of the gate oxide film 35 and the control gate 38
At a high potential (12.5 V). The floating gate 36 is in an electrically negative state. This write state is made to correspond to data “0”.

【0008】一方、メモリセルからのデータの消去は、
書込と同様、まず、高圧電源入力端子VPP29に12.
5Vを印加する。この高圧電源入力端子VPP29からn
+ 型ソース領域33に12.5Vが供給される。コント
ロールゲート38は、接地され、接地電位(GND)と
なる。n+ 型ドレイン領域32は、フローティング状態
にされる。このような状態下で、フローティングゲート
36とn+ 型ソース領域33との間のゲート酸化膜35
に高電界が発生する。これにより、ゲート酸化膜35の
エネルギ障壁は低くなる。フローティングゲート36か
らn+ 型ソース領域33の高電位(12.5V)に引か
れて電子が放出される。フローティングゲート36とn
+ 型ソース領域33との間にはトンネル電流と呼ばれる
電流が流れる。つまり、フローティングゲート36から
は所定量だけ電子が引抜かれ、この状態がデータの
「1」に対応する。
On the other hand, erasing data from a memory cell
As with writing, firstly, to the high voltage power input terminal V PP 29 12.
5 V is applied. This high voltage power supply input terminal V PP 29 to n
12.5 V is supplied to + type source region 33. The control gate 38 is grounded and attains a ground potential (GND). The n + type drain region 32 is set in a floating state. Under such a state, the gate oxide film 35 between the floating gate 36 and the n + type source region 33 is formed.
, A high electric field is generated. Thereby, the energy barrier of the gate oxide film 35 is reduced. Electrons are emitted by being pulled from the floating gate 36 to the high potential (12.5 V) of the n + type source region 33. Floating gate 36 and n
A current called a tunnel current flows between the positive type source region 33 and the positive type source region 33. That is, electrons are extracted from the floating gate 36 by a predetermined amount, and this state corresponds to data “1”.

【0009】[0009]

【発明が解決しようとする課題】前述のように、従来の
フラッシュEEPROMでは、データの消去時に、n+
型ソース領域33に高電圧VPP(12.5V)が印加さ
れる。したがって、n+型ソース領域33の接合耐圧
は、VPP(12.5V)よりもマージン(余裕)を持っ
て高く保持されている必要がある。
As described above, in the conventional flash EEPROM, when data is erased, n +
A high voltage V PP (12.5 V) is applied to the mold source region 33. Therefore, the junction breakdown voltage of the n + -type source region 33 needs to be maintained higher than V PP (12.5 V) with a margin.

【0010】しかしながら、半導体装置の集積化に伴な
って素子が微細化されてくると、ウェル濃度が濃くなる
という現象、チャネルカットのボロン濃度が濃くなる現
象、および熱処理の低温化に従いn+ 領域の不純物分布
が急峻になるなどの現象が生じる。この結果、接合耐圧
を十分に高く保持することが困難になる傾向にある。こ
のような集積化による接合耐圧の低下は、以下のような
問題点を引起こす。
However, when the elements are miniaturized with the integration of the semiconductor device, the well concentration is increased, the boron concentration of the channel cut is increased, and the n + region is increased due to the lower temperature of the heat treatment. Phenomenon such as steep impurity distribution occurs. As a result, it tends to be difficult to keep the junction breakdown voltage sufficiently high. The reduction in junction breakdown voltage due to such integration causes the following problems.

【0011】すなわち、接合耐圧の低下により、データ
消去時のリーク電流が増加する。また、アバランシェ降
伏によりホットホールが発生し、このホットホールのゲ
ート酸化膜35への注入によりゲート酸化膜35の信頼
性が著しく劣化するという問題点があった。
That is, the leakage current at the time of data erasure increases due to a decrease in the junction breakdown voltage. Further, there is a problem that avalanche breakdown generates hot holes, and the injection of the hot holes into the gate oxide film 35 significantly deteriorates the reliability of the gate oxide film 35.

【0012】この発明は、上記のような課題を解決する
ためになされたもので、低いソース電圧(不純物領域へ
の印加電圧)でデータの消去動作が可能な半導体記憶装
置を提供することを目的とする。
SUMMARY OF THE INVENTION The present invention has been made to solve the above problems, and has as its object to provide a semiconductor memory device capable of erasing data with a low source voltage (voltage applied to an impurity region). And

【0013】[0013]

【課題を解決するための手段】請求項1における半導体
記憶装置は、第1導電型の半導体基板と、第1導電型の
半導体基板の主表面上に所定の間隔を隔てて形成された
第2導電型の1対の不純物領域と、1対の不純物領域間
に第1の絶縁膜を介して形成された電荷蓄積電極と、電
荷蓄積電極上に第2の絶縁膜を介して形成された制御電
極とを有するフラッシュEEPROMを含む、半導体記
憶装置において、電荷蓄積電極が電気的に中性な状態で
制御電極に電圧を印加したときのしきい値電圧が、0ボ
ルト以上で電荷蓄積電極への電荷の蓄積後のしきい値電
圧の1/2以下の範囲内に設定されている。
According to a first aspect of the present invention, there is provided a semiconductor memory device, comprising: a first conductivity type semiconductor substrate; and a second conductivity type formed on a main surface of the first conductivity type semiconductor substrate at a predetermined interval. A pair of impurity regions of conductivity type, a charge storage electrode formed between the pair of impurity regions via a first insulating film, and a control formed on the charge storage electrode via a second insulating film. In a semiconductor memory device including a flash EEPROM having an electrode, a threshold voltage when a voltage is applied to the control electrode in a state where the charge storage electrode is electrically neutral is 0 volt or more and a voltage applied to the charge storage electrode is The threshold voltage is set to be equal to or less than 1/2 of the threshold voltage after the charge is accumulated.

【0014】[0014]

【作用】この発明に係る半導体記憶装置では、電荷蓄積
電極が電気的に中性な状態で制御電極に電圧を印加した
ときのしきい値電圧を、0ボルト以上、電荷蓄積電極へ
の電荷の蓄積後のしきい値電圧の1/2以下の範囲内に
設定することにより、データの消去時に不純物領域に印
加すべき電圧が低下される。
In the semiconductor memory device according to the present invention, when the voltage is applied to the control electrode while the charge storage electrode is electrically neutral, the threshold voltage is 0 volt or more, By setting the threshold voltage within 1/2 or less of the threshold voltage after accumulation, the voltage to be applied to the impurity region at the time of erasing data is reduced.

【0015】[0015]

【実施例】以下、本発明の実施例を説明する。Embodiments of the present invention will be described below.

【0016】まず、本発明の背景について説明する。フ
ラッシュEEPROMにおいて、メモリセルへ書込まれ
たデータの消去動作について考える。
First, the background of the present invention will be described. Consider an operation of erasing data written in a memory cell in a flash EEPROM.

【0017】データの消去動作は、ファウラー−ノルド
ハイム(Fawler−Nordheim)トンネル効
果現象により行なわれる。ファウラー−ノルドハイム電
流は、次の式(1)のように表わされる。
The data erasing operation is performed by the Fowler-Nordheim tunnel effect phenomenon. The Fowler-Nordheim current is represented by the following equation (1).

【0018】[0018]

【数1】 この式(1)を参照して、トンネル電流密度Jは、酸化
膜にかかる電界Eに非常に大きく依存することがわか
る。
(Equation 1) Referring to this equation (1), it can be seen that the tunnel current density J depends very much on the electric field E applied to the oxide film.

【0019】次に、フラッシュEEPROMにおいて、
メモリへのデータの書込(プログラム)状態および消去
状態について考える。
Next, in a flash EEPROM,
A write (program) state and an erase state of data in the memory will be considered.

【0020】通常、メモリセルのしきい値電圧Vthは、
プログラム状態(書込状態)で8V程度、消去状態で1
〜2V程度に設定されている。これは、以下のような理
由による。
Normally, the threshold voltage V th of a memory cell is
About 8V in program state (write state), 1 in erase state
It is set to about 2V. This is for the following reasons.

【0021】すなわち、データの書込後にデータを読出
す場合には、コントロールゲートにVcc(〜5V)を印
加して、そのVccより大きいか小さいかでデータの判別
を行なう。このため、データの書込後のメモリセルのし
きい値電圧Vthは、5V以上必要である。また、データ
が消去された状態で、メモリセルのしきい値電圧Vth
負の状態になると、メモリセルトランジスタがOFFで
きなくなる。このため、消去状態のメモリセルのしきい
値電圧Vthは、0ボルト以上必要である。
That is, when reading data after writing data, V cc (up to 5 V) is applied to the control gate, and data is discriminated based on whether it is larger or smaller than V cc . For this reason, the threshold voltage Vth of the memory cell after data writing needs to be 5 V or more. If the threshold voltage Vth of the memory cell becomes negative while data is erased, the memory cell transistor cannot be turned off. Therefore, the threshold voltage V th of the memory cell in the erased state needs to be 0 volt or more.

【0022】上記の制約にマージン(余裕)を含めて、
書込後のしきい値電圧を8V、消去後のしきい値電圧を
1〜2Vという値に設定している。したがって、メモリ
セルのしきい値電圧Vthは、書込状態(プログラム状
態)と消去状態とで6〜7V変動(スィング)する。こ
のようなVthの変動によって、フローティングゲートに
実際にかかる電圧は、コントロールゲート・フローティ
ングゲート間の容量と、フローティングゲート・半導体
基板間の容量との容量分割比によって決まる。この容量
分割比は、約0.5〜0.6である。したがって、メモ
リセルのしきい値電圧Vthの変動(6〜7V)は、フロ
ーティングゲートから見ると、3〜4Vの変動に相当す
る。すなわち、データの書込状態(プログラム状態)と
消去状態とでフローティングゲートの電圧が3〜4V変
化する。
With the above constraint including a margin,
The threshold voltage after writing is set to 8V, and the threshold voltage after erasing is set to 1-2V. Therefore, the threshold voltage V th of the memory cell fluctuates (swings) by 6 to 7 V between the write state (program state) and the erase state. The voltage actually applied to the floating gate due to such a change in V th is determined by the capacitance division ratio of the capacitance between the control gate and the floating gate and the capacitance between the floating gate and the semiconductor substrate. This capacity division ratio is about 0.5 to 0.6. Therefore, the variation (6 to 7 V) of the threshold voltage Vth of the memory cell corresponds to a variation of 3 to 4 V when viewed from the floating gate. That is, the voltage of the floating gate changes by 3 to 4 V between the data write state (program state) and the erase state.

【0023】次に、実際のデータの消去時に起こってい
る現象について考える。通常、メモリセルの消去動作を
行なう前には、必ずデータが書込まれた状態にある。し
たがって、消去されるメモリセルは、データの内容にか
かわらず必ず書込状態すなわちVthの高い状態のとなっ
ている。このときのフローティングゲートの電位をVFP
とする。
Next, a phenomenon occurring when data is actually erased will be considered. Normally, data is always written before an erase operation of a memory cell is performed. Therefore, the memory cell to be erased is always in the written state, that is, in the state of high Vth , regardless of the data content. The potential of the floating gate at this time is V FP
And

【0024】この状態から、ソース領域に高電圧VS
印加すると、トンネル酸化膜に(V S −VFP)/tOX
電荷がかかる。これにより、上述したファウラー−ノル
ドハイム電流が流れる。この結果、フローティングゲー
トの電子が引抜かれてデータの消去が行なわれる。消去
後の状態では、前述のようにフローティングゲートの電
位は、書込状態に比べて3〜4V上昇し、VFEになる。
したがってデータの消去動作終了後に、トンネル酸化膜
に加わる電界は、 (VS −VFE)/tOX=(VS −VFP−4)/tOX に減少する。
From this state, the high voltage V is applied to the source region.STo
When applied, (V) S-VFP) / TOXof
Charge is applied. Thereby, the above-mentioned Fowler-Nord
Deheim current flows. As a result, the floating game
The electrons in the data are withdrawn and the data is erased. Erase
In a later state, the floating gate
The voltage rises by 3 to 4 V as compared with the written state, and VFEbecome.
Therefore, after the data erase operation is completed, the tunnel oxide film
Is applied to (VS-VFE) / TOX= (VS-VFP-4) / tOX To decrease.

【0025】つまり、酸化膜に加わる電界は、消去動作
初期に最も大きく、消去動作完了時には消去動作初期に
比べて4/tOXだけ減少している。この現象を前述した
ファウラー−ノルドハイムの式から見れば、消去動作初
期に多くの電流が流れ、消去動作完了時には電流が大幅
に減少していることがわかる。
That is, the electric field applied to the oxide film is the largest at the beginning of the erasing operation, and is decreased by 4 / t OX at the completion of the erasing operation as compared with the initial stage of the erasing operation. From this Fowler-Nordheim equation, it can be seen that a large amount of current flows at the beginning of the erasing operation, and the current is greatly reduced when the erasing operation is completed.

【0026】図1は、消去電圧印加時間とメモリセルの
しきい値電圧Vthとの関係を示した図である。図1を参
照して、ソース領域への印加電圧VS を印加した直後
に、急速にVthが低下し、その後は緩やかに減少してい
ることがわかる。これを予め設定された消去時間(たと
えば10msec)内に所定のVth(1〜2V)にする
ためには、VS またはVS /tOXをある値以上に設定す
る必要がある。すなわち、VS またはVS /tOXが大き
いほど、電子を引抜く力が大きく消去時間が短くなる。
FIG. 1 is a diagram showing the relationship between the erase voltage application time and the threshold voltage Vth of a memory cell. Referring to FIG. 1, immediately after application of the applied voltage V S of the source region, rapidly decreases V th, it can be seen that thereafter decreasing moderately. In order to make this a predetermined V th (1-2 V) within a preset erase time (for example, 10 msec), it is necessary to set V S or V S / t OX to a certain value or more. That is, as V S or V S / t OX is larger, the force for extracting electrons is larger and the erase time is shorter.

【0027】ここで、フローティングゲートが電気的に
中性な状態でのメモリセルのしきい値電圧をVth(N)
とする。また、プログラム後(書込後)のしきい値電圧
をV th(P)とし、消去後のしきい値電圧をVth(E)
とする。これらのしきい値電圧を用いて書込後のフロー
ティングゲートの電位VFPと消去後のフローティングゲ
ートの電位VFEとを表わすと、それぞれ以下の式
(2)、(3)のようになる。
Here, the floating gate is electrically
The threshold voltage of the memory cell in the neutral state is Vth(N)
And Also, the threshold voltage after programming (after writing)
To V th(P), and the threshold voltage after erasing is Vth(E)
And Flow after writing using these threshold voltages
Potential V of the gateFPAnd floating gate after erase
Potential VFEWhere
(2) and (3) are obtained.

【0028】 VFP={Vth(N)−Vth(P)}×R …(2) VFE={Vth(N)−Vth(E)}×R …(3) ここで、Rは、容量結合比である。V FP = {V th (N) −V th (P)} × R (2) V FE = {V th (N) −V th (E)} × R (3) R is the capacitance coupling ratio.

【0029】次に、予め定められた所定の消去特性(消
去速度)を得るために必要な最低電界について考える。
この最低電界をEmin とすると、そのとき必要な最低ソ
ース電圧VSminは、以下のように導かれる。
Next, the minimum electric field necessary to obtain a predetermined erase characteristic (erase speed) is considered.
Assuming that the minimum electric field is E min , the minimum source voltage V Smin required at that time is derived as follows.

【0030】 Emin =(VSmin−VFP)/tOX …(4) Emin =[VSmin−{Vth(N)−Vth(P)}×R]/tOX …(5) VSmin=tOX・Emin +{Vth(N)−Vth(P)}×R …(6) ここで、tOX、Emin 、Vth(P)およびRは定数であ
るので、Vth(N)を小さくすることにより、VSmin
低下させることができる。Vth(N)の最小値は、前述
の消去後のしきい値電圧VthがVth>0でなければなら
ないのと同様、この中性状態でのしきい値電圧V
th(N)もVth(N)>0である必要がある。また、中
性状態でのしきい値電圧Vth(N)は、0ボルトに近い
ほど好ましいが、データの書込後(プログラム後)のし
きい値電圧Vth(P)の1/2以下であれば消去時のソ
ース領域印加電圧の低減という効果は得られる。
E min = (V Smin −V FP ) / t OX (4) E min = [V Smin − {V th (N) −V th (P)} × R] / t OX (5) V Smin = t OX · E min + {V th (N) −V th (P)} × R (6) Since t OX , E min , V th (P) and R are constants, By reducing V th (N), V Smin can be reduced. The minimum value of V th (N) is the same as threshold voltage V th after erasing described above, which must satisfy V th > 0.
th (N) also needs to satisfy V th (N)> 0. Further, the threshold voltage V th (N) in the neutral state is preferably as close to 0 volt, but is 1 / or less of the threshold voltage V th (P) after data writing (after programming). Then, the effect of reducing the voltage applied to the source region at the time of erasing can be obtained.

【0031】図2ないし図13は、本発明に従った一実
施例のスタックトゲート型フラッシュEEPROMのメ
モリセルの製造プロセス(第1工程ないし第12工程)
を示した断面図である。図2〜図13を参照して、次に
上記で述べたしきい値電圧を制御する実際の製造プロセ
スについて説明するまず、図2に示すように、比抵抗が
10Ωcm程度のP型シリコン半導体基板1に、ボロン
(B)を100KeV,4×1012/cm2 の条件下で
注入する。そして、1150℃で6時間熱処理を行なう
ことにより、ウェル(図示せず)を形成する。
FIGS. 2 to 13 show a manufacturing process (first to twelfth steps) of a memory cell of a stacked gate type flash EEPROM according to an embodiment of the present invention.
It is sectional drawing which showed. Next, an actual manufacturing process for controlling the above-described threshold voltage will be described with reference to FIGS. 2 to 13. First, as shown in FIG. 2, a P-type silicon semiconductor substrate having a specific resistance of about 10 Ωcm. 1, boron (B) is implanted under the conditions of 100 KeV and 4 × 10 12 / cm 2 . Then, a heat treatment is performed at 1150 ° C. for 6 hours to form a well (not shown).

【0032】次に、図3に示すように、活性領域を分離
する領域にボロン(B)を80KeV,2.5×1013
/cm2 の条件下で注入する。そして、この領域を選択
酸化法を用いて、6000Å程度の厚さを有するフィー
ルド酸化膜2を形成する。図3に示す右側の図面におけ
るA−Aの断面が左側に示す図面である。
Next, as shown in FIG. 3, boron (B) is applied to the region separating the active region at 80 KeV and 2.5 × 10 13.
/ Cm 2 . Then, a field oxide film 2 having a thickness of about 6000 ° is formed in this region by using a selective oxidation method. The cross section taken along the line AA in the right drawing shown in FIG. 3 is the drawing shown on the left.

【0033】次に、図4に示すように、メモリセルのし
きい値電圧Vthを制御するため、上記活性領域にイオン
注入を行なう。100Å程度の酸化膜3を全面に形成す
る。酸化膜3上に第1の多結晶シリコン層4を1000
Å程度堆積する。写真製版技術と異方性エッチングを用
いて、第1の多結晶シリコン層4をカラム方向(縦方
向)に一定のピッチで線状にパターニングする。すなわ
ち、レジストマスク7aを用いて、異方性エッチングを
行なうことにより、図4の右側部分に示したようなピッ
チでパターニングを行なう。この後、レジストマスク7
aを除去する。
Next, as shown in FIG. 4, ions are implanted into the active region to control the threshold voltage Vth of the memory cell. An oxide film 3 of about 100 ° is formed on the entire surface. First polycrystalline silicon layer 4 is formed on oxide film 3 by 1000
Deposit about Å. Using photolithography and anisotropic etching, the first polycrystalline silicon layer 4 is linearly patterned at a constant pitch in the column direction (vertical direction). That is, by performing anisotropic etching using the resist mask 7a, patterning is performed at a pitch as shown on the right side of FIG. After this, the resist mask 7
a is removed.

【0034】次に、図5に示すように、第1の多結晶シ
リコン層4上にON膜5を形成する。ON膜5上に第2
の多結晶シリコン層6を2500Å程度の厚みで形成す
る。第2の多結晶シリコン層6上にレジストマスク7b
を形成する。
Next, as shown in FIG. 5, an ON film 5 is formed on the first polycrystalline silicon layer 4. Second on ON film 5
Is formed with a thickness of about 2500 °. Resist mask 7b on second polycrystalline silicon layer 6
To form

【0035】次に、図6に示すように、写真製版技術を
用いて、ロウ方向(横方向)に一定のピッチで線状にレ
ジストマスク7bをパターニングする。そして、レジス
トマスク7bを用いて、第2の多結晶シリコン層6、そ
の下層のON膜5および第1の多結晶シリコン層4を異
方性エッチングする。このように、第1の多結晶シリコ
ン層4は、フローティングゲート4を形成し、第2の多
結晶シリコン層6は、コントロールゲート6を形成す
る。
Next, as shown in FIG. 6, the resist mask 7b is patterned linearly at a constant pitch in the row direction (horizontal direction) using a photolithography technique. Then, the second polycrystalline silicon layer 6, the ON film 5 thereunder and the first polycrystalline silicon layer 4 are anisotropically etched using the resist mask 7b. Thus, the first polysilicon layer 4 forms the floating gate 4, and the second polysilicon layer 6 forms the control gate 6.

【0036】次に、図7に示すように、メモリセルのド
レイン領域となる領域をレジストマスク7cで覆う。レ
ジストマスク7cをマスクとして、ソース領域となる領
域に斜め回転注入法を用いて燐(P)をイオン注入す
る。さらに、砒素(As)をイオン注入することによ
り、ソース領域8を形成する。
Next, as shown in FIG. 7, a region to be a drain region of the memory cell is covered with a resist mask 7c. Using the resist mask 7c as a mask, phosphorus (P) is ion-implanted into a region to be a source region by an oblique rotation implantation method. Further, the source region 8 is formed by ion-implanting arsenic (As).

【0037】次に、図8に示すように、メモリセルのソ
ース領域8をレジストマスク9で覆う。ドレイン領域と
なる領域に、斜め回転注入法を用いてボロン(B)をイ
オン注入する。さらに、砒素(As)をイオン注入する
ことにより、ドレイン領域10を形成する。このドレイ
ン領域10に注入する不純物量(ドープ量)によって、
メモリセルのしきい値電圧を容易に制御することができ
る。
Next, as shown in FIG. 8, the source region 8 of the memory cell is covered with a resist mask 9. Boron (B) is ion-implanted into a region to be a drain region by an oblique rotation implantation method. Further, the drain region 10 is formed by ion-implanting arsenic (As). Depending on the amount of impurities (the amount of doping) injected into the drain region 10,
The threshold voltage of the memory cell can be easily controlled.

【0038】次に、図9に示すように、酸化膜(図示せ
ず)を1500Å程度の厚みで形成する。異方性エッチ
ングを用いて、フローティングゲート4およびコントロ
ールゲート6の側壁部分にサイドウォール11を形成す
る。
Next, as shown in FIG. 9, an oxide film (not shown) is formed with a thickness of about 1500 °. Sidewalls 11 are formed on the side walls of the floating gate 4 and the control gate 6 by using anisotropic etching.

【0039】次に、図10に示すように、酸化膜12を
全面に1500Å程度の厚みで形成する。さらに窒化膜
13を500Å程度の厚みで形成する。
Next, as shown in FIG. 10, an oxide film 12 is formed on the entire surface to a thickness of about 1500 °. Further, a nitride film 13 is formed with a thickness of about 500 °.

【0040】次に、図11に示すように、ボロン(B)
と燐(P)とを含んだ酸化膜を数千Å程度の厚みで形成
し、熱処理およびエッチングを行なうことにより、層間
膜14を形成する。写真製版技術を用いてレジストマス
ク15を層間膜14上の所定領域に形成する。レジスト
マスク15を用いて、層間膜14を等方性エッチングす
ることにより、開口部16にテーパ形状17をもった層
間膜14を形成する。その後、図12に示すように、レ
ジストマスク15をマスクとして、さらに異方性エッチ
ングを行なうことにより、ドレイン領域10上に開口部
を設ける。
Next, as shown in FIG. 11, boron (B)
An oxide film containing silicon and phosphorus (P) is formed to a thickness of about several thousand Å, and heat treatment and etching are performed to form an interlayer film 14. A resist mask 15 is formed in a predetermined region on the interlayer film 14 using a photolithography technique. The interlayer film 14 is isotropically etched using the resist mask 15 to form the interlayer film 14 having the tapered shape 17 in the opening 16. Thereafter, as shown in FIG. 12, an opening is formed on the drain region 10 by further performing anisotropic etching using the resist mask 15 as a mask.

【0041】最後に、図13に示すように、上記開口し
たドレイン領域10上に、電気的に接続するようにチタ
ン18を500Å程度の厚みで形成する。そして、アル
ミニウム19を5000Å程度の厚みで形成する。写真
製版技術と化学処理を用いて、チタン18とアルミニウ
ム19との積層膜をパターニングすることにより、ドレ
イン領域10と接触するビット線(18,19)を形成
する。
Finally, as shown in FIG. 13, on the drain region 10 thus opened, a titanium 18 is formed with a thickness of about 500 ° so as to be electrically connected. Then, aluminum 19 is formed with a thickness of about 5000 °. By using a photolithography technique and a chemical process, a bit line (18, 19) that is in contact with the drain region 10 is formed by patterning a laminated film of titanium 18 and aluminum 19.

【0042】なお、上記実施例では、図4で説明した製
造プロセスにおいて、多結晶シリコン層4を形成する前
にイオン注入を行なったが、本発明はこれら限らず、ド
レイン領域10を形成する際のボロン(B)注入をさら
に高エネルギで行なうことによっても、メモリセルのし
きい値を制御することができる。
In the above embodiment, in the manufacturing process described with reference to FIG. 4, ion implantation was performed before forming the polycrystalline silicon layer 4. However, the present invention is not limited to this. The threshold value of the memory cell can be controlled also by performing boron (B) implantation at a higher energy.

【0043】[0043]

【発明の効果】請求項1にかかる発明によれば、電荷蓄
積電極が電気的に中性な状態で制御電極に電圧を印加し
たときのしきい値電圧を、0ボルト以上で電荷蓄積電極
への電荷の蓄積後のしきい値電圧の1/2以下の範囲内
に設定することにより、データの消去時に不純物領域に
印加すべき電圧が減少されるので、低いソース電圧(不
純物領域への印加電圧)で電圧の消去動作が可能な半導
体記憶装置を提供し得るに至った。電荷蓄積電極が電気
的に中性な状態はチップをUV(紫外線)で消去するこ
とにより得られる。
According to the first aspect of the present invention, the threshold voltage when a voltage is applied to the control electrode in a state where the charge storage electrode is electrically neutral is 0 volt or more, and is applied to the charge storage electrode. Since the voltage to be applied to the impurity region at the time of data erasure is reduced by setting the threshold voltage within a range equal to or less than 1/2 of the threshold voltage after the accumulation of the charges, the source voltage (application to the impurity region) is reduced. Voltage) can be provided. The electrically neutral state of the charge storage electrode can be obtained by erasing the chip with UV (ultraviolet).

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

【図1】消去電圧印加時間とメモリセルのしきい値電圧
thとの関係を示した図である。
FIG. 1 is a diagram showing a relationship between an erase voltage application time and a threshold voltage Vth of a memory cell.

【図2】本発明に従った一実施例のスタックトゲート型
フラッシュEEPROMのメモリセルの製造プロセスの
第1工程を示した断面図である。
FIG. 2 is a cross-sectional view showing a first step of a manufacturing process of the memory cell of the stacked gate type flash EEPROM of one embodiment according to the present invention.

【図3】本発明に従った一実施例のスタックトゲート型
フラッシュEEPROMのメモリセルの製造プロセスの
第2工程を示した断面図である。
FIG. 3 is a cross-sectional view showing a second step of the manufacturing process of the memory cell of the stacked gate type flash EEPROM of one embodiment according to the present invention.

【図4】本発明に従った一実施例のスタックトゲート型
フラッシュEEPROMのメモリセルの製造プロセスの
第3工程を示した断面図である。
FIG. 4 is a sectional view showing a third step of the manufacturing process of the memory cell of the stacked gate type flash EEPROM according to one embodiment of the present invention;

【図5】本発明に従った一実施例のスタックトゲート型
フラッシュEEPROMのメモリセルの製造プロセスの
第4工程を示した断面図である。
FIG. 5 is a sectional view showing a fourth step of the manufacturing process of the memory cell of the stacked gate type flash EEPROM according to the embodiment of the present invention;

【図6】本発明に従った一実施例のスタックトゲート型
フラッシュEEPROMのメモリセルの製造プロセスの
第5工程を示した断面図である。
FIG. 6 is a sectional view showing a fifth step of the manufacturing process of the memory cell of the stacked gate type flash EEPROM according to one embodiment of the present invention;

【図7】本発明に従った一実施例のスタックトゲート型
フラッシュEEPROMのメモリセルの製造プロセスの
第6工程を示した断面図である。
FIG. 7 is a sectional view showing a sixth step of the manufacturing process of the memory cell of the stacked gate type flash EEPROM according to one embodiment of the present invention;

【図8】本発明に従った一実施例のスタックトゲート型
フラッシュEEPROMのメモリセルの製造プロセスの
第7工程を示した断面図である。
FIG. 8 is a sectional view showing a seventh step of the manufacturing process of the memory cell of the stacked gate type flash EEPROM according to one embodiment of the present invention;

【図9】本発明に従った一実施例のスタックトゲート型
フラッシュEEPROMのメモリセルの製造プロセスの
第8工程を示した断面図である。
FIG. 9 is a sectional view showing an eighth step of the manufacturing process of the memory cell of the stacked gate type flash EEPROM according to one embodiment of the present invention;

【図10】本発明に従った一実施例のスタックトゲート
型フラッシュEEPROMのメモリセルの製造プロセス
の第9工程を示した断面図である。
FIG. 10 is a sectional view showing a ninth step of the manufacturing process of the memory cell of the stacked gate type flash EEPROM according to one embodiment of the present invention;

【図11】本発明に従った一実施例のスタックトゲート
型フラッシュEEPROMのメモリセルの製造プロセス
の第10工程を示した断面図である。
FIG. 11 is a sectional view showing a tenth step of the manufacturing process of the memory cell of the stacked gate type flash EEPROM according to one embodiment of the present invention;

【図12】本発明に従った一実施例のスタックトゲート
型フラッシュEEPROMのメモリセルの製造プロセス
の第11工程を示した断面図である。
FIG. 12 is a cross-sectional view showing an eleventh step of the manufacturing process of the memory cell of the stacked gate type flash EEPROM according to one embodiment of the present invention.

【図13】本発明に従った一実施例のスタックトゲート
型フラッシュEEPROMのメモリセルの製造プロセス
の第12工程を示した断面図である。
FIG. 13 is a sectional view showing a twelfth step of the manufacturing process of the memory cell of the stacked gate type flash EEPROM according to one embodiment of the present invention;

【図14】従来の不揮発性半導体記憶装置(EEPRO
M)の全体構成を示すブロック図である。
FIG. 14 shows a conventional nonvolatile semiconductor memory device (EEPRO);
It is a block diagram showing the whole composition of M).

【図15】図14に示したメモリセルアレイを構成する
メモリセル(半導体記憶素子)を示す断面構造図であ
る。
15 is a sectional structural view showing a memory cell (semiconductor storage element) constituting the memory cell array shown in FIG. 14;

【符号の説明】[Explanation of symbols]

1:P型シリコン半導体基板 2:フィールド酸化膜 3:酸化膜 4:第1の多結晶シリコン層(フローティングゲート) 5:ON膜 6:第2の多結晶シリコン層(コントロールゲート) 8:ソース領域 10:ドレイン領域 18:チタン 19:アルミニウム なお、各図中、同一符号は同一または相当部分を示す。 1: P-type silicon semiconductor substrate 2: Field oxide film 3: Oxide film 4: First polycrystalline silicon layer (floating gate) 5: ON film 6: Second polycrystalline silicon layer (control gate) 8: Source region 10: Drain region 18: Titanium 19: Aluminum In each drawing, the same reference numerals indicate the same or corresponding parts.

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.6,DB名) H01L 21/8247 H01L 27/115 H01L 29/788 H01L 29/792 ──────────────────────────────────────────────────続 き Continued on the front page (58) Field surveyed (Int.Cl. 6 , DB name) H01L 21/8247 H01L 27/115 H01L 29/788 H01L 29/792

Claims (1)

(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と、前記第1導
電型の半導体基板の主表面上に所定の間隔を隔てて形成
された第2導電型の1対の不純物領域と、 前記1対の不純物領域間に第1絶縁膜を介して形成され
た電荷蓄積電極と、 前記電荷蓄積電極上に第2の絶縁膜を介して形成された
制御電極とを有するフラッシュEEPROMを含む、半
導体記憶装置において、 前記電荷蓄積電極が電気的に中性な状態で前記制御電極
に電圧を印加したときのしきい値電圧が、0ボルト以上
で、前記電荷蓄積電極への電荷の蓄積後のしきい値電圧
の1/2以下の範囲内に設定されていることを特徴とす
る、半導体記憶装置。
A first conductivity type semiconductor substrate; a pair of second conductivity type impurity regions formed at a predetermined interval on a main surface of the first conductivity type semiconductor substrate; A semiconductor memory including a flash EEPROM having a charge storage electrode formed between a pair of impurity regions via a first insulating film, and a control electrode formed on the charge storage electrode via a second insulating film. In the apparatus, a threshold voltage when a voltage is applied to the control electrode in a state where the charge storage electrode is electrically neutral is 0 volt or more, and a threshold after the charge is stored in the charge storage electrode. A semiconductor memory device characterized in that the voltage is set within a range of 1/2 or less of a value voltage.
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