JP3324691B2 - 不揮発性半導体記憶装置および不揮発性半導体記憶装置のデータ書き換え方法 - Google Patents

不揮発性半導体記憶装置および不揮発性半導体記憶装置のデータ書き換え方法

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JP3324691B2
JP3324691B2 JP9153798A JP9153798A JP3324691B2 JP 3324691 B2 JP3324691 B2 JP 3324691B2 JP 9153798 A JP9153798 A JP 9153798A JP 9153798 A JP9153798 A JP 9153798A JP 3324691 B2 JP3324691 B2 JP 3324691B2
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Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は不揮発性半導体記憶
装置およびそのデータ書き換え方法に係わり、特に、半
導体基板の一主面上に、第1のゲート絶縁膜、浮遊ゲー
ト電極、第2のゲート絶縁膜、制御ゲート電極が順次積
層された複合ゲート電極と、前記複合ゲート電極両側の
前記半導体基板表面に形成されたソース、ドレインと、
を有する不揮発性半導体記憶装置およびそのデータ書き
換え方法に関する。
【0002】
【従来の技術】浮遊ゲート電極を有する不揮発性半導体
記憶装置の構造を図1を用いて説明する。図1に示すよ
うに、P型半導体基板1上に、厚さ約100オングスト
ローム程度の第1のゲート酸化膜4と、第1の多結晶シ
リコンからなる浮遊ゲート電極5と、ONO(Oxide-Ni
tride-Oxide)の3層構造でなり、酸化膜換算約200
オングストロームの第2のゲート絶縁膜6と、第2の多
結晶シリコンからなる制御ゲート電極7とが順次積層さ
れた複合ゲート電極を有し、該複合ゲート電極の両側の
P型半導体基板1にN+型拡散層からなるソース2及び
ドレイン3を有してメモリセルが構成される。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】上述の構成の浮遊ゲー
ト電極を有する不揮発性記憶装置において、従来のデー
タの消去は、図3に示すように、ソース2に連結された
PMOSトランジスタ等の消去負荷素子に例えば5Vを
印加し、ドレイン3は浮遊状態にし、制御ゲート電極7
には例えば−10Vを印加して、浮遊ゲート電極5とソ
ース2との間に比較的高い消去電圧が印加されファウラ
ーノルトハイムトンネル(以後、FNトンネルとい
う。)効果により浮遊ゲート電極に蓄積された電子がソ
ースに放出して行っていた(以後、ソース−ゲート消去
という。)。
【0004】そして、ソースに連結された消去負荷素子
は通常PMOSトランジスタが用いられる。
【0005】図4は負荷PMOS特性およびセルのソー
ス電圧−ソース電流特性を示す特性図である。
【0006】消去時セルアレイのソースに印加される実
際の電圧は負荷PMOSトランジスタとセルソース電流
の電流−電圧特性の交点Qで決まり、消去初期の浮遊ゲ
ート電極に十分に電子が蓄積されて浮遊ゲート電極の電
位が負となっている段階ではソースに正電圧を印加する
と浮遊ゲート電極とのオーバーラップ領域でソース領域
の深く空乏化し多くのバンド間トンネル電流がながれる
ことになる。
【0007】消去電流が多いと負荷PMOSトランジス
タとセルソース電流の電流−電圧特性からセルソースに
印加される電圧は低くなり、消去が進み浮遊ゲート電極
の電位が上がるに従いバンド間トンネルによる消去電流
は低くなり、消去電圧は高くなっていくように制御され
ている。
【0008】消去初期のソース電圧を低く制御すること
は重要な点で、ソース近傍でバンド間トンネルによる正
孔の生成を抑制し、正孔注入による第1のゲート絶縁膜
の膜質を劣化を抑制し、データ保持特性等の信頼性劣化
防ぐ効果がある。
【0009】しかし消去時間との兼ね合いで消去時のソ
ース−制御ゲート間の電圧は十分に低くは出来ず、実際
にはバンド間トンネルによる正孔注入は完全には抑制出
来ず、その為にゲート絶縁膜の劣化の避けられないのが
現状である。
【0010】また別の消去法として、消去時のソース近
傍のバンド間トンネルを完全に抑制する為、消去時にソ
ースには電圧を印加せず、制御ゲート−基板間に電圧を
印加してメモリセルのチャンネル領域で浮遊ゲート電極
の電子を基板へFNトンネル放出させる方法(以後、チ
ャンネル消去という。)が提案されている。
【0011】このチャンネル消去では消去の際基板が深
くデプレーションになることはなく、バンド間トンネル
による正孔の生成が完全に抑制され、消去による第1の
ゲート絶縁膜の劣化を抑制できる。
【0012】しかしこのチャンネル消去ではチャンネル
領域全面でFNトンネルさせる為、トンネル面積が前記
ソース消去ないしソース−ゲート消去に比べ広くなり、
トンネル領域のウイークスポット等の欠陥を拾いやすく
なり消去特性のメモリセル間のバラツキが増大する傾向
があるという問題があった。
【0013】
【課題を解決するための手段】本発明の不揮発性半導体
記憶装置は、半導体基板の一主面上に、第1のゲート絶
縁膜、浮遊ゲート電極、第2のゲート絶縁膜、制御ゲー
ト電極が順次積層された複合ゲート電極と、前記複合ゲ
ート電極両側の前記半導体基板表面に形成されたソー
ス、ドレインと、を有する不揮発性半導体記憶装置にお
いて、前記浮遊ゲート電極に蓄積された電子を放出する
動作を行なう場合に、チャネル領域上の前記第1のゲー
ト絶縁膜を介して前記浮遊ゲート電極から電子をトンネ
ル放出させるように、前記制御ゲート電極と前記半導体
基板との間に電圧を印加した後、前記ソース又はドレイ
ンと前記浮遊ゲート電極とのオーバーラップ領域上の前
記第1のゲート絶縁膜を介して前記浮遊ゲート電極から
電子をトンネル放出させるように、前記制御ゲート電極
と前記ソース又はドレインとの間に電圧を印加する電圧
印加手段を有することを特徴とする。
【0014】本発明の不揮発性半導体記憶装置のデータ
書き換え方法は、半導体基板の一主面上に、第1のゲー
ト絶縁膜、浮遊ゲート電極、第2のゲート絶縁膜、制御
ゲート電極が順次積層された複合ゲート電極と、前記複
合ゲート電極両側の前記半導体基板表面に形成されたソ
ース、ドレインと、を有する不揮発性半導体記憶装置の
データ書き換え方法において、前記浮遊ゲート電極に蓄
積された電子を放出する動作を行なう場合に、チャネル
領域上の前記第1のゲート絶縁膜を介して前記浮遊ゲー
ト電極から電子をトンネル放出させた後に、前記ソース
又はドレインと前記浮遊ゲート電極とのオーバーラップ
領域上の前記第1のゲート絶縁膜を介して前記浮遊ゲー
ト電極から電子をトンネル放出させることを特徴とす
る。
【0015】
【実施例】以下、本発明の実施例について図面を用いて
詳細に説明する。
【0016】本発明の浮遊ゲート電極を有する不揮発性
メモリセルの構造を図1を用いて説明する。図1に示す
ように、P型半導体基板1上に、厚さ約100オングス
トローム程度の第1のゲート酸化膜4と、第1の多結晶
シリコンからなる浮遊ゲート電極5と、ONO(Oxide-
Nitride- Oxide)の3層構造でなり、酸化膜換算約20
0オングストロームの第2のゲート絶縁膜6と、第2の
多結晶シリコンからなる制御ゲート電極7とが順次積層
層された複合ゲート電極を有し、該複合ゲート電極の両
側の前記P型半導体基板1にN+型拡散層からなるソー
ス2及びドレイン3を有してメモリセルが構成される。
【0017】浮遊ゲート電極5に電子が注入されていな
い初期状態ではメモリセルのしきい値は、基板表面のP
型不純物濃度に依存するが、通常は3V程度に設定され
る。
【0018】次に上記不揮発性メモリセルの動作を説明
する。なお、データの消去動作については図2(a),
(b)を用いて説明する。
【0019】データの読み出しは、ドレインに1V、ソ
ースに0V、制御ゲート電極に5Vを印加する。これに
より浮遊ゲート電極中の電子の有無により、データ
“0”、又は“1”が得られる。
【0020】データの書き込みは、例えばドレインに約
6Vを、ソースに0Vを、そして制御ゲート電極には1
2Vを印加し、その結果ドレイン近傍でインパクトアイ
オナイゼーションが起こり、電子が浮遊ゲート電極に注
入され、データの書き込みが行われる。浮遊ゲート電極
に電子が十分に蓄積されメモリセルのしきい値が例えば
7Vの高レベルに設定される。
【0021】一方、データの消去は、浮遊ゲート電極の
電子を放出し、しきい値を例えば3Vの低レベルにする
消去方法では、浮遊ゲート電極に電子が充分にある消去
初期には、図2(a)に示すように、ソース2とドレイ
ン3を浮遊状態にして、基板を0Vに接地して、制御ゲ
ート電極7に例えば−20Vの負電圧を印加して、浮遊
ゲート電極5から基板1に第1のゲート酸化膜4を介し
て電子をFNトンネル放出させるチャネル消去を行な
う。
【0022】そして、消去がある程度進み、例えばしき
い値が5Vにまで低下した段階で、図2(b)に示すよ
うに、制御ゲート電極7に例えば−10V、ソース2に
例えば5Vの電圧を印加し、浮遊ゲート電極5とソース
2のオーバーラップ領域で第1のゲート酸化膜4を介し
て電子をFNトンネル放出させて、ソース−ゲート消去
を行ない、所望の低しきい値レベル、例えば3Vまで消
去する。
【0023】このようにして、第1のゲート酸化膜4に
印加される消去電界が最も高くなる消去初期には第1の
ゲート酸化膜4へのホールの注入が抑制されるチャネル
消去で浮遊ゲート電極から電子をFN放出し(図2
(a))、消去途中からソース−ゲート消去にすること
で(図2(b))、消去のFNトンネル領域が浮遊ゲー
ト−ソースのオーバーラップ領域に小さく限定され、ま
た第1のゲート酸化膜の欠陥をトンネル領域に含みにく
くなり、消去バラツキを抑制できる。
【0024】また、本発明の他の実施例として、消去初
期のチャネル消去の段階に制御ゲート電極に例えば−1
2Vを印加し、基板に8Vを印加して制御ゲート電極と
基板間の電位差を分配して行うこともできる。
【0025】以上説明した本実施例では、浮遊ゲート電
極に蓄積された電子を放出する動作をデータの消去動作
として説明したが、浮遊ゲート電極に蓄積された電子を
放出する動作をデータの書き込み動作としてとらえるこ
ともできる。
【0026】
【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
消去の際のホール注入による第1のゲート酸化膜の劣化
を抑制できるので、不揮発性記憶装置のデータ保持特性
が向上し、消去後のメモリセルのしきい値のバラつきも
抑制され、安定して製造できる不揮発性記憶装置を得る
ことが出来る。
【0027】その理由は、第1のゲート酸化膜に印加さ
れる消去電界が最も高くなる消去初期には第1のゲート
酸化膜へのホールの注入が抑制されるチャネル消去で浮
遊ゲート電極から電子をFN放出し、消去途中からソー
ス−ゲート消去にすることで、消去のFNトンネル領域
が浮遊ゲート−ソースのオーバーラップ領域に小さく限
定され、また第1のゲート酸化膜の欠陥をトンネル領域
に含みにくくなり、消去バラツキを抑制できるからであ
る。
【図面の簡単な説明】
【図1】浮遊ゲート電極を有する不揮発性半導体装置の
構成を説明する図である。
【図2】(a)、(b)は本発明の不揮発性半導体装置
の動作を説明する図である。
【図3】従来の不揮発性半導体装置の動作を説明する図
である。
【図4】図4は負荷PMOS特性およびセルのソース電
圧−ソース電流特性を示す特性図である。
【符号の説明】
1 P型半導体基板 2 ソース 3 ドレイン 4 第1のゲート酸化膜 5 浮遊ゲート電極 6 第2のゲート絶縁膜 7 制御ゲート電極
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) G11C 16/02 H01L 27/115 H01L 29/788

Claims (6)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 半導体基板の一主面上に、第1のゲート
    絶縁膜、浮遊ゲート電極、第2のゲート絶縁膜、制御ゲ
    ート電極が順次積層された複合ゲート電極と、前記複合
    ゲート電極両側の前記半導体基板表面に形成されたソー
    ス、ドレインと、を有する不揮発性半導体記憶装置にお
    いて、 前記浮遊ゲート電極に蓄積された電子を放出する動作を
    行なう場合に、チャネル領域上の前記第1のゲート絶縁
    膜を介して前記浮遊ゲート電極から電子をトンネル放出
    させるように、前記制御ゲート電極と前記半導体基板と
    の間に電圧を印加した後、前記ソース又はドレインと前
    記浮遊ゲート電極とのオーバーラップ領域上の前記第1
    のゲート絶縁膜を介して前記浮遊ゲート電極から電子を
    トンネル放出させるように、前記制御ゲート電極と前記
    ソース又はドレインとの間に電圧を印加する電圧印加手
    段を有することを特徴とする不揮発性半導体記憶装置。
  2. 【請求項2】 請求項1に記載の不揮発性半導体記憶装
    置において、前記浮遊ゲート電極に蓄積された電子を放
    出する動作は、データの消去動作であることを特徴とす
    る不揮発性半導体記憶装置。
  3. 【請求項3】 請求項1に記載の不揮発性半導体記憶装
    置において、前記浮遊ゲート電極に蓄積された電子を放
    出する動作は、データの書き込み動作であることを特徴
    とする不揮発性半導体記憶装置。
  4. 【請求項4】 半導体基板の一主面上に、第1のゲート
    絶縁膜、浮遊ゲート電極、第2のゲート絶縁膜、制御ゲ
    ート電極が順次積層された複合ゲート電極と、前記複合
    ゲート電極両側の前記半導体基板表面に形成されたソー
    ス、ドレインと、を有する不揮発性半導体記憶装置のデ
    ータ書き換え方法において、 前記浮遊ゲート電極に蓄積された電子を放出する動作を
    行なう場合に、チャネル領域上の前記第1のゲート絶縁
    膜を介して前記浮遊ゲート電極から電子をトンネル放出
    させた後に、前記ソース又はドレインと前記浮遊ゲート
    電極とのオーバーラップ領域上の前記第1のゲート絶縁
    膜を介して前記浮遊ゲート電極から電子をトンネル放出
    させることを特徴とする不揮発性半導体記憶装置のデー
    タ書き換え方法。
  5. 【請求項5】 請求項4に記載の不揮発性半導体記憶装
    置のデータ書き換え方法において、前記浮遊ゲート電極
    に蓄積された電子を放出する動作は、データの消去動作
    であることを特徴とする不揮発性半導体記憶装置のデー
    タ書き換え方法。
  6. 【請求項6】 請求項4に記載の不揮発性半導体記憶装
    置のデータ書き換え方法において、前記浮遊ゲート電極
    に蓄積された電子を放出する動作は、データの書き込み
    動作であることを特徴とする不揮発性半導体記憶装置の
    データ書き換え方法。
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