JP3378386B2 - Semiconductor storage device - Google Patents

Semiconductor storage device

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JP3378386B2
JP3378386B2 JP27776194A JP27776194A JP3378386B2 JP 3378386 B2 JP3378386 B2 JP 3378386B2 JP 27776194 A JP27776194 A JP 27776194A JP 27776194 A JP27776194 A JP 27776194A JP 3378386 B2 JP3378386 B2 JP 3378386B2
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threshold value
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徹 丸山
寛 中村
智晴 田中
誠一 有留
哲郎 遠藤
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    • HELECTRICITY
    • H10SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10BELECTRONIC MEMORY DEVICES
    • H10B69/00Erasable-and-programmable ROM [EPROM] devices not provided for in groups H10B41/00 - H10B63/00, e.g. ultraviolet erasable-and-programmable ROM [UVEPROM] devices

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  • Semiconductor Memories (AREA)
  • Non-Volatile Memory (AREA)

Description

【発明の詳細な説明】Detailed Description of the Invention

【0001】[0001]

【産業上の利用分野】本発明は、半導体記憶装置に係わ
り、特に多値のデータを記憶する半導体記憶装置に関す
る。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a semiconductor memory device, and more particularly to a semiconductor memory device for storing multivalued data.

【0002】[0002]

【従来の技術】近年、半導体記憶装置は高集積化の一途
を辿っており、微細な半導体記憶装置の研究が盛んであ
る。例えば、各種半導体記憶装置のうち電気的書き替え
可能な不揮発性半導体記憶装置(EEPROM)はハー
ドディスク装置の代替品として期待されており、さらな
る高集積化が望まれている。
2. Description of the Related Art In recent years, semiconductor memory devices have been highly integrated, and research on fine semiconductor memory devices has been actively conducted. For example, among various semiconductor memory devices, an electrically rewritable nonvolatile semiconductor memory device (EEPROM) is expected as a substitute for a hard disk device, and further higher integration is desired.

【0003】このEEPROMに用いるメモリセルは、
他の半導体記憶装置には見られない浮遊ゲート(電荷蓄
積層)を用いる特殊な構造を有しており、浮遊ゲートに
電荷を保持することにより、セルトランジスタのしきい
値を変化させる。しきい値は“0”状態と“1”状態に
対応した値を取るが、この場合1つのメモリセル内には
1つの情報しか入らないため、大容量の記憶素子を形成
しようとすると、素子形成領域を大きくせざるを得な
い。また、これを回避するために素子の微細化をはかろ
うとしても、微細化には各種の解決すべき問題があり、
多大な費用がかかる。
The memory cell used in this EEPROM is
It has a special structure that uses a floating gate (charge storage layer), which is not found in other semiconductor memory devices, and the threshold value of a cell transistor is changed by holding charges in the floating gate. Although the threshold value takes a value corresponding to the “0” state and the “1” state, in this case, since only one information can be stored in one memory cell, when a large capacity storage element is formed, the element is There is no choice but to enlarge the formation area. Further, even if trying to miniaturize the element in order to avoid this, there are various problems to be solved in miniaturization,
It costs a lot of money.

【0004】一方、浮遊ゲートに注入する電荷量を制御
することによりセルトランジスタのしきい値を可変する
ことができ、これを利用して多値データの記憶を行うこ
とは原理的には可能である。しかし、印加電圧により電
荷の注入量を制御することは難しく、さらにしきい値を
複数レベルのある範囲に安定に保持するのは極めて困難
である。注入電荷の有無でしきい値を2段階に変えて、
“0”と“1”の2値データの識別を行う場合にも、し
きい値の制御が難しい現状を考えると、従来構造で注入
電荷の量により多値(3値以上)のデータの記憶を行う
ことは実質的に困難である。
On the other hand, the threshold value of the cell transistor can be varied by controlling the amount of charge injected into the floating gate, and it is theoretically possible to store multivalued data by utilizing this. is there. However, it is difficult to control the charge injection amount by the applied voltage, and it is extremely difficult to stably maintain the threshold value within a certain range of a plurality of levels. By changing the threshold value in two steps depending on the presence or absence of injected charges,
Considering the present situation where it is difficult to control the threshold value even when discriminating binary data of “0” and “1”, multi-valued data (three values or more) is stored according to the amount of injected charges in the conventional structure. Is practically difficult to do.

【0005】[0005]

【発明が解決しようとする課題】このように従来、電荷
蓄積層を有するメモリセルを用いた不揮発性半導体記憶
装置においては、1つのメモリセルに1つのデータしか
入らないため、記憶容量を増やすためには、素子領域を
大きくしたり素子を微細化する必要があり、これに伴い
製造コストが増大する問題があった。また、電荷蓄積層
への注入キャリア量の制御でしきい値を段階的に変えよ
うとしても、しきい値を狭い範囲で安定に制御すること
は難しく、従来構造で多値データを記憶させるのは実質
的に困難であった。
As described above, in a conventional nonvolatile semiconductor memory device using a memory cell having a charge storage layer, only one data can be stored in one memory cell, so that the storage capacity is increased. However, there is a problem in that it is necessary to enlarge the element region and miniaturize the element, and accordingly, the manufacturing cost increases. Moreover, even if the threshold value is changed stepwise by controlling the amount of carriers injected into the charge storage layer, it is difficult to stably control the threshold value in a narrow range, and multi-valued data is stored in the conventional structure. Was practically difficult.

【0006】本発明は、上記事情を考慮してなされたも
ので、その目的とするところは、セルトランジスタのし
きい値を段階的に安定に制御することができ、多値デー
タの記憶を可能として、素子領域の増大や素子の微細化
を要することなく記憶容量の増大をはかり得る半導体記
憶装置を提供することにある。
The present invention has been made in consideration of the above circumstances. An object of the present invention is to enable the threshold value of a cell transistor to be stably controlled in stages and to store multi-valued data. Another object of the present invention is to provide a semiconductor memory device capable of increasing the storage capacity without increasing the element region or miniaturizing the element.

【0007】[0007]

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
に本発明は、次のような構成を採用している。即ち本発
明は、半導体基板上に、第1の絶縁膜,電荷蓄積層,第
2の絶縁膜及び制御ゲートを積層してなるメモリセルが
マトリクス配置された半導体記憶装置において、前記電
荷蓄積層は、固有かつ複数の電荷捕獲準位を持つ物質か
らなり、所定の電圧の印加により該物質に対応した準位
に選択的にキャリアを捕獲する導電性膜を、絶縁膜を介
して少なくとも2層積層することにより形成され、積層
された各導電性膜への選択的な電荷の授受により多値の
データを記憶することを特徴とする。
In order to solve the above problems, the present invention employs the following configurations. That is, the present invention provides a semiconductor memory device in which memory cells each having a first insulating film, a charge storage layer, a second insulating film, and a control gate stacked on a semiconductor substrate are arranged in a matrix. , A substance with unique and multiple charge trapping levels
And a level corresponding to the substance when a predetermined voltage is applied.
Is formed by stacking at least two conductive films that selectively capture carriers on both sides of the insulating film, and stores multi-valued data by selectively giving and receiving charges to and from each stacked conductive film. It is characterized by doing.

【0008】ここで、本発明の望ましい実施態様として
は、次のものがあげられる。 (1) 電荷蓄積層を構成する導電性膜として、金属ドープ
のポリシリコン,窒化シリコン又は酸化タンタルを用い
ること。 (2) 複数個のメモリセルが直列接続されてNANDセル
を構成していること。 (3) 電荷蓄積層はn層の導電性膜1〜nからなり、i番
目の導電性膜に電荷が保持されることによりメモリセル
のしきい値Vth(i) が、他のしきい値と区別可能であ
り、かつメモリセルはn値の区別可能なしきい値を有す
ること。 (4) メモリセルにデータを記憶するとき、半導体基板表
面からのキャリア注入により、複数の導電性膜の任意の
個数に電荷を注入すること。 (5) メモリセルにデータを記憶するとき、制御ゲートか
らのキャリア注入により、複数の導電性膜の任意の個数
に電荷を注入すること。 (6) 電荷蓄積層を構成する導電性膜は、固有かつ複数の
電荷捕獲準位を持つ物質であり、所定の電圧の印加によ
り、該導電性膜の対応した準位に選択的にキャリアを捕
獲させること。
Here, the following are preferred embodiments of the present invention. (1) Use metal-doped polysilicon, silicon nitride, or tantalum oxide as the conductive film forming the charge storage layer. (2) A plurality of memory cells are connected in series to form a NAND cell. (3) The charge storage layer is composed of n layers of conductive films 1 to n, and the threshold voltage Vth (i) of the memory cell is changed to another threshold value by holding charges in the i-th conductive film. , And the memory cell has an n-value distinguishable threshold value. (4) When storing data in a memory cell, charges are injected into an arbitrary number of a plurality of conductive films by carrier injection from the surface of a semiconductor substrate. (5) When data is stored in a memory cell, charges are injected into an arbitrary number of a plurality of conductive films by carrier injection from the control gate. (6) The conductive film forming the charge storage layer is a substance having a plurality of unique charge trap levels, and by applying a predetermined voltage, carriers are selectively transferred to the corresponding levels of the conductive film. To be captured.

【0009】[0009]

【作用】本発明によれば、電荷蓄積層として複数の導電
性膜を積層し、各々の導電性膜に選択的にキャリアを注
入・放出することにより、1つのメモリセルに少なくと
も2つ以上(望ましくは3つ以上)のしきい値を持たせ
ることができる。
According to the present invention, by stacking a plurality of conductive films as a charge storage layer and selectively injecting / releasing carriers into / from each conductive film, at least two or more ( It is possible to have three or more threshold values.

【0010】ここで、本発明が従来例と異なる点は、1
つの導電性膜に注入するキャリアの量を変えるのではな
く、複数の導電性膜に選択的にキャリアを注入すること
である。キャリアの注入は半導体基板と制御ゲート間に
印加する電圧によって決まるが、本発明では、ある電圧
V1まではいずれの導電性膜にもキャリアは注入され
ず、V1を越えると1層目の導電性膜にキャリアが注入
され、これよりも所定以上大きい電圧V2となると2層
目の導電性膜にもキャリアが注入されるというように制
御される。
Here, the difference between the present invention and the conventional example is that
Instead of changing the amount of carriers injected into one conductive film, the carriers are selectively injected into a plurality of conductive films. The injection of carriers is determined by the voltage applied between the semiconductor substrate and the control gate. In the present invention, however, carriers are not injected into any conductive film up to a certain voltage V1, and when V1 is exceeded, the conductivity of the first layer is increased. The carriers are injected into the film, and when the voltage V2 is higher than the predetermined voltage by a predetermined level, the carriers are also injected into the second conductive film.

【0011】この場合、電荷蓄積層におけるキャリアの
蓄積量は、印加電圧の増大に伴い連続的に増加するので
はなく階段状に増加する。そして、セルトランジスタの
しきい値も階段状に変化する。従って、しきい値を複数
段階のある値に安定に保持することができ、これを利用
して多値データの記憶が容易に可能となる。これによ
り、素子領域の増大や素子の微細化を要することなく、
記憶容量の増大をはかることが可能となる。
In this case, the amount of carriers accumulated in the charge accumulation layer does not continuously increase with an increase in the applied voltage but increases stepwise. Then, the threshold value of the cell transistor also changes stepwise. Therefore, the threshold value can be stably held at a certain value in a plurality of steps, and by utilizing this, it becomes possible to easily store multivalued data. As a result, without increasing the element area or miniaturizing the element,
It is possible to increase the storage capacity.

【0012】なお、1つのメモリセルに記憶できるデー
タ量は、電荷蓄積層として積層された電導性膜の段数で
決まる。また、導電性膜間の絶縁膜の膜厚とその種類に
よって、セルトランジスタのしきい値Vth及びその幅Δ
Vthが制御できる。さらに、導電性膜間の絶縁膜の厚さ
を変えることにより、電荷保持特性を変えることができ
る。
The amount of data that can be stored in one memory cell is determined by the number of conductive film layers stacked as the charge storage layer. Further, depending on the thickness of the insulating film between the conductive films and the type thereof, the threshold value Vth of the cell transistor and its width Δ
Vth can be controlled. Furthermore, the charge retention characteristic can be changed by changing the thickness of the insulating film between the conductive films.

【0013】[0013]

【実施例】以下、図面を参照しながら本発明の実施例を
説明する。図1は、本発明の第1の実施例に係わるNA
ND型EEPROMのメモリセル構造を示す平面図であ
る。また、図2及び図3は、それぞれ図1の矢視A−
A′断面図及びB−B′断面図である。
Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings. FIG. 1 shows an NA according to the first embodiment of the present invention.
FIG. 3 is a plan view showing a memory cell structure of an ND type EEPROM. Further, FIG. 2 and FIG. 3 are respectively views A- of FIG.
It is an A'sectional view and a BB 'sectional view.

【0014】図1及び図2のように、このNAND型E
EPROMでは、複数の制御ゲート8と複数の活性層1
1が直交配列され、両者が交差する部分に、トンネル酸
化膜4(第1の絶縁膜)とONO膜(第2の絶縁膜)3
を介して多重フローティングゲート(5,6,7)が挟
まれた形で設けられており、各交差部分が記憶ノードを
形成している。即ち、基本的な構成は従来と同様である
が、電荷蓄積層が単層ではなく、絶縁膜5を挟んで2つ
の導電性膜6,7を積層した積層構造となっている。
As shown in FIGS. 1 and 2, this NAND type E
In an EPROM, a plurality of control gates 8 and a plurality of active layers 1
1 are orthogonally arranged, and a tunnel oxide film 4 (first insulating film) and an ONO film (second insulating film) 3 are provided at the intersections of the two.
Multiple floating gates (5, 6, 7) are provided so as to be sandwiched via the gates, and each intersection forms a storage node. That is, although the basic structure is the same as the conventional one, the charge storage layer is not a single layer but has a laminated structure in which two conductive films 6 and 7 are laminated with the insulating film 5 sandwiched therebetween.

【0015】また、本実施例では、図1及び図3のよう
に素子分離領域は、半導体基板1の表面に設けた溝12
を上端面まで絶縁膜2で埋め込んで形成すると共に、隣
り合う素子分離領域の間に多重フローティング・ゲート
(5,6,7)が自己整合的に形成されている。なお、
図1の26はビット線コンタクトを示している。
Further, in this embodiment, as shown in FIGS. 1 and 3, the element isolation region has a groove 12 formed on the surface of the semiconductor substrate 1.
Are buried in the insulating film 2 up to the upper end surface, and multiple floating gates (5, 6, 7) are formed in a self-aligned manner between adjacent element isolation regions. In addition,
Reference numeral 26 in FIG. 1 denotes a bit line contact.

【0016】本実施例では、電荷蓄積層を積層構造にし
ているので、注入した電子が保持されている場所を変え
ることにより、書き込みの時のしきい値を従来の1状態
のみでなく複数の値を取ることができる。
In the present embodiment, since the charge storage layer has a laminated structure, by changing the place where the injected electrons are held, the threshold value at the time of writing is not limited to the conventional one state but a plurality of threshold values. Can take a value.

【0017】次に、本実施例素子の製造工程について説
明する。まず、図4(a)に示すように、例えば面方位
(100),比抵抗5〜50Ω・cmのn型シリコン基
板1上にp型ウェルを形成し、例えば厚さ10nmのト
ンネル熱酸化膜(第1の絶縁膜)4をHCl雰囲気中で
成膜し、さらに例えばPドープポリSiを100nm程
度形成し、第1浮遊ゲート(導電性膜)6とする。この
第1浮遊ゲート6は、例えばシリコン窒化膜でもよい。
続いて、CVD法によりSiO2 膜5を例えば100n
m程度堆積させる。この膜5を堆積する代わりに、ポリ
シリコンを熱酸化してもよい。さらに、第2浮遊ゲート
7として、例えば上述のPドープポリSi膜若しくは、
例えばシリコン窒化膜を100nm程度堆積させる。そ
の後、PEP工程によりレジスト21を所望パターンに
形成する。
Next, the manufacturing process of the device of this embodiment will be described. First, as shown in FIG. 4A, a p-type well is formed on an n-type silicon substrate 1 having a plane orientation (100) and a specific resistance of 5 to 50 Ω · cm, for example, a tunnel thermal oxide film having a thickness of 10 nm. A (first insulating film) 4 is formed in an HCl atmosphere, and further, for example, P-doped poly-Si is formed to a thickness of about 100 nm to form a first floating gate (conductive film) 6. The first floating gate 6 may be, for example, a silicon nitride film.
Then, the SiO 2 film 5 is formed to a thickness of
Deposit about m. Instead of depositing this film 5, polysilicon may be thermally oxidized. Further, as the second floating gate 7, for example, the above-mentioned P-doped poly-Si film, or
For example, a silicon nitride film is deposited to about 100 nm. Then, the resist 21 is formed into a desired pattern by the PEP process.

【0018】次いで、図4(b)に示すように、レジス
ト21をマスクとして使用し、上述の多重フローティン
グゲート構造(5,6,7)及びトンネル酸化膜4を例
えばRIEでエッチングし、さらにシリコン基板1の表
面を例えば、HBr/SiF4 /O2 雰囲気中でエッチ
ングし、深さ0.5μm,幅0.4μm程度の溝12を
形成する。
Next, as shown in FIG. 4B, the above-mentioned multiple floating gate structures (5, 6, 7) and the tunnel oxide film 4 are etched by, for example, RIE using the resist 21 as a mask, and silicon is further added. The surface of the substrate 1 is etched in, for example, an HBr / SiF 4 / O 2 atmosphere to form a groove 12 having a depth of 0.5 μm and a width of 0.4 μm.

【0019】次いで、図4(c)に示すように、フィー
ルドインプラを行い、レジスト21を剥離した後、溝1
2を埋め込む素子分離絶縁膜2として、例えばCVDで
成膜したTEOS膜を成膜する。このとき、ボイドが発
生しないように埋め込むことが望ましい。
Next, as shown in FIG. 4C, field implantation is performed to remove the resist 21 and then the groove 1 is formed.
As the element isolation insulating film 2 with which 2 is embedded, for example, a TEOS film formed by CVD is formed. At this time, it is desirable to embed so that voids do not occur.

【0020】次いで、図5(d)に示すように、この膜
2を例えばRIEなどでエッチバックし、溝12内のみ
に残す。次いで、図5(e)に示すように、インターポ
リ膜としてONO膜3を例えば16nm程度成膜し、さ
らに図5(f)に示すように、制御ゲート8としてポリ
シリコン膜を堆積する。そして、その上に層間絶縁膜
(図示せず)を堆積して素子形成を完了する。
Next, as shown in FIG. 5D, this film 2 is etched back by, for example, RIE, and is left only in the groove 12. Next, as shown in FIG. 5E, an ONO film 3 is formed as an interpoly film to a thickness of, for example, about 16 nm, and as shown in FIG. 5F, a polysilicon film is deposited as a control gate 8. Then, an interlayer insulating film (not shown) is deposited on it to complete the element formation.

【0021】なお、電荷蓄積層として積層した浮遊ゲー
ト6,7は、例えばPドープポリでもよいし、例えばS
34 のような固有のトラップレベルを持つ膜でもよ
い。Pドープポリの場合、P濃度を振ることにより、各
層に保持される電子の総数が異なるため、さらに複数の
しきい値を持たせることができる。Si34 のような
固有トラップレベルを持つ膜の場合、異なる電界で、異
なるトラップレベルに電子を捕獲させることにより、複
数のしきい値を持たせることができる。
The floating gates 6 and 7 stacked as the charge storage layer may be made of P-doped poly or S, for example.
A film having an inherent trap level such as i 3 N 4 may be used. In the case of P-doped poly, by varying the P concentration, the total number of electrons held in each layer is different, so that it is possible to further provide a plurality of threshold values. In the case of a film having an intrinsic trap level such as Si 3 N 4 , a plurality of threshold values can be provided by trapping electrons at different trap levels in different electric fields.

【0022】また、両者の場合、多重フローティングゲ
ートの各膜厚を変えることにより、各膜に保持される電
荷量を変えることができ、それにより、複数のしきい値
を製御性良く持たせることができる。また本実施例で
は、素子分離としては、シリコン基板上に溝(トレン
チ)を掘り、このトレンチを埋め込む工程を挙げている
が、例えば厚い酸化膜による素子分離(LOCOS)で
も本実施例と同様のプロセスを考えることができる。
In both cases, the amount of charges held in each film can be changed by changing the film thickness of the multiple floating gates, and thereby a plurality of threshold values can be provided with good controllability. be able to. Further, in the present embodiment, as the element isolation, a step of digging a trench (trench) on the silicon substrate and filling the trench is mentioned. However, for example, element isolation by a thick oxide film (LOCOS) is the same as that of the present embodiment. You can think about the process.

【0023】次に、本実施例素子において多値データが
記憶できる動作原理について説明する。図6は、本実施
例におけるメモリセルの断面のエネルギーバンドダイア
グラムを示す。半導体基板1上にトンネル酸化膜4を介
して電荷蓄積層が形成され、その上にインターポリ絶縁
膜3を介して制御ゲート8が形成されている。そして、
電荷蓄積層としては、絶縁膜5を介して例えばシリコン
窒化膜6,7が2層堆積されているものとする。
Next, the principle of operation in which multivalued data can be stored in the device of this embodiment will be described. FIG. 6 shows an energy band diagram of a cross section of the memory cell in this example. A charge storage layer is formed on a semiconductor substrate 1 via a tunnel oxide film 4, and a control gate 8 is formed thereon via an interpoly insulating film 3. And
As the charge storage layer, for example, two layers of silicon nitride films 6 and 7 are deposited via the insulating film 5.

【0024】シリコン窒化膜には、シリコンのダングリ
ングボンドに起因するトラップが存在し、そのトラップ
は図7に示すように3つの状態を取り得る。1つの状態
は、そのトラップに電子が入っていない状態であり、電
気的に正に帯電したD+ 状態と呼ばれている。後の2つ
は電子が1個及び2個捕獲された状態であり、それぞれ
電気的に中性のD0 、電気的に負に帯電したD- 状態と
呼ばれている。
There are traps in the silicon nitride film due to dangling bonds of silicon, and the traps can take three states as shown in FIG. One state is a state in which no electrons are contained in the trap, and is called an electrically positively charged D + state. The latter two are states in which one and two electrons are captured, which are called electrically neutral D 0 and electrically negatively charged D state, respectively.

【0025】各状態のエネルギーレベルをシリコン窒化
膜のバンドダイアグラム中に書くと、図8のようにな
る。このトラップには3つの状態D+ ,D0 ,D- が存
在するが、ある時間で見ると1つの状態しかとりえな
い。シリコン窒化膜中のトラップは電子が0,1,2個
捕獲された場合、即ちD+ ,D0 ,D- 状態のエネルギ
ーレベルは大きく異なる。
The energy level of each state is shown in the band diagram of the silicon nitride film as shown in FIG. There are three states D + , D 0 , D − in this trap, but only one state can be seen at a certain time. In the trap in the silicon nitride film, when 0, 1, and 2 electrons are trapped, that is, the energy levels of the D + , D 0 , and D states are significantly different.

【0026】電子はD+ 状態に捕獲されトラップ状態は
0 状態になる。このとき、エネルギー保存則から、D
0 に対応するエネルギー準位以上のエネルギーを持った
電子でないと、D+ 状態に捕獲され、トラップ状態をD
0 にすることができない。DO 状態に電子が捕獲され,
- 状態に変化する時も同様である。
The electrons are trapped in the D + state and the trap state becomes the D 0 state. At this time, from the law of conservation of energy, D
Unless the electron has an energy higher than the energy level corresponding to 0, it is trapped in the D + state and the trap state becomes D.
Cannot be 0 . The electrons are captured in the D O state,
The same applies when changing to the D - state.

【0027】このため、浮遊ゲートに印加される電圧を
調整することにより、電子をD0 状態若しくはD- 状態
に選択的にトラップさせることができる。また、例えば
シリコン窒化膜の場合、単位体積当たりの捕獲準位数が
決まっているので、膜中に捕獲される電荷量が膜厚によ
り容易に推定できる。このため、多値メモリセルに使用
した場合、しきい値の変化量が簡単に予想できる。さら
に、この捕獲準位濃度は、シリコンと窒素の結合状態に
起因しているため、チップ間,ウェハ間ばらつきが少な
い。それ故、しきい値変化量のばらつきの少ない多値メ
モリデバイスを容易に形成できる。
Therefore, the electrons can be selectively trapped in the D 0 state or the D state by adjusting the voltage applied to the floating gate. Further, for example, in the case of a silicon nitride film, since the number of trap levels per unit volume is determined, the amount of charges trapped in the film can be easily estimated by the film thickness. Therefore, when used in a multi-valued memory cell, the amount of change in threshold value can be easily predicted. Further, since the trap level concentration is caused by the bonding state of silicon and nitrogen, there is little variation between chips and between wafers. Therefore, it is possible to easily form a multi-valued memory device in which the variation in the threshold change amount is small.

【0028】D0 状態及びD- 状態に電子を選択的に捕
獲させるための電界は、図9に示すようにして決定でき
る。シリコン基板と制御ゲート間に印加される電圧をV
とすると、浮遊ゲートに印加される電界は、 第1浮遊ゲートであるD0 状態に選択的にトラップさせ
るための電界は、次の条件で表わされる。
D0 State and D- Selectively capture electrons in the state
The electric field for catching can be determined as shown in FIG.
It The voltage applied between the silicon substrate and the control gate is V
Then, the electric field applied to the floating gate is The first floating gate D0 Let the state selectively trap
The electric field for this is expressed under the following conditions.

【0029】 φ0 −(φn +E- +E0 +εflot・x0 )>0 電界は、次のように表わされる。 {φ0 −(φn +E- +E0 )}/x0 <εflot … (2) また、D 状態とD- 状態に同時に電子が捕獲されな
いためには、 {φ0 −(φn +E- )}/x0 >εflot … (3) 従って、D0 状態に捕獲させるための電界は、次のよう
に表わされる。
Φ 0 − (φ n + E + E 0 + ε flot · x 0 )> 0 The electric field is expressed as follows. {Φ 0 − (φ n + E + E 0 )} / x 0flot (2) Further, since electrons are not simultaneously captured in the D 0 state and the D state, {φ 0 − (φ n + E - )} / X 0 > ε flot (3) Therefore, the electric field for capturing in the D 0 state is expressed as follows.

【0030】 {φ0 −(φn +E- +E0 )}/x0 <εflot <{φ0 −(φn +E- )}/x0 … (4) D- 状態に選択的に電子を捕獲させるためには、(3) 式
で表わされる電界を印加すればよい。但し、必要以上に
強い電界を印加すると、図10に示すように、浮遊ゲー
ト内に捕獲された電子が制御ゲートに放出されてしま
う。従って、D-状態に電子を捕獲させるためには、 {φ0 −(φn +E- )}/x0 =εflot … (5) である必要がある。
0 − (φ n + E + E 0 )} / x 0flot <{φ 0 − (φ n + E )} / x 0 (4) Electrons selectively in the D state In order to capture, an electric field represented by the equation (3) may be applied. However, if a stronger electric field is applied than necessary, the electrons trapped in the floating gate will be emitted to the control gate, as shown in FIG. Therefore, in order to capture electrons in the D - state, it is necessary that {φ 0 − (φ n + E )} / x 0 = ε flot (5).

【0031】それ故、基板を接地し、制御ゲートに正の
低電圧を印加することにより、D0又はD- 状態に選択
的に電荷を印加することにより、D0 又はD- 状態に選
択的に電荷を捕獲させることが可能である。
[0031] Therefore, grounding the substrate, by applying a positive low voltage to the control gate, D 0 or D - by selectively applying a charge to the state, D 0 or D - selective state Can be made to capture the charge.

【0032】前記図6において、例えばトンネル酸化膜
4の膜厚を8nm、シリコン窒化膜6,7を100n
m、絶縁膜5を20nm、制御ゲート8を200〜30
0nmとする。初めにVUキュアをかけ、余分な電荷を
シリコン窒化膜中から除去し、膜を電気的に中性とす
る。この状態を“0”とする。このとき、図11に示す
ように、膜中トラップの大部分はD0 状態(14)であ
るが、他のトラップはD+(13),D- (15)の状
態にある。
In FIG. 6, for example, the tunnel oxide film 4 has a film thickness of 8 nm and the silicon nitride films 6 and 7 have a film thickness of 100 n.
m, the insulating film 5 is 20 nm, and the control gate 8 is 200 to 30
0 nm. First, VU cure is applied to remove excess charges from the silicon nitride film, so that the film becomes electrically neutral. This state is set to "0". At this time, as shown in FIG. 11, most of the traps in the film are in the D 0 state (14), but the other traps are in the D + (13) and D (15) states.

【0033】次いで、シリコン基板1に0Vを、制御ゲ
ート8に低電圧(4〜8V)を印加すると、D+ 状態の
トラップに選択的に電荷を捕獲させ、D0 状態にトラッ
プ状態を変化させることが可能である。この捕獲された
電荷により、第1,第2の浮遊ゲート6,7がそれぞれ
100nmの場合、セルトランジスタのしきい値変化Δ
Vth1 =0.4〜0.8V程度になると考えられる。こ
の状態を“1”状態と名付ける。
Next, when 0V is applied to the silicon substrate 1 and a low voltage (4 to 8V) is applied to the control gate 8, the traps in the D + state are selectively trapped to change the trap state to the D 0 state. It is possible. Due to the trapped charges, when the first and second floating gates 6 and 7 each have a thickness of 100 nm, the threshold change Δ of the cell transistor Δ
It is considered that Vth1 becomes about 0.4 to 0.8V. This state is named "1" state.

【0034】次いで、シリコン基板1に同じく0Vを、
制御ゲート8に15V印加すると、図12に示すよう
に、基板1から電子が注入され、第1浮遊ゲート6中の
トラップは全てD- 状態になる。このD- 状態は、絶縁
膜との仕事関数差が小さいために、図13に示すよう
に、D- (15)状態中の電子は第2浮遊ゲート7中へ
トンネルする。このトンネルは、図14に示すように、
第2浮遊ゲート7中のトラップが全てD- (15)状態
になると終了する。この状態を“2”状態と名付ける。
このときのセルトランジスタのしきい値変化は、ΔVth
2 =0.8V程度になると考えられる。
Next, 0V is similarly applied to the silicon substrate 1.
When 15 V is applied to the control gate 8, electrons are injected from the substrate 1 and all traps in the first floating gate 6 are in the D state, as shown in FIG. Since the D state has a small work function difference from the insulating film, the electrons in the D (15) state tunnel into the second floating gate 7, as shown in FIG. This tunnel, as shown in Figure 14,
It ends when all the traps in the second floating gate 7 are in the D (15) state. This state is named "2" state.
The threshold change of the cell transistor at this time is ΔVth
It is considered that 2 = 0.8V or so.

【0035】消去はこの順序と逆に、第1及び第2浮遊
ゲート6,7のD- 状態にある電子をトンネル酸化膜2
を介して放出させた後、制御ゲート8に負の高電界を印
加して、D0 状態にある電子をトンネル酸化膜2を介し
て放出する。
In erasing, the electrons in the D state of the first and second floating gates 6 and 7 are tunneled in the tunnel oxide film 2 in the reverse order.
Then, a high negative electric field is applied to the control gate 8 to emit electrons in the D 0 state through the tunnel oxide film 2.

【0036】このようにして本実施例では、電荷蓄積層
として積層された第1,第2の浮遊ゲート6,7のう
ち、いずれにも電荷を注入しない状態を“0”、第1浮
遊ゲート6のみに電荷を注入した状態を“1”、第1,
第2の浮遊ゲート6,7の双方に電荷を注入した状態を
“2”として、図15に示すように、“0”,“1”,
“2”の状態に応じてセルトランジスタのしきい値を変
化させることができる。このため、3値のデータを記憶
可能なメモリセルを実現することができ、記憶容量の格
段の向上をはかることができる。
As described above, in this embodiment, the state where no charge is injected into the first and second floating gates 6 and 7 stacked as the charge storage layer is “0”, and the first floating gate. The state where the charges are injected into only 6 is “1”, the first,
Assuming that the state where charges are injected into both the second floating gates 6 and 7 is “2”, as shown in FIG. 15, “0”, “1”,
The threshold value of the cell transistor can be changed according to the state of "2". Therefore, a memory cell capable of storing three-valued data can be realized, and the storage capacity can be remarkably improved.

【0037】なお、本発明は上述した実施例に限定され
るものではない。実施例では、電荷蓄積層を構成する導
電性膜を2層としたが、これに限らず導電性膜の積層数
は3層以上であってもよい。また、導電性膜及びその間
の絶縁膜の膜厚等の条件は、仕様に応じて適宜変更可能
である。さらに、電荷蓄積層を構成する導電性膜は窒化
シリコンに限るものではなく、電荷捕獲準位を持つ物質
であればよく、例えば金属(例えば金)ドープポリシリ
コン,酸化タンタル(Ta25 )等を用いることがで
きる。
The present invention is not limited to the above embodiment. In the embodiment, the conductive film forming the charge storage layer has two layers. However, the number of conductive films may be three or more. Further, the conditions such as the film thickness of the conductive film and the insulating film between them can be appropriately changed according to the specifications. Further, the conductive film forming the charge storage layer is not limited to silicon nitride, and may be any substance having a charge trap level, such as metal (eg, gold) -doped polysilicon or tantalum oxide (Ta 2 O 5 ). Etc. can be used.

【0038】また、電荷蓄積層に対するキャリアの注入
は基板側からでなく、制御ゲート側から行ってもよい。
また、実施例では複数のメモリセルを直列接続したNA
ND型の例を示したが、これに限らず、各々のメモリセ
ルをビット線に接続した通常のNOR型不揮発性メモリ
及び、複数のメモリセルを並列接続したりものをメモリ
セルユニットとしてこれをビット線に対して接続したA
ND型、DINOR型に適用することもできる。その
他、本発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々変形して実
施することができる。
The carriers may be injected into the charge storage layer not from the substrate side but from the control gate side.
Further, in the embodiment, the NA in which a plurality of memory cells are connected in series is used.
Although the ND type example is shown, the present invention is not limited to this, and a normal NOR type non-volatile memory in which each memory cell is connected to a bit line and a memory cell unit in which a plurality of memory cells are connected in parallel are used as a memory cell unit. A connected to the bit line
It can also be applied to the ND type and DINOR type. In addition, various modifications can be made without departing from the scope of the present invention.

【0039】[0039]

【発明の効果】以上詳述したように本発明によれば、電
荷蓄積層を複数の導電膜を積層した構造としているの
で、各々の導電性膜に選択的にキャリアを注入・放出す
ることにより、1つのメモリセルに少なくとも2つ以上
(望ましくは3つ以上)のしきい値を持たせることがで
きる。従って、メモリセルトランジスタのしきい値を段
階的に安定に制御することができ、多値データの記憶を
可能として、素子領域の増大や素子の微細化を要するこ
となく記憶容量の増大をはかり得る半導体記憶装置を実
現することが可能となる。
As described above in detail, according to the present invention, since the charge storage layer has a structure in which a plurality of conductive films are laminated, it is possible to selectively inject and release carriers into each conductive film. One memory cell can have at least two (preferably three or more) threshold values. Therefore, the threshold value of the memory cell transistor can be stably controlled in stages, multi-valued data can be stored, and the storage capacity can be increased without increasing the element region or miniaturizing the element. It becomes possible to realize a semiconductor memory device.

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

【図1】本発明の一実施例に係わるNAND型EEPR
OMのメモリセル構造を示す平面図。
FIG. 1 is a NAND type EEPR according to an embodiment of the present invention.
The top view which shows the memory cell structure of OM.

【図2】図1の矢視A−A′断面図。FIG. 2 is a sectional view taken along the line AA ′ of FIG.

【図3】図1の矢視B−B′断面図。FIG. 3 is a sectional view taken along the line BB ′ of FIG.

【図4】実施例におけるメモリセルの製造工程の前半を
示す断面図。
FIG. 4 is a cross-sectional view showing the first half of the manufacturing process of the memory cell in the example.

【図5】実施例におけるメモリセルの製造工程の後半を
示す断面図。
FIG. 5 is a cross-sectional view showing the latter half of the manufacturing process of the memory cell in the example.

【図6】実施例におけるメモリセル断面のエネルギーバ
ンドダイアグラムを示す図。
FIG. 6 is a diagram showing an energy band diagram of a memory cell section in an example.

【図7】シリコンのダングリングボントに起因するトラ
ップの状態を示す図。
FIG. 7 is a view showing a state of a trap due to a dangling bond of silicon.

【図8】シリコン窒化膜中のトラップのエネルギー準位
を示す図。
FIG. 8 is a diagram showing energy levels of traps in a silicon nitride film.

【図9】D0 状態及びD- 状態に電子を選択的に捕獲さ
せるための電界を示す図。
FIG. 9 is a diagram showing an electric field for selectively capturing electrons in a D 0 state and a D state.

【図10】浮遊ゲート内に捕獲された電子が制御ゲート
に放出されてる状態を示す図。
FIG. 10 is a diagram showing a state in which electrons trapped in a floating gate are emitted to a control gate.

【図11】D+ 状態のトラップに選択的に電荷を捕獲さ
せ、D0 状態にトラップ状態を変化させることを示す
図。
FIG. 11 is a view showing that traps in the D + state are selectively trapped to change the trap state to the D 0 state.

【図12】第1浮遊ゲート中のトラップが全てD- 状態
になることを示す図。
FIG. 12 is a view showing that all traps in the first floating gate are in a D state.

【図13】D- 状態中の電子が第2浮遊ゲート中へトン
ネルする状態を示す図。
FIG. 13 is a diagram showing a state in which electrons in the D state tunnel into the second floating gate.

【図14】第2浮遊ゲート中のトラップが全てD- 状態
になることを示す図。
FIG. 14 is a view showing that all traps in the second floating gate are in the D state.

【図15】“0”,“1”,“2”の状態に対応するし
きい値の状態分布を示す図。
FIG. 15 is a diagram showing a state distribution of threshold values corresponding to states “0”, “1”, and “2”.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

1…半導体基板 2…素子分離絶縁膜 3…ONO膜(第2の絶縁膜) 4…トンネル酸化膜(第1の絶縁膜) 5…SiO2 膜 6…第1浮遊ゲート(導電性膜) 7…第2浮遊ゲート(導電性膜) 8…制御ゲート 11…活性層 12…溝1 ... Semiconductor substrate 2 ... Element isolation insulating film 3 ... ONO film (second insulating film) 4 ... Tunnel oxide film (first insulating film) 5 ... SiO 2 film 6 ... First floating gate (conductive film) 7 Second floating gate (conductive film) 8 Control gate 11 Active layer 12 Groove

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 有留 誠一 神奈川県川崎市幸区小向東芝町1番地 株式会社東芝研究開発センター内 (72)発明者 遠藤 哲郎 神奈川県川崎市幸区小向東芝町1番地 株式会社東芝研究開発センター内 (56)参考文献 特開 平7−273227(JP,A) 特開 平8−83855(JP,A) (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) H01L 29/788 ─────────────────────────────────────────────────── ─── Continuation of the front page (72) Inventor Seiichi Aridome 1 Komukai Toshiba-cho, Sachi-ku, Kawasaki-shi, Kanagawa Toshiba Research & Development Center Co., Ltd. (72) Inventor Tetsuro Endo Komukai-Toshiba, Kawasaki-shi, Kanagawa No. 1 in Machi Toshiba Research & Development Center Co., Ltd. (56) References JP-A-7-273227 (JP, A) JP-A-8-83855 (JP, A) (58) Fields investigated (Int.Cl. 7 , DB name) H01L 29/788

Claims (4)

(57)【特許請求の範囲】(57) [Claims] 【請求項1】半導体基板上に、第1の絶縁膜,電荷蓄積
層,第2の絶縁膜及び制御ゲートを積層してなるメモリ
セルがマトリクス配置された半導体記憶装置において、 前記電荷蓄積層は、固有かつ複数の電荷捕獲準位を持つ
物質からなり、所定の電圧の印加により該物質に対応し
た準位に選択的にキャリアを捕獲する導電性膜を、絶縁
膜を介して少なくとも2層積層することにより形成さ
れ、積層された各導電性膜への選択的な電荷の授受によ
り多値のデータを記憶することを特徴とする半導体記憶
装置。
1. A semiconductor memory device in which memory cells each having a first insulating film, a charge storage layer, a second insulating film, and a control gate stacked on a semiconductor substrate are arranged in a matrix. , Has unique and multiple charge trapping levels
It consists of a substance and responds to the substance by applying a predetermined voltage.
Is formed by stacking at least two conductive films that selectively capture carriers at different levels through an insulating film, and by selectively giving and receiving electric charges to and from each stacked conductive film, a multi-valued A semiconductor memory device characterized by storing data.
【請求項2】前記電荷蓄積層はn層の導電性膜1〜nか
らなり、i番目の導電性膜に電荷が保持されることによ
りメモリセルのしきい値Vth(i) が、他のしきい値と区
別可能であり、かつ前記メモリセルはn値の区別可能な
しきい値を有することを特徴とする請求項1記載の半導
体記憶装置。
2. The charge storage layer is composed of n layers of conductive films 1 to n, and the charges are held in the i-th conductive film so that the threshold value Vth (i) of the memory cell is different from that of other conductive films. 2. The semiconductor memory device according to claim 1, wherein the memory cell is distinguishable from a threshold value and the memory cell has an n-value distinguishable threshold value.
【請求項3】前記メモリセルにデータを記憶するとき、
半導体基板表面からのキャリア注入により、複数の導電
性膜の任意の個数に電荷を注入することを特徴とする請
求項1又は2記載の半導体記憶装置。
3. When storing data in the memory cell,
3. The semiconductor memory device according to claim 1, wherein charges are injected into an arbitrary number of the plurality of conductive films by carrier injection from the surface of the semiconductor substrate.
【請求項4】前記メモリセルにデータを記憶するとき、
制御ゲートからのキャリア注入により、複数の導電性膜
の任意の個数に電荷を注入することを特徴とする請求項
1又は2記載の半導体記憶装置。
4. When storing data in the memory cell,
3. The semiconductor memory device according to claim 1, wherein charges are injected into an arbitrary number of the plurality of conductive films by carrier injection from the control gate.
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