JP3577290B2 - Nonvolatile semiconductor memory device - Google Patents

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Description

【0001】
【産業上の利用分野】
この発明は不揮発性半導体記憶装置に関し、特にスタックゲート型メモリセルを含む電気的にプログラムおよび消去可能な不揮発性半導体記憶装置(以下、フラッシュメモリと称す)に関する。
【0002】
【従来の技術】
まず、消去およびプログラムの一般的な定義を説明する。消去とは、複数のメモリセルのしきい値電圧を一括して所定の状態に変えることをいう。プログラムとは、選択されたメモリセルのしきい値電圧をもう1つの所定の状態に変えることをいう。消去されたメモリセルにデータ“1”を対応させ、プログラムされたメモリセルにデータ“0”を対応させる。
【0003】
(1) メモリセルの断面構造(図128,129)
図128に、従来のフラッシュメモリに用いられる一般的なスタックゲート型メモリセル(メモリトランジスタ)の断面構造を示す。P− 型半導体基板1001の主面に所定間隔をもって2つのN+ 型不純物領域が形成されている。一方の不純物領域がドレイン1002を構成し、他方の不純物領域がソース1003を構成する。ドレイン1002とソース1003との間の半導体基板1001の領域上に、極めて薄い酸化膜等からなる絶縁膜1004(約100Å)が形成されている。絶縁膜1004の上にフローティングゲート1005が形成され、さらにその上に絶縁膜を介してコントロールゲート1006が形成されている。このように、メモリセルは二重ゲート構造を有する。なお、P− 型半導体基板1001をP− ウェルで置換えてもよい。
【0004】
フラッシュメモリでは、フローティングゲート1005に電子が注入されているかまたはフローティングゲート1005から電子が放出されているかにより、情報(データ)がメモリセルに記憶される。
【0005】
フローティングゲート1005に電子が注入されている状態では、コントロールゲート1006から見たメモリセルのしきい値電圧は高く、図129に示すように、コントロールゲート電圧がVg0以上にならなければドレイン1002およびソース1003間に電流は流れない。これは、フローティングゲート1005に蓄積されている電子の負電荷によって正の電圧が打ち消されるからである。この状態をプログラム状態と呼ぶ。この場合、メモリセルにはデータ“0”が記憶される。フローティングゲート1005に蓄積された電子はそのままでは半永久的に消えないため、記憶されたデータも半永久的に保持される。
【0006】
また、フローティングゲート1005から電子が放出されている状態では、コントロールゲート1006から見たメモリセルのしきい値電圧は低く、図129に示すように、コントロールゲート電圧がVg1以上になるとドレイン1002およびソース1003間に電流が流れる。この状態を消去状態と呼ぶ。この場合、メモリセルにはデータ“1”が記憶される。
【0007】
このような2つの状態を検出することにより、メモリセルに記憶されているデータを読取ることができる。
【0008】
(2) メモリセルのプログラムおよび消去(図130)
図130の(a)にメモリセルのプログラム時の電圧印加条件を示し、図130の(b)にメモリセルの消去時の電圧印加条件を示す。
【0009】
プログラム時には、ドレイン1002に書込電圧Vw(通常6V程度)を印加し、コントロールゲート1006に高電圧Vpp(通常12V程度)を印加し、ソース1003を接地する。それにより、ドレイン1002の近傍でアバランシェ降伏によるホットエレクトロンが発生し、あるいは、ドレイン1002およびソース1003間の領域に形成されるチャネルに高エネルギを有するチャネルホットエレクトロンが発生する。コントロールゲート1006の高電圧によって加速されたホットエレクトロンは、絶縁膜1004によるエネルギ障壁を飛越えてドレイン近傍からフローティングゲート1005に注入される。その結果、メモリセルのしきい値電圧が上昇する。
【0010】
消去時には、ドレイン1002をフローティング状態にし、ソース1003に高電圧Vppを印加し、コントロールゲート1006を接地する。それにより、薄い絶縁膜1004に高電圧が発生し、トンネル現象によりフローティングゲート1005からソース1003に電子が放出される。その結果、メモリセルのしきい値電圧が下降する。
【0011】
このように、プログラム時には、ホットエレクトロンによりフローティングゲート1005に電子が注入される。したがって、図130に示すように、チャネル方向または基板方向に、より高電界が発生するように、ドレイン1002に沿ってP+ 型不純物領域1002aが設けられている。
【0012】
また、消去時には、トンネル現象によりフローティングゲート1005からソース1003に電子が放出される。そのため、消去時にはフローティングゲート1005とソース1003との間の電界のみが必要である。リーク電流が発生しないように、チャネル方向または基板方向の電界は小さいほうが好ましい。したがって、チャネル方向または基板方向の電界を弱めるために、ソース1003に沿ってN− 型不純物領域1003aが設けられている。
【0013】
(3) フラッシュメモリの全体の構成(図131,132)
図131は、従来のフラッシュメモリの全体の構成を示すブロック図である。
【0014】
メモリアレイ1010は、複数のビット線、複数のビット線に交差する複数のワード線、およびそれらの交点に設けられた複数のメモリセルを含む。
【0015】
図131においては、説明を簡単にするために、2行および2列に配列された4つのメモリセルM00,M01,M10,M11が示される。メモリセルM00,M01のドレインはビット線BL0に接続され、メモリセルM10,M11のドレインはビット線BL1に接続される。メモリセルM00,M10のコントロールゲートはワード線WL0に接続され、メモリセルM01,M11のコントロールゲートはワード線WL1に接続される。メモリセルM00,M01,M10,M11のソースはソース線SLに接続される。
【0016】
アドレスバッファ1020は、外部から与えられるアドレス信号ADを受け、Xアドレス信号をXデコーダ1030に与え、Yアドレス信号をYデコーダ1040に与える。Xデコーダ1030は、Xアドレス信号に応答して複数のワード線WL0,WL1のうちいずれかを選択する。Yデコーダ1040は、Yアドレス信号に応答して複数のビット線のいずれかを選択する選択信号Y0,Y1を発生する。
【0017】
Yゲート1050はビット線BL0,BL1に対応してYゲートトランジスタYG0,YG1を含む。YゲートトランジスタYG0,YG1は、それぞれ選択信号Y0,Y1に応答して、ビット線BL0,BL1をセンスアンプ1060および書込回路1080に接続する。
【0018】
読出時には、センスアンプ1060が、ビット線BL0またはビット線BL1上に読出されたデータを検知し、データ入出力バッファ1070を介して外部に出力する。プログラム時には、外部から与えられるデータDAがデータ入出力バッファ1070を介して書込回路1080に与えられ、書込回路1080はそのデータに従ってビット線BL0,BL1に書込電圧を与える。
【0019】
Vpp/Vcc切換回路1090は、外部から与えられる高電圧(通常12V)および外部から与えられる電源電圧Vcc(通常5V)を受け、Xデコーダ1030、Yデコーダ1040および書込回路1080に高電圧Vppまたは電源電圧Vccを与える。ベリファイ電圧発生回路1100は、外部から与えられる電源電圧Vccを受け、後述するベリファイ時に、選択されたワード線に所定のベリファイ電圧を与える。ソース制御回路1110は、消去時に、ソース線SLに高電圧Vppを与える。
【0020】
制御信号バッファ1120は、外部から与えられる制御信号CTを制御回路1130に与える。制御回路1130は、各回路の動作を制御する。
【0021】
Xデコーダ1030は、図132に示すように、デコーダ回路1301、および複数のワード線WLに対応する複数の高電圧スイッチ1302を含む。デコーダ回路1301は、Xアドレス信号XAをデコードして、複数のワード線WLのいずれか1つを選択するための選択信号を発生する。各高電圧スイッチ1302は、制御回路1130から与えられる制御信号SWに応答して、選択されたワード線WLに高電圧Vppまたは電源電圧Vccを与える。
【0022】
なお、このフラッシュメモリはチップCH上に形成される。
(4) フラッシュメモリの動作(図133〜図140)
(a) プログラム動作(図133)
図133は、プログラム動作時の電圧印加条件を示す図である。ここでは、たとえばメモリセルM00をプログラムするものと仮定する。制御回路1130には、制御信号バッファ1120を介してプログラム動作を指定する制御信号が与えられる。Vpp/Vcc切換回路1090には外部から高電圧Vppが与えられる。Vpp/Vcc切換回路1090は、高電圧VppをXデコーダ1030およびYデコーダ1040に与える。
【0023】
Xデコーダ1030は、アドレスバッファ1020から与えられるXアドレス信号に応答して、ワード線WL0を選択し、それに高電圧Vppを与える。
【0024】
また、Yデコーダ1040は、アドレスバッファ1020から与えられるYアドレス信号に応答して、YゲートトランジスタYG0に高電圧の選択信号Y0を与える。それにより、YゲートトランジスタYG0がオンする。
【0025】
ソース制御回路1110は、ソース線SLに0Vを与える。書込回路1080が活性化される。それにより、ビット線BL0に書込電圧Vwが与えられる。
【0026】
その結果、メモリセルM00に、図130の(a)に示すように電圧が印加され、メモリセルM00がプログラムされる。
【0027】
(b) 消去動作(図134〜図136)
消去動作は消去前書込動作および一括消去動作からなる。
【0028】
(i) 消去前書込動作(図134)
メモリセルを一括消去する前には、上記の方法によりすべてのメモリセルにプログラムを行なう。このようにして、すべてのメモリセルのしきい値電圧を高くする。これを、消去前書込動作と呼ぶ。
【0029】
図134のフローチャートを参照しながら、消去前書込動作を説明する。まず、すべてのメモリセルのデータが“0”であるか否かを判別する(ステップS51)。すべてのメモリセルのデータが“0”でないときには、アドレス信号により指定されるアドレスを0番地に設定する(ステップS52)。そして、上述したプログラム動作により、アドレス信号により指定されたメモリセルにプログラムを行なう(ステップS53)。
【0030】
次に、アドレス信号により指定されるアドレスが最終番地であるか否かを判別する(ステップS54)。アドレスが最終番地でない場合には、アドレスを1ずつインクリメントし(ステップS55)、プログラム動作を行なう(ステップS53)。この動作を、アドレスが最終番地になるまで続ける(ステップS53,S54,S55)。アドレスが最終番地になると、消去前書込動作を終了する。
【0031】
(ii) 一括消去動作(図135,図136)
次に、図135のフローチャートを参照しながら、一括消去動作を説明する。また、図136に、一括消去時の電圧印加条件を示す。
【0032】
まず、制御信号バッファ1120を介して制御回路1130に一括消去を指定する制御信号が与えられる。一括消去時には、Vpp/Vcc切換回路1090は、ソース制御回路1110に高電圧Vppを与える。ソース制御回路1110は、ソース線SLに高電圧Vppを与える(ステップS61)。
【0033】
また、Xデコーダ1030は、ワード線WL0,WL1を接地する。Yデコーダ1040は、YゲートトランジスタYG0,YG1にそれぞれ0Vの選択信号Y0,Y1を与える。それにより、ビット線BL0,BL1はフローティング状態になる。
【0034】
その結果、すべてのメモリセルには、図130の(b)に示すように電圧が印加され、すべてのメモリセルのしきい値電圧が下降する。
【0035】
ソース線SLへの1回の高電圧(消去電圧)の印加のみでは、すべてのメモリセルのしきい値電圧を所定の値よりも下降させることが困難である。そのため、一般的には、ソース線SLに複数回高電圧パルスを印加し、それぞれのパルス印加後に消去ベリファイ動作を行なう。
【0036】
まず、ソース線SLに高電圧パルスを印加した後(ステップS61)、ソース線SLを0Vに設定し(ステップS62)、0番地を選択する(ステップS63)。そして、選択されたワード線にベリファイ電圧発生回路1100によって電源電圧Vccよりも低い所定のベリファイ電圧が与えられる(ステップS64)。それにより、選択されたメモリセルのデータが対応するビット線に読出され、センスアンプ1060により検知される。そして、センスアンプ1060により検知されたデータが“1”であるか否かが判別される(ステップS65)。
【0037】
センスアンプ1060により検知されたデータが“0”ならば、ステップS61〜S64が繰返される。
【0038】
センスアンプ1060により検知されたデータが“1”ならば、アドレス信号により指定されるアドレスが最終番地であるか否かが判別される(ステップS66)。アドレスが最終番地でないならば、アドレスが1だけインクリメントされる(ステップS67)。このように、アドレスを1ずつインクリメントしながらすべてのメモリセルのデータが読出される。もし読出されたデータが“0”ならば、ソース線SLに高電圧パルスを印加し、メモリセルを消去する。
【0039】
このようにして、メモリセルのしきい値電圧をモニタしながらすべてのメモリセルを徐々に消去する。
【0040】
(c) 読出動作(図137)
図137に、読出動作時の電圧印加条件を示す。ここでは、メモリセルM00からデータが読出されるものと仮定する。
【0041】
まず、制御信号バッファ1120を介して制御回路1130に、読出動作を指定する制御信号が与えられる。Xデコーダ1030は、アドレスバッファ1020から与えられるXアドレス信号に応答してワード線WL0を選択し、それに電源電圧Vccを印加する。このとき、非選択のワード線の電位は0Vに保たれる。
【0042】
Yデコーダ1040は、アドレスバッファ1020から与えられるYアドレス信号に応答してYゲートトランジスタYG0をオンさせる。それにより、ビット線BL0がセンスアンプ1060に接続される。このとき、ソース線SLには、ソース制御回路1110により0Vが与えられる。
【0043】
その結果、メモリセルM00のしきい値電圧が低い場合には、メモリセルM00はオン状態になる。それにより、センスアンプ1060内の抵抗Rに電流Iが流れ、ビット線BL0上の読出電圧Vrが低くなる。このビット線BL0上の読出電圧VrがインバータINV2を介してデータ“1”として出力される。
【0044】
また、メモリセルM00のしきい値電圧が高い場合には、メモリセルM00はオフ状態になる。それにより、ビット線BL0上の読出電圧Vrが高くなる。このビット線BL0上の読出電圧VrがインバータINV2を介してデータ“0”として出力される。
【0045】
なお、読出時のビット線の電圧が電源電圧Vccに近くなると、ホットエレクトロンが発生し、メモリセルがプログラムされる可能性がある。これをソフトライトと呼ぶ。このソフトライトを防止するために、NチャネルトランジスタTRおよびインバータINV1により、ビット線上の読出電圧Vrが1V程度に設定される。
【0046】
(d) 各動作における各線の電位(図138)
図138に、プログラム動作、消去動作および読出動作におけるワード線、ビット線およびソース線の電位を示す。プログラム時および消去前書込時には、ワード線に高電圧Vppが印加され、ビット線に書込電圧Vwが印加され、ソース線に0Vが印加される。一括消去時には、ソース線のみに高電圧Vppが印加され、ワード線に0Vが印加され、ビット線はフローティング状態となっている。読出時には、ワード線に電源電圧Vccが印加され、ソース線が0Vとなり、ビット線に読出電圧Vrが現れる。
【0047】
(e) 消去前書込動作が必要な理由(図139,図140)
次に、消去時に消去前書込動作が必要となる理由を図139および図140を用いて説明する。図139は、プログラム動作および一括消去動作を行なった場合のメモリセルのしきい値電圧の変化を示している。また、図140はプログラム動作、消去前書込動作および一括消去動作を行なった場合のメモリセルのしきい値電圧の変化を示している。
【0048】
一括消去動作においては、図130の(b)に示すように、メモリセルのコントロールゲート1006は0Vとなり、ドレイン1002はフローティング状態となり、ソース1003には高電圧Vppが与えられる。このような電圧印加条件においては、ソース1003とフローティングゲート1005との間に高電圧が発生し、この高電圧によってフローティングゲート1005に蓄積された電子がソース1003に引抜かれる。その結果、メモリセルのしきい値電圧が低くなる。
【0049】
しかしながら、しきい値電圧の低い状態(データ“1”)においてこの消去動作を行なうと、図139に示すように、そのメモリセルのしきい値電圧が負になってしまう。これを、メモリセルのデプレッション化と呼ぶ。メモリセルのデプレッション化により、読出時に次に示す問題が生じる。
【0050】
ここで、図137に示される読出動作において、メモリセルM00が選択され、かつメモリセルM01が一括消去によりデプレッション化していると仮定する。すなわち、メモリセルM01のしきい値電圧は負となっている。
【0051】
この場合、ワード線WL0には電源電圧Vccが印加されるが、ワード線WL1の電位は0Vのままである。メモリセルM00がデータ“0”を記憶しているならば、ワード線WL0の電位が電源電圧VccとなってもメモリセルM00はオンしない。したがって、ビット線BL0には電流が発生しない。
【0052】
しかしながら、メモリセルM01のしきい値電圧が負になっていると、ワード線WL1の電位が0Vであっても、メモリセルM01はオンすることになる。その結果、ビット線BL0に電流が発生する。この場合、センスアンプ1060により、メモリセルM00に記憶されるデータが“1”であると判断される。
【0053】
このように、ビット線に接続されるメモリセルのうち少なくとも1つのメモリセルのしきい値電圧が負になっていれば、そのメモリセルが非選択の状態であってもそのビット線に電流が流れてしまう。そのため、選択されたメモリセルに記憶されるデータを正確に読出すことができない。
【0054】
このような問題を解決するために、図140に示すように、一括消去動作の前に消去前書込動作を行なう。それによって、すべてのメモリセルのしきい値電圧を一旦高い状態にし、その後一括消去動作を行なう。その結果、消去されたメモリセルの電圧は正の値でかつ電源電圧Vccよりも低い値に統一されることになる。このように、消去前書込動作により、信頼性が向上する。
【0055】
以下に、従来のフラッシュメモリの構造についてより詳しく説明する。
データを自由に書込むことができ、しかも電気的に消去可能なメモリデバイスとしてフラッシュメモリが存在する。1つのトランジスタで構成され、書込まれた情報電荷を電気的に一括消去することが可能なEEPROM、いわゆる、フラッシュメモリが米国特許第4,868,619号、“An In−SystemReprogrammable 32K×8 CMOS Flash Memory” by Virgil Niles Kynett et al.,IEEE Journal of Solid−State Circuits,vol.23,No.5,October 1988で提案されている。
【0056】
図148はフラッシュメモリの一般的な構成を示すブロック図である。図において、フラッシュメモリは行列状に配置されたメモリセルマトリックス1と、Xアドレスデコーダ2と、Yゲート3と、Yアドレスデコーダ4と、アドレスバッファ5と、書込回路6と、センスアンプ7と、入出力バッファ8と、コントロールロジック9とを含む。
【0057】
メモリセルマトリックス1は、行列状に配置された複数個のメモリトランジスタをその内部に有する。メモリセルマトリックス1の行および列を選択するためにXアドレスデコーダ2とYゲート3とが接続されている。Yゲート3には列の選択情報を与えるYアドレスデコーダ4が接続されている。Xアドレスデコーダ2とYアドレスデコーダ4には、それぞれ、アドレス情報が一時格納されるアドレスバッファ5が接続されている。
【0058】
Yゲート3には、データ入力時に書込動作を行なうための書込回路6とデータ出力時に流れる電流値から「0」と「1」を判定するセンスアンプ7が接続されている。書込回路6とセンスアンプ7にはそれぞれ、入出力データを一時格納する入出力バッファ8が接続されている。アドレスバッファ5と入出力バッファ8には、フラッシュメモリの動作制御を行なうためのコントロールロジック9が接続されている。コントロールロジック9は、チップイネーブル信号、アウトプットイネーブル信号およびプログラム信号に基づいた制御を行なう。
【0059】
図149は、図148に示されたメモリセルマトリックス1の概略構成を示す等価回路図である。このメモリセルマトリックスを有するフラッシュメモリはNOR型と呼ばれている。図において、行方向に延びる複数本のワード線WL1 ,WL2 ,…,WLi と、列方向に延びる複数本のビット線BL1 ,BL2 ,…,BLj とが互いに直交するように配置され、マトリックスを構成する。各ワード線と各ビット線の交点には、それぞれフローティングゲートを有するメモリトランジスタQ11,Q12,…,Qijが配設されている。各メモリトランジスタのドレインは各ビット線に接続されている。メモリトランジスタのコントロールゲートは各ワード線に接続されている。メモリトランジスタのソースは各ソース線S1 ,S2 ,…に接続されている。同一行に属するメモリトランジスタのソースは、図に示されるように相互に接続されている。
【0060】
図150は、上記のようなNOR型フラッシュメモリを構成する1つのメモリトランジスタの断面構造を示す部分断面図である。図151はNOR型フラッシュメモリの平面的配置を示す概略平面図である。図152は図151のA−A線に沿う部分断面図である。これらの図を参照してNOR型フラッシュメモリの構造について説明する。
【0061】
図150および図152を参照して、シリコン基板上に設けられたp型不純物領域10の主表面上にn型不純物領域、たとえば、ドレイン領域11とソース領域12とが間隔を隔てて形成されている。これらのドレイン領域11とソース領域12との間に挟まれた領域には、チャネルが形成されるようにコントロールゲート13とフローティングゲート14が形成されている。フローティングゲート14はp型不純物領域10の上に膜厚100Å程度の薄いゲート酸化膜15を介在して形成されている。コントロールゲート13はフローティングゲート14から電気的に分離されるように、フローティングゲート14の上に層間絶縁膜16を介在して形成されている。フローティングゲート14は多結晶シリコンから形成されている。コントロールゲート13は多結晶シリコン層あるいは多結晶シリコン層と高融点金属の積層膜から構成されている。酸化膜17は、フローティングゲート14やコントロールゲート13を構成する多結晶シリコン層の表面にCVD法により堆積させることによって形成されている。さらに、フローティングゲート14やコントロールゲート13を被覆するようにスムースコート膜21(図152参照)が形成されている。
【0062】
図151に示すように、コントロールゲート13は相互に接続されて横方向(行方向)に延びるようにワード線として形成されている。ビット線18はワード線13と直交するように配置され、ドレインコンタクト20を通じて各ドレイン領域11に電気的に接続されている。図152に示すように、ビット線18はスムースコート膜21の上に形成されている。図151に示すように、ソース領域12は、ワード線13が延びる方向に沿って延在し、ワード線13とフィールド酸化膜19とに囲まれた領域に形成されている。ドレイン領域11もワード線13とフィールド酸化膜19とによって囲まれた領域に形成されている。
【0063】
上記のように構成されたNOR型フラッシュメモリの動作について図150を参照して説明する。
【0064】
まず書込動作においては、ドレイン領域11に5V程度の電圧、コントロールゲート13に10V程度の電圧が印加される。そしてソース領域12とp型不純物領域10は接地電位(OV)に保たれる。このとき、メモリトランジスタのチャネルには数100μAの電流が流れる。ソースからドレインに流れた電子のうちドレイン近傍で加速された電子は、この近傍で高いエネルギーを有する電子、いわゆるチャネルホットエレクトロンとなる。この電子は、コントロールゲート13に印加された電圧による電界により、矢印▲1▼に示されるように、フローティングゲート14に注入される。このようにして、フローティングゲート14に電子の蓄積が行なわれ、メモリトランジスタのしきい値電圧Vthがたとえば8Vとなる。この状態が書込状態、“0”と呼ばれる。
【0065】
次に、消去動作においては、ソース領域12に5V程度の電圧が印加され、コントロールゲート13に−10V程度の電圧が印加され、p型不純物領域10は接地電位に保持される。そして、ドレイン領域11は解放される。ソース領域12に印加された電圧による電界により、矢印▲2▼に示されるように、フローティングゲート14中の電子は、薄いゲート酸化膜15をFNトンネル現象によって通過する。このようにして、フローティングゲート14中の電子が引き抜かれることによって、メモリトランジスタのしきい値電圧Vthがたとえば2Vとなる。この状態が消去状態、“1”と呼ばれる。各メモリトランジスタのソースは図149に示されるように接続されているので、この消去動作によって、すべてのメモリを一括消去できる。
【0066】
さらに、読出動作において、コントロールゲート13に5V程度の電圧、ドレイン領域11に1V程度の電圧が印加される。そしてソース領域12、p型不純物領域10は接地電位に保持される。このとき、メモリトランジスタのチャネル領域に電流が流れるかどうかにより、“1”、“0”の判定が行なわれる。
【0067】
すなわち、書込状態のときはVthが8Vなのでチャネルが形成されず、電流が流れない。これに対し、消去状態のときはVthが2Vなのでチャネルが形成され電流が流れる。
【0068】
NOR型では、チャネルホットエレクトロンを利用してフローティングゲート14に電子を注入し、書込状態“0”にしている。チャネルホットエレクトロンによる電子の注入は効率が悪いので、NOR型は消費電力が大きくなるという問題があった。
【0069】
また、図152を参照して、たとえばメモリトランジスタ22aを選択して書込む際には、先程説明したようにドレイン領域11に5V程度、コントロールゲート13に10V程度の電圧を印加することによって、メモリトランジスタ22aのフローティングゲート14に書込が行なわれる。
【0070】
次にメモリトランジスタ22bを選択して書込む際にも、メモリトランジスタ22bにおけるドレイン領域11およびコントロールゲート13に同様の電圧が印加される。メモリトランジスタ22aとメモリトランジスタ22bとは、ドレイン領域11を共有している。したがって、メモリトランジスタ22bに書込む際にドレイン領域11に印加された電圧によって、メモリトランジスタ22aのフローティングゲート14に注入された電子がトンネル現象によりドレイン領域11に引き抜かれることが起きる場合がある。この現象をドレインディスターブ現象という。ドレインディスターブ現象により、電子を注入したメモリトランジスタのフローティングゲートから電子が引き抜かれるので、書込状態であったはずのメモリトランジスタが消去状態となり、フラッシュメモリの誤動作の原因となる。
【0071】
NOR型の問題点を解決するものにNAND型がある。NAND型フラッシュメモリはたとえばNIKKEI ELECTRONICS 1992.2.17(no.547)のPP.180〜181に開示されている。図153はNAND型フラッシュメモリのメモリセルマトリックスの一部の等価回路図である。セレクトゲートトランジスタ39a、39b、39cは、それぞれ、一方の不純物領域がビット線に接続され、他方の不純物領域がメモリトランジスタ38a、38b、38cに接続されている。
【0072】
セレクトゲートトランジスタ39aによって縦方向に8個並んでいるメモリトランジスタ38aが選択され、セレクトゲートトランジスタ39bにより縦方向に8個並んでいるメモリトランジスタ38bが選択され、セレクトゲートトランジスタ39cにより縦方向に8個並んでいるメモリトランジスタ38cが選択される。これらのメモリトランジスタ38a、38b、38cはそれぞれ、セレクトゲートトランジスタ23a、23b、23cを通して接地されている。
【0073】
図154はNAND型フラッシュメモリのメモリセルマトリックスの一部の断面図である。シリコン基板26中に形成されたP型不純物領域30には、不純物領域27が間隔を隔てて形成されている。各不純物領域27の間には、フローティングゲート29およびコントロールゲート28を備えるメモリトランジスタ38aが形成されている。
【0074】
図155はメモリトランジスタ38aの断面構造図である。シリコン基板に形成されたp型不純物領域30には、不純物領域27が間を隔てて形成されている。各不純物領域27の間のp型不純物領域30上にはゲート酸化膜35、フローティングゲート29、層間絶縁膜36、コントロールゲート28が積層されている。コントロールゲート28およびフローティングゲート29は酸化膜37で覆われている。
【0075】
NAND型フラッシュメモリの動作を図153〜図155を用いて以下説明する。まず書込動作を説明する。たとえばワード線W8 を有するメモリトランジスタ38aに書込みするときは、セレクトゲートトランジスタの選択ゲートS2 、ビット線B1、ソース線およびp型不純物領域30を接地電位に保ち、S1 ,B2,B3に10V程度の電圧を印加し、ワード線W8 に20V程度の電圧を印加し、他のワード線W1 〜W7 は接地電位に保つ。これにより図155の▲1▼で示すように、ワード線W8 (コントロールゲート28)を有するメモリトランジスタ38aでは、チャネル領域にある電子がチャネルFNによりフローティングゲート29に注入される。これが書込状態“0”であり、このときVthは3Vとなっている。
【0076】
次に消去動作について説明する。消去を行なうときは、ビット線、S1 ,S2 、p型不純物領域30に20Vの電圧を印加し、ワード線W1 〜W8 は接地電位に保つ。このとき図155の▲2▼で示すように、書込状態“0”の状態にあるメモリトランジスタ38aのフローティングゲート29からチャネルFNにより電子がチャネル領域に引き抜かれ消去状態“1”となる。消去状態“1”におけるVthは−2Vとなる。
【0077】
次に読出動作について説明していく。たとえばワード線W8 を有するメモリトランジスタ38aを読出すとき、ビット線B1に1V程度の電圧を印加し、ソース線と基板を接地電位に保つ。そしてワード線W8 を接地電位に保ち、ワード線W1 〜W7 に5V程度の電圧を印加する。また、選択ゲートS1 、S2 に所定の電圧を印加し、セレクトゲートトランジスタをONさせる。
【0078】
ワード線W8 は接地電位(0V)に保たれているので、ワード線W8 を有するメモリトランジスタ38aが消去状態“1”のときはメモリトランジスタ38aがONし、書込状態“0”のときはメモリトランジスタ38aがOFFの状態になる。ワード線W1 〜W7 を有するメモリトランジスタ38aはワード線W1 〜W7 に5Vの電圧が印加されているので書込状態“0”、消去状態“1”如何にかかわらずメモリトランジスタ38aがONする。
【0079】
したがって、ワード線W8 を有するメモリトランジスタ38aが消去状態“1”のときは、図154を参照して、電流は各ワード線W1 〜W8 で形成されるチャネルを通り、ビット線を通り、センスアンプに導かれる。これに対し、ワード線W8 を有するメモリトランジスタ38aが書込状態“0”のときはワード線W8 によってはチャネルが形成されないので電流がセンスアンプに流れない。センスアンプが電流を感知したときは消去状態“1”と判定し、電流を感知しなかったときは書込状態“0”と判断する。
【0080】
チャネルFNを用いてフローティングゲートに電子を注入する場合、チャネルホットエレクトロンを用いて電子を注入する場合に比べ効率がよい。したがって、NAND型はNOR型に比べ消費電力を低くすることができる。
【0081】
また、NAND型は書込時にチャネルFNを用い、メモリトランジスタのドレイン領域に高電圧を印加しないのでドレインディスターブ現象をなくすことができる。
【0082】
【発明が解決しようとする課題】
(1) 書換動作(図141)
上記の従来のフラッシュメモリにおいてメモリセルに記憶されるデータを書換える場合には、図141に示すように、消去前書込動作を行ない(ステップS71)、一括消去動作を行ない(ステップS72)、その後プログラム動作を行なう(ステップS73)。
【0083】
フラッシュメモリの容量が大きくなると、消去前書込動作に要する時間が非常に長くなる。たとえば、1Mビットのフラッシュメモリにおいては、すべてのアドレスのメモリセルにプログラムを行なうのに要する時間は1〜2秒にもなる。
【0084】
このように消去前書込動作に要する時間が長いことは、データの書換に長時間を要することを意味する。これは、ユーザーにとって非常に不便である。
【0085】
(2) 過消去によるデプレッション化(図142,図143)
上述のように、消去時には、一括消去動作の前に消去前書込動作を行なうことにより、メモリセルのしきい値電圧をほぼ同一の値に統一している。しかしながら、実際には、消去単位内に存在する複数のメモリセルの消去特性には、必ずばらつきが存在するものである。
【0086】
もし、図142に示すように、このばらつきが非常に大きい場合には、一部のメモリセルが過消去され、この過消去されたメモリセルはデプレッション化される。
【0087】
このようにデプレッション化されたメモリセルにおいては、そのコントロールゲートが接地されていても電流が流れてしまう。その結果、デプレッション化されたメモリセルと同一のビット線に接続されるメモリセルから読出されるデータがデプレッション化されたメモリセルにより乱されてしまい、常にデータが“1”と判定されてしまう。
【0088】
このような問題は、図143に示されるような構造を有するメモリセルには存在しない。
【0089】
図143において、P− 型半導体基板1301の主面に所定間隔をもってN+ 型不純物領域1302,1303,1310が形成されている。不純物領域1302と不純物領域1303との間の領域上には酸化膜からなる絶縁膜を介してゲート電極1304が形成されている。これにより、選択トランジスタ1305が構成される。
【0090】
不純物領域1303上には約100Å程度の非常に薄い酸化膜1306を介してフローティングゲート1307が形成され、さらにその上方には絶縁膜を介してコントロールゲート1308が形成されている。これにより、2層ゲート構造を有するメモリトランジスタ1309が構成される。
【0091】
選択トランジスタ1305およびメモリトランジスタ1309で1ビットのメモリセルが構成される。不純物領域1302はビット端子Bに接続され、ゲート電極1304はワード端子Wに接続される。不純物領域1310はソース端子Sに接続される。コントロールゲート1308はコントロールゲート端子CGに接続される。
【0092】
図143に示されるメモリセルにおいては、選択トランジスタ1305が設けられているので、メモリトランジスタ1309がデプレッション化されても、上記のような問題は生じない。
【0093】
しかしながら、図143のメモリセルは、図128に示されるスタックゲート型メモリセルと比較して、構造が複雑になり、かつ広い面積が必要となる。
【0094】
(3) セクタ間のディスターブ(図144)
従来のフラッシュメモリにおいて、メモリアレイをセクタ分割することによりデータの書換単位を細分化することができる。この場合、選択されたセクタ内のメモリセルが非選択のセクタ内のメモリセルに影響を与えることが問題となる。これをディスターブと呼ぶ。
【0095】
たとえば、図144に示すように、ワード線WL0に接続される複数のメモリセルをセクタSE1およびセクタSE2に分割する場合を考える。この場合、セクタSE1内のメモリセルをプログラムしているときに、非選択のセクタSE2内のメモリセルのコントロールゲートにも高電圧が印加される。
【0096】
また、ビット線BL0に接続される複数のメモリセルをセクタSE1およびセクタSE3に分割する場合を考える。この場合、セクタSE1内のメモリセルをプログラムしているときに、非選択のセクタSE3内のメモリセルのドレインにも高電圧が印加される。
【0097】
いずれの場合においても、数千回程度のディスターブが起こっても、十分データの保証は可能である。しかし、同一のワード線および同一のビット線に複数のセクタが存在するため、1つのセクタ内のメモリセルの書換回数を10000回とすると、他のセクタに起こるディスターブの回数は次のようになる。
【0098】
ディスターブの回数=(10000回)×(セクタ数−1)
このように、複数のセクタが存在する場合には、あるセクタに起こるディスターブの回数は膨大となる。近年では、要求されるセクタの書換保証回数は、ますます増加しており、異なるセクタ間のディスターブは大きな問題である。
【0099】
(4) 消費電力
従来のフラッシュメモリのプログラム時には、チャネルホットエレクトロンによりフローティングゲートに電子が注入される。そのため、プログラム時に大きなチャネル電流が必要となる。したがって、プログラム時の消費電力が大きくなる。
【0100】
(5) 集積度
一方、米国特許番号5,126,808は、主ビット線および副ビット線を有する従来のフラッシュメモリを開示している。そのようなフラッシュメモリにおいて、プログラミングのためにチャネルホットエレクトロンによる電子の注入が用いられ、大きなチャネル電流が流れる。その結果、次のような問題も引き起こされる。
【0101】
図145は、主ビット線および副ビット線を有する従来のフラッシュメモリの半導体基板上のレイアウト図である。図145を参照して、半導体基板上で、主ビット線MB,副ビット線SB0およびSB1が平行に形成されている。これらのビット線と垂直する方向に、ワード線VL0,WL1,…およびセレクトゲート線SGL0,SGL1が形成される。各ワード線と副ビット線とが交わる位置に、メモリセルが形成される。たとえば、各ワード線WL0,WL1,…と副ビット線SB1とが交わる位置に、メモリセルM11,M12,…が形成される。セクタ選択のためのセレクトゲートトランジスタSG′は、主ビット線MBとセレクトゲート線SGL0とが交差する位置に形成される。半導体基板内に、N+ 拡散層1405が形成される。
【0102】
図145に示したメモリセルM11,M12,…において、前述のように、チャネルホットエレクトロンを用いたプログラミングが行なわれるので、大きなチャネル電流が副ビット線SB1を介して流れることになる。したがって、この大きな電流がセクタ選択のためのセレクトゲートトランジスタSG′を介して流れるので、セレクトゲートトランジスタSG′のチャネル幅を大きな値に選択する必要がある。このことは、セレクトゲートトランジスタSG′が半導体基板上において大きな面積を占めることを意味しており、その結果、半導体基板における集積度を低下させることになる。
【0103】
これに加えて、図145に示したフラッシュメモリでは、主ビット線MBおよび副ビット線SB0,SB1の抵抗を減少させるため、第1および第2のアルミ配線層が副ビット線SB0,SB1および主ビット線MBとして形成される。したがって、ポリシリコン層によって形成されるワード線WL0,WL1,…の抵抗を減少させるためにアルミ配線層を使用することができなくなる。その結果、ワード線における信号の伝播において遅延が生じ、高い動作速度が得られなくなる。
【0104】
図146は、従来のフラッシュメモリのメモリセルの構造図である。図146を参照して、2つのメモリセルM00およびM10は、Pウェル1008上に形成された分離酸化膜1402により分離されている。たとえば、メモリセルM10についてプログラムが行なわれる場合には、コントロールゲートを構成する第2アルミ配線層1006に10Vの高電圧が与えられ、一方、トランジスタM10のドレイン1002′に5Vの電圧が与えられる。もし、分離酸化膜1402の幅Wbが狭すぎると、この分離酸化膜1402をゲート酸化膜として用いたMOSトランジスタ1403が等価的に存在することになる。等価的なMOSトランジスタ1403の存在は、メモリセルM00およびM10における所望の動作を妨げる。したがって、この等価的なMOSトランジスタ1403の発生を防ぐために、分離酸化膜1402の幅Wbを小さな値に選択することができない。このことは、メモリセルアレイにおける集積度が低下されることを意味する。
【0105】
図147は、負電圧を利用したフラッシュメモリの動作を示す回路図である。図147(a)はプログラムのために与えられる電圧を示し、一方、図147(b)は消去のために与えられる電圧を示す。
【0106】
図147(a)を参照して、メモリセルM00のフローティングゲートに電子を注入するため、ビット線BL0に5Vの電圧が与えられ、一方、ワード線WL11に−10Vの負電圧が与えられる。一方、選択されないワード線WL12には、5Vの電圧が与えられる。言い換えると、図示されていないXデコーダは、−10Vおよび5Vの電圧を出力する必要があることになる。
【0107】
図147(b)を参照して、選択されたセクタSE1内にストアされたデータを消去するため、ワード線WL11およびWL12に10Vの正電圧が与えられ、一方、ビット線BL0およびBL1は高インピーダンス状態にもたらされる。一方、選択されないセレクタSE2内のワード線WL21およびWL22には、−8Vの負電圧が与えられる。言い換えると、図示されていないXデコーダは、10Vの正電圧および−8Vの負電圧を出力する必要がある。
【0108】
したがって、図示されていないXデコーダは、プログラム動作において15Vの電圧差を有する出力電圧を出力し、一方、消去動作において18Vの電圧差を有する出力電圧を出力する必要がある。したがって、出力電圧の電圧差が大きいため、Xデコーダを半導体基板上のより小さな占有領域内に形成することが難しくなっている。
【0109】
(6) 外部電源
プログラム時には、各メモリセルのドレインに5V〜6Vの電圧を印加する必要がある。上記のように、チャネルホットエレクトロンによるプログラムは大きなチャネル電流を必要とするので、3Vまたは5Vの単一の外部電源を用いて内部昇圧によりこのドレイン電圧を作り出すことは非常に困難である。もし、それが可能であるとしても、多数のビットを同時にプログラムすることはできず、プログラム時間が膨大となる。
【0110】
しかしNAND型は読出動作において、直列に並んだ8個のメモリトランジスタに電流を通すことにより行なうので読出動作が遅いという欠点を有する。
【0111】
また、書込、消去時において20Vという比較的高い電圧を用いるので、高集積化が困難という問題があった。
【0112】
この発明の目的は、フラッシュメモリにおいて消去動作に要する時間を短縮し、それによって書換動作に要する時間を短縮することである。
【0113】
この発明の他の目的は、スタックゲート型メモリセルの過消去によるデプレッション化を防止することである。
【0114】
この発明のさらに他の目的は、メモリアレイをセクタ分割した場合のディスターブを防止することである。
【0115】
この発明のさらに他の目的は、プログラム時の消費電力を少なくすることである。
【0116】
この発明のさらに他の目的は、単一の外部電源により動作可能なフラッシュメモリを提供することである。
【0117】
この発明のさらに他の目的は、低消費電力で動作させることができ、ドレインディスターブ現象を低減させることができ、読出動作を高速にすることができ、最大電圧を低くすることができる不揮発性半導体記憶装置を提供することである。
【0118】
【課題を解決するための手段】
第1の発明に係る不揮発性半導体記憶装置はウェル内に形成され、行および列に配列された複数のメモリセルと、前記複数行に対応して設けられた複数のワード線と、前記複数列に対応して設けられた複数の主ビット線と、前記複数のメモリセルに共通に設けられたソース線とを備える。前記複数のメモリセルは、各々が複数行および複数列に配列された複数のメモリセルを有する複数のセクタに分割される。
第1の発明に係る不揮発性半導体記憶装置は、さらに、前記複数のセクタに対応して設けられ、各々が対応するセクタ内の複数列に対応する複数の副ビット線を含む複数の副ビット線群と、前記複数の副ビット線群を選択的に前記複数の主ビット線に接続する第 1 の接続手段とを備える。前記複数のメモリセルの各々は、対応するワード線に接続されたコントロールゲート、対応する副ビット線に接続されたドレイン、前記ソース線に接続されたソース、およびフローティングゲートを含む。
第1の発明に係る不揮発性半導体記憶装置は、さらに、消去時に、選択されたセクタ内の複数のメモリセルのフローティングゲートと前記ウェル間で電子を移動させる消去用電子移動手段と、プログラム時に、選択されたメモリセルのフローティングゲートとドレイン端との間で電子を移動させるプログラム用電子移動手段と、外部から電源電圧を受け、所定の正電圧を発生する正電圧発生手段と、外部から前記電源電圧を受け、所定の負電圧を発生する負電圧発生手段とを備える。前記消去用電子移動手段は、前記正電圧発生手段からの正電圧および前記負電圧発生手段からの負電圧を受け、選択されたセクタに対応する複数のメモリセルの各フローティングゲートと前記ウェル間の絶縁膜にトンネル現象にて電子が移動するだけの電圧をワード線と前記ウェルに印加する第 1 の電圧印加手段を含む。前記プログラム用電子移動手段は、選択されたメモリセルの各フローティングゲートとドレイン端との間で電子を移動させるだけの電圧を選択されたワード線と選択された副ビット線との間に印加する第2の電圧印加手段を含む。
好ましくは、前記複数のメモリセルの各々は、消去時およびプログラム時のいずれにおいてもデプレッション化されないことを特徴とする。
また、これに代えて、好ましくは、前記複数のメモリセルの各々は、消去時およびプログラム時のいずれにおいてもデプレッション化されず、かつ消去時のメモリセルのしきい値電圧とプログラム時のメモリセルのしきい値電圧とを有し、メモリセルデータの読出し時、前記消去時のメモリセルのしきい値電圧と前記プログラム時のメモリセルのしきい値電圧との中間値と比較することにより該メモリセルデータの論理レベルを判定する読出手段がさらに設けられる。
【0119】
第2の発明に係る不揮発性半導体記憶装置は、ウェル内に形成され、複数行および複数列に配列された複数のメモリセルと、前記複数行に対応して設けられた複数のワード線と、前記複数列に対応して設けられた複数の主ビット線と前記複数のメモリセルに共通に設けられたソース線とを備える。前記複数のメモリセルは、各々が複数行および複数列に配列された複数のメモリセルを含む複数のセクタに分割される。
第2の発明に係る不揮発性半導体記憶装置は、さらに、前記複数のセクタに対応して設けられ、各々が対応するセクタ内の複数列に対応する副ビット線を含む複数の副ビット線群と前記複数の副ビット線群を選択的に前記複数の主ビット線に接続する第1の接続手段とをさらに備える。前記複数のメモリセルの各々は、対応するワード線に接続されたコントロールゲート、対応する副ビット線に接続されたドレイン、前記ソース線に接続されたソース、およびフローティングゲートを含む。
第2の発明に係る不揮発性半導体記憶装置は、さらに、消去時に、選択されたセクタ内の複数のメモリセルのフローティングゲートと前記ウェル間との間で電子を移動させる消去用電子移動手段と、プログラム時に、選択されたメモリセルのフローティングゲートとドレイン端との間で電子を移動させるプログラム用電子移動手段と、前記複数の主ビット線に対応して設けられた複数の容量手段と、プログラム時に、前記複数の容量手段を前記複数の主ビット線それぞれに接続する第2の接続手段とを備える。
第3の発明に係る不揮発性半導体記憶装置は、ウェル内に形成され、複数行および複数列に配列された複数のメモリセルと、前記複数行に対応して設けられた複数のワード線と、前記複数列に対応して設けられた複数の主ビット線と、前記複数のメモリセルに共通に設けられるソース線とを備える。前記複数のメモリセルは、各々が複数行および複数列に配列された複数のメモリセルを含む複数のセクタに分割される。
第3の発明に係る不揮発性半導体記憶装置は、さらに、前記複数のセクタに対応して設けられ、各々が対応するセクタ内の複数列に対応する複数の副ビット線を含む複数の副ビット線群と、前記複数の副ビット線群を選択的に前記複数の主ビット線に接続する第1の接続手段とをさらに備える。前記複数のメモリセルの各々は、対応するワード線に接続されたコントロールゲート、対応する副ビット線に接続されたドレイン、前記ソース線に接続されたソース、およびフローティングゲートを含む。
第3の発明に係る不揮発性半導体記憶装置は、さらに、消去時に、選択されたセクタ内の複数のメモリセルとフローティングゲートと前記ウェル間で電子を移動させる消去用電子移動手段と、プログラム時に、選択されたメモリセルのフローティングゲートとドレイン端との間で電子を移動させるプログラム用電子移動手段とを備える。
前記ソース線は、前記複数のセクタに対応して複数の部分に分離され、前記消去用電子移動手段は、消去時に、選択されたセクタに対応するソース線の部分と、非選択のセクタに対応するソース線の部分とを互いに異なる電位に設定する。
第4の発明に係る不揮発性半導体記憶装置は、ウェル内に形成され、複数行および複数列に配列される複数のメモリセルと、前記複数行に対応して設けられる複数のワード線と、前記複数列に対応して設けられる複数の主ビット線と、前記複数のメモリセルに共通に設けられるソース線とを備える。前記複数のメモリセルは、各々が複数行および複数列に配列された複数のメモリセルを含む複数のセクタに分割される。
第4の発明に係る不揮発性半導体記憶装置は、前記複数のセクタに対応して設けられ、各々が対応するセクタ内の複数列に対応する複数の副ビット線とを含む複数の副ビット線群と、前記複数の副ビット線群を選択的に前記複数の主ビット線に接続する第1の接続手段とををさらに備える。前記複数のメモリセルの各々は、対応のワード線に接続されるコントロールゲート、対応の副ビット線に接続されるドレイン、前記ソース線に接続されるソース、およびフローティングゲートを含む。
第4の発明に係る不揮発性半導体記憶装置は、さらに、消去時に、選択されたセクタ内の複数のメモリセルのフローティングゲートと前記ウェル間で電子を移動させる消去用電子移動手段と、プログラム時に、選択されたメモリセルのフローティングゲートとドレイ ン端との間で電子を移動させるプログラム用電子移動手段と、容量手段と、消去時に、前記容量手段を前記ソース線に接続する第2の接続手段を備える。
第5の発明に係る不揮発性半導体記憶装置は、ウェル内に形成され、複数行および複数列に配列された複数のメモリセルと、前記複数行に対応して設けられた複数のワード線と、前記複数列に対応して設けられた複数の主ビット線と、前記複数のメモリセルに共通に設けられたソース線とを備える。前記複数のメモリセルは、各々が複数行および複数列に配列された複数のメモリセルを含む複数のセクタに分割される。
第5の発明に係る不揮発性半導体記憶装置は、前記複数のセクタに対応して設けられ、各々が対応するセクタ内の複数列に対応する複数の副ビット線を含む複数の副ビット線群と、前記複数の副ビット線群を選択的に前記複数の主ビット線に接続する第1の接続手段とをさらに備える。前記複数のメモリセルの各々は、対応のワード線に接続されるコントロールゲート、対応の副ビット線に接続されるドレイン、前記ソース線に接続されるソース、およびフローティングゲートを含む。
第5の発明に係る不揮発性半導体記憶装置は、さらに、消去時に、選択されたセクタ内の複数のメモリセルのフローティングゲートと前記ウェルとの間で電子を移動させる消去用電子移動手段と、プログラム時に、選択されたメモリセルのフローティングゲートとドレイン端との間で電子を移動させるプログラム用電子移動手段とを備える。
前記プログラム用電子移動手段は、選択された主ビット線をデータに従って所定の電位にプリチャージしかつ選択されたワード線に所定の電圧を印加した後、ソース線を一時的に接地し、ついで前記選択され多ワード線に負電圧を印加する電圧印加手段を含む。
【0120】
【実施例】
まず、以下に説明する第1〜第11の実施例におけるプログラムおよび消去動作としきい値電圧との関係を従来例と比較して説明する。
【0121】
従来例では、図1の(b)に示すように、プログラム動作によりメモリセルのしきい値電圧が上昇し、消去動作によりメモリセルのしきい値電圧が下降する。これに対して、実施例では、図1の(a)に示すように、プログラム動作によりメモリセルのしきい値電圧が下降し、消去動作によりメモリセルのしきい値電圧が上昇する。
【0122】
すなわち、従来例では、図2の(b)に示すように、消去状態にあるメモリセルではフローティングゲートから電子が放出されており、そのしきい値電圧は低くなっている。また、プログラム状態にあるメモリセルではフローティングゲートに電子が注入されており、そのしきい値電圧は高くなっている。
【0123】
これに対して、実施例では、図2の(a)に示すように、消去状態にあるメモリセルではフローティングゲートに電子が注入されており、そのしきい値電圧は高くなっている。また、プログラム状態にあるメモリセルではフローティングゲートから電子が放出されており、そのしきい値電圧は低くなっている。
【0124】
消去状態がデータ“1”に対応し、プログラム状態がデータ“0”に対応する点は、実施例および従来例において同様である。
【0125】
このように、実施例では、消去動作により各メモリセルのしきい値電圧が高くなるので、図3に示すように、消去前書込動作を行なうことなく、一括消去動作によりすべてのメモリセルのしきい値電圧を電源電圧Vccよりも高くすることができる。
【0126】
また、図4に示すように、複数のメモリセルのしきい値電圧にばらつきがあっても、一括消去動作により一部のメモリセルがデプレッション化することはない。
【0127】
(1) 第1の実施例(図5〜図8)
(a) フラッシュメモリの全体の構成(図5)
図5は、第1の実施例によるフラッシュメモリの全体の構成を示すブロック図である。図5のフラッシュメモリの全体の構成は各動作における電圧の印加条件が異なる点を除いて、図131の従来のフラッシュメモリと同様である。図5のフラッシュメモリもチップCH上に形成される。
【0128】
(b) メモリセルのプログラムおよび消去(図6)
図6の(a)にプログラム時におけるメモリセルへの電圧印加条件を示す。また、図6の(b)に消去時におけるメモリセルへの電圧印加条件を示す。
【0129】
プログラム時には、図6の(a)に示すように、ドレイン1002に高電圧Vpp(通常12V程度)を印加し、コントロールゲート1006に0Vを印加し、ソース1003をフローティング状態にする。それにより、フローティングゲート1005とドレイン1002との間に高電界が発生し、トンネル現象によりフローティングゲート1005からドレイン1002に電子が放出される。その結果、メモリセルのしきい値電圧が下降する。
【0130】
消去時には、図6の(b)に示すように、ドレイン1002に0Vを印加し、コントロールゲート1006に高電圧Vpp(通常12V程度)を印加し、ソース1003に所定の高電圧VSL(6V)を印加する。それにより、ソース1003の近傍でアバランシェ降伏によるホットエレクトロンまたはチャネルホットエレクトロンが発生する。これらのホットエレクトロンは、コントロールゲート1006の高電圧Vppにより加速され、絶縁膜1004によるエネルギ障壁を飛越えて、フローティングゲート1005に注入される。その結果、メモリセルのしきい値電圧が上昇する。
【0131】
このように、プログラム時にはトンネル現象によりフローティングゲート1005からドレイン1002に電子が放出される。そのため、チャネル方向または基板方向の電界を弱めるために、ドレイン1002に沿ってN− 型不純物領域1002bが設けられている。
【0132】
また、消去時にはホットエレクトロンによりソース1003の近傍からフローティングゲート1005に電子が注入される。そのため、チャネル方向または基板方向に、より高電界が発生するように、ソース1003に沿ってP+ 型不純物領域1003bが設けられている。
【0133】
なお、P− ウェル1008はP− 型半導体基板であってもよい。
(c) フラッシュメモリの動作(図7)
次に、フラッシュメモリの一括消去動作、プログラム動作および読出動作を図7を参照しながら説明する。図7には、メモリアレイ1010に含まれる一部のメモリセルM11〜M13,M21〜M23,M31〜M33が示されている。
【0134】
(i) 一括消去動作(図7の(a))
まず、制御信号バッファ1120を介して制御回路1130に、一括消去動作を指定する制御信号が与えられる。また、Vpp/Vcc切換回路1090には外部から高電圧Vppが与えられる。
【0135】
Vpp/Vcc切換回路1090は、Xデコーダ1030に高電圧Vppを与える。Xデコーダ1030は、すべてのワード線WL〜WL3を選択し、それらに高電圧Vppを印加する。Yデコーダ1040は、Yゲート1050に含まれるすべてのYゲートトランジスタをオンさせる。書込回路1080は、Yゲート1050を介して0Vをすべてのビット線BL1〜BL3に印加する。ソース制御回路1110は、ソース線SLに所定の高電圧VSL(VSL<Vpp)を印加する。
【0136】
このようにして、すべてのメモリセルM11〜M33に、図6の(b)に示されるように電圧が印加される。その結果、すべてのメモリセルM11〜M33が消去される。
【0137】
(ii) プログラム動作(図7の(b))
ここでは、メモリセルM12をプログラムするものと仮定する。すなわち、メモリセルM12にデータ“0”を書込み、他のメモリセルにデータ“1”を書き込む。
【0138】
まず、制御信号バッファ1120を介して制御回路1130に、プログラム動作を指定する制御信号が与えられる。また、Vpp/Vcc切換回路1090には外部から高電圧Vppが与えられる。
【0139】
Xデコーダ1030は、アドレスバッファ1020から与えられるXアドレス信号に応答してワード線WL2を選択し、選択されたワード線WL2に0Vを印加し、非選択のワード線WL1,WL3には電源電圧Vccを印加する。
【0140】
Vpp/Vcc切換回路1090は、書込回路1080に高電圧Vppを与える。外部からデータ入出力バッファ1070を介して書込回路1080に順次データが与えられる。このとき、Yデコーダ1040は、アドレスバッファ1020から与えられるYアドレス信号に応答してYゲート1050内のYゲートトランジスタを順次オンさせる。書込回路1080は、Yゲート1050を介してビット線BL1に高電圧Vppを印加し、かつビット線BL2,BL3に電源電圧Vccを印加する。ソース制御回路1110は、ソース線SLをフローティング状態にする。
【0141】
このようにして、メモリセルM12に、図6の(a)に示されるように電圧が印加される。このとき、他のメモリセルは次のいずれかの状態になっている。
【0142】
(A) ドレインに高電圧Vppが印加され、コントロールゲートに電源電圧Vccが印加され、ソースはフローティング状態となっている。
【0143】
(B) ドレインに電源電圧Vccが印加され、コントロールゲートに0Vが印加され、ソースはフローティング状態になっている。
【0144】
(C) ドレインに電源電圧Vccが印加され、コントロールゲートに電源電圧Vccが印加され、ソースはフローティング状態になっている。
【0145】
その結果、メモリセルM12のフローティングゲートとドレインとの間のみに高電界が発生し、メモリセルM12のみがプログラムされる。
【0146】
(iii) 読出動作(図7の(c))
読出動作は、図137を用いて説明した動作とほぼ同様である。ここでは、メモリセルMC12からデータを読出すものと仮定する。まず、制御信号バッファ1120を介して制御回路1130に、読出動作を指定する制御信号が与えられる。
【0147】
Xデコーダ1030は、アドレスバッファ1020から与えられるXアドレス信号に応答して、ワード線WL2を選択し、それに電源電圧Vccを印加する。このとき、他のワード線WL1,WL3は0Vに保たれる。Yデコーダ1040は、アドレスバッファ1020から与えられるYアドレス信号に応答して、Yゲート1050内の1つのYゲートトランジスタをオンさせる。ソース制御回路1110はソース線SLを接地する。
【0148】
それにより、ビット線BL1に読出電圧Vrが現れる。この読出電圧Vrがセンスアンプ1060により検知および増幅され、データ入出力バッファ1070を介して外部に出力される。
【0149】
(d) 書換動作(図8)
このフラッシュメモリにおけるデータの書換動作を図8のフローチャートを参照しながら説明する。
【0150】
まず、すべてのメモリセルにデータ“1”が記憶されているか否かを判別する(ステップS1)。すべてのメモリセルにデータ“1”が記憶されていないときには、一括消去動作を行なう(ステップS2)。その後、プログラム動作を行なう(ステップS3)。このように、従来例のような書込前消去動作を行なうことなく、データの書換を行なうことができる。
【0151】
(e) 変形例
プログラム時に、非選択のビット線BL2,BL3をフローティング状態にしてもよい。このとき、非選択のメモリセルは次のいずれかの状態になっている。
【0152】
(A) ドレインに高電圧Vppが印加され、コントロールゲートに電源電圧Vccが印加され、ソースはフローティング状態になっている。
【0153】
(B) ドレインはフローティング状態になっており、コントロールゲートに0Vが印加され、ソースはフローティング状態になっている。
【0154】
(C) ドレインはフローティング状態になっており、コントロールゲートに電源電圧Vccが印加され、ソースはフローティング状態になっている。
【0155】
この場合にも、メモリセルM12のフローティングゲートとドレインとの間のみに高電界が発生し、トンネル現象によりメモリセルM12のみがプログラムされる。
【0156】
プログラム時に、ソース線SLに電源電圧Vccを印加してもよい。このとき、メモリセルM12のドレインには高電圧Vppが印加され、コントロールゲートには0Vが印加され、ソースには電源電圧Vccが印加される。他のメモリセルは次のいずれかの状態になっている。
【0157】
(A) ドレインに高電圧Vppが印加され、コントロールゲートに電源電圧Vccが印加され、ソースに電源電圧Vccが印加されている。
【0158】
(B) ドレインに電源電圧Vccが印加され、コントロールゲートに0Vが印加され、ソースに電源電圧Vccが印加されている。
【0159】
(C) ドレインに電源電圧Vccが印加され、コントロールゲートに電源電圧Vccが印加され、ソースに電源電圧Vccが印加されている。
【0160】
この場合にも、メモリセルM12のフローティングゲートとドレインとの間のみに高電界が発生し、トンネル現象によりメモリセルM12のみがプログラムされる。
【0161】
プログラム時に、非選択のビット線BL2,BL3をフローティング状態にしかつソース線SLに電源電圧Vccを印加してもよい。このとき、メモリセルM12のドレインには高電圧Vppが印加され、コントロールゲートには0Vが印加され、ソースには電源電圧Vccが印加される。また、他のメモリセルは次のいずれかの状態になっている。
【0162】
(A) ドレインに高電圧Vppが印加され、コントロールゲートに電源電圧Vccが印加され、ソースに電源電圧Vccが印加されている。
【0163】
(B) ドレインはフローティング状態になっており、コントロールゲートに0Vが印加され、ソースに電源電圧Vccが印加されている。
【0164】
(C) ドレインはフローティング状態となっており、コントロールゲートに電源電圧Vccが印加され、ソースに電源電圧Vccが印加されている。
【0165】
この場合にも、メモリセルM12のフローティングゲートとドレインとの間のみに高電界が発生し、トンネル現象によりメモリセルM12のみがプログラムされる。
【0166】
また、一括消去動作後にベリファイ動作を行なってもよい。さらに、一括消去動作前に、すべてのメモリセルのコントロールゲートに0Vを印加しかつP− ウェル(またはP− 型半導体基板)に高電圧Vppを印加することによって、すべてのメモリセルのコントロールゲートから電子を引抜き、その後、ベリファイ動作を行ないながら一括消去動作を行なってもよい。それにより、一括消去されたメモリセルのしきい値電圧のばらつきをさらに小さくすることができる。
【0167】
(f) 第1の実施例の効果
従来のフラッシュメモリでは電子がドレイン側からフローティングゲートに注入される。そのため、読出動作時にビット線の電位が高くなると、選択されているメモリセルにドレインから電子が注入され、ソフトライトが起こる可能性がある。
【0168】
これに対して、第1の実施例のフラッシュメモリでは、電子がソース側からフローティングゲートに注入される。そのため、読出動作時に、ソフトライトが起こりにくい。
【0169】
なお、ベリファイ動作を行ないながらプログラム動作を行なってもよい。それにより、プログラムされたメモリセルのしきい値電圧のばらつきを小さくすることができる。
【0170】
(2) 第2の実施例(図9,図10)
第2の実施例によるフラッシュメモリの全体の構成は、図5に示される構成と同様である。
【0171】
(a) メモリセルのプログラムおよび消去(図9)
図9の(a)にプログラム時におけるメモリセルへの電圧印加条件を示す。また、図9(b)に消去時におけるメモリセルへの電圧印加条件を示す。プログラム時の電圧印加条件は、図6の(a)に示した電圧印加条件と同様である。
【0172】
消去時には、図9の(b)に示すように、ドレイン1002に0Vを印加し、コントロールゲート1006に高電圧Vpp(通常12V程度)を印加し、ソース1003に0Vを印加する。それにより、ソース1003とドレイン1002との間の領域にチャネルchが形成され、そのチャネルchとフローティングゲート1005との間に高電界が発生する。トンネル現象によりチャネルchからフローティングゲート1005に電子が注入される。その結果、メモリセルのしきい値電圧が上昇する。
【0173】
この実施例では、プログラム時にはトンネル現象によりフローティングゲート1005からドレイン1002に電子が放出される。そのため、チャネル方向または基板方向の電界を弱めるために、ドレイン1002に沿ってN− 型不純物領域1002cが設けられている。
【0174】
なお、ソース1003に沿ってN− 型不純物領域1003cを設けてもよい。このように、ドレイン側およびソース側の両方にN− 型不純物領域1002c,1003cを設けると、製造工程が少なくなる。
【0175】
(b) フラッシュメモリの動作(図10)
次に、フラッシュメモリの一括消去動作、プログラム動作および読出動作を図10を参照しながら説明する。プログラム動作および読出動作は第1の実施例と同様である。したがって、以下、一括消去動作を説明する。
【0176】
まず、制御信号バッファ1120を介して制御回路1130に、一括消去動作を指定する制御信号が与えられる。また、Vpp/Vcc切換回路1090には外部から高電圧Vppが与えられる。
【0177】
Vpp/Vcc切換回路1090は、Xデコーダ1030に高電圧Vppを与える。Xデコーダ1030は、すべてのワード線WL1〜WL3を選択し、それらに高電圧Vppを印加する。Yデコーダ1040は、Yゲート1050に含まれるすべてのYゲートトランジスタをオンさせる。書込回路1080はYゲート1050を介して0Vをすべてのビット線BL1〜BL3に印加する。ソース制御回路1110はソース線SLに0Vを印加する。
【0178】
このようにして、すべてのメモリセルM11〜M33に、図9の(b)に示されるように電圧が印加される。その結果、すべてのメモリセルM11〜M33が消去される。
【0179】
なお、一括消去動作時に、P− ウェル(またはP− 型半導体基板)に積極的に負の電圧を印加してもよい。
【0180】
データの書換えは、図8に示される手順で行なわれる。したがって、従来例のような消去前書込動作を行なうことなく、データの書換えを行なうことができる。
【0181】
(3) 第3の実施例(図11〜図14)
図11は、第3の実施例によるフラッシュメモリの全体の構成を示すブロック図である。図11のフラッシュメモリが図5のフラッシュメモリと異なるのは次の点である。
【0182】
外部から与えられる負電圧−Veeを受け、所定の負電圧を発生する負電圧制御回路1140がさらに設けられている。また、Xデコーダ1030は、図12に示すように、複数の高電圧スイッチ1302(図132参照)の代わりに、複数のワード線WLにそれぞれ接続される複数の電位制御スイッチ1303を含む。各電位制御スイッチ1303は、Vpp/Vcc切換回路1090から与えられる高電圧Vppまたは電源電圧Vccあるいは負電圧制御回路1140から与えられる負電圧−Veeを対応するワード線WLに印加する。
【0183】
(b) メモリセルのプログラムおよび消去(図13)
図13の(a)にプログラム時におけるメモリセルへの電圧印加条件を示す。また、図13の(b)に消去時におけるメモリセルへの電圧印加条件を示す。
【0184】
プログラム時には、図13の(a)に示すように、ドレイン1002に電源電圧Vcc(通常5V程度)を印加し、コントロールゲート1006に負電圧−Vee(−12V)を印加し、ソース1003をフローティング状態にする。それにより、フローティングゲート1005とドレイン1002との間に高電界が発生し、トンネル現象によりフローティングゲート1005からドレイン1002に電子が放出される。その結果、メモリセルのしきい値電圧が下降する。
【0185】
消去時の電圧印加条件は、図6の(b)に示した電圧印加条件と同様である。
【0186】
このように、プログラム時にはトンネル現象によりフローティングゲート1005からドレイン1002に電子が放出される。そのため、チャネル方向または基板方向の電界を弱めるために、ドレイン1002に沿ってN− 型不純物領域1002dが設けられている。
【0187】
また、消去時にはホットエレクトロンによりソース1003の近傍からフローティングゲート1005に電子が注入される。そのため、チャネル方向または基板方向に、より高電界が発生するように、ソース1003に沿ってP+ 型不純物領域1003dが設けられている。
【0188】
(c) フラッシュメモリの動作(図14)
次に、フラッシュメモリの一括消去動作、プログラム動作および読出動作を図14を参照しながら説明する。一括消去動作および読出動作は、第1の実施例と同様である。したがって、以下、プログラム動作を説明する。
【0189】
ここでは、メモリセルM12をプログラムするものと仮定する。すなわち、メモリセルM12にデータ“0”を書込み、他のメモリセルにデータ“1”を書き込む。
【0190】
まず、制御信号バッファ1120を介して制御回路1130に、プログラム動作を指定する制御信号が与えられる。また、負電圧制御回路1140には外部から負電圧−Veeが与えられる。
【0191】
Xデコーダ1030は、アドレスバッファ1020から与えられるXアドレス信号に応答してワード線WL2を選択し、選択されたワード線WL2に負電圧制御回路1140からの負電圧−Veeを印加し、非選択のワード線WL1,WL3には0Vを印加する。
【0192】
Vpp/Vcc切換回路1090は、書込回路1080に電源電圧Vccを与える。外部からデータ入出力バッファ1070を介して書込回路1080に順次データが与えられる。このとき、Yデコーダ1040は、アドレスバッファ1020から与えられるYアドレス信号に応答して、Yゲート1050内のYゲートトランジスタを順次オンさせる。書込回路1080は、Yゲート1050を介してビット線BL1に電源電圧Vccを印加し、ビット線BL2,BL3に0Vを印加する。ソース制御回路1110は、ソース線SLをフローティング状態にする。
【0193】
このようにして、メモリセルM12に、図13の(a)に示されるように電圧が印加される。このとき、他のメモリセルは次のいずれかの状態になっている。
【0194】
(A) ドレインに電源電圧Vccが印加され、コントロールゲートに0Vが印加され、ソースはフローティング状態になっている。
【0195】
(B) ドレインに0Vが印加され、コントロールゲートに負電圧−Veeが印加され、ソースはフローティング状態になっている。
【0196】
(C) ドレインに0Vが印加され、コントロールゲートに0Vが印加され、ソースはフローティング状態になっている。
【0197】
(e) 変形例
プログラム時に、非選択のビット線BL2,BL3をフローティング状態にしてもよい。このとき、非選択のメモリセルは次のいずれかの状態になっている。
【0198】
(A) ドレインに電源電圧Vccが印加され、コントロールゲートに0Vが印加され、ソースはフローティング状態になっている。
【0199】
(B) ドレインはフローティング状態になっており、コントロールゲートに負電圧−Veeが印加され、ソースはフローティング状態になっている。
【0200】
(C) ドレインはフローティング状態になっており、コントロールゲートに0Vが印加され、ソースはフローティング状態になっている。
【0201】
この場合も、メモリセルM12のフローティングゲートとドレインとの間のみに高電界が発生し、トンネル現象によりメモリセルM12のみがプログラムされる。
【0202】
プログラム時に、非選択のビット線をフローティング状態にしかつソース線SLに0Vを印加してもよい。このとき、メモリセルM12のドレインには電源電圧Vccが印加され、コントロールゲートには負電圧−Veeが印加され、ソースには0Vが印加される。他のメモリセルは次のいずれかの状態になっている。
【0203】
(A) ドレインに電源電圧Vccが印加され、コントロールゲートに0Vが印加され、ソースに0Vが印加されている。
【0204】
(B) ドレインはフローティング状態になっており、コントロールゲートに負電圧−Veeが印加され、ソースに0Vが印加されている。
【0205】
(C) ドレインはフローティング状態になっており、コントロールゲートに0Vが印加され、ソースに0Vが印加されている。
【0206】
この場合も、メモリセルM12のフローティングゲートとドレインとの間のみに高電界が発生し、トンネル現象によりメモリセルM12のみがプログラムされる。
【0207】
第3の実施例において、一括消去動作を図10に示される第2の実施例と同様に行なってもよい。各メモリセルには、図9の(b)に示したように電圧が印加される。
【0208】
この場合には、フローティングゲートへの電子の注入およびフローティングゲートからの電子の放出をトンネル現象を利用して行なうことになるので、消費電力が低減される。そのため、外部から与えられる電源電圧から高電圧および負電圧を内部で発生することができる。
【0209】
(4) 第4の実施例(図15〜図16)
第4の実施例によるフラッシュメモリの全体の構成は図5に示される構成と同様である。また、プログラム時および消去時のメモリセルへの電圧印加条件は、図6の(a)および(b)に示した電圧印加条件と同様である。第4の実施例は、制御方法においてのみ第1の実施例と異なる。
【0210】
(a) フラッシュメモリの動作(図15)
次に、フラッシュメモリのページ一括消去動作、プログラム動作および読出動作を図15を参照しながら説明する。プログラム動作および読出動作は、第1の実施例と同様である。したがって、以下、ページ一括消去動作を説明する。
【0211】
1つのワード線に接続されるすべてのメモリセルをページと呼ぶ。ページ一括消去動作は、ページ単位で一括消去が行なわれる。ここでは、ワード線WL2に対応するページの一括消去動作を説明する。
【0212】
まず、制御信号バッファ1120を介して制御回路1130に、ページ一括消去動作を指定する制御信号が与えられる。また、Vpp/Vcc切換回路1090には外部から高電圧Vppが与えられる。
【0213】
Vpp/Vcc切換回路1090は、Xデコーダ1030に高電圧Vppを与える。Xデコーダ1030は、アドレスバッファ1020から与えられるXアドレス信号に応答して、ワード線WL2を選択し、選択されたワード線WL2に高電圧Vppを印加し、非選択のワード線WL1,WL3に0Vを印加する。Yデコーダ1040は、Yゲート1050に含まれるすべてのYゲートトランジスタをオンさせる。書込回路1080は、Yゲート1050を介して0Vをすべてのビット線BL1〜BL3に印加する。ソース制御回路1110は、ソース線SLに所定の高電圧VSL(VSL<Vpp)を印加する。
【0214】
このようにして、ワード線WL2に接続されるメモリセルM12,M22,M32に、図6の(b)に示されるように電圧が印加される。その結果、メモリセルM12,M22,M32が消去される。
【0215】
非選択のワード線WL1,WL3に接続される各メモリセルにおいては、ドレイン1002に0Vが印加され、ソース1003に高電圧VSLが印加され、コントロールゲート1006に0Vが印加される。そのため、ホットエレクトロンが絶縁膜1004によるエネルギ障壁を飛越えてフローティングゲート1005に注入される可能性は少ない。したがって、選択されたワード線WL2に接続されるメモリセルのみが一括消去される。
【0216】
このように、第4の実施例では、メモリアレイ単位でなく、ページ単位で一括消去動作が行なわれる。
【0217】
(b) 書換動作(図16)
第4の実施例によるフラッシュメモリにおけるデータの書換動作を図16のフローチャートを参照しながら説明する。
【0218】
まず、すべてのメモリセルにデータ“1”が記憶されているか否かを判別する(ステップS11)。すべてのメモリセルにデータ“1”が記憶されていないときには、書換えるべきページに関してページ一括消去動作を行なう(ステップS12)。その後、プログラム動作を行なう(ステップS13)。
【0219】
このように、従来例のような書込前消去動作を行なうことなく、ページ単位でデータの書換えを行なうことができる。
【0220】
(5) 第5の実施例(図17)
第5の実施例によるフラッシュメモリの全体の構成は、図5に示される構成と同様である。また、プログラム時および消去時のメモリセルへの電圧印加条件は、図9の(a)および(b)に示した電圧印加条件と同様である。第5の実施例は、制御方法においてのみ第2の実施例と異なる。
【0221】
第5の実施例によるフラッシュメモリのページ一括消去動作、プログラム動作および読出動作を図17を参照しながら説明する。プログラム動作および読出動作は第2の実施例と同様である。したがって、以下、ページ一括消去動作を説明する。ここでは、ワード線WL2に対応するページの一括消去動作を説明する。
【0222】
まず、制御信号バッファ1120を介して制御回路1130に、ページ一括消去動作を指定する制御信号が与えられる。また、Vpp/Vcc切換回路1090には外部から高電圧Vppが与えられる。
【0223】
Vpp/Vcc切換回路1090は、Xデコーダ1030に高電圧Vppを与える。Xデコーダ1030は、アドレスバッファ1020から与えられるXアドレス信号に応答して、ワード線WL2を選択し、その選択されたワード線WL2に高電圧Vppを印加し、非選択のワード線WL1,WL3に0Vを印加する。Yデコーダ1040は、Yゲート1050に含まれるすべてのYゲートトランジスタをオンさせる。書込回路1080は、Yゲート1050を介して0Vをすべてのビット線BL1〜BL3に印加する。ソース制御回路1110は、ソース線SLに0Vを印加する。
【0224】
このようにして、ワード線WL2に接続されるメモリセルM12,M22,M32に、図9の(b)に示されるように電圧が印加される。その結果、メモリセルM12,M22,M32が消去される。
【0225】
非選択のワード線WL1,WL3に接続される各メモリセルにおいては、ドレイン1002、ソース1003およびコントロールゲート1006に0Vが印加される。そのため、フローティングゲート1005とソース1003との間には高電界は発生せず、トンネル現象により電子がフローティングゲート1005に注入されることはない。したがって、選択されたワード線に接続されたメモリセルのみが一括消去される。
【0226】
このように、第5の実施例においても、メモリアレイ単位ではなく、ページ単位で一括消去を行なうことができる。
【0227】
データの書換えは、図16に示される手順で行なわれる。したがって、従来例のような消去前書込動作を行なうことなく、ページ単位でデータの書換えを行なうことができる。
【0228】
(6) 第6の実施例(図18〜図33)
(a) フラッシュメモリの全体の構成(図18,図19)
図18は、第6の実施例によるフラッシュメモリの全体の構成を示すブロック図である。また、図19は、メモリアレイおよびそれに関連する部分の詳細な構成を示す回路図である。
【0229】
図18のフラッシュメモリが図131に示す従来のフラッシュメモリと異なるのは次の点である。メモリアレイ1010aが複数のセクタに分割されている。図18の例では、メモリアレイ1010aがセクタSE1,SE2に分割されている。メモリアレイ1010aは、セクタSE1,SE2にそれぞれ対応するセレクトゲートSG1,SG2を含む。
【0230】
メモリアレイ1010aは、P− ウェル1008内に形成される。図131に示すVpp/Vcc切換回路1090は設けられず、高電圧発生回路1210,1220、負電圧発生回路1230,1240、ウェル電位発生回路1250およびセレクトゲートデコーダ1260がさらに設けられる。高電圧発生回路1210,1220は外部から電源電圧Vcc(たとえば5V)を受け、高電圧(たとえば10V)を発生する。負電圧発生回路1230,1240は、外部から電源電圧Vccを受け、負電圧(たとえば−10V)を発生する。ウェル電位発生回路1250は消去時にP− ウェル1008に負電圧(たとえば−5V)を印加する。セレクトゲートデコーダ1260は、アドレスバッファ1020からのアドレス信号の一部に応答して、セレクトゲートSG1,SG2を選択的に活性化する。
【0231】
次に図19を参照する。メモリアレイ1010aには複数の主ビット線が配列される。図19には2つの主ビット線MB0,MB1が示される。主ビット線MB0,MB1はそれぞれYゲートトランジスタYG0,YG1を介してセンスアンプ1060および書込回路1080に接続される。
【0232】
各主ビット線に対応して複数の副ビット線が配列される。図19の例では、主ビット線MB0に対応して2つの副ビット線SB01,SB02が設けられ、主ビット線MB1に対応して2つの副ビット線SB11,SB12が設けられる。
【0233】
複数の副ビット線に交差するように複数のワード線が配列される。図19の例では、副ビット線SB01,SB11に交差するようにワード線WL0,WL1が配列され、副ビット線SB02,SB12に交差するようにワード線WL2,WL3が配列される。
【0234】
副ビット線SB01,SB02,SB11,SB12とワード線WL0〜WL3との交点にはそれぞれメモリセルM00〜M03,M10〜M13が設けられる。メモリセルM00,M01,M10,M11はセクタSE1に含まれ、メモリセルM02,M03,M12,M13はセクタSE2に含まれる。
【0235】
各メモリセルのドレインは対応する副ビット線に接続され、コントロールゲートは対応するワード線に接続され、ソースはソース線SLに接続される。
【0236】
セレクトゲートSG1はセレクトゲートトランジスタSG01,SG11を含み、セレクトゲートSG2はセレクトゲートトランジスタSG02,SG12を含む。副ビット線SB01,SB02はそれぞれセレクトゲートトランジスタSG01,SG02を介して主ビット線MB0に接続され、副ビット線SB11,SB12はそれぞれセレクトゲートトランジスタSG11,SG12を介して主ビット線MB1に接続される。セレクトゲートデコーダ1260のセレクトゲート線SGL1はセレクトゲートトランジスタSG01,SG11に接続され、セレクトゲート線SGL2はセレクトゲートトランジスタSG02,SG12に接続される。
【0237】
(b) メモリセルのプログラムおよび消去(図20)
図20の(a)にプログラム時におけるメモリセルへの電圧印加条件を示す。また、図20の(b)に消去時におけるメモリセルへの電圧印加条件を示す。
【0238】
プログラム時には、図20の(a)に示すように、ドレイン1002に正電圧(たとえば5V)を印加し、コントロールゲート1006に負電圧(たとえば−10V)を印加し、ソース1003をフローティング状態にし、P− ウェル1008に0Vを印加する。それにより、フローティングゲート1005とドレイン1002との間に高電界が発生し、トンネル現象によりフローティングゲート1005がドレイン1002に電子が放出される。その結果、メモリセルのしきい値電圧が下降する。
【0239】
消去時には、図20の(b)に示すように、ドレイン1002をフローティング状態にし、コントロールゲート1006に高電圧(たとえば10V)を印加し、ソース1003をフローティング状態にし、P− ウェル1008に負電圧(たとえば−5V)を印加する。それにより、コントロールゲート1006とP− ウェル1008との間に高電圧(この場合15V)が印加され、ソース1003とフローティングゲート1005との間に高電界が発生する。その結果、トンネル現象によりソース1003からフローティングゲート1005に電子が注入され、メモリセルのしきい値電圧が上昇する。
【0240】
このように、プログラム時にはトンネル現象によりフローティングゲート1005からドレイン1002に電子が放出される。そのため、チャネル方向または基板方向の電界を弱めるために、ドレイン1002に沿ってN− 型不純物領域1002eが設けられる。
【0241】
なお、ソース1003に沿ってN− 型不純物領域1003eを設けてもよい。このように、ドレイン側およびソース側の両方にN− 型不純物領域1002e,1003eを設けると、製造工程が少なくなる。
【0242】
(c) フラッシュメモリの動作(図21)
次に、フラッシュメモリのセクタ一括消去動作、プログラム動作および読出動作を図21を参照しながら説明する。
【0243】
(i) セクタ一括消去動作
ここでは、セクタSE1を一括消去するものと仮定する。まず、制御信号バッファ1120を介して制御回路1130に、セクタ一括消去動作を指定する制御信号が与えられる。それにより、高電圧発生回路1220および負電圧発生回路1230が活性化される。
【0244】
高電圧発生回路1220はXデコーダ1030に高電圧(10V)を与える。Xデコーダ1030は、セクタSE1のワード線WL0,WL1に高電圧(10V)を印加し、セクタSE2のワード線WL2,WL3に0Vを印加する。負電圧発生回路1230はYデコーダ1040およびウェル電位発生回路1250に負電圧を与える。Yデコーダ1040はYゲート1050内のYゲートトランジスタYG0,YG1に負電圧(−5V)を印加する。それにより、主ビット線MB0,MB1はフローティング状態になる。ソース制御回路10はソース線SLをフローティング状態にする。また、ウェル電位発生回路1250はP− ウェル1008に負電圧(−5V)を印加する。セレクトゲートデコーダ1260はセレクトゲート線SG1,SG2に0Vを印加する。
【0245】
このようにして、セクタSE1内のメモリセルM00,M01,M10,M11に、図20の(b)に示されるように電圧が印加される。その結果、セクタSE1内のすべてのメモリセルが消去される。
【0246】
このとき、非選択のセクタSE2内の各メモリセルにおいて、コントロールゲートとP− ウェルとの間に印加される電圧は5Vである。したがって、トンネル現象は発生しない。また、この電位条件は読出時の電位条件とほぼ同じであるので、データへのディスターブがほとんど起きない。
【0247】
(ii) プログラム動作(図21の(b))
ここでは、メモリセルM00をプログラムするものと仮定する。すなわち、メモリセルM00にデータ“0”を書込み、メモリセルM10にデータ“1”を書き込む。
【0248】
まず、制御信号バッファ1120を介して制御回路1130に、プログラム動作を指定する制御信号が与えられる。それにより、高電圧発生回路1210および負電圧発生回路1240が活性化される。
【0249】
負電圧発生回路1240はXデコーダ1030に負電圧を与える。Xデコーダ1030は、アドレスバッファ1020から与えられるXアドレス信号に応答してワード線WL0を選択し、選択されたワード線WL0に負電圧(−10V)を印加し、非選択のワード線WL1〜WL3に0Vを印加する。
【0250】
高電圧発生回路1210はYデコーダ1040、書込回路1080およびセレクトゲートデコーダ1260に高電圧を与える。まず、外部からデータ入出力バッファ1070を介してデータ“0”が書込回路1080に与えられ、ラッチされる。Yデコーダ1040は、アドレスバッファ1020から与えられるYアドレス信号に応答してYゲート1050内のYゲートトランジスタYG0に高電圧(たとえば7V)を印加し、YゲートトランジスタYG1に0Vを印加する。それにより、YゲートトランジスタYG0がオンする。
【0251】
書込回路1080はYゲートトランジスタYG0を介して主ビット線MB0にデータ“0”に対応するプログラム電圧(5V)を印加する。また、セレクトゲートデコーダ1260は、セレクトゲート線SGL1に高電圧(たとえば(7V)を印加し、セレクトゲート線SGL2に0Vを印加する。それにより、副ビット線SB01,SB11がそれぞれ主ビット線MB0,MB1に接続される。ソース制御回路1110は、ソース線SLをフローティング状態にする。ウェル電位発生回路1250はP− ウェル1008に0Vを印加する。
【0252】
このようにして、メモリセルM00に、図20の(a)に示されるように電圧が印加される。その結果、メモリセルM00のしきい値電圧が下降する。
【0253】
一定時間(たとえば1m秒)経過後、外部からデータ入出力バッファ1070を介してデータ“1”が書込回路1080に与えられ、ラッチされる。Yデコーダ1040は、アドレスバッファ1020から与えられるYアドレス信号に応答してYゲート1050内のYゲートトランジスタYG1に高電圧(7V)を印加し、YゲートトランジスタYG0に0Vを印加する。それにより、YゲートトランジスタYG1がオンする。書込回路1080は、YゲートトランジスタYG1を介して主ビット線MB1にデータ“1”に対応する0Vを印加する。したがって、メモリセルM10のしきい値電圧は高いまま維持される。
【0254】
プログラム動作の際にベリファイ動作を行なってもよい。このベリファイ動作を図22のフローチャートを参照しながら説明する。
【0255】
上記のように、選択されたワード線WL0に負電圧(−10V)を印加し、選択されたセレクトゲート線SGL1に高電圧(7V)を印加する(ステップS21)。また、ソース線SLをフローティング状態にし(ステップS22)、データ“0”の主ビット線MB0に5Vを印加し、データ“1”の主ビット線MB1に0Vを印加する(ステップS23)。それにより、メモリセルM00のしきい値電圧が下降する。このとき、メモリセルM10のしきい値電圧は高く維持される。
【0256】
一定時間(たとえば1m秒)経過後、制御回路1130によりベリファイ動作が開始される。それにより、ベリファイ電圧発生回路1100が活性化される。ベリファイ電圧発生回路1100はXデコーダ1030に通常の電源電圧Vccよりも低いベリファイ電圧を供給する。その結果、選択されたワード線WL0にベリファイ電圧が印加される(ステップS24)。ソース制御回路1110によりソース線SLが接地される(ステップS25)。それにより、読出動作が行なわれる(ステップS26)。
【0257】
メモリセルM00のしきい値電圧がベリファイ電圧よりも高いと、主ビット線MB0には電流が流れない。そのため、センスアンプ1060がデータ“1”を検知する。この場合、制御回路1130はプログラムが不十分であると判断し、再びプログラム動作およびベリファイ動作を行なう(ステップS27,S21〜S26)。
【0258】
メモリセルM00のしきい値電圧がベリファイ電圧よりも低くなれば、主ビット線MB0に電流が流れる。そのため、センスアンプ1060がデータ“0”を検知する。この場合、制御回路1130はプログラムが十分であると判断し、メモリセルM00についてのプログラム動作を終了する。
【0259】
Xデコーダ1030に与えられるXアドレス信号が順次インクリメントされ、ワード線WL1,WL2,WL3に関して順次プログラム動作およびベリファイ動作が行なわれる(ステップS28,S29)。
【0260】
(iii) 読出動作(図21の(c))
ここでは、メモリセルM00からデータを読出すものと仮定する。まず、制御信号バッファ1120を介して制御回路1130に、読出動作を指定する制御信号が与えられる。
【0261】
Xデコーダ1030は、アドレスバッファ1020から与えられるXアドレス信号に応答してワード線WL0を選択し、それに電源電圧Vcc(5V)を印加する。このとき、ワード線WL1,WL2,WL3は0Vに保たれる。セレクトゲートデコーダ1260は、セレクトゲート線SGL1に5Vを印加し、セレクトゲート線SGL2に0Vを印加する。Yデコーダ1040は、アドレスバッファ1020から与えられるYアドレス信号に応答してYゲート1050内のYゲートトランジスタYG0をオンさせる。ソース制御回路1110はソース線SLを接地する。
【0262】
それにより、主ビット線MBOに読出電圧Vrが現れる。この読出電圧Vrがセンスアンプ1060により検知され、データ入出力バッファ1070を介して外部に出力される。
【0263】
(d) メモリセルの断面構造(図23)
図23はこの実施例のフラッシュメモリに用いられるメモリセルの断面構造を示す図である。図23に示す構造をトリプルウェル構造と呼ぶ。
【0264】
P− 型半導体基板1001の所定領域にN− ウェル1009が形成され、N− ウェル1009内にP− ウェル1008が形成される。P− ウェル1008内の所定領域に所定間隔をもって2つのN+ 型不純物領域が形成される。N+ 型不純物領域の一方がドレイン1002を構成し、他方がソース1003を構成する。ソース1002とドレイン1003との間の領域上に、極めて薄い酸化膜等の絶縁膜1004(約100Å)を介してフローティングゲート1005が形成され、さらにその上に絶縁膜を介してコントロールゲート1006が形成される。このようにして、メモリセルMCが形成される。
【0265】
CMOS回路領域1300は、P− ウェル内に形成されたNチャネルトランジスタおよびN− ウェル内に形成されたPチャネルトランジスタを含む。
【0266】
(e) 高集積化
図24は、第6の実施例における2つの隣接したメモリセルの構造図である。図24に示されるように、2つのメモリセルM00およびM10は、Pウェル1008上に形成された分離酸化膜1400により分離される。
【0267】
プログラム動作において、選択されたメモリセルM10のドレイン1002′に5Vの電圧が与えられ、一方、選択されないメモリセルM00のドレイン1002に0Vの電圧が与えられる。これに加えて、コントロールゲートを形成する第2アルミ配線層1006に−10Vの負電圧が与えられる。したがって、分離酸化膜1400をゲート酸化膜として、MOSトランジスタ1401が等価的に存在することになる。
【0268】
この等価NMOSトランジスタ1401は、ゲート電極を介して−10Vの負電圧を受ける。したがって、この等価トランジスタ1401は、上記のプログラム動作において導通することがあり得ず、したがって、分離酸化膜1400の幅Waを図146に示した幅Wbと比較してより小さな値に選択することができ、したがって、より高い集積度が得られる。
【0269】
図25は、第6の実施例におけるメモリセルアレイの半導体基板上のレイアウト図である。すでに説明したように、第6の実施例ではプログラム動作および消去動作がトンネル現象を利用して行なわれるので、副ビット線を介して流れる電流が極めて少なくなる。したがって、セクタ選択のためのセレクトゲートトランジスタSG0およびSG1のチャネル幅を、図145に示した例と比較してより小さな値に選択することができる。したがって、より高集積化に適したレイアウトが得られる。
【0270】
図26は、第6の実施例のメモリセルアレイにおいて与えられる電圧を示す回路図である。図26(a)は、プログラム動作において与えられる電圧を示し、一方、図26(b)は、消去動作において与えられる電圧を示す。
【0271】
図26(a)に示されるように、プログラム動作において、図示されていないXデコーダが−10Vおよび0Vの出力電圧を出力する。言い換えると、Xデコーダは10Vの電圧差を有する出力電圧を出力する。
【0272】
一方、図26(b)に示すように、Xデコーダは、消去動作において、10Vおよび0Vの出力電圧を必要とする。言い換えると、Xデコーダは、10Vの電圧差を有する出力電圧を出力する。
【0273】
図26に示した出力電圧差(すなわち10V)と図147に示した出力電圧差(すなわち15Vおよび18V)を比較するとわかるように、第6の実施例におけるXデコーダの出力電圧差が減少されている。このことは、Xデコーダの集積度を向上させるのに貢献する。すなわち、第6の実施例ではXデコーダの出力電圧差が小さくなるので、Xデコーダを半導体基板上のより少ない占有領域内に形成することが可能となる。
【0274】
(f) 高電圧発生回路(図27,図28)
図27の(a)に高電圧発生回路の等価回路を示す。高電圧発生回路は、複数のダイオードD210および複数のキャパシタンスC210を含む。キャパシタンスC210には2相のクロック信号φ,/φが与えられる。それにより、チャージポンプが構成される。
【0275】
各ダイオードD210は、通常、図27の(b)に示すように、Nチャネルトランジスタにより構成される。Nチャネルトランジスタのバックゲートは接地されている。
【0276】
しかし、電源電圧Vccが低い場合(たとえば3V)には、バックゲート効果により高電圧を得ることが困難になる。バックゲート効果とは、ソース電圧と相対的にバックゲート電圧が下がると、しきい値電圧が上昇することである。
【0277】
そこで、この実施例では、図28に示す構造が用いられる。P− 型半導体基板1001に複数のN− ウェル1211が形成され、各N− ウェル1211内にP+ 型不純物領域1212およびN+ 型不純物領域1213が形成される。これらのP+ 型不純物領域1212およびN+ 型不純物領域1213がダイオードを構成する。
【0278】
この構成によると、各ダイオードがバックゲートを有さないので、バックゲート効果は起こらない。
【0279】
しかしながら、場合により、図28に示した構造を有する高電圧発生回路において、図29に示すような寄生トランジスタ(バイポーラトランジスタ)が存在し得る。図29を参照して、pnp型の寄生トランジスタ1411および1412が、P+ 型不純物領域1212,N− ウェル1211およびP− 型半導体基板1001により形成され得る。したがって、これらの寄生トランジスタ1411,1412,…の存在により、図30に示した回路が等価的に形成され得る。
【0280】
図30は、図29に示した寄生トランジスタ1411,1412,…により構成される回路の等価回路図である。図30からわかるように、カスケードされた寄生トランジスタ1411,1412,…により、微小な何らかのリーク電流ILEAKが増幅され、過大な電流Inが引き起こされる。すなわち、各寄生トランジスタ1411,1412,…の電流増幅率をhfeとすると、次式により決定される過大な電流Inが流れることになる。
【0281】
I1 =(1+hfe)・ILEAK
In=(1+hfe)n ・ILEAK
したがって、高電圧発生回路において過大な電流Inが流れるのを防ぐため、図31に示した構造が提案される。
【0282】
図31は、第6の実施例によるフラッシュメモリに用いられる高電圧発生回路の別の構造を示す断面図である。図31に示されるように、トリプルウェル構造が高電圧発生回路に適用される。これにより、図29に示したような寄生トランジスタ1411,1412,…が存在するのが防がれ、安定した昇圧動作が行なわれ得る。
【0283】
(g) 負電圧発生回路(図32,図33)
図32の(a)に負電圧発生回路の等価回路を示す。負電圧発生回路は、複数のダイオードD230および複数のキャパシタンスC230を含む。キャパシタンスC230には2相のクロック信号φ,/φが与えられる。それにより、チャージポンプが構成される。
【0284】
各ダイオードD230は、通常、図32の(b)に示すように、Pチャネルトランジスタにより構成される。Pチャネルトランジスタのバックゲートは接地されている。
【0285】
しかし、電源電圧Vccが低い場合(たとえば3V)には、バックゲート効果により低い負電圧を得ることが困難になる。
【0286】
そこで、この実施例では、図33に示すトリプルウェル構造が用いられる。P− 型半導体基板1001にN− ウェル1231が形成され、N− ウェル1231内に複数のP− ウェル1232が形成され、各P− ウェル1232内にN+ 型不純物領域1233およびP+ 型不純物領域1234が形成される。これらのN+ 型不純物領域1233およびP+ 型不純物領域1234がダイオードを構成する。
【0287】
この構成によると、各ダイオードがバックゲートを有さないので、バックゲート効果は起こらない。また、図23に示したように、メモリセルもN− ウェル内に形成されるので、製造工程は増加しない。
【0288】
(7) 第7の実施例(図34,図35)
図34は第7の実施例によるフラッシュメモリのメモリアレイおよびそれに関連する部分の詳細な構成を示す回路図である。図7の実施例によるフラッシュメモリの全体の構成は、図18に示す構成と同様である。
【0289】
第7の実施例が第6の実施例と異なるのは、主ビット線MB0,MB1にそれぞれトランスファゲートトランジスタTG0,TG1を介してキャパシタンスC0,C1が接続されている点である。キャパシタンスC0,C1にはウェル電位VBが与えられる。トランスファゲートトランジスタTG0,TG1には制御回路1130から制御信号CG1が与えられる。他の部分の構成は、図19に示される構成と同様である。
【0290】
1つのメモリセルについてのプログラム時間がたとえば1m秒であると仮定すると、図34に示すような2ビット構成ではプログラムに2m秒必要となる。実際には、1つのワード線に接続されるメモリセルの数は数百〜数千であるので、データの書換えには膨大な時間がかかる。各主ビット線ごとにデータラッチを設けることにより複数のビット線に接続されるメモリセルに同時にプログラムを行なってもよい。しかし、レイアウトが困難となる。
【0291】
そこで、第7の実施例に示すように、キャパシタンスC0,C1が設けられる。
【0292】
プログラム時に、制御信号CG1に応答してトランスファゲートトランジスタTG0,TG1がオンする。また、Yデコーダ1040は、Yアドレス信号に応答してYゲートトランジスタYG0,YG1をたとえば数十μ秒の周期で高速にスイッチングする。このとき、書込回路1080にはYアドレス信号に従ってデータが順次与えられる。それにより、主ビット線MB0,MB1を介してキャパシタンスC0,C1がデータに従って充電される。この動作が1m秒の間繰返される。
【0293】
一般に、フローティングゲートからの電子のトンネルに要する電流は数ナノアンペア以下であるので、キャパシタンスC0,C1に蓄積された電荷によりトンネルに要する消費電流を供給することができる。
【0294】
図35に示すように、たとえば250μ秒ごとにYゲートトランジスタYG0,YG1をスイッチングした場合、主ビット線MB0には、250μ秒〜500μ秒の期間および750μ秒〜1m秒の期間プログラム電圧は印加されない。しかし、これらの期間には、主ビット線MB0およびキャパシタンスC0に蓄積された電荷により主ビット線MB0の電圧が保持される。したがって、主ビット線MB0,MB1に接続されたメモリセルをプログラムするのに要する時間は1m秒となる。
【0295】
ここで、主ビット線MB0にプログラム電圧が印加されない期間の電圧減少量ΔVは、キャパシタンスC0の値およびYゲートトランジスタのスイッチング周波数で決まる。キャパシタンスC0の値が大きいほど、またはスイッチング周波数が大きいほど、プログラム電圧の減少は抑えられ、安定かつ高速にプログラムが行なわれる。
【0296】
キャパシタンスC0,C1をMOS容量で形成する場合、主ビット線MB0,MB1をゲートに接続することが好ましい。もし、主ビット線MB0,MB1をMOS容量の拡散層に接続すると、たとえば高温時に、接合リークなどにより、充電されたプログラム電圧が短時間で放電してしまう可能性があるからである。
【0297】
プログラム時および消去時の電圧印加条件は第6の実施例と同様である。また、セクタ一括消去動作およびプログラム動作も第6の実施例と同様である。
【0298】
(8) 第8の実施例(図36〜図51)
(a) フラッシュメモリの全体の構成(図36,図37)
図36は、第8の実施例によるフラッシュメモリの全体の構成を示すブロック図である。また、図37は、メモリアレイおよびそれに関連する部分の詳細な構成を示す回路図である。
【0299】
図36のフラッシュメモリが図18に示す第6の実施例のフラッシュメモリと異なるのは次の点である。ソース制御回路1110の代わりにソースデコーダ1270が設けられる。また、負電圧発生回路1230はYデコーダ1040の代わりにセレクトゲートデコーダ1260およびソースデコーダ1270に負電圧を与える。
【0300】
図37に示すように、セクタSE1内のメモリセルM00,M01,M10,M11のソースはソース線SL1に接続され、セクタSE2内のメモリセルM02,M03,M12,M13のソースはソース線SL2に接続される。ソースデコーダ1270の出力端子はソース線SL1,SL2に接続される。
【0301】
消去時には、選択されたセクタ内の各メモリセルのソースはフローティング状態となっている。ソースにリーク経路が存在すると、ソース電位が上昇し、ソースとフローティングゲートとの間の電界が小さくなる。
【0302】
そこで、消去時にソース電位を安定にするために、ソース線SL1,SL2にそれぞれトランスファゲートトランジスタTG11,TG12を介してキャパシタンスC11,C12を接続してもよい。
【0303】
キャパシタンスC11,C12にはウェル電位VBが与えられる。トランスファゲートトランジスタTG11,TG12には制御回路1130から制御信号CG2が与えられる。
【0304】
消去時に、制御信号CG2に応答してトランスファゲートトランジスタTG11,TG12がオンする。それにより、ソース電位の変化が小さくなる。
【0305】
第8の実施例におけるプログラム動作および読出動作は第6の実施例と同様であるので、以下、セクタ一括消去動作を説明する。
【0306】
第6の実施例では、消去時に、図20の(b)に示されるように電圧が印加される。しかし、非常に短い時間(たとえば数m秒)で消去が行なわれると、メモリセルの下部における反転層の形成が電圧印加に追従することができず、メモリセルの下部に空乏層が形成される。
【0307】
このような場合、選択されたセクタ内のメモリセルへの電圧印加条件と非選択のセクタ内のメモリセルへの電圧印加条件とを異ならせることが好ましい。
【0308】
電圧印加条件は、フローティングゲート1005の下の絶縁膜1004(トンネル絶縁膜)にゲートバーズビークがない場合とゲートバーズビークがある場合とで異なる。ここで、ゲートバーズビークとは、図43にgbで示すように、製造時に、フローティングゲート1005の下のトンネル絶縁膜によりフローティングゲート1005の下面の周縁部が浸蝕されている状態をいう。これにより、フローティングゲート1005の周縁部の下方でトンネル絶縁膜の厚さが厚くなる。
【0309】
まず、ゲートバーズビークがないかあるいは小さい場合の電圧印加条件を説明し、次に、ゲートバーズビークが大きい場合の電圧印加条件を説明する。
【0310】
(b) ゲートバーズビークがない場合(図38〜図42)
(i) メモリセルの消去(図38,図39)
図38において、Cgはコントロールゲート1006とフローティングゲート1005との間の容量、Cfはフローティングゲート1005とP− ウェル1008と間の容量、Cbは空乏層による容量、Cdはドレイン1002とフローティングゲート1005との間の容量、Csはソース1003とフローティングゲート1005との間の容量を示す。また、Ctは容量Cfと容量Cbとの合成容量を示す。
【0311】
今、コントロールゲート1006に正電圧VCGを印加し、P− ウェル1008に負電圧VBを印加する。この場合、ドレイン1002およびソース1003はフローティング状態になっているので、ドレイン電圧Vdおよびソース電圧Vsはほぼ負電圧VBとなる。このときのフローティングゲート1005の電位をVFGとし、初期の蓄積電荷を0とすると、電荷保存則から次式が成立する。
【0312】
(VCG−VFG)・Cg=(VFG−VB)・(Cs+Ct+Cd)…(1)
式(1)を展開すると次式のようになる。
【0313】
VFG={VCG・Cg+(Cs+Ct+Cd)・VB}/(Cs+Ct+Cd+Cg) …(2)
さらに式(2)を展開すると、次式のようになる。
【0314】
VFG={VCG+(Cs+Ct+Cd)・VB/Cg}/{(Cs+Ct+Cd)/Cg+1} …(3)
ここで、Cs,CdはCgと比較して小さいので、無視することができる。したがって、式(3)は次式のようになる。
【0315】
VFG=(VCG+Ct・VB/Cg)/(Ct/Cg+1) …(4)
空乏層が広がると、容量Cbが小さくなり、容量Ctも小さくなる。したがって、フローティングゲート1005の電位VFGはコントロールゲート1006の電位VCGに近付く。しかし、フローティング状態のドレイン1002およびソース1003の電位は、ほぼP− ウェル1008の電位と同じである。
【0316】
この場合、フローティングゲート1005とドレイン1002またはソース1003との間の電界Eは次式で表される。
【0317】
E=(VFG−VB)/TOX …(5)
ここで、VFGはフローティングゲート1005の電位、VBはP− ウェル1008の電位、TOXはトンネル絶縁膜の厚さを表す。
【0318】
フローティングゲート1005の電位VFGが上昇するので、フローティングゲート1005とドレイン1002との間の電界およびフローティングゲート1005とソース1003との間の電界が大きくなる。したがって、ドレイン1002またはソース1003の端部でのトンネル効果が向上する。そのため、消去効率が向上する。
【0319】
このような効果は選択されたセクタでは好ましいが、非選択のセクタでは好ましくない。
【0320】
そこで、選択されたセクタ内のメモリセルのソース1003は、図39の(a)に示すように、フローティング状態にし、非選択のセクタ内のメモリセルのソース1003には、図39の(b)に示すように、P− ウェル1008の電位と同じ電位またはP− ウェル1008の電位よりも高い電位を供給する。
【0321】
それにより、非選択のセクタ内のメモリセルでは、ソース1003とドレイン1002との間にチャネルchが形成され、そのチャネルchの電位はソース1003から与えられる。そのため、フローティングゲート1005の電位は、フローティングゲート1005とチャネルchとの間の容量結合により低下し、トンネル絶縁膜にかかる電界が緩和される。その結果、非選択のセクタ内のメモリセルのデータが安定に保護される。
【0322】
(ii) フラッシュメモリのセクタ一括消去動作(図40)
図40を参照しながらゲートバーズビークがない場合のフラッシュメモリのセクタ一括消去動作を説明する。ここで、セクタSE1を一括消去するものと仮定する。
【0323】
セクタSE1内のワード線WL0,WL1に10Vが印加され、セクタSE2内のワード線WL2,WL3に0Vが印加される。また、セレクトゲート線SGL1,SGL2には0Vが印加される。P− ウェル1008には−5Vが印加される。ソース線SL1はフローティング状態にされ、ソース線SL2には−5Vが印加される。
【0324】
それにより、セクタSE2内のメモリセルのデータを安定に保護しつつ、セクタSE1内のメモリセルを一括消去することができる。
【0325】
(iii) ソースデコーダ(図41,図42)
図41は、ゲートバーズビークがない場合に用いられるソースデコーダ1270の構成を示す図である。また、図42は、図41のソースデコーダ1270の各部の電圧を示す図である。図41には、ソース線SL1に関連する部分のみが示される。ソース線SL2に関連する部分の構成は、入力端子AD0,AD1,AD2に与えられる入力信号が異なる点を除いて、図41に示される構成と同様である。
【0326】
PチャネルトランジスタP1,P2,P3のバックゲートは端子VDDに接続され、NチャネルトランジスタN1,N2,N3,N4のバックゲートは端子VBBに接続される。
【0327】
消去時には、端子VDDに0Vが印加され、端子VBBにウェル電位と同じ負電圧(−5V)が印加される。また、端子VBB2にはウェル電位と同じ負電圧(−5V)またはウェル電位よりも高い負電圧が印加される。
【0328】
セクタSE1の選択時には、入力端子AD0〜AD2のすべてに0Vの入力信号が与えられる。したがって、トランジスタN4がオフし、ソース線SL1はフローティング状態となる。セクタSE1の非選択時には、入力端子AD0〜AD2のいずれかに−5Vの入力信号が与えられる。したがって、トランジスタN4がオンし、ソース線SL1に−5Vが印加される。
【0329】
プログラム時および読出時には、端子VDDに電源電圧Vcc(5V)が印加され、端子VBBに0Vが印加され、端子VBB2に0Vが印加される。
【0330】
プログラム時には、入力端子AD0〜AD2のすべてに5Vの入力信号が与えられる。したがって、トランジスタN4がオフし、ソース線SL1はフローティング状態になる。
【0331】
読出時には、入力端子AD0〜AD2のすべてに0Vの入力信号が印加される。したがって、トランジスタN4がオンし、ソース線SL1に0Vが印加される。
【0332】
(c) ゲートバーズビークがある場合(図43〜図47)
(i) メモリセルの消去(図43,図44)
図43に示すように、ゲートバーズビークgbが大きいと、ドレイン1002およびソース1003を形成する拡散層が薄いトンネル絶縁膜の下まで延びない場合が生じる。この場合、ドレイン1002とフローティングゲート1005との間およびソース1003とフローティングゲート1005との間でトンネル効果は生じない。したがって、P− ウェル1008とフローティングゲート1005との間のトンネル効果により消去が行なわれる。
【0333】
フローティングゲート1005とP− ウェル1008との間の電界Eは次式で表される。
【0334】
E=(VFG−VB)/(TOX+Id) …(6)
ここで、VFGはフローティングゲート1005の電位、VBはP− ウェル1008の電位、TOXはトンネル絶縁膜の厚さ、Idは空乏層の厚さを表す。このように、ドレイン1002およびソース1003をフローティング状態にすると、空乏層により電界が弱められて消去効率が落ちる。
【0335】
このような場合、選択されたセクタ内のメモリセルのソース1003には、図44の(a)に示すように、P− ウェル1008の電位と同じ負電圧(−5V)を印加し、非選択のセクタ内のメモリセルのソース1003は、図44の(b)に示すように、フローティング状態にする。
【0336】
それにより、選択されたセクタ内のメモリセルでは、ソース1003とドレイン1002との間にチャネルchが形成され、そのチャネルchの電位はソース1003から与えられる。そのため、チャネルchとフローティングゲート1005との間のトンネル絶縁膜に充分な電界が印加され、チャネルchとフローティングゲート1005との間でトンネル現象が起こる。その結果、選択されたセクタ内のメモリセルの消去効率が向上する。
【0337】
一方、非選択のセクタ内のメモリセルのソース1003はフローティング状態となっているので、ソース1003とドレイン1002との間にチャネルは形成されず、メモリセルの下部に空乏層が形成される。そのため、フローティングゲート1005とP− ウェル1008との間の電界が緩和される。
【0338】
(ii) フラッシュメモリのセクタ一括消去動作(図45)
図45を参照しながらゲートバーズビークがある場合のフラッシュメモリのセクタ一括消去動作を説明する。ここで、セクタSE1を一括消去するものと仮定する。
【0339】
セクタSE1内のワード線WL0,WL1に10Vが印加され、セクタSE2内のワード線WL2,WL3に0Vが印加される。また、セレクトゲート線SGL1,SGL2には0Vが印加される。P− ウェル1008には−5Vが印加される。ソース線SL1には−5Vが印加され、ソース線SL2はフローティング状態にされる。
【0340】
それにより、セクタSE2内のメモリセルのデータを安定に保護しつつ、セクタSE1内のメモリセルを一括消去することができる。
【0341】
(iii) ソースデコーダ(図46,図47)
図46は、ゲートバーズビークがある場合に用いられるソースデコーダ1270の構成を示す図である。図47は、図46のソースデコーダ1270の各部の電圧を示す図である。図48は、ソース線SL1に関連する部分のみが示される。ソース線SL2に関連する部分の構成は、入力端子AD0,AD1,AD2に与えられる入力信号が異なる点を除いて、図46に示される構成と同様である。
【0342】
PチャネルトランジスタP1,P2,P3,P4のバックゲートは端子VDDに接続され、NチャネルトランジスタN1,N2,N3,N5,N6のバックゲートは端子VBBに接続される。
【0343】
消去時には、端子VDDに0Vが印加され、端子VBBにはウェル電位と同じ負電圧(−5V)が印加される。
【0344】
セクタSE1の選択時には、入力端子AD0〜AD2のすべてに0Vの入力信号が与えられる。したがって、トランジスタN6がオンし、ソース線SL1には−5Vが印加される。セクタSE1の非選択時には、入力端子AD0〜AD2のいずれかに−5Vの入力信号が与えられる。したがって、トランジスタN6がオフし、ソース線SL1はフローティング状態となる。
【0345】
プログラム時および読出時には、端子VDDに電源電圧Vcc(5V)が印加され、端子VBBに0Vが印加される。
【0346】
プログラム時には、入力端子AD0〜AD2のすべてに0Vの入力信号が与えられる。したがって、トランジスタN6がオフし、ソース線SL1はフローティング状態になる。
【0347】
読出時には、入力端子AD0〜AD2のすべてに5Vの入力信号が与えられる。したがって、トランジスタN6がオンし、ソース線SL1に0Vが印加される。
【0348】
(d) ウェル電位が低い場合(図48〜図51)
(i) メモリセルの消去(図48)
上記の説明では、消去時にP− ウェルに印加する電圧を−5Vと仮定してきた。さらに消去効率を向上するためにウェル電位をより下げた場合、非選択のセクタでのディスターブが問題となってくる。
【0349】
たとえば、ゲートバーズビークが大きい場合には、図46に示したように、選択されたセクタのソース線にはウェル電位と同じ端子VBBの負電圧(−5V)が印加され、非選択のセクタのソース線はフローティング状態となる。
【0350】
しかし、ウェル電位がより下がると、非選択のセクタ内のメモリセルにおいて、フローティングゲートとP− ウェルとの間の電界が大きくなる。その結果、非選択のセクタ内のメモリセルのデータを確実に保護することができなくなる。
【0351】
そこで、非選択のセクタのソース線にはウェル電位よりも高い電圧を印加する。たとえば、図48に示すように、P− ウェル1008の電位を−10Vとする。この場合、選択されたセクタ内のメモリセルのソース1003には、図48の(a)に示すように、ウェル電位と同じ−10Vを印加し、非選択のセクタ内のメモリセルのソース1003には−5Vを印加する。
【0352】
それにより、非選択のセクタ内のメモリセルにおいて、チャネルとコントロールゲート1006との間の電位差を5Vにすることができる。
【0353】
(ii) フラッシュメモリのセクタ一括消去動作(図49)
図49を参照しながらウェル電位が低い場合のフラッシュメモリのセクタ一括消去動作を説明する。ここで、セクタSE1を一括消去するものと仮定する。
【0354】
セクタSE1内のワード線WL0,WL1に10Vが印加され、セクタSE2内のワード線WL2,WL3に0Vが印加される。また、セレクトゲート線SGL1,SGL2には0Vが印加される。P− ウェル1008には−10Vが印加される。ソース線SL1には−10Vが印加され、ソース線SL2には−5Vが印加される。
【0355】
それにより、セクタSE2内のメモリセルのデータを安定に保護しつつ、セクタSE1内のメモリセルを一括消去することができる。
【0356】
(iii) ソースデコーダ(図50,図51)
図50は、ウェル電位が低い場合に用いられるソースデコーダ1270の構成を示す図である。図51は、図50のソースデコーダ1270の各部の電圧を示す図である。図50には、ソース線SL1に関連する部分のみが示される。ソース線SL2に関連する部分の構成は、入力端子AD0,AD1,AD2に与えられる入力信号が異なる点を除いて、図50に示される構成と同様である。
【0357】
PチャネルトランジスタP1,P2,P3,P5のバックゲートは端子VDDに接続され、NチャネルトランジスタN1,N2,N3のバックゲートは端子VBBに接続される。
【0358】
消去時には、端子VDDに−5Vが印加され、端子VBBにウェル電位と同じ負電圧(−10V)が印加される。また、制御線CSLに0Vが印加され、制御線DSLに−10Vが印加される。
【0359】
セクタSE1の選択時には、入力端子AD0〜AD2のすべてに0Vの入力信号が与えられる。したがって、ソース線SL1に−10Vが印加される。セクタSE1の非選択時には、入力端子AD0〜AD2のいずれかに−10Vの入力信号が与えられる。したがって、ソース線SL1に−5Vが印加される。なお、非選択時のソース線の電位は、消去時に端子VDDに与える電位を変えることにより自由に選択することができる。
【0360】
プログラム時および読出時には、端子VDDに電源電圧Vcc(5V)が印加され、端子VBBに0Vが印加される。
【0361】
プログラム時には、制御線CSLに0Vが印加され、制御線DSLに5Vが印加される。したがって、ソース線SL1はフローティング状態になる。
【0362】
読出時には、制御線CSLに5Vが印加され、制御線DSLに0Vが印加される。また、入力端子AD0〜AD2のすべてに5Vの入力信号が与えられる。したがって、ソース線SL1に0Vが印加される。
【0363】
(9) 第9の実施例(図52〜図56)
(a) フラッシュメモリの全体の構成(図52,図53)
図52は、第9の実施例によるフラッシュメモリの全体の構成を示すブロック図である。また、図53は、メモリアレイおよびそれに関連する部分の詳細な構成を示す回路図である。
【0364】
図52のフラッシュメモリが図36に示す第8の実施例のフラッシュメモリと異なるのは次の点である。ソースデコーダ1270の代わりにソーススイッチ1281,1282が設けられている。負電圧発生回路1230はセレクトゲートデコーダ1260に負電圧を与える。
【0365】
図53に示すように、ソーススイッチ1281はセレクトゲート線SGL1上の電位を受け、ソース線SL1の電位を制御する。ソーススイッチ1282はセレクトゲート線SGL2上の電位を受け、ソース線SL2の電位を制御する。ソーススイッチ1281,1282は制御回路1130からの制御信号CG3により制御される。
【0366】
第9の実施例におけるプログラム動作および読出動作は第6の実施例と同様であるので、以下、消去動作を説明する。
【0367】
(b) フラッシュメモリのセクタ一括消去動作(図54)
図54を参照しながら第9の実施例によるフラッシュメモリのセクタ一括消去動作を説明する。ここで、セクタSE1の一括消去を行なうものと仮定する。
【0368】
第8の実施例で説明したように、より消去効率を向上するために、P− ウェル1008には−10Vが印加される。セクタSE1内のワード線WL0,WL1には10Vが印加され、セクタSE2内のワード線WL2,WL3には0Vが印加される。また、セレクトゲート線SGL1に−10Vが印加され、セレクトゲート線SGL2に−5Vが印加される。ソース線SL1にはソーススイッチ1281により−10Vが印加され、ソース線SL2はソーススイッチ1282により−5Vが印加される。
【0369】
それにより、セクタSE2にディスターブを起こすことなく、セクタSE1を効率的に一括消去することができる。
【0370】
(c) セレクトゲートデコーダおよびソーススイッチ(図55,図56)
図55は、第9の実施例のフラッシュメモリに用いられるセレクトゲートデコーダおよびソーススイッチの構成を示す回路図である。図56は、図55のセレクトゲートデコーダおよびソーススイッチの各部の電圧を示す図である。図55には、セレクトゲートデコーダ1260のセレクトゲート線SGL1に関連する部分およびソース線SL1に接続されるソーススイッチ1281のみが示される。セレクトゲートデコーダ1260のセレクトゲート線SGL2に関連する部分およびソーススイッチ1282の構成は、入力端子AD0,AD1,AD2に与えられる入力信号が異なる点を除いて、図55に示される構成と同様である。
【0371】
PチャネルトランジスタP21〜P25のバックゲートは端子VDDに接続され、NチャネルトランジスタN21〜N28のバックゲートは端子VBBに接続される。図53に示す制御信号CG3は、制御線ASL,BSLにより与えられる。
【0372】
消去時には、端子VDDに0Vが印加され、端子VBBに−10Vが印加される。端子VBB2には−5Vが印加され、端子VSGには−10Vが印加される。制御線ASLには0Vが印加され、制御線BSLには−10Vが印加される。
【0373】
セクタSE1の選択時には、入力端子AD0〜AD2のすべてに0Vの入力信号が与えられる。したがって、トランジスタN25,P25がオンし、セレクトゲート線SGL1に端子VSGの電位(−10V)が与えられる。また、制御線ASLの電位が0Vであるので、トランジスタN27がオンし、ソース線SL1にも端子VSGの電位(−10V)が与えられる。
【0374】
セクタSE1の非選択時には、入力端子AD0〜AD2のいずれかに−10Vの入力信号が与えられる。したがって、トランジスタN26がオンし、セレクトゲート線SGL1に端子VBB2の電位(−5V)が与えられる。また、トランジスタN27を介してソース線SL1にも端子VBB2の電位(−5V)が与えられる。なお、端子VBB2に印加される電圧を変更することによって、非選択のセクタのソース線の電位を自由に変更することができる。
【0375】
プログラム時には、端子VDDに電源電圧Vcc(7V)が印加され、端子VBB,VBB2に0Vが印加される。端子VSGには7vが印加され、制御線ASL,BSLには0Vが印加される。
【0376】
セクタSE1の選択時には、トランジスタN25,P25がオンし、セレクトゲート線SGL1に端子VSGの電位(7V)が与えられる。このとき、トランジスタN27,N28はオフしているので、ソース線SL1はフローティング状態となる。セクタSE1の非選択時には、トランジスタN26がオンし、セレクトゲート線SGL1に端子VBB2の電位(0V)が与えられる。このときも、トランジスタN27,N28がオフしているので、ソース線SL1はフローティング状態となる。
【0377】
読出時には、端子VDDに電源電圧Vcc(5V)が印加され、端子VBB,VBB2に0Vが印加される。端子VSGには5Vが印加される。制御線ASLには0Vが印加され、制御線BSLには5Vが印加される。
【0378】
セクタSE1の選択時には、トランジスタN25,P25がオンし、セレクトゲート線SGL1に端子VSGの電位(5V)が与えられる。このとき、トランジスタN28がオンしているので、ソース線SL1は接地される。セクタSE1の非選択時には、トランジスタN26がオンし、セレクトゲート線SGL1に端子VBB2の電位(0V)が与えられる。このときも、トランジスタN28がオンしているので、ソース線SL1は接地される。
【0379】
このように、図37に示したソースデコーダ1270を必要とせずに、消去時に、選択されたセクタのソース線にウェル電位を印加し、非選択のセクタのソース線にウェル電位よりも高い電位を印加することができる。
【0380】
(10) 第10の実施例(図57)
第10の実施例によるフラッシュメモリの特徴は、プログラム時にベリファイ動作を必要としないことである。第10の実施例のフラッシュメモリの構成は、第6〜第9のいずれかの実施例のフラッシュメモリの構成と同様である。また、一括消去動作および読出動作も、第6〜第9の実施例と同様である。
【0381】
図57のフローチャートを参照しながら第10の実施例によるフラッシュメモリのプログラム動作を説明する。
【0382】
まず、選択されたワード線の電位をベリファイレベルに設定し、選択されたセレクトゲート線に高電圧を印加する(ステップS31)。それにより、選択されたセレクトゲートトランジスタがオンする。そして、ソース線をフローティング状態にする(ステップS32)。データ“0”に対応する主ビット線を5Vにプリチャージし、データ“1”に対応する主ビット線を0Vに保つ(ステップS33)。
【0383】
その後、ソース線をある一定期間接地する(ステップS34)。もし選択されたセクタ内のメモリセルのしきい値電圧がベリファイレベルよりも高いと、データ“0”に対応する主ビット線の電位は上記のプリチャージレベルに保たれる。もし選択されたセクタ内のメモリセルのしきい値電圧がベリファイレベルよりも低いと、データ“0”に対応する主ビット線はメモリセルを介して放電される。
【0384】
その後、ソース線をフローティング状態にし(ステップS35)、選択されたワード線に負電圧を印加する(ステップS36)。それにより、5Vにプリチャージされている主ビット線に接続されたメモリセルのみがプログラムされる。
【0385】
上記のプログラムサイクルを指定回数だけ繰返した後(ステップS37)、Xアドレスをインクリメントし、次のワード線に関して上記のプログラムサイクルを繰返す(ステップS38,S39)。上記のプログラムサイクルを選択されたセクタ内のすべてのワード線に関して繰返すと、プログラム動作が終了する(ステップS38)。
【0386】
上記の方法によると、主ビット線へのプログラム電圧の印加後、逐一ベリファイ動作を行なうことなく高速にプログラム動作を行なうことができる。
【0387】
プリチャージレベルを安定に保持するために、第2の実施例に示したように、主ビット線にトランスファゲートトランジスタを介してキャパシタンスを接続し、プログラム時にこれらのトランスファゲートトランジスタをオンさせてもよい。
【0388】
なお、上記の方法は、他の実施例のフラッシュメモリにも、同様に適用することができる。
【0389】
(11) 第11の実施例(図58)
第11の実施例によるフラッシュメモリの特徴も、プログラム時にベリファイ動作を必要としないことである。第11の実施例のフラッシュメモリの構成は、第6〜第9のいずれかの実施例のフラッシュメモリの構成と同様である。また、一括消去動作および読出動作も、第6〜第9の実施例と同様である。
【0390】
図58を参照しながら第11の実施例によるフラッシュメモリのプログラム動作を説明する。
【0391】
まず、選択されたワード線の電位をベリファイレベルに設定し、選択されたセレクトゲート線に高電圧を印加する(ステップS41)。それにより、選択されたセレクトゲートトランジスタがオンする。そして、ソース線をフローティング状態にする(ステップS42)。データ“0”に対応する主ビット線を5Vにプリチャージし、データ“1”に対応する主ビット線を0Vに保つ(ステップS43)。
【0392】
その後、ソース線をある一定期間接地する(ステップS44)。もし選択されたセクタ内のメモリセルのしきい値電圧がベリファイレベルよりも高いと、データ“0”に対応する主ビット線の電位は上記のプリチャージレベルに保たれる。もし選択されたセクタ内のメモリセルのしきい値電圧がベリファイレベルよりも低いと、データ“0”に対応する主ビット線はメモリセルを介して放電される。
【0393】
その後、すべての主ビット線の電位が0Vとなっていないならば(ステップS45)、ソース線をフローティング状態にし(ステップS46)、選択されたワード線に負電圧を印加する(ステップS47)。それにより、5Vにプリチャージされている主ビット線に接続されたメモリセルのみがプログラムされる。
【0394】
上記のプログラムサイクルをすべてのビット線の電位が0Vになるまで繰返した後(ステップS45)、Xアドレスをインクリメントし、次のワード線に関して上記のプログラムサイクルを繰返す(ステップS48,S49)。上記のプログラムサイクルを選択されたセクタ内のすべてのワード線に関して行なうと、プログラム動作が終了する(ステップS48)。
【0395】
上記の方法によると、主ビット線へのプログラム電圧の印加後、逐一ベリファイ動作を行なうことなく高速にプログラム動作を行なうことができ、かつプログラム動作を自動的に終了することができる。
【0396】
なお、上記の方法は他の実施例のフラッシュメモリにも同様に適用することができる。
【0397】
(12) 第12の実施例(図59〜図64)
図59は、第12の実施例によるフラッシュメモリの全体の構成を示すブロック図である。図59に示したフラッシュメモリにおいても、図18に示したフラッシュメモリと類似の態様でプログラム動作および消去動作が行なわれる。
【0398】
図59を参照して、このフラッシュメモリは、プリデコーダ1451ないし1454と、グローバルデコーダ1455と、セレクトゲートデコーダ1456と、ウェル電位制御回路1457および1458と、ソース線ドライバ1459および1460と、セクタに分割されたメモリセルアレイ1461および1462と、ローカルデコーダ1463および1464とを含む。
【0399】
図60は、図59に示したメモリセルアレイおよびその周辺回路の回路図である。図60において、グローバルデコーダ1455,ローカルデコーダ1464,メモリセルアレイ,ソース線ドライバ1460およびセレクトゲートデコーダ1456についての詳細な回路が示されている。図60において、“2AL”は第2アルミ配線層により形成された配線を示し、“2POL”は第2ポリシリコン層により形成された配線を示す。
【0400】
次の表1は、消去動作,プログラム動作および読出動作において図59および図60に示した回路に与えられる電圧を示している。
【0401】
【表1】

Figure 0003577290
【0402】
第12の実施例では、すでに述べた様々な利点に加えて、次のような追加の利点も得られる。
【0403】
図61は、図60に示したワード線WL00ないしWL07およびWL10ないしWL17とローカルデコーダ1464の出力線WL0ないしWL7との間の接続態様を示す半導体基板上のレイアウト図である。図61を参照して、各ワード線WL00ないしWL07およびWL10ないしWL17は、第2ポリシリコン層により形成される。一方、ローカルデコーダ1464の各出力線は、第1アルミ配線層により形成される。各ワード線と対応する出力信号線との間の接続は、スルーホールを介して行なわれる。図61に示した接続態様は、図60に示した回路図においても示されていることが指摘される。
【0404】
図60および図61に示した接続態様を用いることにより、ワード線とローカルデコーダの出力線との間の接続が簡単化され、したがって配線密度が低下され、その結果高い集積度が得られる。
【0405】
図62は、図60に示した2つのメモリセル1491および1492の間の分離を示す断面構造図である。図60に示したメモリセル1491および1492は、それぞれのセクタにおいて他方のセクタに最も近い位置に置かれている。これらのトランジスタ1491および1492を分離するため、図62に示すように、半導体基板内に分離酸化膜1490が形成される。2つの隣接するトランジスタ1491および1492を分離するために必要となる分離酸化膜1490の幅Wcは、図63に示すようなフィールドシールドのためのトランジスタ1495および1496を用いる場合と比較して少なくて足りる。すなわち、図63に示した例では、分離のためのトランジスタ1495および1496を形成するのみ大きな幅Wdが必要となるが、分離酸化膜1490を用いることによりより少ない幅Wcで近接する2つのトランジスタ1491および1492を分離することができる。これにより、より高い集積度が得られる。
【0406】
図64は、第12の実施例において用いられるワード線電圧制御回路およびプリデコーダの回路図である。図64に示したワード線電圧制御回路1470は、図59において簡単化のために省略されている。
【0407】
図64を参照して、ワード線電圧制御回路1470は、VPP発生器1471と、VBB発生器1472と、電圧検出器1473と、インバータ1474と、VPPスイッチング回路1475と、VPPスイッチング回路1476と、CMOSトランスミッションゲート1477および1478とを含む。
【0408】
プリデコーダ1452は、CMOSトランスミッションゲートを構成するPMOSトランジスタ1481およびNMOSトランジスタ1482を含む。
【0409】
図64に示したワード線電圧制御回路1470およびプリデコーダ1452において、消去動作,プログラム動作および読出動作を実行するため前述の表1に示した電圧が与えられる。
【0410】
一般に、フラッシュメモリのメモリセルのしきい電圧の分布を検査するため、テストのための外部電圧VEWが与えられる。図64に示されるように、テストモード動作において、外部電圧VEWは、ワード線電圧制御回路1470におけるCMOSトランスミッションゲート1478およびプリデコーダ1452におけるCMOSトランスミッションゲート(トランジスタ1481および1482により構成される)を介して図60に示したワード線WL00ないしWL17に与えられる。外部電圧VEWの電圧経路がCMOS回路のみにより構成されているので、MOSトランジスタのしきい電圧による電圧の損失が生じない。言い換えると、より広い範囲で変化する外部電圧VEWを電圧レベルの変化なしにワード線に与えることができ、所望のテストが行なわれ得る。
【0411】
(13) 第13実施例
図65はこの発明に従った不揮発性半導体記憶装置の第13実施例の模式図である。半導体基板80はメモリトランジスタ領域と周辺領域とに分けられている。メモリトランジスタ領域には、メモリトランジスタ87a、87b、87c、87dが間を隔てて形成されている。半導体基板80の主表面のうち、メモリトランジスタ領域には、n型のソース領域84a、84b、n型のドレイン領域85a、85bが間を隔てて形成されている。ソース領域84aはメモリトランジスタ87aと87bのソース領域となり、ソース領域84bはメモリトランジスタ87cと87dのソース領域となる。
【0412】
またドレイン領域85aはメモリトランジスタ87bと87cのドレイン領域となり、ドレイン領域85bはメモリトランジスタ87dのドレイン領域となる。なお88はコントロールゲートを示し、89はフローティングゲートを示している。
【0413】
半導体基板80の主表面のうち、メモリトランジスタ領域には、n型のソース/ドレイン領域83a、83bを有するセレクトゲートトランジスタ86が形成されている。ソース/ドレイン領域83bはメモリトランジスタ87aのドレイン領域の役割もしている。
【0414】
メモリトランジスタ87a、87b、87c、87d上には多結晶シリコンからなる副ビット線90が形成されている。副ビット線90はソース/ドレイン領域83bと接続されている。副ビット線90から分岐した分岐線91aはドレイン領域85aと接続され、分岐線91bはドレイン領域85bと接続されている。副ビット線90上にはアルミニウムからなる主ビット線92が形成されている。主ビット線92は、ソース/ドレイン領域83aに接続されている。
【0415】
半導体基板80中にはメモリトランジスタ領域を囲むようにpウェル領域82が形成されており、pウェル領域82を囲むようにnウェル領域81が形成されている。周辺領域にはMOSトランジスタ93が形成されている。この発明に従った不揮発性半導体記憶装置のさらに詳細な説明を第14実施例を用いて行なう。
【0416】
(14) 第14実施例
図66(a)はこの発明に従った不揮発性半導体記憶装置の第14実施例のメモリトランジスタ部の一部の断面図である。p型シリコン基板201にはpウェル領域210が間を隔てて形成されている。pウェル領域210上には、メモリトランジスタ250〜257、261、262、セレクトゲートトランジスタ259、260が形成されている。pウェル領域210には、各メモリトランジスタのn型のソース領域223、n型のドレイン領域224が形成されている。249はn型の不純物領域を示している。
【0417】
各メモリトランジスタ、セレクトゲートトランジスタはシリコン酸化膜247で覆われている。ソース領域223上はシリコン酸化膜247によって塞がれている。これに対しドレイン領域224および不純物領域249上はシリコン酸化膜で塞がれていない。各メモリトランジスタはフローティングゲート219およびコントロールゲート220を備えている。
【0418】
メモリトランジスタ250〜257の各ドレイン領域224は1本の副ビット線227aによって電気的に接続されている。メモリトランジスタ261、262のドレイン領域224は1本の副ビット線227bによって電気的に接続されている。不純物領域249は接続導電層248と電気的に接続されている。また、フィールド酸化膜206上にはダミーゲート242を有するダミーゲートトランジスタ258が形成されている。ダミーゲートトランジスタの詳細は後で説明する。
【0419】
副ビット線227aおよび227b上には層間絶縁膜245が形成され、層間絶縁膜245上には主ビット線233が形成されている。主ビット線233は接続導電層248と電気的に接続されている。主ビット線233上には層間絶縁膜246が形成され、層間絶縁膜246上にはアルミニウム配線238が間を隔てて形成されている。
【0420】
一方、シリコン基板201中にはpウェル領域210を覆うようにnウェル領域207が形成されている。
【0421】
図66(b)は図66(a)に示すメモリトランジスタの等価回路図である。8個のメモリトランジスタの各ドレイン領域は副ビット線と接続され、ソース領域はソース線に接続されている。選択ゲート1によって主ビット線と副ビット線との導通/遮断が行なわれる。ワード線1〜8はコントロールゲートのことである。
【0422】
図67は、この発明に従った不揮発性半導体記憶装置の第14実施例のメモリトランジスタの断面構造図である。pウェル領域210とフローティングゲート219との間にはゲート酸化膜213が形成され、フローティングゲート219とコントロールゲート220の間にはONO膜215が形成されている。
【0423】
次にこの発明に従った不揮発性半導体記憶装置の第14実施例の動作を図66(b)と図67を用いて説明する。まず消去動作について説明する。従来例で説明したNOR型およびNAND型は電子を引き抜くことにより消去状態にしていたが、この第14実施例では電子を注入することにより消去状態にしている。すなわち、メモリトランジスタ250〜257を一括消去する場合、主ビット線233をフローティング状態に保ち、セレクトゲートトランジスタ259をOFFする。これにより副ビット線227aもフローティング状態となる。そしてソース線およびpウェル領域210aに−10V程度の電圧を印加する。そして、ワード線1〜ワード線8に10V程度の電圧を印加する。これにより図67の▲2▼に示すようにチャネル領域にある電子がトンネル効果の1つであるチャネルFN現象によってフローティングゲート219に注入される。これが消去状態“1”でありVthの値は〜6V程度である。
【0424】
次に書込動作について説明する。たとえばメモリトランジスタ257を書込状態“0”にするとき、セレクトゲートトランジスタ259をONし、主ビット線233に5V程度の電圧を印加する。これにより副ビット線227aの電圧も5V程度になる。そしてpウェル領域210aを接地電位に保ち、ソース線をOPENにする。さらに、ワード線8に−10V程度の電圧を印加し、ワード線1〜ワード線7は接地電位に保つ。これにより、図67の▲1▼に示すように、メモリトランジスタ257のフローティングゲート219に蓄積された電子はトンネル効果の1つであるドレインFN現象によってドレイン領域224に引き抜かれる。これによりメモリトランジスタ257が書込状態“0”となり、このときVthの値は1V程度になる。
【0425】
次に読出動作を説明する。たとえばメモリトランジスタ257を読出すとき、セレクトゲートトランジスタ259をONし、主ビット線233に1V程度の電圧を印加する。そしてソース線およびpウェル領域210aを接地電位に保つ。そしてワード線8に3〜5V程度の電圧を印加し、ワード線1〜ワード線7を接地電位にする。このときメモリトランジスタ257が消去状態“1”のときはチャネルが形成されずビット線に電流が流れない。これに対し書込状態“0”のときはチャネルが形成されビット線に電流が流れる。これにより書込状態/消去状態の判定を行なう。
【0426】
この第14実施例ではpウェル領域210に負の電圧を印加させている。pウェル領域210の周りにはnウェル領域207があるので、負の電圧を印加してもpウェル領域210とnウェル領域207とは逆バイアス状態となり、pウェル領域210に電圧を印加しても周辺回路形成領域に電圧が印加されることはない。
【0427】
また、消去動作のとき、pウェル領域に負の電圧を印加し、ワード線に正の電圧を印加することにより、最大電圧の値を小さくしながらも、pウェル領域210とコントロールゲート220間の電位差を相対的に大きくし、チャネルFN効果を起こすことを可能にしている。
【0428】
また、図66(a)に示すようにメモリトランジスタ250〜257の各ドレイン領域224には副ビット線227aが接続されている。このため読出動作の際には読出電流を多くとることができるのでNAND型に比べて読出動作を高速に行なえる。
【0429】
さらに、図67に示すように書込動作をドレインFNを用いているので、チャネルホットエレクトロンを用いる場合に比べ高い効率で書込動作を行なうことができ、これにより消費電力の低減を図れる。
【0430】
次に図66(a)に示す構造の平面的配置状態を説明する。図68はコントロールゲート220を形成した状態までにおける平面図である。図68をA−A線で切断した状態が、図66(a)においてコントロールゲート220までの状態を示している。コントロールゲート220、選択ゲート234、ダミーゲート242、ソース線223aは縦方向に延びている。ソース線223aは図66(a)に示すソース領域223をつなげたものである。フィールド酸化膜206とドレイン領域224が交互に形成されている。なお、選択ゲート234上にある配線層(メモリトランジスタのコントロールゲートにあたる)は図示を省略している。
【0431】
図69は図68の上に副ビット線227a、227bを形成した状態を示している。ソース線223aは配線層241と電気的に接続されている。配線層241は副ビット線227a、227bと同時に形成されたものである。
【0432】
また、選択ゲート234はポリパッド236と電気的に接続されている。ポリパッド236も副ビット線227a、227bと同時に形成されたものである。なお、副ビット線227a、227bとドレイン領域224とのコンタクトは図示が省略されている。また、接続導電層248と不純物領域249とのコンタクトも図示が省略されている。
【0433】
図70は図69の上に主ビット線233を形成した状態を示している。主ビット線233は接続導電層248と電気的に接続されている。アルミ電極237a、237b、237c、237dは主ビット線233と同時に形成されたものである。アルミ電極237aは一方のポリパッド236と電気的に接続され、アルミ電極237bは他方のポリパッド236と電気的に接続されている。アルミ電極237cは配線層241と電気的に接続されている。またアルミ電極237dはダミーゲート242と電気的に接続されている。
【0434】
図71は図70の上にアルミ配線238a〜238gを形成した状態を示している。アルミ配線238aはアルミ電極237aと電気的に接続され、アルミ配線238bはアルミ電極237bと電気的に接続され、アルミ配線238eはアルミ電極237cと電気的に接続され、アルミ配線238f、238gはアルミ電極237bと電気的に接続されている。
【0435】
次に、この発明に従った不揮発性半導体記憶装置の第14実施例の全体の構成および動作の第1〜第7の例を表2を参照しながら説明する。
【0436】
この不揮発性半導体記憶装置に含まれるメモリセルマトリックスは、以下に説明するように複数のセクタに分割されている。表2には、選択されたセクタ内のメモリセル(メモリトランジスタ)および非選択のセクタ内のメモリセル(メモリトランジスタ)への電圧印加条件が示される。表2において、Vdはドレイン電圧、Vgはコントロールゲート電圧、Vsはソース電圧、Vbbはウェル電圧を示す。
【0437】
【表2】
Figure 0003577290
【0438】
<1> 第1の例
(a) 不揮発性半導体記憶装置の全体の構成
図72は、第1の例による不揮発性半導体記憶装置の全体の構成を示すブロック図である。
【0439】
メモリセルマトリックス70はセクタSE1,SE2に分割されている。メモリセルマトリックス70は、セクタSE1,SE2にそれぞれ対応するセレクトゲートSG1,SG2を含む。メモリセルマトリックス70はPウェル領域71内に形成される。
【0440】
メモリセルマトリックス70には2つの主ビット線MB0,MB1が配列される。主ビット線MB0,MB1はそれぞれYゲート72内のYゲートトランジスタYG0,YG1を介してセンスアンプ52および書込回路53に接続される。
【0441】
主ビット線MB0に対応して2つの副ビット線SB01,SB02が設けられ、主ビット線MB1に対応して2つの副ビット線SB11,SB12が設けられる。
【0442】
副ビット線SB01,SB11に交差するようにワード線WL0,WL1が配列され、副ビット線SB02,SB12に交差するようにワード線WL2,WL3が配列される。
【0443】
副ビット線SB01,SB02,SB11,SB12とワード線WL0〜WL3との交点にはそれぞれメモリセル(メモリトランジスタ)M00〜M03,M10〜M13が設けられる。メモリセルM00,M01,M10,M11はセクタS1に含まれ、メモリセルM02,M03,M12,M13はセクタSE2に含まれる。
【0444】
各メモリセルのドレインは対応する副ビット線に接続され、コントロールゲートは対応するワード線に接続され、ソースはソース線SLに接続される。
【0445】
セレクトゲートSG1はセレクトゲートトランジスタSG01,SG11を含み、セレクトゲートSG2はセレクトゲートトランジスタSG02,SG12を含む。副ビット線SB01,SB02はそれぞれセレクトゲートトランジスタSG01,SG02を介して主ビット線MB0に接続され、副ビット線SB11,SB12はそれぞれセレクトゲートトランジスタSG11,SG12を介して主ビット線MB1に接続される。
【0446】
アドレスバッファ58は、外部から与えられるアドレス信号を受け、Xアドレス信号をXデコーダ59に与え、Yアドレス信号をYデコーダ57に与える。Xデコーダ59は、Xアドレス信号に応答して複数のワード線WL0〜WL3のうちいずれかを選択する。Yデコーダ57は、Yアドレス信号に応答して複数の主ビット線MB0,MB1のいずれかを選択する選択信号を発生する。
【0447】
Yゲート72内のYゲートトランジスタは、それぞれ選択信号に応答して主ビット線MB0,MB1をセンスアンプ52および書込回路53に接続する。
【0448】
読出時には、センスアンプ52が、主ビット線MB0または主ビット線MB1上に読出されたデータを検知し、データ入出力バッファ51を介して外部に出力する。
【0449】
書込時には、外部から与えられるデータがデータ入出力バッファ51を介して書込回路53に与えられ、書込回路53はそのデータに従って主ビット線MB0,MB1にプログラム電圧を与える。
【0450】
高電圧発生回路54,55は外部から電源電圧Vcc(たとえば5V)を受け、高電圧を発生する。負電圧発生回路56は外部から電源電圧Vccを受け、負電圧を発生する。ベリファイ電圧発生回路60は、外部から与えられる電源電圧Vccを受け、ベリファイ時に、選択されたワード線に所定のベリファイ電圧を与える。ウェル電位発生回路61は、消去時に、pウェル領域71に負電圧を印加する。ソース制御回路62は、消去時に、ソース線SLに高電圧を与える。セレクトゲートデコーダ63は、アドレスバッファ58からのアドレス信号の一部に応答して、セレクトゲートSG1,SG2を選択的に活性化する。
【0451】
書込/消去制御回路50は、外部から与えられる制御信号に応答して、各回路の動作を制御する。
【0452】
(b) 不揮発性半導体記憶装置の動作
次に、不揮発性半導体記憶装置のセクタ消去動作、書込動作および読出動作を表1を参照しながら説明する。
【0453】
(i) セクタ消去動作
ここでは、セクタSE1を一括消去するものと仮定する。まず、書込/消去制御回路50にセクタ一括消去動作を指定する制御信号が与えられる。それにより、高電圧発生回路55および負電圧発生回路56が活性化される。
【0454】
高電圧発生回路55はXデコーダ59に高電圧(10V)を与える。Xデコーダ59は、セクタSE1のワード線WL0,WL1に高電圧(10V)を印加し、セクタSE2のワード線WL2,WL3に0Vを印加する。負電圧発生回路56はYデコーダ57およびウェル電位発生回路61に負電圧を与える。Yデコーダ57はYゲート72内のYゲートトランジスタYG0,YG1に負電圧を印加する。それにより、主ビット線MB0,MB1はフローティング状態になる。ソース制御回路62はソース線SLをフローティング状態にする。また、ウェル電位発生回路61はpウェル領域71に負電圧(−8V)を印加する。セレクトゲートデコーダ63はセレクトゲートSG1,SG2をオフ状態にする。
【0455】
このようにして、選択セクタSE1内のメモリセルおよび非選択セクタSE2内のメモリセルに、表2の(E1)に示されるように電圧が印加される。その結果、セクタSE1内のすべてのメモリセルは消去される。
【0456】
(ii) 書込動作
ここでは、メモリセルM00をプログラムするものと仮定する。すなわち、メモリセルM00にデータ“0”を書込み、メモリセルM10はデータ“1”を保持する。
【0457】
まず、書込/消去制御回路50に、プログラム動作を指定する制御信号が与えられる。それにより、高電圧発生回路54および負電圧発生回路56が活性化される。
【0458】
負電圧発生回路56はXデコーダ59に負電圧を与える。Xデコーダ59は、アドレスバッファ58から与えられるXアドレス信号に応答してワード線WL0を選択し、選択されたワード線WL0に負電圧(−8V)を印加し、非選択のワード線WL1〜WL3に0Vを印加する。
【0459】
高電圧発生回路54はYデコーダ57、書込回路53およびセレクトゲートデコーダ63に高電圧を与える。まず、外部からデータ入出力バッファ51を介してデータ“0”が書込回路53に与えられ、ラッチされる。Yデコーダ57は、アドレスバッファ58から与えられるYアドレス信号に応答してYゲート72内のYゲートトランジスタYG0に高電圧を印加し、YゲートトランジスタYG1に0Vを印加する。それにより、YゲートトランジスタYG0がオンする。
【0460】
書込回路53はYゲートトランジスタYG0を介して主ビット線MB0にデータ“0”に対応するプログラム電圧(5V)を印加する。また、セレクトゲートデコーダ63は、セレクトゲートSG1をオン状態にし、セレクトゲートSG2をオフ状態にする。それにより、副ビット線SB01,SB11がそれぞれ主ビット線MB0,MB1に接続される。ソース制御回路62は、ソース線SLをフローティング状態にする。ウェル電位発生回路61はpウェル領域71に0Vを印加する。
【0461】
このようにして、メモリセルM00に、表2の(P1)の左欄に示されるように電圧が印加される。その結果、メモリセルM00のしきい値電圧が下降する。
【0462】
一定時間(たとえば1m秒)経過後、外部からデータ入出力バッファ51を介してデータ“1”が書込回路53に与えられ、ラッチされる。Yデコーダ57は、アドレスバッファ58から与えられるYアドレス信号に応答してYゲート72内のYゲートトランジスタYG1に高電圧を印加し、YゲートトランジスタYG0に0Vを印加する。それにより、YゲートトランジスタYG1がオンする。書込回路53は、YゲートトランジスタYG1を介して主ビット線MB1にデータ“1”に対応する0Vを印加する。
【0463】
このようにして、メモリセルM10に、表2の(P1)の右欄に示されるように電圧が印加される。その結果、メモリセルM10のしきい値電圧は高いまま維持される。
【0464】
(iii) 読出動作
ここでは、メモリセルM00からデータを読出すものと仮定する。まず、書込/消去制御回路50に、読出動作を指定する制御信号が与えられる。
【0465】
Xデコーダ59は、アドレスバッファ58から与えられるXアドレス信号に応答してワード線WL0を選択し、それに3Vを印加する。このとき、ワード線WL1〜WL3は0Vに保たれる。セレクトゲートデコーダ63は、セレクトゲートSG1をオン状態にし、セレクトゲートSG2をオフ状態にする。Yデコーダ57は、アドレスバッファ58から与えられるYアドレス信号に応答してYゲート72内のYゲートトランジスタYG0をオンさせる。ソース制御回路62はソース線SLを接地する。
【0466】
このようにして、選択されたメモリセルM00に、表2の(R1)の左欄に示されるように電圧が印加される。それにより、M00の内容が“1”であれば主ビット線MB0に読出電流が流れる。この読出電流がセンスアンプ52により検知され、データ入出力バッファ51を介して外部に出力される。このとき、非選択のメモリセルには、表2の(R1)の右欄に示されるように電圧が印加される。
【0467】
<2> 第2の例
(a) 不揮発性半導体記憶装置の全体の構成
図73は、第2の例による不揮発性半導体記憶装置の全体の構成を示すブロック図である。
【0468】
図73の不揮発性半導体記憶装置が図72の不揮発性半導体記憶装置と異なるのは、負電圧発生回路56が消去時にソース制御回路62に負電圧を与える点である。
【0469】
他の部分の構成は、図72に示される構成と同様である。
(b) 不揮発性半導体記憶装置の動作
第2の例の不揮発性半導体記憶装置の書込動作および読出動作は第1の例と同様である。また、セクタ一括消去動作では、ソース制御回路62によりソース線SLに負電圧(−8V)が印加される点が第1の例と異なる。
【0470】
一括消去時に、選択セクタ内のメモリセルには、表2の(E2)の左欄に示されるように電圧が印加され、非選択セクタ内のメモリセルには表2の(E2)の右欄に示されるように電圧が印加される。
【0471】
<3> 第3の例
(a) 不揮発性半導体記憶装置の全体の構成
図74は、第3の例による不揮発性半導体記憶装置の全体の構成を示すブロック図である。
【0472】
第3の例の不揮発性半導体記憶装置が第1の例の不揮発性半導体記憶装置と異なるのは次の点である。ソース制御回路62の代わりにソースデコーダ102が設けられる。また、負電圧発生回路56はYデコーダ57の代わりにセレクトゲートデコーダ63およびソースデコーダ102に負電圧を与える。
【0473】
セクタSE1内のメモリセルM00,M01,M10,M11のソースはソース線SL1に接続され、セクタSE2内のメモリセルM02,M03,M12,M13のソースはソース線SL2に接続される。ソースデコーダ102の出力端子はソース線SL1,SL2に接続される。
【0474】
(b) 不揮発性半導体記憶装置の動作
第3の例の不揮発性半導体記憶装置の書込動作および読出動作は第1の例と同様である。セクタ一括消去動作では、ソースデコーダ102が、選択セクタに対応するソース線をフローティング状態にし、非選択セクタに対応するソース線に負電圧(−8V)を印加する。たとえば、セクタSE1の一括消去時には、ソース線SL1がフローティング状態にされ、ソース線SL2に−8Vが印加される。
【0475】
このようにして、選択セクタ内のメモリセルには、表2の(E3)の左欄に示されるように電圧が印加され、非選択セクタ内のメモリセルには表2の(E3)の右欄に示されるように電圧が印加される。
【0476】
その結果、非選択セクタ内のメモリセルのデータを安定に保護しつつ、選択セクタ内のメモリセルを一括消去することができる。
【0477】
<4> 第4の例
(a) 不揮発性半導体記憶装置の全体の構成
図75は、第4の例による不揮発性半導体記憶装置の全体の構成を示すブロック図である。
【0478】
第4の例の不揮発性半導体記憶装置が図74に示す第3の例の不揮発性半導体記憶装置と異なるのは次の点である。負電圧発生回路56は、消去時にウェル電位発生回路61のみに負電圧を与え、セレクトゲートデコーダ63およびソースデコーダ102には負電圧を与えない。
【0479】
(b) 不揮発性半導体記憶装置の動作
第4の例の不揮発性半導体記憶装置の書込動作および読出動作は第1の例と同様である。
【0480】
一括消去動作時には、ソースデコーダ102が、選択セクタに対応するソース線をフローティング状態にし、非選択セクタに対応するソース線に0Vを印加する。たとえば、セクタSE1の一括消去時には、ソース線SL1がフローティング状態にされ、ソース線SL2には0Vが印加される。
【0481】
このようにして、選択セクタ内のメモリセルには、表2の(E4)の左欄に示されるように電圧が印加され、非選択セクタ内のメモリセルには、表2の(E4)の右欄に示されるように電圧が印加される。
【0482】
その結果、非選択セクタ内のメモリセルのデータを安定に保護にしつつ、選択セクタ内のメモリセルを一括消去することができる。
【0483】
<5> 第5の例
(a) 不揮発性半導体記憶装置の全体の構成
図76は、第5の例による不揮発性半導体記憶装置の全体を構成を示すブロック図である。
【0484】
第5の例の不揮発性半導体記憶装置が図75に示す第4の例の不揮発性半導体記憶装置と異なるのは次の点である。2つの負電圧発生回路56a、56bが設けられている。負電圧発生回路56aはウェル電位発生回路61、セレクトゲートデコーダ63およびソースデコーダ102に負電圧を与える。負電圧発生回路56bはXデコーダ59に負電圧を与える。他の部分の構成は図75に示される構成と同様である。
【0485】
(b) 不揮発性半導体記憶装置の動作
第5の例の不揮発性半導体記憶装置の書込動作および読出動作は第1の例と同様である。
【0486】
セクタ一括消去動作時には、ソースデコーダ102が、選択セクタに対応するソース線をフローティング状態にし、非選択セクタに対応するソース線に−4Vを印加する。たとえば、セクタSE1の一括消去時には、ソース線SL1がフローティング状態にされ、ソース線SL2には−4Vが印加される。
【0487】
このようにして、選択セクタ内のメモリセルには、表2の(E5)の左欄に示されるように電圧が印加され、非選択セクタ内のメモリセルには、表2の(E5)に示されるように電圧が印加される。
【0488】
その結果、非選択セクタ内のメモリセルのデータを安定に保護しつつ、選択セクタ内のメモリセルを一括消去することができる。
【0489】
<6> 第6の例
第6の例による不揮発性半導体記憶装置の全体の構成は、図74に示される構成と同様である。また、第6の例の不揮発性半導体記憶装置の書込動作および読出動作は、第1の例と同様である。
【0490】
一括消去動作時には、ソースデコーダ102が、選択セクタに対応するソース線に−8Vを印加し、非選択セクタに対応するソース線に0Vを印加する。たとえば、セクタSE1の一括消去時には、ソース線SL1に−8Vが印加され、ソース線SL2に0Vが印加される。
【0491】
このようにして、選択セクタ内のメモリセルには、表2の(E6)の左欄に示されるように電圧が印加され、非選択セクタ内のメモリセルには、表2の(E6)の右欄に示されるように電圧が印加される。
【0492】
その結果、非選択セクタ内のメモリセルのデータを安定に保護しつつ、選択セクタ内のメモリセルを一括消去することができる。
【0493】
<7> 第7の例
第7の例による不揮発性半導体記憶装置の全体の構成は、図76に示される構成と同様である。また、第7の例の不揮発性半導体記憶装置の書込動作および読出動作は、第1の例と同様である。
【0494】
セクタ一括消去動作時には、ソースデコーダ102が、選択セクタに対応するソース線に−8Vを印加し、非選択セクタに対応するソース線に−4Vを印加する。たとえば、セクタSE1の選択時には、ソース線SL1に−8Vが印加され、ソース線SL2に−4Vが印加される。
【0495】
このようにして、選択セクタ内のメモリセルに、表2の(E7)の左欄に示されるように電圧が印加され、非選択セクタ内のメモリセルに、表2の(E7)の右欄に示されるように電圧が印加される。
【0496】
その結果、非選択セクタ内のメモリセルのデータを安定に保護しつつ、選択セクタ内のメモリセルを一括消去することができる。
【0497】
<8> 各例の利点
第1および第2の例では、非選択セクタが基板からある程度ディスターブを受けるが、ソースデコーダは不要であり、負電圧発生回路は1つだけでよい。
【0498】
第3の例では、非選択セクタが基板から受けるディスターブは小さい。また、負電圧発生回路は1つだけでよい。さらに、消去時のソースの接合耐圧は低くてよい。ただし、ソースデコーダが必要である。
【0499】
第4および第6の例では、非選択セクタが基板から受けるディスターブは最も小さい。また負電圧発生回路は1つだけでよい。ただし、ソースデコーダが必要であり、ソースの接合耐圧が8Vだけ必要である。
【0500】
第5および第7の例では、非選択セクタが基板から受けるディスターブはやや小さく、ソースの接合耐圧も〜4Vと小さくてよい。ただし、ソースデコーダが必要であり、2つの負電圧発生回路が必要である。
【0501】
次に、図66(a)に示すこの発明に従った不揮発性半導体記憶装置の第14実施例の製造方法について、図77〜図95を用いて説明する。図77〜図95は、上記の構造を有する不揮発性半導体記憶装置の製造方法における第1工程〜第19工程を示す断面図である。
【0502】
まず図77を参照して、p型シリコン基板201主表面に、300Å程度の膜厚を有する下敷き酸化膜202を形成する。そして、この下敷き酸化膜202上に、CVD(Chemical Vapour Deposition)法を用いて、500Å程度の膜厚の多結晶シリコン膜203を形成する。この多結晶シリコン膜203上に、CVD法などを用いて、1000Å程度のシリコン窒化膜204を形成する。そして、このシリコン窒化膜204上に、素子分離領域を露出するようにレジスト205を形成する。このレジスト205をマスクとして異方性エッチングを行なうことによって、素子分離領域上のシリコン窒化膜204および多結晶シリコン膜203をエッチングする。
【0503】
その後、レジスト205を除去し、シリコン窒化膜204をマスクとして用いて選択酸化を行なうことによって、図78に示されるように、フィールド酸化膜206を形成する。そして、上記の多結晶シリコン膜203およびシリコン窒化膜204を除去する。
【0504】
次に、図79に示されるように、メモリトランジスタ領域および周辺回路領域の一部に、3.0MeV,2.0×1013cm−3の条件で、リン(P)をイオン注入する。そして、1000℃の温度で1時間の不純物ドライブを行なう。それにより、nウェル207が形成される。その後、図80に示されるように、メモリセル形成領域を覆うようにレジスト209を形成し、このレジスト209をマスクとして用いて、リン(P)を1.2MeV,1.0×1013cm−3の条件でイオン注入し、さらに、リン(P)を180KeV,3.5×1012cm−3の条件でイオン注入する。それにより、周辺回路領域の一部にnウェル(図示せず)が形成される。
【0505】
次に、図81を参照して、メモリトランジスタ領域に、700KeV,1.0×1013cm−3の条件でボロン(B)をイオン注入し、さらに180KeV,3.5×1012cm−3の条件でボロン(B)をイオン注入する。それにより、pウェル210が形成される。
【0506】
そして、各メモリトランジスタのしきい値電圧制御のための不純物注入を行なった後、図82を参照して、p型シリコン基板201主表面上全面に、熱酸化処理を施すことによって150Å程度の膜厚のゲート絶縁膜211を形成する。そして、このゲート絶縁膜211上における選択ゲートトランジスタ(後述)形成領域を覆うようにレジスト212を形成する。このレジスト212をマスクして用いて、エッチングを行なうことによって上記のゲート絶縁膜211の選択ゲートトランジスタ形成領域以外の部分を除去する。
【0507】
上記のレジスト212を除去し、再び熱酸化処理を施すことによって、p型シリコン基板201上全面に100Å程度の膜厚のゲート絶縁膜213を形成する。それにより、選択ゲートトランジスタ形成領域には、約250Å程度の膜厚を有するゲート絶縁膜211,213が形成されることになる。そして、このゲート絶縁膜211,213上に、CVD法などを用いて第1の多結晶シリコン膜214を1200Å程度の膜厚に形成する。そして、この第1の多結晶シリコン膜厚214上に、所定形状(この場合であれば紙面に垂直方向に断続的に複数のレジストパターンが形成される)のレジスト212aを堆積し、このレジスト212aをマスクとして用いて第1の多結晶シリコン膜214をエッチングする。
【0508】
その後、図84に示されるように、上記の第1の多結晶シリコン膜214上に、CVD法などを用いて100Å程度の膜厚の高温酸化膜を形成し、この高温酸化膜上にCVD法などを用いてシリコン窒化膜を100Å程度の厚みに形成し、さらにこのシリコン窒化膜上にCVD法を用いて150Å程度の厚みの高温酸化膜を形成する。それにより、ONO膜215が形成される。
【0509】
次に、図85を参照して、上記のONO膜215上に、CVD法を用いて、不純物が導入された多結晶シリコン層を1200Å程度の厚みに形成する。そしてこの多結晶シリコン層上にスパッタリング法を用いて、タングステンシリサイド(WSi)層を1200Å程度の厚みに形成する。これらにより、コントロールゲート電極となる導電層216が形成される。この導電層216上にCVD法を用いて、2000Å程度の膜厚を有する高温酸化膜217を形成する。そして、メモリトランジスタ領域および周辺部のトランジスタ形成領域上に位置する高温酸化膜217上に、レジスト218を形成し、このレジスト218をマスクとしてエッチングを行なうことによって、周辺回路で用いるトランジスタの電極を形成する。
【0510】
次に、図86を参照して、上記の高温酸化膜217上に、図86において横方向に断続的にレジスト218aを形成する。そして、このレジスト218aをマスクとして用いて、高温酸化膜217、導電膜216、ONO膜215、第1の多結晶シリコン膜214をエッチングする。それにより、フローティングゲート電極219およびコントロールゲート電極220が形成される。
【0511】
次に、図87(a)を参照して、図86に示される状態のフラッシュメモリ上に、さらにレジスト221を塗布し、メモリトランジスタのソース領域となる部分を露出させるようにこのレジスト221をパターニングする。図87(b)は、図87(a)に示される状態のフラッシュメモリの一部平面を示す平面図である。そして、図87(b)におけるB−B線に沿って見た断面が、図87(a)に示されることになる。このようにパターニングされたレジスト221をマスクとして用いて、ドライエッチングを行なうことによってソース領域上に形成されているフィールド酸化膜206を除去する。
【0512】
そして、レジスト218a,211を除去した後、図88に示されるように、選択ゲートトランジスタのみを露出させるようにレジストパターン221aを形成する。そして、このレジストパターン221aをマスクとして用いて、リン(P)を60KeV,3.0×1013cm−3の条件でイオン注入する。それにより、選択ゲートトランジスタのソース/ドレイン領域223,224を形成する。そして、上記のレジスト221aを除去する。
【0513】
その後、図89を参照して、選択ゲートトランジスタとなるトランジスタを覆い他のメモリセルを露出するようにレジストパターン221bを形成する。そして、このレジスト221bをマスクとして用いて、35KeV,5.5×1015cm−3の条件で、砒素(As)をイオン注入する。それにより、メモリトランジスタのソース/ドレイン領域およびソース線が形成されることになる。そして、レジスト221bを除去する。
【0514】
次に、図90を参照して、メモリトランジスタ領域に、CVD法を用いて、2000Å程度の膜厚を有する高温酸化膜を形成する。そして、この高温酸化膜を異方性エッチングすることによって、選択ゲートトランジスタの側壁あるいはメモリトランジスタの側壁にサイドウォール225を形成する。そして、このサイドウォール225をマスクとして用いて、35KeV,4.0×1015cm−3の条件で、砒素(As)をイオン注入する。それにより、周辺部のトランジスタのソース/ドレイン領域を形成する。
【0515】
その後、図91を参照して、メモリトランジスタ領域に、TEOS(Tetra ethyl ortho Silicate)膜などからなるシリコン酸化膜226を堆積する。そして、30分程度の酸化膜のシンタ処理を行なう。そして、図92に示すように、このシリコン酸化膜226を異方性エッチングすることによって、サイドウォール225aが形成されることになる。このサイドウォール225aの形成によって、メモリセルにおけるソース領域は、シリコン酸化膜によって覆われることになる。
【0516】
次に、図93を参照して、CVD法などを用いて、2000Å程度の膜厚を有する多結晶シリコン層を形成し、この多結晶シリコン層に不純物を導入することによって導電性をもたせる。この多結晶シリコン層上に所定形状のレジスト228を塗布し、このレジスト228をマスクとしてパターニングすることによって副ビット線227が形成される。
【0517】
次に、図94を参照して、上記のレジスト228を除去した後、副ビット線227上に、CVD法を用いてTEOS膜などからなるシリコン酸化膜229を形成する。このシリコン酸化膜229の膜厚は、1500Å程度である。このシリコン酸化膜229上に、CVD法などを用いて、膜厚500Å程度のシリコン窒化膜230を形成する。そして、このシリコン窒化膜230上に、CVD法などを用いて10000Å程度の膜厚を有するBPTEOS膜などからなるシリコン酸化膜231を形成する。その後、850℃程度の熱処理によりリフローを行ない、HF等によりBPTEOS膜を5000Å程度エッチバックする。そして、このシリコン酸化膜231上に所定形状のレジスト232を堆積し、このレジスト232をマスクとして用いて、シリコン酸化膜229,231およびシリコン窒化膜230をエッチングする。それにより、副ビット線227と後の工程で形成される主ビット線233との接続のためのコンタクトホール233aが形成されることになる。
【0518】
次に、図95を参照して、上記のコンタクトホール233a内に、CVD法およびエッチバック法を用いて、タングステンプラグ233bを形成する。そして、このタングステンプラグ233b上およびシリコン酸化膜231上に、スパッタリング法などを用いて、5000Å程度の膜厚を有するアルミニウム合金層を形成する。そして、このアルミニウム合金層上に所定形状のレジスト232aを堆積し、このレジスト232aをマスクとしてアルミニウム合金層をパターニングすることによって主ビット線233が形成される。その後、レジスト232aを除去し、この主ビット線上に層間絶縁層を形成する。そして、スルーホール形成工程を経てこの層間絶縁層上にさらにアルミニウム配線層を形成する。それにより、図66(a)に示される不揮発性半導体装置が形成されることになる。
【0519】
次に、この発明に従った不揮発性半導体記憶装置の第14実施例のセレクトゲートコンタクト部の製造方法について、図96〜図100を用いて説明する。図96〜図100は、図68におけるC−C線に沿って見た断面を示す図である。
【0520】
まず、図96を参照して、上記の実施例と同様の工程を経て、高温酸化膜217までを形成する。選択ゲートトランジスタはといえば、その上層に形成されるアルミニウム配線層238とコンタクトホールを介して接続される。したがって、その接続部には、コンタクトホールが形成されることになる。このコンタクト部が図97に示されている。図97を参照して、上記のように高温酸化膜217を堆積した後、エッチングを行なうことによってコンタクト部における高温酸化膜217および導電膜216を除去する。それにより、コンタクトホール251が形成される。
【0521】
そして、図98を参照して、CVD法などを用いてTEOS膜などからなる酸化膜を全面に形成した後、異方性エッチングを行なうことによって、コンタクトホール251の側壁にシリコン酸化膜235を残存させる。このとき、このサイドウォールとなるシリコン酸化膜235の形成時に、第1の多結晶シリコン膜214上のONO膜215もエッチングされるため、第1の多結晶シリコン膜214は露出している。
【0522】
次に、図99を参照して、コンタクトホール251に多結晶シリコンからなるポリパッド236を形成し、同時に副ビット線227を形成する。その後、図100に示されるように、ポリパッド236上および副ビット線227上に層間絶縁膜245を形成する。そして、この層間絶縁膜245におけるポリパッド236上に位置する部分に、コンタクトホール251aを形成し、このコンタクトホール251aにアルミ電極237を形成する。このとき、このアルミ電極237の形成と同時に、主ビット線233が形成される。このように、選択ゲートトランジスタのコンタクト部にポリパッド236を形成することによって、このコンタクト部におけるアスペクト比を小さくすることができ、かつパターンの重ね合わせのマージンを増大することが可能となる。
【0523】
以上のようにして主ビット線233およびアルミニウム電極237が形成された後は、上記の実施例と同様の工程を経て不揮発性半導体記憶装置が形成されることになる。
【0524】
次に、図101〜図106を用いて、この発明に基づく不揮発性半導体記憶装置の第14実施例のソース線コンタクト部の製造方法について説明する。図101は、図70に示された不揮発性半導体記憶装置の一部を示す平面図である。まず図101を参照して、ソース線223aは、ソース線コンタクト部239において、コンタクト部以外のソース線223aの幅W2よりも大きい幅W1を有するように形成されている。一方、この形状を反映して、ドレイン領域の幅は、ソース線コンタクト部239に挟まれる部分においては、W4と小さく、それ以外の部分では、このW4より大きいW3の幅を有している。このような幅の違いを利用して、本実施例においては、ソース線コンタクト部239のコンタクトホール形成と、ドレインコンタクト部240におけるコンタクトホール形成とは同時に行なおうとするものである。
【0525】
以下に、図102〜図106を用いて、詳しく説明する。図102(I)は、図101におけるD−D線に沿った見た断面を示す図である。図102(II)は、図101におけるE−E線に沿って見た断面を示す図である。以下、図103〜図106においても同様とする。
【0526】
まず、図102を参照して、メモリトランジスタにおけるフローティングゲート電極219、ONO膜215、コントロールゲート電極220および高温酸化膜217を上記の実施例と同様の工程を経て形成する。このとき、(I)図においては、ソース部の間隔がドレイン部の間隔よりも広くなっており、(II)図においては、ドレイン部の間隔がソース部の間隔よりも広くなっている。
【0527】
このような状態のメモリトランジスタに、図103に示されるように、上記の実施例と同様の方法でサイドウォール225を形成する。そして、サイドウォール225上に、図104に示されるように、さらに酸化膜226を堆積する。
【0528】
その後、図105(I)を参照して、上記の酸化膜226に異方性エッチングを施すことによって、ソース線コンタクト部239に、コンタクトホール239aを形成する。このとき、ソース部の幅がドレイン部の幅よりも広いため、ソース部の方がエッチングされやすくなり、ソース部においてはコンタクトホール239aが形成されるが、ドレイン部においてはコンタクトホールが形成されない。
【0529】
一方、図105(II)を参照して、この場合であれば、ドレイン部の方がソース部よりも幅が広くなっているため、上記の場合と同様の考え方で、ドレイン部のみにコンタクトホール240aが形成されることになる。このようにして、コンタクトホール239aおよび240aが同時に形成された後、図106に示されるように、メモリトランジスタ上に多結晶シリコンなどからなる副ビット線227および配線層241が形成されることになる。
【0530】
以上のように、この実施例によれば、ソース線223aの幅の違いおよびドレイン部の幅の違いを利用して、ソース線コンタクト部239の形成とドレインコンタクト部240の形成とを同時に行なうことが可能となる。また、それぞれのコンタクトホール形成のためのマスクも必要としないため、工程の簡略化および製造コストの低減が可能となる。
【0531】
(15) 第15実施例
次に、図107を用いて、この発明に従った不揮発性半導体記憶装置の第15実施例について説明する。図107(a)は、ダミーメモリトランジスタを形成しない場合の副ビット線227形成後の不揮発性半導体記憶装置の断面図であり、図107(b)は、ダミーメモリトランジスタを形成した場合、つまり不揮発性半導体記憶装置の第15実施例の断面図である。まず図107(a)を参照して、副ビット線227の一方端は選択ゲートトランジスタ234上で切れており、他方端は、フィールド酸化膜206上で切れている。このような場合には、コンタクトエッチング時などにフィールド酸化膜206が膜減りし、分離特性が劣化するといった問題点がある。
【0532】
そこで、第15実施例においては、このフィールド酸化膜206上にダミーメモリトランジスタ242bを形成している。それにより、素子間の分離耐圧を劣化させることなくかつ副ビット線227における段差も低減することが可能となる。このように、第15実施例においては、ダミーメモリトランジスタ242bをフィールド酸化膜206上に形成したが、図107(b)に示されるように、ダミーメモリトランジスタ242aを、p型シリコン基板201上に直接形成してもよい。それにより、ダミーゲート242とp型シリコン基板201との間でFNトンネリングを用いて電子の注入を行なうことが可能となる。それにより、フィールドシールド効果を持たせることが可能となる。また、このダミーメモリトランジスタ242aを挟む副ビット線227を用いて、チャネルホットエレクトロンによってダミーゲート242に電子を注入することも可能である。それによっても、上記の場合と同様のフィールドシールド効果が期待できる。
【0533】
(16) 第16実施例
次に、図108〜図119を用いて、この発明に従った不揮発性半導体記憶装置の第16実施例について説明する。図108は、この発明に従った第16実施例における不揮発性半導体記憶装置のメモリトランジスタ部の部分断面図である。図109は、図69におけるF−F線に沿ってみた断面に対応する断面図である。図110〜図119は、本実施例における不揮発性半導体記憶装置の製造工程の第10工程〜第19工程を示す断面図である。
【0534】
前述の各実施例においては、ソース領域上に位置するフィールド酸化膜206をエッチング除去し、この状態でソース領域に砒素(As)などを注入することによってソース線を形成していた。しかし、この場合には、次に説明するような問題点が考えられる。フィールド酸化膜206直下には、素子間の分離特性を向上させるために、予めボロン(B)などがフィールド酸化膜206越しに注入されている。したがって、上記のように、フィールド酸化膜206をエッチングした後にソース線形成のための砒素(As)を注入した場合には、フィールド酸化膜206越しに予め注入されているボロン(B)と、ソース線形成のために注入された砒素(As)とがオーバラップする部分が生じることとなる。それにより、その重なる部分において、キャリア濃度が相殺され、ソース耐圧が低くなるといった問題点が考えられる。
【0535】
そこで、本実施例においては、ソース線形成のために、各ソース領域を電気的に接続するような不純物の導入された多結晶シリコンなどからなる配線層を形成することとしている。それにより、フィールド酸化膜206上にその配線層を形成することができるため、ソース線形成領域上に位置するフィールド酸化膜206を取除く必要がなくなる。それにより、上記のような不純物領域の重なりをなくすことができ、ソース耐圧が低下するのを防止することが可能となる。
【0536】
以下に、図を用いて、本実施例について、より具体的に説明する。まず、図108を参照して、本実施例における特徴部分となるのは、ワード線方向に散在する各ソース領域223を電気的に接続する配線層262が形成されていることである。それ以外の構造は、上記の各実施例と同様である。この配線層262は、この場合であれば、多結晶シリコンなどで形成されている。
【0537】
この配線層262は、フィールド酸化膜206で分離されている各ソース領域223を互いに接続している。したがって、図109に示されるように、ソース領域223上およびソース領域223に挟まれたフィールド酸化膜206上に、配線層262は延在している。このように、配線層262を備えることにより、各ソース領域223を電気的に接続することができるため、フィールド酸化膜206の一部をエッチング除去する必要がなくなる。それにより、上述したように、ソース線耐圧が低下するのを防止することが可能となる。
【0538】
次に、図110〜図119を用いて、上記の構造を有する不揮発性半導体記憶装置の製造方法について説明する。まず図110を参照して、上記の第2の実施例と同様の工程を経て、高温酸化膜217、導電膜216、ONO膜215、第1の多結晶シリコン膜214をエッチングする。それにより、フローティングゲート電極219およびコントロールゲート電極220が形成される。そして、レジスト218aを除去する。
【0539】
次に、図111に示されるように、選択ゲートトランジスタのみを露出させるようにレジストパターン221aを形成する。そして、このレジストパターン221aをマスクとして用いて、リン(P)を60KeV,3.0×1013cm−2の条件でイオン注入する。それにより、選択ゲートトランジスタのソース/ドレイン領域223,224を形成する。その後、上記のレジスト221aを除去する。
【0540】
次に、図112を参照して、選択ゲートトランジスタとなるトランジスタを覆い、他のメモリトランジスタを露出させるようにレジストパターン221bを形成する。そして、このレジストパターン221bをマスクとして用いて、35KeV,5.5×1015cm−2の条件で、砒素(As)をイオン注入する。それにより、メモリトランジスタのソース/ドレイン領域が形成される。その後、レジスト221bを除去する。
【0541】
次に、図113を参照して、メモリトランジスタ領域にCVD法を用いて、2000Å程度の膜厚を有する高温酸化膜を形成する。そして、この高温酸化膜を異方性エッチングすることによって、選択ゲートトランジスタの側壁あるいはメモリトランジスタの側壁にサイドウォール225を形成する。そして、このサイドウォール225をマスクとして用いて、35KeV,4.0×1015cm−2の条件で、砒素(As)をイオン注入する。それにより、周辺部のトランジスタのソース/ドレイン領域およびソース領域223、ドレイン領域224を形成する。
【0542】
次に、図114を参照して、メモリトランジスタ領域に、TEOS(Tetraethyl Ortho Silicate)膜などからなるシリコン酸化膜226を堆積する。そして、30分程度の酸化膜のシンタ処理を行なう。その後、ソース領域223上に位置するシリコン酸化膜226を露出させるようにレジストパターン261を形成する。そして、このレジストパターン261をマスクとして用いて、ソース領域223上に位置するシリコン酸化膜226、サイドウォール225の一部をエッチングする。それにより、図115に示されるように、ソース領域223上に位置する領域にコンタクトホール268を形成する。そして、レジスト261を除去する。
【0543】
次に、図116を参照して、CVD法などを用いて、上記のコンタクトホール268内表面およびシリコン酸化膜226上に、多結晶シリコン層262を形成する。そして、この多結晶シリコン層262上に、CVD法などを用いて、酸化膜263を形成する。そして、ソース領域223上に位置する酸化膜263上に、レジストパターン264を形成する。このとき、レジストパターン264の端部は、ソース側に位置するフローティングゲート電極219、コントロールゲート電極220の端部上に位置するようにする。それにより、多結晶シリコン層262と副ビット線227との距離を離すことができ、多結晶シリコン層262と副ビット線227との所望の耐圧を確保することができる。さらに、コントロールゲート電極220と多結晶シリコン層262間の耐圧も所望の値とすることができる。
【0544】
そして、図117に示されるように、上記のレジストパターン264をマスクとして用いて酸化膜263および多結晶シリコン層262をエッチングする。それにより、ワード線方向に散在する各ソース領域223を電気的に接続する配線層262が形成されることになる。
【0545】
次に、図118を参照して、レジスト264を除去した後、酸化膜226,263上に、CVD法などを用いて酸化膜265を形成する。そして、ドレイン拡散領域224上に位置する酸化膜265を露出させるようにレジストパターン266を形成する。そして、このレジストパターン266をマスクとして用いて、ドレイン領域224上に位置する各酸化膜265,226をエッチング除去する。それにより、ドレイン領域224の一部が露出することになる。
【0546】
その後、図119を参照して、上記のレジスト266を除去した後、CVD法などを用いて、2000Å程度の膜厚を有する多結晶シリコン層を形成し、この多結晶シリコン層に不純物を導入することによって導電性をもたせる。そして、この多結晶シリコン層上に所定形状のレジスト228を塗布し、このレジスト228をマスクとして上記の多結晶シリコン層をパターニングすることによって、副ビット線227が形成される。以下、前記の第2の実施例と同様の工程を経て不揮発性半導体記憶装置が形成されることになる。
【0547】
(17) 第17実施例
次に、図120〜図125および図156〜図159を用いて、本発明に基づく第17実施例について説明する。図120は、本発明に従った第17実施例における不揮発性半導体記憶装置の部分断面図である。図121〜図125は、図120に示される不揮発性半導体記憶装置の製造工程の第1工程〜第5工程を示す図である。図156は、上記の第17実施例における不揮発性半導体記憶装置の従来構造を示す平面図(a)および(a)におけるB−B線に沿って見た断面図(b)を示す図である。図157は、図156に示される従来の不揮発性半導体記憶装置の書込動作を説明するための部分断面図である。図158は、図156に示される不揮発性半導体記憶装置の消去動作を説明するための部分断面図である。図159は、図156に示される従来の不揮発性半導体記憶装置における問題点を説明するための部分断面図である。
【0548】
まず、図156〜図159を用いて、本発明に基づく第17実施例における不揮発性半導体記憶装置の従来の構造について説明する。図156(a)および図156(b)を参照して、このタイプの不揮発性半導体記憶装置は、一般的に、バーチャルグランド構成のメモリセルアレイ(Virtual Ground
Array)を有する不揮発性半導体記憶装置と呼ばれている。
【0549】
図156(b)を参照して、p型半導体基板301の主表面には、ビット線として機能するn型の高濃度不純物領域302a,302b,302c,302dが互いに略平行に間隔を隔てて形成されている。これらの高濃度不純物領域302a〜302dに挟まれた領域上に、絶縁膜304を介してフローティングゲート305a、305b、305が形成されている。そして、これらのフローティングゲート305a,305b,305を覆うように、絶縁膜306が形成されている。この絶縁膜306表面上に、コントロールゲート307が形成されている。コントロールゲート307は、図156(a)を参照して、複数のフローティングゲート305上に延在し、高濃度不純物領域302a〜302dと略直交する。
【0550】
次に、図157および図158を用いて、上記の構造を有する従来の不揮発性半導体記憶装置の従来の動作について説明する。まず書込動作について説明する。図156(a)および図157を参照して、フローティングゲート305bに書込みを行なう場合について説明する。フローティングゲート305bに書込を行なう際には、このフローティングゲート305b上を延在するコントロールゲート307に12V程度の電圧が印加され、ビット線として機能する高濃度不純物領域302bに5V程度の電圧が印加される。
【0551】
このとき、高濃度不純物領域302aは、フローティング状態に保持される。不純物領域302cは、接地電位に保持される。それにより、高濃度不純物領域302bから高濃度不純物領域302cに電流が流れる。このときに、フローティングゲート305bに電子が注入されることになる。それにより、フローティングゲート305bに書込が行なわれる。
【0552】
次に、消去動作について説明する。各フローティングゲート305,305a,305bに書込まれた情報を消去する際には、各コントロールゲート307が接地電位に保持され、各高濃度不純物領域302a〜302dに10V程度の電圧が印加される。それにより、各フローティングゲート305,305a,305bから同時に電子が引き抜かれ、書込まれた情報が消去されることになる。この様子が、図158に示されている。
【0553】
以上のような構成を有し、動作を行なう従来のバーチャルグランド構成のメモリセルアレイを有する不揮発性半導体記憶装置に本発明に従った動作を行なわせた場合には、次に説明するような問題点が生じることとなる。その問題点について、図159を用いて説明する。
【0554】
従来のバーチャルグランド構成のメモリセルアレイを有する不揮発性半導体記憶装置に本発明に従った動作を行なわせた場合には、本発明に従った書込動作を行なった際に問題点が生じることとなる。図159を参照して、本発明に従った書込動作を行なわせることによってたとえばフローティングゲート305aに情報を書込むには、選択されたコントロールゲート307に、たとえば−8V程度の電圧が印加される。このとき、選択されたビット線、この場合であれば、ビット線として機能する高濃度不純物領域302bに5V程度の電圧が印加される。そして、非選択のビット線、この場合であれば、高濃度不純物領域302a,302c,302dは、接地電位に保持される。
【0555】
それにより、図159において矢印で示されるように、フローティングゲート305aから電子が引き抜かれると同時に、フローティングゲート305aと隣接するフローティングゲート305bからも電子が引き抜かれることになる。それは、高濃度不純物領域302bの一方の端部がフローティングゲート305aと部分的に重なり、他方の端部がフローティングゲート305bと部分的に重なるように形成されているからである。
【0556】
このように、高濃度不純物領域302bと、フローティングゲート305aおよびフローティングゲート305bが部分的に重なるような位置関係に形成されることによって、その重なった部分において、FN現象によってそれぞれのフローティングゲート305a,305bから電子が引き抜かれてしまう。すなわち、両方のフローティングゲート305a,305bに情報が書込まれたことになる。その結果、不揮発性半導体記憶装置の誤動作を引き起こすといった問題点が生じることとなる。
【0557】
本実施例における不揮発性半導体記憶装置は、上記のような問題点を解決するために考案されたものである。以下、本実施例における不揮発性半導体記憶装置の構造および動作について、図120〜図125を用いて説明する。
【0558】
図120を参照して、本実施例におけるバーチャルグランド構成のメモリセルアレイを有する不揮発性半導体記憶装置は、ビット線として機能する高濃度不純物領域302a,302b,302c,302dの一方の端部は、フローティングゲート305の下に位置し、他方の端部は、隣接するフローティングゲート305の下には位置しないように形成されている。高濃度不純物領域302a,302b,302c,302dの濃度は、好ましくは、1020/cm3 以上である。
【0559】
より具体的には、図120を参照して、高濃度不純物領域302bの一方端はフローティングゲート305aの下に位置するが、このフローティングゲート305aと隣接するフローティングゲート305bと不純物領域302bとは重ならないようにオフセットされている。それ以外の構造に関しては、図156(b)に示される従来の構造とほぼ同様である。
【0560】
このように、高濃度不純物領域302bの端部を隣接するフローティングゲート305bと重ならないように形成することによって、たとえばフローティングゲート305aに本発明に従った書込動作を行なう際に、隣接するフローティングゲート305bから電子が引き抜かれるといった状況を回避することが可能となる。それにより、より確実に情報の書込を行なうことが可能となる。
【0561】
次に、図121〜図125を用いて、図120に示される構造を有する本実施例における不揮発性半導体記憶装置の製造方法について説明する。まず図121(a)および(b)を参照して、p型半導体基板301主表面上に、100Å程度の膜厚を有する絶縁膜304を形成する。そして、この絶縁膜304上に、CVD法などを用いて、1000Å程度の膜厚を有する第1多結晶シリコン層305cを堆積する。
【0562】
この第1多結晶シリコン305c上に、所望の膜厚を有するレジスト308を塗布する。このレジスト308を所定形状にパターニングする。このパターニングされたレジスト308をマスクとして用いて、エッチングすることによって第1多結晶シリコン層305cをパターニングする。
【0563】
次に、図122(a)を参照して、上記の第1多結晶シリコン層305cをパターニングした後、レジスト308をマスクとして用いて、砒素(As)などのn型の不純物をp型半導体基板301の主表面にイオン注入する。このとき、不純物の注入角度を所定角度θだけ傾ける。それにより、レジスト308によるシャドーイング効果によって、p型半導体基板301の主表面に、隣合うフローティングゲートのうち一方にのみその端部が部分的に重なるように高濃度不純物領域302a〜302dを形成することが可能となる。
【0564】
上記の傾斜角度θの値は、好ましくは、約7°である。このようにして、θの角度だけ鉛直方向に対して角度を持たせて砒素(As)をイオン注入することによって、レジスト308に従ってパターニングされた隣り合う第1多結晶シリコン層305cのうち、一方の第1多結晶シリコン層305cとは重なるが他方の第1多結晶シリコン層305cとはオフセットされた高濃度不純物領域302a〜302dが形成されることになる。この状態を平面的に見た様子が図122(b)に示されている。
【0565】
次に、図123を参照して、レジスト308を除去した後、CVD法などを用いて、第1多結晶シリコン層305cを覆うように酸化膜309を形成する。そして、この酸化膜309をエッチバックすることによって、酸化膜309を第1多結晶シリコン層305cの間に埋込む。
【0566】
次に、図124を参照して、CVD法などを用いて、上記の酸化膜309上および第1多結晶シリコン層305c上に、絶縁膜306を形成する。この絶縁膜306上に、CVD法などを用いて、所定膜厚の第2多結晶シリコン層307aを堆積する。その後、図125(a)を参照して、上記の第2多結晶シリコン層307a上にレジスト310を塗布し、このレジスト310を所定形状にパターニングする。この場合であれば、図125(b)を参照して、高濃度不純物領域302a〜302dと略直交する方向にレジスト310をパターニングする。このようにパターニングされたレジスト310をマスクとして用いてエッチングすることによって、図125(a)に示されるように、コントロールゲート307,フローティングゲート305a,305b,305および絶縁膜306を形成する。その後、レジスト310を除去する。以上の工程を経て、図120に示される不揮発性半導体記憶装置が完成する。
【0567】
次に、図126を用いて、図120に示された上記の第17実施例の他の態様について説明する。図120に示される不揮発性半導体記憶装置においては、高濃度不純物領域302a〜302dのみが形成されていた。しかし、本実施例においては、書込動作に関与するn型の高濃度不純物領域302a〜302dを上記の第17実施例と同様の方法を用いて形成し、さらに、n型の低濃度不純物領域303を形成している。このように低濃度不純物領域303を設けることによって、不揮発性半導体記憶装置の動作特性を向上させることが可能となる。この低濃度不純物領域303の形成方法としては、砒素(As)などのn型の不純物を、従来例と同様の注入角度で半導体基板301の主表面にイオン注入することによって形成される。
【0568】
注入条件の一例としては、低濃度不純物領域303の形成には、注入量1011/cm2 以上の量の砒素(As)を注入する。それにより、形成される低濃度不純物領域303の濃度は、1016/cm3 以上の濃度を有するものとなる。また、このとき、高濃度不純物領域302a〜302dの形成に際しては、砒素(As)の注入量は、好ましくは、1015/cm2 以上である。それにより、高濃度不純物領域302a〜302dの濃度は、1020/cm3 以上のものとなる。
【0569】
次に、図127を参照して、本発明を要約する。図127は、本発明に従った不揮発性半導体記憶装置の必須の構成を示した模式図である。図127を参照して、半導体基板401の主表面には、間隔を隔てて不純物領域402a,402bが形成されている。この不純物領域402a,402bの間のチャネル領域409上には絶縁膜403が形成されている、この絶縁膜403上にはフローティングゲート404が形成されている。このフローティングゲート404が電子蓄積手段となる。フローティングゲート404上には絶縁膜405を介してワード線406が形成される。ワード線406上には層間絶縁膜407が形成され、この層間絶縁膜407上にはビット線408が形成される。ビット線408は、層間絶縁膜407に設けられたコンタクトホール410を介して不純物領域402aと電気的に接続されている。
【0570】
以上の構成を有する不揮発性半導体記憶装置において、本発明に従った特徴的な動作が行なわれることになる。まず、本発明に従った不揮発性半導体記憶装置の特徴的な動作においては、初期状態は消去状態となる。すなわち、フローティングゲート404に電子が蓄積された状態が消去状態(初期状態)となる。フローティングゲート404に電子を蓄積する方法としては、まずビット線408をフローティング状態に保持し、半導体基板401にたとえば−10V程度の電圧を印加する。このとき、ワード線406に10V程度の電圧を印加する。それにより、チャネル領域409全面でのFN現象(チャネルFN)によって、フローティングゲート404内に電子を注入することが可能となる。このとき、消去状態のメモリトランジスタのしきい値電圧Vth(E)は、読出時にワード線406に印加される電圧VReadよりも高い値となっている。
【0571】
上記のようにまず消去状態とした後、所定のメモリトランジスタから電子を引き抜くことによって情報の書込が行なわれることになる。書込みの際には、ビット線408に5V程度の電圧を印加する。このとき、半導体基板401は接地電位に保たれる。そして、ワード線406に−10V程度の電圧を印加する。それにより、フローティングゲート404から電子が引き抜かれることになる。このとき、電子の引き抜きは、フローティングゲート404と不純物領域402aとの重なり部分でのFN現象によって行なわれることになる。その結果、書込後のメモリトランジスタのしきい値電圧Vth(p)は、読出時のワード線406に印加される電圧VReadよりも小さい値となる。
【0572】
以上説明したように、本発明に従った不揮発性半導体記憶装置の動作においては、メモリトランジスタに電子を注入した状態が消去状態となっており、すべてのメモリトランジスタのうち所定のメモリトランジスタから電子を引き抜くことによって情報が書込まれることになる。なお、上記の各実施例においては、本発明を不揮発性半導体記憶装置に適用した場合について説明した。しかし、本発明は、不揮発性半導体記憶装置以外の半導体記憶装置にも適用可能である。
【0573】
【発明の効果】
この発明によれば、メモリセルがセクタに分割され、ビット線を主副ビット線構成としており、消去単位を小さくすることができ、消去時の電圧発生回路負荷を軽減することができ、また、消去用およびプログラム用に電子移動手段を設けており、ビット毎にメモリセルのしきい値電圧の制御を行うことができる。また、ソース線を介することなく消去およびプログラムを実行することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】第1〜第11の実施例におけるプログラムおよび消去動作としきい値電圧との関係を従来例と比較して示す図である。
【図2】第1〜第11の実施例における消去状態およびプログラム状態を従来例と比較して示す図である。
【図3】第1〜第11の実施例における一括消去時のしきい値電圧を示す図である。
【図4】第1〜第11の実施例における一括消去動作によるしきい値電圧の変化を示す図である。
【図5】第1の実施例によるフラッシュメモリの全体の構成を示すブロック図である。
【図6】第1の実施例におけるプログラム時および消去時のメモリセルへの電圧印加条件を示す図である。
【図7】第1の実施例における一括消去動作時、プログラム動作時および読出動作時の電圧印加条件を示す図である。
【図8】第1の実施例における書換動作を説明するためのフローチャートである。
【図9】第2の実施例におけるプログラム時および消去時のメモリセルへの電圧印加条件を示す図である。
【図10】第2の実施例における一括消去動作時、プログラム動作時および読出動作時の電圧印加条件を示す図である。
【図11】第3の実施例によるフラッシュメモリの全体の構成を示すブロック図である。
【図12】図11のフラッシュメモリの含まれるXデコーダの構成を示すブロック図である。
【図13】第3の実施例におけるプログラム時および消去時のメモリセルへの電圧印加条件を示す図である。
【図14】第3の実施例における一括消去動作時、プログラム動作時および読出動作時の電圧印加条件を示す図である。
【図15】第4の実施例におけるページ一括消去動作時、プログラム動作時および読出動作時の電圧印加条件を示す図である。
【図16】第4の実施例における書換動作を説明するためのフローチャートである。
【図17】第5の実施例におけるページ一括消去動作時、プログラム動作時および読出動作時の電圧印加条件を示す図である。
【図18】第6の実施例によるフラッシュメモリの全体の構成を示すブロック図である。
【図19】図18のフラッシュメモリに含まれるメモリアレイおよびそれに関連する部分の詳細な構成を示す回路図である。
【図20】第6の実施例におけるプログラム時および消去時のメモリセルへの電圧印加条件を示す図である。
【図21】第6の実施例におけるセクタ一括消去動作時、プログラム動作時および読出動作時の電圧印加条件を示す図である。
【図22】第6の実施例におけるプログラム動作およびベリファイ動作を説明するためのフローチャートである。
【図23】第6の実施例によるフラッシュメモリに用いられるメモリセルの構造を示す断面図である。
【図24】第6の実施例における2つの隣接したメモリセルの構造図である。
【図25】第6の実施例におけるメモリセルアレイのレイアウト図である。
【図26】図6の実施例のメモリセルアレイにおいて与えられる電圧を示す回路図である。
【図27】高電圧発生回路の等価回路を示す回路図である。
【図28】第6の実施例によるフラッシュメモリに用いられる高電圧発生回路の一部の構造を示す断面図である。
【図29】図28に示した構造において寄生トランジスタが存在することを説明するための断面図である。
【図30】図29に示した寄生トランジスタにより構成された回路の等価回路図である。
【図31】第6の実施例によるフラッシュメモリに用いられる高電圧発生回路の別の構造を示す断面図である。
【図32】負電圧発生回路の等価回路を示す回路図である。
【図33】第6の実施例によるフラッシュメモリに用いられる負電圧発生回路の一部の構造を示す断面図である。
【図34】第7の実施例によるフラッシュメモリに含まれるメモリアレイおよびそれに関連する部分の詳細な構成を示す回路図である。
【図35】第7の実施例におけるプログラム時の主ビット線の電圧の変化を示す図である。
【図36】第8の実施例によるフラッシュメモリの全体の構成を示すブロック図である。
【図37】図36のフラッシュメモリに含まれるメモリアレイおよびそれに関連する部分の詳細な構成を示す回路図である。
【図38】ゲートバーズビークがない場合の消去時のメモリセルの状態を説明するための図である。
【図39】ゲートバーズビークがない場合の消去時の選択セクタのメモリセルおよび非選択セクタのメモリセルへの電圧印加条件を示す図である。
【図40】ゲートバーズビークがない場合のセクタ一括消去動作時の電圧印加条件を示す図である。
【図41】ゲートバーズビークがない場合に用いられるソースデコーダの構成を示す回路図である。
【図42】図41のソースデコーダの各部の電圧を示す図である。
【図43】ゲートバーズビークがある場合の消去時のメモリセルの状態を説明するための図である。
【図44】ゲートバーズビークがある場合の消去時の選択セクタのメモリセルおよび非選択セクタのメモリセルへの電圧印加条件を示す図である。
【図45】ゲートバーズビークがある場合のセクタ一括消去動作時の電圧印加条件を示す図である。
【図46】ゲートバーズビークがある場合に用いられるソースデコーダの構成を示す回路図である。
【図47】図46のソースデコーダの各部の電圧を示す図である。
【図48】ウェル電位が低い場合の消去時の選択セクタのメモリセルおよび非選択セクタのメモリセルへの電圧印加条件を示す図である。
【図49】ウェル電位が低い場合のセクタ一括消去動作時の電圧印加条件を示す図である。
【図50】ウェル電位が低い場合に用いられるソースデコーダの構成を示す回路図である。
【図51】図50のソースデコーダの各部の電圧を示す図である。
【図52】第9の実施例によるフラッシュメモリの全体の構成を示すブロック図である。
【図53】図52のフラッシュメモリに含まれるメモリアレイおよびそれに関連する部分の詳細な構成を示す回路図である。
【図54】第9の実施例におけるセクタ一括消去動作時の電圧印加条件を示す図である。
【図55】図52のフラッシュメモリに含まれるセレクトゲートデコーダおよびソーススイッチの構成を示す回路図である。
【図56】図55のセレクトゲートデコーダおよびソーススイッチの各部の電圧を示す図である。
【図57】第10の実施例によるフラッシュメモリにおけるプログラム動作を説明するためのフローチャートである。
【図58】第11の実施例によるフラッシュメモリにおけるプログラム動作を説明するためのフローチャートである。
【図59】第12の実施例によるフラッシュメモリの全体の構成を示すブロック図である。
【図60】図59に示したメモリセルアレイおよびその周辺回路の回路図である。
【図61】図60に示したワード線とローカルデコーダの出力線との間の接続態様を示す半導体基板上のレイアウト図である。
【図62】図60に示した2つのメモリセル1491および1492の間の分離を示す断面構造図である。
【図63】図60に示した2つのメモリセル1491および1492の間の分離をフィールドシールドトランジスタにより行なう場合の断面構造図である。
【図64】第12の実施例において用いられるワード線電圧制御回路およびプリデコーダの回路図である。
【図65】この発明に従った不揮発性半導体記憶装置の第13実施例のメモリトランジスタ部の一部の断面図である。
【図66】(a)はこの発明に従った不揮発性半導体記憶装置の第14実施例のメモリトランジスタ部の一部の断面図であり、(b)はその等価回路図である。
【図67】この発明に従った不揮発性半導体記憶装置の第14実施例のメモリトランジスタの断面構造図である。
【図68】図66(a)に示す構造のコントロールゲートを形成した状態までにおける平面図である。
【図69】図66(a)に示す構造の副ビット線を形成した状態までにおける平面図である。
【図70】図66(a)に示す構造の主ビット線を形成した状態までにおける平面図である。
【図71】図66(a)に示す構造のアルミ配線を形成した状態までにおける平面図である。
【図72】この発明に従った不揮発性半導体記憶装置の第14実施例の全体の構成の第1の例を示すブロック図である。
【図73】この発明に従った不揮発性半導体記憶装置の第14実施例の全体の構成の第2の例を示すブロック図である。
【図74】この発明に従った不揮発性半導体記憶装置の第14実施例の全体の構成の第3の例を示すブロック図である。
【図75】この発明に従った不揮発性半導体記憶装置の第14実施例の全体の構成の第4の例を示すブロック図である。
【図76】この発明に従った不揮発性半導体記憶装置の第14実施例の全体の構成の第5の例を示すブロック図である。
【図77】この発明に従った不揮発性半導体記憶装置の第14実施例のメモリトランジスタ部の製造方法の第1工程を示す断面図である。
【図78】この発明に従った不揮発性半導体記憶装置の第14実施例のメモリトランジスタ部の製造方法の第2工程を示す断面図である。
【図79】この発明に従った不揮発性半導体記憶装置の第14実施例のメモリトランジスタ部の製造方法の第3工程を示す断面図である。
【図80】この発明に従った不揮発性半導体記憶装置の第14実施例のメモリトランジスタ部の製造方法の第4工程を示す断面図である。
【図81】この発明に従った不揮発性半導体記憶装置の第14実施例のメモリトランジスタ部の製造方法の第5工程を示す断面図である。
【図82】この発明に従った不揮発性半導体記憶装置の第14実施例のメモリトランジスタ部の製造方法の第6工程を示す断面図である。
【図83】この発明に従った不揮発性半導体記憶装置の第14実施例のメモリトランジスタ部の製造方法の第7工程を示す断面図である。
【図84】この発明に従った不揮発性半導体記憶装置の第14実施例のメモリトランジスタ部の製造方法の第8工程を示す断面図である。
【図85】この発明に従った不揮発性半導体記憶装置の第14実施例のメモリトランジスタ部の製造方法の第9工程を示す断面図である。
【図86】この発明に従った不揮発性半導体記憶装置の第14実施例のメモリトランジスタ部の製造方法の第10工程を示す断面図である。
【図87】この発明に従った不揮発性半導体記憶装置の第14実施例のメモリトランジスタ部の製造方法の第11工程を示す断面図である。
【図88】この発明に従った不揮発性半導体記憶装置の第14実施例のメモリトランジスタ部の製造方法の第12工程を示す断面図である。
【図89】この発明に従った不揮発性半導体記憶装置の第14実施例のメモリトランジスタ部の製造方法の第13工程を示す断面図である。
【図90】この発明に従った不揮発性半導体記憶装置の第14実施例のメモリトランジスタ部の製造方法の第14工程を示す断面図である。
【図91】この発明に従った不揮発性半導体記憶装置の第14実施例のメモリトランジスタ部の製造方法の第15工程を示す断面図である。
【図92】この発明に従った不揮発性半導体記憶装置の第14実施例のメモリトランジスタ部の製造方法の第16工程を示す断面図である。
【図93】この発明に従った不揮発性半導体記憶装置の第14実施例のメモリトランジスタ部の製造方法の第17工程を示す断面図である。
【図94】この発明に従った不揮発性半導体記憶装置の第14実施例のメモリトランジスタ部の製造方法の第18工程を示す断面図である。
【図95】この発明に従った不揮発性半導体記憶装置の第14実施例のメモリトランジスタ部の製造方法の第19工程を示す断面図である。
【図96】この発明に従った不揮発性半導体記憶装置の第14実施例のセレクトゲートコンタクト部の製造方法の第1工程を示す断面図である。
【図97】この発明に従った不揮発性半導体記憶装置の第14実施例のセレクトゲートコンタクト部の製造方法の第2工程を示す断面図である。
【図98】この発明に従った不揮発性半導体記憶装置の第14実施例のセレクトゲートコンタクト部の製造方法の第3工程を示す断面図である。
【図99】この発明に従った不揮発性半導体記憶装置の第14実施例のセレクトゲートコンタクト部の製造方法の第4工程を示す断面図である。
【図100】この発明に従った不揮発性半導体記憶装置の第14実施例のセレクトゲートコンタクト部の製造方法の第5工程を示す断面図である。
【図101】この発明に従った不揮発性半導体記憶装置の第14実施例のソース線コンタクト部の平面図である。
【図102】この発明に従った不揮発性半導体記憶装置の第14実施例のソース線コンタクト部の製造方法の第1工程を示す断面図である。
【図103】この発明に従った不揮発性半導体記憶装置の第14実施例のソース線コンタクト部の製造方法の第2工程を示す断面図である。
【図104】この発明に従った不揮発性半導体記憶装置の第14実施例のソース線コンタクト部の製造方法の第3工程を示す断面図である。
【図105】この発明に従った不揮発性半導体記憶装置の第14実施例のソース線コンタクト部の製造方法の第4工程を示す断面図である。
【図106】この発明に従った不揮発性半導体記憶装置の第14実施例のソース線コンタクト部の製造方法の第5工程を示す断面図である。
【図107】この発明に従った不揮発性半導体記憶装置の第15実施例のメモリトランジスタ部の断面図である。
【図108】この発明に従った不揮発性半導体記憶装置の第16実施例のメモリトランジスタ部の一部の断面図である。
【図109】図69におけるF−F線に沿って見た断面に対応する断面を示す図である。
【図110】この発明に従った不揮発性半導体記憶装置の第16実施例のメモリトランジスタ部の製造方法の第10工程を示す断面図である。
【図111】この発明に従った不揮発性半導体記憶装置の第16実施例のメモリトランジスタ部の製造方法の第11工程を示す断面図である。
【図112】この発明に従った不揮発性半導体記憶装置の第16実施例のメモリトランジスタ部の製造方法の第12工程を示す断面図である。
【図113】この発明に従った不揮発性半導体記憶装置の第16実施例のメモリトランジスタ部の製造方法の第13工程を示す断面図である。
【図114】この発明に従った不揮発性半導体記憶装置の第16実施例のメモリトランジスタ部の製造方法の第14工程を示す断面図である。
【図115】この発明に従った不揮発性半導体記憶装置の第16実施例のメモリトランジスタ部の製造方法の第15工程を示す断面図である。
【図116】この発明に従った不揮発性半導体記憶装置の第16実施例のメモリトランジスタ部の製造方法の第16工程を示す断面図である。
【図117】この発明に従った不揮発性半導体記憶装置の第16実施例のメモリトランジスタ部の製造方法の第17工程を示す断面図である。
【図118】この発明に従った不揮発性半導体記憶装置の第16実施例のメモリトランジスタ部の製造方法の第18工程を示す断面図である。
【図119】この発明に従った不揮発性半導体記憶装置の第16実施例のメモリトランジスタ部の製造方法の第19工程を示す断面図である。
【図120】この発明に従った不揮発性半導体記憶装置の第17実施例を示す部分断面図である。
【図121】(a)はこの発明に従った不揮発性半導体記憶装置の第17実施例のメモリトランジスタ部の製造方法の第1工程を示す部分断面図である。(b)はこの場合の平面図である。
【図122】(a)はこの発明に従った不揮発性半導体記憶装置の第17実施例のメモリトランジスタ部の製造方法の第2工程を示す部分断面図である。(b)はこの場合の平面図である。
【図123】この発明に従った不揮発性半導体記憶装置の第17実施例のメモリトランジスタ部の製造方法の第3工程を示す部分断面図である。
【図124】この発明に従った不揮発性半導体記憶装置の第17実施例のメモリトランジスタ部の製造方法の第4工程を示す部分断面図である。
【図125】(a)はこの発明に従った不揮発性半導体記憶装置の第17実施例のメモリトランジスタ部の製造方法の第5工程を示す部分断面図である。(b)はこの場合の平面図である。
【図126】この発明に従った不揮発性半導体記憶装置の第17実施例の他の態様を示す部分断面図である。
【図127】この発明に従った不揮発性半導体記憶装置の特徴的な動作を説明するための模式図である。
【図128】従来のフラッシュメモリに用いられるスタックゲート型メモリセルの構造を示す断面図である。
【図129】従来のフラッシュメモリにおけるプログラムおよび消去動作としきい値電圧との関係を示す図である。
【図130】従来のフラッシュメモリにおけるプログラム時および消去時のメモリセルへの電圧印加条件を示す図である。
【図131】従来のフラッシュメモリの全体の構成を示すブロック図である。
【図132】図131のフラッシュメモリに含まれるXデコーダの構成を示すブロック図である。
【図133】従来のフラッシュメモリにおけるプログラム動作時の電圧印加条件を示す図である。
【図134】従来のフラッシュメモリにおける消去前書込動作を説明するためのフローチャートである。
【図135】従来のフラッシュメモリにおける一括消去動作を説明するためのフローチャートである。
【図136】従来のフラッシュメモリにおける一括消去動作時の電圧印加条件を示す図である。
【図137】従来のフラッシュメモリにおける読出動作時の電圧印加条件を示す図である。
【図138】従来のフラッシュメモリにおけるプログラム動作時、消去動作時および読出動作時における各線の電圧を示す図である。
【図139】従来のフラッシュメモリにおいて消去前書込動作を行なうことなく一括消去動作を行なった場合のしきい値電圧を示す図である。
【図140】従来のフラッシュメモリにおいて消去前書込動作を行なった後一括消去動作を行なった場合のしきい値電圧を示す図である。
【図141】従来のフラッシュメモリにおける書換動作を説明するためのフローチャートである。
【図142】従来のフラッシュメモリにおいて一括消去動作を行なった場合のしきい値電圧の変化を示す図である。
【図143】選択トランジスタを含むメモリセルの構造を示す断面図である。
【図144】セクタ分割時のディスターブを説明するための図である。
【図145】主ビット線および副ビット線を有する従来のフラッシュメモリのメモリセルアレイのレイアウト図である。
【図146】従来のフラッシュメモリのメモリセルの構造図である。
【図147】従来のフラッシュメモリのメモリセルアレイにおいて与えられる電圧を示す回路図である。
【図148】フラッシュメモリの一般的な構成を示すブロック図である。
【図149】NOR型のメモリセルマトリックスの概略構成を示す等価回路図である。
【図150】NOR型のメモリトランジスタの断面構造図である。
【図151】NOR型の平面的配置を示す概略平面図である。
【図152】図151のA−A線に沿う部分断面図である。
【図153】NAND型フラッシュメモリのメモリセルマトリックスの一部の等価回路図である。
【図154】NAND型フラッシュメモリのメモリセルマトリックスの一部の断面図である。
【図155】NAND型フラッシュメモリのメモリトランジスタの断面構造図である。
【図156】(a)は従来のバーチャルグランド構成のメモリセルアレイを有する不揮発性半導体記憶装置の概略構成を示す平面図である。(b)は(a)におけるB−B線に沿って見た断面図である。
【図157】図156に示される不揮発性半導体記憶装置の従来の書込動作を説明するための図である。
【図158】図156に示される不揮発性半導体記憶装置の従来の消去動作を説明するための図である。
【図159】図156に示される従来の不揮発性半導体記憶装置に本発明に従った動作を行なわせた場合の問題点を説明するための図である。
【符号の説明】
80 半導体基板
81 nウェル領域
82 pウェル領域
83a、b ソース/ドレイン領域
84a、b ソース領域
85a、b ドレイン領域
86 セレクトゲートトランジスタ
87a、b、c、d メモリトランジスタ
88 コントロールゲート
89 フローティングゲート
90 副ビット線
91a、b 分岐線
92 主ビット線
93 MOSトランジスタ
1001 P− 型半導体基板
1002 ドレイン
1003 ソース
1004 絶縁膜
1005 フローティングゲート
1006 コントロールゲート
1008 P− ウェル
1010,10a メモリアレイ
1020 アドレスバッファ
1030 Xデコーダ
1040 Yデコーダ
1050 Yゲート
1060 センスアンプ
1070 データ入出力バッファ
1080 書込回路
1090 Vpp/Vcc切換回路
100 ベリファイ電圧発生回路
1110 ソース制御回路
1120 制御信号バッファ
1130 制御回路
1140 負電圧制御回路
1210,1220 高電圧発生回路
1230,1240 負電圧発生回路
1250 ウェル電位発生回路
1260 セレクトゲートデコーダ
1270 ソースデコーダ
1281,1282 ソーススイッチ
BL1,BL2,BL3 ビット線
WL0,WL1,WL2,WL3 ワード線
M11,M12,M13,M21,M22,M23,M31,M32,M33メモリセル
SL ソース線
SE1,SE2 セクタ
MB0,MB1 主ビット線
SB01,SB02,SB11,SB12 副ビット線
SL1,SL2 ソース線
SGL1,SGL2 セレクトゲート線
なお、各図中同一符号は同一または相当部分を示す。[0001]
[Industrial applications]
The present invention relates to a nonvolatile semiconductor memory device, and more particularly, to an electrically programmable and erasable nonvolatile semiconductor memory device including a stack gate type memory cell (hereinafter, referred to as a flash memory).
[0002]
[Prior art]
First, the general definitions of erase and program will be described. Erasing refers to changing the threshold voltages of a plurality of memory cells to a predetermined state at once. Programming means changing the threshold voltage of a selected memory cell to another predetermined state. The data "1" is made to correspond to the erased memory cell, and the data "0" is made to correspond to the programmed memory cell.
[0003]
(1) Cross-sectional structure of memory cell (FIGS. 128 and 129)
FIG. 128 shows a cross-sectional structure of a general stack gate type memory cell (memory transistor) used in a conventional flash memory. Two N + type impurity regions are formed on the main surface of the P− type semiconductor substrate 1001 at a predetermined interval. One impurity region forms a drain 1002 and the other impurity region forms a source 1003. On a region of the semiconductor substrate 1001 between the drain 1002 and the source 1003, an insulating film 1004 (about 100 °) made of an extremely thin oxide film or the like is formed. A floating gate 1005 is formed over the insulating film 1004, and a control gate 1006 is formed thereover via an insulating film. Thus, the memory cell has a double gate structure. Note that the P − type semiconductor substrate 1001 may be replaced with a P − well.
[0004]
In a flash memory, information (data) is stored in a memory cell depending on whether electrons are injected into the floating gate 1005 or electrons are emitted from the floating gate 1005.
[0005]
In a state where electrons are injected into the floating gate 1005, the threshold voltage of the memory cell viewed from the control gate 1006 is high, and as shown in FIG. 129, unless the control gate voltage becomes Vg0 or more, the drain 1002 and the source No current flows between 1003. This is because the positive voltage is canceled by the negative charges of the electrons accumulated in the floating gate 1005. This state is called a program state. In this case, data “0” is stored in the memory cell. Since the electrons accumulated in the floating gate 1005 do not disappear semi-permanently as they are, the stored data is also held semi-permanently.
[0006]
In the state where electrons are emitted from the floating gate 1005, the threshold voltage of the memory cell as viewed from the control gate 1006 is low. As shown in FIG. 129, when the control gate voltage becomes Vg1 or more, the drain 1002 and the source Current flows between 1003. This state is called an erase state. In this case, data "1" is stored in the memory cell.
[0007]
By detecting such two states, data stored in the memory cell can be read.
[0008]
(2) Memory cell programming and erasing (FIG. 130)
FIG. 130A shows a voltage application condition at the time of programming of the memory cell, and FIG. 130B shows a voltage application condition at the time of erasing the memory cell.
[0009]
At the time of programming, a write voltage Vw (typically about 6 V) is applied to the drain 1002, a high voltage Vpp (typically about 12 V) is applied to the control gate 1006, and the source 1003 is grounded. Thus, hot electrons due to avalanche breakdown are generated near the drain 1002, or channel hot electrons having high energy are generated in a channel formed in a region between the drain 1002 and the source 1003. Hot electrons accelerated by the high voltage of the control gate 1006 jump over the energy barrier by the insulating film 1004 and are injected into the floating gate 1005 from near the drain. As a result, the threshold voltage of the memory cell increases.
[0010]
At the time of erasing, the drain 1002 is set in a floating state, a high voltage Vpp is applied to the source 1003, and the control gate 1006 is grounded. Thus, a high voltage is generated in the thin insulating film 1004, and electrons are emitted from the floating gate 1005 to the source 1003 by a tunnel phenomenon. As a result, the threshold voltage of the memory cell decreases.
[0011]
Thus, at the time of programming, electrons are injected into the floating gate 1005 by hot electrons. Therefore, as shown in FIG. 130, a P + type impurity region 1002a is provided along the drain 1002 so that a higher electric field is generated in the channel direction or the substrate direction.
[0012]
At the time of erasing, electrons are emitted from the floating gate 1005 to the source 1003 by a tunnel phenomenon. Therefore, at the time of erasing, only an electric field between the floating gate 1005 and the source 1003 is required. It is preferable that the electric field in the channel direction or the substrate direction be small so that a leak current does not occur. Therefore, an N − -type impurity region 1003 a is provided along the source 1003 in order to weaken the electric field in the channel direction or the substrate direction.
[0013]
(3) Overall configuration of flash memory (FIGS. 131 and 132)
FIG. 131 is a block diagram showing the overall configuration of a conventional flash memory.
[0014]
Memory array 1010 includes a plurality of bit lines, a plurality of word lines intersecting the plurality of bit lines, and a plurality of memory cells provided at intersections thereof.
[0015]
FIG. 131 shows four memory cells M00, M01, M10, and M11 arranged in two rows and two columns for the sake of simplicity. The drains of the memory cells M00 and M01 are connected to the bit line BL0, and the drains of the memory cells M10 and M11 are connected to the bit line BL1. The control gates of the memory cells M00 and M10 are connected to the word line WL0, and the control gates of the memory cells M01 and M11 are connected to the word line WL1. The sources of the memory cells M00, M01, M10, M11 are connected to a source line SL.
[0016]
Address buffer 1020 receives an externally applied address signal AD, supplies an X address signal to X decoder 1030, and supplies a Y address signal to Y decoder 1040. X decoder 1030 selects one of a plurality of word lines WL0 and WL1 in response to the X address signal. Y decoder 1040 generates selection signals Y0 and Y1 for selecting any of a plurality of bit lines in response to a Y address signal.
[0017]
Y gate 1050 includes Y gate transistors YG0 and YG1 corresponding to bit lines BL0 and BL1. Y gate transistors YG0 and YG1 connect bit lines BL0 and BL1 to sense amplifier 1060 and write circuit 1080 in response to selection signals Y0 and Y1, respectively.
[0018]
At the time of reading, sense amplifier 1060 detects data read on bit line BL0 or bit line BL1, and outputs the same to outside via data input / output buffer 1070. During programming, externally applied data DA is applied to write circuit 1080 via data input / output buffer 1070, and write circuit 1080 applies a write voltage to bit lines BL0 and BL1 according to the data.
[0019]
Vpp / Vcc switching circuit 1090 receives an externally applied high voltage (normally 12 V) and an externally applied power supply voltage Vcc (normally 5 V), and applies a high voltage Vpp or Supply power supply voltage Vcc. Verify voltage generating circuit 1100 receives an externally applied power supply voltage Vcc, and applies a predetermined verify voltage to a selected word line at the time of verification described later. The source control circuit 1110 applies a high voltage Vpp to the source line SL at the time of erasing.
[0020]
Control signal buffer 1120 supplies a control signal CT supplied from the outside to control circuit 1130. The control circuit 1130 controls the operation of each circuit.
[0021]
As shown in FIG. 132, X decoder 1030 includes a decoder circuit 1301 and a plurality of high voltage switches 1302 corresponding to a plurality of word lines WL. Decoder circuit 1301 decodes X address signal XA and generates a selection signal for selecting any one of a plurality of word lines WL. Each high voltage switch 1302 applies a high voltage Vpp or a power supply voltage Vcc to the selected word line WL in response to a control signal SW provided from the control circuit 1130.
[0022]
This flash memory is formed on a chip CH.
(4) Operation of flash memory (FIGS. 133 to 140)
(A) Program operation (Fig. 133)
FIG. 133 is a diagram showing voltage application conditions during a program operation. Here, it is assumed that memory cell M00 is programmed, for example. Control signal for designating a program operation is supplied to control circuit 1130 via control signal buffer 1120. Vpp / Vcc switching circuit 1090 is externally supplied with high voltage Vpp. Vpp / Vcc switching circuit 1090 supplies high voltage Vpp to X decoder 1030 and Y decoder 1040.
[0023]
X decoder 1030 selects word line WL0 in response to an X address signal supplied from address buffer 1020, and applies high voltage Vpp to it.
[0024]
Further, Y decoder 1040 supplies a high voltage selection signal Y0 to Y gate transistor YG0 in response to a Y address signal supplied from address buffer 1020. This turns on the Y gate transistor YG0.
[0025]
Source control circuit 1110 applies 0 V to source line SL. Write circuit 1080 is activated. Thereby, write voltage Vw is applied to bit line BL0.
[0026]
As a result, a voltage is applied to the memory cell M00 as shown in FIG. 130A, and the memory cell M00 is programmed.
[0027]
(B) Erasing operation (FIGS. 134 to 136)
The erase operation includes a pre-erase write operation and a batch erase operation.
[0028]
(I) Write operation before erase (FIG. 134)
Before the memory cells are erased collectively, all the memory cells are programmed by the above method. Thus, the threshold voltages of all the memory cells are increased. This is called a pre-erase write operation.
[0029]
The pre-erase write operation will be described with reference to the flowchart in FIG. First, it is determined whether or not the data of all the memory cells is “0” (step S51). If the data of all the memory cells is not "0", the address specified by the address signal is set to the address 0 (step S52). Then, the memory cell specified by the address signal is programmed by the above-described program operation (step S53).
[0030]
Next, it is determined whether or not the address specified by the address signal is the last address (step S54). If the address is not the last address, the address is incremented by one (step S55), and the program operation is performed (step S53). This operation is continued until the address reaches the final address (steps S53, S54, S55). When the address becomes the last address, the pre-erase write operation ends.
[0031]
(Ii) Batch erase operation (FIGS. 135 and 136)
Next, the batch erase operation will be described with reference to the flowchart in FIG. FIG. 136 shows voltage application conditions at the time of batch erasing.
[0032]
First, a control signal designating batch erase is supplied to the control circuit 1130 via the control signal buffer 1120. At the time of batch erasing, Vpp / Vcc switching circuit 1090 applies high voltage Vpp to source control circuit 1110. The source control circuit 1110 applies the high voltage Vpp to the source line SL (Step S61).
[0033]
The X decoder 1030 grounds the word lines WL0 and WL1. The Y decoder 1040 supplies 0V selection signals Y0 and Y1 to the Y gate transistors YG0 and YG1, respectively. Thereby, the bit lines BL0 and BL1 enter a floating state.
[0034]
As a result, a voltage is applied to all the memory cells as shown in FIG. 130B, and the threshold voltages of all the memory cells decrease.
[0035]
It is difficult to lower the threshold voltages of all the memory cells below a predetermined value only by once applying a high voltage (erase voltage) to the source line SL. Therefore, generally, a high voltage pulse is applied to the source line SL a plurality of times, and an erase verify operation is performed after each pulse application.
[0036]
First, after applying a high voltage pulse to the source line SL (step S61), the source line SL is set to 0 V (step S62), and address 0 is selected (step S63). Then, a predetermined verify voltage lower than the power supply voltage Vcc is applied to the selected word line by the verify voltage generating circuit 1100 (step S64). Thereby, the data of the selected memory cell is read out to the corresponding bit line, and detected by sense amplifier 1060. Then, it is determined whether the data detected by the sense amplifier 1060 is "1" (step S65).
[0037]
If the data detected by sense amplifier 1060 is "0", steps S61 to S64 are repeated.
[0038]
If the data detected by the sense amplifier 1060 is "1", it is determined whether or not the address specified by the address signal is the last address (step S66). If the address is not the last address, the address is incremented by 1 (step S67). Thus, data of all memory cells is read while incrementing the address by one. If the read data is "0", a high voltage pulse is applied to the source line SL to erase the memory cell.
[0039]
In this way, all the memory cells are gradually erased while monitoring the threshold voltage of the memory cells.
[0040]
(C) Read operation (FIG. 137)
FIG. 137 shows voltage application conditions during the read operation. Here, it is assumed that data is read from memory cell M00.
[0041]
First, a control signal designating a read operation is supplied to control circuit 1130 via control signal buffer 1120. X decoder 1030 selects word line WL0 in response to an X address signal supplied from address buffer 1020, and applies power supply voltage Vcc to it. At this time, the potential of the unselected word line is kept at 0V.
[0042]
Y decoder 1040 turns on Y gate transistor YG0 in response to a Y address signal provided from address buffer 1020. Thereby, bit line BL0 is connected to sense amplifier 1060. At this time, 0 V is applied to the source line SL by the source control circuit 1110.
[0043]
As a result, when the threshold voltage of the memory cell M00 is low, the memory cell M00 is turned on. Thereby, current I flows through resistor R in sense amplifier 1060, and read voltage Vr on bit line BL0 decreases. The read voltage Vr on bit line BL0 is output as data "1" via inverter INV2.
[0044]
When the threshold voltage of the memory cell M00 is high, the memory cell M00 is turned off. Thereby, read voltage Vr on bit line BL0 increases. The read voltage Vr on bit line BL0 is output as data "0" via inverter INV2.
[0045]
When the voltage of the bit line at the time of reading becomes close to the power supply voltage Vcc, hot electrons may be generated and the memory cell may be programmed. This is called soft light. In order to prevent this soft write, the read voltage Vr on the bit line is set to about 1 V by the N-channel transistor TR and the inverter INV1.
[0046]
(D) Potential of each line in each operation (FIG. 138)
FIG. 138 shows potentials of a word line, a bit line, and a source line in a program operation, an erase operation, and a read operation. At the time of programming and writing before erasure, the high voltage Vpp is applied to the word line, the write voltage Vw is applied to the bit line, and 0 V is applied to the source line. At the time of batch erasing, the high voltage Vpp is applied only to the source line, 0 V is applied to the word line, and the bit line is in a floating state. At the time of reading, the power supply voltage Vcc is applied to the word line, the source line becomes 0 V, and the read voltage Vr appears on the bit line.
[0047]
(E) Reasons why the pre-erase write operation is required (FIGS. 139 and 140)
Next, the reason why the pre-erase write operation is required at the time of erasure will be described with reference to FIGS. FIG. 139 shows a change in the threshold voltage of the memory cell when the program operation and the batch erase operation are performed. FIG. 140 shows a change in the threshold voltage of the memory cell when the program operation, the pre-erase write operation, and the batch erase operation are performed.
[0048]
In the batch erase operation, as shown in FIG. 130B, the control gate 1006 of the memory cell becomes 0 V, the drain 1002 is in a floating state, and the source 1003 is supplied with the high voltage Vpp. Under such a voltage application condition, a high voltage is generated between the source 1003 and the floating gate 1005, and the electrons stored in the floating gate 1005 are extracted to the source 1003 by the high voltage. As a result, the threshold voltage of the memory cell decreases.
[0049]
However, if this erase operation is performed in a state where the threshold voltage is low (data "1"), the threshold voltage of the memory cell becomes negative as shown in FIG. This is called depletion of the memory cell. Due to the depletion of the memory cells, the following problem occurs during reading.
[0050]
Here, it is assumed that in the read operation shown in FIG. 137, memory cell M00 is selected and memory cell M01 is depleted by batch erasure. That is, the threshold voltage of the memory cell M01 is negative.
[0051]
In this case, the power supply voltage Vcc is applied to the word line WL0, but the potential of the word line WL1 remains at 0V. If the memory cell M00 stores data "0", the memory cell M00 does not turn on even if the potential of the word line WL0 becomes the power supply voltage Vcc. Therefore, no current is generated in bit line BL0.
[0052]
However, when the threshold voltage of the memory cell M01 is negative, the memory cell M01 is turned on even if the potential of the word line WL1 is 0V. As a result, a current is generated in the bit line BL0. In this case, sense amplifier 1060 determines that the data stored in memory cell M00 is "1".
[0053]
As described above, if the threshold voltage of at least one of the memory cells connected to the bit line is negative, a current flows through the bit line even when the memory cell is in a non-selected state. Will flow. Therefore, data stored in the selected memory cell cannot be read accurately.
[0054]
In order to solve such a problem, as shown in FIG. 140, a pre-erase write operation is performed before the batch erase operation. As a result, the threshold voltages of all the memory cells are temporarily set to a high state, and then the collective erase operation is performed. As a result, the voltage of the erased memory cell is unified to a positive value and lower than the power supply voltage Vcc. As described above, the reliability is improved by the pre-erase write operation.
[0055]
Hereinafter, the structure of the conventional flash memory will be described in more detail.
A flash memory exists as a memory device in which data can be freely written and which can be electrically erased. An EEPROM composed of one transistor and capable of electrically erasing written information charges at once, a so-called flash memory is disclosed in U.S. Pat. No. 4,868,619, "An In-System Reprogrammable 32K × 8 CMOS". Flash Memory "by Virgil Niles Kynett et al. , IEEE Journal of Solid-State Circuits, vol. 23, no. 5, October 1988.
[0056]
FIG. 148 is a block diagram showing a general configuration of the flash memory. In the figure, the flash memory includes a memory cell matrix 1, an X address decoder 2, a Y gate 3, a Y address decoder 4, an address buffer 5, a write circuit 6, a sense amplifier 7, and a memory cell matrix 1 arranged in a matrix. , An input / output buffer 8 and a control logic 9.
[0057]
The memory cell matrix 1 has a plurality of memory transistors arranged in a matrix therein. X address decoder 2 and Y gate 3 are connected to select a row and a column of memory cell matrix 1. The Y gate 3 is connected to a Y address decoder 4 for giving column selection information. An address buffer 5 for temporarily storing address information is connected to each of the X address decoder 2 and the Y address decoder 4.
[0058]
The Y gate 3 is connected to a write circuit 6 for performing a write operation at the time of data input and a sense amplifier 7 for determining “0” and “1” from a current value flowing at the time of data output. An input / output buffer 8 for temporarily storing input / output data is connected to the write circuit 6 and the sense amplifier 7, respectively. A control logic 9 for controlling the operation of the flash memory is connected to the address buffer 5 and the input / output buffer 8. The control logic 9 performs control based on a chip enable signal, an output enable signal, and a program signal.
[0059]
FIG. 149 is an equivalent circuit diagram showing a schematic configuration of memory cell matrix 1 shown in FIG. 148. A flash memory having this memory cell matrix is called a NOR type. In the figure, a plurality of word lines WL1, WL2,..., WLi extending in the row direction and a plurality of bit lines BL1, BL2,. I do. Memory transistors Q11, Q12,..., Qij each having a floating gate are arranged at intersections of each word line and each bit line. The drain of each memory transistor is connected to each bit line. The control gate of the memory transistor is connected to each word line. The sources of the memory transistors are connected to source lines S1, S2,. The sources of the memory transistors belonging to the same row are connected to each other as shown in the figure.
[0060]
FIG. 150 is a partial cross-sectional view showing a cross-sectional structure of one memory transistor included in the NOR flash memory as described above. FIG. 151 is a schematic plan view showing a planar arrangement of the NOR type flash memory. FIG. 152 is a partial sectional view taken along line AA of FIG. The structure of the NOR flash memory will be described with reference to these drawings.
[0061]
Referring to FIGS. 150 and 152, an n-type impurity region, for example, a drain region 11 and a source region 12 are formed on main surface of p-type impurity region 10 provided on a silicon substrate at an interval. I have. In a region interposed between the drain region 11 and the source region 12, a control gate 13 and a floating gate 14 are formed so as to form a channel. The floating gate 14 is formed on the p-type impurity region 10 with a thin gate oxide film 15 having a thickness of about 100 ° interposed. The control gate 13 is formed on the floating gate 14 with an interlayer insulating film 16 interposed therebetween so as to be electrically separated from the floating gate 14. Floating gate 14 is formed from polycrystalline silicon. The control gate 13 is composed of a polycrystalline silicon layer or a laminated film of a polycrystalline silicon layer and a refractory metal. Oxide film 17 is formed by depositing the surface of a polycrystalline silicon layer constituting floating gate 14 and control gate 13 by a CVD method. Further, a smooth coat film 21 (see FIG. 152) is formed so as to cover the floating gate 14 and the control gate 13.
[0062]
As shown in FIG. 151, control gates 13 are formed as word lines so as to be connected to each other and extend in the horizontal direction (row direction). The bit line 18 is arranged so as to be orthogonal to the word line 13 and is electrically connected to each drain region 11 through a drain contact 20. As shown in FIG. 152, the bit line 18 is formed on the smooth coat film 21. As shown in FIG. 151, the source region 12 extends in the direction in which the word line 13 extends, and is formed in a region surrounded by the word line 13 and the field oxide film 19. The drain region 11 is also formed in a region surrounded by the word line 13 and the field oxide film 19.
[0063]
The operation of the NOR flash memory configured as described above will be described with reference to FIG.
[0064]
First, in a write operation, a voltage of about 5 V is applied to the drain region 11 and a voltage of about 10 V is applied to the control gate 13. Then, the source region 12 and the p-type impurity region 10 are kept at the ground potential (OV). At this time, a current of several hundred μA flows through the channel of the memory transistor. Among the electrons flowing from the source to the drain, the electrons accelerated in the vicinity of the drain become electrons having high energy in the vicinity of the electrons, that is, so-called channel hot electrons. The electrons are injected into the floating gate 14 by an electric field generated by the voltage applied to the control gate 13 as shown by the arrow (1). In this manner, electrons are stored in floating gate 14, and the threshold voltage Vth of the memory transistor becomes, for example, 8V. This state is called a write state, "0".
[0065]
Next, in the erasing operation, a voltage of about 5 V is applied to the source region 12, a voltage of about -10V is applied to the control gate 13, and the p-type impurity region 10 is kept at the ground potential. Then, the drain region 11 is released. Due to the electric field generated by the voltage applied to the source region 12, the electrons in the floating gate 14 pass through the thin gate oxide film 15 by the FN tunnel phenomenon as shown by the arrow (2). In this way, the electrons in floating gate 14 are extracted, whereby the threshold voltage Vth of the memory transistor becomes, for example, 2V. This state is called an erased state, "1". Since the sources of the respective memory transistors are connected as shown in FIG. 149, all the memories can be collectively erased by this erasing operation.
[0066]
Further, in the read operation, a voltage of about 5 V is applied to the control gate 13 and a voltage of about 1 V is applied to the drain region 11. Then, the source region 12 and the p-type impurity region 10 are kept at the ground potential. At this time, “1” or “0” is determined depending on whether a current flows in the channel region of the memory transistor.
[0067]
That is, in the writing state, Vth is 8 V, so that no channel is formed and no current flows. On the other hand, in the erase state, Vth is 2 V, so that a channel is formed and a current flows.
[0068]
In the NOR type, electrons are injected into the floating gate 14 using channel hot electrons to set the write state to “0”. Since the injection of electrons by channel hot electrons is inefficient, the NOR type has a problem that the power consumption increases.
[0069]
Referring to FIG. 152, for example, when the memory transistor 22a is selected and written, by applying a voltage of about 5 V to the drain region 11 and about 10 V to the control gate 13 as described above, Writing is performed on floating gate 14 of transistor 22a.
[0070]
Next, when the memory transistor 22b is selected and written, the same voltage is applied to the drain region 11 and the control gate 13 in the memory transistor 22b. The memory transistor 22a and the memory transistor 22b share the drain region 11. Therefore, the voltage applied to the drain region 11 when writing to the memory transistor 22b may cause electrons injected into the floating gate 14 of the memory transistor 22a to be drawn out to the drain region 11 by a tunnel phenomenon. This phenomenon is called a drain disturb phenomenon. Due to the drain disturb phenomenon, electrons are extracted from the floating gate of the memory transistor into which the electrons have been injected, so that the memory transistor, which should have been in the written state, becomes in the erased state, causing a malfunction of the flash memory.
[0071]
The NAND type solves the problem of the NOR type. The NAND flash memory is, for example, a PP.NIXEI ELECTRONICS 1992.2.17 (No. 547). 180-181. FIG. 153 is an equivalent circuit diagram of a part of the memory cell matrix of the NAND flash memory. In select gate transistors 39a, 39b, and 39c, one impurity region is connected to a bit line, and the other impurity region is connected to memory transistors 38a, 38b, and 38c.
[0072]
Eight memory transistors 38a arranged in the vertical direction are selected by the select gate transistor 39a, eight memory transistors 38b arranged in the vertical direction are selected by the select gate transistor 39b, and eight memory transistors 38b are arranged in the vertical direction by the select gate transistor 39c. The memory transistors 38c arranged in a line are selected. These memory transistors 38a, 38b, 38c are grounded through select gate transistors 23a, 23b, 23c, respectively.
[0073]
FIG. 154 is a cross-sectional view of a part of the memory cell matrix of the NAND flash memory. Impurity regions 27 are formed at intervals in P-type impurity regions 30 formed in silicon substrate 26. Between each impurity region 27, a memory transistor 38a including a floating gate 29 and a control gate 28 is formed.
[0074]
FIG. 155 is a sectional structural view of the memory transistor 38a. In the p-type impurity region 30 formed on the silicon substrate, an impurity region 27 is formed with a space therebetween. On the p-type impurity region 30 between the impurity regions 27, a gate oxide film 35, a floating gate 29, an interlayer insulating film 36, and a control gate 28 are stacked. Control gate 28 and floating gate 29 are covered with oxide film 37.
[0075]
The operation of the NAND flash memory will be described below with reference to FIGS. First, the write operation will be described. For example, when writing data to the memory transistor 38a having the word line W8, the select gate S2 of the select gate transistor, the bit line B1, the source line and the p-type impurity region 30 are kept at the ground potential, and S1, B2 and B3 are set to about 10V. A voltage is applied, a voltage of about 20 V is applied to the word line W8, and the other word lines W1 to W7 are kept at the ground potential. As a result, as shown by (1) in FIG. 155, in the memory transistor 38a having the word line W8 (control gate 28), electrons in the channel region are injected into the floating gate 29 by the channel FN. This is the write state "0", and at this time, Vth is 3V.
[0076]
Next, the erasing operation will be described. When erasing, a voltage of 20 V is applied to the bit lines, S1, S2 and p-type impurity region 30, and the word lines W1 to W8 are kept at the ground potential. At this time, as indicated by {circle around (2)} in FIG. 155, electrons are extracted from the floating gate 29 of the memory transistor 38a in the write state “0” to the channel region by the channel FN to the erase state “1”. Vth in the erase state "1" is -2V.
[0077]
Next, the read operation will be described. For example, when reading the memory transistor 38a having the word line W8, a voltage of about 1 V is applied to the bit line B1, and the source line and the substrate are kept at the ground potential. Then, the word line W8 is kept at the ground potential, and a voltage of about 5 V is applied to the word lines W1 to W7. Further, a predetermined voltage is applied to the selection gates S1 and S2 to turn on the selection gate transistor.
[0078]
Since the word line W8 is kept at the ground potential (0 V), when the memory transistor 38a having the word line W8 is in the erase state "1", the memory transistor 38a is turned on, and when the write state is "0", the memory transistor 38a is turned on. The transistor 38a is turned off. Since the memory transistor 38a having the word lines W1 to W7 has a voltage of 5 V applied to the word lines W1 to W7, the memory transistor 38a is turned on regardless of the write state "0" and the erase state "1".
[0079]
Therefore, when the memory transistor 38a having the word line W8 is in the erased state "1", referring to FIG. 154, the current passes through the channel formed by each of the word lines W1 to W8, passes through the bit line, and passes through the sense amplifier. It is led to. On the other hand, when the memory transistor 38a having the word line W8 is in the write state "0", no channel is formed depending on the word line W8, so that no current flows to the sense amplifier. When the current is sensed by the sense amplifier, the erase state is determined to be “1”, and when the current is not sensed, the write state is determined to be “0”.
[0080]
Injecting electrons into the floating gate using the channel FN is more efficient than injecting electrons using channel hot electrons. Therefore, the power consumption of the NAND type can be lower than that of the NOR type.
[0081]
Further, the NAND type uses the channel FN at the time of writing and does not apply a high voltage to the drain region of the memory transistor, so that the drain disturb phenomenon can be eliminated.
[0082]
[Problems to be solved by the invention]
(1) Rewriting operation (Fig. 141)
When rewriting the data stored in the memory cell in the above-mentioned conventional flash memory, as shown in FIG. 141, a pre-erase write operation is performed (step S71), and a batch erase operation is performed (step S72). Thereafter, a program operation is performed (step S73).
[0083]
As the capacity of the flash memory increases, the time required for the pre-erase write operation becomes very long. For example, in a 1M-bit flash memory, the time required to program memory cells at all addresses is as long as 1-2 seconds.
[0084]
A long time required for the pre-erase write operation means that a long time is required for rewriting data. This is very inconvenient for the user.
[0085]
(2) Depletion due to over-erasure (Figs. 142 and 143)
As described above, at the time of erasing, by performing a pre-erase write operation before the collective erase operation, the threshold voltages of the memory cells are made substantially the same. However, actually, the erasing characteristics of a plurality of memory cells existing in an erasing unit always have variations.
[0086]
If this variation is very large, as shown in FIG. 142, some memory cells are over-erased and the over-erased memory cells are depleted.
[0087]
In such a depleted memory cell, a current flows even if its control gate is grounded. As a result, data read from the memory cell connected to the same bit line as the depleted memory cell is disturbed by the depleted memory cell, and the data is always determined to be “1”.
[0088]
Such a problem does not exist in a memory cell having a structure as shown in FIG.
[0089]
In FIG. 143, N + -type impurity regions 1302, 1303, and 1310 are formed on a main surface of a P − -type semiconductor substrate 1301 at predetermined intervals. A gate electrode 1304 is formed over a region between impurity regions 1302 and 1303 with an insulating film made of an oxide film interposed therebetween. Thus, a selection transistor 1305 is formed.
[0090]
Floating gate 1307 is formed on impurity region 1303 via an extremely thin oxide film 1306 of about 100 °, and control gate 1308 is formed above it via an insulating film. Thus, a memory transistor 1309 having a two-layer gate structure is formed.
[0091]
The selection transistor 1305 and the memory transistor 1309 form a 1-bit memory cell. Impurity region 1302 is connected to bit terminal B, and gate electrode 1304 is connected to word terminal W. Impurity region 1310 is connected to source terminal S. Control gate 1308 is connected to control gate terminal CG.
[0092]
In the memory cell shown in FIG. 143, since selection transistor 1305 is provided, even if memory transistor 1309 is depleted, the above-described problem does not occur.
[0093]
However, the memory cell of FIG. 143 has a more complicated structure and requires a larger area as compared with the stacked gate memory cell shown in FIG.
[0094]
(3) Disturb between sectors (Fig. 144)
In a conventional flash memory, data rewriting units can be subdivided by dividing a memory array into sectors. In this case, there is a problem that the memory cells in the selected sector affect the memory cells in the non-selected sectors. This is called disturb.
[0095]
For example, as shown in FIG. 144, consider a case where a plurality of memory cells connected to word line WL0 are divided into sectors SE1 and SE2. In this case, when programming the memory cells in the sector SE1, a high voltage is also applied to the control gates of the memory cells in the unselected sector SE2.
[0096]
Also, consider a case where a plurality of memory cells connected to bit line BL0 are divided into sectors SE1 and SE3. In this case, when programming the memory cells in the sector SE1, a high voltage is also applied to the drains of the memory cells in the unselected sector SE3.
[0097]
In any case, even if the disturb occurs about several thousand times, the data can be sufficiently guaranteed. However, since a plurality of sectors exist on the same word line and the same bit line, if the number of rewrites of a memory cell in one sector is set to 10,000, the number of disturbances occurring in other sectors is as follows. .
[0098]
Number of disturbances = (10000 times) x (number of sectors-1)
Thus, when there are a plurality of sectors, the number of disturbances occurring in a certain sector becomes enormous. In recent years, the number of required sector rewrite guarantees is increasing more and more, and disturb between different sectors is a serious problem.
[0099]
(4) Power consumption
When programming a conventional flash memory, electrons are injected into the floating gate by channel hot electrons. Therefore, a large channel current is required at the time of programming. Therefore, the power consumption during programming increases.
[0100]
(5) Degree of integration
On the other hand, US Pat. No. 5,126,808 discloses a conventional flash memory having a main bit line and a sub bit line. In such a flash memory, electron injection by channel hot electrons is used for programming, and a large channel current flows. As a result, the following problems are caused.
[0101]
FIG. 145 is a layout diagram on a semiconductor substrate of a conventional flash memory having a main bit line and a sub bit line. Referring to FIG. 145, a main bit line MB and sub-bit lines SB0 and SB1 are formed in parallel on a semiconductor substrate. Word lines VL0, WL1,... And select gate lines SGL0, SGL1 are formed in a direction perpendicular to these bit lines. A memory cell is formed at a position where each word line and a sub-bit line intersect. For example, memory cells M11, M12,... Are formed at positions where each word line WL0, WL1,. Select gate transistor SG 'for sector selection is formed at a position where main bit line MB and select gate line SGL0 intersect. An N + diffusion layer 1405 is formed in a semiconductor substrate.
[0102]
In the memory cells M11, M12,... Shown in FIG. 145, since programming using channel hot electrons is performed as described above, a large channel current flows through the sub-bit line SB1. Therefore, since this large current flows through select gate transistor SG 'for selecting a sector, it is necessary to select the channel width of select gate transistor SG' to a large value. This means that the select gate transistor SG 'occupies a large area on the semiconductor substrate, and as a result, the degree of integration on the semiconductor substrate is reduced.
[0103]
In addition, in the flash memory shown in FIG. 145, in order to reduce the resistance of main bit line MB and sub-bit lines SB0 and SB1, first and second aluminum wiring layers are formed of sub-bit lines SB0 and SB1 and main bit line SB0 and SB1. It is formed as a bit line MB. Therefore, an aluminum wiring layer cannot be used to reduce the resistance of word lines WL0, WL1,... Formed by the polysilicon layer. As a result, a delay occurs in signal propagation on the word line, and a high operation speed cannot be obtained.
[0104]
FIG. 146 is a structural diagram of a memory cell of a conventional flash memory. Referring to FIG. 146, two memory cells M00 and M10 are separated by a separation oxide film 1402 formed on P well 1008. For example, when programming is performed on memory cell M10, a high voltage of 10V is applied to second aluminum wiring layer 1006 forming the control gate, while a voltage of 5V is applied to drain 1002 'of transistor M10. If the width Wb of the isolation oxide film 1402 is too narrow, a MOS transistor 1403 using this isolation oxide film 1402 as a gate oxide film is equivalently present. The presence of equivalent MOS transistor 1403 prevents desired operation in memory cells M00 and M10. Therefore, width Wb of isolation oxide film 1402 cannot be selected to be a small value in order to prevent the generation of equivalent MOS transistor 1403. This means that the degree of integration in the memory cell array is reduced.
[0105]
FIG. 147 is a circuit diagram showing the operation of the flash memory using a negative voltage. FIG. 147 (a) shows the voltage applied for programming, while FIG. 147 (b) shows the voltage applied for erasing.
[0106]
Referring to FIG. 147 (a), to inject electrons into the floating gate of memory cell M00, a voltage of 5V is applied to bit line BL0, while a negative voltage of -10V is applied to word line WL11. On the other hand, a voltage of 5 V is applied to the unselected word line WL12. In other words, an X decoder not shown needs to output voltages of -10V and 5V.
[0107]
Referring to FIG. 147 (b), in order to erase the data stored in the selected sector SE1, a positive voltage of 10 V is applied to word lines WL11 and WL12, while bit lines BL0 and BL1 have a high impedance. Brought to the state. On the other hand, a negative voltage of -8 V is applied to the word lines WL21 and WL22 in the unselected selector SE2. In other words, an X decoder (not shown) needs to output a positive voltage of 10V and a negative voltage of -8V.
[0108]
Therefore, an X decoder (not shown) needs to output an output voltage having a voltage difference of 15 V in a program operation, and output an output voltage having a voltage difference of 18 V in an erase operation. Therefore, since the voltage difference between the output voltages is large, it is difficult to form the X decoder in a smaller occupied area on the semiconductor substrate.
[0109]
(6) External power supply
At the time of programming, it is necessary to apply a voltage of 5V to 6V to the drain of each memory cell. As described above, programming with channel hot electrons requires a large channel current, and it is very difficult to generate this drain voltage by internal boosting using a single external power supply of 3V or 5V. Even if this is possible, a large number of bits cannot be programmed at the same time, and the programming time is enormous.
[0110]
However, the NAND type has a drawback that the read operation is slow because the read operation is performed by passing a current through eight memory transistors arranged in series.
[0111]
In addition, since a relatively high voltage of 20 V is used for writing and erasing, there is a problem that high integration is difficult.
[0112]
An object of the present invention is to reduce the time required for an erasing operation in a flash memory, thereby shortening the time required for a rewriting operation.
[0113]
Another object of the present invention is to prevent depletion of a stacked gate memory cell due to overerasing.
[0114]
Still another object of the present invention is to prevent disturbance when a memory array is divided into sectors.
[0115]
Still another object of the present invention is to reduce power consumption during programming.
[0116]
Still another object of the present invention is to provide a flash memory operable by a single external power supply.
[0117]
Still another object of the present invention is to provide a nonvolatile semiconductor device which can be operated with low power consumption, can reduce a drain disturb phenomenon, can speed up a read operation, and can lower a maximum voltage. It is to provide a storage device.
[0118]
[Means for Solving the Problems]
Nonvolatile semiconductor memory device according to the first inventionPlace,A plurality of memory cells formed in a well and arranged in rows and columns, a plurality of word lines provided corresponding to the plurality of rows, and a plurality of main bit lines provided corresponding to the plurality of columns And a source line provided commonly to the plurality of memory cells. The plurality of memory cells are divided into a plurality of sectors each having a plurality of memory cells arranged in a plurality of rows and a plurality of columns.
The nonvolatile semiconductor memory device according to the first invention further includes a plurality of sub-bit lines provided corresponding to the plurality of sectors, each including a plurality of sub-bit lines corresponding to a plurality of columns in the corresponding sector. And a plurality of sub-bit line groups for selectively connecting the plurality of sub-bit line groups to the plurality of main bit lines. 1 Connection means. Each of the plurality of memory cells includes a control gate connected to a corresponding word line, a drain connected to a corresponding sub-bit line, a source connected to the source line, and a floating gate.
The nonvolatile semiconductor memory device according to the first invention further comprises: an erasing electron moving means for moving electrons between the floating gates of the plurality of memory cells in the selected sector and the well at the time of erasing; A program electron moving means for moving electrons between the floating gate and the drain end of the selected memory cell, a positive voltage generating means for receiving a power supply voltage from outside and generating a predetermined positive voltage, and Negative voltage generating means for receiving a voltage and generating a predetermined negative voltage. The erasing electron moving unit receives a positive voltage from the positive voltage generating unit and a negative voltage from the negative voltage generating unit, and is provided between each floating gate of a plurality of memory cells corresponding to a selected sector and the well. A voltage is applied to the word line and the well, which is sufficient for electrons to move to the insulating film by a tunnel phenomenon. 1 Voltage applying means. The program electron transfer means applies a voltage between the selected word line and the selected sub-bit line to move electrons between each floating gate and the drain end of the selected memory cell. And a second voltage application unit.
Preferably, each of the plurality of memory cells is not depleted during either erasing or programming.
Instead of this, preferably, each of the plurality of memory cells is not depleted during either erasing or programming, and the threshold voltage of the memory cell during erasing and the memory cell during programming When reading memory cell data, the threshold voltage of the memory cell at the time of erasing is compared with an intermediate value between the threshold voltage of the memory cell at the time of programming. Read means for determining the logic level of the memory cell data is further provided.
[0119]
A nonvolatile semiconductor memory device according to a second aspect of the present invention includes a plurality of memory cells formed in a well and arranged in a plurality of rows and a plurality of columns, a plurality of word lines provided corresponding to the plurality of rows, A plurality of main bit lines provided corresponding to the plurality of columns;,A source line commonly provided to the plurality of memory cells. The plurality of memory cells are divided into a plurality of sectors each including a plurality of memory cells arranged in a plurality of rows and a plurality of columns.
A nonvolatile semiconductor memory device according to a second invention further includes a plurality of sub-bit line groups provided corresponding to the plurality of sectors, each including a plurality of sub-bit lines corresponding to a plurality of columns in the corresponding sector.,First connection means for selectively connecting the plurality of sub-bit line groups to the plurality of main bit lines. Each of the plurality of memory cells includes a control gate connected to a corresponding word line, a drain connected to a corresponding sub-bit line, a source connected to the source line, and a floating gate.
The non-volatile semiconductor storage device according to the second invention further comprises an erasing electron moving means for moving electrons between the floating gates of the plurality of memory cells in the selected sector and the wells during erasing, At the time of programming, a program electron moving means for moving electrons between the floating gate and the drain end of the selected memory cell, a plurality of capacitance means provided corresponding to the plurality of main bit lines, And second connection means for connecting the plurality of capacitance means to each of the plurality of main bit lines.
A nonvolatile semiconductor memory device according to a third aspect of the present invention includes a plurality of memory cells formed in a well and arranged in a plurality of rows and a plurality of columns, a plurality of word lines provided corresponding to the plurality of rows, A plurality of main bit lines provided corresponding to the plurality of columns; and a source line provided commonly to the plurality of memory cells. The plurality of memory cells are divided into a plurality of sectors each including a plurality of memory cells arranged in a plurality of rows and a plurality of columns.
The nonvolatile semiconductor memory device according to the third invention further includes a plurality of sub-bit lines provided corresponding to the plurality of sectors, each including a plurality of sub-bit lines corresponding to a plurality of columns in the corresponding sector. And a first connection means for selectively connecting the plurality of sub-bit line groups to the plurality of main bit lines. Each of the plurality of memory cells includes a control gate connected to a corresponding word line, a drain connected to a corresponding sub-bit line, a source connected to the source line, and a floating gate.
The nonvolatile semiconductor memory device according to the third invention further comprises: an erasing electron moving means for moving electrons between the plurality of memory cells in the selected sector, the floating gate and the well at the time of erasing; Program moving means for moving electrons between the floating gate and the drain end of the selected memory cell.
The source line is divided into a plurality of portions corresponding to the plurality of sectors, and the erasing electron transfer means corresponds to a source line portion corresponding to a selected sector and an unselected sector during erasing. And the potential of the source line to be set are different from each other.
A nonvolatile semiconductor memory device according to a fourth aspect of the present invention includes a plurality of memory cells formed in a well and arranged in a plurality of rows and a plurality of columns, a plurality of word lines provided corresponding to the plurality of rows, The memory device includes a plurality of main bit lines provided corresponding to a plurality of columns, and a source line provided commonly to the plurality of memory cells. The plurality of memory cells are divided into a plurality of sectors each including a plurality of memory cells arranged in a plurality of rows and a plurality of columns.
A nonvolatile semiconductor memory device according to a fourth aspect, wherein a plurality of sub-bit line groups are provided corresponding to the plurality of sectors and each include a plurality of sub-bit lines corresponding to a plurality of columns in the corresponding sector. And first connection means for selectively connecting the plurality of sub-bit line groups to the plurality of main bit lines. Each of the plurality of memory cells includes a control gate connected to a corresponding word line, a drain connected to a corresponding sub-bit line, a source connected to the source line, and a floating gate.
The nonvolatile semiconductor memory device according to the fourth invention further comprises: an erasing electron moving means for moving electrons between the floating gates of the plurality of memory cells in the selected sector and the well at the time of erasing; Floating gate and drain of selected memory cell A program electron transfer unit for transferring electrons between the source and the source line, a capacitor unit, and a second connection unit for connecting the capacitor unit to the source line during erasing.
A nonvolatile semiconductor memory device according to a fifth aspect of the present invention includes a plurality of memory cells formed in a well and arranged in a plurality of rows and a plurality of columns, a plurality of word lines provided corresponding to the plurality of rows, A plurality of main bit lines provided corresponding to the plurality of columns; and a source line provided commonly to the plurality of memory cells. The plurality of memory cells are divided into a plurality of sectors each including a plurality of memory cells arranged in a plurality of rows and a plurality of columns.
A nonvolatile semiconductor memory device according to a fifth aspect of the present invention includes a plurality of sub-bit line groups provided corresponding to the plurality of sectors, each including a plurality of sub-bit lines corresponding to a plurality of columns in the corresponding sector. And first connecting means for selectively connecting the plurality of sub-bit line groups to the plurality of main bit lines. Each of the plurality of memory cells includes a control gate connected to a corresponding word line, a drain connected to a corresponding sub-bit line, a source connected to the source line, and a floating gate.
The nonvolatile semiconductor memory device according to the fifth invention further comprises: an erasing electron moving means for moving electrons between floating gates of a plurality of memory cells in a selected sector and the well at the time of erasing; In some cases, a program electron transfer means for transferring electrons between the floating gate and the drain end of the selected memory cell is provided.
The program electron transfer means precharges a selected main bit line to a predetermined potential in accordance with data and applies a predetermined voltage to a selected word line, and then temporarily grounds a source line. And voltage applying means for applying a negative voltage to the selected multi-word line.
[0120]
【Example】
First, the relationship between the program and erase operations and the threshold voltage in the first to eleventh embodiments described below will be described in comparison with a conventional example.
[0121]
In the conventional example, as shown in FIG. 1B, the threshold voltage of the memory cell is increased by the programming operation, and the threshold voltage of the memory cell is decreased by the erasing operation. On the other hand, in the embodiment, as shown in FIG. 1A, the threshold voltage of the memory cell is decreased by the program operation, and the threshold voltage of the memory cell is increased by the erase operation.
[0122]
That is, in the conventional example, as shown in FIG. 2B, electrons are emitted from the floating gate in the memory cell in the erased state, and the threshold voltage is low. In the memory cell in the programmed state, electrons are injected into the floating gate, and the threshold voltage is high.
[0123]
On the other hand, in the embodiment, as shown in FIG. 2A, in the memory cell in the erased state, electrons are injected into the floating gate, and the threshold voltage is high. In the memory cell in the programmed state, electrons are emitted from the floating gate, and its threshold voltage is low.
[0124]
The point that the erase state corresponds to data "1" and the program state corresponds to data "0" is the same in the embodiment and the conventional example.
[0125]
As described above, in the embodiment, the threshold voltage of each memory cell is increased by the erasing operation. Therefore, as shown in FIG. The threshold voltage can be made higher than the power supply voltage Vcc.
[0126]
In addition, as shown in FIG. 4, even if the threshold voltages of a plurality of memory cells vary, some of the memory cells are not depleted by the batch erase operation.
[0127]
(1) First embodiment (FIGS. 5 to 8)
(A) Overall configuration of flash memory (FIG. 5)
FIG. 5 is a block diagram showing the overall configuration of the flash memory according to the first embodiment. The entire configuration of the flash memory of FIG. 5 is the same as the conventional flash memory of FIG. 131 except that the voltage application conditions in each operation are different. The flash memory of FIG. 5 is also formed on the chip CH.
[0128]
(B) Programming and erasing of memory cells (FIG. 6)
FIG. 6A shows conditions for applying a voltage to a memory cell during programming. FIG. 6B shows conditions for applying a voltage to the memory cell at the time of erasing.
[0129]
At the time of programming, as shown in FIG. 6A, a high voltage Vpp (normally about 12 V) is applied to the drain 1002, 0 V is applied to the control gate 1006, and the source 1003 is brought into a floating state. Accordingly, a high electric field is generated between the floating gate 1005 and the drain 1002, and electrons are emitted from the floating gate 1005 to the drain 1002 by a tunnel phenomenon. As a result, the threshold voltage of the memory cell decreases.
[0130]
At the time of erasing, as shown in FIG. 6B, 0V is applied to the drain 1002, a high voltage Vpp (normally about 12V) is applied to the control gate 1006, and a predetermined high voltage VSL (6V) is applied to the source 1003. Apply. As a result, hot electrons or channel hot electrons are generated near the source 1003 due to avalanche breakdown. These hot electrons are accelerated by the high voltage Vpp of the control gate 1006, jump over the energy barrier by the insulating film 1004, and are injected into the floating gate 1005. As a result, the threshold voltage of the memory cell increases.
[0131]
As described above, electrons are emitted from the floating gate 1005 to the drain 1002 by a tunnel phenomenon at the time of programming. Therefore, an N − -type impurity region 1002 b is provided along the drain 1002 to weaken the electric field in the channel direction or the substrate direction.
[0132]
Further, at the time of erasing, electrons are injected into the floating gate 1005 from the vicinity of the source 1003 by hot electrons. Therefore, a P + -type impurity region 1003b is provided along the source 1003 so that a higher electric field is generated in the channel direction or the substrate direction.
[0133]
Note that the P- well 1008 may be a P- type semiconductor substrate.
(C) Operation of flash memory (Fig. 7)
Next, a batch erase operation, a program operation, and a read operation of the flash memory will be described with reference to FIG. FIG. 7 shows some memory cells M11 to M13, M21 to M23, and M31 to M33 included in the memory array 1010.
[0134]
(I) Batch erase operation ((a) of FIG. 7)
First, a control signal designating a batch erasing operation is supplied to control circuit 1130 via control signal buffer 1120. Vpp / Vcc switching circuit 1090 is externally supplied with high voltage Vpp.
[0135]
Vpp / Vcc switching circuit 1090 applies high voltage Vpp to X decoder 1030. The X decoder 1030 selects all the word lines WL to WL3 and applies a high voltage Vpp to them. Y decoder 1040 turns on all Y gate transistors included in Y gate 1050. Write circuit 1080 applies 0 V to all bit lines BL1 to BL3 via Y gate 1050. Source control circuit 1110 applies a predetermined high voltage VSL (VSL <Vpp) to source line SL.
[0136]
In this way, a voltage is applied to all the memory cells M11 to M33 as shown in FIG. As a result, all the memory cells M11 to M33 are erased.
[0137]
(Ii) Program operation ((b) of FIG. 7)
Here, it is assumed that the memory cell M12 is programmed. That is, data “0” is written to the memory cell M12, and data “1” is written to another memory cell.
[0138]
First, a control signal designating a program operation is supplied to control circuit 1130 via control signal buffer 1120. Vpp / Vcc switching circuit 1090 is externally supplied with high voltage Vpp.
[0139]
X decoder 1030 selects word line WL2 in response to an X address signal supplied from address buffer 1020, applies 0 V to selected word line WL2, and supplies power supply voltage Vcc to unselected word lines WL1 and WL3. Is applied.
[0140]
Vpp / Vcc switching circuit 1090 applies high voltage Vpp to writing circuit 1080. Data is sequentially applied from outside to the write circuit 1080 via the data input / output buffer 1070. At this time, Y decoder 1040 sequentially turns on the Y gate transistors in Y gate 1050 in response to the Y address signal provided from address buffer 1020. Write circuit 1080 applies high voltage Vpp to bit line BL1 via Y gate 1050, and applies power supply voltage Vcc to bit lines BL2 and BL3. The source control circuit 1110 sets the source line SL to a floating state.
[0141]
In this way, a voltage is applied to the memory cell M12 as shown in FIG. At this time, the other memory cells are in one of the following states.
[0142]
(A) The high voltage Vpp is applied to the drain, the power supply voltage Vcc is applied to the control gate, and the source is in a floating state.
[0143]
(B) The power supply voltage Vcc is applied to the drain, 0 V is applied to the control gate, and the source is in a floating state.
[0144]
(C) The power supply voltage Vcc is applied to the drain, the power supply voltage Vcc is applied to the control gate, and the source is in a floating state.
[0145]
As a result, a high electric field is generated only between the floating gate and the drain of the memory cell M12, and only the memory cell M12 is programmed.
[0146]
(Iii) Read operation ((c) in FIG. 7)
The reading operation is almost the same as the operation described with reference to FIG. Here, it is assumed that data is read from memory cell MC12. First, a control signal designating a read operation is supplied to control circuit 1130 via control signal buffer 1120.
[0147]
X decoder 1030 selects word line WL2 in response to an X address signal provided from address buffer 1020, and applies power supply voltage Vcc to it. At this time, the other word lines WL1 and WL3 are kept at 0V. Y decoder 1040 turns on one Y gate transistor in Y gate 1050 in response to a Y address signal provided from address buffer 1020. Source control circuit 1110 grounds source line SL.
[0148]
Thereby, the read voltage Vr appears on the bit line BL1. The read voltage Vr is detected and amplified by the sense amplifier 1060, and output to the outside via the data input / output buffer 1070.
[0149]
(D) Rewriting operation (Fig. 8)
The operation of rewriting data in the flash memory will be described with reference to the flowchart of FIG.
[0150]
First, it is determined whether or not data "1" is stored in all memory cells (step S1). If data "1" is not stored in all the memory cells, a batch erase operation is performed (step S2). Thereafter, a program operation is performed (step S3). Thus, data can be rewritten without performing the pre-write erasing operation as in the conventional example.
[0151]
(E) Modified example
During programming, the unselected bit lines BL2 and BL3 may be in a floating state. At this time, the unselected memory cells are in one of the following states.
[0152]
(A) The high voltage Vpp is applied to the drain, the power supply voltage Vcc is applied to the control gate, and the source is in a floating state.
[0153]
(B) The drain is in a floating state, 0 V is applied to the control gate, and the source is in a floating state.
[0154]
(C) The drain is in a floating state, the power supply voltage Vcc is applied to the control gate, and the source is in a floating state.
[0155]
Also in this case, a high electric field is generated only between the floating gate and the drain of the memory cell M12, and only the memory cell M12 is programmed by a tunnel phenomenon.
[0156]
At the time of programming, the power supply voltage Vcc may be applied to the source line SL. At this time, the high voltage Vpp is applied to the drain of the memory cell M12, 0 V is applied to the control gate, and the power supply voltage Vcc is applied to the source. Other memory cells are in one of the following states.
[0157]
(A) The high voltage Vpp is applied to the drain, the power supply voltage Vcc is applied to the control gate, and the power supply voltage Vcc is applied to the source.
[0158]
(B) The power supply voltage Vcc is applied to the drain, 0 V is applied to the control gate, and the power supply voltage Vcc is applied to the source.
[0159]
(C) The power supply voltage Vcc is applied to the drain, the power supply voltage Vcc is applied to the control gate, and the power supply voltage Vcc is applied to the source.
[0160]
Also in this case, a high electric field is generated only between the floating gate and the drain of the memory cell M12, and only the memory cell M12 is programmed by a tunnel phenomenon.
[0161]
At the time of programming, unselected bit lines BL2 and BL3 may be in a floating state, and power supply voltage Vcc may be applied to source line SL. At this time, the high voltage Vpp is applied to the drain of the memory cell M12, 0 V is applied to the control gate, and the power supply voltage Vcc is applied to the source. The other memory cells are in one of the following states.
[0162]
(A) The high voltage Vpp is applied to the drain, the power supply voltage Vcc is applied to the control gate, and the power supply voltage Vcc is applied to the source.
[0163]
(B) The drain is in a floating state, 0 V is applied to the control gate, and the power supply voltage Vcc is applied to the source.
[0164]
(C) The drain is in a floating state, the power supply voltage Vcc is applied to the control gate, and the power supply voltage Vcc is applied to the source.
[0165]
Also in this case, a high electric field is generated only between the floating gate and the drain of the memory cell M12, and only the memory cell M12 is programmed by a tunnel phenomenon.
[0166]
A verify operation may be performed after the batch erase operation. Further, by applying 0V to the control gates of all the memory cells and applying a high voltage Vpp to the P-well (or the P- type semiconductor substrate) before the batch erase operation, the control gates of all the memory cells are The electrons may be extracted, and then the batch erase operation may be performed while performing the verify operation. This makes it possible to further reduce the variation in the threshold voltage of the collectively erased memory cells.
[0167]
(F) Effect of the first embodiment
In a conventional flash memory, electrons are injected into the floating gate from the drain side. Therefore, when the potential of the bit line increases during the read operation, electrons are injected from the drain into the selected memory cell, and soft writing may occur.
[0168]
On the other hand, in the flash memory of the first embodiment, electrons are injected from the source side into the floating gate. Therefore, during a read operation, soft write is unlikely to occur.
[0169]
The program operation may be performed while performing the verify operation. Thereby, variation in the threshold voltage of the programmed memory cell can be reduced.
[0170]
(2) Second embodiment (FIGS. 9 and 10)
The overall configuration of the flash memory according to the second embodiment is the same as the configuration shown in FIG.
[0171]
(A) Memory cell programming and erasing (FIG. 9)
FIG. 9A shows conditions for applying a voltage to a memory cell during programming. FIG. 9B shows conditions for applying a voltage to the memory cell at the time of erasing. The voltage application conditions at the time of programming are the same as the voltage application conditions shown in FIG.
[0172]
At the time of erasing, as shown in FIG. 9B, 0V is applied to the drain 1002, a high voltage Vpp (normally about 12V) is applied to the control gate 1006, and 0V is applied to the source 1003. Accordingly, a channel ch is formed in a region between the source 1003 and the drain 1002, and a high electric field is generated between the channel ch and the floating gate 1005. Electrons are injected into the floating gate 1005 from the channel ch by a tunnel phenomenon. As a result, the threshold voltage of the memory cell increases.
[0173]
In this embodiment, electrons are emitted from the floating gate 1005 to the drain 1002 by a tunnel phenomenon during programming. Therefore, an N − -type impurity region 1002 c is provided along the drain 1002 to weaken the electric field in the channel direction or the substrate direction.
[0174]
Note that an N − -type impurity region 1003 c may be provided along the source 1003. As described above, when the N− type impurity regions 1002c and 1003c are provided on both the drain side and the source side, the number of manufacturing steps is reduced.
[0175]
(B) Operation of flash memory (FIG. 10)
Next, a batch erase operation, a program operation, and a read operation of the flash memory will be described with reference to FIG. The program operation and the read operation are the same as in the first embodiment. Therefore, the batch erase operation will be described below.
[0176]
First, a control signal designating a batch erasing operation is supplied to control circuit 1130 via control signal buffer 1120. Vpp / Vcc switching circuit 1090 is externally supplied with high voltage Vpp.
[0177]
Vpp / Vcc switching circuit 1090 applies high voltage Vpp to X decoder 1030. X decoder 1030 selects all word lines WL1 to WL3 and applies high voltage Vpp to them. Y decoder 1040 turns on all Y gate transistors included in Y gate 1050. Write circuit 1080 applies 0 V to all bit lines BL1 to BL3 via Y gate 1050. Source control circuit 1110 applies 0 V to source line SL.
[0178]
Thus, a voltage is applied to all the memory cells M11 to M33 as shown in FIG. 9B. As a result, all the memory cells M11 to M33 are erased.
[0179]
Note that a negative voltage may be positively applied to the P- well (or the P- type semiconductor substrate) during the batch erasing operation.
[0180]
Data rewriting is performed according to the procedure shown in FIG. Therefore, data can be rewritten without performing the pre-erase write operation as in the conventional example.
[0181]
(3) Third embodiment (FIGS. 11 to 14)
FIG. 11 is a block diagram showing the overall configuration of the flash memory according to the third embodiment. The flash memory of FIG. 11 differs from the flash memory of FIG. 5 in the following points.
[0182]
Further provided is a negative voltage control circuit 1140 that receives a negative voltage −Vee applied from the outside and generates a predetermined negative voltage. 12, the X decoder 1030 includes a plurality of potential control switches 1303 connected to a plurality of word lines WL, instead of the plurality of high voltage switches 1302 (see FIG. 132). Each potential control switch 1303 applies a high voltage Vpp or power supply voltage Vcc provided from Vpp / Vcc switching circuit 1090 or a negative voltage -Vee provided from negative voltage control circuit 1140 to corresponding word line WL.
[0183]
(B) Memory cell programming and erasing (FIG. 13)
FIG. 13A shows conditions for applying a voltage to a memory cell during programming. FIG. 13B shows conditions for applying a voltage to the memory cell at the time of erasing.
[0184]
At the time of programming, as shown in FIG. 13A, a power supply voltage Vcc (normally about 5 V) is applied to the drain 1002, a negative voltage −Vee (−12 V) is applied to the control gate 1006, and the source 1003 is in a floating state. To Accordingly, a high electric field is generated between the floating gate 1005 and the drain 1002, and electrons are emitted from the floating gate 1005 to the drain 1002 by a tunnel phenomenon. As a result, the threshold voltage of the memory cell decreases.
[0185]
The voltage application conditions at the time of erasing are the same as the voltage application conditions shown in FIG.
[0186]
As described above, electrons are emitted from the floating gate 1005 to the drain 1002 by a tunnel phenomenon at the time of programming. Therefore, an N − -type impurity region 1002 d is provided along the drain 1002 to weaken the electric field in the channel direction or the substrate direction.
[0187]
Further, at the time of erasing, electrons are injected into the floating gate 1005 from the vicinity of the source 1003 by hot electrons. Therefore, a P + -type impurity region 1003d is provided along the source 1003 so that a higher electric field is generated in the channel direction or the substrate direction.
[0188]
(C) Operation of flash memory (FIG. 14)
Next, a batch erase operation, a program operation, and a read operation of the flash memory will be described with reference to FIG. The batch erasing operation and the reading operation are the same as in the first embodiment. Therefore, the program operation will be described below.
[0189]
Here, it is assumed that the memory cell M12 is programmed. That is, data “0” is written to the memory cell M12, and data “1” is written to another memory cell.
[0190]
First, a control signal designating a program operation is supplied to control circuit 1130 via control signal buffer 1120. Negative voltage control circuit 1140 is externally supplied with negative voltage -Vee.
[0191]
The X decoder 1030 selects the word line WL2 in response to the X address signal given from the address buffer 1020, applies the negative voltage -Vee from the negative voltage control circuit 1140 to the selected word line WL2, and 0 V is applied to the word lines WL1 and WL3.
[0192]
Vpp / Vcc switching circuit 1090 supplies power supply voltage Vcc to writing circuit 1080. Data is sequentially applied from outside to the write circuit 1080 via the data input / output buffer 1070. At this time, Y decoder 1040 sequentially turns on the Y gate transistors in Y gate 1050 in response to the Y address signal supplied from address buffer 1020. Write circuit 1080 applies power supply voltage Vcc to bit line BL1 via Y gate 1050, and applies 0 V to bit lines BL2 and BL3. The source control circuit 1110 sets the source line SL to a floating state.
[0193]
In this way, a voltage is applied to the memory cell M12 as shown in FIG. At this time, the other memory cells are in one of the following states.
[0194]
(A) The power supply voltage Vcc is applied to the drain, 0 V is applied to the control gate, and the source is in a floating state.
[0195]
(B) 0 V is applied to the drain, negative voltage -Vee is applied to the control gate, and the source is in a floating state.
[0196]
(C) 0 V is applied to the drain, 0 V is applied to the control gate, and the source is in a floating state.
[0197]
(E) Modified example
During programming, the unselected bit lines BL2 and BL3 may be in a floating state. At this time, the unselected memory cells are in one of the following states.
[0198]
(A) The power supply voltage Vcc is applied to the drain, 0 V is applied to the control gate, and the source is in a floating state.
[0199]
(B) The drain is in a floating state, a negative voltage -Vee is applied to the control gate, and the source is in a floating state.
[0200]
(C) The drain is in a floating state, 0 V is applied to the control gate, and the source is in a floating state.
[0201]
Also in this case, a high electric field is generated only between the floating gate and the drain of the memory cell M12, and only the memory cell M12 is programmed by a tunnel phenomenon.
[0202]
During programming, an unselected bit line may be set to a floating state and 0 V may be applied to the source line SL. At this time, the power supply voltage Vcc is applied to the drain of the memory cell M12, the negative voltage -Vee is applied to the control gate, and 0 V is applied to the source. Other memory cells are in one of the following states.
[0203]
(A) The power supply voltage Vcc is applied to the drain, 0 V is applied to the control gate, and 0 V is applied to the source.
[0204]
(B) The drain is in a floating state, a negative voltage -Vee is applied to the control gate, and 0 V is applied to the source.
[0205]
(C) The drain is in a floating state, 0 V is applied to the control gate, and 0 V is applied to the source.
[0206]
Also in this case, a high electric field is generated only between the floating gate and the drain of the memory cell M12, and only the memory cell M12 is programmed by a tunnel phenomenon.
[0207]
In the third embodiment, the batch erasing operation may be performed in the same manner as in the second embodiment shown in FIG. A voltage is applied to each memory cell as shown in FIG.
[0208]
In this case, since the injection of electrons into the floating gate and the emission of electrons from the floating gate are performed using the tunnel phenomenon, power consumption is reduced. Therefore, a high voltage and a negative voltage can be generated internally from the externally applied power supply voltage.
[0209]
(4) Fourth embodiment (FIGS. 15 and 16)
The overall configuration of the flash memory according to the fourth embodiment is the same as the configuration shown in FIG. The voltage application conditions to the memory cells at the time of programming and erasing are the same as the voltage application conditions shown in FIGS. 6A and 6B. The fourth embodiment differs from the first embodiment only in the control method.
[0210]
(A) Operation of flash memory (FIG. 15)
Next, a page erase operation, a program operation, and a read operation of the flash memory will be described with reference to FIG. The program operation and the read operation are the same as in the first embodiment. Therefore, the page batch erasing operation will be described below.
[0211]
All memory cells connected to one word line are called a page. In the page batch erasing operation, batch erasing is performed in page units. Here, the batch erase operation of the page corresponding to word line WL2 will be described.
[0212]
First, a control signal designating a batch page erase operation is applied to control circuit 1130 via control signal buffer 1120. Vpp / Vcc switching circuit 1090 is externally supplied with high voltage Vpp.
[0213]
Vpp / Vcc switching circuit 1090 applies high voltage Vpp to X decoder 1030. X decoder 1030 selects word line WL2 in response to an X address signal applied from address buffer 1020, applies high voltage Vpp to selected word line WL2, and applies 0 V to unselected word lines WL1 and WL3. Is applied. Y decoder 1040 turns on all Y gate transistors included in Y gate 1050. Write circuit 1080 applies 0 V to all bit lines BL1 to BL3 via Y gate 1050. Source control circuit 1110 applies a predetermined high voltage VSL (VSL <Vpp) to source line SL.
[0214]
In this way, a voltage is applied to the memory cells M12, M22, M32 connected to the word line WL2 as shown in FIG. 6B. As a result, the memory cells M12, M22, M32 are erased.
[0215]
In each memory cell connected to the unselected word lines WL1 and WL3, 0 V is applied to the drain 1002, the high voltage VSL is applied to the source 1003, and 0 V is applied to the control gate 1006. Therefore, there is little possibility that hot electrons are injected into the floating gate 1005 over the energy barrier of the insulating film 1004. Therefore, only the memory cells connected to the selected word line WL2 are collectively erased.
[0216]
As described above, in the fourth embodiment, the batch erasing operation is performed not on a memory array basis but on a page basis.
[0217]
(B) Rewriting operation (FIG. 16)
A data rewriting operation in the flash memory according to the fourth embodiment will be described with reference to a flowchart of FIG.
[0218]
First, it is determined whether or not data “1” is stored in all memory cells (step S11). When data "1" is not stored in all the memory cells, a page batch erasing operation is performed for a page to be rewritten (step S12). Thereafter, a program operation is performed (step S13).
[0219]
In this manner, data can be rewritten in page units without performing the pre-write erasing operation as in the conventional example.
[0220]
(5) Fifth embodiment (FIG. 17)
The overall configuration of the flash memory according to the fifth embodiment is the same as the configuration shown in FIG. The voltage application conditions to the memory cell at the time of programming and erasing are the same as the voltage application conditions shown in FIGS. 9A and 9B. The fifth embodiment differs from the second embodiment only in the control method.
[0221]
A page batch erasing operation, a programming operation, and a reading operation of the flash memory according to the fifth embodiment will be described with reference to FIG. The program operation and the read operation are the same as in the second embodiment. Therefore, the page batch erasing operation will be described below. Here, the batch erase operation of the page corresponding to word line WL2 will be described.
[0222]
First, a control signal designating a batch page erase operation is applied to control circuit 1130 via control signal buffer 1120. Vpp / Vcc switching circuit 1090 is externally supplied with high voltage Vpp.
[0223]
Vpp / Vcc switching circuit 1090 applies high voltage Vpp to X decoder 1030. X decoder 1030 selects word line WL2 in response to an X address signal supplied from address buffer 1020, applies high voltage Vpp to the selected word line WL2, and applies a high voltage to unselected word lines WL1 and WL3. 0 V is applied. Y decoder 1040 turns on all Y gate transistors included in Y gate 1050. Write circuit 1080 applies 0 V to all bit lines BL1 to BL3 via Y gate 1050. Source control circuit 1110 applies 0 V to source line SL.
[0224]
In this way, a voltage is applied to the memory cells M12, M22, M32 connected to the word line WL2, as shown in FIG. 9B. As a result, the memory cells M12, M22, M32 are erased.
[0225]
In each memory cell connected to the unselected word lines WL1 and WL3, 0 V is applied to the drain 1002, the source 1003, and the control gate 1006. Therefore, no high electric field is generated between the floating gate 1005 and the source 1003, and electrons are not injected into the floating gate 1005 by a tunnel phenomenon. Therefore, only the memory cells connected to the selected word line are erased collectively.
[0226]
Thus, also in the fifth embodiment, batch erasing can be performed in page units, not in memory array units.
[0227]
Data rewriting is performed according to the procedure shown in FIG. Therefore, data can be rewritten in page units without performing the pre-erase write operation as in the conventional example.
[0228]
(6) Sixth embodiment (FIGS. 18 to 33)
(A) Overall configuration of flash memory (FIGS. 18 and 19)
FIG. 18 is a block diagram showing the overall configuration of the flash memory according to the sixth embodiment. FIG. 19 is a circuit diagram showing a detailed configuration of the memory array and its related parts.
[0229]
The flash memory shown in FIG. 18 differs from the conventional flash memory shown in FIG. 131 in the following points. The memory array 1010a is divided into a plurality of sectors. In the example of FIG. 18, the memory array 1010a is divided into sectors SE1 and SE2. Memory array 1010a includes select gates SG1 and SG2 corresponding to sectors SE1 and SE2, respectively.
[0230]
Memory array 1010a is formed in P-well 1008. Vpp / Vcc switching circuit 1090 shown in FIG. 131 is not provided, and high voltage generating circuits 1210 and 1220, negative voltage generating circuits 1230 and 1240, well potential generating circuit 1250, and select gate decoder 1260 are further provided. High voltage generation circuits 1210 and 1220 receive power supply voltage Vcc (for example, 5 V) from the outside and generate a high voltage (for example, 10 V). Negative voltage generation circuits 1230 and 1240 receive power supply voltage Vcc from the outside and generate a negative voltage (for example, -10 V). Well potential generating circuit 1250 applies a negative voltage (for example, −5 V) to P− well 1008 during erasing. Select gate decoder 1260 selectively activates select gates SG1 and SG2 in response to a part of the address signal from address buffer 1020.
[0231]
Next, reference is made to FIG. A plurality of main bit lines are arranged in memory array 1010a. FIG. 19 shows two main bit lines MB0 and MB1. Main bit lines MB0 and MB1 are connected to sense amplifier 1060 and write circuit 1080 via Y gate transistors YG0 and YG1, respectively.
[0232]
A plurality of sub-bit lines are arranged corresponding to each main bit line. In the example of FIG. 19, two sub-bit lines SB01 and SB02 are provided corresponding to main bit line MB0, and two sub-bit lines SB11 and SB12 are provided corresponding to main bit line MB1.
[0233]
A plurality of word lines are arranged so as to cross the plurality of sub-bit lines. In the example of FIG. 19, word lines WL0 and WL1 are arranged so as to cross sub bit lines SB01 and SB11, and word lines WL2 and WL3 are arranged so as to cross sub bit lines SB02 and SB12.
[0234]
At the intersections of the sub-bit lines SB01, SB02, SB11, SB12 and the word lines WL0 to WL3, memory cells M00 to M03, M10 to M13 are provided, respectively. Memory cells M00, M01, M10, and M11 are included in sector SE1, and memory cells M02, M03, M12, and M13 are included in sector SE2.
[0235]
The drain of each memory cell is connected to a corresponding sub-bit line, the control gate is connected to a corresponding word line, and the source is connected to a source line SL.
[0236]
Select gate SG1 includes select gate transistors SG01 and SG11, and select gate SG2 includes select gate transistors SG02 and SG12. Sub-bit lines SB01 and SB02 are connected to main bit line MB0 via select gate transistors SG01 and SG02, respectively, and sub-bit lines SB11 and SB12 are connected to main bit line MB1 via select gate transistors SG11 and SG12, respectively. . Select gate line SGL1 of select gate decoder 1260 is connected to select gate transistors SG01 and SG11, and select gate line SGL2 is connected to select gate transistors SG02 and SG12.
[0237]
(B) Programming and erasing of memory cells (FIG. 20)
FIG. 20A shows conditions for applying a voltage to a memory cell during programming. FIG. 20B shows conditions for applying a voltage to the memory cell at the time of erasing.
[0238]
At the time of programming, as shown in FIG. 20A, a positive voltage (for example, 5 V) is applied to the drain 1002, a negative voltage (for example, -10 V) is applied to the control gate 1006, and the source 1003 is brought into a floating state. -Apply 0V to the well 1008. Accordingly, a high electric field is generated between the floating gate 1005 and the drain 1002, and electrons are emitted from the floating gate 1005 to the drain 1002 by a tunnel phenomenon. As a result, the threshold voltage of the memory cell decreases.
[0239]
At the time of erasing, as shown in FIG. 20B, the drain 1002 is set to the floating state, a high voltage (for example, 10 V) is applied to the control gate 1006, the source 1003 is set to the floating state, and the negative voltage ( For example, -5V) is applied. Thereby, a high voltage (in this case, 15 V) is applied between control gate 1006 and P-well 1008, and a high electric field is generated between source 1003 and floating gate 1005. As a result, electrons are injected from the source 1003 into the floating gate 1005 by the tunnel phenomenon, and the threshold voltage of the memory cell increases.
[0240]
As described above, electrons are emitted from the floating gate 1005 to the drain 1002 by a tunnel phenomenon at the time of programming. Therefore, an N − -type impurity region 1002 e is provided along the drain 1002 to weaken the electric field in the channel direction or the substrate direction.
[0241]
Note that an N − -type impurity region 1003 e may be provided along the source 1003. As described above, when the N − -type impurity regions 1002e and 1003e are provided on both the drain side and the source side, the number of manufacturing steps is reduced.
[0242]
(C) Operation of flash memory (FIG. 21)
Next, the collective sector erase operation, program operation, and read operation of the flash memory will be described with reference to FIG.
[0243]
(I) Sector batch erase operation
Here, it is assumed that the sector SE1 is collectively erased. First, a control signal designating a collective sector erase operation is applied to control circuit 1130 via control signal buffer 1120. Thereby, high voltage generation circuit 1220 and negative voltage generation circuit 1230 are activated.
[0244]
The high voltage generation circuit 1220 applies a high voltage (10 V) to the X decoder 1030. The X decoder 1030 applies a high voltage (10 V) to the word lines WL0 and WL1 of the sector SE1, and applies 0 V to the word lines WL2 and WL3 of the sector SE2. Negative voltage generating circuit 1230 applies a negative voltage to Y decoder 1040 and well potential generating circuit 1250. Y decoder 1040 applies a negative voltage (−5 V) to Y gate transistors YG 0 and YG 1 in Y gate 1050. Thereby, main bit lines MB0 and MB1 enter a floating state. The source control circuit 10 sets the source line SL to a floating state. Also, well potential generating circuit 1250 applies a negative voltage (−5 V) to P− well 1008. Select gate decoder 1260 applies 0 V to select gate lines SG1 and SG2.
[0245]
In this way, a voltage is applied to the memory cells M00, M01, M10, and M11 in the sector SE1 as shown in FIG. As a result, all the memory cells in the sector SE1 are erased.
[0246]
At this time, in each memory cell in the non-selected sector SE2, the voltage applied between the control gate and the P- well is 5V. Therefore, no tunnel phenomenon occurs. Further, since this potential condition is almost the same as the potential condition at the time of reading, disturbance to data hardly occurs.
[0247]
(Ii) Program operation ((b) of FIG. 21)
Here, it is assumed that the memory cell M00 is programmed. That is, data “0” is written to the memory cell M00, and data “1” is written to the memory cell M10.
[0248]
First, a control signal designating a program operation is supplied to control circuit 1130 via control signal buffer 1120. Thereby, high voltage generation circuit 1210 and negative voltage generation circuit 1240 are activated.
[0249]
Negative voltage generating circuit 1240 applies a negative voltage to X decoder 1030. X decoder 1030 selects word line WL0 in response to an X address signal provided from address buffer 1020, applies a negative voltage (−10 V) to selected word line WL0, and selects unselected word lines WL1 to WL3. To 0 V.
[0250]
High voltage generation circuit 1210 applies a high voltage to Y decoder 1040, write circuit 1080, and select gate decoder 1260. First, data “0” is externally applied to write circuit 1080 via data input / output buffer 1070 and latched. Y decoder 1040 applies a high voltage (for example, 7 V) to Y gate transistor YG0 in Y gate 1050 and applies 0 V to Y gate transistor YG1 in response to a Y address signal provided from address buffer 1020. This turns on the Y gate transistor YG0.
[0251]
Write circuit 1080 applies a program voltage (5 V) corresponding to data "0" to main bit line MB0 via Y gate transistor YG0. Further, select gate decoder 1260 applies a high voltage (for example, (7 V)) to select gate line SGL1 and 0 V to select gate line SGL2, whereby sub-bit lines SB01 and SB11 are connected to main bit lines MB0 and SB11, respectively. The source control circuit 1110 sets the source line SL to a floating state, and the well potential generation circuit 1250 applies 0 V to the P- well 1008.
[0252]
In this way, a voltage is applied to the memory cell M00 as shown in FIG. As a result, the threshold voltage of the memory cell M00 decreases.
[0253]
After a lapse of a predetermined time (for example, 1 ms), data "1" is externally applied to write circuit 1080 via data input / output buffer 1070 and latched. Y decoder 1040 applies a high voltage (7 V) to Y gate transistor YG1 in Y gate 1050 and 0 V to Y gate transistor YG0 in response to a Y address signal provided from address buffer 1020. This turns on the Y gate transistor YG1. Write circuit 1080 applies 0 V corresponding to data "1" to main bit line MB1 via Y gate transistor YG1. Therefore, the threshold voltage of memory cell M10 is kept high.
[0254]
A verify operation may be performed during a program operation. This verify operation will be described with reference to the flowchart of FIG.
[0255]
As described above, a negative voltage (−10 V) is applied to the selected word line WL0, and a high voltage (7V) is applied to the selected select gate line SGL1 (step S21). Further, the source line SL is set in a floating state (step S22), 5 V is applied to the main bit line MB0 for data "0", and 0 V is applied to the main bit line MB1 for data "1" (step S23). Thereby, the threshold voltage of memory cell M00 decreases. At this time, the threshold voltage of the memory cell M10 is kept high.
[0256]
After a lapse of a fixed time (for example, 1 ms), the control circuit 1130 starts a verify operation. Thereby, verify voltage generating circuit 1100 is activated. Verify voltage generating circuit 1100 supplies a verify voltage lower than normal power supply voltage Vcc to X decoder 1030. As a result, a verify voltage is applied to the selected word line WL0 (step S24). The source line SL is grounded by the source control circuit 1110 (step S25). Thereby, a read operation is performed (step S26).
[0257]
When the threshold voltage of memory cell M00 is higher than the verify voltage, no current flows through main bit line MB0. Therefore, sense amplifier 1060 detects data “1”. In this case, control circuit 1130 determines that the program is insufficient, and performs the program operation and the verify operation again (steps S27, S21 to S26).
[0258]
When the threshold voltage of memory cell M00 becomes lower than the verify voltage, a current flows through main bit line MB0. Therefore, sense amplifier 1060 detects data “0”. In this case, control circuit 1130 determines that the program is sufficient, and ends the program operation for memory cell M00.
[0259]
The X address signal applied to X decoder 1030 is sequentially incremented, and a program operation and a verify operation are sequentially performed on word lines WL1, WL2, WL3 (steps S28, S29).
[0260]
(Iii) Read operation ((c) in FIG. 21)
Here, it is assumed that data is read from memory cell M00. First, a control signal designating a read operation is supplied to control circuit 1130 via control signal buffer 1120.
[0261]
X decoder 1030 selects word line WL0 in response to an X address signal supplied from address buffer 1020, and applies power supply voltage Vcc (5 V) thereto. At this time, the word lines WL1, WL2, WL3 are kept at 0V. Select gate decoder 1260 applies 5 V to select gate line SGL1 and 0 V to select gate line SGL2. Y decoder 1040 turns on Y gate transistor YG 0 in Y gate 1050 in response to a Y address signal provided from address buffer 1020. Source control circuit 1110 grounds source line SL.
[0262]
Thereby, read voltage Vr appears on main bit line MBO. This read voltage Vr is detected by the sense amplifier 1060 and output to the outside via the data input / output buffer 1070.
[0263]
(D) Cross-sectional structure of memory cell (FIG. 23)
FIG. 23 is a diagram showing a sectional structure of a memory cell used in the flash memory of this embodiment. The structure shown in FIG. 23 is called a triple well structure.
[0264]
An N- well 1009 is formed in a predetermined region of the P- type semiconductor substrate 1001, and a P- well 1008 is formed in the N- well 1009. Two N + -type impurity regions are formed at predetermined intervals in a predetermined region in P − well 1008. One of the N + -type impurity regions forms a drain 1002 and the other forms a source 1003. A floating gate 1005 is formed on a region between the source 1002 and the drain 1003 via an insulating film 1004 (about 100 °) such as an extremely thin oxide film, and a control gate 1006 is formed thereon via an insulating film. Is done. Thus, a memory cell MC is formed.
[0265]
CMOS circuit region 1300 includes an N-channel transistor formed in a P-well and a P-channel transistor formed in an N-well.
[0266]
(E) High integration
FIG. 24 is a structural diagram of two adjacent memory cells in the sixth embodiment. As shown in FIG. 24, two memory cells M00 and M10 are separated by a separation oxide film 1400 formed on P well 1008.
[0267]
In the programming operation, a voltage of 5 V is applied to the drain 1002 'of the selected memory cell M10, while a voltage of 0 V is applied to the drain 1002 of the unselected memory cell M00. In addition, a negative voltage of −10 V is applied to second aluminum wiring layer 1006 forming the control gate. Therefore, MOS transistor 1401 equivalently exists using isolation oxide film 1400 as a gate oxide film.
[0268]
This equivalent NMOS transistor 1401 receives a negative voltage of -10 V through a gate electrode. Therefore, this equivalent transistor 1401 cannot conduct in the above-described program operation, and therefore, it is possible to select width Wa of isolation oxide film 1400 to a smaller value than width Wb shown in FIG. And therefore a higher degree of integration is obtained.
[0269]
FIG. 25 is a layout diagram of a memory cell array on a semiconductor substrate in the sixth embodiment. As described above, in the sixth embodiment, since the program operation and the erase operation are performed using the tunnel phenomenon, the current flowing through the sub-bit line is extremely small. Therefore, the channel width of select gate transistors SG0 and SG1 for selecting a sector can be selected to a smaller value as compared with the example shown in FIG. Therefore, a layout suitable for higher integration can be obtained.
[0270]
FIG. 26 is a circuit diagram showing voltages applied to the memory cell array of the sixth embodiment. FIG. 26A shows the voltage applied in the program operation, while FIG. 26B shows the voltage applied in the erase operation.
[0271]
As shown in FIG. 26A, in a program operation, an X decoder (not shown) outputs -10V and 0V output voltages. In other words, the X decoder outputs an output voltage having a voltage difference of 10V.
[0272]
On the other hand, as shown in FIG. 26B, the X decoder requires output voltages of 10 V and 0 V in the erasing operation. In other words, the X decoder outputs an output voltage having a voltage difference of 10V.
[0273]
As can be seen by comparing the output voltage difference (ie, 10 V) shown in FIG. 26 with the output voltage difference (ie, 15 V and 18 V) shown in FIG. 147, the output voltage difference of the X decoder in the sixth embodiment is reduced. I have. This contributes to improving the integration of the X decoder. That is, in the sixth embodiment, since the output voltage difference of the X decoder becomes small, it becomes possible to form the X decoder in a smaller occupied area on the semiconductor substrate.
[0274]
(F) High voltage generation circuit (FIGS. 27 and 28)
FIG. 27A shows an equivalent circuit of the high voltage generation circuit. The high voltage generation circuit includes a plurality of diodes D210 and a plurality of capacitances C210. Two-phase clock signals φ and / φ are applied to the capacitance C210. Thereby, a charge pump is configured.
[0275]
Each diode D210 is usually configured by an N-channel transistor as shown in FIG. The back gate of the N-channel transistor is grounded.
[0276]
However, when the power supply voltage Vcc is low (for example, 3 V), it is difficult to obtain a high voltage due to the back gate effect. The back gate effect means that when the back gate voltage decreases relative to the source voltage, the threshold voltage increases.
[0277]
Therefore, in this embodiment, the structure shown in FIG. 28 is used. A plurality of N− wells 1211 are formed in the P− type semiconductor substrate 1001, and a P + type impurity region 1212 and an N + type impurity region 1213 are formed in each N− well 1211. These P + -type impurity regions 1212 and N + -type impurity regions 1213 constitute a diode.
[0278]
According to this configuration, the back gate effect does not occur because each diode does not have a back gate.
[0279]
However, in some cases, a parasitic transistor (bipolar transistor) as shown in FIG. 29 may be present in the high voltage generating circuit having the structure shown in FIG. Referring to FIG. 29, pnp type parasitic transistors 1411 and 1412 can be formed by P + type impurity region 1212, N− well 1211 and P− type semiconductor substrate 1001. Therefore, the circuit shown in FIG. 30 can be equivalently formed by the presence of these parasitic transistors 1411, 1412,.
[0280]
FIG. 30 is an equivalent circuit diagram of a circuit including the parasitic transistors 1411, 1412,... Shown in FIG. As can be seen from FIG. 30, the cascaded parasitic transistors 1411, 1412,... Amplify a small leak current ILEAK, thereby causing an excessive current In. That is, assuming that the current amplification factor of each of the parasitic transistors 1411, 1412,... Is hfe, an excessive current In determined by the following equation flows.
[0281]
I1 = (1 + hfe) · ILEAK
In = (1 + hfe) n ILEAK
Therefore, in order to prevent an excessive current In from flowing in the high voltage generating circuit, a structure shown in FIG. 31 is proposed.
[0282]
FIG. 31 is a sectional view showing another structure of the high voltage generation circuit used in the flash memory according to the sixth embodiment. As shown in FIG. 31, a triple well structure is applied to a high voltage generation circuit. This prevents the presence of the parasitic transistors 1411, 1412,... As shown in FIG. 29, and a stable boosting operation can be performed.
[0283]
(G) Negative voltage generation circuit (FIGS. 32 and 33)
FIG. 32A shows an equivalent circuit of the negative voltage generation circuit. The negative voltage generation circuit includes a plurality of diodes D230 and a plurality of capacitances C230. Two-phase clock signals φ and / φ are applied to the capacitance C230. Thereby, a charge pump is configured.
[0284]
Each diode D230 is usually formed by a P-channel transistor as shown in FIG. The back gate of the P-channel transistor is grounded.
[0285]
However, when the power supply voltage Vcc is low (for example, 3 V), it is difficult to obtain a low negative voltage due to the back gate effect.
[0286]
Therefore, in this embodiment, a triple well structure shown in FIG. 33 is used. An N- well 1231 is formed in the P- type semiconductor substrate 1001, a plurality of P- wells 1232 are formed in the N- well 1231, and an N + type impurity region 1233 and a P + type impurity region 1234 are formed in each P- well 1232. It is formed. N + type impurity region 1233 and P + type impurity region 1234 constitute a diode.
[0287]
According to this configuration, the back gate effect does not occur because each diode does not have a back gate. Further, as shown in FIG. 23, since the memory cells are also formed in the N- well, the number of manufacturing steps does not increase.
[0288]
(7) Seventh embodiment (FIGS. 34 and 35)
FIG. 34 is a circuit diagram showing a detailed configuration of a memory array of the flash memory according to the seventh embodiment and parts related thereto. The overall configuration of the flash memory according to the embodiment of FIG. 7 is the same as the configuration shown in FIG.
[0289]
The seventh embodiment differs from the sixth embodiment in that capacitances C0 and C1 are connected to main bit lines MB0 and MB1 via transfer gate transistors TG0 and TG1, respectively. Well potential VB is applied to capacitances C0 and C1. Control signal CG1 is applied from control circuit 1130 to transfer gate transistors TG0 and TG1. The configuration of the other parts is the same as the configuration shown in FIG.
[0290]
Assuming that the programming time for one memory cell is, for example, 1 ms, a 2-bit configuration as shown in FIG. 34 requires 2 ms for programming. Actually, since the number of memory cells connected to one word line is hundreds to thousands, rewriting data takes an enormous amount of time. By providing a data latch for each main bit line, memory cells connected to a plurality of bit lines may be simultaneously programmed. However, layout becomes difficult.
[0291]
Therefore, as shown in the seventh embodiment, capacitances C0 and C1 are provided.
[0292]
During programming, the transfer gate transistors TG0 and TG1 turn on in response to the control signal CG1. Further, Y decoder 1040 switches Y gate transistors YG0 and YG1 at high speed, for example, at a period of several tens of microseconds in response to the Y address signal. At this time, data is sequentially applied to write circuit 1080 in accordance with the Y address signal. Thereby, capacitances C0 and C1 are charged according to data via main bit lines MB0 and MB1. This operation is repeated for 1 ms.
[0293]
In general, the current required for tunneling of electrons from the floating gate is several nanoamps or less, so that the current accumulated in the capacitances C0 and C1 can supply the current required for tunneling.
[0294]
As shown in FIG. 35, for example, when Y gate transistors YG0 and YG1 are switched every 250 μsec, the program voltage is not applied to main bit line MB0 for a period of 250 μsec to 500 μsec and for a period of 750 μsec to 1 ms. . However, during these periods, the voltage of the main bit line MB0 is held by the electric charge accumulated in the main bit line MB0 and the capacitance C0. Therefore, the time required to program the memory cells connected to main bit lines MB0 and MB1 is 1 ms.
[0295]
Here, the amount of voltage decrease ΔV during the period when the program voltage is not applied to main bit line MB0 is determined by the value of capacitance C0 and the switching frequency of the Y gate transistor. As the value of the capacitance C0 is larger or the switching frequency is larger, the decrease in the program voltage is suppressed, and the programming is performed stably and at a high speed.
[0296]
When the capacitances C0 and C1 are formed by MOS capacitors, it is preferable to connect the main bit lines MB0 and MB1 to the gates. If the main bit lines MB0 and MB1 are connected to the diffusion layer of the MOS capacitor, the charged program voltage may be discharged in a short time due to, for example, junction leakage at a high temperature.
[0297]
Voltage application conditions during programming and erasing are the same as in the sixth embodiment. Also, the sector batch erasing operation and the programming operation are the same as in the sixth embodiment.
[0298]
(8) Eighth embodiment (FIGS. 36 to 51)
(A) Overall configuration of flash memory (FIGS. 36 and 37)
FIG. 36 is a block diagram showing the overall configuration of the flash memory according to the eighth embodiment. FIG. 37 is a circuit diagram showing a detailed configuration of the memory array and its related parts.
[0299]
The flash memory of FIG. 36 differs from the flash memory of the sixth embodiment shown in FIG. 18 in the following points. A source decoder 1270 is provided instead of the source control circuit 1110. Negative voltage generation circuit 1230 applies a negative voltage to select gate decoder 1260 and source decoder 1270 instead of Y decoder 1040.
[0300]
As shown in FIG. 37, the sources of the memory cells M00, M01, M10, and M11 in the sector SE1 are connected to the source line SL1, and the sources of the memory cells M02, M03, M12, and M13 in the sector SE2 are connected to the source line SL2. Connected. The output terminal of source decoder 1270 is connected to source lines SL1 and SL2.
[0301]
At the time of erasing, the source of each memory cell in the selected sector is in a floating state. If a leak path exists in the source, the source potential increases and the electric field between the source and the floating gate decreases.
[0302]
Therefore, in order to stabilize the source potential at the time of erasing, capacitances C11 and C12 may be connected to the source lines SL1 and SL2 via transfer gate transistors TG11 and TG12, respectively.
[0303]
Well potential VB is applied to capacitances C11 and C12. A control signal CG2 is supplied from the control circuit 1130 to the transfer gate transistors TG11 and TG12.
[0304]
At the time of erasing, the transfer gate transistors TG11 and TG12 turn on in response to the control signal CG2. Thereby, the change in the source potential is reduced.
[0305]
Since the program operation and the read operation in the eighth embodiment are the same as those in the sixth embodiment, the sector batch erase operation will be described below.
[0306]
In the sixth embodiment, at the time of erasing, a voltage is applied as shown in FIG. However, if erasing is performed in a very short time (for example, several milliseconds), the formation of the inversion layer below the memory cell cannot follow the voltage application, and a depletion layer is formed below the memory cell. .
[0307]
In such a case, it is preferable that the conditions for applying a voltage to the memory cells in the selected sector and the conditions for applying a voltage to the memory cells in the unselected sector be different.
[0308]
The voltage application conditions are different depending on whether there is no gate bird's beak in the insulating film 1004 (tunnel insulating film) below the floating gate 1005 or when there is a gate bird's beak. Here, the gate bird's beak refers to a state in which the periphery of the lower surface of the floating gate 1005 is eroded by the tunnel insulating film below the floating gate 1005 during manufacturing, as indicated by gb in FIG. As a result, the thickness of the tunnel insulating film is increased below the periphery of the floating gate 1005.
[0309]
First, the voltage application conditions when there is no or small gate bird's beak will be described, and then the voltage application conditions when the gate bird's beak is large will be described.
[0310]
(B) When there is no gate bird's beak (FIGS. 38 to 42)
(I) Erasing the memory cell (FIGS. 38 and 39)
38, Cg is the capacitance between the control gate 1006 and the floating gate 1005, Cf is the capacitance between the floating gate 1005 and the P- well 1008, Cb is the capacitance due to the depletion layer, and Cd is the capacitance between the drain 1002 and the floating gate 1005. Cs indicates the capacitance between the source 1003 and the floating gate 1005. Ct indicates a combined capacitance of the capacitance Cf and the capacitance Cb.
[0311]
Now, a positive voltage VCG is applied to the control gate 1006, and a negative voltage VB is applied to the P- well 1008. In this case, since the drain 1002 and the source 1003 are in a floating state, the drain voltage Vd and the source voltage Vs become substantially the negative voltage VB. Assuming that the potential of the floating gate 1005 at this time is VFG and the initial accumulated charge is 0, the following equation is established from the charge conservation law.
[0312]
(VCG−VFG) · Cg = (VFG−VB) · (Cs + Ct + Cd) (1)
The following equation is obtained by expanding equation (1).
[0313]
VFG = {VCG · Cg + (Cs + Ct + Cd) · VB} / (Cs + Ct + Cd + Cg) (2)
Expanding equation (2) further gives the following equation.
[0314]
VFG = {VCG + (Cs + Ct + Cd) .VB / Cg} / {(Cs + Ct + Cd) / Cg + 1} (3)
Here, Cs and Cd can be ignored because they are smaller than Cg. Therefore, equation (3) becomes as follows.
[0315]
VFG = (VCG + Ct · VB / Cg) / (Ct / Cg + 1) (4)
When the depletion layer expands, the capacitance Cb decreases and the capacitance Ct also decreases. Therefore, potential VFG of floating gate 1005 approaches potential VCG of control gate 1006. However, the potentials of the drain 1002 and the source 1003 in the floating state are substantially the same as the potential of the P- well 1008.
[0316]
In this case, the electric field E between the floating gate 1005 and the drain 1002 or the source 1003 is expressed by the following equation.
[0317]
E = (VFG−VB) / TOX (5)
Here, VFG represents the potential of the floating gate 1005, VB represents the potential of the P- well 1008, and TOX represents the thickness of the tunnel insulating film.
[0318]
Since the potential VFG of the floating gate 1005 increases, the electric field between the floating gate 1005 and the drain 1002 and the electric field between the floating gate 1005 and the source 1003 increase. Therefore, the tunnel effect at the end of the drain 1002 or the source 1003 is improved. Therefore, the erasing efficiency is improved.
[0319]
Such an effect is preferable in a selected sector, but not preferable in a non-selected sector.
[0320]
Therefore, the source 1003 of the memory cell in the selected sector is set to a floating state as shown in FIG. 39A, and the source 1003 of the memory cell in the non-selected sector is set to FIG. As shown in the figure, the same potential as the potential of the P-well 1008 or a potential higher than the potential of the P-well 1008 is supplied.
[0321]
Thus, in a memory cell in a non-selected sector, a channel ch is formed between the source 1003 and the drain 1002, and the potential of the channel ch is supplied from the source 1003. Therefore, the potential of the floating gate 1005 decreases due to capacitive coupling between the floating gate 1005 and the channel ch, and the electric field applied to the tunnel insulating film is reduced. As a result, the data of the memory cells in the non-selected sectors is stably protected.
[0322]
(Ii) Sector batch erase operation of flash memory (FIG. 40)
With reference to FIG. 40, a description will be given of the collective sector erase operation of the flash memory when there is no gate bird's beak. Here, it is assumed that the sector SE1 is collectively erased.
[0323]
10 V is applied to the word lines WL0 and WL1 in the sector SE1, and 0 V is applied to the word lines WL2 and WL3 in the sector SE2. Further, 0 V is applied to the select gate lines SGL1 and SGL2. -5 V is applied to the P-well 1008. The source line SL1 is set in a floating state, and −5 V is applied to the source line SL2.
[0324]
Thus, the memory cells in the sector SE1 can be erased collectively while the data in the memory cells in the sector SE2 are protected stably.
[0325]
(Iii) Source decoder (FIGS. 41 and 42)
FIG. 41 is a diagram showing a configuration of a source decoder 1270 used when there is no gate bird's beak. FIG. 42 is a diagram showing voltages of respective parts of the source decoder 1270 of FIG. FIG. 41 shows only a portion related to source line SL1. The configuration of the portion related to source line SL2 is the same as the configuration shown in FIG. 41 except that input signals applied to input terminals AD0, AD1, and AD2 are different.
[0326]
The back gates of P-channel transistors P1, P2, P3 are connected to terminal VDD, and the back gates of N-channel transistors N1, N2, N3, N4 are connected to terminal VBB.
[0327]
At the time of erasing, 0 V is applied to the terminal VDD, and the same negative voltage (-5 V) as the well potential is applied to the terminal VBB. Further, the same negative voltage (-5 V) as the well potential or a negative voltage higher than the well potential is applied to the terminal VBB2.
[0328]
When the sector SE1 is selected, an input signal of 0 V is applied to all of the input terminals AD0 to AD2. Therefore, the transistor N4 turns off and the source line SL1 enters a floating state. When the sector SE1 is not selected, an input signal of −5 V is applied to one of the input terminals AD0 to AD2. Therefore, the transistor N4 turns on, and −5 V is applied to the source line SL1.
[0329]
At the time of programming and reading, the power supply voltage Vcc (5 V) is applied to the terminal VDD, 0 V is applied to the terminal VBB, and 0 V is applied to the terminal VBB2.
[0330]
At the time of programming, an input signal of 5 V is applied to all of the input terminals AD0 to AD2. Therefore, the transistor N4 turns off and the source line SL1 enters a floating state.
[0331]
At the time of reading, an input signal of 0 V is applied to all of the input terminals AD0 to AD2. Therefore, the transistor N4 is turned on, and 0 V is applied to the source line SL1.
[0332]
(C) When there is a gate bird's beak (FIGS. 43 to 47)
(I) Erasing the memory cell (FIGS. 43 and 44)
As shown in FIG. 43, if the gate bird's beak gb is large, the diffusion layers forming the drain 1002 and the source 1003 may not extend below the thin tunnel insulating film. In this case, no tunnel effect occurs between the drain 1002 and the floating gate 1005 and between the source 1003 and the floating gate 1005. Therefore, erasing is performed by the tunnel effect between P- well 1008 and floating gate 1005.
[0333]
The electric field E between the floating gate 1005 and the P- well 1008 is expressed by the following equation.
[0334]
E = (VFG−VB) / (TOX + Id) (6)
Here, VFG represents the potential of the floating gate 1005, VB represents the potential of the P− well 1008, TOX represents the thickness of the tunnel insulating film, and Id represents the thickness of the depletion layer. When the drain 1002 and the source 1003 are in a floating state as described above, the electric field is weakened by the depletion layer, and the erasing efficiency is reduced.
[0335]
In such a case, as shown in FIG. 44A, the same negative voltage (−5 V) as the potential of the P− well 1008 is applied to the source 1003 of the memory cell in the selected sector, and The source 1003 of the memory cell in the sector is floated as shown in FIG.
[0336]
Thus, in the memory cell in the selected sector, a channel ch is formed between the source 1003 and the drain 1002, and the potential of the channel ch is supplied from the source 1003. Therefore, a sufficient electric field is applied to the tunnel insulating film between the channel ch and the floating gate 1005, and a tunnel phenomenon occurs between the channel ch and the floating gate 1005. As a result, the erasing efficiency of the memory cells in the selected sector is improved.
[0337]
On the other hand, since the source 1003 of the memory cell in the unselected sector is in a floating state, no channel is formed between the source 1003 and the drain 1002, and a depletion layer is formed below the memory cell. Therefore, the electric field between floating gate 1005 and P− well 1008 is reduced.
[0338]
(Ii) Batch flash sector erase operation (FIG. 45)
The collective sector erase operation of the flash memory when there is a gate bird's beak will be described with reference to FIG. Here, it is assumed that the sector SE1 is collectively erased.
[0339]
10 V is applied to the word lines WL0 and WL1 in the sector SE1, and 0 V is applied to the word lines WL2 and WL3 in the sector SE2. Further, 0 V is applied to the select gate lines SGL1 and SGL2. -5 V is applied to the P-well 1008. -5 V is applied to the source line SL1, and the source line SL2 is set in a floating state.
[0340]
Thus, the memory cells in the sector SE1 can be erased collectively while the data in the memory cells in the sector SE2 are protected stably.
[0341]
(Iii) Source decoder (FIGS. 46 and 47)
FIG. 46 is a diagram showing a configuration of a source decoder 1270 used when there is a gate bird's beak. FIG. 47 is a diagram showing voltages of respective parts of the source decoder 1270 of FIG. FIG. 48 shows only a portion related to source line SL1. The configuration of the portion related to source line SL2 is the same as the configuration shown in FIG. 46 except that input signals applied to input terminals AD0, AD1, and AD2 are different.
[0342]
The back gates of P-channel transistors P1, P2, P3, and P4 are connected to terminal VDD, and the back gates of N-channel transistors N1, N2, N3, N5, and N6 are connected to terminal VBB.
[0343]
At the time of erasing, 0 V is applied to the terminal VDD, and the same negative voltage (-5 V) as the well potential is applied to the terminal VBB.
[0344]
When the sector SE1 is selected, an input signal of 0 V is applied to all of the input terminals AD0 to AD2. Therefore, the transistor N6 turns on, and −5 V is applied to the source line SL1. When the sector SE1 is not selected, an input signal of −5 V is applied to one of the input terminals AD0 to AD2. Therefore, the transistor N6 is turned off, and the source line SL1 enters a floating state.
[0345]
At the time of programming and reading, the power supply voltage Vcc (5 V) is applied to the terminal VDD, and 0 V is applied to the terminal VBB.
[0346]
At the time of programming, an input signal of 0 V is applied to all of the input terminals AD0 to AD2. Therefore, the transistor N6 turns off and the source line SL1 enters a floating state.
[0347]
At the time of reading, an input signal of 5 V is applied to all of the input terminals AD0 to AD2. Therefore, the transistor N6 is turned on, and 0 V is applied to the source line SL1.
[0348]
(D) When the well potential is low (FIGS. 48 to 51)
(I) Erasing the memory cell (FIG. 48)
In the above description, it is assumed that the voltage applied to the P- well at the time of erasing is -5V. If the well potential is further lowered to further improve the erase efficiency, disturb in unselected sectors becomes a problem.
[0349]
For example, when the gate bird's beak is large, as shown in FIG. 46, a negative voltage (−5 V) of the terminal VBB equal to the well potential is applied to the source line of the selected sector, and the non-selected sector is The source line is in a floating state.
[0350]
However, when the well potential lowers, the electric field between the floating gate and the P- well increases in the memory cells in the unselected sectors. As a result, the data of the memory cells in the non-selected sectors cannot be reliably protected.
[0351]
Therefore, a voltage higher than the well potential is applied to the source lines of the non-selected sectors. For example, as shown in FIG. 48, the potential of P-well 1008 is set to -10V. In this case, as shown in FIG. 48A, -10 V which is the same as the well potential is applied to the source 1003 of the memory cell in the selected sector, and the source 1003 of the memory cell in the non-selected sector is applied. Applies -5V.
[0352]
Thereby, the potential difference between the channel and control gate 1006 can be set to 5 V in the memory cells in the non-selected sectors.
[0353]
(Ii) Sector batch erase operation of flash memory (FIG. 49)
The sector batch erasing operation of the flash memory when the well potential is low will be described with reference to FIG. Here, it is assumed that the sector SE1 is collectively erased.
[0354]
10 V is applied to the word lines WL0 and WL1 in the sector SE1, and 0 V is applied to the word lines WL2 and WL3 in the sector SE2. Further, 0 V is applied to the select gate lines SGL1 and SGL2. -10 V is applied to the P-well 1008. -10 V is applied to the source line SL1, and -5 V is applied to the source line SL2.
[0355]
Thus, the memory cells in the sector SE1 can be erased collectively while the data in the memory cells in the sector SE2 are protected stably.
[0356]
(Iii) Source decoder (FIGS. 50 and 51)
FIG. 50 shows a configuration of source decoder 1270 used when the well potential is low. FIG. 51 is a diagram showing voltages of respective parts of the source decoder 1270 of FIG. FIG. 50 shows only a portion related to source line SL1. The configuration of a portion related to source line SL2 is the same as the configuration shown in FIG. 50 except that input signals applied to input terminals AD0, AD1, and AD2 are different.
[0357]
The back gates of P-channel transistors P1, P2, P3, and P5 are connected to terminal VDD, and the back gates of N-channel transistors N1, N2, and N3 are connected to terminal VBB.
[0358]
At the time of erasing, -5 V is applied to the terminal VDD, and the same negative voltage (-10 V) as the well potential is applied to the terminal VBB. Further, 0 V is applied to the control line CSL, and −10 V is applied to the control line DSL.
[0359]
When the sector SE1 is selected, an input signal of 0 V is applied to all of the input terminals AD0 to AD2. Therefore, -10 V is applied to source line SL1. When the sector SE1 is not selected, an input signal of −10 V is applied to any of the input terminals AD0 to AD2. Therefore, -5 V is applied to source line SL1. Note that the potential of the source line at the time of non-selection can be freely selected by changing the potential applied to the terminal VDD at the time of erasing.
[0360]
At the time of programming and reading, the power supply voltage Vcc (5 V) is applied to the terminal VDD, and 0 V is applied to the terminal VBB.
[0361]
During programming, 0 V is applied to the control line CSL, and 5 V is applied to the control line DSL. Therefore, source line SL1 is in a floating state.
[0362]
At the time of reading, 5 V is applied to the control line CSL, and 0 V is applied to the control line DSL. Further, an input signal of 5 V is applied to all of the input terminals AD0 to AD2. Therefore, 0 V is applied to source line SL1.
[0363]
(9) Ninth embodiment (FIGS. 52 to 56)
(A) Overall configuration of flash memory (FIGS. 52 and 53)
FIG. 52 is a block diagram showing the entire configuration of the flash memory according to the ninth embodiment. FIG. 53 is a circuit diagram showing a detailed configuration of the memory array and its related parts.
[0364]
The flash memory of FIG. 52 differs from the flash memory of the eighth embodiment shown in FIG. 36 in the following points. Source switches 1281 and 1282 are provided instead of the source decoder 1270. Negative voltage generating circuit 1230 applies a negative voltage to select gate decoder 1260.
[0365]
As shown in FIG. 53, the source switch 1281 receives the potential on the select gate line SGL1, and controls the potential of the source line SL1. Source switch 1282 receives the potential on select gate line SGL2 and controls the potential of source line SL2. The source switches 1281 and 1282 are controlled by a control signal CG3 from the control circuit 1130.
[0366]
Since the program operation and the read operation in the ninth embodiment are the same as those in the sixth embodiment, the erase operation will be described below.
[0367]
(B) Batch flash sector erase operation (FIG. 54)
A collective sector erase operation of the flash memory according to the ninth embodiment will be described with reference to FIG. Here, it is assumed that the batch erasing of the sector SE1 is performed.
[0368]
As described in the eighth embodiment, -10 V is applied to the P- well 1008 in order to further improve the erase efficiency. 10 V is applied to the word lines WL0 and WL1 in the sector SE1, and 0 V is applied to the word lines WL2 and WL3 in the sector SE2. Further, -10 V is applied to the select gate line SGL1, and -5 V is applied to the select gate line SGL2. -10 V is applied to the source line SL1 by the source switch 1281, and -5 V is applied to the source line SL2 by the source switch 1282.
[0369]
As a result, the sector SE1 can be efficiently erased collectively without causing disturbance in the sector SE2.
[0370]
(C) Select gate decoder and source switch (FIGS. 55 and 56)
FIG. 55 is a circuit diagram showing a configuration of a select gate decoder and a source switch used in the flash memory of the ninth embodiment. FIG. 56 is a diagram showing voltages of respective parts of the select gate decoder and the source switch of FIG. FIG. 55 shows only a portion related to select gate line SGL1 of select gate decoder 1260 and source switch 1281 connected to source line SL1. The structure of select gate decoder 1260 related to select gate line SGL2 and source switch 1282 are the same as the structure shown in FIG. 55 except that input signals applied to input terminals AD0, AD1 and AD2 are different. .
[0371]
The back gates of P-channel transistors P21 to P25 are connected to terminal VDD, and the back gates of N-channel transistors N21 to N28 are connected to terminal VBB. The control signal CG3 shown in FIG. 53 is provided by control lines ASL and BSL.
[0372]
At the time of erasing, 0 V is applied to the terminal VDD, and -10 V is applied to the terminal VBB. -5 V is applied to the terminal VBB2, and -10 V is applied to the terminal VSG. 0 V is applied to the control line ASL, and -10 V is applied to the control line BSL.
[0373]
When the sector SE1 is selected, an input signal of 0 V is applied to all of the input terminals AD0 to AD2. Therefore, the transistors N25 and P25 are turned on, and the potential (−10 V) of the terminal VSG is applied to the select gate line SGL1. Further, since the potential of the control line ASL is 0 V, the transistor N27 is turned on, and the potential of the terminal VSG (−10 V) is also applied to the source line SL1.
[0374]
When the sector SE1 is not selected, an input signal of −10 V is applied to any of the input terminals AD0 to AD2. Therefore, the transistor N26 is turned on, and the potential (−5 V) of the terminal VBB2 is applied to the select gate line SGL1. Further, the potential (−5 V) of the terminal VBB2 is also applied to the source line SL1 via the transistor N27. Note that by changing the voltage applied to the terminal VBB2, the potential of the source line of a non-selected sector can be changed freely.
[0375]
At the time of programming, the power supply voltage Vcc (7 V) is applied to the terminal VDD, and 0 V is applied to the terminals VBB and VBB2. 7 V is applied to the terminal VSG, and 0 V is applied to the control lines ASL and BSL.
[0376]
When the sector SE1 is selected, the transistors N25 and P25 are turned on, and the potential (7 V) of the terminal VSG is applied to the select gate line SGL1. At this time, since the transistors N27 and N28 are off, the source line SL1 is in a floating state. When the sector SE1 is not selected, the transistor N26 is turned on, and the potential (0 V) of the terminal VBB2 is applied to the select gate line SGL1. Also at this time, since the transistors N27 and N28 are off, the source line SL1 is in a floating state.
[0377]
At the time of reading, the power supply voltage Vcc (5 V) is applied to the terminal VDD, and 0 V is applied to the terminals VBB and VBB2. 5 V is applied to the terminal VSG. 0 V is applied to the control line ASL, and 5 V is applied to the control line BSL.
[0378]
When the sector SE1 is selected, the transistors N25 and P25 are turned on, and the potential (5 V) of the terminal VSG is applied to the select gate line SGL1. At this time, since the transistor N28 is on, the source line SL1 is grounded. When the sector SE1 is not selected, the transistor N26 is turned on, and the potential (0 V) of the terminal VBB2 is applied to the select gate line SGL1. Also at this time, since the transistor N28 is on, the source line SL1 is grounded.
[0379]
As described above, the well potential is applied to the source line of the selected sector and the potential higher than the well potential is applied to the source line of the unselected sector at the time of erasing without the need for the source decoder 1270 shown in FIG. Can be applied.
[0380]
(10) Tenth embodiment (FIG. 57)
A feature of the flash memory according to the tenth embodiment is that a verify operation is not required at the time of programming. The configuration of the flash memory of the tenth embodiment is the same as the configuration of the flash memory of any of the sixth to ninth embodiments. The batch erasing operation and the reading operation are the same as those in the sixth to ninth embodiments.
[0381]
The programming operation of the flash memory according to the tenth embodiment will be described with reference to the flowchart of FIG.
[0382]
First, the potential of the selected word line is set to the verify level, and a high voltage is applied to the selected select gate line (step S31). This turns on the selected select gate transistor. Then, the source line is set in a floating state (step S32). The main bit line corresponding to data "0" is precharged to 5V, and the main bit line corresponding to data "1" is maintained at 0V (step S33).
[0383]
Thereafter, the source line is grounded for a certain period (step S34). If the threshold voltage of the memory cell in the selected sector is higher than the verify level, the potential of the main bit line corresponding to data "0" is maintained at the precharge level. If the threshold voltage of the memory cell in the selected sector is lower than the verify level, the main bit line corresponding to data "0" is discharged through the memory cell.
[0384]
Thereafter, the source line is set in a floating state (step S35), and a negative voltage is applied to the selected word line (step S36). Thereby, only the memory cells connected to the main bit line precharged to 5 V are programmed.
[0385]
After repeating the above program cycle a specified number of times (step S37), the X address is incremented, and the above program cycle is repeated for the next word line (steps S38 and S39). When the above program cycle is repeated for all the word lines in the selected sector, the program operation ends (step S38).
[0386]
According to the above method, after the program voltage is applied to the main bit line, the program operation can be performed at a high speed without performing the verify operation one by one.
[0387]
In order to stably maintain the precharge level, as shown in the second embodiment, a capacitance may be connected to the main bit line via a transfer gate transistor, and these transfer gate transistors may be turned on during programming. .
[0388]
The above method can be similarly applied to the flash memories of other embodiments.
[0389]
(11) Eleventh embodiment (FIG. 58)
A feature of the flash memory according to the eleventh embodiment is that a verify operation is not required at the time of programming. The configuration of the flash memory of the eleventh embodiment is the same as the configuration of the flash memory of any of the sixth to ninth embodiments. The batch erasing operation and the reading operation are the same as those in the sixth to ninth embodiments.
[0390]
The program operation of the flash memory according to the eleventh embodiment will be described with reference to FIG.
[0391]
First, the potential of the selected word line is set to the verify level, and a high voltage is applied to the selected select gate line (step S41). This turns on the selected select gate transistor. Then, the source line is set in a floating state (step S42). The main bit line corresponding to data "0" is precharged to 5V, and the main bit line corresponding to data "1" is maintained at 0V (step S43).
[0392]
Thereafter, the source line is grounded for a certain period (step S44). If the threshold voltage of the memory cell in the selected sector is higher than the verify level, the potential of the main bit line corresponding to data "0" is maintained at the precharge level. If the threshold voltage of the memory cell in the selected sector is lower than the verify level, the main bit line corresponding to data "0" is discharged through the memory cell.
[0393]
Thereafter, if the potentials of all the main bit lines are not at 0 V (step S45), the source line is set to a floating state (step S46), and a negative voltage is applied to the selected word line (step S47). Thereby, only the memory cells connected to the main bit line precharged to 5 V are programmed.
[0394]
After the above program cycle is repeated until the potentials of all bit lines become 0 V (step S45), the X address is incremented, and the above program cycle is repeated for the next word line (steps S48 and S49). When the above program cycle is performed for all the word lines in the selected sector, the program operation ends (step S48).
[0395]
According to the above method, after the program voltage is applied to the main bit line, the program operation can be performed at a high speed without performing the verify operation one by one, and the program operation can be automatically terminated.
[0396]
The above method can be similarly applied to the flash memories of other embodiments.
[0397]
(12) Twelfth embodiment (FIGS. 59 to 64)
FIG. 59 is a block diagram showing the overall configuration of the flash memory according to the twelfth embodiment. In the flash memory shown in FIG. 59, the program operation and the erase operation are performed in a manner similar to that of the flash memory shown in FIG.
[0398]
Referring to FIG. 59, this flash memory is divided into predecoders 1451 to 1454, a global decoder 1455, a select gate decoder 1456, well potential control circuits 1457 and 1458, source line drivers 1459 and 1460, and sectors. Memory cell arrays 1461 and 1462, and local decoders 1463 and 1464.
[0399]
FIG. 60 is a circuit diagram of the memory cell array and its peripheral circuits shown in FIG. FIG. 60 shows detailed circuits of global decoder 1455, local decoder 1464, memory cell array, source line driver 1460, and select gate decoder 1456. In FIG. 60, “2AL” indicates a wiring formed by the second aluminum wiring layer, and “2POL” indicates a wiring formed by the second polysilicon layer.
[0400]
Table 1 below shows voltages applied to the circuits shown in FIGS. 59 and 60 in the erase operation, the program operation, and the read operation.
[0401]
[Table 1]
Figure 0003577290
[0402]
In the twelfth embodiment, in addition to the various advantages already described, the following additional advantages can be obtained.
[0403]
FIG. 61 is a layout diagram on a semiconductor substrate showing a connection mode between word lines WL00 to WL07 and WL10 to WL17 shown in FIG. 60 and output lines WL0 to WL7 of local decoder 1464. Referring to FIG. 61, each of word lines WL00 to WL07 and WL10 to WL17 is formed of a second polysilicon layer. On the other hand, each output line of local decoder 1464 is formed by a first aluminum wiring layer. The connection between each word line and the corresponding output signal line is made via a through hole. It is pointed out that the connection mode shown in FIG. 61 is also shown in the circuit diagram shown in FIG.
[0404]
By using the connection modes shown in FIGS. 60 and 61, the connection between the word line and the output line of the local decoder is simplified, and therefore, the wiring density is reduced, and as a result, a high degree of integration is obtained.
[0405]
FIG. 62 is a cross-sectional view showing the separation between the two memory cells 1491 and 1492 shown in FIG. Memory cells 1491 and 1492 shown in FIG. 60 are located at positions closest to the other sector in each sector. In order to separate these transistors 1491 and 1492, an isolation oxide film 1490 is formed in the semiconductor substrate as shown in FIG. The width Wc of isolation oxide film 1490 required to separate two adjacent transistors 1491 and 1492 is smaller than that in the case where transistors 1495 and 1496 for a field shield as shown in FIG. 63 are used. . That is, in the example shown in FIG. 63, a large width Wd is required only for forming transistors 1495 and 1496 for isolation, but by using isolation oxide film 1490, two transistors 1491 adjacent to each other with a smaller width Wc are required. And 1492 can be separated. Thereby, a higher degree of integration can be obtained.
[0406]
FIG. 64 is a circuit diagram of a word line voltage control circuit and a predecoder used in the twelfth embodiment. The word line voltage control circuit 1470 shown in FIG. 64 is omitted in FIG. 59 for simplification.
[0407]
Referring to FIG. 64, word line voltage control circuit 1470 includes a VPP generator 1471, a VBB generator 1472, a voltage detector 1473, an inverter 1474, a VPP switching circuit 1475, a VPP switching circuit 1476, and a CMOS. Transmission gates 1477 and 1478.
[0408]
Predecoder 1452 includes a PMOS transistor 1481 and an NMOS transistor 1482 forming a CMOS transmission gate.
[0409]
In word line voltage control circuit 1470 and predecoder 1452 shown in FIG. 64, the voltages shown in Table 1 described above are applied to execute an erase operation, a program operation, and a read operation.
[0410]
Generally, an external voltage VEW for testing is applied to check the distribution of threshold voltages of memory cells of a flash memory. As shown in FIG. 64, in test mode operation, external voltage VEW is supplied via CMOS transmission gate 1478 in word line voltage control circuit 1470 and CMOS transmission gate in predecoder 1452 (constituted by transistors 1481 and 1482). This is applied to word lines WL00 to WL17 shown in FIG. Since the voltage path of the external voltage VEW is formed only by the CMOS circuit, no voltage loss occurs due to the threshold voltage of the MOS transistor. In other words, the external voltage VEW that changes in a wider range can be applied to the word line without changing the voltage level, and a desired test can be performed.
[0411]
(13) 13th embodiment
FIG. 65 is a schematic diagram of a thirteenth embodiment of the nonvolatile semiconductor memory device according to the present invention. The semiconductor substrate 80 is divided into a memory transistor region and a peripheral region. In the memory transistor region, memory transistors 87a, 87b, 87c, 87d are formed with a space therebetween. In the main surface of the semiconductor substrate 80, in the memory transistor region, n-type source regions 84a and 84b and n-type drain regions 85a and 85b are formed at intervals. The source region 84a becomes a source region of the memory transistors 87a and 87b, and the source region 84b becomes a source region of the memory transistors 87c and 87d.
[0412]
The drain region 85a becomes a drain region of the memory transistors 87b and 87c, and the drain region 85b becomes a drain region of the memory transistor 87d. Reference numeral 88 indicates a control gate, and 89 indicates a floating gate.
[0413]
A select gate transistor 86 having n-type source / drain regions 83a and 83b is formed in the memory transistor region on the main surface of the semiconductor substrate 80. The source / drain region 83b also functions as a drain region of the memory transistor 87a.
[0414]
A sub-bit line 90 made of polycrystalline silicon is formed on the memory transistors 87a, 87b, 87c, 87d. Sub bit line 90 is connected to source / drain region 83b. Branch line 91a branched from sub-bit line 90 is connected to drain region 85a, and branch line 91b is connected to drain region 85b. A main bit line 92 made of aluminum is formed on sub bit line 90. The main bit line 92 is connected to the source / drain region 83a.
[0415]
In the semiconductor substrate 80, a p-well region 82 is formed so as to surround the memory transistor region, and an n-well region 81 is formed so as to surround the p-well region 82. A MOS transistor 93 is formed in the peripheral region. A more detailed description of the nonvolatile semiconductor memory device according to the present invention will be given using a fourteenth embodiment.
[0416]
(14) Fourteenth embodiment
FIG. 66A is a cross-sectional view of a part of a memory transistor portion of a fourteenth embodiment of the nonvolatile semiconductor memory device according to the present invention. A p-well region 210 is formed on a p-type silicon substrate 201 with a space therebetween. On p well region 210, memory transistors 250 to 257, 261, 262 and select gate transistors 259, 260 are formed. In the p-well region 210, an n-type source region 223 and an n-type drain region 224 of each memory transistor are formed. Reference numeral 249 denotes an n-type impurity region.
[0417]
Each memory transistor and select gate transistor are covered with a silicon oxide film 247. The source region 223 is covered with a silicon oxide film 247. On the other hand, the drain region 224 and the impurity region 249 are not covered with the silicon oxide film. Each memory transistor has a floating gate 219 and a control gate 220.
[0418]
Each drain region 224 of the memory transistors 250 to 257 is electrically connected by one sub-bit line 227a. The drain regions 224 of the memory transistors 261 and 262 are electrically connected by one sub-bit line 227b. The impurity region 249 is electrically connected to the connection conductive layer 248. On the field oxide film 206, a dummy gate transistor 258 having a dummy gate 242 is formed. Details of the dummy gate transistor will be described later.
[0419]
An interlayer insulating film 245 is formed on sub bit lines 227a and 227b, and a main bit line 233 is formed on interlayer insulating film 245. The main bit line 233 is electrically connected to the connection conductive layer 248. An interlayer insulating film 246 is formed on main bit line 233, and an aluminum wiring 238 is formed on interlayer insulating film 246 with a space therebetween.
[0420]
On the other hand, n-well region 207 is formed in silicon substrate 201 so as to cover p-well region 210.
[0421]
FIG. 66B is an equivalent circuit diagram of the memory transistor shown in FIG. Each drain region of the eight memory transistors is connected to a sub-bit line, and a source region is connected to a source line. The selection gate 1 conducts / cuts off the main bit line and the sub-bit line. Word lines 1 to 8 are control gates.
[0422]
FIG. 67 is a sectional structural view of a memory transistor of a fourteenth embodiment of the nonvolatile semiconductor memory device according to the present invention. A gate oxide film 213 is formed between the p-well region 210 and the floating gate 219, and an ONO film 215 is formed between the floating gate 219 and the control gate 220.
[0423]
Next, the operation of the fourteenth embodiment of the nonvolatile semiconductor memory device according to the present invention will be described with reference to FIGS. First, the erasing operation will be described. In the NOR type and the NAND type described in the conventional example, the erased state is obtained by extracting electrons. In the fourteenth embodiment, the erased state is obtained by injecting electrons. That is, when the memory transistors 250 to 257 are erased collectively, the main bit line 233 is kept in a floating state and the select gate transistor 259 is turned off. As a result, the sub bit line 227a is also in a floating state. Then, a voltage of about −10 V is applied to the source line and the p-well region 210a. Then, a voltage of about 10 V is applied to the word lines 1 to 8. As a result, as shown by (2) in FIG. 67, electrons in the channel region are injected into the floating gate 219 by the channel FN phenomenon, which is one of the tunnel effects. This is the erased state "1", and the value of Vth is about 6V.
[0424]
Next, the write operation will be described. For example, when the memory transistor 257 is set to the write state “0”, the select gate transistor 259 is turned on, and a voltage of about 5 V is applied to the main bit line 233. As a result, the voltage of the sub bit line 227a also becomes about 5V. Then, the p-well region 210a is kept at the ground potential, and the source line is set to OPEN. Further, a voltage of about -10 V is applied to the word line 8, and the word lines 1 to 7 are kept at the ground potential. As a result, as shown in (1) of FIG. 67, the electrons accumulated in the floating gate 219 of the memory transistor 257 are extracted to the drain region 224 by the drain FN phenomenon, which is one of the tunnel effects. As a result, the memory transistor 257 enters the write state “0”, and at this time, the value of Vth becomes about 1V.
[0425]
Next, the read operation will be described. For example, when reading memory transistor 257, select gate transistor 259 is turned on, and a voltage of about 1 V is applied to main bit line 233. Then, the source line and the p-well region 210a are kept at the ground potential. Then, a voltage of about 3 to 5 V is applied to the word line 8, and the word lines 1 to 7 are set to the ground potential. At this time, when the memory transistor 257 is in the erased state “1”, no channel is formed and no current flows through the bit line. On the other hand, when the write state is "0", a channel is formed and a current flows through the bit line. Thus, a write state / erase state is determined.
[0426]
In the fourteenth embodiment, a negative voltage is applied to the p-well region 210. Since there is an n-well region 207 around the p-well region 210, even if a negative voltage is applied, the p-well region 210 and the n-well region 207 are in a reverse bias state, and a voltage is applied to the p-well region 210. Also, no voltage is applied to the peripheral circuit formation region.
[0427]
At the time of erasing operation, a negative voltage is applied to the p-well region and a positive voltage is applied to the word line, so that the maximum voltage value is reduced while the voltage between the p-well region 210 and the control gate 220 is reduced. By making the potential difference relatively large, it is possible to cause the channel FN effect.
[0428]
As shown in FIG. 66A, a sub-bit line 227a is connected to each drain region 224 of the memory transistors 250 to 257. For this reason, in the read operation, a large read current can be obtained, so that the read operation can be performed at a higher speed than in the NAND type.
[0429]
Further, as shown in FIG. 67, since the drain operation is used for the write operation, the write operation can be performed with higher efficiency as compared with the case where the channel hot electrons are used, whereby the power consumption can be reduced.
[0430]
Next, a planar arrangement state of the structure shown in FIG. FIG. 68 is a plan view up to the state where the control gate 220 is formed. The state of FIG. 68 cut along the line AA shows the state up to the control gate 220 in FIG. The control gate 220, the selection gate 234, the dummy gate 242, and the source line 223a extend in the vertical direction. The source lines 223a connect the source regions 223 shown in FIG. Field oxide films 206 and drain regions 224 are formed alternately. The wiring layer on the select gate 234 (corresponding to the control gate of the memory transistor) is not shown.
[0431]
FIG. 69 shows a state where sub-bit lines 227a and 227b are formed on FIG. The source line 223a is electrically connected to the wiring layer 241. The wiring layer 241 is formed simultaneously with the sub-bit lines 227a and 227b.
[0432]
The selection gate 234 is electrically connected to the poly pad 236. The poly pad 236 is also formed simultaneously with the sub-bit lines 227a and 227b. The contacts between the sub-bit lines 227a and 227b and the drain region 224 are not shown. Further, the contact between the connection conductive layer 248 and the impurity region 249 is not shown.
[0433]
FIG. 70 shows a state where a main bit line 233 is formed on FIG. The main bit line 233 is electrically connected to the connection conductive layer 248. The aluminum electrodes 237a, 237b, 237c, and 237d are formed simultaneously with the main bit line 233. Aluminum electrode 237a is electrically connected to one poly pad 236, and aluminum electrode 237b is electrically connected to the other poly pad 236. The aluminum electrode 237c is electrically connected to the wiring layer 241. The aluminum electrode 237d is electrically connected to the dummy gate 242.
[0434]
FIG. 71 shows a state in which aluminum wirings 238a to 238g are formed on FIG. Aluminum wiring 238a is electrically connected to aluminum electrode 237a, aluminum wiring 238b is electrically connected to aluminum electrode 237b, aluminum wiring 238e is electrically connected to aluminum electrode 237c, and aluminum wiring 238f and 238g are aluminum electrodes. 237b.
[0435]
Next, first to seventh examples of the entire configuration and operation of the fourteenth embodiment of the nonvolatile semiconductor memory device according to the present invention will be described with reference to Table 2.
[0436]
The memory cell matrix included in this nonvolatile semiconductor memory device is divided into a plurality of sectors as described below. Table 2 shows conditions for applying voltages to the memory cells (memory transistors) in the selected sector and the memory cells (memory transistors) in the non-selected sectors. In Table 2, Vd indicates a drain voltage, Vg indicates a control gate voltage, Vs indicates a source voltage, and Vbb indicates a well voltage.
[0437]
[Table 2]
Figure 0003577290
[0438]
<1> First example
(A) Overall configuration of a nonvolatile semiconductor memory device
FIG. 72 is a block diagram showing the entire configuration of the nonvolatile semiconductor memory device according to the first example.
[0439]
The memory cell matrix 70 is divided into sectors SE1 and SE2. Memory cell matrix 70 includes select gates SG1 and SG2 corresponding to sectors SE1 and SE2, respectively. Memory cell matrix 70 is formed in P well region 71.
[0440]
In memory cell matrix 70, two main bit lines MB0 and MB1 are arranged. Main bit lines MB0 and MB1 are connected to sense amplifier 52 and write circuit 53 via Y gate transistors YG0 and YG1 in Y gate 72, respectively.
[0441]
Two sub-bit lines SB01 and SB02 are provided corresponding to main bit line MB0, and two sub-bit lines SB11 and SB12 are provided corresponding to main bit line MB1.
[0442]
Word lines WL0 and WL1 are arranged so as to cross sub bit lines SB01 and SB11, and word lines WL2 and WL3 are arranged so as to cross sub bit lines SB02 and SB12.
[0443]
At the intersections of the sub-bit lines SB01, SB02, SB11, SB12 and the word lines WL0 to WL3, memory cells (memory transistors) M00 to M03, M10 to M13 are provided, respectively. Memory cells M00, M01, M10, and M11 are included in sector S1, and memory cells M02, M03, M12, and M13 are included in sector SE2.
[0444]
The drain of each memory cell is connected to a corresponding sub-bit line, the control gate is connected to a corresponding word line, and the source is connected to a source line SL.
[0445]
Select gate SG1 includes select gate transistors SG01 and SG11, and select gate SG2 includes select gate transistors SG02 and SG12. Sub-bit lines SB01 and SB02 are connected to main bit line MB0 via select gate transistors SG01 and SG02, respectively, and sub-bit lines SB11 and SB12 are connected to main bit line MB1 via select gate transistors SG11 and SG12, respectively. .
[0446]
Address buffer 58 receives an externally applied address signal, supplies an X address signal to X decoder 59, and supplies a Y address signal to Y decoder 57. X decoder 59 selects one of a plurality of word lines WL0 to WL3 in response to the X address signal. Y decoder 57 generates a selection signal for selecting one of a plurality of main bit lines MB0 and MB1 in response to the Y address signal.
[0447]
Y gate transistors in Y gate 72 connect main bit lines MB0 and MB1 to sense amplifier 52 and write circuit 53 in response to the selection signals, respectively.
[0448]
At the time of reading, sense amplifier 52 detects data read on main bit line MB0 or main bit line MB1, and outputs the same to outside via data input / output buffer 51.
[0449]
At the time of writing, externally applied data is applied to write circuit 53 via data input / output buffer 51, and write circuit 53 applies a program voltage to main bit lines MB0 and MB1 according to the data.
[0450]
High voltage generating circuits 54 and 55 receive power supply voltage Vcc (for example, 5 V) from the outside and generate a high voltage. Negative voltage generating circuit 56 receives power supply voltage Vcc from the outside and generates a negative voltage. Verify voltage generating circuit 60 receives an externally applied power supply voltage Vcc, and applies a predetermined verify voltage to a selected word line at the time of verification. Well potential generation circuit 61 applies a negative voltage to p well region 71 at the time of erasing. The source control circuit 62 applies a high voltage to the source line SL at the time of erasing. Select gate decoder 63 selectively activates select gates SG1 and SG2 in response to a part of the address signal from address buffer 58.
[0451]
Write / erase control circuit 50 controls the operation of each circuit in response to an externally applied control signal.
[0452]
(B) Operation of nonvolatile semiconductor memory device
Next, sector erase operation, write operation and read operation of the nonvolatile semiconductor memory device will be described with reference to Table 1.
[0453]
(I) Sector erase operation
Here, it is assumed that the sector SE1 is collectively erased. First, the write / erase control circuit 50 is supplied with a control signal designating a sector batch erasing operation. Thereby, high voltage generation circuit 55 and negative voltage generation circuit 56 are activated.
[0454]
The high voltage generation circuit 55 applies a high voltage (10 V) to the X decoder 59. The X decoder 59 applies a high voltage (10 V) to the word lines WL0 and WL1 of the sector SE1, and applies 0 V to the word lines WL2 and WL3 of the sector SE2. Negative voltage generating circuit 56 applies a negative voltage to Y decoder 57 and well potential generating circuit 61. Y decoder 57 applies a negative voltage to Y gate transistors YG0 and YG1 in Y gate 72. Thereby, main bit lines MB0 and MB1 enter a floating state. The source control circuit 62 sets the source line SL to a floating state. Further, well potential generating circuit 61 applies a negative voltage (−8 V) to p well region 71. The select gate decoder 63 turns off the select gates SG1 and SG2.
[0455]
Thus, a voltage is applied to the memory cells in the selected sector SE1 and the memory cells in the non-selected sector SE2 as shown in (E1) of Table 2. As a result, all the memory cells in the sector SE1 are erased.
[0456]
(Ii) Write operation
Here, it is assumed that the memory cell M00 is programmed. That is, data “0” is written to memory cell M00, and memory cell M10 holds data “1”.
[0457]
First, a control signal designating a program operation is applied to write / erase control circuit 50. Thereby, high voltage generation circuit 54 and negative voltage generation circuit 56 are activated.
[0458]
Negative voltage generating circuit 56 applies a negative voltage to X decoder 59. X decoder 59 selects word line WL0 in response to an X address signal provided from address buffer 58, applies a negative voltage (−8 V) to selected word line WL0, and selects unselected word lines WL1 to WL3. To 0 V.
[0459]
The high voltage generation circuit 54 applies a high voltage to the Y decoder 57, the write circuit 53, and the select gate decoder 63. First, data “0” is externally applied to the write circuit 53 via the data input / output buffer 51 and latched. Y decoder 57 applies a high voltage to Y gate transistor YG0 in Y gate 72 and applies 0 V to Y gate transistor YG1 in response to a Y address signal provided from address buffer 58. This turns on the Y gate transistor YG0.
[0460]
Write circuit 53 applies a program voltage (5 V) corresponding to data "0" to main bit line MB0 via Y gate transistor YG0. The select gate decoder 63 turns on the select gate SG1 and turns off the select gate SG2. Thereby, sub-bit lines SB01 and SB11 are connected to main bit lines MB0 and MB1, respectively. The source control circuit 62 sets the source line SL to a floating state. Well potential generating circuit 61 applies 0 V to p well region 71.
[0461]
Thus, a voltage is applied to the memory cell M00 as shown in the left column of (P1) in Table 2. As a result, the threshold voltage of the memory cell M00 decreases.
[0462]
After a lapse of a predetermined time (for example, 1 ms), data “1” is externally applied to write circuit 53 via data input / output buffer 51 and latched. Y decoder 57 applies a high voltage to Y gate transistor YG1 in Y gate 72 and applies 0 V to Y gate transistor YG0 in response to a Y address signal provided from address buffer 58. This turns on the Y gate transistor YG1. Write circuit 53 applies 0 V corresponding to data "1" to main bit line MB1 via Y gate transistor YG1.
[0463]
Thus, a voltage is applied to the memory cell M10 as shown in the right column of (P1) in Table 2. As a result, the threshold voltage of the memory cell M10 is kept high.
[0464]
(Iii) Read operation
Here, it is assumed that data is read from memory cell M00. First, a control signal designating a read operation is applied to write / erase control circuit 50.
[0465]
X decoder 59 selects word line WL0 in response to an X address signal provided from address buffer 58, and applies 3V to it. At this time, the word lines WL1 to WL3 are kept at 0V. Select gate decoder 63 turns on select gate SG1 and turns off select gate SG2. Y decoder 57 turns on Y gate transistor YG 0 in Y gate 72 in response to a Y address signal provided from address buffer 58. Source control circuit 62 grounds source line SL.
[0466]
In this way, a voltage is applied to the selected memory cell M00 as shown in the left column of (R1) in Table 2. Thereby, if the content of M00 is "1", a read current flows to main bit line MB0. This read current is detected by the sense amplifier 52 and output to the outside via the data input / output buffer 51. At this time, a voltage is applied to the unselected memory cells as shown in the right column of (R1) in Table 2.
[0467]
<2> Second example
(A) Overall configuration of a nonvolatile semiconductor memory device
FIG. 73 is a block diagram showing the entire configuration of the nonvolatile semiconductor memory device according to the second example.
[0468]
The nonvolatile semiconductor memory device of FIG. 73 differs from the nonvolatile semiconductor memory device of FIG. 72 in that negative voltage generating circuit 56 applies a negative voltage to source control circuit 62 at the time of erasing.
[0469]
The configuration of the other parts is the same as the configuration shown in FIG.
(B) Operation of nonvolatile semiconductor memory device
The write operation and read operation of the nonvolatile semiconductor memory device of the second example are similar to those of the first example. In the sector erase operation, the source control circuit 62 applies a negative voltage (−8 V) to the source line SL, which is different from the first example.
[0470]
At the time of batch erasing, a voltage is applied to the memory cells in the selected sector as shown in the left column of (E2) in Table 2, and to the memory cells in the non-selected sectors, the right column of (E2) in Table 2 is applied. A voltage is applied as shown in FIG.
[0471]
<3> Third example
(A) Overall configuration of a nonvolatile semiconductor memory device
FIG. 74 is a block diagram showing the entire configuration of the nonvolatile semiconductor memory device according to the third example.
[0472]
The nonvolatile semiconductor memory device of the third example is different from the nonvolatile semiconductor memory device of the first example in the following points. A source decoder 102 is provided instead of the source control circuit 62. Negative voltage generating circuit 56 applies a negative voltage to select gate decoder 63 and source decoder 102 instead of Y decoder 57.
[0473]
The sources of the memory cells M00, M01, M10, and M11 in the sector SE1 are connected to the source line SL1, and the sources of the memory cells M02, M03, M12, and M13 in the sector SE2 are connected to the source line SL2. The output terminal of source decoder 102 is connected to source lines SL1 and SL2.
[0474]
(B) Operation of nonvolatile semiconductor memory device
The write operation and read operation of the nonvolatile semiconductor memory device of the third example are similar to those of the first example. In the sector batch erasing operation, the source decoder 102 sets the source line corresponding to the selected sector to a floating state, and applies a negative voltage (−8 V) to the source line corresponding to the non-selected sector. For example, at the time of batch erasing of the sector SE1, the source line SL1 is set to a floating state, and −8 V is applied to the source line SL2.
[0475]
In this way, the voltage is applied to the memory cells in the selected sector as shown in the left column of (E3) in Table 2, and the memory cells in the non-selected sectors are applied to the right of (E3) in Table 2 Voltage is applied as shown in the column.
[0476]
As a result, the memory cells in the selected sector can be erased collectively while the data of the memory cells in the non-selected sector are protected stably.
[0477]
<4> Fourth example
(A) Overall configuration of a nonvolatile semiconductor memory device
FIG. 75 is a block diagram showing the overall configuration of the nonvolatile semiconductor memory device according to the fourth example.
[0478]
The nonvolatile semiconductor memory device of the fourth example is different from the nonvolatile semiconductor memory device of the third example shown in FIG. 74 in the following point. Negative voltage generating circuit 56 applies a negative voltage only to well potential generating circuit 61 at the time of erasing, and does not apply a negative voltage to select gate decoder 63 and source decoder 102.
[0479]
(B) Operation of nonvolatile semiconductor memory device
The write operation and the read operation of the nonvolatile semiconductor memory device of the fourth example are similar to those of the first example.
[0480]
At the time of the batch erasing operation, the source decoder 102 sets the source line corresponding to the selected sector to a floating state, and applies 0 V to the source line corresponding to the non-selected sector. For example, at the time of batch erasing of the sector SE1, the source line SL1 is in a floating state, and 0 V is applied to the source line SL2.
[0481]
In this way, the voltage is applied to the memory cells in the selected sector as shown in the left column of (E4) in Table 2, and the memory cells in the non-selected sectors are applied to the memory cells in the unselected sector. Voltage is applied as shown in the right column.
[0482]
As a result, it is possible to collectively erase the memory cells in the selected sector while stably protecting the data in the memory cells in the non-selected sector.
[0483]
<5> Fifth example
(A) Overall configuration of a nonvolatile semiconductor memory device
FIG. 76 is a block diagram showing the entire configuration of the nonvolatile semiconductor memory device according to the fifth example.
[0484]
The nonvolatile semiconductor memory device of the fifth example is different from the nonvolatile semiconductor memory device of the fourth example shown in FIG. 75 in the following point. Two negative voltage generating circuits 56a and 56b are provided. Negative voltage generating circuit 56a applies a negative voltage to well potential generating circuit 61, select gate decoder 63 and source decoder 102. Negative voltage generating circuit 56b applies a negative voltage to X decoder 59. The configuration of the other parts is the same as the configuration shown in FIG.
[0485]
(B) Operation of nonvolatile semiconductor memory device
The write operation and the read operation of the nonvolatile semiconductor memory device of the fifth example are the same as those of the first example.
[0486]
At the time of the sector erase operation, the source decoder 102 sets the source line corresponding to the selected sector to a floating state, and applies -4 V to the source line corresponding to the non-selected sector. For example, at the time of batch erasing of the sector SE1, the source line SL1 is in a floating state, and -4 V is applied to the source line SL2.
[0487]
In this way, a voltage is applied to the memory cells in the selected sector as shown in the left column of (E5) in Table 2, and the memory cells in the non-selected sectors are applied to (E5) in Table 2 Voltage is applied as shown.
[0488]
As a result, the memory cells in the selected sector can be erased collectively while the data of the memory cells in the non-selected sector are protected stably.
[0489]
<6> Sixth example
The entire configuration of the nonvolatile semiconductor memory device according to the sixth example is the same as the configuration shown in FIG. The write operation and the read operation of the nonvolatile semiconductor memory device of the sixth example are the same as those of the first example.
[0490]
At the time of the batch erase operation, the source decoder 102 applies -8 V to the source line corresponding to the selected sector and 0 V to the source line corresponding to the non-selected sector. For example, at the time of batch erasing of sector SE1, -8 V is applied to source line SL1 and 0 V is applied to source line SL2.
[0490]
In this way, the voltage is applied to the memory cells in the selected sector as shown in the left column of (E6) in Table 2, and the memory cells in the non-selected sectors are applied to the memory cells in the non-selected sectors. Voltage is applied as shown in the right column.
[0492]
As a result, the memory cells in the selected sector can be erased collectively while the data of the memory cells in the non-selected sector are protected stably.
[0493]
<7> Seventh example
The overall configuration of the nonvolatile semiconductor memory device according to the seventh example is the same as the configuration shown in FIG. The writing operation and the reading operation of the nonvolatile semiconductor memory device of the seventh example are the same as those of the first example.
[0494]
During the sector erase operation, the source decoder 102 applies −8 V to the source line corresponding to the selected sector and −4 V to the source line corresponding to the non-selected sector. For example, when the sector SE1 is selected, −8 V is applied to the source line SL1 and −4 V is applied to the source line SL2.
[0495]
In this way, a voltage is applied to the memory cells in the selected sector as shown in the left column of (E7) in Table 2, and the memory cells in the non-selected sector are applied to the right column of (E7) in Table 2 A voltage is applied as shown in FIG.
[0496]
As a result, the memory cells in the selected sector can be erased collectively while the data of the memory cells in the non-selected sector are protected stably.
[0497]
<8> Advantages of each example
In the first and second examples, the unselected sectors receive some disturbance from the substrate, but the source decoder is not required, and only one negative voltage generation circuit is required.
[0498]
In the third example, the unselected sector receives a small disturbance from the substrate. Also, only one negative voltage generation circuit is required. Furthermore, the junction withstand voltage of the source at the time of erasing may be low. However, a source decoder is required.
[0499]
In the fourth and sixth examples, the unselected sector receives the least disturbance from the substrate. Also, only one negative voltage generation circuit is required. However, a source decoder is required, and only a junction withstand voltage of 8 V is required.
[0500]
In the fifth and seventh examples, the disturb received by the non-selected sector from the substrate may be rather small, and the junction withstand voltage of the source may be as small as 4V. However, a source decoder is required, and two negative voltage generation circuits are required.
[0501]
Next, a method of manufacturing the nonvolatile semiconductor memory device according to the fourteenth embodiment of the present invention shown in FIG. 66A will be described with reference to FIGS. 77 to 95 are cross-sectional views showing first to nineteenth steps in the method for manufacturing a nonvolatile semiconductor memory device having the above-described structure.
[0502]
First, referring to FIG. 77, an underlying oxide film 202 having a thickness of about 300 ° is formed on the main surface of p-type silicon substrate 201. Then, a polycrystalline silicon film 203 having a thickness of about 500 ° is formed on the underlying oxide film 202 by using a CVD (Chemical Vapor Deposition) method. On this polycrystalline silicon film 203, a silicon nitride film 204 of about 1000 ° is formed by using a CVD method or the like. Then, a resist 205 is formed on the silicon nitride film 204 so as to expose the element isolation region. The silicon nitride film 204 and the polycrystalline silicon film 203 on the element isolation region are etched by performing anisotropic etching using the resist 205 as a mask.
[0503]
Thereafter, resist 205 is removed, and selective oxidation is performed using silicon nitride film 204 as a mask, thereby forming field oxide film 206 as shown in FIG. Then, the polycrystalline silicon film 203 and the silicon nitride film 204 are removed.
[0504]
Next, as shown in FIG. 79, phosphorus (P) is ion-implanted into a part of the memory transistor region and a part of the peripheral circuit region under the condition of 3.0 MeV and 2.0 × 10 13 cm −3. Then, impurity driving is performed at a temperature of 1000 ° C. for one hour. Thereby, n-well 207 is formed. Thereafter, as shown in FIG. 80, a resist 209 is formed so as to cover the memory cell formation region, and using this resist 209 as a mask, phosphorus (P) is added at 1.2 MeV and 1.0 × 10 13 cm −3. Ion implantation is performed under the conditions, and phosphorus (P) is further implanted under the conditions of 180 KeV and 3.5 × 10 12 cm −3. Thereby, an n-well (not shown) is formed in a part of the peripheral circuit region.
[0505]
Next, referring to FIG. 81, boron (B) is ion-implanted into the memory transistor region under the condition of 700 KeV and 1.0 × 10 13 cm −3, and further boron is implanted under the condition of 180 KeV and 3.5 × 10 12 cm −3. (B) is ion-implanted. Thereby, p well 210 is formed.
[0506]
After impurity implantation for controlling the threshold voltage of each memory transistor is performed, referring to FIG. 82, the entire surface of the main surface of p-type silicon substrate 201 is subjected to a thermal oxidation treatment to form a film of about 150 °. A thick gate insulating film 211 is formed. Then, a resist 212 is formed so as to cover a selection gate transistor (described later) formation region on the gate insulating film 211. Using the resist 212 as a mask, etching is performed to remove portions of the gate insulating film 211 other than the select gate transistor formation region.
[0507]
By removing the resist 212 and performing thermal oxidation again, a gate insulating film 213 having a thickness of about 100 ° is formed on the entire surface of the p-type silicon substrate 201. Thus, gate insulating films 211 and 213 having a thickness of about 250 ° are formed in the select gate transistor formation region. Then, a first polycrystalline silicon film 214 is formed on gate insulating films 211 and 213 to a thickness of about 1200 ° by a CVD method or the like. Then, a resist 212a having a predetermined shape (in this case, a plurality of resist patterns is formed intermittently in a direction perpendicular to the paper surface) is deposited on the first polycrystalline silicon film thickness 214, and the resist 212a is formed. Is etched using first as a mask.
[0508]
Thereafter, as shown in FIG. 84, a high-temperature oxide film having a thickness of about 100 ° is formed on first polycrystalline silicon film 214 by using a CVD method or the like, and a CVD method is formed on the high-temperature oxide film. A silicon nitride film is formed to a thickness of about 100 ° using, for example, and a high-temperature oxide film having a thickness of about 150 ° is formed on the silicon nitride film by a CVD method. Thereby, an ONO film 215 is formed.
[0509]
Next, referring to FIG. 85, an impurity-introduced polycrystalline silicon layer is formed on the ONO film 215 to a thickness of about 1200 ° by the CVD method. Then, a tungsten silicide (WSi) layer is formed on the polycrystalline silicon layer to a thickness of about 1200 ° by a sputtering method. Thus, a conductive layer 216 serving as a control gate electrode is formed. A high-temperature oxide film 217 having a thickness of about 2000 ° is formed on conductive layer 216 by using a CVD method. Then, a resist 218 is formed on the high-temperature oxide film 217 located on the memory transistor region and the peripheral transistor formation region, and etching is performed using the resist 218 as a mask to form a transistor electrode used in a peripheral circuit. I do.
[0510]
Next, referring to FIG. 86, a resist 218a is formed on the high-temperature oxide film 217 intermittently in the horizontal direction in FIG. Then, using the resist 218a as a mask, the high-temperature oxide film 217, the conductive film 216, the ONO film 215, and the first polycrystalline silicon film 214 are etched. Thereby, a floating gate electrode 219 and a control gate electrode 220 are formed.
[0511]
Next, referring to FIG. 87 (a), a resist 221 is further applied on the flash memory in the state shown in FIG. 86, and this resist 221 is patterned so as to expose a portion serving as a source region of the memory transistor. I do. FIG. 87 (b) is a plan view showing a partial plane of the flash memory in the state shown in FIG. 87 (a). Then, a cross section viewed along the line BB in FIG. 87 (b) is shown in FIG. 87 (a). The field oxide film 206 formed on the source region is removed by performing dry etching using the resist 221 thus patterned as a mask.
[0512]
Then, after removing the resists 218a and 211, as shown in FIG. 88, a resist pattern 221a is formed so as to expose only the select gate transistor. Then, using this resist pattern 221a as a mask, phosphorus (P) is ion-implanted under the conditions of 60 KeV and 3.0 × 10 13 cm −3. Thereby, source / drain regions 223 and 224 of the select gate transistor are formed. Then, the resist 221a is removed.
[0513]
Thereafter, referring to FIG. 89, a resist pattern 221b is formed so as to cover a transistor serving as a select gate transistor and expose other memory cells. Then, using this resist 221b as a mask, arsenic (As) is ion-implanted under the conditions of 35 KeV and 5.5 × 10 15 cm −3. Thus, source / drain regions and source lines of the memory transistor are formed. Then, the resist 221b is removed.
[0514]
Next, referring to FIG. 90, a high-temperature oxide film having a thickness of about 2000 ° is formed in the memory transistor region by using the CVD method. Then, a sidewall 225 is formed on the side wall of the select gate transistor or the side wall of the memory transistor by anisotropically etching the high-temperature oxide film. Then, arsenic (As) is ion-implanted under the conditions of 35 KeV and 4.0 × 10 15 cm −3 using the side wall 225 as a mask. Thus, source / drain regions of the peripheral transistor are formed.
[0515]
Thereafter, referring to FIG. 91, a silicon oxide film 226 made of a TEOS (Tetra ethyl ortho Silicate) film or the like is deposited in the memory transistor region. Then, sintering of the oxide film is performed for about 30 minutes. Then, as shown in FIG. 92, the side wall 225a is formed by anisotropically etching the silicon oxide film 226. With the formation of the sidewall 225a, the source region in the memory cell is covered with the silicon oxide film.
[0516]
Next, referring to FIG. 93, a polycrystalline silicon layer having a thickness of about 2000 ° is formed by a CVD method or the like, and conductivity is imparted by introducing impurities into the polycrystalline silicon layer. A sub-bit line 227 is formed by applying a resist 228 having a predetermined shape on the polycrystalline silicon layer and patterning using the resist 228 as a mask.
[0517]
Next, referring to FIG. 94, after removing the resist 228, a silicon oxide film 229 made of a TEOS film or the like is formed on the sub-bit line 227 by using the CVD method. The thickness of this silicon oxide film 229 is about 1500 °. On this silicon oxide film 229, a silicon nitride film 230 having a thickness of about 500 ° is formed by a CVD method or the like. Then, on this silicon nitride film 230, a silicon oxide film 231 made of a BPTEOS film or the like having a thickness of about 10000 ° is formed by using a CVD method or the like. Thereafter, reflow is performed by a heat treatment at about 850 ° C., and the BPTEOS film is etched back by about 5,000 ° using HF or the like. Then, a resist 232 having a predetermined shape is deposited on the silicon oxide film 231, and the silicon oxide films 229 and 231 and the silicon nitride film 230 are etched using the resist 232 as a mask. Thus, a contact hole 233a for connecting the sub bit line 227 to the main bit line 233 formed in a later step is formed.
[0518]
Next, referring to FIG. 95, a tungsten plug 233b is formed in the contact hole 233a by using the CVD method and the etch-back method. Then, an aluminum alloy layer having a thickness of about 5000 ° is formed on the tungsten plug 233b and the silicon oxide film 231 by using a sputtering method or the like. Then, a resist 232a having a predetermined shape is deposited on the aluminum alloy layer, and the aluminum alloy layer is patterned using the resist 232a as a mask, whereby the main bit line 233 is formed. After that, the resist 232a is removed, and an interlayer insulating layer is formed on the main bit line. Then, an aluminum wiring layer is further formed on the interlayer insulating layer through a through-hole forming step. Thus, the nonvolatile semiconductor device shown in FIG. 66A is formed.
[0519]
Next, a method for manufacturing the select gate contact portion of the fourteenth embodiment of the nonvolatile semiconductor memory device according to the present invention will be described with reference to FIGS. FIG. 96 to FIG. 100 are cross-sectional views taken along line CC in FIG. 68.
[0520]
First, referring to FIG. 96, the steps up to the high-temperature oxide film 217 are formed through the same steps as in the above embodiment. The select gate transistor is connected to an aluminum wiring layer 238 formed thereover via a contact hole. Therefore, a contact hole is formed at the connection portion. This contact is shown in FIG. Referring to FIG. 97, after depositing high-temperature oxide film 217 as described above, etching is performed to remove high-temperature oxide film 217 and conductive film 216 at the contact portion. Thereby, a contact hole 251 is formed.
[0521]
Referring to FIG. 98, after an oxide film made of a TEOS film or the like is formed on the entire surface by using a CVD method or the like, silicon oxide film 235 is left on the side wall of contact hole 251 by performing anisotropic etching. Let it. At this time, the ONO film 215 on the first polycrystalline silicon film 214 is also etched when the silicon oxide film 235 serving as the sidewall is formed, so that the first polycrystalline silicon film 214 is exposed.
[0522]
Next, referring to FIG. 99, a poly pad 236 made of polycrystalline silicon is formed in the contact hole 251 and at the same time, a sub-bit line 227 is formed. Thereafter, as shown in FIG. 100, an interlayer insulating film 245 is formed on the poly pad 236 and the sub-bit line 227. Then, a contact hole 251a is formed in a portion of the interlayer insulating film 245 located above the poly pad 236, and an aluminum electrode 237 is formed in the contact hole 251a. At this time, the main bit line 233 is formed simultaneously with the formation of the aluminum electrode 237. As described above, by forming the poly pad 236 at the contact portion of the select gate transistor, the aspect ratio at this contact portion can be reduced, and the margin for overlapping the patterns can be increased.
[0523]
After the main bit line 233 and the aluminum electrode 237 are formed as described above, the nonvolatile semiconductor memory device is formed through the same steps as those in the above embodiment.
[0524]
Next, a method of manufacturing the source line contact portion of the fourteenth embodiment of the nonvolatile semiconductor memory device according to the present invention will be described with reference to FIGS. FIG. 101 is a plan view showing a part of the nonvolatile semiconductor memory device shown in FIG. First, referring to FIG. 101, source line 223a is formed in source line contact portion 239 so as to have a width W1 larger than width W2 of source line 223a other than the contact portion. On the other hand, reflecting the shape, the width of the drain region is as small as W4 at a portion sandwiched between the source line contact portions 239, and the width of W3 is larger at other portions. In this embodiment, the formation of the contact hole in the source line contact portion 239 and the formation of the contact hole in the drain contact portion 240 are to be performed at the same time by utilizing such a difference in width.
[0525]
The details will be described below with reference to FIGS. FIG. 102 (I) is a diagram showing a cross section viewed along line DD in FIG. 101. FIG. 102 (II) is a view showing a cross section viewed along line EE in FIG. 101. Hereinafter, the same applies to FIGS. 103 to 106.
[0526]
First, referring to FIG. 102, a floating gate electrode 219, an ONO film 215, a control gate electrode 220, and a high-temperature oxide film 217 in a memory transistor are formed through the same steps as in the above embodiment. At this time, in FIG. (I), the interval between the source portions is wider than the interval between the drain portions, and in FIG. (II), the interval between the drain portions is wider than the interval between the source portions.
[0527]
On the memory transistor in such a state, as shown in FIG. 103, a side wall 225 is formed in the same manner as in the above embodiment. Then, an oxide film 226 is further deposited on the sidewalls 225 as shown in FIG.
[0528]
Thereafter, referring to FIG. 105 (I), anisotropic etching is performed on oxide film 226 to form contact hole 239a in source line contact portion 239. At this time, since the width of the source portion is larger than the width of the drain portion, the source portion is more easily etched, and a contact hole 239a is formed in the source portion, but no contact hole is formed in the drain portion.
[0529]
On the other hand, referring to FIG. 105 (II), in this case, since the width of the drain portion is wider than that of the source portion, contact holes are formed only in the drain portion in the same manner as described above. 240a will be formed. After the contact holes 239a and 240a are simultaneously formed in this manner, as shown in FIG. 106, a sub-bit line 227 and a wiring layer 241 made of polycrystalline silicon or the like are formed on the memory transistor. .
[0530]
As described above, according to this embodiment, the formation of the source line contact portion 239 and the formation of the drain contact portion 240 are performed simultaneously by utilizing the difference in the width of the source line 223a and the difference in the width of the drain portion. Becomes possible. Further, since a mask for forming each contact hole is not required, the process can be simplified and the manufacturing cost can be reduced.
[0531]
(15) 15th embodiment
Next, a fifteenth embodiment of the nonvolatile semiconductor memory device according to the present invention will be described with reference to FIG. FIG. 107A is a cross-sectional view of the nonvolatile semiconductor memory device after the formation of the sub-bit line 227 in the case where the dummy memory transistor is not formed. FIG. FIG. 21 is a sectional view of a fifteenth embodiment of the nonvolatile semiconductor memory device. First, referring to FIG. 107 (a), one end of sub bit line 227 is cut off on select gate transistor 234, and the other end is cut off on field oxide film 206. In such a case, there is a problem that the field oxide film 206 is reduced in film thickness at the time of contact etching and the like, and the separation characteristics are deteriorated.
[0532]
Therefore, in the fifteenth embodiment, the dummy memory transistor 242b is formed on the field oxide film 206. As a result, it is possible to reduce the step in the sub-bit line 227 without deteriorating the isolation breakdown voltage between elements. As described above, in the fifteenth embodiment, the dummy memory transistor 242b is formed on the field oxide film 206. However, as shown in FIG. 107B, the dummy memory transistor 242a is formed on the p-type silicon substrate 201. It may be formed directly. This makes it possible to inject electrons between the dummy gate 242 and the p-type silicon substrate 201 using FN tunneling. This makes it possible to have a field shield effect. Also, it is possible to inject electrons into the dummy gate 242 by channel hot electrons using the sub-bit line 227 sandwiching the dummy memory transistor 242a. With this, the same field shield effect as in the above case can be expected.
[0533]
(16) Sixteenth embodiment
Next, a sixteenth embodiment of the nonvolatile semiconductor memory device according to the present invention will be described with reference to FIGS. FIG. 108 is a partial cross-sectional view of the memory transistor portion of the nonvolatile semiconductor memory device according to the sixteenth embodiment according to the present invention. FIG. 109 is a cross-sectional view corresponding to a cross-section taken along line FF in FIG. 69. 110 to 119 are cross-sectional views showing the tenth to nineteenth steps of the manufacturing process of the nonvolatile semiconductor memory device according to this embodiment.
[0534]
In each of the above embodiments, the field oxide film 206 located on the source region is removed by etching, and in this state, the source line is formed by implanting arsenic (As) or the like into the source region. However, in this case, the following problems can be considered. Immediately below the field oxide film 206, boron (B) or the like is previously injected through the field oxide film 206 in order to improve the isolation characteristics between elements. Therefore, as described above, when arsenic (As) for forming a source line is implanted after etching field oxide film 206, boron (B) implanted through field oxide film 206 and source A portion that overlaps with arsenic (As) implanted for line formation will occur. As a result, there is a problem that the carrier concentration is offset in the overlapping portion, and the source withstand voltage is lowered.
[0535]
Therefore, in this embodiment, in order to form a source line, a wiring layer made of polycrystalline silicon or the like into which impurities are introduced so as to electrically connect the source regions is formed. Thus, the wiring layer can be formed on the field oxide film 206, so that it is not necessary to remove the field oxide film 206 located on the source line formation region. Thereby, the overlap of the impurity regions as described above can be eliminated, and a decrease in the source withstand voltage can be prevented.
[0536]
Hereinafter, the present embodiment will be described more specifically with reference to the drawings. First, referring to FIG. 108, a feature of this embodiment is that a wiring layer 262 for electrically connecting source regions 223 scattered in the word line direction is formed. Other structures are the same as those in the above embodiments. In this case, the wiring layer 262 is formed of polycrystalline silicon or the like.
[0537]
The wiring layer 262 connects the source regions 223 separated by the field oxide film 206 to each other. Therefore, as shown in FIG. 109, wiring layer 262 extends over source region 223 and field oxide film 206 sandwiched between source regions 223. By providing the wiring layer 262 in this manner, each source region 223 can be electrically connected, so that it is not necessary to remove a part of the field oxide film 206 by etching. This makes it possible to prevent the source line breakdown voltage from being reduced as described above.
[0538]
Next, a method for manufacturing the nonvolatile semiconductor memory device having the above structure will be described with reference to FIGS. First, referring to FIG. 110, the high-temperature oxide film 217, the conductive film 216, the ONO film 215, and the first polycrystalline silicon film 214 are etched through the same steps as in the second embodiment. Thereby, a floating gate electrode 219 and a control gate electrode 220 are formed. Then, the resist 218a is removed.
[0539]
Next, as shown in FIG. 111, a resist pattern 221a is formed so as to expose only the select gate transistor. Then, using the resist pattern 221a as a mask, phosphorus (P) is ion-implanted under the conditions of 60 KeV and 3.0 × 10 13 cm −2. Thereby, source / drain regions 223 and 224 of the select gate transistor are formed. After that, the resist 221a is removed.
[0540]
Next, referring to FIG. 112, a resist pattern 221b is formed so as to cover a transistor serving as a select gate transistor and expose another memory transistor. Then, using this resist pattern 221b as a mask, arsenic (As) is ion-implanted under the conditions of 35 KeV and 5.5 × 10 15 cm −2. Thereby, source / drain regions of the memory transistor are formed. After that, the resist 221b is removed.
[0541]
Next, referring to FIG. 113, a high-temperature oxide film having a thickness of about 2000 ° is formed in the memory transistor region by using the CVD method. Then, a sidewall 225 is formed on the side wall of the select gate transistor or the side wall of the memory transistor by anisotropically etching the high-temperature oxide film. Then, arsenic (As) is ion-implanted under the conditions of 35 KeV and 4.0 × 10 15 cm −2 using the side wall 225 as a mask. Thus, the source / drain regions of the peripheral transistor, the source region 223, and the drain region 224 are formed.
[0542]
Next, referring to FIG. 114, a silicon oxide film 226 made of a TEOS (Tetraethyl Ortho Silicate) film or the like is deposited in the memory transistor region. Then, sintering of the oxide film is performed for about 30 minutes. Thereafter, a resist pattern 261 is formed to expose the silicon oxide film 226 located on the source region 223. Then, using the resist pattern 261 as a mask, the silicon oxide film 226 and a part of the side wall 225 located on the source region 223 are etched. Thereby, as shown in FIG. 115, a contact hole 268 is formed in a region located above source region 223. Then, the resist 261 is removed.
[0543]
Next, referring to FIG. 116, a polycrystalline silicon layer 262 is formed on the inner surface of contact hole 268 and silicon oxide film 226 by using a CVD method or the like. Then, an oxide film 263 is formed on polycrystalline silicon layer 262 by using a CVD method or the like. Then, a resist pattern 264 is formed on the oxide film 263 located on the source region 223. At this time, the end of the resist pattern 264 is located above the ends of the floating gate electrode 219 and the control gate electrode 220 located on the source side. Thereby, the distance between polycrystalline silicon layer 262 and sub-bit line 227 can be increased, and a desired breakdown voltage between polycrystalline silicon layer 262 and sub-bit line 227 can be ensured. Further, the withstand voltage between control gate electrode 220 and polycrystalline silicon layer 262 can be set to a desired value.
[0544]
Then, as shown in FIG. 117, oxide film 263 and polycrystalline silicon layer 262 are etched using resist pattern 264 as a mask. Thus, a wiring layer 262 for electrically connecting the source regions 223 scattered in the word line direction is formed.
[0545]
Next, referring to FIG. 118, after removing resist 264, oxide film 265 is formed on oxide films 226 and 263 by using a CVD method or the like. Then, a resist pattern 266 is formed to expose the oxide film 265 located on the drain diffusion region 224. Then, using the resist pattern 266 as a mask, the oxide films 265 and 226 located on the drain region 224 are removed by etching. Thereby, a part of the drain region 224 is exposed.
[0546]
Thereafter, referring to FIG. 119, after removing the above-mentioned resist 266, a polycrystalline silicon layer having a film thickness of about 2000 ° is formed by a CVD method or the like, and impurities are introduced into this polycrystalline silicon layer. This imparts conductivity. A sub-bit line 227 is formed by applying a resist 228 having a predetermined shape on the polycrystalline silicon layer and patterning the polycrystalline silicon layer using the resist 228 as a mask. Thereafter, the nonvolatile semiconductor memory device is formed through the same steps as in the second embodiment.
[0547]
(17) Seventeenth embodiment
Next, a seventeenth embodiment based on the present invention will be described with reference to FIGS. 120 to 125 and FIGS. 156 to 159. FIG. 120 is a partial cross-sectional view of the nonvolatile semiconductor memory device according to the seventeenth embodiment according to the present invention. FIG. 121 to FIG. 125 are views showing first to fifth steps of the manufacturing process of the nonvolatile semiconductor memory device shown in FIG. FIG. 156 is a plan view showing the conventional structure of the nonvolatile semiconductor memory device according to the seventeenth embodiment, and FIG. 156 is a view showing a cross section taken along line BB in FIG. . FIG. 157 is a partial cross-sectional view for describing a write operation of the conventional nonvolatile semiconductor memory device shown in FIG. 156. FIG. 158 is a partial cross-sectional view for describing an erasing operation of the nonvolatile semiconductor memory device shown in FIG. 156. FIG. 159 is a partial cross-sectional view for describing a problem in the conventional nonvolatile semiconductor memory device shown in FIG. 156.
[0548]
First, a conventional structure of a nonvolatile semiconductor memory device according to a seventeenth embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. Referring to FIGS. 156 (a) and 156 (b), this type of nonvolatile semiconductor memory device generally has a virtual ground configuration memory cell array (Virtual Ground).
Array).
[0549]
Referring to FIG. 156 (b), on the main surface of p-type semiconductor substrate 301, n-type high-concentration impurity regions 302a, 302b, 302c, 302d functioning as bit lines are formed substantially parallel to each other with an interval therebetween. Have been. Floating gates 305a, 305b, and 305 are formed on a region sandwiched between these high-concentration impurity regions 302a to 302d with an insulating film 304 interposed therebetween. An insulating film 306 is formed to cover these floating gates 305a, 305b, 305. A control gate 307 is formed on the surface of the insulating film 306. Referring to FIG. 156 (a), control gate 307 extends over a plurality of floating gates 305 and is substantially orthogonal to high concentration impurity regions 302a to 302d.
[0550]
Next, a conventional operation of the conventional nonvolatile semiconductor memory device having the above structure will be described with reference to FIGS. First, the write operation will be described. Referring to FIG. 156 (a) and FIG. 157, a case where writing is performed on floating gate 305b will be described. When writing to floating gate 305b, a voltage of about 12 V is applied to control gate 307 extending on floating gate 305b, and a voltage of about 5 V is applied to high concentration impurity region 302b functioning as a bit line. Is done.
[0551]
At this time, the high concentration impurity region 302a is kept in a floating state. Impurity region 302c is kept at the ground potential. Thus, a current flows from the high-concentration impurity region 302b to the high-concentration impurity region 302c. At this time, electrons are injected into the floating gate 305b. Thereby, writing is performed on floating gate 305b.
[0552]
Next, the erasing operation will be described. When erasing information written in each of the floating gates 305, 305a, 305b, each control gate 307 is kept at the ground potential, and a voltage of about 10 V is applied to each of the high-concentration impurity regions 302a to 302d. As a result, electrons are simultaneously extracted from the floating gates 305, 305a, 305b, and the written information is erased. This is shown in FIG.
[0553]
When a nonvolatile semiconductor memory device having a memory cell array of a conventional virtual ground configuration having the above configuration and operating is operated in accordance with the present invention, the following problems will occur. Will occur. The problem will be described with reference to FIG.
[0554]
When a conventional nonvolatile semiconductor memory device having a memory cell array having a virtual ground configuration is operated according to the present invention, a problem occurs when the write operation according to the present invention is performed. . Referring to FIG. 159, to write information into, for example, floating gate 305a by performing a write operation according to the present invention, a voltage of, for example, about -8 V is applied to selected control gate 307. . At this time, a voltage of about 5 V is applied to the selected bit line, in this case, the high concentration impurity region 302b functioning as a bit line. Then, unselected bit lines, in this case, the high-concentration impurity regions 302a, 302c, and 302d are held at the ground potential.
[0555]
As a result, as indicated by arrows in FIG. 159, electrons are extracted from floating gate 305a, and at the same time, electrons are extracted from floating gate 305b adjacent to floating gate 305a. This is because one end of the high-concentration impurity region 302b is formed so as to partially overlap with the floating gate 305a, and the other end is formed so as to partially overlap with the floating gate 305b.
[0556]
Since the high-concentration impurity region 302b and the floating gate 305a and the floating gate 305b are formed in such a positional relationship that they partially overlap each other, the floating gates 305a and 305b are formed in the overlapping portion by the FN phenomenon. Electrons are extracted from the That is, information has been written to both floating gates 305a and 305b. As a result, there arises a problem that a malfunction of the nonvolatile semiconductor memory device is caused.
[0557]
The nonvolatile semiconductor memory device according to the present embodiment has been devised to solve the above problems. Hereinafter, the structure and operation of the nonvolatile semiconductor memory device according to the present embodiment will be described with reference to FIGS.
[0558]
Referring to FIG. 120, in the nonvolatile semiconductor memory device having the memory cell array of the virtual ground configuration according to the present embodiment, one end of high-concentration impurity regions 302a, 302b, 302c, and 302d functioning as bit lines is floating. The other end is located below the gate 305 so as not to be located below the adjacent floating gate 305. The concentration of the high concentration impurity regions 302a, 302b, 302c, 302d is preferably 1020 / cm3 or more.
[0559]
More specifically, referring to FIG. 120, one end of high-concentration impurity region 302b is located below floating gate 305a, but floating gate 305b adjacent to floating gate 305a does not overlap impurity region 302b. So that they are offset. Other structures are almost the same as the conventional structure shown in FIG. 156 (b).
[0560]
As described above, by forming the end portion of the high-concentration impurity region 302b so as not to overlap with the adjacent floating gate 305b, for example, when performing the writing operation according to the present invention on the floating gate 305a, It is possible to avoid a situation in which electrons are extracted from 305b. This makes it possible to write information more reliably.
[0561]
Next, a method for manufacturing the nonvolatile semiconductor memory device having the structure shown in FIG. 120 in this embodiment will be described with reference to FIGS. First, referring to FIGS. 121A and 121B, an insulating film 304 having a thickness of about 100 ° is formed on the main surface of p-type semiconductor substrate 301. Then, a first polycrystalline silicon layer 305c having a thickness of about 1000 ° is deposited on insulating film 304 by using a CVD method or the like.
[0562]
On this first polycrystalline silicon 305c, a resist 308 having a desired film thickness is applied. This resist 308 is patterned into a predetermined shape. The first polycrystalline silicon layer 305c is patterned by etching using the patterned resist 308 as a mask.
[0563]
Next, referring to FIG. 122 (a), after patterning the first polycrystalline silicon layer 305c, an n-type impurity such as arsenic (As) is p-type semiconductor substrate using resist 308 as a mask. Ion implantation is performed on the main surface of the substrate 301. At this time, the implantation angle of the impurity is inclined by a predetermined angle θ. Thus, high-concentration impurity regions 302a to 302d are formed on the main surface of p-type semiconductor substrate 301 by the shadowing effect of resist 308 such that the ends thereof partially overlap only one of the adjacent floating gates. It becomes possible.
[0564]
The value of the tilt angle θ is preferably about 7 °. In this manner, arsenic (As) is ion-implanted at an angle with respect to the vertical direction by an angle of θ, so that one of the adjacent first polycrystalline silicon layers 305 c patterned according to the resist 308 is formed. High-concentration impurity regions 302a to 302d that overlap with the first polycrystalline silicon layer 305c but are offset from the other first polycrystalline silicon layer 305c are formed. FIG. 122 (b) shows this state as viewed in plan.
[0565]
Next, referring to FIG. 123, after removing resist 308, oxide film 309 is formed using CVD or the like so as to cover first polycrystalline silicon layer 305c. Then, oxide film 309 is buried between first polysilicon layers 305c by etching back oxide film 309.
[0566]
Next, referring to FIG. 124, an insulating film 306 is formed on oxide film 309 and first polycrystalline silicon layer 305c using a CVD method or the like. On this insulating film 306, a second polycrystalline silicon layer 307a having a predetermined thickness is deposited by using a CVD method or the like. Thereafter, referring to FIG. 125 (a), a resist 310 is applied on second polycrystalline silicon layer 307a, and this resist 310 is patterned into a predetermined shape. In this case, referring to FIG. 125B, the resist 310 is patterned in a direction substantially orthogonal to the high-concentration impurity regions 302a to 302d. By etching using the resist 310 patterned as described above as a mask, a control gate 307, floating gates 305a, 305b, 305 and an insulating film 306 are formed as shown in FIG. After that, the resist 310 is removed. Through the above steps, the nonvolatile semiconductor memory device shown in FIG. 120 is completed.
[0567]
Next, another mode of the seventeenth embodiment shown in FIG. 120 will be described with reference to FIG. In the nonvolatile semiconductor memory device shown in FIG. 120, only high-concentration impurity regions 302a to 302d are formed. However, in the present embodiment, the n-type high-concentration impurity regions 302a to 302d involved in the writing operation are formed by using the same method as in the above-described seventeenth embodiment. 303 are formed. By providing the low-concentration impurity regions 303 in this manner, it is possible to improve the operation characteristics of the nonvolatile semiconductor memory device. The low-concentration impurity region 303 is formed by ion-implanting an n-type impurity such as arsenic (As) into the main surface of the semiconductor substrate 301 at the same implantation angle as in the conventional example.
[0568]
As an example of the implantation condition, arsenic (As) is implanted in an amount of 1011 / cm 2 or more to form the low concentration impurity region 303. Thus, the concentration of the low-concentration impurity region 303 to be formed has a concentration of 1016 / cm3 or more. At this time, in forming the high-concentration impurity regions 302a to 302d, the implantation amount of arsenic (As) is preferably 1015 / cm2 or more. Thereby, the concentration of the high-concentration impurity regions 302a to 302d becomes 1020 / cm3 or more.
[0569]
The invention will now be summarized with reference to FIG. FIG. 127 is a schematic diagram showing an essential configuration of the nonvolatile semiconductor memory device according to the present invention. Referring to FIG. 127, impurity regions 402a and 402b are formed on the main surface of semiconductor substrate 401 at intervals. An insulating film 403 is formed on the channel region 409 between the impurity regions 402a and 402b. A floating gate 404 is formed on the insulating film 403. The floating gate 404 serves as an electron storage unit. A word line 406 is formed over the floating gate 404 via an insulating film 405. An interlayer insulating film 407 is formed on the word line 406, and a bit line 408 is formed on the interlayer insulating film 407. Bit line 408 is electrically connected to impurity region 402a via contact hole 410 provided in interlayer insulating film 407.
[0570]
In the nonvolatile semiconductor memory device having the above configuration, a characteristic operation according to the present invention is performed. First, in the characteristic operation of the nonvolatile semiconductor memory device according to the present invention, the initial state is an erased state. That is, the state where electrons are accumulated in the floating gate 404 is the erased state (initial state). As a method of accumulating electrons in the floating gate 404, first, the bit line 408 is held in a floating state, and a voltage of, for example, about −10 V is applied to the semiconductor substrate 401. At this time, a voltage of about 10 V is applied to the word line 406. Thus, electrons can be injected into the floating gate 404 by the FN phenomenon (channel FN) over the entire surface of the channel region 409. At this time, the threshold voltage Vth (E) of the memory transistor in the erased state is higher than the voltage VRead applied to the word line 406 at the time of reading.
[0571]
As described above, first, after erasing, information is written by extracting electrons from a predetermined memory transistor. At the time of writing, a voltage of about 5 V is applied to the bit line 408. At this time, the semiconductor substrate 401 is kept at the ground potential. Then, a voltage of about −10 V is applied to the word line 406. As a result, electrons are extracted from the floating gate 404. At this time, the extraction of electrons is performed by the FN phenomenon at the overlapping portion between the floating gate 404 and the impurity region 402a. As a result, the threshold voltage Vth (p) of the memory transistor after writing has a value smaller than the voltage VRead applied to the word line 406 during reading.
[0572]
As described above, in the operation of the nonvolatile semiconductor memory device according to the present invention, the state in which electrons are injected into the memory transistor is the erased state, and electrons are emitted from a predetermined memory transistor among all the memory transistors. Information will be written by pulling out. In each of the above embodiments, a case has been described in which the present invention is applied to a nonvolatile semiconductor memory device. However, the present invention is also applicable to semiconductor storage devices other than nonvolatile semiconductor storage devices.
[0573]
【The invention's effect】
thisAccording to the invention,The memory cells are divided into sectors, and the bit lines are composed of main and sub-bit lines, the erasing unit can be reduced, the load on the voltage generating circuit at the time of erasing can be reduced, and An electron transfer unit is provided, and the threshold voltage of the memory cell can be controlled for each bit. In addition, erasing and programming can be performed without using a source line.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a diagram showing a relationship between program and erase operations and threshold voltages in first to eleventh embodiments in comparison with a conventional example.
FIG. 2 is a diagram showing an erased state and a programmed state in the first to eleventh embodiments in comparison with a conventional example.
FIG. 3 is a diagram showing threshold voltages at the time of batch erasing in the first to eleventh embodiments.
FIG. 4 is a diagram showing a change in threshold voltage due to a batch erase operation in the first to eleventh embodiments.
FIG. 5 is a block diagram showing the overall configuration of the flash memory according to the first embodiment.
FIG. 6 is a diagram showing conditions for applying a voltage to a memory cell during programming and erasing in the first embodiment.
FIG. 7 is a diagram illustrating voltage application conditions during a batch erase operation, a program operation, and a read operation in the first embodiment.
FIG. 8 is a flowchart for explaining a rewriting operation in the first embodiment.
FIG. 9 is a diagram showing conditions for applying a voltage to a memory cell during programming and erasing in the second embodiment.
FIG. 10 is a diagram illustrating voltage application conditions during a batch erase operation, a program operation, and a read operation in the second embodiment.
FIG. 11 is a block diagram showing an overall configuration of a flash memory according to a third embodiment.
FIG. 12 is a block diagram showing a configuration of an X decoder included in the flash memory of FIG. 11;
FIG. 13 is a diagram showing conditions for applying a voltage to a memory cell during programming and erasing in the third embodiment.
FIG. 14 is a diagram showing voltage application conditions during a batch erase operation, a program operation, and a read operation in the third embodiment.
FIG. 15 is a diagram illustrating voltage application conditions during a page erase operation, a program operation, and a read operation in the fourth embodiment.
FIG. 16 is a flowchart for explaining a rewriting operation in the fourth embodiment.
FIG. 17 is a diagram illustrating voltage application conditions during a page erase operation, a program operation, and a read operation in the fifth embodiment.
FIG. 18 is a block diagram showing an overall configuration of a flash memory according to a sixth embodiment.
19 is a circuit diagram showing a detailed configuration of a memory array included in the flash memory of FIG. 18 and a portion related thereto.
FIG. 20 is a diagram showing conditions for applying a voltage to a memory cell during programming and erasing in the sixth embodiment.
FIG. 21 is a diagram showing voltage application conditions during a collective sector erase operation, a program operation, and a read operation in the sixth embodiment.
FIG. 22 is a flowchart for explaining a program operation and a verify operation in the sixth embodiment.
FIG. 23 is a sectional view showing a structure of a memory cell used in a flash memory according to a sixth embodiment.
FIG. 24 is a structural diagram of two adjacent memory cells in the sixth embodiment.
FIG. 25 is a layout diagram of a memory cell array in the sixth embodiment.
FIG. 26 is a circuit diagram showing voltages applied in the memory cell array of the embodiment in FIG. 6;
FIG. 27 is a circuit diagram showing an equivalent circuit of a high voltage generation circuit.
FIG. 28 is a sectional view showing a partial structure of a high-voltage generating circuit used in a flash memory according to a sixth embodiment;
FIG. 29 is a cross-sectional view for explaining that a parasitic transistor exists in the structure shown in FIG. 28;
30 is an equivalent circuit diagram of a circuit constituted by the parasitic transistors shown in FIG.
FIG. 31 is a sectional view showing another structure of the high voltage generation circuit used in the flash memory according to the sixth embodiment.
FIG. 32 is a circuit diagram showing an equivalent circuit of a negative voltage generation circuit.
FIG. 33 is a sectional view showing a partial structure of a negative voltage generating circuit used in a flash memory according to a sixth embodiment;
FIG. 34 is a circuit diagram showing a detailed configuration of a memory array included in a flash memory according to a seventh embodiment and portions related thereto.
FIG. 35 is a diagram showing a change in voltage of a main bit line during programming in the seventh embodiment.
FIG. 36 is a block diagram showing an overall configuration of a flash memory according to an eighth embodiment.
FIG. 37 is a circuit diagram showing a detailed configuration of a memory array included in the flash memory of FIG. 36 and portions related thereto.
FIG. 38 is a diagram for explaining a state of a memory cell at the time of erasing when there is no gate bird's beak.
FIG. 39 is a diagram showing conditions for applying voltage to the memory cells of the selected sector and the memory cells of the non-selected sector at the time of erasing when there is no gate bird's beak.
FIG. 40 is a diagram showing voltage application conditions during a collective sector erase operation when there is no gate bird's beak.
FIG. 41 is a circuit diagram showing a configuration of a source decoder used when there is no gate bird's beak.
FIG. 42 is a diagram showing voltages of respective parts of the source decoder of FIG. 41;
FIG. 43 is a diagram illustrating a state of a memory cell at the time of erasing when there is a gate bird's beak.
FIG. 44 is a diagram showing conditions for applying a voltage to a memory cell of a selected sector and a memory cell of a non-selected sector at the time of erasing when there is a gate bird's beak.
FIG. 45 is a diagram showing voltage application conditions during a collective sector erase operation when there is a gate bird's beak.
FIG. 46 is a circuit diagram showing a configuration of a source decoder used when there is a gate bird's beak.
FIG. 47 is a diagram showing voltages of respective parts of the source decoder of FIG. 46;
FIG. 48 is a diagram showing conditions for applying a voltage to a memory cell of a selected sector and a memory cell of an unselected sector at the time of erasing when the well potential is low.
FIG. 49 is a diagram showing voltage application conditions during a collective sector erase operation when a well potential is low.
FIG. 50 is a circuit diagram showing a configuration of a source decoder used when a well potential is low.
FIG. 51 is a diagram showing voltages of respective parts of the source decoder of FIG. 50;
FIG. 52 is a block diagram showing an overall configuration of a flash memory according to a ninth embodiment.
FIG. 53 is a circuit diagram showing a detailed configuration of a memory array included in the flash memory of FIG. 52 and a portion related thereto.
FIG. 54 is a diagram showing voltage application conditions during a collective sector erase operation in the ninth embodiment.
FIG. 55 is a circuit diagram showing a configuration of a select gate decoder and a source switch included in the flash memory of FIG. 52.
FIG. 56 is a diagram showing voltages of respective parts of the select gate decoder and the source switch of FIG. 55.
FIG. 57 is a flowchart illustrating a program operation in the flash memory according to the tenth embodiment.
FIG. 58 is a flowchart for explaining a program operation in the flash memory according to the eleventh embodiment;
FIG. 59 is a block diagram showing an overall configuration of a flash memory according to a twelfth embodiment.
FIG. 60 is a circuit diagram of the memory cell array and its peripheral circuits shown in FIG. 59.
FIG. 61 is a layout diagram on a semiconductor substrate showing a connection mode between the word lines shown in FIG. 60 and the output lines of the local decoder.
FIG. 62 is a cross-sectional structural diagram showing separation between two memory cells 1491 and 1492 shown in FIG. 60;
FIG. 63 is a cross-sectional structure diagram in a case where separation between two memory cells 1491 and 1492 shown in FIG. 60 is performed by a field shield transistor.
FIG. 64 is a circuit diagram of a word line voltage control circuit and a predecoder used in the twelfth embodiment.
FIG. 65 is a cross-sectional view of a part of a memory transistor portion of a thirteenth embodiment of the nonvolatile semiconductor memory device according to the present invention.
FIG. 66 (a) is a sectional view of a part of a memory transistor section of a nonvolatile semiconductor memory device according to a fourteenth embodiment of the present invention, and FIG. 66 (b) is an equivalent circuit diagram thereof.
FIG. 67 is a sectional view showing a memory transistor according to a fourteenth embodiment of the nonvolatile semiconductor memory device according to the present invention;
FIG. 68 is a plan view up to a state where a control gate having the structure shown in FIG. 66A is formed.
FIG. 69 is a plan view up to a state where a sub-bit line having the structure shown in FIG. 66A is formed.
FIG. 70 is a plan view up to a state where a main bit line having the structure shown in FIG. 66A is formed.
FIG. 71 is a plan view up to a state where aluminum wiring having the structure shown in FIG. 66A is formed.
FIG. 72 is a block diagram showing a first example of the entire configuration of the fourteenth embodiment of the nonvolatile semiconductor memory device according to the present invention.
FIG. 73 is a block diagram showing a second example of the entire configuration of the fourteenth embodiment of the nonvolatile semiconductor memory device according to the present invention.
FIG. 74 is a block diagram showing a third example of the entire configuration of the fourteenth embodiment of the nonvolatile semiconductor memory device according to the present invention.
FIG. 75 is a block diagram showing a fourth example of the entire configuration of the fourteenth embodiment of the nonvolatile semiconductor memory device according to the present invention.
FIG. 76 is a block diagram showing a fifth example of the entire configuration of the fourteenth embodiment of the nonvolatile semiconductor memory device according to the present invention.
FIG. 77 is a cross-sectional view showing a first step of the method for manufacturing the memory transistor portion of the fourteenth embodiment of the nonvolatile semiconductor memory device according to the present invention.
FIG. 78 is a sectional view showing a second step of the method for manufacturing the memory transistor portion of the fourteenth embodiment of the nonvolatile semiconductor memory device according to the present invention;
FIG. 79 is a cross sectional view showing a third step of the method for manufacturing the memory transistor portion of the fourteenth embodiment of the nonvolatile semiconductor memory device according to the present invention.
FIG. 80 is a cross-sectional view showing a fourth step of the method for manufacturing the memory transistor portion of the fourteenth embodiment of the nonvolatile semiconductor memory device according to the present invention.
FIG. 81 is a cross sectional view showing a fifth step of the method for manufacturing the memory transistor portion of the fourteenth embodiment of the nonvolatile semiconductor memory device according to the present invention.
FIG. 82 is a sectional view showing a sixth step of the method for manufacturing the memory transistor portion of the fourteenth embodiment of the nonvolatile semiconductor memory device according to the present invention;
FIG. 83 is a cross sectional view showing a seventh step of the method for manufacturing the memory transistor portion of the fourteenth embodiment of the nonvolatile semiconductor memory device according to the present invention.
FIG. 84 is a cross-sectional view showing an eighth step of the method for manufacturing the memory transistor portion of the fourteenth embodiment of the nonvolatile semiconductor memory device according to the present invention.
FIG. 85 is a cross-sectional view showing a ninth step of the method for manufacturing the memory transistor section of the fourteenth embodiment of the nonvolatile semiconductor memory device according to the present invention.
FIG. 86 is a sectional view showing a tenth step of the method for manufacturing the memory transistor portion of the fourteenth embodiment of the nonvolatile semiconductor memory device according to the present invention;
FIG. 87 is a cross sectional view showing an eleventh step of the method for manufacturing the memory transistor portion of the fourteenth embodiment of the nonvolatile semiconductor memory device according to the present invention.
FIG. 88 is a sectional view showing a twelfth step of the method for manufacturing the memory transistor portion of the fourteenth embodiment of the nonvolatile semiconductor memory device according to the present invention;
FIG. 89 is a sectional view showing a thirteenth step of the method for manufacturing the memory transistor portion of the fourteenth embodiment of the nonvolatile semiconductor memory device according to the present invention;
FIG. 90 is a sectional view showing a fourteenth step of the method for manufacturing the memory transistor portion of the fourteenth embodiment of the nonvolatile semiconductor memory device according to the present invention;
FIG. 91 is a sectional view showing a fifteenth step of the method for manufacturing the memory transistor portion of the fourteenth embodiment of the nonvolatile semiconductor memory device according to the present invention;
FIG. 92 is a sectional view showing a sixteenth step of the method for manufacturing the memory transistor portion of the fourteenth embodiment of the nonvolatile semiconductor memory device according to the present invention;
FIG. 93 is a sectional view showing a seventeenth step of the method for manufacturing the memory transistor portion of the fourteenth embodiment of the nonvolatile semiconductor memory device according to the present invention;
FIG. 94 is a cross-sectional view showing an eighteenth step of the method for manufacturing the memory transistor portion of the fourteenth embodiment of the nonvolatile semiconductor memory device according to the present invention.
FIG. 95 is a sectional view showing a nineteenth step of the method for manufacturing the memory transistor portion of the fourteenth embodiment of the nonvolatile semiconductor memory device according to the present invention;
FIG. 96 is a cross-sectional view showing a first step of the method for manufacturing the select gate contact portion in the fourteenth embodiment of the nonvolatile semiconductor memory device according to the present invention.
FIG. 97 is a cross sectional view showing a second step of the method for manufacturing the select gate contact portion in the fourteenth embodiment of the nonvolatile semiconductor memory device according to the present invention.
FIG. 98 is a cross sectional view showing a third step of the method for manufacturing the select gate contact portion in the fourteenth embodiment of the nonvolatile semiconductor memory device according to the present invention.
FIG. 99 is a cross sectional view showing a fourth step of the method for manufacturing the select gate contact portion in the fourteenth embodiment of the nonvolatile semiconductor memory device according to the present invention.
FIG. 100 is a sectional view showing a fifth step of the method for manufacturing the select gate contact portion in the fourteenth embodiment of the nonvolatile semiconductor memory device according to the present invention;
FIG. 101 is a plan view of a source line contact portion in a fourteenth embodiment of the nonvolatile semiconductor memory device according to the present invention.
FIG. 102 is a sectional view showing a first step of the method of manufacturing the source line contact portion in the fourteenth embodiment of the nonvolatile semiconductor memory device according to the present invention;
FIG. 103 is a cross sectional view showing a second step of the method for manufacturing the source line contact portion in the fourteenth embodiment of the nonvolatile semiconductor memory device according to the present invention.
FIG. 104 is a sectional view showing a third step of the method of manufacturing the source line contact portion in the fourteenth embodiment of the nonvolatile semiconductor memory device according to the present invention;
FIG. 105 is a sectional view showing a fourth step of the method of manufacturing the source line contact portion in the fourteenth embodiment of the nonvolatile semiconductor memory device according to the present invention.
FIG. 106 is a sectional view showing a fifth step of the method of manufacturing the source line contact portion in the fourteenth embodiment of the nonvolatile semiconductor memory device according to the present invention.
FIG. 107 is a cross-sectional view of a memory transistor part of a fifteenth embodiment of the nonvolatile semiconductor memory device according to the present invention.
FIG. 108 is a partial cross-sectional view of a memory transistor portion of a sixteenth embodiment of the nonvolatile semiconductor memory device according to the present invention.
FIG. 109 is a view showing a cross section corresponding to a cross section viewed along line FF in FIG. 69;
FIG. 110 is a sectional view showing a tenth step of the method for manufacturing the memory transistor portion of the sixteenth embodiment of the nonvolatile semiconductor memory device according to the present invention;
FIG. 111 is a cross-sectional view showing an eleventh step of the method for manufacturing the memory transistor portion of the sixteenth embodiment of the nonvolatile semiconductor memory device according to the present invention.
FIG. 112 is a sectional view showing a twelfth step of the method for manufacturing the memory transistor portion of the sixteenth embodiment of the nonvolatile semiconductor memory device according to the present invention;
FIG. 113 is a cross-sectional view showing a thirteenth step of the method for manufacturing the memory transistor portion of the sixteenth embodiment of the nonvolatile semiconductor memory device according to the present invention.
FIG. 114 is a sectional view showing a fourteenth step of the method for manufacturing the memory transistor portion of the sixteenth embodiment of the nonvolatile semiconductor memory device according to the present invention;
FIG. 115 is a cross-sectional view showing a fifteenth step of the method for manufacturing the memory transistor portion of the sixteenth embodiment of the nonvolatile semiconductor memory device according to the present invention.
FIG. 116 is a cross-sectional view showing a sixteenth step of the method for manufacturing the memory transistor portion of the sixteenth embodiment of the nonvolatile semiconductor memory device according to the present invention.
FIG. 117 is a sectional view showing a seventeenth step of the method for manufacturing the memory transistor portion of the sixteenth embodiment of the nonvolatile semiconductor memory device according to the present invention;
FIG. 118 is a cross-sectional view showing an eighteenth step of the method for manufacturing the memory transistor portion of the sixteenth embodiment of the nonvolatile semiconductor memory device according to the present invention.
FIG. 119 is a sectional view showing a nineteenth step of the method for manufacturing the memory transistor portion of the sixteenth embodiment of the nonvolatile semiconductor memory device according to the present invention;
FIG. 120 is a partial cross sectional view showing a seventeenth embodiment of the nonvolatile semiconductor memory device according to the present invention.
FIG. 121 (a) is a partial cross-sectional view showing a first step of the method for manufacturing the memory transistor portion of the seventeenth embodiment of the nonvolatile semiconductor memory device according to the present invention. (B) is a plan view in this case.
FIG. 122 (a) is a partial cross-sectional view showing a second step of the method for manufacturing the memory transistor portion in the seventeenth embodiment of the nonvolatile semiconductor memory device according to the present invention; (B) is a plan view in this case.
FIG. 123 is a partial cross sectional view showing a third step of the method for manufacturing the memory transistor portion of the seventeenth embodiment of the nonvolatile semiconductor memory device according to the present invention.
FIG. 124 is a partial cross sectional view showing a fourth step of the method for manufacturing the memory transistor portion of the seventeenth embodiment of the nonvolatile semiconductor memory device according to the present invention.
FIG. 125 (a) is a partial cross-sectional view showing a fifth step of the method for manufacturing the memory transistor portion in the seventeenth embodiment of the nonvolatile semiconductor memory device according to the present invention. (B) is a plan view in this case.
FIG. 126 is a partial sectional view showing another mode of the seventeenth embodiment of the nonvolatile semiconductor memory device according to the present invention.
FIG. 127 is a schematic diagram for explaining a characteristic operation of the nonvolatile semiconductor memory device according to the present invention.
FIG. 128 is a cross-sectional view showing a structure of a stack gate type memory cell used in a conventional flash memory.
FIG. 129 is a diagram showing a relationship between program and erase operations and a threshold voltage in a conventional flash memory.
FIG. 130 is a diagram showing conditions for applying a voltage to a memory cell during programming and erasing in a conventional flash memory.
FIG. 131 is a block diagram showing the overall configuration of a conventional flash memory.
132 is a block diagram illustrating a configuration of an X decoder included in the flash memory of FIG. 131.
FIG. 133 is a diagram showing voltage application conditions during a program operation in a conventional flash memory.
FIG. 134 is a flowchart for describing a pre-erase write operation in a conventional flash memory.
FIG. 135 is a flow chart for explaining a batch erasing operation in a conventional flash memory.
FIG. 136 is a diagram showing voltage application conditions during a batch erase operation in a conventional flash memory.
FIG. 137 is a diagram showing voltage application conditions during a read operation in a conventional flash memory.
FIG. 138 is a diagram showing voltages of respective lines in a conventional flash memory during a program operation, an erase operation, and a read operation.
FIG. 139 is a diagram showing a threshold voltage when a collective erase operation is performed without performing a pre-erase write operation in a conventional flash memory.
FIG. 140 is a diagram showing a threshold voltage when a collective erase operation is performed after performing a pre-erase write operation in a conventional flash memory.
FIG. 141 is a flowchart illustrating a rewrite operation in a conventional flash memory.
FIG. 142 is a diagram showing a change in threshold voltage when a batch erase operation is performed in a conventional flash memory.
FIG. 143 is a cross-sectional view showing a structure of a memory cell including a selection transistor.
FIG. 144 is a diagram for explaining disturbance at the time of sector division.
FIG. 145 is a layout diagram of a memory cell array of a conventional flash memory having main bit lines and sub-bit lines.
FIG. 146 is a structural diagram of a memory cell of a conventional flash memory.
FIG. 147 is a circuit diagram showing a voltage applied in a memory cell array of a conventional flash memory.
FIG. 148 is a block diagram showing a general configuration of a flash memory.
FIG. 149 is an equivalent circuit diagram showing a schematic configuration of a NOR type memory cell matrix.
FIG. 150 is a cross-sectional structure diagram of a NOR-type memory transistor;
FIG. 151 is a schematic plan view showing a planar arrangement of a NOR type.
FIG. 152 is a partial sectional view taken along line AA of FIG. 151.
FIG. 153 is an equivalent circuit diagram of a part of a memory cell matrix of the NAND flash memory.
FIG. 154 is a cross-sectional view of a part of the memory cell matrix of the NAND flash memory.
FIG. 155 is a cross-sectional structure diagram of a memory transistor of a NAND flash memory.
FIG. 156 (a) is a plan view showing a schematic configuration of a conventional nonvolatile semiconductor memory device having a memory cell array having a virtual ground configuration. (B) is sectional drawing seen along the BB line in (a).
FIG. 157 is a view illustrating a conventional write operation of the nonvolatile semiconductor memory device shown in FIG. 156.
FIG. 158 is a view illustrating a conventional erase operation of the nonvolatile semiconductor memory device shown in FIG. 156.
FIG. 159 is a diagram for describing a problem when the conventional nonvolatile semiconductor memory device shown in FIG. 156 is operated according to the present invention.
[Explanation of symbols]
80 Semiconductor substrate
81 n-well region
82 p-well region
83a, b source / drain regions
84a, b source region
85a, b drain region
86 Select gate transistor
87a, b, c, d memory transistors
88 Control Gate
89 floating gate
90 Sub bit line
91a, b branch line
92 Main bit line
93 MOS transistor
1001 P-type semiconductor substrate
1002 drain
1003 sauce
1004 insulating film
1005 floating gate
1006 Control gate
1008 P-well
1010, 10a memory array
1020 Address buffer
1030 X decoder
1040 Y decoder
1050 Y gate
1060 Sense amplifier
1070 Data input / output buffer
1080 writing circuit
1090 Vpp / Vcc switching circuit
100 Verify voltage generation circuit
1110 Source control circuit
1120 Control signal buffer
1130 Control circuit
1140 Negative voltage control circuit
1210,1220 High voltage generation circuit
1230, 1240 Negative voltage generation circuit
1250 Well potential generation circuit
1260 Select gate decoder
1270 source decoder
1281,1282 source switch
BL1, BL2, BL3 bit line
WL0, WL1, WL2, WL3 Word line
M11, M12, M13, M21, M22, M23, M31, M32, M33 memory cells
SL source line
SE1, SE2 sector
MB0, MB1 main bit line
SB01, SB02, SB11, SB12 Sub-bit line
SL1, SL2 source line
SGL1, SGL2 select gate line
The same reference numerals in the drawings indicate the same or corresponding parts.

Claims (7)

ウェル内に形成され、行および列に配列された複数のメモリセルと、
前記複数行に対応して設けられた複数のワード線と、
前記複数列に対応して設けられた複数の主ビット線と、
前記複数のメモリセルに共通に設けられたソース線とを備え、
前記複数のメモリセルは、各々が複数行および複数列に配列された複数のメモリセルを有する複数のセクタに分割され、
前記複数のセクタに対応して設けられ、各々が対応するセクタ内の複数列に対応する複数の副ビット線を含む複数の副ビット線群と、
前記複数の副ビット線群を選択的に前記複数の主ビット線に接続する第 1 の接続手段とをさらに備え、
前記複数のメモリセルの各々は、対応するワード線に接続されたコントロールゲート、対応する副ビット線に接続されたドレイン、前記ソース線に接続されたソース、およびフローティングゲートを含み、
消去時に、選択されたセクタ内の複数のメモリセルのフローティングゲートと前記ウェル間で電子を移動させる消去用電子移動手段と、
プログラム時に、選択されたメモリセルのフローティングゲートとドレイン端との間で電子を移動させるプログラム用電子移動手段と、
外部から電源電圧を受け、所定の正電圧を発生する正電圧発生手段と、
外部から前記電源電圧を受け、所定の負電圧を発生する負電圧発生手段とをさらに備え、
前記消去用電子移動手段は、前記正電圧発生手段からの正電圧および前記負電圧発生手段からの負電圧を受け、選択されたセクタに対応する複数のメモリセルの各フローティングゲートと前記ウェル間の絶縁膜にトンネル現象にて電子が移動するだけの電圧をワード線と前記ウェルに印加する第 1 の電圧印加手段を含み、
前記プログラム用電子移動手段は、選択されたメモリセルの各フローティングゲートとドレイン端との間で電子を移動させるだけの電圧を選択されたワード線と選択された副ビット線との間に印加する第2の電圧印加手段を含む、不揮発性半導体記憶装置。
A plurality of memory cells formed in the well and arranged in rows and columns;
A plurality of word lines provided corresponding to the plurality of rows;
A plurality of main bit lines provided corresponding to the plurality of columns;
A source line commonly provided to the plurality of memory cells,
The plurality of memory cells are divided into a plurality of sectors each having a plurality of memory cells arranged in a plurality of rows and a plurality of columns,
A plurality of sub-bit line groups provided corresponding to the plurality of sectors, each including a plurality of sub-bit lines corresponding to a plurality of columns in the corresponding sector;
First connection means for selectively connecting the plurality of sub-bit line groups to the plurality of main bit lines ,
Each of the plurality of memory cells includes a control gate connected to a corresponding word line, a drain connected to a corresponding sub-bit line, a source connected to the source line, and a floating gate,
At the time of erasing, erasing electron moving means for moving electrons between the floating gates of the plurality of memory cells in the selected sector and the well,
At the time of programming, a program electron moving means for moving electrons between the floating gate and the drain end of the selected memory cell,
Positive voltage generating means for receiving a power supply voltage from outside and generating a predetermined positive voltage;
Negative voltage generating means for receiving the power supply voltage from the outside and generating a predetermined negative voltage,
The erasing electron moving unit receives a positive voltage from the positive voltage generating unit and a negative voltage from the negative voltage generating unit, and receives a voltage between each floating gate of a plurality of memory cells corresponding to a selected sector and the well. Including first voltage applying means for applying a voltage enough for electrons to move to the insulating film by the tunnel phenomenon to the word line and the well ,
The program electron transfer means applies a voltage between the selected word line and the selected sub-bit line to move electrons between each floating gate and the drain end of the selected memory cell. A nonvolatile semiconductor memory device including a second voltage applying unit .
前記複数のメモリセルの各々は、消去時およびプログラム時のいずれにおいてもデプレッション化されないことを特徴とする、請求項1記載の不揮発性半導体記憶装置。2. The non-volatile semiconductor memory device according to claim 1, wherein each of the plurality of memory cells is not depleted during either erasing or programming. 前記複数のメモリセルの各々は、消去時およびプログラム時のいずれにおいてもデプレッション化されず、かつ消去時のメモリセルのしきい値電圧とプログラム時のメモリセルのしきい値電圧とを有し、メモリセルデータの読出し時、前記消去時のメモリセルのしきい値電圧と前記プログラム時のメモリセルのしきい値電圧との中間値と比較することにより該メモリセルデータの論理レベルを判定する手段をさらに備える、請求項1に記載の不揮発性半導体記憶装置。Each of the plurality of memory cells is not depleted at any of erasing and programming, and has a threshold voltage of the memory cell at the time of erasing and a threshold voltage of the memory cell at the time of programming, Means for determining the logic level of the memory cell data by comparing the threshold voltage of the memory cell at the time of erasing with the intermediate value of the threshold voltage of the memory cell at the time of programming when reading the memory cell data The nonvolatile semiconductor memory device according to claim 1, further comprising: ウェル内に形成され、複数行および複数列に配列された複数のメモリセルと、A plurality of memory cells formed in the well and arranged in a plurality of rows and a plurality of columns;
前記複数行に対応して設けられた複数のワード線と、A plurality of word lines provided corresponding to the plurality of rows;
前記複数列に対応して設けられた複数の主ビット線と、A plurality of main bit lines provided corresponding to the plurality of columns;
前記複数のメモリセルに共通に設けられたソース線とを備え、A source line commonly provided to the plurality of memory cells,
前記複数のメモリセルは、各々が複数行および複数列に配列された複数のメモリセルを含む複数のセクタに分割され、The plurality of memory cells are divided into a plurality of sectors each including a plurality of memory cells arranged in a plurality of rows and a plurality of columns,
前記複数のセクタに対応して設けられ、各々が対応するセクタ内の複数列に対応する副ビット線を含む複数の副ビット線群と、A plurality of sub-bit line groups provided corresponding to the plurality of sectors, each including a sub-bit line corresponding to a plurality of columns in the corresponding sector;
前記複数の副ビット線群を選択的に前記複数の主ビット線に接続する第1の接続手段とをさらに備え、First connection means for selectively connecting the plurality of sub-bit line groups to the plurality of main bit lines,
前記複数のメモリセルの各々は、対応するワード線に接続されたコントロールゲート、対応する副ビット線に接続されたドレイン、前記ソース線に接続されたソース、およびフEach of the plurality of memory cells has a control gate connected to a corresponding word line, a drain connected to a corresponding sub-bit line, a source connected to the source line, and a floating gate. ローティングゲートを含み、Including a loading gate,
消去時に、選択されたセクタ内の複数のメモリセルのフローティングゲートと前記ウェル間との間で電子を移動させる消去用電子移動手段と、At the time of erasing, erasing electron moving means for moving electrons between the floating gates of the plurality of memory cells in the selected sector and the wells,
プログラム時に、選択されたメモリセルのフローティングゲートとドレイン端との間で電子を移動させるプログラム用電子移動手段と、At the time of programming, a program electron moving means for moving electrons between the floating gate and the drain end of the selected memory cell,
前記複数の主ビット線に対応して設けられた複数の容量手段と、A plurality of capacitance means provided corresponding to the plurality of main bit lines;
プログラム時に、前記複数の容量手段を前記複数の主ビット線それぞれに接続する第2の接続手段とをさらに備える、不揮発性半導体記憶装置。A non-volatile semiconductor memory device, further comprising: a second connection means for connecting the plurality of capacitance means to each of the plurality of main bit lines during programming.
ウェル内に形成され、複数行および複数列に配列された複数のメモリセルと、A plurality of memory cells formed in the well and arranged in a plurality of rows and a plurality of columns;
前記複数行に対応して設けられた複数のワード線と、A plurality of word lines provided corresponding to the plurality of rows;
前記複数列に対応して設けられた複数の主ビット線と、A plurality of main bit lines provided corresponding to the plurality of columns;
前記複数のメモリセルに共通に設けられるソース線とを備え、A source line commonly provided to the plurality of memory cells,
前記複数のメモリセルは、各々が複数行および複数列に配列された複数のメモリセルを含む複数のセクタに分割され、  The plurality of memory cells are divided into a plurality of sectors each including a plurality of memory cells arranged in a plurality of rows and a plurality of columns,
前記複数のセクタに対応して設けられ、各々が対応するセクタ内の複数列に対応する複数の副ビット線を含む複数の副ビット線群と、A plurality of sub-bit line groups provided corresponding to the plurality of sectors, each including a plurality of sub-bit lines corresponding to a plurality of columns in the corresponding sector;
前記複数の副ビット線群を選択的に前記複数の主ビット線に接続する第1の接続手段とをさらに備え、First connection means for selectively connecting the plurality of sub-bit line groups to the plurality of main bit lines,
前記複数のメモリセルの各々は、対応するワード線に接続されたコントロールゲートと、対応する副ビット線に接続されたドレイン、前記ソース線に接続されたソース、およびフローティングゲートを含み、Each of the plurality of memory cells includes a control gate connected to a corresponding word line, a drain connected to a corresponding sub-bit line, a source connected to the source line, and a floating gate,
消去時に、選択されたセクタ内の複数のメモリセルとフローティングゲートと前記ウェル間で電子を移動させる消去用電子移動手段と、At the time of erasing, erasing electron moving means for moving electrons between the plurality of memory cells and the floating gate and the well in the selected sector,
プログラム時に、選択されたメモリセルのフローティングゲートとドレイン端との間で電子を移動させるプログラム用電子移動手段とをさらに備え、At the time of programming, further comprises a program electron transfer means for transferring electrons between the floating gate and the drain end of the selected memory cell,
前記ソース線は、前記複数のセクタに対応して複数の部分に分離され、  The source line is divided into a plurality of portions corresponding to the plurality of sectors,
前記消去用電子移動手段は、消去時に、選択されたセクタに対応するソース線の部分と、非選択のセクタに対応するソース線の部分とを互いに異なる電位に設定する、不揮発性半導体記憶装置。The nonvolatile semiconductor memory device, wherein the erasing electron transfer means sets a source line portion corresponding to a selected sector and a source line portion corresponding to an unselected sector to different potentials at the time of erasing.
ウェル内に形成され、複数行および複数列に配列される複数のメモリセルと、
前記複数行に対応して設けられる複数のワード線と、
前記複数列に対応して設けられる複数の主ビット線と、
前記複数のメモリセルに共通に設けられるソース線とを備え、
前記複数のメモリセルは、各々が複数行および複数列に配列された複数のメモリセルを含む複数のセクタに分割され、
前記複数のセクタに対応して設けられ、各々が対応するセクタ内の複数列に対応する複数の副ビット線とを含む複数の副ビット線群と、
前記複数の副ビット線群を選択的に前記複数の主ビット線に接続する第1の接続手段とををさらに備え、
前記複数のメモリセルの各々は、対応のワード線に接続されるコントロールゲート、対応の副ビット線に接続されるドレイン、前記ソース線に接続されるソース、およびフローティングゲートを含み、
消去時に、選択されたセクタ内の複数のメモリセルのフローティングゲートと前記ウェル間で電子を移動させる消去用電子移動手段と、
プログラム時に、選択されたメモリセルのフローティングゲートとドレイン端との間で電子を移動させるプログラム用電子移動手段と、
容量手段と、
消去時に、前記容量手段を前記ソース線に接続する第2の接続手段をさらに備える、不揮発性半導体記憶装置。
A plurality of memory cells formed in the well and arranged in a plurality of rows and a plurality of columns;
A plurality of word lines provided corresponding to the plurality of rows;
A plurality of main bit lines provided corresponding to the plurality of columns;
A source line commonly provided to the plurality of memory cells,
The plurality of memory cells are divided into a plurality of sectors each including a plurality of memory cells arranged in a plurality of rows and a plurality of columns,
A plurality of sub-bit line groups provided corresponding to the plurality of sectors, each including a plurality of sub-bit lines corresponding to a plurality of columns in the corresponding sector;
First connection means for selectively connecting the plurality of sub-bit line groups to the plurality of main bit lines,
Each of the plurality of memory cells includes a control gate connected to a corresponding word line, a drain connected to a corresponding sub-bit line, a source connected to the source line, and a floating gate,
At the time of erasing, erasing electron moving means for moving electrons between the floating gates of the plurality of memory cells in the selected sector and the well,
At the time of programming, a program electron moving means for moving electrons between the floating gate and the drain end of the selected memory cell,
Capacity means;
The non-volatile semiconductor memory device further includes a second connection unit that connects the capacitance unit to the source line at the time of erasing .
ウェル内に形成され、複数行および複数列に配列された複数のメモリセルと、A plurality of memory cells formed in the well and arranged in a plurality of rows and a plurality of columns;
前記複数行に対応して設けられた複数のワード線と、A plurality of word lines provided corresponding to the plurality of rows;
前記複数列に対応して設けられた複数の主ビット線と、A plurality of main bit lines provided corresponding to the plurality of columns;
前記複数のメモリセルに共通に設けられたソース線とを備え、A source line commonly provided to the plurality of memory cells,
前記複数のメモリセルは、各々が複数行および複数列に配列された複数のメモリセルを含む複数のセクタに分割され、The plurality of memory cells are divided into a plurality of sectors each including a plurality of memory cells arranged in a plurality of rows and a plurality of columns,
前記複数のセクタに対応して設けられ、各々が対応するセクタ内の複数列に対応する複数の副ビット線を含む複数の副ビット線群と、A plurality of sub-bit line groups provided corresponding to the plurality of sectors, each including a plurality of sub-bit lines corresponding to a plurality of columns in the corresponding sector;
前記複数の副ビット線群を選択的に前記複数の主ビット線に接続する第1の接続手段とをさらに備え、First connection means for selectively connecting the plurality of sub-bit line groups to the plurality of main bit lines,
前記複数のメモリセルの各々は、対応のワード線に接続されるコントロールゲート、対応の副ビット線に接続されるドレイン、前記ソース線に接続されるソース、およびフローティングゲートを含み、Each of the plurality of memory cells includes a control gate connected to a corresponding word line, a drain connected to a corresponding sub-bit line, a source connected to the source line, and a floating gate,
消去時に、選択されたセクタ内の複数のメモリセルのフローティングゲートと前記ウェルとの間で電子を移動させる消去用電子移動手段と、  At the time of erasing, erasing electron moving means for moving electrons between the floating gate of the plurality of memory cells in the selected sector and the well,
プログラム時に、選択されたメモリセルのフローティングゲートとドレイン端との間で電子を移動させるプログラム用電子移動手段とをさらに備え、At the time of programming, further comprises a program electron moving means for moving electrons between the floating gate and the drain end of the selected memory cell,
前記プログラム用電子移動手段は、The electronic transfer means for a program,
選択された主ビット線をデータに従って所定の電位にプリチャージしかつ選択されたワード線に所定の電圧を印加した後、ソース線を一時的に接地し、ついで前記選択され多ワード線に負電圧を印加する電圧印加手段を含む、不揮発性半導体記憶装置。After precharging the selected main bit line to a predetermined potential in accordance with the data and applying a predetermined voltage to the selected word line, the source line is temporarily grounded, and then a negative voltage is applied to the selected multi-word line. A non-volatile semiconductor storage device including a voltage application unit for applying a voltage.
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