JP4370749B2 - Nonvolatile semiconductor memory device and operation method thereof - Google Patents

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【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、メモリゲート電極(第1ゲート電極)のほかにソースサイド注入を制御する制御ゲート電極(第2ゲート電極)を備えた不揮発半導体メモリ装置と、その動作(電荷注入および読み出し)方法とに関する。
【0002】
【従来の技術】
フラッシュEEPROMでは、電荷蓄積手段が単一の導電層からなるFG(Floating Gate)型と、電荷蓄積手段が平面的に離散化されたMONOS(Metal-Oxide-Nitride-Oxide-Semiconductor)型、MNOS(Metal-Nitride-Oxide-Nitride-Oxide)型などが知られている。
【0003】
たとえばFG型メモリ素子では、トランジスタチャネルが形成される半導体基板表面領域(チャネル形成領域)の上に、周囲を絶縁膜に囲まれて電気的に浮遊状態とした導電膜(フローティングゲートFG)とゲート電極とを積層させ、その積層パターンの両側の基板表面領域に、チャネル形成領域と逆導電型のソース・ドレイン不純物領域が形成されている。
一方、MONOS型メモリ素子では、チャネル形成領域とゲート電極との間の誘電体膜構造が、いわゆるONO(Oxide-Nitride-Oxide)構造となっている。ONO膜では窒化膜中のバルクトラップあるいは窒化膜の酸化膜との界面近傍の界面トラップ電荷が蓄積される。
【0004】
この電荷保持能力を有する誘電体膜(ONO膜)またはフローティングゲートFGに対し、基板側から電荷を注入して書き込みを行う。消去では、保持電荷を基板側に抜き取るか、保持電荷を打ち消す逆極性の電荷を上記誘電体膜内に注入する。
電荷の注入法としては、誘電体膜内での電荷のトンネル現象を利用するほか、いわゆるCHE(Channel-Hot-Electron)注入など、ONO膜の最下層の酸化膜やフローティングゲートFG直下の酸化膜の絶縁障壁を乗り越えられる程度にまで電荷をエネルギー的に励起する方法がある。
【0005】
CHE注入方法の一種として、ソースサイド注入方法が知られている。
ソースサイド注入方法を実現するには、ドレイン側チャネルを制御する電極(メモリゲート電極)と、ソース側チャネルを制御する電極(制御ゲート電極)とを分離して設ける必要がある。電荷注入時に、ドレイン側チャネルを強反転状態にし、ソース側チャネルを弱反転状態とするためである。このとき、両者の境界付近に高電界が発生し、ソース側から供給された電荷がこの高電界で励起され、メモリゲート電極下の電荷蓄積手段にソース側から注入される。その注入効率は、通常のCHE注入より1桁程度改善される。
この電荷注入においては、通常、ソースとドレイン間に電圧を印加した状態で、制御ゲート電極、メモリゲート電極の順にパルスを立ち上げる。したがって、メモリゲート電極に印加されるパルスの発生時間により書き込み時間が規定される。
【0006】
また、ソースサイド注入型メモリ素子の読み出しでは、まず、ソースとドレイン間の電圧を印加する。つぎに、制御ゲート電極にチャネル形成に必要な電圧を印加して、その後、電荷蓄積手段内の電荷蓄積量に応じてチャネルのONまたはOFFが制御可能な電圧をメモリゲート電極に印加する。これにより、電荷蓄積手段内の蓄積電荷量に応じてチャネル電流量が変化し、これをドレインの電位変動等により検出する。
【0007】
【発明が解決しようとする課題】
従来のソースサイド型メモリ素子において、たとえばフローティングゲートFG等の電荷蓄積手段に電荷を注入して書き込みを行う場合、上述したように、まず、制御ゲート電極直下のチャネルを開いてから、メモリゲート電極に所定時間幅の書き込みパルスを加える。このメモリゲート電極は、メモリセルアレイ内でたとえば行方向のメモリセル間に共有されてワード線を構成していることが多く、その場合、負荷容量がかなり高い。しかも、それに印加される書き込みパルス電圧は制御ゲート電極に印加されるパルス電圧より高いため、メモリゲート電極(ワード線)を短い時間で充放電するにはかなり能力が高い駆動回路が必要となる。
そのため、従来のソースサイド型メモリ素子用の駆動回路の消費電力が高いという不利益があった。また、信号源からメモリ素子までの配線容量がワード線の場所によって異なるため、素子間で書き込みパルスの遅延の問題が生じ、書き込み時間がバラツクなどの不都合が生じていた。
【0008】
ところで、本発明者は、ソースサイド注入型メモリ素子において、そのメモリゲート電極下方のチャネル形成領域を、制御ゲート電極下方のチャネル形成領域とは逆導電型の不純物領域にすることにより、電荷注入効率を一層高めることが可能な素子構造を提案した(特願2001−351417号)。ここで、少数キャリアの反転層によりチャネルが形成される制御ゲート電極下方のチャネル形成領域を反転層形成領域というのに対し、メモリゲート電極下方のチャネル形成領域では多数キャリアの蓄積によりチャネルが形成されるため、この領域を蓄積層形成領域という。また、このような蓄積層形成領域をソースとドレイン側の双方に形成して、1セルあたり2ビットの情報が記憶できるようにした。
【0009】
しかし、このような構成の2ビット記憶が可能なソースサイド注入型メモリ素子において上述した従来のパルス印加手順により読み出しを行うと、蓄積層形成領域の存在によりドレイン側の蓄積電荷下方の領域でも蓄積層チャネルが形成されるため、チャネルの導電率がドレイン側蓄積電荷量の大小により影響を受けやすくなる。したがって、読み出したドレイン電位変化が、本来読み出そうとするソース側の蓄積電荷量の大小に加え、ドレイン側の蓄積電荷量の大小の影響を大きく受け、2値データの“1”と“0”の判別マージンが狭くなるといった課題があった。
【0010】
また、たとえ上述した本発明者が提案した素子構造でなくとも、すなわち、書き込み速度の向上は得られないが、メモリゲート電極下方のチャネル形成領域を、制御ゲート電極下方のチャネル形成領域と同じ導電型の不純物領域により形成した場合であっても、従来のパルス印加手順による読み出しを行うと、メモリゲート電極下と制御ゲート電極下とのトータルなチャネルの導電率がソース側の蓄積電荷量とドレイン側の蓄積電荷量の双方の影響を受けてしまい、2ビットの情報を独立に読み出すことができないという課題があった。
これは、ソースサイドからの電荷注入では、素子構造および電荷注入動作の原理上、電荷蓄積領域がドレイン側から離れてメモリゲート電極下方のソース側の電荷蓄積膜部分に限定されることに起因する。つまり、この部分の下方はピンチオフ領域から外れた、より内側のチャネル領域となるため、チャネルの導電率がドレイン側の蓄積電荷の影響を受けやすくなり、その結果、上記の場合と同様に、2値データの“1”と“0”の判別マージンが狭くなる。
【0011】
本発明の第1の目的は、いわゆるソースサイド注入型のメモリ素子において、書き込み時の消費電力および書き込みパルスの遅延を抑制することにある。
本発明の第2の目的は、たとえば2ビット記憶が可能なソースサイド型のメモリ素子において、読み出しビットと異なるビットの影響を極力低減することにある。
【0012】
【課題を解決するための手段】
本発明の第1の観点に係る不揮発性半導体メモリ装置の動作方法(電荷注入方法)は、上述した第1の目的を達成するためのものであり、第1導電型半導体からなるチャネル形成領域と、それぞれ第2導電型半導体からなりチャネル形成領域を挟んで配置された第1ソース・ドレイン領域および第2ソース・ドレイン領域と、電荷蓄積能力を有した積層膜を介在させて上記第1ソース・ドレイン領域側のチャネル形成領域上に形成された第1ゲート電極と、電荷蓄積能力を有しない単層の誘電体膜を介在させて上記第1ゲート電極と上記第2ソース・ドレイン領域間のチャネル形成領域上に形成され上記第1ゲート電極と絶縁された第2ゲート電極と、を有した不揮発性半導体メモリ装置の動作方法であって、
書き込みまたは消去時に、
上記第2ソース・ドレイン領域を基準に、上記第1ソース・ドレイン領域に所定のドレイン電圧を印加するステップと、
上記チャネル形成領域内でエネルギー的に励起された電荷が上記第1ゲート電極下の積層膜内に上記第2ソース・ドレイン領域側から注入されるように、上記第1ゲート電極に第1ゲート電圧を、上記第2ゲート電極に第2ゲート電圧を印加するステップと、を有し、
当該ゲート電圧の印加ステップでは、上記第1ゲート電圧の印加を開始し、当該第1ゲート電圧の印加途中で上記第2ゲート電圧の印加を開始する。
【0013】
本発明の第2の観点に係る不揮発性半導体メモリ装置は、上述した第1の目的を達成するためのものであり、メモリセルと、
当該メモリセルにバイアスを印加する駆動回路とを有し、
上記メモリセルが、第1導電型半導体からなるチャネル形成領域と、それぞれ第2導電型半導体からなりチャネル形成領域を挟んで配置された2つのソース・ドレイン領域と、電荷蓄積能力を有した積層膜を介在させてチャネル形成領域上に形成された第1ゲート電極と、電荷蓄積能力を有しない単層の誘電体膜を介在させてチャネル形成領域上に形成され第1ゲート電極と絶縁された第2ゲート電極と、を有し、
上記駆動回路が、書き込み、消去または読み出し時に上記第1ゲート電極と上記第2ゲート電極にそれぞれ所定の電圧を印加するときは、上記第1ゲート電極への電圧印加を開始し、当該第1ゲート電極への電圧印加の途中で上記第2ゲート電極への電圧印加を開始する電圧印加のタイミングを制御する手段を含む。
【0014】
これら第1および第2の観点に係る不揮発性半導体メモリ装置および動作方法では、書き込みまたは読み出し時に、先にメモリゲート電極(第1ゲート電極)への印加パルスを立ち上げ、その後、制御ゲート電極(第2ゲート電極)への印加パルスを立ち上げて、たとえば同時に両パルスを終了させる。この制御では、比較的電圧値が小さい制御ゲート電極への印加パルスの発生時間が書き込み時間となる。したがって、書き込み時にメモリセルアレイ全体で大きな値の総ゲート負荷容量(あるいはワード線容量)を充放電する時間が従来より短く、書き込みパルスのメモリセルアレイ内での位相差が従来より小さい。また、比較的電圧値が大きなパルスをメモリゲート電極に印加する点は従来と変わりないが、このメモリゲート電極のパルス印加は直接的に書き込み時間を規定せず、この電圧が書き込み時にメモリゲートに印加されていればよい。したがって、たとえば1ワード線セクタを複数回の書き込みする場合では、メモリゲート電極を上げっぱなしでも構わない。この場合、ワード線の充放電回数が従来より低減される。
なお、このような作用は、消去時に蓄積電荷と反対極性の電荷をソースサイドから注入する場合でも同様である。
【0015】
本発明の第3の観点に係る不揮発性半導体メモリ装置の動作方法(読み出し方法)は、前述した第2の目的を達成するためのものであり、第2導電型半導体からなり多数キャリアの蓄積層によりチャネルが形成される蓄積層形成領域と、当該蓄積層形成領域の一方側に隣接する第1導電型半導体からなり反転層によりチャネルが形成される反転層形成領域と、を含むチャネル形成領域と、上記チャネル形成領域に対し上記蓄積層形成領域側で隣接する第2導電型半導体からなる第1ソース・ドレイン領域と、上記チャネル形成領域に対し上記蓄積層形成領域と反対の側で隣接する第2導電型半導体からなる第2ソース・ドレイン領域と、電荷蓄積能力を有した積層膜を介在させて上記蓄積層形成領域上に形成された第1ゲート電極と、電荷蓄積能力を有しない単層の誘電体膜を介在させて上記反転層形成領域上に形成された第2ゲート電極と、を有した不揮発性半導体メモリ装置の動作方法であって、読み出し時に、上記第2ソース・ドレイン領域を基準に、上記第1ソース・ドレイン領域に所定の読み出し電圧を印加するステップと、上記積層膜内の電荷量に応じてチャネルの形成を制御可能な第1ゲート電圧を第1ゲート電極に印加し、チャネル形成に必要な第2ゲート電圧を上記第2ゲート電極に印加するステップと、を有し、当該ゲート電圧の印加ステップでは、上記第1ゲート電圧の印加を開始し、当該第1ゲート電圧の印加途中で上記第2ゲート電圧の印加を開始する。
【0016】
本発明の第4の観点に係る不揮発性半導体メモリ装置の動作方法(読み出し方法)は、前述した第2の目的を達成するためのものであり、第1導電型半導体からなり反転層によりチャネルが形成されるチャネル形成領域と、それぞれ第2導電型半導体からなり上記チャネル形成領域を挟んで配置された第1ソース・ドレイン領域および第2ソース・ドレイン領域と、電荷蓄積能力を有した積層膜を介在させて上記第1ソース・ドレイン領域側のチャネル形成領域上に形成された第1ゲート電極と、電荷蓄積能力を有しない単層の誘電体膜を介在させて上記第2ソース・ドレイン領域側のチャネル形成領域上に形成された第2ゲート電極と、を有した不揮発性半導体メモリ装置の動作方法であって、読み出し時に、上記第2ソース・ドレイン領域を基準に、上記第1ソース・ドレイン領域に所定の読み出し電圧を印加するステップと、上記積層膜内の電荷量に応じてチャネルの形成を制御可能な第1ゲート電圧を第1ゲート電極に印加し、チャネル形成に必要な第2ゲート電圧を上記第2ゲート電極にするステップとを有し、当該ゲート電圧の印加ステップでは、上記第1ゲート電圧の印加を開始し、当該第1ゲート電圧の印加途中で上記第2ゲート電圧の印加を開始する。
【0017】
これらの読み出し方法では、例えば、読み出し対象ビット側に電荷(例えば電子)が十分に蓄積されて記憶データが書き込まれている“0”のときは、他のビット側の蓄積電子の量(“1”、“0”)に関係なく読み出し電流が殆ど流れない。2ビット記憶の場合、左右のデータを“11”、“01”、“10”、“00”と表現すると、例えば、読み出し対象が右側のビットの場合、“10”、“00”では読み出し電流が殆ど流れない。一方、双方のビットに電子がない“11”では大きな電流が流れるが、読み出し対象でない“01”では、“11”のときより多少電流値が小さくなるが適切な読み出し電圧を設定する場合は問題なく、この読み出し方法を用いることにより、非読み出しビットの影響を殆ど受けることなく2ビット情報の読み出しが可能である。
【0018】
【発明の実施の形態】
[第1実施形態]
本実施形態は、本発明にかかるメモリセル構造と、その書き込みまたは消去方法に関する。
図1および図2は、本発明の実施形態に係る不揮発性メモリセルの等価回路図である。
【0019】
これらのメモリセルは、メモリトランジスタ、MOS型のトランジスタ、メモリトランジスタが2つのビット線BLa,BLb間に直列に接続した3トランジスタ構成となる。
図1に示すメモリセルMでは、2つのメモリトランジスタのゲートは、ワード線WLにより制御され、中央のMOS型トランジスタのゲートはビット線BLa,BLbと平行な制御線CLにより制御される。
図2に示すメモリセルMでは、中央のMOS型トランジスタのゲートがワード線WLにより制御され、その右側のメモリトランジスタのゲートが制御線CLaに制御され、左側のメモリトランジスタのゲートが制御線CLbにより制御される。制御線CLa,CLbは、2つのビット線BLa,BLb間を並行に配置されている。
【0020】
特に図示しないが、これら何れかの構成のメモリセルMが行列状に多数配置され、メモリセルアレイが構成されている。このメモリセルアレイ内において、ワード線WLが行方向に並びメモリセル行を構成する数百から数千個のメモリセルで共有され、制御線CLまたは制御線CLaとCLbが列方向に並びメモリセル列を構成する数百から数千個のメモリセルで共有されている。したがって、ワード線や制御線の負荷容量はかなり大きなものとなる。
また、メモリセルの周辺には、特に図示しないが、センスアンプを含む読み出し回路、列方向の共通線を駆動する書き込み回路、ワード線を駆動するワード線駆動回路などが配置されている。これらは本発明における“駆動回路”に含まれる。駆動回路には、必要に応じて制御手段が設けられる。駆動回路は、クロックの同期または制御回路によって、書き込み、消去または読み出し時の各共通線(ワード線、制御線、ビット線等)の駆動時の印加電圧とそのタイミングが制御される。
【0021】
図3(A)は、図1に示すメモリセルのワード線に沿った行方向の概略断面図、図3(B)は、その平面図である。
図3(A)に示すメモリセルにおいて、符号SUBは、たとえば珪素などの半導体材料からなり半導体素子を形成する基体(P型半導体基板、Pウエル、P型のSOI層など、以下、基板という)を示す。基板SUB内の表面領域に、N型不純物が高濃度に導入されて出来た2つのソース・ドレイン領域S/Dが互いに離れて形成されている。ソース・ドレイン領域S/Dは、図3(B)に示すように、列方向に長く互いに平行に配置されている。2つのソース・ドレイン領域S/D間の基板表面領域が、動作時にメモリトランジスタのチャネルが形成されるチャネル形成領域となる。チャネル形成領域は、そのほぼ中央に形成された内側チャネル領域CH1と、内側チャネル領域CH1とソース・ドレイン領域S/Dとの間の2つの外側チャネル領域CH2a,CH2bとからなる。
内側チャネル領域CH1は、基板SUBの表面領域でありP型の導電型を有する。この内側チャネル領域CH1は、反転層によりチャネルが形成されることから、以下、反転層形成領域という。
これに対し、外側チャネル領域CH2a,CH2bは、ソース・ドレイン領域S/Dより濃度が低いN型不純物領域ACLa,ACLbからなる。これらのN型不純物領域ACLa,ACLbでは、その表面に多数キャリアが蓄積することによりチャネルが形成されることから、以下、蓄積層形成領域という。蓄積層形成領域ACLa,ACLbは、ソース・ドレインS/Dに沿って互いに並行に配置されている。
【0022】
反転層形成領域CH1上に、たとえば1nm〜10nm程度の厚さの二酸化珪素からなる単層のゲート誘電体膜GD0が形成されている。このゲート誘電体膜GD0は、単層であり、かつ膜中のキャリアトラップは比較的に少なく電荷保持能力を有しない。
ゲート誘電体膜GD0上に、たとえば不純物が添加された多結晶珪素または非晶質珪素からなる制御ゲートCLが形成されている。制御ゲートCLは、本発明における“第2ゲート電極”に該当する。制御ゲートCLは、図3(B)に示すように、ソース・ドレイン領域S/Dの離間スペース内で、ソース・ドレイン領域S/Dと平行に列方向に長く配線されている。制御ゲートCLの幅(ゲート長)に限定はないが、たとえば50nm以下と超微細化すると、チャネル内のキャリアが準バリスティックに走行し、好ましい。すなわち、電界条件にもよるが、このようにゲート長を極微細化すると、ソースから供給されたキャリアがチャネル内を移動する際に、不純物による細かな小角散乱は受けるが軌道を大きく曲げるような大角散乱を受けることなく、キャリアが弾道的に走行するようになる。
【0023】
ゲート誘電体膜GD0と制御ゲートCLの積層パターンの表面、蓄積層形成領域ACLa,ACLbの表面およびソース・ドレイン領域S/Dの表面を覆って、複数の誘電体膜を積層させてなり電荷蓄積能力を有するゲート誘電体膜GDが形成されている。
ゲート誘電体膜GDは、下層から順に、ボトム誘電体膜BTM,主に電荷蓄積を担う誘電体膜(主電荷蓄積膜)CHS,トップ誘電体膜TOPから構成されている。
【0024】
ボトム誘電体膜BTMは、たとえば、熱酸化法により形成した二酸化珪素膜、二酸化珪素を窒化処理した膜などを用いる。ボトム誘電体膜BTMの膜厚は、たとえば2.5nm〜6.0nm程度である。
主電荷蓄積膜CHSは、たとえば3.0nm〜20nm程度の窒化珪素膜から構成されている。この主電荷蓄積膜CHSは、たとえば減圧CVD(LP−CVD)により作製され、膜中に電荷トラップが多く含まれている。
トップ誘電体膜TOPは、主電荷蓄積膜CHSとの界面近傍に深い電荷トラップを高密度に形成する必要があり、このため、例えば成膜後の主電荷蓄積膜を熱酸化して形成される。トップ誘電体膜TOPをHTO(High-Temperature-chemical-vapor-deposited-Oxide)膜としてもよい。トップ誘電体膜TOPがCVDで形成された場合は熱処理によりこのトラップが形成される。トップ誘電体膜TOPの膜厚は、ゲート電極(ワード線WL)からのホールの注入を有効に阻止してデータ書き換え可能な回数の低下防止を図るために、最低でも3.0nm、好ましくは3.5nm以上が必要である。
【0025】
このゲート誘電体膜GD上に、制御ゲートCLと交差しメモリトランジスタのゲート電極を兼ねるワード線WLが形成されている。ワード線WLは、本発明の“第1ゲート電極”に該当し、たとえば不純物が添加された多結晶珪素または非晶質珪素からなる。
【0026】
図4(A)は、図2に示すメモリセルのワード線に沿った行方向の概略断面図、図4(B)は、その平面図である。
このメモリセルは、図3(A),(B)と同様に、ソース・ドレインS/Dおよび蓄積層形成領域ACLa,ACLbが基板SUBの表面領域に形成されている。蓄積層形成領域ACLa,ACLb間の基板SUBの表面領域が、反転層形成領域CH1となる。
【0027】
反転層形成領域CH1上に、単層のゲート誘電体膜GD0を介在させてワードゲート電極WGが形成されている。ワードゲート電極WGは、本発明における“第2ゲート電極”に該当し、ワード線WLと同じ幅で分断され、メモリセルごとに孤立パターンにて形成されている。
【0028】
ワードゲート電極WGの側面と、蓄積層形成領域ACLa,ACLbおよびソース・ドレイン領域S/D上に、電荷蓄積能力を有した3層構造のゲート誘電体膜GDが形成されている。ゲート誘電体膜GDを構成する各層BTM,CHS,TOPの厚さ,材料および形成法は、図3(A),(B)の場合と同じである。
【0029】
ワードゲート電極WLの側面側のゲート誘電体膜GDに接し、蓄積層形成領域ACLa,ACLbの上方に位置する領域に、たとえばサイドウォール形状の制御線CLa,CLbが形成されている。制御線CLa,CLbは、本発明における“第1ゲート電極”に該当し、不純物が添加された多結晶珪素または非晶質珪素からなる。制御線CLa,CLbは、層間絶縁層INT内に埋め込まれている。
層間絶縁層INT上には、ワードゲート電極WGの上面に電気的に接続したワード線WLが形成されている。
【0030】
図1〜図4(B)に示す2つのメモリセルにおいて、中央のMOS型トランジスタは、メモリトランジスタの動作(書き込み、読み出し、消去)時に特性向上のために補助的に動作する。また、MOS型トランジスタの存在により、電荷を注入する領域が限定される。すなわち、電荷を注入する領域(以下、記憶部という)は、蓄積層形成領域ACLa,ACLb上のゲート誘電体膜GD部分に限定され、その間の単層のゲート誘電体膜GD0は、電荷蓄積能力を有しないためデータ記憶に寄与できない。さらに、MOS型トランジスタの存在により、その両側に注入された電荷同士が干渉しないので、2ビット記憶を確実に行うことができる。
【0031】
つぎに、メモリセルの動作を説明する。
図5(A)は、ソースサイド注入を用いて記憶部1に電子を注入するときの動作の説明図である。
【0032】
書き込み時に、ソースとなる図の左側のソース・ドレイン領域S/Dに基準電圧Vs,ドレインとなる図の右側のソース・ドレイン領域S/Dにドレイン電圧Vd、たとえば、5.0Vを印加する。また、メモリゲートMGa,MGbに所定の正電圧Vmg、たとえば7.0Vを印加し、制御ゲートCGに所定の正電圧Vcg、たとえば1.0Vを印加する。なお、図1では制御線CL、図2ではワード線WLが、制御ゲートCGに相当する。また、図1ではワード線WL、図2では制御線CLaまたはCLbが、メモリゲートMGa,MGbに相当する。
【0033】
本実施形態では、両ゲートに印加する電圧の手順に特徴がある。
図6(A),図6(B)に、この電圧印加を行うパルスの波形図を例示する。本実施形態の書き込みでは、図6(A)に示すように、最初にメモリゲートMGa(およびMGb)に比較的高い電圧Vmg(=7V)のパルスを立ち上げ、図6(B)に示すように、そのパルス電圧Vmgの印加途中で、制御ゲートCGに印加するもう一方のパルス、すなわち比較的低い電圧Vcg(=1V)のパルスを立ち上げる。そして、ほぼ同時期に両パルスを終了させる。あるいは、後者の比較的電圧値が小さいパルスの終了に若干遅れて、前者の比較的電圧値が大きいパルスを終了させる。これらの制御は、前述した駆動回路によるバイアス印加のタイミング制御により行われる。
【0034】
このパルス印加制御では、比較的電圧値が小さい制御ゲート電極CGへの印加パルスの発生時間が書き込み時間(プログラム時間TPGM)となる。したがって、書き込み時にメモリセルアレイ全体で大きな値の総ゲート負荷容量(あるいはワード線容量)を充放電する時間が従来より短く、書き込みパルスのメモリセルアレイ内での位相差が従来より小さい。また、比較的電圧値が大きなパルスをメモリゲート電極に印加する点は従来と変わりないが、このメモリゲート電極のパルス印加は直接的に書き込み時間を規定せず、この電圧が書き込み時にメモリゲート電極MGa(およびMGb)に印加されていればよい。したがって、たとえば1ワード線セクタを複数回の書き込みする場合では、メモリゲート電極MGa(およびMGb)の電位を上げっぱなしでも構わない。この場合、ワード線WLの充放電回数が従来より低減される。
【0035】
このプログラム時間TPGM中は反転層形成領域CH1に反転層が形成され、その両側の蓄積層形成領域ACLa,ACLbの表面に蓄積層が形成される。ソース側の蓄積層から供給された電子が反転層内を加速され、その一部がドレイン側で、ゲート誘電体膜GDのボトム誘電体膜BTMを構成する二酸化珪素膜のエネルギー障壁ΦSiO2を越える高エネルギー電子(ホットエレクトロン)となる。ホットエレクトロンの一部は、ある確率で記憶部1に注入される。
【0036】
図5(B)に、このときのチャネル方向の水平位置Pxと、チャネル電位Vおよび水平方向のチャネル電界Exとの関係を示す。
ドレイン電圧Vdとソース電圧(基準電圧)Vsの電位差が、主に制御線CLと、ドレイン側のメモリゲートMGaとの間のスペース直下のチャネル領域に加わる。その結果、このスペース直下のチャネル領域に高電界が生じる。
【0037】
このチャネル方向の高電界が反転層チャネル内の電子を急加速し、その電子を高エネルギー電子にすることによって、記憶部1に電子が注入される。この注入効率を向上させるために、チャネル垂直方向の電界が集中している領域と同じ領域にチャネル方向の電界が集中するように、制御線CLとメモリゲートMGa(ワード線WL)に印加する電圧を制御する。
【0038】
本実施形態では、蓄積層形成領域ACLaで蓄積層を形成して、その抵抗を下げる。このとき、制御線CLとドレイン側のメモリゲートMGaとの間のスペース直下のチャネル領域の抵抗が相対的に高くなる。したがって、ドレイン電圧Vdとソース電圧Vsの電位差が、このスペース直下の領域で局部的に集中して印加されるようになる。このことを利用して、記憶部1のソース側端部の近くの領域でチャネル方向の電界を上げ、かつメモリゲートMGaとドレイン間の電位差により、この領域の垂直方向電界を上げる。
【0039】
ソースサイド注入法では、電子がボトム誘電体膜BTMの電位障壁を越えるために必要な活性化エネルギーを、この記憶部1のソース側端部の近くの領域におけるチャネル方向の電界から得る。また、注入に必要なチャネルに垂直な方向の電界も、同じ領域で得られる。このため、通常のCHE注入より電荷注入効率が向上する。
とくに、蓄積層形成領域を設けた場合、反転層が形成されるチャネル不純物濃度と、蓄積層形成領域ACLaの濃度および深さとを最適化することにより、制御線CLとメモリゲートMGaそれぞれに対する印加電圧範囲の自由度が上がり、電荷注入効率の向上が容易であるという利益が得られる。
【0040】
一方、もう一方の記憶部2に対し書き込みを行う場合は、2つのソース・ドレイン領域S/D間の電圧関係を入れ替えることにより、同様な原理で電子が記憶部2に効率よく注入される。
このようにして、1メモリセルに2ビットの情報を独立に書き込みできる。
【0041】
消去では、保持電荷を引き抜くか、逆極性の電荷を注入する。
保持電荷を引き抜く場合は、トップ誘電体膜TOPを通して電荷をメモリゲート側に引き抜く場合と、ボトム誘電体膜BTMを通して電荷を基板側に引き抜く場合がある。いずれにしても、引く抜く方向の所定電界を発生させるために、メモリゲート(図1ではワード線WL、図2では制御線CLa,CLb)とソース・ドレイン領域S/D(および基板SUB)との間に電圧を印加する。これにより、保持電荷が基板側またはメモリゲート側にFNトンネリング等により引き抜かれる。ゲート誘電体膜GD内から保持電荷が引き抜かれると、メモリトランジスタが消去状態に推移する。
【0042】
図7に、保持電荷と逆極性の電荷を注入して消去を行う場合の動作を模式的に示す。
メモリゲートMGaに負電圧を印加し、消去対象の記憶部1側のソース・ドレイン領域S/Dに正電圧を印加する。
この条件下、蓄積層形成領域ACLaに反転層が形成され、かつ急峻なエネルギーバンドの曲がりによってアバランシェブレークダウンが生じる。このブレークダウンに至る過程で高エネルギーの電子,ホール対が生じ、ホットエレクトロンは正電圧に引き寄せられて蓄積層形成領域ACLaもしくはソース・ドレイン領域S/D内に吸収される。一方、ホットホールは、その多くが基板SUBに流れるが、その一部がメモリゲートMGaによる電界に引き寄せられてゲート誘電体膜GD(記憶部1)内に注入される。
この消去方法でも、反対側の記憶部2へホットホールを注入したいときは、同様な電界を記憶部2側で発生させる。この記憶部2の消去は、記憶部1と独立の行うことができ、2ビット同時消去も可能である。
【0043】
以上の消去方法は、ソースサイド注入による本発明の消去方法の実施形態ではない。上記したアバランシェブレークダウンを用いたホール注入で書き込みを行った場合に、ソースサイド注入による電子注入での消去を行うことがあり得る。このときの消去が本発明に係る消去方法の実施形態である。電圧の印加手順も含めて基本的には、前記した書き込み方法と同じであるため、ここでの説明は省略する。
【0044】
[第2実施形態]
本実施形態は、本発明に係る読み出し方法に関する。ここでは、図1のセル構成を例として説明する。
【0045】
読み出しでは、いわゆるフォワードリードを用いる。フォワードリードでは、まず、読み出し対象の記憶データが保持された記憶部側をドレインとし、他の記憶部側がソースとなるように、2つのソース・ドレイン不純物領域S/D間に、たとえば1.0V程度のドレイン電圧を印加する。つぎに、制御ゲートCGと、ドレイン側のメモリゲートMGaまたはMGbとに、それぞれ所定の正電圧を印加する。その結果、読み出し対象のドレイン側記憶部内の電荷の有無または電荷量の違いに応じて、チャネルのオン/オフあるいは電流量の違いが生じ、その結果、ドレイン側の不純物領域S/Dに電位変化が現出する。この電位変化を図示しないセンスアンプにより読み出すことで、記憶データの論理判別が可能となる。
他の記憶部の読み出しは、ソースとドレインを入れ替えて同様に行う。これにより、2ビット記憶データが独立に読み出せる。
なお、読み出しは書き込み後の検証動作など、書き込み後に続いて行われる場合が多いため、ソースとドレイン間の電圧の印加方向を書き込み時と同じとする、いわゆるフォワードリード法を行うとソース線やビット線の充放電に必要な時間と電力を節約でき、その点で有利である。
【0046】
本実施形態の読み出し方法では、上述したゲート電圧の印加において、最初にドレイン側のメモリゲートMGaまたはMGbに例えば1.0Vの電圧のパルスを印加し、その印加途中で、制御ゲートCGに印加するパルスを立ち上げる。そして、例えば、同時に両パルスを終了させるようにタイミング制御を行う。
【0047】
図8は、フォワードリードで右側の記憶部1を読み出したときの制御ゲート電圧に対するドレイン電流変化を示すグラフである。また、図9(A)〜図9(D)は、図8を2ビットの記憶状態それぞれに分けて示すグラフである。
この読み出し方法では、記憶部1、記憶部2にデータがない場合(図中、□印)、すなわち“11”の状態では、大きな電流が流れている。
一方、読み出し対象の記憶部1にデータがなく、かつ記憶部2にデータがある場合(図中、△印)、すなわち“01”の状態では、制御ゲートからみたソースの抵抗があがるため、“11”の状態に比べ多少の電流が減少している。
読み出し対象の記憶部1にデータがあり、かつ記憶部2にデータがない場合(図中、○印)、すなわち“10”の状態では、制御ゲートからみたドレインの抵抗が上がるため、“11”の状態に比べドレイン電流が大きく減少している。
記憶部1、記憶部2にともにデータがある場合(図中、◆)、すなわち“00”の状態では、やはり電流は極めて小さい。
【0048】
このように、例えばドレイン電圧Vdを1.0Vにし、メモリゲート電圧Vmgを1.0V印加した状態で、制御ゲート電圧Vcgを1.0V程度印加すると、読み出し対象である記憶部1に電荷がない場合には、記憶部2に電荷があろうとなかろうと0.1mA程度の読み出し電流が流れる。また、記憶部1に電荷がある場合、記憶部2に電荷があろうとなかろうと、流れる電流は1μA以下となる。
よって、この読み出し方法を用いることにより、非読み出し対象の記憶部の影響を殆ど受けることなく2ビット情報の読み出しが可能である。
【0049】
本発明の実施形態では、種々の変更が可能である。
たとえば図10に示すように、制御ゲートCGの片側にのみ蓄積層形成領域ACLを設けたメモリセル構造としてもよい。この場合は、当然、1ビット/セル記憶となるが、メモリセル面積は、上記した2ビット/セル記憶の場合より小さくなる。
また、ゲート誘電体膜GDの構造は、いわゆるMONOS型に限定されず、MNOS型であってもよい。また、小粒径半導体、たとえば多結晶珪素の微粒子を誘電体膜内に離散化して埋め込んだナノ結晶型、さらには、いわゆるFG型においても本発明の適用が可能である。
【0050】
本実施形態の電荷注入ではゲート電極の電圧印加タイミング制御により、消費電力および書き込みのばらつきを抑制するものであり、また、読み出し時に、この電圧印加タイミング制御を行うと、制御ゲートからみたソースとドレインのそれぞれの抵抗変化を読み取ることができること利用したものであり、先に説明した実施形態における、電荷注入効率を向上させるための蓄積層形成領域は必須というわけではない。
【0051】
【発明の効果】
本発明に係る不揮発性半導体メモリ装置およびその動作方法(書き込み,消去方法)によれば、いわゆるソースサイド注入型のメモリ素子において、書き込み時の消費電力および書き込みパルスの遅延を抑制することができる。
また、本発明に係る不揮発性半導体メモリ装置の動作方法(読み出し方法)によれば、たとえば2ビット記憶が可能なソースサイド型のメモリ素子において、読み出しビットと異なるビットの影響を極力低減した読み出しが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の実施形態に係る不揮発性メモリセルの第1の構成例を示す等価回路図である。
【図2】本発明の実施形態に係る不揮発性メモリセルの第1の構成例を示す等価回路図である。
【図3】(A)は、図1に示すメモリセルのワード線に沿った行方向の概略断面図、(B)は、その平面図である。
【図4】(A)は、図2に示すメモリセルのワード線に沿った行方向の概略断面図、(B)は、その平面図である。
【図5】(A)は、ソースサイド注入を用いて記憶部1に電子を注入するときの動作の説明図である。(B)は、このときのチャネル方向の水平位置Pxと、チャネル電位Vおよび水平方向のチャネル電界Exとの関係を示す図である。
【図6】(A),(B)は、メモリゲートおよび制御ゲートに書き込み時に印加するパルスの波形図である。
【図7】保持電荷と逆極性の電荷を注入して消去を行う場合の動作を示す図である。
【図8】フォワードリードで右側の記憶部を読み出したときの制御ゲート電圧に対するドレイン電流変化を示すグラフである。
【図9】(A)〜(D)は、図8を2ビットの記憶状態それぞれに分けて示すグラフである。
【図10】本発明の実施形態の変形例に係り、制御ゲートの片側にのみ蓄積層形成領域を設けたメモリセルの断面図である。
【符号の説明】
ACL,ACLa,ACLb…蓄積層形成領域、BLa,BLb…ビット線、BTM…ボトム誘電体膜、CG…制御ゲート(第2ゲート電極)、CH1…内側チャネル領域(反転層形成領域)、CH2a,CH2b…外側チャネル領域、CHS…主電荷蓄積膜、CL,CLa,CLb…制御線、Ex…チャネル電界、GD,GD0…ゲート誘電体膜、M…メモリセル、MG,MGa,MGb…メモリゲート(第1ゲート電極)、Px…水平位置、S/D…ソース・ドレイン不純物領域、SUB…基板、TOP…トップ誘電体膜、TPGM…プログラム時間、V…チャネル電位、Vcg…制御ゲート電圧、Vd…ドレイン電圧、Vmg…メモリゲート電圧、Vs…ソース電圧(基準電圧)、WG…ワードゲート電極、WL…ワード線。
[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a non-volatile semiconductor memory device including a control gate electrode (second gate electrode) for controlling source side injection in addition to a memory gate electrode (first gate electrode), and an operation (charge injection and reading) method thereof. About.
[0002]
[Prior art]
In the flash EEPROM, the charge storage means is an FG (Floating Gate) type in which a single conductive layer is formed, and the MONOS (Metal-Oxide-Nitride-Oxide-Semiconductor) type, MNOS (type in which the charge storage means is planarly discretized). Metal-Nitride-Oxide-Nitride-Oxide) type is known.
[0003]
For example, in the FG type memory element, a conductive film (floating gate FG) and a gate which are electrically floating by being surrounded by an insulating film on a semiconductor substrate surface region (channel forming region) where a transistor channel is formed. Electrodes are stacked, and source / drain impurity regions having a conductivity type opposite to that of the channel forming region are formed in the substrate surface region on both sides of the stacked pattern.
On the other hand, in the MONOS memory element, the dielectric film structure between the channel formation region and the gate electrode has a so-called ONO (Oxide-Nitride-Oxide) structure. In the ONO film, bulk traps in the nitride film or interface trap charges near the interface with the oxide film of the nitride film are accumulated.
[0004]
Writing is performed by injecting charges from the substrate side into the dielectric film (ONO film) or the floating gate FG having the charge holding capability. In erasing, the retained charge is extracted to the substrate side, or a reverse polarity charge that cancels the retained charge is injected into the dielectric film.
As a charge injection method, in addition to utilizing a charge tunneling phenomenon in a dielectric film, a so-called CHE (Channel-Hot-Electron) injection or the like, an oxide film at the lowest layer of the ONO film or an oxide film immediately below the floating gate FG is used. There is a method of energetically exciting the charge to such an extent that it can overcome the insulating barrier.
[0005]
As a kind of CHE injection method, a source side injection method is known.
In order to realize the source side injection method, it is necessary to separately provide an electrode for controlling the drain side channel (memory gate electrode) and an electrode for controlling the source side channel (control gate electrode). This is because the drain-side channel is in a strong inversion state and the source-side channel is in a weak inversion state during charge injection. At this time, a high electric field is generated near the boundary between the two, and the charge supplied from the source side is excited by this high electric field and injected from the source side into the charge storage means under the memory gate electrode. The injection efficiency is improved by an order of magnitude compared with the normal CHE injection.
In this charge injection, a pulse is usually raised in the order of the control gate electrode and the memory gate electrode with a voltage applied between the source and drain. Therefore, the write time is defined by the generation time of the pulse applied to the memory gate electrode.
[0006]
In reading from the source-side injection memory element, first, a voltage between the source and the drain is applied. Next, a voltage necessary for channel formation is applied to the control gate electrode, and then a voltage capable of controlling ON / OFF of the channel according to the amount of charge stored in the charge storage means is applied to the memory gate electrode. As a result, the amount of channel current changes according to the amount of stored charge in the charge storage means, and this is detected by fluctuations in the drain potential and the like.
[0007]
[Problems to be solved by the invention]
In the conventional source side type memory device, when writing is performed by injecting charges into charge storage means such as a floating gate FG, as described above, first, after opening the channel directly under the control gate electrode, the memory gate electrode A write pulse having a predetermined time width is applied to the. This memory gate electrode is often shared, for example, between memory cells in the row direction in the memory cell array to form a word line. In this case, the load capacity is considerably high. In addition, since the write pulse voltage applied to the control gate electrode is higher than the pulse voltage applied to the control gate electrode, a drive circuit having a considerably high capacity is required to charge and discharge the memory gate electrode (word line) in a short time.
Therefore, there is a disadvantage that the power consumption of the drive circuit for the conventional source side type memory element is high. In addition, since the wiring capacitance from the signal source to the memory element differs depending on the location of the word line, there is a problem of delay of the write pulse between elements, and inconvenience such as variation in write time occurs.
[0008]
By the way, the present inventor makes charge injection efficiency in the source side injection type memory device by making the channel formation region below the memory gate electrode an impurity region having a conductivity type opposite to that of the channel formation region below the control gate electrode. Proposed an element structure capable of further enhancing the above (Japanese Patent Application No. 2001-351417). Here, the channel formation region below the control gate electrode where the channel is formed by the minority carrier inversion layer is referred to as the inversion layer formation region, whereas the channel formation region below the memory gate electrode forms a channel due to the accumulation of majority carriers. Therefore, this region is called a storage layer formation region. In addition, such a storage layer formation region is formed on both the source and drain sides so that 2-bit information can be stored per cell.
[0009]
However, when reading is performed by the above-described conventional pulse application procedure in the source side injection type memory device capable of storing 2 bits with such a configuration, the storage layer formation region is present, so that even a region below the accumulated charge on the drain side accumulates. Since the layer channel is formed, the conductivity of the channel is easily affected by the amount of charge accumulated on the drain side. Therefore, the read drain potential change is greatly influenced by the magnitude of the accumulated charge amount on the drain side in addition to the magnitude of the accumulated charge amount on the source side to be originally read, and “1” and “0” of the binary data. There has been a problem that the determination margin of “is narrowed.
[0010]
Even if the element structure proposed by the present inventor is not described, that is, the writing speed cannot be improved, the channel formation region below the memory gate electrode is made to have the same conductivity as the channel formation region below the control gate electrode. Even when it is formed by a type impurity region, the total channel conductivity under the memory gate electrode and under the control gate electrode shows the accumulated charge amount and drain on the source side when reading is performed by the conventional pulse application procedure. There is a problem in that 2-bit information cannot be read independently because of the influence of both the stored charge amount on the side.
This is because, in charge injection from the source side, the charge storage region is separated from the drain side and limited to the source side charge storage film portion below the memory gate electrode due to the principle of the device structure and charge injection operation. . That is, the lower part of this portion is an inner channel region that is out of the pinch-off region, so that the conductivity of the channel is easily affected by the accumulated charge on the drain side. The discrimination margin between “1” and “0” of the value data is narrowed.
[0011]
A first object of the present invention is to suppress power consumption and write pulse delay during writing in a so-called source-side injection type memory device.
A second object of the present invention is to reduce the influence of a bit different from a read bit as much as possible in, for example, a source side type memory element capable of storing 2 bits.
[0012]
[Means for Solving the Problems]
An operation method (charge injection method) of a nonvolatile semiconductor memory device according to a first aspect of the present invention is for achieving the first object described above, and includes a channel formation region made of a first conductivity type semiconductor, , Each made of a second conductivity type semiconductor and arranged with a channel formation region in between First source / drain region and second Interposing the source / drain region and the laminated film with charge storage capability On the first source / drain region side The first gate electrode formed on the channel formation region and a single-layer dielectric film having no charge storage capability are interposed. Between the first gate electrode and the second source / drain region Formed on the channel formation region the above Second gate electrode insulated from first gate electrode And A non-volatile semiconductor memory device having an operation method comprising:
When writing or erasing
Second source / drain region Based on The first source / drain region Applying a predetermined drain voltage to
the above Charges energetically excited in the channel formation region the above In the laminated film under the first gate electrode Second source / drain region side As injected from the above A first gate voltage is applied to the first gate electrode, the above Apply a second gate voltage to the second gate electrode Step and Have
In the gate voltage application step, the above Application of the first gate voltage is started, and during the application of the first gate voltage the above Application of the second gate voltage is started.
[0013]
A nonvolatile semiconductor memory device according to a second aspect of the present invention is for achieving the first object described above, and includes a memory cell,
A drive circuit for applying a bias to the memory cell; , Have
The memory cell includes a channel forming region made of a first conductivity type semiconductor, two source / drain regions each made of a second conductivity type semiconductor and sandwiching the channel formation region, and a stacked film having charge storage capability And a first gate electrode formed on the channel formation region with a single layer dielectric film having no charge storage capability interposed therebetween and insulated from the first gate electrode. 2 gate electrodes And Have
When the driving circuit applies predetermined voltages to the first gate electrode and the second gate electrode at the time of writing, erasing or reading, the above In the middle of voltage application to the first gate electrode, voltage application to the first gate electrode is started. the above Means for controlling the timing of voltage application for starting voltage application to the second gate electrode is included.
[0014]
In the nonvolatile semiconductor memory device and the operating method according to the first and second aspects, the memory gate electrode is first written at the time of writing or reading. To (first gate electrode) Rise the applied pulse, then control gate electrode (Second gate electrode) For example, both pulses are terminated at the same time. In this control, the generation time of the pulse applied to the control gate electrode having a relatively small voltage value is the writing time. Therefore, the charge / discharge time of the large total gate load capacity (or word line capacity) in the entire memory cell array during writing is shorter than before, and the phase difference of the write pulse in the memory cell array is smaller than before. Also, the point that a pulse having a relatively large voltage value is applied to the memory gate electrode is the same as in the past, but the pulse application of the memory gate electrode does not directly define the write time, and this voltage is applied to the memory gate at the time of writing. It may be applied. Therefore, for example, when one word line sector is written a plurality of times, the memory gate electrode may be kept raised. In this case, the number of times of charging / discharging the word line is reduced as compared with the prior art.
Such an action is the same even when a charge having the opposite polarity to the accumulated charge is injected from the source side during erasing.
[0015]
A non-volatile semiconductor memory device operating method (reading method) according to a third aspect of the present invention is for achieving the above-described second object, and is composed of a second-conductivity-type semiconductor and has a majority carrier accumulation layer. A channel formation region comprising: a storage layer formation region in which a channel is formed by the step; and an inversion layer formation region formed of a first conductivity type semiconductor adjacent to one side of the storage layer formation region and in which a channel is formed by the inversion layer; A first source / drain region made of a second conductivity type semiconductor adjacent to the channel formation region on the storage layer formation region side, and a first source / drain region adjacent to the channel formation region on the side opposite to the storage layer formation region. A second source / drain region made of a two-conductivity type semiconductor; a first gate electrode formed on the storage layer formation region with a stacked film having charge storage capability interposed; A non-volatile semiconductor memory device having a second gate electrode formed on the inversion layer formation region with a single-layer dielectric film having no capability interposed therebetween. Applying a predetermined read voltage to the first source / drain region with reference to the two source / drain regions; Laminated film Applying a first gate voltage capable of controlling the formation of a channel according to the amount of charge in the first gate electrode to the first gate electrode, and applying a second gate voltage necessary for the channel formation to the second gate electrode. In the application step of the gate voltage, the application of the first gate voltage is started, and the application of the second gate voltage is started during the application of the first gate voltage.
[0016]
The operation method (reading method) of the nonvolatile semiconductor memory device according to the fourth aspect of the present invention is for achieving the second object described above, and the channel is formed by the inversion layer made of the first conductivity type semiconductor. A channel forming region to be formed; Each consisting of a second conductivity type semiconductor Channel formation region A first source / drain region and a second A source / drain region and a laminated film with charge storage capability Formed on the channel forming region on the first source / drain region side The first gate electrode and a single-layer dielectric film having no charge storage capability are interposed. Channel forming region on the second source / drain region side Second gate electrode formed on And A method for operating a nonvolatile semiconductor memory device, comprising: The first source / drain region is based on the second source / drain region. Applying a predetermined read voltage to Above lamination Channel formation can be controlled according to the amount of charge in the film First gate voltage Is applied to the first gate electrode and is necessary for channel formation. Second gate voltage A second gate electrode, , And applying the gate voltage Then, above Application of the first gate voltage is started, and during the application of the first gate voltage the above Application of the second gate voltage is started.
[0017]
In these read methods, for example, when charge (for example, electrons) is sufficiently accumulated on the read target bit side and the stored data is written to “0”, the amount of accumulated electrons on the other bit side (“1”) “,“ 0 ”), the read current hardly flows. In the case of 2-bit storage, if the left and right data are expressed as “11”, “01”, “10”, “00”, for example, when the read target is the right bit, the read current is “10”, “00”. Hardly flows. On the other hand, a large current flows in “11” where there is no electron in both bits, but in “01” that is not a read target, the current value is slightly smaller than in “11”, but there is a problem when setting an appropriate read voltage. In addition, by using this reading method, 2-bit information can be read with almost no influence of non-reading bits.
[0018]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
[First Embodiment]
The present embodiment relates to a memory cell structure according to the present invention and a writing or erasing method thereof.
1 and 2 are equivalent circuit diagrams of a nonvolatile memory cell according to an embodiment of the present invention.
[0019]
These memory cells have a three-transistor configuration in which a memory transistor, a MOS transistor, and a memory transistor are connected in series between two bit lines BLa and BLb.
In the memory cell M shown in FIG. 1, the gates of the two memory transistors are controlled by the word line WL, and the gate of the central MOS transistor is controlled by the control line CL parallel to the bit lines BLa and BLb.
In the memory cell M shown in FIG. 2, the gate of the central MOS transistor is controlled by the word line WL, the gate of the right memory transistor is controlled by the control line CLa, and the gate of the left memory transistor is controlled by the control line CLb. Be controlled. The control lines CLa and CLb are arranged in parallel between the two bit lines BLa and BLb.
[0020]
Although not particularly illustrated, a large number of memory cells M having any one of these configurations are arranged in a matrix to form a memory cell array. In this memory cell array, word lines WL are arranged in the row direction and are shared by hundreds to thousands of memory cells constituting the memory cell row, and control lines CL or control lines CLa and CLb are arranged in the column direction. Are shared by hundreds to thousands of memory cells. Therefore, the load capacity of the word line and the control line is considerably large.
In addition, a read circuit including a sense amplifier, a write circuit that drives a common line in the column direction, a word line drive circuit that drives a word line, and the like are arranged around the memory cell, although not particularly illustrated. These are included in the “drive circuit” in the present invention. The drive circuit is provided with control means as required. In the drive circuit, the applied voltage and timing of driving each common line (word line, control line, bit line, etc.) at the time of writing, erasing or reading are controlled by a clock synchronization or control circuit.
[0021]
3A is a schematic cross-sectional view in the row direction along the word line of the memory cell shown in FIG. 1, and FIG. 3B is a plan view thereof.
In the memory cell shown in FIG. 3A, reference numeral SUB denotes a base (for example, a P-type semiconductor substrate, a P-well, a P-type SOI layer, etc., hereinafter referred to as a substrate) formed of a semiconductor material such as silicon. Indicates. Two source / drain regions S / D formed by introducing N-type impurities at a high concentration are formed in a surface region in the substrate SUB so as to be separated from each other. The source / drain regions S / D are long and parallel to each other in the column direction as shown in FIG. The substrate surface region between the two source / drain regions S / D becomes a channel formation region in which the channel of the memory transistor is formed during operation. The channel forming region is composed of an inner channel region CH1 formed substantially at the center thereof, and two outer channel regions CH2a and CH2b between the inner channel region CH1 and the source / drain regions S / D.
The inner channel region CH1 is a surface region of the substrate SUB and has a P-type conductivity type. The inner channel region CH1 is hereinafter referred to as an inversion layer forming region because a channel is formed by the inversion layer.
On the other hand, the outer channel regions CH2a and CH2b are composed of N-type impurity regions ACLa and ACLb having a lower concentration than the source / drain regions S / D. In these N-type impurity regions ACLa and ACLb, since channels are formed by accumulating majority carriers on the surfaces thereof, they are hereinafter referred to as storage layer forming regions. The storage layer formation regions ACLa and ACLb are arranged in parallel with each other along the source / drain S / D.
[0022]
A single-layer gate dielectric film GD0 made of silicon dioxide having a thickness of about 1 nm to 10 nm, for example, is formed on the inversion layer forming region CH1. The gate dielectric film GD0 is a single layer and has relatively few carrier traps in the film, and does not have a charge holding capability.
On the gate dielectric film GD0, a control gate CL made of, for example, polycrystalline silicon doped with impurities or amorphous silicon is formed. The control gate CL corresponds to the “second gate electrode” in the present invention. As shown in FIG. 3B, the control gate CL is wired long in the column direction in parallel with the source / drain region S / D within the space between the source / drain regions S / D. Although there is no limitation on the width (gate length) of the control gate CL, for example, it is preferable that the control gate CL be ultrafine, for example, 50 nm or less, because the carriers in the channel travel semi-ballistically. In other words, although depending on the electric field conditions, if the gate length is made extremely fine in this way, when the carriers supplied from the source move in the channel, they receive fine small-angle scattering due to impurities but bend the trajectory greatly. The carrier travels ballistically without receiving large-angle scattering.
[0023]
Charge accumulation by stacking a plurality of dielectric films covering the surface of the stacked pattern of the gate dielectric film GD0 and the control gate CL, the surfaces of the storage layer formation regions ACLa and ACLb, and the surfaces of the source / drain regions S / D A gate dielectric film GD having the capability is formed.
The gate dielectric film GD includes, in order from the lower layer, a bottom dielectric film BTM, a dielectric film (main charge storage film) CHS mainly responsible for charge accumulation, and a top dielectric film TOP.
[0024]
As the bottom dielectric film BTM, for example, a silicon dioxide film formed by a thermal oxidation method, a film obtained by nitriding silicon dioxide, or the like is used. The film thickness of the bottom dielectric film BTM is, for example, about 2.5 nm to 6.0 nm.
The main charge storage film CHS is made of a silicon nitride film of about 3.0 nm to 20 nm, for example. The main charge storage film CHS is produced, for example, by low pressure CVD (LP-CVD), and the film contains many charge traps.
The top dielectric film TOP needs to be formed with a high density of deep charge traps near the interface with the main charge storage film CHS. For this reason, for example, the main charge storage film after film formation is formed by thermal oxidation. . The top dielectric film TOP may be an HTO (High-Temperature-chemical-vapor-deposited-Oxide) film. When the top dielectric film TOP is formed by CVD, this trap is formed by heat treatment. The film thickness of the top dielectric film TOP is at least 3.0 nm, preferably 3 in order to effectively prevent hole injection from the gate electrode (word line WL) and prevent a decrease in the number of times data can be rewritten. .5 nm or more is required.
[0025]
On this gate dielectric film GD, a word line WL that intersects with the control gate CL and also serves as the gate electrode of the memory transistor is formed. The word line WL corresponds to the “first gate electrode” of the present invention, and is made of, for example, polycrystalline silicon or amorphous silicon doped with impurities.
[0026]
4A is a schematic cross-sectional view in the row direction along the word line of the memory cell shown in FIG. 2, and FIG. 4B is a plan view thereof.
In this memory cell, similarly to FIGS. 3A and 3B, the source / drain S / D and the storage layer formation regions ACLa and ACLb are formed in the surface region of the substrate SUB. The surface region of the substrate SUB between the accumulation layer formation regions ACLa and ACLb becomes the inversion layer formation region CH1.
[0027]
A word gate electrode WG is formed on the inversion layer forming region CH1 with a single-layer gate dielectric film GD0 interposed therebetween. The word gate electrode WG corresponds to the “second gate electrode” in the present invention, is divided by the same width as the word line WL, and is formed in an isolated pattern for each memory cell.
[0028]
A gate dielectric film GD having a three-layer structure having charge storage capability is formed on the side surface of the word gate electrode WG, the storage layer formation regions ACLa and ACLb, and the source / drain regions S / D. The thicknesses, materials, and formation methods of the layers BTM, CHS, and TOP constituting the gate dielectric film GD are the same as those in FIGS. 3A and 3B.
[0029]
For example, sidewall-shaped control lines CLa and CLb are formed in regions located in contact with the gate dielectric film GD on the side surface side of the word gate electrode WL and above the storage layer formation regions ACLa and ACLb. The control lines CLa and CLb correspond to the “first gate electrode” in the present invention, and are made of polycrystalline silicon or amorphous silicon to which impurities are added. The control lines CLa and CLb are embedded in the interlayer insulating layer INT.
A word line WL electrically connected to the upper surface of the word gate electrode WG is formed on the interlayer insulating layer INT.
[0030]
In the two memory cells shown in FIGS. 1 to 4B, the central MOS transistor operates in an auxiliary manner to improve the characteristics when the memory transistor operates (write, read, erase). In addition, the region where the charge is injected is limited by the presence of the MOS transistor. That is, a region for injecting charges (hereinafter referred to as a memory portion) is limited to the gate dielectric film GD portion on the storage layer formation regions ACLa and ACLb, and the single-layer gate dielectric film GD0 between them has a charge storage capability. Can not contribute to data storage. Furthermore, the presence of the MOS transistor prevents charges injected on both sides from interfering with each other, so that 2-bit storage can be performed reliably.
[0031]
Next, the operation of the memory cell will be described.
FIG. 5A is an explanatory diagram of an operation when electrons are injected into the memory portion 1 using source-side injection.
[0032]
At the time of writing, a reference voltage Vs is applied to the source / drain region S / D on the left side of the drawing as a source, and a drain voltage Vd, for example, 5.0 V is applied to the source / drain region S / D on the right side of the drawing as a drain. A predetermined positive voltage Vmg, for example 7.0 V, is applied to the memory gates MGa and MGb, and a predetermined positive voltage Vcg, for example, 1.0 V is applied to the control gate CG. Note that the control line CL in FIG. 1 and the word line WL in FIG. 2 correspond to the control gate CG. Further, the word line WL in FIG. 1 and the control line CLa or CLb in FIG. 2 correspond to the memory gates MGa and MGb.
[0033]
This embodiment is characterized by the procedure of the voltage applied to both gates.
FIG. 6A and FIG. 6B illustrate waveform diagrams of pulses for applying this voltage. In the writing of the present embodiment, as shown in FIG. 6A, first, a pulse of a relatively high voltage Vmg (= 7 V) is raised on the memory gate MGa (and MGb), and as shown in FIG. In the middle of the application of the pulse voltage Vmg, another pulse to be applied to the control gate CG, that is, a pulse having a relatively low voltage Vcg (= 1V) is raised. Then, both pulses are terminated almost simultaneously. Alternatively, the former pulse having a relatively large voltage value is terminated slightly after the end of the latter pulse having a relatively small voltage value. These controls are performed by bias application timing control by the drive circuit described above.
[0034]
In this pulse application control, the generation time of the applied pulse to the control gate electrode CG having a relatively small voltage value is the writing time (program time T PGM ) Therefore, the charge / discharge time of the large total gate load capacity (or word line capacity) in the entire memory cell array during writing is shorter than before, and the phase difference of the write pulse in the memory cell array is smaller than before. In addition, the point that a pulse having a relatively large voltage value is applied to the memory gate electrode is the same as in the prior art, but the pulse application of this memory gate electrode does not directly define the write time, and this voltage is applied to the memory gate electrode during writing It may be applied to MGa (and MGb). Therefore, for example, when one word line sector is written a plurality of times, the potential of the memory gate electrode MGa (and MGb) may be kept raised. In this case, the number of times of charging / discharging the word line WL is reduced as compared with the conventional case.
[0035]
This program time T PGM Inside, an inversion layer is formed in the inversion layer formation region CH1, and accumulation layers are formed on the surfaces of the accumulation layer formation regions ACLa and ACLb on both sides thereof. Electrons supplied from the storage layer on the source side are accelerated in the inversion layer, a part of which is on the drain side, and the energy barrier ΦSiO of the silicon dioxide film constituting the bottom dielectric film BTM of the gate dielectric film GD 2 High-energy electrons (hot electrons) exceeding A part of the hot electrons is injected into the storage unit 1 with a certain probability.
[0036]
FIG. 5B shows the relationship between the horizontal position Px in the channel direction at this time, the channel potential V, and the channel electric field Ex in the horizontal direction.
The potential difference between the drain voltage Vd and the source voltage (reference voltage) Vs is mainly applied to the channel region immediately below the space between the control line CL and the memory gate MGa on the drain side. As a result, a high electric field is generated in the channel region immediately below this space.
[0037]
The high electric field in the channel direction rapidly accelerates the electrons in the inversion layer channel and converts the electrons into high energy electrons, whereby electrons are injected into the storage unit 1. In order to improve the injection efficiency, the voltage applied to the control line CL and the memory gate MGa (word line WL) so that the electric field in the channel direction is concentrated in the same region as the region where the electric field in the channel vertical direction is concentrated. To control.
[0038]
In this embodiment, a storage layer is formed in the storage layer formation region ACLa, and its resistance is lowered. At this time, the resistance of the channel region immediately below the space between the control line CL and the memory gate MGa on the drain side becomes relatively high. Therefore, the potential difference between the drain voltage Vd and the source voltage Vs is applied locally and concentrated in the region immediately below this space. Utilizing this fact, the electric field in the channel direction is increased in the region near the source side end of the storage unit 1, and the vertical electric field in this region is increased by the potential difference between the memory gate MGa and the drain.
[0039]
In the source side injection method, the activation energy necessary for electrons to cross the potential barrier of the bottom dielectric film BTM is obtained from the electric field in the channel direction in the region near the source side end of the storage unit 1. In addition, an electric field perpendicular to the channel necessary for implantation can be obtained in the same region. For this reason, charge injection efficiency is improved as compared with normal CHE injection.
In particular, when the storage layer formation region is provided, the voltage applied to the control line CL and the memory gate MGa is optimized by optimizing the channel impurity concentration at which the inversion layer is formed and the concentration and depth of the storage layer formation region ACLa. There is an advantage that the flexibility of the range is increased and the charge injection efficiency can be easily improved.
[0040]
On the other hand, when writing to the other storage unit 2, electrons are efficiently injected into the storage unit 2 according to the same principle by switching the voltage relationship between the two source / drain regions S / D.
In this way, 2-bit information can be independently written in one memory cell.
[0041]
In erasing, the retained charge is extracted or a charge having a reverse polarity is injected.
When the retained charge is extracted, the charge may be extracted to the memory gate side through the top dielectric film TOP, or the charge may be extracted to the substrate side through the bottom dielectric film BTM. In any case, in order to generate a predetermined electric field in the pulling direction, a memory gate (word line WL in FIG. 1, control lines CLa and CLb in FIG. 2), source / drain regions S / D (and substrate SUB) A voltage is applied during As a result, the retained charge is extracted to the substrate side or the memory gate side by FN tunneling or the like. When the retained charge is extracted from the gate dielectric film GD, the memory transistor shifts to the erased state.
[0042]
FIG. 7 schematically shows an operation when erasing is performed by injecting a charge having a polarity opposite to that of the held charge.
A negative voltage is applied to the memory gate MGa, and a positive voltage is applied to the source / drain region S / D on the memory unit 1 side to be erased.
Under this condition, an inversion layer is formed in the storage layer formation region ACLa, and avalanche breakdown occurs due to sharp energy band bending. In the process leading to this breakdown, high energy electron-hole pairs are generated, and hot electrons are attracted to a positive voltage and absorbed in the storage layer formation region ACLa or the source / drain region S / D. On the other hand, most of the hot holes flow to the substrate SUB, but a part of them is attracted by the electric field generated by the memory gate MGa and injected into the gate dielectric film GD (storage unit 1).
Even in this erasing method, when it is desired to inject a hot hole into the storage unit 2 on the opposite side, a similar electric field is generated on the storage unit 2 side. The erasure of the storage unit 2 can be performed independently of the storage unit 1 and simultaneous 2-bit erasure is also possible.
[0043]
The above erasing method is not an embodiment of the erasing method of the present invention by source side injection. When writing is performed by hole injection using the avalanche breakdown described above, erasure may be performed by electron injection by source side injection. The erasing at this time is an embodiment of the erasing method according to the present invention. Since it is basically the same as the above-described writing method, including the voltage application procedure, description thereof is omitted here.
[0044]
[Second Embodiment]
The present embodiment relates to a reading method according to the present invention. Here, the cell configuration in FIG. 1 will be described as an example.
[0045]
In reading, so-called forward read is used. In forward read, first, for example, 1.0 V is applied between two source / drain impurity regions S / D so that the storage unit side where the storage data to be read is held is the drain and the other storage unit side is the source. A drain voltage of about a level is applied. Next, predetermined positive voltages are respectively applied to the control gate CG and the memory gate MGa or MGb on the drain side. As a result, the channel on / off or the current amount varies depending on the presence / absence of the charge in the drain side storage unit to be read or the difference in the charge amount, and as a result, the potential change in the impurity region S / D on the drain side Appears. By reading this potential change with a sense amplifier (not shown), it is possible to determine the logic of the stored data.
Reading data from other storage units is performed in the same manner by switching the source and drain. Thereby, the 2-bit stored data can be read independently.
Note that reading is often performed after writing, such as verification after writing, so the so-called forward read method, in which the voltage application direction between the source and drain is the same as that at the time of writing, is used for source lines and bits. This saves the time and power required to charge and discharge the wire, which is advantageous.
[0046]
In the reading method according to the present embodiment, in the application of the gate voltage described above, a pulse of a voltage of, for example, 1.0 V is first applied to the memory gate MGa or MGb on the drain side, and is applied to the control gate CG during the application. Raise the pulse. Then, for example, timing control is performed so as to end both pulses at the same time.
[0047]
FIG. 8 is a graph showing a drain current change with respect to the control gate voltage when the right storage unit 1 is read by forward reading. FIGS. 9A to 9D are graphs showing FIG. 8 divided into 2-bit storage states.
In this reading method, a large current flows when there is no data in the storage unit 1 and the storage unit 2 (□ in the figure), that is, in the state of “11”.
On the other hand, when there is no data in the storage unit 1 to be read and there is data in the storage unit 2 (Δ mark in the figure), that is, in the state of “01”, the resistance of the source viewed from the control gate is increased. Some current is reduced as compared with the state of 11 ″.
In the case where there is data in the storage unit 1 to be read and there is no data in the storage unit 2 (indicated by a circle in the figure), that is, in the state of “10”, the resistance of the drain as viewed from the control gate increases. The drain current is greatly reduced as compared with the above state.
In the case where both the storage unit 1 and the storage unit 2 have data (in the drawing, ◆), that is, in the state of “00”, the current is still extremely small.
[0048]
Thus, for example, when the drain voltage Vd is set to 1.0 V and the memory gate voltage Vmg is applied at 1.0 V, and the control gate voltage Vcg is applied at about 1.0 V, the storage unit 1 that is a read target has no electric charge. In some cases, a read current of about 0.1 mA flows whether or not the storage unit 2 is charged. In addition, when the storage unit 1 has a charge, the flowing current is 1 μA or less regardless of whether the storage unit 2 has a charge.
Therefore, by using this reading method, it is possible to read 2-bit information with almost no influence from the storage unit that is not to be read.
[0049]
Various modifications are possible in the embodiments of the present invention.
For example, as shown in FIG. 10, a memory cell structure in which a storage layer formation region ACL is provided only on one side of the control gate CG may be adopted. In this case, naturally, 1 bit / cell storage is performed, but the memory cell area is smaller than in the case of 2 bits / cell storage described above.
Further, the structure of the gate dielectric film GD is not limited to the so-called MONOS type but may be an MNOS type. Further, the present invention can be applied to a nanocrystal type in which small particle semiconductors, for example, fine particles of polycrystalline silicon are discretely embedded in a dielectric film, and also to a so-called FG type.
[0050]
In the charge injection of this embodiment, the variation in power consumption and writing is suppressed by controlling the voltage application timing of the gate electrode. When this voltage application timing control is performed during reading, the source and drain as viewed from the control gate are used. The storage layer forming region for improving the charge injection efficiency in the above-described embodiment is not indispensable.
[0051]
【The invention's effect】
According to the nonvolatile semiconductor memory device and the operation method (write / erase method) according to the present invention, in a so-called source side injection type memory element, it is possible to suppress power consumption and write pulse delay during writing.
In addition, according to the operation method (reading method) of the nonvolatile semiconductor memory device according to the present invention, for example, in a source side type memory element capable of storing 2 bits, reading that reduces the influence of a bit different from the reading bit as much as possible is possible. It becomes possible.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is an equivalent circuit diagram showing a first configuration example of a nonvolatile memory cell according to an embodiment of the present invention.
FIG. 2 is an equivalent circuit diagram showing a first configuration example of a nonvolatile memory cell according to an embodiment of the present invention.
3A is a schematic cross-sectional view in the row direction along the word line of the memory cell shown in FIG. 1, and FIG. 3B is a plan view thereof.
4A is a schematic cross-sectional view in the row direction along the word line of the memory cell shown in FIG. 2, and FIG. 4B is a plan view thereof.
FIG. 5A is an explanatory diagram of an operation when electrons are injected into the storage unit 1 using source-side injection. (B) is a diagram showing the relationship between the horizontal position Px in the channel direction at this time, the channel potential V, and the channel electric field Ex in the horizontal direction.
FIGS. 6A and 6B are waveform diagrams of pulses applied during writing to the memory gate and the control gate.
FIG. 7 is a diagram showing an operation when erasing is performed by injecting a charge having a polarity opposite to that of a held charge;
FIG. 8 is a graph showing a drain current change with respect to a control gate voltage when a right storage unit is read by forward read.
FIGS. 9A to 9D are graphs showing FIG. 8 separately for each 2-bit storage state.
FIG. 10 is a cross-sectional view of a memory cell according to a modification of the embodiment of the present invention in which a storage layer formation region is provided only on one side of a control gate.
[Explanation of symbols]
ACL, ACLa, ACLb ... accumulation layer forming region, BLa, BLb ... bit line, BTM ... bottom dielectric film, CG ... control gate (second gate electrode), CH1 ... inner channel region (inversion layer forming region), CH2a, CH2b ... outer channel region, CHS ... main charge storage film, CL, CLa, CLb ... control line, Ex ... channel electric field, GD, GD0 ... gate dielectric film, M ... memory cell, MG, MGa, MGb ... memory gate ( (First gate electrode), Px ... horizontal position, S / D ... source / drain impurity region, SUB ... substrate, TOP ... top dielectric film, T PGM ... Program time, V ... Channel potential, Vcg ... Control gate voltage, Vd ... Drain voltage, Vmg ... Memory gate voltage, Vs ... Source voltage (reference voltage), WG ... Word gate electrode, WL ... Word line.

Claims (11)

第1導電型半導体からなるチャネル形成領域と、それぞれ第2導電型半導体からなりチャネル形成領域を挟んで配置された第1ソース・ドレイン領域および第2ソース・ドレイン領域と、電荷蓄積能力を有した積層膜を介在させて上記第1ソース・ドレイン領域側のチャネル形成領域上に形成された第1ゲート電極と、電荷蓄積能力を有しない単層の誘電体膜を介在させて上記第1ゲート電極と上記第2ソース・ドレイン領域間のチャネル形成領域上に形成され上記第1ゲート電極と絶縁された第2ゲート電極と、を有した不揮発性半導体メモリ装置の動作方法であって、
書き込みまたは消去時に、
上記第2ソース・ドレイン領域を基準に、上記第1ソース・ドレイン領域に所定のドレイン電圧を印加するステップと、
上記チャネル形成領域内でエネルギー的に励起された電荷が上記第1ゲート電極下の積層膜内に上記第2ソース・ドレイン領域側から注入されるように、上記第1ゲート電極に第1ゲート電圧を、上記第2ゲート電極に第2ゲート電圧を印加するステップと、を有し、
当該ゲート電圧の印加ステップでは、上記第1ゲート電圧の印加を開始し、当該第1ゲート電圧の印加途中で上記第2ゲート電圧の印加を開始する
不揮発性半導体メモリ装置の動作方法。
A channel forming region made of the first conductive type semiconductor, and a first source / drain region and a second source / drain region each made of the second conductive type semiconductor and disposed with the channel forming region interposed therebetween, had charge storage capability. The first gate electrode formed on the channel forming region on the first source / drain region side with a laminated film interposed therebetween, and the single gate dielectric film having no charge storage capability interposed therebetween And a second gate electrode formed on a channel formation region between the second source / drain regions and insulated from the first gate electrode,
When writing or erasing
Applying a predetermined drain voltage to the first source / drain region with reference to the second source / drain region;
A first gate voltage is applied to the first gate electrode so that charges energized in the channel formation region are injected from the second source / drain region side into the stacked film under the first gate electrode. Applying a second gate voltage to the second gate electrode,
In the application step of the gate voltage, the application of the first gate voltage is started, and the application of the second gate voltage is started in the middle of the application of the first gate voltage.
上記第2ゲート電圧が上記第1ゲート電圧より小さい
請求項1記載の不揮発性半導体メモリ装置の動作方法。
The method of operating a nonvolatile semiconductor memory device according to claim 1, wherein the second gate voltage is smaller than the first gate voltage.
上記第1ゲート電圧のパルスを活性にし、その活性途中で、より発生時間が短い上記第2ゲート電圧のパルスを活性にし、その後、2つのパルスを同時に非活性に戻し、または、上記第2ゲート電圧のパルスに遅れて上記第1ゲート電圧のパルスを非活性に戻す
請求項1記載の不揮発性半導体メモリ装置の動作方法。
The pulse of the first gate voltage is activated, and the pulse of the second gate voltage having a shorter generation time is activated during the activation, and then the two pulses are simultaneously deactivated, or the second gate is activated. The method of operating a nonvolatile semiconductor memory device according to claim 1, wherein the pulse of the first gate voltage is returned to inactive after a voltage pulse.
上記不揮発性半導体メモリ装置は、電荷蓄積能力を有した積層膜を介在させて上記第2ゲート電極と上記第2ソース・ドレイン領域間のチャネル形成領域上に形成された他の第1ゲート電極をさらに有し、
上記他の第1ゲート電極下の積層膜に対する書き込みまたは消去時の高エネルギー電荷の注入が、
上記第1ソース・ドレイン領域を基準に、上記第2ソース・ドレイン領域に所定のドレイン電圧を印加するステップと、
上記チャネル形成領域内でエネルギー的に励起された電荷が上記他の第1ゲート電極下の積層膜内に上記第1ソース・ドレイン領域側から注入されるように、上記他の第1ゲート電極に第1ゲート電圧を、上記第2ゲート電極に第2ゲート電圧を印加するステップと、を有し、
当該ゲート電圧の印加ステップでは、上記他の第1ゲート電極に対する上記第1ゲート電圧の印加を開始し、当該第1ゲート電圧の印加途中で上記第2ゲート電圧の印加を開始する
請求項1記載の不揮発性半導体メモリ装置の動作方法。
The nonvolatile semiconductor memory device includes another first gate electrode formed on a channel formation region between the second gate electrode and the second source / drain region with a stacked film having charge storage capability interposed therebetween. In addition,
Injection of high energy charges at the time of writing or erasing into the laminated film under the other first gate electrode is as follows.
Applying a predetermined drain voltage to the second source / drain region with reference to the first source / drain region;
Charges energized in the channel formation region are injected from the first source / drain region side into the stacked film under the other first gate electrode, so that the other first gate electrode is charged. Applying a second gate voltage to the second gate electrode, the first gate voltage,
The application of the first gate voltage to the other first gate electrode is started in the application step of the gate voltage, and the application of the second gate voltage is started during the application of the first gate voltage. Of operating the non-volatile semiconductor memory device.
メモリセルと、
当該メモリセルにバイアスを印加する駆動回路と、を有し、
上記メモリセルが、第1導電型半導体からなるチャネル形成領域と、それぞれ第2導電型半導体からなりチャネル形成領域を挟んで配置された2つのソース・ドレイン領域と、電荷蓄積能力を有した積層膜を介在させてチャネル形成領域上に形成された第1ゲート電極と、電荷蓄積能力を有しない単層の誘電体膜を介在させてチャネル形成領域上に形成され第1ゲート電極と絶縁された第2ゲート電極と、を有し、
上記駆動回路が、書き込み、消去または読み出し時に上記第1ゲート電極と上記第2ゲート電極にそれぞれ所定の電圧を印加するときは、上記第1ゲート電極への電圧印加を開始し、当該第1ゲート電極への電圧印加の途中で上記第2ゲート電極への電圧印加を開始する電圧印加のタイミングを制御する手段を含む
不揮発性半導体メモリ装置。
A memory cell;
A drive circuit for applying a bias to the memory cell,
The memory cell includes a channel forming region made of a first conductivity type semiconductor, two source / drain regions each made of a second conductivity type semiconductor and sandwiching the channel formation region, and a stacked film having charge storage capability And a first gate electrode formed on the channel formation region with a single layer dielectric film having no charge storage capability interposed therebetween and insulated from the first gate electrode. 2 gate electrodes,
When the driving circuit applies predetermined voltages to the first gate electrode and the second gate electrode at the time of writing, erasing or reading, the voltage application to the first gate electrode is started, A non-volatile semiconductor memory device comprising means for controlling a timing of voltage application for starting voltage application to the second gate electrode in the middle of voltage application to the electrode.
上記チャネル形成領域が、
第1導電型半導体からなり、上記第2ゲート電極下方で反転層によりチャネルが形成される反転層形成領域と、
第2導電型半導体からなり、上記第1ゲート電極下方で多数キャリアの蓄積層によりチャネルが形成される蓄積層形成領域と
からなる請求項5記載の不揮発性半導体メモリ装置。
The channel forming region is
An inversion layer forming region comprising a first conductivity type semiconductor and having a channel formed by an inversion layer below the second gate electrode;
The nonvolatile semiconductor memory device according to claim 5, further comprising: a storage layer forming region formed of a second conductivity type semiconductor and having a channel formed by a majority carrier storage layer below the first gate electrode.
上記反転層形成領域と一方のソース・ドレイン領域間、上記反転層形成領域と他方のソース・ドレイン領域間それぞれに、上記蓄積層形成領域が設けられ、
各蓄積層形成領域の上方にそれぞれに、上記電荷蓄積能力を有した積層膜を介在させて上記第1ゲート電極が配置された
請求項6記載の不揮発性半導体メモリ装置。
The storage layer formation region is provided between the inversion layer formation region and one source / drain region, and between the inversion layer formation region and the other source / drain region,
The non-volatile semiconductor memory device according to claim 6, wherein the first gate electrode is disposed above each storage layer forming region with the stacked film having the charge storage capability interposed therebetween.
第2導電型半導体からなり多数キャリアの蓄積層によりチャネルが形成される蓄積層形成領域と、当該蓄積層形成領域の一方側に隣接する第1導電型半導体からなり反転層によりチャネルが形成される反転層形成領域と、を含むチャネル形成領域と、上記チャネル形成領域に対し上記蓄積層形成領域側で隣接する第2導電型半導体からなる第1ソース・ドレイン領域と、上記チャネル形成領域に対し上記蓄積層形成領域と反対の側で隣接する第2導電型半導体からなる第2ソース・ドレイン領域と、電荷蓄積能力を有した積層膜を介在させて上記蓄積層形成領域上に形成された第1ゲート電極と、電荷蓄積能力を有しない単層の誘電体膜を介在させて上記反転層形成領域上に形成された第2ゲート電極と、を有した不揮発性半導体メモリ装置の動作方法であって、
読み出し時に、
上記第2ソース・ドレイン領域を基準に、上記第1ソース・ドレイン領域に所定の読み出し電圧を印加するステップと、
上記積層膜内の電荷量に応じてチャネルの形成を制御可能な第1ゲート電圧を第1ゲート電極に印加し、チャネル形成に必要な第2ゲート電圧を上記第2ゲート電極に印加するステップと、を有し、
当該ゲート電圧の印加ステップでは、上記第1ゲート電圧の印加を開始し、当該第1ゲート電圧の印加途中で上記第2ゲート電圧の印加を開始する
不揮発性半導体メモリ装置の動作方法。
A storage layer forming region formed of a second-conductivity-type semiconductor and having a channel formed by a majority-carrier storage layer, and a channel formed of an inversion layer formed of a first-conductivity-type semiconductor adjacent to one side of the storage layer forming region. A channel forming region including an inversion layer forming region, a first source / drain region made of a second conductivity type semiconductor adjacent to the channel forming region on the storage layer forming region side, and the channel forming region A first source / drain region made of a second conductivity type semiconductor adjacent on the opposite side of the storage layer formation region and a first layer formed on the storage layer formation region with a stacked film having charge storage capability interposed therebetween. A non-volatile semiconductor memory device having a gate electrode and a second gate electrode formed on the inversion layer forming region with a single-layer dielectric film having no charge storage capability interposed A method of operation,
When reading
Applying a predetermined read voltage to the first source / drain region with reference to the second source / drain region;
Applying a first gate voltage capable of controlling the formation of a channel according to the amount of charge in the stacked film to the first gate electrode, and applying a second gate voltage necessary for the channel formation to the second gate electrode; Have
In the application step of the gate voltage, the application of the first gate voltage is started, and the application of the second gate voltage is started in the middle of the application of the first gate voltage.
上記反転層形成領域と上記第2ソース・ドレイン領域との間の上記チャネル形成領域内に形成され、第2導電型半導体からなる他の蓄積層形成領域と、
当該他の蓄積層形成領域上に、電荷蓄積能力を有した積層膜を介在させて形成された他の第1ゲート電極と、をさらに有し、
上記他の第1ゲート電極下の積層膜に対する読み出しが、
上記第1ソース・ドレイン領域を基準に、上記第2ソース・ドレイン領域に所定の読み出し電圧を印加するステップと、
上記他の第1ゲート電極下の積層膜内の電荷量に応じてチャネルの形成を制御可能な第1ゲート電圧を上記他の第1ゲート電極に印加し、チャネル形成に必要な第2ゲート電圧を上記第2ゲート電極に印加するステップと、を有し、
当該ゲート電圧の印加ステップでは、上記他の第1ゲート電極に対する上記第1ゲート電圧の印加を開始し、当該第1ゲート電圧の印加途中で上記第2ゲート電圧の印加を開始する
請求項8記載の不揮発性半導体メモリ装置の動作方法。
Another storage layer formation region formed in the channel formation region between the inversion layer formation region and the second source / drain region and made of a second conductivity type semiconductor;
Another first gate electrode formed on the other storage layer formation region with a laminated film having charge storage capability interposed therebetween,
Reading out the laminated film under the other first gate electrode
Applying a predetermined read voltage to the second source / drain region with reference to the first source / drain region;
A first gate voltage capable of controlling the formation of a channel according to the amount of charge in the stacked film under the other first gate electrode is applied to the other first gate electrode, and a second gate voltage necessary for the channel formation is applied. Applying to the second gate electrode,
The application of the first gate voltage to the other first gate electrode is started in the application step of the gate voltage, and the application of the second gate voltage is started during the application of the first gate voltage. Of operating the non-volatile semiconductor memory device.
第1導電型半導体からなり反転層によりチャネルが形成されるチャネル形成領域と、それぞれ第2導電型半導体からなり上記チャネル形成領域を挟んで配置された第1ソース・ドレイン領域および第2ソース・ドレイン領域と、電荷蓄積能力を有した積層膜を介在させて上記第1ソース・ドレイン領域側のチャネル形成領域上に形成された第1ゲート電極と、電荷蓄積能力を有しない単層の誘電体膜を介在させて上記第2ソース・ドレイン領域側のチャネル形成領域上に形成された第2ゲート電極と、を有した不揮発性半導体メモリ装置の動作方法であって、
読み出し時に、
上記第2ソース・ドレイン領域を基準に、上記第1ソース・ドレイン領域に所定の読み出し電圧を印加するステップと、
上記積層膜内の電荷量に応じてチャネルの形成を制御可能な第1ゲート電圧を第1ゲート電極に印加し、チャネル形成に必要な第2ゲート電圧を上記第2ゲート電極にするステップと、を有し、
当該ゲート電圧の印加ステップでは、上記第1ゲート電圧の印加を開始し、当該第1ゲート電圧の印加途中で上記第2ゲート電圧の印加を開始する
不揮発性半導体メモリ装置の動作方法。
A channel forming region made of a first conductivity type semiconductor and having a channel formed by an inversion layer, and a first source / drain region and a second source / drain each made of a second conductivity type semiconductor and disposed across the channel formation region A first gate electrode formed on the channel forming region on the first source / drain region side through a region, a laminated film having charge storage capability, and a single-layer dielectric film having no charge storage capability A non-volatile semiconductor memory device having a second gate electrode formed on a channel forming region on the second source / drain region side through
When reading
Applying a predetermined read voltage to the first source / drain region with reference to the second source / drain region;
Applying a first gate voltage capable of controlling the formation of a channel according to the amount of charge in the stacked film to the first gate electrode, and setting the second gate voltage necessary for the channel formation to the second gate electrode; Have
In the application step of the gate voltage, the application of the first gate voltage is started, and the application of the second gate voltage is started in the middle of the application of the first gate voltage.
上記第2ゲート電極と上記第2ソース・ドレイン領域との間のチャネル形成領域上に、電荷蓄積能力を有した積層膜を介在させて形成された他の第1ゲート電極をさらに有し、
上記他の第1ゲート電極下の積層膜に対する読み出しが、
上記第1ソース・ドレイン領域を基準に、上記第2ソース・ドレイン領域に所定の読み出し電圧を印加するステップと、
上記他の第1ゲート電極下の積層膜内の電荷量に応じてチャネルの形成を制御可能な第1ゲート電圧を上記他の第1ゲート電極に印加し、チャネル形成に必要な第2ゲート電圧を上記第2ゲート電極に印加するステップと、を有し、
当該ゲート電圧の印加ステップでは、上記他の第1ゲート電極に対する上記第1ゲート電圧の印加を開始し、当該第1ゲート電圧の印加途中で上記第2ゲート電圧の印加を開始する
請求項10記載の不揮発性半導体メモリ装置の動作方法。
And further comprising another first gate electrode formed on the channel formation region between the second gate electrode and the second source / drain region with a stacked film having charge storage capability interposed therebetween,
Reading out the laminated film under the other first gate electrode
Applying a predetermined read voltage to the second source / drain region with reference to the first source / drain region;
A first gate voltage capable of controlling the formation of a channel according to the amount of charge in the stacked film under the other first gate electrode is applied to the other first gate electrode, and a second gate voltage necessary for the channel formation is applied. Applying to the second gate electrode,
The application of the first gate voltage to the other first gate electrode is started in the application step of the gate voltage, and the application of the second gate voltage is started during the application of the first gate voltage. Of operating the non-volatile semiconductor memory device.
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