JP4522879B2 - Nonvolatile semiconductor memory device - Google Patents

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Description

本発明は、pチャネル型の不揮発性半導体記憶装置およびその書込・読出・消去方法に関する。   The present invention relates to a p-channel nonvolatile semiconductor memory device and a method for writing / reading / erasing the same.

近年、従来のフラッシュメモリのフローティングゲートに代えて電導性の低い窒化膜等の電荷トラップ層を形成し、この電荷トラップ層のソース側およびドレイン側にそれぞれ別々に電荷を注入することによって、1つのメモリセルに2ビットの情報を記録可能にした不揮発性半導体メモリが提案されている(特許文献1参照)。   In recent years, a charge trap layer such as a low-conductivity nitride film is formed in place of the floating gate of a conventional flash memory, and one charge is injected into each of the source side and the drain side of the charge trap layer. There has been proposed a nonvolatile semiconductor memory that can record 2-bit information in a memory cell (see Patent Document 1).

この文献の不揮発性半導体メモリは、nチャネルMOSトランジスタ構造において、ソース/ドレイン間に電圧を印加したときにこれが導通するか否かに影響を与えるのは、チャネル領域のうち電子放出(ソース)側の一部領域の電位状態であること、および、MOSトランジスタ構造は、基本的に対称構造であり、ソース・ドレインを逆に接続すれば、ソースがドレインとして機能し、ドレインがソースとして機能することに着目して提案されたものである。   The non-volatile semiconductor memory of this document has an n channel MOS transistor structure, and it is the electron emission (source) side of the channel region that affects whether or not it becomes conductive when a voltage is applied between the source and drain. And the MOS transistor structure is basically symmetrical, and if the source and drain are connected in reverse, the source functions as the drain and the drain functions as the source. It was proposed paying attention to.

すなわち、電荷トラップ層のソース側領域に電子を注入/引き抜き(プログラム/イレーズ)して、読み出し時のソースからドレインに向けての電子の流れをオン/オフすることによって1ビットを記憶するとともに、電極を逆に接続すればドレインが電子放出側になるため、電荷トラップ層のドレイン側領域に電荷を注入/引き抜きしてドレインからソースに向けての電子の流れをオン/オフすることによってさらに1ビットを記憶する。   That is, one bit is stored by injecting / extracting electrons (program / erase) to the source side region of the charge trap layer and turning on / off the flow of electrons from the source to the drain at the time of reading, If the electrodes are connected in reverse, the drain becomes the electron emission side. Therefore, by injecting / withdrawing charges into / from the drain side region of the charge trapping layer, the flow of electrons from the drain to the source is turned on / off to further increase 1 Remember bit.

ソース側ビットの読み出しは、ソースを接地してドレインに正電圧(Vdr)を印加しておこなう。ドレイン側ビットの読み出しは、ドレインを接地してソースに正電圧(Vdr)を印加する逆向きの接続で行う。プログラム領域に電子が注入されていれば、読み出し時のしきい値が上がってソース/ドレイン間に電流が流れないため、このとき非導通(オフ)であればビットはプログラム状態(0)であり、導通(オン)すればビットは非プログラム状態(1)である。   Reading of the source side bit is performed by grounding the source and applying a positive voltage (Vdr) to the drain. Reading of the drain side bit is performed by reverse connection in which the drain is grounded and a positive voltage (Vdr) is applied to the source. If electrons are injected into the program region, the threshold value at the time of reading rises and no current flows between the source / drain. Therefore, if the current is non-conductive (OFF), the bit is in the programmed state (0). When turned on, the bit is in a non-programmed state (1).

このように、この不揮発性半導体メモリでは、電荷トラップ層の両側の一部領域に別々に電荷を注入/引き抜きし、読出時には、印加する電圧の方向を逆転させて、各方向の導通/非導通を検出することにより、2ビットの情報の記録・読み出しを可能としている。   As described above, in this nonvolatile semiconductor memory, charges are separately injected / extracted into a partial region on both sides of the charge trap layer, and during reading, the direction of the applied voltage is reversed to conduct / non-conduct in each direction. By detecting this, it is possible to record and read out 2-bit information.

図21を参照しながら、この不揮発性半導体メモリの構成及びデータの書き込み/読み出しの動作についてさらに説明する。この不揮発性半導体メモリ(メモリセル)100は、p型シリコン半導体基板101の表面領域に形成された一対のn+領域102,103と、当該n+領域102,103間のチャネル領域と、このチャネル領域上に形成されたトンネル酸化膜104、電荷トラップ層105、シリコン酸化膜106およびゲート電極107を有している。ここで、電荷トラップ層105はシリコン窒化膜で構成されている。一対のn+領域102,103は、それぞれソースまたはドレインとして機能する。   The configuration of the nonvolatile semiconductor memory and the data write / read operation will be further described with reference to FIG. The nonvolatile semiconductor memory (memory cell) 100 includes a pair of n + regions 102 and 103 formed in a surface region of a p-type silicon semiconductor substrate 101, a channel region between the n + regions 102 and 103, and the channel region. A tunnel oxide film 104, a charge trap layer 105, a silicon oxide film 106, and a gate electrode 107. Here, the charge trap layer 105 is composed of a silicon nitride film. The pair of n + regions 102 and 103 each function as a source or a drain.

この構造において、電荷トラップ層105の両端部である左右のプログラム領域108、109にそれぞれに独立して電子が注入/引き抜きされる。電荷トラップ層105への電荷の注入(プログラム)は、チャネルホットエレクトロン(CHE)注入によって行われる。   In this structure, electrons are injected / extracted independently into the left and right program regions 108 and 109 which are both ends of the charge trap layer 105. Charge injection (programming) into the charge trap layer 105 is performed by channel hot electron (CHE) injection.

以下、右のプログラム領域109へ電荷をチャネルホットエレクトロン注入する場合について説明する。ソースを0V、ドレインを5V程度としてソース/ドレイン間に電位差を生じさせ、ゲート107に高電圧(10V程度)を印加する。ドレイン103,ゲート107の高電圧により、ソース/ドレイン間に電流が流れるが、ドレイン103の高電圧のため、チャネル110はチャネル領域の途中(I1の範囲)で消滅している。形成されたチャネル110の範囲l1 は導通しており電界は生じないが、チャネル110が形成されていない範囲l2では、ソース/ドレイン間の電位差により電界加速されて電子が通過し、その一部がチャネルホットエレクトロン(CHE)となる。このチャネルホットエレクトロンがゲート107の高電圧によってトンネル酸化膜104を通過して電荷トラップ層105の右のプログラム領域109に注入され、右のプログラム領域109は電子がトラップされた状態(プログラム状態)になる。   The case where channel hot electrons are injected into the right program region 109 will be described below. A potential difference is generated between the source and drain by setting the source to 0 V and the drain to about 5 V, and a high voltage (about 10 V) is applied to the gate 107. A current flows between the source and the drain due to the high voltage of the drain 103 and the gate 107, but the channel 110 disappears in the middle of the channel region (range I1) due to the high voltage of the drain 103. The range l1 of the formed channel 110 is conductive and no electric field is generated, but in the range l2 where the channel 110 is not formed, the electric field is accelerated by the potential difference between the source and drain, and electrons pass, and a part thereof Channel hot electron (CHE). The channel hot electrons pass through the tunnel oxide film 104 by the high voltage of the gate 107 and are injected into the right program region 109 of the charge trap layer 105, and the right program region 109 is in a state where electrons are trapped (program state). Become.

右のプログラム領域109のビットデータを読み出す場合には、ゲート107に読出電圧Vgreadを印加するとともに、ソース/ドレイン間の読み出し電圧Vdreadをプログラムの場合と逆方向に印加する。すなわち、右のn+領域103を接地して左のn+領域102にVdreadを印加する。なお、このときの電圧絶対値はプログラム時に比べて低く、Vdread=1.5V,Vgread=3V程度である。このとき、右のプログラム領域109に電子がトラップされている場合には、この電荷によるしきい値の上昇によりプログラム領域109の下層でチャネルが形成されず、ソース/ドレイン間がオンしない。一方、プログラム領域109に電子がトラップされていない場合にはソース/ドレイン間にチャネルが形成されてオンする。このように、プログラム領域109側のn+領域をソースとし、対向するn+領域をドレインとして用いることにより、プログラム領域109のビットデータを読み出すことができる。   When reading the bit data in the right program area 109, the read voltage Vgread is applied to the gate 107, and the read voltage Vdread between the source and drain is applied in the opposite direction to that in the program. That is, the right n + region 103 is grounded and Vdread is applied to the left n + region 102. Note that the absolute voltage value at this time is lower than that at the time of programming, and is about Vdread = 1.5V and Vgread = 3V. At this time, when electrons are trapped in the right program region 109, a channel is not formed in the lower layer of the program region 109 due to the increase in threshold value due to this charge, and the source / drain is not turned on. On the other hand, when electrons are not trapped in the program region 109, a channel is formed between the source and the drain to turn on. In this way, the bit data in the program area 109 can be read by using the n + area on the program area 109 side as a source and the opposing n + area as a drain.

なお、右のプログラム領域109に電子がトラップされていても、プログラム時と同じ方向に電圧を印加した場合、すなわち、左のn+領域102を接地して右のn+領域103にVdreadを印加した場合には、ドレイン(n+領域103)の正電位により、プログラム領域109下のチャネル領域が空乏化して電子が通過するため、プログラム領域109に電荷がトラップされていても、この方向の読み出し動作に影響を与えない。
左のプログラム領域108への電子の注入およびビットデータの読み出しも上記と逆の手法で同様に行うことができる。
Even when electrons are trapped in the right program area 109, when a voltage is applied in the same direction as during programming, that is, when the left n + area 102 is grounded and Vdread is applied to the right n + area 103. In this case, the channel region under the program region 109 is depleted by the positive potential of the drain (n + region 103) and electrons pass therethrough, so that even if charge is trapped in the program region 109, the reading operation in this direction is affected. Not give.
The injection of electrons into the left program area 108 and the reading of bit data can also be performed in the same manner as described above.

このように、左右のプログラム領域への電子の注入はそれぞれ独立して行うことができ、且つ、左右いずれか一方のプログラム領域に対する読み出し動作時に他方のプログラム領域にトラップされている電子が影響を与えないため、この1つのメモリセル内の左右のプログラム領域にそれぞれ1ビットずつのデータを記録・読み出しすることができる。   In this way, electrons can be injected independently into the left and right program areas, and the electrons trapped in the other program area have an effect during the read operation on either the left or right program area. Therefore, 1-bit data can be recorded / read on each of the left and right program areas in one memory cell.

この種の不揮発性半導体メモリにおけるイレーズ(データ消去)処理は、チップ全体またはブロック(一般的には512kビット)単位で行うようになっている。この不揮発性半導体メモリのイレーズ処理は、電荷トラップ層にトラップされている電子を引き抜くことで行う。電荷トラップ層から電子が引き抜かれると、しきい値が下がって各ビットは非プログラム状態にもどる。
米国特許第5768192号公報
Erase (data erasure) processing in this type of nonvolatile semiconductor memory is performed on the whole chip or on a block (generally 512 kbit) unit. The erase process of the nonvolatile semiconductor memory is performed by extracting electrons trapped in the charge trap layer. When electrons are withdrawn from the charge trapping layer, the threshold value drops and each bit returns to an unprogrammed state.
US Pat. No. 5,768,192

このように特許文献1に記載された不揮発性半導体記憶装置は、チャネルホットエレクトロン注入を用いて電荷トラップ層に電子を注入するものであり、これにより、しきい値を高くすることによってビットを反転している。   As described above, the nonvolatile semiconductor memory device described in Patent Document 1 injects electrons into the charge trapping layer by using channel hot electron injection, thereby inverting the bit by increasing the threshold value. is doing.

しかしながら、チャネルホットエレクトロンによる電荷の注入は、ソース−ドレイン間をオンさせて、すなわちソース−ドレイン間に電流を流しつつその一部の電子を電荷トラップ層に注入するものであるため、注入効率が10-6程度と低効率であり、内蔵の電源回路の負担が大きく高速書き込みができないという問題点があった。 However, the injection of charges by channel hot electrons turns on between the source and drain, that is, injects some of the electrons into the charge trapping layer while passing a current between the source and drain. There is a problem that the efficiency is as low as 10 −6 , and the load of the built-in power supply circuit is heavy and high-speed writing cannot be performed.

また、イレーズ処理における電子の引き抜きは、各メモリセルにおいて電子が完全に引き抜かれる程度に行われるが、各メモリセルには特性バラツキがあるため、全メモリセルで引き抜きが完了する程度のイレーズ処理を行った場合、一部のメモリセルでは、電子の消去引き抜きが行き過ぎて正電荷がチャージされてしまう(オーバーイレーズ)場合があった。正電荷がチャージされたメモリセルは、しきい値が負になってデプレッション化してしまい、メモリセルが導通したままになってしまい、ビットデータの読み出しに支障をきたすという問題点があった。   In addition, the extraction of electrons in the erase process is performed to such an extent that the electrons are completely extracted in each memory cell. However, since there is a characteristic variation in each memory cell, the erase process is performed to the extent that the extraction is completed in all memory cells. When this is done, in some memory cells, there has been a case where electrons are excessively erased and charged with positive charges (over erase). A memory cell charged with a positive charge has a problem that the threshold value becomes negative and depletion occurs, and the memory cell remains conductive, which hinders reading of bit data.

このような課題を解決するために、不揮発性半導体メモリをpチャネルMONOSで構成することが考えられる。pチャネルMONOS構造とすることで、高効率のバンド間トンネリング(BTBT)で発生した電子による電子注入(BBHE注入)を行うことができるとともに、プログラム状態がマイナス電位の低しきい値であり、イレーズ処理(電子の引き抜き)によってしきい値の絶対値が上昇するため、チップ全体またはブロック単位で行ってもオーバーイレーズのおそれがなくなるという利点がある。   In order to solve such a problem, it is conceivable to configure the nonvolatile semiconductor memory with p-channel MONOS. With the p-channel MONOS structure, electron injection (BBHE injection) by electrons generated by high-efficiency band-to-band tunneling (BTBT) can be performed, and the program state is a low threshold value with a negative potential. Since the absolute value of the threshold value is increased by processing (withdrawing electrons), there is an advantage that there is no possibility of over-erasing even if the entire chip or block is used.

しかし、出願人は、実験の結果、pチャネルMONOS構造とした場合、チャネル領域の端部に電子を注入してしきい値を絶対値で低下させることによってプログラムを行う構造となることから、今度は、nチャネルMONOS構造にはない以下の問題点が発生することを発見した。(なお、本明細書でしきい値の高低(上昇/低下)は、全て絶対値についての表現とする。)
第1の問題点は、ソース近傍の電荷トラップ層(プログラム領域)に電子を注入しても、電荷トラップ層の中央部へ電子が移動しないため、チャネル領域中央部の(局所的な)しきい値が下がらず、メモリセルとしてのしきい値の低下がわずかであることである。このため、ビットデータを長期間保持するための信頼性を確保することが困難になっている。
However, as a result of the experiment, the applicant has a structure in which the program is performed by injecting electrons into the end portion of the channel region and lowering the threshold value with an absolute value when the p-channel MONOS structure is adopted. Discovered that the following problems that are not in the n-channel MONOS structure occur. (Note that in this specification, all threshold values (increase / decrease) are expressed in terms of absolute values.)
The first problem is that even if electrons are injected into the charge trap layer (program region) in the vicinity of the source, electrons do not move to the center of the charge trap layer, so the (local) threshold at the center of the channel region. The value does not decrease, and the threshold value as a memory cell decreases slightly. For this reason, it is difficult to ensure the reliability for holding the bit data for a long time.

この状態を図22に示す。イニシャル状態(同図(A))では、チャネル領域全体でほぼ同じ程度の局所的しきい値を有する。プログラム状態(同図(B))では、電荷(電子)がp+領域近傍にしか注入されないため、チャネル中央部の局所的しきい値が低下せず、全体としてのしきい値の低下がわずかである。   This state is shown in FIG. In the initial state ((A) in the figure), the channel region has almost the same local threshold value. In the programmed state ((B) in the same figure), charges (electrons) are injected only in the vicinity of the p + region, so the local threshold at the center of the channel does not decrease, and the overall decrease in threshold is slight. is there.

第2の問題点は、pチャネルMOSの場合、ビット線(ドレイン)に負電圧を印加する必要があり、また書き込み・消去時にビット線に高電圧を印加する必要があるが、負電圧や高電圧を扱う回路を高速動作させることが困難なことである。   The second problem is that in the case of a p-channel MOS, it is necessary to apply a negative voltage to the bit line (drain), and it is necessary to apply a high voltage to the bit line during writing / erasing. It is difficult to operate a circuit that handles voltage at high speed.

この発明は、書き込み効率を向上させるとともに、オーバーイレーズが発生しない不揮発性半導体記憶装置であって、なおかつ、データ書込時のデータ転送レートの高速化を実現できる不揮発性半導体記憶装置を提供することを目的とする。   The present invention provides a nonvolatile semiconductor memory device that improves the writing efficiency and does not cause over-erasing, and that can realize a high data transfer rate during data writing. With the goal.

(1)この発明の不揮発性半導体記憶装置は、半導体基板に形成されたn型ウエルと、前記n型ウエル表面に所定間隔を開けて形成された+領域であるドレインおよびソースと、前記ドレイン,ソース間に形成されたチャネル領域と、前記チャネル領域の上方にトンネル酸化膜を介して形成されたナノクリスタル層、不導体電荷トラップ層等の電荷蓄積層と、前記電荷蓄積層の上方に絶縁膜を介して形成されたゲート電極と、を有するメモリセルを、複数行(X),複数列(Y)のマトリクスに配列した不揮発性半導体記憶装置であって、前記各列に設けられ、その列のメモリセルのドレインに接続されたビット線と、標準電源電圧(Vcc)用のトランジスタで形成された、前記各ビット線の電圧を制御する回路を含むY系回路と、を備えたことを特徴とする。 (1) A nonvolatile semiconductor memory device according to the present invention includes an n-type well formed in a semiconductor substrate , a drain and a source which are p + regions formed at predetermined intervals on the surface of the n-type well, and the drain , A channel region formed between the sources, a charge storage layer such as a nanocrystal layer and a non-conductor charge trap layer formed above the channel region via a tunnel oxide film, and an insulation above the charge storage layer A non-volatile semiconductor memory device in which memory cells having a gate electrode formed through a film are arranged in a matrix of a plurality of rows (X) and a plurality of columns (Y) , provided in each of the columns, A bit line connected to the drain of the memory cell in the column, and a Y-system circuit including a circuit for controlling the voltage of each bit line formed by a transistor for a standard power supply voltage (Vcc). And said that there were pictures.

(2)この発明の揮発性半導体記憶装置は、半導体基板に形成されたn型ウエルと、前記n型ウエル表面に所定間隔を開けて形成された第1のp+領域および第2のp+領域と、前記第1、第2のp+領域間に形成されたチャネル領域と、前記チャネル領域の上方にトンネル酸化膜を介して形成されたナノクリスタル層、不導体電荷トラップ層等の電荷蓄積層と、前記電荷蓄積層の上方に絶縁膜を介して形成されたゲート電極と、を有するメモリセルを、複数行(X),複数列(Y)のマトリクスに配列した不揮発性半導体記憶装置であって、前記各列間に設けられ、隣接する一方の列のメモリセルの第1のp+領域および他方の列のメモリセルの第2のp+領域に接続されたビット線と、標準電源電圧(Vcc)用のトランジスタで形成された、前記各ビット線の電圧を制御する回路を含むY系回路と、を備えたことを特徴とする。(2) A volatile semiconductor memory device according to the present invention includes an n-type well formed in a semiconductor substrate, and a first p + region and a second p + region formed on the surface of the n-type well at a predetermined interval. A channel region formed between the first and second p + regions, a charge storage layer such as a nanocrystal layer and a non-conductive charge trap layer formed above the channel region via a tunnel oxide film, A nonvolatile semiconductor memory device in which memory cells having a gate electrode formed via an insulating film above the charge storage layer are arranged in a matrix of a plurality of rows (X) and a plurality of columns (Y), A bit line provided between the columns and connected to the first p + region of the memory cell in one adjacent column and the second p + region of the memory cell in the other column, and for the standard power supply voltage (Vcc) Formed of transistors And, characterized in that and a Y-system circuit including a circuit for controlling the voltages of the bit lines.

(3)この発明の不揮発性半導体記憶装置の読出方法は、半導体基板に形成されたn型ウエルと、前記n型ウエル表面に所定間隔を開けて形成された第1のp+領域および第2のp+領域と、前記第1、第2のp+領域間に形成されたチャネル領域と、前記チャネル領域の上方にトンネル絶縁膜を介して形成されたナノクリスタル層、不導体電荷トラップ層等の電荷蓄積層と、前記電荷蓄積層の上方に絶縁膜を介して形成されたゲート電極と、を有する不揮発性半導体記憶装置に、第1のp+領域を接地電位として書き込まれたビットデータを読み出す方法であって、
n型ウエルに正の読出バックゲート電圧を印加し、ゲート電極に負の読み出し電圧を印加し、第1のp+領域に前記読出バックゲート電圧と同じ電圧を印加し、第2のp+領域を接地電位としたときに第1、第2のp+領域間が導通するか否かにより前記書き込まれたビットデータを読み出すとを特徴とする。
(4)この発明の不揮発性半導体記憶装置の読出方法は、(2)に記載の不揮発性半導体記憶装置に、第1のp+領域を接地電位として書き込まれたビットデータを読み出す方法であって、
n型ウエルに正の読出バックゲート電圧を印加し、ゲート電極に負の読み出し電圧を印加し、第1のp+領域に前記読出バックゲート電圧と同じ電圧を印加し、第2のp+領域を接地電位としたときに第1、第2のp+領域間が導通するか否かにより前記書き込まれたビットデータを読み出すことを特徴とする。
(3) A method of reading a nonvolatile semiconductor memory device according to the present invention includes an n-type well formed in a semiconductor substrate, a first p + region formed at a predetermined interval on the surface of the n-type well, and a second Charge storage such as a p + region, a channel region formed between the first and second p + regions, a nanocrystal layer formed above the channel region via a tunnel insulating film, a non-conductor charge trap layer, etc. A method of reading bit data written to a nonvolatile semiconductor memory device having a first p + region as a ground potential in a nonvolatile semiconductor memory device having a layer and a gate electrode formed above the charge storage layer via an insulating film. And
A positive read back gate voltage is applied to the n-type well, a negative read voltage is applied to the gate electrode, the same voltage as the read back gate voltage is applied to the first p + region, and the second p + region is grounded It characterized that you read the first bit data written above by whether between the second p + region is conductive when the potential.
(4) A reading method of the nonvolatile semiconductor memory device according to the present invention is a method of reading bit data written in the nonvolatile semiconductor memory device according to (2) with the first p + region as the ground potential.
A positive read back gate voltage is applied to the n-type well, a negative read voltage is applied to the gate electrode, the same voltage as the read back gate voltage is applied to the first p + region, and the second p + region is grounded The written bit data is read out depending on whether or not the first and second p + regions become conductive when a potential is applied.

n型ウェルに正の読出バックゲート電圧を印加することにより、第1,第2のp+領域が正方向にバイアスされる。したがって、読出時にドレインとして機能するp+領域を接地電位とすることで相対的に負電位となる。これにより、p+領域(ドレイン)を制御する周辺回路として負電圧を扱う回路を設ける必要がなくなり、回路構成の簡略化・高速化を実現することができる。   By applying a positive read back gate voltage to the n-type well, the first and second p + regions are biased in the positive direction. Therefore, a relatively negative potential is obtained by setting the p + region functioning as a drain during reading to the ground potential. As a result, there is no need to provide a circuit that handles negative voltage as a peripheral circuit for controlling the p + region (drain), and the circuit configuration can be simplified and speeded up.

(5)この発明の不揮発性半導体記憶装置の書込方法は、半導体基板に形成されたn型ウエルと、前記n型ウエル表面に所定間隔を開けて形成されたp+領域であるソースおよびドレインと、前記ソース、ドレイン間に形成されたチャネル領域と、前記チャネル領域の上方にトンネル酸化膜を介して形成されたフローティングゲート、ナノクリスタル層、不導体電荷トラップ層等の電荷蓄積層と、前記電荷蓄積層の上方に絶縁膜を介して形成されたゲート電極と、を有する不揮発性半導体記憶装置にビットデータを書き込む方法であって、
n型ウエルに読出バックゲート電圧および電源電圧よりも高電圧の書込バックゲート電圧を印加し、ゲート電極に正の高電圧を印加し、ドレインを接地電位にすることにより、ドレイン付近にバンド間トンネリングによるホットエレクトロンを発生させ、このホットエレクトロンを前記電荷蓄積層注入してビットデータの書き込みを行なことを特徴とする。
(6)この発明は、(1)に記載の不揮発性半導体記憶装置にビットデータを書き込む方法であって、n型ウエルに読出バックゲート電圧および電源電圧よりも高電圧の書込バックゲート電圧を印加し、ゲート電極に正の高電圧を印加し、ドレインを接地電位にすることにより、ドレイン付近にバンド間トンネリングによるホットエレクトロンを発生させ、このホットエレクトロンを前記電荷蓄積層に注入してビットデータの書き込みを行なうことを特徴とする。
(7)この発明は、(2)に記載の不揮発性半導体記憶装置にビットデータを書き込む方法であって、n型ウエルに読出バックゲート電圧および電源電圧よりも高電圧の書込バックゲート電圧を印加し、ゲート電極に正の高電圧を印加し、第1のp+領域を接地電位にすることにより、第1のp+領域付近にバンド間トンネリングによるホットエレクトロンを発生させ、このホットエレクトロンを前記電荷蓄積層に注入してビットデータの書き込みを行なうことを特徴とする。
(5) A method of writing a nonvolatile semiconductor memory device according to the present invention includes an n-type well formed in a semiconductor substrate, and a source and drain that are p + regions formed at predetermined intervals on the surface of the n-type well. A channel region formed between the source and drain, a floating gate formed above the channel region via a tunnel oxide film , a nanocrystal layer, a non-conductor charge trap layer and the like, and the charge A method for writing bit data to a nonvolatile semiconductor memory device having a gate electrode formed above an accumulation layer via an insulating film,
By applying a read back gate voltage higher than the read back gate voltage and the power supply voltage to the n-type well, applying a positive high voltage to the gate electrode, and setting the drain to the ground potential, the band is close to the drain. hot electrons are generated by tunneling, characterized in that it row to write bit data by injecting the hot electrons into the charge storage layer.
(6) The present invention is a method for writing bit data to the nonvolatile semiconductor memory device according to (1), wherein a write back gate voltage higher than the read back gate voltage and the power supply voltage is applied to the n-type well. By applying a positive high voltage to the gate electrode and setting the drain to the ground potential, hot electrons are generated near the drain due to interband tunneling, and the hot electrons are injected into the charge storage layer to form bit data. Is written.
(7) The present invention is a method for writing bit data into the nonvolatile semiconductor memory device according to (2), wherein a write back gate voltage higher than the read back gate voltage and the power supply voltage is applied to the n-type well. By applying a positive high voltage to the gate electrode and setting the first p + region to the ground potential, hot electrons due to band-to-band tunneling are generated in the vicinity of the first p + region. The bit data is written by being injected into the accumulation layer.

n型ウェルに比較的高電圧の書込バックゲート電圧を印加することにより、第1,第2のp+領域が比較的大きく正方向にバイアスされる。したがって、ゲート電極に正の高電圧を印加し、ドレインとして機能するp+領域を接地電位とすることでこのp+領域にバンド間トンネリングによるホットエレクトロンが発生する。これにより、p+領域(ドレイン)を制御する周辺回路として負電圧を扱う回路を設ける必要がなくなり、回路構成の簡略化・高速化を実現することができる。   By applying a relatively high write back gate voltage to the n-type well, the first and second p + regions are relatively large and biased in the positive direction. Therefore, by applying a positive high voltage to the gate electrode and setting the p + region functioning as the drain to the ground potential, hot electrons are generated in the p + region due to band-to-band tunneling. As a result, there is no need to provide a circuit that handles negative voltage as a peripheral circuit for controlling the p + region (drain), and the circuit configuration can be simplified and speeded up.

以上説明した本願発明の基本的な動作は以下のとおりである。電荷蓄積層に電荷(負電荷)を蓄積すると、ゲート電極から見たしきい値電圧が変化する。このしきい値の変化がビットデータとして記憶される。pチャネルであるため、しきい値電圧は負電圧に設定され、ゲート電極にしきい値よりも絶対値が大きい負電圧が印加されると第1、第2のp+領域間にチャネルが形成されて導通する。なお、第1、第2のp+領域は、いずれか一方がソースとして機能し、他方がドレインとして機能するが、その機能が固定されておらず、印加される電圧条件によってその機能が交代する。電荷蓄積層に負電荷が蓄積されると、その負電荷によって生じる負の電位により、ゲート電極に低い負電圧を印加しても第1、第2のp型領域間が導通し、見かけ上しきい値電圧(絶対値)が低下する。   The basic operation of the present invention described above is as follows. When charges (negative charges) are accumulated in the charge accumulation layer, the threshold voltage viewed from the gate electrode changes. This change in threshold value is stored as bit data. Since it is a p-channel, the threshold voltage is set to a negative voltage, and when a negative voltage having an absolute value larger than the threshold is applied to the gate electrode, a channel is formed between the first and second p + regions. Conduct. Note that one of the first and second p + regions functions as a source and the other functions as a drain, but the function is not fixed, and the function is changed depending on the applied voltage condition. When negative charge is accumulated in the charge accumulation layer, the negative potential generated by the negative charge causes conduction between the first and second p-type regions even when a low negative voltage is applied to the gate electrode, and apparently appears. The threshold voltage (absolute value) decreases.

書き込みは、消去と異なり、1ビットずつ行われるため、セルの特性にバラツキがあっても電荷の蓄積の程度をベリファイしながらしきい値が一定の電位になるまで電荷を注入することができる。このため、各ビットセルのしきい値のバラツキを少なくすることができ、電荷を蓄積しすぎてメモリセルのしきい値が正になってデプレッション化することがない。そして、逆にチップ全体またはブロック単位で行われる消去で見かけのしきい値が負方向に上昇するため、nチャネルフラッシュメモリのように、過消去によってメモリセルがデプレッション化してしまうことがない。   Since writing is performed bit by bit unlike erasing, charges can be injected until the threshold value reaches a constant potential while verifying the degree of charge accumulation even if the characteristics of the cells vary. For this reason, the variation in the threshold value of each bit cell can be reduced, and the threshold value of the memory cell becomes positive due to excessive charge accumulation, and depletion is not caused. On the contrary, the apparent threshold value increases in the negative direction by erasing performed on the entire chip or on a block basis, so that the memory cell is not depleted by over-erasing unlike the n-channel flash memory.

本発明では、電荷蓄積層として蓄積した電荷が移動しないナノクリスタル層または不導体の電荷トラップ層を用いる。電荷トラップ層としては、比較的誘電率の高いシリコン窒化膜を用が一般的に用いられる。電荷の注入は、ソースやドレイン近傍から行われる。たとえばBBHE注入(バンド間トンネリングで発生した電子(Band to Band Hot Electron)による電荷注入)によって電荷蓄積層の両端部の第1、第2のプログラム領域に電荷が蓄積される。   In the present invention, a nanocrystal layer or a non-conductive charge trap layer in which the accumulated charge does not move is used as the charge accumulation layer. As the charge trap layer, a silicon nitride film having a relatively high dielectric constant is generally used. Charge injection is performed from the vicinity of the source and drain. For example, charges are accumulated in the first and second program regions at both ends of the charge accumulation layer by BBHE injection (charge injection by electrons generated by band-to-band tunneling (Band to Band Hot Electron)).

また、BBHE注入は、ゲート/ドレイン間に電流を流さずp型領域(ゲートまたはドレイン)に高い負電圧を印加することによって電子を生じさせ、これを高電界によってホットエレクトロン化させ、これをゲート電極の正電圧によって電荷蓄積層へ注入するものである。このように、ソース/ドレイン間にチャネル電流が流れないため、チャネルホットエレクトロン注入にくらべて3桁程度効率がよく、同じ能力の内部電源の高電圧発生回路を用いて3桁多いセルを同時にプログラムすることができ、等価的に3桁高速の書き込みを実現することができる。   In addition, the BBHE injection generates electrons by applying a high negative voltage to the p-type region (gate or drain) without passing a current between the gate and the drain, which is converted into hot electrons by a high electric field, and this is converted into a gate. It is injected into the charge storage layer by the positive voltage of the electrode. In this way, since channel current does not flow between the source and drain, it is about three orders of magnitude more efficient than channel hot electron injection, and three digits more cells can be programmed simultaneously using a high voltage generation circuit with the same internal power supply. Thus, it is possible to realize writing at a high speed equivalent to three digits.

(8)この発明の不揮発性半導体記憶装置の読出方法は、半導体基板に形成されたn型ウエルと、前記n型ウエル表面に所定間隔を開けて形成されたp+領域であるソースおよびドレインと、前記ソース、ドレイン間に形成されたチャネル領域と、前記チャネル領域の上方にトンネル酸化膜を介して形成されたフローティングゲート、ナノクリスタル層、不導体電荷トラップ層等の電荷蓄積層と、前記電荷蓄積層の上方に絶縁膜を介して形成されたゲート電極と、を有する不揮発性半導体記憶装置に書き込まれたビットデータを読み出す方法であって、
n型ウエルに正の読出バックゲート電圧を印加し、ゲート電極に負の読み出し電圧を印加し、ソースに前記読出バックゲート電圧と同じ電圧を印加し、ドレインを接地電位としたときにソース・ドレイン間が導通するか否かによりビットデータを読み出すことを特徴とする。
(8) A method of reading a nonvolatile semiconductor memory device according to the present invention includes an n-type well formed in a semiconductor substrate, a source and a drain that are p + regions formed on the surface of the n-type well at a predetermined interval, A channel region formed between the source and drain; a charge storage layer such as a floating gate, a nanocrystal layer, and a non-conductor charge trap layer formed above the channel region via a tunnel oxide film; and the charge storage A method of reading bit data written in a nonvolatile semiconductor memory device having a gate electrode formed above a layer with an insulating film interposed therebetween,
A positive read back gate voltage is applied to the n-type well, a negative read voltage is applied to the gate electrode, the same voltage as the read back gate voltage is applied to the source, and the drain is set to the ground potential. The bit data is read out depending on whether or not there is electrical continuity.

(9)この発明の不揮発性半導体記憶装置の読出方法は、(1)に記載の不揮発性半導体記憶装置に書き込まれたビットデータを読み出す方法であって、n型ウエルに正の読出バックゲート電圧を印加し、ゲート電極に負の読み出し電圧を印加し、ソースに前記読出バックゲート電圧と同じ電圧を印加し、ドレインを接地電位としたときにソース・ドレイン間が導通するか否かによりビットデータを読み出すことを特徴とする。(9) A reading method for a nonvolatile semiconductor memory device according to the present invention is a method for reading bit data written in the nonvolatile semiconductor memory device according to (1), wherein a positive read back gate voltage is applied to an n-type well. Bit data depending on whether or not the source and drain are conductive when a negative read voltage is applied to the gate electrode, the same voltage as the read back gate voltage is applied to the source, and the drain is at the ground potential. Is read out.

(10)この発明の不揮発性半導体記憶装置の読出方法は、(2)に記載の不揮発性半導体記憶装置に書き込まれたビットデータを読み出す方法であって、n型ウエルに正の読出バックゲート電圧を印加し、ゲート電極に負の読み出し電圧を印加し、第2のp+領域に前記読出バックゲート電圧と同じ電圧を印加し、第1のp+領域を接地電位としたときにこれら第1、第2のp+領域間が導通するか否かによりビットデータを読み出すことを特徴とする。(10) A reading method for a nonvolatile semiconductor memory device according to the present invention is a method for reading bit data written in the nonvolatile semiconductor memory device according to (2), wherein a positive read back gate voltage is applied to an n-type well. , A negative read voltage is applied to the gate electrode, the same voltage as the read back gate voltage is applied to the second p + region, and the first p + region is set to the ground potential. The bit data is read depending on whether or not the two p + regions are conductive.

(11)この発明の不揮発性半導体記憶装置の消去方法は、半導体基板に形成されたn型ウエルと、前記n型ウエル表面に所定間隔を開けて形成されたp+領域であるソースおよびドレインと、前記ソース、ドレイン間に形成されたチャネル領域と、前記チャネル領域の上方にトンネル酸化膜を介して形成されたフローティングゲート、ナノクリスタル層、不導体電荷トラップ層等の電荷蓄積層と、前記電荷蓄積層の上方に絶縁膜を介して形成されたゲート電極と、を有する不揮発性半導体記憶装置に書き込まれたビットデータを消去する方法であって、
n型ウエルに負のバックゲート電圧を印加し、ゲート電極およびソースに負の高電圧を印加ることにより、基板から電荷蓄積層にホットホールを注入し、これによって前記電荷蓄積層の電荷を中和することにより、前記不揮発性半導体記憶装置に書き込まれたデータを消去することを特徴とする。
(11) An erasing method of a nonvolatile semiconductor memory device according to the present invention includes an n-type well formed in a semiconductor substrate, a source and a drain which are p + regions formed at a predetermined interval on the surface of the n-type well, A channel region formed between the source and drain; a charge storage layer such as a floating gate, a nanocrystal layer, and a non-conductor charge trap layer formed above the channel region via a tunnel oxide film; and the charge storage A method of erasing bit data written in a nonvolatile semiconductor memory device having a gate electrode formed above a layer through an insulating film,
a negative back gate voltage is applied to the n-type well, the Rukoto to a negative high voltage is applied to the gate electrode and the source, the hot holes are injected from the substrate into the charge storage layer, whereby the charge of the charge storage layer By neutralizing, the data written in the nonvolatile semiconductor memory device is erased.

以上のようにこの発明によれば、pチャネル構造としたことにより、BTHE注入による書き込みができ、書き込み効率を向上させることができるとともに、しきい値が低下するのはビット単位で制御できる書き込み時であるため、オーバーイレーズが発生しない。さらに、チャネル領域の中央部の局所的しきい値が低く制御されているため、プログラム時と消去時のしきい値の差が大きく、長期間安定してデータを保持することができる。   As described above, according to the present invention, by adopting the p-channel structure, writing by BTHE injection can be performed, the writing efficiency can be improved, and the threshold value is lowered at the time of writing which can be controlled in bit units. Therefore, no overerasing occurs. Further, since the local threshold value in the central portion of the channel region is controlled to be low, the difference between the threshold value at the time of programming and the erasing is large, and data can be retained stably for a long period of time.

また、この発明によれば、n型ウェル(セルウェル)に適切なバックゲート電圧を印加することにより、p+領域(ドレイン,ビット線)をGND−正のVCCで動作させればよくなり、Y系の周辺回路を高速のVCC回路とすることができるため、高速の書込動作をさせることが可能になる。   Further, according to the present invention, by applying an appropriate back gate voltage to the n-type well (cell well), the p + region (drain, bit line) may be operated at GND-positive VCC, and the Y system Since the peripheral circuit can be a high-speed VCC circuit, a high-speed write operation can be performed.

≪第1の実施形態≫
図面を参照して本発明の実施形態について説明する。
図1は本発明の第1の実施形態であるpチャンネルMONOSメモリセルの構造図を示す図である。このメモリセルは、p型半導体基板11上に形成されたn型ウェル(セルウェル)12、このn型ウェル12の表面付近に所定の間隔を開けて形成されたp+領域(ソース)13およびp+領域(ドレイン)14、これら2つのp型領域13、14の間に形成されたチャネル領域20、および、このチャネル領域20の上方にチャネル領域20を覆うように形成されたONO膜およびゲート電極18を有している。
<< First Embodiment >>
Embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
FIG. 1 is a diagram showing the structure of a p-channel MONOS memory cell according to the first embodiment of the present invention. This memory cell includes an n-type well (cell well) 12 formed on a p-type semiconductor substrate 11, a p + region (source) 13 and a p + region formed at a predetermined interval near the surface of the n-type well 12. (Drain) 14, channel region 20 formed between these two p-type regions 13, 14, ONO film and gate electrode 18 formed so as to cover channel region 20 above channel region 20 Have.

ONO膜は、酸化シリコンからなるトンネル酸化膜15、窒化シリコンからなり注入された電荷(電子)を蓄積する電荷トラップ層16、および、酸化シリコンからなる絶縁膜17からなっている。これら3層の膜厚は、トンネル酸化膜15が約2.5〜5nm程度、電荷トラップ層16が約10nm程度、絶縁膜17が約5nm程度である(図3参照)。また、ゲート電極18は、ポリシリコンで構成されている。   The ONO film includes a tunnel oxide film 15 made of silicon oxide, a charge trap layer 16 made of silicon nitride for accumulating injected charges (electrons), and an insulating film 17 made of silicon oxide. The thickness of these three layers is about 2.5 to 5 nm for the tunnel oxide film 15, about 10 nm for the charge trap layer 16, and about 5 nm for the insulating film 17 (see FIG. 3). The gate electrode 18 is made of polysilicon.

このメモリセルは、1ビット/セルまたは2ビット/セルのメモリセルとして用いることができる。2ビット/セルのメモリセルとして使用する場合には、仮想接地アレイ(VGA:バーチャル・グラウンド・アレイ)型構成として、電荷トラップ層16の右側領域、左側領域にそれぞれ1ビットずつを記憶する。読み出し時、左側領域のビットデータ、右側領域のビットデータのどちらを読み出すかにより、p+領域13、14のどちらをソース、ドレインとして用いるかが決定される。
なお、1ビット/セルのメモリセルとして用いる場合には、NOR接続とし、p+領域13がソース、p+領域14がドレインに固定される。
This memory cell can be used as a 1-bit / cell or 2-bit / cell memory cell. When used as a 2-bit / cell memory cell, each bit is stored in the right and left regions of the charge trap layer 16 as a virtual ground array (VGA) type configuration. At the time of reading, it is determined which one of the p + regions 13 and 14 is used as the source or drain depending on whether the bit data in the left region or the bit data in the right region is read.
When used as a 1-bit / cell memory cell, the NOR connection is used, and the p + region 13 is fixed to the source and the p + region 14 is fixed to the drain.

ここで、図2を参照してチャネル領域20の不純物濃度の制御について説明する。セルウェル12の形成プロセスにおいて、基板最表面の領域をチャネル領域20とするために深い領域よりも不純物濃度を高く制御するが、このメモリセルの場合には、通常のpチャネルMOSトランジスタの場合よりもその濃度が若干低くなるように、すなわち、しきい値が低くなるように制御する。そして、ONO膜およびゲート電極18を形成し、セルフアラインでp+領域13,14(ソース,ドレイン)を形成したのち、斜め方向から不純物(Pリンなど)を打ち込むことにより、チャネル領域20のうちp+領域13,14付近の領域(20L,20R)の不純物濃度が、チャネル領域の中央部(20C)の不純物濃度よりも高くなるように制御する。これにより、チャネル領域中央部の局所的なしきい値が、p+領域13,14付近の局所的なしきい値よりも低く制御される(図2(A)参照)。   Here, the control of the impurity concentration of the channel region 20 will be described with reference to FIG. In the process of forming the cell well 12, the impurity concentration is controlled to be higher than that of the deep region so that the region on the uppermost surface of the substrate is the channel region 20. Control is performed so that the concentration is slightly lowered, that is, the threshold value is lowered. Then, an ONO film and a gate electrode 18 are formed, and p + regions 13 and 14 (source and drain) are formed by self-alignment. Then, impurities (P phosphorus and the like) are implanted from an oblique direction, whereby p + in the channel region 20 is formed. Control is performed so that the impurity concentration in the regions (20L, 20R) in the vicinity of the regions 13 and 14 is higher than the impurity concentration in the central portion (20C) of the channel region. Thereby, the local threshold value in the center of the channel region is controlled to be lower than the local threshold value in the vicinity of the p + regions 13 and 14 (see FIG. 2A).

このように不純物濃度制御されたメモリセルに、BBHE注入でp+領域13,14近傍に電子を注入した場合、この電子注入によってp+領域13,14付近の局所的しきい値のみ低下し、チャネル領域20中央部のしきい値は影響を受けない。しかし、チャネル領域20中央部のしきい値は図2(A)示すように元々低く制御されているため、このp+領域13,14付近の局所的しきい値の低下によって、チャネル領域20全体としてのしきい値が十分に低下してプログラム時と非プログラム時のしきい値の差を大きくすることができる(図2(B)参照)。これにより、長期間のデータ保持が可能となる。
なお、図2(B)は、左右両方のプログラム領域に電子が注入されている状態を示しているが、一方のプログラム領域のみであっても同様である。
When electrons are injected into the vicinity of the p + regions 13 and 14 by BBHE injection into the memory cell in which the impurity concentration is controlled in this way, only the local threshold value near the p + regions 13 and 14 is lowered by this electron injection, and the channel region The threshold value at the center of 20 is not affected. However, since the threshold value at the center of the channel region 20 is originally controlled to be low as shown in FIG. 2A, the channel region 20 as a whole is caused by the decrease in the local threshold value near the p + regions 13 and 14. Can be sufficiently lowered to increase the difference between the programmed and non-programmed thresholds (see FIG. 2B). As a result, long-term data retention is possible.
FIG. 2B shows a state where electrons are injected into both the left and right program areas, but the same applies to only one program area.

データを消去した場合、チャネル領域20のなかでオン/オフに対して最も影響力のあるp+領域13,14近傍の局所的しきい値が再度上昇するため、イニシャル状態とほぼ同様の状態にもどる。   When data is erased, the local threshold value in the vicinity of the p + regions 13 and 14 having the most influence on on / off in the channel region 20 rises again, so that the state returns to a state almost the same as the initial state. .

図4,図5を参照して、図1のメモリセルを複数XY配列して仮想接地方式で接続したメモリアレイの一例について説明する。この仮想接地アレイを用いることにより、上記2ビット/セルの書き込み,読み出しが可能である。
図4(A)はメモリセルアレイの断面斜視図、同図(B)はそのうちの1つのメモリセルの構成を示す図、図5はその等価回路である。図4(A)において、破線は各メモリセルの境界を示す仮想的な線である。また、図5の等価回路には、書き込み時の各ワード線(ゲート)、カラム線(ソース,ドレイン)への印加電圧を示している。
With reference to FIGS. 4 and 5, an example of a memory array in which a plurality of memory cells of FIG. By using this virtual ground array, writing / reading of the 2 bits / cell is possible.
4A is a cross-sectional perspective view of the memory cell array, FIG. 4B is a diagram showing a configuration of one of the memory cells, and FIG. 5 is an equivalent circuit thereof. In FIG. 4A, a broken line is a virtual line indicating the boundary of each memory cell. Further, the equivalent circuit of FIG. 5 shows voltages applied to each word line (gate) and column line (source, drain) at the time of writing.

n型ウェル12の表面に所定間隔を開けてY方向の複数のp+線状領域30がストライプ状に形成されている。このp+線状領域30はメモリセルの境界をまたいで形成されており、1本のp+線状領域30がX方向に隣接する2つのメモリセルのp型領域13、14(ソース、ドレイン)を兼ねるとともにカラム線を兼ねている。このカラム線は、Yゲートとの接続に応じてビット線としても、ソース線としても機能する。   A plurality of p + linear regions 30 in the Y direction are formed in stripes at predetermined intervals on the surface of the n-type well 12. The p + linear region 30 is formed across the boundary of the memory cell, and one p + linear region 30 is formed of p-type regions 13 and 14 (source and drain) of two memory cells adjacent in the X direction. Doubles as a column line. This column line functions as both a bit line and a source line depending on the connection with the Y gate.

ワード線31は、上記p+線状領域30と直交するようにX方向にストライプ状に形成されていて、各メモリセルのチャネル領域20の上方でゲート電極18を兼ねている。また、このワード線31と半導体基板(p+領域13、14、チャネル領域20)との間にONO膜32が形成されている。このONO膜32もワード線31と同様に、X方向に連続的に形成されている。このONO膜32のうち、チャネル領域20上方の区間はトンネル酸化膜15、電荷トラップ層16および絶縁膜17として機能し、p型領域13、14上方の区間は層間絶縁膜として機能する。   The word line 31 is formed in a stripe shape in the X direction so as to be orthogonal to the p + linear region 30 and also serves as the gate electrode 18 above the channel region 20 of each memory cell. An ONO film 32 is formed between the word line 31 and the semiconductor substrate (p + regions 13 and 14 and channel region 20). The ONO film 32 is also formed continuously in the X direction, like the word line 31. In the ONO film 32, the section above the channel region 20 functions as the tunnel oxide film 15, the charge trap layer 16, and the insulating film 17, and the section above the p-type regions 13 and 14 functions as an interlayer insulating film.

なお、この実施形態では、ONO膜32をワード線31と同様にX方向にストライプ状に形成しているが、ONO膜32は導電膜でないため、メモリセルアレイ全体に形成してもよい。このようにすることにより、ONO膜32をストライプ状にエッチングする処理プロセスを省略することができる。   In this embodiment, the ONO film 32 is formed in a stripe shape in the X direction like the word line 31. However, since the ONO film 32 is not a conductive film, it may be formed in the entire memory cell array. By doing so, the processing process for etching the ONO film 32 in a stripe shape can be omitted.

このようにこのメモリセルアレイでは、1本のp+線状領域(カラム線)30が、X方向に隣接する2つのメモリセルのp型領域13,14を兼ねるため、メモリの構成が簡略化され、高集積化が可能である。   Thus, in this memory cell array, one p + linear region (column line) 30 also serves as the p-type regions 13 and 14 of two memory cells adjacent in the X direction, so that the memory configuration is simplified. High integration is possible.

≪第2の実施形態≫
次に、図6以下を参照して本発明の第2の実施形態について説明する。この実施形態は、プログラム時,ベリファイ時,読出時,消去時のメモリの電位配置に関するものであり、NOR接続アレイ,バーチャルグラウンドアレイに適用することができる。
<< Second Embodiment >>
Next, a second embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. This embodiment relates to the memory potential arrangement during programming, verifying, reading, and erasing, and can be applied to a NOR connection array and a virtual ground array.

まず、図6を参照してNOR接続アレイ構造の不揮発性半導体記憶装置のアーキテクチャについて説明する。このNOR接続アレイは、図1のメモリセルを用いて構成すればよいが、これ以外にも、チャネルをグレーデッド構造としていないMONOS構造の不揮発性半導体メモリ、フローティングゲート型の不揮発性半導体メモリ、ナノクリスタル層に電荷を保持する不揮発性半導体メモリ等に適用することができる。   First, the architecture of a nonvolatile semiconductor memory device having a NOR connection array structure will be described with reference to FIG. The NOR connection array may be configured using the memory cell of FIG. 1, but in addition to this, the MONOS structure nonvolatile semiconductor memory, the floating gate type nonvolatile semiconductor memory, and the nano structure in which the channel is not a graded structure may be used. The present invention can be applied to a nonvolatile semiconductor memory that retains charges in a crystal layer.

この不揮発性半導体記憶装置では、2つのセルウェル12がペアになっている。各セルウェル12には、X方向1kB=8k(8192)個×Y方向64個=512k(524288)個のメモリセルが形成されている。メインビットライン21は8k本であり、セレクトゲート24を介して2つのセルウェル12のうちの一方のサブビットライン25に接続される。8k本のメインビットライン21には、それぞれラッチが接続されている。このラッチは書き込み動作のベリファイ等に用いる。セレクトゲート24は、セルウェル12とは別のセレクトゲートウェル(n型ウェル)20内に形成されており、pチャネルMOSトランジスタで構成されている。セレクトゲートウェル20の電位はVCCに固定されている。セレクトゲート24のゲート電極は、非選択時にVCCが印加され、選択時に−2.2Vが印加される。−2.2Vが印加されると、ゲートが導通し、メインビットライン21を各メモリセルのドレインにつながるサブビットライン25に接続する。ワード線は、各メモリセルのゲート電極をX方向に接続しており、各セルウェル12毎に64本設けられている。ソースラインは、各セルウェル12内の512k個のメモリセルに共通である。   In this nonvolatile semiconductor memory device, two cell wells 12 are paired. In each cell well 12, 1kB = 8k (8192) in the X direction × 64 in the Y direction = 512k (524288) memory cells are formed. The number of main bit lines 21 is 8k, and is connected to one sub bit line 25 of the two cell wells 12 through a select gate 24. A latch is connected to each of the 8k main bit lines 21. This latch is used for verifying the write operation. The select gate 24 is formed in a select gate well (n-type well) 20 different from the cell well 12, and is composed of a p-channel MOS transistor. The potential of the select gate well 20 is fixed at VCC. VCC is applied to the gate electrode of the select gate 24 when not selected, and −2.2 V is applied when selected. When −2.2 V is applied, the gate becomes conductive and connects the main bit line 21 to the sub bit line 25 connected to the drain of each memory cell. The word lines connect the gate electrodes of the memory cells in the X direction, and 64 word lines are provided for each cell well 12. The source line is common to 512 k memory cells in each cell well 12.

図6のNOR接続の不揮発性半導体記憶装置において、書き込み(プログラム・ベリファイ)、読み出し、消去を行う動作を図7〜図18を参照して説明する。図7〜図18は、書き込み(プログラム・ベリファイ)、読み出し、消去動作時の電位配置および動作原理を示す図である。   In the NOR-connected nonvolatile semiconductor memory device of FIG. 6, operations for writing (program verify), reading, and erasing will be described with reference to FIGS. FIGS. 7 to 18 are diagrams showing potential arrangements and operating principles during write (program verify), read, and erase operations.

この不揮発性半導体記憶装置では、セルウェルに適切なバックゲート電圧を印加することにより、書き込みおよび読み出し時に最も高速な動作が要求されるビットラインをGND−VCCで動作させることができるようにしている。これにより、ビットラインの制御回路を高速で標準的な正のVCC回路で構成することができ、高速化かつ構成の簡略化を可能にしている。   In this nonvolatile semiconductor memory device, by applying an appropriate back gate voltage to the cell well, the bit line that requires the highest speed operation at the time of writing and reading can be operated by GND-VCC. As a result, the bit line control circuit can be configured with a high-speed standard positive VCC circuit, which enables high-speed and simplified configuration.

まず書き込み動作のうちのプログラム動作について説明する。先に説明したようにMONOSメモリセルでは、電荷トラップ層16として電気電導性が低い窒化膜を用いているため、トラップされた電子が膜内で移動せず、トラップされた位置に留まる。
メモリセルへの書き込み(プログラム)は、電荷トラップ層16へ電子を注入することによって行う。電子の注入は、ゲート電極18とドレイン(一方のp+領域)14の間に正負の高電圧を印加することによるBBHE注入で行い、電子は電荷トラップ層16に注入される。
First, the program operation of the write operation will be described. As described above, in the MONOS memory cell, since the nitride film having low electrical conductivity is used as the charge trap layer 16, the trapped electrons do not move in the film and remain in the trapped position.
Writing (programming) into the memory cell is performed by injecting electrons into the charge trap layer 16. The electrons are injected by BBHE injection by applying a positive and negative high voltage between the gate electrode 18 and the drain (one p + region) 14, and the electrons are injected into the charge trap layer 16.

電荷トラップ層16への電荷の注入は、正電位のゲート電極18と負電位のドレイン13の高い電位差によって生じる空乏層の高電界を利用したバンド間トンネリングによるホットエレクトロン(BBHE:Band-to-Band tunneling induced Hot Electron)注入で行う。ただし、ドレイン(=ビット線)を正電位の範囲で制御できるようにするため、セルウェル12に正のバックゲート電圧を印加する。これにより、ドレインの接地電位は相対的に負電位となる。   Charge injection into the charge trap layer 16 is performed by hot electrons (BBHE: Band-to-Band) by band-to-band tunneling using a high electric field in the depletion layer generated by a high potential difference between the positive potential gate electrode 18 and the negative potential drain 13. tunneling induced hot electron) However, a positive back gate voltage is applied to the cell well 12 so that the drain (= bit line) can be controlled within a positive potential range. As a result, the ground potential of the drain becomes a relatively negative potential.

具体的には、図7,図8,図9に示すように、セルウェル12にバックゲート電圧Vbgwとして+4Vを印加し、ドレイン13(ビット線)を接地電位とする(Vdw=0)。そして、ゲート18(ワード線)にゲート電圧Vgwとして10Vを印加する。このときソース14(ソース線)には、VCC(=1.8V)を印加しておく。   Specifically, as shown in FIGS. 7, 8, and 9, + 4V is applied as the back gate voltage Vbgw to the cell well 12, and the drain 13 (bit line) is set to the ground potential (Vdw = 0). Then, 10 V is applied as the gate voltage Vgw to the gate 18 (word line). At this time, VCC (= 1.8 V) is applied to the source 14 (source line).

この電位配置にすることにより、図10に示すようにドレイン13とセルウェル12との接合面に空乏層の領域21が発生するとともに、ドレイン13内でバンド間トンネリング(BTBT)によるエレクトロン(電子)/ホールペアが生成される。この電子が、空乏層領域21の強電界によって加速され高エネルギを持ったホットエレクトロンとなる。その一部がゲート電極18に印加された正電圧に吸引されて、トンネル酸化膜15を乗り越えて電荷トラップ層16に注入される。   With this potential arrangement, a depletion layer region 21 is generated at the junction surface between the drain 13 and the cell well 12 as shown in FIG. 10, and electrons (electrons) / electrons / electron / electron / electron / electron / A hole pair is generated. These electrons are accelerated by a strong electric field in the depletion layer region 21 and become hot electrons having high energy. A part of the voltage is attracted to the positive voltage applied to the gate electrode 18, gets over the tunnel oxide film 15, and is injected into the charge trap layer 16.

この電荷の注入は、ソース13・ドレイン14間がオフしている状態で行われるため、10-2程度の注入効率を確保することができ、従来のチャネルホットエレクトロン注入方式に比べて×103 程度の高効率を得ることができる。 This charge injection is performed in a state where the source 13 and the drain 14 are turned off, so that an injection efficiency of about 10 −2 can be secured, which is × 10 3 compared to the conventional channel hot electron injection method. A degree of high efficiency can be obtained.

このように、プログラム時にセルウェル12に適当な正のバックゲート電圧を印加することにより、ドレイン(ビット線)を0V〜VCC(正電位)の範囲で制御すればよくなり、書き込み時に高速な動作を要求されるY系(ビット線)の周辺回路を高性能のVCCトランジスタを用いた正電圧回路で形成することができ高速書き込みおよび回路構成の簡略化を実現することができる。   In this way, by applying an appropriate positive back gate voltage to the cell well 12 at the time of programming, the drain (bit line) can be controlled in the range of 0 V to VCC (positive potential), and high speed operation can be performed at the time of writing. The required Y-system (bit line) peripheral circuit can be formed by a positive voltage circuit using a high-performance VCC transistor, and high-speed writing and a simplified circuit configuration can be realized.

ここで、ビットの書き込み(電子の注入)は、しきい値Vthが所定の電圧になるまでベリファイしながら少しずつ繰り返し行うため、書き込みが行われたビットのしきい値はほぼ同一であり、電子を注入しすぎて、セルがデプレッション化してしまうことはない。   Here, the bit writing (injection of electrons) is repeatedly carried out little by little while verifying until the threshold value Vth reaches a predetermined voltage. Therefore, the threshold value of the bit to which writing has been performed is substantially the same. Injecting too much does not deplete the cell.

次に、図7、図11、図12を参照して、書き込み動作のうちのベリファイ時の動作について説明する。ベリファイは、ビットの書き込み時に、しきい値Vthが所定電位になっているかを確認するため、プログラムと交互に繰り返し実行される動作である。   Next, with reference to FIG. 7, FIG. 11, and FIG. 12, an operation at the time of verifying among write operations will be described. The verify is an operation that is repeatedly executed alternately with a program in order to check whether the threshold value Vth is a predetermined potential at the time of writing a bit.

高速書き込みを実現するためには、上記プログラムとベリファイの動作切り換えを高速に行う必要がある。上記プログラム時の動作では、セルウェル12にバックゲート電圧を印加しており、プログラム/ベリファイの切り換え時に寄生容量の大きいセルウェルの電圧をVCC〜4Vに高速に変化させることは困難である。そこで、この実施形態では、セルウェル12にバックゲート電圧(4V)を印加したままベリファイを行うようにしている。
ベリファイ動作では、セルウェル12の電圧が4Vのままであるため、ワード線22(ゲート電極18)は、通常の読み出し時の電圧(−2.2V;後述)よりも高い−5Vに設定される。この状態で、ソースライン23とビットライン21,25をVCCに充電したのち、ソースライン23をGNDに駆動する。プログラム完了の場合には、チャネルが導通するため、ビットライン21,25は放電されGNDになる。プログラムが完了していない場合にはビットライン21,25はVCCのままである。このビットラインの電位をラッチに取り込み、これに基づいて次のプログラムパルス印加時のビットライン電圧を決定する。すなわち、ラッチされた電位がVCCのビットラインのみ次のプログラムパルス時に再度電子の注入を行うようにする。
In order to realize high-speed writing, it is necessary to switch between the program and verify operations at high speed. In the operation at the time of programming, a back gate voltage is applied to the cell well 12, and it is difficult to change the voltage of the cell well having a large parasitic capacitance from VCC to 4V at a high speed when switching between program and verify. Therefore, in this embodiment, verification is performed while the back gate voltage (4 V) is applied to the cell well 12.
In the verify operation, since the voltage of the cell well 12 remains 4V, the word line 22 (gate electrode 18) is set to −5V, which is higher than a normal read voltage (−2.2V; described later). In this state, after the source line 23 and the bit lines 21 and 25 are charged to VCC, the source line 23 is driven to GND. When the program is completed, since the channel is conducted, the bit lines 21 and 25 are discharged and become GND. When the program is not completed, the bit lines 21 and 25 remain at VCC. The potential of this bit line is taken into the latch, and based on this, the bit line voltage at the time of the next program pulse application is determined. That is, only the bit line whose latched potential is VCC is to inject electrons again at the next program pulse.

このように、セルウェル12にバックゲート電圧(4V)が印加された状態でベリファイを行うようにしたことにより、プログラム/ベリファイの切り換えが高速に行われ、ビットの高速書き込みを実現することができる。   As described above, since the verify is performed in a state where the back gate voltage (4 V) is applied to the cell well 12, the program / verify can be switched at a high speed, and a high-speed bit write can be realized.

一方、読み出し(リード)動作は、書き込み動作に比べて高速の動作が要求され、ビット線のみならずワード線の高速切り換えも必要であるため、セルウェル12に印加されるバックゲート電圧を通常の電圧(VCC=1.8V)とし、ワード線に印加する読み出し電圧を−2.2Vとしている。   On the other hand, the read (read) operation requires a higher speed operation than the write operation, and it is necessary to switch not only the bit line but also the word line, so that the back gate voltage applied to the cell well 12 is a normal voltage. (VCC = 1.8V), and the read voltage applied to the word line is -2.2V.

次に、図7,図13,図14を参照して、読み出し動作について説明する。読み出し時には、セルウェル12にバックゲート電圧としてVCCを印加し、ソース線23(ソース13)にVCC(=1.8V)を印加する。読み出し対象のビットライン21,25(ドレイン14)をGNDにしたのち、読み出し対象のワード線22(ゲート18)をVCCから読み出し電圧Vgr=−2.2Vに変化させる。これにより、等価的にソース14が接地されドレインが−1.8Vの電位となり、ゲート電圧が−4Vとなる。この電位配置でセルがプログラム状態であればビットライン21,25はVCCに上昇し、非プログラム状態であればGNDのままである。   Next, the read operation will be described with reference to FIGS. At the time of reading, VCC is applied to the cell well 12 as a back gate voltage, and VCC (= 1.8 V) is applied to the source line 23 (source 13). After the bit lines 21 and 25 (drain 14) to be read are set to GND, the word line 22 (gate 18) to be read is changed from VCC to the read voltage Vgr = −2.2V. As a result, the source 14 is equivalently grounded, the drain is at a potential of −1.8V, and the gate voltage is −4V. In this potential arrangement, the bit lines 21 and 25 rise to VCC if the cell is in the programmed state, and remain GND if the cell is in the non-programmed state.

次に消去動作について説明する。消去の方法は、FN(Fowler−Nordheim)トンネルによる引き抜きと、基板ホットホール注入による消去方法とがある。   Next, the erase operation will be described. As an erasing method, there are an FN (Fowler-Nordheim) tunnel extraction and a substrate hot hole injection erasing method.

まず、図7,図15,図16を参照してFNトンネルによる引き抜きについて説明する。消去は、セルウェル12単位で行われる。セルウェル12およびソース線23はVCCのままワードライン22(ゲート18)に−13Vの高電圧を印加し、ビットライン21,25(ドレイン14)をGNDにする。これにより、ゲート18とドレイン14との間に大きな電位差が生じ、電荷トラップ層16にトラップされている電子がFNトンネル効果によってトンネル酸化膜15を通過してドレイン14に飛び移ることにより引き抜かれる。   First, extraction by the FN tunnel will be described with reference to FIGS. Erasing is performed in units of 12 cell wells. A high voltage of −13 V is applied to the word line 22 (gate 18) while the cell well 12 and the source line 23 remain at VCC, and the bit lines 21 and 25 (drain 14) are set to GND. As a result, a large potential difference is generated between the gate 18 and the drain 14, and electrons trapped in the charge trap layer 16 are extracted by jumping to the drain 14 through the tunnel oxide film 15 by the FN tunnel effect.

次に、図7,図17,図18を参照して、基板ホットホール注入による消去方法を説明する。セルウェル12は−1V、セレクトゲートを閉じてサブビットライン25(ドレイン14)をオープンにする。ワードライン22(ゲート18)に−13Vを印加し、ソース線23(ソース13)に−4Vを印加する。このように電圧を印加することにより、p型基板11、nウェル12およびソース13がpnpバイポーラトランジスタとして機能し、p型半導体基板11からソース13に向けてホールが放出される。一方、ゲート電極18には負の高電圧が印加されているため、ホールの一部はゲート電極方向に引き寄せられトンネル酸化膜15を通過して電荷トラップ層16に突入する。このホールの正電荷により電子の負電荷がキャンセルされ、その結果電荷トラップ層16の電荷はイレーズされる。   Next, an erasing method by substrate hot hole injection will be described with reference to FIGS. The cell well 12 is −1V, the select gate is closed, and the sub bit line 25 (drain 14) is opened. -13V is applied to the word line 22 (gate 18), and -4V is applied to the source line 23 (source 13). By applying the voltage in this way, the p-type substrate 11, the n-well 12 and the source 13 function as a pnp bipolar transistor, and holes are emitted from the p-type semiconductor substrate 11 toward the source 13. On the other hand, since a negative high voltage is applied to the gate electrode 18, some of the holes are attracted in the direction of the gate electrode and pass through the tunnel oxide film 15 and enter the charge trap layer 16. The positive charge of the holes cancels the negative charge of the electrons, and as a result, the charge of the charge trap layer 16 is erased.

以上の電位配置および動作により、Y系の回路をGND−VCCで動作する高速の回路で構成することができる。   With the above-described potential arrangement and operation, the Y-system circuit can be configured with a high-speed circuit operating at GND-VCC.

なお仮想接地アレイ(VGA)の場合には、図19に示すような電位配置でプログラム、ベリファイ、読み出し、消去を行えばよい。この図においてドレイン(Drain)、ソース(Source)は、p+領域13,14を固定的に示すものではなく、ビットデータを書き込む(電子を注入する)側またはビットデータを読み出す側がドレインとなり、その反対側がソースとなるように、p+領域13,14に割り当てられる機能を示したものである。   In the case of a virtual ground array (VGA), programming, verifying, reading, and erasing may be performed with a potential arrangement as shown in FIG. In this figure, the drain (Drain) and the source (Source) do not indicate the p + regions 13 and 14 in a fixed manner, but the side on which bit data is written (injecting electrons) or the side on which bit data is read is the drain, and vice versa The functions assigned to the p + regions 13 and 14 so that the side becomes the source are shown.

この仮想接地アレイは、図4,図5に示したものでもよく、チャネルをグレーデッド構造としていないMONOS構造の不揮発性半導体メモリ、フローティングゲート型の不揮発性半導体メモリ、ナノクリスタル層に電荷を保持する不揮発性半導体メモリ等で構成した仮想接地アレイにも適用することができる。   This virtual ground array may be the one shown in FIGS. 4 and 5, and holds charges in a MONOS structure nonvolatile semiconductor memory, a floating gate type nonvolatile semiconductor memory, and a nanocrystal layer whose channel is not a graded structure. The present invention can also be applied to a virtual ground array composed of a nonvolatile semiconductor memory or the like.

さらに、トラップした電荷が移動しない構造を有するメモリセル、たとえば、図4,図5に示したMONOS構造の不揮発性半導体メモリや、通常の(チャネルをグレーデッド構造としていない)MONOS構造の不揮発性半導体メモリや、ナノクリスタル層に電荷を保持する不揮発性半導体メモリなどを用いた場合には、ゲート長の両端を用いることにより2ビット/セルの記憶を行うことができる。この場合には、上記ゲート電極18と左側のp+領域14の間に正負の高電圧を印加して右側プログラム領域16Rに電子を注入することに加えて、セルを左右反転して、左側のp+領域13をドレインとして用い、ゲート電極18とp+領域13の間に正負の高電圧を印加して左側プログラム領域16Lにも電子を注入する。   Further, a memory cell having a structure in which the trapped charge does not move, for example, a MONOS structure nonvolatile semiconductor memory shown in FIGS. 4 and 5, or a normal (channel not having a graded structure) MONOS structure nonvolatile semiconductor memory In the case of using a memory or a non-volatile semiconductor memory that holds charges in the nanocrystal layer, it is possible to store 2 bits / cell by using both ends of the gate length. In this case, in addition to applying positive and negative high voltages between the gate electrode 18 and the left p + region 14 to inject electrons into the right program region 16R, the cell is reversed left and right so that the left p + Using region 13 as a drain, positive and negative high voltages are applied between gate electrode 18 and p + region 13 to inject electrons into left program region 16L.

こうすることにより、左側プログラム領域16Lまたは右側プログラム領域16Rに注入された電子は、反対側に移動しないため、左右のプログラム領域16L,Rに独立して書き込みを行うことができる。読み出し時には、p+領域13、14のどちらをドレイン/ソースとして機能させるか、すなわち、どちらに読み出し電圧を印加してどちらを接地するかによって、左右どちらのプログラム領域16L,Rを読み出すかを選択することができる。   By doing so, electrons injected into the left program area 16L or the right program area 16R do not move to the opposite side, so that writing can be performed independently in the left and right program areas 16L, R. At the time of reading, the left and right program regions 16L and R are selected depending on which of the p + regions 13 and 14 functions as a drain / source, that is, which one is applied with a read voltage and which is grounded. be able to.

以上説明したように、第2の実施形態では、高速の書き込みを実現するために次の2点を実現している。
(1)セルウェル12に適切なバックゲート電圧を印加することで、ビット線へ印加される電圧を0V〜VCC(1.8V)の間で全ての動作を行うことがてきる。これにより、高速書き込みに対して重要な役割を担うY系の回路を高性能のVCCトランジスタで形成でき、負電圧も扱わないので特別な回路構成も必要とならないようにする。
As described above, in the second embodiment, the following two points are realized in order to realize high-speed writing.
(1) By applying an appropriate back gate voltage to the cell well 12, all the operations can be performed with the voltage applied to the bit line between 0 V and VCC (1.8 V). As a result, a Y-system circuit that plays an important role for high-speed writing can be formed with a high-performance VCC transistor, and since no negative voltage is handled, no special circuit configuration is required.

(2)さらに、書き込み時には4V程度のバックゲート電圧を印加するが、ベリファイをこのバックゲート電圧印加状態で行うようにした。これにより、プログラムとベリファイとの切り換えを容量の大きい電源回路を用いずに高速に行うことが可能になった。   (2) Further, a back gate voltage of about 4 V is applied at the time of writing, but the verification is performed in this back gate voltage application state. This makes it possible to switch between program and verify at high speed without using a large-capacity power supply circuit.

≪その他の実施形態≫
また、この実施形態のようにセルウェルにバックゲート電圧を印加することによって、ゲート長のスケーラビリティ(短ゲート化)を大幅に改善することが可能になり、NOR型の構造において、0.1μm以下のゲート長を実現することも困難でなくなった。これは、バックゲート電圧を印加することにより、ドレイン−ソース間に掛かる電圧が下がることと、バックゲート効果により等価的にVth(絶対値)が高くなるためにパンチスルーしにくくなることによっている。
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Further, by applying the back gate voltage to the cell well as in this embodiment, it becomes possible to greatly improve the scalability of the gate length (shortening of the gate). In the NOR type structure, it is 0.1 μm or less. Realizing the gate length is no longer difficult. This is because the voltage applied between the drain and the source is lowered by applying the back gate voltage, and the Vth (absolute value) is equivalently increased due to the back gate effect, so that it is difficult to punch through.

先に説明しているように、MONOS構造のメモリセルでは、2ビット/セルの記憶が可能であるが、2ビット/セルのメモリセルを製作するためには、左右の独立したプログラム領域を確保できるだけのゲート長が必要である。その一方、上記のようにセルウェルにバックゲート電圧を適当なバックゲート電圧を印加することでゲート長を大幅に短くすることが可能であるため、短ゲート長で1ビット/セルのメモリセルを製作しても、2ビット/セルに近い記憶密度を実現することができる。   As described above, the memory cell of the MONOS structure can store 2 bits / cell. However, in order to manufacture the memory cell of 2 bits / cell, left and right independent program areas are secured. The gate length must be as long as possible. On the other hand, the gate length can be significantly shortened by applying an appropriate back gate voltage to the cell well as described above, so that a 1-bit / cell memory cell is manufactured with a short gate length. Even so, a storage density close to 2 bits / cell can be realized.

さらに、この場合であっても、通常のシングルビット構成のフローティングゲート型フラッシュメモリ(たとえば特開平9−8153号公報記載のもの)に比べて以下のような、優れた効果を奏することができる。   Further, even in this case, the following excellent effects can be obtained as compared with a normal floating gate type flash memory having a single bit configuration (for example, disclosed in JP-A-9-8153).

(1)フローティングゲート型に比べてMONOS型は欠陥性の不良に強い。すなわち、フローティングゲート型では、トンネル酸化膜(ボトム酸化膜)に極微小なリークを生じるような欠陥があった場合でも、このリークによってフローティングゲート内の電荷が全て流れだしてしまい、記憶内容が失われてしまう。10年間の記憶保持を必要とする不揮発性メモリにおいては、他のデバイスに比べて許容されるリークレベルが非常に小さく(例えばDRAMに比べて8桁小さいリークレベルが要求される)、極微小な欠陥を発生させないプロセスを実現することが非常に困難となっている。   (1) The MONOS type is more resistant to defective defects than the floating gate type. That is, in the floating gate type, even if the tunnel oxide film (bottom oxide film) has a defect that causes a very small leak, all the charge in the floating gate flows out due to this leak, and the stored contents are lost. It will be broken. In a non-volatile memory that requires storage for 10 years, an allowable leak level is very small compared to other devices (for example, a leak level that is 8 orders of magnitude smaller than that of a DRAM is required), and is extremely small. It has become very difficult to realize a process that does not cause defects.

これに対して、MONOS型では窒化膜という絶縁膜中に電荷をトラップしているので、上層あるいは下層の酸化膜に小さな欠陥が存在しても、欠陥近傍の電荷が流れだす可能性があるにしても、全ての電荷が流れだしてしまうことはない。したがって、MONOS構造はフローティングゲート型に比べて欠陥に対する耐性が非常に大きい。   On the other hand, in the MONOS type, charges are trapped in an insulating film called a nitride film, so even if a small defect exists in the upper or lower oxide film, the charge near the defect may flow out. However, all the charges will not flow out. Therefore, the MONOS structure has a much higher resistance to defects than the floating gate type.

(2)フローティングゲート型に比べてMONOS構造の方がスケーラビリティに優れている。
フローティングゲート型では、フローティングゲートが、ソース,ドレイン,基板,コントロールゲートの4つの電極と容量結合しているため、書き込み時には、書き込まれるメモリセルと同一ビット線に接続されている非選択セル(ドレインに書き込み電圧(=比較的高い電圧)が印加され、ゲートに0Vが印加されているセル)において、ドレインとフローティングゲートとの容量結合によってフローティングゲートの電位が上昇する。したがって、スケーリング(ゲート長を短くすること)に従い、相対的にドレインとの容量結合の割合が増え、チャネルを介した基板との容量結合に占める割合が減少するために非選択セルのフローティングゲートの電位上昇が無視できなくなり、非選択セルが書き込み時弱いON状態になってしまう。そうなると、書き込み時の非選択セルのチャネルに流れるリーク電流が増加し、最終的には書き込み動作が正常に行えなくなってしまう。
(2) The MONOS structure is more scalable than the floating gate type.
In the floating gate type, since the floating gate is capacitively coupled to the four electrodes of the source, drain, substrate, and control gate, at the time of writing, an unselected cell (drain) connected to the same bit line as the memory cell to be written. In the cell in which a write voltage (= a relatively high voltage) is applied to the gate and 0 V is applied to the gate, the potential of the floating gate rises due to capacitive coupling between the drain and the floating gate. Therefore, according to scaling (reducing the gate length), the proportion of capacitive coupling with the drain increases relatively, and the proportion of capacitive coupling with the substrate via the channel decreases. The potential rise cannot be ignored, and the unselected cells are weakly turned on at the time of writing. As a result, the leakage current flowing through the channel of the non-selected cell at the time of writing increases, and eventually the writing operation cannot be performed normally.

これに対してMONOS構造では容量結合の原因となる導電膜であるフローティングゲートが存在しないため、このような問題が存在しないので、スケーリング(ゲート長を短くしても)、このようなリーク電流の増加という問題は発生しない。   On the other hand, in the MONOS structure, since there is no floating gate which is a conductive film that causes capacitive coupling, there is no such problem, so scaling (even if the gate length is shortened), The problem of increase does not occur.

なお、本明細書では、pチャネルMONOS構造のメモリセルについて説明しているが、上記グレーデッドなチャネル構造はnチャネルMONOSメモリセルにも同様に適用することができ、また、図7の電位配置等は極性を反転してnチャネルMONOSメモリセルに適用することも可能である。さらに、図20に示すtwin MONOSメモリセルにこれらを適用することも可能である。   In this specification, a memory cell having a p-channel MONOS structure is described. However, the above graded channel structure can be similarly applied to an n-channel MONOS memory cell, and the potential arrangement shown in FIG. Etc. can be applied to an n-channel MONOS memory cell with the polarity reversed. Furthermore, these can be applied to the twin MONOS memory cell shown in FIG.

ここで、図20は、Pチャネルtwin MONOSメモリセルの構造を示す図である。twin MONOSメモリセルは、通常のMOSトランジスタのゲート(ワードゲート)207の両側にサイドウォール技術によって、サイドウォールコントロールゲート205L,Rおよび窒化膜206L,Rを形成したもので、窒化膜206L,Rのそれぞれに電荷をトラップすることによって、2ビット/セルの記憶を実現しつつ、チャネル長の短縮化を実現したものである。   Here, FIG. 20 is a diagram showing a structure of a P-channel twin MONOS memory cell. In the twin MONOS memory cell, sidewall control gates 205L, R and nitride films 206L, R are formed on both sides of a gate (word gate) 207 of a normal MOS transistor by a sidewall technique. By trapping charges in each, the channel length can be shortened while realizing the storage of 2 bits / cell.

この発明の実施形態であるグレーディングチャネル構造のpチャネルMONOSメモリセルの構造を示す図The figure which shows the structure of the p channel MONOS memory cell of the grading channel structure which is embodiment of this invention 同pチャネルMONOSメモリセルのしきい値電圧を説明する図The figure explaining the threshold voltage of the p channel MONOS memory cell 同pチャネルMONOSメモリセルのトンネル酸化膜と上部絶縁層の厚さの関係を説明する図The figure explaining the relationship between the thickness of the tunnel oxide film of the same p channel MONOS memory cell, and an upper insulating layer 同pチャネルMONOSメモリセルをXYに配列してバーチャルグラウンドアレイを構成した場合の構造図Structure diagram when virtual ground array is configured by arranging the same p-channel MONOS memory cells in XY 同バーチャルグラウンドアレイの等価回路図Equivalent circuit diagram of the virtual ground array 同pチャネルMONOSメモリセルをXYに配列してNOR接続アレイを構成した場合のアーキテクチャを示す等価回路図Equivalent circuit diagram showing the architecture when the p-channel MONOS memory cells are arranged in XY to form a NOR connection array 同NOR接続アレイにおける書込(プログラム)時,ベリファイ時,消去時,読出時の電位配置を示す図Diagram showing potential arrangement at the time of writing (programming), verifying, erasing, and reading in the NOR connection array プログラム時の等価回路における電位配置を示す図Diagram showing potential arrangement in equivalent circuit during programming プログラム時の断面構造における電位配置を示す図Diagram showing potential arrangement in cross-sectional structure during programming BTHE注入によるプログラムの原理を説明する図The figure explaining the principle of the program by BTHE injection ベリファイ時の等価回路における電位配置を示す図The figure which shows the electric potential arrangement in the equivalent circuit at the time of verification ベリファイ時の断面構造における電位配置を示す図Diagram showing potential arrangement in cross-sectional structure during verification 読出時の等価回路における電位配置を示す図The figure which shows the electric potential arrangement | positioning in the equivalent circuit at the time of reading 読出時の断面構造における電位配置を示す図The figure which shows the electric potential arrangement | positioning in the cross-sectional structure at the time of reading FNトンネルによる消去時の等価回路における電位配置を示す図The figure which shows the electric potential arrangement | positioning in the equivalent circuit at the time of erasing by FN tunnel FNトンネルによる消去時の断面構造における電位配置を示す図The figure which shows the electric potential arrangement | positioning in the cross-sectional structure at the time of erasing by FN tunnel 基板ホットエレクトロン注入による消去時の等価回路における電位配置を示す図The figure which shows the electric potential arrangement in the equivalent circuit at the time of erasing by substrate hot electron injection 基板ホットエレクトロン注入による消去時の断面構造における電位配置を示す図The figure which shows the electric potential arrangement in the section structure at the time of erasing by substrate hot electron injection 前記バーチャルグラウンドアレイにおいて2ビット/セルの記憶を行う場合の書込(プログラム)時,ベリファイ時,消去時,読出時の電位配置を示す図The figure showing potential arrangement at the time of writing (programming), verifying, erasing and reading when storing 2 bits / cell in the virtual ground array Pチャネルtwin MONOSメモリセルの構造を示す図The figure which shows the structure of a P channel twin MONOS memory cell 従来のNチャネルMONOSメモリセルの構造を示す図The figure which shows the structure of the conventional N channel MONOS memory cell グレーデッドチャネル構造を有しないpチャネルMONOSメモリセルのしきい値電圧を説明する図The figure explaining the threshold voltage of the p channel MONOS memory cell which does not have a graded channel structure

符号の説明Explanation of symbols

11…p型半導体基板
12…n型ウェル(セルウェル)
13,14…p+領域(ソース,ドレイン)
15…トンネル酸化膜
16…電荷トラップ層(窒化膜)
17…上部絶縁層
18…ゲート
20…セレクトゲートウェル(n型ウェル)
21…メインビット線
22…ワード線
23…ソース線
24…セレクトゲート
25…サブビット線
11 ... p-type semiconductor substrate 12 ... n-type well (cell well)
13, 14 ... p + region (source, drain)
15 ... Tunnel oxide film 16 ... Charge trap layer (nitride film)
17 ... Upper insulating layer 18 ... Gate 20 ... Select gate well (n-type well)
21 ... Main bit line 22 ... Word line 23 ... Source line 24 ... Select gate 25 ... Sub bit line

Claims (2)

半導体基板に形成されたn型ウエルと、前記n型ウエル表面に所定間隔を開けて形成されたp+領域であるソースおよびドレインと、前記ソース、ドレイン間に形成されたチャネル領域と、前記チャネル領域の上方にトンネル絶縁膜を介して形成されたフローティングゲート、ナノクリスタル層、シリコン窒化膜、又は不導体電荷トラップ層からなる電荷蓄積層と、前記電荷蓄積層の上方に絶縁膜を介して形成されたゲート電極と、を有する不揮発性半導体記憶装置であって、An n-type well formed in a semiconductor substrate; a source and drain which are p + regions formed at predetermined intervals on the surface of the n-type well; a channel region formed between the source and drain; and the channel region A charge storage layer made of a floating gate, a nanocrystal layer, a silicon nitride film, or a non-conductor charge trap layer formed above the charge storage layer, and an insulating film formed above the charge storage layer. A non-volatile semiconductor memory device having a gate electrode,
書き込み時に「Vg>Vsub>Vs>Vd」、「Vsub>0V」、「Vd<Vcc」、「Vs≦Vcc」の関係を有する電圧Vg、Vsub、VsおよびVdを、それぞれゲート電極、n型ウエル、ソースおよびドレインに印加することにより、ドレイン付近にバンド間トンネリングによるホットエレクトロンを発生させ、このホットエレクトロンを前記電荷蓄積層に注入してビットデータの書き込みを行なうものにおいて、When writing, voltages Vg, Vsub, Vs and Vd having a relationship of “Vg> Vsub> Vs> Vd”, “Vsub> 0 V”, “Vd <Vcc”, “Vs ≦ Vcc” are respectively applied to the gate electrode and the n-type well. By applying to the source and drain, hot electrons are generated by band-to-band tunneling near the drain, and the hot electrons are injected into the charge storage layer to write bit data.
書き込み時に、ドレインに対して0V乃至正の電圧を与える標準電源電圧(Vcc)用のトランジスタで形成された、前記各ビット線の電圧を制御する回路を含むY系回路を備えることを特徴とする不揮発性半導体記憶装置。A Y-system circuit including a circuit for controlling the voltage of each bit line, which is formed of a transistor for a standard power supply voltage (Vcc) that applies a voltage of 0 V to a positive voltage to the drain at the time of writing. Nonvolatile semiconductor memory device.
請求項1記載の不揮発性半導体記憶装置は、The nonvolatile semiconductor memory device according to claim 1
さらに前記ドレインに接続されたビットラインの電位を取り込むラッチ回路を含み、And a latch circuit that captures the potential of the bit line connected to the drain,
次のプログラムパルス印加時の前記ビットラインの電圧は、前記ラッチ回路にラッチされた電位に基づいて制御することを特徴とする不揮発性半導体記憶装置。The nonvolatile semiconductor memory device, wherein the voltage of the bit line when the next program pulse is applied is controlled based on the potential latched in the latch circuit.
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