JP4919549B2 - Nonvolatile memory and semiconductor device - Google Patents

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Description

【0001】
【発明が属する技術分野】
本願発明は半導体不揮発性メモリに関する。特に、電気的書き込み及び消去可能な半導体不揮発性メモリ(以下EEPROMまたはElectrically Erasable and Programmable Read Only Memoryという)に関する。また特に、多値技術を用いた半導体不揮発性メモリに関する。なお、本願発明はチャネル長が0.01〜1μm(好ましくは0.01〜0.5μm)の半導体不揮発性メモリに対して有効である。また、本願発明は半導体不揮発性メモリを有する半導体装置に関する。
【0002】
本明細書において、電気的書き込み及び消去可能な半導体不揮発性メモリ(EEPROM)とは、文字通り、電気的な書き込みおよび電気的な消去が可能な半導体不揮発性メモリの全体を指し、例えばフル機能EEPROM、フラッシュメモリをその範疇に含む。また、特に断りのない場合、不揮発性メモリおよび半導体不揮発性メモリはEEPROMと同義で用いる。また、半導体装置とは、半導体特性を利用することで機能する装置全般を指し、例えば、マイクロプロセッサ、液晶表示装置およびEL表示装置に代表される電気光学装置、ならびにマイクロプロセッサあるいは電気光学装置を搭載した電子機器をその範疇に含む。
【0003】
【従来の技術】
電気的書き込み及び消去可能な半導体不揮発性メモリ(EEPROM)は、半導体不揮発性メモリを代表するメモリとして知られている。EEPROMは不揮発性メモリであるから、他の半導体メモリを代表するDRAM(Dynamic Random Access Memory)やSRAM(Static RAM)と異なり、電源を切ってもデータが失われることはない。また、他の不揮発性メモリを代表する磁気ディスクと比較した場合、集積密度、耐衝撃性、消費電力、書き込み/読み出し速度、等の点において優れた特徴を有する。このような特徴から、EEPROMを磁気ディスクあるいはDRAMといった様々なメモリの代替品として用いる動きが高まってきた。
【0004】
特に、EEPROMの集積密度の向上は目覚ましく、1年で約2倍という非常に速いペースで開発が進んでいる。ギガビット容量のEEPROMの量産も近々実現することが予想され、集積度においてもDRAMを追いこす勢いである。このような集積密度の向上を支える技術としては、回路構成の改善、微細化技術および多値技術が挙げられる。
【0005】
まず、回路構成においては、2トランジスタ/セルの構成をとるフル機能EEPROMから、1トランジスタ/セル構成のフラッシュメモリへ、また、セル面積に10F2(Fは最小加工寸法)を要するNOR型フラッシュメモリから、セル面積5F2を実現するNAND型フラッシュメモリへと集積密度が向上してきた。
【0006】
また、微細化技術は、IC、LSI、VLSIあるいはULSIといった殆ど全ての半導体において、高集積化、小型化、低コスト化をうながす最も重要な技術である。EEPROMにおいても、他のIC等と同様に微細化技術を常に取り入れ、スケーリング則に沿って開発が進められている。
【0007】
さらに、メモリの集積度を向上する方法として近年注目されているのが、多値技術である。多値技術とは、一つのメモリセルで3値以上のデータを保持する技術である。従来方式として、フローティングゲートの電荷蓄積量をコントロールし、3状態以上を区別する方法が開発されており、既に4値のフラッシュメモリが製品化されている。
【0008】
【発明が解決しようとする課題】
このように、EEPROMは、回路構成、微細化技術および多値技術によって飛躍的な集積密度の向上を実現してきた。そして、今後さらに集積度の向上を進めるためには、微細化技術と多値技術がますます重要になると考えられている。しかしながら、微細化技術および多値技術が直面している課題も多い。
【0009】
微細化に関しては、0.12〜0.15μmがEEPROMのスケーリング限界と考えられている。スケーリング限界を決める要因はいくつかあるが、代表的には、微細加工限界、短チャネル効果およびトンネル酸化膜の信頼性といった要因が挙げられる。特に、通常のトランジスタよりも高い動作電圧を必要とするEEPROMにおいては、短チャネル効果は重要な問題であり、たとえは微細加工が可能であったとしても短チャネル効果によってメモリとして機能しないといったことが起こり得る。
【0010】
短チャネル効果とは、トランジスタのチャネル長を短くしていった場合に起こる様々な現象の総称であり、パンチスルー現象、サブスレッショルド特性の劣化(S値の増加)、しきい値電圧の低下などが知られている。短チャネル効果の多くは、ドレイン領域から広がる空乏層領域に起因しており、空乏層領域の広がりを如何に抑えるかが課題となっている。
【0011】
また、多値化においては、フローティングゲート電極の電荷蓄積量を制御する従来方式を用いる場合、電荷蓄積量のばらつきの制御、良好な電荷保持特性、良好な読み出し特性を実現することが難しいと考えられている。従来方式によって4値のフラッシュメモリが実現されているものの、さらなる多値化を進めるにあたっては、従来方式とは異なる多値技術の開発が必要であると考えられる。
【0012】
本願発明は、上記問題点を鑑みてなされたものである。本願発明では、微細化に伴って発生する短チャネル効果を効果的に抑制すると共に、フローティングゲート電極の電荷蓄積量を制御する従来方式による多値技術とは全く異なる方式によってセルの多値化を行う。そして、極めて集積密度の高い不揮発性メモリを提供することを課題とする。
【0013】
【課題を解決するための手段】
本願発明では、まず、微細化に伴う短チャネル効果を抑制する方法として、メモリトランジスタが有する活性領域に複数の局所的な不純物領域を形成する。具体的には、チャネル長方向にストライプ状に不純物領域を形成する。ストライプ状に設けられた不純物領域には、ソース領域およびドレイン領域に用いられる不純物の導電型とは逆の導電型を有する不純物を用いる。
【0014】
なお、本明細書では、ソース領域、ドレイン領域及び素子分離領域で囲まれた領域を活性領域と呼び、さらに活性領域をストライプ状に設けられた不純物領域と、チャネル形成領域とに区別している。
【0015】
なお、本願発明は、極微細の不揮発性メモリに適用することを念頭に置いている。具体的には、チャネル長が0.01〜1μm(好ましくは0.01〜0.5μm)、不純物領域の幅が0.01〜1μm(好ましくは0.01〜0.5μm)、チャネル形成領域の幅が0.01〜1μm(好ましくは0.01〜0.5μm)、の半導体不揮発性メモリに対して有効である。
【0016】
微細トランジスタにおいて、活性領域に局所的な不純物領域を設ける手法は、特開平10−65162号公報に開示されている。同公報には、活性領域に局所的な不純物領域を設けることによって、ドレイン領域からの空乏層の広がりが抑止され、高いオン電流を維持したまま短チャネル効果が抑えられる、という主旨の内容が記載されている。
【0017】
なお、同公報では、空乏層を抑止する効果があたかも空乏層をピン止めする様に捉えられることから、「抑止」という意味で「ピニング」という言葉を定義している。また、空乏層をピン止めする不純物領域をピニング領域と呼んでいる。
【0018】
本願発明では、さらに重要なポイントとして、ピニング領域を用いたメモリトランジスタを応用して多値メモリトランジスタを実現する。本願発明は、ピニング領域を用いたトランジスタ構造が複数のチャネル形成領域を有することに着目し、それぞれのチャネル形成領域に1値または1ビットのデータを割り当てることによって、メモリトランジスタの多値化を実現するものである。
【0019】
なお、本明細書では、ピニング領域を用いたメモリトランジスタを、従来のメモリトランジスタと区別する場合に、特にピニング型メモリトランジスタと呼ぶ。明白な場合には、ピニング型メモリトランジスタを、単にメモリトランジスタと書くこともある。
【0020】
本願発明のピニング型メモリトランジスタの特徴としては、複数のチャネル形成領域の上に、それぞれ、第1のゲート絶縁膜を介してフローティングゲート電極を設ける点と、複数のピニング領域に独立に電位を印加できる構造とする点が挙げられる。このような構造とすることによって、それぞれのフローティングゲート電極(従って、それぞれのチャネル形成領域)に対して、1値または1ビットのデータを格納することが可能となる。
【0021】
ここで、ピニング型メモリトランジスタの動作方法を簡単に説明する。多値データの書き込みと消去はフローティングゲート電極とピニング領域との間のトンネル電流によって行う。メモリトランジスタがnチャネル型である場合、電子の注入は選択したフローティングゲート電極に行い、電子の放出は全てのフローティングゲート電極から行う。また、メモリトランジスタがpチャネル型である場合には、電子の放出は選択したフローティングゲート電極から行い、電子の注入は全てのフローティングゲート電極に対して行う。
【0022】
読み出し方法は、個々のフローティングゲート電極に1値のデータを割り当てる場合(1値/FG方式と呼ぶ)と、1ビットのデータを割り当てる場合(1ビット/FG方式と呼ぶ)とを用いることができる。1値/FG方式は、コントロールゲート電極に適切な電位を与えることによって、形成されたチャネルの数に比例する電流値を読み出す方式である。フローティングゲート電極がk個(kは1以上の整数)設けられている場合には、一つのメモリトランジスタで(k+1)値のデータを記憶することができる。一方、1ビット/FG方式では、読み出し時に、コントロールゲート電極に適切な電位を与えると同時に、選択するチャネル形成領域を挟む2つのピニング領域と他のピニング領域との間に適切な電位差を与える。その結果、選択するフローティングゲート電極の状態を反映した電流値を読み出すことが可能となり、フローティングゲート電極あたり1ビットの情報を記憶することが可能となる。
【0023】
なお、1ビット/FG方式は、チャネル形成領域を挟むピニング領域に電圧を印加した場合に、選択したチャネル形成領域のしきい値電圧がシフトする特性を用いている。この特性はチャネル幅が非常に狭い場合に有効であり、チャネル形成領域の幅が0.01〜1μm(好ましくは0.01〜0.5μm)であることが望ましい。
【0024】
以下に、本願発明の構成を示す。
【0025】
単結晶半導体を利用して形成されたソース領域、ドレイン領域及び活性領域を少なくとも有するメモリトランジスタを備えた不揮発性メモリであって、
前記活性領域は、チャネル長方向にストライプ状に設けられた複数の不純物領域と、当該複数の不純物領域に挟まれた真性または実質的に真性な複数のチャネル形成領域によって構成されており、
前記メモリトランジスタは3値以上のデータを記憶することを特徴とする不揮発性メモリが提供される。
【0026】
単結晶半導体を利用して形成されたソース領域、ドレイン領域及び活性領域を有し、当該活性領域上に第1のゲート絶縁膜と、複数のフローティングゲート電極と、第2のゲート絶縁膜と、コントロールゲート電極とを積層してなるメモリトランジスタを備えた不揮発性メモリであって、
前記活性領域は、チャネル長方向にストライプ状に設けられた複数の不純物領域と、当該複数の不純物領域に挟まれた真性または実質的に真性な複数のチャネル形成領域によって構成されており、
前記複数のフローティングゲート電極は、前記複数のチャネル形成領域上にそれぞれ一つずつ、前記第1のゲート絶縁膜を介して設けられており、
前記コントロールゲート電極は、前記複数のフローティングゲート電極と、前記第2のゲート絶縁膜を介して重なるように設けられており、
前記メモリトランジスタは3値以上のデータを記憶することを特徴とする不揮発性メモリが提供される。
【0027】
単結晶半導体を利用して形成されたソース領域、ドレイン領域及び活性領域を有し、当該活性領域上に第1のゲート絶縁膜と、複数のフローティングゲート電極と、第2のゲート絶縁膜と、コントロールゲート電極とを積層してなるメモリトランジスタを備えた不揮発性メモリであって、
前記活性領域は、チャネル長方向にストライプ状に設けられた複数の不純物領域と、当該複数の不純物領域に挟まれた真性または実質的に真性な複数のチャネル形成領域によって構成されており、
前記複数のフローティングゲート電極は、前記複数のチャネル形成領域上にそれぞれ一つずつ、前記第1のゲート絶縁膜を介して設けられており、
前記コントロールゲート電極は、前記複数のフローティングゲート電極と、前記第2のゲート絶縁膜を介して重なるように設けられており、
前記複数の不純物領域はそれぞれ独立に電位を制御することが可能であり、
前記メモリトランジスタは3値以上のデータを記憶することを特徴とする不揮発性メモリが提供される。
【0028】
前記複数のフローティングゲート電極はそれぞれ、前記第1のゲート絶縁膜を介して前記複数の不純物領域の一つと、一部重なっていてもよい。
【0029】
前記活性領域に設けられた前記複数の不純物領域は、前記ソース領域と前記ドレイン領域の一方または両方においても連続して形成されていてもよい。
【0030】
前記複数の不純物領域は13族又は15族から選ばれた元素によって形成されていることが好ましい。
【0031】
前記複数の不純物領域は13族又は15族から選ばれた元素からなり、当該複数の不純物領域によって前記ドレイン領域から前記ソース領域に向かって広がる空乏層が抑止されていることが好ましい。
【0032】
前記複数の不純物領域に含まれる元素の濃度は1×1017〜5×1020atoms/cm3であることが好ましい。
【0033】
前記メモリトランジスタのチャネル長は、0.01〜1μmであることが好ましい。
【0034】
前記複数の不純物領域の幅は、0.01〜1μmであることが好ましい。
【0035】
前記複数のチャネル形成領域の幅は、0.01〜1μmであることが好ましい。
【0036】
前記不揮発性メモリを記録媒体として利用することを特徴とする半導体装置が提供される。
【0037】
前記半導体装置として、マイクロプロセッサが提供される。
【0038】
前記半導体装置として、ディスプレイ、ビデオカメラ、頭部取り付け型のディスプレイ、DVDプレーヤー、ヘッドマウントディスプレイ、パーソナルコンピュータ、携帯電話、カーオーディオが提供される。
【0039】
【発明の実施の形態】
本実施の形態では、まず本願発明のピニング型メモリトランジスタの代表的な素子構造について述べた後、ピニング領域による様々な効果(短チャネル効果の抑制等)とピニング型メモリトランジスタの多値化についての説明を行う。
【0040】
最初に、図1および図2を用いて、本願発明のピニング型メモリトランジスタの代表的な素子構造を説明する。図1は、スタック構造のピニング型メモリトランジスタの上面図と断面図を示したものである。また、図2は、図1に示した上面図の一部分であり、ソース領域、ドレイン領域および活性領域を示したものである。
【0041】
まず、図1を参照する。図1において、基板101は単結晶シリコン基板、102はLOCOS法により形成したフィールド酸化膜である。勿論、STI法及び他の素子分離法を用いても構わない。領域103および領域104はそれぞれソース領域およびドレイン領域であり、メモリトランジスタがnチャネル型の場合は15族から選ばれた元素(代表的には砒素またはリン)が、pチャネル型の場合は13族から選ばれた元素(代表的にはボロン、ガリウムまたはインジウム)が高濃度に添加されている。また、領域105および領域106は、それぞれピニング領域およびチャネル形成領域である。
【0042】
ピニング領域105はソース領域103およびドレイン領域104の導電型とは逆の導電型の不純物領域である。つまり、nチャネル型メモリトランジスタでは、13族から選ばれた元素(代表的にはボロン、ガリウムまたはインジウム)を添加して形成する。特に、拡散の少ないインジウムが好ましい。またpチャネル型メモリトランジスタでは、15族から選ばれた元素(代表的には砒素またはリン)を添加して形成する。特に、拡散の少ない砒素が好ましい。本願発明では、これら不純物元素の濃度を1×1017〜5×1020atoms/cm3(好ましくは1×1018〜5×1019atoms/cm3)の範囲で調節する。
【0043】
ピニング領域105の打ち込み深さは、後述する短チャネル効果を効果的に抑制するために、少なくともソース領域103およびドレイン領域104の接合深さよりも深くすることが望ましい(図1(C)参照)。ピニング領域105の打ち込み深さは、0.05〜0.5μm(好ましくは0.2〜0.3μm)となるように調節すればよい。
【0044】
本願発明のキーポイントであるピニング領域105およびチャネル形成領域106をさらに詳しく説明するために、図2を参照する。図1と対応する領域には同じ記号を用いている。また、領域201はソース領域とドレイン領域に挟まれた領域であり、本明細書では領域201を活性領域と呼ぶ。
【0045】
ここで、いくつかの用語を定義しておく。まず、ソース領域103とドレイン領域104との間の距離(活性領域201の長さに相当する)をチャネル長(L)、ピニング領域105の幅をピニング幅(v)、チャネル形成領域106の幅をチャネル幅(w)と定義する。また、活性領域201の幅を総チャネル幅(Wtotal)と定義する。総チャネル幅は、ピニング幅の総和とチャネル幅の総和との和に等しい。なお、チャネル長に沿った方向をチャネル長方向、チャネル長方向に対して垂直な方向をチャネル幅方向と呼ぶ。
【0046】
図2に示すように、一つのピニング領域105は、典型的には、チャネル長方向に線状に形成する。そして、そのようなピニング領域105をストライプ状に複数設ける。このとき、両端に位置する2つのピニング領域は活性領域201の側端部(活性領域とフィールド酸化膜が接する端部)を含むように形成することが好ましい。チャネル形成領域は、ソース領域、ドレイン領域およびピニング領域(またはフィールド酸化膜)によって囲まれた領域として定義される。活性領域201は、ピニング領域とチャネル形成領域とによって構成される。
【0047】
なお、本願発明の多値メモリトランジスタでは、一つのチャネル形成領域に1値または1ビットのデータを割り当てるため、少なくとも2つのチャネル形成領域が必要である。また、活性領域の側端部(活性領域とフィールド酸化膜が接する端部)にピニング領域を設けることによって、側端部を伝わるリーク電流を低減するという効果がある。
【0048】
また、図2では、ピニング領域が、活性領域201だけでなく、ソース領域103およびドレイン領域104においても形成されている。これは、本願発明の多値の不揮発性メモリにおいて、個々のピニング領域105から配線を引き出す必要があるためである。なお、本願発明では、ピニング領域がソース領域103またはドレイン領域104を横切ることによって、個々のピニング領域105から配線を引き出す構造とするが、個々のピニング領域105に独立に電位を与えられる構造であれば、どのような構造であっても構わない。
【0049】
ピニング領域が形成されているドレイン領域の断面構造の一例を図3に示す。図3に示した断面図は、図1(A)に示したメモリトランジスタの線分CC'に関する断面であり、図1と対応する領域には同じ記号を用いている。図3において、ドレイン領域104の不純物濃度はピニング領域105の不純物濃度よりも濃く形成され、また、ドレイン領域104の接合深さはピニング領域105の接合深さよりも浅く形成されている。このような構造とすることによって、ドレイン領域104がピニング領域105によって分断されることなく、ピニング領域105がドレイン領域104を横切る構造を実現している。なお、ソース領域103を横切る場合にも全く同様の構造を用いることができる。
【0050】
再び図1を参照し、メモリトランジスタの素子構造についての説明を続ける。
【0051】
図1において、上述した活性領域の上には、第1のゲート絶縁膜107、フローティングゲート電極108、第2のゲート絶縁膜109、コントロールゲート電極110、層間膜111および配線112が順に積層された構造となっている。
【0052】
フローティングゲート電極108は、それぞれのチャネル形成領域106上に一つずつ、第1のゲート絶縁膜107を介して重なるように設ける。また、コントロールゲート電極110は、全てのフローティングゲート電極108に対して共通とし、第2のゲート絶縁膜109を介して重なるように設ける。つまり、一つのメモリトランジスタの内部に、ソース領域103、ドレイン領域104およびコントロールゲート電極110を共有する複数のメモリトランジスタが組み込まれた構造となる。本明細書では、本願発明のピニング型メモリトランジスタに並列に組み込まれたメモリトランジスタをサブメモリトランジスタと呼ぶ。
【0053】
個々のフローティングゲート電極108はまた、第1のゲート絶縁膜107を介してピニング領域105の一部と重なる構造とする。また、一つのピニング領域に対して、2つ以上のフローティングゲート電極が同時に重ならないような構造とする。フローティングゲート電極とピニング領域が重なる領域をオーバーラップ領域と呼ぶ。
【0054】
なお、第1のゲート絶縁膜107の膜厚は6〜20nmとすることが望ましい。また、フローティングゲート電極108およびコントロールゲート電極110は、それぞれ多結晶シリコン層を用いることが好ましい。勿論、多結晶シリコン層の代わりに金属膜などの導電層を用いることも可能である。層間膜としてSiO2/SiN/SiO2で表される様な積層膜(ONO膜と呼ばれる)を用いることも有効である。
【0055】
なお、図1に示したピニング型メモリトランジスタは、3つのフローティングゲート電極を有する構造、言い換えると、3つのサブメモリトランジスタを有する構造となっているが、本願発明はこの構造に限定されない。一般にk個(kは1以上の整数)のフローティングゲート電極(あるいはサブメモリトランジスタ)を有する構造であっても構わない。
【0056】
本願発明の不揮発性メモリは、以上のような素子構造を有するメモリトランジスタを用いることによって、主に2つの優れた特徴を有する。一つは、メモリトランジスタの多値化を実現できることであり、不揮発性メモリの高集積化において極めて有効である。もう一つは、トランジスタとしての性能向上に寄与するものであり、勿論、メモリトランジスタにおいても性能向上に寄与する。特に、短チャネル効果を抑止する効果は微細化を進める上で不可欠であり、不揮発性メモリの高集積化において非常に重要である。
【0057】
従って、本願発明は、極めてサイズが小さいメモリトランジスタに対して有効である。具体的には、チャネル長(L)が0.01〜1μm(好ましくは0.01〜0.5μm)である場合に有効である。ピニング幅は0.01〜1μm(好ましくは0.01〜0.3μm)とすれば良い。また、チャネル幅はどの様な場合にも対応できるが、本願発明では特に大電流を流す必要がないので、0.01〜1μm(好ましくは0.01〜0.5μm)とすれば良い。
【0058】
ピニング領域の効果を説明する前に、まず、ピニング領域を含む活性領域のエネルギーバンドの考察を行う。図4(A)及び(B)はそれぞれ、nチャネル型及びpチャネル型のピニング型メモリトランジスタにおける活性領域のチャネル幅方向のエネルギーバンド図を模式的に表したものである。図4(A)及び(B)において、それぞれ領域401及び403がピニング領域、領域402及び404がチャネル形成領域を表している。
【0059】
まず、チャネル形成領域402、404は真性または実質的に真性である。従って、フェルミ準位EfはエネルギーギャップEgのほぼ中央に位置する。
【0060】
なお、真性な領域とはN型やP型を付与する不純物元素および炭素、窒素、酸素といった不純物元素を意図的に添加しない領域を呼ぶ。例えば、高度な精製技術でI型シリコン基板(真性シリコン基板)を作製し、それを用いた場合に真性なチャネル形成領域を得られる。また、実質的に真性な領域とは、基本的にはアンドープな単結晶半導体領域を指す。その他、逆導電型の不純物元素を添加することにより意図的に導電型を相殺させた領域、しきい値電圧の制御が可能な範囲において一導電型を有する領域を含む。例えば、ドーパント濃度が5×1016atoms/cm3以下(好ましくは5×1015atoms/cm3以下)であり、含有する炭素、窒素、酸素の濃度が2×1018atoms/cm3以下(好ましくは5×1017atoms/cm3以下)である単結晶シリコンは実質的に真性であると言える。そういった意味で一般的にICで用いられるシリコンウェハはプロセス過程で意図的に不純物を添加しない限り実質的に真性である。
【0061】
一方、ピニング領域401、403は、nチャネル型メモリトランジスタでは13族から選ばれた元素によって、pチャネル型メモリトランジスタでは15族から選ばれた元素によって、それぞれ形成されている。13族から選ばれた元素は電子のアクセプター準位を供給し、15族から選ばれた元素は電子のドナー準位を供給するため、nチャネル型メモリトランジスタではピニング領域401のエネルギーバンドが伝導帯側にシフトし、pチャネル型メモリトランジスタではピニング領域403のエネルギーバンドが価電子帯側にシフトする。その結果、図4に示すようなエネルギーバンドの模式図が得られる。
【0062】
図4からわかるように、nチャネル型およびpチャネル型のいずれの場合においても、ピニング領域は、多数キャリア(nチャネル型では電子、pチャネル型は正孔)にとってのエネルギー障壁を形成し、逆に、少数キャリア(nチャネル型では正孔、pチャネル型は電子)にとってはエネルギー的に安定な領域を形成している。なお、エネルギー障壁の高さΔEは不純物元素の添加濃度によって変化する。本願発明では、この不純物元素の濃度を1×1017〜5×1020atoms/cm3 (好ましくは1×1018〜5×1019atoms/cm3)の範囲で調節する。
【0063】
ピニング領域は、多数キャリアに対するエネルギー障壁を形成しているため、多数キャリアはそれぞれのチャネル形成領域を優先的に移動する。その結果、ソース領域からドレイン領域に渡ってストライプ状のピニング領域を設けた場合、ピニング領域によって多数キャリアの移動経路が規定されるという効果が得られる。多値メモリトランジスタではこの複数の移動経路に1値または1ビットのデータを割り当てる。
【0064】
まず最初に、ピニング領域による効果として、メモリトランジスタのトランジスタとしての効果について簡単に説明する。なお、トランジスタにおいてピニング領域を設ける手法は、特開平10−65162号公報に開示されており、詳細については同公報を参照することができる。
【0065】
第1に、ピニング領域は、ドレイン側から広がる空乏層に対してストッパーとして働き、空乏層の広がりを効果的に抑止する。従って、空乏層の広がりによるパンチスルー現象が防止される。また、空乏層の広がりによる空乏層電荷の増加が抑制されるため、サブスレッショルド特性が向上するとともに、しきい値電圧の低下も避けられる。
【0066】
第2に、チャネル幅を狭くすることによって、しきい値電圧を増加させることができる。既に述べたように、ピニング領域は多数キャリアにとってのエネルギー障壁を形成している。チャネル幅を狭めると、このエネルギー障壁のチャネル形成領域への浸み出しが無視できなくなり、しきい値電圧が増加する。これは狭チャネル効果の一つとして知られている現象である。狭チャネル効果はチャネル幅が狭くなるほど顕著に現れる。
【0067】
このように、本願発明では、短チャネル効果を抑止すると共に、ピニング領域に添加する不純物濃度やチャネル幅を自由に設計することで狭チャネル効果の強弱を制御し、しきい値電圧を調節することが可能である。
【0068】
第3に、本願発明において、チャネル形成領域が実質的に真性な領域で構成されているという利点がある。キャリアの移動する領域が実質的に真性であるため、不純物散乱による移動度の低下は極めて小さくなり、高いキャリア移動度が得られる。その結果、本願発明の不揮発性メモリにおいては、特に読み出し時間が大幅に短縮される。
【0069】
第4に、ピニング領域は、インパクトイオン化(衝突電離)による寄生バイポーラの導通を防止する役割を持つ。これは、ピニング領域が少数キャリアにとってエネルギー的に安定な領域を形成しており、インパクトイオン化によって発生した少数キャリアが、ただちにピニング領域内へと移動し配線へ引き抜かれるためである。そのため、従来のように基板の電位を変化させ寄生バイポーラを導通させる様なことはなく、ソース−ドレイン間耐圧の低下もない。
【0070】
このように、ピニング領域を形成することによって、短チャネル効果の抑止を始めとする様々な優れた効果が得られる。
【0071】
次に、本願発明のキーポイントである、ピニング型メモリトランジスタの多値化について述べる。本願発明のメモリトランジスタは、ピニング領域によって形成される複数のチャネル形成領域を応用した多値メモリトランジスタである。
【0072】
その特徴として、個々のピニング領域から配線を引き出すことで独立に電位を与えられる構造としている点と、それぞれのフローティングゲート電極がピニング領域と第1のゲート絶縁膜を介して一部分重なった領域(オーバーラップ領域)を形成している点が挙げられる(図1参照)。
【0073】
従って、図1に示したピニング型メモリトランジスタは、図5に示すような等価回路で表すことができる。図5において、PTはピニング型メモリトランジスタ、ST1、ST2およびST3はサブメモリトランジスタである。Vdはドレイン電圧、Vsはソース電圧、Vcgはコントロールゲート電圧、Vp0、Vp1、Vp2及びVp3はピニング領域の電位(以下、ピニング電位という)を示している。
【0074】
図5に示したピニング型メモリトランジスタは、3つのサブメモリトランジスタからなるが、本願発明はこの構造に限定されるものではない。一般に、k個(kは1以上の整数)のサブメモリトランジスタを有する構造であっても構わない。
【0075】
次に図5を用いて、本願発明の多値メモリトランジスタの動作方法について述べる。本願発明の多値メモリトランジスタでは、データの書き込みと消去をトンネル電流によって行う。また、読み出し方法として、一つのフローティングゲート電極に1値を割り当てる方法(1値/FG方式)と、1ビットを割り当てる方法(1ビット/FG方式)について述べる。1ビット/FG方式は集積度において有利である。一方、1値/FG方式は、読み出しのマージンや信頼性において優れている。
【0076】
本願発明の多値メモリトランジスタでは、フローティングゲート電極への電子の注入と放出はトンネル電流によって行う。そして、メモリトランジスタがnチャネル型である場合には、電子の注入は個々のフローティングゲートに対して行い、電子の放出は一つのメモリトランジスタを構成するフローティングゲート電極から一斉に行う。具体的には、電子の注入は、コントロールゲート電極と選択するフローティングゲート電極に一部重なるピニング領域との間に電位差を与えることによって行い、電子の放出は、コントロールゲート電極と一つまたは複数のピニング領域との間に電位差を与えることによって行う。電子の放出時には、チャネル形成領域にp型の反転層が形成されるため、全てのフローティングゲート電極から電子が放出される。
【0077】
また、メモリトランジスタがpチャネル型である場合には、電子の放出を個々のフローティングゲートから行い、電子の注入は全てのフローティングゲート電極に対して行う。つまり、電子の放出は、コントロールゲート電極と選択するフローティングゲート電極に一部重なるピニング領域との間に電位差を与えることによって行い、電子の注入は、コントロールゲート電極と一つまたは複数のピニング領域との間に電位差を与えることによって行う。電子の注入時には、チャネル形成領域にn型の反転層が形成されるため、全てのフローティングゲート電極に対して電子が注入される。
【0078】
読み出し方法は、それぞれのフローティングゲート電極に1値のデータを割り当てる場合(1値/FG方式)と、1ビットのデータを割り当てる場合(1ビット/FG方式)の2方式の説明を行う。1値/FG方式では、読み出し時にコントロールゲート電極に適切な電位を与える。その結果、フローティングゲート電極の電荷の蓄積状態に依存してチャネル形成領域にチャネルが形成され、形成されたチャネルの数に比例する電流量が読み出される。1値/FG方式では、k個のフローティングゲート電極(kは1以上の整数)に対して、(k+1)値のデータを格納することができる。
【0079】
1ビット/FG方式では、コントロールゲート電極に適切な電位を与えると同時に、選択するチャネル形成領域を挟む2つのピニング領域と他のピニング領域との間に適切な電位差を与えることが必要である。この読み出し方法は、狭チャネル効果に見られるしきい値電圧の変化と同様な効果を応用したものであり、チャネル形成領域を挟む2つのピニング領域に電圧を印加すると、チャネル形成領域のしきい値電圧がシフトする特性を利用している。例えば、nチャネル型メモリトランジスタの場合には、選択するチャネル形成領域を挟む2つのピニング領域以外のピニング領域に負の電圧を、pチャネル型メモリトランジスタの場合には、選択するチャネル形成領域を挟む2つのピニング領域以外のピニング領域に正の電圧を印加する。その結果、コントロールゲート電極には、選択しないチャネル形成領域が全てオフとなり、選択するチャネル形成領域はフローティングゲート電極の電荷蓄積状態を反映してオンまたはオフとなるような電圧を印加することが可能となり、一つのフローティングゲート電極あたり1ビットの情報を記憶することが可能となる。
【0080】
なお、1ビット/FG方式では、特にチャネル幅が狭いことが必要であり、チャネル形成領域の幅は0.01〜1μm(好ましくは0.01μm〜0.5μm)であることが望ましい。
【0081】
図5に示した等価回路に基づいて、本願発明のnチャネル型及びpチャネル型の多値メモリトランジスタの動作電圧の一例を、それぞれ表1及び表2にまとめる。なお、表1及び表2には、図5に示した等価回路に対応して3個のフローティングゲート電極を有するピニング型メモリトランジスタの動作電圧を示すが、一般にk個(kは1以上の整数)のフローティングゲート電極を有する場合についても同様の動作を行えばよい。勿論、表1及び表2の動作電圧は一例であって、動作電圧は表1及び表2の値に限定される必要はない。
【0082】
【表1】

Figure 0004919549
【0083】
【表2】
Figure 0004919549
【0084】
本願発明の多値不揮発性メモリは、様々なEEPROMに応用することが可能である。メモリ素子ごとのデータ消去が可能なフル機能EEPROM、およびブロック毎に一括消去を行うフラッシュメモリのどちらのタイプのEEPROMに対しても適用することができる。フラッシュメモリに適用する場合には、さらにNOR型、NAND型、あるいは他の公知の型に対応する回路構成を採用することが可能である。ただし、本願発明においては、ピニング線と呼ばれる多値を制御する配線を有する点において従来の回路構成とは異なっている(実施例3、5参照)。
【0085】
また、本実施例ではスタック型のメモリトランジスタについて述べたが、本願発明はスプリットゲート構造のメモリトランジスタに対しても適用することが可能である(実施例2参照)。
【0086】
さらに、本願発明のメモリトランジスタは、ホットエレクトロン書き込みを行うことも可能である。具体的には、書き込みを行うチャネル形成領域を挟む2つのピニング領域に電圧を印加することによって、選択したチャネル形成領域のみにおいてインパクトイオン化を発生させればよい。例えばnチャネル型の場合に、ドレイン領域のチャネル長方向の方向電界を大きくするためには、2つのピニング領域の電位を他のピニング領域の電位よりも高くするとよい。
【0087】
この他、フローティングゲート電極とソース領域あるいはドレイン領域とのオーバーラップ領域を形成することにより、ソース側あるいはドレイン側からのトンネル電流による電子の注入や放出を行うことも可能である。
【0088】
また、本願発明において、メモリトランジスタと一体形成される駆動回路および他の周辺回路を構成するトランジスタ、あるいは半導体装置においてメモリ部と一体形成される他の回路を構成するトランジスタに対しても、ピニング領域を設けることは有効である。これにより、メモリセル以外の回路においても、短チャネル効果の抑制およびその他のピニング領域による効果を得ることが可能となる。
【0089】
(実施例1)
本実施例では、本願発明の不揮発性メモリの作製方法について述べる。本願発明のピニング型メモリトランジスタは、ピニング領域を除けば、基本的にはソース領域、ドレイン領域、チャネル形成領域、フローティングゲート電極、コントロールゲート電極によって構成されているので、微細加工が可能な範囲で、公知の作製方法を用いることができる。
【0090】
特に、従来のメモリトランジスタの作製方法と同様に、第1のゲート絶縁膜は熱酸化工程によって良質の膜を形成することが好ましく、また、層間膜としてSiO2/SiN/SiO2で表される様な積層膜(ONO膜と呼ばれる)を用いることが望ましい。勿論、他の絶縁膜を用いることも可能である。
【0091】
作製方法の観点から見た場合、本願発明のピニング型メモリトランジスタの特徴は、ピニング領域と呼ばれる不純物領域を形成する点と、素子サイズが極めて小さいメモリトランジスタを対象にしているという点にある。例えば、ピニング領域に関して言えば、フローティングゲート電極と第1のゲート絶縁膜を介して一部重なる構造とすることや、ソース領域およびドレイン領域を横切る構造とすることなどに特徴がある。また、素子サイズに関して言えば、フローティングゲート電極、ピニング領域およびチャネル形成領域の加工寸法として典型的には、0.01〜1μmのサイズで形成しなくてはならない。フローティングゲート電極とピニング領域との間のオーバーラップ構造はさらに微細な構造が必要である。
【0092】
このような極微細な構造を作製するためには、一般的にはセルフアライン方式が非常に有効である。本願発明のピニング型メモリトランジスタにおいても、ピニング領域、オーバーラップ領域、ソース領域およびドレイン領域の形成にはセルフアライン方式を用いることが望ましい。具体的にはまず、ピニング領域の形成は、まずフローティングゲート電極の極微細加工を行い、これをマスクとして、イオンインプランテーション法によってセルフアライン方式で形成する。特に、フローティングゲート電極とピニング領域との間にオーバーラップ領域を形成する場合には、イオンインプランテーション法による斜め打ち込みを行えばよい。
【0093】
なお、フローティングゲート電極の極微細加工は、0.15μm程度までのパターンに関してはステッパーやスキャン露光装置によってレジストによるマスクパターンを形成することができる。一方、パターンサイズが0.15μm以下になると、電子描画法によるマスクパターンの形成が必要となる。マスクパターンの形成後はICP等によるドライエッチングを行うことが好ましい。
【0094】
なお、ピニング領域への不純物の打ち込みは、基板に対して垂直方向への高エネルギー打ち込みと斜め方向への低エネルギー打ち込みに分けてもよいし、基板に対して斜め方向への高エネルギー打ち込みを一度で行う方法でも良い。
【0095】
ピニング領域に添加した不純物元素はファーネスアニール、レーザーアニール、ランプアニール等で活性化を行うことが好ましい。特に、不純物の拡散を最小限に抑えるためには、RTA法による活性化が好ましい。
【0096】
次に、ソース領域、ドレイン領域およびピニング領域から配線を引き出す領域におけるピニング領域の形成について述べる。ピニング領域がドレイン領域を横切る場合の断面構造の一例は、図3に示されており、実施の形態において説明した。ピニング領域は微細な構造であるからやはりセルフアライン方式によって作製するのが好ましい。従って、最初にソース領域、ドレイン領域等、活性領域以外でピニング領域を形成する必要のある領域においても、フローティングゲート電極を適切な形に微細加工する。そして、フローティングゲート電極をマスクとして、イオンインプランテーション法によって、活性領域内のピニング領域と同時に形成することが好ましい。
【0097】
最終的には、活性領域以外フローティングゲート電極は取り除かれる。レジストをマスクとしてもよいし、コントロールゲート電極をマスクとして取り除くこともできる。
【0098】
また、ソース領域およびドレイン領域への不純物ドープはコントロールゲート電極をマスクとするセルフアライン方式によって行われる。このとき、ソース・ドレイン領域への打ち込み深さは、ピニング領域の深さよりも浅くなるように調節する。また、ソース・ドレイン領域がピニング領域によって分断されないように、ソース・ドレイン領域の不純物濃度はピニング領域の不純物濃度よりも濃くする必要がある。このようにして、図3に示した断面構造が形成される。なお、ソース・ドレイン領域への打ち込み深さを、ピニング領域の深さよりも浅くすることは、ドレイン領域の空乏層の広がりを効果的に抑える目的においても重要である。
【0099】
なお、ソース領域およびドレイン領域がピニング領域によって分断される場合には、コンタクトホール形成後に、まずソース・ドレイン領域と同じ導電型の不純物(代表的には、n型ならば、リン、p型ならばボロン)を含むポリシリコンを成膜したのちに、アルミニウム等の金属膜を成膜することによって、ソース領域およびドレイン領域コンタクトを取ることができる。
【0100】
本実施例では、本願発明のピニング型メモリトランジスタの作製方法において、特に、ピニング領域の作製方法と、極微細加工に関して述べた。これらのプロセスを公知のメモリトランジスタ作製プロセスに適切に組み込むことによって、本願発明の不揮発成メモリを作製することが可能となる。勿論、実施の形態で説明したピニング型メモリトランジスタの構造、あるいは実施例3、5で説明する回路構造を作製する方法であれば、どのような作製方法であっても構わない。
【0101】
(実施例2)
本実施例では、実施の形態で示したピニング型メモリトランジスタの構成(図1参照)とは異なる例として、スプリットゲート構造を有するピニング型メモリトランジスタの構成例を、図6を用いて説明する。
【0102】
なお、フローティングゲート電極およびコントロールゲート電極の構造を除いた領域に関しては、図1に示したスタックゲート型メモリトランジスタと同じ構造であり、図1の説明に用いた符号を利用する。即ち、図6において図1と同じ符号のついた部分は図1の説明を参照すれば良い。本実施例では、特にフローティングゲート電極およびコントロールゲート電極についての説明を行う。
【0103】
スプリットゲート構造とは、図6に示す通り、コントロールゲート電極610の一部が活性領域上に第1のゲート絶縁膜を介して直接積層されている構造をいう。従って、チャネル形成領域は、第1のゲート絶縁膜を介してフローティングゲート電極608が形成されている領域と、コントロールゲート電極が形成されている領域とに分けられる。
【0104】
図14に、図6に示したスプリットゲート構造のピニング型メモリトランジスタの等価回路を示す。スプリットゲート構造のピニング型メモリトランジスタの動作方法は、スタック構造のピニング型メモリトランジスタの動作方法と同様で良い。スプリットゲート構造を用いる利点は、チャネル形成領域上にコントロールゲート電極が形成されている領域が選択トランジスタとして機能する点にある。つまり、ピニング型メモリトランジスタの選択性を高める働きと、読み出し時において、非選択セルが過消去状態であってもオフの状態を保つ働きとがある。
【0105】
なお、スプリットゲート構造のピニング型メモリトランジスタは、基本的にはスタック構造のピニング型メモリトランジスタと同じ工程でもって作製できる。つまり、実施例1に示したプロセスを用いて作製することが可能である。
【0106】
(実施例3)
本実施例では、本願発明の多値メモリトランジスタを、NAND型フラッシュメモリに応用した回路の説明を行う。ただし、本願発明では、ピニング線と呼ばれる多値を制御する配線を有する点、これに伴い書き込み、消去、読み出しの方式が異なる点、等において、従来のNAND型フラッシュメモリとは異なる。
【0107】
図7は、メモリセルが縦8×横n個(nは1以上の整数)のマトリクス状に配列されたNAND型のメモリセルアレイの回路図である。各メモリセルはそれぞれ、四角の破線で囲まれた一つのピニング型メモリトランジスタによって構成されている。
【0108】
本実施例では、各ピニング型メモリトランジスタが3つのフローティングゲート電極を有する場合について説明を行うが、一般にk個(kは1以上の整数)のフローティングゲート電極を有する場合についても、本実施例を適用することは容易である。また、本実施例では、縦8個×横n個のメモリセルアレイについて説明を行うが、この構成に限定する必要はない。なお、メモリトランジスタ(1,1)〜(n,m)はnチャネル型またはpチャネル型のいずれの導電型トランジスタでも良いが、本実施例では、nチャネル型トランジスタとする。
【0109】
図7において、同じ列に配置されたピニング型メモリトランジスタ(例えば第1列の(1,1)〜(1,8))は直列に接続されている。また、同じ行に配置されたピニング型メモリトランジスタ(例えば、第1行の(1,1)〜(n,1))、は、それぞれのコントロールゲート電極が一つのワード線W1に接続されている。
【0110】
なお、ピニング型メモリトランジスタを直列に接続するとは、ピニング型メモリトランジスタを構成するサブメモリトランジスタおよびピニング領域を、それぞれ直列に接続することを意味する。また、ピニング型メモリトランジスタのコントロールゲート電極は、ピニング型メモリトランジスタを構成するサブメモリトランジスタ全てに共通である。
【0111】
直列に接続された8つのピニング型メモリトランジスタ(例えば第1列の(1,1)〜(1,8))の両端には、選択用トランジスタ(1,0)及び(1,9)が直列に接続されている。つまり、第1行目のメモリセルの上には、選択用トランジスタ(1,0)〜(n,0)が、第8行目のメモリセルの下には、選択用トランジスタ(1,9)〜(n,9)がそれぞれ配置されている。選択用トランジスタ(1,0)〜(n,0)のソース電極及びドレイン電極の残る一方にはビット線B1〜Bnが接続されており、ゲート電極には選択用ゲート線S1が接続されている。また、選択用トランジスタ(1,9)〜(n,9)のソース電極及びドレイン電極の残る一方には共通のソース電位Vsが与えられており、ゲート電極には選択用ゲート線S2が接続されている。
【0112】
そして、直列に接続された8つのピニング型メモリトランジスタ(例えば第1列の(1,1)〜(1,8))が有する4つのピニング領域は、それぞれピニング線P(1;0)、P(1;1)、P(1;2)、P(1;3)に接続されている。
【0113】
このように構成された本願発明の不揮発性メモリの動作方法について述べる。本願発明では、実施の形態で説明したように、書き込みと消去はフローティングゲート電極とピニング領域間のトンネル電流によって行い、読み出し方法は1値/FG方式または1ビット/FG方式を用いることができる。1値/FG方式の場合、本実施例の不揮発性メモリは各メモリセルに4値、つまり2ビットのデータを格納することができるので、8×n×2ビットの記憶容量を有する。また、1ビット/FG方式の場合、本実施例の不揮発性メモリは各メモリセルに3ビットを格納することができるので、8×n×3ビットの記憶容量を有する。なお、書き込みと消去は、一行同時書き込みと一括消去について説明する。
【0114】
なお、従来のNAND型フラッシュメモリでは、書き込み方法と消去方法はフローティングゲート電極とチャネル形成領域全面(ウェル)間のトンネル電流によって行われるが、本願発明ではそのようなウェル電位を制御する必要はない。また、トンネル電流はオーバーラップ領域を用いるため、チャネル領域全面を用いる従来方法と比較してカップリング比を大きく取ることが可能であり、低い動作電圧を実現することができる。
【0115】
本実施例において、”0”の状態とはメモリトランジスタのフローティングゲート電極に電荷が蓄積されている状態を指し、”1”の状態とはメモリトランジスタのフローティングゲート電極に電荷が蓄積されていない状態を指す。また、”0”の状態のメモリトランジスタのしきい値電圧は0.5V〜3Vであるとし、”1”の状態のメモリトランジスタのしきい値電圧は−1V以下であるとする。
【0116】
まず、一行同時書き込みについて述べる。具体例として、一行目のピニング型メモリトランジスタ(1,1)〜(n,1)を取り上げ、メモリトランジスタ(1,1)を構成するサブメモリトランジスタ(1,1;1)に”0”を、他のサブメモリトランジスタ(1,1;2)および(1,1;3)に”1”を、またメモリトランジスタ(2,1)〜(n,1)を構成する全てのサブメモリトランジスタに”1”を書き込む場合を説明する。なお、書き込む直前は全て”1”の状態とする。
【0117】
まず、ピニング線P(1;1)とソース電位VsをGNDに落し、ピニング線P(1;0),P(1;2),P(1;3)を7Vとする。また、選択用ゲート線S1、S2にそれぞれ0Vを印加し、選択用トランジスタ(1,0)〜(n,0)および(1,9)〜(n,9)をオフの状態にする。そしてワード線W1に15V、ワード線W2〜W8に7Vを印加すると共に、ビット線B1〜Bnに0Vを印加する。
【0118】
その結果、メモリトランジスタ(1,1)においては、サブメモリトランジスタ(1,1;1)のフローティングゲート−ピニング領域間にのみ高電圧(約15V)が印加され、トンネル電流によるフローティングゲートへの電荷注入が行われ、”0”が書き込まれる。サブメモリトランジスタ(1,1;2)、(1,1;3)および、メモリトランジスタ(2,1)〜(n,1)を構成するピニング領域とフローティングゲート間には高々8Vの電位差が生じるだけであり、フローティングゲートへの電荷注入は行われない。つまり、サブメモリトランジスタ(1,1;2)、(1,1;3)およびメモリトランジスタ(2,1)〜(n,1)は”1”の状態のままとなる。また、一行目以外のメモリトランジスタについても、フローティングゲート−ピニング領域間に高々7Vの電位差が生じるだけであり、フローティングゲートへの電荷注入は行われない。このようにして、一行同時書き込みが行われる。
【0119】
次に、メモリトランジスタ(1,1)からの1値/FG方式の読み出しについて説明する。まず、ピニング線P(1;0)〜P(1;3)をGNDに落し、ワード線W1に0V、ワード線W2〜W8に5Vを印加する。これにより、2行目から8行目のメモリトランジスタは全てオンの状態となる。また、1行目のメモリトランジスタは、”1”の状態のサブメモリトランジスタがオンの状態となり、”0”の状態のサブメモリトランジスタがオフの状態となる。つまり、直列に接続された8つのメモリトランジスタの電流量は、1行目のメモリトランジスタ(1,1)を構成する”1”の状態のサブメモリトランジスタの数よって決まることになる。そして、選択用ゲート線S1、S2に5Vを印加し、選択用トランジスタをオンの状態とすると共に、ソース電位VsをGNDに落すことにより、ビット線B1を通して、メモリトランジスタ(1,1)に格納された4値のデータの読み出すことが可能となる。
【0120】
次に、メモリトランジスタ(1,1)からの1ビット/FG方式の読み出しについて説明する。最初に、サブメモリトランジスタ(1,1;1)から選択的に1ビットの情報を読み出す方法を述べる。まず、ピニング線P(1;0)、P(1;1)をGNDに落し、ピニング線P(1;2)、P(1;3)に−5V、ワード線W1に0Vを印加する。これにより、1行目のメモリトランジスタにおいて、サブメモリトランジスタ(1,1;1)以外は全てオフの状態となる。また、サブメモリトランジスタ(1,1;1)は、”1”の状態であればオンの状態となり、”0”の状態であればオフの状態となる。一方、ワード線W2〜W8には5Vを印加する。これにより、2行目から8行目のメモリトランジスタにおいて、サブメモリトランジスタ(1,1;1)と直列に接続するサブメモリトランジスタは全てオンの状態となる。その結果、直列に接続された8つのメモリトランジスタの導通、非導通は、サブメモリトランジスタ(1,1;1)の状態で決まることになる。そして、選択用ゲート線S1、S2に5Vを印加し、選択用トランジスタをオンの状態とすると共に、ソース電位VsをGNDに落すことにより、ビット線B1を通して、サブメモリトランジスタ(1,1;1)のデータを読み出すことが可能となる。全く同様にして、サブメモリトランジスタ(1,1;2)、(1,1;3)からも、1ビットの情報を読み出すことが可能であり、メモリトランジスタ(1;1)から3ビットの情報を読み出すことが可能となる。
【0121】
一括消去を行う場合は、全てのワード線W1〜W8を0Vとし、全てのピニング線P(1;i)〜P(n;i)(i=0〜3)を15Vとする。その結果、フローティングゲート電極−ピニング領域間に高電位差が生じ、トンネル電流による消去が行われる。なお、選択用ゲート線S1、S2の電位は選択トランジスタがオフの状態となるように決める。
【0122】
勿論、上述した動作電圧の値は、一例であって、その値に限られるわけではない。実際に、メモリトランジスタに印加される電圧は、メモリトランジスタの半導体活性層の膜厚やコントロールゲート電極とフローティングゲート電極との間の容量等に依存する。そしてメモリトランジスタの動作電圧もそれに従って変化する。
【0123】
なお、メモリトランジスタへの書き込み時および読み出し時において、同じ列や行のメモリセルに電圧が印加されることによって、誤消去や誤書き込みが発生する場合がある。動作電圧は、このような書き込みストレスや読み出しストレスを最小限に抑え、誤消去や誤書き込みが発生しないように設定することが必要である。
【0124】
なお、本実施例の回路構成は、実施例1に示したプロセスを用いて作製することが可能である。特に、選択トランジスタに関しては他のサブメモリトランジスタと同様にフローティングゲート電極を加工して、セルフアラインによってピニング領域を形成した後に、フローティングゲート電極をエッチングで取り除けばよい。
【0125】
(実施例4)
本実施例では、本願発明のピニング領域を用いた不揮発性メモリを構成するメモリセルの上面構造について説明する。図8には、実施例3に示したNAND型フラッシュメモリを構成するメモリセルアレイの上面図の一例が示されている。
【0126】
図8に示した上面図は、2つのピニング型の選択トランジスタ810と8つのピニング型メモリトランジスタ811(3つだけ表示)を直列してなるメモリセルアレイの上面図であり、領域801はフィールド酸化膜、領域808がピニング領域である。図8において、それぞれのピニング型メモリトランジスタ811は、フローティングゲート電極805を3つ有しており、3つのサブメモリトランジスタ812によって構成されている。また、メモリトランジスタ811のコントロールゲート電極はワード線804を兼ねており、選択トランジスタ810のゲート電極は選択線803を兼ねている。選択線トランジスタのドレイン領域と配線(ビット線)809はコンタクトホール807を介して電気的に接続されている。
【0127】
なお、本実施例は実施の形態におけるメモリセルの上面図の一例である。勿論、実施例3において説明した回路構成と合致すれば、他のどのような上面図であっても構わない。
【0128】
(実施例5)
本実施例では、本願発明の多値メモリトランジスタを、NOR型フラッシュメモリに応用した回路の説明を行う。ただし、本願発明では、ピニング線と呼ばれる多値を制御する配線を有する点、これに伴い書き込み、消去、読み出しの方式が異なる点、等において、従来のNOR型フラッシュメモリとは異なる。
【0129】
図9は、メモリセルがm行n列(m、nはそれぞれ1以上の整数)のマトリクス状に配列されたNOR型のメモリセルアレイの回路図である。各メモリセルはそれぞれ、四角の破線で囲まれた一つのピニング型メモリトランジスタによって構成されている。
【0130】
本実施例では、各ピニング型メモリトランジスタが3つのフローティングゲート電極を有する場合について説明を行うが、一般にk個(kは1以上の整数)のフローティングゲート電極を有する場合についても、本実施例を適用することは容易である。また、メモリトランジスタ(1、1)〜(n、m)はnチャネル型またはpチャネル型のいずれの導電型トランジスタでも良いが、本実施の形態では、nチャネル型トランジスタとする。
【0131】
図9において、i番目の列(iは1以上n以下の整数)に配置されているm個のメモリセルを構成するピニング型メモリトランジスタ(i,1)、(i,2)〜(i,m)は、ドレイン電極にビット線Biが接続され、ソース電極にはソース電位Vsが与えられている。また4つのピニング領域には、それぞれピニング線P(i;0)、P(i;1)、P(i;2)、P(i;3)が接続されている。また、j番目の行(jは1以上m以下の整数)に配置されているn個のメモリセルを構成するメモリトランジスタ(1,j)、(2,j)〜(n,j)は、コントロールゲート電極にワード線Wjが接続されている。
【0132】
このように構成された本願発明の不揮発性メモリの動作方法について述べる。本願発明では、実施の形態で説明したように、書き込みと消去はフローティングゲート電極とピニング領域間のトンネル電流によって行い、読み出し方法は1値/FG方式または1ビット/FG方式を用いることができる。1値/FG方式の場合、本実施例の不揮発性メモリは各メモリセルに4値、つまり2ビットのデータを格納することができるので、m×n×2ビットの記憶容量を有する。また、1ビット/FG方式の場合、本実施例の不揮発性メモリは各メモリセルに3ビットを格納することができるので、m×n×3ビットの記憶容量を有する。
【0133】
なお、本願発明の不揮発性メモリでは、トンネル電流による書き込みを行うため、ホットエレクトロン注入を行う従来のNOR型フラッシュメモリと比して、書き込みに必要な電流量は小さくてすむ。そのため、昇圧が容易であると共に、同時書き込みによる書き込みの高速化が可能となる。
【0134】
具体例として、図9におけるピニング型メモリトランジスタ(1,1)への書き込み、読み出し、およびメモリ全体の一括消去について説明する。
【0135】
まず、ピニング型メモリトランジスタ(1,1)を構成するサブメモリトランジスタ(1,1;1)への書き込みを行う場合は、ソース電位Vs、ビット線B1〜BnをGNDに落し、ワード線W1に正電圧(例えば6V)、ピニング線P(1;1)に負電圧(例えば−6V)を印加する。また、P(1;1)以外のピニング線には0Vを印加する。その結果、サブメモリトランジスタ(1,1;1)のフローティングゲート−ピニング領域間にのみ高い電位差(約12V)が生じ、トンネル電流によるフローティングゲートへの電荷注入(つまり書き込み)が行われる。ピニング型メモリトランジスタ(1,1)を構成する他のサブメモリトランジスタ(1,1;2)、(1,1;3)への書き込みも全く同様に行うことができる。
【0136】
次に、メモリトランジスタ(1,1)からの1値/FG方式の読み出しについて説明する。まず、ソース電位Vsおよびピニング線P(1;0)〜P(1;3)をGNDに落し、ワード線W1に所定の電位を印加する。その結果、メモリトランジスタ(1,1)において、フローティングゲート電極に電荷が蓄積されていないサブメモリトランジスタがオンの状態となり、フローティングゲート電極に電荷が蓄積されているサブメモリトランジスタがオフの状態となる。つまり、メモリトランジスタ(1、1)において形成されるチャネル幅の総和は、電荷が蓄積されていないフローティングゲート電極の数に比例する。このようにして、メモリトランジスタ(1、1)に格納された4値のデータをビット線B1から読み出す。
【0137】
次に、メモリトランジスタ(1,1)からの1ビット/FG方式の読み出しについて説明する。最初に、サブメモリトランジスタ(1,1;1)から選択的に1ビットの情報を読み出す方法を述べる。まず、ソース電位Vsおよびピニング線P(1;0)、P(1;1)をGNDに落し、ピニング線P(1;2)、P(1;3)に−5V、ワード線W1に所定の電位を印加する。その結果、1行目のメモリトランジスタにおいて、サブメモリトランジスタ(1,1;1)以外は全てオフの状態となる。また、サブメモリトランジスタ(1,1;1)は、フローティングゲート電極に電荷が蓄積されていなければオンの状態となり、フローティングゲート電極に電荷が蓄積されていればオフの状態となる。従って、サブメモリトランジスタ(1,1;1)に格納された1ビットのデータをビット線B1から読み出すことが可能となる。全く同様にして、サブメモリトランジスタ(1,1;2)、(1,1;3)からも、1ビットの情報を読み出すことが可能であり、メモリトランジスタ(1;1)から3ビットの情報を読み出すことが可能となる。
【0138】
なお、所定の電圧は、消去された状態(フローティングゲート電極に電子が蓄積されていない状態)におけるしきい値電圧と書き込まれた状態(フローティングゲート電極に電子が蓄積された状態)におけるしきい値電圧の間に設定すればよい。例えば、消去された状態のメモリトランジスタが0.5V以上3.5V以下のしきい値電圧を有し、書き込まれた状態のメモリトランジスタが、6.5V以上のしきい値電圧を有する場合には、所定の電圧として例えば5Vを用いることができる。
【0139】
なお、書き込み時および読み出し時において選択されていない信号線B2〜Bn、W2〜Wm、P(2;i)〜P(n;i)(i=0〜3)の電位は全て0Vであるとする。
【0140】
メモリ全体の一括消去を行う場合、ソース電位Vs、ビット線B1〜Bnおよびワード線W1〜WmをGNDに落す。そして、ピニング線P(1;1)〜P(n;3)に正電圧(例えば12V)を印加すると、全てのメモリトランジスタにおいて、フローティングゲート電極に蓄積されている電子がトンネル電流によってピニング領域へ注入され、記憶されていたデータが消去される。
【0141】
勿論、上述した動作電圧の値は、一例であって、その値に限られるわけではない。実際に、メモリトランジスタ(1,1)に印加される電圧は、メモリトランジスタの半導体活性層の膜厚やコントロールゲート電極とフローティングゲート電極との間の容量等に依存する。そしてメモリトランジスタ(1,1)の動作電圧もそれに従って変化する。
【0142】
なお、メモリトランジスタ(1,1)への書き込み時および読み出し時において、同じ列や行のメモリセルに電圧が印加されることによって、誤消去や誤書き込みが発生する場合がある。動作電圧は、このような書き込みストレスや読み出しストレスを最小限に抑え、誤消去や誤書き込みが発生しないように設定することが必要である。
【0143】
なお、本実施例の回路構成は、実施例1に示したプロセスを用いて作製することが可能である。また、実施例2に示したスプリットゲート構造のメモリトランジスタを用いることも可能である。
【0144】
(実施例6)
本実施例では、本願発明のピニング領域を用いた不揮発性メモリを構成するメモリセルの上面構造について説明する。図10(A)には、実施の形態に示したNOR型フラッシュメモリを構成するメモリセルアレイの上面図の一例が示されている。
【0145】
図10(A)に示した上面図は、実施例5に示したNOR型フラッシュメモリにおける2つの並列するピニング型メモリトランジスタを含む上面図であり、領域1001はフィールド酸化膜、領域1007がピニング領域である。図10(A)において、それぞれのピニング型メモリトランジスタ1009は、フローティングゲート電極1005を3つ有しており、3つのサブメモリトランジスタ1010によって構成されている。領域1011はソース領域、1012はドレイン領域であり、ドレイン領域1012と配線(ビット線)1008とはコンタクトホール1006を介して電気的に接続されている。また、メモリトランジスタ1009のコントロールゲート電極はワード線1004を兼ねている。
【0146】
なお、図10(A)において、実施例5に示した回路構造と合致するためには、2つのメモリトランジスタ間において、ピニング領域が電気的に接続されると同時に、ソース・ドレイン領域は電気的に非接続の状態である必要がある。このような構成とするためには、領域1003に不純物を添加しないで実質的に真性な領域を形成するか、さらに好ましくは、酸素等の不純物を添加して電子と正孔の両方にとって非導電性の不純物領域を形成するとよい。特に、酸素を添加した場合ついて、線分BB’に関する断面図を図10(B)に示す。図10(B)において、領域1007はピニング領域、領域1003は酸素を添加した不純物領域である。
【0147】
なお、本実施例は実施の形態におけるメモリセルの上面図の一例である。勿論、実施例5において説明した回路構成と合致すれば、他のどのような上面図であっても構わない。
【0148】
(実施例7)
本実施例では本願発明の不揮発性メモリをワンチップ上に集積化されたRISCプロセッサ、ASICプロセッサ等のマイクロプロセッサに適用した場合の例について説明する。
【0149】
図11に示すのは、マイクロプロセッサの一例である。マイクロプロセッサは典型的にはCPUコア1101、キャッシュメモリ1102(RAMでも良い)、クロックコントローラ1103、フラッシュメモリ1104、キャッシュコントローラ1105、シリアルインターフェース1106、I/Oポート1107等から構成される。
【0150】
勿論、図11に示すマイクロプロセッサは簡略化した一例であり、実際のマイクロプロセッサはその用途によって多種多様な回路設計が行われる。
【0151】
図11に示すマイクロプロセッサではCPUコア1101、クロックコントローラ1103、キャッシュコントローラ1105、シリアルインターフェース1106、I/Oポート1107をCMOS回路で構成している。
【0152】
また、フラッシュメモリ1104には本願発明の不揮発性メモリが利用され、ピニング型メモリトランジスタを用いた多値フラッシュメモリが用いられている。フラッシュメモリ1104の回路構成としては、実施例3または5に示した回路構成を用いることができるし、他の回路構成を用いることもできる。なお、キャッシュメモリ1102に本願発明の不揮発性メモリを利用することも可能である。
【0153】
なお、CPUコア1101、クロックコントローラ1103、キャッシュコントローラ1105、シリアルインターフェース1106、I/Oポート1107を構成するCMOS回路に対して、本願発明で用いたピニング領域を設けることも有効である。CMOS回路を含むトランジスタにピニング領域を適用する場合の詳細については、例えば、特開平10−65162号公報を参照することができる。
【0154】
この様に、ピニング領域は回路設計の段階で必要箇所に設けることが可能であり、回路全体に利用するか、その一部に利用するかは実施者が適宜決定すれば良い。様々な性能が複合化されたハイブリッドICに本願発明を適用する場合においては、この様な回路設計の自由度が非常に有効である。
【0155】
(実施例8)
本願発明の不揮発性メモリはデータの記憶・読み出しを行う記録媒体として、あらゆる分野の電子機器に組み込むことが可能である。本実施例では、その様な電子機器について説明する。
【0156】
本願発明の不揮発性メモリを利用しうる電子機器としては、ビデオカメラ、デジタルカメラ、プロジェクター(リア型またはフロント型)、ヘッドマウントディスプレイ、ゴーグル型ディスプレイ、ゲーム機、カーナビゲーション、パーソナルコンピュータ、携帯情報端末(モバイルコンピュータ、携帯電話または電子書籍等)などが挙げられる。それらの一例を図12、13に示す。
【0157】
図12(A)はディスプレイであり、筐体2001、支持台2002、表示部2003等を含む。
本願発明は表示部2003やその他の信号制御回路に接続され、画像信号の補正や処理データの記憶に利用される。
【0158】
図12(B)はビデオカメラであり、本体2101、表示部2102、音声入力部2103、操作スイッチ2104、バッテリー2105、受像部2106で構成される。本願発明は内蔵のLSI基板に組み込まれ、画像データの記憶などの機能に利用される。
【0159】
図12(C)はヘッドマウントディスプレイの一部(右片側)であり、本体2201、信号ケーブル2202、頭部固定バンド2203、表示部2204、光学系2205、表示装置2206等を含む。本願発明は表示装置2206やその他の信号制御回路に接続され、画像信号の補正や処理データの記憶に利用される。
【0160】
図12(D)は記録媒体を備えた画像再生装置(具体的にはDVD再生装置)であり、本体2301、記録媒体2302、操作スイッチ2303、表示部(a)2304、表示部(b)2305等で構成される。なお、この装置は記録媒体としてDVD(Digital Versatile Disc)、CD等を用い、音楽鑑賞や映画鑑賞やゲームやインターネットを行うことができる。本願発明は内蔵のLSI基板に組み込まれ、画像データや処理データの記憶などの機能に利用される。
【0161】
図12(E)はゴーグル型ディスプレイであり、本体2401、表示部2402、アーム部2403を含む。本願発明は表示部2402やその他の信号制御回路に接続され、画像信号の補正や処理データの記憶に利用される。
【0162】
図12(F)はパーソナルコンピュータであり、本体2501、筐体2502、表示部2503、キーボード2504等で構成される。本願発明は内蔵のLSI基板に組み込まれ、処理データや画像データの記憶に利用される。
【0163】
図13(A)は携帯電話であり、本体2601、音声出力部2602、音声入力部2603、表示部2604、操作スイッチ2605、アンテナ2606を含む。本願発明は内蔵のLSI基板に組み込まれ、電話番号を記録するアドレス機能などを付加するために利用される。
【0164】
図13(B)は音響再生装置、具体的にはカーオーディオであり、本体2701、表示部2702、操作スイッチ2703、2704を含む。本願発明は内蔵のLSI基板に組み込まれ、画像データや処理データの記憶などの機能に利用される。また、本実施例では車載用オーディオを示すが、携帯型や家庭用の音響再生装置に用いても良い。
【0165】
以上の様に、本願発明の適用範囲は極めて広く、あらゆる分野の電子機器に適用することが可能である。また、本実施例の電子機器は実施例1〜6のどのような組み合わせからなる構成を用いても実現することができる。
【0166】
【発明の効果】
本願発明を利用することで、短チャネル効果などに代表される微細効果の影響を最小限に抑え、不揮発性メモリのさらなる微細化を進めることができる。
【0167】
また、本願発明によると、フローティングゲート電極の電荷蓄積量を制御する従来方式による多値技術とは全く異なる方式によってセルの多値化を行うことが可能であり、従来以上に多値化を進めることが可能となる。
【0168】
その結果、極めて集積密度の高い不揮発性メモリを実現することが可能となる。
【0169】
さらに、本願発明の集積密度の高い不揮発性メモリを搭載することによって、高機能、多機能化が可能な半導体装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】 本願発明の不揮発性メモリの全体構成を示す図。
【図2】 本願発明の不揮発性メモリの部分構成を説明する上面図。
【図3】 本願発明の不揮発性メモリの部分構成を説明する断面図。
【図4】 エネルギーバンドの変化を説明するための図。
【図5】 本願発明の不揮発性メモリの等価回路を示す図。
【図6】 本願発明の不揮発性メモリの全体構成を示す図。
【図7】 本願発明の不揮発性メモリの回路構成を示す図。
【図8】 本願発明の不揮発性メモリの上面図。
【図9】 本願発明の不揮発性メモリの回路構成を示す図。
【図10】 本願発明の不揮発性メモリの上面図。
【図11】 本願発明の不揮発性メモリを用いた半導体回路を示す図。
【図12】 本願発明の不揮発性メモリを用いた電子機器を示す図。
【図13】 本願発明の不揮発性メモリを用いた電子機器を示す図。
【図14】 本願発明の不揮発性メモリの等価回路を示す図。
【符号の説明】
101 シリコン基板
102 フィールド酸化膜
103 ソース領域
104 ドレイン領域
105 ピニング領域
106 チャネル形成領域
107 第1のゲート絶縁膜
108 フローティングゲート電極
109 第2のゲート絶縁膜
110 コントロールゲート電極
111 層間膜
112 配線[0001]
[Technical field to which the invention belongs]
The present invention relates to a semiconductor nonvolatile memory. In particular, the present invention relates to an electrically writable and erasable semiconductor non-volatile memory (hereinafter referred to as EEPROM or Electrically Erasable and Programmable Read Only Memory). In particular, the present invention relates to a semiconductor nonvolatile memory using a multi-value technology. The present invention is effective for a semiconductor nonvolatile memory having a channel length of 0.01 to 1 μm (preferably 0.01 to 0.5 μm). The present invention also relates to a semiconductor device having a semiconductor nonvolatile memory.
[0002]
In this specification, an electrically writable and erasable semiconductor non-volatile memory (EEPROM) literally refers to an entire semiconductor non-volatile memory capable of electrical writing and erasing, for example, a full-function EEPROM, Includes flash memory in its category. Unless otherwise specified, the nonvolatile memory and the semiconductor nonvolatile memory are used synonymously with the EEPROM. A semiconductor device refers to all devices that function by utilizing semiconductor characteristics. For example, an electro-optical device typified by a microprocessor, a liquid crystal display device, and an EL display device, and a microprocessor or an electro-optical device are mounted. In its category.
[0003]
[Prior art]
An electrically writable and erasable semiconductor non-volatile memory (EEPROM) is known as a memory representative of a semiconductor non-volatile memory. Since EEPROM is a non-volatile memory, unlike DRAM (Dynamic Random Access Memory) and SRAM (Static RAM), which represent other semiconductor memories, data is not lost even when the power is turned off. Further, when compared with a magnetic disk representing another nonvolatile memory, it has excellent characteristics in terms of integration density, impact resistance, power consumption, writing / reading speed, and the like. Because of these features, there has been an increasing trend to use EEPROM as a substitute for various memories such as a magnetic disk or DRAM.
[0004]
In particular, the integration density of EEPROM has been remarkably improved, and development is progressing at a very fast pace of about twice a year. Mass production of EEPROMs with gigabit capacity is expected to be realized soon, and there is also a tendency to pursue DRAMs in terms of integration. Technologies that support such an increase in integration density include circuit configuration improvement, miniaturization technology, and multi-value technology.
[0005]
First, in the circuit configuration, from a full-function EEPROM having a configuration of 2 transistors / cell to a flash memory having a configuration of 1 transistor / cell, and a cell area of 10F. 2 From NOR type flash memory which requires (F is the minimum processing dimension), cell area 5F 2 The integration density has been improved to a NAND flash memory that realizes the above.
[0006]
The miniaturization technology is the most important technology that promotes high integration, miniaturization, and cost reduction in almost all semiconductors such as IC, LSI, VLSI, and ULSI. As with other ICs and the like, the EEPROM is always developed with a miniaturization technique and is being developed along the scaling law.
[0007]
Furthermore, multi-value technology has been attracting attention in recent years as a method for improving the degree of memory integration. The multi-value technique is a technique for holding data of three or more values in one memory cell. As a conventional method, a method of controlling the charge accumulation amount of the floating gate and distinguishing between three or more states has been developed, and a quaternary flash memory has already been commercialized.
[0008]
[Problems to be solved by the invention]
As described above, the EEPROM has realized a dramatic increase in integration density by a circuit configuration, a miniaturization technique, and a multi-value technique. In order to further improve the degree of integration in the future, miniaturization technology and multi-value technology are considered to be increasingly important. However, there are many problems facing miniaturization technology and multi-value technology.
[0009]
Regarding the miniaturization, 0.12 to 0.15 μm is considered as the scaling limit of the EEPROM. There are several factors that determine the scaling limit. Typical examples include the fine processing limit, the short channel effect, and the reliability of the tunnel oxide film. In particular, in an EEPROM that requires an operating voltage higher than that of a normal transistor, the short channel effect is an important problem. Even if microfabrication is possible, the short channel effect does not function as a memory. Can happen.
[0010]
The short channel effect is a general term for various phenomena that occur when the channel length of a transistor is shortened, such as a punch-through phenomenon, deterioration of subthreshold characteristics (increase in S value), reduction in threshold voltage, etc. It has been known. Many of the short channel effects are caused by the depletion layer region extending from the drain region, and how to suppress the spread of the depletion layer region is a problem.
[0011]
In addition, in the case of multilevel, when using the conventional method for controlling the charge accumulation amount of the floating gate electrode, it is difficult to control the variation in the charge accumulation amount, good charge retention characteristics, and good read characteristics. It has been. Although a four-value flash memory is realized by the conventional method, it is considered that development of a multi-value technology different from the conventional method is necessary in order to further increase the number of values.
[0012]
The present invention has been made in view of the above problems. In the present invention, the short channel effect generated with miniaturization is effectively suppressed, and the multi-level cell is made different from the multi-level technology based on the conventional method for controlling the charge accumulation amount of the floating gate electrode. Do. Another object is to provide a non-volatile memory with extremely high integration density.
[0013]
[Means for Solving the Problems]
In the present invention, first, as a method for suppressing the short channel effect accompanying miniaturization, a plurality of local impurity regions are formed in an active region of a memory transistor. Specifically, impurity regions are formed in a stripe shape in the channel length direction. For the impurity region provided in a stripe shape, an impurity having a conductivity type opposite to that of the impurity used for the source region and the drain region is used.
[0014]
Note that in this specification, a region surrounded by a source region, a drain region, and an element isolation region is referred to as an active region, and the active region is further distinguished into an impurity region provided in a stripe shape and a channel formation region.
[0015]
It should be noted that the present invention is applied to an extremely fine nonvolatile memory. Specifically, the channel length is 0.01 to 1 μm (preferably 0.01 to 0.5 μm), the width of the impurity region is 0.01 to 1 μm (preferably 0.01 to 0.5 μm), and the channel formation region Is effective for a semiconductor nonvolatile memory having a width of 0.01 to 1 μm (preferably 0.01 to 0.5 μm).
[0016]
In a fine transistor, a technique for providing a local impurity region in an active region is disclosed in Japanese Patent Laid-Open No. 10-65162. The gazette states that the provision of a local impurity region in the active region suppresses the spread of the depletion layer from the drain region and suppresses the short channel effect while maintaining a high on-current. Has been.
[0017]
In this publication, the term “pinning” is defined in the sense of “suppression” because the effect of suppressing the depletion layer can be understood as if the depletion layer is pinned. An impurity region that pins the depletion layer is called a pinning region.
[0018]
In the present invention, as a more important point, a multi-value memory transistor is realized by applying a memory transistor using a pinning region. The present invention pays attention to the fact that the transistor structure using the pinning region has a plurality of channel formation regions, and realizes multi-valued memory transistors by assigning 1-value or 1-bit data to each channel formation region. To do.
[0019]
Note that in this specification, a memory transistor using a pinning region is particularly referred to as a pinning memory transistor when distinguished from a conventional memory transistor. In obvious cases, the pinning type memory transistor may be simply written as a memory transistor.
[0020]
The pinning type memory transistor of the present invention is characterized in that a floating gate electrode is provided on each of a plurality of channel formation regions via a first gate insulating film, and a potential is independently applied to the plurality of pinning regions. The point made into the structure which can be mentioned. With such a structure, it is possible to store single-value or single-bit data for each floating gate electrode (and thus each channel formation region).
[0021]
Here, an operation method of the pinning memory transistor will be briefly described. Multi-value data is written and erased by a tunnel current between the floating gate electrode and the pinning region. When the memory transistor is an n-channel type, electrons are injected into the selected floating gate electrode, and electrons are emitted from all the floating gate electrodes. When the memory transistor is a p-channel type, electrons are emitted from the selected floating gate electrode, and electrons are injected into all the floating gate electrodes.
[0022]
As a reading method, a case where 1-value data is assigned to each floating gate electrode (referred to as 1-value / FG method) and a case where 1-bit data is assigned (referred to as 1-bit / FG method) can be used. . The 1-value / FG method is a method of reading a current value proportional to the number of formed channels by applying an appropriate potential to the control gate electrode. When k floating gate electrodes (k is an integer of 1 or more) are provided, (k + 1) value data can be stored in one memory transistor. On the other hand, in the 1-bit / FG method, at the time of reading, an appropriate potential is applied to the control gate electrode, and at the same time, an appropriate potential difference is applied between the two pinning regions sandwiching the selected channel formation region and the other pinning regions. As a result, a current value reflecting the state of the selected floating gate electrode can be read, and 1-bit information can be stored per floating gate electrode.
[0023]
Note that the 1-bit / FG method uses a characteristic that the threshold voltage of the selected channel formation region shifts when a voltage is applied to the pinning region sandwiching the channel formation region. This characteristic is effective when the channel width is very narrow, and the width of the channel formation region is desirably 0.01 to 1 μm (preferably 0.01 to 0.5 μm).
[0024]
The configuration of the present invention is shown below.
[0025]
A nonvolatile memory including a memory transistor having at least a source region, a drain region, and an active region formed using a single crystal semiconductor,
The active region is composed of a plurality of impurity regions provided in stripes in the channel length direction and a plurality of intrinsic or substantially intrinsic channel forming regions sandwiched between the plurality of impurity regions,
A non-volatile memory is provided in which the memory transistor stores data of three or more values.
[0026]
A source region, a drain region, and an active region formed using a single crystal semiconductor, and a first gate insulating film, a plurality of floating gate electrodes, and a second gate insulating film on the active region; A non-volatile memory including a memory transistor formed by stacking a control gate electrode,
The active region is composed of a plurality of impurity regions provided in stripes in the channel length direction and a plurality of intrinsic or substantially intrinsic channel forming regions sandwiched between the plurality of impurity regions,
The plurality of floating gate electrodes are provided one on each of the plurality of channel formation regions via the first gate insulating film,
The control gate electrode is provided to overlap the plurality of floating gate electrodes via the second gate insulating film,
A non-volatile memory is provided in which the memory transistor stores data of three or more values.
[0027]
A source region, a drain region, and an active region formed using a single crystal semiconductor, and a first gate insulating film, a plurality of floating gate electrodes, and a second gate insulating film on the active region; A non-volatile memory including a memory transistor formed by stacking a control gate electrode,
The active region is composed of a plurality of impurity regions provided in stripes in the channel length direction and a plurality of intrinsic or substantially intrinsic channel forming regions sandwiched between the plurality of impurity regions,
The plurality of floating gate electrodes are provided one on each of the plurality of channel formation regions via the first gate insulating film,
The control gate electrode is provided to overlap the plurality of floating gate electrodes via the second gate insulating film,
The plurality of impurity regions can independently control the potential,
A non-volatile memory is provided in which the memory transistor stores data of three or more values.
[0028]
Each of the plurality of floating gate electrodes may partially overlap with one of the plurality of impurity regions through the first gate insulating film.
[0029]
The plurality of impurity regions provided in the active region may be continuously formed in one or both of the source region and the drain region.
[0030]
The plurality of impurity regions are preferably formed of an element selected from Group 13 or Group 15.
[0031]
Preferably, the plurality of impurity regions are made of an element selected from Group 13 or Group 15, and a depletion layer extending from the drain region toward the source region is suppressed by the plurality of impurity regions.
[0032]
The concentration of the element contained in the plurality of impurity regions is 1 × 10 17 ~ 5x10 20 atoms / cm Three It is preferable that
[0033]
The channel length of the memory transistor is preferably 0.01 to 1 μm.
[0034]
The width of the plurality of impurity regions is preferably 0.01 to 1 μm.
[0035]
The width of the plurality of channel formation regions is preferably 0.01 to 1 μm.
[0036]
A semiconductor device using the nonvolatile memory as a recording medium is provided.
[0037]
A microprocessor is provided as the semiconductor device.
[0038]
As the semiconductor device, a display, a video camera, a head mounted display, a DVD player, a head mounted display, a personal computer, a mobile phone, and a car audio are provided.
[0039]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
In this embodiment, first, a typical element structure of the pinning memory transistor of the present invention is described, and then various effects (such as suppression of the short channel effect) by the pinning region and multi-valued pinning memory transistors are described. Give an explanation.
[0040]
First, a typical element structure of the pinning type memory transistor of the present invention will be described with reference to FIGS. FIG. 1 shows a top view and a cross-sectional view of a pinned memory transistor having a stack structure. FIG. 2 is a part of the top view shown in FIG. 1 and shows a source region, a drain region, and an active region.
[0041]
First, refer to FIG. In FIG. 1, a substrate 101 is a single crystal silicon substrate, and 102 is a field oxide film formed by the LOCOS method. Of course, the STI method and other element isolation methods may be used. Region 103 and region 104 are a source region and a drain region, respectively. When the memory transistor is an n-channel type, an element selected from group 15 (typically arsenic or phosphorus) is used. An element selected from (typically boron, gallium or indium) is added at a high concentration. Region 105 and region 106 are a pinning region and a channel formation region, respectively.
[0042]
Pinning region 105 is an impurity region having a conductivity type opposite to that of source region 103 and drain region 104. That is, an n-channel memory transistor is formed by adding an element selected from group 13 (typically boron, gallium, or indium). In particular, indium with low diffusion is preferable. A p-channel memory transistor is formed by adding an element selected from Group 15 (typically arsenic or phosphorus). In particular, arsenic with little diffusion is preferable. In the present invention, the concentration of these impurity elements is set to 1 × 10. 17 ~ 5x10 20 atoms / cm Three (Preferably 1 × 10 18 ~ 5x10 19 atoms / cm Three ) Adjust within the range.
[0043]
The implantation depth of the pinning region 105 is desirably deeper than at least the junction depth of the source region 103 and the drain region 104 in order to effectively suppress the short channel effect described later (see FIG. 1C). What is necessary is just to adjust the implantation depth of the pinning area | region 105 so that it may become 0.05-0.5 micrometer (preferably 0.2-0.3 micrometer).
[0044]
To describe the pinning region 105 and the channel forming region 106, which are key points of the present invention, in more detail, reference is made to FIG. The same symbols are used for regions corresponding to FIG. Further, the region 201 is a region sandwiched between the source region and the drain region, and the region 201 is referred to as an active region in this specification.
[0045]
Here, some terms are defined. First, the distance (corresponding to the length of the active region 201) between the source region 103 and the drain region 104 is the channel length (L), the width of the pinning region 105 is the pinning width (v), and the width of the channel formation region 106 Is defined as the channel width (w). The width of the active region 201 is defined as the total channel width (Wtotal). The total channel width is equal to the sum of the pinning width and the channel width. A direction along the channel length is referred to as a channel length direction, and a direction perpendicular to the channel length direction is referred to as a channel width direction.
[0046]
As shown in FIG. 2, one pinning region 105 is typically formed linearly in the channel length direction. A plurality of such pinning regions 105 are provided in a stripe shape. At this time, the two pinning regions located at both ends are preferably formed so as to include a side end portion of the active region 201 (an end portion where the active region and the field oxide film are in contact). A channel formation region is defined as a region surrounded by a source region, a drain region, and a pinning region (or field oxide film). The active region 201 includes a pinning region and a channel formation region.
[0047]
In the multilevel memory transistor according to the present invention, at least two channel formation regions are required in order to assign one-value or one-bit data to one channel formation region. In addition, providing a pinning region at the side end of the active region (the end where the active region and the field oxide film are in contact) has the effect of reducing the leakage current transmitted through the side end.
[0048]
In FIG. 2, the pinning regions are formed not only in the active region 201 but also in the source region 103 and the drain region 104. This is because it is necessary to draw out wiring from each pinning region 105 in the multi-value nonvolatile memory of the present invention. In the present invention, the pinning region crosses the source region 103 or the drain region 104 to lead out the wiring from each pinning region 105. However, the pinning region 105 may have a structure in which a potential is applied independently. Any structure may be used.
[0049]
An example of a cross-sectional structure of the drain region where the pinning region is formed is shown in FIG. The cross-sectional view shown in FIG. 3 is a cross-section regarding the line segment CC ′ of the memory transistor shown in FIG. 1A, and the same symbols are used for regions corresponding to FIG. In FIG. 3, the impurity concentration of the drain region 104 is formed higher than the impurity concentration of the pinning region 105, and the junction depth of the drain region 104 is shallower than the junction depth of the pinning region 105. With such a structure, the structure in which the pinning region 105 crosses the drain region 104 is realized without the drain region 104 being divided by the pinning region 105. Note that the same structure can be used when crossing the source region 103.
[0050]
With reference to FIG. 1 again, the description of the element structure of the memory transistor will be continued.
[0051]
In FIG. 1, a first gate insulating film 107, a floating gate electrode 108, a second gate insulating film 109, a control gate electrode 110, an interlayer film 111, and a wiring 112 are sequentially stacked on the active region described above. It has a structure.
[0052]
One floating gate electrode 108 is provided so as to overlap each channel formation region 106 with the first gate insulating film 107 interposed therebetween. The control gate electrode 110 is common to all the floating gate electrodes 108 and is provided so as to overlap with the second gate insulating film 109. That is, a plurality of memory transistors sharing the source region 103, the drain region 104, and the control gate electrode 110 are incorporated in one memory transistor. In this specification, a memory transistor incorporated in parallel with the pinning type memory transistor of the present invention is referred to as a sub-memory transistor.
[0053]
Each floating gate electrode 108 also has a structure overlapping with a part of the pinning region 105 with the first gate insulating film 107 interposed therebetween. Further, the structure is such that two or more floating gate electrodes do not overlap at the same time with respect to one pinning region. A region where the floating gate electrode and the pinning region overlap is called an overlap region.
[0054]
Note that the thickness of the first gate insulating film 107 is preferably 6 to 20 nm. The floating gate electrode 108 and the control gate electrode 110 are preferably made of a polycrystalline silicon layer. Of course, it is also possible to use a conductive layer such as a metal film instead of the polycrystalline silicon layer. SiO as interlayer film 2 / SiN / SiO 2 It is also effective to use a laminated film (referred to as ONO film) represented by
[0055]
The pinning type memory transistor shown in FIG. 1 has a structure having three floating gate electrodes, in other words, a structure having three sub memory transistors, but the present invention is not limited to this structure. In general, a structure having k floating gate electrodes (or sub-memory transistors) (k is an integer of 1 or more) may be used.
[0056]
The non-volatile memory of the present invention mainly has two excellent features by using the memory transistor having the element structure as described above. One is that a multi-valued memory transistor can be realized, which is extremely effective for high integration of a nonvolatile memory. The other one contributes to the performance improvement as a transistor, and of course, also contributes to the performance improvement in the memory transistor. In particular, the effect of suppressing the short channel effect is indispensable for further miniaturization, and is very important for high integration of nonvolatile memories.
[0057]
Therefore, the present invention is effective for a memory transistor having a very small size. Specifically, it is effective when the channel length (L) is 0.01 to 1 μm (preferably 0.01 to 0.5 μm). The pinning width may be 0.01 to 1 μm (preferably 0.01 to 0.3 μm). The channel width can correspond to any case, but in the present invention, since it is not necessary to flow a particularly large current, it may be 0.01 to 1 μm (preferably 0.01 to 0.5 μm).
[0058]
Before describing the effect of the pinning region, first, the energy band of the active region including the pinning region is considered. 4A and 4B schematically show energy band diagrams in the channel width direction of active regions in n-channel and p-channel pinning memory transistors, respectively. 4A and 4B, regions 401 and 403 represent pinning regions, and regions 402 and 404 represent channel formation regions, respectively.
[0059]
First, the channel formation regions 402 and 404 are intrinsic or substantially intrinsic. Therefore, the Fermi level Ef is located approximately at the center of the energy gap Eg.
[0060]
Note that the intrinsic region refers to a region to which an impurity element imparting N-type or P-type and an impurity element such as carbon, nitrogen, or oxygen is not intentionally added. For example, when an I-type silicon substrate (intrinsic silicon substrate) is produced by an advanced purification technique and used, an intrinsic channel formation region can be obtained. A substantially intrinsic region basically refers to an undoped single crystal semiconductor region. In addition, a region in which the conductivity type is intentionally offset by adding an impurity element of a reverse conductivity type and a region having one conductivity type in a range in which the threshold voltage can be controlled are included. For example, the dopant concentration is 5 × 10 16 atoms / cm Three The following (preferably 5 × 10 15 atoms / cm Three And the concentration of carbon, nitrogen and oxygen contained is 2 × 10 18 atoms / cm Three The following (preferably 5 × 10 17 atoms / cm Three It can be said that the single crystal silicon which is the following is substantially intrinsic. In this sense, a silicon wafer generally used in an IC is substantially intrinsic unless impurities are intentionally added during the process.
[0061]
On the other hand, the pinning regions 401 and 403 are formed by an element selected from group 13 in the n-channel type memory transistor and by an element selected from group 15 in the p-channel type memory transistor, respectively. An element selected from group 13 supplies an electron acceptor level, and an element selected from group 15 supplies an electron donor level. Therefore, in an n-channel memory transistor, the energy band of the pinning region 401 is a conduction band. In the p-channel memory transistor, the energy band of the pinning region 403 is shifted to the valence band side. As a result, a schematic diagram of the energy band as shown in FIG. 4 is obtained.
[0062]
As can be seen from FIG. 4, in both cases of the n-channel type and the p-channel type, the pinning region forms an energy barrier for majority carriers (electrons in the n-channel type and holes in the p-channel type) and vice versa. In addition, an energy stable region is formed for minority carriers (holes in the n-channel type and electrons in the p-channel type). Note that the energy barrier height ΔE varies depending on the concentration of the impurity element added. In the present invention, the concentration of the impurity element is set to 1 × 10. 17 ~ 5x10 20 atoms / cm Three (Preferably 1 × 10 18 ~ 5x10 19 atoms / cm Three ) Adjust within the range.
[0063]
Since the pinning region forms an energy barrier for majority carriers, the majority carriers move preferentially in the respective channel formation regions. As a result, when a striped pinning region is provided from the source region to the drain region, an effect is obtained in which a majority carrier moving path is defined by the pinning region. In the multi-value memory transistor, 1-value or 1-bit data is assigned to the plurality of movement paths.
[0064]
First, the effect of the memory transistor as a transistor will be briefly described as an effect of the pinning region. Note that a method of providing a pinning region in a transistor is disclosed in Japanese Patent Laid-Open No. 10-65162, and the same gazette can be referred to for details.
[0065]
First, the pinning region acts as a stopper for the depletion layer spreading from the drain side, and effectively suppresses the spread of the depletion layer. Therefore, the punch-through phenomenon due to the spread of the depletion layer is prevented. In addition, since an increase in depletion layer charge due to the spread of the depletion layer is suppressed, the subthreshold characteristics are improved, and a decrease in threshold voltage can be avoided.
[0066]
Second, the threshold voltage can be increased by reducing the channel width. As already mentioned, the pinning region forms an energy barrier for majority carriers. When the channel width is narrowed, the penetration of this energy barrier into the channel formation region cannot be ignored, and the threshold voltage increases. This is a phenomenon known as one of the narrow channel effects. The narrow channel effect becomes more prominent as the channel width becomes narrower.
[0067]
As described above, in the present invention, the short channel effect is suppressed, the intensity of the narrow channel effect is controlled by freely designing the impurity concentration and the channel width added to the pinning region, and the threshold voltage is adjusted. Is possible.
[0068]
Thirdly, in the present invention, there is an advantage that the channel formation region is formed of a substantially intrinsic region. Since the region in which carriers move is substantially intrinsic, the decrease in mobility due to impurity scattering is extremely small, and high carrier mobility can be obtained. As a result, in the nonvolatile memory according to the present invention, in particular, the reading time is significantly shortened.
[0069]
Fourth, the pinning region has a role of preventing parasitic bipolar conduction due to impact ionization (impact ionization). This is because the pinning region forms an energy stable region for minority carriers, and minority carriers generated by impact ionization immediately move into the pinning region and are extracted to the wiring. Therefore, unlike the conventional case, the parasitic potential is not turned on by changing the potential of the substrate, and the source-drain breakdown voltage is not lowered.
[0070]
Thus, by forming the pinning region, various excellent effects including suppression of the short channel effect can be obtained.
[0071]
Next, multi-valued pinning memory transistors, which is a key point of the present invention, will be described. The memory transistor of the present invention is a multi-value memory transistor that applies a plurality of channel formation regions formed by pinning regions.
[0072]
Its features include a structure in which a potential can be applied independently by pulling out wiring from each pinning region, and a region in which each floating gate electrode partially overlaps with the pinning region via the first gate insulating film (over (Wrap area) is formed (see FIG. 1).
[0073]
Therefore, the pinning type memory transistor shown in FIG. 1 can be expressed by an equivalent circuit as shown in FIG. In FIG. 5, PT is a pinning memory transistor, and ST1, ST2, and ST3 are sub-memory transistors. Vd is a drain voltage, Vs is a source voltage, Vcg is a control gate voltage, and Vp0, Vp1, Vp2 and Vp3 are potentials of a pinning region (hereinafter referred to as pinning potential).
[0074]
The pinning type memory transistor shown in FIG. 5 includes three sub memory transistors, but the present invention is not limited to this structure. In general, a structure having k sub-memory transistors (k is an integer of 1 or more) may be used.
[0075]
Next, the operation method of the multilevel memory transistor of the present invention will be described with reference to FIG. In the multilevel memory transistor of the present invention, data is written and erased by a tunnel current. As a reading method, a method of assigning 1 value to one floating gate electrode (1 value / FG method) and a method of assigning 1 bit (1 bit / FG method) will be described. The 1-bit / FG method is advantageous in the degree of integration. On the other hand, the 1-value / FG method is excellent in reading margin and reliability.
[0076]
In the multilevel memory transistor of the present invention, electrons are injected into and discharged from the floating gate electrode by a tunnel current. When the memory transistor is an n-channel type, electrons are injected into individual floating gates, and electrons are emitted all at once from the floating gate electrode constituting one memory transistor. Specifically, electrons are injected by applying a potential difference between the control gate electrode and a pinning region that partially overlaps the selected floating gate electrode, and electrons are emitted from the control gate electrode and one or more This is done by applying a potential difference to the pinning region. When electrons are emitted, a p-type inversion layer is formed in the channel formation region, so that electrons are emitted from all floating gate electrodes.
[0077]
When the memory transistor is a p-channel type, electrons are emitted from individual floating gates, and electrons are injected into all floating gate electrodes. That is, electrons are emitted by applying a potential difference between the control gate electrode and the pinning region that partially overlaps the selected floating gate electrode, and electron injection is performed between the control gate electrode and one or more pinning regions. By applying a potential difference between the two. At the time of electron injection, since an n-type inversion layer is formed in the channel formation region, electrons are injected into all the floating gate electrodes.
[0078]
As a reading method, two methods are described: one value data is assigned to each floating gate electrode (1 value / FG method) and one bit data is assigned (1 bit / FG method). In the 1 value / FG method, an appropriate potential is applied to the control gate electrode during reading. As a result, a channel is formed in the channel formation region depending on the charge accumulation state of the floating gate electrode, and a current amount proportional to the number of formed channels is read. In the 1-value / FG method, (k + 1) -value data can be stored for k floating gate electrodes (k is an integer of 1 or more).
[0079]
In the 1-bit / FG method, it is necessary to apply an appropriate potential between the two pinning regions sandwiching the selected channel formation region and another pinning region at the same time as applying an appropriate potential to the control gate electrode. This reading method applies the same effect as the change in threshold voltage seen in the narrow channel effect. When a voltage is applied to two pinning regions sandwiching the channel formation region, the threshold value of the channel formation region is obtained. The characteristic that the voltage shifts is used. For example, in the case of an n-channel memory transistor, a negative voltage is applied to a pinning region other than two pinning regions that sandwich the channel formation region to be selected. In the case of a p-channel memory transistor, the channel formation region to be selected is sandwiched. A positive voltage is applied to a pinning region other than the two pinning regions. As a result, it is possible to apply a voltage to the control gate electrode so that all non-selected channel formation regions are turned off, and the selected channel formation region is turned on or off reflecting the charge accumulation state of the floating gate electrode. Thus, 1-bit information can be stored per one floating gate electrode.
[0080]
Note that in the 1-bit / FG method, the channel width is particularly required to be narrow, and the width of the channel formation region is desirably 0.01 to 1 μm (preferably 0.01 μm to 0.5 μm).
[0081]
Based on the equivalent circuit shown in FIG. 5, examples of operating voltages of the n-channel type and p-channel type multilevel memory transistors of the present invention are summarized in Tables 1 and 2, respectively. Tables 1 and 2 show operating voltages of pinning type memory transistors having three floating gate electrodes corresponding to the equivalent circuit shown in FIG. 5. Generally, k (k is an integer of 1 or more). The same operation may be performed when the floating gate electrode is provided. Of course, the operating voltages in Tables 1 and 2 are examples, and the operating voltages need not be limited to the values in Tables 1 and 2.
[0082]
[Table 1]
Figure 0004919549
[0083]
[Table 2]
Figure 0004919549
[0084]
The multi-value nonvolatile memory of the present invention can be applied to various EEPROMs. The present invention can be applied to both types of EEPROMs, which are a full-function EEPROM capable of erasing data for each memory element and a flash memory that performs batch erasure for each block. When applied to a flash memory, it is possible to further adopt a circuit configuration corresponding to a NOR type, a NAND type, or another known type. However, the present invention is different from the conventional circuit configuration in that it has wiring for controlling multiple values called pinning lines (see Examples 3 and 5).
[0085]
Although the stack type memory transistor has been described in this embodiment, the present invention can be applied to a memory transistor having a split gate structure (see Embodiment 2).
[0086]
Further, the memory transistor of the present invention can also perform hot electron writing. Specifically, impact ionization may be generated only in the selected channel formation region by applying a voltage to two pinning regions sandwiching the channel formation region to be written. For example, in the case of the n-channel type, in order to increase the direction electric field in the channel length direction of the drain region, the potentials of the two pinning regions may be higher than the potentials of the other pinning regions.
[0087]
In addition, by forming an overlap region between the floating gate electrode and the source region or the drain region, it is possible to inject and emit electrons by a tunnel current from the source side or the drain side.
[0088]
In the present invention, the pinning region is also applied to a transistor constituting a drive circuit and other peripheral circuits integrally formed with a memory transistor, or a transistor constituting another circuit integrally formed with a memory portion in a semiconductor device. It is effective to provide As a result, even in a circuit other than the memory cell, it is possible to suppress the short channel effect and obtain the effect of other pinning regions.
[0089]
Example 1
In this example, a method for manufacturing a nonvolatile memory of the present invention will be described. The pinning type memory transistor of the present invention is basically composed of a source region, a drain region, a channel formation region, a floating gate electrode, and a control gate electrode, except for the pinning region. A known manufacturing method can be used.
[0090]
In particular, as in the conventional method for manufacturing a memory transistor, it is preferable that the first gate insulating film is a high-quality film formed by a thermal oxidation process. 2 / SiN / SiO 2 It is desirable to use a laminated film (referred to as ONO film) represented by Of course, other insulating films can be used.
[0091]
From the viewpoint of the manufacturing method, the pinning type memory transistor of the present invention is characterized in that an impurity region called a pinning region is formed and that a memory transistor having an extremely small element size is targeted. For example, with regard to the pinning region, there are features such as a structure that partially overlaps with the floating gate electrode and the first gate insulating film, and a structure that crosses the source region and the drain region. In terms of the element size, the processing dimensions of the floating gate electrode, the pinning region, and the channel formation region typically have to be 0.01 to 1 μm. The overlap structure between the floating gate electrode and the pinning region requires a finer structure.
[0092]
In general, the self-alignment method is very effective for producing such an extremely fine structure. Also in the pinning type memory transistor of the present invention, it is desirable to use the self-alignment method for forming the pinning region, the overlap region, the source region and the drain region. Specifically, first, the pinning region is formed by first micro-fabricating the floating gate electrode, and using this as a mask, a self-alignment method is formed by an ion implantation method. In particular, when an overlap region is formed between the floating gate electrode and the pinning region, oblique implantation by an ion implantation method may be performed.
[0093]
In the microfabrication of the floating gate electrode, a resist mask pattern can be formed by a stepper or a scanning exposure apparatus for patterns up to about 0.15 μm. On the other hand, when the pattern size is 0.15 μm or less, it is necessary to form a mask pattern by an electronic drawing method. After the mask pattern is formed, dry etching using ICP or the like is preferably performed.
[0094]
The implantation of impurities into the pinning region may be divided into a high energy implantation in a direction perpendicular to the substrate and a low energy implantation in a diagonal direction, or once a high energy implantation in a diagonal direction is performed on the substrate. The method performed in
[0095]
The impurity element added to the pinning region is preferably activated by furnace annealing, laser annealing, lamp annealing, or the like. In particular, activation by the RTA method is preferable in order to minimize the diffusion of impurities.
[0096]
Next, formation of a pinning region in a region in which wiring is drawn from the source region, drain region, and pinning region will be described. An example of a cross-sectional structure when the pinning region crosses the drain region is shown in FIG. 3 and described in the embodiment. Since the pinning region has a fine structure, it is preferable to produce the pinning region by the self-alignment method. Therefore, the floating gate electrode is finely processed into an appropriate shape even in a region where a pinning region needs to be formed other than the active region, such as a source region and a drain region. And it is preferable to form simultaneously with the pinning area | region in an active region by the ion implantation method by using a floating gate electrode as a mask.
[0097]
Eventually, the floating gate electrode other than the active region is removed. The resist may be used as a mask, or the control gate electrode may be removed as a mask.
[0098]
Impurity doping into the source region and the drain region is performed by a self-alignment method using the control gate electrode as a mask. At this time, the depth of implantation into the source / drain regions is adjusted to be shallower than the depth of the pinning region. Further, the impurity concentration of the source / drain region needs to be higher than the impurity concentration of the pinning region so that the source / drain region is not divided by the pinning region. In this way, the cross-sectional structure shown in FIG. 3 is formed. It should be noted that making the depth of implantation into the source / drain regions shallower than the depth of the pinning region is important for the purpose of effectively suppressing the spread of the depletion layer in the drain region.
[0099]
In the case where the source region and the drain region are divided by the pinning region, after forming the contact hole, first, impurities having the same conductivity type as the source / drain region (typically, n-type is phosphorus, p-type is used). After forming a polysilicon film containing boron, a source film and a drain region contact can be made by forming a metal film such as aluminum.
[0100]
In this embodiment, in the manufacturing method of the pinning type memory transistor of the present invention, the manufacturing method of the pinning region and the ultrafine processing have been described. By appropriately incorporating these processes into a known memory transistor manufacturing process, the nonvolatile memory of the present invention can be manufactured. Of course, any manufacturing method may be used as long as it is a method for manufacturing the structure of the pinning memory transistor described in the embodiment mode or the circuit structure described in Examples 3 and 5.
[0101]
(Example 2)
In this example, a configuration example of a pinning memory transistor having a split gate structure will be described with reference to FIG. 6 as an example different from the configuration of the pinning memory transistor described in the embodiment mode (see FIG. 1).
[0102]
Note that the region excluding the structures of the floating gate electrode and the control gate electrode has the same structure as that of the stacked gate type memory transistor shown in FIG. 1, and the reference numerals used in the description of FIG. 1 are used. That is, in FIG. 6, the description with reference to FIG. In this embodiment, a floating gate electrode and a control gate electrode will be particularly described.
[0103]
The split gate structure refers to a structure in which a part of the control gate electrode 610 is directly stacked on the active region via a first gate insulating film as shown in FIG. Accordingly, the channel formation region is divided into a region where the floating gate electrode 608 is formed via the first gate insulating film and a region where the control gate electrode is formed.
[0104]
FIG. 14 shows an equivalent circuit of the pinning memory transistor having the split gate structure shown in FIG. The operation method of the split gate structure pinning memory transistor may be the same as the operation method of the stack structure pinning memory transistor. The advantage of using the split gate structure is that a region in which a control gate electrode is formed on the channel formation region functions as a selection transistor. That is, there is a function of increasing the selectivity of the pinning memory transistor and a function of maintaining an off state even when the non-selected cell is in an overerased state during reading.
[0105]
Note that the split gate structure pinning memory transistor can be manufactured by the same process as that of the stack structure pinning memory transistor. That is, it can be manufactured using the process shown in Embodiment 1.
[0106]
(Example 3)
In this embodiment, a circuit in which the multilevel memory transistor of the present invention is applied to a NAND flash memory will be described. However, the present invention is different from the conventional NAND type flash memory in that it has wiring for controlling multi-values called pinning lines, and the write, erase, and read methods are different accordingly.
[0107]
FIG. 7 is a circuit diagram of a NAND type memory cell array in which memory cells are arranged in a matrix of 8 vertical × n horizontal (n is an integer of 1 or more). Each memory cell is composed of one pinning type memory transistor surrounded by a square broken line.
[0108]
In the present embodiment, the case where each pinning type memory transistor has three floating gate electrodes will be described. However, in general, the present embodiment also includes a case where k floating gate electrodes (k is an integer of 1 or more) are included. It is easy to apply. Further, in this embodiment, a description will be given of a vertical 8 × n horizontal memory cell array, but it is not necessary to be limited to this configuration. The memory transistors (1, 1) to (n, m) may be either n-channel type or p-channel type conductive transistors, but in this embodiment, they are n-channel type transistors.
[0109]
In FIG. 7, pinning memory transistors (for example, (1, 1) to (1, 8) in the first column) arranged in the same column are connected in series. In addition, in the pinning memory transistors (for example, (1, 1) to (n, 1) in the first row) arranged in the same row, each control gate electrode is connected to one word line W1. .
[0110]
Note that connecting the pinning memory transistors in series means that the sub memory transistors and the pinning regions constituting the pinning memory transistors are connected in series. The control gate electrode of the pinning type memory transistor is common to all the sub memory transistors constituting the pinning type memory transistor.
[0111]
The selection transistors (1, 0) and (1, 9) are connected in series to both ends of eight pinning type memory transistors (for example, (1, 1) to (1, 8) in the first column) connected in series. It is connected to the. That is, selection transistors (1, 0) to (n, 0) are provided above the memory cells in the first row, and selection transistors (1, 9) are provided below the memory cells in the eighth row. To (n, 9) are arranged. Bit lines B1 to Bn are connected to one of the remaining source and drain electrodes of the selection transistors (1, 0) to (n, 0), and a selection gate line S1 is connected to the gate electrode. . Further, a common source potential Vs is applied to the remaining one of the source and drain electrodes of the selection transistors (1, 9) to (n, 9), and a selection gate line S2 is connected to the gate electrode. ing.
[0112]
The four pinning regions of the eight pinning memory transistors connected in series (for example, (1,1) to (1,8) in the first column) are respectively connected to the pinning lines P (1; 0), P (1; 1), P (1; 2), and P (1; 3).
[0113]
An operation method of the nonvolatile memory of the present invention configured as described above will be described. In the present invention, as described in the embodiment, writing and erasing are performed by a tunnel current between the floating gate electrode and the pinning region, and a reading method can be a one-value / FG method or a one-bit / FG method. In the case of the 1-value / FG method, the nonvolatile memory of this embodiment can store 4-value, that is, 2-bit data in each memory cell, and thus has a storage capacity of 8 × n × 2 bits. In the case of the 1-bit / FG method, the nonvolatile memory of this embodiment can store 3 bits in each memory cell, and thus has a storage capacity of 8 × n × 3 bits. Note that writing and erasing will be described with respect to simultaneous writing in one row and batch erasing.
[0114]
In the conventional NAND flash memory, the writing method and the erasing method are performed by a tunnel current between the floating gate electrode and the entire channel formation region (well), but it is not necessary to control such a well potential in the present invention. . In addition, since the tunnel current uses an overlap region, a coupling ratio can be increased as compared with the conventional method using the entire channel region, and a low operating voltage can be realized.
[0115]
In this embodiment, the “0” state means a state where charges are accumulated in the floating gate electrode of the memory transistor, and the “1” state means a state where no charge is accumulated in the floating gate electrode of the memory transistor. Point to. The threshold voltage of the memory transistor in the “0” state is 0.5 V to 3 V, and the threshold voltage of the memory transistor in the “1” state is −1 V or less.
[0116]
First, one line simultaneous writing will be described. As a specific example, the pinning type memory transistors (1, 1) to (n, 1) in the first row are taken, and “0” is set to the sub memory transistors (1, 1; 1) constituting the memory transistor (1, 1). "1" is set to the other sub memory transistors (1, 1; 2) and (1, 1; 3), and all the sub memory transistors constituting the memory transistors (2, 1) to (n, 1) are set. A case where “1” is written will be described. Note that the state is all “1” immediately before writing.
[0117]
First, the pinning line P (1; 1) and the source potential Vs are dropped to GND, and the pinning lines P (1; 0), P (1; 2), and P (1; 3) are set to 7V. Further, 0V is applied to the selection gate lines S1 and S2, respectively, and the selection transistors (1, 0) to (n, 0) and (1, 9) to (n, 9) are turned off. Then, 15V is applied to the word line W1, 7V is applied to the word lines W2 to W8, and 0V is applied to the bit lines B1 to Bn.
[0118]
As a result, in the memory transistor (1, 1), a high voltage (about 15 V) is applied only between the floating gate and the pinning region of the sub memory transistor (1, 1; 1), and the charge to the floating gate due to the tunnel current is applied. Implantation is performed and “0” is written. At most, a potential difference of 8 V is generated between the pinning region and the floating gate constituting the sub memory transistors (1, 1; 2), (1, 1; 3) and the memory transistors (2, 1) to (n, 1). And no charge injection into the floating gate. That is, the sub memory transistors (1, 1; 2) and (1, 1; 3) and the memory transistors (2, 1) to (n, 1) remain in the “1” state. For the memory transistors other than the first row, only a potential difference of 7 V is generated at most between the floating gate and the pinning region, and no charge is injected into the floating gate. In this way, one line is written simultaneously.
[0119]
Next, reading of the one-value / FG method from the memory transistor (1, 1) will be described. First, the pinning lines P (1: 0) to P (1; 3) are dropped to GND, and 0V is applied to the word line W1 and 5V is applied to the word lines W2 to W8. As a result, all the memory transistors in the second to eighth rows are turned on. In the memory transistor in the first row, the sub memory transistor in the “1” state is turned on, and the sub memory transistor in the “0” state is turned off. That is, the current amount of the eight memory transistors connected in series is determined by the number of sub-memory transistors in the “1” state constituting the memory transistor (1, 1) in the first row. Then, 5V is applied to the selection gate lines S1 and S2 to turn on the selection transistor, and the source potential Vs is lowered to GND, whereby the data is stored in the memory transistor (1, 1) through the bit line B1. It is possible to read the four-valued data.
[0120]
Next, reading of the 1-bit / FG method from the memory transistor (1, 1) will be described. First, a method of selectively reading 1-bit information from the sub memory transistor (1, 1; 1) will be described. First, the pinning lines P (1; 0) and P (1; 1) are dropped to GND, and −5V is applied to the pinning lines P (1; 2) and P (1; 3), and 0V is applied to the word line W1. As a result, all the memory transistors in the first row are turned off except for the sub memory transistors (1, 1; 1). The sub memory transistor (1, 1; 1) is turned on when it is “1”, and is turned off when it is “0”. On the other hand, 5V is applied to the word lines W2 to W8. As a result, in the memory transistors in the second to eighth rows, all the sub memory transistors connected in series with the sub memory transistors (1, 1; 1) are turned on. As a result, the conduction and non-conduction of the eight memory transistors connected in series is determined by the state of the sub memory transistor (1, 1; 1). Then, 5V is applied to the selection gate lines S1 and S2 to turn on the selection transistor, and the source potential Vs is lowered to GND, whereby the sub memory transistor (1, 1; 1) is transmitted through the bit line B1. ) Data can be read out. In exactly the same manner, 1-bit information can be read from the sub-memory transistors (1, 1; 2) and (1, 1; 3), and 3-bit information can be read from the memory transistors (1; 1). Can be read out.
[0121]
When performing batch erase, all word lines W1 to W8 are set to 0V, and all pinning lines P (1; i) to P (n; i) (i = 0 to 3) are set to 15V. As a result, a high potential difference is generated between the floating gate electrode and the pinning region, and erasing by a tunnel current is performed. Note that the potentials of the selection gate lines S1 and S2 are determined so that the selection transistor is turned off.
[0122]
Of course, the value of the operating voltage described above is an example, and is not limited to that value. Actually, the voltage applied to the memory transistor depends on the thickness of the semiconductor active layer of the memory transistor, the capacitance between the control gate electrode and the floating gate electrode, and the like. The operating voltage of the memory transistor changes accordingly.
[0123]
Note that erroneous erasure or erroneous writing may occur when a voltage is applied to memory cells in the same column or row at the time of writing to or reading from the memory transistor. The operating voltage needs to be set so as to minimize such writing stress and reading stress and prevent erroneous erasure and erroneous writing.
[0124]
Note that the circuit configuration of this embodiment can be manufactured by using the process shown in Embodiment 1. In particular, with respect to the select transistor, the floating gate electrode may be processed by self-alignment to form the pinning region after etching the floating gate electrode in the same manner as other sub-memory transistors.
[0125]
Example 4
In this embodiment, an upper surface structure of a memory cell constituting a nonvolatile memory using a pinning region of the present invention will be described. FIG. 8 shows an example of a top view of the memory cell array constituting the NAND flash memory shown in the third embodiment.
[0126]
The top view shown in FIG. 8 is a top view of a memory cell array in which two pinning type select transistors 810 and eight pinning type memory transistors 811 (only three are shown) are connected in series, and a region 801 is a field oxide film. , Region 808 is a pinning region. In FIG. 8, each pinning type memory transistor 811 has three floating gate electrodes 805 and is constituted by three sub memory transistors 812. The control gate electrode of the memory transistor 811 also serves as the word line 804, and the gate electrode of the selection transistor 810 also serves as the selection line 803. The drain region of the selection line transistor and the wiring (bit line) 809 are electrically connected through a contact hole 807.
[0127]
Note that this example is an example of a top view of the memory cell in the embodiment. Of course, any other top view may be used as long as it matches the circuit configuration described in the third embodiment.
[0128]
(Example 5)
In this embodiment, a circuit in which the multilevel memory transistor of the present invention is applied to a NOR flash memory will be described. However, the present invention is different from the conventional NOR type flash memory in that it has wiring for controlling multi-values called pinning lines, and the writing, erasing and reading methods are different accordingly.
[0129]
FIG. 9 is a circuit diagram of a NOR type memory cell array in which memory cells are arranged in a matrix of m rows and n columns (m and n are integers of 1 or more, respectively). Each memory cell is composed of one pinning type memory transistor surrounded by a square broken line.
[0130]
In the present embodiment, the case where each pinning type memory transistor has three floating gate electrodes will be described. However, in general, the present embodiment also includes a case where k floating gate electrodes (k is an integer of 1 or more) are included. It is easy to apply. The memory transistors (1, 1) to (n, m) may be either n-channel type or p-channel type conductive transistors, but in this embodiment, n-channel transistors are used.
[0131]
In FIG. 9, pinning type memory transistors (i, 1), (i, 2) to (i, 2) constituting m memory cells arranged in the i-th column (i is an integer of 1 to n). In m), the bit line Bi is connected to the drain electrode, and the source potential Vs is applied to the source electrode. Also, pinning lines P (i; 0), P (i; 1), P (i; 2), and P (i; 3) are connected to the four pinning regions, respectively. The memory transistors (1, j) and (2, j) to (n, j) constituting n memory cells arranged in the j-th row (j is an integer of 1 to m) A word line Wj is connected to the control gate electrode.
[0132]
An operation method of the nonvolatile memory of the present invention configured as described above will be described. In the present invention, as described in the embodiment, writing and erasing are performed by a tunnel current between the floating gate electrode and the pinning region, and a reading method can be a one-value / FG method or a one-bit / FG method. In the case of the 1-value / FG method, the nonvolatile memory of this embodiment can store 4-value, that is, 2-bit data in each memory cell, and thus has a storage capacity of m × n × 2 bits. In the case of the 1-bit / FG method, the nonvolatile memory of this embodiment can store 3 bits in each memory cell, and thus has a storage capacity of m × n × 3 bits.
[0133]
In the nonvolatile memory according to the present invention, since writing is performed using a tunnel current, the amount of current required for writing is smaller than that of a conventional NOR flash memory in which hot electron injection is performed. Therefore, boosting is easy, and speeding up of writing by simultaneous writing is possible.
[0134]
As a specific example, writing to and reading from the pinning memory transistor (1, 1) in FIG. 9 and batch erasure of the entire memory will be described.
[0135]
First, when writing to the sub memory transistors (1, 1; 1) constituting the pinning type memory transistor (1, 1), the source potential Vs and the bit lines B1 to Bn are dropped to GND and the word line W1 is set. A positive voltage (for example, 6V) and a negative voltage (for example, −6V) are applied to the pinning line P (1; 1). Moreover, 0V is applied to pinning lines other than P (1; 1). As a result, a high potential difference (about 12 V) is generated only between the floating gate and the pinning region of the sub memory transistor (1, 1; 1), and charge injection (that is, writing) to the floating gate by the tunnel current is performed. Writing to the other sub memory transistors (1, 1; 2) and (1, 1; 3) constituting the pinning type memory transistor (1, 1) can be performed in exactly the same manner.
[0136]
Next, reading of the one-value / FG method from the memory transistor (1, 1) will be described. First, the source potential Vs and the pinning lines P (1: 0) to P (1; 3) are dropped to GND, and a predetermined potential is applied to the word line W1. As a result, in the memory transistor (1, 1), the sub memory transistor in which charge is not accumulated in the floating gate electrode is turned on, and the sub memory transistor in which charge is accumulated in the floating gate electrode is turned off. . That is, the total channel width formed in the memory transistors (1, 1) is proportional to the number of floating gate electrodes in which no charge is accumulated. In this way, the four-value data stored in the memory transistor (1, 1) is read from the bit line B1.
[0137]
Next, reading of the 1-bit / FG method from the memory transistor (1, 1) will be described. First, a method of selectively reading 1-bit information from the sub memory transistor (1, 1; 1) will be described. First, the source potential Vs and the pinning lines P (1; 0) and P (1; 1) are dropped to GND, the pinning lines P (1; 2) and P (1; 3) are −5V, and the word line W1 is predetermined. Is applied. As a result, all the memory transistors in the first row are turned off except for the sub memory transistors (1, 1; 1). Further, the sub memory transistor (1, 1; 1) is turned on when no electric charge is accumulated in the floating gate electrode, and is turned off when electric charge is accumulated in the floating gate electrode. Therefore, 1-bit data stored in the sub memory transistor (1, 1; 1) can be read from the bit line B1. In exactly the same manner, 1-bit information can be read from the sub-memory transistors (1, 1; 2) and (1, 1; 3), and 3-bit information can be read from the memory transistors (1; 1). Can be read out.
[0138]
The predetermined voltage is a threshold voltage in an erased state (a state in which electrons are not accumulated in the floating gate electrode) and a threshold voltage in a written state (a state in which electrons are accumulated in the floating gate electrode). What is necessary is just to set between voltages. For example, when the memory transistor in the erased state has a threshold voltage of 0.5 V or more and 3.5 V or less, and the memory transistor in the written state has a threshold voltage of 6.5 V or more For example, 5V can be used as the predetermined voltage.
[0139]
Note that the potentials of the signal lines B2 to Bn, W2 to Wm, and P (2; i) to P (n; i) (i = 0 to 3) that are not selected at the time of writing and reading are all 0V. To do.
[0140]
When performing batch erase of the entire memory, the source potential Vs, the bit lines B1 to Bn, and the word lines W1 to Wm are dropped to GND. Then, when a positive voltage (for example, 12V) is applied to the pinning lines P (1; 1) to P (n; 3), electrons accumulated in the floating gate electrode are transferred to the pinning region by the tunnel current in all the memory transistors. The injected and stored data is erased.
[0141]
Of course, the value of the operating voltage described above is an example, and is not limited to that value. Actually, the voltage applied to the memory transistor (1, 1) depends on the film thickness of the semiconductor active layer of the memory transistor, the capacitance between the control gate electrode and the floating gate electrode, and the like. The operating voltage of the memory transistor (1, 1) also changes accordingly.
[0142]
Note that, when data is written to and read from the memory transistor (1, 1), erroneous erasure or erroneous writing may occur when a voltage is applied to memory cells in the same column or row. The operating voltage needs to be set so as to minimize such writing stress and reading stress and prevent erroneous erasure and erroneous writing.
[0143]
Note that the circuit configuration of this embodiment can be manufactured by using the process shown in Embodiment 1. It is also possible to use the memory transistor having the split gate structure shown in Embodiment 2.
[0144]
(Example 6)
In this embodiment, an upper surface structure of a memory cell constituting a nonvolatile memory using a pinning region of the present invention will be described. FIG. 10A illustrates an example of a top view of a memory cell array included in the NOR flash memory described in the embodiment.
[0145]
The top view shown in FIG. 10A is a top view including two parallel pinning type memory transistors in the NOR type flash memory shown in Embodiment 5, wherein the region 1001 is a field oxide film, and the region 1007 is a pinning region. It is. In FIG. 10A, each pinning memory transistor 1009 has three floating gate electrodes 1005 and is constituted by three sub memory transistors 1010. A region 1011 is a source region, 1012 is a drain region, and the drain region 1012 and a wiring (bit line) 1008 are electrically connected through a contact hole 1006. Further, the control gate electrode of the memory transistor 1009 also serves as the word line 1004.
[0146]
In FIG. 10A, in order to match the circuit structure shown in Embodiment 5, the pinning region is electrically connected between the two memory transistors, and the source / drain regions are electrically connected. Must be disconnected. In order to achieve such a structure, a substantially intrinsic region is formed in the region 1003 without adding impurities, or more preferably, an impurity such as oxygen is added to make the region 1003 nonconductive for both electrons and holes. A good impurity region may be formed. In particular, FIG. 10B shows a cross-sectional view regarding the line segment BB ′ when oxygen is added. In FIG. 10B, a region 1007 is a pinning region, and a region 1003 is an impurity region to which oxygen is added.
[0147]
Note that this example is an example of a top view of the memory cell in the embodiment. Of course, any other top view may be used as long as it matches the circuit configuration described in the fifth embodiment.
[0148]
(Example 7)
In this embodiment, an example in which the nonvolatile memory of the present invention is applied to a microprocessor such as a RISC processor or an ASIC processor integrated on one chip will be described.
[0149]
FIG. 11 shows an example of a microprocessor. The microprocessor typically includes a CPU core 1101, a cache memory 1102 (may be a RAM), a clock controller 1103, a flash memory 1104, a cache controller 1105, a serial interface 1106, an I / O port 1107, and the like.
[0150]
Needless to say, the microprocessor illustrated in FIG. 11 is a simplified example, and various circuit designs are performed on an actual microprocessor depending on the application.
[0151]
In the microprocessor shown in FIG. 11, a CPU core 1101, a clock controller 1103, a cache controller 1105, a serial interface 1106, and an I / O port 1107 are constituted by CMOS circuits.
[0152]
As the flash memory 1104, the non-volatile memory of the present invention is used, and a multi-value flash memory using a pinning memory transistor is used. As the circuit configuration of the flash memory 1104, the circuit configuration shown in Embodiment 3 or 5 can be used, and other circuit configurations can also be used. Note that the nonvolatile memory of the present invention can also be used as the cache memory 1102.
[0153]
It is also effective to provide a pinning region used in the present invention for the CMOS circuit constituting the CPU core 1101, the clock controller 1103, the cache controller 1105, the serial interface 1106, and the I / O port 1107. For details on applying a pinning region to a transistor including a CMOS circuit, reference can be made to, for example, JP-A-10-65162.
[0154]
In this manner, the pinning region can be provided at a necessary place at the stage of circuit design, and the practitioner may appropriately determine whether to use the pinning region for the entire circuit or a part thereof. When the present invention is applied to a hybrid IC in which various performances are combined, such a degree of freedom in circuit design is very effective.
[0155]
(Example 8)
The nonvolatile memory according to the present invention can be incorporated into electronic devices in various fields as a recording medium for storing and reading data. In this embodiment, such an electronic device will be described.
[0156]
Electronic devices that can use the nonvolatile memory of the present invention include video cameras, digital cameras, projectors (rear type or front type), head mounted displays, goggle type displays, game machines, car navigation systems, personal computers, and portable information terminals. (Mobile computer, cellular phone, electronic book, etc.). Examples of these are shown in FIGS.
[0157]
FIG. 12A illustrates a display, which includes a housing 2001, a support base 2002, a display portion 2003, and the like.
The present invention is connected to the display unit 2003 and other signal control circuits, and is used for correcting image signals and storing processed data.
[0158]
FIG. 12B illustrates a video camera, which includes a main body 2101, a display portion 2102, an audio input portion 2103, operation switches 2104, a battery 2105, and an image receiving portion 2106. The present invention is incorporated in a built-in LSI substrate and used for functions such as image data storage.
[0159]
FIG. 12C shows a part (right side) of the head mounted display, which includes a main body 2201, a signal cable 2202, a head fixing band 2203, a display portion 2204, an optical system 2205, a display device 2206, and the like. The present invention is connected to a display device 2206 and other signal control circuits, and is used for correcting image signals and storing processed data.
[0160]
FIG. 12D shows an image reproducing device (specifically, a DVD reproducing device) provided with a recording medium, which includes a main body 2301, a recording medium 2302, an operation switch 2303, a display portion (a) 2304, and a display portion (b) 2305. Etc. This apparatus uses a DVD (Digital Versatile Disc), CD, or the like as a recording medium, and can perform music appreciation, movie appreciation, games, and the Internet. The present invention is incorporated in a built-in LSI substrate and used for functions such as storage of image data and processing data.
[0161]
FIG. 12E illustrates a goggle type display, which includes a main body 2401, a display portion 2402, and an arm portion 2403. The present invention is connected to the display unit 2402 and other signal control circuits, and is used for correcting image signals and storing processed data.
[0162]
FIG. 12F illustrates a personal computer, which includes a main body 2501, a housing 2502, a display portion 2503, a keyboard 2504, and the like. The present invention is incorporated in a built-in LSI substrate and used for storing processing data and image data.
[0163]
FIG. 13A illustrates a mobile phone, which includes a main body 2601, an audio output portion 2602, an audio input portion 2603, a display portion 2604, operation switches 2605, and an antenna 2606. The present invention is incorporated in a built-in LSI substrate and used to add an address function for recording a telephone number.
[0164]
FIG. 13B illustrates a sound reproducing device, specifically a car audio, which includes a main body 2701, a display portion 2702, and operation switches 2703 and 2704. The present invention is incorporated in a built-in LSI substrate and used for functions such as storage of image data and processing data. Moreover, although the vehicle-mounted audio is shown in the present embodiment, it may be used for a portable or household sound reproducing device.
[0165]
As described above, the application range of the present invention is extremely wide and can be applied to electronic devices in various fields. Moreover, the electronic device of a present Example is realizable even if it uses the structure which consists of what combination of Examples 1-6.
[0166]
【Effect of the invention】
By utilizing the present invention, the influence of a fine effect typified by a short channel effect or the like can be minimized, and further miniaturization of the nonvolatile memory can be promoted.
[0167]
In addition, according to the present invention, it is possible to multi-value cells by a completely different method from the conventional multi-value technique for controlling the charge accumulation amount of the floating gate electrode, and the multi-value is advanced more than before. It becomes possible.
[0168]
As a result, it is possible to realize a nonvolatile memory with an extremely high integration density.
[0169]
Furthermore, by mounting the non-volatile memory with high integration density of the present invention, a semiconductor device capable of high functionality and multi-function can be provided.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a diagram showing an overall configuration of a nonvolatile memory according to the present invention.
FIG. 2 is a top view illustrating a partial configuration of a nonvolatile memory according to the present invention.
FIG. 3 is a cross-sectional view illustrating a partial configuration of a nonvolatile memory according to the present invention.
FIG. 4 is a diagram for explaining a change in an energy band.
FIG. 5 is a diagram showing an equivalent circuit of the nonvolatile memory of the present invention.
FIG. 6 is a diagram showing an overall configuration of a nonvolatile memory according to the present invention.
FIG. 7 is a diagram showing a circuit configuration of a nonvolatile memory according to the present invention.
FIG. 8 is a top view of a nonvolatile memory according to the present invention.
FIG. 9 is a diagram showing a circuit configuration of a nonvolatile memory according to the present invention.
FIG. 10 is a top view of a nonvolatile memory according to the present invention.
FIG. 11 is a diagram showing a semiconductor circuit using a nonvolatile memory of the present invention.
FIG. 12 is a diagram showing an electronic device using the nonvolatile memory of the present invention.
FIG. 13 is a diagram showing an electronic device using the nonvolatile memory of the present invention.
FIG. 14 is a diagram showing an equivalent circuit of the nonvolatile memory of the present invention.
[Explanation of symbols]
101 Silicon substrate
102 Field oxide film
103 Source area
104 Drain region
105 Pinning area
106 Channel formation region
107 first gate insulating film
108 Floating gate electrode
109 Second gate insulating film
110 Control gate electrode
111 Interlayer film
112 Wiring

Claims (13)

単結晶半導体から形成されたソース領域、ドレイン領域、及び前記ソース領域と前記ドレイン領域に挟まれた領域と、
前記ソース領域、前記ドレイン領域に挟まれた領域上に形成された第1のゲート絶縁膜と、
前記第1のゲート絶縁膜上に形成された複数のフローティングゲート電極と、
前記複数のフローティングゲート電極上に形成された第2のゲート絶縁膜と、
前記第2のゲート絶縁膜上に形成されたコントロールゲート電極と、
を有するメモリトランジスタを備えた不揮発性メモリであって、
前記ソース領域と前記ドレイン領域に挟まれた領域は、チャネル長方向にストライプ状に形成された複数の不純物領域と、当該複数の不純物領域に挟まれた複数のチャネル形成領域によって形成され、
前記複数の不純物領域は前記ソース領域、前記ドレイン領域に添加された不純物とは逆の導電型を有する不純物が添加されており、
前記複数のフローティングゲート電極は、前記複数のチャネル形成領域上にそれぞれ一つずつ、前記第1のゲート絶縁膜を介して形成され、
前記メモリトランジスタは多値のデータを記憶することを特徴とする不揮発性メモリ。
A source region formed from a single crystal semiconductor, a drain region, and a region sandwiched between the source region and the drain region;
A first gate insulating film formed on a region sandwiched between the source region and the drain region;
A plurality of floating gate electrodes formed on the first gate insulating film;
A second gate insulating film formed on the plurality of floating gate electrodes;
A control gate electrode formed on the second gate insulating film;
A non-volatile memory comprising a memory transistor having
The region sandwiched between the source region and the drain region is formed by a plurality of impurity regions formed in a stripe shape in the channel length direction and a plurality of channel formation regions sandwiched between the plurality of impurity regions,
The plurality of impurity regions are doped with impurities having a conductivity type opposite to that of the impurities added to the source region and the drain region,
The plurality of floating gate electrodes are formed one on each of the plurality of channel formation regions through the first gate insulating film,
The non-volatile memory, wherein the memory transistor stores multi-value data.
単結晶半導体から形成されたソース領域、ドレイン領域、及び前記ソース領域と前記ドレイン領域に挟まれた領域と、
前記ソース領域と前記ドレイン領域に挟まれた領域上に形成された第1のゲート絶縁膜と、
前記第1のゲート絶縁膜上に形成された複数のフローティングゲート電極と、
前記複数のフローティングゲート電極上に形成された第2のゲート絶縁膜と、
前記第2のゲート絶縁膜上に形成されたコントロールゲート電極と、
を有するメモリトランジスタを備えた不揮発性メモリであって、
前記ソース領域と前記ドレイン領域に挟まれた領域は、チャネル長方向にストライプ状に形成された複数の不純物領域と、当該複数の不純物領域に挟まれた複数のチャネル形成領域によって形成され、
前記複数の不純物領域は前記ソース領域、前記ドレイン領域に添加された不純物とは逆の導電型を有する不純物が添加されており、
前記複数のフローティングゲート電極は、前記複数のチャネル形成領域上にそれぞれ一つずつ、前記第1のゲート絶縁膜を介して形成され、
前記複数の不純物領域はそれぞれ独立に電位を制御でき、
前記メモリトランジスタは多値のデータを記憶することを特徴とする不揮発性メモリ。
A source region formed from a single crystal semiconductor, a drain region, and a region sandwiched between the source region and the drain region;
A first gate insulating film formed on a region sandwiched between the source region and the drain region;
A plurality of floating gate electrodes formed on the first gate insulating film;
A second gate insulating film formed on the plurality of floating gate electrodes;
A control gate electrode formed on the second gate insulating film;
A non-volatile memory comprising a memory transistor having
The region sandwiched between the source region and the drain region is formed by a plurality of impurity regions formed in a stripe shape in the channel length direction and a plurality of channel formation regions sandwiched between the plurality of impurity regions,
The plurality of impurity regions are doped with impurities having a conductivity type opposite to that of the impurities added to the source region and the drain region,
The plurality of floating gate electrodes are formed one on each of the plurality of channel formation regions through the first gate insulating film,
The plurality of impurity regions can independently control the potential,
The non-volatile memory, wherein the memory transistor stores multi-value data.
請求項または請求項において、前記複数のフローティングゲート電極はそれぞれ、前記第1のゲート絶縁膜を介して前記複数の不純物領域の一つと、一部重なっていることを特徴とする不揮発性メモリ。According to claim 1 or claim 2, nonvolatile memory, wherein each of the plurality of floating gate electrodes, and one of the plurality of impurity regions via the first gate insulating film, the overlapping portion . 請求項1乃至請求項のいずれか一項において、前記ソース領域と前記ドレイン領域に挟まれた領域に形成された前記複数の不純物領域は、前記ソース領域と前記ドレイン領域の一方または両方においても連続して形成されていることを特徴とする不揮発性メモリ。In any one of claims 1 to 3, wherein the source region and the drain region of the plurality of impurity regions formed in a region sandwiched, even in one or both of the source region and the drain region A non-volatile memory formed continuously. 請求項1乃至請求項のいずれか一項において、前記複数の不純物領域の不純物は13族又は15族から選ばれることを特徴とする不揮発性メモリ。Non-volatile memory, characterized in that in any one of claims 1 to 4, the impurity of the plurality of impurity regions is selected from group 13 or group 15. 請求項1乃至請求項のいずれか一項において、前記複数の不純物領域の不純物は13族又は15族から選ばれ、当該複数の不純物領域によって前記ドレイン領域から前記ソース領域に向かって広がる空乏層が抑止されることを特徴とする不揮発性メモリ。In any one of claims 1 to 5, the impurity of the plurality of impurity regions is selected from group 13 or group 15, it extends toward the source region from the drain region by the plurality of impurity regions depletion layer Non-volatile memory characterized in that 請求項1乃至請求項のいずれか一項において、前記複数の不純物領域の不純物の濃度は1×1017atoms/cm以上5×1020atoms/cm以下であることを特徴とする不揮発性メモリ。In the claims 1 to any one of claims 6, wherein the concentration of impurities of the plurality of impurity regions is 1 × 10 17 atoms / cm 3 or more 5 × 10 20 atoms / cm 3 or less non Sex memory. 請求項1乃至請求項のいずれか一項において、前記メモリトランジスタのチャネル長は、0.01μm以上1μm以下であることを特徴とする不揮発性メモリ。In any one of claims 1 to 7, the channel length of the memory transistor, a nonvolatile memory, characterized in that at 0.01μm than 1μm or less. 請求項1乃至請求項のいずれか一項において、前記複数の不純物領域の幅は、0.01μm以上1μm以下であることを特徴とする不揮発性メモリ。In any one of claims 1 to 8, a non-volatile memory, wherein the width of said plurality of impurity regions is 0.01μm or 1μm or less. 請求項1乃至請求項のいずれか一項において、前記複数のチャネル形成領域の幅は、0.01μm以上1μm以下であることを特徴とする不揮発性メモリ。In any one of claims 1 to 9, a non-volatile memory, wherein the width of said plurality of channel formation regions is 0.01μm or 1μm or less. 請求項1乃至請求項10のいずれか一項において、前記不揮発性メモリを記録媒体として利用することを特徴とする半導体装置。In any one of claims 1 to 10, a semiconductor device which is characterized by utilizing the non-volatile memory as a recording medium. 請求項11において、前記半導体装置とは、マイクロプロセッサであることを特徴とする半導体装置。12. The semiconductor device according to claim 11 , wherein the semiconductor device is a microprocessor. 請求項11において、前記半導体装置とは、ディスプレイ、ビデオカメラ、ヘッドマウントディスプレイ、DVDプレーヤー、ゴーグル型ディスプレイ、パーソナルコンピュータ、携帯電話、カーオーディオであることを特徴とする半導体装置。12. The semiconductor device according to claim 11 , wherein the semiconductor device is a display, a video camera, a head mounted display, a DVD player, a goggle type display, a personal computer, a mobile phone, or a car audio.
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