JP4970402B2 - Semiconductor memory device - Google Patents
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Description
本発明は、半導体記憶装置に係り、特に、電気的に書き換え消去可能な半導体記憶装置に関する。 The present invention relates to a semiconductor memory device, and more particularly, to an electrically rewritable and erasable semiconductor memory device.
電気的に書き換え消去可能な不揮発性半導体記憶装置のひとつとして、半導体基板上に電荷蓄積層と制御ゲートが積層形成されたMISFET構造を有するものが知られている。 As one of electrically rewritable and erasable nonvolatile semiconductor memory devices, one having a MISFET structure in which a charge storage layer and a control gate are stacked on a semiconductor substrate is known.
浮遊ゲート型不揮発性半導体記憶装置では、図25(A)、(B)、(C)に示されるようにその消去動作は以下の通りになる。 In the floating gate nonvolatile semiconductor memory device, as shown in FIGS. 25A, 25B, and 25C, the erase operation is as follows.
まず、図25(A)に示される浮遊ゲート106に負電荷が帯電された状態である。次に、図25(B)に示される浮遊ゲート106から半導体基板101へ負電荷を抜く動作がなされる。この過程で、図25(C)に示される浮遊ゲート106に正電荷が帯電することで、消去動作が行われる。ここで、半導体基板101表面にはソース・ドレイン拡散層102が設けられ、半導体基板101上には、トンネル絶縁膜103を介して浮遊ゲート106が設けられている。この浮遊ゲート106上には、インターポリ絶縁膜105を介して制御ゲート104が設けられている。
First, a negative charge is charged in the
次に、MONOS(金属―酸化シリコン膜―窒化シリコン膜―酸化シリコン膜―半導体:Metal-Oxide-Nitride-Oxide-Semiconductor)型不揮発性半導体記憶装置では、図25(D)、(E)、(F)に示されるようにその消去動作は以下の通りになる。 Next, in the MONOS (metal-silicon oxide film-silicon nitride film-silicon oxide film-semiconductor: Metal-Oxide-Nitride-Oxide-Semiconductor) type nonvolatile semiconductor memory device, FIGS. As shown in F), the erase operation is as follows.
まず、図25(D)に示されるように電荷蓄積層110に負電荷が帯電された状態から、図25(E)に示されるように半導体基板101から電荷蓄積層110に正電荷が取り込まれる動作が行われる。このように電荷蓄積層へ正電荷を注入することで、図25(F)に示されるように電荷蓄積層110に正電荷が取り込まれた状態となる。この動作を正電荷のダイレクトトンネリングとよぶ。この場合、電荷蓄積層と半導体基板の間にあるトンネル絶縁膜111はその厚さが厚くなると正電荷が電荷蓄積層に入りにくくなってしまう。しかし、データの保持特性としては、トンネル絶縁膜の厚さは厚いことが好ましい。
First, as shown in FIG. 25D, a positive charge is taken into the
ここで、半導体基板101表面にはソース・ドレイン拡散層102が設けられ、半導体基板101上には、トンネル絶縁膜111を介して電荷蓄積層110が設けられている。この電荷蓄積層110上には、ブロック絶縁膜105を介して制御ゲート104が設けられている。
Here, a source /
通常、電荷蓄積層に蓄えられた電荷量によってメモリセルトランジスタの閾値を変化させ、書き込み状態と消去状態とを記憶する。図26を用いて、従来の不揮発性メモリにおけるデータの記憶状態を説明する。電荷蓄積層の電荷量が0の状態を中性状態と呼び、そのときのメモリセルトランジスタの閾値を中性閾値Vthiとする。電荷蓄積層に正の電荷を蓄積した状態を消去状態とし、負の電荷を蓄積した状態を書き込み状態とする。このような状態はNAND型、AND型、NOR型メモリそれぞれ共通している。 Usually, the threshold value of the memory cell transistor is changed according to the amount of charge stored in the charge storage layer, and the written state and the erased state are stored. The data storage state in the conventional nonvolatile memory will be described with reference to FIG. A state where the charge amount of the charge storage layer is 0 is called a neutral state, and the threshold value of the memory cell transistor at that time is defined as a neutral threshold value Vthi. A state where positive charges are stored in the charge storage layer is referred to as an erase state, and a state where negative charges are stored is referred to as a write state. Such a state is common to NAND type, AND type, and NOR type memories.
図26(A)において、横軸はメモリセル数を指し、縦軸は閾値を指す。消去状態においては、Vthiよりも小さい閾値にすべての分布が存在している。書き込み状態においては、Vthiよりも大きい閾値にすべての分布が存在している。 In FIG. 26A, the horizontal axis indicates the number of memory cells, and the vertical axis indicates a threshold value. In the erased state, all distributions exist at a threshold value smaller than Vthi. In the write state, all distributions exist at a threshold value greater than Vthi.
図26(B)に示されるように、書き込み動作は例えば半導体基板101を0Vとした状態で制御ゲート104に高電圧(例えば10〜25V)を印加して、半導体基板101から電荷蓄積層110に負電荷を注入することで行われる。またはソース電位に対してドレイン電位を正にバイアスしてチャネルで加速されたホットエレクトロンを発生させ、さらに制御ゲート104をソース電位に対して正にバイアスすることでホットエレクトロンを電荷蓄積層に注入することで行われる。
As shown in FIG. 26B, in the writing operation, for example, a high voltage (for example, 10 to 25 V) is applied to the
図26(C)に示されるように、消去動作は例えば制御ゲート104を0Vとした状態で半導体基板101に高電圧(例えば10〜25V)を印加して、電荷蓄積層110から半導体基板101に負電荷を放出することで行わる。またはソース電位に対してドレイン電位を負にバイアスしてチャネルで加速されたホットホールを発生させ、さらに制御ゲート104をソース電位に対して負にバイアスすることでホットホールを電荷蓄積層110に注入することで行われる。
As shown in FIG. 26C, in the erasing operation, for example, a high voltage (for example, 10 to 25 V) is applied to the
次に、図27,28を用いて代表的な不揮発性メモリであるNAND型EEPROMのデータの記憶状態およびデータの読み出し動作を説明する。一般にNAND型EEPROMではメモリセルの閾値が0Vより高い状態を書き込み状態、低い状態を消去状態とする。図27においては、横軸はメモリセル数を指し、縦軸は閾値を指す。消去状態においては、Vthiや選択トランジスタの閾値Vthsgよりも小さい負の閾値にすべての分布が存在していて、図26(C)に示される状態となっている。書き込み状態においては、Vthiよりも大きく、Vreadよりも小さい閾値にすべての分布が存在していて、図26(B)に示される状態となっている。 Next, a data storage state and a data read operation of a NAND type EEPROM which is a typical nonvolatile memory will be described with reference to FIGS. In general, in a NAND type EEPROM, a state in which the threshold value of the memory cell is higher than 0 V is set as a write state, and a state where the threshold value is low is set as an erase state. In FIG. 27, the horizontal axis indicates the number of memory cells, and the vertical axis indicates the threshold value. In the erased state, all distributions exist at negative threshold values smaller than Vthi and the threshold value Vthsg of the selection transistor, and the state shown in FIG. In the writing state, all distributions exist at threshold values larger than Vthi and smaller than Vread, and are in the state shown in FIG.
図28に示されるように、NAND型EEPROMの読み出し動作では、ビット線BLをプリチャージした後にフローティングにし、読み出し選択されたメモリセルM2の制御ゲートの電圧を読み出し電圧0Vとし,それ以外のメモリセルM0、M1、M3乃至M31の制御ゲートの電圧を非選択読み出し電圧Vread、選択トランジスタS1,S2のゲート電圧を電源電圧Vccとし,ソース線Sourceを0Vとして、読み出し選択されたメモリセルM2に電流が流れるか否かをビット線BLで検出することにより行われる。 As shown in FIG. 28, in the read operation of the NAND type EEPROM, the bit line BL is precharged and then floated, the voltage of the control gate of the memory cell M2 selected for reading is set to the read voltage 0V, and the other memory cells The voltage of the control gates M0, M1, M3 to M31 is set to the unselected read voltage Vread, the gate voltages of the select transistors S1 and S2 are set to the power supply voltage Vcc, the source line Source is set to 0 V, and a current is supplied to the memory cell M2 selected for reading. This is done by detecting whether or not it flows through the bit line BL.
すなわち、読み出し選択されたメモリセルM2の閾値Vthが正である書き込み状態ならばメモリセルはオフになるのでビット線BLはプリチャージ電位を保つ。 That is, if the threshold value Vth of the memory cell M2 selected for reading is in a writing state, the memory cell is turned off, so that the bit line BL maintains the precharge potential.
これに対して読み出し選択されたメモリセルM2の閾値Vthが負である読み出し状態ならばメモリセルはオンするのでビット線BLの電位はプリチャージ電位からΔVだけ低下する。この電位変化をセンスアンプで検知することによってメモリセルのデータが読み出される。 On the other hand, if the threshold value Vth of the memory cell M2 selected for reading is negative, the memory cell is turned on, so that the potential of the bit line BL decreases by ΔV from the precharge potential. Data in the memory cell is read by detecting this potential change with a sense amplifier.
図29(A)に示されるように非選択メモリセルにおいては、データ記憶後、放置されたメモリセルでは電荷が徐々に放電されて、少なくなっていき、最終的には電荷量が0に収束する。ここで、正電荷、負電荷いずれの場合も、その電荷量が初期状態において大きいほど、その電荷量の減少量が大きくなっている。一般には、電荷の変化の傾きが小さい、電荷量が少ない場合を用いて半導体記憶装置の書き込み動作を行う。 As shown in FIG. 29A, in the non-selected memory cell, after the data is stored, the charge is gradually discharged and decreased in the left memory cell, and the charge amount finally converges to 0. To do. Here, in both the positive charge and the negative charge, the amount of decrease in the charge amount increases as the charge amount increases in the initial state. In general, the write operation of the semiconductor memory device is performed using a case where the slope of change in charge is small and the amount of charge is small.
従来のEEPROMにおいては、図26に示すように負電荷蓄積状態と正電荷蓄積状態をそれぞれ、書き込み状態と消去状態に対応させてデータを記憶していた。特にNAND型EEPROMでは図27に示すように、メモリセルの閾値が正の状態と負の状態をそれぞれ書き込み状態と消去状態に対応させてデータを記憶していた。 In the conventional EEPROM, as shown in FIG. 26, the negative charge accumulation state and the positive charge accumulation state are stored in correspondence with the writing state and the erasing state, respectively. In particular, in the NAND type EEPROM, as shown in FIG. 27, data is stored in such a manner that the threshold value of the memory cell is in a positive state and a negative state in correspondence with a write state and an erase state, respectively.
以上のような従来の半導体装置では、以下の課題が生じる。 The conventional semiconductor device as described above has the following problems.
NAND型EEPROMの読み出し動作において、非選択のメモリセルはその記憶状態によらずオンする必要があるため、書き込み閾値電圧よりも高い電圧Vreadが制御ゲートに加えられる。図29(B)に示されるように、実線で示される消去直後の非選択のメモリセルが消去状態、すなわち、負の閾値状態にあった場合に、読み出し動作を繰り返すことでVreadストレスによって閾値が上昇し、データが破壊され、図中で破線で示されるように閾値が正となる。これはリードディスターブと呼ばれている。 In the read operation of the NAND type EEPROM, the non-selected memory cell needs to be turned on regardless of its storage state, and therefore, a voltage Vread higher than the write threshold voltage is applied to the control gate. As shown in FIG. 29B, when a non-selected memory cell immediately after erasing indicated by a solid line is in an erasing state, that is, a negative threshold state, the threshold is set by Vread stress by repeating the reading operation. Rising, the data is destroyed, and the threshold is positive as shown by the dashed line in the figure. This is called lead disturb.
すなわち、図29(A),29(B)に示されるように読み出し非選択のセルは、常にVreadストレスにさらされているため、閾値が徐々に上昇していく。 That is, as shown in FIGS. 29A and 29B, read-unselected cells are always exposed to Vread stress, and therefore the threshold value gradually increases.
ここで、メモリセルの保持電荷が正の場合、以下のいずれかの条件で、特にデータ保持特性の悪化が生じる。 Here, when the retention charge of the memory cell is positive, the data retention characteristic is particularly deteriorated under any of the following conditions.
この問題は、メモリセルの微細化に伴って、より深刻になるが以下にそれを説明する。不揮発性メモリの微細化に伴って、書き込み・消去電圧の低下に対する要求が強くなっている。 This problem becomes more serious with the miniaturization of memory cells, which will be described below. With the miniaturization of the nonvolatile memory, there is an increasing demand for a decrease in write / erase voltage.
これは、書き込み、消去電圧を扱うための周辺回路の面積が半導体チップ全体に及ぼす影響が大きくなるからである。書き込み・消去電圧が高いままだと周辺回路の面積は縮小されず、セルが微細化されると相対的に周辺回路の面積が大きくなる。このように半導体チップ全体の面積を周辺回路の面積が制約する。 This is because the area of the peripheral circuit for handling the write and erase voltages has a great influence on the entire semiconductor chip. If the write / erase voltage remains high, the area of the peripheral circuit is not reduced. If the cell is miniaturized, the area of the peripheral circuit is relatively increased. In this way, the area of the peripheral circuit limits the area of the entire semiconductor chip.
浮遊ゲート型のメモリセルでこれを実現するためにはカップリング比の向上とトンネル酸化膜の薄膜化が有効である。ここで、書き込み消去時に制御ゲートとチャネル間にかかる電圧をVppとし、トンネル酸化膜にかかる電界をEoxとし、トンネル酸化膜厚をdとし、半導体基板と浮遊ゲート間の容量をC1とし、浮遊ゲートと制御ゲート間の容量をC2とし、カップリング比γはC1とC2の和でC2を割った値となる。近似的には、VthをVthiと等しいときには以下の数1が成り立つ。
よって、Eoxを保ったまま(書き込み消去の速度を保ったまま)、プログラム電圧Vppを下げるためにはトンネル酸化膜厚 d を薄くするか、カップリング比γを大きくする必要がある。 Therefore, in order to lower the program voltage Vpp while maintaining Eox (while maintaining the write / erase speed), it is necessary to reduce the tunnel oxide film thickness d or increase the coupling ratio γ.
ところで読み出し動作時の非選択のメモリセルのトンネル酸化膜にかかる電界をE'oxとすると、近似的にVthがVthiと等しい場合を考えると以下の数2の関係が成り立つ。
よって、制御ゲートとチャネル間にかかる電圧をVppを下げるためにカップリング比γを増加させ、トンネル酸化膜厚dを薄くするとE'oxが増大するため、リードディスターブ特性が悪化する。 Therefore, if the coupling ratio γ is increased in order to lower the voltage applied to the control gate and the channel to Vpp and the tunnel oxide film thickness d is reduced, E′ox increases, and the read disturb characteristic is deteriorated.
すなわち、リードディスターブはトンネル酸化膜のリークが原因であり、E'ox、すなわち、酸化膜電界が大きくなるとリーク電流が増大する。 That is, the read disturb is caused by the leak of the tunnel oxide film, and the leak current increases when the E'ox, that is, the oxide film electric field increases.
また、電荷蓄積層としてシリコン窒化膜などの絶縁膜を用いた不揮発性メモリも存在し一般に書き込み消去電圧Vppが低いことを特徴としている(例えば特許文献1参照)。しかし、このようなメモリセルでは特許文献1の図4に記載されているように2.5V以下の低い制御ゲート電圧でも閾値変動が生じることが知られている。
Further, there is a non-volatile memory using an insulating film such as a silicon nitride film as a charge storage layer, which is generally characterized by a low write / erase voltage Vpp (see, for example, Patent Document 1). However, it is known that in such a memory cell, as described in FIG. 4 of
またSiNを電荷蓄積層として用いたセルの繰り返し書き換え動作においては、消去状態に蓄積されたホールが信頼性を劣化させることが Minamiらによって指摘されている(例えば非特許文献1参照)。MONOSの場合に、電荷蓄積層を薄くした場合、長時間のストレスをかけた場合にはその特性悪化が顕著である。 In addition, it has been pointed out by Minami et al. That holes accumulated in the erased state deteriorate reliability in repeated rewrite operations of cells using SiN as a charge storage layer (see, for example, Non-Patent Document 1). In the case of MONOS, when the charge storage layer is thinned and the stress is applied for a long time, the characteristic deterioration is remarkable.
さらにSiNを電荷蓄積層として用いたセルにおける、データ保持特性の繰り返し書き換えによる劣化についてはホール蓄積状態のみ繰り返し書き換えにより劣化し、電子蓄積状態は劣化しないことがMinamiらによって指摘されている(例えば非特許文献2参照)。
本発明は、リードディスターブ特性を向上させて、高集積化された半導体記憶装置を提供しようとするものである。 An object of the present invention is to provide a highly integrated semiconductor memory device with improved read disturb characteristics.
本発明の第1の態様は、少なくとも一つの制御端子を有し、電気的に消去可能で、離散的なn値(nは2以上の整数)のデータを記憶する情報蓄積部を有し、少なくとも二つの電流端子間に直列に接続され配置された複数個のメモリエレメントを備え、前記n値のデータを閾値の低い順に定められた離散的な第1乃至第nのすべての閾値電圧が、データ読み出し時に電流端子に印加される電圧のうち低い方の電圧に比べて高く、このメモリエレメントと電流端子を共有して配置され、かつ、前記複数個のメモリエレメントの前記制御端子と電気的に分離した制御端子を有し、前記電流端子間の導通状態と遮断状態とが切り替わる前記制御端子の電圧を閾値とすると、前記複数個のメモリエレメントの消去状態の閾値電圧よりも低い閾値電圧を有する選択エレメントとを備えることを特徴とする半導体記憶装置である。 The first aspect of the present invention includes an information storage unit that has at least one control terminal, is electrically erasable, and stores data of discrete n values (n is an integer of 2 or more), A plurality of memory elements connected in series between at least two current terminals, all the discrete first to nth threshold voltages in which the n-valued data is determined in order from the lowest threshold, It is higher than the lower one of the voltages applied to the current terminals at the time of data reading, and is arranged to share the current terminal with the memory element, and is electrically connected to the control terminals of the plurality of memory elements. has a separate control terminal, if the threshold voltage of the control terminal and the conducting state and a cutoff state is switched between the current terminals, a lower threshold voltage than the threshold voltage of the erased state of said plurality of memory elements A semiconductor memory device characterized by comprising a selection element to be.
本発明の第2の態様は、少なくとも一つの制御端子を有し、電気的に消去可能で、離散的なn値(nは2以上の整数)のデータを記憶する情報蓄積部を有し、少なくとも二つの電流端子間に直列に接続され配置された複数個のメモリエレメントを備え、このメモリエレメントと前記電流端子を共有して選択エレメントが配置され、前記メモリエレメントの制御端子と電気的に分離した制御端子を有し、前記電流端子間の導通状態と遮断状態とが切り替わる前記制御端子の電圧を閾値として前記n値のデータを閾値の低い順に定められた離散的な第1乃至第nの閾値電圧に対応させると、消去状態に相当するデータ記憶状態における閾値電圧が、前記選択エレメントの閾値電圧よりも高いメモリエレメントと、前記選択エレメントの閾値電圧よりも低いメモリエレメントとをともに備えることを特徴とする半導体記憶装置。 A second aspect of the present invention includes an information storage unit that has at least one control terminal, is electrically erasable, and stores data of discrete n values (n is an integer of 2 or more), A plurality of memory elements connected in series between at least two current terminals are arranged, and a selection element is arranged by sharing the current terminal with the memory element, and is electrically separated from a control terminal of the memory element Discrete nth to nth data determined in ascending order of the threshold value with the voltage of the control terminal at which the conduction state and the cutoff state between the current terminals are switched as a threshold value. made to correspond to the threshold voltage, the threshold voltage in the data storage state corresponding to an erase state, and the higher memory elements than the threshold voltage of the selected element, the threshold voltage of the selected element The semiconductor memory device characterized by both and a lower memory element also.
本発明によれば、リードディスターブ特性を向上させて、高集積化された半導体記憶装置を提供できる。 According to the present invention, it is possible to provide a highly integrated semiconductor memory device with improved read disturb characteristics.
次に,図面を参照して、本発明の実施の形態を説明する。以下の図面の記載において、同一又は類似の部分には、同一又は類似の符号を付している。ただし、図面は模式的なものであり,厚みと平面寸法との関係、各層の厚みの比率等は、現実のものとは異なる。従って、具体的な厚みや寸法は以下の説明を参酌して判断すべきものである。また、図面相互間においても互いの寸法の関係や比率が異なる部分が含まれている。 Next, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. In the following description of the drawings, the same or similar parts are denoted by the same or similar reference numerals. However, the drawings are schematic, and the relationship between the thickness and the planar dimensions, the ratio of the thickness of each layer, and the like are different from the actual ones. Accordingly, specific thicknesses and dimensions should be determined in consideration of the following description. Moreover, the part from which the relationship and ratio of a mutual dimension differ also in between drawings is contained.
(第1の実施の形態)図1(A)を用いて本実施形態をNAND型EEPROMに適用した場合の読み出し動作を説明する。ここでは、メモリセルユニットはビット線BLに一端が接続された第1選択トランジスタS1とソース線Sourceに一端が接続された第2選択トランジスタS2との間に16個のメモリセルトランジスタM0〜M15が直列に接続されて構成されている。 (First Embodiment) A read operation when this embodiment is applied to a NAND type EEPROM will be described with reference to FIG. Here, the memory cell unit includes 16 memory cell transistors M0 to M15 between a first selection transistor S1 having one end connected to the bit line BL and a second selection transistor S2 having one end connected to the source line Source. It is configured to be connected in series.
ビット線BLをプリチャージした後にフローティングにし、読み出し選択されたメモリセルトランジスタM2の制御ゲートの電圧を読み出し電圧Vrefとし、それ以外のメモリセルM0、M1、M3〜M15の制御ゲートの電圧を非選択読み出し電圧Vread、第1選択トランジスタS1及び第2選択トランジスタS2のゲート電圧を電源電圧Vcc、ソース線Sourceを0Vとして、読み出し選択されたメモリセルM2に電流が流れるか否かをビット線BLで検出することにより行われる。 The bit line BL is precharged and then floated, the voltage of the control gate of the memory cell transistor M2 selected for reading is set to the reading voltage Vref, and the voltages of the control gates of the other memory cells M0, M1, M3 to M15 are not selected. The bit line BL detects whether or not a current flows through the memory cell M2 selected for reading by setting the read voltage Vread, the gate voltage of the first selection transistor S1 and the second selection transistor S2 to the power supply voltage Vcc, and the source line Source to 0V. Is done.
すなわち、選択メモリセルM2の閾値Vthが読み出し電圧Vrefよりも大きいならば、選択メモリセルM2はオフになるのでビット線BLはプリチャージ電位を保つ。 That is, if the threshold value Vth of the selected memory cell M2 is larger than the read voltage Vref, the selected memory cell M2 is turned off and the bit line BL maintains the precharge potential.
これに対して選択メモリセルM2の閾値Vthが読み出し電圧Vrefよりも小さいならば、選択メモリセルM2はオンになるのでビット線BLの電位はプリチャージ電位からメモリセルユニットでの電圧降下ΔVだけ低下する。この電位変化をビット線に接続されたデータ回路(図示せず)内のセンスアンプ(図示せず)で検知することによって選択メモリセルM2のデータが読み出される。 On the other hand, if the threshold value Vth of the selected memory cell M2 is smaller than the read voltage Vref, the selected memory cell M2 is turned on, so that the potential of the bit line BL is lowered from the precharge potential by the voltage drop ΔV in the memory cell unit. To do. By detecting this potential change with a sense amplifier (not shown) in a data circuit (not shown) connected to the bit line, the data of the selected memory cell M2 is read.
ここで、読み出し電圧Vrefは書き込み状態の閾値と消去状態の閾値の中間の電圧、非選択読み出し電圧Vreadは書き込み状態の閾値よりも高い電圧、電源電圧Vccは選択トランジスタの閾値よりも高い電圧である。 Here, the read voltage Vref is an intermediate voltage between the write state threshold and the erase state threshold, the non-select read voltage Vread is higher than the write state threshold, and the power supply voltage Vcc is higher than the select transistor threshold. .
図1(B)には、横軸をメモリセルトランジスタの個数、縦軸を閾値の大きさとして、本実施の形態におけるデータの記憶状態が示される。本実施の形態に特徴的なことはメモリセルの書き込み状態及び消去状態のいずれもが正の閾値を持つことである。 FIG. 1B shows the data storage state in this embodiment, with the horizontal axis representing the number of memory cell transistors and the vertical axis representing the threshold value. What is characteristic of this embodiment is that both the write state and the erase state of the memory cell have a positive threshold value.
ここで、書き込み状態及び消去状態の閾値は、図1(B)に示されるような分布を持つ。消去状態の閾値は、0Vよりも大きく、読み出し電圧Vrefよりも小さい分布となっている。書き込み状態の閾値は、読み出し電圧Vrefよりも大きく、非選択読み出し電圧Vreadよりも小さい分布となっている。 Here, the threshold values of the writing state and the erasing state have a distribution as shown in FIG. The threshold value of the erased state has a distribution that is larger than 0V and smaller than the read voltage Vref. The threshold value of the writing state has a distribution larger than the read voltage Vref and smaller than the non-selective read voltage Vread.
また、場合により図1(C)に示すようなデータの記憶状態となっていてもよい。消去状態の閾値は、0Vをはさんで正負両方の値となっていて、読み出し電圧Vrefよりも小さい分布となっている。書き込み状態の閾値は、読み出し電圧Vrefよりも大きく、非選択読み出し電圧Vreadよりも小さい分布となっている。 In some cases, a data storage state as shown in FIG. The threshold value in the erased state has both positive and negative values across 0 V, and has a distribution smaller than the read voltage Vref. The threshold value of the writing state has a distribution larger than the read voltage Vref and smaller than the non-selective read voltage Vread.
図27(A)に示したように、繰り返し読み出しによって非選択セルの閾値は非選択読み出し電圧Vreadによるストレスによって上昇する問題があるため、データ記憶の閾値設定や各種の電圧設定はこれを考慮にいれて行う必要がある。 As shown in FIG. 27A, there is a problem that the threshold value of the non-selected cell rises due to the stress caused by the non-selected read voltage Vread due to repeated reading. Therefore, the threshold value for data storage and various voltage settings are taken into consideration. It is necessary to do it.
図2(A)には、リードディスターブを考慮した閾値設定方法を横軸をメモリセルトランジスタ数、縦軸を閾値とした分布が表される。 FIG. 2A shows a distribution in which the horizontal axis represents the number of memory cell transistors and the vertical axis represents the threshold value in the threshold setting method considering read disturb.
書き込み状態のメモリセルのなかで最も低い閾値をVthw(min)、書き込み閾値の分布幅をΔV(ΔVとしては例えば0.4V程度が一般的である)とする。 Let Vthw (min) be the lowest threshold value among the memory cells in the written state, and let ΔV be a distribution width of the write threshold value (ΔV is generally about 0.4 V, for example).
読み出し動作の高速化のために十分なセル電流を得るためには、非選択読み出し電圧Vreadは最も高い閾値を持つメモリセルでも十分にオンするだけの電圧である必要がある。 In order to obtain a sufficient cell current for speeding up the read operation, the non-select read voltage Vread needs to be a voltage sufficient to turn on even a memory cell having the highest threshold.
すなわち、ゲート電圧が高いほどセル電流が大きくなるため、セル電流をかせぐためには、ゲート電圧は十分高い必要がある。 That is, since the cell current increases as the gate voltage increases, the gate voltage needs to be sufficiently high in order to earn the cell current.
このマージンをV1とする。一般的にはV1としては1V程度の電圧が望ましい。このとき数3の関係が成り立つ。
定数αをΔVとV1との和すると相互に等しい下記の数4、数5が成り立つ。
また、消去状態のメモリセルの中でもっとも高い閾値をVthe(max)とする。繰り返し読み出し動作によって破線で示される消去閾値は徐々に上昇し、ある時間の非選択読み出し電圧Vreadストレス後にはVthe(max)はVthe’(max)となり、実線で示される分布状態となる。ここでVthe’(max)は非選択読み出し電圧Vreadストレス時間が長いほど上昇する。 Further, the highest threshold value among the memory cells in the erased state is Vthe (max). The erasing threshold indicated by the broken line gradually rises due to the repeated reading operation, and Vthe (max) becomes Vthe '(max) after a non-selection reading voltage Vread stress for a certain time, resulting in a distribution state indicated by the solid line. Here, Vthe '(max) increases as the unselected read voltage Vread stress time increases.
非選択読み出し電圧Vreadストレス時間は不揮発性メモリの信頼性保証のスペックによって決定され、例えば、読み出し時間と10年間の動作保証をする呼び出し回数との積となる。 The non-selected read voltage Vread stress time is determined by the reliability guarantee specifications of the nonvolatile memory, and is, for example, the product of the read time and the number of calls for guaranteeing the operation for 10 years.
このようにして決定された非選択読み出し電圧Vreadストレス後にも書き込み状態と消去状態の閾値分布は分離されている必要があり、分離のためのマージンをβとすると、数6の関係が満たされる必要がある。
ここで、βはセンスアンプの動作マージンによって決定されるが一般には0.4V程度である。 Here, β is determined by the operation margin of the sense amplifier, but is generally about 0.4V.
発明者は不揮発性メモリにおける消去閾値と非選択読み出し電圧及び非選択読み出し電圧ストレス時間の関係を調査した。図2(B)には、横軸をリードストレス時間とし、縦軸を消去閾値電圧として、消去閾値は、リードストレス時間の関数として表される。 The inventor investigated the relationship between the erase threshold, the non-selected read voltage, and the non-selected read voltage stress time in the nonvolatile memory. In FIG. 2B, the horizontal axis is the read stress time, the vertical axis is the erase threshold voltage, and the erase threshold is expressed as a function of the read stress time.
その結果、十分長いリードストレス後の消去閾値Vthe’は初期の消去閾値Vtheに依らず、非選択読み出し電圧Vreadだけで決定されることを見出した。 As a result, it has been found that the erase threshold Vthe 'after a sufficiently long read stress is determined only by the non-select read voltage Vread, regardless of the initial erase threshold Vthe.
リードストレスが0秒のときの消去閾値(初期状態での消去閾値)によらずに、長時間ストレスを与えた後の閾値は、一定値に収束する。消去が深いと、自己電界のためにストレス初期の閾値変動が大きく、消去が浅い場合に追いついてしまう。 Regardless of the erase threshold when the read stress is 0 seconds (erase threshold in the initial state), the threshold after applying the stress for a long time converges to a constant value. When erasing is deep, the threshold fluctuation at the initial stage of stress is large due to the self electric field, and catches up when erasing is shallow.
つまり、ある一定のリードストレス時間(この時間は信頼性のスペックによって決定される)後の消去閾値は非選択読み出し電圧Vreadの関数であり、数7が成立する。
ここで、F(x)はメモリセルトランジスタのリードディスターブ特性に依存するが、発明者は2次関数で近似できることを見出した。 Here, F (x) depends on the read disturb characteristic of the memory cell transistor, but the inventor has found that it can be approximated by a quadratic function.
図3は上記数5を(1)として、数7を(2)としてグラフ上にプロットしたものである。グラフの横軸は非選択読み出し電圧Vread、縦軸はメモリセルの閾値Vthである。
FIG. 3 plots the
このグラフで、数6の関係式を満たすように、書き込み及び消去の閾値を設定する必要がある。十分長いリードストレス後の消去閾値Vthe’が初期の消去閾値Vtheによりも大きくなるように設定すればよく、消去時間や消去電圧の低減のためにはVthe’とVtheとの差は大きくとりすぎないことが望ましい。 In this graph, it is necessary to set the threshold values for writing and erasing so as to satisfy the relational expression (6). The erasing threshold Vthe ′ after a sufficiently long read stress may be set to be larger than the initial erasing threshold Vthe, and the difference between Vthe ′ and Vthe is not too large to reduce the erasing time and erasing voltage. It is desirable.
ところで、数6、つまり一定時間後の消去閾値Vthe’(max) はメモリセルのリードディスターブ特性に依存する。図3のグラフではリードディスターブによる閾値変動が大きい場合(2)と小さい場合(3)の2種類をプロットした。リードディスターブによる閾値変動が大きい場合(2)には一定時間後の消去閾値Vthe’(max) が高くなるために、書き込み消去の閾値設定も、閾値変動が小さい場合(3)と比較して高いほうにシフトすることが信頼性上望ましい。
By the way,
微細化されたメモリセルではカップリング比γの増加、トンネル酸化膜厚dの薄膜化、または絶縁膜に電荷をトラップさせるMONOS型メモリセル等の技術が有利であるが、先にも述べたようにこれらの技術を用いた場合にはリードディスターブによる閾値変動が大きくなる。さらにMONOS型メモリセルにおいて、チャネル全面からの正電荷のダイレクトトンネリングによって消去する場合、消去時間を短縮するためにトンネル酸化膜を薄膜化した場合、リードディスターブによる閾値変動が大きくなるが、本実施の形態を適用することで閾値変動による書き込み消去ウィンドウの低下を抑制することができる。 For miniaturized memory cells, techniques such as a MONOS type memory cell that increases the coupling ratio γ, reduces the tunnel oxide film thickness d, or traps charges in the insulating film are advantageous. In addition, when these techniques are used, threshold fluctuation due to read disturb increases. Furthermore, in the MONOS type memory cell, when erasing by direct tunneling of positive charges from the entire channel surface, if the tunnel oxide film is thinned in order to shorten the erasing time, the threshold fluctuation due to read disturb increases. By applying the mode, it is possible to suppress the decrease in the write / erase window due to the threshold fluctuation.
本実施の形態ではメモリセルの閾値設定を書き込み/消去状態ともに正にすることで、繰り返し読み出し動作における消去データのデータ破壊を防止することができる。 In this embodiment, by making the threshold setting of the memory cell positive in both the write / erase state, it is possible to prevent data destruction of erase data in repeated read operations.
本実施の形態のもうひとつの効果として消去ベリファイ動作に関するものがある。消去ベリファイ動作とは、消去後消去したメモリセルの閾値が所望の閾値(以下、Vverifyとする)以下であることを確認する動作で、従来のNAND型EEPROMでは消去閾値は0V以下であるのでマージンを考慮するとVverifyは、0Vよりも小さくする必要があった。消去ベリファイ動作においては制御ゲート電極にVverifyを印加して、このときにメモリセルトランジスタがオンすることを確認する。 Another effect of this embodiment is related to the erase verify operation. The erase verify operation is an operation for confirming that the threshold value of the memory cell erased after erasure is equal to or less than a desired threshold value (hereinafter referred to as Vverify). In the conventional NAND type EEPROM, the erase threshold value is 0 V or less, so the margin. Therefore, Vverify must be smaller than 0V. In the erase verify operation, Vverify is applied to the control gate electrode to confirm that the memory cell transistor is turned on at this time.
ここでVverifyが負であると、制御ゲートに負電圧を印加するためのデータ制御線ドライバが余分に必要となり、周辺回路面積が増大する。ゲートに負電圧を印加しない場合には、消去ベリファイ動作時にソース電圧を上昇させる必要があるが、この場合にもソース線に正の電圧を印加するための余分な回路が必要となり、やはり周辺回路面積が増大する。 Here, when Vverify is negative, an extra data control line driver for applying a negative voltage to the control gate is required, and the peripheral circuit area increases. If a negative voltage is not applied to the gate, it is necessary to increase the source voltage during the erase verify operation. In this case as well, an extra circuit for applying a positive voltage to the source line is required, and the peripheral circuit is also used. The area increases.
ここで、本実施の形態では消去閾値が正であるためにVverifyも正であり、消去ベリファイ動作時にはソース線は通常の読み出し動作と同じく基準電位である0Vでよく、また制御ゲート電極にも正の電圧を印加すればよいので、周辺回路部は消去ベリファイ動作のための余分な回路を必要としないので、回路が簡単になり面積が小さくて済む。 Here, in this embodiment, since the erase threshold value is positive, Vverify is also positive. During the erase verify operation, the source line may be 0 V which is the reference potential as in the normal read operation, and the control gate electrode is also positive. Therefore, the peripheral circuit portion does not need an extra circuit for the erase verify operation, so that the circuit can be simplified and the area can be reduced.
図4乃至図7に本実施の形態をNAND型EEPROMに適用した場合のメモリセルの等価回路図、平面図、及び断面図を示す。 4 to 7 show an equivalent circuit diagram, a plan view, and a cross-sectional view of a memory cell when the present embodiment is applied to a NAND type EEPROM.
図4(A)では、電荷蓄積電極を有するMOSトランジスタからなる不揮発性メモリセルM0〜M15が直列に接続され、一端が選択トランジスタS1を介してデータ転送線BLに接続されている。また、他の一端は選択トランジスタS2を介して共通ソース線SLに接続されている。また、それぞれのメモリセルM0〜M15の制御電極は、データ選択線WL0〜WL15に接続されている。各メモリセルM0〜M15へは共通のウエル電位Wellが与えられている。 In FIG. 4A, nonvolatile memory cells M0 to M15 made of MOS transistors having charge storage electrodes are connected in series, and one end is connected to the data transfer line BL via the selection transistor S1. The other end is connected to the common source line SL via the selection transistor S2. The control electrodes of the memory cells M0 to M15 are connected to data selection lines WL0 to WL15. A common well potential Well is applied to each of the memory cells M0 to M15.
また、データ転送線WL0〜WL15に沿った複数のメモリセルブロックから1つのメモリセルブロックを選択してデータ転送線に接続するため、選択トランジスタS1の制御電極はブロック選択線SSLに接続されている。 Further, in order to select one memory cell block from the plurality of memory cell blocks along the data transfer lines WL0 to WL15 and connect it to the data transfer line, the control electrode of the selection transistor S1 is connected to the block selection line SSL. .
さらに、選択トランジスタS2の制御電極はブロック選択線GSLに接続されており、いわゆるNAND型メモリセルブロック1を形成している。
Further, the control electrode of the selection transistor S2 is connected to the block selection line GSL, and a so-called NAND type
図4(B)では、図4(A)に示されたメモリセルブロック1を3つ並列して配置した構造を示している。特に、図4(B)では、セル構造をわかりやすくするために、制御ゲート電極よりも下の構造のみを示している。ここでは、選択ゲートのブロック選択線SSL及びGSLがメモリセルエレメントの制御配線WL0〜WL15の電荷蓄積層と同じ層の導電体によって、紙面左右方向に隣接するセルで接続されて形成されている。ここで、メモリセルブロック1には、ブロック選択線SSL、GSLは少なくとも1本以上あればよく、データ選択線WL0〜WL15と同一方向に形成されることが、高密度化には望ましい。
FIG. 4B shows a structure in which three
データ転送線BLは、データ選択線WL0〜WL15と垂直な方向に紙面上下方向に図4(B)中では3本配置されている。各データ転送線BLのブロック選択線SSL近傍にはビット線コンタクト2が配置されている。また、各データ転送線BLのブロック選択線GSL近傍にはソース線コンタクト3が配置されている。このようにデータ選択線が形成されることで、制御ゲートのLine/Spaceのパターンが規則的になり、加工が容易となる。
In FIG. 4B, three data transfer lines BL are arranged in the vertical direction of the drawing in the direction perpendicular to the data selection lines WL0 to WL15. A
図4(A)では、メモリセルブロック1に16個、すなわち2の4乗個のメモリセルトランジスタが接続されている例を示したが、データ転送線およびデータ選択線に接続するメモリセルの数は複数であればよく、32個や2n個(nは正の整数)であることがアドレスデコードをする上で望ましい。
Although FIG. 4A shows an example in which 16 memory cell transistors are connected to the
データの記憶は例えば制御ゲートと半導体基板間に例えば10〜25Vの高電圧を印加することで、トンネル絶縁膜を介して電荷が移動し、電荷蓄積層となる絶縁膜又は浮遊ゲート中の電荷量を変化させることによって行われる。電荷蓄積層中の電荷量が変化することでメモリセルトランジスタの閾値電圧が変化し、これを検出することでデータを読み出すことができる。 Data is stored, for example, by applying a high voltage of, for example, 10 to 25 V between the control gate and the semiconductor substrate, the charge moves through the tunnel insulating film, and the amount of charge in the insulating film or floating gate serving as the charge storage layer This is done by changing By changing the amount of charge in the charge storage layer, the threshold voltage of the memory cell transistor changes. By detecting this, data can be read out.
図5(A)には、図4(B)におけるカラム方向である“A−B”線上での断面が示される。図5(B)には、図4(B)におけるロウ方向である“C−D”線上での断面が示される。 FIG. 5A shows a cross section on the “AB” line which is the column direction in FIG. FIG. 5B shows a cross section on the “CD” line which is the row direction in FIG.
図5(A)は、電荷蓄積層としてシリコン窒化膜等の絶縁膜を用いたMONOS型メモリセルトランジスタを用いた場合の断面図である。 FIG. 5A is a cross-sectional view when a MONOS memory cell transistor using an insulating film such as a silicon nitride film as a charge storage layer is used.
P型半導体基板4上には、N型ウエル5が形成されている。このN型ウエル5上には、P型ウエル6が形成されている。各トランジスタは、同一のP型ウエル6上に形成されている。
An N-
ここで、P型ウエル6は、例えばボロン不純物濃度が1014cm−3から1019cm−3の間で形成されている。このP型ウエル6の上に、例えば、1から10nmの厚さからなるシリコン酸化膜またはオキシナイトライド膜からなるトンネルゲート絶縁膜7を介して、例えばSiN、SiONからなる電荷蓄積層8が3nmから50nmの厚さで形成されている。
Here, the P-
この上に、例えば、厚さ2nmから10nmの間のシリコン酸化膜からなるブロック絶縁膜9を介して、例えばポリシリコンやWSi(タングステンシリサイド)とポリシリコンとのスタック構造、NiSi,MoSi,TiSi,CoSiとポリシリコンのスタック構造、金属とポリシリコンとのスタック構造、又は金属やポリシリコン、WSi,NiSi,MoSi,TiSi,CoSiなどの単層構造からなる制御ゲート10が10nmから500nmの厚さで形成されている。
On top of this, for example, a stack structure of polysilicon, WSi (tungsten silicide) and polysilicon, NiSi, MoSi, TiSi, and the like via a
制御ゲート10の上には、ゲートキャップ絶縁膜11が形成されている。このゲートキャップ絶縁膜11、制御ゲート10、ブロック絶縁膜9、電荷蓄積層8、トンネル絶縁膜7の積層構造の側面には、例えば5nmから200nmの厚さのシリコン窒化膜またはシリコン酸化膜からなるゲート側壁絶縁膜12が形成されていて、これらでメモリセルゲート13が形成されている。
A gate
制御ゲート10は、図4(B)において隣接するメモリセルブロックで接続されるように紙面左右方向にブロック境界まで形成されており、データ選択線WL0〜WL15及び、選択ゲート制御線SSL,GSLを形成している。
The
なお、P型ウエル6は、N型ウエル5によってP型半導体基板4と独立に電圧印加できるようになっていることが、消去時の昇圧回路負荷を減らし、消費電力を抑えるためには望ましい。
Note that it is desirable that the P-
これらメモリセルゲート13の両側にはゲート側壁絶縁膜12を挟んでソース・ドレインN型拡散層14が形成されている。これらソース・ドレインN型拡散層14と電荷蓄積層8、制御ゲート10により、MONOS型不揮発性EEPROMセルが形成されており、電荷蓄積層のゲート長としては、0.5μm以下0.01μm以上とする。これらソース・ドレインN型拡散層14としては、例えばリンや砒素、アンチモンを表面濃度が1017cm−3から1021cm−3となるように深さ10nmから500nmの間で形成されている。
A source / drain N
さらに、これらソース・ドレインN型拡散層14はメモリセル同士で直列に接続され、NAND接続が実現されている。また、図5(A)において、ゲート電極15は選択ゲート制御線GSLに相当するブロック選択線に接続され、ゲート電極16は選択ゲート制御線SSLに相当するブロック選択線に接続されている。それぞれのゲート電極15,16は、MONOS型EEPROMのメモリセルトランジスタのメモリセルゲート13の制御電極10と同層で形成されている。
Further, these source / drain N-type diffusion layers 14 are connected in series between the memory cells to realize NAND connection. In FIG. 5A, the
これらゲート電極15,16は、例えば3から15nmの厚さのシリコン酸化膜またはオキシナイトライド膜からなるゲート絶縁膜17を介してP型ウエル6と対向し、MOSトランジスタを形成している。
These
ここで、ゲート電極15、16のゲート長は、メモリセルゲート13のゲート長よりも長く、例えば、1μm以下0.02μm以上として形成することにより、ブロック選択時と非選択時のオンオフ比を大きく確保でき、誤書き込みや誤読み出しを防止できる。
Here, the gate length of the
また、ゲート電極16の片側に形成されたソースまたはドレイン電極となるN型拡散層18は、例えば、タングステンやタングステンシリサイド、チタン、チタンナイトライド、またはアルミニウムからなるデータ転送線19とコンタクト20を介して接続されている。
The N-
ここで、データ転送線19(BL)は、隣接するメモリセルブロックで接続されるように図4(B)の紙面上下方向にメモリセルブロック境界まで形成されている。 Here, the data transfer line 19 (BL) is formed up to the memory cell block boundary in the vertical direction of FIG. 4B so as to be connected by adjacent memory cell blocks.
一方、ゲート電極15の片側に形成されたソース・ドレインN型拡散層21は、コンタクト22を介してソース線23(SL)と接続されている。
On the other hand, the source / drain N
このソース線23(SL)は、隣接するメモリセルブロックで接続されるように図4(B)の紙面左右方向にブロック境界まで形成されている。これらコンタクト20,22としては、例えばN型又はP型にドープされたポリシリコンやタングステン、タングステンシリサイド、Al、TiN、Tiなどが充填されて、導電体領域となっている。
The source line 23 (SL) is formed up to the block boundary in the left-right direction of FIG. 4B so as to be connected by adjacent memory cell blocks. These
さらに、これらソース線23、データ転送線19と、P型ウエル6との間は、例えばSiO2やSiNからなる層間膜24によって充填されている。
Further, the space between the
さらに、このデータ転送線19上部には、例えばSiO2やSiN、又は、ポリイミドからなる絶縁膜保護層25が形成されていて、場合によりその上には、図には示していないが、例えば、W,AlやCuからなる上部配線が形成されている。
Further, an insulating film
図5(B)に示される断面では、素子分離領域26で各ゲート電極13が分離絶縁されている様子が示される。各メモリセルゲート13の真上に層間膜24を介して、データ転送線19が形成されている。
The cross section shown in FIG. 5B shows a state in which each
本実施の形態では、MONOS型セルを用いているため、浮遊ゲート型EEPROMセルよりも書き込み電圧および消去電圧を低電圧化することができ、素子分離間隔を狭めゲート絶縁膜厚を薄膜化しても耐圧を維持することができる。 In this embodiment, since the MONOS type cell is used, the writing voltage and the erasing voltage can be lowered as compared with the floating gate type EEPROM cell, and even if the element isolation interval is narrowed and the gate insulating film thickness is reduced. The breakdown voltage can be maintained.
よって、高電圧が印加される回路の面積を小さくでき、よりチップ面積を縮小することができる。さらに、浮遊ゲート型メモリセルと比較して、電荷蓄積層8の厚さを20nm以下に小さくでき、ゲート形成時のアスペクトをより低減でき、ゲート電極の加工形状を向上させ、層間膜24のゲート間の埋め込みも向上させることができ、耐圧をより向上させることができる。
Therefore, the area of the circuit to which the high voltage is applied can be reduced, and the chip area can be further reduced. Furthermore, compared to the floating gate type memory cell, the thickness of the
また、浮遊ゲート電極を形成するためのプロセスやスリット作成プロセスが不要であり、よりプロセス工程を短くすることができる。また、電荷蓄積層8が絶縁体で、1つ1つの電荷トラップに電荷が捕獲されているので、放射線に対して電荷が抜けにくく強い耐性を持たせることができる。さらに、電荷蓄積層8の側壁絶縁膜12が薄膜化しても、電荷蓄積層8に捕獲された電荷がすべて抜けてしまうことなく良好な保持特性を維持できる。
Further, the process for forming the floating gate electrode and the slit creation process are unnecessary, and the process steps can be further shortened. In addition, since the
NANDメモリにおいては、高集積化が可能であり、NORメモリにおいては、ランダムアクセス動作が可能である。さらに、ANDメモリにおいては、高集積化が可能である。また、MONOS型メモリでは、低電圧動作が可能である。一方、浮遊ゲート型メモリでは、MONOS型メモリよりもデータ保持特性が良好である。本実施の形態はその不得意な点を改良する意味において、リードディスターブを改善するため、特にNAND MONOS型メモリにおいて、有効である。 The NAND memory can be highly integrated, and the NOR memory can perform a random access operation. Further, the AND memory can be highly integrated. In addition, the MONOS type memory can operate at a low voltage. On the other hand, the floating gate type memory has better data retention characteristics than the MONOS type memory. This embodiment is effective particularly in a NAND MONOS type memory in order to improve read disturb in the sense of improving the weak point.
(第1の実施の形態の第1の変形例)図6(A)には、MONOS型セルを用いたメモリセルブロック27の等価回路図である。図1(A)に示された第1の実施の形態における等価回路図とは選択トランジスタS1、S2がMOSセルではなくMONOSトランジスタとなっている点のみが異なり、他は同一である。上面図は図5(B)に示される通りである。また、図5(B)における“A−B”線上での断面は図6(B)に示されるが、“C−D”線上での断面は図5(B)に示される構造と同一である。
(First Modification of First Embodiment) FIG. 6A is an equivalent circuit diagram of a
図6(B)では選択トランジスタがメモリセルと同じMONOS構造をとった場合の断面図を示している。この場合、選択トランジスタとメモリセルトランジスタを作り分けるための工程を省略できるので製造コストが削減され、また作り分けのための余裕をとる必要が無いので選択トランジスタとメモリセル間の距離を小さくすることが可能で素子面積を縮小することができる。作り分けを行うと、そのためのリソグラフィーが必要となり、マスクの合わせずれ余裕を取らなければならないが、作り分けを行わない場合、合わせ余裕を取る必要がないので、微細化がその分進められる。 FIG. 6B shows a cross-sectional view when the selection transistor has the same MONOS structure as the memory cell. In this case, the manufacturing process is reduced because the process for making the selection transistor and the memory cell transistor can be omitted, and the distance between the selection transistor and the memory cell is reduced because it is not necessary to have a margin for making the selection transistor. The device area can be reduced. If it is made separately, lithography is required for that purpose, and it is necessary to take a margin for misalignment of the mask. However, if it is not made separately, it is not necessary to take the allowance for alignment, so that the miniaturization is advanced accordingly.
(第1の実施の形態の第2の変形例)本変形例は、電荷蓄積層として不純物を添加したポリシリコン等の導電体を用いた、浮遊ゲート型メモリ構造を有する場合である。 (Second Modification of First Embodiment) This modification is a case where a floating gate type memory structure using a conductor such as polysilicon doped with impurities as a charge storage layer is used.
本変形例の等価回路は図1(A)又は、図6(A)に示される通りであり、その上面図は図4(B)に示される通りである。図4(B)における“A−B”線上での断面が図7(A)に示され、“C−D”線上での断面が図7(B)に示される。 An equivalent circuit of this modification is as shown in FIG. 1A or FIG. 6A, and a top view thereof is as shown in FIG. 4B. A cross section on the “AB” line in FIG. 4B is shown in FIG. 7A, and a cross section on the “CD” line is shown in FIG. 7B.
図7(A)に示されるように、P型半導体基板4上にN型ウエル5が形成されていて、その上に、例えば、ボロン不純物濃度が1014cm−3から1019cm−3の間のP型ウエル6に、例えば、3から15nmの厚さからなるシリコン酸化膜またはオキシナイトライド膜から形成されたトンネルゲート絶縁膜30を介して、例えばリンまたは砒素を1018cm−3から1021cm−3の間で、添加したポリシリコンからなる電荷蓄積層31が10nmから500nmの厚さで形成されている。
As shown in FIG. 7A, an N-
これらは、図7(B)に示されるような、例えば、シリコン酸化膜からなる素子分離絶縁膜26が形成されていない領域上に、P型ウエル6と自己整合的に形成されている。これは、例えば、P型ウエル6にトンネルゲート絶縁膜30及び電荷蓄積層31を全面堆積した後、パターニングしてP型ウエル6に達するまで、P型ウエル6を例えば0.05〜0.5μmの深さまでエッチングし、絶縁膜を埋め込むことで形成することができる。
These are formed in a self-aligned manner with the P-type well 6 on a region where the element
このようにトンネルゲート絶縁膜30及び電荷蓄積層31を段差のない平面に全面形成できるので、より均一性の向上した特性の揃った製膜を行うことができる。このように、素子分離領域よりもゲート電極を先に形成するプロセスを採用することが好ましい。ここで、素子分離領域を形成した後、トンネルゲート絶縁膜30、電荷蓄積層31を形成した場合には、素子分離領域の段差のために均一に形成することが難しくなる。
As described above, since the tunnel
この上に、例えば、厚さ5nmから30nmの間のシリコン酸化膜またはオキシナイトライド膜、またはシリコン酸化膜/シリコン窒化膜/シリコン酸化膜からなるインターポリ絶縁膜32を介して、例えばリン、砒素、またはボロンを1017〜1021cm−3を不純物添加したポリシリコン、または、WSi(タングステンシリサイド)とポリシリコンとのスタック構造、NiSi,MoSi,TiSi,CoSiとポリシリコンのスタック構造、金属とポリシリコンとのスタック構造、又は金属やポリシリコン、WSi,NiSi,MoSi,TiSi,CoSiなどの単層構造からなる制御ゲート33が10nmから500nmの厚さで形成されている。
On this, for example, phosphorus, arsenic, for example, via a silicon oxide film or oxynitride film having a thickness of 5 nm to 30 nm, or an interpoly insulating
この制御ゲート33は、図4(A)において隣接するメモリセルブロックで接続されるように図4(B)において紙面左右方向にブロック境界まで形成されており、データ選択線WL0〜WL15を形成している。なお、P型ウエル6は、N型ウエル5によってP型半導体基板4と独立に電圧印加できるようになっていることが、消去時の昇圧回路の負荷を減らし、消費電力を抑えるためには望ましい。制御ゲート33上にはゲートキャップ絶縁膜34が形成されている。
The
ゲートキャップ絶縁膜34、制御ゲート33、インターポリ絶縁膜32、電荷蓄積層31、トンネルゲート絶縁膜30の側面は、例えば5nmから200nmの厚さのシリコン窒化膜またはシリコン酸化膜からなるゲート側壁絶縁膜35で覆われていて、これらがメモリセルゲート36を形成する。
The side surfaces of the gate
図7(A)に示すように、これらメモリセルゲート36の両側には、ゲート側壁絶縁膜35を挟んでソース・ドレインN型拡散層37が形成されている。これらソース・ドレインN型拡散層37及びメモリセルゲート36により、電荷蓄積層31に蓄積された電荷量を情報量とする浮遊ゲート型EEPROMセルが形成されており、そのゲート長としては、0.5μm以下0.01μm以上とする。
As shown in FIG. 7A, source / drain N-type diffusion layers 37 are formed on both sides of these
これらソース・ドレインN型拡散層37としては、例えばリンや砒素、アンチモンを表面濃度が1017〜1021cm−3となるように深さ10nmから500nmの間で形成されている。さらに、これらソース・ドレインN型拡散層37は隣接するメモリセル同士共有され、NAND接続が実現されている。
The source / drain N-
また、図7(A)において、ゲート電極38は図4(B)における選択ゲート制御線SSLに接続されていて、ゲート電極39は選択ゲート制御線GSLに接続されている。これらゲート電極は浮遊ゲート型EEPROMのメモリセルゲート36と同層で形成されている。
7A, the
ゲート電極38,39のゲート長は、メモリセルゲート36のゲート長よりも長く、例えば、1μm以下0.02μm以上で形成することにより、ブロック選択時と非選択時のオンオフ比を大きく確保でき、誤書き込みや誤読み出しを防止できる。
The gate lengths of the
また、ゲート電極38の片側に形成されたソース・ドレインN型拡散層18は、例えば、タングステンやタングステンシリサイド、チタン、チタンナイトライド、またはアルミニウムからなるデータ転送線19とコンタクト20を介して接続されている。ここで、データ転送線19は、隣接するメモリセルブロックで接続されるように図4(B)の紙面上下方向にブロック境界まで形成されている。
The source / drain N
一方、ゲート電極39 の片側に形成されたソース・ドレインN型拡散層21は、コンタクト22を介してソース線23と接続されている。このソース線23は、隣接するメモリセルブロックで接続されるように図4(B)において紙面左右方向にブロック境界まで形成されている。
On the other hand, the source / drain N
これらコンタクト20,22としては、例えばN型またはP型にドープされたポリシリコンやタングステン、及びタングステンシリサイド、Al、TiN、Tiなどが充填されて、導電体領域となっている。さらに、これらデータ転送線19とP型ウエル6との間は、例えばSiO2やSiNなどからなる層間膜24によって充填されている。
The
さらに、このデータ転送線19上部には、例えばSiO2やSiN、または、ポリイミドなどからなる絶縁膜保護層25が形成されている。その上には、図には示していないが、例えば、W、AlやCuからなる上部配線が形成されている。
Further, an insulating film
本変形例において、メモリセルのデータ記憶状態について、書き込み/消去の閾値がどちらも正である。または書き込み状態のすべてのメモリセルの閾値および消去状態の一部のメモリセルの閾値が正である。従って繰り返し読み出し動作によって消去状態のメモリセルが上昇するリードディスターブによる閾値ウィンドウの低下を改善することが出来る。さらに消去閾値が正であるために消去ベリファイ動作時に負の電圧を扱う必要が無く、周辺回路を簡略化することが出来る。 In this modification, the write / erase threshold is both positive for the data storage state of the memory cell. Alternatively, the threshold values of all memory cells in the written state and the threshold values of some memory cells in the erased state are positive. Therefore, it is possible to improve the decrease in the threshold window due to the read disturb in which the erased memory cell rises by the repeated read operation. Further, since the erase threshold is positive, it is not necessary to handle a negative voltage during the erase verify operation, and the peripheral circuit can be simplified.
(第2の実施の形態)図8及び図9に本発明の第2の実施形態におけるデータの記憶状態を示す。図8に示されるように、本実施形態に特徴的なことはメモリセルの書き込み、消去のいずれの場合においても電荷蓄積層に負の電荷(電子)が溜められていることに特徴がある。これは書き込み、消去のいずれの状態の閾値も中性閾値(電荷蓄積層に電荷がないときのメモリセルの閾値)Vthiよりも高いと言い換えることができる。 (Second Embodiment) FIGS. 8 and 9 show a data storage state in the second embodiment of the present invention. As shown in FIG. 8, what is characteristic of this embodiment is that negative charge (electrons) is stored in the charge storage layer in both cases of writing and erasing of the memory cell. In other words, the threshold value in either the writing or erasing state is higher than the neutral threshold value (threshold value of the memory cell when there is no charge in the charge storage layer) Vthi.
図8(A)では、横軸をメモリセル数、縦軸を閾値としている。書き込み状態では、メモリセルの分布はすべて、Vrefよりも大きい閾値となっている。消去状態では、メモリセルの分布はVrefよりも小さく、Vthiよりも大きい範囲に収まっている。 In FIG. 8A, the horizontal axis represents the number of memory cells, and the vertical axis represents the threshold value. In the written state, all memory cell distributions have threshold values larger than Vref. In the erased state, the distribution of memory cells is smaller than Vref and within a range larger than Vthi.
図8(B)には、書き込み状態のメモリセルゲートの電荷状態が示されている。半導体基板50中にソース・ドレイン拡散層51が設けられ、このソース・ドレイン拡散層51にはさまれた半導体基板50上に電荷蓄積層52が設けられ、この電荷蓄積層52上に制御ゲート53が設けられている。ここでは、電荷蓄積層52に負電荷が多数蓄積された状態が示されている。
FIG. 8B shows the charge state of the memory cell gate in the written state. A source /
図8(C)には、消去状態のメモリセルゲートの電荷状態が示されている。書き込み状態に比べて、電荷蓄積層52に蓄積される負電荷の量が少数となっている状態が示されている。
FIG. 8C shows the charge state of the memory cell gate in the erased state. The state in which the amount of negative charges stored in the
また図9に示されるように、本実施形態の代替例として特徴的なことは書き込み状態のすべて、及び消去状態の一部のメモリセルの電荷蓄積層に負の電荷(電子)が溜められている。つまり消去状態の閾値分布が中性閾値Vthiをまたいでいる。すなわち、消去閾値分布の範囲に中性閾値が存在することになる。 Further, as shown in FIG. 9, the characteristic feature of the alternative example of this embodiment is that negative charges (electrons) are accumulated in the charge storage layer of all memory cells in the written state and in a part of the erased state. Yes. That is, the threshold distribution in the erased state crosses the neutral threshold Vthi. That is, the neutral threshold value exists in the range of the erase threshold distribution.
図9(A)では、横軸をメモリセル数、縦軸を閾値としている。書き込み状態では、メモリセルの分布はすべて、Vrefよりも大きい閾値となっている。消去状態では、メモリセルの分布はVrefよりも小さく、Vthiをはさんで大きい状態から小さい状態の両方の範囲に広がっている。 In FIG. 9A, the horizontal axis represents the number of memory cells and the vertical axis represents the threshold value. In the written state, all memory cell distributions have threshold values larger than Vref. In the erased state, the distribution of the memory cells is smaller than Vref and extends in both the large state and the small state across Vthi.
図9(B)には、書き込み状態のメモリセルゲートの電荷状態が示されている。ここでは、電荷蓄積層52に負電荷が多数蓄積された状態が示されている。
FIG. 9B shows the charge state of the memory cell gate in the written state. Here, a state in which a large number of negative charges are accumulated in the
図9(C)には、消去状態のメモリセルゲートの電荷状態のうち、Vthiよりも高い閾値となっている場合が示されている。書き込み状態に比べて、電荷蓄積層52に蓄積される負電荷の量が少数となっている状態が示されている。
FIG. 9C shows a case where the threshold value is higher than Vthi in the charge state of the memory cell gate in the erased state. The state in which the amount of negative charges stored in the
図9(D)には、消去状態のメモリセルゲートの電荷状態のうち、Vthiよりも低い閾値となっている場合が示されている。ここでは、電荷蓄積層52には正電荷が少数蓄積されている状態が示されている。
FIG. 9D shows a case where the threshold value is lower than Vthi in the charge state of the memory cell gate in the erased state. Here, a state where a small number of positive charges are stored in the
ここで、消去動作は例えば制御ゲートを0Vとした状態で半導体基板に高電圧、例えば10〜25Vを印加して、電荷蓄積層から基板に負電荷を放出することで行わる。またはソース電位に対してドレイン電位を負にバイアスしてチャネルで加速されたホットホールを発生させ、さらにゲート電極をソース電位に対して負にバイアスすることでホットホールを電荷蓄積層に注入することで行われる。 Here, the erasing operation is performed, for example, by applying a high voltage, for example, 10 to 25 V to the semiconductor substrate with the control gate at 0 V, and discharging negative charges from the charge storage layer to the substrate. Alternatively, the drain potential is negatively biased with respect to the source potential to generate hot holes accelerated in the channel, and the gate electrode is negatively biased with respect to the source potential to inject the hot holes into the charge storage layer. Done in
書き込み動作は例えば半導体基板を0Vとして状態で制御ゲートに高電圧、例えば10〜25Vを印加して、半導体基板から電荷蓄積層に負電荷を注入することで行われる。またはソース電位に対してドレイン電位を正にバイアスしてチャネルで加速されたホットエレクトロンを発生させ、さらにゲート電極をソース電位に対して正にバイアスすることでホットエレクトロンを電荷蓄積層に注入することで行われる。 For example, the writing operation is performed by injecting a negative charge from the semiconductor substrate to the charge storage layer by applying a high voltage, for example, 10 to 25 V to the control gate with the semiconductor substrate at 0V. Alternatively, the drain potential is positively biased with respect to the source potential to generate hot electrons accelerated in the channel, and the gate electrode is positively biased with respect to the source potential to inject the hot electrons into the charge storage layer. Done in
次に、本実施の形態をNAND型EEPROMに適用した場合のデータの読み出し動作を図10(A)に示す。メモリセルブロック1の構成は図4(A)に示された構成と同一であり、電位の印加状態が異なっている。
Next, FIG. 10A shows a data read operation in the case where this embodiment is applied to a NAND-type EEPROM. The configuration of the
まず、ビット線BLをプリチャージした後にフローティング状態にする。次に、読み出し選択されたメモリセルM2の制御ゲートの電圧を読み出し電圧Vrefに設定する。メモリセルM2以外のメモリセルM0、M1、M3乃至M15の制御ゲートの電圧を非選択読み出し電圧Vread、ふたつの選択トランジスタS1、S2のゲート電圧を読み出し電圧Vrefに設定し、ソース線Sourceを0Vとして、読み出し選択されたメモリセルM2に電流が流れるか否かをビット線BLで検出することにより行われる。 First, the bit line BL is precharged and then brought into a floating state. Next, the voltage of the control gate of the memory cell M2 selected for reading is set to the reading voltage Vref. The control gate voltages of the memory cells M0, M1, M3 to M15 other than the memory cell M2 are set to the unselected read voltage Vread, the gate voltages of the two select transistors S1 and S2 are set to the read voltage Vref, and the source line Source is set to 0V. The bit line BL detects whether or not a current flows through the memory cell M2 selected for reading.
すなわち、選択メモリセルM2の閾値VthがVrefよりも大きい書き込み状態ならば選択メモリセルM2はオフになるのでビット線BLはプリチャージ電位を保つ。 That is, if the threshold value Vth of the selected memory cell M2 is larger than Vref, the selected memory cell M2 is turned off, so that the bit line BL maintains the precharge potential.
これに対して選択メモリセルM2の閾値VthがVrefよりも小さい読み出し状態ならば、メモリセルはオンするのでビット線BLの電位はプリチャージ電位からΔVだけ低下する。この電位変化をセンスアンプで検知することによってメモリセルのデータが読み出される。 On the other hand, if the threshold value Vth of the selected memory cell M2 is a read state smaller than Vref, the memory cell is turned on, so that the potential of the bit line BL decreases by ΔV from the precharge potential. Data in the memory cell is read by detecting this potential change with a sense amplifier.
ここでVrefは書き込み状態の閾値と消去状態の閾値の中間の電圧であり、Vreadは書き込み状態の閾値よりも高い電圧であり、Vccは選択トランジスタの閾値よりも高い電圧である。 Here, Vref is an intermediate voltage between the write state threshold and the erase state threshold, Vread is a voltage higher than the write state threshold, and Vcc is a voltage higher than the threshold of the selection transistor.
次に、AND型EEPROMに適用した場合のデータの読み出し動作を図10(B)を用いて説明する。 Next, a data read operation when applied to an AND-type EEPROM will be described with reference to FIG.
AND型EEPROMでは、ビット線BLに一端が接続された選択トランジスタS1の他端と、一端がソース線Sourceに接続された選択トランジスタS2の他端との間に並列に複数個のメモリセルトランジスタM0〜M15が接続されて、メモリセルブロック55を構成している。
In the AND type EEPROM, a plurality of memory cell transistors M0 are connected in parallel between the other end of the selection transistor S1 having one end connected to the bit line BL and the other end of the selection transistor S2 having one end connected to the source line Source. To M15 are connected to form a
まず、ビット線BLをプリチャージした後にフローティング状態とする。次に、読み出し選択されたメモリセルM2の制御ゲートの電圧を読み出し電圧Vrefに設定する。読み出し選択されたメモリセルM2以外のメモリセルの制御ゲートの電圧を非選択読み出し電圧Vreadに設定する。 First, the bit line BL is precharged and then brought into a floating state. Next, the voltage of the control gate of the memory cell M2 selected for reading is set to the reading voltage Vref. The voltage of the control gate of the memory cells other than the memory cell M2 selected for reading is set to the non-selected reading voltage Vread.
次に、選択トランジスタS1のゲート電圧を電源電圧Vccに設定し、ソース線Sourceを0Vとして、読み出し選択されたメモリセルM2に電流が流れるか否かをビット線BLで検出することにより行われる。 Next, the gate voltage of the selection transistor S1 is set to the power supply voltage Vcc, the source line Source is set to 0 V, and the bit line BL detects whether or not a current flows through the memory cell M2 selected for reading.
すなわち、選択されたメモリセルM2の閾値VthがVrefよりも大きい書き込み状態ならば、選択されたメモリセルM2はオフになるのでビット線BLはプリチャージ電位を保つ。 That is, if the threshold value Vth of the selected memory cell M2 is larger than Vref, the selected memory cell M2 is turned off and the bit line BL maintains the precharge potential.
これに対して、選択されたメモリセルM2の閾値VthがVrefよりも小さい読み出し状態ならば、選択されたメモリセルM2はオンするのでビット線BLの電位はプリチャージ電位からΔVだけ低下する。 On the other hand, if the threshold value Vth of the selected memory cell M2 is a read state smaller than Vref, the selected memory cell M2 is turned on, so that the potential of the bit line BL is lowered by ΔV from the precharge potential.
この電位変化をデータ回路(図示せず)内のセンスアンプ(図示せず)で検知することによってメモリセルのデータが読み出される。ここでVrefは書き込み状態の閾値と消去状態の閾値の中間の電圧を指し、Vreadは消去状態の閾値よりも低い電圧、Vccは選択トランジスタの閾値よりも高い電圧である。 By detecting this potential change with a sense amplifier (not shown) in a data circuit (not shown), data in the memory cell is read out. Here, Vref indicates a voltage intermediate between the write state threshold and the erase state threshold, Vread is a voltage lower than the erase state threshold, and Vcc is a voltage higher than the threshold of the selection transistor.
次に、NOR型EEPROMに適用した場合のデータの読み出し動作を図10(C)を用いて説明する。NOR型EEPROMでは、第1ビット線BL1に一端が接続されたメモリセルトランジスタM1の他端に選択されたメモリセルトランジスタM2の一端が接続され、他端は第1ビット線BL1に接続されている。この選択されたメモリセルトランジスタM1の他端に同様にメモリセルトランジスタM3の一端が接続されている。このようにメモリセルトランジスタM1〜M3でメモリセルブロック56が構成されている。 Next, a data read operation when applied to a NOR type EEPROM will be described with reference to FIG. In the NOR type EEPROM, one end of the selected memory cell transistor M2 is connected to the other end of the memory cell transistor M1 whose one end is connected to the first bit line BL1, and the other end is connected to the first bit line BL1. . Similarly, one end of the memory cell transistor M3 is connected to the other end of the selected memory cell transistor M1. Thus, the memory cell block 56 is configured by the memory cell transistors M1 to M3.
この第1ビット線BL1に平行に第2ビット線BL2が設けられ、第1のビット線BL1同様に複数のメモリセルトランジスタM4〜M6が接続されている。まず、選択ビット線BL1をプリチャージ状態とした後にフローティング状態に設定する。次に、読み出し選択されたメモリセルM2の制御ゲートの電圧を読み出し電圧Vrefに設定し、読み出し選択されたメモリセルM2以外のメモリセルの制御ゲートの電圧を非選択読み出し電圧Vreadに設定し、ソース線電圧をVslとして、読み出し選択されたメモリセルM2に電流が流れるか否かを選択ビット線BL1で検出することによりデータの読み出し動作が行われる。 A second bit line BL2 is provided in parallel with the first bit line BL1, and a plurality of memory cell transistors M4 to M6 are connected like the first bit line BL1. First, the selected bit line BL1 is set in a floating state after being set in a precharged state. Next, the voltage of the control gate of the memory cell M2 selected to be read is set to the read voltage Vref, the voltage of the control gate of the memory cells other than the memory cell M2 selected to be read is set to the unselected read voltage Vread, and the source A data read operation is performed by detecting whether or not a current flows through the memory cell M2 selected for reading with the selected bit line BL1 with the line voltage set to Vsl.
すなわち、選択されたメモリセルM2の閾値VthがVrefよりも大きい書き込み状態ならば選択されたメモリセルM2はオフになるので、選択ビット線BLはプリチャージ電位を保つ。 That is, if the threshold value Vth of the selected memory cell M2 is in a write state larger than Vref, the selected memory cell M2 is turned off, so that the selected bit line BL maintains the precharge potential.
これに対して、選択されたメモリセルM2の閾値VthがVrefよりも小さい読み出し状態ならば選択されたメモリセルM2はオンするので、ビット線BLの電位はプリチャージ電位からΔVだけ低下する。 On the other hand, if the threshold value Vth of the selected memory cell M2 is a read state smaller than Vref, the selected memory cell M2 is turned on, so that the potential of the bit line BL is lowered by ΔV from the precharge potential.
この電位変化をデータ回路(図示せず)内のセンスアンプ(図示せず)で検知することによってメモリセルのデータが読み出される。ここでVrefは書き込み状態の閾値と消去状態の閾値の中間の電圧を指し、Vreadは消去状態の閾値よりも低い電圧、Vslは通常0Vである。 By detecting this potential change with a sense amplifier (not shown) in a data circuit (not shown), data in the memory cell is read out. Here, Vref indicates an intermediate voltage between the threshold value in the write state and the threshold value in the erase state, Vread is a voltage lower than the threshold value in the erase state, and Vsl is normally 0V.
なお、図10(A)、(B)に示した等価回路図では選択トランジスタはメモリセルと異なる構造をとっているが、メモリセルと同様に電荷蓄積層を有する不揮発性メモリ構造にしても良い。またメモリセルの構造としてはフローティングゲート型メモリセルやMONOS型メモリセル等が適用できる。 Note that in the equivalent circuit diagrams shown in FIGS. 10A and 10B, the selection transistor has a structure different from that of the memory cell. However, similarly to the memory cell, a nonvolatile memory structure having a charge storage layer may be used. . As the structure of the memory cell, a floating gate type memory cell, a MONOS type memory cell, or the like can be applied.
本実施の形態の効果を図11を用いて説明する。図11は不揮発性メモリセルのデータ保持特性を示したものである。図11(A)は、横軸にデータ保持時間を表し、縦軸に閾値Vthを表している。図11(A)は半導体基板57中に設けられた一対のソース・ドレイン拡散層58の上方に設けられた電荷蓄積層59、その上に設けられた制御ゲート60の構造の半導体記憶装置のデータ保持特性を表している。
The effect of this embodiment will be described with reference to FIG. FIG. 11 shows the data retention characteristics of the nonvolatile memory cell. In FIG. 11A, the horizontal axis represents data retention time, and the vertical axis represents threshold value Vth. FIG. 11A shows data of a semiconductor memory device having a structure of a
図11(A)中で、(1)で示される実線は図11(B)に示されるような状態に対応している。すなわち、電荷蓄積層59に多くの負電荷が蓄積された状態に対応している。
In FIG. 11A, the solid line indicated by (1) corresponds to the state as shown in FIG. That is, this corresponds to a state where a lot of negative charges are accumulated in the
図11(A)中で、(2)で示される実線は図11(C)に示されるような状態に対応している。すなわち、電荷蓄積層59に少ない負電荷が蓄積された状態に対応している。
In FIG. 11A, the solid line indicated by (2) corresponds to the state shown in FIG. That is, this corresponds to a state where a small amount of negative charge is accumulated in the
図11(A)中で、(3)で示される実線は図11(D)に示されるような状態に対応している。すなわち、電荷蓄積層59に多い正電荷が蓄積された状態に対応している。
In FIG. 11A, the solid line indicated by (3) corresponds to the state shown in FIG. That is, this corresponds to a state where a large amount of positive charge is accumulated in the
図11(A)中で、(4)で示される破線は、繰り返し書き換えを行う前に図11(D)に示される状態に対応している。 In FIG. 11A, the broken line indicated by (4) corresponds to the state shown in FIG. 11D before repeated rewriting.
ここで、電荷蓄積層に溜められた電荷は長い時間をかけてリークしていき、最終的には、電荷ゼロ、つまり中性閾値Vthiに収束する。発明者は不揮発性メモリの電荷蓄積層において負のキャリア(電子)と正のキャリア(ホール)の電荷保持特性が異なることを見出した。 Here, the charge accumulated in the charge storage layer leaks over a long time, and finally converges to zero charge, that is, the neutral threshold value Vthi. The inventor has found that the charge retention characteristics of negative carriers (electrons) and positive carriers (holes) are different in the charge storage layer of the nonvolatile memory.
これは特に繰り返し書き込み消去を行った後のデータ保持において顕著であり、ホールの電荷保持特性が電子に比べて劣る結果が得られた。この特性は図11(A)において、負のキャリアを蓄積した(1)、(2)の実線の状態が保持時間の経過に伴い、あまり変化していないのに比べて、正の電荷を蓄積した(3)の実線の状態が保持時間の経過に伴い、急激にVthiに近づいていることで表されている。 This is particularly noticeable in data retention after repeated writing and erasing, and the result is that the charge retention characteristics of holes are inferior to those of electrons. This characteristic shows that in FIG. 11A, negative carriers are accumulated (1), (2) the solid line state is not changed so much as the retention time elapses. The state of the solid line (3) is represented by the fact that it rapidly approaches Vthi as the holding time elapses.
このため従来行われていたように書き込み時に電子を溜め、消去時にホールを溜める方法では、電荷保持力に劣るホール蓄積状態の閾値変動によってデバイスの寿命が決定される問題があるといえる。 For this reason, the method of accumulating electrons at the time of writing and accumulating holes at the time of erasing as has been conventionally performed has a problem that the lifetime of the device is determined by the threshold fluctuation of the hole accumulation state inferior in charge retention.
これに対し、本実施の形態においては消去状態においても負電荷を蓄積しているため、データ保持特性を改善することが出来る。 On the other hand, in this embodiment, since negative charges are accumulated even in the erased state, data retention characteristics can be improved.
次に、本実施の形態をMONOS型メモリセルに適用した場合の効果について図12を用いて説明する。ここではトンネル酸化膜が4nm以下で消去にチャネル全面のホールのダイレクトトンネリングを用いる場合について説明する。もし、トンネル酸化膜の厚さが5nm〜6nm程度の場合は、ホットホールを用いて消去動作を行う。なお、絶縁膜厚はTEM(Transmission Electron Microscope:透過形電子顕微鏡)などを用いて測定することができる。 Next, the effect when this embodiment is applied to a MONOS type memory cell will be described with reference to FIG. Here, a case where the tunnel oxide film is 4 nm or less and direct tunneling of holes on the entire surface of the channel is used for erasing will be described. If the thickness of the tunnel oxide film is about 5 nm to 6 nm, the erase operation is performed using hot holes. The insulating film thickness can be measured using a TEM (Transmission Electron Microscope) or the like.
図12(A)にMONOS型メモリセルにおける消去特性を示す。図12(A)では、横軸を消去時間とし、縦軸を閾値Vthとしている。ここでは、4種類の消去電圧の絶対値について特性を表している。ここで、Vera1はVera2よりもその絶対値が大きく、Vera2はVera3よりもその絶対値が大きく、Vera3はVera4よりもその絶対値が大きくなっている。 FIG. 12A shows erase characteristics in the MONOS type memory cell. In FIG. 12A, the horizontal axis is the erase time, and the vertical axis is the threshold value Vth. Here, the characteristics are shown for the absolute values of the four types of erase voltages. Here, Vera1 has a larger absolute value than Vera2, Vera2 has a larger absolute value than Vera3, and Vera3 has a larger absolute value than Vera4.
飽和消去深さ(消去閾値の変動量)は半導体基板からの正電荷注入と、ゲート電極からの負電荷注入のバランスにより決定されるが、消去電圧が高いほど飽和消去深さは浅くなる。このために深く消去するためには消去電圧を低く設定する必要があり、このため消去時間は長くなる。よって消去時間を短くするためには消去深さを浅くすることが望ましい。本実施例では消去状態においても電荷蓄積層に負電荷が溜められているため、電荷蓄積層中の正電荷によってブロック酸化膜中の電界が強められることがなく、このためゲート電極から不要な負電荷が注入されることもない。 The saturation erase depth (the amount of fluctuation of the erase threshold) is determined by the balance between the positive charge injection from the semiconductor substrate and the negative charge injection from the gate electrode, but the saturation erase depth becomes shallower as the erase voltage is higher. For this reason, in order to erase deeply, it is necessary to set the erasing voltage low, and the erasing time becomes long. Therefore, it is desirable to reduce the erase depth in order to shorten the erase time. In this embodiment, since the negative charge is accumulated in the charge storage layer even in the erased state, the electric field in the block oxide film is not strengthened by the positive charge in the charge storage layer. No charge is injected.
このため消去電圧の絶対値をVera2からVera1へ変更して、消去閾値をVthe2からVthe1へ変えて中性閾値よりも高く設定することで消去時間がTera2からTera1となり、短縮が実現される。 Therefore, by changing the absolute value of the erase voltage from Vera2 to Vera1 and changing the erase threshold value from Vthe2 to Vthe1 and setting it higher than the neutral threshold value, the erase time is changed from Tera2 to Tera1 and shortening is realized.
この消去電圧がVera1の場合の消去時間がTera2以降の消去特性メカニズムは図12(B)に示される。 The erase characteristic mechanism after the erase time Tera2 when this erase voltage is Vera1 is shown in FIG.
図12(B)に示されるようにMONOS型メモリセルの消去は半導体基板Subから電荷蓄積層(シリコン窒化膜SiN)へ、右向き矢印のように正電荷を注入することで行われる。このときゲート電極gateは半導体基板Subから見て負にバイアスされている。 As shown in FIG. 12B, erasing of the MONOS type memory cell is performed by injecting positive charges from the semiconductor substrate Sub to the charge storage layer (silicon nitride film SiN) as indicated by a right-pointing arrow. At this time, the gate electrode gate is negatively biased when viewed from the semiconductor substrate Sub.
消去動作中に電荷蓄積層SiNに正の電荷(ホール)が蓄積されると、ホールがつくる自己電界によってトンネル酸化膜(Tunnel SiO2)中の電界は緩和され、半導体基板Subから電荷蓄積層SiNへのホールの注入量は減少する。 When positive charges (holes) are accumulated in the charge storage layer SiN during the erase operation, the electric field in the tunnel oxide film (Tunnel SiO 2 ) is relaxed by the self electric field created by the holes, and the charge storage layer SiN is removed from the semiconductor substrate Sub. The amount of holes injected into the substrate decreases.
一方、電荷蓄積層SiNとゲート電極gate間のブロック酸化膜BlockSiO2中の電界は強められ、左向き矢印のようにゲート電極gateから電荷蓄積層SiNへ不要な負電荷がFN(Fowler Nordheim)注入される。 On the other hand, the electric field in the block oxide film BlockSiO 2 between the charge storage layer SiN and the gate electrode gate is strengthened, and unnecessary negative charges are injected from the gate electrode gate to the charge storage layer SiN as indicated by the left-pointing arrow. The
また図13(A)にMONOS型メモリセルにおけるデータ保持特性の電荷蓄積層SiN膜厚依存性の、発明者による実験データを示す。発明者は正電荷蓄積状態のデータ保持特性がSiN膜厚に依存し、特にSiN膜厚が15nm以下、とりわけ、12nm以下の領域においてデータ保持特性の劣化が顕著である結果を得た。ここで、正電荷蓄積状態は図13(B)に示されるように半導体基板57上の電荷蓄積層59中にやや大目の正電荷が蓄積された状態に相当する。
FIG. 13A shows experimental data by the inventors on the dependency of the data retention characteristics on the charge storage layer SiN film thickness in the MONOS type memory cell. The inventor obtained the result that the data retention characteristic in the positive charge accumulation state depends on the SiN film thickness, and the deterioration of the data retention characteristic is remarkable especially in the region where the SiN film thickness is 15 nm or less, especially 12 nm or less. Here, the positive charge accumulation state corresponds to a state in which a slightly larger positive charge is accumulated in the
一方、負電荷蓄積状態のデータ保持特性はSiN膜厚に依存せず、SiN膜を薄膜化してもデータ保持特性の劣化は観測されなかった。ここで、負電荷蓄積状態は図13(C)に示されるように半導体基板57上の電荷蓄積層59中に多い負電荷が蓄積された状態に相当する。
On the other hand, the data retention characteristics in the negative charge accumulation state did not depend on the SiN film thickness, and no deterioration of the data retention characteristics was observed even when the SiN film was thinned. Here, the negative charge accumulation state corresponds to a state in which a large amount of negative charge is accumulated in the
本実施の形態においては、書き込み消去ともに負電荷蓄積状態を用いているので、書き込み消去電圧を低下させる目的でSiN膜を薄膜化した場合にもデータ保持特性の劣化はなく、低電圧化に有利である。特にSiN膜の物理膜厚が15nm以下、とりわけ12nm以下である場合に効果がありこれによって書き込み/消去電圧も20V以下にすることが可能である。 In this embodiment, since a negative charge accumulation state is used for both writing and erasing, even if the SiN film is thinned for the purpose of lowering the writing and erasing voltage, there is no deterioration in data retention characteristics, which is advantageous for lowering the voltage. It is. This is particularly effective when the physical film thickness of the SiN film is 15 nm or less, particularly 12 nm or less, and the write / erase voltage can be reduced to 20 V or less.
また、本実施の形態においては消去状態に正電荷を蓄積しないので、繰り返し書き換えによる信頼性劣化を回避することが出来る。 Further, in the present embodiment, since positive charges are not accumulated in the erased state, reliability deterioration due to repeated rewriting can be avoided.
よってこれらの点からもSiN膜を電荷蓄積層として用いたMONOS型セルにおいて、本実施例の効果は特に大きいといえる。 Therefore, from these points, it can be said that the effect of this example is particularly great in the MONOS type cell using the SiN film as the charge storage layer.
ここで、第1の実施の形態で、負電荷を蓄積する動作をさせると本実施の形態が実現できる。 Here, in the first embodiment, this embodiment can be realized by performing an operation of accumulating negative charges.
なお、NAND型EEPROMに本実施の形態を適用する場合の等価回路図、上面図、断面図は第1の実施の形態において説明した図4乃至図7がそのまま適用できる。 4 to 7 described in the first embodiment can be applied as they are to the equivalent circuit diagram, the top view, and the cross-sectional view when the present embodiment is applied to a NAND type EEPROM.
(第2の実施の形態の第1の変形例)本変形例は図14,15、16を用いてNAND型EEPROMに変えて、NOR型EEPROMに適用した場合を説明する。図14(A)にはNOR型EEPROMの等価回路図が示される。NOR型EEPROMでは、第1ビット線BL1に一端が接続されたメモリセルトランジスタM0の他端にメモリセルトランジスタM1の一端が接続され、他端は第1ビット線BL1に接続されている。このメモリセルトランジスタM1の他端に同様にメモリセルトランジスタM2の一端が接続されている。 (First Modification of Second Embodiment) This modification will be described with reference to FIGS. 14, 15, and 16 when applied to a NOR type EEPROM instead of a NAND type EEPROM. FIG. 14A shows an equivalent circuit diagram of a NOR type EEPROM. In the NOR type EEPROM, one end of the memory cell transistor M1 is connected to the other end of the memory cell transistor M0 having one end connected to the first bit line BL1, and the other end is connected to the first bit line BL1. Similarly, one end of the memory cell transistor M2 is connected to the other end of the memory cell transistor M1.
NORメモリセルでは1つのトランジスタによってメモリセルブロックが形成されている。また、それぞれのトランジスタは、同一のウエル上に形成されている。それぞれのメモリセルの制御電極は、データ選択線WL0〜WL2に接続されている。 In the NOR memory cell, a memory cell block is formed by one transistor. Each transistor is formed on the same well. The control electrode of each memory cell is connected to data selection lines WL0 to WL2.
この第1ビット線BL1に平行に第2ビット線BL2が設けられ、第1のビット線BL1同様に複数のメモリセルトランジスタM0’〜M2’が接続されている。 A second bit line BL2 is provided in parallel with the first bit line BL1, and a plurality of memory cell transistors M0 'to M2' are connected like the first bit line BL1.
このNOR型EEPROMの上面図が図14(B)に示される。特に、図14(B)では、セル構造をわかりやすくするために、ゲート電極よりも下の構造のみを示している。図14(B)では、図中上下方向に3本のビット線BLi(iは自然数)が配置され、それらに直交して共通ソース線SLが2本配置されている。また、ワード線WL0〜WL2が共通ソース線SLに平行に配置されている。各ビット線BLi上のワード線WL0〜WL2と交差していない部分にはビット線コンタクト61が設けられている。
A top view of this NOR type EEPROM is shown in FIG. In particular, in FIG. 14B, only the structure below the gate electrode is shown for easy understanding of the cell structure. In FIG. 14B, three bit lines BLi (i is a natural number) are arranged in the vertical direction in the figure, and two common source lines SL are arranged orthogonal to them. Further, the word lines WL0 to WL2 are arranged in parallel to the common source line SL. A
次にNOR型EEPROMにて図14(B)の“A−B”線上での浮遊ゲートの場合の断面図が図15に示される。図7(A)と同様に、P型半導体基板4上にN型ウエル5が形成されていて、その上にP型ウエル6が形成され、その上の3から15nmの厚さからなるシリコン酸化膜またはオキシナイトライド膜から形成されたトンネルゲート絶縁膜30を介して、例えばリンまたは砒素を1018〜1021cm−3添加したポリシリコンからなる電荷蓄積層31が10nmから500nmの厚さで形成されている。
Next, FIG. 15 shows a cross-sectional view in the case of a floating gate on the “AB” line of FIG. 14B in a NOR type EEPROM. Similar to FIG. 7A, an N-
これらは、図7(B)に示されるような、例えば、シリコン酸化膜からなる素子分離絶縁膜26が形成されていない領域上に、P型ウエル6と自己整合的に形成されている。この上に、厚さ5nmから30nmの間のシリコン酸化膜またはオキシナイトライド膜、またはシリコン酸化膜/シリコン窒化膜/シリコン酸化膜からなるインターポリ絶縁膜32を介して、WSi(タングステンシリサイド)とポリシリコンとのスタック構造、CoSiとポリシリコンのスタック構造、金属とポリシリコンとのスタック構造、又は金属やポリシリコン、WSi,NiSi,MoSi,TiSi,CoSiなどの単層構造からなる制御ゲート33が10nmから500nmの厚さで形成されている。
These are formed in a self-aligned manner with the P-type well 6 on a region where the element
制御ゲート33上にはゲートキャップ絶縁膜34が形成されている。
A gate
ゲートキャップ絶縁膜34、制御ゲート33、インターポリ絶縁膜32、電荷蓄積層31、トンネルゲート絶縁膜30の側面は、ゲート側壁絶縁膜35で覆われていて、これらがゲート電極36を形成する。そのゲート長としては、0.5μm以下0.01μm以上とする。
Side surfaces of the gate
図15に示すように、これらゲート電極36の一方側には、ゲート側壁絶縁膜35を挟んでソースまたはドレイン電極となるN型拡散層37が形成されている。ゲート電極36の他方側には、ゲート側壁絶縁膜35を挟んでデータ転送線19とコンタクト61を介して接続されているソースまたはドレイン電極となるN型拡散層18が形成されている。これらN型拡散層18、37及びゲート電極36により、電荷蓄積層31に蓄積された電荷量を情報量とする浮遊ゲート型EEPROMセルが形成されている。
As shown in FIG. 15, an N-
これらソース・ドレインN型拡散層18、37は隣接するメモリセル同士共有され、NOR接続が実現されている。 These source / drain N-type diffusion layers 18 and 37 are shared by adjacent memory cells, and a NOR connection is realized.
さらに、これらデータ転送線19とP型ウエル6との間は、例えばSiO2やSiNなどからなる例えば5nmから200nmの厚さの層間膜24によって充填されている。
Further, the space between the
さらに、このデータ転送線19上部には、絶縁膜保護層25が形成されている。その上には、図には示していないが、上部配線が形成されている。なお、図14(B)の“C−D”線上での浮遊ゲートの場合の断面図は図7(B)に示される構造と同様である。
Further, an insulating film
次に、本変形例をNOR型EEPROMでMONOS型ゲートに適用した場合の構成を図16を用いて説明する。 Next, the configuration when this modification is applied to a MONOS gate by a NOR type EEPROM will be described with reference to FIG.
本変形例はその等価回路図は図14(A)と同じであり、その上面図は図14(B)と同じであり、その図14(B)における“A−B”線上での断面が図16に相当し、その図14(B)における“C−D”線上での断面が図5(B)と同じである。 In this modification, the equivalent circuit diagram is the same as FIG. 14A, the top view is the same as FIG. 14B, and the cross section on the “AB” line in FIG. This corresponds to FIG. 16, and the cross section on the “CD” line in FIG. 14B is the same as FIG. 5B.
図16に示された断面では、図15における浮遊ゲート型であるゲート電極36の構造に替えて、図5(A)に示されるMONOS型であるゲート電極13の構造が用いられていて、他の構成は図15と同じである。
In the cross section shown in FIG. 16, the structure of the
(第2の実施の形態の第2の変形例)本変形例はAND型EEPROMに適用した例である。図17,18には浮遊ゲート型メモリセル構造を有する場合の例が示される。 (Second Modification of Second Embodiment) This modification is an example applied to an AND-type EEPROM. 17 and 18 show an example in the case of having a floating gate type memory cell structure.
図17(A)には、ANDメモリセルアレイの等価回路図が示される。浮遊ゲート電極を有するMOSトランジスタからなる不揮発性メモリセルM0〜M15が電流端子を並列に接続され、一端が選択トランジスタS1を介してデータ転送線BLに接続されている。また他の一端は選択トランジスタS2を介して共通ソース線SLに接続されている。また、それぞれのトランジスタは、同一のウエル上に形成されている。 FIG. 17A shows an equivalent circuit diagram of the AND memory cell array. Non-volatile memory cells M0 to M15 made of MOS transistors having floating gate electrodes have current terminals connected in parallel, and one end connected to a data transfer line BL via a select transistor S1. The other end is connected to the common source line SL via the selection transistor S2. Each transistor is formed on the same well.
それぞれのメモリセルM0〜M15の制御電極は、データ選択線WL0〜Wl5に接続されている。また、データ転送線に沿った複数のメモリセルブロックから1つのメモリセルブロックを選択してデータ転送線に接続するため、選択トランジスタS1の制御電極はブロック選択線SSLに接続されている。 The control electrodes of the respective memory cells M0 to M15 are connected to data selection lines WL0 to W15. Further, in order to select one memory cell block from a plurality of memory cell blocks along the data transfer line and connect it to the data transfer line, the control electrode of the selection transistor S1 is connected to the block selection line SSL.
さらに、選択トランジスタS2の制御電極はブロック選択線GSLに接続されており、AND型メモリセルブロック65(点線の領域)を形成している。本変形例では、メモリセルブロック65に16個、即ち2の4乗個のメモリセルが接続されている例を示したが、データ転送線BLおよびデータ選択線WL0〜Wl5に接続するメモリセルの数は複数であればよく、2のn乗個(nは正の整数)であることがアドレスデコードをする上で望ましい。 Further, the control electrode of the selection transistor S2 is connected to the block selection line GSL to form an AND type memory cell block 65 (dotted line region). In this modification, an example in which 16 memory cells, that is, 2 4 memory cells, are connected to the memory cell block 65 is shown. However, the memory cell blocks 65 are connected to the data transfer lines BL and the data selection lines WL0 to W15. The number may be plural, and it is desirable for address decoding to be 2 n (n is a positive integer).
さらに、図17(B)には、メモリセルブロック65の上面図が示され、セル構造をわかりやすくするために、ゲート電極よりも下の構造のみを示している。図17(B)において、左右方向に延びているブロック選択線SSLの上には、ビット線コンタクト66が設けられていて、図17(B)中上下方向に延びているビット線BLから電位が選択トランジスタS1の拡散層に与えられている。また、図17(B)中左右方向に延びているブロック選択線GSLの下方には共通ソース線コンタクト67が設けられて、共通ソース線SLから選択トランジスタS2へ電位が与えられている。
Further, FIG. 17B shows a top view of the memory cell block 65, and only the structure below the gate electrode is shown for easy understanding of the cell structure. In FIG. 17B, a
図18(A)は、図17(B)における“A−B”線上での断面を示し、図18(B)は図17(B)における“C−D”線上での断面を示す。例えば、3nmから15nmの厚さからなるシリコン酸化膜またはオキシナイトライド膜から形成されたトンネルゲート絶縁膜30を介して、例えばリンまたは砒素を1018〜1021cm−3添加したポリシリコンからなる電荷蓄積層31が10nmから500nmの厚さで形成されている。これらは、例えば、シリコン酸化膜からなる素子分離絶縁膜26が形成されていない領域上に、P型ウエル6と自己整合的に形成されている。
18A shows a cross section taken along the line “AB” in FIG. 17B, and FIG. 18B shows a cross section taken along the line “CD” in FIG. 17B. For example, it is made of, for example, polysilicon added with 10 18 to 10 21 cm −3 of phosphorus or arsenic through a tunnel
この上に、例えば、厚さ5nmから30nmの間のシリコン酸化膜またはオキシナイトライド膜、またはシリコン酸化膜/シリコン窒化膜/シリコン酸化膜からなるインターポリ絶縁膜32が形成されている。これは、例えば、P型ウエル6にトンネルゲート絶縁膜30及び電荷蓄積層31を全面堆積した後、パターニングしてP型ウエル6に達するまで、例えば0.05〜0.5μmの深さまでエッチングし、絶縁膜を埋め込むことで形成することができる。
On this, an interpoly insulating
このようにメモリセル部のトンネルゲート絶縁膜30及び電荷蓄積層31を段差の少ない平面に全面形成できるので、より均一性の向上した特性の揃った製膜を行うことができる。
As described above, the tunnel
また、セル部の層間絶縁膜68とN型拡散層37は、トンネル絶縁膜30を形成する前にあらかじめトンネル絶縁膜30を形成する部分に例えば、ポリシリコンによるマスク材を形成し、イオン注入によってN型拡散層37を形成後、全面に層間絶縁膜68を堆積し、CMP及びエッチバックによってトンネル絶縁膜30部分に相当する部分の前記マスク材を選択的に取り除くことで自己整合的に形成することができる。
Further, the
さらに、WSi(タングステンシリサイド)とポリシリコンとのスタック構造、CoSiとポリシリコンのスタック構造、金属とポリシリコンとのスタック構造、又は金属やポリシリコン、WSi,NiSi,MoSi,TiSi,CoSiなどの単層構造からなる制御ゲート33が10nmから500nmの厚さで形成されている。この制御ゲート33は、図10(B)において隣接するメモリセルブロックで接続されるように図18(B)において、紙面左右方向にブロック境界まで形成されており、データ選択線WL0〜WL15及び、ブロック選択線SSL.GSLを形成している。
Furthermore, a stack structure of WSi (tungsten silicide) and polysilicon, a stack structure of CoSi and polysilicon, a stack structure of metal and polysilicon, or a single structure such as metal, polysilicon, WSi, NiSi, MoSi, TiSi, and CoSi. A
なお、P型ウエル6は、N型ウエル5によってP型半導体基板4と独立に電圧印加できるようになっていることが、消去時の昇圧回路負荷を減らし消費電力を抑えるためには望ましい。メモリセル部のP型ウエル6はN型ウエル5によって囲まれていて、このP型ウエル6に消去電圧を印加した場合、メモリセル部以外は、昇圧されないので消費電力を抑制できる。
Note that it is desirable that the P-
図18(B)に示されるように、メモリセルに相当する断面において、これらゲート電極の下には、例えば5nmから200nmの厚さのシリコン酸化膜又はオキシナイトライド膜からなる層間絶縁膜68を挟んでソースまたはドレイン電極となるN型拡散層37が形成されている。これらN型拡散層37、電荷蓄積層31、および制御ゲート33により、電荷蓄積層に蓄積された電荷量を情報量とする浮遊ゲート型EEPROMセルが形成されており、そのゲート長としては、0.5μm以下0.01μm以上とする。
As shown in FIG. 18B, an
図18(B)のように、層間絶縁膜68はソース・ドレイン電極37を覆うように、チャネル上にも形成される方が、ソース・ドレイン端での電界集中による異常書込みを防止する上で望ましい。これらソース・ドレインN型拡散層37としては、例えばリンや砒素、アンチモンを表面濃度が1017〜1021cm−3となるように深さ10nmから500nmの間で形成されている。さらに、これらN型拡散層37はビット線BL方向に隣接するメモリセル同士で共有され、AND接続が実現されている。
As shown in FIG. 18B, the
また、ブロック選択線SSL、GSLは、制御ゲート33に接続されていて、ブロック選択線部では、電荷蓄積層31と制御ゲート33の間のインターポリ絶縁膜32が剥離され、EEPROMのデータ選択線WL0〜WL15と同層で形成されている。
The block selection lines SSL and GSL are connected to the
ここで、図17(B)及び図18(A)に示されるように、ブロック選択トランジスタS1は、N型拡散層37をソース・ドレイン電極とし、制御ゲート33をゲート電極としたMOSFETとして形成されており、ブロック選択トランジスタS2は、N型拡散層37をソース・ドレイン電極とし、制御ゲート33をゲート電極としたMOSFETとして形成されている。
Here, as shown in FIGS. 17B and 18A, the block selection transistor S1 is formed as a MOSFET having an N-
ここで、ブロック選択トランジスタS1、S2のゲート電極のゲート長は、メモリセルのゲート電極のゲート長よりも長く、例えば、1μm以下0.02μm以上で形成することにより、ブロック選択時と非選択時のオンオフ比を大きく確保でき、誤書き込みや誤読み出しを防止できる。 Here, the gate length of the gate electrodes of the block selection transistors S1 and S2 is longer than the gate length of the gate electrode of the memory cell. For example, the gate length is 1 μm or less and 0.02 μm or more. A large ON / OFF ratio can be secured, and erroneous writing and erroneous reading can be prevented.
次に、電荷蓄積層としてSiN等の絶縁膜を用いたMONOS型メモリセル構造を有する場合について説明する。 Next, a case where the charge storage layer has a MONOS type memory cell structure using an insulating film such as SiN will be described.
図19(A)には、ANDメモリセルアレイの等価回路図が示される。MONOS型ゲート電極を有するMOSトランジスタからなる不揮発性メモリセルM0〜M15が電流端子を並列に接続され、一端が選択トランジスタS1を介してデータ転送線BLに接続されている。また他の一端は選択トランジスタS2を介して共通ソース線SLに接続されている。また、それぞれのトランジスタは、同一のウエル上に形成されている。 FIG. 19A shows an equivalent circuit diagram of an AND memory cell array. Non-volatile memory cells M0 to M15 made of MOS transistors having a MONOS type gate electrode have current terminals connected in parallel, and one end connected to a data transfer line BL via a select transistor S1. The other end is connected to the common source line SL via the selection transistor S2. Each transistor is formed on the same well.
それぞれのメモリセルM0〜M15の制御電極は、データ選択線WL0〜Wl5に接続されている。また、データ転送線BLに沿った複数のメモリセルブロックから1つのメモリセルブロックを選択してデータ転送線BLに接続するため、選択トランジスタS1の制御電極はブロック選択線SSLに接続されている。 The control electrodes of the respective memory cells M0 to M15 are connected to data selection lines WL0 to W15. Further, in order to select one memory cell block from a plurality of memory cell blocks along the data transfer line BL and connect it to the data transfer line BL, the control electrode of the selection transistor S1 is connected to the block selection line SSL.
さらに、選択トランジスタS2の制御電極はブロック選択線GSLに接続されており、AND型メモリセルブロック65(点線の領域)を形成している。本変形例では、メモリセルブロック65に16個、即ち2の4乗個のメモリセルが接続されている例を示したが、データ転送線BLおよびデータ選択線WL0〜Wl5に接続するメモリセルの数は複数であればよく、2のn乗個(nは正の整数)であることがアドレスデコードをする上で望ましい。 Further, the control electrode of the selection transistor S2 is connected to the block selection line GSL to form an AND type memory cell block 65 (dotted line region). In this modification, an example in which 16 memory cells, that is, 2 4 memory cells, are connected to the memory cell block 65 is shown. However, the memory cell blocks 65 are connected to the data transfer lines BL and the data selection lines WL0 to W15. The number may be plural, and it is desirable for address decoding to be 2 n (n is a positive integer).
さらに、図19(B)には、メモリブロック65の上面図が示され、セル構造をわかりやすくするために、ゲート電極よりも下の構造のみを示している。図19(B)において、左右方向に延びているブロック選択線SSLの上には、ビット線コンタクト66が設けられていて、図19(B)中で、上下方向に延びているビット線BLから電位が選択トランジスタS1の拡散層に与えられている。また、図19(B)中で、左右方向に延びているブロック選択線GSLの下方には共通ソース線コンタクト67が設けられて、共通ソース線SLから選択トランジスタS2へ電位が与えられている。
Further, FIG. 19B shows a top view of the memory block 65, and only the structure below the gate electrode is shown for easy understanding of the cell structure. In FIG. 19B, a
図20(A)は、図19(B)における“A−B”線上での断面を示し、図20(B)は図19(B)における“C−D”線上での断面を示す。例えば、0.5から10nmの厚さからなるシリコン酸化膜またはオキシナイトライド膜からなるトンネルゲート絶縁膜7を介して、例えばポリシリコンやWSi(タングステンシリサイド)とポリシリコンとのスタック構造、または、NiSi,MoSi,TiSi,CoSiとポリシリコンのスタック構造からなる制御ゲート10が10nmから500nmの厚さで形成されている。
20A shows a cross section taken along the line “AB” in FIG. 19B, and FIG. 20B shows a cross section taken along the line “CD” in FIG. 19B. For example, via a tunnel
図20(B)の断面に示されるように、トンネルゲート絶縁膜7上には、例えばシリコン窒化膜からなる電荷蓄積層8が4nmから50nmの厚さで形成されている。この上に、例えば、厚さ2nmから30nmの間のシリコン酸化膜またはオキシナイトライド膜からなるブロック絶縁膜9が形成されている。制御ゲート10上には、例えばポリシリコン層が10nmから500nmの厚さでゲートキャップ絶縁膜11が形成されているこれらは、例えば、シリコン酸化膜からなる素子分離絶縁膜26が形成されていない領域上に、P型ウエル6と自己整合的に形成されている。
As shown in the cross section of FIG. 20B, on the tunnel
これは、例えば、P型ウエル6にトンネルゲート絶縁膜7、電荷蓄積層8、ブロック絶縁膜9、及び制御ゲート10を全面堆積した後、パターニングしてP型ウエル6に達するまで、例えば0.05〜0.5μmの深さまでエッチングし、絶縁膜を埋め込むことで形成することができる。このようにトンネルゲート絶縁膜7、電荷蓄積層8、ブロック絶縁膜9を段差の少ない平面に全面形成できるので、均一性のより向上した特性の揃った製膜を行うことができる。
For example, the tunnel
また、セル部の層間絶縁膜68とN型拡散層37は、トンネルゲート絶縁膜7を形成する前にあらかじめトンネルゲート絶縁膜7を形成する部分に例えば、ポリシリコンによるマスク材を形成し、イオン注入によってN型拡散層を形成後、全面に層間絶縁膜8を堆積し、CMP(Chemical Mechanical Polishing)およびエッチバックによってトンネルゲート絶縁膜7部分に相当する部分の前記マスク材を選択的に取り除くことで自己整合的に形成することができる。その他の構造については図18と同様であるので説明を省略する。
Further, the
図5、6、16、20に示された形態では、MONOS型セルを用いているため、浮遊ゲート型EEPROMセルよりも書き込み電圧および消去電圧を低電圧化することができ、素子分離間隔を狭めゲート絶縁膜厚を薄膜化しても耐圧を維持することができる。 5, 6, 16, and 20 use the MONOS type cell, the write voltage and the erase voltage can be lowered as compared with the floating gate type EEPROM cell, and the element isolation interval is narrowed. The breakdown voltage can be maintained even if the gate insulating film thickness is reduced.
よって、高電圧が印加される回路の面積を小さくでき、チップ面積をより縮小することができる。さらに、浮遊ゲート型メモリセルと比較して、MONOS型メモリセルでは、電荷蓄積層8の厚さを20nm以下に小さくでき、ゲート形成時のアスペクトをより低減でき、ゲート電極の加工形状を向上させ、層間絶縁膜24のゲート間の埋め込みも向上させることができ、耐圧をより向上させることができる。
Therefore, the area of the circuit to which the high voltage is applied can be reduced, and the chip area can be further reduced. Furthermore, compared with the floating gate type memory cell, the thickness of the
また、浮遊ゲート電極を形成するためのプロセスやスリット作成プロセスが不要であり、よりプロセス工程を短くすることができる。また、電荷蓄積層8が絶縁体で、1つ1つの電荷トラップに電荷が捕獲されているので、放射線に対して電荷が抜けにくく強い耐性を持たせることができる。
Further, the process for forming the floating gate electrode and the slit creation process are unnecessary, and the process steps can be further shortened. In addition, since the
また図19及び図20では選択トランジスタはMOS構造をとっているがメモリセルと同じMONOS構造としても良い。この場合、選択トランジスタとメモリセルトランジスタを作り分けるための工程を省略できるので製造コストが削減され、また作り分けのための余裕をとる必要が無いので選択トランジスタとメモリセル間の距離を小さくすることが可能で素子面積を縮小することができる。 19 and 20, the selection transistor has a MOS structure, but may have the same MONOS structure as the memory cell. In this case, the manufacturing process is reduced because the process for making the selection transistor and the memory cell transistor can be omitted, and the distance between the selection transistor and the memory cell is reduced because it is not necessary to have a margin for making the selection transistor. The device area can be reduced.
書き込み、消去のいずれの状態も負電荷蓄積状態を用いているため不揮発性メモリのデータ保持特性を改善することが可能で、特に繰り返し書き換え後の消去状態のデータ保持特性を改善する。 Since both the writing state and the erasing state use the negative charge accumulation state, the data retention characteristic of the nonvolatile memory can be improved. In particular, the data retention characteristic in the erased state after repeated rewriting is improved.
また、MONOS型メモリセルにおいて、消去時間を短縮し、SiNの薄膜化によるデータ保持特性の低下を回避できるためSiNを12nm以下に薄膜化することが可能となり低電圧化に適し、正電荷蓄積状態を使わないため繰り返し書き換え後の信頼性を向上することが出来る。 Also, in the MONOS type memory cell, the erase time can be shortened and the deterioration of data retention characteristics due to the thinning of SiN can be avoided, so that it is possible to reduce the thickness of SiN to 12 nm or less. Since it is not used, the reliability after repeated rewriting can be improved.
また中性閾値が例えば0Vよりも高い場合には、「書き込み、消去のいずれの状態も負電荷蓄積状態を用いている」ということは、「書き込み、消去のいずれの閾値も正である」ということになるので、このような場合、第1の実施の形態においても本実施の形態と同様な効果がある。 Further, when the neutral threshold is higher than 0 V, for example, “the negative charge accumulation state is used in both the writing and erasing states” means that both the writing and erasing thresholds are positive. Therefore, in such a case, the first embodiment has the same effect as the present embodiment.
(第3の実施の形態)図21(A)に本実施の形態におけるデータの記憶状態が示される。本実施の形態に特徴的なことはメモリセルの書き込み状態および消去状態のいずれの閾値も選択トランジスタの閾値よりも高いことである。図21においては、横軸がメモリセル数を指し、縦軸が閾値を示す。 (Third Embodiment) FIG. 21A shows a data storage state in the present embodiment. What is characteristic of this embodiment is that the threshold values of both the write state and erase state of the memory cell are higher than the threshold value of the select transistor. In FIG. 21, the horizontal axis indicates the number of memory cells, and the vertical axis indicates the threshold value.
ここで、書き込み状態では、その閾値の分布は上限、下限ともにVrefよりも大きい値になっている。消去状態では、その閾値の分布は上限、下限ともにVrefよりは小さく、選択トランジスタの閾値Vthsgよりは大きい値となっている。 Here, in the write state, the threshold distribution is larger than Vref both at the upper limit and the lower limit. In the erased state, the threshold distribution is lower than Vref both at the upper and lower limits, and is larger than the threshold Vthsg of the selection transistor.
また、場合により図21(B)に示すように書き込み状態のすべて、及び消去状態の一部のメモリセルの閾値が選択トランジスタの閾値よりも高い、つまり消去状態の閾値分布が選択トランジスタの閾値をまたいでいることである。 In some cases, as shown in FIG. 21B, the threshold values of all memory cells in the writing state and some memory cells in the erasing state are higher than the threshold values of the selection transistors. It is to come again.
ここで、書き込み状態では、その閾値の分布は上限、下限ともにVrefよりも大きい値となっている。消去状態では、その閾値の分布は上限がVrefよりは小さく、かつ、選択トランジスタの閾値Vthsgよりも大きい値となっている。その下限はVthsgよりも小さい値となっている。 Here, in the writing state, the distribution of the threshold values is larger than Vref both at the upper limit and the lower limit. In the erased state, the threshold distribution has an upper limit smaller than Vref and larger than the threshold Vthsg of the selection transistor. The lower limit is a value smaller than Vthsg.
次に、図22(A)を用いて本実施形態をNAND型EEPROMに適用した場合の読み出し動作を説明する。ビット線BLをプリチャージした後にフローティングにし、読み出し選択されたメモリセルM2の制御ゲートの電圧を読み出し電圧Vref、それ以外のメモリセルM0,M1、M3乃至M15の制御ゲートの電圧を非選択読み出し電圧Vread、選択トランジスタS1,S2のゲート電圧を電源電圧Vcc、ソース線を0Vとして、読み出し選択されたメモリセルM2に電流が流れるか否かをビット線BLで検出することにより行われる。 Next, a read operation when this embodiment is applied to a NAND-type EEPROM will be described with reference to FIG. The bit line BL is precharged and then floated, the voltage of the control gate of the memory cell M2 selected for reading is set to the read voltage Vref, and the voltages of the other control gates of the memory cells M0, M1, M3 to M15 are unselected read voltages. This is done by detecting whether or not a current flows through the memory cell M2 selected for reading, with Vread, the gate voltage of the selection transistors S1 and S2 being the power supply voltage Vcc and the source line being 0V.
すなわち、読み出し選択されたメモリセルM2の閾値VthがVrefよりも大きい書き込み状態ならばメモリセルはオフになるのでビット線BLはプリチャージ電位を保つ。 That is, if the threshold value Vth of the memory cell M2 selected for reading is in a writing state larger than Vref, the memory cell is turned off, so that the bit line BL maintains the precharge potential.
これに対して、読み出し選択されたメモリセルM2の閾値VthがVrefよりも小さい読み出し状態ならばメモリセルはオンするのでビット線BLの電位はプリチャージ電位からΔVだけ低下する。この電位変化をデータ回路(図示せず)内のセンスアンプで検知することによってメモリセルのデータが読み出される。 On the other hand, if the threshold value Vth of the memory cell M2 selected for reading is in a read state smaller than Vref, the memory cell is turned on, so that the potential of the bit line BL decreases by ΔV from the precharge potential. Data in the memory cell is read by detecting this potential change with a sense amplifier in a data circuit (not shown).
ここでVrefは書き込み状態の閾値と消去状態の閾値の中間の電圧であり、Vreadは書き込み状態の閾値よりも高い電圧であり、Vccは選択トランジスタの閾値よりも高い電圧である。 Here, Vref is an intermediate voltage between the write state threshold and the erase state threshold, Vread is a voltage higher than the write state threshold, and Vcc is a voltage higher than the threshold of the selection transistor.
また選択トランジスタS1,S2のゲートに与える電圧としてVccのかわりに図22(B)に示すようにVrefを与えても良い。 Further, Vref may be applied as the voltage applied to the gates of the selection transistors S1 and S2 as shown in FIG.
また、図22(C)に示すように選択ゲートS1.S2にVreadを与えても良い。 Further, as shown in FIG. 22C, the selection gates S1. Vread may be given to S2.
また、図22(C)でVreadをVccと等しく設定しても良いし、VrefをVccと等しく設定しても良い。これらの場合、読み出し時に扱う電圧の種類が減るので周辺回路を単純化して、面積や工程数を縮小させることができる。 In FIG. 22C, Vread may be set equal to Vcc, or Vref may be set equal to Vcc. In these cases, since the types of voltages handled at the time of reading are reduced, the peripheral circuit can be simplified and the area and the number of processes can be reduced.
次に、図23(A)を用いて本実施形態をAND型EEPROMに適用した場合のデータの読み出し動作を説明する。まず、ビット線BLをプリチャージした後にフローティングにし、読み出し選択されたメモリセルM2の制御ゲートの電圧を読み出し電圧Vrefに設定し、それ以外のメモリセルの制御ゲートの電圧を非選択読み出し電圧Vreadに設定し、選択トランジスタS1,S2のゲート電圧を電源電圧Vccとして、ソース線Sourceを0Vとして、読み出し選択されたメモリセルM2に電流が流れるか否かをビット線BLで検出することにより行われる。 Next, a data read operation when this embodiment is applied to an AND-type EEPROM will be described with reference to FIG. First, the bit line BL is precharged and then floated, the voltage of the control gate of the memory cell M2 selected for reading is set to the read voltage Vref, and the voltages of the control gates of other memory cells are set to the non-selected read voltage Vread. This is done by setting the gate voltage of the selection transistors S1 and S2 to the power supply voltage Vcc and the source line Source to 0 V and detecting whether or not a current flows through the memory cell M2 selected for reading by the bit line BL.
すなわち、読み出し選択されたメモリセルM2の閾値VthがVrefよりも大きい書き込み状態ならばメモリセルM2はオフになるのでビット線BLはプリチャージ電位を保つ。これに対して読み出し選択されたメモリセルM2の閾値VthがVrefよりも小さい読み出し状態ならば、メモリセルM2はオンするのでビット線BLの電位はプリチャージ電位からΔVだけ低下する。この電位変化をセンスアンプで検知することによってメモリセルのデータが読み出される。 That is, if the threshold value Vth of the memory cell M2 selected for reading is in a writing state larger than Vref, the memory cell M2 is turned off, so that the bit line BL maintains the precharge potential. On the other hand, if the threshold value Vth of the memory cell M2 selected for reading is smaller than Vref, the memory cell M2 is turned on, so that the potential of the bit line BL is lowered by ΔV from the precharge potential. Data in the memory cell is read by detecting this potential change with a sense amplifier.
ここでVrefは書き込み状態の閾値と消去状態の閾値の中間の電圧であり、Vreadは消去状態の閾値よりも低い電圧であり、Vccは選択トランジスタS1,S2の閾値よりも高い電圧である。 Here, Vref is an intermediate voltage between the threshold value in the write state and the threshold value in the erase state, Vread is a voltage lower than the threshold value in the erase state, and Vcc is a voltage higher than the threshold values of the selection transistors S1 and S2.
また選択トランジスタS1,S2のゲートに与える電圧としてVccの代わりに図23(B)に示すようにVrefを与えても良い。 Further, as a voltage to be applied to the gates of the selection transistors S1 and S2, Vref may be applied instead of Vcc as shown in FIG.
また、図23(C)に示すようにVreadを与えても良い。また、図23(C)で、VreadをVccとしても良いし、VrefをVccとしても良い。これらの場合、読み出し時に扱う電圧の種類が減るので周辺回路を単純化して面積や工程数を縮小させることができる。 Further, Vread may be given as shown in FIG. In FIG. 23C, Vread may be Vcc, and Vref may be Vcc. In these cases, since the types of voltages handled at the time of reading are reduced, the peripheral circuit can be simplified to reduce the area and the number of processes.
なお、図22及び図23に示した等価回路図では選択トランジスタは電荷蓄積層を持たない構造となっているが、メモリセルと同じ不揮発性メモリ構造としても良い。この場合、選択トランジスタとメモリセルトランジスタを作り分けるための工程を省略できるので製造コストが削減され、また作り分けのための余裕をとる必要が無いので選択トランジスタとメモリセル間の距離を小さくすることが可能で素子面積を縮小することができる。 Note that in the equivalent circuit diagrams shown in FIGS. 22 and 23, the selection transistor has a structure without the charge storage layer, but may have the same nonvolatile memory structure as the memory cell. In this case, the manufacturing process is reduced because the process for making the selection transistor and the memory cell transistor can be omitted, and the distance between the selection transistor and the memory cell is reduced because it is not necessary to have a margin for making the selection transistor. The device area can be reduced.
NAND又はAND型EEPROMの読み出し動作において、ビット線に流れる電流は主に読み出し選択されたメモリセルのチャネルコンダクタンスによって決定されるが、このほかに選択トランジスタのチャネルコンダクタンスの影響も受ける。つまり選択トランジスタの閾値ばらつきの影響をうけ、誤読み出しの原因となる。これを回避するためには選択トランジスタの閾値分布が読み出し時に選択ゲートにかかる電圧よりも十分低く、従って選択トランジスタのチャネルコンダクタンスがメモリセルに比べて十分大きいことが望ましい。 In a read operation of a NAND or AND type EEPROM, the current flowing through the bit line is mainly determined by the channel conductance of the memory cell selected for reading, but is also affected by the channel conductance of the selection transistor. In other words, it is influenced by the variation in threshold value of the selection transistor, and causes erroneous reading. In order to avoid this, it is desirable that the threshold distribution of the selection transistor is sufficiently lower than the voltage applied to the selection gate at the time of reading, and therefore the channel conductance of the selection transistor is sufficiently larger than that of the memory cell.
ここで、選択トランジスタのチャネルコンダクタンスがメモリセルに比べて、十分大きいとは、読み出し時にビット線を流れる電流が選択トランジスタの閾値によって変動しない範囲を指す。例えば、選択トランジスタの閾値がVthsg、書き込みメモリの閾値がVthwである場合、選択ゲート電圧Vsg、読み出し非選択ゲート電圧をVreadとした場合、数8のようになる。
本実施の形態においては選択トランジスタの閾値がメモリセルの消去状態の閾値と同じか、メモリセルの閾値より低いために、選択トランジスタのチャネルコンダクタンスは常に十分に高く、選択トランジスタの閾値ばらつきがビット線電流に影響することはない。 In this embodiment, since the threshold value of the selection transistor is the same as or lower than the threshold value of the erase state of the memory cell, the channel conductance of the selection transistor is always sufficiently high, and the threshold variation of the selection transistor is bit line. The current is not affected.
また、本実施の形態においては読み出し動作時に選択ゲートに与える電圧を、選択メモリセルの制御ゲートに与える電圧と共通化することが出来るので、回路を単純化することが可能となる。
Further, the voltage applied to the select gate in a read operation in the present embodiment, it is possible to common with the voltage applied to the control gate of the selected Memorise Le, it is possible to simplify the circuit.
また、本実施の形態において選択トランジスタをメモリセルと同じ不揮発性メモリ構造とした場合には、メモリセルの消去時に選択トランジスタにもメモリセルと同様の電圧を印加すれば、選択トランジスタの閾値をメモリセルの消去閾値と同じにすることが可能である。また選択トランジスタにメモリセルよりも高い電圧を印加すればメモリセルよりも低い消去閾値とすることが可能である。 In this embodiment, when the selection transistor has the same nonvolatile memory structure as that of the memory cell, the threshold value of the selection transistor can be stored in the memory by erasing the memory cell by applying a voltage similar to that of the memory cell to the selection transistor. It can be the same as the cell erasure threshold. Further, if a voltage higher than that of the memory cell is applied to the selection transistor, an erasing threshold lower than that of the memory cell can be obtained.
本実施の形態をNAND型EEPROMに適用した場合の等価回路図、平面図及び断面図は、図4、5、6,7に示される通りである。また、AND型EEPROMに適用した場合の等価回路図、平面図及び断面図は、図17,18,19,20に示される通りである。 An equivalent circuit diagram, a plan view, and a cross-sectional view when this embodiment is applied to a NAND type EEPROM are as shown in FIGS. Also, an equivalent circuit diagram, a plan view, and a cross-sectional view when applied to an AND type EEPROM are as shown in FIGS.
以上の説明では、NAND,NOR及びAND型EEPROMを例にしているが発明の実施形態はこれに限定されること無く、DINOR型等の記憶装置に適用することもできる。 In the above description, NAND, NOR, and AND-type EEPROM are taken as an example, but the embodiment of the invention is not limited to this, and can be applied to a storage device such as DINOR-type.
またメモリセル構造として浮遊ゲート型とMONOS型を例に説明したが、これに限らず電荷蓄積層を有するその他の半導体装置に対しても同様の効果がある。ここで、MONOSメモリでは、ゲート電極が単層構造なので、ゲートに印加された電圧がすべて、電荷蓄積層下のONO(Oxide-Nitride-Oxide)膜に印加されることになり、低電圧動作が可能である。 Further, the floating gate type and the MONOS type have been described as examples of the memory cell structure. Here, in the MONOS memory, since the gate electrode has a single layer structure, all of the voltage applied to the gate is applied to the ONO (Oxide-Nitride-Oxide) film under the charge storage layer, and low voltage operation is achieved. Is possible.
一方、浮遊ゲート型メモリでは、制御ゲートと浮遊ゲートの間にインターポリ絶縁膜が存在するため、ゲート電極に印加された電圧がすべてトンネル酸化膜に印加されることがなく、インターポリ絶縁膜及びトンネル酸化膜の両方に印加されるので、その動作はMONOS型メモリよりも高電圧化が必要である。 On the other hand, in the floating gate type memory, since the interpoly insulating film exists between the control gate and the floating gate, all the voltages applied to the gate electrode are not applied to the tunnel oxide film, and the interpoly insulating film and Since it is applied to both of the tunnel oxide films, the operation requires higher voltage than the MONOS type memory.
また各実施の形態では図24(A)に示されるようにVref以上の閾値の書き込み状態と、Vref以下の閾値の消去状態とを有し、一つのメモリセルに“書き込み”、“消去”のふたつの状態を記憶する2値メモリセルを例に説明したが、三つ以上の状態を記憶する多値メモリセルに適用することもできる。この場合のデータの記憶状態を図24(B)を用いて説明する。 In each embodiment, as shown in FIG. 24A, a write state having a threshold value equal to or higher than Vref and an erase state having a threshold value equal to or lower than Vref are provided, and “write” and “erase” are performed in one memory cell. Although a binary memory cell that stores two states has been described as an example, the present invention can be applied to a multilevel memory cell that stores three or more states. A data storage state in this case will be described with reference to FIG.
多値メモリセルにおいて、一つのメモリセルに記憶する状態の数をn(nは2以上の自然数)個として、閾値の低い順番に“1”状態、“2”状態・・・“n”状態とする。また“1”状態と“2”状態を区別する電圧をVref1とすると、上述した2値メモリセルの“消去状態”を多値メモリセルの“1”状態、2値メモリセルの“Vref” を多値メモリセルの“Vref1” と読みかえて、上記各実施の形態と同様の形態で実施することができる。 In a multi-level memory cell, the number of states stored in one memory cell is n (n is a natural number of 2 or more), and “1” state, “2” state. And If the voltage for distinguishing between the “1” state and the “2” state is Vref1, the “erased state” of the binary memory cell described above is changed to the “1” state of the multi-level memory cell and “Vref” of the binary memory cell. In place of “Vref1” of the multilevel memory cell, the present invention can be implemented in the same manner as in the above embodiments.
また、第3の実施の形態においては選択トランジスタの閾値Vthsgを“1”状態〜“n”状態のいずれかと同じ(分布中に含まれる)にすることができる。また読み出し動作時に選択ゲートに与える電圧をVref1〜Vrefn−1のいずれかと同じにすることで第3の実施の形態と同様の効果を得ることができる。 In the third embodiment, the threshold value Vthsg of the selection transistor can be the same (included in the distribution) as any of the “1” state to the “n” state. Further, the same effect as that of the third embodiment can be obtained by making the voltage applied to the selection gate the same as any one of Vref1 to Vrefn-1 during the read operation.
発明の実施形態は上記実施例に限定されず、発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々変形して使用することができる。またそれぞれの実施形態は単独で使用されるとは限らず、複数の実施の形態を組み合わせて使用することもできる。 Embodiments of the invention are not limited to the above-described embodiments, and various modifications can be used without departing from the spirit of the invention. Each embodiment is not necessarily used alone, and a plurality of embodiments can be used in combination.
1、27,55,56,65 メモリセルブロック
2,61 BLコンタクト
3 SLコンタクト
4 P型半導体基板
5 N型ウエル
6 P型ウエル
7,30 トンネルゲート絶縁膜
8,31,52,59 電荷蓄積層
9 ブロック絶縁膜
10,33,53,60 制御ゲート(ワード線)
11,34 ゲートキャップ絶縁膜
12,35 ゲート側壁絶縁膜
13,36 メモリセルゲート
14,18, 21, 37 ソース・ドレインN型拡散層
15,16,38,39 ゲート電極
17 ゲート絶縁膜
19 データ転送線(ビット線)
20,22 コンタクト
23 ソース線
24 層間膜
25 絶縁膜保護層
26 素子分離領域
32 インターポリ絶縁膜
50,57 半導体基板
51,58 ソース・ドレイン拡散層
66 ビット線コンタクト
67 共通ソース線コンタクト
68 層間絶縁膜
BL、BL1,BL2 ビット線、データ転送線
GSL,SSL ブロック選択線
M0〜M15、M0’〜M2’ メモリセル
S1、S2 選択トランジスタ
Source 共通ソース線
WL0〜WL15 データ選択線(ワード線)
1, 27, 55, 56, 65
11, 34 Gate
20, 22
Claims (7)
前記n値のデータを閾値の低い順に定められた離散的な第1乃至第nのすべての閾値電圧が、データ読み出し時に電流端子に印加される電圧のうち低い方の電圧に比べて高く、
このメモリエレメントと電流端子を共有して配置され、かつ、前記複数個のメモリエレメントの前記制御端子と電気的に分離した制御端子を有し、前記電流端子間の導通状態と遮断状態とが切り替わる前記制御端子の電圧を閾値とすると、前記複数個のメモリエレメントの消去状態の閾値電圧よりも低い閾値電圧を有する選択エレメントとを備えることを特徴とする半導体記憶装置。 An information storage unit having at least one control terminal, electrically erasable, and storing discrete n-value (n is an integer of 2 or more) data, and being connected in series between at least two current terminals Comprising a plurality of memory elements connected and arranged;
All of the discrete first to nth threshold voltages in which the n-value data is determined in the order of the threshold value are higher than the lower one of the voltages applied to the current terminals at the time of data reading,
The memory element and the current terminal are arranged in common and have a control terminal electrically separated from the control terminal of the plurality of memory elements, and the conduction state and the cutoff state between the current terminals are switched. A semiconductor memory device comprising: a selection element having a threshold voltage lower than a threshold voltage in an erased state of the plurality of memory elements, where the voltage of the control terminal is a threshold.
このメモリエレメントと前記電流端子を共有して選択エレメントが配置され、
前記メモリエレメントの制御端子と電気的に分離した制御端子を有し、
前記電流端子間の導通状態と遮断状態とが切り替わる前記制御端子の電圧を閾値として前記n値のデータを閾値の低い順に定められた離散的な第1乃至第nの閾値電圧に対応させると、消去状態に相当するデータ記憶状態における閾値電圧が、前記選択エレメントの閾値電圧よりも高いメモリエレメントと、前記選択エレメントの閾値電圧よりも低いメモリエレメントとをともに備えることを特徴とする半導体記憶装置。 An information storage unit having at least one control terminal, electrically erasable, and storing discrete n-value (n is an integer of 2 or more) data, and being connected in series between at least two current terminals Comprising a plurality of memory elements connected and arranged ;
A selection element is arranged sharing the current terminal with the memory element,
A control terminal electrically separated from the control terminal of the memory element;
When the voltage of the control terminal that switches between the conduction state and the interruption state between the current terminals is set as a threshold value, the n-value data is associated with discrete first to nth threshold voltages determined in order of the threshold value, A semiconductor memory device comprising: a memory element having a threshold voltage in a data storage state corresponding to an erased state higher than a threshold voltage of the selected element; and a memory element lower than a threshold voltage of the selected element.
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