JP5755096B2 - Nonvolatile semiconductor memory device, manufacturing method thereof, and data rewriting method - Google Patents

Nonvolatile semiconductor memory device, manufacturing method thereof, and data rewriting method Download PDF

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この発明は、不揮発性半導体記憶装置に関するものである。   The present invention relates to a nonvolatile semiconductor memory device.

不揮発性半導体記憶装置は、電荷を電荷蓄積膜に蓄積することでデータを記憶する。中でも電気的にデータの書き込みや消去ができるものをEEPROM(Electronically Erasable and Programmable Read Only Memory:電気的に書き換え可能な不揮発性メモリ)と呼ぶ。EEPROMには、大別して電荷蓄積膜の種類が異なる2つの構造がある。   A nonvolatile semiconductor memory device stores data by accumulating electric charges in a charge accumulation film. Among these, a device that can electrically write and erase data is called an EEPROM (Electronically Erasable and Programmable Read Only Memory). There are two types of EEPROMs, which are roughly classified into different types of charge storage films.

1つは、電荷蓄積膜となる浮遊ゲートと呼ばれる導電体を酸化膜などで囲って電気的に絶縁するようにしてゲート絶縁膜を構成するものであり、その浮遊ゲートに電荷を蓄積するFG(Floating Gate:フローティングゲート)型である。   One is to form a gate insulating film by surrounding a conductor called a floating gate, which becomes a charge storage film, with an oxide film or the like so as to be electrically insulated. Floating Gate (floating gate) type.

もう1つは、複数の絶縁膜を積層させてゲート絶縁膜を構成するものであり、複数の絶縁膜のうち1つを電荷蓄積膜とし、この電荷蓄積膜内の電荷トラップに蓄積する電荷量を制御することによって情報の記憶を行うMNOS(Metal−Nitride−Oxide−Silicon)型やMONOS(Metal−Oxide−Nitride−Oxide−Silicon)型である。   The other is to form a gate insulating film by laminating a plurality of insulating films. One of the plurality of insulating films is a charge storage film, and the amount of charge stored in a charge trap in the charge storage film. The MNOS (Metal-Nitride-Oxide-Silicon) type and the MONOS (Metal-Oxide-Nitride-Oxide-Silicon) type that store information by controlling.

FG型の場合、電荷蓄積膜が導電体であることから、蓄積した電荷を抜けにくくするために電荷蓄積膜を覆う絶縁膜を厚くする必要がある。具体的には、半導体基板と電荷蓄積膜との間の膜(トンネル絶縁膜という)の膜厚を厚くする必要がある。このため必然的に書き込み電圧や消去電圧が高くなってしまう。   In the case of the FG type, since the charge storage film is a conductor, it is necessary to increase the thickness of the insulating film covering the charge storage film in order to make it difficult to escape the stored charge. Specifically, it is necessary to increase the thickness of a film (referred to as a tunnel insulating film) between the semiconductor substrate and the charge storage film. This inevitably increases the write voltage and the erase voltage.

一方、MNOS型やMONOS型のEEPROMは、電荷蓄積膜が絶縁膜であるから電荷トラップに蓄積した電荷が抜けにくいため、トンネル絶縁膜などの膜厚を薄くできる。このため、FG型に比べて低い電圧でデータの書き込みや消去ができるという特徴がある。   On the other hand, in the MNOS type or MONOS type EEPROM, since the charge storage film is an insulating film, the charge accumulated in the charge trap is difficult to escape, so the thickness of the tunnel insulating film or the like can be reduced. Therefore, there is a feature that data can be written and erased at a voltage lower than that of the FG type.

特に、MONOS型の場合は、MNOS型に比べて電荷蓄積膜を含む複数の絶縁膜を薄くすることができるため、さらに低電圧化することができる。このため、昨今、低消費電力化に貢献できるメモリ素子として注目を集めている。   In particular, in the case of the MONOS type, since a plurality of insulating films including the charge storage film can be made thinner than in the MNOS type, the voltage can be further reduced. For this reason, recently, it has attracted attention as a memory element that can contribute to lower power consumption.

電荷蓄積膜に電子を蓄積した状態、すなわち書き込みデータを記憶している状態のしきい値電圧をVtw、電荷蓄積膜に正孔を蓄積した状態、すなわち消去データを記憶している状態のしきい値電圧をVte、電荷蓄積膜に電子も正孔も蓄積していない状態のしきい値電圧、つまり、安定状態のしきい値電圧である熱平衡状態しきい値電圧をV0と呼ぶ。   Threshold voltage in the state where electrons are stored in the charge storage film, that is, in the state where write data is stored, and Vth, and the threshold voltage in the state where holes are stored in the charge storage film, that is, where erase data is stored The value voltage is called Vte, and the threshold voltage in a state where neither electrons nor holes are accumulated in the charge storage film, that is, the thermal equilibrium state threshold voltage which is a stable state threshold voltage is called V0.

ここで、メモリ素子に記憶されているデータを読み出す時にメモリ素子のゲート電極に印加する電圧Vcgの値を、Vte<Vcg<Vtwの関係が成り立つように設定すると、メモリ素子のドレイン電流が、書き込みデータを記憶している状態では流れず、消去データを記憶している状態では流れるため、書き込みデータと消去データとの判別が可能となる。   Here, when the value of the voltage Vcg applied to the gate electrode of the memory element when reading the data stored in the memory element is set so that the relationship of Vte <Vcg <Vtw is established, the drain current of the memory element is Since it does not flow in a state where data is stored but flows in a state where erase data is stored, it is possible to discriminate between write data and erase data.

しかし、VtwやVteの値は常に一定ではない。メモリ素子は、時間の経過と供にエネルギーの安定状態である熱平衡状態に徐々に近づいていく。すなわち、電荷蓄積膜に蓄
積した電荷を時間の経過とともに放出するため、VtwやVteの値はV0に近づいていき、最終的には、Vtw=Vte=V0となる。
However, the values of Vtw and Vte are not always constant. The memory element gradually approaches a thermal equilibrium state that is a stable state of energy with the passage of time. That is, since the charge accumulated in the charge storage film is released over time, the values of Vtw and Vte approach V0, and finally Vtw = Vte = V0.

VtwやVteの値がV0に近づいていく過程において、Vte<Vcg<Vtwの関係が成り立たなくなると、データを正しく読み出すことができなくなる。
つまり、EEPROMはデータの書き換えが可能であるというメリットと共に、記憶したデータの保持時間が有限であるというデメリットも有している。
If the relationship of Vte <Vcg <Vtw does not hold in the process in which the values of Vtw and Vte approach V0, data cannot be read correctly.
That is, the EEPROM has a merit that data can be rewritten, and has a demerit that the retention time of stored data is finite.

上記の電荷を電荷蓄積膜に蓄積することでデータを記憶するEEPROMとは別の不揮発性半導体記憶装置もあり、代表的なものにマスクROMがある。マスクROMは、記憶データをLSIの製造過程において書き込んだROMである。マスクROMには、大別して書き込み方法の異なる2つの種類がある。   There is also a non-volatile semiconductor memory device different from an EEPROM that stores data by accumulating the above charges in a charge storage film, and a mask ROM is a typical one. The mask ROM is a ROM in which stored data is written during the LSI manufacturing process. There are roughly two types of mask ROMs with different writing methods.

1つは、MOSトランジスタのチャネル領域の不純物濃度を調節することで、上記EEPROMと同様に大小2つのしきい値電圧を作り出し、ドレイン電流の有無により記憶データを判別するものである。   One is to adjust the impurity concentration in the channel region of the MOS transistor to produce two threshold voltages, similar to the above-mentioned EEPROM, and discriminate the stored data based on the presence or absence of the drain current.

もう1つは、MOSトランジスタのドレイン領域に設けるコンタクトホール(以後、ドレインコンタクトと称する)の有無によるもので、こちらもドレイン電流の有無により記憶データを判別する。   The other is based on the presence / absence of a contact hole (hereinafter referred to as a drain contact) provided in the drain region of the MOS transistor, which also determines stored data based on the presence / absence of a drain current.

MOSトランジスタのしきい値電圧も、ドレインコンタクトホールの有無も、時間の経過と共に変化することはないため、記憶したデータが消滅することはない。
しかし、記憶するデータはLSI製造工程において確定するため、一旦記憶したデータを書き換えることはできない。
つまり、マスクROMは記憶したデータが消滅しないというメリットと共に、データの書き換えができないというデメリットも有している。
Since the threshold voltage of the MOS transistor and the presence or absence of the drain contact hole do not change with the passage of time, the stored data does not disappear.
However, since the data to be stored is determined in the LSI manufacturing process, the data once stored cannot be rewritten.
That is, the mask ROM has a demerit that data cannot be rewritten together with a merit that stored data is not lost.

このように、EEPROMとマスクROMとにはそれぞれメリットとデメリットとがあるが、マスクROMはデータの書き換えができないというデメリットから実用範囲が限られ、一般的にはEEPROMが、そのデータ保持時間を少しでも延長する対処をした上で実用されている。
このようなEEPROMのデータ保持時間を延長する方法としては、いくつかの提案を見るところである(例えば、特許文献1参照。)。
As described above, the EEPROM and the mask ROM each have advantages and disadvantages. However, the mask ROM has a limited practical range due to the disadvantage that data cannot be rewritten. Generally, the EEPROM has a little data holding time. However, it is put into practical use after taking measures to extend it.
As a method of extending the data retention time of such an EEPROM, several proposals are being seen (for example, see Patent Document 1).

図14は、特許文献1に示した従来技術に記載の不揮発性半導体記憶装置の読み出し回路の構成を説明するために、その主旨を変えずに記載した回路図である。   FIG. 14 is a circuit diagram described without changing the gist in order to explain the configuration of the read circuit of the nonvolatile semiconductor memory device described in the prior art disclosed in Patent Document 1.

図14において、911と912とはサンプルセル、920は平均電圧出力回路、930はセレクト信号、931はスイッチ、932はメモリセル、933は読み出し線である。
Vwはサンプルセル911のしきい値電圧、Veはサンプルセル912のしきい値電圧、Voは平均電圧出力回路920の出力電圧、940はメモリセル932のゲート電極である。
In FIG. 14, 911 and 912 are sample cells, 920 is an average voltage output circuit, 930 is a select signal, 931 is a switch, 932 is a memory cell, and 933 is a read line.
Vw is a threshold voltage of the sample cell 911, Ve is a threshold voltage of the sample cell 912, Vo is an output voltage of the average voltage output circuit 920, and 940 is a gate electrode of the memory cell 932.

図14において、データはメモリセル932に記憶する。サンプルセル911とサンプルセル912とはメモリセル932と同一構造の記憶素子である。
サンプルセル911には正のデータが記憶され、Vwは書き込み状態のしきい値電圧となる。サンプルセル912には負のデータが記憶され、Veは消去状態のしきい値電圧となる。
しきい値電圧Vwとしきい値電圧Veとが平均電圧出力回路920に入力され、平均電圧出力回路920はしきい値電圧Vwとしきい値電圧Veとの中間の電位である出力電圧Voを出力する。
In FIG. 14, data is stored in the memory cell 932. The sample cell 911 and the sample cell 912 are storage elements having the same structure as the memory cell 932.
Positive data is stored in the sample cell 911, and Vw becomes a threshold voltage in a writing state. Negative data is stored in the sample cell 912, and Ve becomes the threshold voltage in the erased state.
The threshold voltage Vw and the threshold voltage Ve are input to the average voltage output circuit 920, and the average voltage output circuit 920 outputs an output voltage Vo that is an intermediate potential between the threshold voltage Vw and the threshold voltage Ve. .

記憶したデータの読み出しは、セレクト信号930によりスイッチ931を切り換え、出力電圧Voをメモリセル932のゲート電極940に印加することで行う。
このときにメモリセル932に正のデータが記憶されていればメモリセル932はオフ状態になり、メモリセル932に負のデータが記憶されていればメモリセル932はオン状態になる。読み出し線933に流れる電流を検出することでこれらメモリセル932の2つの状態を判別し、記憶したデータの読み出しが行われる。
The stored data is read by switching the switch 931 with the select signal 930 and applying the output voltage Vo to the gate electrode 940 of the memory cell 932.
At this time, if positive data is stored in the memory cell 932, the memory cell 932 is turned off. If negative data is stored in the memory cell 932, the memory cell 932 is turned on. By detecting the current flowing through the read line 933, the two states of the memory cell 932 are determined, and the stored data is read.

特許文献1に示された従来技術は、メモリセル932のしきい値電圧の経年変化に対して、書き込み状態の読み出しマージンと消去状態の読み出しマージンとを常に均等に保つことでデータ保持時間を延長できるという特徴を有している。   The prior art disclosed in Patent Document 1 extends the data retention time by always keeping the read margin in the written state and the read margin in the erased state equal to the aging of the threshold voltage of the memory cell 932. It has the feature that it can.

特開平5−174587号公報(3頁−4頁、図3)JP-A-5-174487 (pages 3-4, FIG. 3)

特許文献1に示した従来技術は、確かにデータ保持時間を延長できる技術であるものの、データ保持時間が有限である点は従来と何ら変わらず、記憶したデータがいずれは消滅してしまうという問題がある。   Although the prior art shown in Patent Document 1 is a technique that can certainly extend the data retention time, the point that the data retention time is finite is not different from the conventional one, and the stored data will eventually disappear. There is.

本発明は、このような問題を解決するためになされたものであり、EEPROMのデータ保持時間を大幅に伸ばすことを目的とする。具体的には、そのデータ保持時間を、マスクROMと同様の無限大とすることができるので、長期にわたりデータを保持できる信頼性の高いEEPROMを提供できる。   The present invention has been made to solve such a problem, and an object thereof is to greatly extend the data retention time of the EEPROM. Specifically, since the data holding time can be infinite as in the mask ROM, a highly reliable EEPROM that can hold data for a long time can be provided.

上記課題を解決するために、本発明は以下のような構成を採用する。   In order to solve the above problems, the present invention adopts the following configuration.

データを記憶し、かつ書き換え可能な複数の不揮発性半導体記憶素子を有する不揮発性半導体記憶装置において、
電源VSSに接続されて動作する不揮発性半導体記憶素子とその電源VSSよりも正側の高い電位を有する電源VDDに接続されて動作する負荷用トランジスタとの電流の引き合いによって生じる出力端子の電圧値が、その電源VDDの電位方向とその電源VSSの電位方向との間で切り替わるときのしきい値の電圧レベルを、不揮発性半導体記憶素子のセンスレベルと設定し、
複数の不揮発性半導体記憶素子のうち、熱平衡状態しきい値電圧がそのセンスレベルよりも電源VDDの電位方向である第1の不揮発性半導体記憶素子と、熱平衡状態しきい値電圧がそのセンスレベルよりも電源VSSの電位方向である第2の不揮発性半導体記憶素子とを混載したことを特徴とする。
In a nonvolatile semiconductor memory device having a plurality of nonvolatile semiconductor memory elements that store data and can be rewritten,
The voltage value of the output terminal generated by the current inquiry between the nonvolatile semiconductor memory element that operates by being connected to the power supply VSS and the load transistor that is connected to the power supply VDD having a higher potential on the positive side than the power supply VSS. , the voltage level of the threshold when switching between the potential direction of the power supply VDD and the potential direction of the power supply VSS, and set the sense level of the non-volatile semiconductor memory device,
Among the plurality of nonvolatile semiconductor memory elements, the first nonvolatile semiconductor memory element in which the thermal equilibrium state threshold voltage is in the potential direction of the power supply VDD from the sense level, and the thermal equilibrium state threshold voltage is from the sense level. Also , the second nonvolatile semiconductor memory element in the potential direction of the power supply VSS is mixedly mounted.

このような構成にすることで、EEPROMのデータ保持時間を無限大にすることができる。   With such a configuration, the data retention time of the EEPROM can be made infinite.

不揮発性半導体記憶素子は、
トンネル絶縁膜、電荷蓄積層、トップ絶縁膜の順に積層した構造のメモリ絶縁膜を有し、
電荷蓄積層に電子又は正孔を注入することでデータを記憶する、又は書き換えるように
してもよい。
Nonvolatile semiconductor memory elements
A memory insulating film having a structure in which a tunnel insulating film, a charge storage layer, and a top insulating film are stacked in this order,
You store data by injecting electrons or holes into the charge storage layer, or may be rewritten so that.

このような構成にすれば、MONOS型のEEPROMにすることができるので、比較的低電圧でデータの書き込みや消去が行え、低消費電力化できる。   With such a configuration, a MONOS type EEPROM can be obtained, so that data can be written and erased at a relatively low voltage, and power consumption can be reduced.

上記課題を解決するために、本発明は以下のような製造方法を採用する。   In order to solve the above problems, the present invention employs the following manufacturing method.

データを記憶し、かつ書き換え可能な複数の不揮発性半導体記憶素子を有する不揮発性半導体記憶装置の製造方法において、
電源VSSに接続されて動作する不揮発性半導体記憶素子とその電源VSSよりも正側の高い電位を有する電源VDDに接続されて動作する負荷用トランジスタとの電流の引き合いによって生じる出力端子の電圧値が、その電源VDDの電位方向とその電源VSSの電位方向との間で切り替わるときのしきい値の電圧レベルを、不揮発性半導体記憶素子のセンスレベルと設定し、
複数の不揮発性半導体記憶素子のうち、熱平衡状態しきい値電圧がそのセンスレベルよりも電源VDDの電位方向である第1の不揮発性半導体記憶素子を形成する工程と、熱平衡状態しきい値電圧がそのセンスレベルよりも電源VSSの電位方向である第2の不揮発性半導体記憶素子を形成する工程と、
データの内容に基づいて、正のデータを第1の不揮発性半導体記憶素子に書き込む工程と、
データの内容に基づいて、負のデータを第2の不揮発性半導体記憶素子に書き込む工程と、を有することを特徴とする。
In a method for manufacturing a nonvolatile semiconductor memory device having a plurality of nonvolatile semiconductor memory elements that store data and can be rewritten,
The voltage value of the output terminal generated by the current inquiry between the nonvolatile semiconductor memory element that operates by being connected to the power supply VSS and the load transistor that is connected to the power supply VDD having a higher potential on the positive side than the power supply VSS. , the voltage level of the threshold when switching between the potential direction of the power supply VDD and the potential direction of the power supply VSS, and set the sense level of the non-volatile semiconductor memory device,
Among the plurality of nonvolatile semiconductor memory elements, a step of forming a first nonvolatile semiconductor memory element in which the thermal equilibrium state threshold voltage is in the potential direction of the power supply VDD with respect to the sense level, and the thermal equilibrium state threshold voltage is Forming a second nonvolatile semiconductor memory element that is in the potential direction of the power source VSS with respect to the sense level ;
Writing positive data into the first nonvolatile semiconductor memory element based on the content of the data;
And writing negative data to the second nonvolatile semiconductor memory element based on the data content.

このような製造方法にすることで、データ保持時間が無限大の本発明のEEPROMへのデータの書き込みをすることができる。
By using such a manufacturing method , data can be written to the EEPROM of the present invention having an infinite data retention time .

1の不揮発性半導体記憶素子に書き込む工程と、2の不揮発性半導体記憶素子に書き込む工程とを、熱処理で同時に行うことを特徴とする。
The step of writing into the first nonvolatile semiconductor memory element and the step of writing into the second nonvolatile semiconductor memory element are performed simultaneously by heat treatment .

このような製造方法にすることで、熱処理の1工程だけでデータ保持時間が無限大の本発明のEEPROMへのデータの書き込みをすることができる。
By using such a manufacturing method , data can be written to the EEPROM of the present invention having an infinite data retention time in only one heat treatment step .

データを記憶し、かつ書き換え可能な複数の不揮発性半導体記憶素子を有する不揮発性半導体記憶装置のデータ書き換え方法において、
電源VSSに接続されて動作する不揮発性半導体記憶素子とその電源VSSよりも正側の高い電位を有する電源VDDに接続されて動作する負荷用トランジスタとの電流の引き合いによって生じる出力端子の電圧値が、その電源VDDの電位方向とその電源VSSの電位方向との間で切り替わるときのしきい値の電圧レベルを、不揮発性半導体記憶素子のセンスレベルと設定し、
書き込みたいデータが正のデータのときは、そのデータを、複数の不揮発性半導体記憶素子のうち、熱平衡状態しきい値電圧がそのセンスレベルよりも電源VDDの電位方向である第1の不揮発性半導体記憶素子に書き込み、
書き込みたいデータが負のデータのときは、そのデータを、複数の不揮発性半導体記憶素子のうち、熱平衡状態しきい値電圧がそのセンスレベルよりも電源VSSの電位方向である第2の不揮発性半導体記憶素子に書き込み、
第1の不揮発性半導体記憶素子に記憶している正のデータを書き換えるときは、
第1の不揮発性半導体記憶素子のデータ書き込み後のしきい値が、そのセンスレベルよりも前記電源VSSの電位方向になるような書き込み電圧を印加し、
第2の不揮発性半導体記憶素子に記憶している負のデータを書き換えるときは、
第2の不揮発性半導体記憶素子のデータ書き込み後のしきい値が、そのセンスレベルよりも前記電源VDDの電位方向になるような書き込み電圧を印加することを特徴とする。
In a data rewriting method of a nonvolatile semiconductor memory device having a plurality of nonvolatile semiconductor memory elements that store data and can be rewritten,
The voltage value of the output terminal generated by the current inquiry between the nonvolatile semiconductor memory element that operates by being connected to the power supply VSS and the load transistor that is connected to the power supply VDD having a higher potential on the positive side than the power supply VSS. , the voltage level of the threshold when switching between the potential direction of the power supply VDD and the potential direction of the power supply VSS, and set the sense level of the non-volatile semiconductor memory device,
When the data to be written is positive data, among the plurality of nonvolatile semiconductor memory elements , the data is a first nonvolatile semiconductor whose thermal equilibrium state threshold voltage is in the potential direction of the power supply VDD from its sense level. Write to the memory element,
When the data to be written is negative data, among the plurality of nonvolatile semiconductor memory elements , the data is a second nonvolatile semiconductor whose thermal equilibrium state threshold voltage is in the potential direction of the power supply VSS from its sense level. Write to the memory element,
When rewriting positive data stored in the first nonvolatile semiconductor memory element,
Applying a write voltage such that the threshold value after data writing of the first nonvolatile semiconductor memory element is in the potential direction of the power supply VSS with respect to the sense level;
When rewriting negative data stored in the second nonvolatile semiconductor memory element,
A write voltage is applied such that a threshold value after data writing of the second nonvolatile semiconductor memory element is in the potential direction of the power supply VDD with respect to the sense level.

このような書き換え方法にすることで、書き換え前の正のデータのデータ保持時間は無限大となり、なおかつその正のデータを負のデータに書き換えることもできる。そして、書き換え前の負のデータのデータ保持時間は無限大となり、なおかつその負のデータを正のデータに書き換えることもできる。
By adopting such a rewriting method, the data holding time of the positive data before rewriting becomes infinite, and the positive data can be rewritten to negative data. The data holding time of the negative data before rewriting becomes infinite, and the negative data can be rewritten to positive data.

本発明の不揮発性半導体記憶装置は、所定のセンスレベルに対して熱平衡状態しきい値電圧が正方向である第1の不揮発性半導体記憶素子と、負方向である第2の不揮発性半導
体記憶素子とを混載したことで、EEPROMの特徴であるデータの書き換え機能を有しながら、最初に記憶したデータのデータ保持時間を無限大にすることができる。
The nonvolatile semiconductor memory device according to the present invention includes a first nonvolatile semiconductor memory element having a thermal equilibrium state threshold voltage in a positive direction with respect to a predetermined sense level and a second nonvolatile semiconductor memory element having a negative direction. As a result, the data retention time of the first stored data can be made infinite while having a data rewriting function that is a feature of the EEPROM.

不揮発性半導体記憶素子のしきい値やセンスレベルを説明するための説明図である。It is explanatory drawing for demonstrating the threshold value and sense level of a non-volatile semiconductor memory element. 本発明による不揮発性半導体記憶装置の概念を説明するための説明図である。It is explanatory drawing for demonstrating the concept of the non-volatile semiconductor memory device by this invention. 本発明による不揮発性半導体記憶装置の概念を説明するための説明図である。It is explanatory drawing for demonstrating the concept of the non-volatile semiconductor memory device by this invention. 本発明による不揮発性半導体記憶装置のメモリ領域の中の配置を説明するための模式図である。It is a schematic diagram for demonstrating arrangement | positioning in the memory area of the non-volatile semiconductor memory device by this invention. 本発明による不揮発性半導体記憶装置のデータの書き込み及び書き換えの流れを説明するためのフロー図である。FIG. 6 is a flowchart for explaining the flow of data writing and rewriting in the nonvolatile semiconductor memory device according to the present invention. 本発明による不揮発性半導体記憶装置の構成を説明するための断面図である。It is sectional drawing for demonstrating the structure of the non-volatile semiconductor memory device by this invention. 本発明による不揮発性半導体記憶装置のチャネル領域の製造工程を説明するための断面図である。It is sectional drawing for demonstrating the manufacturing process of the channel region of the non-volatile semiconductor memory device by this invention. 本発明による不揮発性半導体記憶装置のチャネル領域の製造工程を説明するための断面図である。It is sectional drawing for demonstrating the manufacturing process of the channel region of the non-volatile semiconductor memory device by this invention. 本発明による不揮発性半導体記憶装置の積層膜の製造工程を説明するための断面図である。It is sectional drawing for demonstrating the manufacturing process of the laminated film of the non-volatile semiconductor memory device by this invention. 本発明による不揮発性半導体記憶装置の積層膜の成形を説明するための断面図である。It is sectional drawing for demonstrating shaping | molding of the laminated film of the non-volatile semiconductor memory device by this invention. 本発明による不揮発性半導体記憶装置のゲートの成形を説明するための断面図である。It is sectional drawing for demonstrating shaping | molding of the gate of the non-volatile semiconductor memory device by this invention. 本発明による不揮発性半導体記憶装置のデータ書き込み時のトランジスタ特性を示す説明図である。It is explanatory drawing which shows the transistor characteristic at the time of the data writing of the non-volatile semiconductor memory device by this invention. 本発明による不揮発性半導体記憶装置のデータ書き換え時のトランジスタ特性を示す説明図である。It is explanatory drawing which shows the transistor characteristic at the time of the data rewriting of the non-volatile semiconductor memory device by this invention. 特許文献1に示す従来技術の不揮発性半導体記憶装置の回路構成を説明するための回路図である。10 is a circuit diagram for explaining a circuit configuration of a conventional nonvolatile semiconductor memory device disclosed in Patent Document 1. FIG.

本発明の不揮発性半導体記憶装置は、所定のセンスレベルに対して熱平衡状態しきい値電圧が正方向である第1の不揮発性半導体記憶素子と、負方向である第2の不揮発性半導体記憶素子とを用い、これを混載している。
まず、そのような不揮発性半導体記憶素子のしきい値について図1を用いて説明する。次に図2及び図3を用いて不揮発性半導体記憶装置の概念を説明する。不揮発性半導体記憶素子にデータを書き込む手法は、電気的に書き込む場合と熱を印加する熱処理にて書き込む場合との2通りがある。前者は図2を、後者は図3を用いてそれぞれ説明する。そして、図4を用いて不揮発性半導体記憶素子の配置について説明する。次に、図5を用いて書き込み及び書き換えの手順を説明する。その後に、図6から図13を用いて実施例を説明する。
The nonvolatile semiconductor memory device according to the present invention includes a first nonvolatile semiconductor memory element having a thermal equilibrium state threshold voltage in a positive direction with respect to a predetermined sense level and a second nonvolatile semiconductor memory element having a negative direction. This is mixed and used.
First, the threshold value of such a nonvolatile semiconductor memory element will be described with reference to FIG. Next, the concept of the nonvolatile semiconductor memory device will be described with reference to FIGS. There are two methods for writing data to the nonvolatile semiconductor memory element: an electric writing method and a writing method by heat treatment applying heat. The former will be described with reference to FIG. 2, and the latter with reference to FIG. Then, the arrangement of the nonvolatile semiconductor memory element will be described with reference to FIG. Next, writing and rewriting procedures will be described with reference to FIG. Thereafter, an embodiment will be described with reference to FIGS.

[不揮発性半導体記憶素子のしきい値及びセンスレベルの説明:図1]
まず、不揮発性半導体記憶素子のセンスレベルについて説明する。
不揮発性半導体記憶素子は、すでに説明したように、その電荷蓄積膜に電子や正孔といった電荷を蓄積することでデータが書き込まれたり消去されたりするが、その電荷の蓄積状態に応じてしきい値電圧が変化する。
[Explanation of Threshold and Sense Level of Nonvolatile Semiconductor Memory Element: FIG. 1]
First, the sense level of the nonvolatile semiconductor memory element will be described.
As described above, in the nonvolatile semiconductor memory element, data is written or erased by accumulating charges such as electrons and holes in the charge accumulating film, but the threshold depends on the accumulation state of the charges. The value voltage changes.

そのような不揮発性半導体記憶素子に対して一定の電圧レベルを規定して、それに対してしきい値電圧が正側か負側かのどちらにあるかでデータの有無を知るが、そのときの電圧レベルをセンスレベルと呼ぶ。   A certain voltage level is defined for such a nonvolatile semiconductor memory element, and the presence or absence of data is known depending on whether the threshold voltage is on the positive side or the negative side. The voltage level is called the sense level.

センスレベルについて、一般的に広く知られている不揮発性半導体記憶素子の読み出し回路の例を図1を用いて説明する。
図1に示す読み出し回路は、所定の一定電流を流す(定電流動作する)負荷用トランジスタFTと不揮発性半導体記憶素子MTとを、正方向の高い電位を有する電源VDDと負方向に高い電位を供給する電源VSSとの2つの電源間に直列に接続している。つまり、互いのドレイン電極同士を接続している。そして、このドレイン電極の接続点から出力端子OUTを設け、そこに図示しないが判定回路が接続されている。
An example of a read circuit of a nonvolatile semiconductor memory element that is generally well-known will be described with reference to FIG.
The read circuit shown in FIG. 1 has a load transistor FT that flows a predetermined constant current (operates at a constant current) and a nonvolatile semiconductor memory element MT, a power supply VDD having a high potential in the positive direction and a high potential in the negative direction. The power supply VSS to be supplied is connected in series between the two power supplies. That is, the drain electrodes are connected to each other. An output terminal OUT is provided from the connection point of the drain electrode, and a determination circuit (not shown) is connected thereto.

なお、本来は負荷用トランジスタFTと不揮発性半導体記憶素子MTとの間にこの不揮発性半導体記憶素子MTを選択するアドレストランジスタがあるが、センスレベルの説明には関係がないから省略している。   Although there is originally an address transistor for selecting the nonvolatile semiconductor memory element MT between the load transistor FT and the nonvolatile semiconductor memory element MT, it is omitted because it is not related to the explanation of the sense level.

不揮発性半導体記憶素子MTにデータが書き込まれている(又は消去されている)とすると、負荷用トランジスタFTと不揮発性半導体記憶素子MTとで2つの電源間に流れる電流のバランスが変わる。そうすると、出力端子OUTから出力される電圧値も変わり、図示しない判定回路にて正のデータ又は負のデータとして認識されるのである。   Assuming that data is written (or erased) in the nonvolatile semiconductor memory element MT, the balance of the current flowing between the two power sources changes between the load transistor FT and the nonvolatile semiconductor memory element MT. Then, the voltage value output from the output terminal OUT also changes, and is recognized as positive data or negative data by a determination circuit (not shown).

つまり、不揮発性半導体記憶素子MTにデータが書き込まれてそのしきい値が変化し、所定の読み出し状態にしたときに、不揮発性半導体記憶素子MTが流すことができる電流量が少なければ、出力端子OUTから出力される読み出しデータは、負荷用トランジスタFTのソース電極に接続している電源VDDの電位方向になるから、判定回路により正側の論理データとして認識される。   That is, if the amount of current that can be passed through the nonvolatile semiconductor memory element MT is small when data is written to the nonvolatile semiconductor memory element MT, the threshold value thereof changes, and a predetermined read state is obtained, the output terminal Since the read data output from OUT is in the potential direction of the power supply VDD connected to the source electrode of the load transistor FT, it is recognized as positive logic data by the determination circuit.

また、不揮発性半導体記憶素子MTが流すことができる電流量が多ければ、出力端子OUTから出力される読み出しデータは、不揮発性半導体記憶素子MTのソース電極に接続している電源VSSの電位方向になるから、判定回路により負側の論理データとして認識されるのである。   If the amount of current that can be passed through the nonvolatile semiconductor memory element MT is large, the read data output from the output terminal OUT is in the potential direction of the power supply VSS connected to the source electrode of the nonvolatile semiconductor memory element MT. Therefore, it is recognized as negative logic data by the determination circuit.

すなわち、センスレベルは、負荷用トランジスタFTと不揮発性半導体記憶素子MTとの電流の引き合いによって生じる出力端子OUTの電圧値が、電源VDDの電位方向から電源VSSの電位方向又は電源VSSの電位方向から電源VDDの電位方向へ切り替わるときの不揮発性半導体記憶素子MTのしきい値の電圧レベルのことである。   That is, the sense level is such that the voltage value of the output terminal OUT generated by the current attraction between the load transistor FT and the nonvolatile semiconductor memory element MT is from the potential direction of the power supply VDD to the potential direction of the power supply VSS or This is the threshold voltage level of the nonvolatile semiconductor memory element MT when switching to the potential direction of the power supply VDD.

次にしきい値について説明する。
製造後にまだデータを記憶させていない不揮発性半導体記憶素子は、そのしきい値電圧が安定しない不定状態となっている。そのときのしきい値電圧をVT0とする。
不揮発性半導体記憶素子にとって、電荷蓄積膜に電荷が存在していない熱平衡状態は、最も安定した状態である。このときのしきい値電圧が熱平衡状態しきい値電圧である。
Next, the threshold value will be described.
A nonvolatile semiconductor memory element that has not yet stored data after manufacture is in an indefinite state in which the threshold voltage is not stable. The threshold voltage at that time is VT0.
For a nonvolatile semiconductor memory element, a thermal equilibrium state in which no charge is present in the charge storage film is the most stable state. The threshold voltage at this time is the thermal equilibrium state threshold voltage.

不揮発性半導体記憶素子のしきい値電圧は、データが書き込まれていない状態であっても、書き込まれた状態であっても、常温(例えば、25℃)でもその熱エネルギーを得て時間の経過と共に電荷蓄積膜から電子や正孔が抜け出してしまい、やがて熱平衡状態しきい値電圧に収束する。   The threshold voltage of the non-volatile semiconductor memory element is obtained by obtaining the thermal energy at the normal temperature (for example, 25 ° C.) regardless of whether the data is written or the data is written. At the same time, electrons and holes escape from the charge storage film and eventually converge to the thermal equilibrium state threshold voltage.

次に所定の熱平衡状態しきい値電圧を作り出すことについて説明する。
本発明の不揮発性半導体記憶素子は、所定のセンスレベルに対して熱平衡状態しきい値電圧が正方向となる第1の不揮発性半導体記憶素子と、負方向となる第2の不揮発性半導体記憶素子とを用いている。このような不揮発性半導体記憶素子は、半導体装置の製造段階で作り分けることができる。
Next, the creation of a predetermined thermal equilibrium state threshold voltage will be described.
The non-volatile semiconductor memory element of the present invention includes a first non-volatile semiconductor memory element in which the thermal equilibrium state threshold voltage is in the positive direction with respect to a predetermined sense level, and a second non-volatile semiconductor memory element in the negative direction. And are used. Such a non-volatile semiconductor memory element can be made separately at the manufacturing stage of the semiconductor device.

例えば、不揮発性半導体記憶素子を構成するトランジスタ素子のチャネル領域の不純物濃度を変更することで可能である。
また、ゲート絶縁膜の膜厚を変更してもよい。このようにすると、この不揮発性半導体記憶素子の導通のしやすさが変わるためである。
また、不揮発性半導体記憶素子を構成するトランジスタ素子のソース領域とドレイン領域との間の距離(チャネル長)を選択するようにしてもよい。この距離を小さくするとショートチャネル効果により、この不揮発性半導体記憶素子のしきい値電圧は負方向になる。これを用いてしきい値電圧を決めることができる。
For example, this can be done by changing the impurity concentration of the channel region of the transistor element constituting the nonvolatile semiconductor memory element.
Further, the thickness of the gate insulating film may be changed. This is because the ease of conduction of the nonvolatile semiconductor memory element changes.
Further, the distance (channel length) between the source region and the drain region of the transistor element that constitutes the nonvolatile semiconductor memory element may be selected. When this distance is reduced, the threshold voltage of the nonvolatile semiconductor memory element becomes negative due to the short channel effect. This can be used to determine the threshold voltage.

[本発明の不揮発性半導体記憶装置の概念の説明1:図2]
図2は不揮発性半導体記憶素子のしきい値電圧の値の時間の経過に対する変化を示すものであって、このしきい値電圧と熱平衡状態しきい値電圧とセンスレベルとの関係を説明する図である。横軸は時間の経過を対数軸で表し、縦軸はしきい値電圧の値を表す。
[Description of Concept of Nonvolatile Semiconductor Memory Device of the Present Invention 1: FIG. 2]
FIG. 2 shows the change of the threshold voltage value of the nonvolatile semiconductor memory element over time, and is a diagram for explaining the relationship among the threshold voltage, the thermal equilibrium state threshold voltage, and the sense level. It is. The horizontal axis represents the passage of time on a logarithmic axis, and the vertical axis represents the threshold voltage value.

図2において、VT1及びVT2は不揮発性半導体記憶素子のしきい値電圧、V01及びV02は熱平衡状態しきい値電圧、SLはセンスレベルである。T1、T2、T3、T4は時間である。   In FIG. 2, VT1 and VT2 are threshold voltages of the nonvolatile semiconductor memory element, V01 and V02 are thermal equilibrium state threshold voltages, and SL is a sense level. T1, T2, T3, and T4 are times.

不揮発性半導体記憶素子にデータを書き込む前、つまり製造工程を経て完成した後に一度もデータを書き込んでいないときのしきい値電圧VT0は、ある値を有しているが、図2には記載を省略している。   The threshold voltage VT0 has a certain value before data is written to the nonvolatile semiconductor memory element, that is, after data has not been written once after completion of the manufacturing process. Omitted.

図2において、図2(a)は、所定のセンスレベルに対して熱平衡状態しきい値電圧が正方向である第1の不揮発性半導体記憶素子について説明する図であり、図2(b)は、所定のセンスレベルに対して熱平衡状態しきい値電圧が負方向である第2の不揮発性半導体記憶素子について説明する図である。   2A is a diagram for explaining the first nonvolatile semiconductor memory element in which the thermal equilibrium state threshold voltage is in the positive direction with respect to a predetermined sense level, and FIG. FIG. 11 is a diagram for explaining a second nonvolatile semiconductor memory element in which a thermal equilibrium state threshold voltage is in a negative direction with respect to a predetermined sense level.

図2(a)を用いて第1の不揮発性半導体記憶素子について説明する。
まず、製造工程を経て完成した第1の不揮発性半導体記憶素子に電気的にデータを書き込む。例えば、不揮発性半導体記憶装置のボンディングパッドなどにプローブ針を当てるなどして、所定の書き込み電圧を印加して行う。このような手法は広く知られるものである。このときの時間をT1とする。
The first nonvolatile semiconductor memory element will be described with reference to FIG.
First, data is electrically written into the first nonvolatile semiconductor memory element completed through the manufacturing process. For example, a predetermined write voltage is applied by applying a probe needle to a bonding pad of a nonvolatile semiconductor memory device or the like. Such a technique is widely known. This time is T1.

そして、このようなデータ書き込み作業を行うことで第1の不揮発性半導体記憶素子のしきい値電圧VT0は、VT1に変化する。しきい値電圧VT1がVT0に対してどの程度正側に変化したかは、書き込みの強さによって変わる。例えば、書き込み電圧を高くしたり書き込み時間を長くすることでしきい値電圧VT1は、より正側に変化する。
しきい値電圧VT1がセンスレベルSLに対して正方向であれば、記憶したデータは正のデータと認識される。
Then, by performing such a data writing operation, the threshold voltage VT0 of the first nonvolatile semiconductor memory element changes to VT1. The degree to which the threshold voltage VT1 changes to the positive side with respect to VT0 depends on the strength of writing. For example, the threshold voltage VT1 changes to the positive side by increasing the write voltage or increasing the write time.
If threshold voltage VT1 is in the positive direction with respect to sense level SL, the stored data is recognized as positive data.

正のデータを記憶した直後のしきい値電圧VT1は、センスレベルSLに対して正方向となるが、その後の時間の経過により、記憶した直後の値に対して負方向に変化する。すでに説明したように、不揮発性半導体記憶素子の電荷蓄積膜から徐々に電荷が抜け出すからである。   The threshold voltage VT1 immediately after storing the positive data is in the positive direction with respect to the sense level SL, but changes in the negative direction with respect to the value immediately after the storage with the passage of time thereafter. This is because, as already described, charges gradually escape from the charge storage film of the nonvolatile semiconductor memory element.

仮に、しきい値電圧VT1が変化し続け、センスレベルSLに対して負方向になれば、記憶した正のデータは消滅してしまうことになるが、そうはならない。
なぜなら、しきい値電圧VT1はエネルギーの安定状態である熱平衡状態になることで変化が止まるためである。図2(a)に示すように、時間T2のときにVT1=V01となり、それ以降時間が経過してもセンスレベルSLに対して負方向となることはない。
If the threshold voltage VT1 continues to change and becomes negative with respect to the sense level SL, the stored positive data will disappear, but this is not the case.
This is because the threshold voltage VT1 stops changing when it reaches a thermal equilibrium state that is a stable state of energy. As shown in FIG. 2 (a), VT1 = V01 at time T2, and the negative direction with respect to the sense level SL does not become negative even if time elapses thereafter.

つまり、第1の不揮発性半導体記憶素子は、所定のセンスレベルに対して熱平衡状態しきい値電圧が正方向であるから、時間T2以降は記憶した正のデータのデータ保持時間は無限大となるのである。   In other words, since the first nonvolatile semiconductor memory element has a positive thermal equilibrium state threshold voltage with respect to a predetermined sense level, the data retention time of the stored positive data becomes infinite after time T2. It is.

図2(b)に示す第2の不揮発性半導体記憶素子についても同様である。
まずは第2の不揮発性半導体記憶素子に電気的にデータを書き込む。そうすると、第2の不揮発性半導体記憶素子のしきい値電圧VT0は、VT2に変化する(このときが時間T3である。)。
The same applies to the second nonvolatile semiconductor memory element shown in FIG.
First, data is electrically written into the second nonvolatile semiconductor memory element. Then, the threshold voltage VT0 of the second nonvolatile semiconductor memory element changes to VT2 (this time is time T3).

第2の不揮発性半導体記憶素子は、そのしきい値電圧VT2がセンスレベルSLに対して負方向であるから、時間T3に記憶したデータは負のデータと認識され、その後の時間の経過により、記憶した直後の値に対して正方向に変化する。
その変化は、時間T4のときにVT2=V02となり、それ以降時間が経過してもセンスレベルSLに対して正方向となることはない。
Since the threshold voltage VT2 of the second nonvolatile semiconductor memory element is negative with respect to the sense level SL, the data stored at the time T3 is recognized as negative data. It changes in the positive direction with respect to the value immediately after storing.
The change is VT2 = V02 at time T4, and does not become positive with respect to the sense level SL even if time passes thereafter.

つまり、第2の不揮発性半導体記憶素子は、所定のセンスレベルに対して熱平衡状態しきい値電圧が負方向であるから、時間T4以降は記憶した負のデータのデータ保持時間は無限大となるのである。   That is, since the second nonvolatile semiconductor memory element has a negative thermal equilibrium state threshold voltage with respect to a predetermined sense level, the data holding time of the stored negative data becomes infinite after time T4. It is.

図2(a)に示す例では、データを書き込んだ後からしきい値電圧が負方向に変化するさま(傾き)を見やすくするために時間T1でのしきい値電圧は、より正方向に高い値を有しているように示している。図2(b)に示す例も同様であり、しきい値電圧の変化を見やすくするために、より負方向に高い値を有しているように記載している。
本発明にあっては、データを書き込んだ後のしきい値は、正方向や負方向にいくら高くても意味はない。データを書き込んだ後のしきい値電圧VT1は、センスレベルSLよりも少しでも正方向に、しきい値電圧VT2は、センスレベルSLよりも少しでも負方向に高ければよいのである。
In the example shown in FIG. 2A, the threshold voltage at time T1 is higher in the positive direction in order to make it easier to see how the threshold voltage changes in the negative direction (slope) after data is written. It is shown as having a value. The example shown in FIG. 2B is the same, and in order to make the change in the threshold voltage easy to see, it is described as having a higher value in the negative direction.
In the present invention, it does not make sense to increase the threshold value after writing data in the positive or negative direction. The threshold voltage VT1 after the data is written may be higher in the positive direction than the sense level SL, and the threshold voltage VT2 may be higher in the negative direction than the sense level SL.

[本発明の不揮発性半導体記憶装置の概念の説明2:図3]
次に、図3を用いて不揮発性半導体記憶素子に熱処理の手法を用いてデータを書き込むことについて説明する。
図3は、図2と同様に不揮発性半導体記憶素子のしきい値電圧の値の時間の経過に対する変化を示すものであって、縦軸及び横軸も同じである。図3(a)は図2(a)に相当し、第1の不揮発性半導体記憶素子について説明する図であり、図3(b)は、同じく図2(b)に相当し、第2の不揮発性半導体記憶素子について説明する図である。
[Description of Concept of Nonvolatile Semiconductor Memory Device of the Present Invention 2: FIG. 3]
Next, writing data into the nonvolatile semiconductor memory element using a heat treatment method will be described with reference to FIG.
FIG. 3 shows the change of the threshold voltage value of the nonvolatile semiconductor memory element with the passage of time as in FIG. 2, and the vertical axis and the horizontal axis are the same. FIG. 3A corresponds to FIG. 2A and is a diagram for explaining the first nonvolatile semiconductor memory element. FIG. 3B also corresponds to FIG. It is a figure explaining a non-volatile semiconductor memory element.

図3にあっては図2と同様に、不揮発性半導体記憶素子にデータを書き込む前のしきい値電圧VT0は、不定状態とも言える値を示しているので、図示は省略しているが、説明を分かりやすくするためにここでは仮に、VT0はセンスレベルSL近傍にあるとして説明する。なお、図2と同一の要素については同一の記号を付与している。   In FIG. 3, as in FIG. 2, the threshold voltage VT0 before data is written to the nonvolatile semiconductor memory element is a value that can be said to be an indefinite state, and is not shown. In order to facilitate understanding, it is assumed here that VT0 is in the vicinity of the sense level SL. The same elements as those in FIG. 2 are given the same symbols.

まず、製造工程を経て完成した第1の不揮発性半導体記憶素子に熱処理工程により熱処理を施す。   First, the first nonvolatile semiconductor memory element completed through the manufacturing process is subjected to heat treatment by a heat treatment process.

不揮発性半導体記憶素子にあっては、熱平衡状態の方が最も安定状態である(このときのしきい値電圧が熱平衡状態しきい値電圧である。)。すでに説明したように、不揮発性半導体記憶素子にデータを書き込むと常温であってもその熱エネルギーを得て時間の経過と共に電荷蓄積膜から電子や正孔が抜け出してしまうが、熱処理を施すことでより高い熱エネルギーを与えることができるから、常温よりもさらに短時間で熱平衡状態しきい値電圧に収束させることができる。   In the nonvolatile semiconductor memory element, the thermal equilibrium state is the most stable state (the threshold voltage at this time is the thermal equilibrium threshold voltage). As already explained, when data is written to the nonvolatile semiconductor memory element, even if it is at room temperature, the thermal energy is obtained and electrons and holes escape from the charge storage film over time. Since higher thermal energy can be applied, the thermal equilibrium state threshold voltage can be converged in a shorter time than normal temperature.

例えば、データを書き込んだ後、常温で放置して10年程度掛かって電荷が抜け、熱平衡状態しきい値電圧までしきい値が変化するとしても、数百℃の加熱をすればデータ書き込み後のしきい値電圧は数時間から数十時間で熱平衡状態しきい値電圧まで変化する。
特に限定しないが、データの書き込みのために行う熱処理は、300℃の加熱を20時間程度行うものとする。
For example, after writing data, if it is left at room temperature for about 10 years, the charge is released and the threshold value changes to the thermal equilibrium state threshold voltage. The threshold voltage changes from the several hours to several tens of hours to the thermal equilibrium threshold voltage.
Although not particularly limited, heat treatment performed for data writing is performed at 300 ° C. for about 20 hours.

このような熱処理によるデータ書き込み作業を行うことで第1の不揮発性半導体記憶素子のデータを書き込む前のしきい値電圧VT0はVT1に、第2の不揮発性半導体記憶素子のデータを書き込む前のしきい値電圧VT0はVT2にそれぞれ変化する。   By performing the data writing operation by such heat treatment, the threshold voltage VT0 before writing the data of the first nonvolatile semiconductor memory element is set to VT1, and the data before the data of the second nonvolatile semiconductor memory element is written. The threshold voltage VT0 changes to VT2.

熱処理を行った時間を時間T5とすると、この時点では、図3(a)に示すように、第1の不揮発性半導体記憶素子のしきい値電圧VT1は、センスレベルSLと熱平衡状態しきい値電圧V01との間になっている。同様に、第2の不揮発性半導体記憶素子のしきい値電圧VT2は、センスレベルSLと熱平衡状態しきい値電圧V02との間になっている。   Assuming that the time for performing the heat treatment is time T5, at this time, as shown in FIG. 3A, the threshold voltage VT1 of the first nonvolatile semiconductor memory element is equal to the sense level SL and the thermal equilibrium state threshold value. It is between the voltage V01. Similarly, the threshold voltage VT2 of the second nonvolatile semiconductor memory element is between the sense level SL and the thermal equilibrium state threshold voltage V02.

図3(a)に示す例では、正のデータを記憶した直後のしきい値電圧VT1は、センスレベルSLに対してわずかに正方向となるが、その後の時間の経過により、記憶した直後の値に対してさらに正方向に変化し、やがて時間T6のときにVT1=V01となり、それ以降時間が経過してもセンスレベルSLに対して負方向となることはない。   In the example shown in FIG. 3A, the threshold voltage VT1 immediately after storing the positive data is slightly positive with respect to the sense level SL. It further changes in the positive direction with respect to the value, and eventually becomes VT1 = V01 at time T6, and does not become negative with respect to the sense level SL even if time passes thereafter.

同様に、図3(b)に示す例では、負のデータを記憶した直後のしきい値電圧VT2は、センスレベルSLに対してわずかに負方向となるが、その後の時間の経過により、記憶した直後の値に対してさらに負方向に変化し、やがて時間T6のときにVT2=V02となり、それ以降時間が経過してもセンスレベルSLに対して負方向となることはない。   Similarly, in the example shown in FIG. 3B, the threshold voltage VT2 immediately after storing the negative data is slightly negative with respect to the sense level SL. The value further changes in the negative direction with respect to the value immediately after, and eventually becomes VT2 = V02 at time T6, and does not become negative with respect to the sense level SL even if the time thereafter passes.

すでに説明したように、時間の経過と共に不揮発性半導体記憶素子の電荷蓄積膜から徐々に電荷が抜け出し、安定状態である熱平衡状態しきい値電圧に変化するが、図3に示す例では、熱処理によるデータ書き込み後に電荷蓄積膜に残った電荷もその後の時間の経過により抜け出し、電荷蓄積膜の電荷が無くなることで安定状態になるためである。   As already described, with the passage of time, charges gradually escape from the charge storage film of the nonvolatile semiconductor memory element and change to a stable thermal equilibrium state threshold voltage. In the example shown in FIG. This is because the charge remaining in the charge storage film after data writing is also released with the passage of time thereafter, and the charge storage film is depleted of charge so that a stable state is achieved.

データの書き込みの強さによってしきい値は変化するが、この場合の強さとは、熱処理の温度や時間である。
第1の不揮発性半導体記憶素子は、その熱平衡状態しきい値電圧V01がセンスレベルSLに対して正方向であるよう製造されており、第2の不揮発性半導体記憶素子は、その熱平衡状態しきい値電圧V02がセンスレベルSLに対して負方向であるよう製造されているから、書き込みの強さを選択することで、これら2つの不揮発性半導体記憶素子に同時に熱処理を行うことで、データ書き込み後(時間T5)のしきい値電圧VT1、VT2を、エネルギー的安定状態であるそれぞれの熱平衡状態しきい値電圧V01、V02と同じ値にすることもできる。
The threshold value varies depending on the strength of data writing. In this case, the strength is the temperature and time of heat treatment.
The first nonvolatile semiconductor memory element is manufactured such that its thermal equilibrium threshold voltage V01 is in the positive direction with respect to the sense level SL, and the second nonvolatile semiconductor memory element has its thermal equilibrium threshold. Since the value voltage V02 is manufactured so as to be in a negative direction with respect to the sense level SL, by selecting the strength of writing, the two nonvolatile semiconductor memory elements are simultaneously subjected to heat treatment, so that after data writing The threshold voltages VT1 and VT2 at (time T5) can be set to the same values as the respective thermal equilibrium state threshold voltages V01 and V02 which are in an energy stable state.

しかしながら、データ書き込み後のしきい値電圧の値を熱平衡状態しきい値電圧の値と同じ値にするようにしてもあまり意味がない。すでに説明したように、大切なことは、セ
ンスレベルSLよりも少しでも正方向や負方向になるように処理をするということである。
However, it does not make much sense to set the threshold voltage value after data writing to the same value as the thermal equilibrium state threshold voltage value. As described above, what is important is that the process is performed in the positive direction or the negative direction even slightly from the sense level SL.

ここで、本発明の不揮発性半導体記憶装置の特徴をまとめると以下のようになる。
本発明の不揮発性半導体記憶装置は、所定のセンスレベルに対して熱平衡状態しきい値電圧が正方向である第1の不揮発性半導体記憶素子と、負方向である第2の不揮発性半導体記憶素子とを用い、これを混載している。
記憶するデータの内容に基づいて、正のデータを第1の不揮発性半導体記憶素子に書き込み、負のデータを第2の不揮発性半導体記憶素子に書き込むことで、時間の経過によりしきい値が変化しても、そのしきい値は最終的には熱平衡状態のしきい値となるから、書き込んだデータが消滅することはない。よって、データ保持時間を無限大にすることができるのである。
Here, the characteristics of the nonvolatile semiconductor memory device of the present invention are summarized as follows.
The nonvolatile semiconductor memory device according to the present invention includes a first nonvolatile semiconductor memory element having a thermal equilibrium state threshold voltage in a positive direction with respect to a predetermined sense level and a second nonvolatile semiconductor memory element having a negative direction. This is mixed and used.
Based on the contents of the data to be stored, the threshold value changes over time by writing positive data to the first nonvolatile semiconductor memory element and writing negative data to the second nonvolatile semiconductor memory element. Even so, the threshold value eventually becomes the threshold value in the thermal equilibrium state, so that the written data will not disappear. Therefore, the data retention time can be infinite.

不揮発性半導体記憶素子をN型の半導体トランジスタ素子とした場合、不揮発性半導体記憶素子の電荷蓄積膜に電子を蓄積した状態が正のデータを書き込んだ状態、正孔を蓄積した状態が負のデータを書き込んだ状態となる。   When the nonvolatile semiconductor memory element is an N-type semiconductor transistor element, the state in which electrons are accumulated in the charge storage film of the nonvolatile semiconductor memory element is a state in which positive data is written, and the state in which holes are accumulated is negative data. Will be written.

時間の経過により電荷蓄積膜から電子が抜けるスピードと正孔が抜けるスピード、つまり正のデータを書き込んだ状態のしきい値電圧が変化するスピードと負のデータを書き込んだ状態のしきい値電圧が変化するスピードとは異なる。   The speed at which electrons escape from the charge storage film over time and the speed at which holes escape, that is, the speed at which the threshold voltage changes when positive data is written and the threshold voltage when negative data is written It is different from the changing speed.

よって、従来の技術では、最もデータ保持時間を長くするためにセンスレベルの値を厳密に選定しなければならず、そのためには、実際に不揮発性半導体記憶素子を作成し、その都度個別に検証を行う必要があった。素子の製造ばらつきに対応するためである。   Therefore, in the conventional technology, the value of the sense level must be strictly selected in order to maximize the data retention time. For this purpose, a nonvolatile semiconductor memory element is actually created and verified individually each time. Had to do. This is to cope with manufacturing variations of elements.

それに対して本発明の不揮発性半導体記憶装置は、所定のセンスレベルに対して熱平衡状態しきい値電圧が正方向又は負方向になるようにするだけでデータ保持時間は無限大となるから、しきい値電圧の変化するスピードを鑑みて厳密にセンスレベルを設定する必要は無い。もちろん、製造し終わった半導体トランジスタ素子ごとにセンスレベルを決める検証作業は必要なく、不揮発性半導体記憶装置の製造に関る工程を短縮することができ、それにより製造時間も短縮できるからコストダウンも達成できる。   On the other hand, in the nonvolatile semiconductor memory device of the present invention, the data retention time becomes infinite simply by making the thermal equilibrium state threshold voltage positive or negative with respect to a predetermined sense level. There is no need to set the sense level strictly in view of the speed at which the threshold voltage changes. Of course, there is no need to perform verification work for determining the sense level for each semiconductor transistor element that has been manufactured, and it is possible to shorten the manufacturing process of the nonvolatile semiconductor memory device, thereby reducing the manufacturing time and reducing the cost. Can be achieved.

[本発明の不揮発性半導体記憶素子の配置の説明:図4]
次に、書き込みたいデータに対してどのように第1の不揮発性半導体記憶素子と第2の不揮発性半導体記憶素子とをメモリ領域の中に配置するのかを、図4を用いて説明する。
[Description of Arrangement of Nonvolatile Semiconductor Memory Element of the Invention: FIG. 4]
Next, how the first nonvolatile semiconductor memory element and the second nonvolatile semiconductor memory element are arranged in the memory area for data to be written will be described with reference to FIG.

図4は、メモリ領域の中の配置を模式的に示した図である。図4において、10はメモリ領域、11は書き込みたいデータ列である。   FIG. 4 is a diagram schematically showing the arrangement in the memory area. In FIG. 4, 10 is a memory area, and 11 is a data string to be written.

図4(a)に示すように、メモリ領域10は、例えばアドレスA1〜A8までの8個の不揮発性半導体記憶素子で構成している。1つの不揮発性半導体記憶素子で1ビットのデータを記憶するものとする。データの読み出しはA1からA8の順に行う。   As shown in FIG. 4A, the memory area 10 is composed of, for example, eight nonvolatile semiconductor memory elements having addresses A1 to A8. Assume that one nonvolatile semiconductor memory element stores 1-bit data. Data reading is performed in the order of A1 to A8.

図4(b)には、書き込みたいデータ列11を示している。例えば、正のデータとなる場合を「1」、負のデータとなる場合を「0」とすると、その内容は、「10111010」の8ビット分のデータ構成となっている。   FIG. 4B shows a data string 11 to be written. For example, if the case of positive data is “1” and the case of negative data is “0”, the content has a data structure of 8 bits “10111010”.

図4(c)は、第1の不揮発性半導体記憶素子と第2の不揮発性半導体記憶素子との、メモリ領域10の中での配置を示している。M1は第1の不揮発性半導体記憶素子、M2は第2の不揮発性半導体記憶素子である。   FIG. 4C shows the arrangement of the first nonvolatile semiconductor memory element and the second nonvolatile semiconductor memory element in the memory region 10. M1 is a first nonvolatile semiconductor memory element, and M2 is a second nonvolatile semiconductor memory element.

すでに説明したように、データの読み出しはA1からA8の順に行う。このようにすれば、任意のアドレスを順番に選択するような複雑な動作をするアドレス選択回路が不要となる。   As already described, data is read in the order of A1 to A8. This eliminates the need for an address selection circuit that performs a complicated operation of selecting arbitrary addresses in order.

ところで、知られているアドレス選択回路では、データ書き込みの際に、任意のアドレスを選択してデータを書き込むことができるものがある。要するに、図4の例では、アドレスA1からA8の中で自由な順番でアドレッシングができる。   Meanwhile, some known address selection circuits can select an arbitrary address and write data when writing data. In short, in the example of FIG. 4, addressing can be performed in any order within the addresses A1 to A8.

そのようなアドレス選択回路では、当然のことながら、どのような順番でメモリ領域内の不揮発性半導体記憶素子にデータを書き込んでいったかというアドレス情報を永続的に保持しなければならない。これが失われると正しいアドレッシングができなくなりデータを読み出すことができなくなるためである。   In such an address selection circuit, as a matter of course, it is necessary to permanently hold address information indicating the order in which data is written in the nonvolatile semiconductor memory element in the memory area. If this is lost, correct addressing cannot be performed and data cannot be read out.

しかし、そのようなアドレス選択回路に保持されるアドレス情報も、メモリ領域内のデータを記憶する不揮発性半導体記憶素子と同じ期間はその情報を保持していなければならない。このため本発明の不揮発性半導体記憶装置のようにデータ保持時間が無限大である不揮発性半導体記憶素子用のアドレス選択回路には任意のアドレスを選択してデータを書き込むことができるものを用いることができない。   However, the address information held in such an address selection circuit must also hold the information for the same period as the nonvolatile semiconductor memory element that stores data in the memory area. For this reason, as in the nonvolatile semiconductor memory device of the present invention, an address selection circuit for a nonvolatile semiconductor memory element having an infinite data retention time that can select an arbitrary address and write data is used. I can't.

したがって、本発明の不揮発性半導体記憶は、データの読み出しをA1からA8の順に行うように、データの書き込み時にデータ列に合わせて不揮発性半導体記憶素子を配置するのである。   Therefore, in the nonvolatile semiconductor memory of the present invention, the nonvolatile semiconductor memory elements are arranged in accordance with the data string when data is written so that data is read in the order of A1 to A8.

つまり、図4(b)に示すデータ列「10111010」に従って、図4(c)に示すように、データ「1」を書き込みたいアドレスA1、A3、A4、A5、A7には第1の不揮発性半導体記憶素子M1を、データ「0」を書き込みたいアドレスA2、A6、A8には第2の不揮発性半導体記憶素子M2を、メモリ領域10に配置する。   That is, according to the data string “10111010” shown in FIG. 4B, as shown in FIG. 4C, the addresses A1, A3, A4, A5, and A7 to which the data “1” is written are first non-volatile. A second non-volatile semiconductor memory element M2 is arranged in the memory area 10 at addresses A2, A6, and A8 where the data “0” is to be written in the semiconductor memory element M1.

第1の不揮発性半導体記憶素子と第2の不揮発性半導体記憶素子とは、熱平衡状態しきい値電圧を変えているからその構造が異なる。そのため、本発明の不揮発性半導体記憶装置では、マスクROMと同様に、製造過程において書き込みたいデータ列に対応して第1の不揮発性半導体記憶素子と第2の不揮発性半導体記憶素子とを配置するのである。   The first nonvolatile semiconductor memory element and the second nonvolatile semiconductor memory element have different structures because the thermal equilibrium state threshold voltage is changed. Therefore, in the nonvolatile semiconductor memory device of the present invention, the first nonvolatile semiconductor memory element and the second nonvolatile semiconductor memory element are arranged corresponding to the data string to be written in the manufacturing process, like the mask ROM. It is.

具体的にどのように熱平衡状態しきい値電圧を変えるかは、不揮発性半導体記憶素子を構成する半導体トランジスタ素子のチャネル領域を形成するためのマスクパターンにより、この2種類の不揮発性半導体記憶素子を作り分ける。これについては、製造方法を後述するので参照されたい。   Specifically, how the thermal equilibrium state threshold voltage is changed depends on the mask pattern for forming the channel region of the semiconductor transistor element constituting the nonvolatile semiconductor memory element. Make it separately. About this, since a manufacturing method is mentioned later, please refer to it.

[データの書き込み及び書き換えの流れの説明:図5]
次に、不揮発性半導体記憶装置へのデータの書き込みおよび書き換えの流れについて、図5を用いて説明する。
[Description of data writing and rewriting flow: FIG. 5]
Next, the flow of data writing and rewriting to the nonvolatile semiconductor memory device will be described with reference to FIG.

図5に示すように、不揮発性半導体記憶装置においては、まず始めに、メモリ領域の各アドレスに書き込みたいデータが正のデータか負のデータかにより、選択する不揮発性半導体記憶素子が異なる(ステップ(1))。   As shown in FIG. 5, in the nonvolatile semiconductor memory device, first, the nonvolatile semiconductor memory element to be selected differs depending on whether the data to be written to each address in the memory area is positive data or negative data (step (1)).

記憶するデータが正のデータの場合は、第1の不揮発性半導体記憶素子を選択し(ステップ(2−a))、記憶するデータが負のデータの場合は、第2の不揮発性半導体記憶素子を選択する(ステップ(2−b))。   If the data to be stored is positive data, the first nonvolatile semiconductor memory element is selected (step (2-a)). If the data to be stored is negative data, the second nonvolatile semiconductor memory element is selected. Is selected (step (2-b)).

次に、データの書き込みを行う(ステップ(3−a)、ステップ(3−b))。
データの書き込み方法は、すでに説明したように、従来技術である電圧印加による書き込み方法の他にも、本発明の不揮発性半導体記憶装置では、高温に加熱することにより、正のデータの書き込みと負のデータの書き込みとを一括で行うことも可能である。
ここで書き込んだデータのデータ保持時間はマスクROM同様に無限大であり、データが消滅することはない。
Next, data is written (step (3-a), step (3-b)).
As described above, in addition to the conventional voltage writing method, the nonvolatile semiconductor memory device of the present invention can write positive data and negative data by heating to a high temperature. It is also possible to perform data writing in a batch.
The data holding time of the data written here is infinite like the mask ROM, and the data will not disappear.

次に、データの書き換えが必要になった場合(ステップ(4−a)、ステップ(4−b))、電圧印加により従来技術のEEPROM同様にデータの書き換えが可能である(ステップ(5−a)、ステップ(5−b))。   Next, when it is necessary to rewrite data (step (4-a), step (4-b)), it is possible to rewrite data in the same manner as a conventional EEPROM by applying a voltage (step (5-a). ), Step (5-b)).

このデータの書き換えが必要になった場合については、一度書き込んだデータを止むを得ず書き換えなければならないような不測の事態への対応である。これについては、図13を用いて後述する。   In the case where it is necessary to rewrite the data, this is a response to an unexpected situation where the data once written must be rewritten. This will be described later with reference to FIG.

以上が本発明の不揮発性半導体記憶装置の概念及び特徴、そして書き込み及び書き換えの手順である。以降は不揮発性半導体記憶装置の構造およびその製造方法と書き換え方法とについて詳述する。なお、説明にあっては、N型のMONOS型のEEPROMを用いる場合で説明する。   The above is the concept and characteristics of the nonvolatile semiconductor memory device of the present invention, and the writing and rewriting procedures. Hereinafter, the structure of the nonvolatile semiconductor memory device and the manufacturing method and rewriting method thereof will be described in detail. In the description, an N-type MONOS type EEPROM is used.

[本発明の実施形態の構造の説明:図6]
不揮発性半導体記憶装置の構造を図6を用いて詳述する。
図6は、不揮発性半導体記憶装置の構成を説明するために模式的に示す断面図である。
[Description of Structure of Embodiment of the Present Invention: FIG. 6]
The structure of the nonvolatile semiconductor memory device will be described in detail with reference to FIG.
FIG. 6 is a cross-sectional view schematically showing the configuration of the nonvolatile semiconductor memory device.

図6において、100は第1の不揮発性半導体記憶素子であり、ゲート電極110、メモリゲート絶縁膜120、チャネル領域130、ソース領域160、共通領域170、半導体基板400により構成するMONOS型の半導体トランジスタ素子である。
101は第1の不揮発性半導体記憶素子100を選択するためのアドレストランジスタであり、ゲート電極140、ゲート絶縁膜150、共通領域170、ドレイン領域300、半導体基板400により構成するMOSトランジスタ素子である。
In FIG. 6, reference numeral 100 denotes a first nonvolatile semiconductor memory element, which is composed of a gate electrode 110, a memory gate insulating film 120, a channel region 130, a source region 160, a common region 170, and a semiconductor substrate 400. It is an element.
Reference numeral 101 denotes an address transistor for selecting the first nonvolatile semiconductor memory element 100, which is a MOS transistor element constituted by the gate electrode 140, the gate insulating film 150, the common region 170, the drain region 300, and the semiconductor substrate 400.

200は第2の不揮発性半導体記憶素子であり、ゲート電極210、メモリゲート絶縁膜220、チャネル領域230、ソース領域260、共通領域270、半導体基板400により構成するMONOS型の半導体トランジスタ素子である。
201は第2の不揮発性半導体記憶素子200を選択するためのアドレストランジスタであり、ゲート電極240、ゲート絶縁膜250、共通領域270、ドレイン領域300、半導体基板400により構成するMOSトランジスタ素子である。
Reference numeral 200 denotes a second nonvolatile semiconductor memory element, which is a MONOS type semiconductor transistor element constituted by a gate electrode 210, a memory gate insulating film 220, a channel region 230, a source region 260, a common region 270, and a semiconductor substrate 400.
Reference numeral 201 denotes an address transistor for selecting the second nonvolatile semiconductor memory element 200, which is a MOS transistor element constituted by the gate electrode 240, the gate insulating film 250, the common region 270, the drain region 300, and the semiconductor substrate 400.

第1の不揮発性半導体記憶素子100とアドレストランジスタ101とで1ビットのメモリを構成し、第2の不揮発性半導体記憶素子200とアドレストランジスタ201とで1ビットのメモリを構成するものである。
以下の説明では、第1及び第2の不揮発性半導体記憶素子がそれぞれ「1」又は「0」の2値の情報を記憶するメモリであるとする。
The first nonvolatile semiconductor memory element 100 and the address transistor 101 constitute a 1-bit memory, and the second nonvolatile semiconductor memory element 200 and the address transistor 201 constitute a 1-bit memory.
In the following description, it is assumed that the first and second nonvolatile semiconductor memory elements are memories that store binary information of “1” or “0”, respectively.

110、140、210、240はゲート電極、120、220はメモリゲート絶縁膜、150、250はゲート絶縁膜、130、230はチャネル領域、160、260はソース領域、170、270は不揮発性半導体記憶素子100、200のドレイン領域とアドレストランジスタ101、201のソース領域とを兼ねた共通領域、300はドレイン
領域、400は半導体基板である。
110, 140, 210 and 240 are gate electrodes, 120 and 220 are memory gate insulating films, 150 and 250 are gate insulating films, 130 and 230 are channel regions, 160 and 260 are source regions, and 170 and 270 are nonvolatile semiconductor memories. A common region serving as both the drain region of the elements 100 and 200 and the source region of the address transistors 101 and 201, 300 is a drain region, and 400 is a semiconductor substrate.

メモリゲート絶縁膜120は、トップ酸化膜121、メモリ窒化膜122、トンネル酸化膜123により構成する。メモリゲート絶縁膜220は、トップ酸化膜221、メモリ窒化膜222、トンネル酸化膜223により構成する。
これら2つのメモリゲート絶縁膜は、酸化膜、窒化膜、酸化膜を順に積層した、いわゆるONO膜構造を有するものであって、MONOS型のEEPROMの特徴のひとつである。
The memory gate insulating film 120 includes a top oxide film 121, a memory nitride film 122, and a tunnel oxide film 123. The memory gate insulating film 220 includes a top oxide film 221, a memory nitride film 222, and a tunnel oxide film 223.
These two memory gate insulating films have a so-called ONO film structure in which an oxide film, a nitride film, and an oxide film are sequentially stacked, and are one of the features of the MONOS type EEPROM.

例えば、半導体基板400は、P型のシリコン半導体基板を用いることができる。ソース領域160、260と、共通領域170、270と、ドレイン領域300とは、N型の拡散領域となっている。チャネル領域130、230は、半導体基板400とは異なる不純物濃度のP型の拡散領域である。   For example, the semiconductor substrate 400 can be a P-type silicon semiconductor substrate. The source regions 160 and 260, the common regions 170 and 270, and the drain region 300 are N-type diffusion regions. The channel regions 130 and 230 are P-type diffusion regions having an impurity concentration different from that of the semiconductor substrate 400.

G11はゲート電極110に接続する端子、G21はゲート電極210に接続する端子、G14はゲート電極140に接続する端子、G24はゲート電極240に接続する端子、S16はソース領域160に接続する端子、S26はソース領域260に接続する端子、D30はドレイン領域300に接続する端子である。   G11 is a terminal connected to the gate electrode 110, G21 is a terminal connected to the gate electrode 210, G14 is a terminal connected to the gate electrode 140, G24 is a terminal connected to the gate electrode 240, S16 is a terminal connected to the source region 160, S26 is a terminal connected to the source region 260, and D30 is a terminal connected to the drain region 300.

[本発明の実施形態のデータの読み出し動作の説明:図6]
次に、この実施例の不揮発性半導体記憶装置の記憶したデータの読み出し動作について、引き続き図6を用いて説明する。
[Description of Data Reading Operation of Embodiment of the Present Invention: FIG. 6]
Next, the operation of reading data stored in the nonvolatile semiconductor memory device of this embodiment will be described with reference to FIG.

初めに、第1の不揮発性半導体記憶素子100の読み出し動作について説明する。
端子G14にアドレストランジスタ101のしきい値電圧よりも高い電圧V14を印加することで、共通領域170とドレイン領域300との間にチャネルが形成され(アドレストランジスタ101がオン)、第1の不揮発性半導体記憶素子100が選択される。電圧V14は、例えば1Vである。
First, a read operation of the first nonvolatile semiconductor memory element 100 will be described.
By applying a voltage V14 higher than the threshold voltage of the address transistor 101 to the terminal G14, a channel is formed between the common region 170 and the drain region 300 (the address transistor 101 is turned on), and the first non-volatile property The semiconductor memory element 100 is selected. The voltage V14 is 1V, for example.

端子S16に電圧V16、端子G11に電圧V11を印加すると、第1の不揮発性半導体記憶素子100に正のデータが記憶されている場合、すなわち第1の不揮発性半導体記憶素子100のしきい値電圧が電圧V11より正方向の場合には、チャネル領域130にチャネルが形成されない。
よって、端子S16と端子D30との間に電流は流れず、第1の不揮発性半導体記憶素子100に正のデータが記憶されていることが判別できる。
電圧V16と電圧V11とは、それぞれ例えば2V、1Vである。
When the voltage V16 is applied to the terminal S16 and the voltage V11 is applied to the terminal G11, positive data is stored in the first nonvolatile semiconductor memory element 100, that is, the threshold voltage of the first nonvolatile semiconductor memory element 100. Is more positive than the voltage V11, no channel is formed in the channel region 130.
Therefore, it can be determined that no current flows between the terminal S16 and the terminal D30, and positive data is stored in the first nonvolatile semiconductor memory element 100.
The voltage V16 and the voltage V11 are, for example, 2V and 1V, respectively.

ここで第1の不揮発性半導体記憶素子100は、チャネル領域130の不純物濃度を調整し、熱平衡状態しきい値電圧を電圧V11よりも正方向にすることで正のデータを記憶している。
また、熱平衡状態しきい値電圧を電圧V11よりも正方向にした上で、メモリ窒化膜122に電子を蓄積し、正のデータを記憶してもよい。
Here, the first nonvolatile semiconductor memory element 100 stores positive data by adjusting the impurity concentration of the channel region 130 and setting the thermal equilibrium state threshold voltage in the positive direction with respect to the voltage V11.
Alternatively, positive data may be stored by accumulating electrons in the memory nitride film 122 after setting the thermal equilibrium state threshold voltage in the positive direction with respect to the voltage V11.

記憶素子のしきい値電圧は、時間の経過により熱平衡状態しきい値電圧に収束するが、第1の不揮発性半導体記憶素子100の熱平衡状態しきい値電圧は電圧V11よりも正方向のため、正のデータが消滅することはない。   The threshold voltage of the memory element converges to the thermal equilibrium threshold voltage over time, but the thermal equilibrium threshold voltage of the first nonvolatile semiconductor memory element 100 is more positive than the voltage V11. Positive data never disappears.

続いて、第2の不揮発性半導体記憶素子200の読み出し動作について説明する。
端子G24にアドレストランジスタ201のしきい値電圧よりも高い電圧V14を印加することで、共通領域270とドレイン領域300との間にチャネルが形成され(アドレ
ストランジスタ201がオン)、第2の不揮発性半導体記憶素子200が選択される。このときの電圧V14は、第1の不揮発性半導体記憶素子100の読み出し動作時の電圧と同じであり、例えば1Vである。
Subsequently, a read operation of the second nonvolatile semiconductor memory element 200 will be described.
By applying a voltage V14 higher than the threshold voltage of the address transistor 201 to the terminal G24, a channel is formed between the common region 270 and the drain region 300 (the address transistor 201 is turned on), and the second nonvolatile property The semiconductor memory element 200 is selected. The voltage V14 at this time is the same as the voltage during the read operation of the first nonvolatile semiconductor memory element 100, and is 1 V, for example.

端子S26に電圧V16、端子G21に電圧V11を印加すると、第2の不揮発性半導体記憶素子200に負のデータが記憶されている場合、すなわち第2の不揮発性半導体記憶素子200のしきい値電圧が電圧V11より負方向の場合には、チャネル領域230にチャネルが形成される。
よって、端子S26と端子D30との間に電流が流れ、第2の不揮発性半導体記憶素子200に負のデータが記憶されていることが判別できる。
このときの電圧V16と電圧V11とは、それぞれ例えば2V、1Vである。
When the voltage V16 is applied to the terminal S26 and the voltage V11 is applied to the terminal G21, negative data is stored in the second nonvolatile semiconductor memory element 200, that is, the threshold voltage of the second nonvolatile semiconductor memory element 200. Is in the negative direction from the voltage V11, a channel is formed in the channel region 230.
Therefore, it can be determined that a current flows between the terminal S26 and the terminal D30 and negative data is stored in the second nonvolatile semiconductor memory element 200.
The voltage V16 and the voltage V11 at this time are, for example, 2V and 1V, respectively.

ここで第2の不揮発性半導体記憶素子200は、チャネル領域230の不純物濃度を調整し、熱平衡状態しきい値電圧を電圧V11よりも負方向にすることで負のデータを記憶している。
また、熱平衡状態しきい値電圧を電圧V11よりも負方向にした上で、メモリ窒化膜222に正孔を蓄積し、負のデータを記憶してもよい。
Here, the second nonvolatile semiconductor memory element 200 stores negative data by adjusting the impurity concentration of the channel region 230 and setting the thermal equilibrium state threshold voltage in a negative direction with respect to the voltage V11.
Alternatively, negative data may be stored by accumulating holes in the memory nitride film 222 after making the thermal equilibrium state threshold voltage in a negative direction with respect to the voltage V11.

記憶素子のしきい値電圧は、時間の経過により熱平衡状態しきい値電圧に収束するが、第2の不揮発性半導体記憶素子200の熱平衡状態しきい値電圧は電圧V11よりも負方向のため、負のデータが消滅することはない。   The threshold voltage of the memory element converges to the thermal equilibrium threshold voltage over time, but the thermal equilibrium threshold voltage of the second nonvolatile semiconductor memory element 200 is in a negative direction with respect to the voltage V11. Negative data never disappears.

以上、熱平衡状態しきい値電圧が電圧V11よりも正方向の第1の不揮発性半導体記憶素子100に正のデータを記憶し、熱平衡状態しきい値電圧が電圧V11よりも負方向の第2の不揮発性半導体記憶素子200に負のデータを記憶することで、本実施例の不揮発性半導体記憶装置は記憶したデータの保持時間を無限大とすることができる。   As described above, positive data is stored in the first nonvolatile semiconductor memory element 100 whose thermal equilibrium state threshold voltage is more positive than the voltage V11, and the second value whose thermal equilibrium state threshold voltage is more negative than the voltage V11 is stored. By storing negative data in the nonvolatile semiconductor memory element 200, the nonvolatile semiconductor memory device of this embodiment can make the stored data retention time infinite.

[本発明の実施形態の製造方法の説明:図6、図7〜図11]
次に、この実施例の不揮発性半導体記憶装置の製造方法について図6及び図7から図11を参照しながら説明する。既に説明した同様の構成には同様の番号を付与しているのでその説明は省略する。
[Description of Manufacturing Method of Embodiment of the Present Invention: FIGS. 6 and 7 to 11]
Next, a method for manufacturing the nonvolatile semiconductor memory device of this embodiment will be described with reference to FIGS. 6 and 7 to 11. Since the same number is given to the same configuration as already described, the description is omitted.

ここでは、知られているイオン注入法と熱拡散とによるウェル形成、LOCOS分離法によるフィールド酸化膜とアクティブ領域との形成については公知技術であるためその説明を省略し、その後アクティブ領域に形成する第1及び第2の不揮発性半導体記憶素子とアドレストランジスタとの製造方法について説明する。   Here, the well formation by the known ion implantation method and thermal diffusion and the formation of the field oxide film and the active region by the LOCOS separation method are well-known techniques, so that the description thereof is omitted, and the formation is then performed in the active region. A method for manufacturing the first and second nonvolatile semiconductor memory elements and the address transistor will be described.

まず、図7に示すように、半導体基板400の表面にダミー酸化膜形成工程を用いてダミー酸化膜500を形成する。ここで、ダミー酸化膜形成工程は、例えば、酸素(O)と窒素(N)とを混合した雰囲気中の熱酸化工程である。 First, as shown in FIG. 7, a dummy oxide film 500 is formed on the surface of the semiconductor substrate 400 using a dummy oxide film forming process. Here, the dummy oxide film forming step is, for example, a thermal oxidation step in an atmosphere in which oxygen (O 2 ) and nitrogen (N 2 ) are mixed.

次に、ダミー酸化膜500の上にフォトレジスト601を知られているフォトリソグラフィ技術を用いて形成する。
フォトレジスト601は、チャネル領域130を形成する領域を除くような形状で形成する。
Next, a photoresist 601 is formed on the dummy oxide film 500 by using a known photolithography technique.
The photoresist 601 is formed in a shape excluding the region where the channel region 130 is formed.

次に、知られているイオン注入法により、半導体基板400の上部から所定の不純物イオンをイオン注入する。フォトレジスト601はチャネル領域130を形成する部分が開口しているため、この部分の半導体基板400に不純物イオンが導入され、不純物層130´が形成される。
この不純物層130´は、後述するトップ酸化膜121を形成するときの熱印加により半導体基板400に拡散しチャネル領域130となる。
その後にフォトレジスト601を知られているウェットエッチング技術により除去する。
Next, predetermined impurity ions are ion-implanted from above the semiconductor substrate 400 by a known ion implantation method. Since the photoresist 601 has an opening at a portion where the channel region 130 is formed, impurity ions are introduced into the semiconductor substrate 400 at this portion to form an impurity layer 130 ′.
This impurity layer 130 ′ is diffused into the semiconductor substrate 400 by heat application when forming a later-described top oxide film 121 and becomes a channel region 130.
Thereafter, the photoresist 601 is removed by a known wet etching technique.

第1の不揮発性半導体記憶素子100の熱平衡状態しきい値電圧は、ここでのイオン注入法による注入量によって決定する。そのため、第1の不揮発性半導体記憶素子100の熱平衡状態しきい値電圧が、この実施例の不揮発性半導体記憶装置の読み出し動作において図6で示した端子G11に印加する電圧V11よりも正方向になるように、イオン注入法の注入量を設定する。   The thermal equilibrium state threshold voltage of the first nonvolatile semiconductor memory element 100 is determined by the implantation amount by the ion implantation method here. Therefore, the thermal equilibrium state threshold voltage of the first nonvolatile semiconductor memory element 100 is more positive than the voltage V11 applied to the terminal G11 shown in FIG. 6 in the read operation of the nonvolatile semiconductor memory device of this embodiment. Thus, the implantation amount of the ion implantation method is set.

このイオン注入量は、半導体基板400の不純物濃度や第1の不揮発性半導体記憶素子100のサイズにもよるので一概に決めることはできないが、例えば、N型の不純物であるリンを1×1012(ions/cm)のドーズ量でイオン注入する。 The amount of ion implantation cannot be generally determined because it depends on the impurity concentration of the semiconductor substrate 400 and the size of the first nonvolatile semiconductor memory element 100. For example, phosphorus, which is an N-type impurity, is 1 × 10 12. Ions are implanted at a dose of (ions / cm 2 ).

次に、図8に示すように、ダミー酸化膜500の上にフォトレジスト602を知られているフォトリソグラフィ技術を用いて形成する。
フォトレジスト602は、チャネル領域230を形成する領域を除くような形状で形成する。
Next, as shown in FIG. 8, a photoresist 602 is formed on the dummy oxide film 500 by using a known photolithography technique.
The photoresist 602 is formed in a shape excluding the region where the channel region 230 is formed.

次に、すでに説明した図7に示す第1の不揮発性半導体記憶素子100の不純物層130´の形成と同様な製造方法にて、後の工程を経てチャネル領域230となる不純物層230´を形成する。
不純物層230´の形成後にフォトレジスト602を知られているウェットエッチング技術により除去する。
Next, an impurity layer 230 ′ to be a channel region 230 is formed through a subsequent process by a manufacturing method similar to the formation of the impurity layer 130 ′ of the first nonvolatile semiconductor memory element 100 described above with reference to FIG. 7. To do.
After the formation of the impurity layer 230 ', the photoresist 602 is removed by a known wet etching technique.

第2の不揮発性半導体記憶素子200の熱平衡状態しきい値電圧は、ここでのイオン注入法による注入量によって決定する。そのため、第2の不揮発性半導体記憶素子200の熱平衡状態しきい値電圧が、この実施例の不揮発性半導体記憶装置の読み出し動作において図6で示した端子G21に印加する電圧V11よりも負方向になるように、イオン注入法の注入量を設定する。   The thermal equilibrium state threshold voltage of the second nonvolatile semiconductor memory element 200 is determined by the implantation amount by the ion implantation method here. Therefore, the thermal equilibrium state threshold voltage of the second nonvolatile semiconductor memory element 200 is more negative than the voltage V11 applied to the terminal G21 shown in FIG. 6 in the read operation of the nonvolatile semiconductor memory device of this embodiment. Thus, the implantation amount of the ion implantation method is set.

このときのイオン注入量は、不純物層130´を形成するときと同様に一概に決めることはできないが、例えば、N型の不純物であるリンを5×1012(ions/cm)のドーズ量でイオン注入する。 The amount of ion implantation at this time cannot be determined in the same way as when the impurity layer 130 ′ is formed. For example, phosphorus, which is an N-type impurity, is dosed by 5 × 10 12 (ions / cm 2 ). Ion implantation.

次に、図9に示すように、ダミー酸化膜500を知られているウェットエッチング技術により除去した後に、メモリゲート絶縁膜120、220となるONO膜を形成する。その手順の一例は以下の通りである。   Next, as shown in FIG. 9, after the dummy oxide film 500 is removed by a known wet etching technique, an ONO film to be the memory gate insulating films 120 and 220 is formed. An example of the procedure is as follows.

まず、半導体基板400の表面にトンネル酸化膜形成工程を用いてトンネル酸化膜723を形成する。トンネル酸化膜形成工程は、知られている酸化方法を用いている。例えば、酸素(O)と窒素(N)とを混合した雰囲気中の熱酸化により形成する。 First, a tunnel oxide film 723 is formed on the surface of the semiconductor substrate 400 using a tunnel oxide film formation step. The tunnel oxide film forming step uses a known oxidation method. For example, it is formed by thermal oxidation in an atmosphere in which oxygen (O 2 ) and nitrogen (N 2 ) are mixed.

次に、メモリ窒化膜形成工程により、トンネル酸化膜723の上層部位にメモリ窒化膜722を形成する。この工程では、例えば、反応ガスにジクロルシラン(SiHCl)とアンモニア(NH)とを用いたCVD法により形成する。 Next, a memory nitride film 722 is formed in an upper layer portion of the tunnel oxide film 723 by a memory nitride film formation step. In this step, for example, it is formed by a CVD method using dichlorosilane (SiH 2 Cl 2 ) and ammonia (NH 3 ) as a reaction gas.

次に、トップ酸化膜形成工程により、メモリ窒化膜722の上層部位にトップ酸化膜721を形成する。この工程は、例えば、酸化拡散炉を用いた水蒸気雰囲気中の熱酸化によ
り形成する。
この熱酸化を利用して、図8に示す不純物層130´、230´を活性化させると共に半導体基板400に拡散させ、チャネル領域130、230を形成する。
Next, a top oxide film 721 is formed in an upper layer portion of the memory nitride film 722 by a top oxide film forming step. This step is formed, for example, by thermal oxidation in a steam atmosphere using an oxidation diffusion furnace.
Using this thermal oxidation, the impurity layers 130 ′ and 230 ′ shown in FIG. 8 are activated and diffused in the semiconductor substrate 400 to form channel regions 130 and 230.

なお、トップ酸化膜721の形成において、熱酸化を用いない場合(例えば、CVD法により酸化膜を形成する場合)などは、別途熱処理工程を用いてチャネル領域130、230を形成する。   Note that when the top oxide film 721 is formed without thermal oxidation (for example, when an oxide film is formed by a CVD method), the channel regions 130 and 230 are formed using a separate heat treatment process.

次に、図10に示すように、トップ酸化膜721の上にフォトレジスト603を知られているフォトリソグラフィ技術を用いて形成する。
ここでフォトレジスト603を形成する領域は、チャネル領域130とチャネル領域230とを形成した領域である。
次に、トップ酸化膜721の上に形成したフォトレジスト603をマスクとして、トップ酸化膜721とメモリ窒化膜722とトンネル酸化膜723とをドライエッチング技術を使って除去し、チャネル領域130、230の上部にのみONO膜を残す。
Next, as shown in FIG. 10, a photoresist 603 is formed on the top oxide film 721 using a known photolithography technique.
Here, the region where the photoresist 603 is formed is a region where the channel region 130 and the channel region 230 are formed.
Next, using the photoresist 603 formed on the top oxide film 721 as a mask, the top oxide film 721, the memory nitride film 722, and the tunnel oxide film 723 are removed using a dry etching technique, and the channel regions 130 and 230 are formed. Leave the ONO film only on the top.

この工程によって、ONO膜は上述のように所定の形状になるので、チャネル領域130の上部に残ったトップ酸化膜721をトップ酸化膜121、メモリ窒化膜722をメモリ窒化膜122、トンネル酸化膜723をトンネル酸化膜123と呼ぶことにする。
また、チャネル領域230の上部に残ったトップ酸化膜721をトップ酸化膜221、メモリ窒化膜722をメモリ窒化膜222、トンネル酸化膜723をトンネル酸化膜223と呼ぶことにする。
その後にフォトレジスト603を知られているウェットエッチング技術により除去する。
By this step, the ONO film has a predetermined shape as described above. Therefore, the top oxide film 721 remaining on the channel region 130 is the top oxide film 121, the memory nitride film 722 is the memory nitride film 122, and the tunnel oxide film 723. Is referred to as a tunnel oxide film 123.
The top oxide film 721 remaining on the channel region 230 is referred to as a top oxide film 221, the memory nitride film 722 is referred to as a memory nitride film 222, and the tunnel oxide film 723 is referred to as a tunnel oxide film 223.
Thereafter, the photoresist 603 is removed by a known wet etching technique.

次に、図11を用いてゲート電極を形成する工程を説明する。
まず、図示はしないが、ゲート絶縁膜形成工程を用いてゲート絶縁膜150とゲート絶縁膜250とを形成するための酸化膜を半導体基板400の上部全面に形成する。ゲート絶縁膜形成工程は、例えば、酸素(O)と窒素(N)とを混合した雰囲気中の熱酸化工程である。
続いて、CVD法を用いてゲート電極110とゲート電極140とゲート電極210とゲート電極240とを形成するためのポリシリコン膜をゲート絶縁膜の上部全面に形成する。この工程は、例えば、反応ガスにモノシラン(SiH)を用いる。
Next, the process of forming a gate electrode is demonstrated using FIG.
First, although not shown, an oxide film for forming the gate insulating film 150 and the gate insulating film 250 is formed on the entire upper surface of the semiconductor substrate 400 using a gate insulating film forming step. The gate insulating film forming step is, for example, a thermal oxidation step in an atmosphere in which oxygen (O 2 ) and nitrogen (N 2 ) are mixed.
Subsequently, a polysilicon film for forming the gate electrode 110, the gate electrode 140, the gate electrode 210, and the gate electrode 240 is formed on the entire upper surface of the gate insulating film by using a CVD method. In this step, for example, monosilane (SiH 4 ) is used as a reaction gas.

その後、図11に示すように、ゲート電極110とゲート電極140とゲート電極210とゲート電極240とを形成したい部分にフォトレジスト604を知られているフォトリソグラフィ技術を用いて形成し、これをマスクとしてポリシリコン膜と酸化膜とをドライエッチング技術を使って除去する。
この工程によって、トップ酸化膜121の上部にゲート電極110が、トップ酸化膜221の上部にゲート電極210が、ゲート絶縁膜150の上部にゲート電極140が、ゲート絶縁膜250の上部にゲート電極240が、それぞれ形成される。
その後にフォトレジスト604を知られているウェットエッチング技術により除去する。
Thereafter, as shown in FIG. 11, a photoresist 604 is formed by using a known photolithography technique in a portion where the gate electrode 110, the gate electrode 140, the gate electrode 210, and the gate electrode 240 are to be formed, and this is used as a mask. The polysilicon film and the oxide film are removed using a dry etching technique.
By this step, the gate electrode 110 is formed on the top oxide film 121, the gate electrode 210 is formed on the top oxide film 221, the gate electrode 140 is formed on the gate insulating film 150, and the gate electrode 240 is formed on the gate insulating film 250. Are formed respectively.
Thereafter, the photoresist 604 is removed by a known wet etching technique.

次いで、図示はしないが、知られているイオン注入工程及び不純物層の熱拡散工程によりソース領域160とソース領域260と共通領域170と共通領域270とドレイン領域300とを形成することで、図6に示すような不揮発性半導体記憶装置の根幹を成す構造が完成する。
この後、公知の技術を用いて、図示しない層間絶縁膜や種々の配線等を形成し、不揮発性半導体記憶装置を有する半導体装置の構造が完成する。
Next, although not shown, the source region 160, the source region 260, the common region 170, the common region 270, and the drain region 300 are formed by a known ion implantation process and a thermal diffusion process of the impurity layer. A structure that forms the basis of the nonvolatile semiconductor memory device as shown in FIG.
Thereafter, using a known technique, an interlayer insulating film (not shown), various wirings and the like are formed to complete the structure of the semiconductor device having the nonvolatile semiconductor memory device.

[データ書き込み工程の説明:図2、図3、図6、図12]
次に、構造が完成した不揮発性半導体記憶装置にデータを書き込む様子について、主に図6及び図12を用い、図2及び図3も参照して説明する。この例は、熱処理を行う手法と電気的にデータを書き込む手法とを合わせて説明する。
[Description of Data Writing Process: FIGS. 2, 3, 6, and 12]
Next, how data is written in the nonvolatile semiconductor memory device having the completed structure will be described mainly with reference to FIGS. 6 and 12 and with reference to FIGS. In this example, a method of performing heat treatment and a method of writing data electrically will be described together.

図12は、不揮発性半導体記憶素子のトランジスタ特性を示す説明図である。横軸は不揮発性半導体記憶素子のゲート電極に印加する電圧(ゲート電圧)を表し、縦軸は不揮発性半導体記憶素子のソース領域とドレイン領域との間を流れる電流(ドレイン電流)を表す。   FIG. 12 is an explanatory diagram illustrating transistor characteristics of the nonvolatile semiconductor memory element. The horizontal axis represents the voltage (gate voltage) applied to the gate electrode of the nonvolatile semiconductor memory element, and the vertical axis represents the current (drain current) flowing between the source region and the drain region of the nonvolatile semiconductor memory element.

図12において、VT0はデータ書き込み前のしきい値電圧、VT11及びVT22はそれぞれ第1及び第2の不揮発性半導体記憶素子のデータ書き込み後のしきい値電圧、V01及びV02はそれぞれ第1及び第2の不揮発性半導体記憶素子の熱平衡状態しきい値電圧、SLはセンスレベルである。   In FIG. 12, VT0 is a threshold voltage before data writing, VT11 and VT22 are threshold voltages after data writing of the first and second nonvolatile semiconductor memory elements, and V01 and V02 are first and second voltages, respectively. The thermal equilibrium state threshold voltage SL of the nonvolatile semiconductor memory element 2 is a sense level.

図12(a)は、所定のセンスレベルに対して熱平衡状態しきい値電圧が正方向である第1の不揮発性半導体記憶素子について説明する図であり、図12(b)は、所定のセンスレベルに対して熱平衡状態しきい値電圧が負方向である第2の不揮発性半導体記憶素子について説明する図である。   FIG. 12A is a diagram for explaining the first nonvolatile semiconductor memory element in which the thermal equilibrium state threshold voltage is in the positive direction with respect to a predetermined sense level, and FIG. It is a figure explaining the 2nd non-volatile semiconductor memory element whose thermal equilibrium state threshold voltage is a negative direction with respect to a level.

まず、第1の不揮発性半導体記憶素子について説明する。
図12(a)に示すように、データ書き込み前のしきい値電圧VT0は、正のデータか負のデータかが不定な状態であるが、センスレベルSL近傍にあるとする。実際のところはこの図のように正確にセンスレベル付近にあるとは限らないが、図面を見やすくするためにこのように記載している。
First, the first nonvolatile semiconductor memory element will be described.
As shown in FIG. 12A, it is assumed that the threshold voltage VT0 before data writing is in the vicinity of the sense level SL, although it is indeterminate whether it is positive data or negative data. Actually, it is not necessarily exactly near the sense level as shown in this figure, but is described in this way for the sake of easy understanding of the drawing.

ここで、第1の不揮発性半導体記憶素子にデータを書き込む工程を行うことで、しきい値は、データ書き込み後のしきい値電圧VT11となる。その様子は図中に点線矢印aで示している。
データを書き込む工程としては、例えば、300℃の加熱を20時間程度行う熱処理を用いる。
Here, by performing a process of writing data to the first nonvolatile semiconductor memory element, the threshold value becomes the threshold voltage VT11 after data writing. This is indicated by a dotted arrow a in the figure.
As the step of writing data, for example, a heat treatment in which heating at 300 ° C. is performed for about 20 hours is used.

データ書き込み前のしきい値電圧VT0は、時間の経過により熱平衡状態しきい値電圧V01に収束するが、すでに説明した通り、高温に加熱することで、熱平衡状態しきい値電圧V01に収束するまでに要する時間を短縮することができる。
上述の熱処理を行うことで、センスレベルSLに対して熱平衡状態しきい値電圧が正方向である第1の不揮発性半導体記憶素子のデータ書き込み後のしきい値電圧VT11を、センスレベルSLよりも正方向にシフトさせ、正のデータが書き込まれる。
The threshold voltage VT0 before data writing converges to the thermal equilibrium state threshold voltage V01 as time elapses, but until it converges to the thermal equilibrium state threshold voltage V01 by heating to a high temperature as described above. Can be shortened.
By performing the above-described heat treatment, the threshold voltage VT11 after data writing of the first nonvolatile semiconductor memory element in which the thermal equilibrium state threshold voltage is in the positive direction with respect to the sense level SL is set to be higher than the sense level SL. Shifting in the positive direction, positive data is written.

図12(a)の様子は、図3(a)も参照すると理解しやすい。図3(a)に示すデータ書き込み後のしきい値電圧VT1は、時間の経過と共にやがて熱平衡状態しきい値電圧V01に収束するが、同様に図12(a)に示すデータ書き込み後のしきい値電圧VT11は、図中に点線矢印bで示すように、時間の経過と共に熱平衡状態しきい値電圧V01に収束する。   The state of FIG. 12A can be easily understood with reference to FIG. The threshold voltage VT1 after data writing shown in FIG. 3A eventually converges to the thermal equilibrium state threshold voltage V01 as time passes. Similarly, the threshold after data writing shown in FIG. The value voltage VT11 converges to the thermal equilibrium state threshold voltage V01 as time passes, as indicated by a dotted arrow b in the figure.

また、熱処理を行う代わりに電圧を印加して電気的にデータを書き込んでもよい。
図6において、第1の不揮発性半導体記憶素子100のしきい値電圧は、半導体基板400の電位に対して端子G11の電位が正方向となるように半導体基板400と端子G11とに電圧を印加することで、メモリ窒化膜122に電子が蓄積され、センスレベルに対
して正方向の値となる。よって、正のデータが書き込まれる。
Alternatively, data may be written electrically by applying a voltage instead of performing heat treatment.
In FIG. 6, the threshold voltage of the first nonvolatile semiconductor memory element 100 is applied to the semiconductor substrate 400 and the terminal G11 so that the potential of the terminal G11 is in the positive direction with respect to the potential of the semiconductor substrate 400. As a result, electrons are accumulated in the memory nitride film 122 and become a positive value with respect to the sense level. Therefore, positive data is written.

ここで、印加する電圧としては、例えば、半導体基板400に0V、端子G11に8Vである。また、この電圧を印加する時間としては1msである。   Here, the applied voltage is, for example, 0 V for the semiconductor substrate 400 and 8 V for the terminal G11. The time for applying this voltage is 1 ms.

このような電気的なデータ書きこみの場合を図2(a)と対応させて考えると、図示はしないが、図12(a)においては、データ書き込み後のしきい値電圧VT11は、熱平衡状態しきい値電圧V01よりも図中右側になり、時間の経過と共に図中左にシフトしていき、やがてしきい値電圧V01に収束する。   Considering the case of such electrical data writing in correspondence with FIG. 2A, although not shown, in FIG. 12A, the threshold voltage VT11 after data writing is in a thermal equilibrium state. It is on the right side in the figure with respect to the threshold voltage V01, shifts to the left in the figure as time passes, and eventually converges to the threshold voltage V01.

次に、第2の不揮発性半導体記憶素子について説明する。
図12(b)に示すように、第1の不揮発性半導体記憶素子と同様にデータ書き込み前のしきい値電圧VT0はセンスレベルSL近傍にあるものとする。
Next, the second nonvolatile semiconductor memory element will be described.
As shown in FIG. 12B, it is assumed that the threshold voltage VT0 before data writing is in the vicinity of the sense level SL as in the first nonvolatile semiconductor memory element.

ここで、第2の不揮発性半導体記憶素子にデータを書き込む工程を行うことで、しきい値はデータ書き込み後のしきい値電圧VT22となる。その様子は図中に点線矢印cで示している。
データを書き込む工程としては、例えば、第1の不揮発性半導体記憶素子と一括での処理が可能であるから、300℃の加熱を20時間程度行う。
Here, by performing the process of writing data to the second nonvolatile semiconductor memory element, the threshold value becomes the threshold voltage VT22 after data writing. This is indicated by a dotted arrow c in the figure.
As the step of writing data, for example, since the batch processing with the first nonvolatile semiconductor memory element is possible, heating at 300 ° C. is performed for about 20 hours.

上述の熱処理を行うことで、センスレベルSLに対して熱平衡状態しきい値電圧が負方向である第2の不揮発性半導体記憶素子のデータ書き込み後のしきい値電圧VT22は、センスレベルSLよりも負方向にシフトし、負のデータが書き込まれる。   By performing the heat treatment described above, the threshold voltage VT22 after data writing in the second nonvolatile semiconductor memory element in which the thermal equilibrium state threshold voltage is in the negative direction with respect to the sense level SL is higher than the sense level SL. Shifts in the negative direction and negative data is written.

図12(b)の様子は、図3(b)も参照すると理解しやすい。図3(b)に示すデータ書き込み後のしきい値電圧VT2は、時間の経過と共にやがて熱平衡状態しきい値電圧V02に収束するが、同様に図12(b)に示すデータ書き込み後のしきい値電圧VT22は、図中に点線矢印dで示すように、時間の経過と共に熱平衡状態しきい値電圧V02に収束する。   The state of FIG. 12B can be easily understood with reference to FIG. The threshold voltage VT2 after the data writing shown in FIG. 3B eventually converges to the thermal equilibrium state threshold voltage V02 as time passes. Similarly, the threshold after the data writing shown in FIG. The value voltage VT22 converges to the thermal equilibrium state threshold voltage V02 as time passes, as indicated by a dotted arrow d in the figure.

また、第1の不揮発性半導体記憶素子と同様に熱処理を行う代わりに電圧を印加することでデータを書き込んでもよい。
図6において、第2の不揮発性半導体記憶素子200のしきい値電圧は、半導体基板400の電位に対して端子G21の電位が負方向となるように半導体基板400と端子G21とに電圧を印加することで、メモリ窒化膜222に正孔が蓄積され、センスレベルに対して負方向の値となる。よって、負のデータが書き込まれる。
Further, data may be written by applying a voltage instead of performing heat treatment in the same manner as the first nonvolatile semiconductor memory element.
In FIG. 6, the threshold voltage of the second nonvolatile semiconductor memory element 200 is applied to the semiconductor substrate 400 and the terminal G21 so that the potential of the terminal G21 is negative with respect to the potential of the semiconductor substrate 400. As a result, holes are accumulated in the memory nitride film 222 and become a negative value with respect to the sense level. Therefore, negative data is written.

ここで、印加する電圧としては、例えば、半導体基板400に0V、端子G21に−8Vである。また、この電圧を印加する時間としては200msである。   Here, the applied voltage is, for example, 0 V for the semiconductor substrate 400 and −8 V for the terminal G21. The time for applying this voltage is 200 ms.

このような電気的なデータ書きこみの場合を図2(b)と対応させて考えると、図示はしないが、図12(b)においては、データ書き込み後のしきい値電圧VT22は、熱平衡状態しきい値電圧V02よりも図中左側になり、時間の経過と共に図中右にシフトしていき、やがてしきい値電圧V02に収束する。   Considering such a case of writing electric data in correspondence with FIG. 2B, although not shown, in FIG. 12B, the threshold voltage VT22 after data writing is in a thermal equilibrium state. It is on the left side in the figure with respect to the threshold voltage V02, shifts to the right in the figure with time, and eventually converges to the threshold voltage V02.

ここで、従来の技術では、電圧を印加することで書き込んだデータは、時間の経過により不揮発性半導体記憶素子のしきい値電圧が熱平衡状態しきい値電圧に収束する過程において、消滅してしまう。
そのため、データが消滅するまでの寿命を少しでも長くするために、半導体基板とゲート電極との電位差を大きくするか、もしくは電圧を印加する時間を長くすることで、少し
でも多くの電荷を蓄積する必要がある。
Here, in the conventional technique, data written by applying a voltage disappears in the process in which the threshold voltage of the nonvolatile semiconductor memory element converges to the thermal equilibrium threshold voltage over time. .
Therefore, in order to extend the lifetime until the data disappears as much as possible, the potential difference between the semiconductor substrate and the gate electrode is increased, or the time for applying the voltage is increased to accumulate as much charge as possible. There is a need.

しかしそうすると、半導体基板とゲート電極との電位差を大きくするためには、不揮発性半導体記憶素子そのもの、および周辺回路の耐圧を高くする必要があり、不揮発性半導体記憶装置の微細化を阻害する要因となる。また、電圧を印加する時間を長くすると、不揮発性半導体記憶装置の製造工程の冗長化を招く。   However, in that case, in order to increase the potential difference between the semiconductor substrate and the gate electrode, it is necessary to increase the breakdown voltage of the nonvolatile semiconductor memory element itself and the peripheral circuit, which is a factor that hinders miniaturization of the nonvolatile semiconductor memory device. Become. Further, if the time for applying the voltage is lengthened, the manufacturing process of the nonvolatile semiconductor memory device is made redundant.

それに対して、本発明の不揮発性半導体記憶装置は、時間の経過により図12(a)のデータ書き込み後のしきい値電圧VT11が熱平衡状態しきい値電圧V01に収束する過程において、書き込んだデータが消滅することがない。
同様に、図12(b)のデータ書き込み後のしきい値電圧VT22が熱平衡状態しきい値電圧V02に収束する過程において、書き込んだデータが消滅することがない。
In contrast, in the nonvolatile semiconductor memory device of the present invention, the data written in the process in which the threshold voltage VT11 after the data writing in FIG. 12A converges to the thermal equilibrium threshold voltage V01 as time elapses. Will never disappear.
Similarly, in the process in which the threshold voltage VT22 after data writing in FIG. 12B converges to the thermal equilibrium state threshold voltage V02, the written data does not disappear.

よって、データ書き込み後のしきい値電圧VT11がセンスレベルSLに対して正方向、データ書き込み後のしきい値電圧VT22がセンスレベルSLに対して負方向となっていれさえすればよいため、データを書き込むために印加する電圧の低電圧化、印加する時間の短時間化が可能である。   Therefore, it is only necessary that the threshold voltage VT11 after data writing is in the positive direction with respect to the sense level SL and the threshold voltage VT22 after data writing is in the negative direction with respect to the sense level SL. It is possible to reduce the voltage applied for writing and to shorten the application time.

[本発明の実施形態のデータの書き換え方法の説明:図6、図13]
次に、この実施例の不揮発性半導体記憶装置のデータを書き換える場合について、図6及び図13を用いて説明する。
[Description of Data Rewriting Method of Embodiment of the Present Invention: FIGS. 6 and 13]
Next, the case of rewriting data in the nonvolatile semiconductor memory device of this embodiment will be described with reference to FIGS.

本発明の不揮発性半導体記憶装置は、マスクROMと同様に、書き込んだデータの保持時間は無限大になる。しかし、一旦データを書き込んだ後、止むを得ずデータを書き換えなければならない場合もある。
例えば、記憶したデータがシステムを制御するシステムプログラムであったとき、そのシステムプログラムに変更の必要が生じた場合である。また、記憶したデータがユーザー固有のデータであったとき、ユーザーが変わったりユーザーが入力した情報に変更があった場合である。
In the nonvolatile semiconductor memory device of the present invention, the retention time of the written data becomes infinite as in the mask ROM. However, there is a case where data must be rewritten after data is written once.
For example, when the stored data is a system program for controlling the system, the system program needs to be changed. In addition, when the stored data is user-specific data, the user has changed or the information input by the user has been changed.

システムプログラムの変更は、いわば不測の事態と言えなくもないが、本発明の不揮発性半導体記憶装置を使用する際の用途にもよるが、ユーザー固有のデータ変更については、対応できた方が便利であろう。
マスクROMの場合は、そのようなデータ書き換えはまったくできないため、不揮発性半導体記憶装置を交換するなどしか対応策はなかったが、本発明の不揮発性半導体記憶装置は、そのような事態にも対応可能である。これについて以下説明する。
Changing the system program is an unforeseen event, but depending on the use of the nonvolatile semiconductor memory device of the present invention, it is more convenient to be able to respond to user-specific data changes. Will.
In the case of the mask ROM, since such data rewriting is not possible at all, there was only a countermeasure such as replacing the nonvolatile semiconductor memory device, but the nonvolatile semiconductor memory device of the present invention can cope with such a situation. Is possible. This will be described below.

図13は、不揮発性半導体記憶素子のトランジスタ特性を示す説明図である。横軸は不揮発性半導体記憶素子のゲート電極に印加する電圧(ゲート電圧)を表し、縦軸は不揮発性半導体記憶素子のソース領域とドレイン領域との間を流れる電流(ドレイン電流)を表す。   FIG. 13 is an explanatory diagram illustrating transistor characteristics of the nonvolatile semiconductor memory element. The horizontal axis represents the voltage (gate voltage) applied to the gate electrode of the nonvolatile semiconductor memory element, and the vertical axis represents the current (drain current) flowing between the source region and the drain region of the nonvolatile semiconductor memory element.

図13において、VT11及びVT22はそれぞれ第1及び第2の不揮発性半導体記憶素子のデータ書き込み後のしきい値電圧、VT12及びVT21はそれぞれ第1及び第2の不揮発性半導体記憶素子のデータ書き換え後のしきい値電圧、V01及びV02はそれぞれ第1及び第2の不揮発性半導体記憶素子の熱平衡状態しきい値電圧、SLはセンスレベルである。   In FIG. 13, VT11 and VT22 are threshold voltages after data writing in the first and second nonvolatile semiconductor memory elements, respectively, and VT12 and VT21 are after data rewriting in the first and second nonvolatile semiconductor memory elements, respectively. , V01 and V02 are thermal equilibrium threshold voltages of the first and second nonvolatile semiconductor memory elements, respectively, and SL is a sense level.

図13(a)は、所定のセンスレベルに対して熱平衡状態しきい値電圧が正方向である第1の不揮発性半導体記憶素子について説明する図であり、図13(b)は、所定のセン
スレベルに対して熱平衡状態しきい値電圧が負方向である第2の不揮発性半導体記憶素子について説明する図である。
FIG. 13A is a diagram for explaining the first nonvolatile semiconductor memory element in which the thermal equilibrium state threshold voltage is in the positive direction with respect to a predetermined sense level, and FIG. 13B is a diagram illustrating the predetermined sense level. It is a figure explaining the 2nd non-volatile semiconductor memory element whose thermal equilibrium state threshold voltage is a negative direction with respect to a level.

まず、第1の不揮発性半導体記憶素子について説明する。
図13(a)に示すように、データ書き込み後のしきい値電圧VT11はセンスレベルSLに対して正方向にあり、正のデータが書き込まれている状態である。
First, the first nonvolatile semiconductor memory element will be described.
As shown in FIG. 13A, the threshold voltage VT11 after data writing is in the positive direction with respect to the sense level SL, and is in a state where positive data is written.

ここで、第1の不揮発性半導体記憶素子のデータの書き換えを行うことで、しきい値はデータ書き換え後のしきい値電圧VT12となる。その様子は図中に点線矢印eで示している。   Here, by rewriting data in the first nonvolatile semiconductor memory element, the threshold value becomes the threshold voltage VT12 after data rewriting. This is indicated by a dotted arrow e in the figure.

データの書き換え方法としては、例えば、図6において、半導体基板400の電位に対して端子G11の電位が負方向となるように半導体基板400と端子G11とに電圧を印加し、メモリ窒化膜122に正孔を蓄積する。
それにより、図13(a)において、データ書き換え後のしきい値電圧VT12は、センスレベルSLに対して負方向の値となる。よって、負のデータが書き込まれる。
As a data rewriting method, for example, in FIG. 6, a voltage is applied to the semiconductor substrate 400 and the terminal G11 so that the potential of the terminal G11 is negative with respect to the potential of the semiconductor substrate 400, and the memory nitride film 122 is applied. Accumulate holes.
Accordingly, in FIG. 13A, the threshold voltage VT12 after data rewriting has a value in the negative direction with respect to the sense level SL. Therefore, negative data is written.

ここで、印加する電圧としては、例えば、半導体基板400に0V、端子G11に−9Vである。また、この電圧を印加する時間としては500msである。   Here, the applied voltage is, for example, 0 V for the semiconductor substrate 400 and −9 V for the terminal G11. The time for applying this voltage is 500 ms.

次に、第2の不揮発性半導体記憶素子について説明する。
図13(b)に示すように、データ書き込み後のしきい値電圧VT22はセンスレベルSLに対して負方向にあり、負のデータが書き込まれている状態である。
Next, the second nonvolatile semiconductor memory element will be described.
As shown in FIG. 13B, the threshold voltage VT22 after data writing is in the negative direction with respect to the sense level SL, and negative data is being written.

ここで、第2の不揮発性半導体記憶素子のデータの書き換えを行うことで、しきい値はデータ書き換え後のしきい値電圧VT21となる。その様子は図中に点線矢印gで示している。   Here, by rewriting data in the second nonvolatile semiconductor memory element, the threshold value becomes the threshold voltage VT21 after data rewriting. This is indicated by dotted arrows g in the figure.

データの書き換え方法としては、例えば、図6において、半導体基板400の電位に対して端子G21の電位が正方向となるように半導体基板400と端子G11とに電圧を印加し、メモリ窒化膜222に電子を蓄積する。
それにより、図13(b)において、データ書き換え後のしきい値電圧VT21は、センスレベルSLに対して正方向の値となる。よって、正のデータが書き込まれる。
As a data rewriting method, for example, in FIG. 6, a voltage is applied to the semiconductor substrate 400 and the terminal G11 so that the potential of the terminal G21 is positive with respect to the potential of the semiconductor substrate 400, and the memory nitride film 222 is applied. Accumulate electrons.
Accordingly, in FIG. 13B, the threshold voltage VT21 after data rewriting has a value in the positive direction with respect to the sense level SL. Therefore, positive data is written.

ここで、印加する電圧としては、例えば、半導体基板400に0V、端子G21に9Vである。また、この電圧を印加する時間としては10msである。   Here, the applied voltage is, for example, 0 V for the semiconductor substrate 400 and 9 V for the terminal G21. The time for applying this voltage is 10 ms.

つまり、従来の技術では、消滅することがないマスクROMのデータは書き換えができないのに対して、本発明の不揮発性半導体記憶装置はEEPROMと同様に電気的な書き換えが可能である。   That is, in the conventional technique, the data in the mask ROM that does not disappear cannot be rewritten, whereas the nonvolatile semiconductor memory device of the present invention can be electrically rewritten in the same manner as the EEPROM.

しかしながら、図13を用いて説明したデータの書き換えを行うと、データの保持は無限大にはならなくなる。
図13(a)に示すように、第1の不揮発性半導体記憶素子は、データ書き換え後のしきい値電圧がVT12となるが、時間の経過と共に電荷蓄積膜に蓄積した電荷が抜けてしまうために、図中に点線矢印fで示すように、やがて熱平衡状態しきい値電圧V01に収束する。
同様に、図13(b)に示すように第2の不揮発性半導体記憶素子も、データ書き換え後のしきい値電圧がVT21は、図中に点線矢印hで示すように、時間の経過と共に熱平衡状態しきい値電圧V02に収束する。
However, when the data rewriting described with reference to FIG. 13 is performed, the data retention does not become infinite.
As shown in FIG. 13A, in the first nonvolatile semiconductor memory element, the threshold voltage after data rewriting is VT12. However, the charge accumulated in the charge accumulation film is released over time. Then, as indicated by the dotted arrow f in the figure, it eventually converges to the thermal equilibrium state threshold voltage V01.
Similarly, in the second nonvolatile semiconductor memory element as shown in FIG. 13B, the threshold voltage VT21 after data rewrite is also in thermal equilibrium with the passage of time as shown by the dotted arrow h in the figure. It converges to the state threshold voltage V02.

例えば、第1及び第2の不揮発性半導体記憶素子のデータ保持期間が、従来知られている、不揮発性半導体記憶素子と同等の10年とすると、データ書き換えを行うと、データ保持期間は10年となり有限の値となってしまう。   For example, assuming that the data retention period of the first and second nonvolatile semiconductor memory elements is 10 years equivalent to that of the conventionally known nonvolatile semiconductor memory elements, the data retention period is 10 years when data rewriting is performed. And become a finite value.

しかしながら、データ書き換えしなければデータ保持期間が無限大となりマスクROMと同等となることに加えて、マスクROMではまったく対応できなかったデータ書き換えができることのメリットはとても大きい。したがって、この不測の事態が生じた場合などにデータ書き換えができるという特徴もまた、本発明の優れた点と言えるだろう。   However, if the data is not rewritten, the data retention period is infinite, which is equivalent to that of the mask ROM. In addition, the merit of being able to rewrite data that could not be supported at all by the mask ROM is very great. Therefore, it can be said that the feature that the data can be rewritten when this unexpected situation occurs is also an excellent point of the present invention.

以上、実施例を説明した。
すでに説明した例では、1つの第1の不揮発性半導体記憶素子と1つの第2の不揮発性半導体記憶素子とを混載する場合について説明したが、もちろんそれに限定するものではない。
複数の第1の不揮発性半導体記憶素子と複数の第2の不揮発性半導体記憶素子とをそれぞれ用いる、マルチビットの不揮発性半導体記憶装置を構成してもよい。
The embodiment has been described above.
In the example described above, the case where one first nonvolatile semiconductor memory element and one second nonvolatile semiconductor memory element are mixedly mounted has been described. However, the present invention is not limited to this.
A multi-bit nonvolatile semiconductor memory device that uses a plurality of first nonvolatile semiconductor memory elements and a plurality of second nonvolatile semiconductor memory elements, respectively, may be configured.

本発明の不揮発性半導体記憶装置は、最初に記憶したデータの寿命が無限大であり、なおかつデータの書き換え機能も有しているため、コンピュータ装置や電子機器その他の各種機器に広範に利用できる。
そして、不揮発性半導体記憶装置の信頼性の向上、及び開発期間短縮などを実現することもできる。
The nonvolatile semiconductor memory device of the present invention has an infinite lifetime for data stored at the beginning, and also has a data rewriting function, and thus can be widely used for computer devices, electronic devices, and other various devices.
Further, it is possible to improve the reliability of the nonvolatile semiconductor memory device and shorten the development period.

VT1、VT2 しきい値電圧
VT0 データ書き込み前のしきい値電圧
VT11、VT22 データ書き込み後のしきい値電圧
VT12、VT21 データ書き換え後のしきい値電圧
V01、V02 熱平衡状態しきい値電圧
SL センスレベル
10 メモリ領域
11 書き込みたいデータ列
A1〜A8 アドレス
M1 第1の不揮発性半導体記憶素子
M2 第2の不揮発性半導体記憶素子
FT 負荷用トランジスタ
MT 不揮発性半導体記憶素子
OUT 出力端子
VDD 正方向の高い電位を有する電源
VSS 負方向の高い電位を有する電源
100 第1の不揮発性半導体記憶素子
200 第2の不揮発性半導体記憶素子
101、201 アドレストランジスタ
110、140、210、240 ゲート電極
120、220 メモリゲート絶縁膜
150、250 ゲート絶縁膜
121、221、721 トップ酸化膜
122、222、722 メモリ窒化膜
123、223、723 トンネル酸化膜
130、230 チャネル領域
160、260 ソース領域
170、270 共通領域
300 ドレイン領域
400 半導体基板
500 ダミー酸化膜
601、602、603、604 フォトレジスト
G11 ゲート110に接続する端子
G14 ゲート140に接続する端子
S16 ソース160に接続する端子
G21 ゲート210に接続する端子
G24 ゲート240に接続する端子
S26 ソース260に接続する端子
D30 ドレイン300に接続する端子
911、912 サンプルセル
920 平均電圧出力回路
930 セレクト信号
931 スイッチ
932 メモリセル
933 読み出し線
940 メモリセル932のゲート電極
Vw サンプルセル911のしきい値電圧
Ve サンプルセル912のしきい値電圧
Vo 平均電圧出力回路920の出力電圧
VT1, VT2 Threshold voltage VT0 Threshold voltage before data writing VT11, VT22 Threshold voltage after data writing VT12, VT21 Threshold voltage after data rewriting V01, V02 Thermal equilibrium threshold voltage SL Sense level DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 Memory area 11 Data string to write A1-A8 Address M1 1st non-volatile semiconductor memory element M2 2nd non-volatile semiconductor memory element FT Load transistor MT Non-volatile semiconductor memory element OUT Output terminal VDD High potential in the positive direction Power supply having VSS Power supply having a high potential in the negative direction 100 First nonvolatile semiconductor memory element 200 Second nonvolatile semiconductor memory element 101, 201 Address transistor 110, 140, 210, 240 Gate electrode 120, 220 Memory gate insulating film 15 , 250 Gate insulating film 121, 221, 721 Top oxide film 122, 222, 722 Memory nitride film 123, 223, 723 Tunnel oxide film 130, 230 Channel region 160, 260 Source region 170, 270 Common region 300 Drain region 400 Semiconductor substrate 500 Dummy oxide film 601, 602, 603, 604 Photoresist G11 Terminal connected to gate 110 G14 Terminal connected to gate 140 S16 Terminal connected to source 160 G21 Terminal connected to gate 210 G24 Terminal connected to gate 240 S26 Source 260 Terminal D30 Terminal 911, 912 Sample cell 920 Average voltage output circuit 930 Select signal 931 Switch 932 Memory cell 933 Read line 9 0 the output voltage of the threshold voltage Vo average voltage output circuit 920 of the threshold voltage Ve sample cell 912 of the gate electrode Vw sample cell 911 of the memory cell 932

Claims (5)

データを記憶し、かつ書き換え可能な複数の不揮発性半導体記憶素子を有する不揮発性半導体記憶装置において、
電源VSSに接続されて動作する前記不揮発性半導体記憶素子と前記電源VSSよりも正側の高い電位を有する電源VDDに接続されて動作する負荷用トランジスタとの電流の引き合いによって生じる出力端子の電圧値が、前記電源VDDの電位方向と前記電源VSSの電位方向との間で切り替わるときのしきい値の電圧レベルを、前記不揮発性半導体記憶素子のセンスレベルと設定し、
複数の前記不揮発性半導体記憶素子のうち、熱平衡状態しきい値電圧が前記センスレベルよりも前記電源VDDの電位方向である第1の不揮発性半導体記憶素子と、熱平衡状態しきい値電圧が前記センスレベルよりも前記電源VSSの電位方向である第2の不揮発性半導体記憶素子とを混載したことを特徴とする不揮発性半導体記憶装置。
In a nonvolatile semiconductor memory device having a plurality of nonvolatile semiconductor memory elements that store data and can be rewritten,
The voltage value of the output terminal generated by an inquiry of current between the nonvolatile semiconductor memory element operating by being connected to the power supply VSS and the load transistor operating by being connected to the power supply VDD having a higher potential on the positive side than the power supply VSS but the voltage level of the threshold when switching between the potential direction of the power supply VDD potential direction as the power supply VSS, and set the sense level of the non-volatile semiconductor memory device,
Among the plurality of nonvolatile semiconductor memory elements, a first nonvolatile semiconductor memory element whose thermal equilibrium threshold voltage is in the potential direction of the power supply VDD with respect to the sense level, and a thermal equilibrium threshold voltage is the sense A non-volatile semiconductor memory device comprising a second non-volatile semiconductor memory element that is in a potential direction of the power supply VSS with respect to a level .
前記不揮発性半導体記憶素子は、
トンネル絶縁膜、電荷蓄積層、トップ絶縁膜の順に積層した構造のメモリ絶縁膜を有し、
前記電荷蓄積層に電子又は正孔を注入することで前記データを記憶する、又は書き換えることを特徴とする請求項1に記載の不揮発性半導体記憶装置。
The nonvolatile semiconductor memory element is
A memory insulating film having a structure in which a tunnel insulating film, a charge storage layer, and a top insulating film are stacked in this order,
The nonvolatile semiconductor memory device according to claim 1, wherein the data is stored or rewritten by injecting electrons or holes into the charge storage layer.
データを記憶し、かつ書き換え可能な複数の不揮発性半導体記憶素子を有する不揮発性半導体記憶装置の製造方法において、
電源VSSに接続されて動作する前記不揮発性半導体記憶素子と前記電源VSSよりも正側の高い電位を有する電源VDDに接続されて動作する負荷用トランジスタとの電流の引き合いによって生じる出力端子の電圧値が、前記電源VDDの電位方向と前記電源VSSの電位方向との間で切り替わるときのしきい値の電圧レベルを、前記不揮発性半導体記憶素子のセンスレベルと設定し、
複数の前記不揮発性半導体記憶素子のうち、熱平衡状態しきい値電圧が前記センスレベルよりも前記電源VDDの電位方向である第1の不揮発性半導体記憶素子を形成する工程と、熱平衡状態しきい値電圧が前記センスレベルよりも前記電源VSSの電位方向である第2の不揮発性半導体記憶素子を形成する工程と、
前記データの内容に基づいて、正のデータを前記第1の不揮発性半導体記憶素子に書き込む工程と、
前記データの内容に基づいて、負のデータを前記第2の不揮発性半導体記憶素子に書き込む工程と、
を有することを特徴とする不揮発性半導体記憶装置の製造方法。
In a method for manufacturing a nonvolatile semiconductor memory device having a plurality of nonvolatile semiconductor memory elements that store data and can be rewritten,
The voltage value of the output terminal generated by an inquiry of current between the nonvolatile semiconductor memory element operating by being connected to the power supply VSS and the load transistor operating by being connected to the power supply VDD having a higher potential on the positive side than the power supply VSS but the voltage level of the threshold when switching between the potential direction of the power supply VDD potential direction as the power supply VSS, and set the sense level of the non-volatile semiconductor memory device,
Among the plurality of the non-volatile semiconductor memory device, comprising the steps of thermal equilibrium threshold voltage to form a first non-volatile semiconductor memory device which is the potential direction of the sense level the power supply VDD than the thermal equilibrium threshold Forming a second nonvolatile semiconductor memory element whose voltage is in the potential direction of the power supply VSS with respect to the sense level ;
Writing positive data into the first nonvolatile semiconductor memory element based on the content of the data;
Writing negative data into the second nonvolatile semiconductor memory element based on the content of the data;
A method of manufacturing a nonvolatile semiconductor memory device, comprising:
前記第1の不揮発性半導体記憶素子に書き込む工程と、前記第2の不揮発性半導体記憶素子に書き込む工程とを、熱処理で同時に行う
ことを特徴とする請求項3に記載の不揮発性半導体記憶装置の製造方法。
4. The nonvolatile semiconductor memory device according to claim 3, wherein the step of writing into the first nonvolatile semiconductor memory element and the step of writing into the second nonvolatile semiconductor memory element are simultaneously performed by heat treatment. Production method.
データを記憶し、かつ書き換え可能な複数の不揮発性半導体記憶素子を有する不揮発性半導体記憶装置のデータ書き換え方法において、
電源VSSに接続されて動作する前記不揮発性半導体記憶素子と前記電源VSSよりも正側の高い電位を有する電源VDDに接続されて動作する負荷用トランジスタとの電流の引き合いによって生じる出力端子の電圧値が、前記電源VDDの電位方向と前記電源VSSの電位方向との間で切り替わるときのしきい値の電圧レベルを、前記不揮発性半導体記憶素子のセンスレベルと設定し、
書き込みたいデータが正のデータのときは、そのデータを、複数の前記不揮発性半導体記憶素子のうち、熱平衡状態しきい値電圧が前記センスレベルよりも前記電源VDDの電位方向である第1の不揮発性半導体記憶素子に書き込み、
書き込みたいデータが負のデータのときは、そのデータを、複数の前記不揮発性半導体記憶素子のうち、熱平衡状態しきい値電圧が前記センスレベルよりも前記電源VSSの電位方向である第2の不揮発性半導体記憶素子に書き込み、
前記第1の不揮発性半導体記憶素子に記憶している前記正のデータを書き換えるときは、
前記第1の不揮発性半導体記憶素子のデータ書き込み後のしきい値が、前記センスレベルよりも前記電源VSSの電位方向になるような書き込み電圧を印加し、
前記第2の不揮発性半導体記憶素子に記憶している前記負のデータを書き換えるときは、
前記第2の不揮発性半導体記憶素子のデータ書き込み後のしきい値が、前記センスレベルよりも前記電源VDDの電位方向になるような書き込み電圧を印加することを特徴とする不揮発性半導体記憶装置のデータ書き換え方法。
In a data rewriting method of a nonvolatile semiconductor memory device having a plurality of nonvolatile semiconductor memory elements that store data and can be rewritten,
The voltage value of the output terminal generated by an inquiry of current between the nonvolatile semiconductor memory element operating by being connected to the power supply VSS and the load transistor operating by being connected to the power supply VDD having a higher potential on the positive side than the power supply VSS but the voltage level of the threshold when switching between the potential direction of the power supply VDD potential direction as the power supply VSS, and set the sense level of the non-volatile semiconductor memory device,
When the data to be written is positive data, among the plurality of nonvolatile semiconductor memory elements , the data is a first nonvolatile memory whose thermal equilibrium state threshold voltage is in the potential direction of the power supply VDD with respect to the sense level. Writing into a conductive semiconductor memory element,
When the data to be written is negative data, among the plurality of nonvolatile semiconductor memory elements , the data is a second nonvolatile memory whose thermal equilibrium state threshold voltage is in the potential direction of the power supply VSS with respect to the sense level. Writing into a conductive semiconductor memory element,
When rewriting the positive data stored in the first nonvolatile semiconductor memory element,
Applying a write voltage such that a threshold value after data writing of the first nonvolatile semiconductor memory element is in a potential direction of the power supply VSS with respect to the sense level;
When rewriting the negative data stored in the second nonvolatile semiconductor memory element,
A write voltage is applied so that a threshold value after data writing of the second nonvolatile semiconductor memory element is in a potential direction of the power supply VDD with respect to the sense level. Data rewriting method.
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