JP6266688B2 - Nonvolatile semiconductor memory device - Google Patents

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Description

本発明は、メモリセルおよび不揮発性半導体記憶装置に関する。   The present invention relates to a memory cell and a nonvolatile semiconductor memory device.

従来、特開2011-129816号公報(特許文献1)には、2つの選択ゲート構造体間にメモリゲート構造体が配置されたメモリセルが開示されている(特許文献1における図16参照)。実際上、このメモリセルでは、ビット線が接続されたドレイン領域と、ソース線が接続されたソース領域とを備え、これらドレイン領域からソース領域に向けてメモリウェル上に、一の選択ゲート構造体、メモリゲート構造体および他の選択ゲート構造体が順に配置形成されている。かかる構成でなるメモリセルには、メモリゲート構造体に電荷蓄積層が設けられており、当該電荷蓄積層に電荷を注入することでデータが書き込まれたり、或いは、電荷蓄積層内の電荷を引き抜くことでデータが消去され得るようになされている。   Conventionally, Japanese Unexamined Patent Application Publication No. 2011-129816 (Patent Document 1) discloses a memory cell in which a memory gate structure is disposed between two select gate structures (see FIG. 16 in Patent Document 1). In practice, this memory cell includes a drain region to which a bit line is connected and a source region to which a source line is connected. One select gate structure is formed on the memory well from the drain region toward the source region. A memory gate structure and another selection gate structure are arranged and formed in order. In a memory cell having such a structure, a charge storage layer is provided in the memory gate structure, and data is written by injecting charges into the charge storage layer, or charges in the charge storage layer are extracted. Thus, data can be erased.

実際上、このようなメモリセルでは、電荷蓄積層に電荷を注入する場合、ソース線に接続された他の選択ゲート構造体で電圧を遮断しつつ、ビット線からの低電圧のビット電圧を一の選択ゲート構造体を介してメモリゲート構造体のチャネル層に印加する。この際、メモリゲート構造体には、メモリゲート電極に高電圧のメモリゲート電圧が印加され、ビット電圧とメモリゲート電圧との電圧差により生じる量子トンネル効果によって電荷蓄積層に電荷を注入し得る。   In practice, in such a memory cell, when a charge is injected into the charge storage layer, a low bit voltage from the bit line is applied while the voltage is blocked by another selection gate structure connected to the source line. This is applied to the channel layer of the memory gate structure through the select gate structure. At this time, a high memory gate voltage is applied to the memory gate electrode in the memory gate structure, and charges can be injected into the charge storage layer by a quantum tunnel effect caused by a voltage difference between the bit voltage and the memory gate voltage.

このような構成でなるメモリセルが行列状に配置された不揮発性半導体記憶装置では、高電圧のメモリゲート電圧が印加されるメモリゲート線を、複数のメモリセルにて共有している。そのため、一のメモリセルの電荷蓄積層に電荷を注入するために高電圧のメモリゲート電圧をメモリゲート線に印加すると、当該メモリゲート線を共有する他のメモリセルでは、電荷蓄積層に電荷を注入しないときでも、高電圧のメモリゲート電圧がメモリゲート電極に印加されてしまう。   In a nonvolatile semiconductor memory device in which memory cells having such a configuration are arranged in a matrix, a memory gate line to which a high voltage memory gate voltage is applied is shared by a plurality of memory cells. Therefore, when a high memory gate voltage is applied to the memory gate line in order to inject charge into the charge storage layer of one memory cell, the charge is stored in the charge storage layer in other memory cells sharing the memory gate line. Even when the implantation is not performed, a high memory gate voltage is applied to the memory gate electrode.

そこで、この場合、電荷蓄積層に電荷を注入させないメモリセルでは、ソース線に接続された他の選択ゲート構造体にてチャネル層への電圧印加を遮断しつつ、一の選択ゲート構造体によって、ビット線からの高電圧のビット電圧をメモリゲート構造体のチャネル層に印加する。これにより、高電圧のメモリゲート電圧がメモリゲート電極に印加されたメモリゲート構造体では、高電圧のビット電圧がチャネル層に印加されることから、メモリゲート電極とチャネル層との電圧差が小さくなり、その結果、量子トンネル効果が生じることなく電荷蓄積層に電荷が注入され得ない。   Therefore, in this case, in the memory cell in which no charge is injected into the charge storage layer, the voltage application to the channel layer is blocked by another selection gate structure connected to the source line, and one selection gate structure A high bit voltage from the bit line is applied to the channel layer of the memory gate structure. As a result, in the memory gate structure in which a high voltage memory gate voltage is applied to the memory gate electrode, a high bit voltage is applied to the channel layer, so that the voltage difference between the memory gate electrode and the channel layer is small. As a result, no charge can be injected into the charge storage layer without the quantum tunnel effect.

特開2011-129816号公報JP 2011-129816 JP

このように、従来、電荷蓄積層に電荷を注入しないメモリセルでは、電荷蓄積層への電荷注入を阻止するために、高電圧のメモリゲート電圧に合わせて、ビット線からチャネル層に高電圧のビット電圧を印加する必要があった。そのため、かかる構成でなるメモリセルでは、ビット線に接続された一の選択ゲート構造体の選択ゲート絶縁膜を、高電圧のビット電圧に耐えるように膜厚を厚くする必要があり、その分、高速動作を実現し難いという問題があった。   Thus, in the conventional memory cell in which no charge is injected into the charge storage layer, in order to prevent charge injection into the charge storage layer, a high voltage is applied from the bit line to the channel layer in accordance with the high voltage memory gate voltage. It was necessary to apply a bit voltage. Therefore, in the memory cell having such a configuration, it is necessary to increase the thickness of the selection gate insulating film of one selection gate structure connected to the bit line so as to withstand a high voltage bit voltage. There was a problem that it was difficult to achieve high-speed operation.

また、このように従来のメモリセルでは、電荷蓄積層への電荷注入を阻止する際、ビット線に高電圧のビット電圧を印加することもあるため、メモリセルを制御する周辺回路においても、高電圧のビット電圧に耐え得るように、電界効果トランジスタのゲート絶縁膜の膜厚を厚くする必要があり、その分、周辺回路の面積が大きくなってしまうという問題もあった。   In addition, in such a conventional memory cell, a high bit voltage may be applied to the bit line when blocking the charge injection into the charge storage layer. Therefore, even in the peripheral circuit controlling the memory cell, In order to withstand the bit voltage of the voltage, it is necessary to increase the thickness of the gate insulating film of the field effect transistor, and there is a problem that the area of the peripheral circuit is increased accordingly.

そこで、本発明は以上の点を考慮してなされたもので、従来よりも高速動作を実現しつつ、周辺回路の面積も小さくし得るメモリセルおよび不揮発性半導体記憶装置を提案することを目的とする。   Accordingly, the present invention has been made in consideration of the above points, and an object thereof is to propose a memory cell and a non-volatile semiconductor memory device that can realize a higher speed operation than before and can reduce the area of a peripheral circuit. To do.

かかる課題を解決するため本発明のメモリセルは、メモリウェル表面に形成され、ビット線が接続されたドレイン領域と、前記メモリウェル表面に形成され、ソース線が接続されたソース領域と、前記ドレイン領域および前記ソース領域間に形成され、前記メモリウェル上に下部メモリゲート絶縁膜、電荷蓄積層、上部メモリゲート絶縁膜およびメモリゲート電極の順で積層形成されたメモリゲート構造体と、前記ドレイン領域および前記メモリゲート構造体間の前記メモリウェル上に第1選択ゲート絶縁膜を介して第1選択ゲート電極が形成された構成を有し、前記メモリゲート構造体の一の側壁に一の側壁スペーサを介して隣接した第1選択ゲート構造体と、前記ソース領域および前記メモリゲート構造体間の前記メモリウェル上に第2選択ゲート絶縁膜を介して第2選択ゲート電極が形成された構成を有し、前記メモリゲート構造体の他の側壁に他の側壁スペーサを介して隣接した第2選択ゲート構造体とを備えており、量子トンネル効果によって前記電荷蓄積層に電荷を注入するのに必要な電荷蓄積ゲート電圧が前記メモリゲート電極に印加され、前記メモリゲート電極が対向した前記メモリウェル表面にチャネル層が形成されても、前記第1選択ゲート構造体により前記ドレイン領域および前記チャネル層の電気的な接続を遮断し、かつ、前記第2選択ゲート構造体により前記ソース領域および前記チャネル層の電気的な接続も遮断することで、前記電荷蓄積ゲート電圧に基づいてチャネル電位が上昇した前記チャネル層を囲うように空乏層を形成し、前記メモリゲート電極および前記チャネル層間の電圧差を小さくして前記電荷蓄積層内への電荷注入を阻止しつつ、前記空乏層によって前記チャネル層から前記第1選択ゲート絶縁膜および前記第2選択ゲート絶縁膜へのチャネル電位の到達を阻止することを特徴とする。   In order to solve this problem, a memory cell of the present invention includes a drain region formed on the surface of a memory well and connected to a bit line, a source region formed on the surface of the memory well and connected to a source line, and the drain A memory gate structure formed between a source region and a lower memory gate insulating film, a charge storage layer, an upper memory gate insulating film, and a memory gate electrode stacked in this order on the memory well; and the drain region And a first select gate electrode is formed on the memory well between the memory gate structures via a first select gate insulating film, and one side wall spacer is provided on one side wall of the memory gate structure. And a second selection gate on the memory well between the source region and the memory gate structure. And a second select gate structure having a structure in which a second select gate electrode is formed via a gate insulating film, and adjacent to the other side wall of the memory gate structure via another side wall spacer. A charge storage gate voltage required to inject charges into the charge storage layer by a quantum tunnel effect is applied to the memory gate electrode, and a channel layer is formed on the memory well surface facing the memory gate electrode. The first selection gate structure cuts off the electrical connection between the drain region and the channel layer, and the second selection gate structure cuts off the electrical connection between the source region and the channel layer. Thus, a depletion layer is formed so as to surround the channel layer whose channel potential has increased based on the charge storage gate voltage, and the memory gate electrode and the front A channel from the channel layer to the first selection gate insulating film and the second selection gate insulating film by the depletion layer while reducing a voltage difference between the channel layers and preventing charge injection into the charge storage layer. It is characterized by preventing the potential from reaching.

また、本発明のメモリセルは、メモリウェル表面に形成され、ビット線が接続されたドレイン領域と、前記メモリウェル表面に形成され、ソース線が接続されたソース領域と、前記ドレイン領域および前記ソース領域間に形成され、前記メモリウェル上に下部メモリゲート絶縁膜、電荷蓄積層、上部メモリゲート絶縁膜およびメモリゲート電極の順で積層形成されたメモリゲート構造体と、前記ドレイン領域および前記メモリゲート構造体間の前記メモリウェル上に第1選択ゲート絶縁膜を介して第1選択ゲート電極が形成された構成を有し、前記メモリゲート構造体の一の側壁に一の側壁スペーサを介して隣接した第1選択ゲート構造体と、前記ソース領域および前記メモリゲート構造体間の前記メモリウェル上に第2選択ゲート絶縁膜を介して第2選択ゲート電極が形成された構成を有し、前記メモリゲート構造体の他の側壁に他の側壁スペーサを介して隣接した第2選択ゲート構造体とを備えており、前記一の側壁スペーサおよび前記他の側壁スペーサの幅が5[nm]以上40[nm]以下であり、前記第1選択ゲート絶縁膜および前記第2選択ゲート絶縁膜の膜厚が3[nm]以下であることを特徴とする。   The memory cell of the present invention includes a drain region formed on the surface of the memory well and connected to the bit line, a source region formed on the surface of the memory well and connected to the source line, the drain region and the source A memory gate structure formed between the regions, in which a lower memory gate insulating film, a charge storage layer, an upper memory gate insulating film, and a memory gate electrode are sequentially stacked on the memory well; and the drain region and the memory gate A first selection gate electrode is formed on the memory well between the structures via a first selection gate insulating film, and is adjacent to one side wall of the memory gate structure via one side wall spacer. A first select gate structure and a second select gate insulating film on the memory well between the source region and the memory gate structure. A second select gate structure having a configuration in which a second select gate electrode is formed, the second select gate structure being adjacent to another side wall of the memory gate structure via another side wall spacer; And the width of the other side wall spacer is 5 [nm] or more and 40 [nm] or less, and the film thickness of the first selection gate insulating film and the second selection gate insulating film is 3 [nm] or less. Features.

このようなメモリセルでは、量子トンネル効果によって電荷蓄積層に電荷を注入するのに必要な電荷蓄積ゲート電圧がメモリゲート電極に印加され、メモリゲート電極が対向したメモリウェル表面にチャネル層が形成されても、第1選択ゲート構造体によりドレイン領域およびチャネル層の電気的な接続を遮断し、かつ、第2選択ゲート構造体によりソース領域およびチャネル層の電気的な接続も遮断することで、電荷蓄積ゲート電圧に基づいてチャネル電位が上昇したチャネル層を囲うように空乏層を形成し得、その結果、メモリゲート電極およびチャネル層間の電圧差を小さくして電荷蓄積層内への電荷注入を阻止しつつ、空乏層によって前記チャネル層から第1選択ゲート絶縁膜および前記第2選択ゲート絶縁膜へのチャネル電位の到達を阻止できる。   In such a memory cell, a charge storage gate voltage necessary for injecting charges into the charge storage layer by the quantum tunnel effect is applied to the memory gate electrode, and a channel layer is formed on the surface of the memory well facing the memory gate electrode. However, the first selection gate structure cuts off the electrical connection between the drain region and the channel layer, and the second selection gate structure cuts off the electrical connection between the source region and the channel layer. A depletion layer can be formed to surround the channel layer where the channel potential has risen based on the storage gate voltage. As a result, the voltage difference between the memory gate electrode and the channel layer is reduced to prevent charge injection into the charge storage layer. However, the depletion layer prevents the channel potential from reaching the first select gate insulating film and the second select gate insulating film from the channel layer. You can stop.

また、本発明の不揮発性半導体記憶装置は、第1選択トランジスタ、メモリトランジスタ、および第2選択トランジスタの順に直列に接続され、行列状に配置された複数のメモリセルと、メモリセル列で共有され、かつ前記第1選択トランジスタのドレイン領域に接続されたビット線と、メモリセル行で共有され、かつ前記第1選択トランジスタの第1選択ゲート電極に接続された第1選択ゲート線と、前記第2選択トランジスタの第2選択ゲート電極に接続された第2選択ゲート線と、前記第2選択トランジスタのソース領域に接続されたソース線と、前記行列状に配置された複数のメモリセルで共有され、かつ前記メモリトランジスタのメモリゲート電極に接続された1本のメモリゲート線とを備え、前記1本のメモリゲート線は、互いに電気的に接続された、一のメモリセル行で共有された一のメモリゲート線と、他のメモリセル行で共有された他のメモリゲート線とを含むことを特徴とする。 The nonvolatile semiconductor memory device of the present invention is connected in series with a plurality of memory cells connected in series in the order of the first selection transistor, the memory transistor, and the second selection transistor, and is shared by the memory cell column. And a bit line connected to a drain region of the first selection transistor, a first selection gate line shared by a memory cell row and connected to a first selection gate electrode of the first selection transistor, and the first selection transistor The second selection gate line connected to the second selection gate electrode of the two selection transistor, the source line connected to the source region of the second selection transistor, and the plurality of memory cells arranged in the matrix are shared. and wherein a single memory gate lines connected to the memory gate electrode of the memory transistor, the one of the memory gate line are electrically connected from each other And characterized in that it comprises a one memory gate line are shared in one of the memory cell rows, and other memory gate lines which are shared with other memory cell rows.

本発明によれば、量子トンネル効果によって電荷蓄積層に電荷を注入するのに必要な電荷蓄積ゲート電圧に拘束されることなく、第1選択ゲート構造体および第2選択ゲート構造体で、ビット線およびチャネル層の電気的な接続や、ソース線およびチャネル層の電気的な接続を遮断するのに必要な電圧値にまで、ビット線およびソース線の電圧値を下げることができるので、これらビット線およびソース線での電圧低減に合わせて、第1選択ゲート構造体の第1選択ゲート絶縁膜や、第2選択ゲート構造体の第2選択ゲート絶縁膜の各膜厚を薄くでき、その分、高速動作を実現し得る。   According to the present invention, the bit line in the first selection gate structure and the second selection gate structure is not restricted by the charge storage gate voltage necessary for injecting the charge into the charge storage layer by the quantum tunnel effect. Since the voltage value of the bit line and the source line can be lowered to the voltage value necessary to cut off the electrical connection of the channel layer and the electrical connection of the source line and the channel layer. In accordance with the voltage reduction at the source line, each film thickness of the first selection gate insulating film of the first selection gate structure and the second selection gate insulating film of the second selection gate structure can be reduced. High speed operation can be realized.

また、本発明によれば、ビット線やソース線に印加される電圧を低減できるため、メモリセルを制御する周辺回路においても電界効果トランジスタのゲート絶縁膜の膜厚を薄くでき、その分、周辺回路の面積を小さくできる。   In addition, according to the present invention, since the voltage applied to the bit line and the source line can be reduced, the film thickness of the gate insulating film of the field effect transistor can be reduced even in the peripheral circuit for controlling the memory cell. The circuit area can be reduced.

本発明のメモリセルを備えた不揮発性半導体記憶装置の回路構成を示す回路図である。1 is a circuit diagram showing a circuit configuration of a nonvolatile semiconductor memory device including a memory cell of the present invention. 本発明によるメモリセルの側断面構成を示す断面図である。FIG. 3 is a cross-sectional view showing a side cross-sectional configuration of a memory cell according to the present invention. メモリゲート構造体におけるゲート絶縁膜容量と空乏層容量の説明に供する概略図である。It is the schematic where it uses for description of the gate insulating film capacity | capacitance and depletion layer capacity | capacitance in a memory gate structure. データの書き込み動作時、データの読み出し動作時、およびデータの消去動作時における各部位における電圧値の一例を示す表である。6 is a table showing an example of voltage values at each portion during a data write operation, a data read operation, and a data erase operation. 図5Aは、メモリゲート電極および第1選択ゲート電極間の側壁スペーサ内にも電荷蓄積層が形成された比較例1のメモリセルにおいて、電荷蓄積層に電荷を注入した直後の様子を示す概略図であり、図5Bは、図5Aの電荷蓄積層に電荷を注入した後、時間経過に伴い、電荷蓄積層内の電荷が拡散していったときの様子を示す概略図である。FIG. 5A is a schematic diagram showing a state immediately after the charge is injected into the charge storage layer in the memory cell of Comparative Example 1 in which the charge storage layer is also formed in the side wall spacer between the memory gate electrode and the first selection gate electrode. FIG. 5B is a schematic view showing a state in which charges in the charge storage layer are diffused with time after the charge is injected into the charge storage layer of FIG. 5A. 本発明によるメモリセルにおいて電荷蓄積層に電荷を注入したときの様子を示す概略図である。It is the schematic which shows a mode when an electric charge is inject | poured into the charge storage layer in the memory cell by this invention. 図7Aは、メモリゲート構造体および第1選択ゲート構造体間のメモリウェル表面と、メモリゲート構造体および第2選択ゲート構造体間のメモリウェル表面にそれぞれ不純物拡散領域が形成された比較例2のメモリセルを示し、図7Bは、本発明のメモリセルにおける空乏層の幅を示した概略図であり、図7Cは、メモリウェルの不純物濃度を変えたときの空乏層の幅を示す概略図である。FIG. 7A shows Comparative Example 2 in which impurity diffusion regions are formed on the memory well surface between the memory gate structure and the first select gate structure and on the memory well surface between the memory gate structure and the second select gate structure, respectively. FIG. 7B is a schematic diagram showing the width of the depletion layer in the memory cell of the present invention, and FIG. 7C is a schematic diagram showing the width of the depletion layer when the impurity concentration of the memory well is changed. It is.

以下、本発明を実施するための形態について説明する。なお、説明は以下に示す順序とする。
1.不揮発性半導体記憶装置の全体構成
2.メモリセルの詳細構成
3.書き込み選択メモリセルにおいて電荷蓄積層に電荷を注入させる動作原理について
4.高電圧の電荷蓄積ゲート電圧がメモリゲート電極に印加された書き込み非選択メモリセルにおいて、電荷蓄積層に電荷が注入されない動作原理について
5.不揮発性半導体記憶装置における各種動作時における電圧について
6.本発明のメモリセルにおける電荷蓄積層の構成について
7.作用および効果
8.他の実施の形態
Hereinafter, modes for carrying out the present invention will be described. The description will be in the following order.
1. 1. Overall configuration of nonvolatile semiconductor memory device 2. Detailed configuration of memory cell 3. Operation principle for injecting charge into charge storage layer in write selection memory cell 4. Regarding an operation principle in which charge is not injected into the charge storage layer in a write non-selected memory cell in which a high voltage charge storage gate voltage is applied to the memory gate electrode. 5. Voltages during various operations in the nonvolatile semiconductor memory device 6. Structure of charge storage layer in memory cell of the present invention Action and effect8. Other embodiments

(1)不揮発性半導体記憶装置の全体構成
図1において、1は不揮発性半導体記憶装置を示し、本発明によるメモリセル2a,2b,2c,2dが行列状に配置された構成を有する。不揮発性半導体記憶装置1は、これらメモリセル2a,2b,2c,2dのうち、一方向(この場合、列方向)に並ぶメモリセル2a,2c(2b,2d)で1本のビット線BL1(BL2)を共有しており、ビット電圧印加回路10によって各ビット線BL1,BL2毎に所定のビット電圧が一律に印加され得る。また、不揮発性半導体記憶装置1は、一方向と直交する他方向(この場合、行方向)に配置されたメモリセル2a,2b(2c,2d)で1本の第1選択ゲート線DGL1(DGL2)を共有しており、第1選択ゲート電圧印加回路11によって各第1選択ゲート線DGL1,DGL2毎に所定の第1選択ゲート電圧が一律に印加され得る。
(1) Overall Configuration of Nonvolatile Semiconductor Memory Device In FIG. 1, reference numeral 1 denotes a nonvolatile semiconductor memory device, which has a configuration in which memory cells 2a, 2b, 2c, 2d according to the present invention are arranged in a matrix. The non-volatile semiconductor memory device 1 includes one bit line BL1 (1b) in memory cells 2a, 2c (2b, 2d) arranged in one direction (in this case, the column direction) among these memory cells 2a, 2b, 2c, 2d. BL2) is shared, and a predetermined bit voltage can be uniformly applied to each bit line BL1, BL2 by the bit voltage application circuit 10. In addition, the nonvolatile semiconductor memory device 1 includes one first selection gate line DGL1 (DGL2) in memory cells 2a and 2b (2c and 2d) arranged in another direction (in this case, the row direction) orthogonal to one direction. ), And the first selection gate voltage application circuit 11 can uniformly apply a predetermined first selection gate voltage to each of the first selection gate lines DGL1 and DGL2.

さらに、この実施の形態の場合、不揮発性半導体記憶装置1では、1本のメモリゲート線MGLと、1本の第2選択ゲート線SGLと、1本のソース線SLとを全てのメモリセル2a,2b,2c,2dで共有しており、メモリゲート電圧印加回路13によりメモリゲート線MGLに所定のメモリゲート電圧が印加され、第2選択ゲート電圧印加回路14により第2選択ゲート線SGLに所定の第2選択ゲート電圧が印加され、ソース電圧印加回路15によりソース線SLに所定のソース電圧が印加され得る。   Further, in the case of this embodiment, in the nonvolatile semiconductor memory device 1, one memory gate line MGL, one second selection gate line SGL, and one source line SL are connected to all the memory cells 2a. , 2b, 2c, and 2d, a predetermined memory gate voltage is applied to the memory gate line MGL by the memory gate voltage application circuit 13, and a predetermined value is applied to the second selection gate line SGL by the second selection gate voltage application circuit 14. The second selection gate voltage is applied, and the source voltage application circuit 15 can apply a predetermined source voltage to the source line SL.

なお、この実施の形態においては、1本のメモリゲート線MGLと、1本の第2選択ゲート線SGLと、1本のソース線SLとを全てのメモリセル2a,2b,2c,2dで共有するようにした場合について述べるが、本発明はこれに限らず、他方向(行方向)に配置されたメモリセル2a,2b(2c,2d)毎に、それぞれメモリゲート線と第2選択ゲート線とソース線とを共有させるようにしてもよい。   In this embodiment, one memory gate line MGL, one second selection gate line SGL, and one source line SL are shared by all the memory cells 2a, 2b, 2c, 2d. However, the present invention is not limited to this. For each memory cell 2a, 2b (2c, 2d) arranged in the other direction (row direction), a memory gate line and a second selection gate line are provided. And the source line may be shared.

因みに、この不揮発性半導体記憶装置1では、例えばP型でなる1つのメモリウェルMPWに全てのメモリセル2a,2b,2c,2dが形成されており、基板電圧印加回路17によってメモリウェルMPWに所定の基板電圧が印加され得るようになされている。ここで、これらメモリセル2a,2b,2c,2dは全て同一構成を有していることから、1行1列目のメモリセル2aに着目して以下説明する。   Incidentally, in this nonvolatile semiconductor memory device 1, all the memory cells 2a, 2b, 2c, 2d are formed in one memory well MPW made of, for example, P type, and a predetermined voltage is applied to the memory well MPW by the substrate voltage application circuit 17. The substrate voltage can be applied. Here, since these memory cells 2a, 2b, 2c, and 2d all have the same configuration, the following description will be focused on the memory cell 2a in the first row and the first column.

この場合、メモリセル2aは、メモリウェルMPW表面に形成されたドレイン領域(図示せず)にビット線BL1が接続されているとともに、メモリウェルMPW表面に形成されたソース領域(図示せず)にソース線SLが接続されており、これらドレイン領域およびソース領域間のメモリウェルMPW上に、メモリゲート構造体4と、第1選択ゲート構造体5と、第2選択ゲート構造体6とが形成された構成を有する。   In this case, the memory cell 2a has a bit line BL1 connected to a drain region (not shown) formed on the surface of the memory well MPW and a source region (not shown) formed on the surface of the memory well MPW. The source line SL is connected, and the memory gate structure 4, the first selection gate structure 5, and the second selection gate structure 6 are formed on the drain region and the memory well MPW between the source regions. Have a configuration.

実際上、メモリセル2aは、ドレイン領域およびソース領域間のメモリウェルMPW上に形成されたメモリゲート構造体4の一の側壁に側壁スペーサ(図示せず)を介して第1選択ゲート構造体5が配置され、メモリゲート構造体4の他の側壁に側壁スペーサを介して第2選択ゲート構造体6が配置されており、ビット線BL1からソース線SLに向けてメモリウェルMPW上に、第1選択ゲート構造体5、メモリゲート構造体4および第2選択ゲート構造体6の順に配置されている。   In practice, the memory cell 2a includes a first select gate structure 5 via a side wall spacer (not shown) on one side wall of the memory gate structure 4 formed on the memory well MPW between the drain region and the source region. And the second select gate structure 6 is disposed on the other side wall of the memory gate structure 4 via the side wall spacer, and the first select gate structure 6 is arranged on the memory well MPW from the bit line BL1 toward the source line SL. The selection gate structure 5, the memory gate structure 4, and the second selection gate structure 6 are arranged in this order.

ここで、第1選択ゲート構造体5には、側壁スペーサとドレイン領域間のメモリウェルMPW上に第1選択ゲート絶縁膜を介して第1選択ゲート電極DGが形成されており、第1選択ゲート電極DGに第1選択ゲート線DGL1が接続されている。第1選択ゲート構造体5は、ビット線BL1から一端のメモリウェルMPW表面のドレイン領域に印加されるビット電圧と、第1選択ゲート線DGL1から第1選択ゲート電極DGに印加される第1選択ゲート電圧との電圧差により、第1選択ゲート電極DGと対向したメモリウェルMPW表面にチャネル層を形成し得る。   Here, in the first selection gate structure 5, the first selection gate electrode DG is formed on the memory well MPW between the sidewall spacer and the drain region via the first selection gate insulating film. A first selection gate line DGL1 is connected to the electrode DG. The first selection gate structure 5 includes a bit voltage applied from the bit line BL1 to the drain region of the surface of the memory well MPW at one end, and a first selection applied from the first selection gate line DGL1 to the first selection gate electrode DG. Due to the voltage difference with the gate voltage, a channel layer can be formed on the surface of the memory well MPW facing the first selection gate electrode DG.

この場合、第1選択ゲート構造体5は、第1選択ゲート電極DGと対向したメモリウェルMPW表面にチャネル層が形成されることで、ビット線BL1と、メモリゲート構造体4が配置されたメモリウェルMPW表面のチャネル層とが電気的に接続し、ビット線BL1からのビット電圧をメモリゲート構造体4のチャネル層に印加し得る。一方、第1選択ゲート構造体5は、第1選択ゲート電極DGと対向したメモリウェルMPW表面にチャネル層を非形成とすることで、ビット線BL1と、メモリゲート構造体4により形成されたチャネル層との電気的な接続を遮断し得、ビット線BL1からメモリゲート構造体4のチャネル層へのビット電圧の印加を阻止し得る。   In this case, the first select gate structure 5 is formed by forming a channel layer on the surface of the memory well MPW facing the first select gate electrode DG, so that the bit line BL1 and the memory gate structure 4 are arranged. The channel layer on the surface of the well MPW is electrically connected, and the bit voltage from the bit line BL1 can be applied to the channel layer of the memory gate structure 4. On the other hand, the first select gate structure 5 has a channel layer formed by the bit line BL1 and the memory gate structure 4 by not forming a channel layer on the surface of the memory well MPW facing the first select gate electrode DG. The electrical connection with the layer can be cut off, and the application of the bit voltage from the bit line BL1 to the channel layer of the memory gate structure 4 can be prevented.

第2選択ゲート構造体6は、側壁スペーサとソース領域間のメモリウェルMPW上に第2選択ゲート絶縁膜を介して第2選択ゲート電極SGが形成されており、第2選択ゲート電極SGに第2選択ゲート線SGLが接続されている。第2選択ゲート構造体6は、ソース線SLから一端のメモリウェルMPW表面のソース領域に印加されるソース電圧と、第2選択ゲート線SGLから第2選択ゲート電極SGに印加される第2選択ゲート電圧との電圧差により、第2選択ゲート電極SGと対向したメモリウェルMPW表面にチャネル層を形成し得る。   In the second selection gate structure 6, the second selection gate electrode SG is formed on the memory well MPW between the sidewall spacer and the source region via the second selection gate insulating film, and the second selection gate electrode SG 2 Select gate line SGL is connected. The second selection gate structure 6 includes a source voltage applied from the source line SL to a source region on the surface of the memory well MPW at one end, and a second selection applied from the second selection gate line SGL to the second selection gate electrode SG. Due to the voltage difference with the gate voltage, a channel layer can be formed on the surface of the memory well MPW facing the second selection gate electrode SG.

この場合、第2選択ゲート構造体6は、第2選択ゲート電極SGと対向したメモリウェルMPW表面にチャネル層が形成されることで、ソース線SLと、メモリゲート構造体4が配置されたメモリウェルMPW表面のチャネル層とが電気的に接続し得る。一方、第2選択ゲート構造体6は、第2選択ゲート電極SGと対向したメモリウェルMPW表面にチャネル層を非形成とすることで、ソース線SLと、メモリゲート構造体4のチャネル層との電気的な接続を遮断し得、ソース線SLからメモリゲート構造体4のチャネル層へのソース電圧の印加を阻止し得る。   In this case, the second select gate structure 6 is configured such that the channel layer is formed on the surface of the memory well MPW facing the second select gate electrode SG, so that the source line SL and the memory in which the memory gate structure 4 is arranged The channel layer on the surface of the well MPW can be electrically connected. On the other hand, the second select gate structure 6 has a channel layer not formed on the surface of the memory well MPW facing the second select gate electrode SG, so that the source line SL and the channel layer of the memory gate structure 4 The electrical connection can be cut off, and the application of the source voltage from the source line SL to the channel layer of the memory gate structure 4 can be blocked.

第1選択ゲート構造体5および第2選択ゲート構造体6間のメモリウェルMPW上にあるメモリゲート構造体4は、メモリウェルMPW上に下部ゲート絶縁膜、電荷蓄積層EC、上部ゲート絶縁膜、およびメモリゲート電極MGの順で積層形成された構成を有し、当該メモリゲート電極MGにメモリゲート線MGLが接続されている。かかる構成でなるメモリゲート構造体4は、メモリゲート電極MGとメモリウェルMPWとの電圧差によって量子トンネル効果を発生させ、電荷蓄積層ECに電荷を注入したり、或いは、当該電荷蓄積層EC内から電荷を引き抜くようになされている。   The memory gate structure 4 on the memory well MPW between the first select gate structure 5 and the second select gate structure 6 includes a lower gate insulating film, a charge storage layer EC, an upper gate insulating film on the memory well MPW, The memory gate electrode MG is stacked in this order, and the memory gate line MGL is connected to the memory gate electrode MG. The memory gate structure 4 having such a configuration generates a quantum tunnel effect due to a voltage difference between the memory gate electrode MG and the memory well MPW, and injects charges into the charge storage layer EC, or within the charge storage layer EC. It is designed to pull out the charge from.

(2)メモリセルの詳細構成
ここで、図2はメモリセル2a(2b)の側断面構成を示す断面図である。実際上、図2に示すように、例えばメモリセル2aは、SiO等の絶縁基板20上にN型のディープウェル層DNWを介してP型のメモリウェルMPWが形成されており、N型のトランジスタ構造を形成するメモリゲート構造体4と、N型のMOS(Metal-Oxide-Semiconductor)トランジスタ構造を形成する第1選択ゲート構造体5と、同じくN型のMOSトランジスタ構造を形成する第2選択ゲート構造体6とが当該メモリウェルMPWに形成されている。
(2) Detailed Configuration of Memory Cell Here, FIG. 2 is a sectional view showing a side sectional configuration of the memory cell 2a (2b). In practice, as shown in FIG. 2, for example, in the memory cell 2a, a P-type memory well MPW is formed on an insulating substrate 20 such as SiO 2 via an N-type deep well layer DNW. A memory gate structure 4 that forms a transistor structure, a first selection gate structure 5 that forms an N-type MOS (Metal-Oxide-Semiconductor) transistor structure, and a second selection that also forms an N-type MOS transistor structure A gate structure 6 is formed in the memory well MPW.

実際上、メモリウェルMPWの表面には、第1選択ゲート構造体5の一端にあるドレイン領域31と、第2選択ゲート構造体6の一端にあるソース領域34とが所定距離を空けて形成されており、ドレイン領域31にビット線BL1が接続されているとともに、ソース領域34にソース線SLが接続されている。なお、この実施の形態の場合、ドレイン領域31およびソース領域34は、不純物濃度が1.0E21/cm3以上に選定されており、一方、メモリウェルMPWは、チャネル層CHが形成される表面領域(例えば、表面から50[nm]までの領域)の不純物濃度が1.0E19/cm3以下、好ましくは3.0E18/cm3以下に選定されている。 In practice, a drain region 31 at one end of the first select gate structure 5 and a source region 34 at one end of the second select gate structure 6 are formed on the surface of the memory well MPW with a predetermined distance. The bit line BL1 is connected to the drain region 31, and the source line SL is connected to the source region. In the case of this embodiment, the drain region 31 and the source region 34 are selected to have an impurity concentration of 1.0E21 / cm 3 or more, while the memory well MPW has a surface region (where the channel layer CH is formed) for example, the impurity concentration of the region) from the surface to 50 [nm] is 1.0E19 / cm 3 or less, preferably is selected to be 3.0E18 / cm 3 or less.

メモリゲート構造体4は、ドレイン領域31およびソース領域34間のメモリウェルMPW上に、SiO2等の絶縁部材からなる下部ゲート絶縁膜24aを介して、例えば窒化シリコン(Si3N4)や、酸窒化シリコン(SiON)、アルミナ(Al2O3)等でなる電荷蓄積層ECを有しており、さらに、この電荷蓄積層EC上に、同じく絶縁部材でなる上部ゲート絶縁膜24bを介してメモリゲート電極MGを有している。これによりメモリゲート構造体4は、下部ゲート絶縁膜24aおよび上部ゲート絶縁膜24bによって、電荷蓄積層ECがメモリウェルMPWおよびメモリゲート電極MGから絶縁された構成を有する。 The memory gate structure 4 is formed on the memory well MPW between the drain region 31 and the source region 34 via a lower gate insulating film 24a made of an insulating material such as SiO 2 , for example, silicon nitride (Si 3 N 4 ), It has a charge storage layer EC made of silicon oxynitride (SiON), alumina (Al 2 O 3 ), etc., and further on the charge storage layer EC via an upper gate insulating film 24b also made of an insulating member. It has a memory gate electrode MG. Thus, the memory gate structure 4 has a configuration in which the charge storage layer EC is insulated from the memory well MPW and the memory gate electrode MG by the lower gate insulating film 24a and the upper gate insulating film 24b.

メモリゲート構造体4には、絶縁部材でなる側壁スペーサ28aが一の側壁に沿って形成されており、当該側壁スペーサ28aを介して第1選択ゲート構造体5が隣接されている。このようなメモリゲート構造体4と第1選択ゲート構造体5との間に形成された側壁スペーサ28aは、所定の膜厚により形成されており、メモリゲート構造体4と、第1選択ゲート構造体5とを絶縁し得るようになされている。   A side wall spacer 28a made of an insulating member is formed along one side wall of the memory gate structure 4, and the first selection gate structure 5 is adjacent to the memory gate structure 4 via the side wall spacer 28a. The sidewall spacer 28a formed between the memory gate structure 4 and the first selection gate structure 5 is formed with a predetermined film thickness, and the memory gate structure 4 and the first selection gate structure The body 5 can be insulated.

また、第1選択ゲート構造体5は、側壁スペーサ28aとドレイン領域31間のメモリウェルMPW上に、絶縁部材でなり、かつ膜厚が9[nm]以下、好ましくは3[nm]以下でなる第1選択ゲート絶縁膜30が形成されており、当該第1選択ゲート絶縁膜30上に、第1選択ゲート線DGL1が接続された第1選択ゲート電極DGが形成されている。   The first selection gate structure 5 is an insulating member on the memory well MPW between the side wall spacer 28a and the drain region 31, and has a thickness of 9 [nm] or less, preferably 3 [nm] or less. A first selection gate insulating film 30 is formed, and a first selection gate electrode DG to which a first selection gate line DGL1 is connected is formed on the first selection gate insulating film 30.

ここで、メモリゲート構造体4および第1選択ゲート構造体5間が5[nm]未満のときには、メモリゲート電極MGや、第1選択ゲート電極DGに所定電圧が印加された際に側壁スペーサ28aに耐圧不良が生じる虞があり、一方、メモリゲート構造体4および第1選択ゲート構造体5間が40[nm]を超えたときには、メモリゲート電極MGおよび第1選択ゲート電極DG間でメモリウェルMPWでの抵抗が上がり、後述するデータ読み出し時に、メモリゲート構造体4および第1選択ゲート構造体5間で読み出し電流が生じ難くなる。よって、この実施の形態の場合、メモリゲート構造体4および第1選択ゲート構造体5間の側壁スペーサ28aは、5[nm]以上40[nm]以下の幅に選定されていることが望ましい。   Here, when the distance between the memory gate structure 4 and the first selection gate structure 5 is less than 5 [nm], the sidewall spacer 28a is applied when a predetermined voltage is applied to the memory gate electrode MG or the first selection gate electrode DG. On the other hand, when the memory gate structure 4 and the first select gate structure 5 exceed 40 [nm], the memory well between the memory gate electrode MG and the first select gate electrode DG The resistance at the MPW increases, and it becomes difficult for a read current to be generated between the memory gate structure 4 and the first selection gate structure 5 at the time of data reading described later. Therefore, in the case of this embodiment, the side wall spacer 28a between the memory gate structure 4 and the first selection gate structure 5 is preferably selected to have a width of 5 [nm] or more and 40 [nm] or less.

また、メモリゲート構造体4の他の側壁にも、絶縁部材でなる側壁スペーサ28bが形成されており、当該側壁スペーサ28bを介して第2選択ゲート構造体6が隣接されている。このようなメモリゲート構造体4と、第2選択ゲート構造体6との間に形成された側壁スペーサ28bも、一方の側壁スペーサ28aと同じ膜厚に形成されており、メモリゲート構造体4と、第2選択ゲート構造体6とを絶縁し得るようになされている。   A sidewall spacer 28b made of an insulating member is also formed on the other sidewall of the memory gate structure 4, and the second select gate structure 6 is adjacent to the sidewall spacer 28b via the sidewall spacer 28b. The side wall spacer 28b formed between the memory gate structure 4 and the second selection gate structure 6 is also formed with the same film thickness as the one side wall spacer 28a. The second select gate structure 6 can be insulated.

また、第2選択ゲート構造体6は、側壁スペーサ28bとソース領域34間のメモリウェルMPW上に、絶縁部材でなり、かつ膜厚が9[nm]以下、好ましくは3[nm]以下でなる第2選択ゲート絶縁膜33が形成されており、当該第2選択ゲート絶縁膜33上に、第2選択ゲート線SGLが接続された第2選択ゲート電極SGが形成されている。   The second selection gate structure 6 is an insulating member on the memory well MPW between the side wall spacer 28b and the source region 34, and has a thickness of 9 [nm] or less, preferably 3 [nm] or less. A second selection gate insulating film 33 is formed, and a second selection gate electrode SG connected to the second selection gate line SGL is formed on the second selection gate insulating film 33.

ここで、メモリゲート構造体4と第2選択ゲート構造体6との間が5[nm]未満のときには、メモリゲート電極MGや、第2選択ゲート電極SGに所定電圧が印加された際に側壁スペーサ28bに耐圧不良が生じる虞があり、一方、メモリゲート構造体4と第2選択ゲート構造体6間が40[nm]を超えたときには、メモリゲート電極MGおよび第2選択ゲート電極SG間でメモリウェルMPWでの抵抗が上がり、後述するデータ読み出し時に、メモリゲート構造体4および第2選択ゲート構造体6間で読み出し電流が生じ難くなる。よって、この実施の形態の場合、メモリゲート構造体4および第2選択ゲート構造体6間の側壁スペーサ28aも、5[nm]以上40[nm]以下の幅に選定されていることが望ましい。   Here, when the distance between the memory gate structure 4 and the second selection gate structure 6 is less than 5 [nm], the side walls when a predetermined voltage is applied to the memory gate electrode MG or the second selection gate electrode SG On the other hand, when the space between the memory gate structure 4 and the second selection gate structure 6 exceeds 40 [nm], there is a risk that a breakdown voltage failure may occur in the spacer 28b, between the memory gate electrode MG and the second selection gate electrode SG. The resistance in the memory well MPW is increased, and a read current is hardly generated between the memory gate structure 4 and the second selection gate structure 6 at the time of data reading described later. Therefore, in the case of this embodiment, it is desirable that the side wall spacer 28a between the memory gate structure 4 and the second selection gate structure 6 is also selected to have a width of 5 [nm] or more and 40 [nm] or less.

因みに、この実施の形態の場合、側壁スペーサ28a,28bを介してメモリゲート電極MGの側壁に沿って形成された第1選択ゲート電極DGおよび第2選択ゲート電極SGは、それぞれメモリゲート電極MGから離れるに従って頂上部がメモリウェルMPWに向けて下降してゆくようなサイドウォール状に形成されている。   Incidentally, in the case of this embodiment, the first selection gate electrode DG and the second selection gate electrode SG formed along the side wall of the memory gate electrode MG via the side wall spacers 28a and 28b are respectively connected to the memory gate electrode MG. As the distance increases, the top is formed in a side wall shape that descends toward the memory well MPW.

このような構成を有するメモリセル2a,2b,2c,2dは、フォトリソグラフィ技術、酸化やCVD等の成膜技術、エッチング技術およびイオン注入法等を利用した一般的な半導体製造プロセスにより形成できるため、ここではその説明は省略する。   The memory cells 2a, 2b, 2c, and 2d having such a configuration can be formed by a general semiconductor manufacturing process using a photolithography technique, a film forming technique such as oxidation or CVD, an etching technique, and an ion implantation method. The description is omitted here.

因みに、上述したサイドウォール状の第1選択ゲート電極DGおよび第2選択ゲート電極SGは、初めに側壁スペーサ28a,28bで覆われたメモリゲート電極MGをメモリウェルMPW上に形成した後、当該メモリゲート電極MG周辺の側壁スペーサ28a,28bを覆うようにメモリウェルMPW上に導電層を形成し、その後、当該導電層をエッチバックすることにより、メモリゲート電極MGの側壁の側壁スペーサ28a,28bに沿ってサイドウォール状に形成できる。   Incidentally, the first selection gate electrode DG and the second selection gate electrode SG having the sidewall shape described above are formed by first forming the memory gate electrode MG covered with the sidewall spacers 28a and 28b on the memory well MPW, and then By forming a conductive layer on the memory well MPW so as to cover the side wall spacers 28a and 28b around the gate electrode MG, and then etching back the conductive layer, the side wall spacers 28a and 28b on the side wall of the memory gate electrode MG are formed. It can be formed in a sidewall shape along.

このように、メモリゲート電極MGは、第1選択ゲート電極DGおよび第2選択ゲート電極SGよりも先に形成されている。また、第1選択ゲート電極DGおよび第2選択ゲート電極SGは、メモリゲート電極MGを形成する半導体製造プロセスよりも後の工程によって、メモリゲート電極MGとは別の導電層を用いて形成されている。   Thus, the memory gate electrode MG is formed before the first selection gate electrode DG and the second selection gate electrode SG. In addition, the first selection gate electrode DG and the second selection gate electrode SG are formed using a conductive layer different from the memory gate electrode MG by a process subsequent to the semiconductor manufacturing process for forming the memory gate electrode MG. Yes.

(3)書き込み選択メモリセルにおいて電荷蓄積層に電荷を注入させる動作原理について
次に、例えばメモリセル2aの電荷蓄積層ECに電荷を注入し、当該メモリセル2aにデータを書き込む場合について以下説明する。この場合、図2に示すように、電荷蓄積層ECに電荷を注入させるメモリセル(書き込み選択メモリセルとも呼ぶ)2aは、メモリゲート線MGLからメモリゲート構造体4のメモリゲート電極MGに12[V]の電荷蓄積ゲート電圧が印加され、当該メモリゲート電極MGと対向するメモリウェルMPWの表面に沿ってチャネル層CHが形成され得る。この際、第2選択ゲート構造体6には、第2選択ゲート線SGLから第2選択ゲート電極SGに0[V]のゲートオフ電圧が印加され、ソース線SLからソース領域34に0[V]のソースオフ電圧が印加され得る。これにより第2選択ゲート構造体6は、第2選択ゲート電極SGに対向したメモリウェルMPW表面にチャネル層が形成されることなく、ソース線SLが接続されたソース領域34と、メモリゲート構造体4のチャネル層CHとの電気的な接続を遮断し、ソース線SLからメモリゲート構造体4のチャネル層CHへの電圧印加を阻止し得る。
(3) Operation principle of injecting charge into charge storage layer in write selection memory cell Next, for example, a case where charge is injected into the charge storage layer EC of the memory cell 2a and data is written into the memory cell 2a will be described below. . In this case, as shown in FIG. 2, a memory cell (also referred to as a write selection memory cell) 2a for injecting charges into the charge storage layer EC is supplied from the memory gate line MGL to the memory gate electrode MG of the memory gate structure 4. The channel layer CH can be formed along the surface of the memory well MPW opposed to the memory gate electrode MG by applying the charge storage gate voltage of V]. At this time, a gate-off voltage of 0 [V] is applied to the second selection gate structure 6 from the second selection gate line SGL to the second selection gate electrode SG, and 0 [V] from the source line SL to the source region 34. Source off voltage can be applied. Thus, the second select gate structure 6 includes the source region 34 to which the source line SL is connected, the memory gate MPW, without the channel layer being formed on the surface of the memory well MPW facing the second select gate electrode SG. The electric connection with the four channel layers CH can be cut off, and the voltage application from the source line SL to the channel layer CH of the memory gate structure 4 can be blocked.

一方、第1選択ゲート構造体5には、第1選択ゲート線DGL1から第1選択ゲート電極DGに1.5[V]の第1選択ゲート電圧が印加され、ビット線BL1からドレイン領域31に0[V]の電荷蓄積ビット電圧が印加され得る。これにより第1選択ゲート構造体5は、第1選択ゲート電極DGと対向したメモリウェルMPWで導通状態となり、ビット線BL1が接続されたドレイン領域31と、メモリゲート構造体4のチャネル層CHとが電気的に接続して、メモリゲート構造体4のチャネル層CHを、電荷蓄積ビット電圧である0[V]にし得る。なお、この際、メモリウェルMPWには、電荷蓄積ビット電圧と同じ0[V]の基板電圧が印加され得る。   On the other hand, in the first selection gate structure 5, a first selection gate voltage of 1.5 [V] is applied from the first selection gate line DGL1 to the first selection gate electrode DG, and 0 [ V] charge storage bit voltage can be applied. As a result, the first select gate structure 5 becomes conductive in the memory well MPW facing the first select gate electrode DG, the drain region 31 to which the bit line BL1 is connected, the channel layer CH of the memory gate structure 4 and Can be electrically connected, and the channel layer CH of the memory gate structure 4 can be set to 0 [V] which is a charge storage bit voltage. At this time, the same substrate voltage of 0 [V] as the charge storage bit voltage can be applied to the memory well MPW.

かくして、メモリゲート構造体4では、メモリゲート電極MGが12[V]となり、チャネル層CHが0[V]になることから、メモリゲート電極MGおよびチャネル層CH間に12[V]の大きな電圧差(12[V])が生じ、これにより発生する量子トンネル効果によって電荷蓄積層EC内に電荷を注入し得、データが書き込まれた状態となり得る。   Thus, in the memory gate structure 4, since the memory gate electrode MG is 12 [V] and the channel layer CH is 0 [V], a large voltage of 12 [V] is generated between the memory gate electrode MG and the channel layer CH. A difference (12 [V]) is generated, and charges can be injected into the charge storage layer EC by the quantum tunnel effect generated thereby, and data can be written.

(4)高電圧の電荷蓄積ゲート電圧がメモリゲート電極に印加された書き込み非選択メモリセルにおいて、電荷蓄積層に電荷が注入されない動作原理について
ここで、図1に示す不揮発性半導体記憶装置1では、メモリゲート線MGLを全てのメモリセル2a,2b,2c,2cで共有していることから、例えば1行1列目にあるメモリセル2aの電荷蓄積層ECにのみ電荷を注入するため、メモリゲート線MGLに高電圧の電荷蓄積ゲート電圧を印加すると、電荷蓄積層ECに電荷を注入しない他のメモリセル(書き込み非選択メモリセルとも呼ぶ)2b,2c,2dにもメモリゲート線MGLを介して各メモリゲート電極MGに高電圧の電荷蓄積ゲート電圧が印加され得る。
(4) Regarding the operation principle in which charge is not injected into the charge storage layer in a write non-selected memory cell in which a high voltage charge storage gate voltage is applied to the memory gate electrode. Here, in the nonvolatile semiconductor memory device 1 shown in FIG. Since the memory gate line MGL is shared by all the memory cells 2a, 2b, 2c, 2c, for example, the memory is injected only into the charge storage layer EC of the memory cell 2a in the first row and the first column. When a high-voltage charge storage gate voltage is applied to the gate line MGL, other memory cells (also referred to as write non-selected memory cells) 2b, 2c, and 2d that do not inject charge into the charge storage layer EC also pass through the memory gate line MGL. Thus, a high voltage charge storage gate voltage can be applied to each memory gate electrode MG.

ここで、この際、電荷蓄積層ECに電荷を注入させない他のメモリセル2b,2c,2dでは、メモリゲート線MGLからメモリゲート電極MGに高電圧の電荷蓄積ゲート電圧が印加されても、従来のように、高電圧の電荷蓄積ゲート電圧に合わせてビット線BL1,BL2に高電圧のビット電圧を印加する必要がなく、第1選択ゲート構造体5によってビット線BL1とメモリゲート構造体4のチャネル層CHとの電気的な接続を遮断し、かつ第2選択ゲート構造体6によってソース線SLとメモリゲート構造体4のチャネル層CHとの電気的な接続を遮断するだけで、メモリゲート構造体4の電荷蓄積層ECへの電荷注入を阻止し得るようになされている。   Here, in this case, in other memory cells 2b, 2c, and 2d that do not inject charge into the charge storage layer EC, even if a high voltage charge storage gate voltage is applied from the memory gate line MGL to the memory gate electrode MG, Thus, there is no need to apply a high bit voltage to the bit lines BL1 and BL2 in accordance with the high voltage charge storage gate voltage, and the bit line BL1 and the memory gate structure 4 can be connected by the first selection gate structure 5. The memory gate structure is simply cut off from the electrical connection with the channel layer CH and the electrical connection between the source line SL and the channel layer CH of the memory gate structure 4 by the second selection gate structure 6. The charge injection into the charge storage layer EC of the body 4 can be prevented.

ここで、メモリセル2b,2c,2dのうち、1行2列目のメモリセル2bに着目すると、図2に示すように、この際、他のメモリセル2bのメモリゲート構造体4にも、メモリゲート線MGLからメモリゲート電極MGに12[V]の電荷蓄積ゲート電圧が印加されることから、電荷蓄積ゲート電圧がメモリウェルMPWまで伝わり、当該メモリゲート電極MGと対向するメモリウェルMPWの表面に沿ってチャネル層CHが形成され得る。   Here, focusing on the memory cell 2b in the first row and the second column among the memory cells 2b, 2c, and 2d, as shown in FIG. 2, the memory gate structure 4 of the other memory cell 2b is also Since a 12 [V] charge storage gate voltage is applied from the memory gate line MGL to the memory gate electrode MG, the charge storage gate voltage is transmitted to the memory well MPW, and the surface of the memory well MPW facing the memory gate electrode MG A channel layer CH may be formed along

このメモリセル2bの第2選択ゲート構造体6には、第2選択ゲート線SGLから第2選択ゲート電極SGに0[V]のゲートオフ電圧が印加され、ソース線SLからソース領域34に0[V]のソースオフ電圧が印加され得る。これによりメモリセル2bの第2選択ゲート構造体6は、第2選択ゲート電極SGに対向したメモリウェルMPWで非導通状態となり、ソース線SLが接続されたソース領域34と、メモリゲート構造体4のチャネル層CHとの電気的な接続を遮断し得る。   In the second select gate structure 6 of the memory cell 2b, a gate-off voltage of 0 [V] is applied from the second select gate line SGL to the second select gate electrode SG, and 0 [V] is applied from the source line SL to the source region 34. A source off voltage of V] can be applied. As a result, the second select gate structure 6 of the memory cell 2b becomes non-conductive at the memory well MPW facing the second select gate electrode SG, and the source region 34 to which the source line SL is connected and the memory gate structure 4 The electrical connection with the channel layer CH can be cut off.

また、これに加えて、このメモリセル2bの第1選択ゲート構造体5には、第1選択ゲート線DGL1から第1選択ゲート電極に1.5[V]の第1選択ゲート電圧が印加され、ビット線BL2からドレイン領域31に1.5[V]のオフ電圧が印加され得る。これにより、この第1選択ゲート構造体5は、第1選択ゲート電極DGに対向したメモリウェルMPWが非導通状態となり、ビット線BL2が接続されたドレイン領域31と、メモリゲート構造体4のチャネル層CHとの電気的な接続を遮断し得る。   In addition to this, a first selection gate voltage of 1.5 [V] is applied to the first selection gate structure 5 of the memory cell 2b from the first selection gate line DGL1 to the first selection gate electrode. An off voltage of 1.5 [V] can be applied to the drain region 31 from the line BL2. As a result, in this first select gate structure 5, the memory well MPW facing the first select gate electrode DG is turned off, the drain region 31 to which the bit line BL2 is connected, and the channel of the memory gate structure 4 The electrical connection with the layer CH can be interrupted.

このように、メモリセル2bのメモリゲート構造体4では、両側の第1選択ゲート構造体5および第2選択ゲート構造体6の下部でメモリウェルMPWが非導通状態となることから、メモリゲート電極MGによってメモリウェルMPW表面に形成されたチャネル層CHが、ドレイン領域31およびソース領域34との電気的な接続が遮断された状態となり、当該チャネル層CHの周辺に空乏層Dが形成され得る。   As described above, in the memory gate structure 4 of the memory cell 2b, the memory well MPW is in a non-conducting state under the first selection gate structure 5 and the second selection gate structure 6 on both sides. The channel layer CH formed on the surface of the memory well MPW by MG is in a state where the electrical connection between the drain region 31 and the source region 34 is cut off, and the depletion layer D can be formed around the channel layer CH.

ここで、上部ゲート絶縁膜24b、電荷蓄積層EC、および下部ゲート絶縁膜24aの3層の構成により得られる容量(以下、ゲート絶縁膜容量と呼ぶ)C2と、メモリウェルMPW内に形成され、かつチャネル層CHを囲う空乏層Dの容量(以下、空乏層容量と呼ぶ)C1とについては、図3に示すように、ゲート絶縁膜容量C2と、空乏層容量C1とが直列接続された構成と見なすことができ、例えばゲート絶縁膜容量C2が空乏層容量C1の3倍の容量であると仮定すると、チャネル層CHのチャネル電位Vchは、下記の式から求めることができる。   Here, a capacitance (hereinafter referred to as a gate insulating film capacitance) C2 obtained by the three-layer configuration of the upper gate insulating film 24b, the charge storage layer EC, and the lower gate insulating film 24a is formed in the memory well MPW. As for the capacity of depletion layer D (hereinafter referred to as depletion layer capacity) C1 surrounding channel layer CH, as shown in FIG. 3, gate insulating film capacity C2 and depletion layer capacity C1 are connected in series. For example, assuming that the gate insulating film capacitance C2 is three times the depletion layer capacitance C1, the channel potential Vch of the channel layer CH can be obtained from the following equation.

Figure 0006266688
Figure 0006266688

従って、この実施の形態の場合、メモリウェルMPWの基板電圧CVが0[V]であり、メモリゲート電極MGのメモリゲート電圧MVが12[V]であることから、下記の式のようにチャネル電位Vchは9[V]となる。   Therefore, in this embodiment, the substrate voltage CV of the memory well MPW is 0 [V], and the memory gate voltage MV of the memory gate electrode MG is 12 [V]. The potential Vch is 9 [V].

Figure 0006266688
Figure 0006266688

これにより、メモリゲート構造体4では、メモリゲート電極MGに12[V]の電荷蓄積ゲート電圧が印加されても、メモリウェルMPWで空乏層Dに囲まれたチャネル層CHのチャネル電位Vchが9[V]となることから、メモリゲート電極MGおよびチャネル層CH間の電圧差が3[V]と小さくなり、その結果、量子トンネル効果が発生することなく、電荷蓄積層ECへの電荷注入を阻止し得る。   Thus, in the memory gate structure 4, even when a charge storage gate voltage of 12 [V] is applied to the memory gate electrode MG, the channel potential Vch of the channel layer CH surrounded by the depletion layer D in the memory well MPW is 9 Therefore, the voltage difference between the memory gate electrode MG and the channel layer CH is as small as 3 [V]. As a result, charge injection into the charge storage layer EC can be performed without the quantum tunnel effect. Can be blocked.

これに加えて、このメモリセル2bでは、メモリゲート構造体4と、第1選択ゲート構造体5との間のメモリウェルMPWの領域に、不純物濃度が高い不純物拡散領域が形成されていないことから、メモリウェルMPW表面周辺に形成されたチャネル層CHの周辺に空乏層Dを確実に形成し得、当該空乏層Dによってチャネル層CHから第1選択ゲート絶縁膜30へのチャネル電位Vchの到達を阻止し得る。   In addition, in this memory cell 2b, an impurity diffusion region having a high impurity concentration is not formed in the memory well MPW region between the memory gate structure 4 and the first selection gate structure 5. The depletion layer D can be reliably formed around the channel layer CH formed around the surface of the memory well MPW, and the channel potential Vch can reach the first selection gate insulating film 30 from the channel layer CH by the depletion layer D. Can be blocked.

これにより、第1選択ゲート構造体5では、ビット線BL2からドレイン領域31に印加される低電圧のビット電圧に合せて、第1選択ゲート絶縁膜30の膜厚を薄く形成しても、チャネル層CHのチャネル電位Vchが空乏層Dで遮断されることから、チャネル電位Vchによる第1選択ゲート絶縁膜30の絶縁破壊を防止し得る。   As a result, in the first select gate structure 5, even if the first select gate insulating film 30 is thinly formed in accordance with the low voltage applied to the drain region 31 from the bit line BL2, the channel Since the channel potential Vch of the layer CH is blocked by the depletion layer D, the dielectric breakdown of the first select gate insulating film 30 due to the channel potential Vch can be prevented.

また、これに加えて、メモリゲート構造体4と第2選択ゲート構造体6との間のメモリウェルMPWの領域にも、不純物濃度が高い不純物拡散領域が形成されていないことから、メモリウェルMPW表面周辺に形成されたチャネル層CHの周辺に空乏層Dを確実に形成し得、当該空乏層Dによってチャネル層CHから第2選択ゲート絶縁膜33へのチャネル電位Vchの到達を阻止し得る。   In addition, since the impurity diffusion region having a high impurity concentration is not formed in the region of the memory well MPW between the memory gate structure 4 and the second selection gate structure 6, the memory well MPW The depletion layer D can be reliably formed around the channel layer CH formed around the surface, and the depletion layer D can prevent the channel potential Vch from reaching the second selection gate insulating film 33 from the channel layer CH.

これにより、第2選択ゲート構造体6でも、ソース線SLからソース領域34に印加される低電圧のソース電圧に合せて、第2選択ゲート絶縁膜33の膜厚を薄くしても、チャネル層CHのチャネル電位Vchが空乏層Dで遮断されることから、チャネル電位Vchによる第2選択ゲート絶縁膜33の絶縁破壊を防止し得る。   As a result, even in the second selection gate structure 6, even if the film thickness of the second selection gate insulating film 33 is reduced in accordance with the low source voltage applied from the source line SL to the source region 34, the channel layer Since the channel potential Vch of CH is blocked by the depletion layer D, the dielectric breakdown of the second select gate insulating film 33 due to the channel potential Vch can be prevented.

なお、書き込み選択メモリセル2aや、書き込み非選択メモリセル2bにおいて上記動作を実行する際には、動作が開始される時点でのチャネル電位が、メモリセル2a,2bでの電荷の蓄積状態によって変化する虞がある。そのため、書き込み動作の前にビット線BL1,BL2またはソース線SLの電位を例えば0[V]とし、第1選択ゲート電極DGまたは第2選択ゲート電極SGを例えば1.5[V]とし、さらにメモリゲート電極MGを例えば1.5[V]として、メモリセル2a,2b,2c,2dのチャネル電位をビット線BL1,BL2またはソース線SLの電位に揃える動作を加えることがより望ましい。その場合はチャネル電位を揃えた後、第1選択ゲート電極DGまたは第2選択ゲート電極SGを0[V]のゲートオフ電圧に戻してから書き込み動作に移れば良い。   When the above operation is executed in the write selected memory cell 2a or the write non-selected memory cell 2b, the channel potential at the start of the operation varies depending on the charge accumulation state in the memory cells 2a and 2b. There is a risk of doing. Therefore, before the write operation, the potential of the bit lines BL1, BL2 or the source line SL is set to, for example, 0 [V], the first selection gate electrode DG or the second selection gate electrode SG is set to, for example, 1.5 [V], and the memory gate More preferably, the electrode MG is set to 1.5 [V], for example, and an operation of aligning the channel potentials of the memory cells 2a, 2b, 2c, and 2d with the potentials of the bit lines BL1 and BL2 or the source line SL is added. In that case, after the channel potentials are aligned, the first selection gate electrode DG or the second selection gate electrode SG is returned to the gate-off voltage of 0 [V], and then the write operation is started.

(5)不揮発性半導体記憶装置における各種動作時における電圧について
ここで、図4は、本発明の不揮発性半導体記憶装置1において、例えばメモリセル2aの電荷蓄積層ECに電荷を注入するデータ書き込み動作時(「Prog」)、メモリセル2aの電荷蓄積層ECに電荷が蓄積されているか否かのデータ読み出し動作時(「Read」)、およびメモリセル2a,2cの電荷蓄積層EC内の電荷を引き抜くデータ消去動作時(「Erase」)における各部位の電圧値について纏めた表である。
(5) Voltage during Various Operations in Nonvolatile Semiconductor Memory Device Here, FIG. 4 shows a data write operation for injecting charge into, for example, the charge storage layer EC of the memory cell 2a in the nonvolatile semiconductor memory device 1 of the present invention. (“Prog”), during a data read operation (“Read”) on whether or not charges are stored in the charge storage layer EC of the memory cell 2a, and the charges in the charge storage layer EC of the memory cells 2a and 2c 6 is a table summarizing voltage values of respective parts during a data erasing operation (“Erase”).

ここで、図4中の「Read」の欄は、データ読み出し動作時における電圧値を示しており、この場合、例えばデータを読み出すメモリセル2aが配置された選択列では、第2選択ゲート線SGLに1.5[V]の第2選択ゲート電圧が印加され、ソース線SLに0[V]のソース電圧が印加されることにより、当該メモリセル2aの第2選択ゲート構造体6を設けた領域のメモリウェルMPWが導通状態となり、ソース線SLと、メモリゲート構造体4のチャネル層CHとが電気的に接続した状態となり得る。また、この際、データを読み出すメモリセル2aの第1選択ゲート構造体5に接続された第1選択ゲート線DGL1には1.5[V]の第1選択ゲート電圧が印加され、当該第1選択ゲート構造体5に隣接するドレイン領域31に接続されたビット線BL1には、1.5[V]の読み出し電圧が印加され得る。   Here, the column “Read” in FIG. 4 indicates the voltage value during the data read operation. In this case, for example, in the selected column in which the memory cell 2a for reading data is arranged, the second select gate line SGL A second selection gate voltage of 1.5 [V] is applied to the source line SL, and a source voltage of 0 [V] is applied to the source line SL, whereby the second selection gate structure 6 of the memory cell 2a is provided. The memory well MPW becomes conductive, and the source line SL and the channel layer CH of the memory gate structure 4 can be electrically connected. At this time, a first selection gate voltage of 1.5 [V] is applied to the first selection gate line DGL1 connected to the first selection gate structure 5 of the memory cell 2a from which data is read, and the first selection gate A read voltage of 1.5 [V] can be applied to the bit line BL1 connected to the drain region 31 adjacent to the structure 5.

さらに、データを読み出すメモリセル2aのメモリゲート構造体4には、メモリゲート線MGLからメモリゲート電極MGに0[V]が印加され得る。この際、データを読み出すメモリセル2aにおいて、メモリゲート構造体4の電荷蓄積層ECに電荷が蓄積されている場合(データが書き込まれている場合)には、メモリゲート構造体4下部のメモリウェルMPWにて非導通状態となり、当該メモリゲート構造体4によって、第1選択ゲート構造体5と、第2選択ゲート構造体6との電気的な接続が遮断され得る。これにより、データを読み出すメモリセル2aでは、第1選択ゲート構造体5と隣接するドレイン領域に接続されたビット線BL1での1.5[V]の読み出し電圧がそのまま維持され得る。   Further, 0 [V] can be applied from the memory gate line MGL to the memory gate electrode MG in the memory gate structure 4 of the memory cell 2a from which data is read. At this time, in the memory cell 2a from which data is read, when charges are accumulated in the charge accumulation layer EC of the memory gate structure 4 (when data is written), the memory well below the memory gate structure 4 The MPW becomes non-conductive, and the memory gate structure 4 can cut off the electrical connection between the first select gate structure 5 and the second select gate structure 6. Thereby, in the memory cell 2a from which data is read, the read voltage of 1.5 [V] on the bit line BL1 connected to the drain region adjacent to the first select gate structure 5 can be maintained as it is.

一方、データを読み出すメモリセル2aにおいて、メモリゲート構造体4の電荷蓄積層ECに電荷が蓄積されていない場合(データが書き込まれていない場合)には、メモリゲート構造体4下部のメモリウェルMPWが導通状態となり、メモリゲート構造体4を介して第1選択ゲート構造体5と第2選択ゲート構造体6とが電気的に接続され、その結果、メモリセル2aを介して0[V]のソース線SLと、1.5[V]のビット線BL1とが電気的に接続する。これにより、データを読み出すメモリセル2aでは、ビット線BL1の読み出し電圧が、0[V]のソース線SLに印加されることにより、ビット線BL1に印加されている1.5[V]の読み出し電圧が低下する。かくして、不揮発性半導体記憶装置1では、ビット線BL1の読み出し電圧が変化したか否かを検知することにより、メモリセル2aの電荷蓄積層ECに電荷が蓄積されているか否かのデータを読み出すことができる。   On the other hand, in the memory cell 2a from which data is read, when no charge is accumulated in the charge accumulation layer EC of the memory gate structure 4 (when data is not written), the memory well MPW below the memory gate structure 4 Is in a conductive state, and the first selection gate structure 5 and the second selection gate structure 6 are electrically connected via the memory gate structure 4, and as a result, 0 [V] is supplied via the memory cell 2a. The source line SL is electrically connected to the 1.5 [V] bit line BL1. Thus, in the memory cell 2a that reads data, the read voltage of the bit line BL1 is applied to the source line SL of 0 [V], so that the read voltage of 1.5 [V] applied to the bit line BL1 is increased. descend. Thus, in the nonvolatile semiconductor memory device 1, data indicating whether or not charges are accumulated in the charge accumulation layer EC of the memory cell 2a is read by detecting whether or not the read voltage of the bit line BL1 has changed. Can do.

なお、1.5[V]の読み出し電圧が印加されたビット線BL1に接続され、かつデータを読み出さないメモリセル2c(図1)では、図4の「非選択行」のように、第1選択ゲート線DGL1に0[V]が印加され、第1選択ゲート構造体5下部のメモリウェルMPWが非導通状態となることにより、電荷蓄積層ECにおける電荷の蓄積状態がビット線BL1の読み出し電圧に影響を与えることを防止し得る。   In the memory cell 2c (FIG. 1) that is connected to the bit line BL1 to which a read voltage of 1.5 [V] is applied and that does not read data, the first selection gate as shown in “non-selected row” in FIG. When 0 [V] is applied to the line DGL1 and the memory well MPW below the first select gate structure 5 is turned off, the charge accumulation state in the charge accumulation layer EC affects the read voltage of the bit line BL1. Can be prevented.

因みに、図4の「Erase」の欄は、不揮発性半導体記憶装置1におけるメモリセル2a,2cの電荷蓄積層EC内の電荷を引き抜くデータの消去動作時の電圧値を示す。この場合、各メモリセル2a,2cのメモリゲート構造体4には、メモリゲート線MGLからメモリゲート電極MGに、-12[V]のメモリゲート電圧が印加されることで、0[V]のメモリウェルMPWに向けて電荷蓄積層EC内の電荷が引き抜かれてデータが消去され得る。   Incidentally, the column “Erase” in FIG. 4 shows a voltage value at the time of data erasing operation for extracting charges in the charge storage layer EC of the memory cells 2 a and 2 c in the nonvolatile semiconductor memory device 1. In this case, a memory gate voltage of -12 [V] is applied to the memory gate structure 4 of each memory cell 2a, 2c from the memory gate line MGL to the memory gate electrode MG. Data in the charge storage layer EC can be extracted toward the memory well MPW to erase data.

なお、図4の「Prog」の欄は、メモリセル2aの電荷蓄積層ECに電荷を注入するときの電圧値(「選択列」および「選択行」)と、メモリセル2aの電荷蓄積層ECに電荷を注入しないときの電圧値(「非選択列」または「非選択行」)とを示し、上述した「(3)書き込み選択メモリセルにおいて電荷蓄積層に電荷を注入させる動作原理について」および「(4)高電圧の電荷蓄積ゲート電圧がメモリゲート電極に印加された書き込み非選択メモリセルにおいて、電荷蓄積層に電荷が注入しない動作原理について」と説明が重複する部分があるためここではその説明は省略する。   Note that the column “Prog” in FIG. 4 indicates the voltage value (“selected column” and “selected row”) when the charge is injected into the charge storage layer EC of the memory cell 2a, and the charge storage layer EC of the memory cell 2a. Indicates the voltage value (“non-selected column” or “non-selected row”) when no charge is injected, and “(3) Operation principle for injecting charge into the charge storage layer in the write selected memory cell” described above and “(4) In the write non-selected memory cell in which a high voltage charge storage gate voltage is applied to the memory gate electrode, there is an overlapping explanation with respect to the operation principle that charges are not injected into the charge storage layer”. Description is omitted.

(6)本発明のメモリセルにおける電荷蓄積層の構成について
ここで、図2との対応部分に同一符号を付して示す図5Aは、比較例1であるメモリセル100を示し、メモリゲート電極MGおよび第1選択ゲート電極DG間にある側壁スペーサ102内にも電荷蓄積層EC1が形成されている点で、図2に示した本発明のメモリセル2aとは相違している。なお、図5Aは、メモリゲート電極MGおよび第1選択ゲート電極DG間の電荷蓄積層EC1だけを図示しているが、メモリゲート電極MGおよび第2選択ゲート電極SG(図5Aでは図示せず)間の側壁スペーサ内にも同様に電荷蓄積層が形成されている。
(6) Configuration of Charge Storage Layer in Memory Cell of the Present Invention Here, FIG. 5A in which the same reference numerals are assigned to the corresponding parts to FIG. 2 shows the memory cell 100 which is Comparative Example 1, and the memory gate electrode The memory cell 2a is different from the memory cell 2a of the present invention shown in FIG. 2 in that the charge storage layer EC1 is also formed in the sidewall spacer 102 between the MG and the first selection gate electrode DG. FIG. 5A shows only the charge storage layer EC1 between the memory gate electrode MG and the first selection gate electrode DG, but the memory gate electrode MG and the second selection gate electrode SG (not shown in FIG. 5A). Similarly, charge storage layers are formed in the side wall spacers therebetween.

実際上、比較例に示す電荷蓄積層EC1は、メモリゲート電極MGの下部の領域ER1に設けられた電荷蓄積層ECの末端から、メモリゲート電極MGおよび第1選択ゲート電極DG間の領域にまで延びた後、直角に屈折してメモリゲート電極MGおよび第1選択ゲート電極DG間の側壁スペーサ102内でメモリゲート電極MGの側壁に沿って延びた構成を有する。   In practice, the charge storage layer EC1 shown in the comparative example extends from the end of the charge storage layer EC provided in the region ER1 below the memory gate electrode MG to the region between the memory gate electrode MG and the first selection gate electrode DG. After extending, it is refracted at a right angle and extends along the side wall of the memory gate electrode MG in the side wall spacer 102 between the memory gate electrode MG and the first selection gate electrode DG.

このような電荷蓄積層EC,EC1を有した比較例1のメモリセル100では、メモリゲート電極MGと、メモリウェルMPW表面のチャネル層(図示せず)との電圧差によって生じる量子トンネル効果により、メモリウェルMPWから電荷蓄積層EC内に電荷が注入され得る。しかしながら、図5Aとの対応部分に同一符号を付して示す図5Bのように、比較例1のメモリセル100では、時間経過に伴い、電荷蓄積層EC内の電荷が、メモリゲート電極MGおよび第1選択ゲート電極DG間にある電荷蓄積層EC1内にまで次第に拡散してゆき、電荷蓄積層ECだけでなく、メモリゲート電極MGおよび第1選択ゲート電極DG間におけるメモリウェルMPWの領域ER2直上の電荷蓄積層EC1内にまで電荷が蓄積された状態となる虞がある。   In the memory cell 100 of Comparative Example 1 having such charge storage layers EC and EC1, due to the quantum tunnel effect caused by the voltage difference between the memory gate electrode MG and the channel layer (not shown) on the surface of the memory well MPW, Charges can be injected from the memory well MPW into the charge storage layer EC. However, as shown in FIG. 5B in which parts corresponding to those in FIG. 5A are denoted by the same reference numerals, in the memory cell 100 of Comparative Example 1, the charges in the charge storage layer EC are changed over time to the memory gate electrode MG and It gradually diffuses into the charge storage layer EC1 between the first selection gate electrodes DG and directly above the region ER2 of the memory well MPW between the memory gate electrode MG and the first selection gate electrode DG as well as the charge storage layer EC. There is a possibility that the charge is accumulated in the charge accumulation layer EC1.

このように、比較例1のメモリセル100では、メモリゲート電極MGおよび第1選択ゲート電極DG間におけるメモリウェルMPWの領域ER2直上の電荷蓄積層EC1内にまで電荷が蓄積された状態になってしまうと、メモリゲート電極MGおよび第1選択ゲート電極DG間におけるメモリウェルMPWの領域ER2での抵抗が上がってしまうことから、読み出し動作においてメモリ電流が低下してしまい、読み出し性能が向上し難く高速動作させ難いという問題があった。   As described above, in the memory cell 100 of Comparative Example 1, the charge is stored up to the charge storage layer EC1 immediately above the region ER2 of the memory well MPW between the memory gate electrode MG and the first selection gate electrode DG. As a result, the resistance in the region ER2 of the memory well MPW between the memory gate electrode MG and the first selection gate electrode DG is increased, so that the memory current is reduced in the read operation, and the read performance is difficult to improve. There was a problem that it was difficult to operate.

これに対して、本発明のメモリセル2aでは、図6に示すように、メモリゲート電極MGがメモリウェルMPWと対向している領域ER1にだけ電荷蓄積層ECを設けており、メモリゲート電極MGおよび第1選択ゲート電極DG間の側壁スペーサ28a内や、メモリゲート電極MGおよび第2選択ゲート電極SG(図6において図示せず)間の側壁スペーサ28b内にも電荷蓄積層を設けないように構成されている。   On the other hand, in the memory cell 2a of the present invention, as shown in FIG. 6, the charge storage layer EC is provided only in the region ER1 where the memory gate electrode MG faces the memory well MPW. Also, a charge storage layer is not provided in the side wall spacer 28a between the first select gate electrode DG and in the side wall spacer 28b between the memory gate electrode MG and the second select gate electrode SG (not shown in FIG. 6). It is configured.

これにより、メモリセル2aは、電荷蓄積層EC内に電荷が注入されたとき、側壁スペーサ28a,28bによって、電荷蓄積層EC内の電荷が第1選択ゲート電極DGや第2選択ゲート電極SGの近傍にまで到達することなく、メモリゲート電極MGの下部の領域ER1に留めることができ、メモリゲート電極MGおよび第1選択ゲート電極DG間におけるメモリウェルMPWの領域ER2直上での電荷蓄積を防止できる。かくして、メモリセル2aでは、メモリゲート電極MGおよび第1選択ゲート電極DG間におけるメモリウェルMPWの領域ER2における抵抗値を低抵抗状態に維持し得、読み出し性能を向上させ高速動作させることができる。   Thus, when charge is injected into the charge storage layer EC, the memory cell 2a causes the side wall spacers 28a and 28b to transfer the charge in the charge storage layer EC to the first selection gate electrode DG and the second selection gate electrode SG. Without reaching the vicinity, it is possible to stay in the region ER1 below the memory gate electrode MG and to prevent charge accumulation immediately above the region ER2 of the memory well MPW between the memory gate electrode MG and the first selection gate electrode DG. . Thus, in the memory cell 2a, the resistance value in the region ER2 of the memory well MPW between the memory gate electrode MG and the first selection gate electrode DG can be maintained in a low resistance state, and the read performance can be improved and the memory cell 2a can be operated at high speed.

(7)作用および効果
以上の構成において、メモリセル2aでは、ドレイン領域31およびソース領域34間のメモリウェルMPW上に、下部ゲート絶縁膜24a、電荷蓄積層EC、上部ゲート絶縁膜24bおよびメモリゲート電極MGの順で積層形成されたメモリゲート構造体4を備え、メモリゲート構造体4の一の側壁に側壁スペーサ28aを介して第1選択ゲート構造体5を形成し、当該メモリゲート構造体4の他の側壁に側壁スペーサ28bを介して第2選択ゲート構造体6を形成するようにした。
(7) Operation and Effect In the above configuration, in the memory cell 2a, the lower gate insulating film 24a, the charge storage layer EC, the upper gate insulating film 24b, and the memory gate are formed on the memory well MPW between the drain region 31 and the source region 34. The memory gate structure 4 is stacked in the order of the electrodes MG, the first selection gate structure 5 is formed on one side wall of the memory gate structure 4 via the side wall spacer 28a, and the memory gate structure 4 The second select gate structure 6 is formed on the other side wall via the side wall spacer 28b.

第1選択ゲート構造体5は、ビット線BL1が接続されたドレイン領域31と、メモリゲート構造体4の側壁に設けた一の側壁スペーサ28aとの間のメモリウェルMPW上に、第1選択ゲート絶縁膜30を介して第1選択ゲート電極DGを形成するようにした。一方、第2選択ゲート構造体6は、ソース線SLが接続されたソース領域34と、メモリゲート構造体4の側壁に設けた他の側壁スペーサ28bとの間のメモリウェルMPW上に、第2選択ゲート絶縁膜33を介して第2選択ゲート電極SGを形成するようにした。   The first selection gate structure 5 includes a first selection gate on the memory well MPW between the drain region 31 to which the bit line BL1 is connected and one sidewall spacer 28a provided on the sidewall of the memory gate structure 4. The first selection gate electrode DG is formed through the insulating film 30. On the other hand, the second select gate structure 6 has a second region on the memory well MPW between the source region 34 to which the source line SL is connected and the other side wall spacer 28b provided on the side wall of the memory gate structure 4. The second selection gate electrode SG is formed via the selection gate insulating film 33.

これに加えてメモリセル2aでは、電荷蓄積層ECに電荷を注入させないとき、電荷蓄積層ECへの電荷注入に必要な電荷蓄積ゲート電圧がメモリゲート電極MGに印加され、メモリゲート電極MGが対向したメモリウェルMPW表面にチャネル層CHが形成されても、第1選択ゲート構造体5によりドレイン領域31およびチャネル層CHの電気的な接続を遮断し、かつ、第2選択ゲート構造体6によりソース領域34およびチャネル層CHの電気的な接続も遮断するようにした。   In addition to this, in the memory cell 2a, when no charge is injected into the charge storage layer EC, the charge storage gate voltage necessary for the charge injection into the charge storage layer EC is applied to the memory gate electrode MG, and the memory gate electrode MG is opposed. Even if the channel layer CH is formed on the surface of the memory well MPW, the electrical connection between the drain region 31 and the channel layer CH is cut off by the first selection gate structure 5 and the source by the second selection gate structure 6 The electrical connection between the region 34 and the channel layer CH is also cut off.

これにより、メモリセル2aでは、チャネル層CH周辺に空乏層Dが形成されるとともに、電荷蓄積ゲート電圧に基づいてチャネル層CHのチャネル電位Vchが上昇し、メモリゲート電極MGおよびチャネル層CH間の電圧差が小さくなり、電荷蓄積層EC内への電荷注入を阻止しつつ、空乏層Dによってチャネル層CHから第1選択ゲート絶縁膜30および第2選択ゲート絶縁膜33への電圧印加を遮断できる。   As a result, in the memory cell 2a, a depletion layer D is formed around the channel layer CH, and the channel potential Vch of the channel layer CH rises based on the charge storage gate voltage, so that the memory cell electrode MG and the channel layer CH are between. The depletion layer D can block the voltage application from the channel layer CH to the first selection gate insulating film 30 and the second selection gate insulating film 33 while reducing the voltage difference and preventing charge injection into the charge storage layer EC. .

従って、メモリセル2aでは、量子トンネル効果によって電荷蓄積層ECに電荷を注入するのに必要な高電圧の電荷蓄積ゲート電圧に拘束されることなく、第1選択ゲート構造体5および第2選択ゲート構造体6で、ビット線BL1およびチャネル層CHの電気的な接続や、ソース線SLおよびチャネル層CHの電気的な接続を遮断するのに必要な電圧値にまで、ビット線BL1およびソース線SLの電圧値を下げることができる。かくして、メモリセル2aでは、これらビット線BL1およびソース線SLでの電圧低減に合せて、第1選択ゲート構造体5の第1選択ゲート絶縁膜30の膜厚や、第2選択ゲート構造体6の第2選択ゲート絶縁膜33の膜厚を薄くでき、その分、高速動作を実現し得る。   Therefore, in the memory cell 2a, the first selection gate structure 5 and the second selection gate are not constrained by the high voltage charge storage gate voltage necessary for injecting charges into the charge storage layer EC by the quantum tunnel effect. In the structure 6, the bit line BL1 and the source line SL are brought to a voltage value necessary to cut off the electrical connection between the bit line BL1 and the channel layer CH and the electrical connection between the source line SL and the channel layer CH. The voltage value of can be lowered. Thus, in the memory cell 2a, the thickness of the first selection gate insulating film 30 of the first selection gate structure 5 and the second selection gate structure 6 are adjusted in accordance with the voltage reduction in the bit line BL1 and the source line SL. The thickness of the second select gate insulating film 33 can be reduced, and high speed operation can be realized accordingly.

また、本発明のメモリセル2aでは、ビット線BL1やソース線SLに印加される電圧を低減できるため、メモリセル2aを制御する周辺回路においても電界効果トランジスタのゲート絶縁膜の膜厚も薄くでき、その分、周辺回路の面積を小さくできる。   In the memory cell 2a of the present invention, the voltage applied to the bit line BL1 and the source line SL can be reduced, so that the gate insulating film thickness of the field effect transistor can be reduced even in the peripheral circuit that controls the memory cell 2a. Accordingly, the area of the peripheral circuit can be reduced.

なお、メモリセル2a,2b,2c,2dが行列状に設けられた不揮発性半導体記憶装置1は、図1に示すように、ビット電圧印加回路10、第1選択ゲート電圧印加回路11、メモリゲート電圧印加回路13、第2選択ゲート電圧印加回路14、ソース電圧印加回路15、および基板電圧印加回路17が設けられているが、例えばメモリセル2aの電荷蓄積層ECに電荷を注入する際や、メモリセル2a,2b,2c,2dの各電荷蓄積層ECから電荷を引き抜く際等の全ての動作時で、ビット線BL1,BL2や、第1選択ゲート線DGL1,DGL2、ソース線SL、第2選択ゲート線SGLに印加する電圧値を1.5[V]以下に留めることができる。   As shown in FIG. 1, the nonvolatile semiconductor memory device 1 in which the memory cells 2a, 2b, 2c, and 2d are arranged in a matrix includes a bit voltage application circuit 10, a first selection gate voltage application circuit 11, and a memory gate. A voltage application circuit 13, a second selection gate voltage application circuit 14, a source voltage application circuit 15, and a substrate voltage application circuit 17 are provided.For example, when injecting charges into the charge storage layer EC of the memory cell 2a, The bit lines BL1, BL2, the first select gate lines DGL1, DGL2, the source line SL, the second, in all operations such as when the charge is extracted from each charge storage layer EC of the memory cells 2a, 2b, 2c, 2d The voltage value applied to the selection gate line SGL can be kept at 1.5 [V] or less.

従って、本発明の不揮発性半導体記憶装置1は、ビット電圧印加回路10や、第1選択ゲート電圧印加回路11、第2選択ゲート電圧印加回路14、メモリゲート電圧印加回路13、ソース電圧印加回路15、基板電圧印加回路17の各周辺回路の他、例えば動作電圧の最大値が1.5[V]に設定されたCPU(Central Processing Unit)やASIC(Application-Specific Integrated Circuit)、ロジック回路、入出力回路等その他種々の周辺回路を、メモリセル2a,2b,2c,2dやビット電圧印加回路10等とともに、1つの半導体基板上に混載させることができる。   Therefore, the nonvolatile semiconductor memory device 1 of the present invention includes the bit voltage application circuit 10, the first selection gate voltage application circuit 11, the second selection gate voltage application circuit 14, the memory gate voltage application circuit 13, and the source voltage application circuit 15 In addition to the peripheral circuits of the substrate voltage application circuit 17, for example, a CPU (Central Processing Unit), an ASIC (Application-Specific Integrated Circuit), a logic circuit, and an input / output circuit whose maximum operating voltage is set to 1.5 [V] Various other peripheral circuits and the like can be mixedly mounted on one semiconductor substrate together with the memory cells 2a, 2b, 2c, 2d, the bit voltage application circuit 10, and the like.

この場合、本発明の不揮発性半導体記憶装置1では、例えばメモリセル2a,2b,2c,2dに形成される第1選択ゲート絶縁膜30および第2選択ゲート絶縁膜33の膜厚が、これら周辺回路を構成する電界効果トランジスタのゲート絶縁膜の膜厚のうち、最も薄い膜厚以下に選定されており、かつ第1選択ゲート絶縁膜30および第2選択ゲート絶縁膜33の膜厚が、ビット線BL1,BL2に接続されたビット電圧印加回路10を構成する電界効果トランジスタのゲート絶縁膜と、ソース線SLに接続されたソース電圧印加回路15を構成する電界効果トランジスタのゲート絶縁膜との膜厚と同じ膜厚に形成されていることが望ましい。   In this case, in the nonvolatile semiconductor memory device 1 of the present invention, for example, the film thicknesses of the first selection gate insulating film 30 and the second selection gate insulating film 33 formed in the memory cells 2a, 2b, 2c, 2d The film thickness of the gate insulating film of the field-effect transistor constituting the circuit is selected to be the thinnest or less, and the film thickness of the first selection gate insulating film 30 and the second selection gate insulating film 33 is the bit A film of the gate insulating film of the field effect transistor constituting the bit voltage application circuit 10 connected to the lines BL1 and BL2 and the gate insulating film of the field effect transistor constituting the source voltage application circuit 15 connected to the source line SL It is desirable that the film thickness be the same as the thickness.

これにより、本発明の不揮発性半導体記憶装置1では、周辺回路を混載させた半導体基板上で第1選択ゲート絶縁膜30および第2選択ゲート絶縁膜33の各膜厚を薄くした分、高速動作を実現し得、さらにメモリセル2a,2b,2c,2dの周辺に配置される周辺回路の面積も小さくできる。   As a result, in the nonvolatile semiconductor memory device 1 of the present invention, the first select gate insulating film 30 and the second select gate insulating film 33 are thinned on the semiconductor substrate on which the peripheral circuit is embedded, so that the high speed operation is achieved. Further, the area of the peripheral circuit arranged around the memory cells 2a, 2b, 2c, 2d can be reduced.

ここで、図2に示した本発明のメモリセル2aについて、図2との対応部分に同一符号を付して示す図7Aのようなメモリセル201を用いて説明する。図7Aに示すメモリセル201は、比較例2であり、メモリゲート構造体204および第1選択ゲート構造体205間にあるメモリウェルMPWの表面に不純物拡散領域207aが形成され、同じくメモリゲート構造体4および第2選択ゲート構造体206間にあるメモリウェルMPWの表面にも不純物拡散領域207bが形成されている点で、上述した図2に示すメモリセル2aとは相違している。   Here, the memory cell 2a of the present invention shown in FIG. 2 will be described with reference to a memory cell 201 as shown in FIG. The memory cell 201 shown in FIG. 7A is a comparative example 2 in which an impurity diffusion region 207a is formed on the surface of the memory well MPW between the memory gate structure 204 and the first selection gate structure 205, and the memory gate structure This is different from the memory cell 2a shown in FIG. 2 described above in that an impurity diffusion region 207b is also formed on the surface of the memory well MPW between the fourth and second selection gate structures 206.

この場合、比較例2のメモリセル201では、電荷蓄積層ECに電荷を注入しないとき、上述した実施の形態と同様に、メモリゲート電極MGに12[V]の電荷蓄積ゲート電圧が印加されると、メモリゲート電極MGと対向したメモリウェルMPW表面に、電荷蓄積ゲート電圧に基づいて電位が上昇したチャネル層CHが形成される。   In this case, in the memory cell 201 of Comparative Example 2, when no charge is injected into the charge storage layer EC, a charge storage gate voltage of 12 [V] is applied to the memory gate electrode MG, as in the above-described embodiment. Then, a channel layer CH whose potential is increased based on the charge storage gate voltage is formed on the surface of the memory well MPW facing the memory gate electrode MG.

しかしながら、比較例2のメモリセル201では、チャネル層CHが形成されるメモリウェルMPWよりも不純物濃度が高い不純物拡散領域207a,207bが、メモリゲート構造体204両側のメモリウェルMPW表面に形成されていることから、チャネル層CHのチャネル電位が、不純物拡散領域207a,207bを介して第1選択ゲート絶縁膜30や第2選択ゲート絶縁膜33にまで印加されてしまう。   However, in the memory cell 201 of Comparative Example 2, impurity diffusion regions 207a and 207b having a higher impurity concentration than the memory well MPW in which the channel layer CH is formed are formed on the surface of the memory well MPW on both sides of the memory gate structure 204. Therefore, the channel potential of the channel layer CH is applied to the first selection gate insulating film 30 and the second selection gate insulating film 33 through the impurity diffusion regions 207a and 207b.

そのため、比較例2のメモリセル201では、第1選択ゲート絶縁膜30や第2選択ゲート絶縁膜33の膜厚を薄くすると、不純物拡散領域207a,207bから印加されたチャネル電位によって、第1選択ゲート絶縁膜30や第2選択ゲート絶縁膜33が絶縁破壊されてしまう虞があるという問題がある。   Therefore, in the memory cell 201 of Comparative Example 2, when the film thickness of the first selection gate insulating film 30 and the second selection gate insulating film 33 is reduced, the first selection is performed by the channel potential applied from the impurity diffusion regions 207a and 207b. There is a problem that the gate insulating film 30 and the second selection gate insulating film 33 may be broken down.

これに対して、本発明のメモリセル2aでは、図2と同様の構成を示す図7Bのように、メモリゲート構造体4および第1選択ゲート構造体5間にあるメモリウェルMPW表面や、メモリゲート構造体4および第2選択ゲート構造体6間にあるメモリウェルMPW表面に、不純物拡散領域が形成されておらず、チャネル層CHが形成されるメモリウェルと同じ不純物拡散濃度になっていることから、チャネル層CH周辺に形成された幅DW1の空乏層によって、チャネル層CHのチャネル電位Vchが電界緩和され、チャネル層CHから第1選択ゲート絶縁膜30や第1選択ゲート絶縁膜33へのチャネル電位Vchの印加を遮断し得る。   On the other hand, in the memory cell 2a of the present invention, the surface of the memory well MPW between the memory gate structure 4 and the first selection gate structure 5, as shown in FIG. No impurity diffusion region is formed on the surface of the memory well MPW between the gate structure 4 and the second selection gate structure 6, and the impurity diffusion concentration is the same as that of the memory well in which the channel layer CH is formed. Thus, the channel potential Vch of the channel layer CH is relaxed by the depletion layer having the width DW1 formed around the channel layer CH, and the channel layer CH is transferred to the first selection gate insulating film 30 and the first selection gate insulating film 33. Application of the channel potential Vch can be cut off.

かくして、本発明のメモリセル2aでは、チャネル層CHから第1選択ゲート絶縁膜30や第2選択ゲート絶縁膜33へのチャネル電位Vchの印加を確実に遮断できることから、ビット線BL1やソース線SLから印加する低電圧の電圧に合わせて、第1選択ゲート絶縁膜30や第2選択ゲート絶縁膜33の膜厚を薄くしても、第1選択ゲート絶縁膜30や第2選択ゲート絶縁膜33における絶縁破壊を防止し得る。   Thus, in the memory cell 2a of the present invention, the application of the channel potential Vch from the channel layer CH to the first selection gate insulating film 30 and the second selection gate insulating film 33 can be reliably blocked, so that the bit line BL1 and the source line SL Even if the film thickness of the first selection gate insulating film 30 and the second selection gate insulating film 33 is reduced in accordance with the low voltage applied from the first selection gate insulating film 30 and the second selection gate insulating film 33 Insulation breakdown can be prevented.

因みに、この際、空乏層の幅DW1は、第1選択ゲート絶縁膜30や第2選択ゲート絶縁膜33の膜厚よりも厚く形成することで、図7Aに示した比較例2のメモリセル201の場合に比して、第1選択ゲート絶縁膜30や第2選択ゲート絶縁膜33にかかる電界を約半分以下にまで抑制し得る。なお、この場合、例えば、図4に示すように各動作時におけるビット線BL1およびソース線SLに印加される電圧の最大電圧値を1.5[V]以下に抑えることでるので、第1選択ゲート絶縁膜30や第2選択ゲート絶縁膜33の膜厚を9[nm]以下に形成できる。   Incidentally, at this time, the width DW1 of the depletion layer is formed larger than the thickness of the first selection gate insulating film 30 and the second selection gate insulating film 33, so that the memory cell 201 of the comparative example 2 shown in FIG. Compared to the case, the electric field applied to the first selection gate insulating film 30 and the second selection gate insulating film 33 can be suppressed to about half or less. In this case, for example, as shown in FIG. 4, since the maximum voltage value of the voltage applied to the bit line BL1 and the source line SL in each operation is suppressed to 1.5 [V] or less, the first selection gate insulation The film 30 and the second select gate insulating film 33 can be formed to a thickness of 9 [nm] or less.

(8)他の実施の形態
なお、本発明は、本実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨の範囲内で種々の変形実施が可能であり、例えば、メモリウェルにおいて、チャネル層CHが形成される表面領域の不純物濃度を3E18/cm3以下としてもよい。ここで、図7Bとの対応部分に同一符号を付して示す図7Cは、チャネル層CHが形成される表面領域の不純物濃度が3E18/cm3以下でなるメモリウェルMPW1により形成された本発明のメモリセル41を示す。
(8) Other Embodiments The present invention is not limited to this embodiment, and various modifications are possible within the scope of the present invention. For example, in a memory well, a channel layer The impurity concentration of the surface region where CH is formed may be 3E18 / cm 3 or less. Here, FIG. 7C, in which the same reference numerals are assigned to the parts corresponding to FIG. 7B, shows the present invention formed by the memory well MPW1 in which the impurity concentration of the surface region where the channel layer CH is formed is 3E18 / cm 3 or less The memory cell 41 is shown.

この場合でも、上述した実施の形態と同様に、メモリセル41では、メモリゲート電極MGに高電圧の電荷蓄積ゲート電圧が印加され、メモリゲート電極MGと対向したメモリウェルMPW1表面にチャネル層CHが形成されても、第1選択ゲート構造体5および第2選択ゲート構造体6が対向したメモリウェルMPW1を非導通状態にさせることにより、メモリゲート構造体4が対向したメモリウェルMPW1表面に形成されたチャネル層CH周辺に空乏層(図示せず)を形成し得、電荷蓄積層ECへの電荷注入を阻止し得る。   Even in this case, similarly to the above-described embodiment, in the memory cell 41, a high-voltage charge storage gate voltage is applied to the memory gate electrode MG, and the channel layer CH is formed on the surface of the memory well MPW1 facing the memory gate electrode MG. Even if formed, the memory gate structure MP4 is formed on the surface of the opposed memory well MPW1 by bringing the memory well MPW1 opposed to the first selection gate structure 5 and the second selection gate structure 6 into a non-conductive state. In addition, a depletion layer (not shown) can be formed around the channel layer CH, and charge injection into the charge storage layer EC can be prevented.

この際、不純物濃度が3E18/cm3以下でなるメモリウェルMPW1を用いたメモリセル41では、チャネル層CH周辺に形成される空乏層の幅DW2が延び、空乏層の幅DW2が延びた分だけ第1選択ゲート絶縁膜30や第2選択ゲート絶縁膜33にかかる電界を緩和でき、かくして、第1選択ゲート絶縁膜30や第2選択ゲート絶縁膜33の膜厚を一段と薄く形成し得る。例えば、不純物濃度が3E18/cm3以下でなるメモリウェルMPW1に形成したメモリセル41では、チャネル層CH周辺に空乏層を形成させた際に第1選択ゲート絶縁膜30や第2選択ゲート絶縁膜33にかかる電界を、不純物濃度が1.0E19/cm3でなるメモリウェルMPWを用いたメモリセル2a(図2)の場合に比して、1/4程度にまで低減できるので、第1選択ゲート絶縁膜30や第2選択ゲート絶縁膜33の膜厚を3[nm]以下に形成できる。 At this time, in the memory cell 41 using the memory well MPW1 having an impurity concentration of 3E18 / cm 3 or less, the width DW2 of the depletion layer formed around the channel layer CH is extended, and the width DW2 of the depletion layer is extended. The electric field applied to the first selection gate insulating film 30 and the second selection gate insulating film 33 can be relaxed, and thus the first selection gate insulating film 30 and the second selection gate insulating film 33 can be made thinner. For example, in the memory cell 41 formed in the memory well MPW1 having an impurity concentration of 3E18 / cm 3 or less, when the depletion layer is formed around the channel layer CH, the first selection gate insulating film 30 and the second selection gate insulating film Since the electric field applied to 33 can be reduced to about 1/4 compared to the memory cell 2a (FIG. 2) using the memory well MPW having an impurity concentration of 1.0E19 / cm 3 , the first selection gate The thickness of the insulating film 30 and the second select gate insulating film 33 can be formed to 3 [nm] or less.

因みに、第1選択ゲート電極DGと第2選択ゲート電極SGとの間のメモリウェルMPW1は、表面から50[nm]までの領域の不純物濃度が3E18/cm3以下であればよく、これにより、空乏層の形成によってチャネル層CHから第1選択ゲート絶縁膜30や第2選択ゲート絶縁膜33にかかる電界を緩和でき、第1選択ゲート絶縁膜30や第2選択ゲート絶縁膜33の膜厚を3[nm]以下に形成できる。 Incidentally, the memory well MPW1 between the first selection gate electrode DG and the second selection gate electrode SG only needs to have an impurity concentration of 3E18 / cm 3 or less in a region from the surface to 50 [nm]. By forming the depletion layer, the electric field applied from the channel layer CH to the first selection gate insulating film 30 and the second selection gate insulating film 33 can be relaxed, and the film thickness of the first selection gate insulating film 30 and the second selection gate insulating film 33 can be reduced. It can be formed below 3 [nm].

なお、上述した実施の形態においては、P型のメモリウェルMPWを用いて、N型のトランジスタ構造を形成するメモリゲート構造体4と、N型のMOSトランジスタ構造を形成する第1選択ゲート構造体5と、同じくN型のMOSトランジスタ構造を形成する第1選択ゲート構造体6と設けるようにした場合について述べたが、本発明はこれに限らず、N型のメモリウェルを用いて、P型のトランジスタ構造を形成するメモリゲート構造体と、P型のMOSトランジスタ構造を形成する第1選択ゲート構造体と、同じくP型のMOSトランジスタ構造を形成する第2選択ゲート構造体と設けるようにしてよい。   In the above-described embodiment, the P-type memory well MPW is used to form the memory gate structure 4 that forms the N-type transistor structure and the first selection gate structure that forms the N-type MOS transistor structure. 5 and the case where the first selection gate structure 6 that also forms the N-type MOS transistor structure is provided. However, the present invention is not limited to this, and the N-type memory well is used to form the P-type. A memory gate structure for forming the transistor structure, a first selection gate structure for forming the P-type MOS transistor structure, and a second selection gate structure for forming the P-type MOS transistor structure. Good.

この場合、上述した実施の形態にて説明したメモリセル2aとはN型およびP型の極性が逆になることから、メモリゲート構造体や、第1選択ゲート構造体、第2選択ゲート構造体、ビット線、ソース線に印加する各電圧もそれに応じて変化する。しかしながら、この場合でも、上述した実施の形態と同様に、メモリゲート電極に印加される電荷蓄積ゲート電圧に拘束されることなく、ビット線およびソース線に印加する電圧を、第1選択ゲート構造体および第2選択ゲート構造体の領域でメモリウェルを非導通状態とさせるのに必要な電圧値にまで下げることができる。よって、この場合でも、これらビット線およびソース線の電圧値を低減できるので、第1選択ゲート構造体の第1選択ゲート絶縁膜や、第2選択ゲート構造体の第2選択ゲート絶縁膜の膜厚を薄くでき、その分、高速動作を実現し得、また、周辺回路の面積も小さくできる。   In this case, since the N-type and P-type polarities are opposite to those of the memory cell 2a described in the above embodiment, the memory gate structure, the first selection gate structure, and the second selection gate structure The voltages applied to the bit line and the source line also change accordingly. However, even in this case, as in the above-described embodiment, the voltage applied to the bit line and the source line is not restricted by the charge storage gate voltage applied to the memory gate electrode. In the region of the second selection gate structure, the voltage can be lowered to a voltage value necessary to make the memory well nonconductive. Therefore, even in this case, since the voltage values of these bit lines and source lines can be reduced, the first selection gate insulating film of the first selection gate structure and the second selection gate insulating film of the second selection gate structure The thickness can be reduced, and accordingly, high-speed operation can be realized, and the area of the peripheral circuit can be reduced.

さらに、上述した実施の形態においては、メモリセル2aの電荷蓄積層ECに電荷を注入することでデータを書き込み、当該電荷蓄積層ECの電荷を引き抜くことでデータを消去する場合について述べたが、本発明はこれに限らず、これとは逆に、メモリセル2aの電荷蓄積層EC内の電荷を引き抜くことでデータを書き込み、当該電荷蓄積層EC内に電荷を注入することでデータを消去するようにしてもよい。   Furthermore, in the above-described embodiment, a case has been described in which data is written by injecting charges into the charge storage layer EC of the memory cell 2a, and data is erased by extracting charges from the charge storage layer EC. The present invention is not limited to this, and conversely, data is written by extracting charges in the charge storage layer EC of the memory cell 2a, and data is erased by injecting charges into the charge storage layer EC. You may do it.

さらに、本発明の不揮発性半導体記憶装置1は、上述した図4に示す電圧値に限定されるものではなく、メモリゲート構造体4にて量子トンネル効果により電荷蓄積層ECに電荷を注入したり、或いは、第1選択ゲート構造体5および第2選択ゲート構造体6の領域でメモリウェルMPWを非導通状態にして、メモリゲート構造体4を設けたメモリウェルMPWでチャネル層CH周辺に空乏層Dを形成し、かつ電荷蓄積層ECへの電荷注入を阻止できれば、その他種々の電圧値を用いてもよい。また、データ読み出し動作時における各部位の電圧値についても、メモリセル2a,2b,2c,2dの電荷蓄積層ECに電荷が蓄積されているか否かの情報を読み出すことができれば、その他種々の電圧値を用いてもよい。   Furthermore, the nonvolatile semiconductor memory device 1 of the present invention is not limited to the voltage value shown in FIG. 4 described above, and the memory gate structure 4 injects charges into the charge storage layer EC by the quantum tunnel effect. Alternatively, the memory well MPW is made non-conductive in the regions of the first selection gate structure 5 and the second selection gate structure 6, and the depletion layer is formed around the channel layer CH in the memory well MPW provided with the memory gate structure 4. Other various voltage values may be used as long as D is formed and charge injection into the charge storage layer EC can be prevented. In addition, regarding the voltage value of each part during the data read operation, various other voltages can be used as long as information on whether or not charges are accumulated in the charge accumulation layer EC of the memory cells 2a, 2b, 2c, and 2d can be read. A value may be used.

1 不揮発性半導体記憶装置
2a,2b,2c,2d メモリセル
4 メモリゲート構造体
5 第1選択ゲート構造体
6 第2選択ゲート構造体
30 第1選択ゲート絶縁膜
31 ドレイン領域
33 第2選択ゲート絶縁膜
34 ソース領域
CH チャネル層
D 空乏層
BL1,BL2 ビット線
SL ソース線
MGL メモリゲート線
DGL1,DGL2 第1選択ゲート線
SGL 第2選択ゲート線
MPW,MPW1 メモリウェル
MG メモリゲート電極
DG 第1選択ゲート電極
SG 第2選択ゲート電極
EC 電荷蓄積層
1 Nonvolatile semiconductor memory device
2a, 2b, 2c, 2d memory cells
4 Memory gate structure
5 First selection gate structure
6 Second selection gate structure
30 First selection gate insulating film
31 Drain region
33 Second selection gate insulating film
34 Source area
CH channel layer
D depletion layer
BL1, BL2 bit line
SL source line
MGL memory gate line
DGL1, DGL2 First selection gate line
SGL Second selection gate line
MPW, MPW1 Memory well
MG memory gate electrode
DG first selection gate electrode
SG Second selection gate electrode
EC charge storage layer

Claims (2)

第1選択トランジスタ、メモリトランジスタ、および第2選択トランジスタの順に直列に接続され、行列状に配置された複数のメモリセルと、
メモリセル列で共有され、かつ前記第1選択トランジスタのドレイン領域に接続されたビット線と、
メモリセル行で共有され、かつ前記第1選択トランジスタの第1選択ゲート電極に接続された第1選択ゲート線と、
前記第2選択トランジスタの第2選択ゲート電極に接続された第2選択ゲート線と、
前記第2選択トランジスタのソース領域に接続されたソース線と、
前記行列状に配置された複数のメモリセルで共有され、かつ前記メモリトランジスタのメモリゲート電極に接続された1本のメモリゲート線とを備え、
前記1本のメモリゲート線は、互いに電気的に接続された、一のメモリセル行で共有された一のメモリゲート線と、他のメモリセル行で共有された他のメモリゲート線とを含み、
前記メモリトランジスタの電荷蓄積層に電荷を注入させない書き込み非選択メモリセルでは、
量子トンネル効果によって前記電荷蓄積層に電荷を注入するのに必要な電荷蓄積ゲート電圧が前記メモリゲート電極に印加され、前記メモリゲート電極が対向したメモリウェル表面にチャネル層が形成され、
前記第1選択ゲート電極に1.5[V]以下の第1選択ゲート電圧が印加され、前記ドレイン領域に1.5[V]以下のオフ電圧が印加されることで、前記ドレイン領域および前記チャネル層の電気的な接続が遮断され、かつ、前記第2選択ゲート電極に0[V]のゲートオフ電圧が印加され、前記ソース領域に0[V]のソースオフ電圧が印加されることで、前記ソース領域および前記チャネル層の電気的な接続が遮断され、前記電荷蓄積ゲート電圧に基づいてチャネル電位が上昇した前記チャネル層を囲うように空乏層が形成され、前記メモリゲート電極および前記チャネル層間の電圧差を小さくして前記電荷蓄積層内への電荷注入を阻止する
ことを特徴とする不揮発性半導体記憶装置。
A plurality of memory cells connected in series in the order of a first selection transistor, a memory transistor, and a second selection transistor, and arranged in a matrix;
A bit line shared by memory cell columns and connected to the drain region of the first select transistor;
A first selection gate line shared by memory cell rows and connected to a first selection gate electrode of the first selection transistor;
A second selection gate line connected to a second selection gate electrode of the second selection transistor;
A source line connected to a source region of the second selection transistor;
A memory gate line shared by a plurality of memory cells arranged in a matrix and connected to a memory gate electrode of the memory transistor;
The one memory gate line includes one memory gate line that is electrically connected to each other and shared by one memory cell row, and another memory gate line that is shared by other memory cell rows. See
In a write non-selected memory cell in which charge is not injected into the charge storage layer of the memory transistor,
A charge storage gate voltage required to inject charges into the charge storage layer by a quantum tunnel effect is applied to the memory gate electrode, and a channel layer is formed on the memory well surface opposed to the memory gate electrode,
A first selection gate voltage of 1.5 [V] or lower is applied to the first selection gate electrode, and an off voltage of 1.5 [V] or lower is applied to the drain region, so that the electric potential of the drain region and the channel layer is increased. Is connected to the second selection gate electrode, and a gate-off voltage of 0 [V] is applied to the source region. A depletion layer is formed so as to surround the channel layer in which electrical connection between the channel layer is cut off and a channel potential is increased based on the charge storage gate voltage, and a voltage difference between the memory gate electrode and the channel layer is reduced. A nonvolatile semiconductor memory device, wherein the nonvolatile semiconductor memory device is reduced to prevent charge injection into the charge storage layer .
第1選択トランジスタ、メモリトランジスタ、および第2選択トランジスタの順に直列に接続され、行列状に配置された複数のメモリセルと、
メモリセル列で共有され、かつ前記第1選択トランジスタのドレイン領域に接続されたビット線と、
メモリセル行で共有され、かつ前記第1選択トランジスタの第1選択ゲート電極に接続された第1選択ゲート線と、
前記第2選択トランジスタの第2選択ゲート電極に接続された第2選択ゲート線と、
前記第2選択トランジスタのソース領域に接続されたソース線と、
前記行列状に配置された複数のメモリセルで共有され、かつ前記メモリトランジスタのメモリゲート電極に接続された1本のメモリゲート線とを備え、
前記1本のメモリゲート線は、互いに電気的に接続された、一のメモリセル行で共有された一のメモリゲート線と、他のメモリセル行で共有された他のメモリゲート線とを含み、
前記メモリトランジスタの電荷蓄積層に電荷を注入させる書き込み選択メモリセルでは、
量子トンネル効果によって前記電荷蓄積層に電荷を注入するのに必要な電荷蓄積ゲート電圧が前記メモリゲート電極に印加され、前記メモリゲート電極が対向したメモリウェル表面にチャネル層が形成され、
前記第1選択ゲート電極に1.5[V]以下の第1選択ゲート電圧が印加され、前記ドレイン領域に0[V]の電荷蓄積ビット電圧が印加されることで、前記ドレイン領域および前記チャネル層が電気的に接続され、かつ、前記第2選択ゲート電極に0[V]のゲートオフ電圧が印加され、前記ソース領域に0[V]のソースオフ電圧が印加されることで、前記ソース領域および前記チャネル層の電気的な接続が遮断され、前記電荷蓄積ゲート電圧と前記電荷蓄積ビット電圧との電圧差により前記電荷蓄積層に電荷を注入する
ことを特徴とする不揮発性半導体記憶装置。
A plurality of memory cells connected in series in the order of a first selection transistor, a memory transistor, and a second selection transistor, and arranged in a matrix;
A bit line shared by memory cell columns and connected to the drain region of the first select transistor;
A first selection gate line shared by memory cell rows and connected to a first selection gate electrode of the first selection transistor;
A second selection gate line connected to a second selection gate electrode of the second selection transistor;
A source line connected to a source region of the second selection transistor;
A memory gate line shared by a plurality of memory cells arranged in a matrix and connected to a memory gate electrode of the memory transistor;
The one memory gate line includes one memory gate line that is electrically connected to each other and shared by one memory cell row, and another memory gate line that is shared by other memory cell rows. ,
In the write selection memory cell in which charge is injected into the charge storage layer of the memory transistor,
A charge storage gate voltage required to inject charges into the charge storage layer by a quantum tunnel effect is applied to the memory gate electrode, and a channel layer is formed on the memory well surface opposed to the memory gate electrode,
A first selection gate voltage of 1.5 [V] or less is applied to the first selection gate electrode, and a charge accumulation bit voltage of 0 [V] is applied to the drain region, so that the drain region and the channel layer are Electrically connected, and a gate-off voltage of 0 [V] is applied to the second selection gate electrode, and a source-off voltage of 0 [V] is applied to the source region, whereby the source region and the source region electrical connection of the channel layer is blocked, the charge storage gate voltage and the charge storage bit voltage to inject nonvolatile semiconductor memory device you wherein the charge on the charge storage layer by voltage difference.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5687118A (en) * 1995-11-14 1997-11-11 Programmable Microelectronics Corporation PMOS memory cell with hot electron injection programming and tunnelling erasing
JP4834897B2 (en) * 2000-05-02 2011-12-14 ソニー株式会社 Nonvolatile semiconductor memory device and operation method thereof
JP4058232B2 (en) * 2000-11-29 2008-03-05 株式会社ルネサステクノロジ Semiconductor device and IC card
JP2005142354A (en) * 2003-11-06 2005-06-02 Matsushita Electric Ind Co Ltd Non-volatile semiconductor storage device, its driving method, and manufacturing method
JP2009054707A (en) * 2007-08-24 2009-03-12 Renesas Technology Corp Semiconductor storage device, and manufacturing method thereof
JP2010278314A (en) * 2009-05-29 2010-12-09 Renesas Electronics Corp Semiconductor device and method of manufacturing the same
JP2011129816A (en) * 2009-12-21 2011-06-30 Renesas Electronics Corp Semiconductor device
JP5524632B2 (en) * 2010-01-18 2014-06-18 ルネサスエレクトロニクス株式会社 Semiconductor memory device
JP5538024B2 (en) * 2010-03-29 2014-07-02 ルネサスエレクトロニクス株式会社 Nonvolatile semiconductor memory device
KR101979299B1 (en) * 2012-12-26 2019-09-03 에스케이하이닉스 주식회사 Nonvolatile memory device and method of fabricating the same

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