JP6783447B2 - Data writing method for non-volatile semiconductor storage device - Google Patents
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Description
本発明は、不揮発性半導体記憶装置のデータ書き込み方法に関する。 The present invention relates to a data writing method for a non-volatile semiconductor storage device.
従来の不揮発性半導体記憶装置として、MONOS(Metal-Oxide-Nitride-Oxide-Semiconductor)型メモリトランジスタが行列状に配置された不揮発性半導体記憶装置が知られている(例えば、特許文献1参照)。このような不揮発性半導体記憶装置では、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、一方、当該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る。 As a conventional non-volatile semiconductor storage device, a non-volatile semiconductor storage device in which MONOS (Metal-Oxide-Nitride-Oxide-Semiconductor) type memory transistors are arranged in a matrix is known (see, for example, Patent Document 1). In such a non-volatile semiconductor storage device, data is written by injecting a charge into the charge storage layer, while data is erased by extracting the charge in the charge storage layer.
実際上、電荷蓄積層に電荷を注入する場合には、選択トランジスタを介し、ビット線からメモリトランジスタのウェルに低電圧の書き込み電圧を印加するとともに、ゲート電極に高電圧の電荷蓄積ゲート電圧を印加し、ウェルとゲート電極との電位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する。 In practice, when injecting charge into the charge storage layer, a low voltage write voltage is applied from the bit line to the wells of the memory transistor and a high charge charge storage gate voltage is applied to the gate electrode via the selection transistor. Then, the charge is injected into the charge storage layer by the quantum tunnel effect generated by the potential difference between the well and the gate electrode.
このような従来の不揮発性半導体記憶装置では、高電圧の電荷蓄積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、書き込み選択メモリセルの電荷蓄積層に電荷を注入するためのメモリゲート電圧が、当該メモリゲート線を共有する書き込み非選択メモリセルにも印加されてしまう。 In such a conventional non-volatile semiconductor storage device, a memory gate line to which a high voltage charge storage gate voltage is applied is shared by a plurality of memory cells. Therefore, the memory gate voltage for injecting charge into the charge storage layer of the write selection memory cell is also applied to the write non-selection memory cell sharing the memory gate line.
当該書き込み非選択メモリセルの電荷蓄積層に電荷が注入されないようにするために、選択トランジスタを介し、ビット線からメモリトランジスタのウェルに高電圧の書き込み阻止電圧が印加されるようにし、ウェルとゲート電極との間の電位差を小さくし、その結果、量子トンネル効果が生じないようにしている。 In order to prevent charge from being injected into the charge storage layer of the write-unselected memory cell, a high write-blocking voltage is applied from the bit line to the well of the memory transistor via the selection transistor, and the well and gate are used. The potential difference between the electrodes is small, and as a result, the quantum tunneling effect is prevented.
このように、従来の不揮発性半導体記憶装置では、書き込み非選択メモリセルの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、ビット線からウェルに高電圧の書き込み阻止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選択トランジスタの選択ゲート絶縁膜を、高電圧の書き込み阻止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。 As described above, in the conventional non-volatile semiconductor storage device, in order to prevent charge injection into the charge storage layer of the write-unselected memory cell, a high voltage is applied from the bit line to the well in accordance with the high voltage memory gate voltage. It was necessary to apply a write blocking voltage. Therefore, in a memory cell having such a configuration, it is necessary to thicken the selection gate insulating film of the selection transistor connected to the bit line so as to withstand a high write-blocking voltage, and the high-speed operation can be performed accordingly. There was a problem that it was difficult to realize.
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得る不揮発性半導体記憶装置のデータ書き込み方法を提案することを目的とする。 Therefore, the present invention has been made in consideration of the above points, and an object of the present invention is to propose a data writing method of a non-volatile semiconductor storage device capable of realizing higher speed operation than before.
かかる課題を解決するため、本発明による不揮発性半導体記憶装置のデータ書き込み方法では、第1選択トランジスタ、電荷蓄積層を備えた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、前記メモリトランジスタのメモリゲート電極に接続されたメモリゲート線と、を備えた不揮発性半導体記憶装置のデータ書き込み方法であって、前記電荷蓄積層に量子トンネル効果によって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線から前記メモリゲート電極に印加され、かつ前記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、前記ビット線および前記第1選択ゲート線に印加した電圧により前記第1選択トランジスタをオフ状態にさせて前記メモリトランジスタと前記ビット線との接続を遮断するとともに、前記ソース線および前記第2選択ゲート線に印加した電圧により前記第2選択トランジスタをオフ状態にさせて前記メモリトランジスタと前記ソース線との接続を遮断することで、前記メモリゲート電極直下のメモリウェルに空乏層を形成し、前記メモリゲート電極および前記メモリウェル間を、量子トンネル効果が発生しない電圧差として、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。 In order to solve such a problem, in the data writing method of the non-volatile semiconductor storage device according to the present invention, the first selection transistor, the memory transistor provided with the charge storage layer, and the second selection transistor are connected in series in this order to form a matrix. A bit line shared by a plurality of arranged memory cells, a memory cell column, and connected to the drain region of the first selection transistor, and a memory cell row, and the first selection of the first selection transistor. The first selection gate wire connected to the gate electrode, the second selection gate wire connected to the second selection gate electrode of the second selection transistor, and the source line connected to the source region of the second selection transistor. A data writing method for a non-volatile semiconductor storage device including a memory gate wire connected to a memory gate electrode of the memory transistor, which is necessary for injecting a charge into the charge storage layer by a quantum tunnel effect. In a write-non-selective memory cell in which a charge storage gate voltage is applied from the memory gate line to the memory gate electrode and no charge is injected into the charge storage layer, the voltage applied to the bit line and the first selection gate line causes the charge storage gate voltage. The first selection transistor is turned off to cut off the connection between the memory transistor and the bit line, and the second selection transistor is turned off by the voltage applied to the source line and the second selection gate line. By cutting off the connection between the memory transistor and the source line, a depleted layer is formed in the memory well immediately below the memory gate electrode, and the quantum tunnel effect does not occur between the memory gate electrode and the memory well. The voltage difference is characterized by preventing charge injection into the charge storage layer.
本発明によれば、メモリトランジスタのメモリウェルに空乏層を形成することにより量子トンネル効果による書き込みを阻止するため、電荷蓄積ゲート電圧に拘束されずに、ビット線、ソース線および第1選択ゲート線および第2選択ゲート線に印加される電圧を、第1選択トランジスタおよび第2選択トランジスタをオン・オフ動作し得る電圧値にまで低減できるので、その分、第1選択トランジスタおよび第2選択トランジスタのゲート絶縁膜の膜厚を薄くでき、従来よりも高速動作を実現し得る。 According to the present invention, since writing by the quantum tunnel effect is prevented by forming a depletion layer in the memory well of the memory transistor, the bit line, the source line and the first-choice gate line are not constrained by the charge storage gate voltage. And the voltage applied to the 2nd selection gate line can be reduced to the voltage value that can turn the 1st selection transistor and the 2nd selection transistor on and off, so that the 1st selection transistor and the 2nd selection transistor can be operated accordingly. The thickness of the gate insulating film can be reduced, and higher speed operation can be realized than before.
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.第1のデータ書き込み方法>
3−1.書き込み選択メモリセル
3−2.書き込み選択ゲート線を共有する書き込み非選択メモリセル
3−3.書き込み選択ビット線を共有する書き込み非選択メモリセル
3−4.書き込み非選択ゲート線および書き込み非選択ビット線に接続された書き込み非選択メモリセル
<4.不揮発性半導体記憶装置における各種動作について>
<5.作用および効果>
<6.第2のデータ書き込み方法>
<7.キャリア排除動作について>
<8.データ一括書き込み方法>
Hereinafter, modes for carrying out the present invention will be described. The description will be given in the order shown below.
<1. Overall configuration of non-volatile semiconductor storage device>
<2. Detailed configuration of memory cells>
<3. First data writing method>
3-1. Write selection memory cell 3-2. Write non-select memory cell sharing a write selection gate line 3-3. Write non-selected memory cells that share a write-selected bit line 3-4. Write-unselected memory cells connected to write-unselected gate lines and write-unselected bit lines <4. Various operations in non-volatile semiconductor storage devices>
<5. Actions and effects>
<6. Second data writing method>
<7. About carrier exclusion operation>
<8. Data batch writing method>
(1)不揮発性半導体記憶装置の全体構成
図1は、本発明による不揮発性半導体記憶装置1の構成を示しており、一例としてメモリセル2a,2b,2c,2dが行列状に配置されてメモリセルアレイが構成された不揮発性半導体記憶装置1を示す。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(例えば、列方向)にメモリセル2a,2c(2b,2d)が配置されたメモリセル列毎に1本のビット線BL1(BL2)を共有しており、ビット線電圧印加回路10によって各ビット線BL1,BL2毎に所定のビット線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、一方向と交差する他方向(この場合、行方向)にメモリセル2a,2b(2c,2d)が配置されたメモリセル行毎に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 Non-Volatile Semiconductor Storage Device FIG. 1 shows the configuration of the non-volatile semiconductor storage device 1 according to the present invention. As an example,
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 non-volatile semiconductor storage device 1, one memory gate line MGL, one second selection gate line SGL, and one source line SL are all
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で共有している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)にメモリセル2a,2b(2c,2d)が配置されたメモリセル行毎に、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
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にメモリセル2a,2b,2c,2dが行列状に配置されたメモリセルアレイが配置されており、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。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、主に1行1列目のメモリセル2aに着目して以下説明する。
In this non-volatile semiconductor storage device 1, for example, a memory cell array in which
この場合、メモリセル2aは、第1選択トランジスタST1と、第2選択トランジスタST2と、これら第1選択トランジスタST1および第2選択トランジスタST2間に直列に接続されたメモリトランジスタMTとを備えており、第1選択トランジスタST1の一端のドレイン領域にビット線BL1が接続され、第2選択トランジスタST2の一端のソース領域にソース線SLが接続されている。なお、第1選択トランジスタST1およびメモリトランジスタMT間や、第2選択トランジスタST2およびメモリトランジスタMT間には、ドレイン領域およびソース領域が設けられていない。
In this case, the
ここで、第1選択トランジスタST1には、第1選択ゲート電極DGが設けられており、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選択トランジスタST1は、ビット線BL1からドレイン領域に印加されるビット線電圧と、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オン・オフ動作し得る。実際上、第1選択ゲート電圧とビット線電圧との電位差が第1選択トランジスタST1の閾値電圧より大きい場合に第1選択トランジスタST1はオン状態となり、第1選択ゲート電圧とビット線電圧との電位差が第1選択トランジスタST1の閾値電圧以下の場合に第1選択トランジスタST1はオフ状態となる。 Here, the first selection gate electrode DG is provided in the first selection transistor ST1, and the first selection gate wire DGL1 is connected to the first selection gate electrode DG. The first selection transistor ST1 is turned on by the voltage difference between the bit line voltage applied from the bit line BL1 to the drain region and the first selection gate voltage applied from the first selection gate line DGL1 to the first selection gate electrode DG. -Can operate off. In practice, when the potential difference between the first-select gate voltage and the bit line voltage is larger than the threshold voltage of the first-select transistor ST1, the first-select transistor ST1 is turned on and the potential difference between the first-select gate voltage and the bit line voltage. When is equal to or less than the threshold voltage of the first-selection transistor ST1, the first-selection transistor ST1 is turned off.
第1選択トランジスタST1がオン状態になったときには、ドレイン領域と、メモリトランジスタMT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され、ビット線BL1からのビット線電圧がメモリトランジスタMTのチャネル層に印加される。一方、第1選択トランジスタST1がオフ状態になったときには、ドレイン領域と、メモリトランジスタMTのチャネル層との電気的な接続が遮断され、ビット線BL1から当該チャネル層へのビット線電圧の印加が阻止される。 When the first-select transistor ST1 is turned on, the drain region and the channel layer on the surface of the memory well MPW where the memory transistor MT is arranged are electrically connected, and the bit line voltage from the bit line BL1 is the memory transistor. It is applied to the channel layer of MT. On the other hand, when the first-select transistor ST1 is turned off, the electrical connection between the drain region and the channel layer of the memory transistor MT is cut off, and the bit line voltage is applied from the bit line BL1 to the channel layer. Be blocked.
第2選択トランジスタST2には、第2選択ゲート電極SGが設けられており、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選択トランジスタST2は、ソース線SLから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オン・オフ動作し得る。実際上、第2選択ゲート電圧とソース電圧との電位差が第2選択トランジスタST2の閾値電圧より大きい場合に第2選択トランジスタST2はオン状態となり、第2選択ゲート電圧とソース電圧との電位差が第2選択トランジスタST2の閾値電圧以下の場合に第2選択トランジスタST2はオフ状態となる。 The second-selection transistor ST2 is provided with the second-selection gate electrode SG, and the second-selection gate wire SGL is connected to the second-selection gate electrode SG. The second selection transistor ST2 is turned on by the voltage difference between the source voltage applied from the source line SL to the source region and the second selection gate voltage applied from the second selection gate line SGL to the second selection gate electrode SG. Can work off. In practice, when the potential difference between the second selection gate voltage and the source voltage is larger than the threshold voltage of the second selection transistor ST2, the second selection transistor ST2 is turned on and the potential difference between the second selection gate voltage and the source voltage is the second. When the voltage is equal to or lower than the threshold voltage of the 2 selection transistor ST2, the 2nd selection transistor ST2 is turned off.
第2選択トランジスタST2がオン状態になったときには、ソース領域と、メモリトランジスタMTのチャネル層とが電気的に接続される。一方、第2選択トランジスタST2がオフ状態になったときには、ソース領域と、メモリトランジスタMTのチャネル層との電気的な接続が遮断され、ソース線SLから当該チャネル層へのソース電圧の印加が阻止される。 When the second selection transistor ST2 is turned on, the source region and the channel layer of the memory transistor MT are electrically connected. On the other hand, when the second selection transistor ST2 is turned off, the electrical connection between the source region and the channel layer of the memory transistor MT is cut off, and the application of the source voltage from the source line SL to the channel layer is blocked. Will be done.
メモリトランジスタMTには、下部ゲート絶縁膜および上部ゲート絶縁膜に挟まれた電荷蓄積層ECと、当該上部ゲート絶縁膜上に配置されたメモリゲート電極MGとが設けられており、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。メモリトランジスタMT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、量子トンネル効果により電荷蓄積層ECに電荷が注入されたり、或いは、当該電荷蓄積層EC内から電荷が引き抜かれるように構成されている。 The memory transistor MT is provided with a charge storage layer EC sandwiched between the lower gate insulating film and the upper gate insulating film, and a memory gate electrode MG arranged on the upper gate insulating film. The memory gate line MGL is connected to MG. The memory transistor MT is configured so that the voltage difference between the memory gate electrode MG and the memory well MPW causes the charge to be injected into the charge storage layer EC by the quantum tunnel effect, or the charge is extracted from the charge storage layer EC. Has been done.
(2)メモリセルの詳細構成
ここで、図2はメモリセル2a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、シリコン基板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、MONOS型のメモリトランジスタMTを構成するメモリゲート構造体4と、N型MOS(Metal-Oxide-Semiconductor)の第1選択トランジスタST1を構成する第1選択ゲート構造体5と、同じくN型MOSの第2選択トランジスタST2を構成する第2選択ゲート構造体6とが当該メモリウェルMPW上に形成されている。
(2) Detailed Configuration of Memory Cell Here, FIG. 2 is a cross-sectional view showing a side sectional configuration of the
メモリウェルMPWの表面には、第1選択ゲート構造体5の一端にあり、かつビット線BL1が接続されたドレイン領域31と、第2選択ゲート構造体6の一端にあり、かつソース線SLが接続されたソース領域34とが所定距離を空けて形成されている。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のN型不純物濃度は1.0E21/cm3以上に設定されており、一方、メモリウェルMPWのチャネル層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P型不純物濃度は1.0E19/cm3以下、好ましくは3.0E18/cm3以下に設定されている。
On the surface of the memory well MPW, there are a
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、酸化シリコン(SiO、SiO2)等の絶縁材料からなる下部ゲート絶縁膜24a、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、同じく絶縁材料でなる上部ゲート絶縁膜24b、メモリゲート電極MG、が順に積層された構成を有する。
The
メモリゲート構造体4には、酸化シリコン(SiO、SiO2)等の絶縁材料でなる壁状の側壁スペーサ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が隣接して設けられている。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との間に設けられた側壁スペーサ28aは、所定の膜厚で構成されており、メモリゲート構造体4と第1選択ゲート構造体5との間の絶縁耐圧を確保し得るように構成されている。
In the
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、酸化シリコン(SiO、SiO2)等の絶縁材料からなる第1選択ゲート絶縁膜30、第1選択ゲート電極DGが順に積層された構成を有する。第1選択ゲート絶縁膜30の膜厚は、9[nm]以下、好ましくは3[nm]以下である。
The first-
ここで、側壁スペーサ28aの膜厚が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、側壁スペーサ28aに耐圧不良が生じる恐れがある。一方、側壁スペーサ28aの膜厚が40[nm]を超え、メモリゲート電極MGおよび第1選択ゲート電極DG間の距離が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(例えば、表面から50[nm]までの領域(表面領域))での抵抗が上がり、データ読み出し時に、メモリトランジスタMTおよび第1選択トランジスタST1間で読み出し電流が流れ難くなる。
Here, when the film thickness of the
よって、この実施の形態の場合、メモリゲート電極MGおよび第1選択ゲート電極DG間の距離は、5[nm]以上40[nm]以下に形成されていることが望ましく、側壁スペーサ28aの膜厚も5[nm]以上40[nm]以下に形成されることが望ましい。
Therefore, in the case of this embodiment, it is desirable that the distance between the memory gate electrode MG and the first-choice gate electrode DG is formed to be 5 [nm] or more and 40 [nm] or less, and the film thickness of the
また、メモリゲート構造体4の他の側壁にも、酸化シリコン(SiO、SiO2)等の絶縁材料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が隣接して設けられている。メモリゲート構造体4と第2選択ゲート構造体6との間に設けられた側壁スペーサ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との間の絶縁耐圧を確保し得るように構成されている。
Further, a
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、酸化シリコン(SiO、SiO2)等の絶縁材料からなる第2選択ゲート絶縁膜33、第2選択ゲート電極SGが順に積層された構成を有する。第2選択ゲート絶縁膜33の膜厚は、9[nm]以下、好ましくは3[nm]以下である。
The second-
ここで、メモリゲート電極MGおよび第2選択ゲート電極SG間でも、上述したメモリゲート電極MGおよび第1選択ゲート電極DG間と同様に、側壁スペーサ28bの耐圧不良の問題や、メモリトランジスタMTおよび第2選択トランジスタST2間での読み出し電流低下の不具合が生じる恐れがあるため、5[nm]以上40[nm]以下の距離に形成されていることが望ましい。よって、この実施の形態の場合、側壁スペーサ28bの膜厚も、5[nm]以上40[nm]以下に形成されることが望ましい。
Here, also between the memory gate electrode MG and the second selection gate electrode SG, as in the case between the memory gate electrode MG and the first selection gate electrode DG described above, there is a problem of withstand voltage failure of the
また、第1選択ゲート絶縁膜30と第2選択ゲート絶縁膜33とは同一層で構成される膜であり、側壁スペーサ28aと側壁スペーサ28bとは同一層で構成される膜である。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と、側壁スペーサ28aおよび側壁スペーサ28bとは、異なる製造工程で形成される、異なる層からなる膜であるので、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の膜厚は所望の動作速度が得られるための膜厚に設定し、側壁スペーサ28aおよび側壁スペーサ28bの膜厚は所望の絶縁耐圧が確保できるための膜厚に設定し得る。好ましくは、[側壁スペーサ28aおよび側壁スペーサ28bの膜厚>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]の関係を満たすように設定される。
Further, the first-selection
なお、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
(3)第1のデータ書き込み方法
次に、図1に示した不揮発性半導体記憶装置1において、例えば1行1列目のメモリセル2aの電荷蓄積層ECに電荷を注入して、当該メモリセル2aにのみデータを書き込み、他のメモリセル2b,2c,2dにはデータを書き込まないときについて以下説明する。図1に示す表T1は、1行1列目のメモリセル2aにデータを書き込むときの各部に印加される電圧値を示している。
(3) First Data Writing Method Next, in the non-volatile semiconductor storage device 1 shown in FIG. 1, a charge is injected into the charge storage layer EC of the
この場合、データを書き込むメモリセル(以下、書き込み選択メモリセルと呼ぶ)2aが配置された1行目を選択行と呼び、データが書き込まれないメモリセル(以下、書き込み非選択メモリセルと呼ぶ)2c,2dが配置された2行目を非選択行と呼ぶ。また、書き込みメモリセル2aが配置された1列目を選択列と呼び、書き込み非選択メモリセル2b,2dが配置された2列目を非選択列と呼ぶ。
In this case, the first row in which the memory cell (hereinafter referred to as write selection memory cell) 2a for writing data is arranged is referred to as a selected row, and the memory cell in which data is not written (hereinafter referred to as write non-selection memory cell). The second line where 2c and 2d are placed is called a non-selected line. Further, the first column in which the
図1に示すように、不揮発性半導体記憶装置1では、メモリゲート電圧印加回路13によりメモリゲート線MGLに電荷蓄積ゲート電圧VPROG(例えば、12[V])が印加され、基板電圧印加回路17によりメモリウェルMPWに基板電圧(例えば、0[V])が印加され得る。これにより、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だけでなく、電荷蓄積層ECに電荷を注入させないメモリセル(書き込み非選択メモリセルとも呼ぶ)2b,2c,2dにも、高電圧の電荷蓄積ゲート電圧VPROGがメモリゲート電極MGに印加され得る。なお、電荷蓄積ゲート電圧VPROGは、書き込み選択メモリセル2aのメモリトランジスタMTにおいて、量子トンネル効果によって電荷蓄積層ECに電荷を注入可能な電圧値であれば種々の電圧値であってよい。
As shown in FIG. 1, in the non-volatile semiconductor storage device 1, the charge storage gate voltage V PROG (for example, 12 [V]) is applied to the memory gate line MGL by the memory gate
また、不揮発性半導体記憶装置1では、第2選択ゲート電圧印加回路14によって第2選択ゲート線SGLに0[V]のゲートオフ電圧が印加され、全てのメモリセル2a,2b,2c,2dの第2選択ゲート電極に当該ゲートオフ電圧が印加され得る。さらに、ソース電圧印加回路15によってソース線SLには0[V]のソースオフ電圧が印加され、全てのメモリセル2a,2b,2c,2dのソース領域には当該ソース電圧が印加され得る。
Further, in the non-volatile semiconductor storage device 1, a gate-off voltage of 0 [V] is applied to the second-selection gate line SGL by the second-selection gate
また、第1選択ゲート電圧印加回路11によって、書き込み選択メモリセル2aが接続された第1選択ゲート線(書き込み選択ゲート線とも呼ぶ)DGL1に書き込み選択ゲート電圧VddDGが印加され、書き込み非選択メモリセル2c,2dのみが接続された他の第1選択ゲート線(書き込み非選択ゲート線とも呼ぶ)DGL2に0[V]の書き込み非選択ゲート電圧が印加され得る。この場合、書き込み選択ゲート電圧VddDGは、不揮発性半導体記憶装置1と混載される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の動作電圧と同一の電源電圧Vddとすることができ、例えば0[V]より大きく3[V]以下、好ましくは0.5[V]以上1.5[V]以下に設定され得る。
Further, the write selection gate voltage Vdd DG is applied to the first selection gate line (also called the write selection gate line) DGL1 to which the write
ビット線電圧印加回路10によって、書き込み選択メモリセル2aが接続されたビット線(書き込み選択ビット線とも呼ぶ)BL1に書き込み選択ビット線電圧として0[V]が印加され、書き込み非選択メモリセル2b,2dのみが接続されたビット線(書き込み非選択ビット線とも呼ぶ)BL2に書き込み阻止電圧VddBLが印加され得る。書き込み阻止電圧VddBLは、上述した書き込み選択ゲート電圧VddDGと同様に、例えば0[V]より大きく3[V]以下、好ましくは0.5[V]以上1.5[V]以下に設定され得る。
By the bit line
書き込み選択ゲート電圧VddDGと書き込み阻止電圧VddBLは、後述する書き込み選択ゲート線を共有する書き込み非選択メモリセルにおいて、第1選択ゲート電極DGがオフ状態となるように、書き込み選択ゲート電圧VddDGと書き込み阻止電圧VddBLとの電位差が、第1選択トランジスタST1の閾値電圧であるVthST1以下である電圧に設定される。すなわち、VddBL≧(VddDG-VthST1)の関係を満たすように設定される。ここで、VthST1は、例えば0[V]〜1.0[V]に設定されている。なお、後述する第2選択トランジスタST2の閾値電圧であるVthST2も、VthST1同様に、例えば0[V]〜1.0[V]に設定されている。 The write selection gate voltage Vdd DG and the write blocking voltage Vdd BL are the write selection gate voltage Vdd DG so that the first selection gate electrode DG is turned off in the write non-selection memory cell sharing the write selection gate line described later. The potential difference between and the write blocking voltage Vdd BL is set to a voltage equal to or less than Vth ST1, which is the threshold voltage of the first-select transistor ST1. That is, it is set so as to satisfy the relationship of Vdd BL ≥ (Vdd DG -Vth ST1 ). Here, Vth ST1 is set to, for example, 0 [V] to 1.0 [V]. Note that Vth ST2 , which is the threshold voltage of the second selection transistor ST2 described later, is also set to, for example, 0 [V] to 1.0 [V] like Vth ST1 .
なお、不揮発性半導体記憶装置1において書き込み動作を実行する際には、書き込み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,2c,2d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選択ゲート線DGL1,DGL2または第2選択ゲート電極SGを例えば1.5[V]として、第1選択トランジスタST1または第2選択トランジスタST2の少なくともいずれかをオン状態とし、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選択ゲート線DGL1,DGL2または第2選択ゲート線SGLを0[V]の電圧に戻してから書き込み動作に移ればよい。
When the write operation is executed in the non-volatile semiconductor storage device 1, the channel potential at the time when the write operation is started may change depending on the charge accumulation state in the
(3−1)書き込み選択メモリセル
書き込み選択メモリセル2aの電荷蓄積層ECに電荷を注入する場合の動作を説明する。
メモリゲート線MGLからメモリゲート電極MGに電荷蓄積ゲート電圧VPROG(例えば、12[V])が印加され、メモリウェルMPWに基板電圧(例えば、0[V])が印加される。
(3-1) Write Selection Memory Cell An operation in the case of injecting charge into the charge storage layer EC of the write
A charge storage gate voltage V PROG (eg 12 [V]) is applied from the memory gate line MGL to the memory gate electrode MG, and a substrate voltage (eg 0 [V]) is applied to the memory well MPW.
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るとともに、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、第2選択トランジスタST2がオフ状態となる。これにより、第2選択ゲート構造体6(図2)直下のメモリウェルMPWにソース側非導通領域が形成され、ソース領域34と、メモリゲート構造体4直下のメモリウェルMPWのチャネル層CHとの電気的な接続が遮断され、ソース線SLからチャネル層CHへの電圧印加が阻止され得る。
A gate-off voltage of 0 [V] is applied from the second-select gate line SGL to the second-select gate electrode SG, and a source-off voltage of 0 [V] is applied from the source line SL to the
一方、書き込み選択ゲート線DGL1から第1選択ゲート電極DGに書き込み選択ゲート電圧VddDG(例えば、1.5[V])が印加されるとともに、書き込み選択ビット線BL1からドレイン領域31に0[V]の書き込み選択ビット線電圧が印加され、第1選択トランジスタST1がオン状態となる。これにより、第1選択ゲート構造体5(図2)直下のメモリウェルMPWにドレイン側導通領域が形成され、ドレイン領域31と、メモリゲート構造体4直下のチャネル層CHとが電気的に接続され、0[V]の書き込み選択ビット線電圧がメモリトランジスタMTのチャネル層CHに印加され得る。
On the other hand, the write selection gate voltage Vdd DG (for example, 1.5 [V]) is applied from the write selection gate line DGL1 to the first selection gate electrode DG, and 0 [V] is applied from the write selection bit line BL1 to the
かくして、書き込み選択メモリセル2aでは、メモリゲート電極MGとチャネル層CHとの間に大きな電圧差(例えば、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内に電荷が注入され、メモリトランジスタMTにデータが書き込まれた状態となり得る。
Thus, in the write-
(3−2)書き込み選択ゲート線を共有する書き込み非選択メモリセル
次に、書き込み選択メモリセル2aと書き込み選択ゲート線DGL1を共有する選択行の書き込み非選択メモリセル2bについて説明する。書き込み非選択メモリセル2bにも、メモリゲート線MGLからメモリゲート電極MGに電荷蓄積ゲート電圧VPROGが印加され、メモリウェルMPWに基板電圧が印加される。
(3-2) Write Non-Selected Memory Cell Sharing a Write Selected Gate Line Next, a write
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るとともに、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、第2選択トランジスタST2がオフ状態となる。これにより、第2選択ゲート構造体6直下のメモリウェルMPWにソース側非導通領域が形成され、ソース領域34と、メモリゲート構造体4直下のメモリウェルMPWのチャネル層CHとの電気的な接続が遮断され、ソース線SLからチャネル層CHへの電圧印加が阻止され得る。
A gate-off voltage of 0 [V] is applied from the second-select gate line SGL to the second-select gate electrode SG, and a source-off voltage of 0 [V] is applied from the source line SL to the
また、書き込み非選択メモリセル2bの第1選択トランジスタST1は、書き込み選択ゲート線DGL1から第1選択ゲート電極DGに書き込み選択ゲート電圧VddDG(例えば、1.5[V])が印加されるとともに、書き込み非選択ビット線BL2からドレイン領域31に書き込み阻止電圧VddBL(例えば、1.5[V])が印加され、オフ状態となる。これにより、第1選択ゲート構造体5直下のメモリウェルMPWにドレイン側非導通領域が形成され、ドレイン領域31と、メモリゲート構造体4直下のチャネル層CHとの電気的な接続が遮断され、書き込み非選択ビット線BL2からチャネル層CHへの電圧印加が阻止され得る。
Further, in the first selection transistor ST1 of the write
このように、選択行の書き込み非選択メモリセル2bでは、メモリトランジスタMTの両側の第1選択トランジスタST1および第2選択トランジスタST2がともにオフ状態となることから、メモリトランジスタMTに形成されたチャネル層CHと、ソース線SLおよびビット線BL2との電気的な接続が遮断された状態となり、チャネル層CHはフローティング状態となる。メモリゲート電極MGに電荷蓄積ゲート電圧VPROGが印加されているので、チャネル層CHの周辺のメモリウェルMPWに空乏層Dが形成される。
In this way, in the write-unselected
チャネル層CHの電位は、空乏層Dの容量(以下、空乏層容量と呼ぶ)C1と、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層から構成される絶縁膜の容量(以下、ゲート絶縁膜容量と呼ぶ)C2との容量カップリングにより上昇する。
かくして、書き込み非選択メモリセル2bでは、メモリゲート電極MGとチャネル層CHとの間の電位差を小さくし、量子トンネル効果による電荷蓄積層ECへの電荷注入を阻止し得る。
The potential of the channel layer CH is an insulating film composed of three layers: the capacitance of the depleted layer D (hereinafter referred to as the depleted layer capacitance) C1, the upper
Thus, in the write-unselected
空乏層容量C1とゲート絶縁膜容量C2との容量カップリングによる、チャネル層CHの電位上昇について以下説明する。チャネル層CHの周辺のメモリウェルMPWに空乏層Dが形成された場合、模式的に、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、チャネル層CHのチャネル電位Vchについて下記(1)の式が成り立つ。 The potential increase of the channel layer CH due to the capacitance coupling between the depletion layer capacitance C1 and the gate insulating film capacitance C2 will be described below. When the depletion layer D is formed in the memory well MPW around the channel layer CH, it can be considered that the gate insulating film capacitance C2 and the depletion layer capacitance C1 are connected in series, and the channel layer CH can be regarded as a configuration. The following equation (1) holds for the channel potential Vch.
チャネル電位Vch=(電荷蓄積ゲート電圧VPROG−基板電圧)×{C2/(C1+C2)}…(1) Channel potential Vch = (charge storage gate voltage V PROG − substrate voltage) × {C2 / (C1 + C2)}… (1)
例えばゲート絶縁膜容量C2が空乏層容量C1の3倍の容量である場合、この実施の形態の場合、メモリウェルMPWの基板電圧が0[V]であり、電荷蓄積ゲート電圧VPROGが12[V]であることから、下記の式(2)のようにチャネル電位Vchは9[V]となる。 For example, when the gate insulating film capacity C2 is three times the capacity of the depletion layer capacity C1, the substrate voltage of the memory well MPW is 0 [V] and the charge storage gate voltage V PROG is 12 [in this embodiment. Since it is V], the channel potential Vch is 9 [V] as shown in the following equation (2).
チャネル電位Vch=(12[V]−0[V])×{3・C1/(C1+3・C1)}=9[V] …(2) Channel potential Vch = (12 [V] −0 [V]) × {3 ・ C1 / (C1 + 3 ・ C1)} = 9 [V]… (2)
これにより、書き込み非選択メモリセル2b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、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。
As a result, in the write-unselected
これに加えて、書き込み非選択メモリセル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、ドレイン領域31やソース領域34のような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 to this, in the write-unselected
これにより、第1選択ゲート構造体5では、低電圧の書き込み選択ゲート電圧VddDGや書き込み阻止電圧VddBL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-
また、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、ドレイン領域31やソース領域34のような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。
Further, the memory well MPW region between the
これにより、第2選択ゲート構造体6でも、低電圧のゲートオフ電圧やソースオフ電圧に合せて、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-
なお、上述の実施の形態では、書き込み選択ゲート電圧VddDG、書き込み阻止電圧VddBLが、ともに1.5[V]と同一の電圧である場合について説明したが、書き込み選択ゲート電圧VddDG、書き込み阻止電圧VddBLは、第1選択トランジスタST1がオフ状態となれば異なる電圧でもよい。第1選択トランジスタST1の閾値電圧をVthST1とすると、VddBL≧(VddDG-VthST1)の条件を満たせば、第1選択トランジスタST1がオフ状態になる。 In the above-described embodiment, the case where the write selection gate voltage Vdd DG and the write blocking voltage Vdd BL are both the same voltage as 1.5 [V] has been described, but the write selection gate voltage Vdd DG and the write blocking voltage have been described. The Vdd BL may have a different voltage as long as the first-choice transistor ST1 is turned off. Assuming that the threshold voltage of the first-select transistor ST1 is Vth ST1 , the first-select transistor ST1 is turned off if the condition of Vdd BL ≥ (Vdd DG -Vth ST1 ) is satisfied.
ここで、書き込み阻止電圧VddBLを、(VddDG-VthST1)よりも大きくした場合(VddBL>(VddDG-VthST1))には、VddBLと(VddDG-VthST1)の電圧差分、第1選択トランジスタST1のみかけ上の閾値電圧が大きくなり、その分チャネル層CHとドレイン領域31との間のリーク電流が減少し、オフ動作特性を向上できる。その結果、書き込み非選択メモリセル2bにおいて、空乏層Dを安定させることができ、ディスターブ耐性を向上させることができる。
Here, when the write blocking voltage Vdd BL is made larger than (Vdd DG -Vth ST1 ) (Vdd BL > (Vdd DG -Vth ST1 )), the voltage difference between Vdd BL and (Vdd DG -Vth ST1 ). , The apparent threshold voltage of the first-choice transistor ST1 increases, the leakage current between the channel layer CH and the
なお、VddBLは、VddBL≧VddDGが好ましく、VddDG〜VddDGの3倍の電圧(3・VddDG)の範囲がさらに好ましく、VddDGの1.5倍の電圧(1.5・VddDG)が特に好ましい。VddBLがVddDGの3倍を超えた場合には、第1選択ゲート電極DG直下のメモリウェルMPWとドレイン領域31との間での接合リークに起因する新たなディスターブが発生してしまう恐れがあるため、VddBLはVddDGの3倍以下であることが望ましい。
Incidentally, Vdd BL is preferably Vdd BL ≧ Vdd DG, more preferably in the range of 3 times the voltage of Vdd DG ~Vdd DG (3 · Vdd DG), Vdd 1.5 times the voltage of DG (1.5 · Vdd DG) is Especially preferable. If Vdd BL exceeds 3 times Vdd DG , a new disturb may occur due to a junction leak between the memory well MPW directly under the first-select gate electrode DG and the
(3−3)書き込み選択ビット線を共有する書き込み非選択メモリセル
次に、書き込み選択メモリセル2aと書き込み選択ビット線BL1を共有する選択列の書き込み非選択メモリセル2cについて以下説明する。書き込み非選択メモリセル2cにも、メモリゲート線MGLからメモリゲート電極MGに電荷蓄積ゲート電圧VPROGが印加され、メモリウェルMPWに基板電圧が印加される。
(3-3) Write / Non-Selected Memory Cell Sharing Write Selected Bit Line Next, the write /
書き込み非選択メモリセル2cの第2選択トランジスタST2の動作は、上述の書き込み非選択メモリセル2bの第2選択トランジスタST2の動作と同様であり、第2選択トランジスタST2がオフ状態となり、ソース領域34と、メモリゲート構造体4直下のメモリウェルMPWのチャネル層CHとの電気的な接続が遮断され、ソース線SLからチャネル層CHへの電圧印加が阻止され得る。
The operation of the second selection transistor ST2 of the write
また、書き込み非選択メモリセル2cの第1選択トランジスタST1は、書き込み非選択ゲート線DGL2から第1選択ゲート電極DGに0[V]の書き込み非選択ゲート電圧が印加されるとともに、書き込み選択ビット線BL1からドレイン領域31に0[V]の書き込み選択ビット線電圧が印加され、オフ状態となる。これにより、第1選択ゲート構造体5直下のメモリウェルMPWにドレイン側非導通領域が形成され、ドレイン領域31と、メモリゲート構造体4直下のチャネル層CHとの電気的な接続が遮断され、書き込み選択ビット線BL1からチャネル層CHへの電圧印加が阻止され得る。
Further, in the first selection transistor ST1 of the write
これにより、書き込み非選択メモリセル2cでも、メモリトランジスタMTの両側の第1選択トランジスタST1および第2選択トランジスタST2がともにオフ状態となることから、メモリトランジスタMTに形成されたチャネル層CHと、ソース線SLおよびビット線BL1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の周辺のメモリウェルMPWに空乏層Dが形成される。かくして、書き込み非選択メモリセル2cでは、空乏層Dに囲まれたチャネル層CHのチャネル電位Vchが上昇してメモリゲート電極MGおよびチャネル層CH間の電圧差が小さくなり、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。
As a result, even in the write
(3−4)書き込み非選択ゲート線および書き込み非選択ビット線に接続された書き込み非選択メモリセル
次に、書き込み非選択ゲート線DGL2および書き込み非選択ビット線BL2に接続された書き込み非選択メモリセル2dについて以下説明する。非選択行に配置され、かつ非選択列に配置された書き込み非選択メモリセル2dにも、メモリゲート線MGLからメモリゲート電極MGに電荷蓄積ゲート電圧VPROGが印加され、メモリウェルMPWに基板電圧が印加される。
(3-4) Write non-selected memory cells connected to write non-selected gate lines and write non-selected bit lines Next, write non-selected memory cells connected to write non-selected gate lines DGL2 and write non-selected bit lines BL2. 2d will be described below. The charge storage gate voltage V PROG is also applied from the memory gate line MGL to the memory gate electrode MG to the write
書き込み非選択メモリセル2dの第2選択トランジスタST2の動作は、上述の書き込み非選択メモリセル2b,2cの第2選択トランジスタST2の動作と同様であり、第2選択トランジスタST2がオフ状態となり、ソース領域34と、メモリゲート構造体4直下のメモリウェルMPWのチャネル層CHとの電気的な接続が遮断され、ソース線SLからチャネル層CHへの電圧印加が阻止され得る。
The operation of the second selection transistor ST2 of the write
また、書き込み非選択メモリセル2dの第1選択トランジスタST1は、書き込み非選択ゲート線DGL2から第1選択ゲート電極DGに0[V]の書き込み非選択ゲート電圧が印加されるとともに、書き込み非選択ビット線BL2からドレイン領域31に書き込み阻止電圧VddBL(例えば、1.5[V])が印加され、オフ状態となる。これにより、第1選択ゲート構造体5直下のメモリウェルMPWにドレイン側非導通領域が形成され、ドレイン領域31と、メモリゲート構造体4直下のチャネル層CHとの電気的な接続が遮断され、書き込み非選択ビット線BL2からチャネル層CHへの電圧印加が阻止され得る。
Further, in the first selection transistor ST1 of the write
これにより、書き込み非選択メモリセル2dでも、メモリトランジスタMTの両側の第1選択トランジスタST1および第2選択トランジスタST2がともにオフ状態となることから、メモリトランジスタMTに形成されたチャネル層CHと、ソース線SLおよびビット線BL2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の周辺のメモリウェルMPWに空乏層Dが形成される。かくして、書き込み非選択メモリセル2dでは、空乏層Dに囲まれたチャネル層CHのチャネル電位Vchが上昇してメモリゲート電極MGおよびチャネル層CH間の電圧差が小さくなり、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。
As a result, even in the write
(4)不揮発性半導体記憶装置における各種動作について
次に、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に電荷が蓄積されているか否かのデータ読み出し動作と、メモリセル2a,2b,2c,2dの電荷蓄積層EC内から電荷を引き抜くデータ消去動作とについて順に説明する。
(4) Various Operations in the Non-Volatile Semiconductor Storage Device Next, in the non-volatile semiconductor storage device 1 of the present invention, for example, a data reading operation of whether or not a charge is stored in the charge storage layer EC of the
メモリセル2aのデータの読み出し動作では、第2選択ゲート電圧印加回路14によって第2選択ゲート線SGLにVddSGREAD(0[V]より大きく3[V]以下の電圧、例えば1.5[V]の電圧)の電圧が印加され、ソース電圧印加回路15によってソース線SLに0[V]の電圧が印加されることにより、各メモリセル2a,2b,2c,2dの第2選択トランジスタST2がオン状態となり、ソース線SLと、メモリトランジスタMTのチャネル層CHとが電気的に接続した状態になる。また、メモリゲート電圧印加回路13によってメモリゲート線MGLに0[V]が印加され、基板電圧印加回路17によってメモリウェルMPWに0[V]が印加される。
In the data read operation of the
さらに、ビット線電圧印加回路10によって、データを読み出すメモリセル(以下、読み出し選択メモリセルとも呼ぶ)2aに接続されたビット線BL1を読み出し選択電圧VddREAD(0[V]より大きく3[V]以下の電圧、例えば1.5[V]の電圧)にプリチャージし、一方、データを読み出さないメモリセル(以下、読み出し非選択メモリセルとも呼ぶ)2b,2dのみが接続されたビット線BL2に0[V]の読み出し非選択電圧を印加する。また、第1選択ゲート電圧印加回路11によって、読み出し選択メモリセル2aが接続された第1選択ゲート線DGL1にVddDGREAD(0[V]より大きく3[V]以下の電圧、例えば1.5[V]の電圧)の電圧が印加され、読み出し非選択メモリセル2c,2dのみが接続された第1選択ゲート線DGL2に0[V]の電圧が印加される。
Further, the bit line
これにより、読み出し選択メモリセル2aにおいて電荷蓄積層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、メモリトランジスタMTがオフ状態となり、ビット線BL1とソース線SLとの電気的な接続が遮断される。この際、読み出し選択メモリセル2aとビット線BL1を共有する読み出し非選択メモリセル2cでは、第1選択ゲート線DGL2に0[V]のゲートオフ電圧が印加され、第1選択トランジスタST1がオフ状態となっていることから、メモリトランジスタMTの電荷蓄積層ECにおける電荷の蓄積状態がビット線BL1の読み出し選択電圧VddREADに影響を与えることがない。これにより、不揮発性半導体記憶装置1では、読み出し選択メモリセル2aが接続されたビット線BL1の読み出し選択電圧VddREADがそのまま維持される。
As a result, when the charge is accumulated in the charge storage layer EC in the read
一方、読み出し選択メモリセル2aにおいて電荷蓄積層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、メモリトランジスタMTがオン状態となり、読み出し選択メモリセル2aを介してビット線BL1とソース線SLとが電気的に接続される。これにより、不揮発性半導体記憶装置1では、読み出し選択メモリセル2aに接続されたビット線BL1の読み出し選択電圧VddREAD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の読み出し選択電圧VddREADが変化したか否かを検知することにより、読み出し選択メモリセル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の読み出し動作を実行できる。
On the other hand, when the charge is not accumulated in the charge storage layer EC in the read
次に、不揮発性半導体記憶装置1におけるメモリセル2a,2b,2c,2dの電荷蓄積層EC内の電荷を引き抜くデータの消去動作について説明する。この場合、不揮発性半導体記憶装置1では、メモリゲート電圧印加回路13によりメモリゲート線MGLから各メモリセル2a,2b,2c,2dのメモリゲート電極MGに消去ゲート電圧VERASE(例えば、-12[V])が印加され、基板電圧印加回路17によって0[V]の基板電圧がメモリウェルMPWに印加されることで、当該メモリウェル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。
Next, the data erasing operation of extracting the charge in the charge storage layer EC of the
(5)作用および効果
以上の構成において、不揮発性半導体記憶装置1では、複数のメモリセル2a,2b,2c,2dが一方向に配置されたメモリセル列毎にビット線BL1,BL2(以下、これらをまとめて単にビット線BLとする)を設け、複数のメモリセル2a,2b,2c,2d が一方向と交差する他方向に配置されたメモリセル行毎に第1選択ゲート線DGL1,DGL2(以下、これらをまとめて単に第1選択ゲート線DGLとする)を設け、複数のメモリセル2a,2b,2c,2dの電荷蓄積層ECに、量子トンネル効果によって電荷を注入するのに必要な電荷蓄積ゲート電圧VPROGがメモリゲート線MGLによって印加されるようにした。
(5) Actions and Effects In the above configuration, in the non-volatile semiconductor storage device 1, bit lines BL1 and BL2 (hereinafter, hereinafter, BL2) are used for each memory cell sequence in which a plurality of
書き込み選択メモリセル2aは、列方向はビット線BLにより選択され、行方向は第1選択ゲート線DGLにより選択される。選択列のビット線BLには書き込み選択ビット線電圧0[V]が印加され、非選択列のビット線BLには書き込み阻止電圧VddBLが印加される。選択行の第1選択ゲート線DGLには書き込み選択ゲート電圧VddDGが印加され、非選択行の第1選択ゲート線DGLには書き込み非選択ゲート電圧0[V]が印加される。
The write
書き込み選択メモリセル2aのみで、書き込み選択ゲート電圧VddDGと書き込み選択ビット線電圧0[V]との電位差が+VddDGとなり、第1選択トランジスタST1がオン状態となるようにし、書き込み選択ビット線電圧0[V]をメモリトランジスタMTのチャネル層CHに印加することにより、量子トンネル効果により電荷蓄積層ECに電荷を注入し得る。
Only in the write
一方、書き込み非選択メモリセル2b,2c,2dでは、第1選択ゲート線DGLに印加される電圧とビット線BLに印加される電圧との電位差が、VddDG−VddBL、0[V]、−VddBLとなり、第1選択トランジスタST1がオフ状態となるようにし、メモリトランジスタMTとビット線BLとの接続を遮断するようにした。また、この際、書き込み非選択メモリセル2b,2c,2dでは、第2選択ゲート線SGLに印加される電圧とソース線SLに印加される電圧との電位差が0[V]となり、第2選択トランジスタST2がオフ状態となるようにし、メモリトランジスタMTとソース線SLとの接続を遮断するようにした。
On the other hand, in the write-unselected
これにより、書き込み非選択メモリセル2b,2c,2dにおいて、メモリトランジスタMTのメモリゲート電極MG直下のメモリウェルMPWに空乏層Dが形成され、メモリゲート電極MGおよびメモリウェルMPW間を、量子トンネル効果が発生しない電圧差として、電荷蓄積層EC内への電荷注入が阻止される。
As a result, in the write-unselected
従って、不揮発性半導体記憶装置1では、データ書き込み動作時、空乏層Dにより、メモリゲート電極MGおよびメモリウェルMPW間を量子トンネル効果が発生しない電圧差とするため、高電圧の書き込み阻止電圧を印加する必要がなくなり、電荷蓄積ゲート電圧VPROGに拘束されずに、ビット線BL、ソース線SL、第1選択ゲート線DGLおよび第2選択ゲート線SGLに印加する電圧を、第1選択トランジスタST1および第2選択トランジスタST2がオン・オフ動作し得る電圧値にまで低減できる。その分、第1選択トランジスタST1の第1選択ゲート絶縁膜30や、第2選択トランジスタST2の第2選択ゲート絶縁膜33の各膜厚を薄くでき、当該膜厚が薄くなった分だけ従来よりも高速動作を実現し得る。
Therefore, in the non-volatile semiconductor storage device 1, a high write-blocking voltage is applied in order to make the voltage difference between the memory gate electrode MG and the memory well MPW by the poor layer D during the data writing operation so that the quantum tunnel effect does not occur. The voltage applied to the bit line BL, the source line SL, the first selection gate line DGL and the second selection gate line SGL without being constrained by the charge storage gate voltage V PROG is applied to the first selection transistor ST1 and The voltage value at which the second-choice transistor ST2 can operate on and off can be reduced. The film thickness of the first-selection
(6)第2のデータ書き込み方法
次に、第2のデータ書き込み方法について以下説明する。図1との対応部分に同一符号を付して示す図3は、図1に示した不揮発性半導体記憶装置1の回路構成に対して第2のデータ書き込み方法における各部での電圧を示し、また、第2のデータ書き込み方法の各部の電圧をまとめた表T2を示す。第2のデータ書き込み方法は、データ書き込み動作時、ソース線SLに印加する電圧を、ソース側電源電圧VddSLとする点で、上述した実施の形態とは相違しており、その他の不揮発性半導体記憶装置1の構成や、データの読み出し動作、データの消去動作については上述した実施の形態と同じであるためその説明は省略し、ここではデータの書き込み動作に着目して以下説明する。
(6) Second Data Writing Method Next, the second data writing method will be described below. FIG. 3, which is shown by assigning the same reference numerals to the parts corresponding to those in FIG. 1, shows the voltage in each part in the second data writing method with respect to the circuit configuration of the non-volatile semiconductor storage device 1 shown in FIG. , Table T2 which summarizes the voltage of each part of the second data writing method is shown. The second data writing method is different from the above-described embodiment in that the voltage applied to the source line SL during the data writing operation is the source side power supply voltage Vdd SL, and other non-volatile semiconductors. Since the configuration of the storage device 1, the data reading operation, and the data erasing operation are the same as those in the above-described embodiment, the description thereof will be omitted. Here, the data writing operation will be focused on and described below.
ここで、データ書き込み動作時、ソース線SLに印加されるソース側電源電圧VddSLは、第2選択トランジスタST2がオフ状態となるように、第2選択ゲート線SGLのゲートオフ電圧である0[V]とソース側電源電圧VddSLとの電位差が、第2選択トランジスタST2の閾値電圧であるVthST2以下である電圧に設定される。すなわち、(VddSL≧-VthST2)の関係を満たすように設定される。ソース側電源電圧VddSLは、第2選択ゲート線SGLに印加される電圧値以上であることが好ましく、第2選択ゲート線SGLに印加される電圧値よりも大きいことが、さらに好ましい。 Here, the source side power supply voltage Vdd SL applied to the source line SL during the data writing operation is 0 [V] which is the gate-off voltage of the second-selection gate line SGL so that the second-selection transistor ST2 is turned off. ] And the source side power supply voltage Vdd SL are set to a voltage equal to or less than Vth ST2, which is the threshold voltage of the second selection transistor ST2. That is, it is set so as to satisfy the relationship of (Vdd SL ≧ -Vth ST2 ). The source side power supply voltage Vdd SL is preferably equal to or higher than the voltage value applied to the second selection gate line SGL, and more preferably larger than the voltage value applied to the second selection gate line SGL.
ソース側電源電圧VddSLは、例えば不揮発性半導体記憶装置1と混載されるCPUやASIC、ロジック回路、入出力回路等その他種々の周辺回路の動作電圧と同一の電源電圧Vddとすることができ、0[V]より大きく3[V]以下、好ましくは0.5[V]以上1.5[V]以下に設定され得る。また、ソース側電源電圧VddSLは、書き込み選択ゲート電圧VddDGまたは書き込み阻止電圧VddBLと同じ電圧でもよく、異なる電圧でもよい。 The power supply voltage Vdd SL on the source side can be, for example, the same power supply voltage Vdd as the operating voltage of various peripheral circuits such as a CPU, ASIC, logic circuit, input / output circuit, etc., which are mixed with the non-volatile semiconductor storage device 1. It can be set to be larger than 0 [V] and 3 [V] or less, preferably 0.5 [V] or more and 1.5 [V] or less. Further, the source side power supply voltage Vdd SL may be the same voltage as the write selection gate voltage Vdd DG or the write blocking voltage Vdd BL , or may be a different voltage.
例えば、ソース側電源電圧VddSLは、上述した実施の形態におけるVddBLに合わせ、VddSL≧VddDGが好ましく、VddDG〜VddDGの3倍の電圧(3・VddDG)がさらに好ましく、VddDGの1.5倍の電圧(1.5・VddDG)が特に好ましい。VddSLがVddDGの3倍を超えた場合には、第2選択ゲート電極SG直下のメモリウェルMPWとソース領域34との間での接合リークに起因する新たなディスターブが発生してしまう恐れがあるため、VddSLはVddDGの3倍以下であることが望ましい。
For example, the source-side power supply voltage Vdd SL is tailored to Vdd BL in the embodiment described above, preferably Vdd SL ≧ Vdd DG, 3 times the voltage (3 · Vdd DG) is more preferably from Vdd DG ~Vdd DG, Vdd A voltage 1.5 times that of DG (1.5 Vdd DG ) is particularly preferable. If Vdd SL exceeds 3 times Vdd DG , a new disturb may occur due to a junction leak between the memory well MPW directly under the 2nd selection gate electrode SG and the
以上の構成において、このように図3に示した表T2の電圧条件としても、書き込み選択メモリセル2aで電荷蓄積層ECに電荷を注入できるとともに、書き込み非選択メモリセル2b,2c,2dで電荷蓄積層ECへの電荷の注入を阻止できる。書き込み非選択メモリセル2c(2b,2d)では、ビット線BL1(BL2)および第1選択ゲート線DGL2(DGL1,DGL2)に印加した電圧により第1選択トランジスタST1がオフ状態となりメモリトランジスタMTとビット線BL1(BL2)との接続が遮断されるとともに、ソース線SLおよび第2選択ゲート線SGLに印加した電圧により第2選択トランジスタST2もオフ状態となりメモリトランジスタMTとソース線SLとの接続が遮断される。
In the above configuration, even under the voltage conditions shown in Table T2 shown in FIG. 3, the charge can be injected into the charge storage layer EC in the write
これにより、不揮発性半導体記憶装置1では、書き込み非選択メモリセル2c(2b,2d)において、メモリトランジスタMTのメモリゲート電極MG直下のメモリウェルMPWに空乏層Dが形成され、メモリゲート電極MGおよびメモリウェルMPW間を、量子トンネル効果が発生しない電圧差として、電荷蓄積層EC内への電荷注入が阻止される。
As a result, in the non-volatile semiconductor storage device 1, in the write
不揮発性半導体記憶装置1では、データ書き込み動作時、空乏層Dにより、メモリゲート電極MGおよびメモリウェルMPW間を量子トンネル効果が発生しない電圧差とするため、高電圧の書き込み阻止電圧を印加する必要がなくなり、電荷蓄積ゲート電圧VPROGに拘束されずに、ビット線BL、ソース線SL、第1選択ゲート線DGLおよび第2選択ゲート線SGLに印加する電圧を、第1選択トランジスタST1および第2選択トランジスタST2がオン・オフ動作し得る電圧値にまで低減できる。その分、第1選択トランジスタST1の第1選択ゲート絶縁膜30や、第2選択トランジスタST2の第2選択ゲート絶縁膜33の各膜厚を薄くでき、当該膜厚が薄くなった分だけ従来よりも高速動作を実現し得る。
In the non-volatile semiconductor storage device 1, it is necessary to apply a high write blocking voltage in order to create a voltage difference between the memory gate electrode MG and the memory well MPW due to the poor layer D during the data writing operation so that the quantum tunnel effect does not occur. The voltage applied to the bit line BL, the source line SL, the first selection gate line DGL and the second selection gate line SGL, without being constrained by the charge storage gate voltage V PROG , is applied to the first selection transistors ST1 and second. The voltage value at which the selected transistor ST2 can operate on and off can be reduced. The film thickness of the first-selection
この際、第2のデータ書き込み方法では、ソース線SLに印加される電圧を、第2選択ゲート電極SGに印加されるゲートオフ電圧からVthST2を引いた値よりも大きいソース側電源電圧VddSLとしたことにより(VddSL>-VthST2としたことにより)、VddSLと-VthST2の電圧差分、第2選択トランジスタST2のみかけ上の閾値電圧が高くなり、その分チャネル層CHとソース領域34との間のリーク電流が減少し、オフ動作特性を向上できる。その結果、書き込み非選択メモリセル2b,2c,2dにおいて、空乏層Dを安定させることができ、ディスターブ耐性を向上させることができる。
At this time, in the second data writing method, the voltage applied to the source line SL is set to the source side power supply voltage Vdd SL, which is larger than the value obtained by subtracting Vth ST2 from the gate-off voltage applied to the second selection gate electrode SG. By doing so (by setting Vdd SL > -Vth ST2 ), the voltage difference between Vdd SL and -Vth ST2 and the apparent threshold voltage of the second-select transistor ST2 become higher, and the channel layer CH and
特に第2のデータ書き込み方法では、第2選択ゲート電極SGに印加されるゲートオフ電圧と、ソース側電源電圧VddSLとの電圧差が大きくなると、書き込み非選択メモリセル2b,2c,2dにおいてメモリトランジスタMTのメモリウェルMPW内に形成される空乏層Dが一段と安定し得、ディスターブ耐性を向上させることができる。
In particular, in the second data writing method, when the voltage difference between the gate-off voltage applied to the second selection gate electrode SG and the source side power supply voltage Vdd SL becomes large, the memory transistors in the write
(7)キャリア排除動作について
本発明による不揮発性半導体記憶装置1では、上述した第1のデータ書き込み方法、第2のデータ書き込み方法、および第3のデータ書き込み方法において、各データ書き込み動作を実行する前に後述するキャリア排除動作を実行するようにしてもよい。
(7) Carrier Elimination Operation In the non-volatile semiconductor storage device 1 according to the present invention, each data writing operation is executed in the first data writing method, the second data writing method, and the third data writing method described above. The carrier exclusion operation described later may be executed.
この場合、キャリア排除動作として、本発明の不揮発性半導体記憶装置1は、各メモリセル2a,2b,2c,2dにおいて、メモリゲート電極MGと対向するメモリウェルMPWにチャネル層を形成するキャリアが存在している領域(以下、チャネル層形成キャリア領域と呼ぶ)から当該キャリアを排除し、書き込み非選択メモリセル2b,2c,2dでメモリゲート電極MG直下のメモリウェルMPWにチャネル層を形成させることなく空乏層Dを形成させ得るようになされている。
In this case, as a carrier exclusion operation, in the non-volatile semiconductor storage device 1 of the present invention, in each
不揮発性半導体記憶装置1では、キャリア排除動作を実行する際、第1選択ゲート線DGL1,DGL2にゲートキャリア排除電圧VddDGELIM(0[V]より大きく3[V]以下の電圧、例えば1.5[V]の電圧)が印加され、ビット線BL1,BL2に0[V]のビット線キャリア排除電圧が印加される。これにより各メモリセル2a,2b,2c,2dの第1選択トランジスタST1はオン状態となり、第1選択ゲート電極DG直下のメモリウェルMPW表面にはドレイン側導通領域が形成される。各メモリセル2a,2b,2c,2dは、ビット線BL1,BL2が接続されたドレイン領域31と、メモリゲート電極MG直下のメモリウェルMPWのチャネル層形成キャリア領域とが電気的に接続される。
In the non-volatile semiconductor storage device 1, when the carrier exclusion operation is executed, the first selection gate lines DGL1 and DGL2 have a gate carrier exclusion voltage Vdd DGELIM (voltage greater than 0 [V] and 3 [V] or less, for example, 1.5 [V]. ] Voltage) is applied, and 0 [V] bit line carrier exclusion voltage is applied to the bit lines BL1 and BL2. As a result, the first-selection transistors ST1 of each
また、この実施の形態の場合、不揮発性半導体記憶装置1では、第2選択ゲート線SGLにもゲートキャリア排除電圧VddSGELIM(0[V]より大きく3[V]以下の電圧、例えば1.5[V]の電圧)が印加され、ソース線SLに0[V]のソースキャリア排除電圧が印加される。これにより各メモリセル2a,2b,2c,2dの第2選択トランジスタST2はオン状態となり、第2選択ゲート電極SG直下のメモリウェルMPW表面にはソース側導通領域が形成される。各メモリセル2a,2b,2c,2dは、ソース線SLが接続されたソース領域34と、メモリゲート電極MG直下のメモリウェルMPWのチャネル層形成キャリア領域とが電気的に接続される。
Further, in the case of this embodiment, in the non-volatile semiconductor storage device 1, the second selection gate line SGL also has a gate carrier exclusion voltage Vdd SGELIM (0 [V] and a voltage of 3 [V] or less, for example, 1.5 [V]. ] Voltage) is applied, and 0 [V] source carrier exclusion voltage is applied to the source line SL. As a result, the second selection transistor ST2 of each
これに加えて、不揮発性半導体記憶装置1では、ビット線キャリア排除電圧およびソースキャリア排除電圧と同じ0[V]の基板キャリア排除電圧がメモリウェルMPWに印加されるとともに、メモリゲート線MGLにメモリゲートキャリア排除電圧VddELIM(例えば-2[V])が印加される。ここで、メモリゲート電極MGに印加されるメモリゲートキャリア排除電圧VddELIMは、メモリゲート電極MG直下のメモリウェルMPWにおいてチャネル層が形成される閾値電圧(Vth)を基準に規定されており、データの書き込み状態のときと、データの消去状態のときとで変位する閾値電圧(Vth)の範囲外の電圧値であって、かつメモリゲート電極MGへ印加された際にチャネル層が形成されない電圧値に選定されている。 In addition to this, in the non-volatile semiconductor storage device 1, a substrate carrier exclusion voltage of 0 [V], which is the same as the bit line carrier exclusion voltage and the source carrier exclusion voltage, is applied to the memory well MPW and the memory gate line MGL is stored. A gate carrier exclusion voltage Vdd ELIM (eg -2 [V]) is applied. Here, the memory gate carrier exclusion voltage Vdd ELIM applied to the memory gate electrode MG is defined based on the threshold voltage (Vth) at which the channel layer is formed in the memory well MPW directly under the memory gate electrode MG, and the data. A voltage value outside the threshold voltage (Vth) range that is displaced between the writing state and the data erasing state, and the channel layer is not formed when applied to the memory gate electrode MG. Has been selected for.
これにより、各メモリセル2a,2b,2c,2dでは、チャネル層形成キャリア領域に誘起されているキャリア(この場合、電子)を、メモリゲート電極MGに印加されたメモリゲートキャリア排除電圧によって当該チャネル層形成キャリア領域から、ドレイン領域31および/またはソース領域34へと導き、当該チャネル層形成キャリア領域からキャリアを追い出し得る。
As a result, in each
この実施の形態の場合、各メモリセル2a,2b,2c,2dにおけるメモリゲート構造体4が、P型のメモリウェルMPW上に形成され、N型のMOSトランジスタ構造を形成している。このため、各メモリセル2a,2b,2c,2dでは、データの書き込み状態のときの閾値電圧(Vth)を例えば2.0[V]に設定し、データの消去状態のときの閾値電圧(Vth)を例えば-1.5[V]に設定することができる。この場合、チャネル層形成キャリア領域からキャリアを追い出すキャリア排除電圧は、例えば-2.0[V]以下に選定すればよい。これにより、各メモリセル2a,2b,2c,2dは、メモリトランジスタMTにおける閾値電圧が、データの書き込み状態や、データの消去状態にあるか否かによらずに、メモリゲート電極MGに印加されるメモリゲートキャリア排除電圧によって、チャネル層形成キャリア領域内のキャリアを、当該チャネル層形成キャリア領域と導通接続されたドレイン領域31およびソース領域34へと導き、チャネル層形成キャリア領域からキャリアを追い出し、チャネル層が形成されていない状態にさせることができる。
In the case of this embodiment, the
このように、メモリトランジスタMTにおける閾値電圧は、電荷蓄積層ECに電子(電荷)が蓄積しているとき(データの書き込み状態のとき)と、電荷蓄積層ECに電子が蓄積されていない(または正孔が蓄積している)とき(データの消去状態のとき)とで異なっている。すなわち、電荷蓄積層ECに電子が蓄積されているときの閾値電圧は、電荷蓄積層ECに電子が蓄積されていない(または正孔が蓄積している)ときの閾値電圧よりも高く(深く)なる。そこで、メモリゲートキャリア排除電圧は、電荷蓄積層ECに電子が蓄積されていない(または正孔が蓄積している)ときの低い方(浅い方)の閾値電圧を基準に、当該閾値電圧よりも低い(浅い)電圧値に選定され、電荷蓄積層ECに電荷が蓄積されているか否かにかかわらず、チャネル層形成キャリア領域からドレイン領域31やソース領域34にキャリアを追い出し得るようになされている。
As described above, the threshold voltage in the memory transistor MT is when electrons (charges) are accumulated in the charge storage layer EC (when data is written) and when electrons are not accumulated in the charge storage layer EC (or It is different from when (the holes are accumulated) (when the data is erased). That is, the threshold voltage when electrons are accumulated in the charge storage layer EC is higher (deeper) than the threshold voltage when electrons are not accumulated (or holes are accumulated) in the charge storage layer EC. Become. Therefore, the memory gate carrier exclusion voltage is higher than the threshold voltage based on the lower (shallow) threshold voltage when electrons are not accumulated (or holes are accumulated) in the charge storage layer EC. It is selected with a low (shallow) voltage value so that carriers can be expelled from the channel layer forming carrier region to the
かくして、各メモリセル2a,2b,2c,2dは、上記のように設定したメモリゲートキャリア排除電圧がメモリゲート電極MGに印加されることにより、各メモリセル2a,2b,2c,2dがディプリート状態であったとしても、メモリゲート電極MG直下のメモリウェルMPWのチャネル層形成キャリア領域に誘起されているキャリアを、当該チャネル層形成キャリア領域から排除して、チャネル層が形成されずに空乏層Dが形成された状態となり得る。
Thus, in each
なお、上述した実施の形態においては、キャリア排除動作時に、第1選択トランジスタST1および第2選択トランジスタST2の両方をオン状態とした場合について述べたが、本発明はこれに限らず、第1選択トランジスタST1または第2選択トランジスタST2のいずれか一方のみをオン状態としてよい。この場合には、第1選択トランジスタST1または第2選択トランジスタST2のいずれか一方がオン状態となることで、ドレイン領域31またはソース領域34のいずれか一方と、チャネル層形成キャリア領域とを電気的に接続させて、チャネル層形成キャリア領域内のキャリアをドレイン領域31またはソース領域34へ送出し、チャネル層形成キャリア領域からキャリアを排除し得る。
In the above-described embodiment, the case where both the first selection transistor ST1 and the second selection transistor ST2 are turned on during the carrier exclusion operation has been described, but the present invention is not limited to this, and the first selection is not limited to this. Only one of the transistor ST1 and the second-choice transistor ST2 may be turned on. In this case, when either the first selection transistor ST1 or the second selection transistor ST2 is turned on, either the
この実施の形態の場合、不揮発性半導体記憶装置1は、このようなキャリア排除動作を実行した後、上述した「(3)第1のデータ書き込み方法」、「(6)第2のデータ書き込み方法」、または「(7)第3のデータ書き込み方法」によるデータ書き込み動作を実行する。例えば書き込み非選択メモリセル2b,2c,2dでは、データ書き込み動作時、上述した各実施の形態と同様に、第1選択トランジスタST1および第2選択トランジスタST2がオフ状態となり、メモリトランジスタMTのメモリゲート電極MG直下のメモリウェルMPWに空乏層Dが形成され、メモリゲート電極MGおよびメモリウェルMPW間を、量子トンネル効果が発生しない電圧差として、電荷蓄積層EC内への電荷注入が阻止される。
In the case of this embodiment, after the non-volatile semiconductor storage device 1 executes such a carrier exclusion operation, the above-mentioned "(3) first data writing method" and "(6) second data writing method" are described above. Or "(7) Third data writing method" to execute the data writing operation. For example, in the write
ここで、書き込み非選択メモリセル2b,2c,2dにおけるメモリゲート電極MGおよびメモリウェルMPW表面間の電圧差Vonoは、下記の式から求めることができる。なお、qは素電荷量、NaはメモリウェルMPWのアクセプタ濃度、Conoは、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層での容量(以下、メモリゲート容量とも呼ぶ)を示す。また、ε1はメモリウェルMPWを形成する材料(この実施の形態ではシリコン)の比誘電率、ε0は真空の誘電率、Vfbはフラットバンド電圧、Vgは電荷蓄積ゲート電圧VPROGを示す。
Here, the voltage difference Vono between the memory gate electrode MG and the memory well MPW surface in the write-unselected
この実施の形態の場合、書き込み非選択メモリセル2b,2c,2dにおける、メモリゲート電極MGおよびメモリウェルMPW表面の電圧差Vonoは、Vfdが0[V]、Vgが12[V]、Naが2.0E17[cm-3]、上部ゲート絶縁膜24bの膜厚が2[nm]、電荷蓄積層ECの膜厚が12[nm]、下部ゲート絶縁膜24aの膜厚が3.5[nm]とした場合、約2[V]となる。
In the case of this embodiment, the voltage difference Vono on the surface of the memory gate electrode MG and the memory well MPW in the write
これにより、各書き込み非選択メモリセル2b,2c,2dにおけるメモリトランジスタMT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、メモリゲート電極MGおよびメモリウェルMPW表面の電圧差Vonoが約2[V]となり、メモリゲート電極MGおよびメモリウェルMPW表面間に量子トンネル効果が発生するのに必要な大きな電圧差が生じず、電荷蓄積層ECへの電荷注入を阻止し得る。
As a result, in the memory transistor MT in each write
従って、このようなキャリア排除動作を実行した場合であっても、上述した実施の形態と同様に、データ書き込み動作時、空乏層Dにより、メモリゲート電極MGおよびメモリウェルMPW間を量子トンネル効果が発生しない電圧差とするため、高電圧の書き込み阻止電圧を印加する必要がなくなり、電荷蓄積ゲート電圧VPROGに拘束されずに、ビット線BL、ソース線SL、第1選択ゲート線DGLおよび第2選択ゲート線SGLに印加する電圧を、第1選択トランジスタST1および第2選択トランジスタST2がオン・オフ動作し得る電圧値にまで低減できる。その分、第1選択トランジスタST1の第1選択ゲート絶縁膜30や、第2選択トランジスタST2の第2選択ゲート絶縁膜33の各膜厚を薄くでき、当該膜厚が薄くなった分だけ従来よりも高速動作を実現し得る。
Therefore, even when such a carrier exclusion operation is executed, the quantum tunnel effect is generated between the memory gate electrode MG and the memory well MPW by the vacancy layer D during the data writing operation, as in the above-described embodiment. Since the voltage difference does not occur, it is not necessary to apply a high write blocking voltage, and the bit line BL, source line SL, first-choice gate line DGL and second are not constrained by the charge storage gate voltage V PROG . The voltage applied to the selection gate line SGL can be reduced to a voltage value at which the first selection transistor ST1 and the second selection transistor ST2 can operate on and off. The film thickness of the first-selection
(8)データ一括書き込み方法
次に、不揮発性半導体記憶装置1における各メモリセル2a,2b,2c,2dに対してデータを一括して書き込むデータ一括書き込み方法について以下説明する。図1との対応部分に同一符号を付して示す図4は、図1に示した不揮発性半導体記憶装置1の回路構成に対してデータ一括書き込み方法における各部での電圧を示し、また、データ一括書き込み方法の各部の電圧をまとめた表T4を示す。このデータ一括書き込み方法では、メモリセルアレイ(メモリマット)で共通するソース線SLおよび第2選択ゲート線SGLを利用することで、メモリセル2a,2b,2c,2dについてマット一括でデータの書き込みを実行し得る。
(8) Data batch writing method Next, a data batch writing method for batch writing data to each
実際上、この場合、不揮発性半導体記憶装置1では、図4に示すように、メモリゲート電圧印加回路13によってメモリゲート線MGLに電荷蓄積ゲート電圧VPROGが印加され、基板電圧印加回路17によってメモリウェルMPWに0[V]の基板電圧が印加される。また、ソース電圧印加回路15によって書き込み選択メモリセル2a,2b,2c,2dで共有するソース線SLに0[V]の書き込み選択ソース電圧が印加され、第2選択ゲート電圧印加回路14によって書き込み選択メモリセル2a,2b,2c,2dで共有する第2選択ゲート線SGLに第2選択ゲート側電源電圧VddSG(0[V]より大きく3[V]以下の電圧、例えば1.5[V]の電圧)が印加される。
In this case, in this case, in the non-volatile semiconductor storage device 1, as shown in FIG. 4, the charge storage gate voltage V PROG is applied to the memory gate line MGL by the memory gate
これにより、不揮発性半導体記憶装置1では、ソース線SLおよび第2選択ゲート線SGLに印加した電圧により各書き込み選択メモリセル2a,2b,2c,2dの第2選択トランジスタST2が一括してオン状態となり、メモリトランジスタMTとソース線SLとが電気的に接続される。これにより、各書き込み選択メモリセル2a,2b,2c,2dでは、第2選択ゲート電極SG直下のメモリウェルMPWにソース側導通領域が形成され、ソース領域34と、メモリゲート電極MG直下のメモリウェルMPWとが電気的に接続され、0[V]の書き込み選択ソース電圧がメモリトランジスタMTのチャネル層CHに印加される。
As a result, in the non-volatile semiconductor storage device 1, the second selection transistors ST2 of the write
かくして、書き込み選択メモリセル2a,2b,2c,2dでは、メモリゲート電極MGとチャネル層CHとの間に大きな電圧差(例えば、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内に電荷が注入され、メモリトランジスタMTにデータが書き込まれた状態となり得る。
Thus, in the write-
この際、不揮発性半導体記憶装置1は、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に0[V]のゲートオフ電圧が印加され、ビット線電圧印加回路10によって各ビット線BL1,BL2に0[V]または書き込み阻止電圧VddBL((0[V]より大きく3[V]以下の電圧、例えば1.5[V]の電圧))が印加される。これにより、各書き込み選択メモリセル2a,2b,2c,2dでは、第1選択トランジスタST1がオフ状態となり、メモリトランジスタMTとビット線BL1,BL2との電気的な接続が遮断される。
At this time, in the non-volatile semiconductor storage device 1, a gate-off voltage of 0 [V] is applied to each of the first-select gate lines DGL1 and DGL2 by the first-selection gate
なお、上述した実施の形態においては、前記データ一括書き込みにおいて、図4示したように、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に0[V]を印加したことで、ビット線電圧印加回路10によってビット線BL1,BL2の両方に0[V]または書き込み阻止電圧VddBLを印加したり、或いは、ビット線BL1,BL2の一方に0[V]、他方に書き込み阻止電圧VddBLを印加して0[V]と書き込み阻止電圧VddBLとが混在した状態にしても、第1選択トランジスタST1をオフ状態とすることができ、ビット線電圧印加回路10によるビット線BL1,BL2の電圧制御を不要にできる。
In the above-described embodiment, as shown in FIG. 4, 0 [V] is applied to the first selection gate lines DGL1 and DGL2 by the first selection gate
但し、本発明はこれに限らず、ビット線電圧印加回路10によって各ビット線BL1,BL2に0[V]を印加することにより、第1選択ゲート電圧印加回路11から各第1選択ゲート線DGL1,DGL2の両方に0[V]または書き込み選択ゲート電圧VddDGを印加したり、或いは、第1選択ゲート線DGL1,DGL2の一方に0[V]、他方に書き込み選択ゲート電圧VddDGを印加して0[V]と書き込み選択ゲート電圧VddDGとが混在した状態にしてもよい。第1選択ゲート線DGL1,DGL2に書き込み選択ゲート電圧VddDGが印加された場合には、0[V]の書き込み選択ソース電圧がメモリトランジスタMTのチャネル層CHに印加されるとともに、0[V]の電圧が各ビット線BL1,BL2からメモリトランジスタMTのチャネル層CHに印加され、量子トンネル効果によって電荷蓄積層EC内に電荷が注入される。第1選択ゲート線DGL1,DGL2に0[V]が印加された場合には、第1選択トランジスタST1をオフ状態とすることができ、0[V]の書き込み選択ソース電圧がメモリトランジスタMTのチャネル層CHに印加されることにより、量子トンネル効果によって電荷蓄積層EC内に電荷が注入される。したがって、各ビット線BL1,BL2に0[V]を印加すれば、第1選択ゲート電圧印加回路11による第1選択ゲート線DGL1,DGL2の電圧制御を不要にできる。
However, the present invention is not limited to this, and by applying 0 [V] to each bit line BL1 and BL2 by the bit line
不揮発性半導体記憶装置1では、データ一括書き込み動作をデータ消去の一連の動作として、データ消去動作の前に実行することができる。これによって、不揮発性半導体記憶装置1では、データ消去動作が繰り返し実行されても、データ消去動作前に全てのメモリセル2a,2b,2c,2dにデータを書き込むことにより、各メモリセル2a,2b,2c,2dの閾値電圧を揃えることができるとともに、データ消去後の閾値電圧が無用に低くなることを防止できる。このため、データ消去動作後に行われるデータ書き込み動作時に、書き込み非選択メモリセル2b,2c,2dにおいて、各メモリトランジスタMTのメモリウェルMPW内に形成される空乏層Dが、各メモリセル2a,2b,2c,2d間でばらつくことなく均等に安定して形成され、メモリマット全体においてディスターブ耐性を向上させることができる。
In the non-volatile semiconductor storage device 1, the data batch write operation can be executed as a series of data erasure operations before the data erasure operation. As a result, in the non-volatile semiconductor storage device 1, even if the data erasing operation is repeatedly executed, the data is written to all the
1 不揮発性半導体記憶装置
2a,2b,2c,2d メモリセル
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
BL1,BL2 ビット線
D 空乏層
DG 第1選択ゲート電極
DGL1,DGL2 第1選択ゲート線
EC 電荷蓄積層
MGL メモリゲート線
MPW メモリウェル
MG メモリゲート電極
MT メモリトランジスタ
SG 第2選択ゲート電極
SGL 第2選択ゲート線
SL ソース線
ST1 第1選択トランジスタ
ST2 第2選択トランジスタ
1 Non-volatile semiconductor storage device
2a, 2b, 2c, 2d memory cells
30 First-choice gate insulating film
31 Drain area
33 Second choice gate insulating film
34 Source area
BL1, BL2 bit line
D depletion layer
DG 1st choice gate electrode
DGL1, DGL2 1st selection gate line
EC charge storage layer
MGL memory gate line
MPW memory well
MG memory gate electrode
MT memory transistor
SG 2nd choice gate electrode
SGL 2nd choice gate line
SL source line
ST1 1st choice transistor
ST2 2nd choice transistor
Claims (5)
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、
前記メモリトランジスタのメモリゲート電極に接続されたメモリゲート線と、を備えた不揮発性半導体記憶装置のデータ書き込み方法であって、
前記電荷蓄積層に量子トンネル効果によって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線から前記メモリゲート電極に印加され、
前記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と同じ行かつ異なる列にある書き込み非選択メモリセル、前記書き込み選択メモリセルと同じ列かつ異なる行にある書き込み非選択メモリセル、及び、前記書き込み選択メモリセルと異なる行かつ異なる列にある書き込み非選択メモリセルにおいて、
前記書き込み非選択メモリセルのみが接続された前記ビット線に印加される電圧を、前記書き込み選択メモリセルに接続された前記第1選択ゲート線に印加される電圧値以上とし、
前記書き込み非選択メモリセルのみが接続された前記第1選択ゲート線に印加される電圧を0[V]とし、
前記書き込み非選択メモリセルが接続された前記ソース線に印加される電圧を、前記第2選択ゲート線に印加される電圧値以上とすることにより、
前記第1選択トランジスタをオフ状態にさせて前記メモリトランジスタと前記ビット線との接続を遮断するとともに、前記第2選択トランジスタをオフ状態にさせて前記メモリトランジスタと前記ソース線との接続を遮断することで、前記メモリゲート電極直下のメモリウェルに空乏層を形成し、前記メモリゲート電極および前記メモリウェル間を、量子トンネル効果が発生しない電圧差として、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のデータ書き込み方法。 A plurality of memory cells connected in series in the order of a first-select transistor, a memory transistor having a charge storage layer, and a second-select transistor and arranged in a matrix.
A bit line shared by a memory cell sequence and connected to the drain region of the first-select transistor,
A first-selection gate line shared by the memory cell row and connected to the first-selection gate electrode of the first-selection transistor,
The second selection gate wire connected to the second selection gate electrode of the second selection transistor and
The source line connected to the source region of the second selection transistor and
A data writing method for a non-volatile semiconductor storage device including a memory gate wire connected to a memory gate electrode of the memory transistor.
The charge storage gate voltage required to inject charge into the charge storage layer by the quantum tunnel effect is applied from the memory gate line to the memory gate electrode .
Write-unselected memory cells in the same row and different columns as the write-selected memory cells that inject charge into the charge storage layer, write-non-selected memory cells in the same column and different rows as the write-selected memory cells, and the write In a write-unselected memory cell that is in a different row and column than the selected memory cell
The voltage applied to the bit line to which only the write-unselected memory cell is connected is set to be equal to or higher than the voltage value applied to the first-select gate line connected to the write-selective memory cell.
The voltage applied to the first-select gate line to which only the write-unselected memory cell is connected is set to 0 [V].
By setting the voltage applied to the source line to which the write-unselected memory cell is connected to be equal to or higher than the voltage value applied to the second-select gate line.
Thereby disconnects the previous SL first selection transistor the memory transistor by the OFF state and the bit line, the pre-Symbol second select transistor is in an OFF state in the memory transistor connected between said source line By blocking, a depleted layer is formed in the memory well immediately below the memory gate electrode, and the charge is injected into the charge storage layer as a voltage difference between the memory gate electrode and the memory well so that the quantum tunnel effect does not occur. A method of writing data in a non-volatile semiconductor storage device, which is characterized by blocking the data.
ことを特徴とする請求項1に記載の不揮発性半導体記憶装置のデータ書き込み方法。 The data writing method for a non-volatile semiconductor storage device according to claim 1 , wherein 0 [V] is applied to the source line and the second selection gate line.
前記第2選択ゲート線には0[V]が印加される
ことを特徴とする請求項1に記載の不揮発性半導体記憶装置のデータ書き込み方法。 A source side power supply voltage Vdd SL larger than 0 [V] is applied to the source line.
The data writing method for a non-volatile semiconductor storage device according to claim 1 , wherein 0 [V] is applied to the second selection gate line.
ことを特徴とする請求項1〜3のいずれか1項に記載の不揮発性半導体記憶装置のデータ書き込み方法。 A voltage of Vdd or less and 3 [V] or less is applied to the bit line, the first selection gate line, the source line, and the second selection gate line in the non-volatile semiconductor storage device. The data writing method of the non-volatile semiconductor storage device according to any one of claims 1 to 3 , wherein the data is written.
前記メモリセルの前記第1選択トランジスタおよび/または前記第2選択トランジスタをオン状態としつつ、前記メモリゲート電極直下の前記メモリウェルにチャネル層を形成させる閾値電圧を目安に規定されたキャリア排除電圧が、前記メモリゲート電極に印加されることにより、前記メモリゲート電極直下の前記メモリウェル内のキャリアを前記ドレイン領域および/または前記ソース領域へ送出させて、前記メモリゲート電極直下の前記メモリウェルから前記キャリアを排除する
ことを特徴とする請求項1〜4のいずれか1項に記載の不揮発性半導体記憶装置のデータ書き込み方法。 Before injecting charge into the charge storage layer of the write-selection memory cell,
While the first selection transistor and / or the second selection transistor of the memory cell is turned on, the carrier exclusion voltage defined with reference to the threshold voltage for forming the channel layer in the memory well directly under the memory gate electrode is set. By being applied to the memory gate electrode, carriers in the memory well directly under the memory gate electrode are sent out to the drain region and / or the source region, and the memory well directly under the memory gate electrode is used. The data writing method for a non-volatile semiconductor storage device according to any one of claims 1 to 4 , wherein carriers are eliminated.
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