JPH02197176A - Thin film memory element - Google Patents
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Abstract
Description
【発明の詳細な説明】
〔産業上の利用分野〕
本発明は電気的に書込み/続出し/消去可能な薄膜メモ
リ素子に関するものである。DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION [Field of Industrial Application] The present invention relates to electrically programmable/sequentially readable/erasable thin film memory elements.
最近、電気的に書込み/読出し/消去可能なメモリ素子
として、薄膜トランジスタを利用した薄膜メモリ素子が
開発されている。Recently, thin film memory devices using thin film transistors have been developed as electrically writable/readable/erasable memory devices.
第7図は上記従来の薄膜メモリ素子を示したもので、こ
こでは逆スタガー型の薄膜トランジスタを利用したもの
を示している。この薄膜メモリ素子は、ガラス等からな
る絶縁基板1上にメモリ効果をもつ逆スタガー型薄膜ト
ランジスタを形成したもので、この逆スタガー型薄膜ト
ランジスタは、上記基板1上に形成されたゲート電極G
と、このデー11極Gの上に基板1のほぼ全面にわたっ
て形成されたゲート絶縁膜2と、このゲート絶縁膜2の
上に前記ゲート電極Gと対向させて形成された1型a−
Sl(アモルファス拳シリコン)からなる半導体層3と
、この半導体層3の上にn÷−a−51層4を介して形
成されたソース電極Sおよびドレイン電極りとからなっ
ている。なお、上記ゲート電極Gとソース、ドレイン電
極S。FIG. 7 shows the conventional thin film memory element described above, in which an inverted staggered thin film transistor is used. This thin film memory element has an inverted staggered thin film transistor having a memory effect formed on an insulating substrate 1 made of glass or the like.This inverted staggered thin film transistor has a gate electrode G formed on the substrate 1.
A gate insulating film 2 is formed on the electrode G over almost the entire surface of the substrate 1, and a type 1 a- is formed on the gate insulating film 2 to face the gate electrode G.
It consists of a semiconductor layer 3 made of Sl (amorphous silicon), and a source electrode S and a drain electrode formed on this semiconductor layer 3 via an n÷-a-51 layer 4. Note that the gate electrode G and the source and drain electrodes S.
Dはそれぞれ図示しない配線につながっている。Each of D is connected to a wiring not shown.
そして、上記ゲート絶縁膜2は、上記薄膜トランジスタ
にメモリ効果をもたせるために、電荷蓄積機能をもつ絶
縁膜とされており、このゲート絶縁膜2は、例えばシリ
コン原子SIと窒素原子Nとの組成比(Sl /N)を
化学量論比(S1/N−0,75)より太きく (S
l /N−0,85〜1.1)したSIN膜からなって
いる。The gate insulating film 2 is an insulating film having a charge storage function in order to provide a memory effect to the thin film transistor, and the gate insulating film 2 has a composition ratio of, for example, silicon atoms SI and nitrogen atoms N. (Sl/N) is larger than the stoichiometric ratio (S1/N-0,75) (S
1/N-0, 85 to 1.1).
この薄膜メモリ素子は、そのゲート電圧vG−ドレイン
電流(ソース−ドレイン間に流れる電流)l+)特性に
ヒステリシス性があり、電気的に書込み/読出し/ /
F!!去可能なメモリ効果をもっている。This thin film memory element has hysteresis in its gate voltage vG - drain current (current flowing between source and drain) l+) characteristic, and electrically writes/reads/ /
F! ! It has a removable memory effect.
第9図は、上記薄膜メモリ素子のvG−rp特性を第8
図に示すようなa+定定路路よって測定した結果を示し
たもので、上記薄膜メモリ素子のVG−ID特性は、第
9図のようなヒステリシス性をもっている。FIG. 9 shows the vG-rp characteristics of the thin film memory element as shown in FIG.
This figure shows the results of measurement using the a+ constant path as shown in the figure, and the VG-ID characteristic of the thin film memory element has hysteresis as shown in FIG.
そして、上記薄膜メモリ素子に1nAのドレイン電流I
Dが流れるときの電圧ΔVth(以下閾値電圧という)
を測定すると、第10図(a)のようにゲート電極Gに
一30Vの電圧を印加した場合は閾値電圧(ΔV th
−n)が−15Vになり、薄膜メモリ素子は、ゲート電
圧VGをOVにしたときでもドレイン電流IDが流れる
という、第9図における特性曲線aのようなデプレッシ
ョン・タイプのトランジスタ特性を示し、第10図(b
)のようにゲート電極Gに+30Vの電圧を印加した場
合は閾値電圧(ΔV th−p)が+12Vになり、薄
膜メモリ素子は、ゲート電圧vGをOVより高くしない
とドレイン電流■。が流れないという、第9図における
特性曲線すのようなエンハンスメント・タイプのトラン
ジスタ特性を示す。Then, a drain current I of 1 nA is applied to the thin film memory element.
Voltage ΔVth when D flows (hereinafter referred to as threshold voltage)
When we measure the threshold voltage (ΔV th
-n) becomes -15V, and the thin film memory element exhibits depletion type transistor characteristics as shown in the characteristic curve a in FIG. 9, in which the drain current ID flows even when the gate voltage VG is set to OV. Figure 10 (b
), when a voltage of +30V is applied to the gate electrode G, the threshold voltage (ΔV th-p) becomes +12V, and the thin film memory element has a drain current of ■ unless the gate voltage vG is higher than OV. The characteristic curve in FIG. 9 shows an enhancement type transistor characteristic in which no current flows.
したがって、上記薄膜メモリ素子を使用するには、その
ゲート電極Gに印加する電圧を制御すればよく、第10
図(a)のようにゲート電極Gに一30V、 ドレイ
ン電極に+IOVの電圧を印加し、ソース電極Sを接地
すると、薄膜メモリ素子がデプレッション・タイプのト
ランジスタ特性を示して消去状態となり、第10図(b
)のようにゲート電極Gに+30V1 ドレイン電極に
+10■の電圧を印加し、ソース電極Sを接地すると、
薄膜メモリ素子がエンハンスメント・タイプのトランジ
スタ特性を示して書込み状態となる。Therefore, in order to use the thin film memory element, it is only necessary to control the voltage applied to the gate electrode G.
When a voltage of -30V is applied to the gate electrode G and a voltage of +IOV is applied to the drain electrode, and the source electrode S is grounded as shown in FIG. Figure (b
), applying a voltage of +30V1 to the gate electrode G and +10V to the drain electrode, and grounding the source electrode S,
The thin film memory element exhibits enhancement type transistor characteristics and enters a written state.
また読出しは、第10図(C)のようにドレイン電極に
+IOVの電圧を印加し、ソース電極Sを接地して、ゲ
ート電極Gに、選択電圧がQV、非選択電圧が一20V
のパルス電圧を印加することで行なうことができる。For reading, as shown in FIG. 10(C), a voltage of +IOV is applied to the drain electrode, the source electrode S is grounded, and the selection voltage is QV and the non-selection voltage is -20V to the gate electrode G.
This can be done by applying a pulse voltage of .
しかしながら、上記従来の薄膜メモリ素子は、書込み/
消去時も読出し時も同じゲート電極Gに電圧を印加する
ものであるため、読出しを繰返すのにともなって閾値電
圧ΔV th−n、 Δv th−pが第11図に示
すように変化し、そのために読出し回数が数千回を越え
ると、安定した読出しができなくなってしまうという問
題をもっていた。However, the above-mentioned conventional thin film memory element cannot write/write.
Since a voltage is applied to the same gate electrode G during erasing and reading, the threshold voltages ΔV th-n and Δv th-p change as shown in FIG. 11 as reading is repeated. However, when the number of readings exceeds several thousand times, stable reading becomes impossible.
°本発明は上記のような実情にかんがみてなされたもの
であって、その目的とするところは、読出しを繰返して
も閾値電圧が変化せず、半永久的に安定した読出しを行
なうことができる薄膜メモリ素子を提供することにある
。°The present invention has been made in view of the above-mentioned circumstances, and its purpose is to provide a thin film whose threshold voltage does not change even after repeated readouts, and whose readout can be performed semi-permanently and stably. An object of the present invention is to provide a memory device.
本発明の薄膜メモリ素子は、上記目的を達成するために
、半導体層およびこの半導体層に接続されたソース、ド
レイン電極と、前記半導体層の一面に第1のゲート絶縁
膜を介して対向する第1のゲート電極と、前記半導体層
の他面に第2のゲート絶縁膜を介して対向する第2のゲ
ート電極とを篩え、かつ前記第1と第2のゲート絶縁膜
の一方は電荷蓄積機能をもつ絶縁膜とし、他方のゲート
絶縁膜は電荷蓄積機能をもたない絶縁膜とするとともに
、前記第1と第2のゲート電極のうち、前記電荷蓄積機
能をもつゲート絶縁膜を介して前記半導体層と対向する
ゲート電極を書込み/消去用電極とし、前記電荷蓄積機
能をもたないゲート絶縁膜を介して前記半導体層と対向
するゲート電極を読出し用電極としたものである。In order to achieve the above object, the thin film memory element of the present invention includes a semiconductor layer, a source electrode and a drain electrode connected to the semiconductor layer, and a first gate insulating film that faces one surface of the semiconductor layer with a first gate insulating film interposed therebetween. 1 gate electrode and a second gate electrode facing the other surface of the semiconductor layer with a second gate insulating film interposed therebetween, and one of the first and second gate insulating films is configured to accumulate charge. The gate insulating film is an insulating film with a function, and the other gate insulating film is an insulating film without a charge storage function, and between the first and second gate electrodes, the gate insulating film with a charge storage function is A gate electrode facing the semiconductor layer is used as a write/erase electrode, and a gate electrode facing the semiconductor layer via the gate insulating film having no charge storage function is used as a read electrode.
すなわち、本発明の薄膜メモリ素子は、基本的には、ゲ
ート電極と電荷蓄積機能をもつゲート絶縁膜と半導体層
およびソース、ドレイン電極とからなるメモリ効果をも
った薄膜トランジスタに、電荷蓄積機能をもたないゲー
ト絶縁膜を介して前記半導体層と対向するもう1つのゲ
ート電極を設けて、書込みおよび消去は電荷蓄積機能を
もつゲート絶縁膜を介して半導体層と対向する薄膜トラ
ンジスタ本来のゲート電極を使用して行ない、読出しは
電荷蓄積機能をもたないゲート絶縁膜を介して前記半導
体層と対向するもう1つのゲート電極を使用して行なう
ようにしたものであり、このように上記もう1つのゲー
ト電極を使用して読出しを行なえば、読出しを繰返して
も閾値電圧が変化することはないから、半永久的に安定
した読出しを行なうことができる。That is, the thin film memory element of the present invention is basically a thin film transistor having a memory effect, which is composed of a gate electrode, a gate insulating film having a charge storage function, a semiconductor layer, and source and drain electrodes, but also having a charge storage function. Another gate electrode is provided that faces the semiconductor layer through a gate insulating film that has a charge storage function, and writing and erasing are performed using the original gate electrode of the thin film transistor that faces the semiconductor layer through a gate insulating film that has a charge storage function. The readout is performed using another gate electrode that faces the semiconductor layer through a gate insulating film that does not have a charge storage function. If reading is performed using electrodes, the threshold voltage will not change even if reading is repeated, so that stable reading can be performed semi-permanently.
以下、本発明の一実施例を図面を参照して説明する。 Hereinafter, one embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings.
第1図および第2図は本実施例の薄膜メモリ素子の断面
図および平面図である。この薄膜メモリ素子の構造を説
明すると、第1図および第2図において、11はガラス
等からなる絶縁基板、G1はこの絶縁基板11上に形成
された第1のゲート電極、12は前記第1のゲート電極
G1の上に基板11のほぼ全面にわたって形成された第
1のゲート絶縁膜であり、この第1のゲート絶縁膜12
は、電荷蓄積機能をもつ絶縁膜、例えばシリコン原子S
1と窒素原子Nとの組成比をSl/N−0,85〜1,
1にしたSiN膜からなっている。1 and 2 are a sectional view and a plan view of the thin film memory element of this example. To explain the structure of this thin film memory element, in FIGS. 1 and 2, 11 is an insulating substrate made of glass or the like, G1 is a first gate electrode formed on this insulating substrate 11, and 12 is the first The first gate insulating film 12 is formed on the gate electrode G1 over almost the entire surface of the substrate 11.
is an insulating film with a charge storage function, such as silicon atoms S
The composition ratio of 1 and nitrogen atoms N is Sl/N-0,85~1,
It is made of a SiN film of 1.
また、13は上記第1のゲート絶縁膜12の上に前記t
?Jlのゲート電極G1と対向させて形成されたi型a
−si半導体層、S、Dはこの半導体層13の上にロ+
−a−St層14を介して形成されたソース、ドレイン
電極であり、このソース。Further, the t 13 is formed on the first gate insulating film 12.
? I-type a formed facing the gate electrode G1 of Jl
-Si semiconductor layers, S and D are placed on top of this semiconductor layer 13.
-a- Source and drain electrodes formed through the St layer 14, and this source.
ドレイン電極S、Dおよび半導体層13と、上記電荷蓄
積機能をも2ゲート絶縁膜12と、前記第1のゲート電
極Glとによって、メモリ効果をもつ逆スタガー薄膜ト
ランジスタが構成されている。An inverted staggered thin film transistor having a memory effect is constituted by the drain electrodes S, D and the semiconductor layer 13, the two-gate insulating film 12 which also has a charge storage function, and the first gate electrode Gl.
また、上記半導体層13およびこれに接続されたソース
、ドレイン電極S、Dの上には、基板11のほぼ全面に
わたって第2の絶縁膜15が形成されており、この第2
の絶縁膜15の上には、前記半導体層13と対向する第
2のゲート電極G2が形成されている。上記第2のゲー
ト絶縁膜15は電荷蓄積機能をもたない絶縁膜、例えば
シリコン原子S1と、窒素原子Nとの組成比を化学量論
比(Sl/N−0,75)と同じがあるいはそれに近く
したSiN膜からなっている。なお、上記第1のゲート
電極G1とソース、ドレイン電極S。Further, a second insulating film 15 is formed over almost the entire surface of the substrate 11 on the semiconductor layer 13 and the source and drain electrodes S and D connected thereto.
A second gate electrode G2 facing the semiconductor layer 13 is formed on the insulating film 15. The second gate insulating film 15 is an insulating film that does not have a charge storage function, for example, the composition ratio of silicon atoms S1 and nitrogen atoms N is the same as the stoichiometric ratio (Sl/N-0,75), or It consists of a SiN film similar to that. Note that the first gate electrode G1 and the source and drain electrodes S.
Dおよび第2のゲート電極G2は、それぞれ図示しない
配線につながっている。D and the second gate electrode G2 are each connected to a wiring not shown.
そして、前記ff1lと第2のゲート電極Gl。Then, the ff1l and the second gate electrode Gl.
G2のうち、電荷蓄積機能をもつ第1のゲート絶縁膜1
2を介して半導体層13と対向する第1のゲート電極G
1は書込み/消去用電極とされ、電荷蓄積機能をもたな
い第2のゲート絶縁膜15を介して前記半導体層13と
対向する第2のゲート電極G2は読出し用電極とされて
いる。Among G2, the first gate insulating film 1 having a charge storage function
A first gate electrode G facing the semiconductor layer 13 via 2
Reference numeral 1 is a write/erase electrode, and a second gate electrode G2, which faces the semiconductor layer 13 via a second gate insulating film 15 having no charge storage function, is a read electrode.
すなわち、この薄膜メモリ素子は、第1のゲート電極G
lと電荷蓄積機能をもつ第1のゲート絶縁膜12と半導
体層13およびソース、ドレイン電極S、Dとからなる
メモリ効果をもった薄膜トランジスタに、電荷蓄積機能
をもたない第2のゲート絶縁膜15を介して前記半導体
層13と対向する第2のゲート電極G2を設けることに
より、書込みおよび消去は、電荷蓄積機能をもつ第1の
ゲート絶縁膜12を介して半導体層13と対向する薄膜
トランジスタ本来の第1のゲート電極Glを使用して行
ない、読出しは、電荷蓄積機能をもたない第2のゲート
絶縁膜15を介して前記半導体層13と対向する第2の
ゲート電極G2を使用して行なうようにしたものである
。That is, in this thin film memory element, the first gate electrode G
A thin film transistor having a memory effect consisting of a first gate insulating film 12 having a charge storage function, a semiconductor layer 13, and source and drain electrodes S and D has a second gate insulating film having no charge storage function. By providing the second gate electrode G2 facing the semiconductor layer 13 through the gate electrode 15, writing and erasing can be performed using the thin film transistor which faces the semiconductor layer 13 through the first gate insulating film 12 having a charge storage function. The reading is performed using the first gate electrode Gl of the semiconductor layer 13, and the readout is performed using the second gate electrode G2 facing the semiconductor layer 13 via the second gate insulating film 15 having no charge storage function. This is what I decided to do.
第3図は上記薄膜メモリ素子の製造工程を示したもので
、この薄膜メモリ素子は次のようにして製造される。FIG. 3 shows the manufacturing process of the thin film memory element described above, and this thin film memory element is manufactured as follows.
まず第3図(a)に示すように、絶縁基板11の上に第
1のゲート電極G1を形成する。この第1のゲート電極
Glは、基板11上にクロムを真空蒸着法により膜付け
し、このクロム膜をフォト・リソグラフィ法によりバタ
ーニングする方法で形成する。First, as shown in FIG. 3(a), a first gate electrode G1 is formed on an insulating substrate 11. The first gate electrode Gl is formed by depositing a chromium film on the substrate 11 by vacuum evaporation, and then patterning the chromium film by photolithography.
次に、第3図(b)に示すように、上記第1のゲート電
極G1を形成した基板11上に、電荷蓄積機能をもつS
i N (Si /N−0,85〜1.1)からなる第
1のゲート絶縁膜12と、i型a−8t半導体層13を
形成する。上記第1のゲート絶縁膜12は、プラズマC
VD法により、シランとアンモニアと窒素との混合ガス
を用い、かつこの各ガスの流量を、基板11上に堆積す
るSiNの組成比がSi/N−0,85〜1.1になる
ように制御して形成する。また、上記i型a−5l半導
体層13は、上記第1のゲート絶縁膜12の形成と連続
して、プラズマCVD法によリシランと水素の混合ガス
を用いてi型a−3l膜を形成し、この後上記i型a−
8t膜をフォト・リソグラフィ法によりバターニングす
る方法で形成する。Next, as shown in FIG. 3(b), an S having a charge storage function is placed on the substrate 11 on which the first gate electrode G1 is formed.
A first gate insulating film 12 made of iN (Si/N-0, 85 to 1.1) and an i-type a-8t semiconductor layer 13 are formed. The first gate insulating film 12 is formed by plasma C.
By the VD method, a mixed gas of silane, ammonia, and nitrogen is used, and the flow rate of each gas is adjusted such that the composition ratio of SiN deposited on the substrate 11 is Si/N-0.85 to 1.1. Control and shape. Further, the i-type A-5L semiconductor layer 13 is formed by forming an I-type A-3L film using a mixed gas of resilane and hydrogen by plasma CVD method, successively with the formation of the first gate insulating film 12. After this, the above type i a-
The 8t film is formed by patterning using photolithography.
次に、第3図(c)に示すように、上記i型a−3l半
導体層13の上から前記第1のゲート絶縁膜12の上に
かけて、隣を含有させて電子濃度を高くしたn”−a−
31層]4と、ソース電極Sおよびドレイン電極りを形
成する。上記n ” −a、 −S 1層14は、i型
a−3l半導体層13とソース、ドレイン電極S、Dと
の良好なオミック接続を得るために形成するもので、こ
のn”−a−51層14とソース、ドレイン電極S。Next, as shown in FIG. 3(c), from above the i-type A-3L semiconductor layer 13 to above the first gate insulating film 12, n'' is added to increase the electron concentration. -a-
31 layer] 4, a source electrode S and a drain electrode are formed. The n''-a, -S 1 layer 14 is formed in order to obtain a good ohmic connection between the i-type a-3l semiconductor layer 13 and the source and drain electrodes S and D. 51 layer 14 and source and drain electrodes S.
Dは、まずプラズマCVD法によりシランとホスインと
水素との混合ガスを用いてn÷−a−8i膜を形成し、
その上にクロムを真空蒸着法により膜付けした後、この
クロム膜と上記n ” a−Si膜をフォト・リソグ
ラフィ法によりバターニングする方法で形成する。D first forms an n÷-a-8i film using a mixed gas of silane, phosine, and hydrogen by plasma CVD method,
After forming a chromium film thereon by vacuum evaporation, this chromium film and the n''a-Si film are patterned by photolithography.
次に、第3図(d)に示すように、上記l型半導体層1
3およびソース、ドレイン電極SDの上に第1のゲート
絶縁膜12のほぼ全面にわたって、電荷蓄積機能をもた
ないSi N (Sl /N−1−0,75)からなる
第2のゲート絶縁膜15を形成し、その上にこの第2の
ゲート絶縁膜15を介して上記i !!l a −S
i半導体層13と対向する第2のゲート電極G2を形成
して薄膜メモリ素子を完成する。上記第2のゲート絶縁
膜15は、プラズマCVD法により、シランとアンモニ
アと窒素との混合ガスを用い、かつこの各ガスの流ユを
、堆積するSINの組成比がSi/N=:0.75にな
るように制御して形成する。また、上記第2のゲートf
f電極G2は、上記第2のゲート絶縁膜15の上にクロ
ムを真空蒸着法により膜付けし、このクロム膜をフォト
・リソグラフィ法によりバターニングする方法で形成す
る。Next, as shown in FIG. 3(d), the l-type semiconductor layer 1
3 and over the source and drain electrodes SD, a second gate insulating film made of SiN (Sl/N-1-0,75) having no charge storage function is formed over almost the entire surface of the first gate insulating film 12. 15, and the i! ! la-S
A second gate electrode G2 facing the i-semiconductor layer 13 is formed to complete the thin film memory element. The second gate insulating film 15 is deposited by the plasma CVD method using a mixed gas of silane, ammonia, and nitrogen, and the composition ratio of SIN to be deposited is Si/N=:0. It is controlled and formed so that it becomes 75. In addition, the second gate f
The f electrode G2 is formed by depositing chromium on the second gate insulating film 15 by vacuum evaporation, and patterning the chromium film by photolithography.
上記薄膜メモリ素子の動作を説明すると、第4図は上記
薄膜メモリ素子の消去時と書込み時と読出し時の駆動状
態を示す回路図で、消去時は、第4図(a)に示すよう
に書込み/消去用の第1のゲート絶縁膜(以下書込み/
消去用ゲート電極という)GLに一30V1 ドレイン
電極りに+IOVの電圧を印加し、ソース電極Sと読出
し用の第2のゲート電極(以下読出し用ゲート電極とい
う)G2を接地すればよく、このときは薄膜メモリ素工
が、書込み/消去用ゲート電極G1に印加するゲート電
圧■GをOVにしたときでもドレイン電流IDが流れる
という、第9図に示した特性曲線aのようなデプレッシ
ョン・タイプのトランジスタ特性を示して消去状態とな
る。To explain the operation of the thin film memory element, FIG. 4 is a circuit diagram showing the driving states of the thin film memory element during erasing, writing, and reading. First gate insulating film for writing/erasing (hereinafter referred to as writing/erase)
It is sufficient to apply a voltage of -30 V1 to GL (referred to as the erase gate electrode) and +IOV to the drain electrode, and ground the source electrode S and the second gate electrode for reading (hereinafter referred to as the read gate electrode) G2. The thin film memory fabric is a depletion type, as shown in the characteristic curve a shown in Figure 9, in which the drain current ID flows even when the gate voltage G applied to the write/erase gate electrode G1 is set to OV. It exhibits transistor characteristics and enters the erased state.
また、書込み時は、第4図(b)に示すように書込み/
消去用ゲート電極G1に+30V1 ドレイン電極に+
10Vの電圧を印加し、ソース電極Sと読出し用ゲート
電極G2を接地すればよく、このときは薄膜メモリ素子
が、書込み/消去用ゲート電極G1に印加するゲート電
圧vGをOVより高くしないとドレイン電流IDが流れ
ないという、第9図に示した特性曲線すのようなエンハ
ンスメント−タイプのトランジスタ特性を示して書込み
状態となる。Also, when writing, write/write as shown in Figure 4(b).
+30V1 to erase gate electrode G1 + to drain electrode
It is sufficient to apply a voltage of 10V and ground the source electrode S and the readout gate electrode G2. At this time, the thin film memory element will not drain unless the gate voltage vG applied to the write/erase gate electrode G1 is higher than OV. The transistor enters a write state, exhibiting enhancement-type transistor characteristics such as the characteristic curve shown in FIG. 9, in which no current ID flows.
一方、読出しは、第4図(c)のようにドレイン電極に
+1. OVの電圧を印加し、ソース電極Sど書込み/
消火用ゲ、−ト電極Glを接地して、読出し用ゲート電
極G2に、選択電圧がOv、非選択電圧が一20Vのパ
ルス電圧を印加することで行なうことができる。この場
合、読出し用ゲート電極G2に印加するゲー1[圧VG
の変化に対するドレイン’QS 1yfE I oの
変化は、読出し用ゲート714iG2に非選択電圧(−
20V)を印加したときは第5図に示した特性曲線a′
のようなデプレッション・タイプのトランジスタ特性を
示し、選択電圧(OV)を印加したときは第5図に示し
た特性面Hb’のようなエンハンスメント・タイプのト
ランジスタ特性を示す。On the other hand, for reading, as shown in FIG. 4(c), +1. Apply a voltage of OV and write/write to the source electrode S.
This can be done by grounding the extinguishing gate electrode Gl and applying a pulse voltage with a selection voltage of Ov and a non-selection voltage of 120V to the reading gate electrode G2. In this case, the gate electrode G2 is applied to the reading gate electrode G2.
The change in the drain 'QS 1yfE Io with respect to the change in the non-selection voltage (-
20V) is applied, the characteristic curve a' shown in Fig. 5
When a selection voltage (OV) is applied, it exhibits an enhancement type transistor characteristic as shown in the characteristic surface Hb' shown in FIG. 5.
このように、上記薄膜メモリ素子は、書込み/消去用ゲ
ート電極G1に印加された電圧によって起るトランジス
タ特性、すなわちデプレッション・タイプまたはエンハ
ンスメントφタイプの状態を、読出し用ゲート電極G2
への電圧の印加によっても再現できるものである。In this way, the thin film memory element changes the transistor characteristics caused by the voltage applied to the write/erase gate electrode G1, that is, the depletion type or enhancement φ type state, to the read gate electrode G2.
This can also be reproduced by applying a voltage to.
そして、上記薄膜メモリ素子における読出し時の状態、
つまり第4図(c)のようにドレイン電極に+10Vの
電圧を印加し、ソース電極Sと書込み/消去用ゲート電
極Glを接地して、読出し用ゲート電極G2に、選択電
圧がOV、非選択電圧が一20Vのパルス電圧を印加し
た状態での閾値電圧ΔV th−n、 Δv th−
pの変動を調べたところ、この閾値電圧ΔV th−n
、 Δv th−pは第6図に示すようにほとんど変
化せず、また上記読出しの繰返しにともなう閾値電圧Δ
V th−n、 ΔVt1l−1)の変化もほとんど
見られなかった。And the state at the time of reading in the thin film memory element,
In other words, as shown in FIG. 4(c), a voltage of +10V is applied to the drain electrode, the source electrode S and the write/erase gate electrode Gl are grounded, and the selection voltage is OV and the non-selection voltage is applied to the read gate electrode G2. Threshold voltage ΔV th-n, Δv th- when a pulse voltage of 120 V is applied
When we investigated the fluctuation of p, we found that this threshold voltage ΔV th−n
, Δv th-p hardly changes as shown in FIG.
Almost no change was observed in V th-n, ΔVt1l-1).
このように、上記薄膜メモリ素子では、第1のゲート電
極(書込み/消去用電極)Gl と電荷蓄積機能をもつ
第1のゲート絶縁膜12と半導体層13およびソース、
ドレイン電極S、Dとからなるメモリ効果をもった薄膜
トランジスタに、電荷蓄積機能をもたない第2のゲート
絶縁膜15を介して前記半導体層13と対向する第2の
ゲート電極(読出し用電極)G2を設けて、書込みおよ
び消去は電荷蓄積機能をもつゲート絶縁膜12を介して
半導体層13と対向する薄膜トランジスタ本来の第1の
ゲート電極G1を使用して行ない、読出しは電荷蓄積機
能、をしたないゲート絶縁膜15を介して前記半導体層
13と対向する第2のゲート電極G2を使用して行なう
ようにしているから、読出しを繰返しても閾値電圧ΔV
th−n、 ΔVtb−pが変化することはなく、
したがってこの薄膜メモリ素子によれば、半永久的に安
定した読出しを行なうことができる。In this way, in the thin film memory element, the first gate electrode (write/erase electrode) Gl, the first gate insulating film 12 having a charge storage function, the semiconductor layer 13, the source,
A second gate electrode (readout electrode) faces the semiconductor layer 13 via a second gate insulating film 15 having no charge storage function in a thin film transistor having a memory effect consisting of drain electrodes S and D. G2 is provided, and writing and erasing are performed using the original first gate electrode G1 of the thin film transistor, which faces the semiconductor layer 13 via the gate insulating film 12 having a charge storage function, and reading is performed using a charge storage function. Since the second gate electrode G2 facing the semiconductor layer 13 via the gate insulating film 15 is used, the threshold voltage ΔV remains constant even when reading is repeated.
th-n, ΔVtb-p do not change,
Therefore, according to this thin film memory element, stable reading can be performed semi-permanently.
なお、上記実施例では、電6:j蓄積機能をもつ第1の
ゲート絶縁膜12を、Si /N=0.85〜1.1の
SINで形成しているが、この第1のゲート絶縁膜は、
誘電体薄膜の上に、Sj/Nの値を化学量論比(Sl
/N−0,75)と同じかあるいはそれに近くしたSi
N薄膜(厚さ 100〜1000人)を形成した二層構
造の絶縁膜としてもよく、その場合も、誘電体薄膜とし
て上記SiN薄膜(Sl /N=:0.75)より大き
い誘電率をもつ誘電体(酸化タンタル、酸化チタン、チ
タン酸バリウム、ジルコン酸チタン亜鉛等)を用いれば
、ゲート絶縁膜に電荷蓄積機能をもたせることができる
。また、電荷M植機能をもたない第2のゲート絶縁膜1
5もSIN膜に限られるものではない。In the above embodiment, the first gate insulating film 12 having the function of accumulating electricity is formed of SIN of Si/N=0.85 to 1.1. The membrane is
On the dielectric thin film, the value of Sj/N is changed to the stoichiometric ratio (Sl
/N-0,75) or close to it
It may also be a two-layer insulating film with a N thin film (thickness: 100 to 1000), and in that case, the dielectric thin film has a dielectric constant larger than the above SiN thin film (Sl /N =: 0.75). If a dielectric material (tantalum oxide, titanium oxide, barium titanate, zinc titanium zirconate, etc.) is used, the gate insulating film can have a charge storage function. In addition, the second gate insulating film 1 which does not have a charge M implantation function
5 is also not limited to the SIN film.
また、上記実施例では、第1のゲート絶縁膜12を電荷
蓄積機能をもつ絶縁膜とし、第2のゲート絶縁膜15を
電荷蓄積機能をもたない絶縁膜としているが、これと逆
に、第2のゲート絶縁膜15を電荷蓄積機能をもつ絶縁
膜とし、第1のゲート絶縁膜12を電荷蓄積機能をもた
ない絶縁膜としてもよく、その場合は、第2のゲート絶
縁膜15を介して半導体層13と対向する第2のゲート
電極G2を書込み/消去用電極とし、第1のゲート絶縁
膜12を介して半導体層]3と対向する第1のゲート電
極G1を読出し用電極とすればよい。なお、この場合、
メモリ効果をもつ薄膜トランジスタは、第2のゲート電
極G2と第2のゲート絶縁膜15と半導体層13および
ソース、ドレイン電極S、Dとで構成されるコブラナー
型となり、薄膜メモリ素子は、この薄膜トランジスタの
下側に、電荷蓄積機能をもたない第1のゲート絶縁膜1
2を介して前記半導体層13と対向する第1のゲート電
極(読出し用電極)Glを設けた構成となる。また、上
記メモリ効果をもつ薄膜トランジスは、逆スタガー型、
コプラナー型に限らず、スタガー型、逆スタガ−型でも
よく、その場合も、この薄膜トランジスタに電荷蓄積機
能をもたないゲート絶縁膜を介して半導体層と対向する
もう1のゲート電極(読出し用電極)を設ければ、前述
した実施例と同様な効果をもつ薄膜メモリ素子を得るこ
とができる。Further, in the above embodiment, the first gate insulating film 12 is an insulating film that has a charge storage function, and the second gate insulating film 15 is an insulating film that does not have a charge storage function, but on the contrary, The second gate insulating film 15 may be an insulating film with a charge storage function, and the first gate insulating film 12 may be an insulating film without a charge storage function. In that case, the second gate insulating film 15 may be an insulating film with a charge storage function. The second gate electrode G2 facing the semiconductor layer 13 via the first gate insulating film 12 is used as a write/erase electrode, and the first gate electrode G1 facing the semiconductor layer 3 via the first gate insulating film 12 is used as a read electrode. do it. In this case,
A thin film transistor with a memory effect is a Cobraner type consisting of a second gate electrode G2, a second gate insulating film 15, a semiconductor layer 13, and source and drain electrodes S and D. On the lower side, a first gate insulating film 1 that does not have a charge storage function.
The structure is such that a first gate electrode (reading electrode) Gl is provided opposite to the semiconductor layer 13 via 2. In addition, the thin film transistors with the above-mentioned memory effect are inverted stagger type,
The thin film transistor is not limited to a coplanar type, but may also be a staggered type or an inverted staggered type. In that case, this thin film transistor has another gate electrode (a readout electrode) that faces the semiconductor layer through a gate insulating film that does not have a charge storage function. ), it is possible to obtain a thin film memory element having the same effects as those of the embodiments described above.
本発明の薄膜メモリ素子は、半導体層およびこの半導体
層に接続されたソース、ドレイン電極と、前記半導体層
の一面に第1のゲート絶縁膜を介して対向する第1のゲ
ート電極と、前記半導体層の他面に第2のゲート絶縁膜
を介して対向する第2のゲート電極とを備え、かつ前記
第1と第2のゲート絶縁膜の一方は電荷蓄積機能をもつ
絶縁膜とし、他方のゲート絶縁膜は電荷蓄積機能をもた
ない絶縁膜とするとともに、前記第1と第2のゲート電
極のうち、前記電荷蓄積機能をもつゲート絶縁膜を介し
て前記半導体層と対向するゲート電極を書込み/消去用
電極とし、前記電荷蓄積機能をもたないゲート絶縁膜を
介して前記半導体層と対向するゲート電極を読出し用電
極としたものであるから、読出しを繰返しても閾値電圧
が変化せず、半永久的に安定した読出しを行なうことが
できる。The thin film memory element of the present invention includes a semiconductor layer, a source and a drain electrode connected to the semiconductor layer, a first gate electrode that faces one surface of the semiconductor layer with a first gate insulating film interposed therebetween, and a semiconductor layer that is connected to the semiconductor layer. a second gate electrode facing each other via a second gate insulating film on the other surface of the layer; one of the first and second gate insulating films is an insulating film having a charge storage function; The gate insulating film is an insulating film that does not have a charge storage function, and of the first and second gate electrodes, a gate electrode that faces the semiconductor layer through the gate insulating film that has a charge storage function is formed. Since the write/erase electrode is used as the read electrode and the gate electrode facing the semiconductor layer via the gate insulating film having no charge storage function is used as the read electrode, the threshold voltage does not change even if read is repeated. First, stable reading can be performed semi-permanently.
第1図〜第6図は本発明の一実施例を示したもので、第
1図および第2図は薄膜メモリ素子の断面図および平面
図、第3図は薄膜メモリ素子の製造工程図、第4図は薄
膜メモリ素子の消去時と書込み時と読出し時の駆動状態
を示す回路図、第5図は読出し用電極となるゲート電極
にゲート電圧を印加したときのVG′ −ID特性図、
第6図は読出し回数に対する閾値電圧の変化を示す図で
ある。第7図は従来の薄膜メモリ素子の断面図、第8図
は薄膜メモリ素子のVG−ID特性ap+定回路図、第
9図は薄膜メモリ素子のVC−ID特性図、第10図は
従来の薄膜メモリ素子の消去時と書込み時と読出し時の
駆動状態を示す回路図、第11図は従来の薄膜メモリ素
子の読出し回数に対する閾値電圧の変化を示す図である
。
11・・・絶縁基板、G】・・・第1のゲート電極(書
込み/消去用電極)、12・・・第1のゲート絶縁膜(
電荷蓄積機能をもつ絶縁膜)、13・・・n型a −8
1半導体層、14−n ” −a −S i層、S−・
・ソース電極、D・・・ドレイン電極1,1・5・・・
第2のゲート絶縁膜(電荷蓄積機能をもたない絶縁膜)
、G2・・・第2のゲート電極(読出し用電極)。
第1図1 to 6 show an embodiment of the present invention, FIG. 1 and FIG. 2 are a cross-sectional view and a plan view of a thin film memory element, and FIG. 3 is a manufacturing process diagram of a thin film memory element. FIG. 4 is a circuit diagram showing the driving states of the thin film memory element during erasing, writing, and reading, and FIG. 5 is a VG'-ID characteristic diagram when a gate voltage is applied to the gate electrode that serves as the read electrode.
FIG. 6 is a diagram showing changes in threshold voltage with respect to the number of readings. Figure 7 is a cross-sectional view of a conventional thin film memory element, Figure 8 is a VG-ID characteristic ap+ constant circuit diagram of the thin film memory element, Figure 9 is a VC-ID characteristic diagram of the thin film memory element, and Figure 10 is a diagram of the conventional thin film memory element. FIG. 11 is a circuit diagram showing driving states of a thin film memory element during erasing, writing, and reading. FIG. 11 is a diagram showing changes in threshold voltage with respect to the number of readings of a conventional thin film memory element. 11... Insulating substrate, G]... First gate electrode (writing/erasing electrode), 12... First gate insulating film (
(insulating film with charge storage function), 13...n type a-8
1 semiconductor layer, 14-n''-a-Si layer, S-・
・Source electrode, D...Drain electrode 1, 1, 5...
Second gate insulating film (insulating film without charge storage function)
, G2... second gate electrode (reading electrode). Figure 1
Claims (1)
おいて、半導体層およびこの半導体層に接続されたソー
ス、ドレイン電極と、前記半導体層の一面に第1のゲー
ト絶縁膜を介して対向する第1のゲート電極と、前記半
導体層の他面に第2のゲート絶縁膜を介して対向する第
2のゲート電極とを備え、かつ前記第1と第2のゲート
絶縁膜の一方は電荷蓄積機能をもつ絶縁膜とし、他方の
ゲート絶縁膜は電荷蓄積機能をもたない絶縁膜とすると
ともに、前記第1と第2のゲート電極のうち、前記電荷
蓄積機能をもつゲート絶縁膜を介して前記半導体層と対
向するゲート電極を書込み/消去用電極とし、前記電荷
蓄積機能をもたないゲート絶縁膜を介して前記半導体層
と対向するゲート電極を読出し用電極としたことを特徴
とする薄膜メモリ素子。In an electrically writable/readable/erasable thin film memory element, a semiconductor layer, source and drain electrodes connected to the semiconductor layer, and a first gate insulating film that faces one surface of the semiconductor layer with a first gate insulating film interposed therebetween. and a second gate electrode facing the other surface of the semiconductor layer with a second gate insulating film interposed therebetween, and one of the first and second gate insulating films has a charge storage function. The other gate insulating film is an insulating film that does not have a charge storage function, and between the first and second gate electrodes, the semiconductor A thin film memory element characterized in that a gate electrode facing the semiconductor layer is used as a write/erase electrode, and a gate electrode facing the semiconductor layer via the gate insulating film having no charge storage function is used as a read electrode. .
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- 1989-01-26 JP JP1015165A patent/JP2759154B2/en not_active Expired - Fee Related
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