JPH03211874A - Memory cell for nonvolatile semiconductor memory - Google Patents
Memory cell for nonvolatile semiconductor memoryInfo
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Abstract
Description
【発明の詳細な説明】
[発明の概要]
不揮発性半導体記憶装置のメモリセルに関し、低い電圧
でもまた高い電圧でも正常に動作するEFROMセルを
提供することを目的とし、半導体基板にソース、ドレイ
ン領域を形成し、これらのソース、ドレイン領域の間の
半導体基板上に絶縁膜を介してフローティングゲートと
コントロールゲートを設けた不揮発性半導体記憶装置の
メモリセルにおいて、フローティングゲートと容量結合
する第2のコントロールゲートを設け、該第2のコント
ロールゲートに、半導体記憶装置の電源電圧の高、低に
応じて低、高電圧を加えるように構成する。[Detailed Description of the Invention] [Summary of the Invention] An object of the present invention is to provide an EFROM cell that operates normally at both low and high voltages with respect to a memory cell of a non-volatile semiconductor memory device, and to provide an EFROM cell that operates normally at both low and high voltages. In a memory cell of a nonvolatile semiconductor memory device in which a floating gate and a control gate are formed on a semiconductor substrate between these source and drain regions via an insulating film, a second control capacitively coupled to the floating gate is formed. A gate is provided, and a low or high voltage is applied to the second control gate depending on whether the power supply voltage of the semiconductor memory device is high or low.
本発明は、不揮発性半導体記憶装置のメモリセルに関す
る。The present invention relates to a memory cell of a nonvolatile semiconductor memory device.
不揮発性半導体記憶装置の代表的なものとしてEFRO
Mが広く知られている。EFRO is a typical non-volatile semiconductor memory device.
M is widely known.
EFROMは5V程度の電源で動作するのが一般的であ
るが、電池で動作する小容量機器に取付けるものでは1
.5vなどの低電圧で動作することが望まれる。本発明
はか\る通常電圧(5■)でも低電圧(1,5V)でも
動作できるEFROMメモリセル構造に係るものである
。Generally, EFROM operates on a power supply of about 5V, but it requires 1V when installed in small capacity devices that operate on batteries.
.. It is desired to operate at a low voltage such as 5V. The present invention relates to an EFROM memory cell structure that can operate at normal voltages (5V) or low voltages (1.5V).
(従来の技術〕
EFROMのメモリセルは第3図に示すようなものであ
る。5IJBはP型シリコン基板、FCは例えば多結晶
シリコンからなるフローティングゲート、CGはこれも
多結晶シリコンなどで構成されるコントロールゲート、
S、Dは基板SUBに例えばヒ素(A s )イオンを
打込んで形成されるN型領域で、ソース領域、ドレイン
領域として機能する。(Prior art) An EFROM memory cell is as shown in Fig. 3. 5IJB is a P-type silicon substrate, FC is a floating gate made of polycrystalline silicon, and CG is also made of polycrystalline silicon. control gate,
S and D are N-type regions formed by implanting, for example, arsenic (A s ) ions into the substrate SUB, and function as a source region and a drain region.
このメモリセルは、いわばNチャネルMOSトランジス
タのゲートの下にもう1つのゲート(フローティングゲ
ート)がある構造になっている。This memory cell has a structure in which there is another gate (floating gate) below the gate of the N-channel MOS transistor.
紫外線を照射するとフローティングゲートFCから電荷
が逃げ、FCの電荷がOになる。この状態でコントロー
ルゲートCGに適当な電圧を印加するとトランジスタ(
メモリセル)は導通状態になる。コントロールゲートC
GとドレインDに高電圧を印加するとアバランシェブレ
ークダウンが起き、高エネルギを得た電子の一部がフロ
ーティングゲートFCに捕られれる。すると、フローテ
ィングゲートFGに電荷(電子)があるため闇値が上り
、コントロールゲートCCに電圧を印加してもトランジ
スタは導通しない。このフローティングゲー)FCに電
荷あり/なしをデータI10に対応させ、情報記憶(書
込み)、その読出し可能とする。消去は紫外線照射で行
なう。When ultraviolet rays are irradiated, charges escape from the floating gate FC, and the charge of FC becomes O. In this state, if an appropriate voltage is applied to the control gate CG, the transistor (
memory cell) becomes conductive. control gate C
When a high voltage is applied to G and the drain D, avalanche breakdown occurs, and some of the high-energy electrons are captured by the floating gate FC. Then, since there is a charge (electron) in the floating gate FG, the dark value increases, and even if a voltage is applied to the control gate CC, the transistor does not conduct. The presence/absence of charge in this floating gate FC is made to correspond to the data I10, thereby making it possible to store (write) and read information. Erasing is performed by ultraviolet irradiation.
EPROMはシステムの制御プログラムを格納したり、
大規模なデータを記憶するために利用されることが多い
。このような装置が、ラップトツブ型などで小型化され
電池駆動される場合は、その低電圧でも動作することが
要求される。しかしながら従来のEPROMセルでは、
導通時の閾値vthが1゜5■程度と高(,1,5■の
ような低電圧電源での動作に向いていない。EPROM stores system control programs,
It is often used to store large amounts of data. When such a device is miniaturized into a laptop type or the like and driven by a battery, it is required to operate even at that low voltage. However, in conventional EPROM cells,
The threshold value vth at the time of conduction is as high as about 1°5.
従来のセル寸法例等を第4図(a)(b)に、その等価
回路を第4図(C)に示す。幅方向ではフローティング
ゲートFCとコントロールゲートCCは重なっており、
これらの幅W、は1μm、ソースドレインの幅W2は2
μm、、S、DからのFCの突出し長W3は4um、C
GとFGの間隔gIおよびFGとSOBの間隔g2はと
もに350人である。Examples of conventional cell dimensions are shown in FIGS. 4(a) and 4(b), and their equivalent circuit is shown in FIG. 4(C). In the width direction, floating gate FC and control gate CC overlap,
The width W of these is 1 μm, and the width W2 of the source and drain is 2
FC protrusion length W3 from μm, S, D is 4um, C
The interval gI between G and FG and the interval g2 between FG and SOB are both 350 people.
CGとFCとSUBは絶縁層を介して対向しているから
コンデンサになっており、CGとFGの容量CcF、F
GとSUBの容量CFSは、第4図(C)に示すように
直列になっている。フローティングゲートFCの電位を
VFC1FC中の電荷をQ FG、コントロールゲート
CGの電位をVC(iとすると、次式が成立する。CG, FC, and SUB are opposed to each other via an insulating layer, so they form a capacitor, and the capacitances of CG and FG are CcF and F.
The capacitance CFS of G and SUB are connected in series as shown in FIG. 4(C). Assuming that the potential of the floating gate FC is the charge in VFC1FC and QFG is the potential of the control gate CG, and VC(i is the potential of the control gate CG), the following equation holds true.
こ\でCct/ (CCF+CFS)がC比と呼ばれる
。Here, Cct/(CCF+CFS) is called the C ratio.
この値が大きい程、導通時すなわちQFc−0時にVF
C,がVCGに近い値になり、低電圧動作しやすくなる
。従って低電圧用にはC比を大きくしてVFGをVCG
に近付け、等価的にvthを下げるとよく、高電圧用に
はこの逆にC比を小さ(してvthを上げればよい。し
かし高/低電圧両用となると、このC比変更だけでは対
応できない。The larger this value, the more VF when conducting, that is, when QFc-0.
C, becomes a value close to VCG, making it easier to operate at low voltage. Therefore, for low voltage use, increase the C ratio and change VFG to VCG.
It is better to bring it closer to the voltage and lower the vth equivalently.For high voltage applications, conversely, it is better to reduce the C ratio (and increase the vth).However, when it comes to dual use for high and low voltages, changing the C ratio alone is not enough. .
上記の寸法ではCcy=IO,IIfF 、 CFs=
2.02fPになる(こ\でf = 10−15)。こ
のメモリセルはVrc=IVで導通ずるトランジスタと
する。導通時はQ、、=Oであり、非導通時はFGに2
5万個の電荷が蓄積されているとする。コントロールゲ
ートCGから見たこのトランジスタの閾値vthは、導
通状態で1.2■、非導通状態で5.18Vとなり、電
源Vccは5■±10%とすると、Vcc=5゜5vの
ときは非導通のはずが導通になり、正常に動作しな(な
ってしまう。In the above dimensions, Ccy=IO, IIfF, CFs=
It becomes 2.02 fP (here f = 10-15). This memory cell is a transistor that becomes conductive at Vrc=IV. When conductive, Q, , = O, and when non-conductive, 2 is applied to FG.
Suppose that 50,000 charges are stored. The threshold value vth of this transistor as seen from the control gate CG is 1.2V in the conductive state and 5.18V in the non-conductive state.Assuming that the power supply Vcc is 5μ±10%, when Vcc=5°5V, it is non-conducting. It should be conductive, but it becomes conductive, and it does not work properly.
第5図に示すように、他の寸法を同じとして、C比を小
にすべく、S、DからのFCの突出長W。As shown in FIG. 5, the protrusion length W of the FC from S and D is determined in order to reduce the C ratio with other dimensions being the same.
を2μmと、第4図の場合の半分にすると、CCF=6
.07fFとなり(Crs=2.02fFテ不変)、コ
ントロールゲートCGからみたvthは導通状態で1,
33■、非導通状態で7.93Vとなり、Vcc=5V
±10%では正常動作するが、Vcc=1.5±10%
のような低電圧電源では、Vcc=1.35Vのときは
上記1.33Vと殆んど差がなくなり、導通状態になら
ない恐れがある。is 2 μm, which is half of the case in Figure 4, then CCF=6
.. 07fF (Crs = 2.02fF unchanged), and vth seen from the control gate CG is 1 in the conductive state.
33■, 7.93V in non-conducting state, Vcc = 5V
It works normally at ±10%, but Vcc=1.5±10%
In such a low voltage power supply, when Vcc=1.35V, there is almost no difference from the above-mentioned 1.33V, and there is a possibility that conduction will not occur.
〔発明が解決しようとする課B]
このようにEPROMセルではC比を大にすると導通/
非導通状態のvthが下って高電圧動作に支障を生じ、
C比を小にすると導通/非導通状態のvthが」二って
低電圧動作に難がある。[Problem B that the invention attempts to solve] In this way, in EPROM cells, when the C ratio is increased, conduction/
Vth in the non-conducting state decreases, causing problems in high voltage operation,
If the C ratio is made small, vth in the conducting/non-conducting state becomes "2", making it difficult to operate at low voltage.
電源に低、高電圧があるなら、EFROMを高電圧用と
低電圧用に分けて、製作し、それぞれに適したものを使
用するのも一方法であるが、これでは2種類のEFRO
Mを作らねばならず、不経済である。If the power supply has low and high voltages, one method would be to manufacture EFROMs separately for high voltage and low voltage and use the one suitable for each, but in this case, two types of EFROM
M must be produced, which is uneconomical.
そこで本発明は、低い電圧でもまた高い電圧でも正常に
動作するEPROMセルを提供することを目的とするも
のである。Therefore, an object of the present invention is to provide an EPROM cell that operates normally at both low and high voltages.
1課題を解決するための手段]
第1図に示すように本発明では第2のコントロールゲー
トCG zを設ける。第1図(a)は概略平面図で、こ
の図のA−A線断面が第1図(b)、B−B線断面が第
1図(C)である。本例では第2のコントロールゲート
cc、は基板S U Bに形成した拡散層(PM板なら
N型層)であるが、これは第1図(e)に示すように基
板上の配線であってもよい。Means for Solving 1 Problem] As shown in FIG. 1, in the present invention, a second control gate CGz is provided. FIG. 1(a) is a schematic plan view, and FIG. 1(b) is a cross section taken along line AA of this figure, and FIG. 1(C) is a cross section taken along line BB. In this example, the second control gate cc is a diffusion layer (an N-type layer in the case of a PM board) formed on the substrate SUB, but this is not a wiring on the substrate as shown in Fig. 1(e). You can.
このメモリセルの等価回路は第1図(d)に示す如くで
、第1のコントロールゲートCG、がフローティングゲ
ートFCに対して容量CCFIを持ち、第2のコントロ
ールゲートCG、がフローティングゲー)FGに対して
容量CCFZを持つ。The equivalent circuit of this memory cell is as shown in Fig. 1(d), where the first control gate CG has a capacitance CCFI with respect to the floating gate FC, and the second control gate CG has a capacitance CCFI with respect to the floating gate FC. In contrast, it has a capacitance CCFZ.
〔作用)
コントロールゲートを2つ設け、これらに電圧VCG1
.■CC2を加えると、フローティングゲートFCの電
圧VFGは次式の如くなる。[Function] Two control gates are provided, and voltage VCG1 is applied to these gates.
.. (2) When CC2 is added, the voltage VFG of the floating gate FC becomes as shown in the following equation.
この第1.第2のコントロールゲートの電圧V CGI
、 V CG2を電源高電圧、低電圧で変えることによ
り、高電圧でも、低電圧でも正常に動作するEPROM
セルが得られる。This first. Second control gate voltage V CGI
, By changing V CG2 between high and low power supply voltages, EPROM can operate normally at both high and low voltages.
cell is obtained.
例えばCcr+=8.09fF、 Ccpz=2.02
fF、 CFS−2,02fFとし、メモリセルはVp
c=IVで導通ずるトランジスタとすると、導通/非導
通時の第1コントロールゲー)CG、から見た閾値vt
hは、電源Vcc=5Vのとき、Vcaz=OVとする
と、導通状態(QFG=o)で1.49V、非導通状態
(Q、。For example, Ccr+=8.09fF, Ccpz=2.02
fF, CFS-2,02fF, and the memory cell is Vp
Assuming that the transistor conducts at c=IV, the threshold value vt as seen from the first control gate (CG) during conduction/non-conduction
h is 1.49V in the conductive state (QFG=o) and non-conductive state (Q,) when Vcaz=OV when the power supply Vcc=5V.
=25XlO’電子)で6.42Vとなり、Vccが1
0%範囲で増減しても何ら支障なく、正常に動作する。= 25XlO' electrons), it becomes 6.42V, and Vcc is 1
Even if the value is increased or decreased within the 0% range, there is no problem and it operates normally.
またVcc= 1.5 V時は、V ccz= 1.5
Vとすると、CG1から見たvthは導通状態で1.
2V、非導通状態で5.18 Vとなり、Vccが10
%範囲で増減しても、正常に動作する。Also, when Vcc=1.5V, Vccz=1.5
If V, then vth seen from CG1 is 1.
2V, 5.18V in non-conducting state, Vcc is 10
It works normally even if it is increased or decreased within the % range.
〔実施例]
このメモリセルの寸法例を挙げると、第1図(a)のW
L即ちFC,CG、の幅は1μm、Wz即ちソース/ド
レインの幅は2μm、S、DからのFGの突出長W6は
1μm、S、DとCC,の間隔W4は2 J!7 m、
CG2の幅W、は2am、CGzからのFCの突出長
W7は1μmである。FGの長さはこれらの和で8μm
である。またCG、とFGの間隔g1と、FCとSUB
の間隔g2は、共に350人である。[Example] To give an example of the dimensions of this memory cell, W in FIG.
The width of L, FC, CG, is 1 μm, Wz, the width of source/drain is 2 μm, the protrusion length W6 of FG from S, D is 1 μm, and the distance W4 between S, D and CC is 2 J! 7 m,
The width W of CG2 is 2 am, and the protrusion length W7 of FC from CGz is 1 μm. The total length of FG is 8 μm
It is. Also, the interval g1 between CG and FG, FC and SUB
The interval g2 of both is 350 people.
第2図にこのメモリセルを用いた記憶装置を示す。10
はセルマトリンクスであり、第1図のメモリセルM、、
、M、□、・・・・・・を、ワードMW L 、、 W
L2+・・・・・・とビット線B L 1. B L
z、・・・・・・の各交点に配列してなる。詳しくは、
メモリセルM、1のドレインDがBL、に接続され、第
1コントロールゲートCG、がワード線WL、に接続さ
れる(WLとCG、は一体)。他のメモリセルM1□、
・・・・・・もこれに準する。各メモリセルの第2コン
トロールゲートCG2は切替線SLに接続され(CG2
とSLは一体)、切替線SLはCMOSインバータ18
の出力端に接続される。12はワード線WL、、WL
2+・・・・・・の選)Rを行なうXデコーダ、16は
Yデコーダで、ビット線BL、、BL、、・・・・・・
の選択を行なうYデー1−14をオン/オフする。FIG. 2 shows a memory device using this memory cell. 10
is a cell matrix, and the memory cells M, , , in FIG.
, M, □, ......, words MW L ,, W
L2+... and bit line B L 1. B L
They are arranged at each intersection of z,... For more information,
The drain D of the memory cell M,1 is connected to BL, and the first control gate CG is connected to the word line WL (WL and CG are integrated). Other memory cells M1□,
... also conforms to this. The second control gate CG2 of each memory cell is connected to the switching line SL (CG2
and SL are integrated), and the switching line SL is the CMOS inverter 18.
connected to the output end of the 12 are word lines WL, , WL
2+...) X decoder that performs R, 16 is a Y decoder, and bit lines BL,, BL,,...
Turns on/off Y days 1-14 for selection.
各メモリセルのソースSはグランドに接続されるが、こ
れは第2図(b)に示すようにグランド線GNDにより
行なわれる。この第2図(b)の斜線部はフローティン
グゲートFCである。The source S of each memory cell is connected to the ground, and this is done by a ground line GND as shown in FIG. 2(b). The shaded area in FIG. 2(b) is the floating gate FC.
この記憶装置を高電圧電源で動作させるときは信号φを
H(ハイ)レヘルにし、Pチ・ヤネルトランジスタQ1
をオフ、NチャネルトランジスタG2をオンにし、切替
線SL従って第2コントロールゲートCG2をOVにす
る。この記憶装置を低電圧で動作させるときは信号φを
Lにし、トランジスタQ1をオン、G2をオフにして、
切替線S1、を電源電圧Vcc(これは5■または]、
5■、こ\では1.5 V )にする。これで前述のよ
うに高電圧でも低電圧でも正常に動作できる。When operating this memory device with a high voltage power supply, the signal φ is set to H (high) level, and the P-channel transistor Q1
is turned off, the N-channel transistor G2 is turned on, and the switching line SL and therefore the second control gate CG2 are set to OV. When operating this memory device at low voltage, the signal φ is set to L, transistor Q1 is turned on, and transistor G2 is turned off.
The switching line S1 is connected to the power supply voltage Vcc (this is 5■ or],
5) Set the voltage to 1.5 V). This allows it to operate normally at both high and low voltages, as mentioned above.
このE F ROMの読出しは既知のそれと同様で、X
デコーダ12によりワード線を選択して例えばWL、を
VCCにし、またYデコーダ16によりビット線を選択
して例えばBL、を図示しないセンスアンプへ接続し、
こうして本例ではメモリセルM1を選択し、このメモリ
セルのフローティングゲートに電荷が注入されておれば
オフ、注入されていなければオンになって、ビット線B
L、に電流が流れまたは流れないから、これにより記憶
データを読出ず。既知のlEPROMと異なるのは、電
源Vccが高電圧ならφをH1低電圧ならφをLにする
点である。This E F ROM reading is similar to the known one, and
The decoder 12 selects a word line and sets, for example, WL to VCC, and the Y decoder 16 selects a bit line and connects, for example, BL to a sense amplifier (not shown).
In this way, in this example, memory cell M1 is selected, and if charge is injected into the floating gate of this memory cell, it is turned off, and if no charge is injected, it is turned on, and the bit line B
Since current flows or does not flow through L, the stored data cannot be read. The difference from known lEPROMs is that if the power supply Vcc is a high voltage, φ is set to H1, and if the power supply Vcc is a low voltage, φ is set to L.
切替線SLへ与える電圧はVccと0■の他に、(2)
式のVFGを適当値にする他の電圧(V ccと0■の
間の電圧など)であってもよい。In addition to Vcc and 0■, the voltage applied to the switching line SL is (2)
Other voltages (such as voltages between Vcc and 0.times.) that make VFG in the equation a suitable value may be used.
C発明の効果〕
以上説明したように本発明によれば、高電圧でも低電圧
で動作するEFROMが得られる。高/低電圧作用の第
2のコントロールゲートの配線は各メモリセルに共通で
よいから、配線をそれ程複雑化することはない。C. Effects of the Invention] As described above, according to the present invention, an EFROM that operates at a low voltage even at a high voltage can be obtained. Since the wiring of the second control gate for high/low voltage operation may be common to each memory cell, the wiring does not become so complicated.
第1図は本発明の原理図
第2図は本発明の詳細な説明図、
第3図はEFROMの説明図、
第4図および第5図はEFROMセルの寸法等の説明図
である。
第1図でSUBは半導体基板、Sはソース領域、Dはド
レイン領域、FGはフローティングゲート、CG、、C
G2
は第1゜
第2のコントロールゲート
である。
出
願
人
イr
士
通
株
式
%式%
本発明の原11B!図
第1図
本発明の詳細な説明図
第2図
第3図
第4図FIG. 1 is a diagram illustrating the principle of the present invention, FIG. 2 is a detailed explanatory diagram of the present invention, FIG. 3 is an explanatory diagram of an EFROM, and FIGS. 4 and 5 are explanatory diagrams of dimensions, etc. of an EFROM cell. In Figure 1, SUB is the semiconductor substrate, S is the source region, D is the drain region, FG is the floating gate, CG, , C
G2 is the first and second control gates. Applicant Ir Shitsu stock% formula% Original of the present invention 11B! Figure 1 Detailed explanation of the invention Figure 2 Figure 3 Figure 4
Claims (1)
らのソース、ドレイン領域の間の半導体基板上に絶縁膜
を介してフローティングゲート(FG)とコントロール
ゲート(CG_1)を設けた不揮発性半導体記憶装置の
メモリセルにおいて、フローティングゲートと容量結合
する第2のコントロールゲート(CG_2)を設け、 該第2のコントロールゲートに、半導体記憶装置の電源
電圧の高、低に応じて低、高電圧を加えるようにしたこ
とを特徴とする不揮発性半導体記憶装置のメモリセル。[Claims] 1. Source and drain regions are formed on a semiconductor substrate, and a floating gate (FG) and a control gate (CG_1) are provided on the semiconductor substrate between these source and drain regions with an insulating film interposed therebetween. In the memory cell of the nonvolatile semiconductor memory device, a second control gate (CG_2) is provided which is capacitively coupled to the floating gate, and the second control gate is provided with a low voltage depending on the high or low power supply voltage of the semiconductor memory device. A memory cell of a nonvolatile semiconductor memory device, characterized in that a high voltage is applied thereto.
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Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP2007815A Pending JPH03211874A (en) | 1990-01-17 | 1990-01-17 | Memory cell for nonvolatile semiconductor memory |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
JP (1) | JPH03211874A (en) |
Cited By (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US5455791A (en) * | 1994-06-01 | 1995-10-03 | Zaleski; Andrzei | Method for erasing data in EEPROM devices on SOI substrates and device therefor |
JP2000200843A (en) * | 1998-12-04 | 2000-07-18 | Gatefield Corp | Improved nonvolatile rewritable interconnect cell having writable buried bit line |
US6456533B1 (en) * | 2001-02-28 | 2002-09-24 | Advanced Micro Devices, Inc. | Higher program VT and faster programming rates based on improved erase methods |
-
1990
- 1990-01-17 JP JP2007815A patent/JPH03211874A/en active Pending
Cited By (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US5455791A (en) * | 1994-06-01 | 1995-10-03 | Zaleski; Andrzei | Method for erasing data in EEPROM devices on SOI substrates and device therefor |
JP2000200843A (en) * | 1998-12-04 | 2000-07-18 | Gatefield Corp | Improved nonvolatile rewritable interconnect cell having writable buried bit line |
US6456533B1 (en) * | 2001-02-28 | 2002-09-24 | Advanced Micro Devices, Inc. | Higher program VT and faster programming rates based on improved erase methods |
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