JPH06268231A - 浮遊ゲート型不揮発性半導体記憶装置 - Google Patents

浮遊ゲート型不揮発性半導体記憶装置

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JPH06268231A
JPH06268231A JP8153593A JP8153593A JPH06268231A JP H06268231 A JPH06268231 A JP H06268231A JP 8153593 A JP8153593 A JP 8153593A JP 8153593 A JP8153593 A JP 8153593A JP H06268231 A JPH06268231 A JP H06268231A
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JP
Japan
Prior art keywords
semiconductor substrate
floating gate
region
memory device
diffusion layer
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Application number
JP8153593A
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English (en)
Inventor
Hisanobu Sugiyama
寿伸 杉山
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Sony Corp
Original Assignee
Sony Corp
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Abstract

(57)【要約】 【目的】 極めて低い電圧でも高い効率で少数キャリア
を浮遊ゲートへ注入することができる様にする。 【構成】 半導体基板12と拡散層とを順バイアスして
供給された電子19を、半導体基板12と制御ゲート1
8及びソース/ドレインとを逆バイアスして発生させた
空乏層で加速する。この空乏層によって半導体基板12
のエネルギバンドが湾曲し、この曲がりφS が半導体基
板12とゲート酸化膜15との間のエネルギ障壁EB
上になると、空乏層で加速された電子19は浮遊ゲート
16へ注入される。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、浮遊ゲートへのキャリ
アの注入によって情報を記憶する浮遊ゲート型不揮発性
半導体記憶装置に関するものである。
【0002】
【従来の技術】図2は、スタックゲート型のフラッシュ
EEPROMの一般的な構造を示している。このフラッ
シュEEPROMでは、トランジスタ11でメモリセル
が構成されており、P型の半導体基板12に、トランジ
スタ11のソース及びドレインとしてのN+ 型の拡散層
13、14が形成されている。半導体基板12の表面に
はゲート酸化膜15が形成されており、このゲート酸化
膜15上に浮遊ゲート16が形成されている。そして、
浮遊ゲート16上には、容量結合用の酸化膜17を介し
て、制御ゲート18が積層されている。
【0003】この様なフラッシュEEPROMにおいて
浮遊ゲート16へ電子を注入する方法としては、EPR
OMと同様にチャネルホットエレクトロンを利用する方
法や、ファウラノルドハイムトンネリングを利用する方
法等が、従来から提案されている。このうちのチャネル
ホットエレクトロンを利用する方法では、浮遊ゲート1
6への電子の注入に際して、高電圧で大電流を流す必要
がある。
【0004】これに対して、ファウラノルドハイムトン
ネリングを利用する方法では、高電圧は必要であるがチ
ャネル電流が殆ど流れないので、内部昇圧回路によって
容易に対応することができ、最近の低電圧化の要求に適
した方法として注目を集めている。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】しかし、ファウラノル
ドハイムトンネリングを利用する方法でも、半導体基板
12と制御ゲート18との間には20V程度の高電圧を
印加する必要があるので、この高電圧を操作する周辺回
路部のトランジスタには、その高電圧に耐える構造が必
要とされる。
【0006】従って、周辺回路部のトランジスタの寸法
を大きくせざるを得ない等の問題があり、集積度を高め
たりすることができなかった。このため、チャネルホッ
トエレクトロンやファウラノルドハイムトンネリングを
利用する場合に比べて、更に低い電圧で電子を浮遊ゲー
ト16へ注入することができるフラッシュEEPROM
等が望まれていた。
【0007】
【課題を解決するための手段】請求項1の浮遊ゲート型
不揮発性半導体記憶装置は、メモリセルを構成している
トランジスタ11のチャネル領域へ少数キャリア19を
供給するための注入領域21、22、25が半導体基体
12、24に設けられており、制御ゲート18とドレイ
ン14またはソース13とに前記半導体基体12、24
に対して逆バイアスの電圧を印加して発生させた空乏層
で前記少数キャリア19を加速し、この少数キャリア1
9を前記チャネル領域から浮遊ゲート16へ注入するこ
とを特徴としている。
【0008】請求項2の浮遊ゲート型不揮発性半導体記
憶装置は、請求項1の浮遊ゲート型不揮発性半導体記憶
装置において、記憶情報の消去を一括して行う一括消去
型であることを特徴としている。
【0009】請求項3の浮遊ゲート型不揮発性半導体記
憶装置は、請求項1または2の浮遊ゲート型不揮発性半
導体記憶装置において、前記半導体基体12、24とは
逆導電型の拡散層21が前記トランジスタ11外の領域
に設けられており、前記半導体基体12、24と前記拡
散層21とを順バイアス状態にしてこの拡散層21を前
記注入領域にすることを特徴としている。
【0010】請求項4の浮遊ゲート型不揮発性半導体記
憶装置は、請求項1または2の浮遊ゲート型不揮発性半
導体記憶装置において、前記トランジスタ11が第1導
電型領域23中に設けられており、前記第1導電型領域
23は第2導電型領域22中に設けられており、前記第
1導電型領域23と前記第2導電型領域22とを順バイ
アス状態にしてこの第2導電型領域22を前記注入領域
にすることを特徴としている。
【0011】請求項5の浮遊ゲート型不揮発性半導体記
憶装置は、請求項1または2の浮遊ゲート型不揮発性半
導体記憶装置において、前記半導体基体12、24とは
逆導電型の拡散層25が前記トランジスタ11下に設け
られており、前記半導体基体12、24と前記拡散層2
5とを順バイアス状態にしてこの拡散層25を前記注入
領域にすることを特徴としている。
【0012】請求項6の浮遊ゲート型不揮発性半導体記
憶装置は、請求項5の浮遊ゲート型不揮発性半導体記憶
装置において、前記拡散層25とは逆導電型の半導体基
板12中にこの拡散層25が設けられており、前記半導
体基板12と同一導電型の単結晶半導体層24が前記半
導体基板12上に設けられており、前記単結晶半導体層
24中に前記トランジスタ11が設けられていることを
特徴としている。
【0013】
【作用】本発明による浮遊ゲート型不揮発性半導体記憶
装置では、空乏層で少数キャリア19を加速している
が、空乏層によって半導体基体12、24のエネルギバ
ンドが湾曲し、この曲がりφS が半導体基体12、24
とゲート絶縁膜15との間のエネルギ障壁EB 以上にな
ると、空乏層で加速された少数キャリア19は浮遊ゲー
ト16へ注入される。従って、チャネルホットエレクト
ロンやファウラノルドハイムトンネリングを利用する場
合に比べて、極めて低い電圧で少数キャリア19を浮遊
ゲート16へ注入することができる。
【0014】また、トランジスタ11を第1導電型領域
23中に設けると共に第1導電型領域23を第2導電型
領域22中に設けてこの第2導電型領域22を注入領域
にしたり、半導体基体12、24とは逆導電型の拡散層
25をトランジスタ11下に設けてこの拡散層25を注
入領域にしたりすれば、注入部がチャネル領域の直下に
位置するので、チャネル領域における少数キャリア19
の寿命が長く、浮遊ゲート16への注入効率が高くな
る。
【0015】
【実施例】以下、スタックゲート型のフラッシュEEP
ROMに適用した本発明の第1〜第3実施例を、図1〜
5を参照しながら説明する。
【0016】まず、実施例の説明に先立って、本発明の
原理を図1、2によって説明する。図2に示す様に、P
型の半導体基板12に対して、制御ゲート18に正の電
圧VGBを印加し、ソース及びドレインである拡散層1
3、14に互いに等しい正の電圧VDBを印加して、半導
体基板12と制御ゲート18及び拡散層13、14とを
逆バイアス状態にすると、半導体基板12に空乏層が広
がり、半導体基板12のエネルギバンドは図1に示す様
に湾曲する。
【0017】このとき、VGBがトランジスタ11の閾値
電圧Vth(約1.5V)以上であるとすると、エネルギ
バンドの曲がりφS は、 φS =2φFB+VDB となる。ここで、φFBは半導体基板12のバンドギャッ
プの中心とフェルミレベルとの差である。
【0018】半導体基板12及びゲート酸化膜15を夫
々Si基板及びSiO2 膜とし、Si−SiO2 間のエ
ネルギ障壁EB (約3.1eV)以上にφS が大きくな
ると、図1に示す様に、半導体基板12中で発生した電
子19は、エネルギバンドの湾曲部つまり空乏層におけ
る加速で高エネルギを得て、浮遊ゲート16へ注入され
る。
【0019】このため、φS を3.1eVとすれば、2
φFBは約0.9eVであるので、上記の式から、 VDB=3.1−0.9 =2.2 となり、VDBを2.2V以上にすれば、浮遊ゲート16
への電子19の注入が原理的に可能になる。なお、VGB
はVth以上であればよく、Vthよりも高い電圧をVGB
して印加しても、2φFB以上にはエネルギバンドの湾曲
に寄与しない。
【0020】従って、図2に示したスタックゲート型の
フラッシュEEPROMにおいて、VGB>Vth(約1.
5V)、VDB>2.2Vにすれば浮遊ゲート16へ電子
19を注入することができ、チャネルホットエレクトロ
ンやファウラノルドハイムトンネリングを利用する場合
に比べて、極めて低い電圧で電子19を浮遊ゲート16
へ注入することができる。但し、実際には、注入に要す
る時間を短くするために、印加電圧は適宜高くする必要
がある。
【0021】以上が本発明の原理であるが、この原理で
浮遊ゲート16へ電子19を注入するためには、上記の
説明からも明らかな様に、P型の半導体基板12中に少
数キャリアである電子19を発生させる必要がある。図
3〜5は、電子19の注入領域を有する第1〜第3実施
例を示している。
【0022】図3に示す第1実施例では、トランジスタ
11外の領域にN+ 型の拡散層21が設けられており、
浮遊ゲート16への電子19の注入操作時には、半導体
基板12に対して負の電圧VN を拡散層21に印加する
ことによって半導体基板12と拡散層21とを順バイア
ス状態にして、半導体基板12中に電子19を発生させ
る。VN は、消費電流や電子19の注入速度との兼ね合
いで決められるが、−1V程度である。
【0023】図4に示す第2実施例では、P型の半導体
基板12のNウェル22中にPウェル23が形成されて
おり、このPウェル23中にトランジスタ11が形成さ
れている。そして、浮遊ゲート16への電子19の注入
操作時には、Pウェル23に対して負の電圧VN をNウ
ェル22に印加することによって、電子19を発生させ
る。
【0024】この様な第2実施例では、電子19を発生
させるPウェル23とNウェル22との接合がトランジ
スタ11のチャネル領域の直下に位置しているので、図
3に示した第1実施例に比べて、少数キャリアである電
子19のチャネル領域における寿命が長く、浮遊ゲート
16への電子19の注入効率が高い。
【0025】図5に示す第3実施例では、P型の半導体
基板12上にP型のエピタキシャル層24が設けられて
おり、これらの半導体基板12とエピタキシャル層24
とでP型の半導体基体が構成されている。トランジスタ
11はエピタキシャル層24に形成されており、N+
の拡散層25がトランジスタ11下で且つ半導体基板1
2の表面に埋め込まれている。この様な第3実施例で
は、上述の第2実施例よりも製造プロセスが複雑ではあ
るが、第2実施例と同様な作用効果を奏することができ
る。
【0026】
【発明の効果】本発明による浮遊ゲート型不揮発性半導
体記憶装置では、極めて低い電圧でも高い効率で少数キ
ャリアを浮遊ゲートへ注入することができるので、周辺
回路部のトランジスタを高耐圧構造にする必要がない。
従って、周辺回路部のトランジスタの寸法を小さくし
て、集積度を高めたりすることができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の原理を説明しており、図2のA−A′
線に沿う位置におけるエネルギバンド図である。
【図2】本発明を適用し得るスタックゲート型のフラッ
シュEEPROMの一般的な構造を示す側断面図であ
る。
【図3】本発明の第1実施例の側断面図である。
【図4】第2実施例の側断面図である。
【図5】第3実施例の側断面図である。
【符号の説明】
11 トランジスタ 12 半導体基板 13 拡散層 14 拡散層 16 浮遊ゲート 18 制御ゲート 19 電子 21 拡散層 22 Nウェル 24 エピタキシャル層 25 拡散層

Claims (6)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 メモリセルを構成しているトランジスタ
    のチャネル領域へ少数キャリアを供給するための注入領
    域が半導体基体に設けられており、 制御ゲートとドレインまたはソースとに前記半導体基体
    に対して逆バイアスの電圧を印加して発生させた空乏層
    で前記少数キャリアを加速し、この少数キャリアを前記
    チャネル領域から浮遊ゲートへ注入することを特徴とす
    る浮遊ゲート型不揮発性半導体記憶装置。
  2. 【請求項2】 記憶情報の消去を一括して行う一括消去
    型であることを特徴とする請求項1記載の浮遊ゲート型
    不揮発性半導体記憶装置。
  3. 【請求項3】 前記半導体基体とは逆導電型の拡散層が
    前記トランジスタ外の領域に設けられており、 前記半導体基体と前記拡散層とを順バイアス状態にして
    この拡散層を前記注入領域にすることを特徴とする請求
    項1または2記載の浮遊ゲート型不揮発性半導体記憶装
    置。
  4. 【請求項4】 前記トランジスタが第1導電型領域中に
    設けられており、 前記第1導電型領域は第2導電型領域中に設けられてお
    り、 前記第1導電型領域と前記第2導電型領域とを順バイア
    ス状態にしてこの第2導電型領域を前記注入領域にする
    ことを特徴とする請求項1または2記載の浮遊ゲート型
    不揮発性半導体記憶装置。
  5. 【請求項5】 前記半導体基体とは逆導電型の拡散層が
    前記トランジスタ下に設けられており、 前記半導体基体と前記拡散層とを順バイアス状態にして
    この拡散層を前記注入領域にすることを特徴とする請求
    項1または2記載の浮遊ゲート型不揮発性半導体記憶装
    置。
  6. 【請求項6】 前記拡散層とは逆導電型の半導体基板中
    にこの拡散層が設けられており、 前記半導体基板と同一導電型の単結晶半導体層が前記半
    導体基板上に設けられており、 前記単結晶半導体層中に前記トランジスタが設けられて
    いることを特徴とする請求項5記載の浮遊ゲート型不揮
    発性半導体記憶装置。
JP8153593A 1993-03-16 1993-03-16 浮遊ゲート型不揮発性半導体記憶装置 Pending JPH06268231A (ja)

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Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO1996026521A1 (en) * 1995-02-22 1996-08-29 National Semiconductor Corporation A method for programming a single eprom or flash memory cell to store multiple levels of data that utilizes a forward-biased source-to-substrate junction
JP2010020878A (ja) * 2008-07-08 2010-01-28 Acer Inc 不揮発性メモリのプログラミング方法

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