JPH0677494A - Nonvolatile semiconductor memory element - Google Patents

Nonvolatile semiconductor memory element

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JPH0677494A
JPH0677494A JP4115825A JP11582592A JPH0677494A JP H0677494 A JPH0677494 A JP H0677494A JP 4115825 A JP4115825 A JP 4115825A JP 11582592 A JP11582592 A JP 11582592A JP H0677494 A JPH0677494 A JP H0677494A
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
gate electrode
region
floating gate
oxide film
thin
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
JP4115825A
Other languages
Japanese (ja)
Inventor
Yukihiro Watsuji
行広 和辻
Akira Maruyama
明 丸山
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Seiko Epson Corp
Original Assignee
Seiko Epson Corp
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Filing date
Publication date
Application filed by Seiko Epson Corp filed Critical Seiko Epson Corp
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Publication of JPH0677494A publication Critical patent/JPH0677494A/en
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Abstract

PURPOSE:To increase the speed of the title element in a readout operation and to enhance the reliability of a gate oxide film. CONSTITUTION:A gate oxide film 8 between a floating gate electrode 4 for a memory element and a substrate 1 is formed to be thin in at last a partial region near a source region 2 and to be thicker than the thin region in a partial region excluding the thin region or in the whole region.

Description

【発明の詳細な説明】Detailed Description of the Invention

【0001】[0001]

【産業上の利用分野】本発明は、不揮発性半導体メモリ
ーに関し、特にフラッシュ(一括消去型)E2PROM
のメモリー素子の構造に関する。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a non-volatile semiconductor memory, and more particularly to a flash (collective erase type) E 2 PROM.
Regarding the structure of the memory device.

【0002】[0002]

【従来の技術】従来のフラッシュE2PROMのメモリ
ー素子の断面図を図10に示す。データの書き込みはコ
ントロールゲート電極5とドレイン領域3に高電圧を印
加し、ソース領域2をGNDレベルにすることで行なわ
れる。即ち、ドレイン領域3−基板1間にはドレイン領
域3接合部にアバランシェブレークダウンが発生するに
十分な電圧が印加されると同時に、コントロールゲート
電極5にも高電圧が印加されているためにアバランシェ
ブレークダウンによって発生したホットキャリアのう
ち、ホットエレクトロンのみが選択的にフローティング
ゲート電極4とドレイン領域3間の薄いゲート酸化膜8
を通り抜けて、フローティングゲート電極4中に注入さ
れ、実質的なしきい値電圧が増加し、データの書き込み
が行なわれる。データの消去はコントロールゲート電極
5をGNDレベル、ドレイン領域3をオープンまたはG
NDレベルにし、ソース領域2に高電圧を印加すること
で行なわれる。即ちソース領域2に高電圧を印加するこ
とでフローティングゲート電極4中の電子が、ソース領
域2とフローティングゲート電極4との間の薄いゲート
酸化膜8をトンネルしソース領域2へ放出されるため、
実質的なしきい値電圧は初期状態にもどりデータの消去
が行なわれる。
2. Description of the Related Art FIG. 10 is a sectional view of a memory element of a conventional flash E 2 PROM. Data writing is performed by applying a high voltage to the control gate electrode 5 and the drain region 3 and setting the source region 2 to the GND level. That is, between the drain region 3 and the substrate 1, a voltage sufficient to cause avalanche breakdown at the junction of the drain region 3 is applied, and at the same time, a high voltage is applied to the control gate electrode 5 as well. Of the hot carriers generated by the breakdown, only hot electrons are selectively formed in the thin gate oxide film 8 between the floating gate electrode 4 and the drain region 3.
Then, it is injected into the floating gate electrode 4 by passing through, and the substantial threshold voltage is increased to write data. To erase data, the control gate electrode 5 is at the GND level and the drain region 3 is open or G
This is performed by setting the ND level and applying a high voltage to the source region 2. That is, when a high voltage is applied to the source region 2, the electrons in the floating gate electrode 4 tunnel through the thin gate oxide film 8 between the source region 2 and the floating gate electrode 4 and are emitted to the source region 2.
The substantial threshold voltage returns to the initial state and data is erased.

【0003】[0003]

【発明が解決しようとする課題】従来のフラッシュE2
PROMの場合、フローティングゲート電極と基板間の
ゲート酸化膜厚がコントロールゲート電極とフローティ
ングゲート電極間のゲート酸化膜厚よりも薄いため、フ
ローティングゲート電極−基板間の容量のコントロール
ゲート電極−フローティングゲート電極間の容量に対す
る割合が大きいため、読み出し時にコントロールゲート
電極に電圧を印加したとき、フローティングゲート電極
にかかる電圧が低くなり、メモリー素子の電流能力がお
ちていた。そのため読み出し時に、メモリー素子のスピ
ードの遅れが生じていた。
Conventional flash E 2
In the case of a PROM, since the gate oxide film thickness between the floating gate electrode and the substrate is smaller than the gate oxide film thickness between the control gate electrode and the floating gate electrode, the floating gate electrode-substrate capacitance control gate electrode-floating gate electrode Since the ratio of the capacitance to the capacitance is large, when a voltage is applied to the control gate electrode at the time of reading, the voltage applied to the floating gate electrode becomes low, and the current capacity of the memory element is reduced. Therefore, the speed of the memory element is delayed during reading.

【0004】また、フローティングゲート電極と基板間
の薄いゲート酸化膜がチャンネル部全体という広い面積
にわたって形成されるため、ゲート酸化膜の欠陥等によ
る信頼性の劣化が生じてきた。
Further, since a thin gate oxide film between the floating gate electrode and the substrate is formed over a wide area of the entire channel portion, reliability has deteriorated due to defects in the gate oxide film.

【0005】そこで本発明では、このような課題を解決
すべく、読み出し時のスピードの向上と、ゲート酸化膜
の信頼性向上を目的とする。
Therefore, in order to solve such a problem, the present invention aims to improve the read speed and the reliability of the gate oxide film.

【0006】[0006]

【課題を解決するための手段】本発明はフローティング
ゲート電極とコントロールゲート電極を備え、該フロー
ティングゲート電極へ電子を注入する書き込み動作をド
レイン領域端部で発生するホットエレクトロンで行い、
該フローティングゲート電極から電子を放出させる消去
動作をソース領域のトンネルで行う不揮発性半導体メモ
リー素子において、該不揮発性半導体メモリー素子のフ
ローティングゲート電極と基板間のゲート酸化膜が、ソ
ース領域近傍の少なくとも一部の領域では薄く、該薄い
領域を除く一部あるいは全部の領域では該薄い領域より
も厚く形成されたことを特徴とする。
According to the present invention, a floating gate electrode and a control gate electrode are provided, and a writing operation for injecting electrons into the floating gate electrode is performed by hot electrons generated at the end of a drain region.
In a non-volatile semiconductor memory device that performs an erase operation for emitting electrons from the floating gate electrode in a tunnel of a source region, a gate oxide film between the floating gate electrode and the substrate of the non-volatile semiconductor memory device is at least one of the vicinity of the source region. It is characterized in that it is formed thin in the partial region and thicker than the thin region in a part or all of the region except the thin region.

【0007】[0007]

【作用】本発明の上記の構成によれば、メモリー素子の
フローティングゲート電極と基板間のゲート酸化膜を、
ソース領域近傍の少なくとも一部の領域では薄く、この
薄い領域を除く一部あるいは全部の領域では厚く形成し
たことで、フローティングゲート電極と基板との間隔が
広がるため、フローティングゲート電極−基板間の容量
が減少し、読み出し時にコントロールゲート電極に電圧
を印加した場合、フローティングゲート電極にかかる電
圧が増大する。メモリー素子に流れる電流はフローティ
ングゲート電極−基板間の容量とフローティングゲート
電極の電圧の2乗に比例するため、この場合は結局メモ
リー素子に流れる電流が増加し、メモリー素子の読み出
し時にスピードの向上が可能となる。またフローティン
グゲート電極と基板間の薄いゲート酸化膜の領域が、従
来のメモリー素子のフローティングゲート電極と基板間
の薄いゲート酸化膜の領域よりも減少するため、ゲート
酸化膜の信頼性の向上が可能である。
According to the above configuration of the present invention, the gate oxide film between the floating gate electrode of the memory element and the substrate is
The thin film is formed in at least a part of the region near the source region, and is formed thick in a part or all of the region except the thin region. Decreases, and when a voltage is applied to the control gate electrode during reading, the voltage applied to the floating gate electrode increases. Since the current flowing in the memory element is proportional to the capacitance between the floating gate electrode and the substrate and the square of the voltage of the floating gate electrode, the current flowing in the memory element eventually increases and the speed at the time of reading the memory element improves. It will be possible. In addition, the area of the thin gate oxide film between the floating gate electrode and the substrate is smaller than the area of the thin gate oxide film between the floating gate electrode and the substrate of the conventional memory device, so that the reliability of the gate oxide film can be improved. Is.

【0008】[0008]

【実施例】本発明の第1の実施例の断面図を図1に、平
面図を図2に示す。図7のA−A’の断面図が図1であ
る。1は基板、2はソース領域、3はドレイン領域、4
はフローティングゲート電極、5はコントロールゲート
電極、6、7は絶縁酸化膜、8、9はゲート酸化膜であ
る。図1のようにメモリー素子のフローティングゲート
電極4と基板1間のゲート酸化膜8が、ソース領域側で
は薄く、ドレイン側では厚く形成している。これは図7
では点線で囲まれた部分が薄いゲート酸化膜の領域とし
て示される。したがってこの構造によりフローティング
ゲート電極4と基板1との間隔がドレイン側で広がるた
め、フローティングゲート電極4−基板1間の容量が減
少し、読み出し時にコントロールゲート電極に電圧を印
加したときに、フローティングゲート電極にかかる電圧
が増大し、読み出し時にメモリー素子に流れる電流が増
大する。その結果、メモリー素子のスピード向上とな
る。
1 is a sectional view of a first embodiment of the present invention, and FIG. 2 is a plan view thereof. FIG. 1 is a sectional view taken along the line AA ′ in FIG. 7. 1 is a substrate, 2 is a source region, 3 is a drain region, 4
Is a floating gate electrode, 5 is a control gate electrode, 6 and 7 are insulating oxide films, and 8 and 9 are gate oxide films. As shown in FIG. 1, the gate oxide film 8 between the floating gate electrode 4 of the memory element and the substrate 1 is formed thin on the source region side and thick on the drain side. This is Figure 7
In, the portion surrounded by the dotted line is shown as a thin gate oxide film region. Therefore, since the space between the floating gate electrode 4 and the substrate 1 is widened on the drain side by this structure, the capacitance between the floating gate electrode 4 and the substrate 1 is reduced, and when a voltage is applied to the control gate electrode during reading, the floating gate electrode The voltage applied to the electrodes increases, and the current flowing through the memory element during reading increases. As a result, the speed of the memory device is improved.

【0009】図2から図6は本発明の第1の実施例を製
造工程順に表した図である。この図2から図6に基づき
製造工程を説明する。まず絶縁酸化膜6を備えた基板1
上にゲート酸化膜8、例えば250Åのゲート酸化膜8
を生成する(図2)。次に図7で示した点線部分のゲー
ト酸化膜8をレジストなどを用いてエッチングする(図
3)。その上から例えば100Åのゲート酸化膜8を積
み重ねる形で生成する(図4)。さらに、次にフローテ
ィングゲート電極となるポリシリコン10、次に厚いゲ
ート酸化膜9例えば、350Åのゲート酸化膜9、次に
コントロールゲート電極となるポリシリコン11を順に
生成する(図5)。そしてフローティングゲート電極及
びコントロールゲート電極となるポリシリコン10及び
11の一部分とその下のゲート酸化膜8及び9以外を取
り除き、基板1上にイオンを打ち込み、ドレイン領域3
及びソース領域2を生成し(図6)、その上から絶縁酸
化膜7を覆うと、図1で示すメモリー素子を形成するこ
とができる。
2 to 6 are views showing the first embodiment of the present invention in the order of manufacturing steps. The manufacturing process will be described with reference to FIGS. First, the substrate 1 provided with the insulating oxide film 6
A gate oxide film 8 on top, for example 250 Å gate oxide film 8
Is generated (FIG. 2). Next, the gate oxide film 8 in the dotted line portion shown in FIG. 7 is etched using a resist or the like (FIG. 3). For example, a 100 Å gate oxide film 8 is formed on top of this (FIG. 4). Further, next, a polysilicon 10 to be a floating gate electrode, a next thick gate oxide film 9, for example, a gate oxide film 9 of 350 Å, and a polysilicon 11 to be a control gate electrode are sequentially formed (FIG. 5). Then, except for a part of the polysilicon 10 and 11 to be the floating gate electrode and the control gate electrode and the gate oxide films 8 and 9 thereunder, ions are implanted on the substrate 1 and the drain region 3 is formed.
By forming the source region 2 (FIG. 6) and covering the insulating oxide film 7 on the source region 2, the memory element shown in FIG. 1 can be formed.

【0010】次に、本発明の第2の実施例の平面図を図
8に示す。この場合は、メモリー素子のフローティング
ゲート電極4と基板間のゲート酸化膜を、点線で示した
ソース領域2近傍の一部の領域だけを薄く、ここ以外の
領域は全て厚く形成している。
Next, a plan view of the second embodiment of the present invention is shown in FIG. In this case, the gate oxide film between the floating gate electrode 4 of the memory element and the substrate is formed thin in only a part of the region near the source region 2 shown by the dotted line and thick in all other regions.

【0011】次に、本発明の第3の実施例の平面図を図
9に示す。この場合は、メモリー素子のフローティング
ゲート電極4と基板間のゲート酸化膜を、点線で示した
ソース領域2およびドレイン領域3の近傍領域を薄く、
ここ以外の領域は全て厚く形成している。
FIG. 9 is a plan view of the third embodiment of the present invention. In this case, the gate oxide film between the floating gate electrode 4 of the memory element and the substrate is thinned in the regions near the source region 2 and the drain region 3 indicated by the dotted lines,
All regions other than this are formed thick.

【0012】何れの場合も、フローティングゲート電極
と基板との間隔が広がるため、第1の実施例と同様の効
果がある。
In any case, since the distance between the floating gate electrode and the substrate is widened, the same effect as the first embodiment can be obtained.

【0013】尚、本実施例ではコントロールゲート電極
をポリシリコンで形成する場合の実施例を示したが、こ
れは他の材質、例えばポリサイドを用いても同様の効果
がある。
In this embodiment, the embodiment in which the control gate electrode is made of polysilicon has been shown, but the same effect can be obtained even if another material such as polycide is used.

【0014】[0014]

【発明の効果】以上述べた様に本発明によれば、フロー
ティングゲート電極と基板間のゲート酸化膜を、ソース
領域近傍の少なくとも一部の領域では薄く、この薄い領
域を除く一部あるいは全部の領域では厚くしたことで、
フローティングゲート電極の電位が増加するため、メモ
リー素子の読み出し時のスピードの向上ができる。ま
た、書き込み時にもフローティングゲート電極の電位が
増加するため、電子の注入効率が高まり、書き込み特性
の向上が図れる。また、読み出し動作時の誤消去動作
(フローティングゲート電極からドレイン領域への電子
の抜け)を防ぐ効果がある。
As described above, according to the present invention, the gate oxide film between the floating gate electrode and the substrate is thin in at least a part of the region near the source region, and some or all of the gate oxide film except the thin region is formed. By thickening the area,
Since the potential of the floating gate electrode is increased, the speed of reading the memory element can be improved. Moreover, since the potential of the floating gate electrode also increases during writing, the electron injection efficiency is increased and the writing characteristics can be improved. In addition, there is an effect of preventing an erroneous erasing operation (a loss of electrons from the floating gate electrode to the drain region) during a read operation.

【0015】また、薄いゲート酸化膜の領域が減少する
ので、メモリー素子内のゲート酸化膜の信頼性の向上、
及びこれに伴うデータ保持特性の向上等を図ることが可
能となった。
Further, since the area of the thin gate oxide film is reduced, the reliability of the gate oxide film in the memory device is improved,
Also, it has become possible to improve the data retention characteristics.

【図面の簡単な説明】[Brief description of drawings]

【図1】本発明の第1の実施例を示す断面図。FIG. 1 is a sectional view showing a first embodiment of the present invention.

【図2】[Fig. 2]

【図3】[Figure 3]

【図4】[Figure 4]

【図5】[Figure 5]

【図6】本発明の第1の実施例におけるメモリー素子の
製造工程を表した断面図。
FIG. 6 is a cross-sectional view showing a manufacturing process of the memory element according to the first embodiment of the present invention.

【図7】本発明の第1の実施例を示す平面図。FIG. 7 is a plan view showing the first embodiment of the present invention.

【図8】本発明の第2の実施例を示す平面図。FIG. 8 is a plan view showing a second embodiment of the present invention.

【図9】本発明の第3の実施例を示す平面図。FIG. 9 is a plan view showing a third embodiment of the present invention.

【図10】従来のメモリー素子の断面図。FIG. 10 is a sectional view of a conventional memory device.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

1 基板 2 ソース領域 3 ドレイン領域 4 フローティングゲート電極 5 コントロールゲート電極 6、7 絶縁酸化膜 8、9 ゲート酸化膜 10、11 ポリシリコン 1 substrate 2 source region 3 drain region 4 floating gate electrode 5 control gate electrode 6, 7 insulating oxide film 8, 9 gate oxide film 10, 11 polysilicon

Claims (1)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 フローティングゲート電極とコントロー
ルゲート電極を備え、該フローティングゲート電極へ電
子を注入する書き込み動作をドレイン領域端部で発生す
るホットエレクトロンで行い、該フローティングゲート
電極から電子を放出させる消去動作をソース領域のトン
ネルで行う不揮発性半導体メモリー素子において、該不
揮発性半導体メモリー素子のフローティングゲート電極
と基板間のゲート酸化膜が、ソース領域近傍の少なくと
も一部の領域では薄く、該薄い領域を除く一部あるいは
全部の領域では該薄い領域よりも厚く形成されたことを
特徴とする不揮発性半導体メモリー素子。
1. An erasing operation comprising a floating gate electrode and a control gate electrode, wherein a writing operation of injecting electrons into the floating gate electrode is performed by hot electrons generated at an end of a drain region, and electrons are emitted from the floating gate electrode. In a non-volatile semiconductor memory device that performs a tunnel in the source region, the gate oxide film between the floating gate electrode and the substrate of the non-volatile semiconductor memory device is thin in at least a part of the region near the source region, and the thin region is excluded. A non-volatile semiconductor memory device, characterized in that a part or all of the region is formed thicker than the thin region.
JP4115825A 1992-05-08 1992-05-08 Nonvolatile semiconductor memory element Pending JPH0677494A (en)

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