JPH0697696B2 - Non-volatile semiconductor memory device - Google Patents

Non-volatile semiconductor memory device

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JPH0697696B2
JPH0697696B2 JP60087145A JP8714585A JPH0697696B2 JP H0697696 B2 JPH0697696 B2 JP H0697696B2 JP 60087145 A JP60087145 A JP 60087145A JP 8714585 A JP8714585 A JP 8714585A JP H0697696 B2 JPH0697696 B2 JP H0697696B2
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voltage
gate
memory device
drain
floating gate
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明 鳥海
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Toshiba Corp
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    • HELECTRICITY
    • H10SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10BELECTRONIC MEMORY DEVICES
    • H10B69/00Erasable-and-programmable ROM [EPROM] devices not provided for in groups H10B41/00 - H10B63/00, e.g. ultraviolet erasable-and-programmable ROM [UVEPROM] devices

Description

【発明の詳細な説明】 〔発明の技術分野〕 本発明は、電気的に書き込みおよび消去を行い得る、絶
縁ゲート型電界効果トランジスタ構造の不揮発性半導体
メモリ素子に関する。
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION The present invention relates to a nonvolatile semiconductor memory device having an insulated gate field effect transistor structure capable of electrically writing and erasing.

〔発明の技術的背景とその問題点〕[Technical background of the invention and its problems]

電気的に書き込みを行なう1素子/メモリセルの不揮発
性半導体メモリ素子として、絶縁ゲート型電界効果トラ
ンジスタ構造のソース,ドレイン領域の間のチャネル領
域上に浮遊ゲートと制御ゲートを積層した、ホット・キ
ャリア注入型のいわゆるSAMOSメモリがよく知られてい
る。このSAMOSメモリ素子では例えばnチャネルの場
合、ドレインおよび制御ゲートに正電圧を印加してチャ
ネル電流を流し、ドレイン領域近傍で生成されたホット
・キャリアのうち電子を浮遊ゲートに注入することによ
り書き込みが行われる。しかし従来のSAMOSメモリてせ
は、書き込んだ情報を電気的に消去することはできなか
った。
As a non-volatile semiconductor memory element of one element / memory cell for electrically writing, a hot carrier in which a floating gate and a control gate are laminated on a channel region between a source and drain regions of an insulated gate field effect transistor structure. The so-called SAMOS memory of injection type is well known. In this SAMOS memory device, for example, in the case of n-channel, writing is performed by applying a positive voltage to the drain and the control gate to cause a channel current to flow and injecting electrons of the hot carriers generated near the drain region into the floating gate. Done. However, the conventional SAMOS memory could not electrically erase the written information.

電気的に書き込みを行いかつ、電気的に消去をおこなう
不揮発性半導体メモリ素子としては、極薄いゲート絶縁
膜を用いてこのゲート絶縁膜中の電子のトンネリング現
象を利用するものがある。しかしこの様なトンネリング
現象を利用した不揮発性半導体メモリ素子では、書き込
みおよび消去の際に制御ゲートに極めて高い電圧を印加
することが必要である。このため、メモリ集積回路を構
成するには、チップ内部に昇圧回路を設けなければなら
ない、という難点がある。また高電圧がゲート絶縁膜に
かかるため、ゲート絶縁膜の劣化等、信頼性上も問題が
ある。
2. Description of the Related Art As a non-volatile semiconductor memory element that is electrically written and electrically erased, there is one that uses an extremely thin gate insulating film and utilizes a tunneling phenomenon of electrons in the gate insulating film. However, in a nonvolatile semiconductor memory device utilizing such tunneling phenomenon, it is necessary to apply an extremely high voltage to the control gate at the time of writing and erasing. Therefore, there is a problem that a booster circuit must be provided inside the chip in order to configure the memory integrated circuit. Further, since a high voltage is applied to the gate insulating film, there is a problem in reliability such as deterioration of the gate insulating film.

〔発明の目的〕[Object of the Invention]

本発明は上記の点に鑑みなされたもので、高電圧を用い
ることなく電気的な書き込みおよび消去を可能とした不
揮発性半導体メモリ素子を提供することを目的とする。
The present invention has been made in view of the above points, and an object of the present invention is to provide a nonvolatile semiconductor memory device capable of electrically writing and erasing without using a high voltage.

〔発明の概要〕[Outline of Invention]

本発明はnチャネルのSAMOSメモリ素子を基本とし、そ
の浮遊ゲート下の第1ゲート絶縁膜厚を100Å以下に設
定する。本発明者等の実験によれば、このような薄いゲ
ート絶縁膜を用いたnチャネルSAMOSメモリ素子をゲー
ト電圧がドレイン電圧より低い条件で5極管動作領域で
チャネル電流を流した時、チャネル領域から浮遊ゲート
に正孔が注入されることが確認された。これは、ゲート
電圧か低い間はドレイン領域と浮遊ゲートの間にドレイ
ン近傍で発生した正孔を浮遊ゲート側に加速する電界が
働くためである。その実験データを第3図に示す。これ
はSAMOS構造ではなく通常のnチャネルMOS構造でゲート
酸化膜厚を変化させて、ドレイン電圧6V、ゲート電圧1.
5〜2.5Vの条件で正孔電流のピーク値を測定したデータ
であるが、ゲート酸化膜厚が100Å以下でゲートに流れ
る正孔電流が顕著に増大していることが分る。一方、こ
の様な薄いゲート絶縁膜を用いたSAMOSメモリ素子を、
ゲート電圧がドレイン電圧と同程度またはそれより僅か
に高い条件でチャネル電流を流すと、従来のSAMOSメモ
リ素子での書き込みと同様にチャネル領域から電子が浮
遊ゲートに注入される。従って動作条件を選ぶことによ
り、チャネル領域から浮遊ゲートに正孔または電子を選
択的に注入することができることになる。その実験デー
タを第4図に示す。以上のことはnチャネルの場合に特
徴的に認められる。
The present invention is based on an n-channel SAMOS memory device, and the first gate insulating film thickness under the floating gate is set to 100 Å or less. According to the experiments by the present inventors, when an n-channel SAMOS memory device using such a thin gate insulating film is applied with a channel current in a pentode operating region under a condition where the gate voltage is lower than the drain voltage, the channel region From this, it was confirmed that holes were injected into the floating gate. This is because an electric field that accelerates holes generated near the drain to the floating gate side acts between the drain region and the floating gate while the gate voltage is low. The experimental data is shown in FIG. This is not a SAMOS structure but a normal n-channel MOS structure, the gate oxide film thickness is changed, and the drain voltage is 6V and the gate voltage is 1.
The data is obtained by measuring the peak value of the hole current under the condition of 5 to 2.5 V. It can be seen that the hole current flowing in the gate is remarkably increased when the gate oxide film thickness is 100 Å or less. On the other hand, a SAMOS memory device using such a thin gate insulating film is
When the channel current is passed under the condition that the gate voltage is about the same as or slightly higher than the drain voltage, electrons are injected from the channel region into the floating gate, similar to the writing in the conventional SAMOS memory device. Therefore, holes or electrons can be selectively injected from the channel region to the floating gate by selecting the operating conditions. The experimental data is shown in FIG. The above is characteristically recognized in the case of the n channel.

本発明は以上の知見に基き、第1ゲート絶縁膜を100Å
以下としたnチャネルSAMOSメモリ素子構造として、書
き込みは、正のドレイン電圧を印加すると同時に、制御
ゲートに正の書き込み用電圧を印加してドレイン領域近
傍で生成したホット・キャリアのうち電子を浮遊ゲート
に注入することにより行い、消去は、正のドレイン電圧
を印加すると同時に制御ゲートに前記書き込み用電圧よ
り小さくかつ書き込み状態の素子のしきい値電圧より大
きい消去用電圧を印加してドレイン領域近傍で生成され
たホット・キャリアのうち正孔を浮遊ゲートに注入する
ことにより行なうようにしたことを特徴とする。
The present invention is based on the above findings, the first gate insulating film is 100 Å
As an n-channel SAMOS memory element structure described below, writing is performed by applying a positive drain voltage and at the same time applying a positive writing voltage to the control gate to cause electrons in the hot carriers generated near the drain region to float in the floating gate. Erasing is performed by applying a positive drain voltage to the control gate, and at the same time, applying an erase voltage lower than the write voltage and higher than the threshold voltage of the element in the written state to the control gate in the vicinity of the drain region. It is characterized in that holes are injected into the floating gate of the generated hot carriers.

〔発明の効果〕〔The invention's effect〕

本発明によれば、高電圧を用いることなく電気的な書き
込みおよび消去を行なうことのできる不揮発性半導体メ
モリ素子が得られる。従って本発明によれば、メモリ集
積回路を構成する場合にチップ内に昇圧回路を設ける必
要がなく、また高電圧を用いないため信頼性の高いメモ
リが実現する。
According to the present invention, it is possible to obtain a non-volatile semiconductor memory device that can be electrically written and erased without using a high voltage. Therefore, according to the present invention, it is not necessary to provide a booster circuit in a chip when configuring a memory integrated circuit, and a high-reliability memory is realized because a high voltage is not used.

〔発明の実施例〕Example of Invention

以下本発明の実施例を説明する。 Examples of the present invention will be described below.

第1図は一実施例のSAMOSメモリ素子構造を示す。1は
p型Si基板であり、その表面に互いに離隔したn+型のソ
ース領域2およびドレイン領域3が形成されている。こ
れらソース,ドレイン領域2,3の間の基板上に、第1ゲ
ート絶縁膜として100Å以下程度の熱酸化膜4を介して
第1層多結晶シリコン膜による浮遊ゲート5が形成さ
れ、この浮遊ゲート5上に更に第2ゲート絶縁膜として
例えば200Å程度の熱酸化膜6を介して第2層多結晶シ
リコン膜による制御ゲート7が形成されている。ゲート
長は1μm、ゲート幅は4μmである。
FIG. 1 shows a SAMOS memory device structure of one embodiment. Reference numeral 1 denotes a p-type Si substrate, on the surface of which an n + -type source region 2 and a drain region 3 are formed which are separated from each other. A floating gate 5 of a first-layer polycrystalline silicon film is formed on the substrate between the source and drain regions 2 and 3 as a first gate insulating film through a thermal oxide film 4 of about 100 Å or less. A control gate 7 made of a second-layer polycrystalline silicon film is further formed on the film 5 as a second gate insulating film with a thermal oxide film 6 of, for example, about 200Å interposed therebetween. The gate length is 1 μm and the gate width is 4 μm.

このように構成されたメモリ素子の動作を第2図を用い
て次に説明する。
The operation of the memory device thus configured will be described below with reference to FIG.

第2図(a)は情報書き込み時のチャネル領域のキャリ
アの様子を示している。書き込みは例えば、ドレイン電
圧VD=6Vとし、制御ゲート7には書き込み用電圧VGW=7
Vを印加する。これにより従来のSAMOSメモリ素子と同様
にチャネル領域のドレイン近傍で生成されたホット・キ
ャリアうち電子が浮遊ゲート5に注入される。
FIG. 2A shows a state of carriers in the channel region at the time of writing information. For writing, for example, the drain voltage V D = 6V, and the control gate 7 has a writing voltage V GW = 7V.
Apply V. As a result, electrons of hot carriers generated near the drain of the channel region are injected into the floating gate 5 as in the conventional SAMOS memory device.

この結果素子のしきい値電圧は、浮遊ゲートから見て初
期状態の約0.2Vから1.5V程度に変化する。これが書き込
み状態である。
As a result, the threshold voltage of the device changes from about 0.2 V in the initial state to about 1.5 V as seen from the floating gate. This is the writing state.

第2図(b)は情報消去時のチャネル領域のキャリアの
動きを示している。消去は、ドレイン電圧VD=6Vとし、
制御ゲート7には書き込み用電圧より低い消去用電圧V
GEを印加して行なう。例えば制御ゲート7の面積が浮遊
ゲート5の2倍程度の場合、書き込み状態のしきい値が
1.5Vとすると、これより僅かに高い1.7V程度の電圧が浮
遊ゲート6にかかるように、VGE=3.4Vとする。これに
より5極管動作でチャネル電流が流れ、ドレイン近傍で
生成されたホット・キャリアのうち正孔が選択的の浮遊
ゲート5に注入され、浮遊ゲート5内で電子との再結合
により情報消去がなされる。
FIG. 2B shows the movement of carriers in the channel region when erasing information. For erasing, drain voltage V D = 6V,
Erase voltage V lower than write voltage is applied to control gate 7.
Perform by applying GE . For example, when the area of the control gate 7 is about twice as large as that of the floating gate 5, the threshold value of the written state is
If it is set to 1.5V, V GE = 3.4V is set so that a voltage of 1.7V, which is slightly higher than this, is applied to the floating gate 6. As a result, a channel current flows by pentode operation, holes among hot carriers generated near the drain are selectively injected into the floating gate 5, and information is erased by recombination with electrons in the floating gate 5. Done.

情報の読み出しは、ドレイン電圧VD=6Vとし、制御ゲー
ト7に読み出し用電圧VGRを印加して、チャネル電流の
有無を検知することにより行なう。この読み出し用電圧
VGRは、書き込みが行われた素子ではチャネル電流が流
れず、書き込まれていない素子ではチャネル電流が流れ
るが電子注入も正孔注入も起こらないように、書き込み
用電圧VGWと消去用電圧VGEの中間値に選ぶ。このような
条件を満たす中間値は例えば第4図のデータでは4Vより
僅かに高いところにある。
The information is read by setting the drain voltage V D = 6V, applying the read voltage V GR to the control gate 7, and detecting the presence or absence of the channel current. This read voltage
V GR is a programming voltage V GW and an erasing voltage V GW so that a channel current does not flow in a device in which programming is performed and a channel current flows in a device in which programming is not performed, but neither electron injection nor hole injection occurs. Select the middle value of GE . The intermediate value satisfying such a condition is slightly higher than 4V in the data of FIG. 4, for example.

以上のように本実施例によれば、高電圧を用いることな
く、電気的な書き込みのみならず電気的な消去を行なう
ことのできる不揮発性半導体メモリ素子が得られる。従
ってメモリ集積回路を構成する場合、チップ内に昇圧回
路を設ける必要がなく、また高電圧を用いないため信頼
性の向上が図られる。
As described above, according to the present embodiment, it is possible to obtain a nonvolatile semiconductor memory device that can be electrically erased as well as electrically written without using a high voltage. Therefore, when configuring a memory integrated circuit, it is not necessary to provide a booster circuit in the chip, and since high voltage is not used, reliability can be improved.

なお本発明は上記した実施例に限られるものではなく、
その趣旨を逸脱しない範囲で種々変形して実施すること
ができる。
The present invention is not limited to the above-mentioned embodiment,
Various modifications can be implemented without departing from the spirit of the invention.

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

第1図は本発明の一実施例のSAMOSメモリ素子構造を示
す図、第2図(a)(b)はこのメモリ素子での書き込
み時および消去時のチャネルでのキャリアの動きを模式
的に示す図、第3図はMOSトランジスタでのゲート正孔
電流のゲート酸化膜厚依存性を示す実験データ、第4図
は本発明のメモリ素子での書き込みと消去の原理を説明
するための実験データである。 1…p型Si基板、2…n+型ソース領域、3…n+型ドレイ
ン領域。4…熱酸化膜(第1ゲート絶縁膜)、5…浮遊
ゲート、6…熱酸化膜(第2ゲート絶縁膜)、7…制御
ゲート。
FIG. 1 is a diagram showing the structure of a SAMOS memory device according to an embodiment of the present invention, and FIGS. 2 (a) and 2 (b) are schematic diagrams showing the movement of carriers in a channel during writing and erasing in this memory device. FIG. 3 is an experimental data showing the gate oxide film thickness dependence of the gate hole current in a MOS transistor, and FIG. 4 is an experimental data for explaining the principle of writing and erasing in the memory device of the present invention. Is. 1 ... p-type Si substrate, 2 ... n + type source region, 3 ... n + type drain region. 4 ... Thermal oxide film (first gate insulating film), 5 ... Floating gate, 6 ... Thermal oxide film (second gate insulating film), 7 ... Control gate.

フロントページの続き (51)Int.Cl.5 識別記号 庁内整理番号 FI 技術表示箇所 H01L 29/792 Continuation of the front page (51) Int.Cl. 5 Identification code Office reference number FI technical display location H01L 29/792

Claims (1)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】基板のp型半導体層に互いに離隔したn型
のソースおよびドレイン領域が形成され、これらソー
ス,ドレイン領域間のp型半導体層上に第1ゲート絶縁
膜を介して浮遊ゲートが形成され、この浮遊ゲート上に
第2ゲート絶縁膜を介して制御ゲートが形成された不揮
発性半導体メモリ素子において、前記第1ゲート絶縁膜
の膜厚を100Å以下とし、正のドレイン電圧を印加する
と同時に、前記制御ゲートに正の書き込み用電圧を印加
して前記ドレイン領域近傍で生成されたホット・キャリ
アのうち電子を前記浮遊ゲートに注入することにより書
き込みを行い、正のドレイン電圧を印加すると同時に、
前記制御ゲートに前記書き込み用電圧より小さくかつ書
き込み状態の素子のしきい値電圧より大きい正の消去用
電圧を印加して前記ドレイン領域近傍で生成されたホッ
ト・キャリアのうち正孔を前記浮遊ゲートに注入するこ
とにより消去を行なうようにしたことを特徴とする不揮
発性半導体メモリ素子。
1. A p-type semiconductor layer of a substrate is formed with n-type source and drain regions separated from each other, and a floating gate is formed on the p-type semiconductor layer between the source and drain regions via a first gate insulating film. In the nonvolatile semiconductor memory device in which the control gate is formed on the floating gate via the second gate insulating film, when the thickness of the first gate insulating film is 100 Å or less and a positive drain voltage is applied At the same time, a positive write voltage is applied to the control gate to inject electrons of the hot carriers generated in the vicinity of the drain region into the floating gate to perform writing, and at the same time a positive drain voltage is applied. ,
A positive erasing voltage that is lower than the writing voltage and higher than the threshold voltage of the element in the written state is applied to the control gate, so that holes among the hot carriers generated near the drain region are converted into the floating gate. A non-volatile semiconductor memory device characterized in that erasing is performed by injecting into a semiconductor.
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