JPH0738000A - Semiconductor device - Google Patents

Semiconductor device

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Publication number
JPH0738000A
JPH0738000A JP17666893A JP17666893A JPH0738000A JP H0738000 A JPH0738000 A JP H0738000A JP 17666893 A JP17666893 A JP 17666893A JP 17666893 A JP17666893 A JP 17666893A JP H0738000 A JPH0738000 A JP H0738000A
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JP
Japan
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electrons
impact ionization
channel
semiconductor device
gate
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Application number
JP17666893A
Other languages
Japanese (ja)
Inventor
Tatsuya Kunikiyo
辰也 國清
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.)
Mitsubishi Electric Corp
Original Assignee
Mitsubishi Electric Corp
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Publication date
Application filed by Mitsubishi Electric Corp filed Critical Mitsubishi Electric Corp
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Publication of JPH0738000A publication Critical patent/JPH0738000A/en
Pending legal-status Critical Current

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Abstract

PURPOSE:To improve writing efficiency in an EEPROM for writing electrical information using impact ionization. CONSTITUTION:The number of impact ionizations can be increased by matching a channel direction 6 of EEPROM with the orientation <001> utilizing that impact ionization probability is the highest in the orientation <001> of silicon.

Description

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

【0001】[0001]

【産業上の利用分野】この発明は、半導体装置に関し、
特にデ−タの書き込みを電気的に行なうMOS型記憶装
置に係わるものである。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a semiconductor device,
In particular, it relates to a MOS type memory device for electrically writing data.

【0002】[0002]

【従来の技術】P−N接合は半導体デバイスの基本構造
であるが、このP−N接合に逆方向電圧を加えたときに
生じる現象について以下に説明する。高い逆方向電圧を
加えることはキャリア(電子)に高エネルギ−を与える
ことになるので、この電子は結晶格子を組んでいるSi
原子のボンド(結合手)に衝突してこれを切ることがで
きる。これを衝突電離(以下、インパクトイオン化と称
す)と呼ぶ。ボンドが切れると電子−正孔の対が発生す
るが、この状態をエネルギ−バンド図を用いて図5に示
す。図5に示すように、伝導帯1にある電子2と価電子
帯3にある電子4がク−ロン相互作用により、伝導帯1
にある電子2が伝導帯1のエネルギ−の低いところに遷
移し、価電子帯3にある電子4が伝導帯1に遷移し、価
電子帯3に正孔5が生成される。上記電子−正孔対と
は、伝導帯1に遷移された電子4と価電子帯3に生成さ
れた正孔5とを意味する。
2. Description of the Related Art A P-N junction is a basic structure of a semiconductor device. A phenomenon that occurs when a reverse voltage is applied to this P-N junction will be described below. Since applying a high reverse voltage gives high energy to carriers (electrons), these electrons form Si in the crystal lattice.
It can be broken by colliding with an atomic bond. This is called impact ionization (hereinafter referred to as impact ionization). When the bond is broken, an electron-hole pair is generated, and this state is shown in FIG. 5 using an energy band diagram. As shown in FIG. 5, the electrons 2 in the conduction band 1 and the electrons 4 in the valence band 3 are subjected to the Coulomb interaction, so that the conduction band 1
2 in the conduction band 1 transits to the low energy region of the conduction band 1, electrons 4 in the valence band 3 transit to the conduction band 1, and holes 5 are generated in the valence band 3. The electron-hole pair means an electron 4 transited to the conduction band 1 and a hole 5 generated in the valence band 3.

【0003】このようなインパクトイオン化によって発
生した電子および正孔が、それぞれ電子−正孔対を発生
させ、発生した電子−正孔対がさらに次の電子−正孔対
を発生させるというふうに、なだれ的に多数の電子、正
孔が発生する現象をアバランシェ現象という。
Electrons and holes generated by such impact ionization generate electron-hole pairs, and the generated electron-hole pairs generate further electron-hole pairs. A phenomenon in which a large number of electrons and holes are avalanche is called avalanche phenomenon.

【0004】ところで、半導体装置は従来から、MOS
トランジスタの電気的特性に影響を与える界面準位密度
が最小であること、また、電子の移動度が最大であるこ
と、の2つの理由からシリコン単結晶の結晶面のうち、
(100)面上に素子形成を行って来た。また、シリコ
ンの(100)面ウエハにおいても、図6に示すよう
に、チャネル方向6およびオリエンテ−ションフラグ
(以下、オリフラと称す)7の方向は<011>に決定
されている。これは、P型MOSFETが主流であった
頃に、信号の高速応答をねらって、正孔の移動度が最大
になる<011>方向にチャネル方向6を合わせていた
という歴史的経緯によるものであり、量産に適する様に
オリフラ7の向きもそれに合わせていた。
By the way, semiconductor devices have been conventionally provided with MOS.
Of the crystal planes of a silicon single crystal, the interface state density that affects the electrical characteristics of a transistor is the minimum and the electron mobility is the maximum.
The element has been formed on the (100) plane. Also in the silicon (100) plane wafer, as shown in FIG. 6, the channel direction 6 and the orientation flag (hereinafter, referred to as orientation flat) 7 direction are determined to be <011>. This is because, when P-type MOSFETs were the mainstream, the channel direction 6 was aligned with the <011> direction, which maximizes hole mobility, aiming at high-speed signal response. Yes, the orientation of the orientation flat 7 was adjusted to suit it.

【0005】また近年において、MOSFETを微細化
しようとすると、ドレイン近傍の電界はきわめて高電界
になる。この高電界はチャネルを流れる電子や半導体基
板を流れる電子に高エネルギ−を与えるので、これらは
前述したようにインパクトイオン化によってエネルギ−
の高い電子−正孔対を発生させることになる。ここで、
<001>方向は、シリコンのバンド構造の性質から電
子が一番エネルギ−を得やすく、インパクトイオン化確
率が大きいことがわかっている。このため<001>方
向にチャネル形成されたMOSFETでは、インパクト
イオン化による高エネルギ−のホットエレクトロン(電
子)が生成され易く、それらは絶縁膜の障壁を越えてゲ
−ト酸化膜に注入されてMOSFETの特性を劣化させ
る。この様な問題点のため、従来の半導体装置は<00
1>方向にチャネルを形成することなく、前述した歴史
的経緯により<011>方向にチャネル方向6およびオ
リフラ7の向きを合わせて素子形成を行なって来た。
Further, in recent years, when miniaturizing MOSFETs, the electric field near the drain becomes extremely high. This high electric field gives high energy to the electrons flowing in the channel and the electrons flowing in the semiconductor substrate.
Of high electron-hole pairs. here,
In the <001> direction, it is known that electrons are most likely to obtain energy and have a high probability of impact ionization due to the nature of the band structure of silicon. For this reason, in the MOSFET formed with the channel in the <001> direction, high-energy hot electrons (electrons) are easily generated due to impact ionization, and they are injected into the gate oxide film beyond the barrier of the insulating film and thus MOSFET. Deteriorate the characteristics of. Due to such a problem, the conventional semiconductor device is <00.
The element has been formed by aligning the channel direction 6 and the orientation flat 7 in the <011> direction without forming a channel in the 1> direction due to the historical circumstances described above.

【0006】次に、<011>方向にチャネルを形成し
たMOS型半導体装置で、インパクトイオン化によるア
バランシェ現象を用いて書き込みを行なう従来の不揮発
性メモリ−をEEPROMについて説明する。図7はE
EPROM(Electrically Erasab
le Programmable Read Qnly
Memory)の構造を示す断面図である。図におい
て、8は半導体基板(以下、基板と称す)、9は例えば
ポリシリコンから成るフロ−ティングゲ−ト、10はフ
ロ−ティングゲ−ト9を囲むゲ−ト酸化膜、11はフロ
−ティングゲ−ト9上にゲ−ト酸化膜10を介して形成
された例えばポリシリコンから成るコントロ−ルゲ−
ト、12はフロ−ティングゲ−ト9、ゲ−ト酸化膜1
0、コントロ−ルゲ−ト11から成るゲ−ト構造であ
る。13はソ−ス領域、14はドレイン領域、15はチ
ャネル領域、16はソ−ス電極、17はドレイン電極、
18はゲ−ト電極、19はバックゲ−ト電極である。
Next, a description will be given of a conventional nonvolatile memory, which is a MOS type semiconductor device in which a channel is formed in the <011> direction and which uses the avalanche phenomenon due to impact ionization for writing, in an EEPROM. Figure 7 is E
EPROM (Electrically Erasab)
le Programmable Read Qnly
It is sectional drawing which shows the structure of (Memory). In the figure, 8 is a semiconductor substrate (hereinafter referred to as a substrate), 9 is a floating gate made of, for example, polysilicon, 10 is a gate oxide film surrounding the floating gate 9, and 11 is a floating gate. A control gauge made of, for example, polysilicon formed on the gate 9 through a gate oxide film 10.
And 12 are floating gate 9 and gate oxide film 1
It is a gate structure consisting of 0 and control gate 11. 13 is a source region, 14 is a drain region, 15 is a channel region, 16 is a source electrode, 17 is a drain electrode,
Reference numeral 18 is a gate electrode, and 19 is a back gate electrode.

【0007】次に、EEPROMの動作について説明す
る。情報を書き込む場合は、例えばゲ−ト電極18に2
0V、ドレイン電極17に40V印加する。電子はソ−
ス領域13からチャネル領域15を通ってドレイン領域
14に達するが、それらの電子の一部がドレイン領域1
4でインパクトイオン化を起こし、アバランシェ現象を
起こさせることにより多数の電子を生成する。これらの
電子の一部が基板8とゲ−ト酸化膜10との間のエネル
ギ−障壁を乗り越えてフロ−ティングゲ−ト9に蓄えら
れる。このフロ−ティングゲ−ト9への電荷の注入によ
って、情報の書き込みが行われる。
Next, the operation of the EEPROM will be described. When writing information, for example, 2 is applied to the gate electrode 18.
0 V and 40 V are applied to the drain electrode 17. Electron is
From the drain region 14 through the channel region 15 to the drain region 14, but some of those electrons are drain region 1.
A large number of electrons are generated by causing impact ionization at 4 and causing an avalanche phenomenon. Some of these electrons pass through the energy barrier between the substrate 8 and the gate oxide film 10 and are stored in the floating gate 9. Information is written by injecting charges into the floating gate 9.

【0008】情報の消去は、ゲ−ト電極18に例えば6
0Vの電圧を印加することにより、フロ−ティングゲ−
ト9に蓄えられている電荷を、Fowler−Nord
heimトンネル現象によりコントロ−ルゲ−ト11に
移動させて行なう。
Information can be erased by, for example, 6
By applying 0V voltage, the floating gate
The electric charge stored in the gate 9 is Fowler-Nord
It is moved to the control gate 11 by the heim tunnel phenomenon.

【0009】上記のようなEEPROMの情報の書き込
みおよび消去の動作のエネルギ−バンドでの様子を図8
に示す。図8(a)は、フラットバンド電圧を0Vと仮
定したときの平衡状態あるいは情報が0の状態を示す。
図8(b)は、書き込み状態を示すもので、負の電荷が
フロ−ティングゲ−ト9に蓄えられ、そのためにしきい
値電圧がシフトし情報が1の状態となる。図8(c)
は、消去の状態を示すもので、フロ−ティングゲ−ト9
に蓄えられた電荷はコントロ−ルゲ−ト11に移動し、
情報が0の状態に戻る。
FIG. 8 shows the energy band operation of writing and erasing information in the EEPROM as described above.
Shown in. FIG. 8A shows an equilibrium state or a state where information is 0 when the flat band voltage is assumed to be 0V.
FIG. 8B shows a written state, in which negative charges are stored in the floating gate 9, which causes the threshold voltage to shift and the information to be 1. Figure 8 (c)
Indicates the erased state. The floating gate 9
The electric charge stored in is transferred to the control gate 11,
The information returns to 0.

【0010】次に、EEPROMの電気特性について説
明する。図9はEEPROMの書き込み特性を示す図で
ある。図に示すように、適当なドレイン電圧を印加する
と、しきい値電圧はゲ−ト電圧が高くなるにつれて大き
くなる。これは、基板8からフロ−ティングゲ−ト9へ
アバランシェ現象で生じた電子を輸送するのをゲ−ト電
圧が援助するからである。しかし、ゲ−ト電圧がある電
圧以上になると、しきい値電圧が下がり始める。これ
は、フロ−ティングゲ−ト9からコントロ−ルゲ−ト1
1へ電子が移動し、蓄積電荷が減少するからである。
Next, the electrical characteristics of the EEPROM will be described. FIG. 9 is a diagram showing the writing characteristics of the EEPROM. As shown in the figure, when a proper drain voltage is applied, the threshold voltage increases as the gate voltage increases. This is because the gate voltage assists in transporting electrons generated by the avalanche phenomenon from the substrate 8 to the floating gate 9. However, when the gate voltage exceeds a certain voltage, the threshold voltage starts decreasing. This is from floating gate 9 to control gate 1
This is because the electrons move to 1 and the accumulated charge decreases.

【0011】[0011]

【発明が解決しようとする課題】以上説明したように、
EEPROMへの情報の書き込みは、インパクトイオン
化とそれが繰り返し起こるアバランシェ現象を利用する
ものであるため、書き込み効率を上げるにはインパクト
イオン化が起こる回数を増加させれば良い。電界強度が
大きくなると図10に示すように高エネルギ−の電子が
増え、電子のエネルギ−が増えると図11に示すように
インパクトイオン化確率が増える。すなわち、チャネル
中の電界強度を大きくすることは、EEPROMの書き
込み効率を上げるのに有効であるが、その方法として従
来から行われていたものとして、チャネル領域15の長
さを短くする方法、ゲ−ト酸化膜10の膜厚を薄くする
方法、チャネル領域15からドレイン領域14への不純
物濃度分布を急峻に変化させてドレイン領域14付近の
電界勾配を大きくする方法等がある。
As described above,
Writing information to the EEPROM utilizes impact ionization and an avalanche phenomenon that occurs repeatedly. Therefore, the number of times impact ionization occurs may be increased in order to improve writing efficiency. When the electric field strength increases, the number of high energy electrons increases as shown in FIG. 10, and when the energy of electrons increases, the impact ionization probability increases as shown in FIG. That is, increasing the electric field strength in the channel is effective in increasing the writing efficiency of the EEPROM, but as a method conventionally used, a method of shortening the length of the channel region 15, There are a method of thinning the oxide film 10 and a method of sharply changing the impurity concentration distribution from the channel region 15 to the drain region 14 to increase the electric field gradient near the drain region 14.

【0012】しかしながら、微細化とともに半導体製造
技術としてエッチング等の加工技術やパタ−ニングを行
う転写技術が物理限界に近づいており、チャネル領域1
5の長さを短くするのも限界がある。またゲ−ト酸化膜
10に関しても、現在の膜厚(5nm程度)以上に薄い
酸化膜の形成は、酸化膜の信頼性、および成長工程の制
御性の問題から困難である。さらに不純物濃度分布を調
節してドレイン領域14付近の電界勾配を大きくする方
法も、不純物濃度分布の制御性の問題から限界があるも
のであった。シリコンの(100)面ウエハに<011
>方向にチャネルを形成した従来のEEPROMは、以
上のような種々の限界から高い書き込み効率が期待でき
なかった。
However, with the miniaturization, the processing technology such as etching and the transfer technology for patterning are approaching the physical limit as the semiconductor manufacturing technology, and the channel region 1
There is a limit to shortening the length of 5. Also for the gate oxide film 10, it is difficult to form an oxide film thinner than the current film thickness (about 5 nm) from the problems of reliability of the oxide film and controllability of the growth process. Further, the method of adjusting the impurity concentration distribution to increase the electric field gradient in the vicinity of the drain region 14 is also limited due to the problem of controllability of the impurity concentration distribution. <011 on silicon (100) wafer
A conventional EEPROM having a channel formed in the> direction cannot be expected to have high writing efficiency due to various limitations as described above.

【0013】この発明は、上記のような問題点を解消す
るためになされたもので、書き込み効率の向上したEE
PROM等、インパクトイオン化を用いて電気的に情報
の書き込みを行うMOS型記憶装置を提供することを目
的とする。
The present invention has been made in order to solve the above problems and has improved EE in writing efficiency.
It is an object of the present invention to provide a MOS storage device such as a PROM that electrically writes information using impact ionization.

【0014】[0014]

【課題を解決するための手段】この発明に係わる半導体
装置は、シリコン単結晶から成る半導体基板上に、ソ−
ス領域とドレイン領域とゲ−ト構造を有し、インパクト
イオン化を用いて電荷を上記ゲ−ト構造に蓄えることに
より情報の書き込みを行なう半導体装置であって、チャ
ネル方向がシリコンの<001>方向とほぼ一致してい
るものである。
A semiconductor device according to the present invention has a semiconductor substrate made of silicon single crystal, and
A semiconductor device which has a gate region, a drain region, and a gate structure, and writes information by storing charges in the gate structure by using impact ionization, in which the channel direction is the <001> direction of silicon. Is almost the same as.

【0015】また、この発明に係わる半導体装置は、オ
リフラが<001>方向に形成されたシリコンウエハに
素子形成されたものである。
Further, the semiconductor device according to the present invention is one in which elements are formed on a silicon wafer having orientation flats formed in the <001> direction.

【0016】[0016]

【作用】この発明における半導体装置は、チャネル方向
がシリコンの<001>方向にほぼ一致している。ここ
で、シリコンの<001>方向というのは、結晶内では
等価な方向である[001]、[010]、[100]
の方位を代表して表すものである。
In the semiconductor device according to the present invention, the channel direction substantially coincides with the <001> direction of silicon. Here, the <001> direction of silicon is an equivalent direction in the crystal [001], [010], [100].
Represents the azimuth of.

【0017】さて、半導体中で電子が走行する方向によ
ってインパクトイオン化を引き起こす回数を、モンテカ
ルロシミュレ−タ(T.Kunikiyo他、1993
International Workshop o
n VLSI Process and Device
Modeling,pp.40−41,(1993)
にて発表)を用いて計算すると図4のようになる。図4
は時間0の時に500kv/cmの電界を<001>、
<111>方向にそれぞれ印加した後に、電子がインパ
クトイオン化を引き起こす回数の時間依存性を示したも
のである。
Now, the number of times the impact ionization is caused depending on the traveling direction of electrons in a semiconductor is determined by the Monte Carlo simulator (T. Kunikiyo et al., 1993).
International Workshop
n VLSI Process and Device
Modeling, pp. 40-41, (1993)
(Present at) was calculated as shown in Fig. 4. Figure 4
Is an electric field of 500 kv / cm at time 0 <001>,
It shows the time dependence of the number of times that electrons cause impact ionization after each application in the <111> direction.

【0018】図4に示すように、0.05ps〜0.1
5ps(ps:10-12秒)では<001>方向が一番
インパクトイオン化が起こりやすく、その後は3方向で
大きな差が見られない。これは、0.05ps〜0.1
5psでは、電子があまり散乱されずに電界方向に揃っ
て走行する、いわゆるバリスティックな走行をし、かつ
前述したようにインパクトイオン化確率が<001>方
向が一番大きいからである。0.2ps以降では、電子
は散乱され必ずしも電界方向を向いてないので、異方性
は見えなくなる。
As shown in FIG. 4, 0.05 ps to 0.1 ps
At 5 ps (ps: 10 -12 seconds), impact ionization is most likely to occur in the <001> direction, and thereafter no significant difference is observed in the three directions. This is 0.05 ps to 0.1
This is because at 5 ps, so-called ballistic travel is performed in which electrons are not scattered so much and travel in the direction of the electric field, and as described above, the impact ionization probability is the largest in the <001> direction. After 0.2 ps, the electrons are scattered and do not necessarily face the electric field direction, so that the anisotropy becomes invisible.

【0019】この発明において、半導体記憶装置のチャ
ネル方向を<001>に向ける。ドレイン領域とチャネ
ル領域との領域間では大きな電界勾配ができるため、電
子は電界から急激にエネルギ−を得る。このとき電子は
電界勾配の大きな領域に入ってから0.2ps程度の
間、バリスティックな走行をする。その間、インパクト
イオン化の頻度は、電界方向のインパクトイオン化確率
がそのまま反映する。また、この時間は電子がドレイン
領域端を通過する時間とほぼ一致する。このため、チャ
ネル方向を、インパクトイオン化確率の一番大きい<0
01>に向けたことにより、従来の半導体記憶装置に比
べてインパクトイオン化の回数が多くなり、書き込み効
率が向上する。また、チャネル方向は<001>方向と
±10゜程度のずれがあっても、<011>や<111
>方向よりも<001>方向の影響を強く受けるので、
同様の効果がある。従って本明細書においては、<00
1>方向とのズレが10゜以内のものを<001>方向
とほぼ一致するものとする。
In the present invention, the channel direction of the semiconductor memory device is directed to <001>. Since a large electric field gradient is formed between the drain region and the channel region, electrons rapidly gain energy from the electric field. At this time, the electrons travel ballistically for about 0.2 ps after entering the region having a large electric field gradient. Meanwhile, the impact ionization frequency is directly reflected by the impact ionization probability in the electric field direction. Further, this time is almost the same as the time for the electrons to pass through the edge of the drain region. Therefore, in the channel direction, the impact ionization probability is the highest <0.
01> increases the number of times of impact ionization as compared with the conventional semiconductor memory device, and improves the writing efficiency. In addition, even if the channel direction is deviated from the <001> direction by about ± 10 °, <011> and <111>
Since the influence of the <001> direction is stronger than that of the> direction,
It has the same effect. Therefore, in the present specification, <00
If the deviation from the 1> direction is within 10 °, it is assumed to be substantially the same as the <001> direction.

【0020】また、オリフラが<001>方向に形成さ
れたシリコンウエハに、チャネル方向を<001>に向
けて素子形成を行うと、矩形のチップの1辺とオリフラ
が平行になって多くのチップが形成でき、量産に適した
ものとなる。
When elements are formed on a silicon wafer having orientation flats formed in the <001> direction with the channel direction facing <001>, one side of a rectangular chip is parallel to many orientations. Can be formed and is suitable for mass production.

【0021】[0021]

【実施例】実施例1.以下、この発明の一実施例を図を
用いて説明する。なお、従来の技術と重複する箇所は、
適宜その説明を省略する。図1は、この発明の実施例1
による半導体装置を構成した(100)面のシリコンウ
エハを上からみた平面図である。図に示すようにオリフ
ラ7の方向が<011>に形成されたシリコンウエハ2
0上に、チャネル方向6が<001>に向けて形成され
たEEPROMを構成する。このEEPROMの構造お
よび基本動作は従来の技術で説明したものと同じである
(図7〜図9参照)。また、ドレイン領域14付近の電
界勾配を上げるために、例えばイオン注入法により砒素
を50keVで4×1015/cm2注入して、ドレイン
領域14を形成するものとする。
EXAMPLES Example 1. An embodiment of the present invention will be described below with reference to the drawings. In addition, the points that overlap with the conventional technology are
The description will be omitted as appropriate. FIG. 1 is a first embodiment of the present invention.
3 is a plan view of a (100) plane silicon wafer constituting the semiconductor device according to FIG. As shown in the figure, the orientation of the orientation flat 7 is the silicon wafer 2 formed in <011>.
0, a channel direction 6 is formed toward <001> to form an EEPROM. The structure and basic operation of this EEPROM are the same as those described in the prior art (see FIGS. 7 to 9). In order to increase the electric field gradient near the drain region 14, arsenic is implanted at 4 × 10 15 / cm 2 at 50 keV by, for example, an ion implantation method to form the drain region 14.

【0022】チャネル領域15とドレイン領域14とは
異なる型の高濃度不純物層で形成されているため、2つ
の領域間では通常でも大きな電界勾配ができるが、特に
EEPROM等の半導体装置では電界勾配が大きくなる
ように設計されており、その様子を図2に示す。情報の
書き込みの場合、電子はソ−ス領域13からチャネル領
域15を通ってドレイン領域14に達する。ドレイン領
域14付近で電界が急峻に変化すると、電子は電界から
急激にエネルギ−を得る。このとき電子は前述したよう
に、電界勾配の大きな領域に入ってから0.2ps程度
の間、バリスティックな走行をし、エネルギ−の大きな
ものはインパクトイオン化を起こし、アバランシェ現象
を引き起こす。これにより生成された多数の電子のうち
高エネルギ−のものが、基板8とゲ−ト酸化膜10との
間のエネルギ−障壁を越えてフロ−ティングゲ−ト9に
蓄えられる。
Since the channel region 15 and the drain region 14 are formed of high-concentration impurity layers of different types, a large electric field gradient can usually be formed between the two regions, but especially in a semiconductor device such as an EEPROM, the electric field gradient is large. It is designed to be large, and its appearance is shown in FIG. In the case of writing information, electrons reach the drain region 14 from the source region 13 through the channel region 15. When the electric field sharply changes in the vicinity of the drain region 14, the electrons rapidly gain energy from the electric field. At this time, as described above, the electrons travel ballistically for about 0.2 ps after entering the region with a large electric field gradient, and those with a large energy cause impact ionization, causing the avalanche phenomenon. Among the many electrons generated by this, high energy ones are stored in the floating gate 9 over the energy barrier between the substrate 8 and the gate oxide film 10.

【0023】電子がバリスティックな走行をする間は、
インパクトイオン化の頻度は、電界方向のインパクトイ
オン化確率がそのまま反映する。また、この時間は電子
がドレイン領域14端を通過する時間とほぼ一致する。
チャネル方向6はインパクトイオン化確率の最も高い<
001>方向であるため、チャネル方向6が<011>
方向であった従来のEEPROMに比べてインパクトイ
オン化の回数は多くなり、EEPROMの書き込み効率
は向上する。
While the electrons travel ballistically,
The impact ionization frequency directly reflects the impact ionization probability in the direction of the electric field. Further, this time substantially coincides with the time for which the electrons pass through the edge of the drain region 14.
Channel direction 6 has the highest impact ionization probability <
001> direction, the channel direction 6 is <011>
Direction, the number of times of impact ionization is increased, and the writing efficiency of the EEPROM is improved.

【0024】なお、チャネル方向6は<001>方向と
±10゜の幅に入っていれば、他の<011>および<
111>方向よりも<001>方向の影響を強く受ける
ため、同様の効果がある。
If the channel direction 6 is within ± 10 ° of the <001> direction, the other <011> and <011>
Since the influence of the <001> direction is stronger than that of the 111> direction, the same effect can be obtained.

【0025】また、上記実施例ではEEPROMを例に
して説明したが、情報の書き込みをインパクトイオン化
を用いて行なうMOS型記憶装置であれば、これに限る
ものではない。
Further, although the EEPROM has been described as an example in the above embodiment, the present invention is not limited to this as long as it is a MOS type memory device which writes information by using impact ionization.

【0026】実施例2.次に、この発明の実施例2によ
る半導体装置を説明する。図3はこの発明の実施例2に
よる半導体装置を構成した(100)面のシリコンウエ
ハを、上から見た平面図である。図に示すようにオリフ
ラ7の方向が<001>に形成されたシリコンウエハ2
0上に、チャネル方向6が<001>に向けて形成され
たEEPROMを構成する。これにより、矩形のチップ
21の1辺とオリフラが平行になって多くのチップを形
成できるので量産に適しているとともに、オリフラ7と
チャネル方向6とがともに<011>であった従来の半
導体装置のマスクが、製造工程においてそのまま利用す
ることができ、製造が容易になる。
Example 2. Next, a semiconductor device according to a second embodiment of the present invention will be described. FIG. 3 is a plan view of a (100) plane silicon wafer constituting a semiconductor device according to a second embodiment of the present invention as seen from above. As shown in the figure, the orientation of the orientation flat 7 is the silicon wafer 2 formed in <001>.
0, a channel direction 6 is formed toward <001> to form an EEPROM. As a result, one side of the rectangular chip 21 and the orientation flat are parallel to each other so that many chips can be formed, which is suitable for mass production, and the conventional semiconductor device in which both the orientation flat 7 and the channel direction 6 are <011>. The mask can be used as it is in the manufacturing process, which facilitates manufacturing.

【0027】[0027]

【発明の効果】以上のように、この発明によれば、イン
パクトイオン化を用いて情報の書き込みを行う半導体記
憶装置を、チャネル方向が<001>方向と一致、もし
くは±10゜の幅でほぼ一致するように構成したため、
インパクトイオン化の起こる回数が多くなり書き込み効
率が向上する。また、オリフラの向きも<001>方向
にすることにより、量産に適した半導体記憶装置を容易
に形成できる。
As described above, according to the present invention, in the semiconductor memory device in which information is written by using impact ionization, the channel direction coincides with the <001> direction, or substantially coincides with a width of ± 10 °. Since it was configured to
The number of times impact ionization occurs is increased and the writing efficiency is improved. Also, by setting the orientation of the orientation flat to be the <001> direction, it is possible to easily form a semiconductor memory device suitable for mass production.

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

【図1】この発明の実施例1による半導体装置を示す平
面図である。
FIG. 1 is a plan view showing a semiconductor device according to a first embodiment of the present invention.

【図2】この発明の実施例1による半導体装置の電界強
度を示す平面図である。
FIG. 2 is a plan view showing the electric field strength of the semiconductor device according to the first embodiment of the present invention.

【図3】この発明の実施例2による半導体装置を示す平
面図である。
FIG. 3 is a plan view showing a semiconductor device according to a second embodiment of the present invention.

【図4】電子の走行方向の差によるインパクトイオン化
頻度の違いを示す図である。
FIG. 4 is a diagram showing a difference in impact ionization frequency due to a difference in traveling direction of electrons.

【図5】インパクトイオン化を説明するエネルギ−バン
ド図である。
FIG. 5 is an energy band diagram for explaining impact ionization.

【図6】従来の半導体装置を示す平面図である。FIG. 6 is a plan view showing a conventional semiconductor device.

【図7】EEPROMの構造を示す断面図である。FIG. 7 is a cross-sectional view showing the structure of the EEPROM.

【図8】EEPROMの動作を説明するエネルギ−バン
ド図である。
FIG. 8 is an energy band diagram for explaining the operation of the EEPROM.

【図9】EEPROMの書き込み特性を示す図である。FIG. 9 is a diagram showing write characteristics of an EEPROM.

【図10】電界強度による電子のエネルギ−分布を示す
図である。
FIG. 10 is a diagram showing an energy distribution of electrons according to electric field strength.

【図11】電子のエネルギ−によるインパクトイオン化
確率を示す図である。
FIG. 11 is a diagram showing impact ionization probability due to electron energy.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

6 チャネル方向 7 オリエンテ−ションフラグ 8 半導体基板 12 ゲ−ト構造 13 ソ−ス領域 14 ドレイン領域 15 チャネル領域 20 シリコンウエハ 6 Channel direction 7 Orientation flag 8 Semiconductor substrate 12 Gate structure 13 Source region 14 Drain region 15 Channel region 20 Silicon wafer

─────────────────────────────────────────────────────
─────────────────────────────────────────────────── ───

【手続補正書】[Procedure amendment]

【提出日】平成5年10月29日[Submission date] October 29, 1993

【手続補正1】[Procedure Amendment 1]

【補正対象書類名】明細書[Document name to be amended] Statement

【補正対象項目名】請求項1[Name of item to be corrected] Claim 1

【補正方法】変更[Correction method] Change

【補正内容】[Correction content]

【手続補正2】[Procedure Amendment 2]

【補正対象書類名】明細書[Document name to be amended] Statement

【補正対象項目名】請求項2[Name of item to be corrected] Claim 2

【補正方法】変更[Correction method] Change

【補正内容】[Correction content]

【手続補正3】[Procedure 3]

【補正対象書類名】明細書[Document name to be amended] Statement

【補正対象項目名】0004[Correction target item name] 0004

【補正方法】変更[Correction method] Change

【補正内容】[Correction content]

【0004】ところで、半導体装置は従来から、MOS
トランジスタの電気的特性に影響を与える界面準位密度
が最小であること、また、電子の移動度が最大であるこ
と、の2つの理由からシリコン単結晶の結晶面のうち、
(100)面上に素子形成を行って来た。また、シリコ
ンの(100)面ウエハにおいても、図6に示すよう
に、チャネル方向6およびオリエンテ−ションフラグ
(以下、オリフラと称す)7の方向は<011>に決定
されている。これは、オリフラクを<011>方向にす
ると、へき開面が(100)面に対してほぼ垂直方向に
出るため、機械的に扱い易いためであり、量産に適する
様にチャネル方向6もそれに合わせていた。
By the way, semiconductor devices have been conventionally provided with MOS.
Of the crystal planes of a silicon single crystal, the interface state density that affects the electrical characteristics of a transistor is the minimum and the electron mobility is the maximum.
The element has been formed on the (100) plane. Also in the silicon (100) plane wafer, as shown in FIG. 6, the channel direction 6 and the orientation flag (hereinafter, referred to as orientation flat) 7 direction are determined to be <011>. This will set the orientation flap in the <011> direction.
Then, the cleavage plane is almost perpendicular to the (100) plane.
It is suitable for mass production because it is easy to handle mechanically because it comes out.
Similarly, the channel direction 6 was adapted to it.

【手続補正4】[Procedure amendment 4]

【補正対象書類名】明細書[Document name to be amended] Statement

【補正対象項目名】0005[Name of item to be corrected] 0005

【補正方法】変更[Correction method] Change

【補正内容】[Correction content]

【0005】また近年において、MOSFETを微細化
しようとすると、ドレイン近傍の電界はきわめて高電界
になる。この高電界はチャネルを流れる電子や半導体基
板を流れる電子に高エネルギ−を与えるので、これらは
前述したようにインパクトイオン化によってエネルギ−
の高い電子−正孔対を発生させることになる。ここで、
<001>方向は、シリコンのバンド構造の性質から電
子が一番エネルギ−を得やすく、インパクトイオン化確
率が大きいことがわかっている。このため<001>方
向にチャネル形成されたMOSFETでは、インパクト
イオン化による高エネルギ−のホットエレクトロン(電
子)が生成され易く、それらは絶縁膜の障壁を越えてゲ
−ト酸化膜に注入されてMOSFETの特性を劣化させ
る。この様な問題点のため、従来の半導体装置は<00
1>方向にチャネルを形成することなく、前述したよう
<011>方向にチャネル方向6およびオリフラ7の
向きを合わせて素子形成を行なって来た。
Further, in recent years, when miniaturizing MOSFETs, the electric field near the drain becomes extremely high. This high electric field gives high energy to the electrons flowing in the channel and the electrons flowing in the semiconductor substrate.
Of high electron-hole pairs. here,
In the <001> direction, it is known that electrons are most likely to obtain energy and have a high probability of impact ionization due to the nature of the band structure of silicon. For this reason, in the MOSFET formed with the channel in the <001> direction, high-energy hot electrons (electrons) are easily generated due to impact ionization, and they are injected into the gate oxide film beyond the barrier of the insulating film and thus MOSFET. Deteriorate the characteristics of. Due to such a problem, the conventional semiconductor device is <00.
1> without forming a channel in the direction, as described above
The device was formed by aligning the channel direction 6 and the orientation flat 7 with the <011> direction.

【手続補正5】[Procedure Amendment 5]

【補正対象書類名】明細書[Document name to be amended] Statement

【補正対象項目名】0014[Correction target item name] 0014

【補正方法】変更[Correction method] Change

【補正内容】[Correction content]

【0014】[0014]

【課題を解決するための手段】この発明に係わる半導体
装置は、導体基板上に、ソ−ス領域とドレイン領域と
ゲ−ト構造を有し、インパクトイオン化を用いて電荷を
上記ゲ−ト構造に蓄えることにより情報の書き込みを行
なう半導体装置であって、チャネル方向が半導体結晶
<001>方向とほぼ一致しているものである。
SUMMARY OF THE INVENTION The semiconductor device according to the invention, on a semi-conductor substrate, source - source region and the drain region and the gate - has the door structure, the gate charge with impact ionization - DOO A semiconductor device in which information is written by storing it in a structure, and the channel direction thereof is substantially the same as the <001> direction of a semiconductor crystal .

【手続補正6】[Procedure correction 6]

【補正対象書類名】明細書[Document name to be amended] Statement

【補正対象項目名】0015[Name of item to be corrected] 0015

【補正方法】変更[Correction method] Change

【補正内容】[Correction content]

【0015】また、この発明に係わる半導体装置は、オ
リフラが<001>方向に形成された半導体基板上に素
子形成されたものである。
Further, the semiconductor device according to the present invention is one in which elements are formed on a semiconductor substrate in which an orientation flat is formed in the <001> direction.

【手続補正7】[Procedure Amendment 7]

【補正対象書類名】明細書[Document name to be amended] Statement

【補正対象項目名】0016[Correction target item name] 0016

【補正方法】変更[Correction method] Change

【補正内容】[Correction content]

【0016】[0016]

【作用】この発明における半導体装置は、チャネル方向
半導体結晶の<001>方向にほぼ一致している。こ
こで、半導体結晶の<001>方向というのは、結晶内
では等価な方向である[001]、[010]、[10
0]の方位を代表して表すものである。
In the semiconductor device according to the present invention, the channel direction is substantially aligned with the <001> direction of the semiconductor crystal . Here, the <001> direction of a semiconductor crystal is an equivalent direction in the crystal [001], [010], [10].
[0] is representatively represented.

【手続補正8】[Procedure Amendment 8]

【補正対象書類名】明細書[Document name to be amended] Statement

【補正対象項目名】0020[Correction target item name] 0020

【補正方法】変更[Correction method] Change

【補正内容】[Correction content]

【0020】また、オリフラが<001>方向に形成さ
れた半導体基板上に、チャネル方向を<001>に向け
て素子形成を行うと、矩形のチップの1辺とオリフラが
平行になって多くのチップが形成でき、量産に適したも
のとなる。
When an element is formed on a semiconductor substrate in which the orientation flat is formed in the <001> direction with the channel direction facing <001>, one side of the rectangular chip and the orientation flat are in parallel with each other. Chips can be formed and are suitable for mass production.

【手続補正9】[Procedure Amendment 9]

【補正対象書類名】明細書[Document name to be amended] Statement

【補正対象項目名】0021[Correction target item name] 0021

【補正方法】変更[Correction method] Change

【補正内容】[Correction content]

【0021】[0021]

【実施例】実施例1.以下、この発明の一実施例を図を
用いて説明する。なお、従来の技術と重複する箇所は、
適宜その説明を省略する。図1は、この発明の実施例1
による半導体装置を構成した(100)面のシリコンウ
エハを上からみた平面図である。図に示すようにオリフ
ラ7の方向が<011>に形成された半導体基板として
シリコンウエハ20上に、チャネル方向6が<001
>に向けて形成されたEEPROMを構成する。このE
EPROMの構造および基本動作は従来の技術で説明し
たものと同じである(図7〜図9参照)。また、ドレイ
ン領域14付近の電界勾配を上げるために、例えばイオ
ン注入法により砒素を50keVで4×1015/cm2
注入して、ドレイン領域14を形成するものとする。
EXAMPLES Example 1. An embodiment of the present invention will be described below with reference to the drawings. In addition, the points that overlap with the conventional technology are
The description will be omitted as appropriate. FIG. 1 is a first embodiment of the present invention.
3 is a plan view of a (100) plane silicon wafer constituting the semiconductor device according to FIG. As a semiconductor substrate in which the orientation flat 7 is oriented <011> as shown in the figure
Channel direction 6 <001 on the silicon wafer 20 of
And an EEPROM formed toward>. This E
The structure and basic operation of the EPROM are the same as those described in the prior art (see FIGS. 7 to 9). In order to increase the electric field gradient in the vicinity of the drain region 14, arsenic is added at 4 × 10 15 / cm 2 at 50 keV by, for example, an ion implantation method.
Implantation is performed to form the drain region 14.

【手続補正10】[Procedure Amendment 10]

【補正対象書類名】明細書[Document name to be amended] Statement

【補正対象項目名】0024[Name of item to be corrected] 0024

【補正方法】変更[Correction method] Change

【補正内容】[Correction content]

【0024】なお、チャネル方向6は<001>方向と
±10゜の幅に入っていれば、他の<011>および<
111>方向よりも<001>方向の影響を強く受ける
ため、同様の効果がある。また、上記実施例ではシリコ
ンを用いたが、ガリウム砒素等から成る半導体基板8、
20を用いても同様の効果がある。
If the channel direction 6 is within ± 10 ° of the <001> direction, the other <011> and <011>
Since the influence of the <001> direction is stronger than that of the 111> direction, the same effect can be obtained. Also, in the above embodiment,
A semiconductor substrate 8 made of gallium arsenide or the like,
Even if 20 is used, the same effect can be obtained.

【手続補正11】[Procedure Amendment 11]

【補正対象書類名】明細書[Document name to be amended] Statement

【補正対象項目名】符号の説明[Correction target item name] Explanation of code

【補正方法】変更[Correction method] Change

【補正内容】[Correction content]

【符号の説明】 6 チャネル方向 7 オリエンテ−ションフラグ 8 半導体基板 12 ゲ−ト構造 13 ソ−ス領域 14 ドレイン領域 15 チャネル領域 20 半導体基板としてのシリコンウエハ [Description of Reference Signs] 6 Channel direction 7 Orientation flag 8 Semiconductor substrate 12 Gate structure 13 Source region 14 Drain region 15 Channel region 20 Silicon wafer as semiconductor substrate

Claims (2)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 シリコン単結晶から成る半導体基板上
に、ソ−ス領域とドレイン領域とゲ−ト構造を有し、イ
ンパクトイオン化を用いて電荷を上記ゲ−ト構造に蓄え
ることにより情報の書き込みを行なう半導体記憶装置に
おいて、上記ソ−ス領域と上記ドレイン領域とを最短距
離で結ぶ線の方向(以下、チャネル方向と称す)が、シ
リコンの<001>方向とほぼ一致していることを特徴
とする半導体装置。
1. Writing information by having a source region, a drain region and a gate structure on a semiconductor substrate made of silicon single crystal, and storing charges in the gate structure by using impact ionization. In the semiconductor memory device for performing the above, the direction of the line connecting the source region and the drain region at the shortest distance (hereinafter referred to as the channel direction) is substantially the same as the <001> direction of silicon. Semiconductor device.
【請求項2】 オリエンテ−ションフラグが<001>
方向に形成されたシリコンウエハに素子形成されたこと
を特徴とする請求項1記載の半導体装置。
2. The orientation flag is <001>.
2. The semiconductor device according to claim 1, wherein elements are formed on a silicon wafer formed in the direction.
JP17666893A 1993-07-16 1993-07-16 Semiconductor device Pending JPH0738000A (en)

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Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2008153377A (en) * 2006-12-15 2008-07-03 Nec Electronics Corp Non-volatile semiconductor memory and operation method thereof

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Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2008153377A (en) * 2006-12-15 2008-07-03 Nec Electronics Corp Non-volatile semiconductor memory and operation method thereof

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