JPH09116120A - Nonvolatile semiconductor storage device - Google Patents

Nonvolatile semiconductor storage device

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Publication number
JPH09116120A
JPH09116120A JP7266739A JP26673995A JPH09116120A JP H09116120 A JPH09116120 A JP H09116120A JP 7266739 A JP7266739 A JP 7266739A JP 26673995 A JP26673995 A JP 26673995A JP H09116120 A JPH09116120 A JP H09116120A
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JP
Japan
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voltage
region
line
well region
well
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Application number
JP7266739A
Other languages
Japanese (ja)
Inventor
Masataka Kato
正高 加藤
Tetsuo Adachi
哲生 足立
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Hitachi Ltd
Original Assignee
Hitachi Ltd
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Filing date
Publication date
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Publication of JPH09116120A publication Critical patent/JPH09116120A/en
Pending legal-status Critical Current

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Classifications

    • 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

Landscapes

  • Semiconductor Memories (AREA)
  • Non-Volatile Memory (AREA)

Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To realize highly reliable novel electrical rewriting with high density by connecting well areas in a memory cell on the same array with each other through a well line and providing a means for supplying voltage to the well area individually every column. SOLUTION: Memory cells for three bits are formed on a silicon oxide film 102. Every memory cell is electrically isolated from each other through a silicon oxide film 104. In addition, a drain area 107 and a source area 108 are formed with a well area 103 in between, and every area has a depth of 0.1 to 0.3μm. A p-type impurity area 112 reduces the breakdown voltage of a joint part between the areas 108 and 103 and eases writing operation thereof. A word line functions as a control gate to delete/write/read data for respective memory cells.

Description

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

【0001】[0001]

【発明の属する技術分野】本発明は、電気的書換機能を
備えた不揮発性半導体記憶装置、特に大規模集積回路を
もって構成する場合に適用して好適な不揮発性半導体記
憶装置に関する。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a non-volatile semiconductor memory device having an electric rewriting function, and more particularly to a non-volatile semiconductor memory device suitable for application in the case of being constituted by a large scale integrated circuit.

【0002】[0002]

【従来の技術】電気的書換機能を備えた不揮発性半導体
装置は、マトリックス状に配置された複数個のメモリセ
ルによって構成される。メモリセルは、ソース領域、ド
レイン領域、ウェル領域、浮遊ゲート及び制御ゲートを
備えたMOS型電界効果トランジスタ(以下「MOSト
ランジスタ」という)からなる。不揮発性半導体装置の
代表的な構成にメモリセルを並列に接続した並列型があ
る。並列型は、列方向に連続した複数個のメモリセルの
各ドレイン領域をデータ線によって接続するとともに各
ソース領域をソース線によって接続するほか、行方向に
連続した複数個のメモリセルの各制御ゲートをワード線
によって接続して構成される。これらのメモリセルの全
ウェル領域は、互いに電気的に接続され、全ウェル領域
に接続線又は基板を通じて所定の電圧が供給される。
2. Description of the Related Art A non-volatile semiconductor device having an electric rewriting function is composed of a plurality of memory cells arranged in a matrix. The memory cell is composed of a MOS field effect transistor (hereinafter referred to as “MOS transistor”) having a source region, a drain region, a well region, a floating gate and a control gate. A typical structure of a non-volatile semiconductor device is a parallel type in which memory cells are connected in parallel. In the parallel type, the drain regions of a plurality of memory cells continuous in the column direction are connected by data lines and the source regions are connected by a source line, and the control gates of a plurality of memory cells continuous in the row direction are connected. Are connected by word lines. All the well regions of these memory cells are electrically connected to each other, and a predetermined voltage is supplied to all the well regions through a connection line or a substrate.

【0003】メモリセルの書込、消去動作を、例えば特
開平4−14871で開示されている装置を例にとって
説明する。メモリセルへのデータの書込動作は、浮遊ゲ
ートから電子を放出することにより行なわれる。その結
果、メモリセルの書込のための閾値電圧は、約1Vに設
定される。書込動作では、ドレイン領域の端部を介し
た、ゲート絶縁膜のF−N(Fowler - Nordheim)現象に
よる電子のトンネル放出が利用されている。トンネル放
出を行なわせるため、ウェル領域に与える電圧に対して
負となる電圧をワード線に与え、更に、ウェル領域に与
える電圧に対して正となる電圧をドレイン領域に与えて
いる。
Writing and erasing operations of a memory cell will be described by taking the device disclosed in Japanese Patent Laid-Open No. 14871/1992 as an example. The data write operation to the memory cell is performed by emitting electrons from the floating gate. As a result, the threshold voltage for programming the memory cell is set to about 1V. In the write operation, tunnel emission of electrons due to the FN (Fowler-Nordheim) phenomenon of the gate insulating film via the end of the drain region is used. In order to perform the tunnel emission, a voltage that is negative with respect to the voltage applied to the well region is applied to the word line, and a voltage that is positive with respect to the voltage applied to the well region is applied to the drain region.

【0004】メモリセルのデータの消去動作は、浮遊ゲ
ートに電子を注入することにより行なわれる。その結
果、メモリセルの消去のための閾値電圧は、概ね3V以
上に設定される。消去動作では、メモリセルを構成する
MOSトランジスタのゲート絶縁膜全面を介したF−N
現象による電子のトンネル注入が用いられている。トン
ネル注入を行なわせるため、ウェル領域に与えられる電
圧に対して正となる電圧をワード線に与えている。
The data erasing operation of the memory cell is performed by injecting electrons into the floating gate. As a result, the threshold voltage for erasing the memory cell is set to approximately 3 V or higher. In the erase operation, the F-N via the entire gate insulating film of the MOS transistor that constitutes the memory cell
Tunneling injection of electrons by a phenomenon is used. In order to perform tunnel injection, a voltage that is positive with respect to the voltage applied to the well region is applied to the word line.

【0005】このような従来技術による不揮発性半導体
記憶装置では、消去動作における前記トンネル放出を実
現するために、浮遊ゲートとドレイン領域がオーバーラ
ップする部分を設ける必要があった。このオーバーラッ
プ部分は、高々ゲート面積の1/3であるので、所望の
トンネル電流を得るために、その電流密度を高くする必
要がある。そのため、ゲート絶縁膜のオーバーラップ部
分に高電界を加える必要があった。高電界を加えて書換
動作を行なうと、ゲート絶縁膜の劣化が進むとともに、
書込時間及び消去時間の増加を招くという問題点があっ
た。
In such a conventional nonvolatile semiconductor memory device, it is necessary to provide a portion where the floating gate and the drain region overlap in order to realize the tunnel emission in the erase operation. Since this overlap portion is at most 1/3 of the gate area, it is necessary to increase the current density in order to obtain a desired tunnel current. Therefore, it is necessary to apply a high electric field to the overlapping portion of the gate insulating film. When the rewriting operation is performed by applying a high electric field, the deterioration of the gate insulating film progresses and
There is a problem that writing time and erasing time increase.

【0006】一方、オーバーラップ部分が必要になるた
めにドレイン領域を小さくするのに限界があった。その
ために、MOSトランジスタのゲート長を短くすること
が困難であり、オーバーラップ部分がセルの微細化を推
進する上で障害になる問題点があった。
On the other hand, there is a limit to reducing the size of the drain region because the overlap portion is required. Therefore, it is difficult to shorten the gate length of the MOS transistor, and there is a problem that the overlapping portion becomes an obstacle in promoting miniaturization of the cell.

【0007】また、同一ワード線上のメモリセルは一括
消去され、消去を選択しない(以下「消去非選択の」と
いう)メモリセルを混在させることは不可能であった。
Further, memory cells on the same word line are collectively erased, and it is impossible to mix memory cells that are not selected for erase (hereinafter referred to as "non-erased").

【0008】[0008]

【発明が解決しようとする課題】本発明の目的は、前記
した問題点を解決し、信頼性及が高く、かつ、極めて高
密度の新規の電気的書換可能な不揮発性記憶装置をを提
供することにある。
SUMMARY OF THE INVENTION An object of the present invention is to solve the above-mentioned problems and provide a novel electrically rewritable nonvolatile memory device having high reliability and extremely high density. Especially.

【0009】[0009]

【課題を解決するための手段】本発明の前記課題は、隣
接する列上のメモリセルのウェル領域を相互に電気的に
分離するための絶縁層領域を同メモリセルの間に形成
し、かつ、同一の列上のメモリセルのウェル領域を互い
にウェル線によって接続するとともに、列ごとに個別に
ウェル領域へ電圧を供給するための手段を設けることに
よって解決することが可能である。同一ワード線上の各
メモリセルのウェル領域に所定の電圧を個別に与えるこ
とが可能となることによって、消去時及び書込時ともゲ
ート絶縁膜全面を使ったトンネル現象を発生させること
ができるほか、同一ワード線上に非選択のメモリセルを
混在させることができる。
The object of the present invention is to form an insulating layer region for electrically separating well regions of memory cells on adjacent columns from each other between the memory cells, and The problem can be solved by connecting the well regions of the memory cells on the same column to each other by a well line and providing a means for individually supplying a voltage to the well region for each column. Since it is possible to individually apply a predetermined voltage to the well region of each memory cell on the same word line, a tunnel phenomenon using the entire surface of the gate insulating film can be generated at the time of erasing and writing. Unselected memory cells can be mixed on the same word line.

【0010】前記電圧を供給するための手段は、列ごと
に電圧供給回路を設け、同回路を各ウェル線に接続する
ことによって実現することができる。もっとも、この場
合、電圧供給回路の追加によって記憶装置が複雑化す
る。他の第2の手段は、ウェル領域とドレイン領域の間
の接合を介してウェル領域ヘ電圧を供給するように機能
する手段と、ウェル領域とソース領域の間の接合を介し
てウェル領域ヘ電圧を供給するように機能する手段とに
よって実現することができる。この場合、列ごとのウェ
ル領域をそれぞれ他との接続がない浮遊領域とするほ
か、データ線をMOSトランジスタからなるスイッチ素
子を介してドレイン電圧供給用のラッチ回路に接続し、
更に、ソース線をMOSトランジスタからなる別のスイ
ッチ素子を介して共通ソース線に接続する。なお、ソー
ス領域及びドレイン領域をそれぞれn型不純物層によっ
て形成するとともに、ウェル領域をp型不純物層によっ
て形成し、かつ、ソース領域からの電圧供給を容易にす
るために、ソース領域とウェル領域の間の接合において
ウェル領域のボロン不純物濃度を5×1017cm-3以上
とすることが望ましい。
The means for supplying the voltage can be realized by providing a voltage supply circuit for each column and connecting the circuit to each well line. However, in this case, the memory device becomes complicated by the addition of the voltage supply circuit. Another second means is a means that functions to supply a voltage to the well region via the junction between the well region and the drain region, and a voltage to the well region via the junction between the well region and the source region. And means that serve to supply In this case, the well region of each column is set as a floating region which is not connected to the other, and the data line is connected to the latch circuit for supplying the drain voltage via the switch element composed of the MOS transistor,
Further, the source line is connected to the common source line via another switch element composed of a MOS transistor. Note that the source region and the drain region are each formed of an n-type impurity layer, the well region is formed of a p-type impurity layer, and the source region and the well region are formed in order to facilitate voltage supply from the source region. It is desirable that the boron impurity concentration in the well region is 5 × 10 17 cm −3 or more in the junction between them.

【0011】また、更に別の第3の手段は、ウェル領域
とドレイン領域の間の接合を介してウェル領域ヘ電圧を
供給するように機能する手段と、ウェル線とソース線の
間に接続した電極を通じてウェル領域ヘ電圧を供給する
ように機能する手段とによって実現することができる。
この場合、ソース線を列ごとに分離するために、ソース
線をMOSトランジスタからなるスイッチング素子を介
して全メモリセル用の共通ソース線に接続する。また、
データ線をMOSトランジスタからなる別のスイッチ素
子を介してドレイン電圧供給用のラッチ回路に接続す
る。
Still another third means is connected between the well line and the source line, and a means functioning to supply a voltage to the well region through a junction between the well region and the drain region. Means for supplying a voltage to the well region through the electrodes.
In this case, in order to separate the source line for each column, the source line is connected to a common source line for all memory cells via a switching element composed of a MOS transistor. Also,
The data line is connected to a latch circuit for supplying a drain voltage via another switch element composed of a MOS transistor.

【0012】なお、いずれの手段においても、メモリセ
ルを形成する半導体基板は、SOI(Silicon On Insul
ator)基板であることが望ましい。隣接するメモリセル
のウェル領域相互間の電気的分離を確実なものとするこ
とができる。
In any of the means, the semiconductor substrate forming the memory cell has an SOI (Silicon On Insul)
ator) substrate is desirable. Electrical isolation between the well regions of adjacent memory cells can be ensured.

【0013】[0013]

【発明の実施の形態】以下、本発明に係る不揮発性半導
体記憶装置を図面に示した発明の実施の形態及び実施例
を参照して更に詳細に説明する。なお、図1〜図9にお
ける同一の記号は、同一物又は類似物を表示するものと
する。
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION The nonvolatile semiconductor memory device according to the present invention will now be described in more detail with reference to the embodiments and examples of the invention shown in the drawings. The same symbols in FIGS. 1 to 9 represent the same or similar items.

【0014】前記第2の電圧供給手段を採用したメモリ
セルの消去動作を図3を用いて説明する。なお、書込動
作を図4を用いて後述するが、両図とも、複雑化を避け
るために、4個のメモリセルM1−1,M1−2,M2
−1,M2−2の部分を示した。ワード線W1にメモリ
セルM1−1,M1−2の制御ゲートが接続されて一つ
の行が形成され、ワード線W2にメモリセルM2−1,
M2−2の制御ゲートが接続されて別の行が形成され
る。
The erase operation of the memory cell employing the second voltage supply means will be described with reference to FIG. Although the write operation will be described later with reference to FIG. 4, in both figures, four memory cells M1-1, M1-2, M2 are used to avoid complication.
-1 and M2-2 are shown. The control gates of the memory cells M1-1 and M1-2 are connected to the word line W1 to form one row, and the memory cells M2-1 and M2-1 are connected to the word line W2.
The control gates of M2-2 are connected to form another row.

【0015】データ線D1にメモリセルM1−1,M2
−1のドレインが接続され、ソース線S1に同じメモリ
セルのソースが接続され一つの列が形成される。同列の
ウェルはウェル線WE1によって互いに接続されるが、
他との接続は無い。データ線D2にメモリセルM1−
2,M2−2のドレインが接続され、ソース線S2に同
じメモリセルのソースが接続されて別の列が形成され
る。同列のウェルはウェル線WE2によって互いに接続
されるが、他との接続は無い。なお、実際の不揮発性半
導体記憶装置は、極めて多数のメモリセルで構成される
が、以下の説明は、これらの多数のメモリセルに拡張す
ることができる。
The memory cells M1-1 and M2 are connected to the data line D1.
The drain of -1 is connected, and the source of the same memory cell is connected to the source line S1 to form one column. Wells in the same row are connected to each other by a well line WE1,
There is no connection with others. The memory cell M1- is connected to the data line D2.
2, the drains of M2-2 are connected, and the source of the same memory cell is connected to the source line S2 to form another column. Wells in the same row are connected to each other by a well line WE2, but are not connected to others. An actual nonvolatile semiconductor memory device is composed of an extremely large number of memory cells, but the following description can be extended to such a large number of memory cells.

【0016】データの消去では、一本のワード線に接続
された複数個のメモリセルのうち、消去が選択された
(以下「消去選択の」という)メモリセルが一括して消
去される。各ワード線は、ワードデコーダに接続されて
いる。ワードデコーダは、各ワード線に所定の電圧を与
える。例えばワード線W1が消去選択である場合に、同
ワード線に12Vの電圧を与える。また、ワード線W2
が消去非選択である場合に、同ワード線に0Vを与え
る。また、各データ線にはそれぞれラッチ回路が接続さ
れ、各ラッチ回路は、消去選択のメモリセルM1−1の
データ線D1に−5Vの電圧を与え、消去非選択のメモ
リセルM1−2のデータ線D2に2Vの電圧を与える。
In data erasing, among a plurality of memory cells connected to one word line, memory cells selected for erasing (hereinafter referred to as “erasing selected”) are collectively erased. Each word line is connected to a word decoder. The word decoder applies a predetermined voltage to each word line. For example, when the word line W1 is erase-selected, a voltage of 12 V is applied to the word line W1. Also, the word line W2
Is erase-unselected, 0 V is applied to the same word line. Further, a latch circuit is connected to each data line, and each latch circuit applies a voltage of −5 V to the data line D1 of the memory cell M1-1 selected for erasure to erase the data of the memory cell M1-2 not selected for erasure. A voltage of 2V is applied to the line D2.

【0017】上記電圧条件において、消去選択のメモリ
セルM1−1がある列では、ドレイン領域とウェル領域
の間に存在するpn接合が順方向状態となる。その結
果、p型不純物層であるウェル領域は、データ線D1の
−5Vにpn接合の拡散電位差(約0.7V)を加えた
概略−4Vに充電される。なお、充電される前のウェル
領域の電位は、前記概略−4Vを下回ることがない。ま
た、ウェル領域の上面にチャネルが形成されることによ
って、ウェル領域の上面、ドレイン領域及びソース領域
が同電位になる。
Under the above voltage condition, in the column in which the memory cell M1-1 for erase selection is present, the pn junction existing between the drain region and the well region is in the forward direction. As a result, the well region, which is a p-type impurity layer, is charged to approximately −4V obtained by adding −5V of the data line D1 to the diffusion potential difference (about 0.7V) of the pn junction. The potential of the well region before being charged does not fall below approximately -4V. In addition, since the channel is formed on the upper surface of the well region, the upper surface of the well region, the drain region, and the source region have the same potential.

【0018】一方、消去非選択のメモリセルM1−2の
列では、ドレイン領域とウェル領域間のpn接合が逆バ
イアス状態となる。この場合は、容量結合によりウェル
領域の電圧が上昇する。このように、消去選択のメモリ
セルM1−1がある列のウェル領域と消去が非選択であ
るメモリセルM1−2の列のウェル領域とで異なった電
圧が与えられる。このような電圧の相違は、列毎にメモ
リセルが電気的に分離していることによって実現する。
On the other hand, in the column of the memory cells M1-2 which are not erase-selected, the pn junction between the drain region and the well region is in the reverse bias state. In this case, the voltage in the well region rises due to capacitive coupling. In this way, different voltages are applied to the well region of the column in which the memory cell M1-1 selected for erasing is located and the well region of the column of the memory cell M1-2 in which erasing is not selected. Such a difference in voltage is realized because the memory cells are electrically isolated for each column.

【0019】消去が選択されたメモリセルM1−1にお
いて、12Vのワード線W1とウェルの間に約17Vの
電圧差が生じる。そのため、メモリセルの容量結合比
〔浮遊ゲートから見た周辺の総容量に対する浮遊ゲート
と制御ゲート(ワード線)間の容量の比〕により、浮遊
ゲートの電圧が上昇し、ゲート絶縁膜に約10MV/c
m以上の高電界が加わる。その結果、ウェル領域から浮
遊ゲートに電子がF−Nトンネル現象により注入され、
メモリセルM1−1の閾値電圧が約4Vに上昇する。
In the memory cell M1-1 selected to be erased, a voltage difference of about 17V is generated between the 12V word line W1 and the well. Therefore, the voltage of the floating gate rises due to the capacitive coupling ratio of the memory cell [ratio of the capacitance between the floating gate and the control gate (word line) to the total capacitance of the periphery viewed from the floating gate], and the gate insulating film has a voltage of about 10 MV. / C
A high electric field of m or more is applied. As a result, electrons are injected from the well region to the floating gate by the FN tunnel phenomenon,
The threshold voltage of the memory cell M1-1 rises to about 4V.

【0020】また、非選択のメモリセルM1−2では、
ワード線W1とウェル領域間に約10Vの電圧差が生
じ、ゲート絶縁膜に約7MV/cmの電界が加わる。こ
の場合は、F−Nトンネル現象による電子の注入量は、
選択されたメモリセルM1−1の1/1000程度であ
り、閾値電圧の上昇は生じない。このようにして、列毎
に電気的に分離されたウェルに異なった電圧を加えるこ
とにより、メモリセル毎にデータの消去を制御すること
が可能となる。
Further, in the non-selected memory cells M1-2,
A voltage difference of about 10 V is generated between the word line W1 and the well region, and an electric field of about 7 MV / cm is applied to the gate insulating film. In this case, the amount of electrons injected by the FN tunnel phenomenon is
It is about 1/1000 of the selected memory cell M1-1, and the threshold voltage does not increase. In this way, it becomes possible to control the erasing of data for each memory cell by applying different voltages to the wells electrically isolated for each column.

【0021】次に、メモリセルへのデータの書込につい
て説明する。書込は、一般に消去動作が実行された後に
行なわれ、2段階を経て行なわれる。また、書込は、一
本のワード線が終了してから次のワード線へと順に行な
われる。図4に示すように、第1段階である書込(1)
では、各ソース線に4Vを加える。このとき各データ線
を開放状態にする。なお、開放状態は、データ線をスイ
ッチ素子を介してラッチ回路に接続し、同スイッチ素子
を非導通に制御することによって実現することができ
る。
Next, writing of data to the memory cell will be described. Writing is generally performed after the erase operation is performed, and is performed in two steps. Writing is sequentially performed on the next word line after the completion of one word line. As shown in FIG. 4, writing (1), which is the first stage
Then, 4V is applied to each source line. At this time, each data line is opened. The open state can be realized by connecting the data line to the latch circuit via the switch element and controlling the switch element to be non-conductive.

【0022】前記したように、ソース領域とウェル領域
間のpn接合におけるウェル領域が高濃度のボロン不純
物濃度になっているため、同pn接合の破壊耐圧は、概
ね3V以下の電圧になっている。そのため、ソース領域
からウェル領域に破壊に伴う電流が流れ、ウェル領域の
電圧が約4Vに上昇する。なお、書込前のウェル領域の
電位は、0Vを上回ることがない。
As described above, since the well region in the pn junction between the source region and the well region has a high boron impurity concentration, the breakdown voltage of the pn junction is approximately 3 V or less. . Therefore, a current accompanying the breakdown flows from the source region to the well region, and the voltage of the well region rises to about 4V. The potential of the well region before writing does not exceed 0V.

【0023】第2段階である書込(2)では、ソース線
を開放状態にする。開放状態は、ソース線をスイッチ素
子を介して共通ソース線(全メモリセルに共通)に接続
し、同スイッチ素子を非導通に制御することによって達
成する。データ線側のスイッチ素子を導通状態に制御
し、更にラッチ回路を制御して、書込が選択された(以
下「書込選択の」という)メモリセルM1−1のデータ
線D1に4Vを、書込が選択されない(以下「書込非選
択の」という)メモリセルM1−2のデータ線D2に0
Vを加える。また、書込選択のワード線W1に−12V
を加える。
In the second stage of writing (2), the source line is opened. The open state is achieved by connecting the source line to a common source line (common to all memory cells) via a switch element and controlling the switch element to be non-conductive. By controlling the switch element on the data line side to be in the conductive state and further controlling the latch circuit, 4V is applied to the data line D1 of the memory cell M1-1 selected for writing (hereinafter referred to as "writing selected"), 0 is not applied to the data line D2 of the memory cell M1-2 in which writing is not selected (hereinafter referred to as “writing unselected”).
Add V. In addition, -12V is applied to the word line W1 selected for writing.
Add.

【0024】以上の結果、書込選択のメモリセルM1−
1があるウェル領域の電圧は、4Vに保持される。その
結果、ウェル領域、ドレイン領域及びソース領域とも4
Vの導電位になる。一方、書込非選択のメモリセルM1
−2では、ドレイン領域とウェル領域とのPN接合が順
方向状態になるため、ドレイン領域からウェル領域に電
流が流れる。そのためウェル領域の電圧は、概略0Vと
なる。
As a result of the above, the memory cell M1- for writing is selected.
The voltage of the well region having 1 is kept at 4V. As a result, the well region, the drain region and the source region are all 4
It becomes the electric potential of V. On the other hand, write-unselected memory cell M1
At -2, since the PN junction between the drain region and the well region is in the forward direction, current flows from the drain region to the well region. Therefore, the voltage of the well region is approximately 0V.

【0025】書込選択のメモリセルM1−1では、ワー
ド線W1とウェル領域間に約16Vの電圧差が生じるた
め、浮遊ゲートの電圧が絶対値の大きい負の電圧とな
る。その結果、ゲート絶縁膜に消去時とは反対の向きに
約10MV/cm以上の高電界が加わる。これによっ
て、浮遊ゲートからウェル領域に向かって電子がF−N
トンネル現象により放出され、メモリセルの閾値電圧が
約1Vに低下する。一方、非選択のメモリセルM1−2
では、ワード線W1とウェル領域間には約12Vの絶対
値の電圧差が生じ、ゲート絶縁膜には約8MV/cmの
電界が加わる。しかし、F−Nトンネル現象による電子
の放出量は選択されたメモリセルM1−1の1/100
程度であり、閾値電圧の低下は抑制される。このよう
に、列毎に電気的に分離されたウェル領域に異なった電
圧を供給することにより、メモリセル毎にデータの書込
みを制御することが可能となる。
In the memory cell M1-1 selected for writing, a voltage difference of about 16 V is generated between the word line W1 and the well region, so that the voltage of the floating gate becomes a negative voltage having a large absolute value. As a result, a high electric field of about 10 MV / cm or more is applied to the gate insulating film in the direction opposite to that at the time of erasing. As a result, electrons from the floating gate toward the well region are FN.
It is emitted by the tunnel phenomenon and the threshold voltage of the memory cell drops to about 1V. On the other hand, unselected memory cells M1-2
Then, a voltage difference of about 12 V in absolute value occurs between the word line W1 and the well region, and an electric field of about 8 MV / cm is applied to the gate insulating film. However, the amount of electrons emitted by the FN tunnel phenomenon is 1/100 of that of the selected memory cell M1-1.
However, the decrease in the threshold voltage is suppressed. In this way, by supplying different voltages to the well regions that are electrically isolated for each column, it becomes possible to control the writing of data for each memory cell.

【0026】以上に示した本発明のメモリセル構成及び
その書換方式では、メモリセルのゲート絶縁膜全面を用
いて電子の注入/放出を行なうため、所望のトンネル電
流を得るためのゲート絶縁膜に与える電界強度を低く抑
えることが可能となる。そのため、ゲート絶縁膜の劣化
を抑制することができる。更に、オーバーラップ部分を
設ける必要がなくなり、メモリセルを構成するMOSト
ランジスタのゲート長を短くすることができる。このた
め、大幅な高集積化が可能となり、256メガビット以
上の不揮発性半導体記憶装置が実現可能になる。また、
消去選択及び書込選択のワード線上にそれぞれ消去非選
択及び書込非選択のメモリセルを混在させることが可能
となる。
In the above-described memory cell structure and its rewriting method of the present invention, electrons are injected / released by using the entire surface of the gate insulating film of the memory cell, so that the gate insulating film for obtaining a desired tunnel current is used. It is possible to keep the applied electric field strength low. Therefore, deterioration of the gate insulating film can be suppressed. Furthermore, it is not necessary to provide an overlapping portion, and the gate length of the MOS transistor that constitutes the memory cell can be shortened. For this reason, a large degree of integration can be achieved, and a nonvolatile semiconductor memory device of 256 megabits or more can be realized. Also,
It is possible to mix erase-unselected and write-unselected memory cells on the erase-selected and write-selected word lines, respectively.

【0027】[0027]

【実施例】【Example】

<実施例1>本発明の第1の実施例を図1から図6を用
いて説明する。図1は、ワード線に平行な断面からみた
メモリセルの構造を示している。図1において、101
は半導体基板、102は、基板101上に形成されたシ
リコン酸化膜、103は、ウェル領域となるp型の不純
物が導入されたシリコン半導体層(以下「ウェル領域」
という)、104は、分離領域となるシリコン酸化膜、
105はゲート絶縁膜、106は、ゲート絶縁膜105
上の浮遊ゲートとなる導電体層、107は、n型の不純
物が導入されたドレイン領域、108は、n型の不純物
が導入されたソース領域、109は絶縁膜、110は、
浮遊ゲート106と絶縁膜109上に形成された絶縁
膜、111は、制御ゲートを兼ねたワード線、112
は、ソース領域108とウェル領域103の間の接合で
ウェル領域103に形成された高濃度のp型不純物領域
を示す。
<Embodiment 1> A first embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. FIG. 1 shows the structure of a memory cell viewed from a cross section parallel to the word line. In FIG.
Is a semiconductor substrate, 102 is a silicon oxide film formed on the substrate 101, 103 is a silicon semiconductor layer into which a p-type impurity has been introduced, which will be a well region (hereinafter referred to as “well region”).
, 104 is a silicon oxide film to be an isolation region,
Reference numeral 105 denotes a gate insulating film, 106 denotes a gate insulating film 105.
A conductive layer serving as an upper floating gate, 107 is a drain region into which an n-type impurity is introduced, 108 is a source region into which an n-type impurity is introduced, 109 is an insulating film, and 110 is
An insulating film formed on the floating gate 106 and the insulating film 109, 111 is a word line which also serves as a control gate, 112
Indicates a high-concentration p-type impurity region formed in the well region 103 at the junction between the source region 108 and the well region 103.

【0028】図1において、シリコン酸化膜102上に
3ビット分のメモリセルが形成されている。各メモリセ
ルはシリコン酸化膜104により電気的に分離されてい
る。また、ウェル領域103をはさんでドレイン領域1
07とソース領域108が形成され、各領域は、0.1
から0.3μmの深さを備えている。p型不純物領域1
12は、ソース領域108とウェル領域103の接合部
の破壊電圧を低くし、書込動作を容易にしている。
In FIG. 1, a memory cell for 3 bits is formed on the silicon oxide film 102. Each memory cell is electrically isolated by the silicon oxide film 104. The drain region 1 is sandwiched by the well regions 103.
07 and the source region 108 are formed, and each region is 0.1
To 0.3 μm in depth. p-type impurity region 1
Reference numeral 12 lowers the breakdown voltage at the junction between the source region 108 and the well region 103 to facilitate the writing operation.

【0029】ゲート絶縁105は、ドレイン領域107
からソース領域108にかけて約7nmの膜厚を備えて
形成される。導電体層106の各々は、約0.1μmの
厚さで形成される。ワード線111は、各々のメモリセ
ルに対して、データの消去/書込/読出を行なうための
制御ゲートとして働く。
The gate insulation 105 has a drain region 107.
To the source region 108 are formed with a film thickness of about 7 nm. Each of the conductor layers 106 is formed with a thickness of about 0.1 μm. Word line 111 functions as a control gate for erasing / writing / reading data for each memory cell.

【0030】図2に図1の斜視図を示した。ここでは2
本分のワード線111を持つメモリアレイの例を示して
いる。2本のワード線111間には絶縁膜が形成される
が、複雑さを避けるため図示を省略した。シリコン酸化
膜102は、半導体基板101上に形成される。このシ
リコン酸化膜102によって、ドレイン領域107、ウ
ェル領域103、ソース領域108、p型不純物領域1
12は、半導体基板101と電気的に分離される。更
に、これら各領域とシリコン酸化膜104は、ワード線
111に垂直にワード線111下を貫いて形成されてい
る。
FIG. 2 shows a perspective view of FIG. 2 here
An example of a memory array having word lines 111 for the number of lines is shown. An insulating film is formed between the two word lines 111, but the illustration is omitted to avoid complexity. The silicon oxide film 102 is formed on the semiconductor substrate 101. The silicon oxide film 102 allows the drain region 107, the well region 103, the source region 108, and the p-type impurity region 1 to be formed.
12 is electrically separated from the semiconductor substrate 101. Further, each of these regions and the silicon oxide film 104 are formed so as to penetrate vertically below the word line 111.

【0031】また、これら各領域とシリコン酸化膜10
4は、列方向に連続して形成され、連続して形成された
ドレイン領域107、ウェル領域103、ソース領域1
08がそれぞれデータ線、ウェル線、ソース線となる。
Further, each of these regions and the silicon oxide film 10
Reference numeral 4 denotes a drain region 107, a well region 103, and a source region 1 which are continuously formed in the column direction.
08 is a data line, a well line, and a source line, respectively.

【0032】上記構造を備えたメモリアレイの消去動作
及び書込動作の電圧条件をそれぞれ図3及び図4に示
す。両図については、先に説明したので、記述の重複を
避けて補足事項について述べる。
The voltage conditions for the erase operation and the write operation of the memory array having the above structure are shown in FIGS. 3 and 4, respectively. Since both figures have already been described, supplementary items will be described while avoiding duplication of description.

【0033】消去時において、ワードW1線に12Vの
高電圧が与えられているが、メモリセルの閾値電圧が1
V(書込)及び4V(消去)であるので、メモリセルM
1−1はオン状態となる。その結果、同メモリセルのゲ
ート絶縁膜直下のウェル領域の上面では不純物極性のp
型が反転状態のn型となり、チャネルが形成される。こ
のため、ドレインの電圧−5Vがソース側に現われ、ソ
ース線S1の電圧が約−5Vとなる。また、非選択のメ
モリセルM1−2についても同様にチャネルが形成さ
れ、ソース側にドレインの電圧の約2Vが現われる。し
かし、ドレイン領域とウェル領域の間のpn接合が逆バ
イアスされているため、ウェル領域の電圧は変化しな
い。
At the time of erasing, a high voltage of 12 V is applied to the word W1 line, but the threshold voltage of the memory cell is 1.
Since it is V (write) and 4 V (erase), the memory cell M
1-1 is turned on. As a result, on the upper surface of the well region just below the gate insulating film of the same memory cell, the impurity polarity p
The mold becomes an inverted n-type and a channel is formed. Therefore, the drain voltage of -5V appears on the source side, and the voltage of the source line S1 becomes about -5V. A channel is similarly formed in the non-selected memory cells M1-2, and a drain voltage of about 2 V appears on the source side. However, since the pn junction between the drain region and the well region is reverse biased, the voltage in the well region does not change.

【0034】このようにして、選択されたメモリセルM
1−1においてドレイン、チャネル(ウェルの上面)、ソ
ースのいずれもが−5Vとなり、12Vのワード線W1
との間に約17Vの電圧差が生じる。メモリセルの容量
結合比を本実施例では0.5を採用した。そのため、約
8.5Vの電圧がゲート絶縁膜に加わる。その結果、7
nmのゲート絶縁膜に約12MV/cmの電界が加わ
り、F−N現象により電子が浮遊ゲートに注入される。
ワード線W1への高電圧12Vの供給は、小きざみに断
続して行なう時分割供給とした。断続の都度、データ線
に接続されたセンスアンプが閾値電圧を検出し、メモリ
セルの閾値電圧が3Vを越えるまで消去動作が継続され
る。このような供給方法を採用するのは、閾値電圧のバ
ラツキを抑えるためである。
In this way, the selected memory cell M
In 1-1, the drain, the channel (the upper surface of the well), and the source all become -5V, and the 12V word line W1
There is a voltage difference of about 17V between the and. The capacitive coupling ratio of the memory cell is 0.5 in this embodiment. Therefore, a voltage of about 8.5 V is applied to the gate insulating film. As a result, 7
An electric field of about 12 MV / cm is applied to the gate insulating film of nm, and electrons are injected into the floating gate by the FN phenomenon.
The high voltage of 12 V is supplied to the word line W1 by time division supply which is intermittently made in small steps. Each time the switch is interrupted, the sense amplifier connected to the data line detects the threshold voltage, and the erase operation is continued until the threshold voltage of the memory cell exceeds 3V. The reason for adopting such a supply method is to suppress variations in threshold voltage.

【0035】また、書込時においても、閾値電圧のバラ
ツキを抑えるために、ワード線W1への低電圧−12V
の供給を時分割で行なった。閾値電圧が1Vになってデ
ータの書込が終了するまで、書込動作が繰り返される。
Further, even at the time of writing, in order to suppress variations in threshold voltage, a low voltage of -12 V applied to the word line W1.
Was time-shared. The writing operation is repeated until the threshold voltage becomes 1V and the writing of data is completed.

【0036】上記動作を実現するために図5に示す周辺
回路を採用した。図5において、MBLはメモリセルブ
ロック(ここではメモリセルM1,M2の2ビット分の
場合を示すが、この限りではない)、MXDは、ワード
線W1及びW2に電圧を与えるためのデコーダ、MXD
Pは正の高電圧を発生する内部電圧制御回路、MXDN
は、負の高電圧を発生する内部電圧制御回路、SGSC
は、ソース側のスイッチ素子を制御するデコーダ、SG
DCは、ドレイン側のスイッチ素子を制御するデコー
ダ、SABは、データ線Dの電圧を検出し、データ線D
に電圧を供給するラッチ回路からなるセンスアンプを示
す。
To realize the above operation, the peripheral circuit shown in FIG. 5 is adopted. In FIG. 5, MBL is a memory cell block (here, the case of two bits of the memory cells M1 and M2 is shown, but not limited to this), MXD is a decoder for applying a voltage to the word lines W1 and W2, and MXD.
P is an internal voltage control circuit for generating a positive high voltage, MXDN
Is an internal voltage control circuit for generating a negative high voltage, SGSC
Is a decoder for controlling the switch element on the source side, SG
DC is a decoder for controlling the switch element on the drain side, SAB detects the voltage of the data line D, and
2 shows a sense amplifier including a latch circuit that supplies a voltage to the.

【0037】ワード線デコーダMXDは、CMOS型の
パストランジスタセレクタ回路IW1,IW2、アドレ
ス入力信号XADを選択するAND回路及び消去/書込
の状態を設定するEX−NOR(排他的否定論理和)回
路からなる。このような構成のデコーダMXDにおい
て、制御信号EBWRにより、ワード線毎に消去/書込
の選択/非選択の別が設定される。内部電圧制御回路M
XDPは、3.3Vの電源電圧Vccを電圧変換して、消
去時に12V、書込時に0Vを出力する。内部電圧制御
回路MXDNは、3.3Vの電源電圧Vccを電圧変換
し、消去時に0V、書込時に−12Vを出力する。
The word line decoder MXD is a CMOS type pass transistor selector circuit IW1, IW2, an AND circuit for selecting an address input signal XAD, and an EX-NOR (exclusive NOR) circuit for setting an erase / write state. Consists of. In the decoder MXD having such a configuration, the control signal EBWR sets whether the erase / write is selected or not selected for each word line. Internal voltage control circuit M
The XDP converts the power supply voltage Vcc of 3.3V into 12V for erasing and 0V for writing. The internal voltage control circuit MXDN converts the power supply voltage Vcc of 3.3 V into a voltage and outputs 0 V during erasing and -12 V during writing.

【0038】消去時にデコーダMXDにおいて、選択さ
れたワード線がワード線W1である場合に、セレクタ回
路IW1を介して制御回路MXDPの出力電圧12Vが
ワード線W1に伝達される。一方、非選択のワード線W
2にはセレクタ回路IW2を介して制御回路MXDNの
出力電圧0Vが伝達される。
At the time of erasing, in the decoder MXD, when the selected word line is the word line W1, the output voltage 12V of the control circuit MXDP is transmitted to the word line W1 via the selector circuit IW1. On the other hand, unselected word line W
The output voltage 0V of the control circuit MXDN is transmitted to 2 via the selector circuit IW2.

【0039】書込時にデコーダMXDにおいて、選択さ
れたワード線がワード線W1である場合に、セレクタ回
路IW1を介して制御回路MXDNの出力電圧−12V
がワード線W1に伝達される。一方、非選択のワード線
W2にはセレクタ回路IW2を介して制御回路MXDP
の出力電圧0Vが伝達される。
In the decoder MXD at the time of writing, when the selected word line is the word line W1, the output voltage of the control circuit MXDN is -12V via the selector circuit IW1.
Are transmitted to the word line W1. On the other hand, the unselected word line W2 is connected to the control circuit MXDP via the selector circuit IW2.
Output voltage of 0V is transmitted.

【0040】デコーダSGSCは、ソース側のスイッチ
素子のゲート線SG2に所定の電圧を与え、同スイッチ
素子のオン/オフ状態を制御する。この制御によってメ
モリブロックMBLのソース線は、消去時及び第2段階
の書込時に開放状態になり、第1段階の書込時に所定の
電圧供給回路に接続される。また、デコーダSGDC
は、ドレイン側のスイッチ素子SG1のゲート線に所定
の電圧を与え、同スイッチ素子のオン/オフ状態を制御
する。この制御によって、メモリブロックMBLのデー
タ線Dは、消去時及び第2段階の書込時にセンスアアン
プSABに接続され、第1段階の書込時に開放状態にな
る。
The decoder SGSC applies a predetermined voltage to the gate line SG2 of the switch element on the source side to control the on / off state of the switch element. By this control, the source line of the memory block MBL is opened at the time of erasing and the writing of the second stage, and is connected to a predetermined voltage supply circuit at the time of the writing of the first stage. Also, the decoder SGDC
Applies a predetermined voltage to the gate line of the switch element SG1 on the drain side to control the on / off state of the switch element SG1. By this control, the data line D of the memory block MBL is connected to the sense amplifier SAB at the time of erasing and the writing of the second stage, and is opened at the time of the writing of the first stage.

【0041】以上のように、制御回路MXDP,MXD
N及びデコーダSGSC,SGDCは、消去/書込/読
出(読出動作は説明を省略した)の各動作状態に応じて
各種の電圧を発生させるが、これら電圧発生の制御は、
制御信号EEN,EBR,WRBE,EW,WEN,W
BR,ERBWによって行なわれる。なお、図示を省略
したが、ウェル電圧制御回路WCONを用意し、メモリ
セルブロックMBLのスイッチ素子及びセンスアンプS
ABに用いられているnMOSトランジスタのウェル領
域に所定の電圧を与えるようにした。以上の周辺回路を
含む本構成により、前記した消去/書込動作が達成され
る。
As described above, the control circuits MXDP, MXD
N and the decoders SGSC and SGDC generate various voltages according to the respective operating states of erasing / writing / reading (reading operation is not described).
Control signals EEN, EBR, WRBE, EW, WEN, W
BR, ERBW. Although not shown, a well voltage control circuit WCON is prepared, and the switch element and the sense amplifier S of the memory cell block MBL are provided.
A predetermined voltage is applied to the well region of the nMOS transistor used for AB. With the present configuration including the above peripheral circuits, the erase / write operation described above is achieved.

【0042】次に、メモリセルの製作工程を図6を用い
て説明する。メモリセルをSOI基板(Silicon On Ins
ulator)上に形成した。半導体基板101上にシリコン
酸化膜102を酸素のイオン注入法で形成し、SOI基
板の絶縁層とした。シリコン酸化膜102の形成時に酸
素のイオン注入が深く行なわれるようにしたので、シリ
コン酸化膜102の表面にシリコン半導体層が薄く残
る。その厚さが0.1から0.3μmの範囲となるよう
にした。続いて、同層にボロン又は弗化ボロンのイオン
を注入して不純物濃度をp型の約1×1017cm-3
し、シリコン半導体層113を形成した(図6a)。
Next, the manufacturing process of the memory cell will be described with reference to FIG. A memory cell is an SOI substrate (Silicon On Ins
formed on the emulator). A silicon oxide film 102 was formed on a semiconductor substrate 101 by an oxygen ion implantation method to form an insulating layer of an SOI substrate. Since the oxygen ion implantation is performed deeply when the silicon oxide film 102 is formed, a thin silicon semiconductor layer remains on the surface of the silicon oxide film 102. The thickness was set to the range of 0.1 to 0.3 μm. Subsequently, boron or boron fluoride ions were implanted into the same layer to make the impurity concentration about 1 × 10 17 cm −3 of p-type, and the silicon semiconductor layer 113 was formed (FIG. 6A).

【0043】なお、上記イオン注入法の他に、表面にシ
リコン酸化膜を形成したシリコン基板の上に別のシリコ
ン基板を貼り合わせる方法を採用することができる。同
方法において、貼合後に同別のシリコン基板を貼り合わ
せ面とは反対の面からエッチングして削ることによりシ
リコン半導体層113を形成する。
In addition to the above-mentioned ion implantation method, a method of bonding another silicon substrate on a silicon substrate having a silicon oxide film formed on its surface can be adopted. In the same method, after bonding, another silicon substrate is etched and scraped from the surface opposite to the bonding surface to form the silicon semiconductor layer 113.

【0044】続いて、選択的に酸化を行うことにより、
シリコン酸化膜104を形成し、相異なる列のメモリセ
ル毎にトランジスタ領域を分離した。その上に約7nm
の膜厚を備えたゲート絶縁膜105を熱酸化法を用いて
形成した。更にその上に多結晶シリコン層を堆積して、
シリコン酸化膜104と平行にパターニングして、浮遊
ゲート106を形成した(図6b)。
Subsequently, by selectively performing oxidation,
A silicon oxide film 104 was formed, and a transistor region was separated for each memory cell in different columns. About 7 nm on it
The gate insulating film 105 having the film thickness of was formed using the thermal oxidation method. Further deposit a polycrystalline silicon layer on it,
The floating gate 106 was formed by patterning in parallel with the silicon oxide film 104 (FIG. 6B).

【0045】なお、前記シリコン酸化膜104を形成す
る別の方法として、同膜を形成する前に、シリコン半導
体層113の上に上記浮遊ゲート106を形成し、その
後に耐酸化性膜である窒化膜により浮遊ゲート106を
覆ってから熱酸化法により選択的に酸化膜を形成してシ
リコン酸化膜104とする方法を採用することができ
る。
As another method of forming the silicon oxide film 104, the floating gate 106 is formed on the silicon semiconductor layer 113 before forming the same film, and then the nitriding film which is an oxidation resistant film is formed. A method of covering the floating gate 106 with a film and then selectively forming an oxide film by the thermal oxidation method to form the silicon oxide film 104 can be adopted.

【0046】浮遊ゲート106を形成した後、同浮遊ゲ
ートをマスクとしてドレイン側に砒素イオンを1×10
15cm-2のイオン打込量で注入し、ソース側に弗化ボロ
ンを1×1014cm-2のイオン打込量で注入してから砒
素イオンを1×1015cm-2のイオン打込量で注入し
た。注入後、850℃の温度条件で熱処理して、ドレイ
ン領域107、高濃度のp型不純物領域112、ソース
領域108を形成した。ウェル領域103は、シリコン
半導体層113の中で領域107,112,108及び
前記シリコン酸化膜104以外の残った部分となる。各
領域を形成後、シリコン酸化膜109を堆積し、エッチ
バック法により浮遊ゲート106が現われるまで、シリ
コン酸化膜109を除去した(図6c)。
After forming the floating gate 106, 1 × 10 5 of arsenic ion is applied to the drain side using the floating gate as a mask.
Implant with a dose of 15 cm -2 , implant boron fluoride with a dose of 1 x 10 14 cm -2 on the source side, and then implant arsenic ions with a dose of 1 x 10 15 cm -2 . It was injected at a dose. After the implantation, heat treatment was performed at a temperature of 850 ° C. to form the drain region 107, the high-concentration p-type impurity region 112, and the source region 108. The well region 103 is a remaining portion of the silicon semiconductor layer 113 other than the regions 107, 112, 108 and the silicon oxide film 104. After forming each region, a silicon oxide film 109 was deposited, and the silicon oxide film 109 was removed by an etch-back method until the floating gate 106 appeared (FIG. 6C).

【0047】続いて、窒化膜及び酸化膜を堆積して積層
構造の絶縁膜110を形成し、その上にn型に不純物が
導入された多結晶シリコン層を堆積した。その後、多結
晶シリコン層をシリコン酸化膜104に対して垂直方向
にパターニングし、ワード線111を形成した(図6
d)。更に、絶縁膜110、浮遊ゲート106をワード
線111と同様にパターニングすることにより、メモリ
セルを完成させた。
Subsequently, a nitride film and an oxide film were deposited to form an insulating film 110 having a laminated structure, and an n-type impurity-introduced polycrystalline silicon layer was deposited thereon. Then, the polycrystalline silicon layer was patterned in the direction perpendicular to the silicon oxide film 104 to form the word line 111 (FIG. 6).
d). Further, the insulating film 110 and the floating gate 106 are patterned in the same manner as the word line 111, thereby completing the memory cell.

【0048】<実施例2>図1に示した高濃度のp型不
純物領域112を省略した構造を実施した。図7に示し
たように、ソース側のn型拡散層とドレイン側のn型拡
散層を対称に形成した。これにより、ソース領域とウェ
ル領域間のpn接合の逆電圧印加時の破壊電圧が6V以
上と高くなり、第1に実施例のソース・ウェル間の破壊
電圧が低い場合においてみられたような書込時でのウェ
ル領域への充電が起こらない。そこで、図8に示すよう
に、同一の列上のデータ線Dに対応するウェル線WEと
ソース線Sを電気的に接続してから、ソース側のスイッ
チ素子を介して共通のソース線に接続した。
<Embodiment 2> The structure shown in FIG. 1 in which the high-concentration p-type impurity region 112 is omitted is implemented. As shown in FIG. 7, the n-type diffusion layer on the source side and the n-type diffusion layer on the drain side were formed symmetrically. As a result, the breakdown voltage when the reverse voltage is applied to the pn junction between the source region and the well region becomes as high as 6 V or higher, and first, the writing as seen in the case where the source-well breakdown voltage of the embodiment is low. No charge to the well area occurs when plugging. Therefore, as shown in FIG. 8, the well line WE and the source line S corresponding to the data line D on the same column are electrically connected, and then connected to the common source line via the switch element on the source side. did.

【0049】データ線Dは、ドレイン側スイッチ素子を
介して、主データ線D’に接続されている。図9は、図
8に示した回路構成のメモリセル断面構造におけ斜視図
を示している。共通ソース配線側のワード線とスイッチ
素子との間の構成を示している。相異なる列毎のメモリ
セルを電気的に分離しているシリコン酸化膜104が共
通ソース配線側のワード線111と交差した後、ドレイ
ン領域であるn型拡散層107領域を酸化して太く形成
され、シリコン酸化膜131となっている。この領域に
おいて、電極141を用いてソース領域108とウェル
領域103を電気的に接続した。
The data line D is connected to the main data line D'through the drain side switching element. FIG. 9 is a perspective view of the memory cell cross-sectional structure of the circuit configuration shown in FIG. The configuration between the word line on the common source line side and the switch element is shown. After the silicon oxide film 104 that electrically separates the memory cells of different columns intersects the word line 111 on the common source line side, the n-type diffusion layer 107 region that is the drain region is oxidized to be formed thick. , A silicon oxide film 131. In this region, the electrode 141 is used to electrically connect the source region 108 and the well region 103.

【0050】ソース領域108は、スイッチ素子用のゲ
ート線133まで伸ばされている。同領域はスイッチ素
子のドレイン領域になる。ゲート線133の直下にゲー
ト酸化膜135が形成されている。その下にウェル領域
が形成されている。同ウェル領域は、メモリセルのウェ
ル領域と電気的に分離されている。更に、スイッチ素子
のソース領域132が、n型拡散層により形成されてい
る。
The source region 108 extends to the gate line 133 for the switch element. This region becomes the drain region of the switch element. A gate oxide film 135 is formed immediately below the gate line 133. A well region is formed below it. The well region is electrically isolated from the well region of the memory cell. Further, the source region 132 of the switch element is formed by the n-type diffusion layer.

【0051】本構造を用いることにより、図4において
示した書込み時の電圧条件を変えることなく、メモリセ
ルへのデータの書込みを行なうことができた。すなわ
ち、第1段階の書込み(1)では、すべてのワード線W
1,W2の電圧を0Vとし、ソース線S1,S2に4V
を加える。図8に示す回路構成となっているので、各メ
モリセルのウェル線WE1,WE2にも4Vが加わる。
ここで、ドレイン側のスイッチ素子のゲート線SG1に
0Vを供給して同素子をオフ状態にし、データ線D1,
D2を開放状態にする。
By using this structure, data can be written in the memory cell without changing the voltage condition at the time of writing shown in FIG. That is, in the first stage write (1), all word lines W
Set the voltage of 1 and W2 to 0V and 4V to the source lines S1 and S2.
Add. Because of the circuit configuration shown in FIG. 8, 4V is also applied to the well lines WE1 and WE2 of each memory cell.
Here, 0 V is supplied to the gate line SG1 of the drain side switching element to turn off the element, and the data line D1,
Open D2.

【0052】第2段階の書込み(2)では、ソース側の
スイッチ素子のゲート線SG2に0Vを供給して同素子
をオフ状態にし、ソース線S1,S2を開放状態にす
る。そして、データ線D1,D2に書込選択/非選択に
従ってそれぞれ4V,0Vの電圧を加える。書込選択さ
れたメモリセルM1−1に対応するソース線S1及びウ
ェル線WE1の電圧は4Vに保持される。一方、書込が
非選択のメモリセルM1−2では、データ線D1を介し
て電荷が引き抜かれ、ソース線S2及びウェル線WE2
の電圧が0Vとなる。このように、回路構成を変えるこ
とにより、メモリセルの拡散層構造を簡単にすることが
でき、工程数の削減が可能となる。
In the writing (2) in the second stage, 0 V is supplied to the gate line SG2 of the switch element on the source side to turn off the element and the source lines S1 and S2 are opened. Then, voltages of 4V and 0V are applied to the data lines D1 and D2 according to write selection / non-selection. The voltage of the source line S1 and the well line WE1 corresponding to the memory cell M1-1 selected for writing is held at 4V. On the other hand, in the memory cell M1-2 in which writing is not selected, electric charges are extracted via the data line D1, and the source line S2 and the well line WE2 are extracted.
Becomes 0V. In this way, by changing the circuit configuration, the diffusion layer structure of the memory cell can be simplified, and the number of steps can be reduced.

【0053】[0053]

【発明の効果】本発明によれば、データの消去/書込に
ゲート絶縁膜全面を用いたF−Nトンネル現象を用いる
ことが可能となるため、ドレインと浮遊ゲートの間にト
ンネル放出のためのオーバーラップ部分を設ける必要が
なくなる。その結果、ドレイン領域をソース領域とほぼ
同じ大きさにすることができ、0.25μm以下のゲー
ト長を有するメモリセルを形成することが可能になる。
According to the present invention, it is possible to use the FN tunnel phenomenon using the entire surface of the gate insulating film for erasing / writing data, so that tunnel emission occurs between the drain and the floating gate. It is not necessary to provide an overlapping part of the. As a result, the drain region can be made almost the same size as the source region, and a memory cell having a gate length of 0.25 μm or less can be formed.

【0054】更に、書込時には、データ線毎に所定の電
圧を与えることが可能となるため、メモリセル毎に書込
動作を制御することができる。そのため、書込状態であ
る低い閾値電圧1Vのばらつきを±0.25Vの範囲に
収めることが可能となる。その結果、電気的書換可能不
揮発性半導体記憶装置において問題とされる、メモリセ
ルのディプレッション化(閾値電圧が負電圧の範囲に及
ぶ状態)による読出不良の発生を防止することができ
る。
Further, at the time of writing, it is possible to apply a predetermined voltage to each data line, so that the writing operation can be controlled for each memory cell. Therefore, it is possible to keep the variation of the low threshold voltage 1V in the written state within the range of ± 0.25V. As a result, it is possible to prevent the occurrence of read failure due to depletion of the memory cell (a state in which the threshold voltage is in the range of the negative voltage), which is a problem in the electrically rewritable nonvolatile semiconductor memory device.

【0055】また、ゲート絶縁膜全面を用いた書換え方
式により、拡散層の縁において発生し易い正孔のゲート
絶縁膜中への注入を抑えることができる。その結果、同
膜の劣化を回避することができ、書換回数の増加が可能
となる。
Further, by the rewriting method using the entire surface of the gate insulating film, it is possible to suppress the injection of holes, which are easily generated at the edge of the diffusion layer, into the gate insulating film. As a result, deterioration of the film can be avoided, and the number of rewritings can be increased.

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

【図1】本発明に係る不揮発性半導体記憶装置の第1の
実施例を説明するための断面構造図。
FIG. 1 is a sectional structural view for explaining a first embodiment of a nonvolatile semiconductor memory device according to the present invention.

【図2】図1で説明した不揮発性半導体記憶装置の構造
を説明するための斜視図。
FIG. 2 is a perspective view for explaining the structure of the nonvolatile semiconductor memory device described in FIG.

【図3】本発明の不揮発性半導体記憶装置の消去電圧条
件を説明するための図。
FIG. 3 is a diagram for explaining an erase voltage condition of the nonvolatile semiconductor memory device of the present invention.

【図4】本発明の不揮発性半導体記憶装置の書込電圧条
件を説明するための図。
FIG. 4 is a diagram for explaining a write voltage condition of the nonvolatile semiconductor memory device of the present invention.

【図5】図1で説明した不揮発性半導体記憶装置の周辺
回路を説明するための回路構成図。
5 is a circuit configuration diagram for explaining a peripheral circuit of the nonvolatile semiconductor memory device described in FIG.

【図6】図1で説明した不揮発性半導体記憶装置の製造
方法を説明するための工程図。
6A to 6C are process diagrams for explaining a method of manufacturing the nonvolatile semiconductor memory device described in FIG.

【図7】本発明に係る不揮発性半導体記憶装置の第2の
実施例を説明するための断面構造図。
FIG. 7 is a sectional structural view for explaining a second embodiment of the nonvolatile semiconductor memory device according to the present invention.

【図8】図7で説明した不揮発性半導体記憶装置のメモ
リセルの構成を説明するための回路図。
FIG. 8 is a circuit diagram illustrating a configuration of a memory cell of the nonvolatile semiconductor memory device described in FIG. 7.

【図9】図7で説明した不揮発性半導体記憶装置の構造
を説明するための斜視図。
9 is a perspective view for explaining the structure of the nonvolatile semiconductor memory device described in FIG.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

101・・・半導体基板 102,104,131・・・シリコン酸化膜 103・・・ウェル領域 105・・・ゲート絶縁膜 106・・・導電体層106 107・・・ドレイン領域 108・・・ソース領域108 109,110・・・絶縁膜 111・・・ワード線 112・・・p型不純物領域 113・・・シリコン半導体層 132・・・n型拡散層領域 133・・・ゲート線 135・・・ゲート酸化膜 141・・・電極 D・・・データ線 M・・・メモリセル S・・・ソース線 SG・・・ゲート線 W・・・ワード線 WE・・・ウェル線 101 ... Semiconductor substrate 102, 104, 131 ... Silicon oxide film 103 ... Well region 105 ... Gate insulating film 106 ... Conductor layer 106 107 ... Drain region 108 ... Source region 108 109, 110 ... Insulating film 111 ... Word line 112 ... P-type impurity region 113 ... Silicon semiconductor layer 132 ... N-type diffusion layer region 133 ... Gate line 135 ... Gate Oxide film 141 ... Electrode D ... Data line M ... Memory cell S ... Source line SG ... Gate line W ... Word line WE ... Well line

Claims (8)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】制御ゲート、浮遊ゲート、ゲート絶縁膜、
ウェル領域、ドレイン領域及びソース領域を少なくとも
備えたMOS型電界効果トランジスタからなる複数個の
メモリセルを半導体基板上にマトリックス状に配置し、
制御ゲートの相互間を行ごとに個別のワード線によって
接続し、ドレイン領域の相互間を列ごとに個別のデータ
線によって接続し、かつ、ソース領域の相互間を列ごと
に個別のソース線によって接続することによって構成し
た並列接続のメモリアレイからなる半導体記憶装置にお
いて、隣接する列上のメモリセルのウェル領域を相互に
電気的に分離するための絶縁層領域を同メモリセルの間
に形成し、かつ、同一の列上のメモリセルのウェル領域
の相互間をウェル線によって接続してなるとともに、列
ごとに個別にウェル領域へ電圧を供給するための手段を
備えてなることを特徴とする不揮発性半導体記憶装置。
1. A control gate, a floating gate, a gate insulating film,
A plurality of memory cells each including a MOS field effect transistor having at least a well region, a drain region and a source region are arranged in a matrix on a semiconductor substrate,
Control gates are connected to each other by individual word lines for each row, drain regions are connected to each other by individual data lines for each column, and source regions are connected to each other by individual source lines for each column. In a semiconductor memory device composed of parallel-connected memory arrays configured by connecting, an insulating layer region for electrically isolating well regions of memory cells on adjacent columns from each other is formed between the memory cells. Further, the well regions of the memory cells on the same column are connected to each other by a well line, and means for individually supplying a voltage to the well region is provided for each column. Nonvolatile semiconductor memory device.
【請求項2】前記半導体基板は、SOI(Silicon On I
nsulator)基板によって形成されていることを特徴とす
る請求項1に記載の不揮発性半導体記憶装置。
2. The semiconductor substrate is an SOI (Silicon On I)
2. The non-volatile semiconductor memory device according to claim 1, wherein the non-volatile semiconductor memory device is formed of a semiconductor substrate.
【請求項3】前記電圧を供給するための手段は、ウェル
領域とドレイン領域の間の接合を介してウェル領域ヘ電
圧を供給するように機能する手段と、ウェル領域とドレ
イン領域の間の接合を介してウェル領域ヘ電圧を供給す
るように機能する手段とからなり、更に、前記同一の列
上のメモリセルのウェル領域は、他との接続がない浮遊
領域をなしているとともに、前記ソース線は、MOSト
ランジスタからなるスイッチ素子を介して全メモリセル
用の共通ソース線に接続され、かつ、前記データ線は、
所定の電圧をドレイン領域に供給するためのラッチ回路
にMOSトランジスタからなる別のスイッチ素子を介し
て接続されていることを特徴とする請求項1又は請求項
2に記載の不揮発性半導体記憶装置。
3. The means for supplying the voltage serves to supply a voltage to the well region via the junction between the well region and the drain region, and the junction between the well region and the drain region. Means for functioning to supply a voltage to the well region through the well region, and the well region of the memory cells on the same column constitutes a floating region which is not connected to the other, and the source The line is connected to a common source line for all memory cells via a switch element composed of a MOS transistor, and the data line is
3. The non-volatile semiconductor memory device according to claim 1 or 2, wherein the latch circuit for supplying a predetermined voltage to a drain region is connected via another switch element composed of a MOS transistor.
【請求項4】ソース領域とウェル領域間の電気的な破壊
耐圧が概ね3V以下であることを特徴とする請求項3に
記載の不揮発性半導体記憶装置。
4. The nonvolatile semiconductor memory device according to claim 3, wherein an electric breakdown voltage between the source region and the well region is approximately 3 V or less.
【請求項5】前記ソース領域とウェル領域の間の接合の
ウェル領域のボロン不純物濃度が5×1017cm-3以上
であることを特徴とする請求項4に記載の不揮発性半導
体記憶装置。
5. The nonvolatile semiconductor memory device according to claim 4, wherein the boron impurity concentration of the well region at the junction between the source region and the well region is 5 × 10 17 cm −3 or more.
【請求項6】データ消去の場合は、ドレイン領域から供
給されるウェル領域の電圧に対して正となる電圧をワー
ド線に与え、 データ書込の場合は、ソース領域から供給されるウェル
領域の電圧に対して負となる電圧をワード線に与えると
ともに、書込選択のメモリセルのデータ線に前記ウェル
領域の電圧と同じ電圧を与え、書込非選択のメモリセル
のデータ線に前記ウェル領域の電圧に対して負となる電
圧を与えるための手段を有していることを特徴とする請
求項3に記載の不揮発性半導体記憶装置。
6. In the case of data erasing, a voltage that is positive to the voltage of the well region supplied from the drain region is applied to the word line, and in the case of data writing, the well region supplied from the source region is supplied. A voltage that is negative with respect to the voltage is applied to the word line, the same voltage as the well region voltage is applied to the data line of the write selected memory cell, and the well region is applied to the data line of the write unselected memory cell. 4. The non-volatile semiconductor memory device according to claim 3, further comprising means for applying a negative voltage to the voltage of.
【請求項7】前記電圧を供給するための手段は、ウェル
領域とドレイン領域の間の接合を介してウェル領域ヘ電
圧を供給するように機能する手段と、ウェル線とソース
線との間に接続した電極を通じてウェル領域ヘ電圧を供
給するように機能する手段とからなり、かつ、同ソース
線は、MOSトランジスタからなるスイッチング素子を
介して全メモリセル用の共通ソース線に接続されている
とともに、前記データ線は、所定の電圧をドレイン領域
に供給するためのラッチ回路にMOSトランジスタから
なる別のスイッチ素子を介して接続されていることを特
徴とする請求項1又は請求項2に記載の不揮発性半導体
記憶装置。
7. The means for supplying the voltage is provided between the well line and the source line, and the means for supplying the voltage to the well region via the junction between the well region and the drain region. Means for supplying a voltage to the well region through the connected electrodes, and the source line is connected to a common source line for all memory cells via a switching element composed of a MOS transistor. 3. The data line according to claim 1 or 2, wherein the data line is connected to a latch circuit for supplying a predetermined voltage to a drain region via another switch element formed of a MOS transistor. Nonvolatile semiconductor memory device.
【請求項8】データ消去の場合は、ドレイン領域から供
給されるウェル領域の電圧に対して正となる電圧をワー
ド線に与え、 データ書込の場合は、ソース線を介してウェル領域に所
定の電圧を予め与え、同電圧に対して負となる電圧をワ
ード線に与えるとともに、書込選択のメモリセルのデー
タ線に前記ウェル線の電圧と同じ電圧を与え、書込非選
択のメモリセルのデータ線に前記ウェル線の電圧に対し
て負となる電圧を与えるための手段を有していることを
特徴とする請求項7に記載の不揮発性半導体記憶装置。
8. In the case of data erasing, a voltage which is positive with respect to the voltage of the well region supplied from the drain region is applied to the word line, and in the case of data writing, a predetermined voltage is applied to the well region via the source line. Is applied in advance to the word line and a voltage that is negative with respect to the same voltage is applied to the word line, and the same voltage as that of the well line is applied to the data line of the memory cell selected for writing, and the memory cell not selected for writing. 8. The non-volatile semiconductor memory device according to claim 7, further comprising means for applying a voltage that is negative to the voltage of the well line to the data line.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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WO2002082550A3 (en) * 2001-04-05 2003-03-20 Infineon Technologies Ag Memory cell array and method for the production thereof

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