JPH11214546A - Nonvolatile semiconductor memory device and its manufacturing method - Google Patents

Nonvolatile semiconductor memory device and its manufacturing method

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JPH11214546A
JPH11214546A JP10016685A JP1668598A JPH11214546A JP H11214546 A JPH11214546 A JP H11214546A JP 10016685 A JP10016685 A JP 10016685A JP 1668598 A JP1668598 A JP 1668598A JP H11214546 A JPH11214546 A JP H11214546A
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JP
Japan
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film
insulating film
diffusion layer
memory cell
semiconductor
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Application number
JP10016685A
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Japanese (ja)
Inventor
Kenichi Koyama
健一 小山
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NEC Corp
Original Assignee
NEC Corp
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Publication date
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To lower a voltage applied on a control gate and a drain diffusion layer at the time of data writing and prevent erroneous writing in non-selected memory cells by a method wherein a split gate is provided on a SOI substrate. SOLUTION: On a SOI substrate formed with a silicon substrate 1, a silicon oxide film 2 and a silicon thin film 3, a tunnel oxide film 6 is formed on a part of a channel region neighboring a drain diffusion layer 4, and the SOI substrate excluding a region covered with the tunnel oxide film 6 is covered with a silicon oxide film 11. Further, a floating gate 7 is formed on the tunnel oxide film 6, and a control gate 9 is formed via silicon oxide films 11, 8 on the channel region neighboring a source diffusion layer 5 and the floating gate 7, to attain a split gate structure. Thus, it is possible to write into memory cells by applying a low voltage in the vicinity of a threshold voltage on the control gate electrode.

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、不揮発性半導体記
憶装置に関し、特に、フラッシュメモリのメモリセルの
構造およびその製造方法に関する。
The present invention relates to a nonvolatile semiconductor memory device, and more particularly to a structure of a memory cell of a flash memory and a method of manufacturing the same.

【0002】[0002]

【従来の技術】不揮発性半導体記憶装置としては、情報
の消去および書き込みが可能なEPROM、フラッシュ
メモリ等が知られているが、これら不揮発性半導体記憶
装置は、従来、シリコン基板表面にトンネル酸化膜、電
荷蓄積を目的とした浮遊ゲート電極層、電極間絶縁膜、
各メモリセルのワード線となる制御ゲート電極層を形成
し、積層構造の積層構造のゲート電極形状に加工した後
に、ソース・ドレイン拡散層およびチャネル領域を形成
し、その後、各電極への金属配線を形成していた。
2. Description of the Related Art As nonvolatile semiconductor memory devices, EPROMs and flash memories capable of erasing and writing information have been known. However, these nonvolatile semiconductor memory devices are conventionally provided with a tunnel oxide film on the surface of a silicon substrate. , Floating gate electrode layer for charge storage, inter-electrode insulating film,
After forming a control gate electrode layer serving as a word line of each memory cell and processing it into a gate electrode shape of a laminated structure of a laminated structure, a source / drain diffusion layer and a channel region are formed, and then a metal wiring to each electrode is formed. Had formed.

【0003】しかしながら、特開平4−25077号公
報に示されているように、このような浮遊ゲートと制御
ゲートを積層するタイプの積層ゲートを有するフラッシ
ュメモリセルではデータの消去時に大量の基板電流が発
生するという問題がある。すなわち、フラッシュメモリ
では、一般にソース領域に浮遊ゲート中の電子を引き抜
いているが、このソース拡散層に電圧が印加されると薄
いゲート酸化膜下に位置するソース拡散層表面ではバン
ド間トンネリング現象が起こり、大量の基板電流が流れ
てしまう。フラッシュメモリにおけるデータの消去は、
一般に、数千個以上のメモリセルで同時に浮遊ゲート中
の電子を引き抜く動作を行い実施する。そのため、デー
タ消去時の消費電流は数mA以上になってしまう。
However, as disclosed in Japanese Patent Application Laid-Open No. 4-25077, in a flash memory cell having a stacked gate of such a type that a floating gate and a control gate are stacked, a large amount of substrate current is generated when data is erased. There is a problem that occurs. That is, in a flash memory, electrons in the floating gate are generally extracted to the source region. However, when a voltage is applied to the source diffusion layer, an inter-band tunneling phenomenon occurs on the surface of the source diffusion layer located under the thin gate oxide film. As a result, a large amount of substrate current flows. Erasing data in flash memory
In general, an operation of extracting electrons in the floating gate is performed simultaneously for several thousand or more memory cells. Therefore, current consumption at the time of data erasing becomes several mA or more.

【0004】このような状況を解決するための一方法と
して、上記特開平4−25077号公報では、SOI基
板を用いたフラッシュメモリセルが提案されている。
As one method for solving such a situation, Japanese Patent Application Laid-Open No. 4-25077 proposes a flash memory cell using an SOI substrate.

【0005】また、このほかに、SOI基板を用いたフ
ラッシュメモリセルは、特開平9−51043号公報に
も示されており、これは、データ線毎にSOI膜をアイ
ランド上に分離することで、セル分離を行い、選択メモ
リセルのデータ消去時に発生する非選択セルでの誤消去
(消去ディスターブ)を防止するというものである。
[0005] In addition, a flash memory cell using an SOI substrate is disclosed in Japanese Patent Application Laid-Open No. 9-51043. This is achieved by separating an SOI film for each data line on an island. In addition, cell separation is performed to prevent erroneous erasure (erase disturb) in non-selected cells that occurs when data in the selected memory cell is erased.

【0006】このSOI基板を用いたフラッシュメモリ
セルの構造および動作概要を以下に説明する。
The structure and operation of a flash memory cell using this SOI substrate will be described below.

【0007】図7に示すように、シリコン基板31、シ
リコン酸化膜32、シリコン薄膜33からなるSOI基
板上に、例えば膜圧10nmのトンネル酸化膜36が形
成されている。さらに、トンネル膜36を介して、ポリ
シリコン膜からなる浮遊ゲート37、例えば膜圧18n
mのゲート間絶縁膜38、ポリシリコン膜からなる制御
ゲート39が積層され、これらは、ゲート形状に加工さ
れている。また、このゲートパターンをマスクとして、
例えばN型の不純物をイオン注入することにより、ソー
ス拡散層35およびドレイン拡散層34が形成されてい
る。
As shown in FIG. 7, a tunnel oxide film 36 having a film thickness of, for example, 10 nm is formed on an SOI substrate including a silicon substrate 31, a silicon oxide film 32, and a silicon thin film 33. Further, a floating gate 37 made of a polysilicon film, for example, a film pressure of 18 n is provided through the tunnel film 36.
The m inter-gate insulating films 38 and the control gates 39 made of a polysilicon film are stacked, and these are processed into a gate shape. Also, using this gate pattern as a mask,
For example, the source diffusion layer 35 and the drain diffusion layer 34 are formed by ion-implanting N-type impurities.

【0008】このSOI基板を用いたフラッシュメモリ
セルにおけるデータ消去は、例えば、図7に示すよう
に、ソース拡散層35に12V、制御ゲート39に0V
を印加し、浮遊ゲート37中の蓄積電子をソース拡散層
35へ引き抜くことにより行われる。
Data erasing in a flash memory cell using this SOI substrate is performed, for example, by applying 12 V to the source diffusion layer 35 and 0 V to the control gate 39 as shown in FIG.
Is applied to extract the electrons stored in the floating gate 37 to the source diffusion layer 35.

【0009】また、データ書き込みは、例えば図8に示
すように、ドレイン拡散層34に3V、ソース拡散層3
5に0Vを印加して行われる。SOI基板を用いたフラ
ッシュメモリでは、チャネル電流が流れ始めると、ドレ
イン拡散層34近傍でチャネル電流起因のインパクトイ
オン化によりホールが発生し、発生したホールはソース
拡散層35方向へ流れ、ソース拡散層35近傍に蓄積さ
れる。その結果、ソース拡散層35近傍のポテンシャル
分布が変化し、チャネル電流が増大するというチャネル
電流じぇの正のフィードバックがかかり、チャネルホッ
トエレクトロン発生が増大し、浮遊ゲート37に電子が
注入される。すなわち、制御ゲート39に高電圧ではな
く、上述のように1Vといったメモリセルのしきい値電
圧近傍の低電圧の印加により、チャネル電流増大により
データ書き込みが可能となる。
For data writing, as shown in FIG. 8, for example, 3 V is applied to the drain diffusion layer 34 and the source diffusion layer 3 is applied.
5 by applying 0V. In a flash memory using an SOI substrate, when a channel current starts to flow, holes are generated in the vicinity of the drain diffusion layer 34 by impact ionization caused by the channel current, and the generated holes flow toward the source diffusion layer 35 and It is stored nearby. As a result, the potential distribution in the vicinity of the source diffusion layer 35 changes, and a positive feedback of the channel current, that is, an increase in the channel current, is applied, the generation of channel hot electrons increases, and electrons are injected into the floating gate 37. That is, by applying a low voltage, such as 1V, near the threshold voltage of the memory cell as described above to the control gate 39 instead of a high voltage, data writing becomes possible due to an increase in channel current.

【0010】[0010]

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、実際の
複数個のフラッシュメモリセルは、例えば9図に示すよ
うに配置されている。各フラッシュメモリセルの制御ゲ
ートはワード線40、41に接続され、ドレイン拡散層
はビット線42、43に接続され、ソース拡散層はソー
ス線44、45に接続されている。
However, a plurality of actual flash memory cells are arranged, for example, as shown in FIG. The control gate of each flash memory cell is connected to word lines 40 and 41, the drain diffusion layer is connected to bit lines 42 and 43, and the source diffusion layer is connected to source lines 44 and 45.

【0011】このようなメモリアレイ中のメモリセル4
4のみを選択し、データ書き込みを行う場合、ワード線
40、41はそれぞれ1V、0Vに、ビット線42、4
3はそれぞれ3V、0Vに、ソース線44、45は0V
に設定する。この場合、例えばデータ消去状態にあるメ
モリセル45は、ドレイン拡散層に3V、制御ゲートに
0Vの電圧が印加されている。このような状況におい
て、メモリセルのしきい値電圧がばらついて0V近傍に
なっていた場合、メモリセル45においても微少なチャ
ネル電流が流れる。その結果、チャネル電流への正のフ
ィードバックが起こり、チャネル電流が増大し、メモリ
セル45の浮遊ゲートにも電子が注入されてしまう。す
なわち、データ書き込み時に、非選択のメモリセルにお
いても、データ書き込みが実施されてしまうという誤動
作が発生する。
The memory cell 4 in such a memory array
4 is selected and data writing is performed, the word lines 40 and 41 are set to 1 V and 0 V, respectively, and the bit lines 42 and 4
3 is 3V and 0V respectively, and the source lines 44 and 45 are 0V
Set to. In this case, for example, in the memory cell 45 in the data erase state, a voltage of 3 V is applied to the drain diffusion layer and a voltage of 0 V is applied to the control gate. In such a situation, when the threshold voltage of the memory cell varies and becomes close to 0 V, a minute channel current also flows in the memory cell 45. As a result, positive feedback to the channel current occurs, the channel current increases, and electrons are also injected into the floating gate of the memory cell 45. That is, at the time of data writing, an erroneous operation occurs in which data writing is performed even in unselected memory cells.

【0012】したがって、本発明の目的は、データ書き
込み時の電源電圧の低減による低消費電力化が実現で
き、かつ、データ書き込み時の非選択セルの誤動作(誤
書き込み)を防止することのできる不揮発性半導体記憶
装置を提供することにある。
Accordingly, an object of the present invention is to realize a non-volatile memory which can achieve low power consumption by reducing the power supply voltage at the time of data writing and can prevent a malfunction (erroneous writing) of an unselected cell at the time of data writing. To provide a nonvolatile semiconductor memory device.

【0013】[0013]

【課題を解決するための手段】本発明の不揮発性半導体
装置は、一導電型の半導体基板上に設けられた第1の絶
縁膜と、前記第1の絶縁膜上に設けられた前記一導電型
の半導体膜と、前記半導体膜上に選択的に設けられた第
2の絶縁膜と、前記前記第2の絶縁膜に隣接して前記半
導体膜上に設けられた第3の絶縁膜と、前記第2の絶縁
膜上に設けられた浮遊ゲート電極と、前記浮遊ゲート電
極に隣接し前記第3の絶縁膜上に設けられその一部が前
記浮遊ゲート上を第4の絶縁膜を介して覆っている制御
ゲート電極と、前記浮遊ゲート電極に隣接し前記半導体
膜に設けられた前記半導体基板と逆導電型のドレイン拡
散層と、前記制御ゲート電極に隣接して前記半導体膜に
設けられた逆導電型のソース拡散層とを有するメモリセ
ルを備えることを特徴としている。
According to the present invention, there is provided a nonvolatile semiconductor device comprising: a first insulating film provided on a semiconductor substrate of one conductivity type; and a first insulating film provided on the first insulating film. Semiconductor film, a second insulating film selectively provided on the semiconductor film, a third insulating film provided on the semiconductor film adjacent to the second insulating film, A floating gate electrode provided on the second insulating film, and a part provided on the third insulating film adjacent to the floating gate electrode and partly on the floating gate via a fourth insulating film; A control gate electrode covering, a drain diffusion layer of the opposite conductivity type to the semiconductor substrate provided in the semiconductor film adjacent to the floating gate electrode, and provided in the semiconductor film adjacent to the control gate electrode; Having a memory cell having a source diffusion layer of a reverse conductivity type. It is a symptom.

【0014】かかる構成によれば、対象のメモリセルへ
の書き込みは、その制御ゲート電極へのしきい値電圧近
傍の低い電圧の印加で可能となり、また、各メモリセル
のチャネル電流は、ソース拡散層側のチャネル表面に形
成したゲート酸化膜上の制御ゲート電極により直接制御
されるため、データ書き込み時、非選択メモリセルのチ
ャネル電流は、ソース側のチャネル表面で完全に遮断さ
れ、非選択メモリセルの誤書き込みという誤動作も防止
できる。
According to such a configuration, writing to a target memory cell can be performed by applying a low voltage near the threshold voltage to the control gate electrode, and the channel current of each memory cell is reduced by the source diffusion. Since it is directly controlled by the control gate electrode on the gate oxide film formed on the channel surface on the layer side, the channel current of the unselected memory cell is completely cut off at the source-side channel surface during data writing, An erroneous operation such as erroneous writing of cells can also be prevented.

【0015】[0015]

【発明の実施の形態】本発明の第1の実施例について説
明する。本発明のフラッシュメモリセルは、第1図に示
すように、シリコン基板1、シリコン酸化膜2およびシ
リコン薄膜3で形成されるSOI基板上に、ドレイン拡
散層4に隣接するチャネル領域の一部上にトンネル酸化
膜6を有し、トンネル酸化膜6で覆われた領域以外のS
OI基板上は、シリコン酸化膜11で覆われている。さ
らに、トンネル酸化膜6上に浮遊ゲート7を、また、ソ
ース拡散層5に隣接するチャネル領域上および浮遊ゲー
ト7上にシリコン酸化膜11および8を介して制御ゲー
ト9を有し、スプリットゲート構造となっている。
DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS A first embodiment of the present invention will be described. As shown in FIG. 1, the flash memory cell according to the present invention has an SOI substrate formed of a silicon substrate 1, a silicon oxide film 2 and a silicon thin film 3 on a part of a channel region adjacent to a drain diffusion layer 4. Having a tunnel oxide film 6 in the region other than the region covered with the tunnel oxide film 6.
The OI substrate is covered with a silicon oxide film 11. Furthermore, a floating gate 7 is provided on the tunnel oxide film 6, and a control gate 9 is provided on the channel region adjacent to the source diffusion layer 5 and on the floating gate 7 via silicon oxide films 11 and 8. It has become.

【0016】このメモリセル構造の製造方法を、図5
(a)〜(C)に示す。まず、図5(a)に示すよう
に、シリコン基板1上に、シリコン酸化膜2を例えば膜
厚20nm(膜厚設定範囲は10nm〜50nmでも
可)、さらにその上に例えば膜厚200nm(膜厚設定
範囲:100nm〜300nm)のシリコン薄膜3を形
成することによりSOI基板を得る。このSOI基板上
に、例えば1000℃の熱酸化を用いたLOCOS法
や、シリコン膜3をドライエッチングで加工するアイラ
ンド法等により素子分離処理を施した後、例えば900
℃の熱酸化により、膜圧10nmのトンネル酸化膜6
(膜厚設定範囲:8nm〜12nm)を形成する。、続
いて、トンネル酸化膜6上にCVD法により150nm
の浮遊ゲート用ポリシリコン膜7(膜厚設定範囲:10
0nm〜200nm)を形成する。次にフォトリソグラ
フィとドライエッチングにより、ポリシリコン膜7およ
びトンネル酸化膜6を島状に加工する。シリコン基板1
へのしきい値調整用の不純物注入を行った後、図5
(b)に示すように、900℃の熱酸化によりポリシリ
コン膜7表面およびシリコン薄膜3表面に、それぞれ膜
圧18nmのシリコン酸化膜8(膜圧設定範囲:15n
m〜30nm)および30nmのシリコン酸化膜11
(膜厚設定範囲:15nm〜30nm)を形成する。さ
らに全面に、制御ゲート用ポリシリコン膜9をCVD法
により150nm(膜厚設定膜厚:100nm〜200
nm)堆積し、その後、フォトリソグラフィとドライエ
ッチングにより、ポリシリコン膜9、シリコン酸化膜
8、ポリシリコン膜7を制御ゲート形状に加工する。こ
の時、制御ゲート用ポリシリコン膜9の一部がシリコン
膜11を介してシリコン薄膜3に直接接するように制御
ゲートを加工する。その後、図5(c)に示すように、
制御ゲート用ポリシリコン膜9をマスクとして、N型不
純物として例えば砒素をイオン注入法(注入条件は例え
ば注入エネルギー30kev、注入量3E15cm−
2)により浮遊ゲート7と制御ゲート9が積層している
側にドレイン拡散層4を、制御ゲート9のみがある側に
ソース拡散層5をそれぞれ形成する。この時、データ書
き込み時に効率よくチャネルホットエレクトロンが発生
するよう、チャネル部とドレイン拡散層5の接合部の不
純物分布が急峻になるように制御する。例えば、ソース
拡散層5およびドレイン拡散層4、シリコン薄膜3およ
びシリコン基板の濃度はそれぞれ、1E20cm-3、5
E16cm-3とする。最後に、制御ゲート9、ソース拡
散層5、ドレイン拡散層4への配線形成プロセスを施す
ことで、メモリセルのチャネル領域のうちドレイン拡散
層4側にのみ浮遊ゲート7を有するスプリットゲート型
のフラッシュメモリセルが形成される(配線は図示せ
ず)。なお、このスプリットゲート型フラッシュメモリ
セルの制御ゲート9で直接制御されるソース拡散層5側
のしきい値電圧は、前述のしきい値電圧調整用の不純物
注入で、例えば、1Vと言ったフラッシュメモリセルの
消去状態のしきい値電圧と一致するように設定する。次
に、このスプリットゲート型フラッシュメモリセルの書
き込みおよび消去動作について説明する。
FIG. 5 shows a method of manufacturing the memory cell structure.
(A) to (C). First, as shown in FIG. 5A, a silicon oxide film 2 is formed on a silicon substrate 1 to a thickness of, for example, 20 nm (the thickness can be set in a range of 10 nm to 50 nm). An SOI substrate is obtained by forming a silicon thin film 3 having a thickness setting range: 100 nm to 300 nm. After performing an element isolation process on the SOI substrate by, for example, a LOCOS method using thermal oxidation at 1000 ° C., an island method of processing the silicon film 3 by dry etching, or the like, for example, 900
Tunnel oxide film 6 having a film thickness of 10 nm by thermal oxidation
(Thickness setting range: 8 nm to 12 nm). Subsequently, 150 nm is formed on the tunnel oxide film 6 by the CVD method.
Floating gate polysilicon film 7 (thickness setting range: 10
(0 nm to 200 nm). Next, the polysilicon film 7 and the tunnel oxide film 6 are processed into an island shape by photolithography and dry etching. Silicon substrate 1
After impurity implantation for threshold adjustment into
As shown in FIG. 3B, the silicon oxide film 8 having a film pressure of 18 nm (film pressure setting range: 15 n) is formed on the surface of the polysilicon film 7 and the surface of the silicon thin film 3 by thermal oxidation at 900 ° C.
m-30 nm) and 30 nm silicon oxide film 11
(Thickness setting range: 15 nm to 30 nm) is formed. Furthermore, a control gate polysilicon film 9 is formed on the entire surface by a CVD method to a thickness of 150 nm (thickness: 100 nm to 200 nm).
Then, the polysilicon film 9, the silicon oxide film 8, and the polysilicon film 7 are processed into a control gate shape by photolithography and dry etching. At this time, the control gate is processed so that a part of the control gate polysilicon film 9 is in direct contact with the silicon thin film 3 via the silicon film 11. Then, as shown in FIG.
Using the control gate polysilicon film 9 as a mask, for example, arsenic is ion-implanted as an N-type impurity (implantation conditions are, for example, an implantation energy of 30 keV and an implantation amount of 3E15 cm −).
According to 2), the drain diffusion layer 4 is formed on the side where the floating gate 7 and the control gate 9 are stacked, and the source diffusion layer 5 is formed on the side where only the control gate 9 is provided. At this time, the impurity distribution at the junction between the channel and the drain diffusion layer 5 is controlled to be steep so that channel hot electrons are generated efficiently at the time of data writing. For example, the concentrations of the source diffusion layer 5 and the drain diffusion layer 4, the silicon thin film 3 and the silicon substrate are 1E20 cm−3, 5
E16cm-3. Finally, by performing a wiring forming process on the control gate 9, the source diffusion layer 5, and the drain diffusion layer 4, the split gate type flash having the floating gate 7 only on the drain diffusion layer 4 side in the channel region of the memory cell. A memory cell is formed (the wiring is not shown). The threshold voltage of the source diffusion layer 5 side directly controlled by the control gate 9 of the split gate type flash memory cell is, for example, 1 V by the impurity implantation for adjusting the threshold voltage. The threshold voltage is set to match the threshold voltage of the memory cell in the erased state. Next, write and erase operations of the split gate flash memory cell will be described.

【0017】まず、データ消去動作は、図1に示すよう
に、制御ゲート電極9に例えば−12Vの負電圧をドレ
イン拡散層4に例えば3Vの正電圧を印加して行う。こ
の時、ソース拡散層5はフローティング状態とする。こ
れにより、浮遊ゲート7に蓄積されていた電子がドレイ
ン拡散層4へFNトンネル現象により排出され、メモリ
セルのしきい値電圧は、書き込み状態の高いしきい値か
ら、消去状態の1V程度の低いしきい値となる。
First, as shown in FIG. 1, the data erasing operation is performed by applying a negative voltage of, for example, -12 V to the control gate electrode 9 and a positive voltage of, for example, 3 V to the drain diffusion layer 4. At this time, the source diffusion layer 5 is in a floating state. As a result, the electrons accumulated in the floating gate 7 are discharged to the drain diffusion layer 4 by the FN tunnel phenomenon, and the threshold voltage of the memory cell is changed from a high threshold in the written state to a low level of about 1 V in the erased state. It becomes a threshold.

【0018】データ書き込み動作は、図2に示すよう
に、例えば、制御ゲート9に1V、ドレイン拡散層4に
3V、ソース拡散層5および基板1に0Vを印加して行
う。データ書き込み前に消去状態であったメモリセルの
しきい値電圧は、上述のとおり1Vであるため、これら
の電圧の印加によりチャネル電流が流れ始める。これに
より、ドレイン拡散層4近傍でチャネル電流起因のイン
パクトイオン化によりホールが発生し、発生したホール
はソース拡散層5方向へ流れ、ソース拡散層5近傍に蓄
積される。その結果、ソース拡散層5近傍のポテンシャ
ル分布が変化し、チャネル電流が増大するというチャネ
ル電流への正のフィードバックがかかり、この正のフィ
ードバック現象がさらにチャネル電流を増大させ、チャ
ネルホットエレクトロン発生が増大し、このチャネルホ
ットエレクトロンが浮遊ゲート7へ注入・蓄積される。
以上のようにして、ドレイン拡散層4に3V、制御ゲー
ト9に1Vという低電圧印加によるデータ書き込みが可
能となる。
As shown in FIG. 2, for example, the data write operation is performed by applying 1 V to the control gate 9, 3 V to the drain diffusion layer 4, and 0 V to the source diffusion layer 5 and the substrate 1. Since the threshold voltage of the memory cell in the erased state before data writing is 1 V as described above, the channel current starts to flow by application of these voltages. As a result, holes are generated near the drain diffusion layer 4 by impact ionization caused by the channel current, and the generated holes flow toward the source diffusion layer 5 and are accumulated near the source diffusion layer 5. As a result, the potential distribution near the source diffusion layer 5 changes, and a positive feedback to the channel current that the channel current increases increases. This positive feedback phenomenon further increases the channel current and increases the generation of channel hot electrons. Then, the channel hot electrons are injected and accumulated in the floating gate 7.
As described above, data can be written by applying a low voltage of 3 V to the drain diffusion layer 4 and 1 V to the control gate 9.

【0019】このようなデータ書き込みを、図4に示す
メモリセルアレイのうちメモリセル14に対して行う場
合、メモリセル14に接続されたワード線10に1V、
ビット線12に3Vを印加し、その他のワード線11や
ビット線13、ソース線14、15およびシリコン基板
1には0Vを印加する。この場合、選択メモリセル14
と共通のビット線12に接続された非選択メモリセル1
5では、図3に示すように、制御ゲート9に0V、ドレ
イン拡散層4に3V、ソース拡散層5およびシリコン基
板1に0Vが印加される。この時、消去状態のメモリセ
ルのしきい値電圧がばらついて、非選択メモリセル15
の浮遊ゲート7下のしきい値電圧が0V近傍になってい
たとしても、制御ゲート9で直接制御されるソース拡散
層5側のしきい値電圧は、上述のとおり1Vとなってい
るため、メモリセル15にチャネル電流は流れず、した
がって、データの誤書き込みが防止される。
When such data writing is performed on the memory cell 14 of the memory cell array shown in FIG. 4, 1 V is applied to the word line 10 connected to the memory cell 14.
3 V is applied to the bit line 12, and 0 V is applied to the other word lines 11, bit lines 13, source lines 14, 15 and silicon substrate 1. In this case, the selected memory cell 14
And unselected memory cell 1 connected to common bit line 12
5, 0 V is applied to the control gate 9, 3 V is applied to the drain diffusion layer 4, and 0 V is applied to the source diffusion layer 5 and the silicon substrate 1, as shown in FIG. At this time, the threshold voltage of the memory cell in the erased state varies, and the non-selected memory cell 15
Even if the threshold voltage below the floating gate 7 is close to 0 V, the threshold voltage on the source diffusion layer 5 side directly controlled by the control gate 9 is 1 V as described above. No channel current flows through the memory cell 15, and thus erroneous writing of data is prevented.

【0020】ここで、通常のスプリットゲート構造で
は、特開平7−147336号公報にも示されるよう
に、スプリットゲートをドレイン拡散層側に形成するの
が一般的であるのに対し、本願発明では、スプリットゲ
ート部をソース拡散層5側に、浮遊ゲートをドレイン拡
散層4側に形成している点につき説明する。
Here, in a normal split gate structure, a split gate is generally formed on the drain diffusion layer side, as shown in Japanese Patent Application Laid-Open No. 147336/1995, whereas in the present invention, The point that the split gate portion is formed on the source diffusion layer 5 side and the floating gate is formed on the drain diffusion layer 4 side will be described.

【0021】通常スプリットゲートをドレイン拡散層側
に形成するのは、データ消去にはソース消去法を用いる
からである。これは、フラッシュメモリの消去は、ある
程度の数のメモリセルのデータ消去を一括で行うため、
ビット・デコーダをすべて起動させてドレイン拡散層そ
れぞれに電圧を印加するよりも、共通に接続されている
ソース拡散層に電圧をかけるほうが容易であるためであ
る。にもかかわらず本願発明において、スプリットゲー
ト部をソース拡散層側に形成しているのは、本願発明
が、低消費電力でのデータ書き込みが可能なメモリセル
を提供することを目的としているからである。すなわ
ち、チャネルホットエレクトロンはチャネルとドレイン
拡散層4の接合部分で最も効率よく発生し、浮遊ゲート
への電子の注入効率が最も良い場所もチャネルとドレイ
ン拡散層4との接合部分となるため、本願発明では、浮
遊ゲート電極の一部をチャネルとドレイン拡散層4の接
合部分の直上に位置するように配置し、スプリットゲー
ト部をソース側に置いているのである。このような構成
にすることにより、上述のとおり、低電圧の印加による
書き込みが可能となり、かつ誤書き込みも防止できる。
Usually, the split gate is formed on the side of the drain diffusion layer because the source erase method is used for data erase. This is because erasing flash memory involves erasing data from a certain number of memory cells at once.
This is because it is easier to apply a voltage to a commonly connected source diffusion layer than to activate all bit decoders and apply a voltage to each drain diffusion layer. Nevertheless, the reason why the split gate portion is formed on the source diffusion layer side in the present invention is to provide a memory cell in which data can be written with low power consumption. is there. That is, the channel hot electrons are most efficiently generated at the junction between the channel and the drain diffusion layer 4, and the location where the efficiency of injecting electrons into the floating gate is the highest is also the junction between the channel and the drain diffusion layer 4. In the present invention, a part of the floating gate electrode is arranged so as to be located immediately above the junction between the channel and the drain diffusion layer 4, and the split gate portion is located on the source side. With this configuration, as described above, writing can be performed by applying a low voltage, and erroneous writing can be prevented.

【0022】また、通常のスプリットゲート部がドレイ
ン拡散層側にある構造では、データ書き込み時、スプリ
ットゲート部のゲート酸化膜へチャネルホットエレクト
ロンが飛び込み易いため、ゲート酸化膜の劣化につなが
るが、本願発明では、このような問題も防止できる。
In a structure in which a normal split gate portion is located on the side of the drain diffusion layer, channel hot electrons tend to jump into the gate oxide film of the split gate portion at the time of data writing, leading to deterioration of the gate oxide film. According to the invention, such a problem can be prevented.

【0023】このように、本願発明では、浮遊ゲートを
ドレイン拡散層4側に設けているため、第一の実施例で
は、浮遊ゲートに蓄積された電子をドレイン拡散層4へ
引き抜いている。しかしながら、本メモリセルでは、チ
ャネルホットエレクトロンが効率よく発生するようチャ
ネルとドレイン拡散層4との接合部の不純物分布を急峻
にしているため、ドレイン拡散層4の拡散層耐圧は低く
なっている。このため、第一の実施例では、ドレイン拡
散層4に十分な電圧を印加することができず、したがっ
て、データ消去速度も遅くなってしまう。
As described above, in the present invention, since the floating gate is provided on the side of the drain diffusion layer 4, in the first embodiment, the electrons accumulated in the floating gate are extracted to the drain diffusion layer 4. However, in the present memory cell, since the impurity distribution at the junction between the channel and the drain diffusion layer 4 is made steep so that channel hot electrons are generated efficiently, the diffusion layer breakdown voltage of the drain diffusion layer 4 is low. For this reason, in the first embodiment, a sufficient voltage cannot be applied to the drain diffusion layer 4, and the data erasing speed is reduced.

【0024】この問題を解決するための第二の実施例を
図6に示す。本実施例においては、メモリセルの構造お
よびデータ書き込み動作については、第一の実施例と同
様であるが、データ消去動作の方法が異なっている。本
実施例におけるデータ消去は、制御ゲート29に例えば
−16V、シリコン基板21に0Vの電圧を印加するこ
とにより行う。これらの電圧の印加により、浮遊ゲート
27に蓄積されている電子はメモリセルのチャネル領域
へとFNトンネル現象により排出される。本実施例のデ
ータ消去方法によれば、ドレイン拡散層4の耐圧を考慮
する必要はなく、高速な消去が可能となる。
FIG. 6 shows a second embodiment for solving this problem. In this embodiment, the structure of the memory cell and the data write operation are the same as in the first embodiment, but the method of the data erase operation is different. In this embodiment, data is erased by applying a voltage of, for example, -16 V to the control gate 29 and a voltage of 0 V to the silicon substrate 21. By applying these voltages, the electrons accumulated in the floating gate 27 are discharged to the channel region of the memory cell by the FN tunnel phenomenon. According to the data erasing method of this embodiment, it is not necessary to consider the withstand voltage of the drain diffusion layer 4, and high-speed erasing can be performed.

【0025】なお、本実施例においては、SOI基板の
酸化膜22の膜圧が重要であり、10nm〜50nmと
することが好ましい。これは、この膜圧が厚くなると、
データ消去時、制御ゲート29−浮遊ゲート27−シリ
コン薄膜23−シリコン基板21間の容量分割のため
に、浮遊ゲート27−シリコン薄膜23間に十分な電圧
が印加できず、データ消去速度の劣化が生じてしまうた
めである。
In this embodiment, the thickness of the oxide film 22 of the SOI substrate is important, and it is preferable that the thickness be 10 nm to 50 nm. This is because when this film thickness increases,
At the time of data erasing, a sufficient voltage cannot be applied between the floating gate 27 and the silicon thin film 23 because of the capacitance division between the control gate 29, the floating gate 27, the silicon thin film 23, and the silicon substrate 21, and the data erasing speed is deteriorated. This is because it occurs.

【0026】[0026]

【発明の効果】以上説明したように、本発明の不揮発性
半導体記憶装置によれば、SOI基板上にスプリットゲ
ートを設けた構成とすることにより、データ書き込み時
に制御ゲートおよびドレイン拡散層に印加する電圧の低
電圧化を可能とし、しかも、非選択のメモリセルでの誤
書き込みを防止することができるという効果がある。
As described above, according to the nonvolatile semiconductor memory device of the present invention, since the split gate is provided on the SOI substrate, the data is applied to the control gate and the drain diffusion layer at the time of data writing. There is an effect that the voltage can be reduced, and erroneous writing in unselected memory cells can be prevented.

【0027】また、ドレイン拡散層側に浮遊ゲートを形
成することにより、チャネルホットエレクトロンの注入
効率が向上し、高速な書き込みが可能となるという効果
もある。
In addition, by forming a floating gate on the drain diffusion layer side, channel hot electron injection efficiency is improved, and there is also an effect that high-speed writing becomes possible.

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

【図1】本発明の第1の実施例のデータ消去動作を説明
するための断面図。
FIG. 1 is a sectional view for explaining a data erasing operation according to a first embodiment of the present invention.

【図2】本発明の第1の実施例のデータ書き込み動作を
説明するための断面図。
FIG. 2 is a sectional view for explaining a data write operation according to the first embodiment of the present invention.

【図3】本発明の第1の実施例の動作を説明するための
断面図。
FIG. 3 is a sectional view for explaining the operation of the first embodiment of the present invention.

【図4】本発明の第1の実施例を説明するための回路
図。
FIG. 4 is a circuit diagram for explaining the first embodiment of the present invention.

【図5】本発明の第1の実施例の製造方法を説明するた
めの工程断面図。
FIG. 5 is a process sectional view for explaining the manufacturing method according to the first embodiment of the present invention.

【図6】本発明の第2の実施例のデータ消去動作を説明
するための断面図。
FIG. 6 is a sectional view for explaining a data erasing operation according to the second embodiment of the present invention.

【図7】本発明の従来例のデータ消去動作を説明するた
めの断面図。
FIG. 7 is a sectional view for explaining a data erasing operation according to a conventional example of the present invention.

【図8】本発明の従来例のデータ書き込み動作を説明す
るための断面図。
FIG. 8 is a cross-sectional view for explaining a data write operation according to a conventional example of the present invention.

【図9】従来例を説明するための回路図。FIG. 9 is a circuit diagram for explaining a conventional example.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

1,21,31 シリコン基板 2,6,8,11,22,23,27,32,36,3
8 シリコン酸化膜 3,23,33 シリコン薄膜 7,27,37 浮遊ゲート電極用多結晶シリコン膜 9,29,39 制御ゲート電極用多結晶シリコン膜 12,13,42,43 ビットライン 10,11,40,41 ワードライン 4,24,34 ドレイン拡散層 5,25,35 ソース拡散層
1,21,31 silicon substrate 2,6,8,11,22,23,27,32,36,3
8 Silicon oxide film 3,23,33 Silicon thin film 7,27,37 Polycrystalline silicon film for floating gate electrode 9,29,39 Polycrystalline silicon film for control gate electrode 12,13,42,43 Bit line 10,11, 40,41 Word line 4,24,34 Drain diffusion layer 5,25,35 Source diffusion layer

Claims (8)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 一導電型の半導体基板上に設けられた第
1の絶縁膜と、前記第1の絶縁膜上に設けられた前記一
導電型の半導体膜と、前記半導体膜上に選択的に設けら
れた第2の絶縁膜と、前記前記第2の絶縁膜に隣接して
前記半導体膜上に設けられた第3の絶縁膜と、前記第2
の絶縁膜上に設けられた浮遊ゲート電極と、前記浮遊ゲ
ート電極に隣接し前記第3の絶縁膜上に設けられその一
部が前記浮遊ゲート上を第4の絶縁膜を介して覆ってい
る制御ゲート電極と、前記浮遊ゲート電極に隣接し前記
半導体膜に設けられた前記半導体基板と逆導電型のドレ
イン拡散層と、前記制御ゲート電極に隣接し前記半導体
膜に設けられた逆導電型のソース拡散層とを有するメモ
リセルを備えることを特徴とする不揮発性半導体記憶装
置。
A first insulating film provided on a semiconductor substrate of one conductivity type; a semiconductor film of one conductivity type provided on the first insulating film; A second insulating film provided on the semiconductor film adjacent to the second insulating film; a third insulating film provided on the semiconductor film adjacent to the second insulating film;
A floating gate electrode provided on the insulating film, and a portion provided on the third insulating film adjacent to the floating gate electrode and partially covering the floating gate via a fourth insulating film. A control gate electrode, a drain diffusion layer of the opposite conductivity type to the semiconductor substrate provided in the semiconductor film adjacent to the floating gate electrode, and a reverse conductivity type provided to the semiconductor film adjacent to the control gate electrode. A nonvolatile semiconductor memory device comprising a memory cell having a source diffusion layer.
【請求項2】 前記半導体膜表面のソース拡散層および
ドレイン拡散層で挟まれたチャネル領域のうち、前記制
御ゲート電極下部の領域のしきい値電圧が、前記浮遊ゲ
ートにキャリヤが注入されていない状態における前記浮
遊ゲート下部の領域のしきい値電圧と一致していること
を特徴とする請求項1記載の不揮発性半導体記憶装置。
2. The threshold voltage of a region under the control gate electrode in a channel region sandwiched between a source diffusion layer and a drain diffusion layer on a surface of the semiconductor film is such that carriers are not injected into the floating gate. 2. The nonvolatile semiconductor memory device according to claim 1, wherein the threshold voltage in a state below the floating gate is equal to a threshold voltage in a region below the floating gate.
【請求項3】 前記第1の絶縁膜の膜圧が10nm〜5
0nmであることを特徴とする請求項1記載の不揮発性
半導体記憶装置。
3. The film thickness of the first insulating film is 10 nm to 5 nm.
2. The nonvolatile semiconductor memory device according to claim 1, wherein the thickness is 0 nm.
【請求項4】 前記半導体膜と前記ドレイン拡散層との
接合部における不純物濃度分布が急激に変化しているこ
とを特徴とする不揮発性半導体記憶装置。
4. The nonvolatile semiconductor memory device according to claim 1, wherein an impurity concentration distribution at a junction between said semiconductor film and said drain diffusion layer changes rapidly.
【請求項5】 前記メモリセルを複数個有し、該メモリ
セルはマトリクス状に配置され、前記複数のメモリセル
のうち特定のメモリセルに対するデータ書き込みが、前
記特定のメモリセルの制御ゲート電極が接続されたワー
ド線に前記しきい値電圧と同程度の電圧を印加すること
により行われるこを特徴とする請求項2記載の不揮発性
半導体記憶装置。
5. A memory cell comprising a plurality of memory cells, wherein the memory cells are arranged in a matrix, and data writing to a specific memory cell of the plurality of memory cells is performed by controlling a control gate electrode of the specific memory cell. 3. The non-volatile semiconductor memory device according to claim 2, wherein the operation is performed by applying a voltage approximately equal to the threshold voltage to a connected word line.
【請求項6】 前記メモリセルを複数個有し、該メモリ
セルはマトリクス状に配置され、前記複数のメモリセル
のうち特定のメモリセルに対するデータ消去が、前記特
定のメモリセルの制御ゲート電極が接続されたワード線
に負電圧を印加し、前記半導体基板を接地することによ
り行われることを特徴とする請求項1記載の不揮発性半
導体記憶装置。
6. A memory cell comprising a plurality of memory cells, wherein the memory cells are arranged in a matrix, and data erasing of a specific memory cell among the plurality of memory cells is performed by controlling a control gate electrode of the specific memory cell. 2. The non-volatile semiconductor memory device according to claim 1, wherein the operation is performed by applying a negative voltage to a connected word line and grounding the semiconductor substrate.
【請求項7】 前記メモリセルを複数個有し、該メモリ
セルはマトリクス状に配置され、前記複数のメモリセル
のうち特定のメモリセルに対するデータ消去が、前記特
定のメモリセルの制御ゲート電極が接続されたワード線
に負電圧を印加し、前記特定のメモリセルのドレイン拡
散層が接続されたビット線に正電圧を印加することによ
り行われることを特徴とする請求項1記載の不揮発性半
導体記憶装置。
7. A memory cell having a plurality of memory cells, wherein the memory cells are arranged in a matrix, and data erasing of a specific memory cell among the plurality of memory cells is performed by controlling a control gate electrode of the specific memory cell. 2. The non-volatile semiconductor device according to claim 1, wherein a negative voltage is applied to a connected word line, and a positive voltage is applied to a bit line to which a drain diffusion layer of the specific memory cell is connected. Storage device.
【請求項8】 一導電型の半導体基板上に第1の絶縁膜
を形成する工程と、前記第1の絶縁膜上に前記一導電型
の半導体膜を形成する工程と、前記半導体膜上に選択的
に第2の絶縁膜を形成する工程と、前記第2の絶縁膜上
に第1のポリシリコン膜を形成する工程と、前記第1の
ポリシリコン膜および前記半導体膜上に第3の絶縁膜を
形成する工程と、前記第3の絶縁膜上に第2のポリシリ
コン膜を形成する工程と、前記シリコン膜上に前記第3
の絶縁膜が残るように前記第1のポリシリコン膜、前記
第3の絶縁膜および前記第2のポリシリコン膜を加工し
制御ゲート電極を形成する工程と、前記制御ゲート電極
をマスクに前記半導体膜に前記基板と逆導電型の不純物
をイオン注入する工程とを有することを特徴とする不揮
発性半導体記憶装置の製造方法。
8. A step of forming a first insulating film on a semiconductor substrate of one conductivity type; a step of forming the semiconductor film of one conductivity type on the first insulating film; Selectively forming a second insulating film, forming a first polysilicon film on the second insulating film, and forming a third polysilicon film on the first polysilicon film and the semiconductor film. Forming an insulating film; forming a second polysilicon film on the third insulating film; forming the third polysilicon film on the silicon film;
Forming the control gate electrode by processing the first polysilicon film, the third insulating film, and the second polysilicon film so that the insulating film remains, and forming the semiconductor using the control gate electrode as a mask. Ion-implanting impurities of a conductivity type opposite to that of the substrate into the film.
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Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US7238982B2 (en) 2004-06-16 2007-07-03 Samsung Electronics Co., Ltd. Split gate type flash memory device and method for manufacturing same
JP2008004831A (en) * 2006-06-23 2008-01-10 Denso Corp Nonvolatile memory transistor, and driving method therefor
US8309951B2 (en) * 2007-07-18 2012-11-13 Globalfoundries Inc. Test structure for determining gate-to-body tunneling current in a floating body FET

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