JPH11224940A - Nonvolatile semiconductor memory device and writing method therefor - Google Patents
Nonvolatile semiconductor memory device and writing method thereforInfo
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Abstract
Description
【0001】[0001]
【発明の属する技術分野】本発明は、チャネル形成領域
と制御電極との間の絶縁膜内に電荷蓄積手段を有し、当
該電荷蓄積手段に電荷を注入し又は引き抜くことによ
り、電気的にデータのプログラムが可能な不揮発性半導
体記憶装置とその書き込み方法に関する。特定的には、
本発明は、記憶素子の書き込み時間が長い場合でも、当
該記憶素子と制御電極同士が接続され書き込みを禁止し
たい他の記憶素子について、書き込みを禁止できる時間
を長くして誤書き込みを有効に防止できる構成の不揮発
性半導体記憶装置とその書き込み方法に関する。更に、
本発明は、記憶素子間、記憶素子と選択素子間の半導体
表面に第2の制御電極により空乏層を誘起して、その空
乏層の電位を第2の制御電極の電位により制御すること
で、書き込み禁止をより確実に行うことができる不揮発
性半導体記憶装置とその書き込み方法に関する。BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a method for electrically storing data by providing charge storage means in an insulating film between a channel forming region and a control electrode, and injecting or extracting charges into the charge storage means. And a writing method thereof. Specifically,
According to the present invention, even when the writing time of a storage element is long, it is possible to effectively prevent erroneous writing by extending the time during which the writing can be inhibited for another storage element to which the storage element and the control electrode are connected and writing is to be inhibited. The present invention relates to a nonvolatile semiconductor memory device having a configuration and a writing method thereof. Furthermore,
According to the present invention, a depletion layer is induced by a second control electrode on a semiconductor surface between storage elements and between a storage element and a selection element, and the potential of the depletion layer is controlled by the potential of the second control electrode. The present invention relates to a nonvolatile semiconductor memory device capable of more reliably performing write inhibition and a write method thereof.
【0002】[0002]
【従来の技術】従来、不揮発性半導体メモリ素子は、半
導体のチャネル形成領域(素子のチャネルが形成され
る、例えば半導体基板又はウェル等の表面領域)と制御
電極との間に介在させた絶縁膜中に電荷蓄積手段を設
け、この電荷蓄積手段に存在する電荷の有無、或いは電
荷量に応じてメモリ素子のしきい値(一般には、ゲート
しきい値電圧)を変化させ、このしきい値を記憶データ
信号の論理状態に対応させている。ここで、電荷を蓄積
する電荷蓄積手段には、例えば、FG(フローティング
ゲート)等の単一導電層、ナノクリスタル等の平面的に
離散化されて複数配置され互いに絶縁された小粒径導電
体、窒化膜中或いは窒化膜と酸化膜界面に形成され空間
的(平面方向および膜厚方向)に離散化された電荷トラ
ップ等がある。この電荷トラップを含むゲート絶縁膜の
積層構造の違いに応じて、FG型、ナノ結晶型、MON
OS型、MNOS型等の様々な種類の不揮発性半導体メ
モリ素子が試作,提供されている。2. Description of the Related Art Conventionally, a nonvolatile semiconductor memory device has an insulating film interposed between a control channel and a channel forming region of a semiconductor (a surface region of a semiconductor substrate or a well where a channel of the device is formed, for example). A charge storage means is provided therein, and the threshold value (generally, a gate threshold voltage) of the memory element is changed in accordance with the presence or absence of charge existing in the charge storage means or the amount of charge. It corresponds to the logic state of the stored data signal. Here, for example, a single conductive layer such as an FG (floating gate) or a small-diameter conductive material such as a nanocrystal, which is disposed in a plurality of planes and is insulated from each other and insulated from each other, may be used as the charge storage means for storing charges. And a charge trap formed in the nitride film or at the interface between the nitride film and the oxide film and discretely formed spatially (in the plane direction and the film thickness direction). FG type, nano-crystal type, MON type
Various types of non-volatile semiconductor memory devices such as the OS type and the MNOS type have been prototyped and provided.
【0003】かかるメモリ素子を多数配置させてメモリ
セルアレイが構成された不揮発性半導体記憶装置(不揮
発性メモリ装置)では、多くの種類のメモリセル方式が
提案されているが、その中でもっともセルサイズが小さ
く大容量化が可能なセル方式として、NAND型があ
る。NAND型不揮発性メモリ装置は、複数のメモリト
ランジスタを直列接続してNAND列と称されるメモリ
ブロックを構成し、2個のNAND列で1個のビットコ
ンタクトおよびソース線を共有することにより、1ビッ
トあたりの実効的なセル面積の縮小を可能としたもので
ある。In a nonvolatile semiconductor memory device (nonvolatile memory device) in which a memory cell array is configured by arranging a large number of such memory elements, many types of memory cell systems have been proposed. There is a NAND type as a cell system which is small and capable of increasing the capacity. The NAND type nonvolatile memory device includes a plurality of memory transistors connected in series to form a memory block called a NAND string, and two NAND strings share one bit contact and one source line to thereby form one memory cell. The effective cell area per bit can be reduced.
【0004】図13は、従来のNAND型不揮発性メモ
リ装置のメモリセルアレイの基本構成を示す回路図であ
る。FIG. 13 is a circuit diagram showing a basic configuration of a memory cell array of a conventional NAND type nonvolatile memory device.
【0005】図13中、符号100はメモリセルアレ
イ、M11a〜M1na,M11b〜M1nb,M21
a及びM21bはメモリトランジスタ、S11a,S1
2a,S11b,S12b,S21a,S22a,S2
1b,S22bは選択トランジスタ、BLa、BLbは
ビット線、WL11〜WLn1及びWL21はワード
線、SLはソース線、SG11及びSG21はビット線
選択信号線、SG12及びSG22はソース線選択信号
線、BCはビットコンタクトを示す。ストリングと称さ
れる繰り返し単位は、ビット線又はソース線に接続され
た2つの選択トランジスタ(選択ゲート)と、両選択ト
ランジスタ間にn個(nは、例えば8,16,32等の
数)のメモリトランジスタを直列接続させたNAND列
とから構成されている。ビット線に接続された選択トラ
ンジスタS11a,S11b,S21a及びS21b
は、ビット線選択信号線SG11又はSG21により制
御され、ソース線に接続された選択トランジスタS12
a,S12b,S22a及びS22bは、ソース線選択
信号線SG12又はSG22により制御される。また、
メモリトランジスタM11aとM11b,M12aとM
12b,M13aとM13b,M1naとM1nbは、
それぞれワード線WL11,WL12,WL13,WL
n1により制御される。同様に、メモリトランジスタM
21aとM21bは、ワード線WL21により制御され
る。In FIG. 13, reference numeral 100 denotes a memory cell array, M11a to M1na, M11b to M1nb, M21.
a and M21b are memory transistors, S11a, S1
2a, S11b, S12b, S21a, S22a, S2
1b and S22b are selection transistors, BLa and BLb are bit lines, WL11 to WLn1 and WL21 are word lines, SL is a source line, SG11 and SG21 are bit line selection signal lines, SG12 and SG22 are source line selection signal lines, and BC is Indicates a bit contact. A repeating unit called a string includes two selection transistors (selection gates) connected to a bit line or a source line, and n (n is, for example, 8, 16, 32, or the like) between the two selection transistors. And a NAND string in which memory transistors are connected in series. Select transistors S11a, S11b, S21a and S21b connected to bit lines
Is controlled by the bit line selection signal line SG11 or SG21, and is connected to the selection transistor S12 connected to the source line.
a, S12b, S22a and S22b are controlled by the source line selection signal line SG12 or SG22. Also,
Memory transistors M11a and M11b, M12a and M
12b, M13a and M13b, M1na and M1nb
Word lines WL11, WL12, WL13, WL
n1. Similarly, the memory transistor M
21a and M21b are controlled by word line WL21.
【0006】図14は、従来の不揮発性メモリ装置にお
いて、図13の左下に位置するNAND列を中心とした
列方向断面図である。なお、ここでは、メモリトランジ
スタをFG(Floating Gate) 型とした場合を例示する。
図14において、符号2は例えばn型の半導体基板、4
は例えばp型のウェル(pウェル)、24は層間絶縁
層、24aは層間絶縁層24に開孔されたビットコンタ
クト孔を示す。ビットコンタクト孔24aは、これに埋
め込まれた接続プラグとともに前記ビットコンタクトB
Cを構成する。各メモリトランジスタM11a〜M1n
aは、pウェル4上に、トンネル絶縁膜40、フローテ
ィングゲートFG、ゲート間絶縁膜42、コントロール
ゲートCGが積層されて構成されている。各メモリトラ
ンジスタのコントロールゲートCGは、それぞれワード
線WL11〜WL1nを構成する。FIG. 14 is a cross-sectional view of a conventional nonvolatile memory device in the column direction centering on the NAND column located at the lower left of FIG. Here, a case where the memory transistor is an FG (Floating Gate) type is exemplified.
In FIG. 14, reference numeral 2 denotes, for example, an n-type semiconductor substrate,
Denotes a p-type well (p-well), 24 denotes an interlayer insulating layer, and 24a denotes a bit contact hole formed in the interlayer insulating layer 24. The bit contact hole 24a, together with the connection plug embedded therein,
Construct C. Each of the memory transistors M11a to M1n
a is formed by stacking a tunnel insulating film 40, a floating gate FG, an inter-gate insulating film 42, and a control gate CG on a p-well 4. The control gates CG of the respective memory transistors form word lines WL11 to WL1n, respectively.
【0007】選択トランジスタSG11,SG12,S
G21は、メモリトランジスタと基本的には同じ積層構
造であるが、これら選択トランジスタでは、メモリトラ
ンジスタにおいてフローティングゲートFGとなる層と
コントロールゲートCGとなる層がゲート間絶縁膜42
に設けられた接続孔を介して短絡されている。これによ
り、通常の単層ゲートと同じく、ゲート絶縁膜上のゲー
ト電極層は全て同電位になっており、これによりビット
線選択信号線SG11,SG21、及び、ソース線選択
信号線SG12が構成されている。The selection transistors SG11, SG12, S
G21 has basically the same laminated structure as that of the memory transistor, but in these select transistors, the layer that becomes the floating gate FG and the layer that becomes the control gate CG in the memory transistor are the inter-gate insulating films 42.
Is short-circuited through the connection hole provided in the. As a result, the gate electrode layers on the gate insulating film are all at the same potential, as in a normal single-layer gate, whereby the bit line selection signal lines SG11 and SG21 and the source line selection signal line SG12 are formed. ing.
【0008】このように配置されたゲート電極間のスペ
ース領域に位置するpウェル4の表面領域には、メモリ
トランジスタ及び選択トランジスタのソース・ドレイン
不純物領域6cが形成されている。一方の選択トランジ
スタSG11,SG21のゲート電極の離間スペースに
位置するpウェル4の表面領域には、ビット方向の2つ
のストリング間で共通なドレイン不純物領域6aが形成
されている。また、他方の選択トランジスタSG12の
ゲート電極外側に位置するpウェル4の表面領域には、
ビット方向に隣接する他のストリング間で共通な前記ソ
ース線SLをなすソース不純物領域6bが形成されてい
る。The source / drain impurity regions 6c of the memory transistor and the selection transistor are formed in the surface region of the p well 4 located in the space region between the gate electrodes arranged as described above. A drain impurity region 6a common to two strings in the bit direction is formed in the surface region of the p-well 4 located in a space between the gate electrodes of the select transistors SG11 and SG21. The surface area of the p well 4 located outside the gate electrode of the other select transistor SG12 includes
A source impurity region 6b forming the source line SL common to other strings adjacent in the bit direction is formed.
【0009】図14ではFG型を示すが、電荷蓄積手段
が平面的に離散化された不揮発性メモリ素子を用いた場
合でも、ゲート絶縁膜構造が異なるほかは、従来のNA
ND型では基本的には図14と同様である。pウェル4
とゲート電極(ワード線)との間に、MONOS型では
トンネル絶縁膜,窒化膜及びトップ酸化膜を積層させ、
MNOS型ではトンネル絶縁膜と窒化膜を積層させてい
る。また、ナノ結晶型では、pウェル4上のトンネル絶
縁膜上の絶縁膜内に小粒径導電体を互いに離散化させて
埋め込んでいる。FIG. 14 shows the FG type. However, even when a non-volatile memory element in which charge storage means is discretized in a plane is used, a conventional NA is used except that the gate insulating film structure is different.
The ND type is basically the same as FIG. p well 4
In the MONOS type, a tunnel insulating film, a nitride film and a top oxide film are laminated between the gate electrode (word line) and
In the MNOS type, a tunnel insulating film and a nitride film are stacked. In the nano-crystal type, small-diameter conductors are discretely embedded in an insulating film on the tunnel insulating film on the p-well 4.
【0010】つぎに、このような構成のNAND型不揮
発性メモリ装置において、メモリトランジスタがノーマ
リーオン状態と、ノーマリーオフ状態に対応させて2値
情報が記憶されている場合を例に、一般的な動作説明を
行う。読み出し動作では、読み出すセル(選択セル)が
接続されたワード線(選択ワード線)とウェルを0Vに
電位固定し、全ての選択トランジスタと、選択ワード線
以外のワード線(非選択ワード線)に接続されたメモリ
トランジスタとの全てが導通するような電圧VRGを、全
ての選択信号線と非選択ワード線に印加する。この電圧
VRGは、ウェルとの電位差のみでは、メモリトランジス
タに書き込みと消去がされない大きさで、例えば5V〜
7V程度である。この状態で、選択セルが接続されたビ
ット線(選択ビット線)のみ正の電圧を印加すると、情
報を読み出すセル以外の全てのメモリトランジスタは導
通状態にあるため、選択セルのメモリトランジスタが、
ノーマリーオンかノーマリーオフかによって、選択ビッ
ト線に電流が流れるか流れないかが決まる。この電流の
有無を検出し、記憶データの論理状態“1”又は“0”
を判定する。Next, in the NAND type nonvolatile memory device having such a configuration, an example in which binary information is stored corresponding to a normally on state and a normally off state of a memory transistor will be described. Operation will be described. In the read operation, the potential of the word line (selected word line) to which the cell to be read (selected cell) is connected and the well are fixed to 0 V, and all the selected transistors and word lines other than the selected word line (non-selected word lines) are connected. A voltage VRG that makes all of the connected memory transistors conductive is applied to all selected signal lines and unselected word lines. The voltage V RG is such a magnitude that writing and erasing cannot be performed on the memory transistor only by the potential difference from the well, and is, for example, 5 V to 5 V.
It is about 7V. In this state, when a positive voltage is applied only to the bit line (selected bit line) to which the selected cell is connected, all the memory transistors other than the cell from which information is read are in a conductive state.
Whether the current flows or does not flow in the selected bit line is determined depending on whether it is normally on or normally off. The presence or absence of this current is detected, and the logical state “1” or “0” of the stored data
Is determined.
【0011】消去動作は、通常、ブロック単位で行わ
れ、選択ブロックの全ワード線に0V、非選択NAND
列の全ワード線および基板又はウェルに高電圧VPPを印
加する。その結果、選択ブロックのメモリトランジスタ
のみ、フローティングゲートから基板に電子が引き抜か
れて、メモリトランジスタのしきい値電圧は負方向にシ
フトして、例えばノーマリーオンの消去状態(論理状態
は例えば“1”に対応)になる。The erasing operation is usually performed in units of a block, and 0V and non-selected NAND are applied to all the word lines of the selected block.
A high voltage V PP is applied to all word lines in the column and the substrate or well. As a result, electrons are extracted from the floating gate to the substrate only in the memory transistor of the selected block, and the threshold voltage of the memory transistor shifts in the negative direction. For example, the normally-on erase state (the logical state is, for example, “1”) "Corresponds to").
【0012】一方、データのプログラム動作は、通常、
選択するワード線に接続されたメモリトランジスタ一括
に、いわゆるページ単位で行われる。具体的には、ビッ
ト線側の選択トランジスタをオン、ソース線側の選択ト
ランジスタをオフした状態で、選択ワード線に高電圧、
非選択ワード線に非選択セルに書き込みは行われないが
オンする程度の中間電圧(パス電圧)を印加する。この
とき、プログラム(例えば“0”データを記憶)すべき
メモリトランジスタが接続された選択ビット線に0V、
プログラムを禁止(例えば“0”データを保持)すべき
メモリトランジスタのみ接続された非選択ビット線に上
記印加高電圧による電位との電位差により書き込みがさ
れない程度に高い中間電位を設定しておく。その結果、
プログラムすべき選択メモリトランジスタのみ、フロー
ティングゲート中に電子が注入されて、選択メモリトラ
ンジスタのしきい値電圧は正方向にシフトして上記消去
状態より高い、例えばノーマリーオフの書き込み状態に
なる。On the other hand, the data programming operation is usually
This operation is performed in a so-called page unit for the memory transistors connected to the selected word line. Specifically, with the selection transistor on the bit line side turned on and the selection transistor on the source line side turned off, a high voltage is applied to the selected word line.
An intermediate voltage (pass voltage) is applied to an unselected word line, which does not write to unselected cells but turns on. At this time, 0 V is applied to the selected bit line to which the memory transistor to be programmed (for example, storing “0” data) is connected.
An intermediate potential that is high enough to prevent writing due to a potential difference from the potential due to the applied high voltage is set to a non-selected bit line connected only to a memory transistor for which programming is to be inhibited (for example, holding “0” data). as a result,
Only the selected memory transistor to be programmed has electrons injected into the floating gate, and the threshold voltage of the selected memory transistor shifts in the positive direction to a higher state than the erased state, for example, a normally-off write state.
【0013】この書き込み動作において、通常、高い負
荷容量を有するビット線の充放電により動作時間が律束
されるので、ビット線を駆動する電圧を低減して昇圧系
回路の負担を軽減することを主な目的として、非選択N
AND列のみ選択ゲートでビット線から切り離す技術
が、特許公開公報平6−97455号に記載されてい
る。この技術では、非選択ビット線の印加電圧を選択ゲ
ートの印加電圧からしきい値を引いた程度に低減して、
非選択NAND列をビット線から切り離すこととしてい
る。この結果、以後はパス電圧やプログラム電圧による
自動昇圧により、非選択NAND列のチャネル電位(書
き込み阻止電位)が設定されることから、上記文献に記
載された技術は、現在、セルフブースト技術として広く
知られている。In this writing operation, the operation time is usually limited by the charging and discharging of a bit line having a high load capacity. Therefore, it is necessary to reduce the voltage for driving the bit line to reduce the load on the booster circuit. The main purpose is non-selection N
A technique of disconnecting only the AND columns from the bit lines by the selection gate is described in Japanese Patent Laid-Open Publication No. Hei 6-97455. In this technique, the applied voltage of the unselected bit line is reduced to a value obtained by subtracting the threshold from the applied voltage of the select gate.
Unselected NAND strings are separated from bit lines. As a result, thereafter, the channel potential (write blocking potential) of the non-selected NAND string is set by the automatic boosting by the pass voltage or the program voltage. Therefore, the technique described in the above-mentioned literature is now widely used as a self-boost technique. Are known.
【0014】[0014]
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、このセ
ルフブースト技術を、例えば図14の断面図で基本構成
を示した従来の不揮発性メモリ装置に適用した場合、以
下に示す幾つかの問題がある。However, when this self-boost technique is applied to, for example, a conventional nonvolatile memory device whose basic configuration is shown in the sectional view of FIG. 14, there are several problems as described below.
【0015】不揮発性メモリでは、電源電圧の低減、セ
ル微細化が進むにつれてトンネル絶縁膜を更に薄膜化し
ているが、特にFG型ではストレスリークに起因した膜
厚限界が存在することが指摘され、その膜厚限界は理論
値でも6nm、現実には8nm程度とされており(日経
マイクロデバイス1月号及び2月号,1997年 参
照)、トンネル膜厚がスケーリングされないまま低電圧
駆動が進むと、書き込み速度が遅くなる可能性がある。
第1の問題は、このような理由で書き込み速度が遅い場
合に、データを書き込んでいる選択セルと同じワード線
に接続された非選択セルのメモリトランジスタが、誤書
き込みされやすいことである。先に挙げた文献(公開公
報)によれば、非選択NAND列を有効に書き込み禁止
状態にしてしきい値シフトがない時間は、ある一定の上
限があり、例えば10msecを越えるとしきい値が上
昇することがグラフで示されている。したがって、書き
込み時間がこの上限を越えて長くなると、書き込みの最
終段階で同じ選択ワード線に接続された非選択セルのメ
モリトランジスタに電荷が注入されて、多少なりとも書
き込みされてしまう。In the non-volatile memory, the tunnel insulating film is further thinned as the power supply voltage is reduced and the cell is miniaturized. In particular, it is pointed out that the FG type has a thickness limit due to stress leak. The film thickness limit is 6 nm in theory, and is actually about 8 nm (see Nikkei Microdevices January and February, 1997). If low-voltage driving proceeds without scaling the tunnel film thickness, The writing speed may be slow.
The first problem is that when the writing speed is low for such a reason, the memory transistor of a non-selected cell connected to the same word line as the selected cell to which data is being written is likely to be erroneously written. According to the above-mentioned document (publication publication), there is a certain upper limit for the time during which a non-selected NAND string is effectively in a write-protected state and there is no threshold shift. For example, when the time exceeds 10 msec, the threshold rises. Is shown graphically. Therefore, if the write time becomes longer than this upper limit, electric charges are injected into the memory transistors of the non-selected cells connected to the same selected word line at the final stage of the write, and the write is performed to some extent.
【0016】この第1の問題は、基本的にはMONOS
型、MNOS型等においても同じであるが、MONOS
型、MNOS型等では、電荷トラップが離散化されてい
るのでFG型に比べゲート絶縁膜のスケーリング性に優
れるとされることから、プログラム電圧の低下に伴いゲ
ート絶縁膜等のスケーリングを行うことで、書き込み時
の低電圧化に伴って書き込み速度が低下しにくく、この
点ではFG型より有利である。The first problem is basically that the MONOS
Type, MNOS type, etc.
Type, MNOS type, etc., charge traps are discretized, so that it is considered that the gate insulating film is more excellent in scalability than the FG type. In addition, the writing speed is not easily reduced with the lowering of the voltage at the time of writing, which is more advantageous than the FG type in this point.
【0017】第2の課題として、素子の微細化に伴い減
少化傾向にある書き込み状態と消去状態のしきい値のシ
フト量(Vthウインドウ幅)がプログラム電圧の低電圧
化に適合しないことが挙げられる。すなわち、従来より
低い電圧でプログラムされるように記憶素子のトンネル
絶縁膜等が最適化されているNAND型不揮発性メモリ
において、Vthウインドウ幅もある程度縮小化されない
と、特に読み出し時にNAND列の非選択メモリトラン
ジスタをオンさせる電圧を低くできず、しきい値のバラ
ツキに応じて弱く書き込まれる非選択メモリトランジス
タが生じやすくなる。この点でも、誤書き込みが発生し
やい傾向にある。A second problem is that the threshold value shift amount (Vth window width) between the write state and the erase state, which tends to decrease with the miniaturization of elements, is not suitable for lowering the program voltage. Can be That is, in a NAND type nonvolatile memory in which the tunnel insulating film and the like of the storage element are optimized so as to be programmed at a lower voltage than in the conventional case, if the Vth window width is not reduced to some extent, in particular, the non-selection of the NAND string at the time of reading is performed. The voltage at which the memory transistor is turned on cannot be lowered, and an unselected memory transistor that is weakly written according to the variation in the threshold value is likely to occur. Also in this respect, erroneous writing tends to occur.
【0018】本発明は、このような実情に鑑みてなさ
れ、プログラム電圧の低減に伴う非選択セルへの誤書き
込みを有効に防止する構造の不揮発性半導体記憶装置を
提供することを目的とする。また、本発明は、この不揮
発性半導体記憶装置において好適に実施でき、プログラ
ム電圧の低減に伴う非選択セルへの誤書き込みを有効に
防止できる不揮発性半導体記憶装置の書き込み方法を提
供することを他の目的とする。The present invention has been made in view of such circumstances, and has as its object to provide a nonvolatile semiconductor memory device having a structure for effectively preventing erroneous writing to unselected cells due to a reduction in program voltage. Another object of the present invention is to provide a writing method of a nonvolatile semiconductor memory device that can be suitably implemented in the nonvolatile semiconductor memory device and that can effectively prevent erroneous writing to an unselected cell due to a reduction in a program voltage. The purpose of.
【0019】[0019]
【課題を解決するための手段】上述した従来技術の問題
点を解決し、上記目的を達成するために、本発明の不揮
発性半導体記憶装置では、例えば従来構成のNAND列
等、トランジスタが直列接続されるようなセル構成にお
いて、そのトランジスタ間に共通な不純物添加領域(ソ
ース・ドレイン領域)がない構成とし、当該半導体領域
を、特に選択メモリトランジスタと同一ワード線に接続
された非選択メモリトランジスタ側で容量結合によって
空乏化させ、これにより書き込み阻止電位を誘起させる
こととした。すなわち、本発明の不揮発性半導体記憶装
置は、半導体のチャネル形成領域上に電荷蓄積手段を含
む絶縁膜を介して積層された第1の制御電極に電圧を印
加し、前記電荷蓄積手段に対し電荷を電気的に注入し又
は当該電荷蓄積手段から電荷を引き抜くことにより情報
を記憶する記憶素子と、前記電荷の注入又は引き抜きの
際に前記チャネル形成領域に所定の電位を伝達する素子
とを有する不揮発性半導体記憶装置であって、前記記憶
素子と前記所定電位を伝達する素子間の半導体領域と容
量結合し、当該半導体領域に対し素子間チャネルまたは
空乏層の形成と電位の制御を行う第2の制御電極が、当
該記憶素子と所定電位を伝達する素子との間の半導体領
域上に絶縁膜を介して設けられている。この所定電位を
伝達する素子は、例えばNAND型等の他の記憶素子で
あってもよく、また、行方向又は列方向の複数の記憶素
子間で共通な配線と前記記憶素子との接続と遮断を制御
する選択素子であってもよい。In order to solve the above-mentioned problems of the prior art and to achieve the above object, in a nonvolatile semiconductor memory device of the present invention, for example, a transistor such as a conventional NAND string is connected in series. In such a cell configuration, there is no common impurity added region (source / drain region) between the transistors, and the semiconductor region is connected to a non-selected memory transistor connected to the same word line as the selected memory transistor. To deplete by capacitive coupling, thereby inducing a write blocking potential. That is, in the nonvolatile semiconductor memory device of the present invention, a voltage is applied to the first control electrode stacked on the channel forming region of the semiconductor via the insulating film including the charge storage means, and the charge is applied to the charge storage means. A non-volatile storage element that stores information by electrically injecting or extracting electric charge from the charge storage means, and an element that transmits a predetermined potential to the channel formation region when the electric charge is injected or extracted. A second semiconductor memory device, which is capacitively coupled to a semiconductor region between the storage element and the element transmitting the predetermined potential, and forms a channel between elements or a depletion layer and controls a potential in the semiconductor region. A control electrode is provided on a semiconductor region between the storage element and an element transmitting a predetermined potential via an insulating film. The element for transmitting the predetermined potential may be another storage element such as a NAND type, for example, and a connection and disconnection between a common wiring and the storage element between a plurality of storage elements in a row direction or a column direction. May be a selection element for controlling.
【0020】好ましくは、前記第2の制御電極は、前記
第1の制御電極および前記電荷蓄積手段に対し絶縁膜を
介して覆うプレート形状を有し、かつ、少なくとも行方
向に並ぶ複数の前記記憶素子列間で共通に設けられてい
る。また、好ましくは、行方向又は列方向の複数の記憶
素子間で共通な配線と前記記憶素子との接続および遮断
をそれぞれ制御する複数の選択素子と、当該複数の選択
素子の制御電極、前記複数の記憶素子の第1の制御電
極、第2の制御電極、前記配線の印加電圧をそれぞれ制
御して、書き込みを行う選択記憶素子に隣接した前記素
子間半導体領域に反転層を形成し、当該反転層に、対応
する導通状態の選択素子を介して前記所定電位を供給す
る一方で、第1の制御電極が前記選択記憶素子と共通接
続された非選択な記憶素子に隣接した素子間半導体領域
を、対応する選択素子を遮断し電気的に浮遊状態として
空乏化し、当該素子間半導体領域に所定の書き込み阻止
電位を誘起させるバイアス制御手段とを、更に有する。Preferably, the second control electrode has a plate shape that covers the first control electrode and the charge storage means via an insulating film, and at least a plurality of the memory cells arranged in a row direction. It is provided in common between the element rows. Further, preferably, a plurality of selection elements for controlling connection and disconnection between a common wiring and the storage element between a plurality of storage elements in a row direction or a column direction, and a control electrode of the plurality of selection elements, Controlling the first control electrode, the second control electrode, and the voltage applied to the wiring of the storage element to form an inversion layer in the inter-element semiconductor region adjacent to the selected storage element on which writing is performed; While supplying the predetermined potential to the layer via the corresponding conductive selection element, the first control electrode is connected to the inter-element semiconductor region adjacent to an unselected storage element commonly connected to the selected storage element. And a bias control means for shutting off the corresponding selection element to deplete it into an electrically floating state and inducing a predetermined write blocking potential in the inter-element semiconductor region.
【0021】本発明の不揮発性半導体記憶装置の書き込
み方法は、半導体のチャネル形成領域上に、電荷蓄積手
段を含む絶縁膜を介して制御電極を積層させてなる複数
の記憶素子を行列状に配置させてメモリセルアレイが構
成され、前記制御電極にプログラム電圧を印加すること
により前記電荷蓄積手段に電荷を電気的に注入し又は当
該電荷蓄積手段から電荷を引き抜いて情報を記憶する不
揮発性半導体記憶装置の書き込み方法であって、書き込
みを行う前記記憶素子について、そのチャネル形成領域
に隣接した半導体領域に少数キャリアによる反転層を形
成し、当該反転層を上記プログラム電圧印加による電位
との電位差により書き込みが行われる所定電位で保持し
て書き込みを行い、前記記憶素子と制御電極同士が接続
された情報を書き込まない他の記憶素子について、その
チャネル形成領域に隣接した半導体領域に上記書き込み
中に空乏層を形成し、書き込み阻止電位を誘起させる。According to a writing method of a nonvolatile semiconductor memory device of the present invention, a plurality of memory elements each having a control electrode laminated on a channel forming region of a semiconductor via an insulating film including charge storage means are arranged in a matrix. A nonvolatile semiconductor memory device in which a memory cell array is formed, and a program voltage is applied to the control electrode to electrically inject charges into the charge storage means or to extract information from the charge storage means to store information. In the method for writing, for the storage element to be written, an inversion layer is formed by a minority carrier in a semiconductor region adjacent to a channel formation region, and the inversion layer can be written by a potential difference from a potential caused by application of the program voltage. The writing is performed by holding at a predetermined potential to be performed, and the information in which the storage element and the control electrode are connected to each other is written. Manai the other memory element and a channel formation region in the semiconductor region adjacent to form a depletion layer in the writing, to induce a write blocking potential.
【0022】このような不揮発性半導体記憶装置及びそ
の書き込み方法では、それぞれ所定電位が印加された前
記第1及び第2の制御電極の容量結合により、チャネル
形成領域と素子間半導体領域に少数キャリアが引き寄せ
られて、メモリトランジスタを単数又は複数個含むトラ
ンジスタ列ごとに反転層が形成される。ところが、トラ
ンジスタ列が複数ある場合、その素子間の半導体領域の
表面側部分が配線に電気的に接続されて、ある電位が供
給されている場合と、電位を供給する配線と切り離され
ている場合とでは、隣接する領域にチャネルを形成する
際に時間差が生じる。このような制御では、例えばセル
フブースト技術を用いて書き込みを禁止するNAND型
の場合で説明すると、選択ブロックのNAND列端に接
続された選択トランジスタがオンしてビット線電位(例
えば、0V)が供給されているので、ビット線から少数
キャリアが急速に供給されて、この選択ブロックのNA
ND列は、チャネルが早く形成される。一方、非選択ブ
ロックでは、ビット線側の選択トランジスタが遮断する
ので、表面にチャネル形成領域を有するウェル等は例え
ば接地電位に固定されているものの、チャネル形成領域
端の表面領域が電位固定されていないことから、少数キ
ャリアの急速な供給源がない。このため、ビット線から
所定電位(例えば、接地電位)が供給されている場合と
比較してチャネルの形成が遅く、空乏化した状態が長く
保持される。このとき非選択ブロックの素子間半導体領
域は、第2の制御電極との容量結合によって電位がプル
アップされ、この結果、当該素子間半導体領域、ひいて
は隣接するチャネル形成領域に所定の書き込み阻止電位
を誘起することが可能となる。In such a nonvolatile semiconductor memory device and its writing method, minority carriers are present in the channel formation region and the inter-element semiconductor region due to the capacitive coupling between the first and second control electrodes to which a predetermined potential is applied. Then, an inversion layer is formed for each transistor row including one or more memory transistors. However, in the case where there are a plurality of transistor arrays, the surface side portion of the semiconductor region between the elements is electrically connected to the wiring to supply a certain potential, and when the potential is separated from the wiring supplying the potential. And, a time difference occurs when a channel is formed in an adjacent region. In such a control, for example, in the case of a NAND type in which writing is inhibited using a self-boost technique, a selection transistor connected to a NAND column end of a selected block is turned on and a bit line potential (for example, 0 V) is increased. The minority carriers are rapidly supplied from the bit line, and the NA of the selected block is increased.
In the ND column, the channel is formed earlier. On the other hand, in the unselected block, the selection transistor on the bit line side is cut off, so that the well or the like having the channel formation region on the surface is fixed to, for example, the ground potential, but the surface region at the end of the channel formation region is fixed in potential. Because of the lack, there is no rapid source of minority carriers. Therefore, as compared with the case where a predetermined potential (for example, a ground potential) is supplied from the bit line, channel formation is slower, and the depleted state is maintained longer. At this time, the potential of the inter-element semiconductor region of the non-selected block is pulled up by capacitive coupling with the second control electrode. As a result, a predetermined write-inhibiting potential is applied to the inter-element semiconductor region and, consequently, the adjacent channel formation region. Can be induced.
【0023】従来では、非選択ブロックはビット線等の
配線に接続されなくても、NAND列の途中に所定間隔
でチャネル形成領域を挟んで交互に、チャネル形成領域
と逆導電型の不純物拡散層(ソース・ドレイン領域)が
設けられているので、これが少数キャリアの供給源とし
て機能し、選択ブロックのチャネル形成より遅いが、そ
れでも比較的に速い段階でチャネルが形成されてしま
う。また、チャネルで連続した素子間の電位差は少なく
なり、書き込み禁止をしたい記憶素子のチャネル形成領
域の電位を隣接する記憶素子のチャネル形成領域の電位
よりその絶対値を大きく設定して、書き込み禁止を確実
にすることは難しかった。Conventionally, a non-selected block is alternately connected to a channel forming region and an impurity diffusion layer of the opposite conductivity type at predetermined intervals in the middle of a NAND string, even if it is not connected to a wiring such as a bit line. Since the (source / drain region) is provided, this functions as a source of minority carriers, and the channel is formed at a relatively high speed, although it is slower than the channel formation of the selected block. In addition, the potential difference between successive elements in the channel is reduced, and the absolute value of the potential of the channel formation region of the storage element to be write-protected is set to be larger than the potential of the channel formation region of the adjacent storage element, thereby inhibiting the write protection. It was difficult to ensure.
【0024】これに対し、本発明の不揮発性半導体記憶
装置では、このようなキャリア供給源として作用する不
純物拡散層がなく、その部分に隣接するチャネル形成領
域でのチャネル(反転層)の形成を従来より遅くでき、
この結果、書き込み禁止時間が長くなる。つまり、誤書
き込みに対する時間的なマージンが拡大する。また、こ
のチャネル形成を遅くできることは、ある時刻でみる
と、トンネル絶縁膜にかかる電位差に関し、誤書き込み
が生じる限界値との電圧マージンが拡大することを意味
する。さらに、記憶素子間、記憶素子と選択素子間の半
導体領域表面に空乏層を誘起し、その表面電位を第2の
制御電極の電位で制御できるので、書き込み禁止をした
い記憶素子のチャネル形成領域の表面電位の絶対値を大
きく設定することが可能となり、書き込み禁止を確実に
することができる。On the other hand, in the nonvolatile semiconductor memory device of the present invention, there is no impurity diffusion layer acting as such a carrier supply source, and a channel (inversion layer) is formed in a channel formation region adjacent to the impurity diffusion layer. It can be slower than before,
As a result, the write inhibit time becomes longer. That is, the time margin for erroneous writing is increased. Further, the fact that the channel formation can be delayed means that, at a certain time, a voltage margin with respect to a potential difference applied to the tunnel insulating film with respect to a limit value at which erroneous writing occurs increases. Further, a depletion layer is induced between the storage elements and between the storage element and the selection element on the surface of the semiconductor region, and the surface potential can be controlled by the potential of the second control electrode. It is possible to set the absolute value of the surface potential to be large, and it is possible to surely inhibit writing.
【0025】とくに、電荷蓄積手段が平面内で離散化さ
れている場合、上記電圧マージンをさらに大きくでき
る。FG型では、第2の制御電極の印加電圧を大きくす
ると、空乏層(素子間半導体領域)の電位が上昇するが
容量結合によって電荷蓄積手段(浮遊ゲート)電位もあ
る程度上昇してしまう。これに対し、電荷蓄積手段が平
面内で離散化されている場合、これと第2の制御電極と
は殆ど容量結合しないので、誤書き込みを引き起こすト
ンネル絶縁膜にかかる電位差を急速に低下させることが
できる。In particular, when the charge storage means is discretized in a plane, the voltage margin can be further increased. In the FG type, when the voltage applied to the second control electrode is increased, the potential of the depletion layer (inter-element semiconductor region) increases, but the potential of the charge storage means (floating gate) also increases to some extent due to capacitive coupling. On the other hand, when the charge storage means is discretized in a plane, this is hardly capacitively coupled to the second control electrode, so that the potential difference applied to the tunnel insulating film causing erroneous writing can be rapidly reduced. it can.
【0026】[0026]
【発明の実施の形態】本発明は、記憶素子が、その制御
電極の容量結合を利用して電荷蓄積手段(例えば、フロ
ーティングゲート,電荷トラップ等)に対し電荷を電気
的に注入し又は引き抜くことを基本動作とし、その記憶
素子が、他の記憶素子又は選択トランジスタ等と直列接
続されるセル構成を有する不揮発性半導体記憶装置に広
く適用される。このような不揮発性半導体記憶装置であ
れば、記憶素子の種類に限定はなく、通常のFG(Float
ing Gate) 型のほか、MNOS(Metal-Nitride-Oxide S
emiconductor) 、MONOS(Metal-Oxide-Nitride-Oxi
de Semiconductor) 、更にはナノ結晶型等に適用可能で
ある。また、メモリセル方式に限定はなく、NAND型
のほか、NOR型(ビット線,ソース線が階層化された
もの、例えばDINOR型或いはAND型を含む)に適
用可能である。以下、MONOS,MNOS型及びFG
型FETを記憶素子として有するNAND型不揮発性メ
モリ装置を例として、本発明に係る不揮発性半導体記憶
装置及びその製造方法の実施形態を、図面にもとづいて
詳細に説明する。DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS The present invention relates to a storage element in which a storage element electrically injects or withdraws electric charge from or to a charge storage means (for example, a floating gate, a charge trap, etc.) by utilizing the capacitive coupling of its control electrode. , And is widely applied to a nonvolatile semiconductor memory device having a cell configuration in which a storage element is connected in series with another storage element or a selection transistor. With such a nonvolatile semiconductor memory device, the type of storage element is not limited, and a normal FG (Float
ing Gate) type and MNOS (Metal-Nitride-Oxide S
emiconductor), MONOS (Metal-Oxide-Nitride-Oxi
de Semiconductor) and further, a nanocrystal type or the like. The memory cell system is not limited to a NAND type, and is applicable to a NOR type (including a layered bit line and a source line, for example, a DINOR type or an AND type) in addition to a NAND type. Hereinafter, MONOS, MNOS type and FG
Embodiments of a nonvolatile semiconductor memory device according to the present invention and a method for manufacturing the same will be described in detail with reference to the drawings, taking a NAND nonvolatile memory device having a type FET as a storage element as an example.
【0027】第1実施形態 本実施形態は、MONOS型に関するものである。図1
は、本実施形態に係るNAND型不揮発性メモリ装置の
メモリセルアレイの回路構成図である。また、図2は、
本実施形態に係るNAND列(図1の左下のNAND列
に対応)の断面構造図である。 First Embodiment This embodiment relates to a MONOS type. FIG.
1 is a circuit configuration diagram of a memory cell array of a NAND nonvolatile memory device according to the present embodiment. Also, FIG.
FIG. 2 is a sectional structural view of a NAND string (corresponding to a lower left NAND string in FIG. 1) according to the embodiment.
【0028】図1において、各ビット線BLa,BLb
には、それぞれ2本のトランジスタ列(ストリング)が
接続されている。ビット線BLaに接続された第1のス
トリングは、ビット線BLaに接続された選択トランジ
スタS11aと、ソース線SLに接続された選択トラン
ジスタS12aと、両選択トランジスタ間に直列接続さ
れたn個のメモリトランジスタM11a〜M1naとか
らなる。ビット線BLaに接続された第2のストリング
は、ビット線BLaに接続された選択トランジスタS2
1aと、ソース線SLに接続された選択トランジスタS
22aと、両選択トランジスタ間に直列接続されたn個
のメモリトランジスタM21a…とからなる。同様に、
ビット線BLbにも2本のストリングが接続されてお
り、その第1のストリングは、ビット線BLbに接続さ
れた選択トランジスタS11bと、ソース線SLに接続
された選択トランジスタS12bと、両選択トランジス
タ間に直列接続されたn個のメモリトランジスタM11
b〜M1nbとからなる。ビット線BLbに接続された
第2のストリングは、ビット線BLbに接続された選択
トランジスタS21bと、ソース線SLに接続された選
択トランジスタS22bと、両選択トランジスタ間に直
列接続されたn個のメモリトランジスタM21b…とか
らなる。In FIG. 1, each bit line BLa, BLb
Are connected to two transistor rows (strings). The first string connected to the bit line BLa includes a selection transistor S11a connected to the bit line BLa, a selection transistor S12a connected to the source line SL, and n memories connected in series between the selection transistors. It comprises transistors M11a to M1na. The second string connected to the bit line BLa is a select transistor S2 connected to the bit line BLa.
1a and a select transistor S connected to a source line SL.
22a, and n memory transistors M21a... Connected in series between both select transistors. Similarly,
Two strings are also connected to the bit line BLb, and the first string includes a selection transistor S11b connected to the bit line BLb, a selection transistor S12b connected to the source line SL, and a connection between both selection transistors. Memory transistors M11 connected in series to
b to M1nb. The second string connected to the bit line BLb includes a selection transistor S21b connected to the bit line BLb, a selection transistor S22b connected to the source line SL, and n memories connected in series between the selection transistors. The transistors M21b ...
【0029】選択トランジスタS11aおよびS11b
は、ともにビット線選択信号線SG11により制御さ
れ、選択トランジスタS12aおよびS12bは共にソ
ース線選択信号線SG12により制御される。同様に、
選択トランジスタS21aおよびS21bは、ともにビ
ット線選択信号線SG21により制御され、選択トラン
ジスタS22aおよびS22bは共にソース線選択信号
線SG22により制御される。また、メモリトランジス
タM11aとM11b,M12aとM12b,M13a
とM13b,…,M1naとM1nbは、それぞれワー
ド線WL11,WL12,WL13,…,WL1nによ
り制御される。同様に、メモリトランジスタM21aと
M21bは、ワード線WL21により制御される。Select transistors S11a and S11b
Are controlled by a bit line selection signal line SG11, and the selection transistors S12a and S12b are both controlled by a source line selection signal line SG12. Similarly,
Select transistors S21a and S21b are both controlled by bit line select signal line SG21, and select transistors S22a and S22b are both controlled by source line select signal line SG22. Further, the memory transistors M11a and M11b, M12a and M12b, M13a
, M13b,..., M1na and M1nb are controlled by word lines WL11, WL12, WL13,. Similarly, the memory transistors M21a and M21b are controlled by the word line WL21.
【0030】このように相互接続される各ストリングに
おいて、図2の断面に示すように、例えばn型の半導体
基板2内の表面側に、例えばp型のウェル(pウェル
4)が形成され、当該pウェルの表面側にトランジスタ
列が配置させている。In each of the interconnected strings, a p-type well (p-well 4) is formed on the surface side of the n-type semiconductor substrate 2, for example, as shown in the cross section of FIG. A transistor row is arranged on the surface side of the p-well.
【0031】メモリトランジスタM11a〜M1na
は、そのpウェル4上に、トンネル絶縁膜8、窒化膜1
0、トップ酸化膜12、からなるゲート絶縁膜が構成さ
れている。また、ゲート絶縁膜上に、ポリシリコン層1
6と、その上の高融点金属シリサイド層18からなるワ
ード線WL11〜WL1nが積層されている。このワー
ド線は、本発明の“第1の制御電極”に該当する。ま
た、ポリシリコン層と高融点金属シリサイド層からなる
第1の制御電極下方のpウェル表面部分が本発明におけ
る“チャネル形成領域”、当該第1の制御電極間のpウ
ェル表面部分が本発明における“素子間半導体領域”に
該当する。Memory transistors M11a to M1na
Is formed on the p-well 4 by tunnel insulating film 8 and nitride film 1
0, a top oxide film 12 to form a gate insulating film. Also, a polysilicon layer 1 is formed on the gate insulating film.
6 and word lines WL11 to WL1n formed of a refractory metal silicide layer 18 thereon. This word line corresponds to the “first control electrode” of the present invention. Further, the surface portion of the p-well below the first control electrode comprising the polysilicon layer and the refractory metal silicide layer is the “channel forming region” in the present invention, and the surface portion of the p-well between the first control electrodes is the same in the present invention. It corresponds to an “inter-element semiconductor region”.
【0032】選択トランジスタS11a,S12a等
は、通常のMOSFETで構成される。したがって、そ
のゲート絶縁膜14は、シリコン酸化膜のみで構成され
ている。選択トランジスタS11a,S12aの各ゲー
ト電極層は、それぞれビット線選択信号線SG11,ソ
ース線選択信号線SG12を構成する。The selection transistors S11a, S12a, etc. are constituted by ordinary MOSFETs. Therefore, the gate insulating film 14 is composed only of the silicon oxide film. The gate electrode layers of the selection transistors S11a and S12a form a bit line selection signal line SG11 and a source line selection signal line SG12, respectively.
【0033】本実施形態の不揮発性メモリの構造的な特
徴の一つは、メモリトランジスタ間、メモリトランジス
タと選択トランジスタ間のpウェル4の表面領域(素子
間半導体領域)に、このpウェル4と逆導電型の不純物
領域(従来例を示す図14におけるソース・ドレイン領
域6c)が形成されていないことである。他の逆導電型
の不純物領域、即ちビット方向の一方側に隣接する他の
ストリングと共通な逆導電型のドレイン不純物領域6a
と、他方の隣接ストリング間で共通な逆導電型のソース
不純物領域6b(ソース線SL)は、従来と同様に設け
られている。One of the structural features of the nonvolatile memory according to the present embodiment is that the p-well 4 is formed in the surface region (inter-element semiconductor region) of the p-well 4 between the memory transistors and between the memory transistor and the selection transistor. This means that no impurity region of the opposite conductivity type (source / drain region 6c in FIG. 14 showing a conventional example) is formed. Another impurity region of the opposite conductivity type, that is, a drain impurity region 6a of the opposite conductivity type common to another string adjacent to one side in the bit direction.
And a source impurity region 6b (source line SL) of the opposite conductivity type common to the other adjacent string is provided in the same manner as in the related art.
【0034】本実施形態の不揮発性メモリの構造的な他
の特徴は、トランジスタ列上に例えば酸化シリコンから
なる層間絶縁層20を介して、第2の制御電極22が設
けられていることである。この第2の制御電極22は、
例えば各トランジスタ列ごとに、その一方の選択トラン
ジスタの上方から他方の選択トランジスタの上方にかけ
て一枚のプレート状に形成されている。そして、第2の
制御電極22は、各メモリトランジスタ間、或いはメモ
リトランジスタと選択トランジスタ間の素子間半導体領
域に対し層間絶縁層20を介して近接しており、当該制
御電極22の印加電圧に応じて、その下方のpウェル4
表面部分(素子間半導体領域)において素子間チャネル
または空乏層の形成ならびに電位を制御する。Another structural feature of the nonvolatile memory according to the present embodiment is that a second control electrode 22 is provided on a transistor row via an interlayer insulating layer 20 made of, for example, silicon oxide. . This second control electrode 22
For example, one plate is formed for each transistor row from above one of the selection transistors to above the other selection transistor. The second control electrode 22 is close to the semiconductor region between the memory transistors or between the memory transistor and the selection transistor via the interlayer insulating layer 20. And the lower p-well 4
In the surface portion (inter-element semiconductor region), the formation of an inter-element channel or a depletion layer and the control of the potential are controlled.
【0035】第2の制御電極22上を含む全面に、比較
的に厚い層間絶縁層24が成膜され、ビットコンタクト
BCは、この層間絶縁層24について前記ドレイン不純
物領域6a上で開孔されたコンタクト孔24a内を、例
えばTi/TiN等の密着層を介在させてW等の金属プ
ラグで埋め込むことにより形成されている。ビットコン
タクトBCによりトランジスタ列と接続するかたちで、
ビット線BLaが層間絶縁層24上に配線されている。
ビット線BLaは、特に図示しないが、通常、例えばA
l等の主配線層の上下を、反射防止層(又は保護層)と
バリアメタルで挟んだ3層構造を有している。A relatively thick interlayer insulating layer 24 is formed on the entire surface including the second control electrode 22, and a bit contact BC is formed in the interlayer insulating layer 24 on the drain impurity region 6a. The contact hole 24a is formed by embedding a metal plug such as W with an adhesive layer such as Ti / TiN interposed therebetween. In the form of being connected to a transistor row by bit contact BC,
The bit line BLa is wired on the interlayer insulating layer 24.
Although not particularly shown, the bit line BLa is usually, for example, A
It has a three-layer structure in which an upper and lower main wiring layer such as 1 is sandwiched between an antireflection layer (or a protective layer) and a barrier metal.
【0036】このような構成のNAND型不揮発性メモ
リ装置では、メモリトランジスタと隣接する他のトラン
ジスタ間に不純物領域がないので、後述するように誤書
き込みが有効に防止される利点がある。In the NAND type nonvolatile memory device having such a configuration, there is no impurity region between the memory transistor and another transistor adjacent thereto. Therefore, there is an advantage that erroneous writing is effectively prevented as described later.
【0037】つぎに、製造方法について説明する。図3
〜図6は、上述した構成の不揮発性メモリ装置の各製造
過程を示す断面図である。Next, the manufacturing method will be described. FIG.
6 to 6 are cross-sectional views showing each manufacturing process of the nonvolatile memory device having the above-described configuration.
【0038】この図3に先立って、まず、用意した基板
(n型半導体基板2)の表面部分に、例えばLOCOS
又はトレンチによる素子分離領域を形成する。この素子
分離領域は、断面図には現れないが、各トランジスタ列
と交互にビット方向に長い平行ストライプ状に形成さ
れ、これにより主に行方向の素子分離が達成される。Prior to FIG. 3, first, for example, LOCOS is applied to the surface of the prepared substrate (n-type semiconductor substrate 2).
Alternatively, an element isolation region is formed by a trench. Although not appearing in the cross-sectional view, the element isolation region is formed alternately with each transistor column in a parallel stripe shape long in the bit direction, thereby achieving element isolation mainly in the row direction.
【0039】ついで、図3(a)に示すように、基板内
の表面部分にpウェル4をイオン注入法により形成す
る。なお、このpウェル4は、エピタキシャル成長層、
基板(石英、サファイア基板等の半導体以外も可)上に
絶縁層を介して形成したSOI層等で代替できる。pウ
ェル4表面を例えば熱酸化することにより、トンネル絶
縁膜8を形成する。トンネル絶縁膜8は、酸化シリコン
のほか、熱酸化シリコンを熱窒化処理することにより、
その表面部分或いは全ての熱酸化シリコンを窒化酸化シ
リコンとしてもよい。トンネル絶縁膜8上に、例えば窒
化シリコンからなる窒化膜10をCVD法等により成膜
する。Next, as shown in FIG. 3A, a p-well 4 is formed on the surface of the substrate by ion implantation. The p-well 4 has an epitaxial growth layer,
An SOI layer or the like formed on a substrate (other than a semiconductor such as a quartz or sapphire substrate) via an insulating layer can be used. The tunnel insulating film 8 is formed by, for example, thermally oxidizing the surface of the p-well 4. The tunnel insulating film 8 is formed by thermally nitriding thermal silicon oxide in addition to silicon oxide.
The surface portion or all of the thermally oxidized silicon may be silicon nitride oxide. A nitride film 10 made of, for example, silicon nitride is formed on the tunnel insulating film 8 by a CVD method or the like.
【0040】つぎに、図4(b)に示すように、メモリ
トランジスタ列が形成される部分にのみ被膜するレジス
トパターンRPを形成し、これをマスクに下地の窒化膜
10をエッチングし、選択トランジスタが形成される部
分の窒化膜を除去する。このエッチングの際に、トンネ
ル絶縁膜8は少なくとも一部残して、基板側にエッチン
グダメージが導入されないようにすることが望ましい。Next, as shown in FIG. 4B, a resist pattern RP is formed to cover only the portion where the memory transistor row is to be formed. The nitride film in the portion where is formed is removed. At the time of this etching, it is desirable to leave at least a part of the tunnel insulating film 8 so as not to introduce etching damage to the substrate side.
【0041】続く図4(c)では、熱酸化を行う。先の
工程でトンネル絶縁膜8を少なくとも一部残した場合、
熱酸化の前処理等のウェット処理で完全に除去すること
が望ましい。この熱酸化により、ウェル4がほぼ表出し
た選択トランジスタ部には、選択トランジスタのゲート
絶縁膜14となる熱酸化膜が厚く形成される一方、窒化
膜10上では、メモリトランジスタのトップ酸化膜12
となる熱酸化膜が薄く形成される。このとき、窒化膜1
0が膜減りして最終的な所望の窒化膜厚が得られる。In FIG. 4C, thermal oxidation is performed. When at least a part of the tunnel insulating film 8 is left in the previous step,
It is desirable to completely remove by a wet treatment such as a pretreatment for thermal oxidation. Due to this thermal oxidation, a thick thermal oxide film serving as the gate insulating film 14 of the select transistor is formed in the select transistor portion where the well 4 is almost exposed, while the top oxide film 12 of the memory transistor is formed on the nitride film 10.
Is formed thinly. At this time, the nitride film 1
The film thickness is reduced by 0 to obtain a final desired nitride film thickness.
【0042】図5(d)では、熱酸化膜12,14上
に、不純物が導入されて導電化されたポリシリコン層1
6と、高融点金属シリサイド層18を、通常のポリサイ
ド形成法により積層させる。In FIG. 5D, the polysilicon layer 1 doped with impurities and made conductive is formed on the thermal oxide films 12 and 14.
6 and the refractory metal silicide layer 18 are laminated by a normal polycide forming method.
【0043】続く図5(e)では、レジストパターンR
Pを用いて、これをマスクに下地の積層膜をエッチング
し、平行ストライプ状のワード線WL11〜WL1n等
と、選択信号線SG11,SG12等を同時形成する。
この図では、シリコン層が表出するまで全てエッチオフ
しているが、基板側へのダメージ導入を抑制するには、
全ての領域に最下層の酸化膜を部分的に残し、後でウエ
ットエッチングにより除去してもよい。In FIG. 5E, the resist pattern R
Using P as a mask, the underlying laminated film is etched to form parallel striped word lines WL11 to WL1n and the like and select signal lines SG11 and SG12 at the same time.
In this figure, all etching is performed until the silicon layer is exposed, but to suppress the introduction of damage to the substrate side,
The lowermost oxide film may be partially left in all regions, and may be removed later by wet etching.
【0044】つぎに、レジストパターンRPを除去後、
図6(f)に示すように、例えば酸化シリコン等の第1
の層間絶縁層20を全面に薄く成膜する。この成膜は、
例えば熱酸化又はCVDの何れかの方法によって形成す
る。ワード線等がポリシリコンでなる場合、熱酸化法が
採用できる。ワード線等がポリサイドの場合は、CVD
法による。その後、第2の制御電極22となる導電層を
全面に、しかもゲート電極間を埋め込むように成膜し、
これを図示せぬレジストパターンをマスクとしてエッチ
ング加工する。これにより形成された第2の制御電極2
2は、素子間チャネルまたは空乏層の形成ならびに電位
を制御するために、少なくともメモリトランジスタの電
極間を覆っている必要がある。第2の制御電極はトラン
ジスタ電極間のスペース毎に分離された埋め込みライン
状に形成し、図示しない箇所で電気的に接続させる構成
でもよい。この第2の制御電極22、又はその形成マス
クのレジストパターンを付けたままで、これをマスクに
イオン注入を行い、第1の層間絶縁層20をスルー膜と
してpウェル4の表面部分にドレイン不純物領域6a
と、ソース線SLとなるソース不純物領域6bを同時形
成する。Next, after removing the resist pattern RP,
As shown in FIG. 6F, for example, a first material such as silicon oxide is used.
Is thinly formed on the entire surface. This film is
For example, it is formed by any method of thermal oxidation or CVD. When the word lines and the like are made of polysilicon, a thermal oxidation method can be adopted. If the word line is polycide, CVD
By law. After that, a conductive layer serving as the second control electrode 22 is formed on the entire surface and further so as to bury the space between the gate electrodes.
This is etched using a resist pattern (not shown) as a mask. The second control electrode 2 thus formed
In order to control the formation of an inter-element channel or a depletion layer and the potential, 2 needs to cover at least the space between the electrodes of the memory transistor. The second control electrode may be formed in a buried line shape separated for each space between the transistor electrodes, and may be electrically connected at a location (not shown). With the resist pattern of the second control electrode 22 or a mask for forming the second control electrode 22 attached thereto, ion implantation is performed using the resist pattern as a mask, and a drain impurity region is formed on the surface of the p-well 4 using the first interlayer insulating layer 20 as a through film. 6a
And the source impurity region 6b to be the source line SL is formed at the same time.
【0045】その後は、図2に示す如く、厚い第2の層
間絶縁層24を堆積して平坦化し、ビットコンタクト孔
24aの開孔、接続プラグの埋め込み、ビット線の配線
等を行うことによって、当該不揮発性メモリ装置を完成
させる。Thereafter, as shown in FIG. 2, a thick second interlayer insulating layer 24 is deposited and flattened, and a bit contact hole 24a is opened, a connection plug is buried, and a bit line is wired. The nonvolatile memory device is completed.
【0046】つぎに、このような構成のNAND型不揮
発性メモリ装置において、メモリトランジスタのデータ
書き込み,消去及び読み出しの動作説明を行う。このメ
モリトランジスタは2値情報のほかに、多値情報を記憶
する場合も本発明は適用できるが、ここでは、ノーマリ
ーオンとノーマリーオフの2つの状態間での動作説明を
行う。なお、多値の場合は、プログラム時或いは読み出
し時のワード線電圧又はビット線を段階的に、例えば正
方向にシフトさせて行うことから、基本的な動作は同じ
である。Next, the operation of writing, erasing, and reading data of the memory transistor in the NAND nonvolatile memory device having such a configuration will be described. The present invention can be applied to a case where this memory transistor stores multivalued information in addition to binary information. Here, an operation between two states of normally on and normally off will be described. In the case of multi-valued data, the basic operation is the same since the word line voltage or the bit line at the time of programming or reading is shifted stepwise, for example, in the positive direction.
【0047】まず、読み出し動作では、読み出すセル
(選択セル)が接続されたワード線(選択ワード線)と
ウェルを0Vに電位固定し、全ての選択トランジスタ
と、選択ワード線以外のワード線(非選択ワード線)に
接続されたメモリトランジスタとの全てが導通するよう
な電圧VRGを、全ての選択信号線と非選択ワード線に印
加する。この電圧VRGは、ウェルとの電位差のみでは、
メモリトランジスタに書き込みと消去がされない大きさ
である。また、前記第2の制御電極に印加する電圧は、
読み出すセルを含むNAND列において、その素子間チ
ャネルが形成される電圧が選択される。この状態で、選
択セルが接続されたビット線(選択ビット線)のみ正の
電圧を印加すると、情報を読み出すセル以外の全てのメ
モリトランジスタは導通状態にあるため、選択セルのメ
モリトランジスタが、ノーマリーオンかノーマリーオフ
かによって、選択ビット線に電流が流れるか流れないか
が決まる。この電流の有無を検出し、記憶データの論理
状態“1”又は“0”を判定する。First, in the read operation, the potential of the word line (selected word line) to which the cell to be read (selected cell) is connected and the well are fixed to 0 V, and all the selected transistors and the word lines (non-selected) other than the selected word line are set. A voltage VRG that makes all of the memory transistors connected to the selected word line) conductive is applied to all the selected signal lines and unselected word lines. This voltage V RG can be obtained only by the potential difference from the well.
The size does not allow writing and erasing to the memory transistor. Further, the voltage applied to the second control electrode is:
In a NAND string including cells to be read, a voltage at which a channel between elements is formed is selected. In this state, when a positive voltage is applied only to the bit line (selected bit line) to which the selected cell is connected, all the memory transistors other than the cell from which information is read are in a conductive state. Whether the current flows or does not flow through the selected bit line is determined depending on whether the current is on or normally off. The presence or absence of this current is detected to determine the logical state “1” or “0” of the stored data.
【0048】消去動作は、従来と同様に、ブロック単位
又はメモリセルアレイ一括して行われ、全ての選択トラ
ンジスタをオフした状態で、消去単位の全ワード線に0
V、非選択NAND列の全ワード線および基板又はウェ
ルに高電圧VPPを印加する。その結果、選択ブロックの
メモリトランジスタのみ、基板側から正孔が窒化膜およ
び窒化膜と酸化膜の界面付近に存在する捕獲準位(電荷
トラップ)に注入され、メモリトランジスタのしきい値
電圧は負方向にシフトして、例えばノーマリーオンの消
去状態(論理状態は例えば“1”に対応)になる。The erasing operation is performed in a block unit or a memory cell array collectively, as in the conventional case. With all the select transistors turned off, 0 is applied to all the word lines in the erasing unit.
V, a high voltage V PP is applied to all word lines and substrates or wells of a non-selected NAND string. As a result, only the memory transistors in the selected block have holes injected from the substrate side into the nitride film and trap levels (charge traps) existing near the interface between the nitride film and the oxide film, and the threshold voltage of the memory transistor is negative. To a normally-on erased state (the logical state corresponds to, for example, "1").
【0049】一方、データのプログラム動作では、ワー
ド線に接続されたメモリトランジスタ一括に、いわゆる
ページ単位で行われる。具体的には、通常、選択ブロッ
ク行のソース側に近いページから書き込みを行うが、ま
ず、ソース線側の選択トランジスタをオフした状態で、
選択ビット線に例えば0V、ビット線側の選択トランジ
スタのゲート(ビット線選択信号線)および非選択ビッ
ト線に例えば電源電圧VDD程度(例えば5V程度)を印
加しておく。そして、非選択ワード線には、非選択セル
が導通する程度の電圧、選択ワード線には高いプログラ
ム電圧VPPを印加する。すると、選択ブロックのNAN
D列端に接続された選択トランジスタがオンしてビット
線電位(例えば、0V)が供給されているので、ビット
線から少数キャリアが急速に供給されて、この選択ブロ
ックのNAND列は、チャネルが早く形成される。その
結果、プログラムすべき選択メモリトランジスタのみ、
窒化膜中および窒化膜と酸化膜との界面付近に存在する
捕獲準位に電子が注入されて、選択メモリトランジスタ
のしきい値電圧は正方向にシフトして上記消去状態より
高い、例えばノーマリーオフの書き込み状態になる。On the other hand, the data programming operation is performed for the memory transistors connected to the word line at a time in a so-called page unit. Specifically, usually, writing is performed from the page near the source side of the selected block row, but first, with the selection transistor on the source line side turned off,
For example, 0 V is applied to the selected bit line, and a power supply voltage of, for example, about V DD (for example, about 5 V) is applied to the gate of the selection transistor on the bit line side (bit line selection signal line) and unselected bit lines. Then, a voltage to such an extent that the non-selected cells conduct is applied to the non-selected word lines, and a high program voltage V PP is applied to the selected word lines. Then, NAN of the selected block
Since the selection transistor connected to the end of the D column is turned on and the bit line potential (for example, 0 V) is supplied, minority carriers are rapidly supplied from the bit line, and the channel of the NAND column of the selected block is Formed quickly. As a result, only the selected memory transistor to be programmed,
Electrons are injected into the trap level existing in the nitride film and near the interface between the nitride film and the oxide film, and the threshold voltage of the selected memory transistor shifts in the positive direction and becomes higher than the erased state, for example, a normally erased state. The writing state is turned off.
【0050】一方、非選択ブロックでは、そのビット線
側の選択トランジスタがビット線選択信号線の印加電圧
から選択ゲートのしきい値電圧を引いた僅かな電位上昇
で導通状態から遮断状態に推移するので、表面にチャネ
ル形成領域を有するウェル自体は接地電位に固定されて
いるものの、チャネル形成領域端の表面領域が電位固定
されていないことから、また、従来のように素子間に共
通なソース・ドレイン不純物領域がなく、少数キャリア
の急速な供給源がない。このため、ビット線から所定電
位(例えば、接地電位)が供給されている選択NAND
列側と比較してチャネルの形成が遅く、空乏化した状態
が長く(一定時間)保持される。そして、この空乏層が
形成されている間に、非選択NAND列の素子間半導体
領域はその電位が第2の制御電極22との容量結合によ
ってプルアップされ、この結果、当該素子間半導体領
域、ひいては隣接するチャネル形成領域に所定の書き込
み阻止電位が誘起され、誤書き込み防止が達成される。On the other hand, in a non-selected block, the select transistor on the bit line side changes from the conductive state to the cut-off state with a slight potential rise obtained by subtracting the threshold voltage of the select gate from the applied voltage of the bit line select signal line. Therefore, although the well itself having the channel forming region on the surface is fixed at the ground potential, the potential of the surface region at the end of the channel forming region is not fixed. There is no drain impurity region and no rapid source of minority carriers. Therefore, the selected NAND to which a predetermined potential (for example, ground potential) is supplied from the bit line
Channel formation is slower than in the column side, and the depleted state is maintained for a long time (constant time). While the depletion layer is formed, the potential of the inter-element semiconductor region of the non-selected NAND string is pulled up by capacitive coupling with the second control electrode 22, and as a result, the inter-element semiconductor region, As a result, a predetermined write-inhibiting potential is induced in the adjacent channel formation region, thereby preventing erroneous writing.
【0051】このように本実施形態では、従来でソース
・ドレイン不純物領域が形成されていた素子間半導体領
域を第2の制御電極22との容量結合により空乏化した
状態でセルフブーストすることから、この間にプログラ
ム電圧VPPの印加パルス(書き込みパルス)が終了する
時間的な余裕が生じ、即ち書き込み禁止時間が長くな
る。結果として、誤書き込みに対する時間的なマージン
が拡大する。また、このチャネル形成を遅くできること
は、ある時刻でみると、トンネル絶縁膜にかかる電位差
に関し、誤書き込みが生じる限界値との電圧マージンが
拡大することを意味する。とくに、本例では電荷蓄積手
段が平面内で離散化されているので、上記電圧マージン
をさらに大きくできる。すなわち、FG型では第2の制
御電極の印加電圧を大きくすると、空乏層(素子間半導
体領域)の電位が上昇するが第2の制御電極との容量結
合によって電荷蓄積手段(浮遊ゲート)電位もある程度
上昇してしまうが、本例では電荷蓄積手段が平面内で離
散化されているので、これと第2の制御電極とは殆ど容
量結合しないので、誤書き込みを引き起こすトンネル絶
縁膜にかかる電位差を急速に低下させることができる。As described above, according to the present embodiment, the inter-element semiconductor region in which the source / drain impurity regions are conventionally formed is self-boosted in a depleted state by capacitive coupling with the second control electrode 22. During this time, there is enough time to complete the application pulse (write pulse) of the program voltage V PP , that is, the write inhibition time becomes longer. As a result, a time margin for erroneous writing is increased. Further, the fact that the channel formation can be delayed means that, at a certain time, a voltage margin with respect to a potential difference applied to the tunnel insulating film with respect to a limit value at which erroneous writing occurs increases. In particular, in this example, since the charge storage means is discretized in a plane, the voltage margin can be further increased. That is, in the FG type, when the voltage applied to the second control electrode is increased, the potential of the depletion layer (inter-element semiconductor region) increases, but the potential of the charge storage means (floating gate) also increases due to capacitive coupling with the second control electrode. Although this rises to some extent, in this example, since the charge storage means is discretized in a plane, this is hardly capacitively coupled to the second control electrode, so that the potential difference applied to the tunnel insulating film causing erroneous writing is reduced. Can be reduced rapidly.
【0052】不揮発性メモリ装置では、プログラム動作
が、一般に、書き込みパルスによるプログラムによって
所望のしきい値が得られたかを検証する一種の読み出し
動作を繰り返しながら実行される。すなわち、プログラ
ム後の検証において所望のしきい値が得られると、その
メモリトランジスタについては、セルフブースト動作に
より書き込み禁止状態を設定しながら次のプログラムを
行い、再度しきい値を検証する。これをワード線に接続
されたメモリトランジスタ全てのしきい値について、所
望の値が得られるまで繰り返し行う。In a nonvolatile memory device, a program operation is generally performed while repeating a kind of read operation for verifying whether a desired threshold value is obtained by programming with a write pulse. That is, when a desired threshold value is obtained in the verification after programming, the next programming is performed on the memory transistor while setting the write inhibit state by the self-boost operation, and the threshold value is verified again. This is repeated until a desired value is obtained for all the threshold values of the memory transistors connected to the word line.
【0053】本実施形態の不揮発性メモリ装置及びその
書き込み方法では、書き込み禁止時間を長くできること
によって書き込みパルス幅を従来より大きくした制御が
可能であり、特に最終的に制御するしきい値の許容幅が
狭い多値メモリ技術において、書き込みパルス幅の制御
の自由度が増大する利点がある。また、プログラム電圧
が低電圧化された場合に、素子のスケーリングが低電圧
化に適合しない等の理由から書き込み時間が遅くなる場
合でも、有効に誤書き込みを防止できる。さらに、プロ
グラム電圧が低電圧化傾向にあって、これにVthウイン
ドウ幅の縮小化が追いつかない場合、読み出し時の非選
択メモリトランジスタを全てオンさせるには、そのゲー
トに印加されるパス電圧の低下をなかなか進めることが
できないが、本発明によりチャネル形成がされにくいこ
とは、従来では弱い書き込み状態となる高いパス電圧の
ままでも誤書き込みが起きにくい作用をともない、その
意味でも、誤書き込みを有効に防止できる。In the nonvolatile memory device of this embodiment and its writing method, it is possible to make the write pulse width longer than before by making the write inhibit time longer, and in particular, to allow the threshold value to be finally controlled. In a multi-valued memory technology with a narrow width, there is an advantage that the degree of freedom in controlling the write pulse width is increased. Further, even when the programming voltage is lowered and the writing time is delayed because the scaling of the element is not suitable for the lowering of the voltage, erroneous writing can be effectively prevented. Furthermore, if the program voltage tends to be lower and the reduction of the Vth window width cannot keep up with this, in order to turn on all the non-selected memory transistors at the time of reading, it is necessary to lower the pass voltage applied to the gate. However, the fact that channel formation is difficult due to the present invention means that erroneous writing does not easily occur even at a high pass voltage that results in a weak writing state in the related art. Can be prevented.
【0054】第2実施形態 本実施形態は、MNOS型不揮発性メモリ装置について
である。本実施形態の不揮発性メモリ装置は、そのメモ
リトランジスタを第1実施形態のMONOS型からMN
OS型に変更したこと以外、図1に示す基本的なセルア
レイの回路構成、動作は第1実施形態と変わらない。し
たがって、ここでは、NAND列の断面構造と製造方法
のみを説明し、他は省略する。また、断面構成において
重複する構成は、同じ符号を付して詳しい説明はしな
い。 Second Embodiment This embodiment relates to an MNOS type nonvolatile memory device. In the nonvolatile memory device of the present embodiment, the memory transistor is changed from the MONOS type of the first embodiment to MN.
Except for the change to the OS type, the circuit configuration and operation of the basic cell array shown in FIG. 1 are the same as those of the first embodiment. Therefore, here, only the cross-sectional structure and the manufacturing method of the NAND string will be described, and the others will be omitted. In addition, the same reference numerals are given to the same configuration in the cross-sectional configuration, and the detailed description is not given.
【0055】図7は、本発明の第2実施形態に係る不揮
発性メモリ装置において、そのNAND列のビット方向
断面図である。本実施形態のメモリトランジスタM11
a〜M1naは、そのゲート絶縁膜が、pウェル4上に
トンネル絶縁膜30、窒化膜32を積層させてなる。ま
た、選択トランジスタのゲート絶縁膜34は、第1実施
形態と同様、酸化シリコンの膜のみから構成させてもよ
いが、ここでは酸化シリコン膜と窒化シリコン膜との積
層膜としている。この場合、下層のシリコン酸化膜厚が
例えば10nm程度の比較的に厚いことからメモリ素子
として機能しない。このNAND型不揮発性メモリ装置
は、第1実施形態と同様、メモリトランジスタと隣接す
る他のトランジスタ間に不純物領域がないので、誤書き
込みが有効に防止される利点がある。FIG. 7 is a sectional view in the bit direction of a NAND string in the nonvolatile memory device according to the second embodiment of the present invention. Memory transistor M11 of the present embodiment
In a to M1na, the gate insulating film is formed by laminating a tunnel insulating film 30 and a nitride film 32 on the p-well 4. Further, the gate insulating film 34 of the select transistor may be composed of only a silicon oxide film as in the first embodiment, but here is a laminated film of a silicon oxide film and a silicon nitride film. In this case, since the lower silicon oxide film has a relatively large thickness of, for example, about 10 nm, it does not function as a memory element. As in the first embodiment, this NAND type nonvolatile memory device has an advantage that erroneous writing is effectively prevented because there is no impurity region between the memory transistor and another transistor adjacent thereto.
【0056】図8〜図11は、上述した構成の不揮発性
メモリ装置の各製造過程を示す断面図である。まず、第
1実施形態と同様にして、用意した基板2に素子分離領
域と、pウェル4を形成し、pウェル4表面を例えば熱
酸化することにより、10nmほどの比較的に厚いゲー
ト酸化膜5を形成する(図8(a))。FIGS. 8 to 11 are sectional views showing the steps of manufacturing the nonvolatile memory device having the above-described structure. First, in the same manner as in the first embodiment, an element isolation region and a p-well 4 are formed in a prepared substrate 2, and a relatively thick gate oxide film of about 10 nm is formed by, for example, thermally oxidizing the surface of the p-well 4. 5 is formed (FIG. 8A).
【0057】図9(b)に示すように、このゲート酸化
膜5上にレジストパターンRPを形成し、これをマスク
としたエッチングにより、メモリトランジスタ部のゲー
ト酸化膜5を除去する。続く図9(c)では、熱酸化法
により、メモリトランジスタのトンネル絶縁膜30を形
成する。このとき、ゲート酸化膜5は僅かに酸化膜厚が
増大する。なお、トンネル絶縁膜30は、一旦熱酸化シ
リコン膜を形成した後、少なくとも表面部分を熱窒化し
てもよい。また、トンネル絶縁膜30上に、窒化膜32
を例えばCVD法により数十nmと比較的に厚く堆積す
る。As shown in FIG. 9B, a resist pattern RP is formed on the gate oxide film 5, and the gate oxide film 5 in the memory transistor portion is removed by etching using the resist pattern RP as a mask. In FIG. 9C, the tunnel insulating film 30 of the memory transistor is formed by a thermal oxidation method. At this time, the gate oxide film 5 has a slightly increased oxide film thickness. The tunnel insulating film 30 may be formed by forming a thermally oxidized silicon film and then thermally nitriding at least the surface portion. A nitride film 32 is formed on the tunnel insulating film 30.
Is deposited to a relatively large thickness of several tens nm by, for example, a CVD method.
【0058】以後は、第1実施形態と同様に、ポリシリ
コン層16と高融点金属シリサイド層18とからなるポ
リサイドを形成し(図10(d))、レジストパターン
RPを用いて、これをマスクに下地の積層膜をエッチン
グしてワード線WL11〜WL1n等と選択信号線SG
11,SG12等を同時形成する(図10(e))。ま
た、レジストパターンRPを除去後、第1の層間絶縁層
20を薄く形成し(図11(f))、この上に第2の制
御電極22を形成した後(図11(g))、第2の層間
絶縁層24の堆積、ビットコンタクトBCの形成、ビッ
ト線BLaの配線等の諸工程を経て、当該不揮発性メモ
リを完成させる。Thereafter, as in the first embodiment, a polycide composed of the polysilicon layer 16 and the refractory metal silicide layer 18 is formed (FIG. 10D), and this is masked using the resist pattern RP. First, the underlying laminated film is etched to form word lines WL11 to WL1n and the like and select signal lines SG.
11, SG12 and the like are simultaneously formed (FIG. 10E). After removing the resist pattern RP, the first interlayer insulating layer 20 is formed thin (FIG. 11 (f)), and after the second control electrode 22 is formed thereon (FIG. 11 (g)), The non-volatile memory is completed through various processes such as deposition of the second interlayer insulating layer 24, formation of the bit contact BC, and wiring of the bit line BLa.
【0059】本実施形態の不揮発性メモリ装置において
も、第1実施形態と同様な利点を有する。すなわち、従
来のようにNAND列内のpウェル内表面側に、これと
逆導電型の不純物領域を有しないので、セルフブースト
により非選択NAND列の書き込み禁止において、その
書き込み禁止時間を長くできる。そのため、プログラム
電圧の低電圧化により書き込み速度が遅い場合、この低
電圧化に伴ってVthウインドウ幅の縮小化が追いつかな
い場合等にあって、誤書き込みが有効に防止できる。ま
た、書き込みパルス幅の制御の自由度が増大する。The nonvolatile memory device of the present embodiment has the same advantages as the first embodiment. That is, since there is no impurity region of the opposite conductivity type on the inner surface side of the p-well in the NAND string as in the related art, the write inhibition time can be lengthened in the write inhibition of the non-selected NAND string by self-boost. For this reason, erroneous writing can be effectively prevented when the writing speed is low due to the lowering of the program voltage or when the reduction of the Vth window width cannot keep up with the lowering of the voltage. Also, the degree of freedom in controlling the write pulse width increases.
【0060】第3実施形態 本実施形態は、FG型不揮発性メモリ装置についてであ
る。本実施形態の不揮発性メモリ装置は、そのメモリト
ランジスタを第1実施形態のMONOS型からFGに変
更したこと以外、図1に示す基本的なセルアレイの回路
構成、動作は第1実施形態と変わらない。 Third Embodiment This embodiment relates to an FG type nonvolatile memory device. The non-volatile memory device of the present embodiment has the same circuit configuration and operation of the basic cell array shown in FIG. 1 as the first embodiment, except that the memory transistor is changed from the MONOS type of the first embodiment to FG. .
【0061】図12は、本第3実施形態に係るFG型不
揮発性メモリ装置において、そのNAND列のビット方
向断面図である。この図12に示されるように、トンネ
ル絶縁膜8と中間絶縁膜40(第1実施形態のトップ酸
化膜に相当)との間に、第1実施形態の窒化膜に代え
て、例えばポリシリコンからなるフローティングゲート
42が介在する。中間絶縁膜40は、第1実施形態のト
ップ酸化膜と同様、酸化シリコン或いはONO膜等で構
成される。同じ符号を付した他の構成は、第1実施形態
と同じである。FIG. 12 is a sectional view in the bit direction of a NAND string in the FG type nonvolatile memory device according to the third embodiment. As shown in FIG. 12, between the tunnel insulating film 8 and the intermediate insulating film 40 (corresponding to the top oxide film of the first embodiment), for example, polysilicon is used instead of the nitride film of the first embodiment. Floating gate 42 is interposed. The intermediate insulating film 40 is made of a silicon oxide or ONO film or the like, like the top oxide film of the first embodiment. Other configurations with the same reference numerals are the same as those in the first embodiment.
【0062】このような構成のFG型不揮発性メモリ装
置の製造方法は、第1実施形態における図3で窒化膜1
0でなくポリシリコン膜を成膜し、これを図4(b)で
パターンニングすること、図4(c)でトップ酸化膜1
2と同様にして、中間絶縁膜を形成すること、図5
(e)の電極加工時に当該中間絶縁膜とポリシリコン膜
を同時にパターンニングすること以外、第1実施形態の
製造方法を示す図3〜図6と同様に行うことができる。The method of manufacturing the FG type nonvolatile memory device having such a structure is similar to that of the first embodiment shown in FIG.
0, a polysilicon film is formed, which is patterned in FIG. 4B, and a top oxide film 1 is formed in FIG.
Forming an intermediate insulating film in the same manner as in FIG.
Except that the intermediate insulating film and the polysilicon film are simultaneously patterned at the time of the electrode processing of (e), it can be performed in the same manner as in FIGS. 3 to 6 showing the manufacturing method of the first embodiment.
【0063】本実施形態の不揮発性メモリ装置において
も、第1実施形態と同様な利点を有する。すなわち、従
来のように素子間に不純物拡散領域を有しないので、セ
ルフブーストによる書き込み禁止において書き込み禁止
時間を長くでき、非選択NAND列の誤書き込みが有効
に防止でき、また書き込みパルス幅の制御の自由度が増
大するといった数々の利点を有する。The nonvolatile memory device of the present embodiment also has the same advantages as the first embodiment. That is, since there is no impurity diffusion region between the elements as in the prior art, the write inhibition time can be extended in the write inhibition by the self-boost, the erroneous write of the non-selected NAND string can be effectively prevented, and the control of the write pulse width can be controlled. It has a number of advantages such as increased freedom.
【0064】[0064]
【発明の効果】本発明に係る不揮発性半導体記憶装置及
びその書き込み方法によれば、プログラム電圧の低下に
ともなう誤書き込みを有効に防止し、遅い書き込み制
御、例えば書き込みパルス幅を長くするといった場合の
自由度が増大する。よって、微細化、低電圧書き込み化
を推進した場合でも信頼性及び特性が優れた不揮発性半
導体記憶装置と、その書き込み方法を提供することが可
能となる。According to the nonvolatile semiconductor memory device and the writing method of the present invention, erroneous writing due to a decrease in the program voltage can be effectively prevented, and slow writing control, for example, in the case where the writing pulse width is increased. The degree of freedom increases. Therefore, it is possible to provide a nonvolatile semiconductor memory device having excellent reliability and characteristics even when miniaturization and low-voltage writing are promoted, and a writing method thereof.
【図1】本発明の実施形態に係るNAND型不揮発性メ
モリ装置のメモリアレイの構成を示す回路図である。FIG. 1 is a circuit diagram showing a configuration of a memory array of a NAND nonvolatile memory device according to an embodiment of the present invention.
【図2】本発明の第1実施形態に係り、図1の左下に位
置するストリングを中心としたビット方向の断面図であ
る。FIG. 2 is a cross-sectional view in a bit direction centering on a string located at the lower left of FIG. 1 according to the first embodiment of the present invention;
【図3】図2のNAND型不揮発性メモリ装置の各製造
過程を示す断面図であり、ゲート絶縁膜を構成する窒化
膜の成膜までを示す。3 is a cross-sectional view showing each manufacturing process of the NAND-type nonvolatile memory device in FIG. 2, showing up to the formation of a nitride film forming a gate insulating film.
【図4】図3に続く同断面図であり、ゲート絶縁膜を構
成するトップ酸化膜の成膜までを示す。FIG. 4 is a sectional view following FIG. 3, showing the process up to the formation of a top oxide film constituting a gate insulating film;
【図5】図4に続く同断面図であり、ワード線及び選択
信号線とゲート絶縁膜のエッチング加工までを示す。FIG. 5 is a cross-sectional view subsequent to FIG. 4, showing up to etching of a word line, a selection signal line, and a gate insulating film;
【図6】図5に続く同断面図であり、第2の制御電極形
成までを示す。FIG. 6 is a cross-sectional view following FIG. 5, showing up to the formation of a second control electrode.
【図7】本発明の第2実施形態に係り、図1の左下に位
置するストリングを中心としたビット方向の断面図であ
る。FIG. 7 is a cross-sectional view in the bit direction centering on a string located at the lower left of FIG. 1 according to the second embodiment of the present invention.
【図8】図7のNAND型不揮発性メモリ装置の各製造
過程を示す断面図であり、選択トランジスタのゲート絶
縁膜となる酸化膜形成までを示す。8 is a cross-sectional view showing each manufacturing process of the NAND-type nonvolatile memory device of FIG. 7 and shows up to formation of an oxide film serving as a gate insulating film of a selection transistor.
【図9】図8に続く同断面図であり、ゲート絶縁膜を構
成する窒化膜の成膜までを示す。FIG. 9 is a cross-sectional view subsequent to FIG. 8, showing up to the formation of a nitride film forming a gate insulating film;
【図10】図9に続く同断面図であり、ワード線及び選
択信号線とゲート絶縁膜のエッチング加工までを示す。FIG. 10 is a sectional view following FIG. 9, showing the processing up to etching of the word line and the selection signal line and the gate insulating film;
【図11】図10に続く同断面図であり、第2の制御電
極形成までを示す。FIG. 11 is a cross-sectional view following FIG. 10, showing up to the formation of a second control electrode.
【図12】本発明の第3実施形態に係り、図1の左下に
位置するストリングを中心としたビット方向の断面図で
ある。FIG. 12 is a cross-sectional view in the bit direction centering on a string located at the lower left of FIG. 1 according to the third embodiment of the present invention.
【図13】従来のNAND型不揮発性メモリ装置のメモ
リアレイの構成を示す回路図である。FIG. 13 is a circuit diagram showing a configuration of a memory array of a conventional NAND type nonvolatile memory device.
【図14】従来例に係る図1の左下に位置するストリン
グを中心としたビット方向の断面図である。FIG. 14 is a cross-sectional view in the bit direction centering on a string located at the lower left of FIG. 1 according to a conventional example.
1…メモリセルアレイ、2…半導体基板、4…pウェ
ル、5…酸化膜、6a〜6c…不純物領域、8,30…
トンネル絶縁膜、10,32…窒化膜、12…トップ酸
化膜、14,34…ゲート絶縁膜、16…ポリサイド
層、18…高融点金属シリサイド層、20…第1の層間
絶縁層(絶縁膜)、22…第2の制御電極、24…第2
の層間絶縁層、40…中間絶縁膜、42,FG…フロー
ティングゲート、M11等…メモリトランジスタ、ST
11a,ST21a等…選択トランジスタ、CG…コン
トロールゲート、SG11,SG12等…選択信号線、
BLa等…ビット線、WL11等…ワード線、BC…ビ
ットコンタクト。DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Memory cell array, 2 ... Semiconductor substrate, 4 ... P well, 5 ... Oxide film, 6a-6c ... Impurity area, 8, 30 ...
Tunnel insulating film, 10, 32 nitride film, 12 top oxide film, 14, 34 gate insulating film, 16 polycide layer, 18 refractory metal silicide layer, 20 ... first interlayer insulating layer (insulating film) , 22 ... second control electrode, 24 ... second
, An intermediate insulating film, 42, FG, a floating gate, M11, etc., a memory transistor, ST
11a, ST21a, etc .: selection transistor, CG: control gate, SG11, SG12, etc .: selection signal line,
BLa etc. bit line, WL11 etc. word line, BC ... bit contact.
Claims (14)
段を含む絶縁膜を介して積層された第1の制御電極に電
圧を印加し、前記電荷蓄積手段に対し電荷を電気的に注
入し又は当該電荷蓄積手段から電荷を引き抜くことによ
り情報を記憶する記憶素子と、前記電荷の注入又は引き
抜きの際に前記チャネル形成領域に所定の電位を伝達す
る素子とを有する不揮発性半導体記憶装置であって、 前記記憶素子と前記所定電位を伝達する素子との間の半
導体領域と容量結合し、当該半導体領域に対し素子間チ
ャネルまたは空乏層の形成と電位の制御を行う第2の制
御電極が、当該記憶素子と所定電圧を伝達する素子との
間の半導体領域上に絶縁膜を介して設けられている不揮
発性半導体記憶装置。A voltage is applied to a first control electrode laminated on a semiconductor channel formation region via an insulating film including a charge storage means, and a charge is electrically injected into the charge storage means. A non-volatile semiconductor storage device, comprising: a storage element that stores information by extracting charge from the charge storage means; and an element that transmits a predetermined potential to the channel forming region when the charge is injected or extracted. A second control electrode, which is capacitively coupled to a semiconductor region between the storage element and the element transmitting the predetermined potential and controls the formation of an inter-element channel or a depletion layer and the control of the potential with respect to the semiconductor region; A nonvolatile semiconductor memory device provided over a semiconductor region between a memory element and an element transmitting a predetermined voltage via an insulating film.
前記所定電位を伝達する素子との間の半導体領域とは、
同一の不純物添加領域から構成されている請求項1に記
載の不揮発性半導体記憶装置。2. The semiconductor device according to claim 1, wherein the channel forming region and a semiconductor region between the storage element and the element transmitting the predetermined potential are:
2. The non-volatile semiconductor memory device according to claim 1, wherein the non-volatile semiconductor memory device includes the same impurity-doped region.
メモリセルアレイが構成され、 前記所定電位を伝達する素子は、行方向又は列方向の複
数の記憶素子間で共通な配線と前記記憶素子との接続お
よび遮断を制御する選択素子である請求項1に記載の不
揮発性半導体記憶装置。3. A memory cell array comprising a plurality of storage elements arranged in rows and columns, wherein the element for transmitting the predetermined potential includes a wiring common to a plurality of storage elements in a row direction or a column direction and the storage element. The nonvolatile semiconductor memory device according to claim 1, wherein the nonvolatile semiconductor memory device is a selection device that controls connection and disconnection with the device.
メモリセルアレイが構成され、 前記所定電位を伝達する素子は、行方向又は列方向の複
数の記憶素子間で共通な配線からの電圧を前記記憶素子
に印加するときは導通する他の記憶素子である請求項1
に記載の不揮発性半導体記憶装置。4. A plurality of storage elements are arranged in a matrix to form a memory cell array, and the element transmitting the predetermined potential is a voltage from a common wiring among a plurality of storage elements in a row direction or a column direction. Is another storage element that conducts when a voltage is applied to the storage element.
3. The nonvolatile semiconductor memory device according to 1.
通な配線と前記記憶素子との接続および遮断をそれぞれ
制御する複数の選択素子と、 当該複数の選択素子の制御電極、前記複数の記憶素子の
第1の制御電極、前記第2の制御電極、前記配線の印加
電圧をそれぞれ制御して、書き込みを行う選択記憶素子
に隣接した前記素子間半導体領域に反転層を形成し、当
該反転層に、対応する導通状態の選択素子を介して前記
所定電位を供給する一方で、第1の制御電極が前記選択
記憶素子と共通接続された非選択な記憶素子に隣接した
素子間半導体領域を、対応する選択素子を遮断し電気的
に浮遊状態として空乏化し、当該素子間半導体領域に所
定の書き込み阻止電位を誘起させるバイアス制御手段と
を更に有する請求項1に記載の不揮発性半導体記憶装
置。5. A plurality of selection elements for controlling connection and disconnection of a common wiring and the storage elements between a plurality of storage elements in a row direction or a column direction, and control electrodes of the plurality of selection elements, Controlling an applied voltage to the first control electrode, the second control electrode, and the wiring of the storage element, and forming an inversion layer in the inter-element semiconductor region adjacent to the selected storage element for writing. While supplying the predetermined potential to the inversion layer via a corresponding conductive selection element, an inter-element semiconductor region adjacent to an unselected storage element whose first control electrode is commonly connected to the selected storage element 2. The non-volatile semiconductor device according to claim 1, further comprising: a bias control unit that deactivates the corresponding selection element by turning off the corresponding selection element so as to be electrically floating, thereby inducing a predetermined write blocking potential in the inter-element semiconductor region. Body storage.
選択素子を介して複数の記憶素子が直列接続されてなる
記憶素子列を、行列状に複数配置させてメモリアレイが
構成され、 前記第2の制御電極が、前記記憶素子列の各記憶素子
間、記憶素子列両端の記憶素子と選択素子間に設けられ
ている請求項1に記載の不揮発性半導体記憶装置。6. A memory array is formed by arranging a plurality of storage element columns each having a plurality of storage elements connected in series via a selection element between a bit line and a common potential line, in a matrix. 2. The nonvolatile semiconductor memory device according to claim 1, wherein the second control electrode is provided between each storage element in the storage element row and between storage elements at both ends of the storage element row and a selection element. 3.
極および前記電荷蓄積手段に対し絶縁膜を介して覆うプ
レート形状を有し、かつ、少なくとも行方向に並ぶ複数
の前記記憶素子列間で共通に設けられている請求項6に
記載の不揮発性半導体記憶装置。7. The plurality of memory elements arranged in a row direction at least in a row direction, wherein the second control electrode has a plate shape that covers the first control electrode and the charge storage means via an insulating film. 7. The non-volatile semiconductor storage device according to claim 6, wherein the non-volatile semiconductor storage device is provided in common between columns.
ネル形成領域と対向する面内で離散化されている請求項
1に記載の不揮発性半導体記憶装置。8. The nonvolatile semiconductor memory device according to claim 1, wherein said charge storage means is discretized at least in a plane facing said channel formation region.
に、トンネル絶縁膜、窒化膜、トップ酸化膜を前記第1
の制御電極との間に積層させてなり、 前記電荷蓄積手段は、上記積層膜内で離散化して形成さ
れた電荷トラップである請求項8に記載の不揮発性半導
体記憶装置。9. The storage element according to claim 1, wherein a tunnel insulating film, a nitride film, and a top oxide film are formed on the channel formation region.
9. The non-volatile semiconductor memory device according to claim 8, wherein the charge storage means is a charge trap formed discretely in the stacked film.
上に、トンネル絶縁膜、窒化膜を前記第1の制御電極と
の間に積層させてなり、 前記電荷蓄積手段は、上記積層膜内で離散化して形成さ
れた電荷トラップである請求項8に記載の不揮発性半導
体記憶装置。10. The storage element, wherein a tunnel insulating film and a nitride film are laminated on the channel formation region between the storage element and the first control electrode. 9. The nonvolatile semiconductor memory device according to claim 8, wherein the nonvolatile semiconductor memory device is a charge trap formed by discretization.
積手段を含む絶縁膜を介して制御電極を積層させてなる
複数の記憶素子を行列状に配置させてメモリセルアレイ
が構成され、前記制御電極にプログラム電圧を印加する
ことにより前記電荷蓄積手段に電荷を電気的に注入し又
は当該電荷蓄積手段から電荷を引き抜いて情報を記憶す
る不揮発性半導体記憶装置の書き込み方法であって、 書き込みを行う前記記憶素子について、そのチャネル形
成領域に隣接した半導体領域に少数キャリアによる反転
層を形成し、当該反転層を上記プログラム電圧印加によ
る電位との電位差により書き込みが行われる所定電位で
保持して書き込みを行い、 前記記憶素子と制御電極同士が接続された情報を書き込
まない他の記憶素子について、そのチャネル形成領域に
隣接した半導体領域に上記書き込み中に空乏層を形成
し、書き込み阻止電位を誘起させる不揮発性半導体記憶
装置の書き込み方法。11. A memory cell array is formed by arranging a plurality of storage elements in a matrix on a semiconductor channel formation region via an insulating film including charge storage means, the control electrodes being arranged in a matrix. A method of electrically injecting charges into said charge storage means by applying a program voltage to said charge storage means or extracting charges from said charge storage means and storing information, wherein said writing is performed. With respect to the storage element, writing is performed by forming an inversion layer using minority carriers in a semiconductor region adjacent to the channel formation region and holding the inversion layer at a predetermined potential at which writing is performed by a potential difference from a potential caused by application of the program voltage. The other storage element, in which the storage element and the control electrode are connected to each other and does not write information, has the channel type Forming a depletion layer in the writing to the semiconductor region adjacent to the region, the writing method of the nonvolatile semiconductor memory device inducing the writing prevention potential.
ャネル形成領域と対向する面内で離散化されている請求
項11に記載の不揮発性半導体記憶装置の書き込み方
法。12. The writing method according to claim 11, wherein said charge storage means is discretized at least in a plane opposed to said channel forming region.
上に、トンネル絶縁膜、窒化膜、トップ酸化膜を前記制
御電極との間に積層させてなり、 前記電荷蓄積手段は、上記積層膜内で離散化して形成さ
れた電荷トラップである請求項12に記載の不揮発性半
導体記憶装置の書き込み方法。13. The storage element according to claim 13, wherein a tunnel insulating film, a nitride film, and a top oxide film are laminated on the channel formation region between the control electrode and the charge storage means. 13. The method according to claim 12, wherein the charge trap is a charge trap formed discretely.
上に、トンネル絶縁膜、窒化膜を前記制御電極との間に
積層させてなり、 前記電荷蓄積手段は、上記積層膜内で離散化して形成さ
れた電荷トラップである請求項12に記載の不揮発性半
導体記憶装置の書き込み方法。14. The storage element according to claim 1, wherein a tunnel insulating film and a nitride film are stacked on the channel formation region between the storage electrode and the control electrode. The method according to claim 12, wherein the charge trap is a formed charge trap.
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Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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JP12146198A JPH11224940A (en) | 1997-12-05 | 1998-04-30 | Nonvolatile semiconductor memory device and writing method therefor |
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