JPS5931990B2 - 不揮発性メモリ素子 - Google Patents

不揮発性メモリ素子

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JPS5931990B2
JPS5931990B2 JP52049087A JP4908777A JPS5931990B2 JP S5931990 B2 JPS5931990 B2 JP S5931990B2 JP 52049087 A JP52049087 A JP 52049087A JP 4908777 A JP4908777 A JP 4908777A JP S5931990 B2 JPS5931990 B2 JP S5931990B2
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JP
Japan
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region
substrate
conductive electrode
nonvolatile memory
floating gate
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Application number
JP52049087A
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English (en)
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JPS53135286A (en
Inventor
幸正 内田
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Toshiba Corp
Original Assignee
Tokyo Shibaura Electric Co Ltd
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Publication date
Application filed by Tokyo Shibaura Electric Co Ltd filed Critical Tokyo Shibaura Electric Co Ltd
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    • HELECTRICITY
    • H10SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10DINORGANIC ELECTRIC SEMICONDUCTOR DEVICES
    • H10D30/00Field-effect transistors [FET]
    • H10D30/60Insulated-gate field-effect transistors [IGFET]
    • H10D30/68Floating-gate IGFETs
    • H10D30/681Floating-gate IGFETs having only two programming levels
    • H10D30/684Floating-gate IGFETs having only two programming levels programmed by hot carrier injection
    • H10D30/686Floating-gate IGFETs having only two programming levels programmed by hot carrier injection using hot carriers produced by avalanche breakdown of PN junctions, e.g. floating gate avalanche injection MOS [FAMOS]

Landscapes

  • Non-Volatile Memory (AREA)
  • Electrodes Of Semiconductors (AREA)
  • Read Only Memory (AREA)

Description

【発明の詳細な説明】 この発明は不揮発性メモリ素子、特に電気的に書換え可
能なる不揮発性のメモリ素子に関する。
従来、電気的に書換え可能な不揮発性半導体メモリ素子
は種々開発されている。この中には、MNOS構造やM
AOS構造のメモリと、フローティング・ゲート形メモ
リ等種々あるが、単極性の電圧で選択書換えが可能で、
保持特性が良好でかつ、電気的書換えに必要な電圧力壮
ヒ較的小さくて済むという条件および優れた信頼性を兼
ね備えた不揮発性半導体メモリを構成する事はこれまで
困難であつた。この発明の目的は以上の点を考慮してな
されたもので、単極性の電圧で電気的に書換えが可能な
不揮発性半導体メモリ素子を提供するもので半導体基板
表面上に、絶縁膜を介して設けられたフローテイングゲ
ートヘ電子を注入する手段と、正孔を注入する手段を有
し、前記フローティングゲート中の電荷量によつて不揮
発性の情報を蓄積する不揮発性のメモリ素子に於て、前
記電子を注入する手段への電圧印加と、前記正孔を注入
する手段への電圧印加とが共通の電圧印加端子により行
なわれ、前記フローテイングゲートヘ静電容量結合によ
つてバイアス電位を供給する手段を有し、前記フローテ
ィングゲート中の電荷量を検出する手段を備えたことを
特徴としている。
以上の様に本発明のメモリは、フローテイングゲートヘ
の電子注入手段と正孔注入手段を有す。
これらは、共にアバランシエプレークダウンを用いてお
り、電子注入手段として、n++p+接合を用いる場合
、比較的低電圧での電子注人又は正孔注入が可能である
。電子注入手段への電圧印加と正孔注入手段への電圧印
加とは共通の電圧印加端子により行なわれ、゛l”書込
み(電子注入)と“0゜゛書込み(正孔注入)は、フロ
ーテイングゲートと静電容量結合によりバイアスを供給
するバイアス電圧印加手段によりコントロールする事が
できる。従つて、本発明の不揮発性メモリ素子は、アレ
イ配置した時のメモリ選択書換えが簡単にできるという
特徴を有する。本発明のメモリは、フローテイングゲー
トへの電子注入や正孔注入に、アバランシエブレークダ
ウンを用いており、そのフローテイングゲート下の絶縁
膜を比較的厚くする事も可能となり、良好な保持特性を
実現する事が可能である。以下、本発明を一実施例によ
り図面を用いて説明する。
第1図は本発明による不揮発性メモリ素子の一実施例を
回路図で示したものである。
第1図に於て、1はフローテイングゲート、2は電荷注
入電圧印加端子、3は電子注入手段、4は正孔注入手段
、5は静電容量素子を介してフローテイングゲート1へ
バイアス電圧を加えるバイアス電圧印加端子である。6
,7は、1のフローテイングゲート中の電荷量を検出す
る為、1のフローテイングゲート電極の一部をゲートと
する絶縁ゲート形電界効果トランジスタのそれぞれソー
スとドレインである。
第2図は、本発明の不揮発性メモリ素子の構造の一例を
示すための断面図である。
図に於て、1は半導体基板100表面上に酸化シリコン
膜11〜15を介して設けられた不純物ドープされた多
結晶シリコンよりなるフローテイングゲート電極である
ここで酸化シリコン膜の代りに他の絶縁膜又は多層の絶
縁膜が用いられてもよい。フローテイングゲート電極と
しては多結晶シリコンの代りにモリブデンその他の導電
性の電極を用いてもよい。基板シリコンとしてはn形の
シリコン基板100が用いられる。この基板濃度は例え
ば1015/dのものを用いる事ができる。2は、p+
+領域である。
このp++領域2は電荷注入電圧印加端子になつている
。8はn+領域である。
この2と8のp++n+接合部3で逆方向バイアス電圧
を加えてアバランシエブレークダウンを起す事により、
フローテイングゲート1中に電子を注入する事ができる
。9は、p+領域である。
n++領域10とのp+n+8接合部4にて逆方向バイ
アス電圧を加えて、アバランシエブレークダウンを起す
事により、フローテイングゲート〜1中に正孔を注入す
る事がでぎる。p+3領域2の不純物濃度N(p++)
とn+領域8の不純物濃度N(n+)の間には、N(p
++)〉〉N(n+)の関係が成立する。例えばN(p
++)−1020cTn−3N(n+)=5×1016
cm−3を用いる事ができる。又、p+領域9の不純物
濃度N(p+)とn+8領域10の不純物濃度N(n+
+)の間には、N(n++)〉〉N(p+)の関係が成
立する。例えばN(n++)=1020(7L−3,N
(p+)−5×1016cwL−3を用いる事ができる
。電子注入手段3および正孔注入手段4上のシリコン酸
化膜11,12の厚みは例えば1000λである。バイ
アス電圧印加手段は例えば図の様にして、フローテイン
グゲート電極1と対向して酸化シリコン膜14を介して
、p++形拡散領域5を対向電極として設ける事により
設けた静電容量結合により可能である。絶縁膜14は必
ずしも酸化シリコン膜である必要はなく、窒化シリコン
膜やその他の絶縁膜でもよい。14としては例えば厚さ
1000λの酸化シリコン膜を用いる事ができる。
この静電容量結合は必ずしも、フローテイングゲート電
極と、拡散領域により、それぞれの対向電極が形成され
る構造である必要はなく、例えばフローテイングゲート
電極と絶縁膜を介して設けた金属又は不純物ドープした
多結晶シリコンをそれぞれ対向電極として構成したキヤ
パシタにより構成してもよい。6および7はp+8領域
により構成した、ソース、ドレインである。
電子又は正孔がフローテイングゲート電極に注入される
事によつて、フローテイングゲート中の電荷量が異なる
電荷量はこのフローテイングゲート電極1の一部をゲー
ト電極として有し、ソース6、ドレイン7を有する絶縁
ゲート形電界効果トランジスタにより読みとる事が可能
である。ゲート酸化シリコン膜13(他の絶縁膜でもよ
い)の厚みは例えば1000八である。バイアス電圧印
加手段5の電位を”1゛状態(電子が注入された状態)
でソース、ドレイン間に導通があり、”0”状態(正孔
が注入された状態)でソース、ドレイン間に導通がない
様な電位に設定しておけば、この電界効果トランジスタ
により″1”“0゛を読み出す事ができる。次にこの発
明による一実施例の第2図の不揮発性メモリ素子の41
1書込みと“0゜″書込みについて説明する。
“1゜゛書込み(電子注入)には、バイアス電圧印加手
段のp++領域5をO(基板電位を基準)にして、2の
電荷注入電圧印加端子の電圧を−30Vとする。この時
、3のp++n+接合部にアバランシエブレイクダウン
耐圧以上の逆バイアスが加わるので、ここでアバランシ
エブレイクダウンを起し、この時発生する高エネルギー
(ホツトな)電子が、11の酸化シリコン膜のポテンシ
ヤル障壁を越えてフローテイングゲート電極1中に注入
される。
この時,+十領域は−30Vとなつており、p++n+
接合には濃度の関係でp+4近傍に最も大きな電界が加
わる事になり、さらに酸化シリコン膜を介してフローテ
ィングゲート電極1からの電界成分が加わるのでp++
n+接合のp++近傍の半導体表面域でブレークダウン
がより起りやすい状態となる。さらにブレークダウンし
て発生したアバランシエ・プラズマ中の電子は、フロー
テイングゲート電極1からの電界により電子に対する酸
化シリコン膜のポテンシヤル障壁が低くなり、よりフロ
ーテイングゲー口中に注入され易い状態になる。他方、
4のp+n+1接合にも大きな逆バイアス電圧が加わる
が、この時は、フローテイングゲート電極へのバイアス
電圧が0Vであり、p+n+8接合には濃度の関係でn
+8領域近傍に最も大きな電界が加わるがn+1領域の
電位は0Vであり、フローテイングゲートとこの領域間
には大きな電位差がなく、表面域でのアバランシエブレ
ークダウンがエンハンスされない状態であり、又、アバ
ランシエブレイクダウンで発生した正孔も入りにくい状
態になつている。以上により、電子の注入が起り、正孔
の注入は抑えられるので、゛1”書込み(電子注入)が
可能である。
次に゛0゛書込み(正孔注入)には、バイアス電圧印加
手段のp+8領域5を−30Vにして2の電荷注入電圧
印加端子の電圧を−30Vとする。
今、バイアス電圧印加手段のキヤパシタンスの大きさは
、基板との間の浮遊容量をまとめた部分に比して十分大
きいとする。例えばバイアス電圧印加手段のp+8領域
5に−30Vを印加すると、静電容量分割により、−2
5Vの電圧変化がフローテイングゲート電圧に起るもの
とする。この時、p++n+接合3では、大きな逆バイ
アス電圧は加わるがフローテイングゲート電圧がp++
2電圧とほぼ同じになつてゲート電極からの電界による
半導体表面付近でのアバランシエ・ブレイクダウンのエ
ンハンスはない。
他方、n++。十接合4では、大きな逆バイアス電圧が
加わり、さらにn++領域と、フローテイングゲート電
極1の間の電位差に伴う、n++p+接合部4の半導体
表面域付近での電界によるアバランシエブレイクダウン
のエンハンスがあり、さらにこの電界により正孔に対す
る酸化シリコン膜のポテンシヤル障壁が低くなるので正
孔の注入が起り易くなる。こうして、正孔の注入が起り
、電子の注入が抑えられるので゛0゛書込み(正孔注入
)が可能である。以上の様に本発明を用いればバイアス
電圧印加手段5と電荷注入電圧印加端子2の2つをコン
トロールするだけで不揮発性メモリの11゛′ 60”
の書換えが可能になる。
以上の通り、本発明によれば電子注入手段への電圧印加
と、正孔注入手段への電圧印加とは共通の電圧印加端子
により、行われ、”1゜゛書込み(電子注入)と、“0
゛書込み(正孔注入)は、バイアス印加手段と、電荷注
入電圧印加端子への電圧の印加のみでコントロールでき
る。
従つて、本発明の不揮発性メモリ素子は、アレイ配置し
た時のメモリ選択書換えが簡単にできるという特徴を有
する。本発明のメモリ素子は、フローテイングゲートへ
の電子注入や正孔注入にアバランシエ・ブレークダウン
を用いており、そのフローテイングゲート電極下の絶縁
膜厚を比較的厚くする事も可能となり、良好な書込特性
と、保持特性を実現する事ができる。上記実施例におい
てはpチヤネル構造の場合を説明したが、これはnチヤ
ネル構造を用いても同様に実施できる。
即ちp形を全てn形とおき換え、電子と正孔を置き換え
、電圧の極性をおきかえ、“1゛と“0”を置き換えれ
ばnチヤネル構造を用いても本発明は全く同様に構成で
きる。さらに、上記実施例では、フローテイングゲ一ト
中の電荷量を検出する手段として、フローテイングゲー
ト電極の一部をゲート電極とする絶縁ゲート形電界効果
トランジスタを用いた場合を述べたが、必ずしも、絶縁
ゲート形の電界効果トランジスタを用いる必要はない。
例えば、フローテイングゲート電極を一方の電極として
、半導体表面を対向電極として用いた、静電容量素子を
電荷量検出手段としてもよく、又、電荷転送素子を電荷
量検出手段として用いてもよい。
【図面の簡単な説明】
第1図は、本発明の一実施例を説明するための回路図、
第2図は本発明による不揮発性メモリ素子の一実施例を
説明するための断面図である。

Claims (1)

  1. 【特許請求の範囲】 1 半導体基板の表面部の1導電型の第1領域と、この
    第1領域に隣接して前記基板の表面部に形成され前記第
    1領域より不純物濃度が高くかつ反対導電型の第2領域
    と、前記基板の表面部に形成される反対導電型の第3領
    域と、この第3領域に隣接して前記基板の表面部に形成
    され前記第3領域より不純物濃度が高くかつ1導電型の
    第4領域と、前記基板の表面部上に形成される絶縁膜と
    、この絶縁膜上に形成される導電性電極と、前記第2及
    び第3領域に共通の電圧を印加する手段と、前記導電性
    電極に容量を介して異なる値の電圧を印加し、前記導電
    性電極に前記基板の表面部より電子及び正孔を選択的に
    注入せしめる手段と、前記導電性電極中の電荷量を検出
    する手段とを具備した不揮発性メモリ素子。 2 前記導電性電極中の電荷量を検出する手段は、前記
    導電性電極をゲートとし、前記導電性電極下に絶縁膜介
    して存在する前記基板の表面領域を狭む前記基板と反対
    導電型の一対の領域を各々ソース及びドレインとする絶
    縁ゲート型電界効果トランジスタであることを特徴とす
    る特許請求の範囲第1項記載した不揮発性メモリ素子。 3 前記容量は、前記導電性電極とこの電極から絶縁膜
    を介して、前記基板の表面領域に形成されかつ前記基板
    とは反対導電型の領域との間の静電容量であることを特
    徴とする特許請求の範囲第1項に記載した不揮発性メモ
    リ素子。
JP52049087A 1977-04-30 1977-04-30 不揮発性メモリ素子 Expired JPS5931990B2 (ja)

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JPS53135286A JPS53135286A (en) 1978-11-25
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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPS5057185A (ja) * 1973-09-17 1975-05-19
JPS51120679A (en) * 1975-04-16 1976-10-22 Agency Of Ind Science & Technol Semiconductive non-volatile memory element
US4037242A (en) * 1975-12-29 1977-07-19 Texas Instruments Incorporated Dual injector, floating gate MOS electrically alterable, non-volatile semiconductor memory device

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JPS53135286A (en) 1978-11-25

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