JPS60182776A - 不揮発性半導体メモリ - Google Patents

不揮発性半導体メモリ

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JPS60182776A
JPS60182776A JP3812784A JP3812784A JPS60182776A JP S60182776 A JPS60182776 A JP S60182776A JP 3812784 A JP3812784 A JP 3812784A JP 3812784 A JP3812784 A JP 3812784A JP S60182776 A JPS60182776 A JP S60182776A
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Yutaka Hayashi
豊 林
Yoshikazu Kojima
芳和 小島
Masaaki Kamiya
昌明 神谷
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Seiko Instruments Inc
National Institute of Advanced Industrial Science and Technology AIST
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Agency of Industrial Science and Technology
Seiko Instruments Inc
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    • H01L29/00Semiconductor devices specially adapted for rectifying, amplifying, oscillating or switching and having potential barriers; Capacitors or resistors having potential barriers, e.g. a PN-junction depletion layer or carrier concentration layer; Details of semiconductor bodies or of electrodes thereof ; Multistep manufacturing processes therefor
    • H01L29/66Types of semiconductor device ; Multistep manufacturing processes therefor
    • H01L29/68Types of semiconductor device ; Multistep manufacturing processes therefor controllable by only the electric current supplied, or only the electric potential applied, to an electrode which does not carry the current to be rectified, amplified or switched
    • H01L29/76Unipolar devices, e.g. field effect transistors
    • H01L29/772Field effect transistors
    • H01L29/78Field effect transistors with field effect produced by an insulated gate
    • H01L29/788Field effect transistors with field effect produced by an insulated gate with floating gate
    • H01L29/7881Programmable transistors with only two possible levels of programmation
    • H01L29/7884Programmable transistors with only two possible levels of programmation charging by hot carrier injection
    • H01L29/7885Hot carrier injection from the channel

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Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 この発明は、M工S (Metal工neulator
 −8emi−conductor)構造金有する低プ
ログラム電圧の浮遊ゲート型不揮発性半導体メモリに関
する。
従来の低プログラム電圧の浮遊ゲート型不揮発性半導体
メモリについて、第1図から第3図を用いて説明する。
メモリの構造、読み出し原理、プログラムjJj1.理
の順に説明する。
第1図は、従来の低プログラム電圧の不揮発性半導体メ
モリの一実施例である。この構造のメモリは、我々が発
明したものでPAMOOEIメモリと呼んでいる。P型
半導体基板1の表面にN型のソース領域2及びドレイン
領域3を形成する。ソース・ドレイン領域りのチャネル
領域は、第1のチャネル領域L1と第2のチャネル領域
L2とが直列に接続された構造になっている。第1のチ
ャネル領域L1の表面ポテンシャルは、選択ゲート絶縁
膜5を介して設けられた選択ケート電極7の電位によっ
て制御される。
一方、第2のチャネル領wX、T−+ 2の表面ポテン
シャルはドレイン領域3の電位及び注入膜化膜4全の 介しで設けられた浮遊ゲート電極6ね電位とKよって制
御される。浮遊ケート1r、極6の電位は、浮遊ゲート
電極と強く容量結合している制御ゲート電極9の″電位
によって制御される。浮遊ケート電て 極6は全葵絶hmでおおわれており、電子が注入(プロ
グラム状態)されるとマイナスに帯電する。
次に、読み出し原理について説明する。
第1図の如く、ソース・ドレイン領域間のチャネル領域
は、第1のチャネル領域L1と第2のチャネル領域L2
との直列接続から構成されている。
従って、両方のチャネル領域が反転している場合のみ、
ソース・ドレイン軸域間に電極が流れる。
即ち、このメモリのコンダクタンスは大きくなる。
浮遊ゲート電極6に遊子が注入(即ちプログラム)され
ると、第2のチャンネルLiFi反転できなくなるため
に、このメモリのコンダクタンスは小さくなる。第2図
は、プログラム前とプログラム後の第1図に示したメモ
リセルの電流−電圧特性の例を示した図である。縦軸は
ソース・ドレイン領域間に流れるドレイン電流ID、横
軸は制御ゲート′?1!i、極9の電位Vaaである。
選択ゲート電極7の電位VSOは、第1のチャネル領域
TJXの閾値電圧より大きな電圧に印加されている。プ
ログラム後には、浮遊ゲート電極6に多数の電子が入っ
ているために第2のチャネルL2はプログラム前に比べ
反転しにくくなる。従って、第2図に示す如く商い制御
ゲート電圧VOGが印加されないとドレイン電流は流れ
ない。即ち、プログラム前に比ベチャネルコンダクタン
スが小さくなる。このプログラム前後のチャネルコンダ
クタンス全検出することによりメモリセルの情報傘読み
出すことができる。
6(にプログラム原理について説明する。
第1のチャネル領域L1が反転し、第2のチャネル領域
L2 も光分圧反転できるような電圧金、選択ケートi
1祢17と制御ゲート電極19に印加すると、チャネル
領域に沿った電子に対する平衡状態のポテンシャルは第
5図に示すような形になる。第6図は、第1図のメモリ
セルにおいてドレイン領域13に4v印力口された場合
の図である。
83図に示す如く、第1のチャネル領域L!の表面電位
はソース領域2の電位とほぼ等しく、第2のチャネル領
域も2の表面電位はドレイン領域3の電位にほぼ等しく
なる。従って、チャネル領域L1 とチャネル領域L2
との接点に大きな電位差が形成される。ソース領域2よ
り流出した電子は、チャネル領域TJI とL2の接点
を過ぎた直後において、平衡状態より大きなエネルギー
を持つた電子になる。この大きなエネルギーを持った電
子は、注入絶縁膜4の障壁會こえて浮遊ゲート電極6に
入ることができる。第3図に示した電位差か、大きく急
に形成さねたとき程多数の高エネルギー電子が生じ、そ
の結果、多数のt′子が浮遊ゲート電極16に入る。即
ち、チャネルL1 とチャネルL2の曲に生ずる電位差
を大きく魚に形成することかできれば、短時間、低電圧
でプログラムができる。
以上説明したような従来の\ACMOSメモリの場合、
プログラム時にドレイン電流を流すと、チャネル領域L
l内に電圧ドロップが生じ、結果として第3図破線のよ
うなポテンシャル分布になってしまう。即ち、を子の加
速鎖板が広がってしまうために、容易に浮遊ケート電極
6に電子は入ることかできなかった。従って、短時間、
低電圧でプログラムすることは難しく、晶呆槓化も困難
になっていた。
本発明の不揮発性半導体メモリは、従来のPA−CMQ
Sメモリの欠点を克服したものであり、短時間プログラ
ム、低電圧プログラム全可能にするPAOMOSメモリ
全提供する。
不発明の不−1’jti %性半導体メモ’J(PAa
Mosメモlf:第4図から第8図を用いて説明する。
本発明の第1の実施例の不揮発性半導体メモリの断面図
を第4図に示す入。N型T’ACMOSメモリの場合に
ついて説明する。P型半導体載板110表面に間隔を置
いてN 型のソース領域に、ドレイン領域13が形成さ
れており、ノース・ドレイン領域間に第1のチャネル領
域Ll、第3のチャネル領域L3、第2のチャネル領域
L2が直列に形成きれている。第1のチャネル領域L1
の表面電位は、選択ゲート絶縁1換15金介して選択ゲ
ート電極17の電位によって制御される。第2のチャネ
ル領域L2の表面電位はドレイン領域15と注入絶縁膜
14を介した浮遊ケート電極16の電位によって制御さ
れる。第3のチャネル領域L3の表面電位は、選択ゲー
ト電極17と浮遊ゲート電極16の電位により制御され
る。構造的には、絶縁膜20を介して選択ゲート電極1
7が存在しなくても、選択ゲート電極17と浮遊ゲート
電極16からの電界のまわりこみにより第6のチャネル
領域の表面電位が変化する。絶縁膜20は、選択ゲート
’9$17と浮遊ゲート電極16との層間絶縁1摸で形
成されるものであるから、第6のチャネルL3のチャネ
ル長は1μmより光′分に短いチャネル長に制御される
。浮遊ゲート電極16の電位は絶縁膜18を介して制御
ゲート電極190′亀位により制御される。
本発明の第1の実施例の不揮発性半導体メモリの読み出
し原理、プログラム市、理について説明する。
第4図の如く、厚いゲート絶縁膜20をゲート絶縁膜と
する第3のチャネル領域La k約1000X形成する
と、第3のチャネル領域L3の閾値電圧が他のチャネル
領域L1 t II2の閾値電圧より高くなる。即ち、
ソース・ドレイン領域間に流れるドレイン′亀流は、第
5のチャネル領域L3が少なくとも反転することにより
流れることができる。
第6のチャネル領域L3の表面電位は常に第1のチャネ
ル領域Llの表面電位より尚い。チャネルL3 とLl
との表面電位差をΔφS と記述すると、ΔφSは次式
のようなパラメーターの関数である。
Δφ5=f1 (vso、Vy) −−−(1)ここで
、V2Oは選択ゲート電極17の電圧、VFは浮遊ゲー
ト電極16の電圧である。
上記のΔφS fゼロに近づけることによりドレイン電
流が流れる。従って、チャネル領域L3の閾値電圧か他
のチャネル領域L1 + II2の1+iyJ埴電圧よ
り冒いこと力)ら、チャネル領域Ll + ’L2が反
転している状態で幻1、ドレイン電流よりは△φ8のみ
によって制御される。
ID=f2(Δφ5)−−−(2) 但し、v sa > VTL、 、VF > VTL2
ここで、VTLlはチャネル領域Llの閾値電圧、VT
L2はチャネル領域L2の閾値電圧である。
(1) 、 (21式より、浮遊ゲー゛ト電極16に電
子が入り(プログラム状態)、浮遊ゲート電極16の電
位VFが負に帯電するとドレイン電流は流れにくくなる
。従って、メモリセA・のコンダクタンス全検出するこ
とにより情@全読み出すことができる。
次にプログラム原理について説明する。
チャネル領域り、、’L2が反転するような電圧を顆択
ゲート電極1゛7を制御ゲート電極19に印加する。
第5図は、第4図に示したメモリセルにおいて、ドレイ
ン領Q13KAV印加した場合の表面電位を示した図で
ある。第1のチャネル領域TJ、はソース領域12の電
位に、第2のチャネル領域L2はドレイン領域13の電
位(/(−はぼ近くなる。第3のチャネル領域L3の表
面電位は、第1のチャネル領域TJ1の表面電位よりΔ
φS冒<なっている。
従って、第3のチャネル領域L3と恰÷÷チそ十大慣−
域十丁そ第2のチャネル領域L2 との間に大きな電位
差が形成され、この電位差によりソース領域12からの
電子は加速され浮遊ゲート電極16に入る。VF3G 
及びVWが低い電圧の場合は、第5図の実線のようにΔ
φSが大きく、ソース・ドレイン領域間に電流が流れな
い。即ち、プログラムすることができない。しかし、v
Sa 6るいは、VFに高い電圧を印力口することによ
り、第5図の破線のようにΔφS 會示さくし、ソース
・ドレイン領域間に電流全流しプログラムすることがで
きる。ソース領域12から流出した電子は、チャネル領
域L3の電位の山をこえ加速領域に入るので、注入領域
(浮遊ゲート電極16の下のチャネル領域L3の′市1
子が注入される場所)以前での電圧ドロップがない。従
って、注入領域に多数の高エネルギー?持った電子が発
生し、効率良く浮遊ゲート電極16に入る。即ち、本発
明のPAOMOSメモリの場合、高速プログラム、低電
圧プロゲラ第5のチャネル領域L3のチャネル長が選択
ケートvL極17と浮遊ゲート電極16との間の絶縁映
の厚さで制御できるため、プロセスの女尾性も高い。
第6図は、不発明の第2の実施例の不揮発性半導体メモ
リの断面図であり、第1の実施例の不揮発性半導体メモ
リヲ改良したものである。RIJち、第6のチャネル領
域L3内にP型の高不純物濃度領域全形成したものであ
る。第6のチャネル領域L3内にP型の冒不純物濃度領
域を形成することにより、第6のチャネル領域の閾値1
%めたものである。第6のチャネル領域L3のチャネル
長が1oooX以下になっても、Pヤネル領域L3の閾
値電圧は、他のチャネル領域の閾値電圧よりも高くなり
、本発明のPAOMOSメモリが実現しやすくなる。
第7図は、本発明の第6の実施例の不揮発性半導体メモ
リの断面図である。第6の実施例は、第2の実施例をさ
らに改良したものである。即ち、本発明によれば、メモ
リセルの動作は第6のチャネル領域の次面電位によって
支配されている。そこで、第1のチャネル領域L1を削
泳した描造が、本発明第6の実施例でおる。第7図に一
ボす如く、ソース領域42に嶺してチャネル領域L3が
形成されている。第7図の実施例の場合のプログラム時
の表面ポテンシャル分布全第8図に示す。メモリセルの
コンダクタンスは、チャネル530表面ポテンシャルに
支配されている。従って、チャネルL3とLzの与でも
動作可能である。また、選択ゲート電極が、チャネルL
3上になくても、浮遊ゲート電極46の電位金部くする
ことによってチャネルL3の表面ポテシャルは第8図破
線の如くなりプログラム可能になる。
第7図の場合、制御ゲート電極はドレイン領域46が兼
ねた機造になっている。
以上説明したように、本発明によるPACMOSイ土 メモリによれば、メモリの動物領域が酸化膜厚のチャネ
ル長址で短かくでき、さらVこ、効率良く電子全浮遊ケ
ー)%fAへ注入することかできるために、高集積で低
を土中υ作の不揮発性メモリが実現できる。
【図面の簡単な説明】
第1図は従来のPAOMOSメモリの断面図であり、第
2図は第1図のPAOMCISメモリの電流、電圧特性
図でおる。第3図は第1図のPA−CMOSメモリのプ
ログラム時の表面ポテンシャル図である。 第4図は、不発明の不揮発性半導体メモリの第1の実施
例の断面図であり、〆5図は第4図のメモリのプログラ
ム時の表面ポテンシャル図である。 第6.第7図は、本発明の不v11発性メモリ第2と第
3の実施例の断面図であり、第8図は第7図のメモリの
プログラム時の表面ポテンシャル図である。 1.11,21.41・・・・・・P型牛導体基板2.
12,22.42・・・・・・ソース領域5.13,3
3.43・・・・・・ドレイン領域6、16,26.4
6・・・・・・浮遊ケート電極7.17,27.47・
・・・・・選択ゲート電極9.19.29・・・・・・
・・・・・・・・・制御ゲート電極3j、51・・・・
・・・・・・・・・・・・・・・・・P型尚不珂物設涙
領以 上 代理人 最 上 務 第3図 ←2 LI Lz−−←3−伽 第4図 く−7z Ll→−Lr÷−−L2−シ←13−第7図 ′PjB図 4−+4L3 42 Lz 43

Claims (3)

    【特許請求の範囲】
  1. (1)第1導電型の半導体基板表面部分に互いに間隔を
    置いて設けられた第1導電型と異なる第2導電型のソー
    ス・ドレイン領域と、前記ソース・ドレイン領域間の前
    記半導体基板に形成された第1のチャネル領域と第2の
    チャネル領域及び第3のチャネル領域と、前記第1のチ
    ャネル領域上に第1のゲート絶縁膜全弁して設けられた
    選択ケート電極と、前記第2のチャネル領域上に設けら
    れおり、前記第2のケート絶縁映が前記選択ゲート電極
    と前記浮遊ゲート電極との層間絶縁膜によって形成され
    るとともに、前り己第6のチャネル領域の閾値電圧が前
    記第1及び第2のチャネル領域の閾値電圧より筒く設定
    されることにより前記第2のチャネル領域閾値電圧が前
    記選択ゲート電極の電位と前記浮遊ゲート電極との電位
    により制御されることを特徴とする不揮発性半導体メモ
    リ。
  2. (2) 前記第6のチャネル領域内に前記半導体基板よ
    り濃度の筒い第1導電型の不純物領域全形成したことを
    特徴とする特許請求の範囲第1項記載の不揮発性半導体
    メモリ。
  3. (3) 前記第1のチャネル領域のほぼ全域に前記ソー
    ス領域を形成したこと全特徴とする特許請求の範囲第1
    項または第2項記載の不揮発性半導体メモリ。
JP3812784A 1984-02-29 1984-02-29 不揮発性半導体メモリ Granted JPS60182776A (ja)

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