JPS6023436B2 - Non-volatile semiconductor memory device - Google Patents

Non-volatile semiconductor memory device

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Publication number
JPS6023436B2
JPS6023436B2 JP52063507A JP6350777A JPS6023436B2 JP S6023436 B2 JPS6023436 B2 JP S6023436B2 JP 52063507 A JP52063507 A JP 52063507A JP 6350777 A JP6350777 A JP 6350777A JP S6023436 B2 JPS6023436 B2 JP S6023436B2
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transistor
memory
gates
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幸令 黒木
清 杉淵
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Nippon Electric Co Ltd
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Description

【発明の詳細な説明】 この発明は、半導体記憶装置に関し、特に、電気的に書
き換え可能な高密度かつ大規模な絶縁ゲート電界効果型
不揮発性半導体記憶装置に関するものである。
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION The present invention relates to a semiconductor memory device, and more particularly to an electrically rewritable, high-density, large-scale insulated gate field-effect nonvolatile semiconductor memory device.

現在半導体記憶装置としては、1ビットに6個程度のト
ランジスタを必要とする。
Currently, semiconductor memory devices require about six transistors for one bit.

フリップフロッブを基本としたいわゆるスタティク動作
のものと、1ビットに1〜3個の絶縁ゲート電界効果ト
ランジスタ(IGFET)を使用し、常にリフレッシュ
しながら情報を蓄えているダイナミック動作のものと、
が広く使用されている。一方、IGFETのチャンネル
上のゲート絶縁膜中の捕獲準位に電荷を捕獲することに
より生ずる閥値変化を利用した半導体記憶装置として、
MAOS(Metal.AI肌mi岬.Si1icon
Oxide.Si1icon)とかMN〇S(Met
al‐Silicon Ni‐のde‐Silicon
Oxide‐Silicon)と称されている2層絶
縁膜をもったものが良く知られている。
There are so-called static operation types based on flip-flops, and dynamic operation types that use 1 to 3 insulated gate field effect transistors (IGFETs) for each bit and store information while constantly refreshing.
is widely used. On the other hand, as a semiconductor memory device that utilizes the threshold change caused by trapping charges in the trap level in the gate insulating film on the channel of the IGFET,
MAOS (Metal. AI skin mi cape. Si1icon
Oxide. Si1icon) or MN〇S (Met
Al-Silicon Ni-de-Silicon
A device with a two-layer insulating film called Oxide-Silicon is well known.

また強議電体でゲート絶縁膜を構成し、シリコント強誘
電体との界面のシリコン表面に強議電体の自発分極に見
合った電荷を譲起するようにした、強議電体の自発分極
の記憶作用を使った不揮発性半導体メモリーも知られて
いる。これらは、ゲート電極と基板間又はゲート電極と
チャンネル間に電圧を加えることにより、ソ−ス、ドレ
ィン間の伝導度を変えたり、全く伝導性をなくしたり、
しかもゲート絶縁膜の記憶作用により長時間にわたりそ
の伝導性を保持させることができる。
In addition, the gate insulating film is made of a strong electrolyte, and a charge commensurate with the spontaneous polarization of the strong electrolyte is generated on the silicon surface at the interface with the silicon ferroelectric. Non-volatile semiconductor memories that use the memory function of By applying a voltage between the gate electrode and the substrate or between the gate electrode and the channel, these can change the conductivity between the source and drain, or completely eliminate the conductivity.
Furthermore, the conductivity can be maintained for a long time due to the memory effect of the gate insulating film.

また、ゲート絶縁膜中に浮遊ゲートを設けておき、何等
かの手段により浮遊ゲート中に蟹荷を注入してこれと逆
極性の電荷をシリコン表面に誘起することにより、ソー
ス、ドレィン間の伝導度を変化させるのもある。
In addition, a floating gate is provided in the gate insulating film, and by injecting a charge into the floating gate by some means and inducing a charge of the opposite polarity on the silicon surface, conduction between the source and drain can be improved. There are also ways to change the degree.

浮遊ゲート中に電荷を注入するには、シリコン基板又は
電極側からトンネル現象やショットキー効果を使って注
入することもできるし、基板側に適当なp−n接合を作
ることによりアバランシ現象を起し大きなエネルギーを
持ったいわゆるホットエレクトロンやホットホールを作
り出しシリコンとシリコン酸化膜の界面にあるエネルギ
ー障壁を乗り越えさせて注入することもできる。
Charge can be injected into the floating gate from the silicon substrate or electrode side using tunneling or Schottky effects, or by creating an appropriate p-n junction on the substrate side, an avalanche phenomenon can be caused. It is also possible to create so-called hot electrons and hot holes with high energy and inject them by overcoming the energy barrier at the interface between silicon and silicon oxide films.

本発明は、上述の如く絶縁膜中の捕獲準位又は浮遊ゲー
トに電荷を畜積したり、又は強議亀体を使ったりしたい
わゆる不揮発性の半導体メモリに関するものではあるが
、特別な構造にかぎることなく、ゲート電極と基板間あ
るいはゲート電極とチャンネル間に電圧を加えることに
より、捕獲電荷の樋性又は童あるいは自発分極の向きを
変えられる様な、不揮発性メモリのゲート構造を持った
、絶縁ゲート電界効果トランジスタを基板としている。
Although the present invention relates to a so-called non-volatile semiconductor memory that accumulates charges in a trap level or a floating gate in an insulating film or uses a strong gate as described above, it does not require a special structure. Without limitation, non-volatile memory has a gate structure in which the direction of the trap or spontaneous polarization of the captured charge can be changed by applying a voltage between the gate electrode and the substrate or between the gate electrode and the channel. The substrate is an insulated gate field effect transistor.

従来、この種の不揮発性メモリーを単一半導体基板上に
マトリックス状に並列する場合、メモリートランジスタ
がノーマリー・オン(皿rmally‐on)となり読
み取りの際ビット選択が不可能になることを防ぐ目的で
、各メモリトランジスタに直列にノーマリー・オフ(n
onnaily‐oH)の固定ゲート閥値電圧を持った
トランジスタを接続する方法が良く使用されている。し
かしこの構成は、高密度集積化には不利であり、1チッ
プ上に作り込むことのできるメモリトランジスタの数を
半減せざるを得ない欠点がある。
Conventionally, when this type of non-volatile memory is arranged in a matrix on a single semiconductor substrate, the purpose of this is to prevent the memory transistors from becoming normally-on and making it impossible to select bits during reading. , normally off (n
A commonly used method is to connect transistors with a fixed gate threshold voltage (onnaily-oH). However, this configuration is disadvantageous for high-density integration, and has the drawback that the number of memory transistors that can be fabricated on one chip must be halved.

またこの構成は、仮に最も簡単な1ビット当り1トラン
ジスタの構成が可能となし得る様な特性を持つ不揮発性
絶縁ゲート電界効果トランジスタが得られたとしても、
それらをマトリックス状に並列に配列し記憶装置を構成
する場合、必然的に各ビットのトランジスタに対しソー
スとドレィンの配線を必要とする。トランジスタを並列
に配線して集積化した記憶装置においてこの配線の占有
面積は大変大きなものとなり、高密度化を妨げる大きな
因子の一つとなっている。高密度化を妨げるさらにもう
一つの因子は、特に高速動作可能なnチャンネル型の素
子の場合に於て問題になることがあるが、配線間又は素
子間の電気的分離が必要なことである。
Furthermore, even if a non-volatile insulated gate field effect transistor with characteristics that would enable the simplest configuration of one transistor per bit could be obtained,
When arranging them in parallel in a matrix to form a memory device, source and drain wiring is inevitably required for each bit transistor. In a memory device that is integrated by wiring transistors in parallel, the wiring occupies a very large area, and is one of the major factors preventing higher density. Yet another factor hindering high density, which can be a problem especially in the case of n-channel devices capable of high-speed operation, is the need for electrical isolation between wires or devices. .

このため基板と同型の伝導型を有する高濃度の不純物層
を、配線間、素子間あるいは配線と素子間の電気的分離
が必要な基板表面に形成せざるを得なくなる。さらには
、配線層と鰭気的分離層の間の電気的耐圧を保つために
、配線層と電気的分離層の間を充分に離す必要がある。
即ち、これらの対策を講じて、メモリトランジスタを従
来の如く並列に配置すると、メモリトランジスタ以外の
場所に大きな面積をとられてしまい、高密度化高集積化
の実を上げ得ないことがわかる。この発明の1つの目的
は、モノリシック集積回路記憶装置配列体の密度を向上
し得る、構造の簡単な記憶装置を提供することにある。
Therefore, a highly concentrated impurity layer having the same conductivity type as the substrate must be formed on the surface of the substrate where electrical isolation is required between wirings, between elements, or between wirings and elements. Furthermore, in order to maintain the electrical breakdown voltage between the wiring layer and the fin gas isolation layer, it is necessary to provide a sufficient distance between the wiring layer and the electrical isolation layer.
That is, it can be seen that if these measures are taken and the memory transistors are arranged in parallel as in the past, a large area will be taken up in areas other than the memory transistors, making it impossible to achieve high density and high integration. One object of the invention is to provide a storage device of simple construction that can increase the density of monolithic integrated circuit storage arrays.

この発明のさらに他の1つの目的は、与えられた情報を
半永久的もしくは希望する一定期間、電源の供V給ない
こ畜積可能な記憶装置を提供することにある。
Still another object of the present invention is to provide a storage device that can store given information semi-permanently or for a desired fixed period of time without being supplied with power.

さらにこの発明の他の目的は、この記憶装置によって初
めて可能な特異的な駆動方法を提供することである。
Still another object of the present invention is to provide a unique driving method that is only possible with this storage device.

この発明においては、基板と反対の導電型を有するソー
ス領域とドレイン領域との間の半導体基板表面いわゆる
電界効果チャンネル領域上に電荷蓄積機構をもつ絶縁膜
が設けられ、またその絶縁膜上にソースからドレィン方
向(又はドレィンからソース方向でも同じ)に向って複
数個のゲート電極を有し、それらの電極間半導体基板表
面にはソースおよびドレイン領域と同じ導電型を有する
領域が設けられるか、それらのゲート電極がゲ−ト電極
間にソースおよびドレィン領域と同じ導電型を有する領
域がなくともそれぞれのゲート電極下のチャンネル領域
がゲート電極に適当な電圧を印加するのみでつながる程
に密接して置かれた、ことを特徴とする記憶装置(以下
複数個のゲート電極を持つメモリトランジスタと略称す
る)がまず作られる。
In this invention, an insulating film having a charge storage mechanism is provided on the semiconductor substrate surface so-called field effect channel region between a source region and a drain region having a conductivity type opposite to that of the substrate, and a source region is provided on the insulating film. It has a plurality of gate electrodes extending from the source to the drain direction (or the same goes from the drain to the source direction), and the surface of the semiconductor substrate between these electrodes is provided with a region having the same conductivity type as the source and drain regions, or The gate electrodes are so close that even if there is no region between the gate electrodes having the same conductivity type as the source and drain regions, the channel regions under each gate electrode can be connected by simply applying an appropriate voltage to the gate electrodes. A memory device (hereinafter abbreviated as a memory transistor having a plurality of gate electrodes), which is characterized by a plurality of gate electrodes, is first produced.

ここで、ゲート下の絶縁膜は先述のMNOSの如きもの
で容易に得られ、ゲート電極と半導体基板間あるいはゲ
ート電極とチャンネル部間に電圧を印加することにより
ゲート闇値電圧が可変でき、しかもその閥値電圧をある
許容範囲内に長時間保つことができる。
Here, the insulating film under the gate can be easily obtained using a material such as the above-mentioned MNOS, and the gate dark voltage can be varied by applying a voltage between the gate electrode and the semiconductor substrate or between the gate electrode and the channel part. The threshold voltage can be maintained within a certain tolerance range for a long time.

さらにこの発明によれば、上読後数個のゲートを持つ複
数個のメモリトランジスタを配列するにおいて、複数個
のゲートを持つ複数個のメモリトランジスタの同等の位
置にあるゲートを共通接続し、さらに各複数個のゲート
を持つメモリトランジスタのソースにそれぞれ1つのス
イッチング用の絶縁ゲート電界効果トランジスタのドレ
インを接続し、このスイッチングトランジスタのソース
を読み出し用の絶縁ゲート電界効果トランジスタのゲー
トに共通接続し、さらに読み出し用の絶縁ゲート電界効
果トランジスタのゲ−トに充放鷺用の絶縁ゲート電界効
果トランジスタを接続し、また前記の複数個のゲートを
持つメモリトランジスタのドレィンと前記スイッチング
トランジスタのゲートとを共通接続する、ことを特徴と
したメモリブロックを構成し、このメモリブロックを少
なくとも1つは含むようにした不揮発性半導体記憶装置
を得る。
Furthermore, according to the present invention, in arranging a plurality of memory transistors having several gates after overreading, the gates at the same positions of the plurality of memory transistors having a plurality of gates are commonly connected, and each The drains of one insulated gate field effect transistor for switching are connected to the sources of the memory transistors each having a plurality of gates, the sources of the switching transistors are commonly connected to the gates of the insulated gate field effect transistors for reading, and An insulated gate field effect transistor for charging and discharging is connected to the gate of the insulated gate field effect transistor for reading, and the drain of the memory transistor having a plurality of gates and the gate of the switching transistor are commonly connected. A nonvolatile semiconductor memory device including at least one memory block is obtained.

次に、図面を使ってこの発明による不揮発性半導体記憶
装置の動作を説明する。
Next, the operation of the nonvolatile semiconductor memory device according to the present invention will be explained using the drawings.

それに先だってまず本発明の基本となる複数個のゲート
を持った絶縁ゲート電界効果不硬性トランジス外こつい
て簡単に述べておく。第1図に本発明に使用するに好ま
しい特性を持ったメモリトランジスタの典型例が示され
ている。
Prior to that, we will first briefly explain the basics of the insulated gate field effect non-rigid transistor having a plurality of gates, which is the basis of the present invention. FIG. 1 shows a typical example of a memory transistor having characteristics suitable for use in the present invention.

n型のシリコン基板1にまずp型のソース領域2とドレ
ィン領域3が離してまず形成され、それぞれにはソース
電極4とドレィン電極5が付着される。ソース領域2と
ドレイン領域3のシリコン基板表面に、典型的にはシリ
コン酸化膜6および比較的厚いシリコン窒化膜7が存在
し、このシリコン酸化膜6とシリコン窒化膜7との間に
はタングステンなどの微粒子が挿入されることもる。こ
のシリコン酸化膜とシリコン窒化膿の界面付近が電荷の
畜積層を形成する。シリコン窒化膜7の上に互いに電気
的に分離され、かつ可能なかぎり互いに密接したゲート
電極8がn個(G.、G2、・・・・・…・Gn)設け
られており、シリコン基板1には基板電極9が設けられ
、、ソースとドレィンとの間以外の基板表面は絶縁膜1
0により保護されている。またゲート電極間の間隙直下
の基板表面部分にp型層11が設けられてる。このよう
なp型層11を設けることによって、ゲート電極間の間
隙直下でチャンネル形成の途絶することを防ぐことがで
きる。ここに使用され書き換え可能なメモリ素子として
重要な役割をはたす、シリコン酸化膜とシリコン室化膿
の典型的2層構造について、典型的実施例における数値
に触れながらもう少し詳しく説明すると次のようである
First, a p-type source region 2 and a p-type drain region 3 are formed separately on an n-type silicon substrate 1, and a source electrode 4 and a drain electrode 5 are attached to each. Typically, a silicon oxide film 6 and a relatively thick silicon nitride film 7 are present on the silicon substrate surface of the source region 2 and drain region 3, and between the silicon oxide film 6 and the silicon nitride film 7, tungsten, etc. microparticles may be inserted. Near the interface between the silicon oxide film and the silicon nitride pus, a charge accumulation layer is formed. On the silicon nitride film 7, n gate electrodes 8 (G., G2, . . . Gn) are provided which are electrically isolated from each other and are as close to each other as possible. is provided with a substrate electrode 9, and the surface of the substrate other than between the source and drain is covered with an insulating film 1.
Protected by 0. Further, a p-type layer 11 is provided on the surface of the substrate directly under the gap between the gate electrodes. By providing such a p-type layer 11, it is possible to prevent channel formation from being interrupted directly under the gap between the gate electrodes. The typical two-layer structure of a silicon oxide film and a silicon oxide film, which is used here and plays an important role as a rewritable memory element, will be explained in more detail with reference to numerical values in typical examples.

例えば、代表的なMNOSの機体として、ゲート電極金
属にアルミニウム又は不純物を含む低抵抗のポリシリコ
ンを使用し、シリコン窒化膜の厚さが450A、シリコ
ン酸化膜の厚さを90Aとし、さらにシリコン窒化膜と
シリコン酸化膜との界面にタングステンなどを原子状に
1.5×1び5個挿入した実施の一例は極めて好ましい
特性を示すのである。
For example, a typical MNOS body uses low-resistance polysilicon containing aluminum or impurities for the gate electrode metal, the silicon nitride film is 450A thick, the silicon oxide film is 90A thick, and the silicon nitride film is 450A thick, the silicon oxide film is 90A thick, and An example of implementation in which 1.5×1 and 5 atoms of tungsten or the like are inserted at the interface between the film and the silicon oxide film exhibits extremely favorable characteristics.

このようなMNOS機体は、比較的厚いシリコン酸化膜
を持っているため、基板に対してゲート電極に十3Wで
100マイクロ秒程度のパルスを加えると、シリコン基
板から電子のみが注入され、シリコン窒化膿とシリコン
酸化膜との界面近傍に捕獲されて、MNOS構造のゲー
ト閥値電圧を十3V以上にすることができる。
Such an MNOS device has a relatively thick silicon oxide film, so when a pulse of about 100 microseconds at 13 W is applied to the gate electrode of the substrate, only electrons are injected from the silicon substrate, and silicon nitride is It is trapped near the interface between the pus and the silicon oxide film, making it possible to increase the gate threshold voltage of the MNOS structure to 13V or more.

この捕獲された電子は、もはや読み出しおよび記憶保持
中に絶縁膜に加わる程度の弱い電界の下では、容易には
動くことが困難であり、室温に於ては数1世王もの長時
間にわたって捕獲されたままの状態を保つことができる
These captured electrons are no longer able to move easily under the weak electric field that is applied to the insulating film during readout and memory retention, and at room temperature, they can be captured for a long time. You can keep it as it is.

この捕獲された電子はシリコン基板表面に電子とは逆犠
牲の電荷であるホールを誘起し、n型基板の場合p型の
チャンネルを形成する。
These captured electrons induce holes, which are sacrificial charges opposite to electrons, on the surface of the silicon substrate, forming a p-type channel in the case of an n-type substrate.

基板に対してゲート電極に−3Wで100マイクロ秒程
度のパルスを加えると、シリコン窒化膿とシリコン酸化
膜との界面にあるタングステンなどの粒子を通して今度
は容易に電子がシリコン窒化膜とシリコン酸化膜との界
面近傍から放出される。
When a pulse of about 100 microseconds at -3W is applied to the gate electrode of the substrate, electrons can be easily transferred to the silicon nitride film and the silicon oxide film through particles such as tungsten at the interface between the silicon nitride film and the silicon oxide film. It is emitted from near the interface with.

タングステンなどの粒子を挿入しない場合では、完全に
書き込み前のゲート関値にまで回復させることが難しく
、無理に高電圧を加えても絶縁膜が破壊されるのみで電
子を放出させて書き換えることは難しい。シリコン酸化
膜が90A程度に厚い場合には、電子放出中に同時にシ
リコン側からホールが注入されることはなく、タングス
テンなどを挿入したものでは、ゲート閥値電圧が一2V
程度で飽和する。
If particles such as tungsten are not inserted, it is difficult to completely restore the gate function to the value before writing, and even if a high voltage is applied forcibly, the insulating film will only be destroyed and it will not be possible to rewrite by emitting electrons. difficult. If the silicon oxide film is as thick as about 90A, holes will not be injected from the silicon side simultaneously during electron emission, and if tungsten or the like is inserted, the gate threshold voltage will be 12V.
Saturation occurs at a certain level.

この飽和する特性は、この発明にとって非常にありがた
いことである。それは、複数個のゲートを持った絶縁ゲ
ート電界効果メモリトランジスタが読み出したいゲート
下の導適状態(導通かまたは非導通か)を知るには他の
全てのゲート下チャンネル部を導通状態にする必要があ
り、一方このために必要な他の全てのゲートに加える電
圧は、書き込み、消去に使用する電圧土35Vよりも小
さい電圧でしかも記憶保持特性に影響をもたらさないく
らいに小さい電圧例えばpチャンネルの場合−5V程度
であることが要求されるので、前記の如くゲート閥値電
圧が−2Vで飽和してくれると、導適状態が記憶保持性
に問題を残さずに、高々一5V程度のゲートバイアスに
より確保できるからである。第2図にこの発明の実施の
一例でもあるpチャンネルでm個のゲートを持ったメモ
リトランジスタを1列にn個並列にならべたメモリブロ
ックの一例を示す。
This saturated property is very beneficial to the present invention. In order to know the conductivity state (conducting or non-conducting) under the gate that an insulated gate field effect memory transistor with multiple gates wants to read, it is necessary to make all other channels under the gate conductive. On the other hand, the voltages applied to all other gates required for this purpose are smaller than the 35V voltage used for writing and erasing, and are also small enough not to affect the memory retention characteristics, such as for p-channel. Therefore, if the gate threshold voltage is saturated at -2V as mentioned above, the conductive state can be maintained at about -5V at most without leaving any problems in memory retention. This is because it can be ensured by bias. FIG. 2 shows an example of a memory block in which n p-channel memory transistors each having m gates are arranged in parallel in one column, which is an example of an embodiment of the present invention.

先述の如く、m個のゲートを持ったn個のメモリトラン
ジスタ101のソースを、それぞれノーマリー・オフ(
normally‐off)型のスイッチングトランジ
スタ102を介して、読み出しトランジスタ103のゲ
ートに接続する。
As mentioned above, the sources of n memory transistors 101 each having m gates are normally off (
It is connected to the gate of a read transistor 103 via a normally-off type switching transistor 102 .

さらに、読み出しトランジスタ103のゲートには充放
電用トランジスタ104が接続され、ダイナミックな読
み出しを行わせる。
Further, a charge/discharge transistor 104 is connected to the gate of the read transistor 103 to perform dynamic read.

この充放電用トランジスタ104‘ま、この発明で初め
て採用したこのメモリブロックをそれ程高速の動作を行
わせる必要のない場合には、負荷トランジス外こ置き換
えてスタティック動作を行わせることもできるが、ここ
では高速動作可能なダイナミック動作の場合を例示する
This charging/discharging transistor 104' Well, if this memory block, which was adopted for the first time in this invention, does not need to operate at such a high speed, it can be replaced with an external load transistor and operated statically. In the following, a case of dynamic operation capable of high-speed operation will be exemplified.

なお、図中105のトランジスタは読み出し用トランジ
スタの負荷であるが、図と異なりディプリーション負荷
であっても良く、また他のスイッチングトランジスタで
置き換えることにより読み出しセンスおよびバッファ回
路自体をダイナミック動作させることも可能である。
Note that the transistor 105 in the figure is a load for the readout transistor, but unlike the figure, it may be a depletion load, and by replacing it with another switching transistor, the readout sense and buffer circuit itself can be operated dynamically. is also possible.

この発明での重要な特徴は、各々の複数個のゲートを持
つメモリトランジスタ101の各々のドレインYiと各
々のスイッチングトランジスタSjのゲートを結んだこ
とである。
An important feature of this invention is that each drain Yi of each memory transistor 101 having a plurality of gates is connected to the gate of each switching transistor Sj.

従ってこの発明の典型的な実施の一例として、第2図の
メモリブロックを縦方向に更に複数個集積化する場合に
、各々のメモリトランジスタのゲート電極の上を絶縁さ
れて縦方向に走る配線が1本になし得るのである。
Therefore, as an example of a typical implementation of the present invention, when a plurality of memory blocks shown in FIG. This can be done with just one piece.

このため、各々の複数個のゲートを持つメモリトランジ
スタ101のドレィン配線と各々のスイッチングトラン
ジスタSn(102)のゲート配線とを並行して走らせ
た場合に〈らべ、約2倍集積度を向上させられる。
Therefore, when the drain wiring of each memory transistor 101 having a plurality of gates and the gate wiring of each switching transistor Sn (102) are run in parallel, the degree of integration can be improved by approximately twice. It will be done.

またこの実施例に於ては、メモリトランジスタ部106
と周辺回路部とは、例えばSOS(Sili‐cono
nSappljre)とかェピタキシャル基板を使って
拡散分離する等々の方法で基板分離を行い、メモリ部に
基板側から−35V程度の消去電圧が加えられる様にさ
れている。
Further, in this embodiment, the memory transistor section 106
and the peripheral circuit section are, for example, SOS (Sili-cono
Substrate separation is performed by a method such as diffusion separation using an epitaxial substrate or an epitaxial substrate, and an erase voltage of about -35 V is applied to the memory section from the substrate side.

次にこの実施例の読み出し動作について、第3図を参照
しながら語述する。
Next, the read operation of this embodiment will be described with reference to FIG.

まず各々の複数個のゲートを持つメモリトランジスタの
それぞれのゲート部は書き込みが既に行われ、全ての番
地のゲート部の閥値電圧は、“0”書き込みすなわち+
2V以上又は“1”書き込みすなわちOVから−2V近
傍の電圧のいずれかになされているものとする。
First, writing has already been performed on each gate portion of each memory transistor having a plurality of gates, and the threshold voltages of the gate portions at all addresses are “0” written, that is, +
It is assumed that the voltage is either 2V or more or "1" writing, that is, a voltage in the vicinity of -2V from OV.

また周辺回路のトランジスタは−IVの闇値電圧を持つ
ものとする。ここでまず、選択されたXi端子Xk(k
は1からmまでの整数)にはOV、非選択のXi端子に
は−5Vが印加される。さらにYi端子の選択された端
子Y1(1は1からnまでの整数)には−5V非選択の
端子にはOVを加えると、もしk番目のゲート電極下に
あり1番目の複数個のゲートを持つメモリトランジスタ
に属するゲート部の閥値電圧が十2V以上であれば、読
み出しトランジスタのゲートの電圧は−2Vから−3V
までの間の電位になることができ、読み出しトランジス
タはon状態になる。またk番目のゲート電極下にあり
1番目の複数個のゲートを持つメモリトランジスタに属
するゲート部の関値電圧がOVから−2V近傍であれば
、1番目の複数個のゲートを持つメモリトランジスタの
ソース、ドレィン間はoff状態になる。従って第3図
に示す如く充放電トランジスタ104がここで一時的に
導通し、読み出しトランジスタ103のゲート電位を雫
電位とすれば、読み出しトランジスタ103は長時間に
わたってoH状態を保つ。しかもこの実施例の場合メモ
リトランジスタのゲート電位を−IV以下にする様なり
ークの通路はないので、実際上放電後には全くスタテッ
クに読み出しが可能となる。次に、この実施例の消去動
作をやはり第3図を参照しながら説明する。
It is also assumed that the transistors in the peripheral circuit have a dark value voltage of -IV. Here, first, the selected Xi terminal Xk(k
is an integer from 1 to m), OV is applied, and -5V is applied to unselected Xi terminals. Furthermore, if -5 V is applied to the selected terminal Y1 (1 is an integer from 1 to n) of the Yi terminal, and OV is applied to the unselected terminal, if it is under the k-th gate electrode and the first plural gates If the threshold voltage of the gate of the memory transistor with the
The read transistor is turned on. Furthermore, if the function voltage of the gate part of the memory transistor with the first plurality of gates located below the k-th gate electrode is around -2V from OV, then the voltage of the gate part of the memory transistor with the first plurality of gates The source and drain are in an OFF state. Therefore, as shown in FIG. 3, if the charging/discharging transistor 104 is temporarily turned on and the gate potential of the read transistor 103 is set to a drop potential, the read transistor 103 remains in the oH state for a long time. Moreover, in this embodiment, since there is no leakage path that would lower the gate potential of the memory transistor to below -IV, it is actually possible to read data completely statically after discharge. Next, the erasing operation of this embodiment will be explained with reference to FIG.

消去は、基板側から−35VIOOマイクロ秒程度の負
電圧パルスを印加することにより、それぞれのゲート電
極単位に行える。
Erasing can be performed for each gate electrode by applying a negative voltage pulse of about -35 VIOO microseconds from the substrate side.

このとき、各々の複数個のゲートを持つメモリトランジ
スタのそれぞれのソース及びドレインに結がる配線は、
高インピーダンスになる様にされている。
At this time, the wiring connected to each source and drain of each memory transistor having a plurality of gates is
It is designed to have high impedance.

消去したいゲートには帆、消去したくないゲートには−
15V程度の半選択電圧を加えることにより、ゲート単
位のいわゆるブロック消去が可能である。
Sail for the gate you want to erase, - for the gate you don't want to erase.
By applying a half-select voltage of about 15 V, so-called block erasure in gate units is possible.

消去動作により電子がゲート絶縁物中の捕獲準&に注入
され、消去されたゲート下にはチャンネルが形成される
Due to the erase operation, electrons are injected into the trap atoms in the gate insulator, and a channel is formed under the erased gate.

次に書き込み動作についてやはり第3図を参照しながら
説明する。
Next, the write operation will be explained with reference to FIG.

書き込みは、書き込みたいゲートに一35VIOOマイ
クロ秒程度の書き込み電圧パルスを印加して行われるが
、このとき書き込みたくない各々の複数個のゲートを持
つメモIJトランジスタのそれぞれのドレィンには−1
5V程度の半選択電圧をあらかじめ加えておけば書き込
まれることはない。
Writing is performed by applying a write voltage pulse of about 135 VIOO microseconds to the gate to which writing is desired, but at this time, -1 is applied to the drain of each memory IJ transistor having a plurality of gates to which writing is not desired.
If a half selection voltage of about 5V is applied in advance, no writing will occur.

貫き込むか書き込まないかのデータを入力する方法とし
ては、メモリトランジスタのゲート電極側から入力する
方法とドレィン又はソース側から入力する方法との2つ
の方法が考えられるが、本実施例に於てはどちらでも可
能である。この実施例は、消去動作がゲート配線単位の
ブロック消去であるが、それぞれのブロックに属するゲ
ートの数を容易に100個程度にまで作ることができ、
実際に集積化される場合には非常に多くのブロックに分
けることができるので、優秀なランダムアクセスの不揮
発性半導体記憶装置として事実上使用できる。
There are two possible methods for inputting data to determine whether to write or not write: one is to input from the gate electrode side of the memory transistor, and the other is to input from the drain or source side. Either is possible. In this embodiment, the erase operation is block erase for each gate wiring, but the number of gates belonging to each block can be easily made up to about 100.
When actually integrated, it can be divided into a large number of blocks, so it can actually be used as an excellent random access nonvolatile semiconductor memory device.

以上、この発明の実施例を説明するにあたって、pチャ
ンネル型の素子について詳述してきたが、nチャンネル
型の素子についても適用し得ることは云うまでもない。
So far, in describing the embodiments of the present invention, p-channel type elements have been described in detail, but it goes without saying that the present invention can also be applied to n-channel type elements.

また、ェンハンスメントモードで動作する例のみを示し
たが、適当に電気的にバイアスを行うことによりディプ
リーションモードの素子にも適用し得ることもまた当然
である。またもちろんのことであるが、エンハンスメン
トとディプリーションの両モードで動作するトランジス
タを混在させた集積回路にすることも当然可能である。
Moreover, although only an example of operation in enhancement mode has been shown, it is natural that the present invention can also be applied to a depletion mode element by applying an appropriate electrical bias. Of course, it is also possible to create an integrated circuit that includes a mixture of transistors that operate in both enhancement and depletion modes.

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

第1図は、本発明の基本となる複数個のゲートを持つメ
モリトランジスタの1例を説明するためのMNOS機体
断面図である。 1はn型のシリコン基板、2および3はそれぞれp型の
ソースおよびドレィン領域、4および5はそれぞれソー
ス電極およびドレイン電極、6はシリコン酸化膜、7は
シリコン窒化膿、8はゲート電極、9は基板電極、10
は保護用の絶縁膜、11はゲート間隙下のシリコン表面
に作られたp型の不純物層をそれぞれ示す。 第2図は、この発明の実施の一例でもあるこの発明で初
めて採用されることとなったメモリブロックの概念を説
明するための図である。 101は複数個のゲートを持つメモリトランジスタ、1
02は各々のメモリトランジスタ101を選択するスイ
ッチングトランジスタ、103は読み出し用トランジス
タ、104は読み出しのために設けた充放電用トランジ
スタ、105は読み出しトランジスタの負荷トランジス
タ、106はメモリ部と周辺回路との間の基板分離領域
をそれぞれ示す。 第3図は、第2図の実施例の基本的動作に必要な電圧の
かけ方の一例を示す説明図である。 努′図髪乙図 紫3図
FIG. 1 is a cross-sectional view of an MNOS body for explaining an example of a memory transistor having a plurality of gates, which is the basis of the present invention. 1 is an n-type silicon substrate, 2 and 3 are p-type source and drain regions, 4 and 5 are source and drain electrodes, respectively, 6 is a silicon oxide film, 7 is a silicon nitride film, 8 is a gate electrode, 9 is the substrate electrode, 10
11 indicates a protective insulating film, and 11 indicates a p-type impurity layer formed on the silicon surface under the gate gap. FIG. 2 is a diagram for explaining the concept of a memory block that is employed for the first time in this invention, which is an example of the implementation of this invention. 101 is a memory transistor having a plurality of gates;
02 is a switching transistor for selecting each memory transistor 101, 103 is a readout transistor, 104 is a charge/discharge transistor provided for readout, 105 is a load transistor for the readout transistor, and 106 is between the memory section and the peripheral circuit. The substrate isolation regions of FIG. FIG. 3 is an explanatory diagram showing an example of how to apply the voltage necessary for the basic operation of the embodiment of FIG. 2. Tsutomu' figure Otsu figure Murasaki figure 3

Claims (1)

【特許請求の範囲】[Claims] 1 複数個のゲートをもち、それらのゲート閾値電圧が
ゲート電極とチヤンネル又はゲート電極と基板間に電圧
を印加することにより可変でき、しかもその閾値電圧を
ある許容範囲内に長時間保てることを特徴とした絶縁ゲ
ート電界効果不揮発性メモリトランジスタを複数個配列
するに於て、上記複数個のゲートを持つ複数個のメモリ
トランジスタの同等の位置にあるゲートを共通接続し、
さらに各複数個のゲートを持つメモリトランジスタのソ
ースにそれぞれ1つのスイツチング用の絶縁ゲート電界
効果トランジスタのドレインを接続し、このスイツチン
グトランジスタのソースを読み出し用の絶縁ゲート電界
効果トランジスタのゲートに共通接続し、さらに読み出
し用の絶縁ゲート電界効果トランジスタのゲートに充放
電用の絶縁ゲート電界効果トランジスタを接続し、また
、前記複数個のゲートを持つメモリトランジスタのドレ
インと前記スイツチングトランジスタのゲートとを共通
接続する、ことを特徴としたメモリブロツクを構成し、
このメモリブロツクを少なくとも1つは含むようにした
不揮発性半導体記憶装置。
1 It has a plurality of gates, and its gate threshold voltage can be varied by applying a voltage between the gate electrode and the channel or between the gate electrode and the substrate, and the threshold voltage can be maintained within a certain tolerance range for a long time. In arranging a plurality of insulated gate field effect nonvolatile memory transistors, the gates at the same positions of the plurality of memory transistors having a plurality of gates are commonly connected,
Furthermore, the drain of one insulated gate field effect transistor for switching is connected to the source of each memory transistor having a plurality of gates, and the source of this switching transistor is commonly connected to the gate of the insulated gate field effect transistor for reading. Further, an insulated gate field effect transistor for charging and discharging is connected to the gate of the insulated gate field effect transistor for reading, and the drain of the memory transistor having a plurality of gates and the gate of the switching transistor are connected in common. Constructs a memory block characterized by connecting,
A nonvolatile semiconductor memory device including at least one such memory block.
JP52063507A 1977-04-08 1977-05-30 Non-volatile semiconductor memory device Expired JPS6023436B2 (en)

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