JPS6025030B2 - Drive method of semiconductor memory device - Google Patents

Drive method of semiconductor memory device

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JPS6025030B2
JPS6025030B2 JP53165118A JP16511878A JPS6025030B2 JP S6025030 B2 JPS6025030 B2 JP S6025030B2 JP 53165118 A JP53165118 A JP 53165118A JP 16511878 A JP16511878 A JP 16511878A JP S6025030 B2 JPS6025030 B2 JP S6025030B2
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JP
Japan
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writing
gate
voltage
information
insulating film
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JP53165118A
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隆司 伊藤
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Fujitsu Ltd
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Fujitsu Ltd
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    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01LSEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • 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

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Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、情報の書込み及び議出しを電気的に行なう不
揮発性メモリを有する半導体記憶装置の駆動方式の改良
に関する。
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION The present invention relates to an improvement in the driving method of a semiconductor memory device having a nonvolatile memory in which information is written and output electrically.

従来、多用されている半導体記憶袋鷹の大部分は揮発性
郎ち電源を切ると記憶情報が消滅する型式のものである
Most of the semiconductor memory bags that have been widely used in the past are of the volatile type, and the stored information disappears when the power is turned off.

そこで、そのような欠点に対処する装置として議出し専
用の不揮発性のものが提供されているが、そのような装
置では書換え不可能のものが多く、書換え可能なものの
種類は極く少ない。そして、その書換え可能なものは、
書込みは電気的に行なえるものの、書換えの前提となる
消去は紫外線照射に依らなければならないなど、取扱い
上不便である。また、電気的に書込み及び消去が可能で
あるものは記憶情報の保持が悪い欠点を持っていて、し
かも、その種の装置及び前記紫外線消去のものも含め、
集積回路装置に通常使用されている電源の電圧より遥か
に高い電圧を必要としている。第1図は従来の紫外線消
去型不揮発性半導体記憶装置の菱部側断面図である。
Therefore, non-volatile devices exclusively used for sending out messages have been provided as devices to deal with such drawbacks, but many of these devices are not rewritable, and there are very few types of rewritable devices. And what can be rewritten is
Although writing can be done electrically, erasing, which is a prerequisite for rewriting, must rely on ultraviolet irradiation, which is inconvenient in handling. In addition, devices that can be electrically written and erased have the disadvantage of poor retention of stored information, and in addition, such devices and those that can be erased by ultraviolet light,
They require voltages that are much higher than those of the power supplies typically used in integrated circuit devices. FIG. 1 is a cross-sectional side view of a conventional ultraviolet erasable nonvolatile semiconductor memory device.

図に於いて、1はp型シリコン半導体基板、2はフィー
ルド用酸化膜、3はn+型ソース領域、4はn+型ドレ
ィン領域、5はゲート酸化膜、6は多結晶シリコンのフ
ローティング・ゲート、7は同じく多結晶シリコンのコ
ントロール・ゲート、8は燐桂酸ガラス膜、9はソース
電極、10はドレィン電極をそれぞれ示す。
In the figure, 1 is a p-type silicon semiconductor substrate, 2 is a field oxide film, 3 is an n+ type source region, 4 is an n+ type drain region, 5 is a gate oxide film, 6 is a polycrystalline silicon floating gate, 7 is a polycrystalline silicon control gate, 8 is a phosphosilicate glass film, 9 is a source electrode, and 10 is a drain electrode.

この装置に於いて、情報の書込みを行なうには、チャネ
ル領域の電荷をフローティング・ゲート6へ注入し、ト
ランジスタの関値電圧Vthを変化させるようにする。
In this device, in order to write information, charges in the channel region are injected into the floating gate 6 to change the function voltage Vth of the transistor.

そして、このとき、フローティング・ゲート6への電荷
注入を容易にする為、基板1とコントロール・ゲート7
との間に電圧を印加して加速電界を形成する。情報の書
込みを速度を向上し、また、低い電圧で書込みを可能と
する為には、ゲ−ト酸化膜5の膜厚を薄くする必要があ
る。しかしながら、余り薄くすると、議出し時にゲート
酸化膜5に加わる電界に依っても僅かなから電荷の注入
が起って特性は不安定となる。通常、前記従来例では、
情報書込みに十25〔V〕程度、読出し‘こは十5〔V
〕程度をコントロール・ゲートへ印加して関値電圧y仇
の変化を検出している。
At this time, in order to facilitate charge injection into the floating gate 6, the substrate 1 and the control gate 7 are
A voltage is applied between the two to form an accelerating electric field. In order to increase the speed of writing information and to enable writing at a low voltage, it is necessary to reduce the thickness of the gate oxide film 5. However, if it is made too thin, the electric field applied to the gate oxide film 5 at the time of deposition will cause charge injection, even if only slightly, and the characteristics will become unstable. Usually, in the conventional example,
About 125 [V] for information writing, about 15 [V] for reading
] is applied to the control gate to detect changes in the function voltage y.

尚、前記従来例の構造では、フローティング・ゲート7
に電子が注入され、そして、それが蓄積されると閥値電
圧Vthは高くなる。また、書込まれた情報を消去する
には紫外線を照射し、電子を放出するようにする。本発
明は、情報の書込み、消去を電気的に行なうことができ
、しかも書込み、読出し、消去の全てを低電圧の単一電
源、例えば85〔V〕単一電源で行なうことができるよ
うに、また、書込まれた情報を不揮発に保持できるよう
にするものであり、以下これを詳細に説明する。
Note that in the structure of the conventional example, the floating gate 7
When electrons are injected into and accumulated, the threshold voltage Vth increases. Further, in order to erase written information, ultraviolet rays are irradiated to emit electrons. According to the present invention, information can be written and erased electrically, and all writing, reading, and erasing can be performed with a single low-voltage power source, for example, a single 85 [V] power source. Further, it is possible to hold written information in a non-volatile manner, and this will be explained in detail below.

第2図は本発明を実施する場合に用いる半導体記憶装置
の一例を表わす要部側断面図、第3図は同じく要部平面
図である。
FIG. 2 is a sectional side view of a main part of an example of a semiconductor memory device used in carrying out the present invention, and FIG. 3 is a plan view of the main part.

尚、第2図は第3図に於ける線×−Yに沿って切断した
ものであるが、第2図と第3図とを比較すると第3図に
於いては省略がある。各図に於いて、11はp型シリコ
ン半導体基板、12はフィールド用酸化膜、13はn1
型ソース領域、14はn+型ドレィン領域、15はゲー
ト酸化膜、16はシリコン・フローティング・ゲート、
17,はシリコン第1コントロール・ゲート、172は
シリコン第2コントロール・ゲート、18は隣桂酸ガラ
ス膜をそれぞれ示す。
Note that although FIG. 2 is a cut along the line x-Y in FIG. 3, when comparing FIG. 2 and FIG. 3, there are omissions in FIG. In each figure, 11 is a p-type silicon semiconductor substrate, 12 is a field oxide film, and 13 is an n1
14 is an n+ type drain region, 15 is a gate oxide film, 16 is a silicon floating gate,
17, a silicon first control gate, 172 a silicon second control gate, and 18 a phosphoric acid glass film, respectively.

尚、ゲート16,17,,172 は勿論多結晶のシリ
コンである。また、特にゲート17,,172は金属を
用いても良い。前記構成からなる装置では、基板11と
ゲート酸化膜15との間に容量C,が、フローティング
・ゲート16と第1コントロール・ゲート17,との間
に容量C2が、フローテイング・ゲート16と第2コン
トロール・ゲート172との間に容量C3が形成される
Note that the gates 16, 17, and 172 are of course made of polycrystalline silicon. Further, in particular, the gates 17, 172 may be made of metal. In the device having the above configuration, a capacitance C is provided between the substrate 11 and the gate oxide film 15, a capacitance C2 is provided between the floating gate 16 and the first control gate 17, and a capacitance C2 is provided between the floating gate 16 and the first control gate 17. A capacitor C3 is formed between the two control gates 172 and the second control gate 172.

これ等容量C,〜C3は第4図(書込み時)及び第5図
(読出し時)に見られるような接続関係となって、電荷
の注入、蓄積等が行なわれ、記憶装置としての所要の動
作を行なうようになっている。
These capacitors C, ~C3 form a connection relationship as shown in Figure 4 (during writing) and Figure 5 (during reading), and charge is injected and accumulated, and the required amount as a storage device is achieved. It is designed to take action.

尚、第4図及び第5図に於いて、Voは基板11を接地
した場合に於けるフローティング・ゲート16の電位、
Vrは読出し用電圧、VWは書込み用電圧をそれぞれ示
す。さて、情報の書込み時及び消去時にはゲート酸化膜
15に加わる電界を大にしなければならない。
In FIGS. 4 and 5, Vo is the potential of the floating gate 16 when the substrate 11 is grounded;
Vr represents a read voltage, and VW represents a write voltage. Now, when writing and erasing information, it is necessary to increase the electric field applied to the gate oxide film 15.

この電界は電位Voに比例する為、動作の解析には電位
Voの評価を行なえば良い。V。
Since this electric field is proportional to the potential Vo, it is sufficient to evaluate the potential Vo in order to analyze the operation. V.

=き竿声2章3きき ‐‐‐‐‐‐(11いま、
Vr=Vwであるから、V。
= Kisho 2 Chapter 3 Kiki ------ (11 Now,
Since Vr=Vw, V.

=C≦2言2章も3Vr ……【2’である。ま
た「記憶情報を謙出す時は、式{1}に於いて、Vw=
0であるから、C2Vr .
..…{3’V。
=C≦2 words Chapter 2 is also 3Vr...[2'. Also, ``When extracting memory information, in formula {1}, Vw=
Since C2Vr.
.. .. ...{3'V.

=C,十C2十C3である。=C, 10C20C3.

第6図は容量C3に対する電位Voの依存性を表わすも
のである。
FIG. 6 shows the dependence of the potential Vo on the capacitor C3.

図に於いて、容量C3が零のときのVo/VWの値は、
第1図に見られる通常の構造を有する装置に於いて、議
出し用電圧Vrが印加されたときの電位Voの大きさに
相当する。本発明では、C3>0とするところに最大の
特徴があり、第6図に見られるような容量C3の値の場
合には、一定の議出し用電圧Vrを用いているにも拘わ
らず、議出し時のVo/Vrは小さく、情報書込み或い
は消去時のVo/Vrを数倍以上に大きくすることがで
きる。即ち、書込み或いは消去時と議出し時とで第2コ
ントロール・ゲートの接続を切換えることに依り、それ
等の動作を単一電源で、しかも低い電圧で行なわせるこ
とが可能である。前記実施例に於いて、情報書込み或い
は消去を行なう為の電荷の注入は、基板11に於ける接
合でブレイク・ダウンを発生させ、それに依り得られる
ホット・キャリャを注入したり、或いは、トンネル電流
に依り注入を行なうなど任意であるが、いずれにせよ、
低い電圧で高速の情報書込み及び消去を行なうことがで
き、しかも、記憶情報を半永久的に保持できる。
In the figure, the value of Vo/VW when the capacitance C3 is zero is
In the device having the normal structure shown in FIG. 1, this corresponds to the magnitude of the potential Vo when the output voltage Vr is applied. The greatest feature of the present invention is that C3>0, and in the case of the value of capacitance C3 as shown in FIG. 6, even though a constant setting voltage Vr is used, The Vo/Vr at the time of issuing a meeting is small, and the Vo/Vr at the time of writing or erasing information can be increased several times or more. That is, by switching the connection of the second control gate between writing or erasing and reading, it is possible to perform these operations using a single power supply and at a low voltage. In the embodiment described above, the injection of charge for writing or erasing information causes a breakdown in the junction in the substrate 11, and the resulting hot carriers are injected or a tunnel current is generated. It is optional to perform injection depending on the situation, but in any case,
Information can be written and erased at high speed with low voltage, and stored information can be retained semi-permanently.

そして、構造的に第2図、第3図に示したものに限定さ
れないことも勿論である。例えば、第2図に於いて、フ
ローティング‘ゲート16を図の左方に延在させ、従っ
て、第2コントロール・ゲート172も左方に存在させ
るなどは自由であり、要は、容量C,,C2,C3に相
当する容量を第4図、第5図に見られるように接続可能
であれば良い。以上の説明で判るように、本発明に依れ
ば、フローティング・ゲート及びコントロール・ゲート
を有するMIS電界効果トランジスタからなる不揮発性
メモIJ‘こ於いて、フローテイング・ゲートをチャネ
ル領域上のみならずフィールド用絶縁膜上にまで延在さ
せ、そのフローテイング・ゲ−トに第1及び第2のコン
トロール・ゲートを対向させた構成になっている為、情
報書込み時には第1及び第2のコントロール・ゲートに
書込み用の所定電圧を印加し、その極性に依り半導体基
板側より正または負の電荷をフローティング・ゲートに
注入して記憶させ、その記憶情報を消去する際は同様に
負または正の電荷をフローティング・ゲートに注入して
その帯電状態を変えるようにして行なうことができ、ま
た、情報論出し時には第1及び第2のコントロール・ゲ
ートのいずれか一方に前記書込み用の所定の電圧と同じ
電圧である講出し電圧を印加し、他方は半導体基板に実
質的.・接する状態となし、そこで閥値電圧Vthを検
出することができる。
Of course, the structure is not limited to that shown in FIGS. 2 and 3. For example, in FIG. 2, it is possible to extend the floating gate 16 to the left side of the figure and, therefore, to make the second control gate 172 also exist on the left side.In short, the capacitance C,... It is sufficient if the capacitors corresponding to C2 and C3 can be connected as shown in FIGS. 4 and 5. As can be seen from the above description, according to the present invention, in a non-volatile memory IJ' consisting of an MIS field effect transistor having a floating gate and a control gate, the floating gate is not only located on the channel region but also The first and second control gates extend over the field insulating film, and the first and second control gates are opposed to the floating gate, so when writing information, the first and second control gates are A predetermined voltage for writing is applied to the gate, and depending on the polarity, a positive or negative charge is injected into the floating gate from the semiconductor substrate side to store it. When erasing the stored information, a negative or positive charge is similarly applied. This can be done by injecting into the floating gate to change its charging state, and when writing information, the same voltage as the predetermined voltage for writing is applied to either the first or second control gate. A voltage, which is a voltage, is applied to the semiconductor substrate, and the other voltage is applied to the semiconductor substrate. - The threshold voltage Vth can be detected at this point.

このようにして、本発明方式では、電気的書込み、議出
し、消去を高速且つ低電圧で、しかも、単一電源で実施
可能であり、そして、記憶された情報は不揮発に維持さ
れる。更にまた、本発明に用いる装置を製造するには従
来装置を製造する場合と比較して何等の工程増加もなく
、単に、フローティング・ゲート及びコントロール・ゲ
ートとパターニング・マスクのパターンが変るだけであ
る。
In this manner, the present invention allows electrical writing, programming, and erasing to be performed at high speed, low voltage, and with a single power supply, and the stored information remains non-volatile. Furthermore, manufacturing the device used in the present invention requires no additional steps compared to manufacturing the conventional device, and only changes the patterns of the floating gate, control gate, and patterning mask. .

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

第1図は従釆装置の要部側断面図、第2図は本発明を実
施するのに用いる装置の一例を表わす要部側断面図、第
3図は同じく要部平面図、第4図及び第5図は装置に於
いて生成される容量の接続関係を表わす説明図、第6図
は容量C3の電位Voに対する依存性を表わす線図であ
る。 図において、11は基板、12は酸化膜、13はソース
領域、14はドレィン領域、15はゲート酸化膜、16
はフローティング・ゲート、17,,172は第1及び
第2のコントロール・ゲート、18は機桂酸ガラス腰で
ある。 第1図 第2図 第3図 第4図 第5図 第6図
Fig. 1 is a side sectional view of the main part of the subordinate sluice device, Fig. 2 is a side sectional view of the main part showing an example of the device used to carry out the present invention, Fig. 3 is a plan view of the main part, and Fig. 4 is a side sectional view of the main part. 5 is an explanatory diagram showing the connection relationship of the capacitors generated in the device, and FIG. 6 is a diagram showing the dependence of the capacitor C3 on the potential Vo. In the figure, 11 is a substrate, 12 is an oxide film, 13 is a source region, 14 is a drain region, 15 is a gate oxide film, and 16 is a
is a floating gate, 17, 172 are first and second control gates, and 18 is a borosilicate glass frame. Figure 1 Figure 2 Figure 3 Figure 4 Figure 5 Figure 6

Claims (1)

【特許請求の範囲】[Claims] 1 一導電型の半導体基板上に選択的に形成されたフイ
ールド用絶縁膜、該フイールド用絶縁膜の間に露出され
る前記基板表面に形成された反対導電型のソース及びド
レイン領域、該ソース及びドレイン領域間のチヤネル領
域上のゲート絶縁膜上から前記フイールド用絶縁膜上に
延在するフローテイング・ゲート、該フローテイング・
ゲート上に絶縁膜を介して対向する第1及び第2のコン
トロール・ゲートを備えてなる半導体装置に於いて、情
報書込み時には、該第1及び第2のコントロール・ゲー
トに書込み用の所定の電圧を印加し、情報読出時には該
第1及び第2のコントロール・ゲートのいずれか一方に
前記書込み用の所定の電圧と同じ電圧である読出し電圧
を印加し、且つ、他方は前記半導体基板と同電位とする
ことを特徴とする半導体記憶装置の駆動方式。
1 A field insulating film selectively formed on a semiconductor substrate of one conductivity type, a source and drain region of the opposite conductivity type formed on the substrate surface exposed between the field insulating films, the source and a floating gate extending from a gate insulating film on a channel region between drain regions to the field insulating film;
In a semiconductor device comprising first and second control gates facing each other with an insulating film on the gate, when writing information, a predetermined voltage for writing is applied to the first and second control gates. is applied, and when reading information, a read voltage that is the same voltage as the predetermined voltage for writing is applied to one of the first and second control gates, and the other is at the same potential as the semiconductor substrate. A driving method for a semiconductor memory device, characterized in that:
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