KR20000000580A - Nonvolatile semiconductor memory device and operating method thereof - Google Patents

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KR20000000580A KR1019980020259A KR19980020259A KR20000000580A KR 20000000580 A KR20000000580 A KR 20000000580A KR 1019980020259 A KR1019980020259 A KR 1019980020259A KR 19980020259 A KR19980020259 A KR 19980020259A KR 20000000580 A KR20000000580 A KR 20000000580A
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Abstract

PURPOSE: A NAND-type flash EEPROM(Electrically Erasable Programmable Read Only Memory) is provided to prevent a leakage current through a field transistor by applying a negative voltage to a word line. CONSTITUTION: The NAND-type EEPROM comprises memory cell arrays(MC1-MC16) arranged a matrix structure, a plurality of bit lines common connected to a drain of the memory cells, and a plurality of word lines connected to a control gate of the memory cells. The operating method of the EEPROM comprises the steps of: applying a negative voltage to a selective word line; applying a voltage more than 0V to a selective bit line; applying 0V to a non-selective bit line, a source line, a bulk selective line and a ground selective line; and applying a voltage more than 0V to a string selective line and a non-selective word line.

Description

불휘발성 반도체 메모리 장치 및 그 동작 방법Nonvolatile semiconductor memory device and operation method thereof

본 발명은 비휘발성 반도체 메모리 장치 및 그 동작방법에 관한 것으로, 특히 난드형 플래쉬 이이피롬(EEPROM) 장치 및 그 동작방법에 관한 것이다.BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a nonvolatile semiconductor memory device and a method of operating the same, and more particularly, to a NAND flash EPIROM device and a method of operating the same.

일반적으로 반도체 메모리 장치는 크게 시간이 경과함에 따라 데이터가 소멸되는 휘발성 메모리 장치와 시간이 경과되더라도 한번 저장된 데이터가 그대로 유지되는 비휘발성 메모리 장치로 구분할 수 있다. 이러한 비휘발성 메모리 장치에 있어서 이피롬(Electrically Programmable Read Only Memory)은 전기적으로 데이터를 프로그램 시키는 것은 가능하나 일단 프로그램된 데이터를 소거하기 위해서는 칩을 보드로부터 분리하여 자외선 광성을 주사하여야 하는 번거로움이 있었다. 따라서 상기 이피롬의 단점이 보완되어 전기적으로 데이터의 프로그램 및 소거가 가능한 플래쉬 이이피롬이 1984년 IEDM P.464에 소개되었다. 이러한 플래쉬 이이피롬 셀은 회로 보드로부터 분리하지 않은 상태에서도 고속으로 전기적 소거가 가능한 소자로서, 그 구조 또한 단순하여 단위 메모리당 제조 원가가 저렴하며 데이터를 장기간 보존하기 위한 리프레쉬 동작이 불필요하다는 잇점으로 인해 본 분야에서는 그 수요가 점차 증가되고 있는 추세이다.In general, a semiconductor memory device may be classified into a volatile memory device in which data is largely lost over time and a nonvolatile memory device in which data stored once is retained even if time passes. In this non-volatile memory device, the EPyrom (Electrically Programmable Read Only Memory) can electrically program data, but in order to erase the programmed data, it is cumbersome to separate the chip from the board and scan ultraviolet light. . Accordingly, the flash Y pyrom which can compensate for the disadvantage of the above pyramid and electrically program and erase the data was introduced in IEDM P.464 in 1984. The flash Y pyrom cell is a device that can be electrically erased at high speed even without being separated from the circuit board. The structure of the flash Y pyrom cell is simple, and the manufacturing cost per unit memory is low, and the refresh operation for long-term data retention is unnecessary. In this field, the demand is gradually increasing.

상기 플래쉬 이이피롬은 비트라인에 셀이 연결된 형태에 따라 난드형과 노아형으로 나눌 수 있는데, 노아형 플래쉬 이이피롬은 각 셀들이 비트 라인과 접지 라인 사이에 병렬되며 2개의 셀당 1개의 콘택이 형성되므로 고집적화에 불리하지만 셀 전류가 커 고속화에 유리한 장점을 가지며, 난드형 플래쉬 이이피롬은 셀 전류가 적어 고속동작 면에서는 노아형에 비해 다소 불리하지만 다수개의 셀들이 직렬로 연결되며 하나의 콘택을 공유하고 있으므로 고집적면에서는 매우 유리한 장점이 있다.The flash Y pyrom can be divided into NAND type and NOA type according to the cell connected to the bit line. In the NOA type flash Y pyrom, each cell is paralleled between the bit line and the ground line, and one contact is formed per two cells. As it is disadvantageous for high integration, the cell current is high, which has the advantage of high speed.NAND-type flash Y pyrom has a little disadvantage in terms of high-speed operation compared to the Noah type, but multiple cells are connected in series and share one contact. It is very advantageous in terms of high integration.

상기 난드형 플래쉬 이이피롬 장치는 플로팅 게이트(floating gate)와 콘트롤 게이트(control gate)가 적층된 구조의 스택형 게이트를 갖는 단위 셀들이 일정 간격으로 구성되어 있는 비트 라인, 워드 라인, 그리고 소오스 라인에 연결되어 셀 어레이를 형성한다. 특히 비트 라인과 소오스 라인사이에 복수개의 워드 라인이 존재하는 난드 플레쉬 이이피롬의 셀 어레이 구조가 1990년 symposium on VLSI circuits pp105-106에 "A 4-Mbit nand eeprom with tight programmed vt distribution" 제목의 paper등에 개시되어 있으며, 그 수직 단면 구조도 및 등가 회로도를 도 1 및 도 2에 도시하였다.The NAND flash Y pyrom device includes a bit line, a word line, and a source line having unit cells each having a stacked gate having a structure in which a floating gate and a control gate are stacked. Are connected to form a cell array. In particular, the NAND flash Y pyrom cell array structure with multiple word lines between the bit line and the source line is described in 1990 symposium on VLSI circuits pp105-106, entitled "A 4-Mbit nand eeprom with tight programmed vt distribution." The vertical cross-sectional structural diagram and equivalent circuit diagram thereof are shown in FIGS. 1 and 2.

도 1 및 도 2를 참조하면, 통상적인 NAND형 플래쉬 EEPROM 셀 어레이는 단위 스트링(string)을 선택하기 위한 선택 트랜지스터(string select transistor; SST)와 그라운드를 선택하기 위한 선택 트랜지스터(ground select transistor; GST) 사이에 플로팅 게이트(floating gate)(18)와 컨트롤 게이트(control gate)(22)가 적층된 구조의 메모리 셀 트랜지스터(MC1, …, MC16)들이 다수개 직렬로 연결되어 하나의 스트링을 구성한다. 상기 스트링은 비트라인(bit line; B/L1, B/L2, …)에 다수개 병렬로 연결되어 하나의 블록(block)을 구성하고, 상기 블록은 비트라인 콘택을 중심으로 대칭적으로 배치된다. 상기 트랜지스터들은 행과 열의 매트릭스 형태로 배열되고, 동일 열들에 배열된 스트링 선택 트랜지스터(SST) 및 그라운드 선택 트랜지스터(GST)의 게이트는 각각 스트링 선택 라인(string select line; SSL) 및 그라운드 선택 라인(ground select line; GSL)과 접속된다. 또한, 동일 열들에 배열된 메모리 셀 트랜지스터(MC1, …, MC16)의 게이트는 대응되는 다수의 워드라인(word line; W/L1, …, W/L16)에 접속된다. 그리고, 상기 스트링 선택 트랜지스터(SST)의 드레인에는 비트라인(B/L)이 연결되고, 그라운드 선택 트랜지스터(GST)의 소오스에는 공통 소오스 라인(common source line; CSL)이 연결된다.1 and 2, a typical NAND type flash EEPROM cell array includes a string select transistor (SST) for selecting a unit string and a ground select transistor (GST) for selecting ground. ), A plurality of memory cell transistors MC1, ..., MC16 having a structure in which a floating gate 18 and a control gate 22 are stacked between each other are configured in series to form a string. . The string is connected to a plurality of bit lines (B / L1, B / L2, ...) in parallel to form a block, and the blocks are symmetrically arranged around the bit line contacts. . The transistors are arranged in a matrix of rows and columns, and the gates of the string select transistor SST and the ground select transistor GST arranged in the same columns are respectively a string select line SSL and a ground select line ground. select line (GSL). In addition, the gates of the memory cell transistors MC1, ..., MC16 arranged in the same columns are connected to corresponding word lines W / L1, ..., W / L16. A bit line B / L is connected to a drain of the string select transistor SST, and a common source line CSL is connected to a source of the ground select transistor GST.

메모리 셀 트랜지스터(MC1, …, MC16)는 엔웰 12 및 포켓 피웰 14영역이 형성되어 있는 반도체 기판 10의 상부에 터널 산화막 16을 개재하여 형성된 플로팅 (18)와, 상기 플로팅 게이트(18)의 상부에 층간 유전막(20)을 개재하여 형성된 컨트롤 게이트(22)가 적층된 구조로 형성된다. 상기 플로팅 게이트(18)는 액티브 영역과 상기 액티브 영역 양측의 필드 영역 가장자리의 일부 영역에 걸쳐서 형성됨으로써 이웃한 셀 트랜지스터의 플로팅 게이트(18)와 격리된다. 상기 컨트롤 게이트(22)는 필드 영역을 사이에 두고 독립적으로 형성된 플로팅 게이트(18)를 포함하여 이웃한 셀 트랜지스터의 컨트롤 게이트(22)와 연결됨으로써 워드라인을 형성한다.The memory cell transistors MC1,..., MC16 have a floating 18 formed on the semiconductor substrate 10 on which the N well 12 and the pocket pewell 14 regions are formed through a tunnel oxide film 16, and an upper portion of the floating gate 18. The control gates 22 formed through the interlayer dielectric film 20 are stacked. The floating gate 18 is formed over the active region and a portion of the edge of the field region on both sides of the active region to be isolated from the floating gate 18 of the neighboring cell transistor. The control gate 22 includes a floating gate 18 independently formed with a field region therebetween to be connected to the control gate 22 of a neighboring cell transistor to form a word line.

선택 트랜지스터(SST, GST)들은 데이터를 저장하는 플로팅 게이트가 필요없는 트랜지스터이므로, 셀 어레이 내의 필드 영역 상부에서 버팅 콘택(butting contact) 23을 통해 상기 플로팅 게이트(18)와 컨트롤 게이트(22)를 금속선으로 연결한다. 따라서, 상기 선택 트랜지스터들은 전기적으로는 단층의 게이트를 갖는 모스 트랜지스터로서 동작하게 된다.Since the select transistors SST and GST do not require a floating gate for storing data, the metal line may be connected to the floating gate 18 and the control gate 22 through a butting contact 23 above the field region in the cell array. Connect with Thus, the selection transistors are electrically operated as MOS transistors having a single gate.

상술한 구조를 갖는 NAND형 플래쉬 EEPROM 장치를 동작시키기 위해 인가되는 바이어스 조건은 하기 표 1과 같다.The bias conditions applied to operate the NAND type flash EEPROM device having the above-described structure are shown in Table 1 below.

eraseerase programprogram readread B/L1B / L1 플로팅Floating 0V0 V 0.7V0.7V B/L2B / L2 플로팅Floating VpiVpi 0V0 V SSLSSL VersVers VpassVpass VccVcc W/LnW / Ln 0V0 V VpassVpass VccVcc W/L3W / L3 0V0 V VpgmVpgm 0V0 V GSLGSL VersVers 0V0 V VccVcc CSLCSL 플로팅Floating 0V0 V 0V0 V BULKBULK VersVers 0V0 V 0V0 V

먼저, 상기 표 1을 참조하여 이이피롬 셀의 프로그램 동작을 살펴보면, 선택된 셀 트랜지스터 A와 연결되는 비트라인에 0V의 전압을 인가하고 선택된 셀 트랜지스터 A와 연결되는 워드라인에 프로그램 전압(Vpgm)을 인가하여 셀 트랜지스터의 채널 영역과 컨트롤 게이트 사이의 높은 전압 차이에 의한 파울러 노드하임(Fowler-Nordheim; 이하 "F-N"이라 한다) 터널링(tunneling)에 의해 채널 영역의 전자를 플로팅 게이트 내로 주입하는 것이다. 이때, 비트라인과 그라운드 노드 사이에 위치하는 다수의 메모리 셀 중에서 비선택된 셀 트랜지스터에 연결되는 워드라인에는 선택된 비트라인에 인가되는 데이터(0V)를 선택된 셀 트랜지스터 A에 전달하기 위한 패스 전압(Vpgm)을 인가한다. 이때, 선택된 셀 트랜지스터 A의 문턱 전압이 양(+)의 전압으로 바뀌게 된다.First, referring to Table 1, a program operation of an EPROM cell will be described. A voltage of 0 V is applied to a bit line connected to the selected cell transistor A and a program voltage Vpgm is applied to a word line connected to the selected cell transistor A. Thus, electrons in the channel region are injected into the floating gate by Fowler-Nordheim (FN) tunneling due to a high voltage difference between the channel region of the cell transistor and the control gate. At this time, a pass voltage (Vpgm) for transferring data (0V) applied to the selected bit line to the selected cell transistor A in a word line connected to an unselected cell transistor among a plurality of memory cells located between the bit line and the ground node. Is applied. At this time, the threshold voltage of the selected cell transistor A is changed to a positive voltage.

소거(erase) 동작은 플로팅 게이트 내에 저장된 전자를 제거하는 동작으로서, 벌크에 약 20V의 소거 전압(Verase)을 인가하고 선택된 셀 트랜지스터 A와 연결된 워드라인에 OV를 인가하면, 프로그램 동작과는 반대 방향의 소거 전압(Verase)에 의한 전계에 의해 플로팅 게이트 내에 저장된 전자가 소거되고 정공(hole)이 주입되게 된다. 상기한 소거 동작에 의해 셀 트랜지스터의 초기 상태가 약 -3V의 문턱 전압을 갖게 된다.The erase operation removes electrons stored in the floating gate. When an erase voltage of about 20 V is applied to the bulk and OV is applied to a word line connected to the selected cell transistor A, the erase operation is performed in the opposite direction to the program operation. The electrons stored in the floating gate are erased by the electric field by the erase voltage Verase, and holes are injected. By the erase operation, the initial state of the cell transistor has a threshold voltage of about -3V.

판독(read) 동작은 셀 트랜지스터 내에 전자가 저장되어 있을 경우에는 그 문턱 전압(Vth)이 +1V로 변하고 셀 트랜지스터 내에 정공이 저장되어 있을 경우에는 그 문턱 전압이 -3V로 변하는 것을 이용하여 선택된 워드라인에 0V를 인가하여 선택된 셀 트랜지스터를 통한 전류 경로의 형성 유·무에 따라 "0" 또는 "1"의 데이터를 판독하는 것이다.The read operation is a word selected using a threshold voltage Vth of + 1V when electrons are stored in the cell transistor and a threshold voltage of -3V when holes are stored in the cell transistor. 0V is applied to the line to read data of "0" or "1" depending on whether or not a current path is formed through the selected cell transistor.

상기와 같은 동작에서 소거시 벌크에 인가되는 20V 내외의 전압을 주변회로의 벌크 동작 영역과 분리시키기 위하여 포켓 피웰 14영역에 셀 어레이를 구성시킴을 알 수 있다. 그러나 상기 셀 동작에서 프로그램시 비선택 비트 라인 B/L2의 선택 워드 라인에 연결된 셀은 7V 내외의 Vpi전압이 비트 라인에 인가되는 반면, 선택 비트 라인에는 0V가 인가되고, 워드 라인에 인가된 18V내외의 높은 Vpgm 전압에 의해 셀간 소자분리영역이 충분하지 못할 경우 비선택 비트 라인 전압이 선택 비트 라인으로 누설 전류를 발생시키는 필드 트랜지스터가 형성된다. 그 결과 비선택 셀의 비트 라인 전압이 낮아짐으로써 비선택 셀이 프로그램되는 교란(disturb)현상이 발생될 수 있다.In the above operation, it can be seen that the cell array is configured in the pocket pewell 14 region to separate the voltage of about 20V applied to the bulk during the erasing from the bulk operation region of the peripheral circuit. However, in the cell operation, a Vpi voltage of about 7V is applied to the bit line while the cell connected to the select word line of the unselected bit line B / L2 is applied to the bit line, while 0V is applied to the selected bit line and 18V applied to the word line. When the device isolation region between cells is insufficient due to the high Vpgm voltage inside and outside, a field transistor is formed in which the unselected bit line voltage generates a leakage current to the selected bit line. As a result, the bit line voltage of the unselected cells is lowered, which may cause disturbances in which the unselected cells are programmed.

상기한 문제를 해결하기 위한 방법으로, 필드 트랜지스터의 워드 라인 전압(Vpgm)을 낮추거나 필드 산화막의 두께를 증가시키는 방법, 또는 필드 산화막 아래의 벌크 영역의 농도를 증가시키는 방법이 있다. 그러나 필드 트랜지스터의 워드 라인 전압은 터널링 필드에 의해 결정되므로 그 조절이 매우 어려우며, 필드 산화막의 두께를 증가시키는 방법은 LOCOS공정이나 보다 개선된 LOCOS공정인 PBL공정에서 버즈 비크(bird's beak)가 증가되어 필드 산화막이 크게 증가되므로 셀 면적의 증가없이는 상기 문제를 해결하기가 불가능하다. 그리고, 필드 산화막 하부의 벌크 농도를 증가시키는 방법은, 비트 라인 전압이 인가되는 n+확산 영역과 실리콘 기판간에 인가되는 전압에 따라 공핍 영역이 감소되므로 P-N접합의 항복 전압을 낮추어야만 하는 문제가 있으므로 비선택 셀의 교란(disturb)현상을 방지할 수 있는 보다 개선된 해결 방법이 절실히 요구되고 있다.As a method for solving the above problem, there is a method of lowering the word line voltage Vpgm of the field transistor or increasing the thickness of the field oxide film, or increasing the concentration of the bulk region under the field oxide film. However, since the word line voltage of the field transistor is determined by the tunneling field, it is very difficult to control the voltage. The method of increasing the thickness of the field oxide film is increased by the bird's beak in the LOCOS process or the PBL process, which is an improved LOCOS process. Since the field oxide film is greatly increased, it is impossible to solve the problem without increasing the cell area. In addition, the method of increasing the bulk concentration under the field oxide film has a problem in that the breakdown voltage of the PN junction must be lowered since the depletion region decreases according to the voltage applied between the n + diffusion region and the silicon substrate to which the bit line voltage is applied. There is an urgent need for a better solution that can prevent disturbance of selected cells.

따라서 본 발명의 목적은, 프로그램 동작시에 워드 라인에 인가된 전압으로 인해 필드 트랜지스터를 통한 누설 전류를 방지할 수 있는 불휘발성 반도체 메모리 장치를 제공하는데 있다.Accordingly, an object of the present invention is to provide a nonvolatile semiconductor memory device capable of preventing leakage current through a field transistor due to a voltage applied to a word line during a program operation.

본 발명의 또 다른 목적은, 프로그램 동작시에 워드 라인에 인가된 전압으로 인해 필드 트랜지스터를 통한 누설 전류를 방지할 수 있는 개선된 프로그램 동작방법을 제공하는데 있다.It is still another object of the present invention to provide an improved program operation method capable of preventing leakage current through a field transistor due to a voltage applied to a word line during a program operation.

상기의 목적들을 달성하기 위해서 본 발명은, 복수개의 메모리 셀이 행렬형태로 형성되어 있는 메모리 셀 어레이와, 상기 메모리 셀들의 드레인을 공통으로 하여 접속된 복수개의 비트라인과, 상기 메모리 셀들의 컨트롤 게이트와 접속된 복수개의 워드라인을 갖는 비휘발성 메모리 장치의 프로그래밍 동작방법에 있어서: 선택 워드 라인에 음전압을 인가하는 단계와; 선택 비트 라인에 0V 이상의 전압을 인가하는 단계와; 비선택 비트 라인과 소오스 라인, 벌크 및 그라운드 선택 라인에는 0V를 인가하는 단계와; 스트링 선택 라인과 비선택 워드 라인에는 0V 이상의 전압을 인가하는 단계를 포함함을 특징으로 하는 방법을 제공한다.In order to achieve the above objects, the present invention provides a memory cell array in which a plurality of memory cells are formed in a matrix form, a plurality of bit lines connected in common with a drain of the memory cells, and a control gate of the memory cells. CLAIMS What is claimed is: 1. A method of programming a nonvolatile memory device having a plurality of word lines coupled with a method, comprising: applying a negative voltage to a selected word line; Applying a voltage of at least 0V to the select bit line; Applying 0V to the unselected bit lines, source lines, bulk and ground select lines; And applying a voltage of 0V or more to the string select line and the unselected word line.

또한 상기의 목적들을 달성하기 위해서 본 발명은, 복수개의 메모리 셀이 행렬형태로 형성되어 있는 메모리 셀 어레이와, 상기 메모리 셀들의 드레인을 공통으로 하여 접속된 복수개의 비트라인과, 상기 메모리 셀들의 컨트롤 게이트와 접속된 복수개의 워드라인을 갖는 비휘발성 메모리 장치에 있어서; 상기 메모리 셀의 드레인 영역은 N+구조로 이루어져 있으며, 소오스 영역은 N-와 N+로 이루어진 저도핑 드레인 구조를 가지며, 스트링 선택 라인과 그라운드 선택 라인의 소오스 및 드레인 영역은 N+구조로 이루어져 있는 것을 특징으로 하는 비휘발성 메모리 장치를 제공한다.In order to achieve the above object, the present invention provides a memory cell array in which a plurality of memory cells are formed in a matrix form, a plurality of bit lines connected in common with the drains of the memory cells, and control of the memory cells. 10. A nonvolatile memory device having a plurality of word lines connected to a gate thereof; The drain region of the memory cell has an N + structure, the source region has a low doping drain structure consisting of N− and N +, and the source and drain regions of the string select line and the ground select line have an N + structure. A nonvolatile memory device is provided.

또한 상기의 목적들을 달성하기 위해서 본 발명은, 복수개의 메모리 셀이 행렬형태로 형성되어 있는 메모리 셀 어레이와, 상기 메모리 셀들의 드레인을 공통으로 하여 접속된 복수개의 비트라인과, 상기 메모리 셀들의 컨트롤 게이트와 접속된 복수개의 워드라인을 갖는 비휘발성 메모리 장치에 있어서; 상기 메모리 셀의 드레인 영역은 N+구조로 이루어져 있으며, 상기 셀의 소오스 영역과 스트링 선택 라인과 그라운드 선택 라인의 소오스 및 드레인 영역은 N-와 N+로 이루어진 저도핑 드레인 구조로 이루어져 있는 것을 특징으로 하는 비휘발성 메모리 장치를 제공한다.In order to achieve the above object, the present invention provides a memory cell array in which a plurality of memory cells are formed in a matrix form, a plurality of bit lines connected in common with the drains of the memory cells, and control of the memory cells. 10. A nonvolatile memory device having a plurality of word lines connected to a gate thereof; The drain region of the memory cell has an N + structure, and the source and drain regions of the source region, the string selection line, and the ground selection line of the cell have a low doping drain structure consisting of N− and N +. Provided is a volatile memory device.

또한 상기의 목적들을 달성하기 위해서 본 발명은, 복수개의 메모리 셀이 행렬형태로 형성되어 있는 메모리 셀 어레이와, 상기 메모리 셀들의 드레인을 공통으로 하여 접속된 복수개의 비트라인과, 상기 메모리 셀들의 컨트롤 게이트와 접속된 복수개의 워드라인을 갖는 비휘발성 메모리 장치에 있어서; 상기 메모리 셀의 드레인 영역 및 소오스 영역은 N+구조로 이루어져 있으며, 스트링 선택 라인과 그라운드 선택 라인의 소오스 및 드레인 영역은 N-와 N+로 이루어진 저도핑 드레인 구조로 이루어져 있는 것을 특징으로 하는 비휘발성 메모리 장치를 제공한다.In order to achieve the above object, the present invention provides a memory cell array in which a plurality of memory cells are formed in a matrix form, a plurality of bit lines connected in common with the drains of the memory cells, and control of the memory cells. 10. A nonvolatile memory device having a plurality of word lines connected to a gate thereof; The drain region and the source region of the memory cell have an N + structure, and the source and drain regions of the string select line and the ground select line have a low doping drain structure consisting of N − and N +. To provide.

도 1은 종래 방법에 따라 제조된 난드형 플래쉬 이이피롬 장치의 셀 어레이의 수직 구조를 나타내는 단면도1 is a cross-sectional view showing the vertical structure of the cell array of the NAND flash Y pyrom device manufactured according to the conventional method

도 2는 도 1에 따른 등가 회로도2 is an equivalent circuit diagram according to FIG.

도 3a 내지 도 3d는 본 발명의 실시예에 따른 셀의 제조 공정을 설명하기 위한 비트 라인 방향으로의 단면도들3A to 3D are cross-sectional views in a bit line direction for explaining a manufacturing process of a cell according to an embodiment of the present invention.

이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부한 도면을 참조하여 상세히 설명하고자 한다.Hereinafter, exemplary embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.

도 3a 내지 도 3d는 본 발명의 실시예에 따른 난드형 플래쉬 이이피롬 장치의 셀 트랜지스터 제조공정을 설명하기 위한 단면도들이다.3A to 3D are cross-sectional views illustrating a cell transistor fabrication process of a NAND flash easy pyrom device according to an embodiment of the present invention.

먼저, 도 3a는 엔웰 102 및 포켓 피웰 104 영역이 형성되어 있는 반도체 기판 100 상부의 드레인 영역에 n+ 불순물 118을 이온주입 하는 단계이다. 터널 산화막 106, 플로팅 게이트 108, 층간 유전막 110 및 콘트롤 게이트 112를 차례로 적층하여 스택형 게이트 114를 형성하여 메모리 셀 트랜지스터(MC1, …, MC16)를 형성한 뒤, 데이터를 저장하는 플로팅 게이트가 필요없는 스트링 선택 트랜지스터 및 그라운드 선택 트랜지스터는 셀 어레이 내의 필드 영역 상부에서 버팅 콘택(butting contact) 113을 통해 상기 플로팅 게이트 108와 컨트롤 게이트 112를 금속선으로 연결한다. 상기 스택형 게이트 114를 형성한 후, 메모리 셀의 드레인 영역에만 n+ 불순물 118을 주입하는 이온주입공정을 실시한다. 이때, 메모리 셀의 드레인 영역에만 n+ 불순물 118을 주입하기 위해서 제1감광막 116를 선택적으로 형성시킨 뒤, 이온주입 공정을 실시하는 것이 바람직하다.First, FIG. 3A illustrates a step of ion implantation of n + impurity 118 into the drain region of the semiconductor substrate 100 where the enwell 102 and pocket pewell 104 regions are formed. The tunnel oxide layer 106, the floating gate 108, the interlayer dielectric layer 110, and the control gate 112 are sequentially stacked to form the stacked gate 114 to form the memory cell transistors MC1, ..., MC16, and then there is no need for a floating gate for storing data. A string select transistor and a ground select transistor connect the floating gate 108 and the control gate 112 with a metal line through a butting contact 113 above the field region in the cell array. After the stacked gate 114 is formed, an ion implantation process of implanting n + impurity 118 into only the drain region of the memory cell is performed. In this case, in order to implant the n + impurity 118 only into the drain region of the memory cell, the first photosensitive film 116 may be selectively formed, and then an ion implantation process may be performed.

도 3b는 상기 반도체 기판 100전면 상부에 n- 불순물 120을 이온 주입하는 단계를 나타낸다. 상기 감광막 116을 제거한 후, 상기 반도체 기판 100 전면 상부에 n- 불순물 120을 주입하는 이온주입한다. 상기 n- 불순물 120 이온주입 결과, 상기 n+ 물순물 118 이온주입 단계에서 형성된 n+ 영역은 그대로 존재하게 되며, 상기 감광막 116에 의해 노출되지 않았던 영역에만 n- 영역이 형성된다.3B illustrates ion implantation of n- impurity 120 on the entire surface of the semiconductor substrate 100. After removing the photoresist 116, an ion implanted with n- impurity 120 is implanted into the entire upper surface of the semiconductor substrate 100. As a result of the implantation of the n− impurity 120, the n + region formed in the n + impurity 118 ion implantation step remains as it is, and the n− region is formed only in the region not exposed by the photosensitive film 116.

도 3c는 상기 스택형 게이트 114 양 측벽에 스페이서 122를 형성한 후, 소오스 영역에 다시한번 n+ 불순물 126을 이온주입 하는 단계를 나타낸다. 본 발명에서는 상기 스택형 게이트 114 양 측벽에 저도핑 드레인(Lightly Doped Drain : 이하 "LDD"라 칭함)구조를 형성하기 위해 스페이서 122를 형성한다. 그리고 나서, 드레인 영역에만 부분적으로 제2감광막 124을 형성한 후, n+ 불순물 126을 이온주입한다. 상기 이온주입 결과, 상기 스페이서 122로 덮여있던 영역은 n+ 불순물 126이 주입되지 않으므로, 상기 스페이서 122 하부에만 n- 불순물 영역이 소정영역 존재하는 LDD구조가 형성된다.3C illustrates a step of forming spacers 122 on both sidewalls of the stacked gate 114 and then ion implanting n + impurity 126 into the source region. In the present invention, spacers 122 are formed on both sidewalls of the stacked gate 114 to form a lightly doped drain (LDD) structure. Then, the second photosensitive film 124 is partially formed only in the drain region, and then n + impurity 126 is implanted. As a result of the ion implantation, since the n + impurity 126 is not implanted in the region covered with the spacer 122, an LDD structure is formed in which the n− impurity region exists only under the spacer 122.

도 3d는 절연막 128 및 금속막 130을 더 형성하여 본 발명의 실시예에 따른 셀을 완성하는 단계를 나타낸다. 상기 LDD구조를 형성하기 위해 형성되었던 스페이서 122 및 소오스 영역에 n+ 불순물 126을 주입하기 위해 이온주입 마스크로서 기능했던 제2감광막 124을 제거한다.3D illustrates forming an insulating film 128 and a metal film 130 to complete a cell according to an embodiment of the present invention. The second photosensitive layer 124 which functions as an ion implantation mask for implanting n + impurity 126 into the spacer 122 and the source region formed to form the LDD structure is removed.

상기와 같은 공정으로 완성된 난드형 플래쉬 이이피롬 장치는 상기 도 2에 도시되어 있는 종래 방법에 따른 난드형 플래쉬 이이피롬 장치의 등가회로도상으로 동일하므로 상기 도 2를 참고로 하여 상기 본 발명에 따른 셀의 동작을 설명하고자 한다. 본 발명에 따른 셀의 동작방법은 종래와 판독 동작은 동일하게 행해지나 프로그램 동작시에는 플로팅 게이트 내의 전자를 벌크로 방전시켜 셀의 Vth를 -3V로 낮추게 되며, 소거 동작시에는 플로팅 게이트내에 전자를 주입하여 셀의 Vth를 +1V로 증가시키는 것이 특징이다. 보다 상세히 설명하면, 소거 동작은 선택된 모든 워드 라인에 18V 내외의 프로그램 전압을 인가하고 모든 비트 라인과 소오스 및 벌크 영역에 0V를 인가한다. 그 결과, 플로팅 게이트와 벌크 기판간에 형성되는 전계에 의해 상기 벌크 영역에서 플로팅 게이트 내로 전자가 주입되어 셀의 Vth가 증가된다. 이때 프로그램 전압 Vpgm이 인가되는 모든 워드 라인의 셀들은 동시에 소거되므로 셀간 필드 트랜지스터가 형성되지 않음을 알 수 있고 이러한 워드 라인 단위의 소거 방식은 종래와 동일하게 특정 소거 단위로 규격화되어 사용되고 있다. 이후 선택적으로 셀을 프로그램하는 동작은 선택 워드 라인에 -10V 내지 -15V 내외의 전압을 인가하고 선택 비트 라인에 3V 내지 7V 내외의 전압을 인가하고 비선택 비트 라인과 소오스 및 벌크 영역에 0V를 인가하면 선택 셀의 워드 라인 전압과 비트 라인 전압에 의해 플로팅 게이트와 n+ 드레인 확산 영역 사이의 전계에 의해 터널 산화막을 통해 플로팅 게이트내 전자들이 n+ 드레인 확산 영역으로 방전되어 셀 Vth가 -3V 내외로 감소하게 된다. 이때 선택 셀의 드레인 확산 영역에 비트 라인 전압이 인가될 수 있도록 스트링 선택 라인과 선택 워드 라인과 스트링 선택 라인 사이의 워드 라인에는 약 5V 내지 10V의 패스 전압 Vpass을 인가한다. 이러한 프로그램 동작은 상기 워드 라인에 인가된 프로그램 전압 Vpgm에 의해 필드 트랜지스터를 발생되는 누설전류를 제거할 수 있다. 즉 종래에는 워드 라인에 +18V 내외의 높은 전압이 유도되어 필드 산화막 아래 p형 벌크 기판 영역을 n형으로 반전시켜(inversion) 필드 트랜지스터의 채널을 턴-온시켰으나, 본 발명에서는 워드 라인에 -전압을 인가하므로 필드 산화막 아래 p형 벌크 기판 영역을 p형으로 축적시켜 필드 트랜지스터의 채널은 항상 오프 상태를 유지하므로 필드 트랜지스터의 문제를 해결할 수 있다. 또한 종래의 필드 산화막의 두께를 더욱 낮출 수 있어 고집적 메모리 제조를 위한 셀 면적 감소도 용이하게 된다.The NAND flash Y pyrom device completed by the above process is the same as the equivalent circuit diagram of the NAND flash Y pyrom device according to the conventional method shown in FIG. 2 according to the present invention with reference to FIG. The operation of the cell will be described. In the cell operating method according to the present invention, the read operation is performed in the same manner as in the conventional art, but during the program operation, the electrons in the floating gate are discharged in bulk to lower the Vth of the cell to -3 V. It is characterized by increasing the Vth of the cell to + 1V by injecting. In more detail, the erase operation applies a program voltage of about 18V to all selected word lines and 0V to all bit lines, sources, and bulk regions. As a result, electrons are injected into the floating gate in the bulk region by an electric field formed between the floating gate and the bulk substrate, thereby increasing the Vth of the cell. At this time, since all the cell of the word line to which the program voltage Vpgm is applied are erased at the same time, it can be seen that no inter-cell field transistor is formed. Such a word-line erase method is standardized and used in a specific erase unit as in the conventional art. Thereafter, the operation of selectively programming a cell may apply a voltage of about -10V to -15V to a select word line, a voltage of about 3V to 7V to a select bit line, and apply 0V to an unselected bit line, a source, and a bulk region. The electrons in the floating gate are discharged to the n + drain diffusion region through the tunnel oxide layer by the electric field between the floating gate and the n + drain diffusion region by the word line voltage and the bit line voltage of the selected cell, thereby reducing the cell Vth to around -3V. do. In this case, a pass voltage Vpass of about 5 V to 10 V is applied to the string select line and the word line between the select word line and the string select line so that the bit line voltage is applied to the drain diffusion region of the select cell. Such a program operation may eliminate a leakage current generated in the field transistor by the program voltage Vpgm applied to the word line. That is, in the related art, a high voltage of about + 18V is induced on a word line, thereby inverting the p-type bulk substrate region under the field oxide to n-type, thereby turning on the channel of the field transistor. Since the p-type bulk substrate region under the field oxide film is applied to the p-type, the channel of the field transistor is always in the off state, thereby solving the problem of the field transistor. In addition, the thickness of the conventional field oxide film can be further lowered, thereby facilitating the reduction of the cell area for high density memory fabrication.

상기한 바와 같이 본 발명에 따르면, 워드 라인에 - 전압을 인가하여 필드 산화막 아래 p형 벌크 기판 영역을 p형으로 축적시켜 필드 트랜지스터의 채널은 항상 오프 상태로 유지시키므로 필드 트랜지스터를 통한 누설 전류 문제가 해결되는 효과가 있다.As described above, according to the present invention, since the p-type bulk substrate region under the field oxide film is accumulated in the p-type by applying a negative voltage to the word line, the channel of the field transistor is always kept off, thereby preventing leakage current through the field transistor. There is an effect that is solved.

Claims (7)

복수개의 메모리 셀이 행렬형태로 형성되어 있는 메모리 셀 어레이와, 상기 메모리 셀들의 드레인을 공통으로 하여 접속된 복수개의 비트라인과, 상기 메모리 셀들의 컨트롤 게이트와 접속된 복수개의 워드라인을 갖는 비휘발성 메모리 장치의 프로그래밍 동작방법에 있어서:A nonvolatile memory having a memory cell array in which a plurality of memory cells are formed in a matrix form, a plurality of bit lines connected in common with drains of the memory cells, and a plurality of word lines connected with control gates of the memory cells In the programming operation of the memory device: 선택 워드 라인에 음전압을 인가하는 단계와;Applying a negative voltage to the selected word line; 선택 비트 라인에 0V 이상의 전압을 인가하는 단계와;Applying a voltage of at least 0V to the select bit line; 비선택 비트 라인과 소오스 라인, 벌크 및 그라운드 선택 라인에는 0V를 인가하는 단계와;Applying 0V to the unselected bit lines, source lines, bulk and ground select lines; 스트링 선택 라인과 비선택 워드 라인에는 0V 이상의 전압을 인가하는 단계를 포함함을 특징으로 하는 방법.And applying a voltage of at least 0V to the string select line and the unselected word line. 제 1항에 있어서, 상기 선택 워드 라인에 인가되는 전압은 약 -10 내지 -15V 사이의 전압임을 특징으로 하는 방법2. The method of claim 1 wherein the voltage applied to the select word line is between about -10 and -15 volts. 제 2항에 있어서, 상기 선택 비트 라인에 인가되는 전압은 약 3V 내지 7V 사이의 전압임을 특징으로 하는 방법.3. The method of claim 2 wherein the voltage applied to the select bit line is between about 3V and 7V. 제 3항에 있어서, 상기 스트링 선택 라인과 비선택 워드 라인에 인가되는 전압은 약 5V 내지 10V 사이의 전압임을 특징으로 하는 방법.4. The method of claim 3, wherein the voltage applied to the string select line and the unselected word line is between about 5V and about 10V. 복수개의 메모리 셀이 행렬형태로 형성되어 있는 메모리 셀 어레이와, 상기 메모리 셀들의 드레인을 공통으로 하여 접속된 복수개의 비트라인과, 상기 메모리 셀들의 컨트롤 게이트와 접속된 복수개의 워드라인을 갖는 비휘발성 메모리 장치에 있어서:A nonvolatile memory having a memory cell array in which a plurality of memory cells are formed in a matrix form, a plurality of bit lines connected in common with drains of the memory cells, and a plurality of word lines connected with control gates of the memory cells In the memory device: 상기 메모리 셀의 드레인 영역은 N+구조로 이루어져 있으며, 소오스 영역은 N-와 N+로 이루어진 저도핑 드레인 구조를 가지며, 스트링 선택 라인과 그라운드 선택 라인의 소오스 및 드레인 영역은 N+구조로 이루어져 있는 것을 특징으로 하는 비휘발성 메모리 장치.The drain region of the memory cell has an N + structure, the source region has a low doping drain structure consisting of N− and N +, and the source and drain regions of the string select line and the ground select line have an N + structure. Nonvolatile memory device. 복수개의 메모리 셀이 행렬형태로 형성되어 있는 메모리 셀 어레이와, 상기 메모리 셀들의 드레인을 공통으로 하여 접속된 복수개의 비트라인과, 상기 메모리 셀들의 컨트롤 게이트와 접속된 복수개의 워드라인을 갖는 비휘발성 메모리 장치에 있어서:A nonvolatile memory having a memory cell array in which a plurality of memory cells are formed in a matrix form, a plurality of bit lines connected in common with drains of the memory cells, and a plurality of word lines connected with control gates of the memory cells In the memory device: 상기 메모리 셀의 드레인 영역은 N+구조로 이루어져 있으며, 상기 셀의 소오스 영역과 스트링 선택 라인과 그라운드 선택 라인의 소오스 및 드레인 영역은 N-와 N+로 이루어진 저도핑 드레인 구조로 이루어져 있는 것을 특징으로 하는 비휘발성 메모리 장치.The drain region of the memory cell has an N + structure, and the source and drain regions of the source region, the string selection line, and the ground selection line of the cell have a low doping drain structure consisting of N− and N +. Volatile memory device. 복수개의 메모리 셀이 행렬형태로 형성되어 있는 메모리 셀 어레이와, 상기 메모리 셀들의 드레인을 공통으로 하여 접속된 복수개의 비트라인과, 상기 메모리 셀들의 컨트롤 게이트와 접속된 복수개의 워드라인을 갖는 비휘발성 메모리 장치에 있어서:A nonvolatile memory having a memory cell array in which a plurality of memory cells are formed in a matrix form, a plurality of bit lines connected in common with drains of the memory cells, and a plurality of word lines connected with control gates of the memory cells In the memory device: 상기 메모리 셀의 드레인 영역 및 소오스 영역은 N+구조로 이루어져 있으며, 스트링 선택 라인과 그라운드 선택 라인의 소오스 및 드레인 영역은 N-와 N+로 이루어진 저도핑 드레인 구조로 이루어져 있는 것을 특징으로 하는 비휘발성 메모리 장치.The drain region and the source region of the memory cell have an N + structure, and the source and drain regions of the string select line and the ground select line have a low doping drain structure consisting of N − and N +. .
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KR100703981B1 (en) * 2006-01-20 2007-04-09 삼성전자주식회사 Nonvolatible memory device and method for fabricating the same
KR100726853B1 (en) * 2001-07-02 2007-06-12 후지쯔 가부시끼가이샤 Non-volatile semiconductor memory device and semiconductor integrated circuit

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