KR20050112651A - Flash memory device and method for programming/erasing the same - Google Patents

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Abstract

본 발명은 PMOS 형태로 소노스(SONOS : polySilicon- Oxide-Nitride-Oxide- Silicon) 구조의 플래시 메모리 소자를 구현한 후 열 전자 주사(Hot Electron Injection) 방식으로 프로그램을 실시하고 소거하여, 내구성(endurance) 특성을 효과적으로 개선시킨 플래시 메모리 소자 및 이의 프로그래밍/소거 방법에 관한 것으로, 본 발명의 플래시 메모리 소자는 반도체 기판과, 상기 반도체 기판 표면에 형성된 ONO막과, 상기 ONO막 상에 형성된 P+형 폴리 게이트 및 상기 폴리 게이트 양측에 상기 반도체 기판 표면에 P+형 불순물이 주입되어 정의된 소오스/드레인 영역을 포함하여 이루어짐을 특징으로 한다.The present invention implements a flash memory device having a sonos (SONOS: polySilicon-Oxide-Nitride-Oxide-Silicon) structure in the form of PMOS, and then the program is implemented and erased by a hot electron injection method to provide endurance. The present invention relates to a flash memory device having improved characteristics, and a method of programming and erasing the same, wherein the flash memory device includes a semiconductor substrate, an ONO film formed on a surface of the semiconductor substrate, and a P + type poly gate formed on the ONO film. And source / drain regions defined by implanting P + type impurities into the surface of the semiconductor substrate on both sides of the poly gate.

Description

플래시 메모리 소자 및 이의 프로그래밍/소거 방법{Flash Memory Device and Method for Programming/Erasing the Same}Flash Memory Device and Method for Programming / Erasing the Same}

본 발명은 반도체 소자에 관한 것으로 특히, PMOS 형태로 소노스(SONOS : polySilicon-Oxide-Nitride-Oxide-Silicon) 구조의 소자를 구현한 후 열 전자 주사(Hot Electron Injection) 방식으로 프로그램 및 소거를 실시하여, 내구성(endurance) 특성을 효과적으로 개선시킨 플래시 메모리 소자 및 이의 프로그래밍/소거 방법에 관한 것이다. BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a semiconductor device, and in particular, implements a device having a sonos (SONOS: polySilicon-Oxide-Nitride-Oxide-Silicon) structure in the form of PMOS, and then programs and erases the same by hot electron injection. Accordingly, the present invention relates to a flash memory device and a method of programming / erasing the same, which effectively improve endurance characteristics.

일반적으로 전원이 공급되지 않아도 데이터가 지워지지 않은 비휘발성 메모리소자(Flash Memory Device, Non-volatile Memory Device)의 대표적인 메모리 소자가 EEPROM(Electrically Erasable and Programmable Read Only Memory)이다.In general, a typical memory device of a non-volatile memory device (Flash Memory Device, Non-volatile Memory Device) that is not erased even if power is not supplied is EEPROM (Electrically Erasable and Programmable Read Only Memory).

이와 같은 EEPROM은 전기적으로 고쳐 쓰기가 가능한 비휘발성 메모리 소자로서, 플로팅 게이트(Floating gate)형 셀을 사용하는 구조가 그동안 널리 이용되었다. 최근 고집적화가 급속히 진행됨에 따라, 종래의 플로팅 게이트형 셀의 축소가 매우 절실하게 요구되고 있지만, 프로그램/소거 시 높은 전압이 요구되고 일정 수준이상의 축소는 거의 불가능하였다. 이러한 이유로 플로팅 게이트형 셀을 대처할 비휘발성 메모리 소자로서 SONOS, FeRAM, SET, NROM 등 다방면의 연구가 진행되고 있다. 이 중 상기 SONOS 셀은 적층형 플로팅 게이트형 셀을 대체할 차세대 셀로 가장 주목받고 있다.The EEPROM is a nonvolatile memory device that can be electrically rewritten, and a structure using a floating gate cell has been widely used. Recently, as the high integration is rapidly progressed, the reduction of the conventional floating gate type cell is very urgently required, but a high voltage is required at the time of program / erase and a reduction above a certain level is almost impossible. For this reason, various researches such as SONOS, FeRAM, SET, and NROM are being conducted as nonvolatile memory devices to cope with floating gate cells. Among these, the SONOS cell is attracting the most attention as a next-generation cell to replace the stacked floating gate cell.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 종래의 소노스(SONOS) 소자를 설명하면 다음과 같다.Hereinafter, a conventional Sonos device will be described with reference to the accompanying drawings.

도 1은 종래의 SONOS 구조의 플래시 메모리 소자를 나타낸 구조 단면도이다.1 is a cross-sectional view illustrating a flash memory device having a conventional SONOS structure.

도 1과 같이, 종래의 소노스(SONOS) 소자는 NMOS 소자로, P형 기판(10)과, 상기 기판(10)의 소정 영역 상부에 터널 산화막(tunnel oxide, 12), 트랩 질화막(trap nitride, 13), 블록 산화막(block oxide, 14) 및 N+형 폴리실리콘 성분의 게이트(15)를 포함하여 이루어진다. 그리고, 상기 게이트(15) 양측 부위에 해당되는 기판(10) 표면에는 N+형의 불순물이 주입된 소오스/드레인(11)이 형성되어 있다.As shown in FIG. 1, the conventional SONS device is an NMOS device, and includes a P-type substrate 10, a tunnel oxide 12, and a trap nitride film over a predetermined region of the substrate 10. 13), a block oxide film 14 and a gate 15 of an N + type polysilicon component. In addition, a source / drain 11 into which N + type impurities are implanted is formed on a surface of the substrate 10 corresponding to both sides of the gate 15.

도 2는 종래의 SONOS 구조의 플래시 메모리 소자의 프로그래밍하는 방법을 나타낸 개략도이다.2 is a schematic diagram illustrating a method of programming a flash memory device having a conventional SONOS structure.

도 2와 같이, 종래의 소노스(SONOS) 소자를 프로그램(program)시키는 경우 바이어스(Bias) 조건은 드레인(Drain, 11a)과 게이트(Gate, 15)에 소정의 양전압(Positive Voltage)을 인가하며, 소오스(Source, 11b)와 기판(Body, 10)은 그라운드(ground, GND)시킨다. As shown in FIG. 2, in the case of programming a conventional Sonos device, a bias condition applies a predetermined positive voltage to the drain 11a and the gate 15. The source (Source, 11b) and the substrate (Body, 10) is grounded (GND).

상기 게이트(15) 및 드레인(11a)에 인가된 전압들은 소오스(11b)로부터 드레인(11a)에 이르는 채널 영역의 길이를 따라 수직적이고 수평적인 전계를 만들어낸다.The voltages applied to the gate 15 and drain 11a create a vertical and horizontal electric field along the length of the channel region from source 11b to drain 11a.

상기 전계에 의해 전자들은 소오스(11b)로부터 밀려서 드레인(11a)을 향해 가속되기 시작한다. 전자들은 채널 길이를 따라 이동하면서 에너지를 얻으며, 몇몇 전자들은 터널 산화막(12)의 포텐셜 장벽을 뛰어넘어서 전하 트랩층으로 들어가기에 충분한 에너지를 얻는 '열적(hot)' 상태가 된다. 이와 같은 현상이 발생할 확률은 드레인(11a) 근처의 채널 영역에서 가장 큰데, 이는 드레인(11a) 근처의 채널 영역은 전자들인 가장 큰 에너지를 얻는 곳이기 때문이다. 열 전자(hot electron)들이 절연성 물질로 이루어진 트랩 질화막(13)으로 주입되기만 하면, 열 전자들은 상기 트랩 질화막(13)에 트랩되어 그 안에 저장되고, 상기 SONOS 구조의 플래시 메모리 소자의 문턱 전압은 높아진다.By the electric field, electrons are pushed out of the source 11b and begin to accelerate toward the drain 11a. The electrons get energy as they travel along the channel length, and some electrons are in a 'hot' state where they get enough energy to cross the potential barrier of the tunnel oxide 12 and enter the charge trapping layer. The likelihood of such a phenomenon is greatest in the channel region near the drain 11a because the channel region near the drain 11a is where the electrons obtain the greatest energy. As long as hot electrons are injected into the trap nitride film 13 made of an insulating material, hot electrons are trapped in the trap nitride film 13 and stored therein, and the threshold voltage of the flash memory device of the SONOS structure becomes high. .

상기와 같은 프로그램 방식을 채널 열 전자 주사(Channel Hot Electron Injection) 방식이라 부르며, 이 때, 트랩 질화막(13)이 전자가 포획되는 부위는 A 영역에 해당된다.The program method as described above is called a channel hot electron injection method, and at this time, a region where electrons are trapped in the trap nitride film 13 corresponds to an A region.

이상에서는 종래의 SONOS 구조의 플래시 메모리 소자의 프로그램의 방법으로 채널 열 전자 주사(CHEI : Channel Hot Electron Injection) 방식을 적용하는 바에 대해서 설명하였는데, 이 외에 파울러-노드하임 터널링(Fowler Nordheim Tunneling : 이하, F/N 터널링)의 방식으로 프로그램이 이루어지기도 한다. In the above description, a channel hot electron injection (CHEI) method has been described as a method of programming a flash memory device having a conventional SONOS structure. In addition, Fowler Nordheim Tunneling (hereinafter, referred to as “Fowler Nordheim Tunneling”) The program can also be done in the form of F / N tunneling).

현재로서는, 상기 F/N 터널링의 경우 높은 전압이 요구되고 있어, 상술한 채널 열 전자 주사 방식이 더 선호되고 있다.At the present time, a high voltage is required in the case of the F / N tunneling, and the above-described channel thermal electron scanning method is more preferred.

도 3은 종래의 SONOS 구조의 플래시 메모리 소자의 소거하는 방법을 나타낸 개략도이다.3 is a schematic diagram illustrating a method of erasing a flash memory device having a conventional SONOS structure.

도 3과 같이, 종래의 소노스(SONOS) 소자를 소거시키는 경우 바이어스 조건은, 드레인(11a)에 소정의 양전압(Positive Voltage)을 인가하고 게이트(15)에는 소정의 음전압(Negative Voltage)을 인가하며 소오스(11b)와 기판(바디, 10)은 그라운드(GND) 또는 플로우팅(floating)시킨다. As shown in FIG. 3, in the case of erasing a conventional Sonos device, a bias condition is to apply a predetermined positive voltage to the drain 11a and a predetermined negative voltage to the gate 15. The source 11b and the substrate (body 10) are grounded (GND) or floating.

상기 바이어스 조건에서는 드레인(11a) 영역과 N+형 폴리 실리콘의 게이트(15)가 오버랩되는 영역에 형성되는 고전계(High Electric Field)에 의해 드레인(11a)인 N+ 불순물 영역 주위에 공핍(depletion)이 형성된다. 이러한 공핍 영역(Depletion Region, C 영역)에서 밴드 투 밴드 터널링(band to band tunneling)에 의해 전자(electron)/정공(hole) 쌍이 생성되고, 이렇게 생성된 전자는 드레인(11a)인 N+ 불순물 영역으로 빠져나가며 정공은 공핍 영역에 형성된 측면 전계(Lateral Electric Field)에 의해 가속되어 열 정공(hot hole)으로 변한다. 이러한 열 정공(hot hole)들이 터널 산화막(12)과 실리콘 기판(10) 사이의 에너지 장벽을 뛰어넘어 트랩 질화막(13)의 가전자대(Valence Band)로 주입되어 트랩 질화막(13) 내에 존재하는 트랩 준위에 트랩핑됨으로써 프로그램시 저장되어 있던 전자들이 상기 열 정공과 반응하여 중성화되며, 이에 따라 메모리 셀은 소거된다. 이러한 소거 동작을 통해 상기 SONOS 구조의 플래시 메모리 소자의 문턱 전압이 낮아지게 된다.Under the bias condition, depletion is generated around the N + impurity region, which is the drain 11a, by a high electric field formed in a region where the drain 11a region and the gate 15 of the N + type polysilicon overlap. Is formed. In this depletion region (C region), electron / hole pairs are generated by band to band tunneling, and the generated electrons are transferred to the N + impurity region, which is the drain 11a. As it exits, the hole is accelerated by the Lateral Electric Field formed in the depletion region and turns into a hot hole. These hot holes are injected into the valence band of the trap nitride film 13 by crossing the energy barrier between the tunnel oxide film 12 and the silicon substrate 10 and present in the trap nitride film 13. By trapping at the level, electrons stored during programming are neutralized in response to the thermal holes, thereby erasing the memory cell. Through such an erase operation, a threshold voltage of the flash memory device having the SONOS structure is lowered.

이러한 소거 방식을 열 정공 주사(Hot Hole Injection) 방식이라 부르며, 상기 열 정공(hot hole)이 상기 트랩 질화막(13) 상으로 포획되는 영역은 B 영역에 한정되어, 프로그램시의 열 전자가 포획된 영역에 비해 매우 적은 부위에서 소거가 일어나게 되어, 상기 영역차에 해당되는 부위에는 소거 후에도 전자들이 남는 이상 현상이 발생하게 되는 것이다.This erasing method is called a hot hole injection method, and the area where the hot hole is captured onto the trap nitride film 13 is limited to the B area so that hot electrons during the program are captured. Erase occurs at a very small portion of the region, and an abnormal phenomenon in which electrons remain even after erasure occurs at a region corresponding to the region difference.

도 4는 종래의 SONOS 구조의 플래시 메모리 소자의 리딩하는 방법을 나타낸 개략도이다.4 is a schematic diagram illustrating a method of reading a flash memory device having a conventional SONOS structure.

도 4와 같이, 종래의 소노스(SONOS) 구조의 플래시 메모리 소자를 리딩(reading)하는 경우 바이어스 조건은 게이트(15)에 양의 기준 전압(+Reference Voltage)을 인가하고 소오스(11b)에 일정 양전압을 인가하며 드레인(11a)과 기판(Body, 10)은 그라운드(GND)시킨다. As shown in FIG. 4, when reading a flash memory device having a conventional SONS structure, a bias condition is a positive reference voltage applied to the gate 15 and a constant to the source 11b. The positive voltage is applied and the drain 11a and the substrate Body 10 are grounded.

상기 바이어스 조건에서는 드레인(11a) 부근의 프로그래밍(Programming)/소거(Erasing) 상태에 따라서 전류가 흐르거나 흐르지 않게 되어 현재의 상태가 프로래밍 상태인지 혹은 소거 상태를 리딩해낸다. 이러한 리딩 방식을 리버스 리딩(reverse reading) 방식이라 부른다.In the bias condition, a current does not flow or flows according to a programming / erasing state near the drain 11a, thereby reading whether a current state is a programming state or an erase state. This reading method is called a reverse reading method.

한편, 상술한 프로그래밍(Programming)/소거(Erasing)/리딩(Reading) 방식에서 소오스(11b)/드레인(11a)간의 바이어스 조건을 서로 바꾸어 드레인(11a) 영역과 소오스(11b) 영역 각각에 프로그램과 소거 동작을 시켜 1개의 SONOS 구조의 플래시 메모리 소자를 2비트로 동작시킬 수 있다. Meanwhile, in the above-described programming / erasing / reading method, the bias conditions between the source 11b / drain 11a are changed to be different from each other in the drain 11a region and the source 11b region. The erase operation enables the flash memory device of one SONOS structure to operate with two bits.

이와 같이, 1개의 소노스 트랜지스터로 2비트로 동작시키는 대표적인 예가 사이푼(Saifun)사의 NROM이라는 소자이다.Thus, a representative example of operating two bits with one sonos transistor is a device called NROM of Saifun Corporation.

도 5는 종래의 SONOS 구조의 플래시 메모리 소자의 소거시 각 층의 에너지 준위 및 전자 및 정공의 이동을 나타낸 도면이다.FIG. 5 is a diagram illustrating energy levels of each layer and movement of electrons and holes during erasing of a flash memory device having a conventional SONOS structure.

도 5와 같이, 종래의 SONOS 구조의 플래시 메모리 소자의 소거(Erasing) 동작시에는 P형 기판(10)으로부터 정공(hole)이 터널 산화막(12)을 터널링(tunneling)하여 트랩 질화막(13)의 가전자대(Valence Band)로 주입된 후 1% 내외 정공들이 트랩 질화막(13)의 트랩 준위에 트랩되며 대부분의 정공(대략 99% 내외)들은 N+형 폴리실리콘인 게이트(15)의 가전자대(Valence Band)로 빠져나가게 되며 소거 동작 전에 트랩 질화막(13)의 트랩 준위에 트랩되어 있던 전자들이 소거 동작시 디트랩(Detrap)된 후 터널 산화막(12)을 터널링하여 P형 기판(10)으로 빠져나감으로써 SONOS 구조의 플래시 메모리 소자의 문턱전압이 감소하게 된다. As illustrated in FIG. 5, in the erasing operation of a flash memory device having a conventional SONOS structure, holes from the P-type substrate 10 tunnel through the tunnel oxide film 12 to form the trap nitride film 13. After being injected into the valence band, about 1% of the holes are trapped at the trap level of the trap nitride film 13, and most of the holes (approximately 99%) are trapped in the valence band of the gate 15, which is an N + type polysilicon. Electrons trapped at the trap level of the trap nitride film 13 before the erase operation are detrapted during the erase operation, and then tunnel through the tunnel oxide film 12 to the P-type substrate 10. As a result, the threshold voltage of the flash memory device of the SONOS structure is reduced.

상기와 같은, 소거 동작시 소거 동작에 불필요한 또 다른 전자의 흐름이 발생하게 되는데 이것이 바로 n+ 폴리실리콘인 게이트(15)의 전도대(conduction band)에 존재하는 전자들이 블록 산화막(14)을 F/N(Fowler Nordheim) 터널링하여 트랩 질화막(13)의 전도대(conduction band)로 주입되는 것이다. 이를 백 F/N 터널링(Back Fowler Nordheim Tunneling)이라 한다.As described above, another flow of electrons, which is unnecessary for the erasing operation, is generated, and the electrons present in the conduction band of the gate 15, which is n + polysilicon, may cause the block oxide layer 14 to F / N. (Fowler Nordheim) is tunneled and injected into the conduction band of the trap nitride film 13. This is called back Fowler Nordheim Tunneling.

이러한 백 F/N 터널링(Back F/N Tunneling)에 의해 트랩 질화막(13)에 주입된 전자의 일부분은 트랩 질화막(13)의 트랩준위에 트랩되어 소거 문턱전압을 새튜레이션(Saturation) 시킬 뿐만 아니라 주입된 대부분의 전자(대략 주입된 전자의 99% 내외)들이 터널 산화막(12)을 터널링하여 P형 기판(10)의 전도대로 빠져나가게 된다. Part of the electrons injected into the trap nitride film 13 by the back F / N tunneling is trapped at the trap level of the trap nitride film 13 to saturate the erase threshold voltage. Most of the injected electrons (approximately 99% of the injected electrons) tunnel through the tunnel oxide film 12 to exit the conduction band of the P-type substrate 10.

이와 같이, 백 F/N 터널링한 전자가 상기 터널 산화막(12)을 통해 P형 기판(10)의 전도대로 빠져나가는 과정에서 터널 산화막(12)에 F/N 터널링 스트레스가 과도하게 가해지게 되어 P형 기판(10)과 터널 산화막(12) 사이 또는 터널 산화막(12) 내에 트랩 준위를 형성시킴으로써 소거/프로그래밍 동작을 여러번 반복함에 따라 문턱 전압이 변하는 현상, 즉, 내구성(Endurance) 특성이 매우 나빠지게 된다.As such, the F / N tunneling stress is excessively applied to the tunnel oxide film 12 while the back F / N tunneled electrons exit the conduction band of the P-type substrate 10 through the tunnel oxide film 12. By forming a trap level between the type substrate 10 and the tunnel oxide film 12 or in the tunnel oxide film 12, a phenomenon in which the threshold voltage changes as the erase / programming operation is repeated several times, that is, the endurance characteristic becomes very poor. do.

또한, 이러한 백 F/N 터널링한 전자가 대부분 P형 기판(10)으로 흘러들어 가기 때문에 게이트에 음의 전압을 인가할 경우의 ONO(아래에서부터 차례로 Tunnel Oxide-Trap Nitride-Block Oxide) 막질의 브레이크 전압(Breakdown Voltage) 특성, TDDB(Time Dependent Dielectric Breakdown) 특성 등이 양의 전압을 인가할 때보다 훨씬 나빠지게 되어 상대적으로 프로그램 전압보다 낮은 소거 전압을 인가할 수밖에 없다.In addition, since most of the back F / N tunneled electrons flow into the P-type substrate 10, ONO (Tunnel Oxide-Trap Nitride-Block Oxide) film-like brakes are applied when a negative voltage is applied to the gate. The breakdown voltage and time dependent dielectric breakdown (TDDB) characteristics are much worse than when a positive voltage is applied, and an erase voltage lower than a program voltage is inevitably applied.

상기와 같은 종래의 SONOS 구조의 플래시 메모리 소자는 다음과 같은 문제점이 있다.The flash memory device of the conventional SONOS structure as described above has the following problems.

이와 같이, 종래의 SONOS 구조의 플래시 메모리 소자는 프로그램시에는 채널 열 전자 주사(Channel Hot Electron Injection) 프로그램 방식을 취하고 소거시에는 열 정공 주사(Hot Hole Injection) 소거 방식을 사용하는데, 채널 열 전자 주사가 이루어지는 부분과 열 정공 주사가 일어나는 부분이 정확하게 일치되지 않아 프로그래밍과 소거를 계속 수행할수록 열 정공 주사로도 상쇄시킬 수 없는 전자들이 소오스 또는 드레인인 N+ 불순물 영역의 에지(edge) 부근에 조금씩 축적됨으로써 프로그램 문턱전압과 소거 문턱전압이 초기 프로그램 문턱 전압과 소거 문턱 전압 값보다 증가되는 문제가 발생한다. As described above, the flash memory device having a conventional SONOS structure uses a channel hot electron injection program method for programming and a hot hole injection erasing method for erasing. Is not exactly matched to the part where thermal hole scanning occurs, and as the programming and erasure is continued, electrons that cannot be canceled even by thermal hole scanning accumulate little by little near the edge of the N + impurity region, which is a source or a drain. There is a problem that the program threshold voltage and the erase threshold voltage are increased than the initial program threshold voltage and the erase threshold voltage.

소자의 프로그래밍/소거 동작을 반복 사용시에 문턱 전압이 지속적으로 변하지 않거나, 소정 범위 내에서 변화하여 유지 특성을 가질 때, 내구성(Endurance)을 갖는다고 하는데, 종래의 1 비트 소노스(SONOS) 소자나 2비트 NROM 소자의 경우 이러한 내구성 특성이 매우 나빠 현재 상업화가 되지 못하고 있다.It is said to have endurance when the threshold voltage does not continuously change when the programming / erase operation of the device is repeated, or it changes within a predetermined range and has a holding characteristic, which is a conventional 1-bit sonos device. In the case of 2-bit NROM devices, these durability characteristics are so bad that they are not commercially available.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 안출한 것으로 PMOS 형태로 소노스(SONOS : polySilicon- Oxide-Nitride-Oxide- Silicon) 구조의 소자를 구현한 후 열 전자 주사(Hot Electron Injection) 방식으로 프로그램 및 소거를 실시하여, 내구성(endurance) 특성을 효과적으로 개선시킨 플래시 메모리 소자 및 이의 프로그래밍/소거 방법을 제공하는 데, 그 목적이 있다.The present invention has been made to solve the above problems and implements a device of the Sonos (SONOS: polySilicon-Oxide-Nitride-Oxide-Silicon) structure in the form of PMOS, and then programed by Hot Electron Injection. And a flash memory device and a method for programming / erasing the same, which have been erased to effectively improve endurance characteristics.

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 플래시 메모리 소자는 반도체 기판과, 상기 반도체 기판 표면에 형성된 ONO막과, 상기 ONO막 상에 형성된 P+형 폴리 게이트 및 상기 폴리 게이트 양측에 상기 반도체 기판 표면에 P+형 불순물이 주입되어 정의된 소오스/드레인 영역을 포함하여 이루어짐에 그 특징이 있다.The flash memory device of the present invention for achieving the above object is a semiconductor substrate, the ONO film formed on the surface of the semiconductor substrate, the P + type poly gate formed on the ONO film and the surface of the semiconductor substrate on both sides of the poly gate It is characterized by including source / drain regions defined by implantation of P + type impurities.

상기 ONO막은 아래에서부터 차례로 터널 산화막, 트랩 질화막, 블록 산화막이다.The ONO film is a tunnel oxide film, a trap nitride film, and a block oxide film in order from the bottom.

또한, 동일한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 플래시 메모리 소자의 프로그래밍 방법은, 반도체 기판과, 상기 반도체 기판 표면에 형성된 ONO막과, 상기 ONO막 상에 형성된 P+형 폴리 게이트 및 상기 폴리 게이트 양측에 상기 반도체 기판 표면에 P+형 불순물이 도핑되어 정의된 소오스/드레인 영역을 구비한 플래시 메모리 소자의 프로그래밍 방법에 있어서, 상기 게이트에는 양의 전압, 상기 드레인 영역에는 음의 전압을 인가하여 상기 게이트와 드레인간의 오버랩 영역에 고전계를 형성하여 상기 ONO막에 열전자를 트랩시켜 이루어짐에 그 특징이 있다.In addition, the programming method of the flash memory device of the present invention for achieving the same object, the semiconductor substrate, the ONO film formed on the surface of the semiconductor substrate, the P + type poly gate formed on the ONO film and both sides of the poly gate A method of programming a flash memory device having a source / drain region defined by doping a P + type impurity on a surface of a semiconductor substrate, the method comprising: applying a positive voltage to the gate and a negative voltage to the drain region, thereby It is characterized by forming a high electric field in the overlap region and trapping hot electrons in the ONO film.

상기 소오스 영역 및 기판은 그라운딩 또는 플로우팅시킨다.The source region and the substrate are grounded or floated.

또한, 동일한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 플래시 메모리 소자의 소거 방법은 기판과, 상기 반도체 기판 표면에 형성된 ONO막과, 상기 ONO막 상에 형성된 P+형 폴리 게이트 및 상기 폴리 게이트 양측에 상기 반도체 기판 표면에 P+형 불순물이 도핑되어 정의된 소오스/드레인 영역을 구비한 플래시 메모리 소자의 소거 방법에 있어서, 상기 게이트에는 음의 전압을 인가하고, 상기 드레인 영역에는 그라운딩하여 상기 드레인과 게이트간의 오버랩 영역에 고전계를 형성하여 상기 ONO막에 트랩된 열전자를 드레인 영역으로 빼주거나 상기 드레인 영역 내의 열 정공을 상기 ONO막에 터널링시킴에 그 특징이 있다.In addition, a method of erasing a flash memory device of the present invention for achieving the same object includes a substrate, an ONO film formed on a surface of the semiconductor substrate, a P + type poly gate formed on the ONO film, and the semiconductor substrate on both sides of the poly gate. A method of erasing a flash memory device having a source / drain region defined by doping a P + type impurity on a surface thereof, the method comprising: applying a negative voltage to the gate and grounding the drain region to an overlap region between the drain and the gate; A high electric field is formed to draw hot electrons trapped in the ONO film to the drain region or to tunnel the thermal holes in the drain region to the ONO film.

상기 소오스 영역 및 기판은 그라운딩 또는 플로우팅시킨다.The source region and the substrate are grounded or floated.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 플래시 메모리 소자 및 이의 프로그래밍/소거 방법을 상세히 설명하면 다음과 같다.Hereinafter, a flash memory device and a programming / erasing method thereof according to the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.

도 6은 본 발명의 SONOS 구조의 플래시 메모리 소자를 나타낸 구조 단면도이다.6 is a cross-sectional view illustrating a flash memory device having a SONOS structure according to the present invention.

도 6과 같이, 본 발명의 소노스(SONOS) 소자는 PMOS 소자로, N형 기판(Nwell, 100)과, 상기 기판(100)의 소정 영역 상부에 형성된 터널 산화막(tunnel oxide, 102), 트랩 질화막(trap nitride, 103), 블록 산화막(block oxide, 104) 및 P+형 폴리실리콘 성분의 게이트(105)를 포함하여 이루어진다. 그리고, 상기 게이트(105) 양측 부위에 해당되는 기판(100) 표면에는 P+형의 불순물이 주입된 소오스/드레인(101)이 형성되어 있다.As illustrated in FIG. 6, the SONOS device of the present invention is a PMOS device, and includes an N-type substrate Nwell 100 and a tunnel oxide 102 formed on an upper portion of the substrate 100. A nitride film 103, a block oxide 104, and a gate 105 of a P + type polysilicon component are included. In addition, a source / drain 101 into which a P + type impurity is implanted is formed on a surface of the substrate 100 corresponding to both sides of the gate 105.

이 때, 상기 기판(100)과 게이트(105) 사이의 절연막인 터널 산화막(102), 트랩 질화막(103), 블록 산화막(104)을 통칭하여 ONO막(Oxide-Nitride-Oxide)이라 한다.At this time, the tunnel oxide film 102, the trap nitride film 103, and the block oxide film 104, which are insulating films between the substrate 100 and the gate 105, are collectively referred to as an ONO-Nitride-Oxide film.

도 7은 본 발명의 SONOS 구조의 플래시 메모리 소자에 프로그램하는 방법을 나타낸 개략도이다.7 is a schematic diagram showing a method of programming a flash memory device of the SONOS structure of the present invention.

도 7과 같이, 본 발명의 소노스(SONOS) 소자의 프로그램(Programming)은, 바이어스 조건을 다음과 같이 하여 이루어진다. As illustrated in FIG. 7, programming of a SONOS device according to the present invention is performed under a bias condition as follows.

즉, 게이트(105)에 소정의 양의 전압(Positive Voltage)을 인가하고, 드레인(101a)에는 소정의 음의 전압(Negative Voltage)을 인가하며, 소오스(101b)는 그라운드(GND) 또는 플로우팅(Floating) 시키고 기판(Body, 100)은 그라운드(GND) 또는 플로우팅(Floating)시킨다. That is, a predetermined positive voltage is applied to the gate 105, a predetermined negative voltage is applied to the drain 101a, and the source 101b is ground (GND) or floating. The substrate 100 is grounded or floated.

이러한 바이어스 조건에서는 상기 드레인(101a) 부위와 P+형 폴리실리콘 게이트(105)가 오버랩되는 영역(D 영역)에 고전계(high electric filed)가 형성되고, 이에 의해 기판(100) 내의 드레인(101a) 영역(P+ 영역) 부근에 공핍 영역(Depletion Region, E 영역)이 조성된다. Under such bias conditions, a high electric filed is formed in a region (region D) where the drain 101a portion and the P + type polysilicon gate 105 overlap, whereby the drain 101a in the substrate 100 is formed. A depletion region (region E) is formed near the region (P + region).

상기 공핍 영역(E 영역)에서 밴드 투 밴드 터널링(band to band tunneling)에 의해 전자(electron)/정공(hole)쌍이 생성되고, 이 때 생성되는 정공(hole)은 P+형의 드레인(101a) 영역으로 빠져나간다. 이 때, 전자(electron)는 공핍 영역(E 영역)에 형성된 측상 전계(lateral electric field)에 의해 가속되어 열 전자(hot electron)로 변하며 상기 열 전자(hot electron)들이 터널 산화막(102)과 실리콘 기판(100)사이의 에너지 장벽을 뛰어넘어 트랩 질화막(103)의 가전자대(Valence Band)로 주입되어 트랩 질화막(103) 내에 존재하는 트랩 준위에 트랩됨으로써 문턱 전압이 낮아지는 프로그램 동작이 수행된다. 이러한 프로그램 방식을 열 전자 주사(Hot Electron Injection) 방식이라 부르며, 종래의 채널 열 전자 주사 방식이 공핍 영역 상에 열 전자 주사가 일어나는 점에 비해 매우 국소적인 영역, 즉, 상기 드레인(101a) 부위와 P+형 폴리실리콘 게이트(105)가 오버랩되는 영역(D 영역)에서 상기 트랩 질화막(103)으로 열 전자 트랩이 일어난다. 이와 같이, 매우 국소적인 영역에서 열 전자 트랩이 가능한 이유는, 상기 게이트(105)와 상기 드레인(101)에 각각 양의 전압, 음의 전압을 인가하여, 둘 사이의 전계를 고전계로 조성하였기 때문이며, 이와 같이 국소적인 부위에 열 전자 트랩이 조성됨으로써, 소거시에 트랩 질화막(103)에 트랩된 전자들은 완전히 드레인(101a)측으로 빼주는 것을 용이하게 된다.In the depletion region (E region), electron / hole pairs are generated by band to band tunneling, and the holes generated at this time are formed in the region of P + type drain 101a. Exit to At this time, electrons are accelerated by a lateral electric field formed in the depletion region (E region) to change into hot electrons, and the hot electrons are converted into the tunnel oxide film 102 and silicon. A program operation is performed in which a threshold voltage is lowered by crossing the energy barrier between the substrates 100 and being injected into the valence band of the trap nitride film 103 to be trapped at the trap level present in the trap nitride film 103. Such a programming method is called a hot electron injection method, and a conventional channel hot electron injection method is very local compared to the point where hot electron scanning occurs on a depletion region, that is, the drain 101a region and the like. In the region (region D) where the P + type polysilicon gate 105 overlaps, a thermal electron trap occurs in the trap nitride film 103. As such, the reason why a thermal electron trap is possible in a very local area is because a positive voltage and a negative voltage are applied to the gate 105 and the drain 101, respectively, to form a high electric field between the two. By forming a hot electron trap in this localized region, electrons trapped in the trap nitride film 103 at the time of erasing can be easily taken out to the drain 101a side.

도 8은 본 발명의 SONOS 구조의 플래시 메모리 소자의 소거하는 방법을 나타낸 개략도이다.8 is a schematic diagram illustrating a method of erasing a flash memory device having a SONOS structure of the present invention.

도 8과 같이, 본 발명의 SONOS 구조의 플래시 메모리 소자의 소거(Erasing) 방법은 다음과 같은 바이어스 조건을 인가한다. As shown in FIG. 8, the erasing method of the flash memory device of the SONOS structure of the present invention applies the following bias condition.

즉, 상기 게이트(105)에 소정의 음전압(Negative Voltage)을 인가하고 드레인(101a)은 그라운드(GND) 시키며 소오스(101b)는 플로우팅(Floating) 또는 그라운드(GND)를 시키며 기판(Body, 100)은 플로우팅(Floating)시킨다. 이 경우, 드레인(101a)에서 게이트(105)로 전계가 조성되며, 상기 드레인(101a)과 상기 게이트(105)의 오버랩 영역에서 전자 또는 정공의 터널링이 이루어진다. That is, a predetermined negative voltage is applied to the gate 105, the drain 101a is grounded (GND), and the source 101b is floating or grounded (GND), and the substrate (Body, 100) Floating. In this case, an electric field is formed from the drain 101a to the gate 105, and tunneling of electrons or holes is performed in the overlap region of the drain 101a and the gate 105.

이러한 바이어스 조건에서는 드레인(101a) 부위와 P+ 폴리실리콘 게이트(105)가 오버랩되는 영역에 형성된 고전계(High Electric Field)가 형성된다. 이러한 고전계에 의해 트랩 질화막(103)에 트랩(trapping)되어 있던 전자(electron)들이 F 영역에서 터널링(tunneling)하여 기판(100) 내의 드레인(101a, P+형의 불순물 영역)으로 빠져나가거나 상기 드레인(101a) 내에 존재하는 정공(hole)들이 터널링하여 트랩 질화막(103) 내에 존재하는 트랩 준위에 트랩되어 문턱전압이 높아지는 소거(Erasing) 동작이 수행된다. 이러한 소거 방식을 터널링 방식이라 부른다. Under such bias conditions, a high electric field is formed in a region where the drain 101a portion and the P + polysilicon gate 105 overlap. Electrons trapped in the trap nitride film 103 by the high electric field are tunneled in the F region to escape to the drain 101a (the P + type impurity region) in the substrate 100 or the Erasing operation is performed in which holes existing in the drain 101a are tunneled and trapped at the trap level existing in the trap nitride film 103 to increase the threshold voltage. This erase method is called a tunneling method.

본 발명의 SONOS 구조의 플래시 메모리 소자는, P+ 형 폴리실리콘 게이트(105)를 사용하기 때문에, 터널링(tunneling) 방식으로 소거를 시키더라도 게이트(105)에서 트랩 질화막(103)으로 주입되는 전자가 존재하지 않기 때문에 소거 문턱 전압이 새튜레이션(saturation)되는 현상이 발생하지 않게 되어 소거(Erasing) 스피드를 증가시킬 수 있을 뿐만 아니라 문턱 전압 윈도우(Threshold Voltage)도 크게 넓힐 수 있다.Since the flash memory device of the SONOS structure of the present invention uses a P + type polysilicon gate 105, electrons are injected from the gate 105 into the trap nitride film 103 even when the gate is erased by a tunneling method. Since the erase threshold voltage is not saturated, the erasing speed can be increased, and the threshold voltage window can be greatly widened.

도 9는 본 발명의 SONOS 구조의 플래시 메모리 소자의 리딩하는 방법을 나타낸 개략도이다.9 is a schematic diagram illustrating a reading method of a flash memory device having a SONOS structure of the present invention.

도 9와 같이, 본 발명의 소노스(SONOS) 소자를 리딩(Reading)하는 경우 바이어스 조건은 다음과 같이 한다. 즉, 게이트(105)에 음의 기준 전압(-Reference Voltage)을 인가하고 소오스(101b)에 일정 음전압(Negative Voltage)을 인가하며 드레인(101a)과 기판(Body, 100)는 그라운드(GND)시킨다.As shown in FIG. 9, when reading a SONOS device of the present invention, a bias condition is as follows. That is, a negative reference voltage is applied to the gate 105, a negative voltage is applied to the source 101b, and the drain 101a and the substrate 100 are grounded (GND). Let's do it.

상기 바이어스 조건에서 드레인(101a) 부근의 프로그래밍/소거 상태에 따라서 전류가 흐르거나 흐르지 않게 되며, 이러한 전류 흐름을 감지하여 현 상태가 프로그램 중인지 혹은 소거 상태인지를 리딩해낸다. 이러한 리딩 방식을 리버스 리딩(Reverse Reading) 방식이라 부른다.Under the bias condition, current flows or not flows according to the programming / erase state near the drain 101a, and the current flow is sensed to read whether the current state is programmed or erased. This reading method is called a reverse reading method.

한편, 본 발명의 프로그램/소거/리딩 방식에서 종래의 방식과 동일하게 소오스(101b)/드레인(101a)간의 바이어스 조건을 서로 바꾸어 드레인(101a) 영역과 소오스(101a) 영역 각각에 프로그래밍(Programming)과 소거(Erasing) 동작을 시켜 1개의 소노스 트랜지스터를 2비트로 동작시킬 수 있다. 즉, 본 발명의 경우도 종래의 소노스 구조처럼 1개의 소노스 트랜지스터로 1비트 또는 2비트로 동작시킬 수 있다.Meanwhile, in the program / erase / reading method of the present invention, the bias conditions between the source 101b / drain 101a are interchanged with each other in the program / erase / reading method of the present invention, and programming is performed in each of the drain 101a region and the source 101a region. By over erasing (Erasing) operation, a single sono transistor can be operated by two bits. That is, in the case of the present invention, as in the conventional sonos structure, it is possible to operate with one or two bits with one sonos transistor.

이상 설명한 내용을 통해 당업자라면 본 발명의 기술 사상을 일탈하지 아니하는 범위에서 다양한 변경 및 수정이 가능함을 알 수 있을 것이다.Those skilled in the art will appreciate that various changes and modifications can be made without departing from the spirit of the present invention.

따라서, 본 발명의 기술적 범위는 실시예에 기재된 내용으로 한정되는 것이 아니라 특허 청구의 범위에 의하여 정해져야 한다.Therefore, the technical scope of the present invention should not be limited to the contents described in the embodiments, but should be defined by the claims.

상기와 같은 본 발명의 플래시 메모리 소자 및 이의 프로그래밍/소거 방법은 다음과 같은 효과가 있다.The flash memory device and its programming / erasing method of the present invention as described above have the following effects.

각각 게이트 및 게이트 양측에 대응되어 기판 상에 형성되는 소오스/드레인 영역을 P+형의 불순물을 주입하여 형성하고, 프로그램시에는 게이트과 드레인간의 오버랩 영역에 고전계를 형성함으로써 공핍 영역에 비해 매우 국소적인 영역에서 트랩 질화막으로의 열 전자 트랩이 발생되게 하는 열 전자 주사 방식을 적용하고, 소거시에는 다시 드레인 영역과 게이트간에 전계를 형성하여 트랩된 열 전자가 기판측으로 빠져나오거나, 전계 형성시 발생된 열 정공을 트랩 질화막측으로 터널링시킴으로써, 프로그램과 소거가 발생하는 부위를 정확하게 일치시켜 전자가 소오스/드레인의 불순물 영역 에지부에 축적되는 문제가 더 이상 발생하기 않게 한다.The source / drain regions formed on the substrate corresponding to both the gate and the gate are formed by injecting P + type impurities, and a high region is formed in the overlap region between the gate and the drain during programming. Applies a thermal electron scanning method to generate a thermal electron trap to a trap nitride film in the case of a trap, and during erasing, an electric field is formed between the drain region and the gate again so that the trapped hot electrons escape to the substrate side or heat generated when the electric field is formed. By tunneling the holes toward the trap nitride film side, the program and the erasing region are precisely matched so that the electrons accumulate at the impurity region edges of the source / drain any longer.

따라서, SONOS 구조의 플래시 메모리 소자를 반복적으로 프로그래밍 또는 소거 동작하더라도 문턱 전압 변동을 억제하여 소자의 내구성(Endurance)을 향상시킬 수 있다.Therefore, even if the flash memory device of the SONOS structure is programmed or erased repeatedly, the endurance of the device can be improved by suppressing the threshold voltage variation.

또한, PMOS 형의 SONOS 구조의 플래시 메모리 소자(즉, P+형의 폴리 게이트, P+형의 소오스/드레인 영역)를 사용함으로써 터널링 방식으로 소거를 시키더라도 게이트에서 트랩 질화막로 주입되는 전자가 존재하지 않기 때문에 소거 문턱 전압이 새튜레이션(Saturation)되는 현상이 발생하지 않게 되어 소거 스피드(Erasing speed)를 증가시킬 수 있을 뿐만 아니라 문턱전압 윈도우도 크게 넓힐 수 있다.In addition, even when the PMOS type SONOS structure flash memory device (i.e., P + type poly gate, P + type source / drain region) is erased by the tunneling method, no electrons are injected into the trap nitride film from the gate. As a result, the erasing of the erase threshold voltage does not occur, thereby increasing the erasing speed and greatly widening the threshold voltage window.

도 1은 종래의 SONOS 구조의 플래시 메모리 소자를 나타낸 구조 단면도1 is a cross-sectional view showing a conventional flash memory device of the SONOS structure

도 2는 종래의 SONOS 구조의 플래시 메모리 소자의 프로그래밍 방법을 나타낸 개략도2 is a schematic diagram illustrating a programming method of a flash memory device having a conventional SONOS structure;

도 3은 종래의 SONOS 구조의 플래시 메모리 소자의 소거하는 방법을 나타낸 개략도3 is a schematic diagram illustrating a method of erasing a flash memory device having a conventional SONOS structure;

도 4는 종래의 SONOS 구조의 플래시 메모리 소자의 리딩하는 방법을 나타낸 개략도4 is a schematic diagram showing a reading method of a flash memory device having a conventional SONOS structure.

도 5는 종래의 SONOS 구조의 플래시 메모리 소자의 소거시 각 층의 에너지 준위 및 전자 및 정공의 이동을 나타낸 도면FIG. 5 is a diagram illustrating energy levels of each layer and movement of electrons and holes during erasing of a flash memory device having a conventional SONOS structure. FIG.

도 6은 본 발명의 SONOS 구조의 플래시 메모리 소자를 나타낸 구조 단면도6 is a cross-sectional view illustrating a flash memory device having a SONOS structure according to the present invention;

도 7은 본 발명의 SONOS 구조의 플래시 메모리 소자의 프로그래밍 방법을 나타낸 개략도7 is a schematic diagram showing a method of programming a flash memory device of the SONOS structure of the present invention;

도 8은 본 발명의 SONOS 구조의 플래시 메모리 소자의 소거하는 방법을 나타낸 개략도8 is a schematic diagram illustrating a method of erasing a flash memory device having a SONOS structure of the present invention;

도 9는 본 발명의 SONOS 구조의 플래시 메모리 소자의 리딩하는 방법을 나타낸 개략도9 is a schematic diagram showing a reading method of a flash memory device having a SONOS structure according to the present invention;

*도면의 주요 부분에 대한 부호 설명** Description of symbols on the main parts of the drawings *

100 : 기판 101 : 소오스/드레인100: substrate 101: source / drain

102 : 터널 산화막 103 : 트랩 질화막102 tunnel oxide film 103 nitride film

104 : 블록 산화막 105 : 게이트104: block oxide film 105: gate

Claims (6)

반도체 기판;Semiconductor substrates; 상기 반도체 기판 표면에 형성된 ONO막;An ONO film formed on a surface of the semiconductor substrate; 상기 ONO막 상에 형성된 P+형 폴리 게이트; 및A P + type poly gate formed on the ONO film; And 상기 폴리 게이트 양측에 상기 반도체 기판 표면에 P+형 불순물이 주입되어 정의된 소오스/드레인 영역을 포함하여 이루어짐을 특징으로 하는 플래시 메모리 소자.And source / drain regions defined by implanting P + type impurities into the surface of the semiconductor substrate at both sides of the poly gate. 제 1항에 있어서,The method of claim 1, 상기 ONO막은 아래에서부터 차례로 터널 산화막, 트랩 질화막, 블록 산화막인 것을 특징으로 하는 플래시 메모리 소자.And the ONO film is a tunnel oxide film, a trap nitride film, and a block oxide film in order from the bottom. 반도체 기판과, 상기 반도체 기판 표면에 형성된 ONO막과, 상기 ONO막 상에 형성된 P+형 폴리 게이트 및 상기 폴리 게이트 양측에 상기 반도체 기판 표면에 P+형 불순물이 도핑되어 정의된 소오스/드레인 영역을 구비한 플래시 메모리 소자의 프로그래밍 방법에 있어서,A semiconductor substrate, an ONO film formed on the surface of the semiconductor substrate, a P + type poly gate formed on the ONO film, and source / drain regions defined by doping P + type impurities on the surface of the semiconductor substrate on both sides of the poly gate; In the programming method of a flash memory device, 상기 게이트에는 양의 전압, 상기 드레인 영역에는 음의 전압을 인가하여 상기 게이트와 드레인간의 오버랩 영역에 고전계를 형성하여 상기 ONO막에 열전자를 트랩시켜 이루어짐을 특징으로 하는 플래시 메모리 소자의 프로그래밍 방법.And applying a positive voltage to the gate and a negative voltage to the drain region to form a high electric field in an overlap region between the gate and the drain to trap hot electrons in the ONO layer. 제 3항에 있어서,The method of claim 3, wherein 상기 소오스 영역 및 기판은 그라운딩 또는 플로우팅시키는 것을 특징으로 하는 플래시 메모리 소자의 프로그래밍 방법.And the source region and the substrate are grounded or floated. 반도체 기판과, 상기 반도체 기판 표면에 형성된 ONO막과, 상기 ONO막 상에 형성된 P+형 폴리 게이트 및 상기 폴리 게이트 양측에 상기 반도체 기판 표면에 P+형 불순물이 도핑되어 정의된 소오스/드레인 영역을 구비한 플래시 메모리 소자의 소거 방법에 있어서,A semiconductor substrate, an ONO film formed on the surface of the semiconductor substrate, a P + type poly gate formed on the ONO film, and source / drain regions defined by doping P + type impurities on the surface of the semiconductor substrate on both sides of the poly gate; In the erase method of a flash memory device, 상기 게이트에는 음의 전압을 인가하고, 상기 드레인 영역에는 그라운딩하여 상기 드레인과 게이트간의 오버랩 영역에 고전계를 형성하여 상기 ONO막에 트랩된 열전자를 드레인 영역으로 빼주거나 상기 드레인 영역 내의 열 정공을 상기 ONO막에 터널링시킴을 특징으로 하는 플래시 메모리 소자의 소거 방법.A negative voltage is applied to the gate and a ground is formed in the drain region to form a high electric field in an overlap region between the drain and the gate to draw hot electrons trapped in the ONO film to the drain region or to extract thermal holes in the drain region. A method of erasing a flash memory device, characterized by tunneling in an ONO film. 제 5항에 있어서,The method of claim 5, 상기 소오스 영역 및 기판은 그라운딩 또는 플로우팅시키는 것을 특징으로 하는 플래시 메모리 소자의 소거 방법.And the source region and the substrate are grounded or floated.
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