JP2001168219A - Nonvolatile semiconductor storage device and its driving method - Google Patents
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Abstract
Description
【0001】[0001]
【発明の属する技術分野】本発明は、メモリトランジス
タのチャネル形成領域とゲート電極との間のゲート絶縁
膜の内部に、平面的に離散化された電荷蓄積手段(例え
ば、MONOS型やMNOS型における窒化膜内の電荷
トラップ、トップ絶縁膜と窒化膜との界面近傍の電荷ト
ラップ、或いは小粒径導電体等)を有し、当該電荷蓄積
手段に対し電荷(電子またはホール)を電気的に注入し
て蓄積し又は引き抜くことを基本動作とする不揮発性半
導体記憶装置と、その駆動方法とに関する。BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a charge storage means (for example, a MONOS type or MNOS type) which is discretized planarly in a gate insulating film between a channel forming region of a memory transistor and a gate electrode. A charge trap in the nitride film, a charge trap near the interface between the top insulating film and the nitride film, or a small-diameter conductor, and electrically injects charges (electrons or holes) into the charge storage means. The present invention relates to a nonvolatile semiconductor memory device having a basic operation of storing and extracting data and a driving method thereof.
【0002】[0002]
【従来の技術】不揮発性半導体メモリは、大容量で小型
の情報記録媒体として期待されているが、近年、情報ネ
ットワークの広帯域化とともにネットワークの伝送速度
(たとえば搬送波周波数:100MHz)と同等の書き
込み速度が要求されるようになってきている。このた
め、不揮発性半導体メモリに対し、スケーリング性が良
好で従来の100μsec/セルの書き込み速度より1
桁またはそれ以上の書き込み速度の向上が要求されてい
る。2. Description of the Related Art A nonvolatile semiconductor memory is expected to be a large-capacity and small-sized information recording medium. Is being required. Therefore, compared with the nonvolatile semiconductor memory, the scaling property is good, and the writing speed of 100 μsec / cell is 1 time.
There is a need to improve the writing speed by an order of magnitude or more.
【0003】不揮発性半導体メモリは、電荷を保持する
電荷蓄積手段が平面的に連続したFG(Floating Gate)
型のほかに、電荷蓄積手段が平面的に離散化された、例
えばMONOS(Metal-Oxide-Nitride-Oxide Semicondu
ctor) 型などがある。In a nonvolatile semiconductor memory, an FG (Floating Gate) in which charge storage means for storing charges is continuous in a plane.
In addition to the mold, the charge storage means is discretized in a plane, such as MONOS (Metal-Oxide-Nitride-Oxide Semicondu
ctor) type.
【0004】MONOS型不揮発性半導体メモリでは、
電荷保持を主体的に担っている窒化膜〔Six Ny (0
<x<1、0<y<1)〕膜中またはトップ絶縁膜と窒
化膜との界面のキャリアトラップが空間的に(即ち、面
方向および膜厚方向に)離散化して拡がっているため
に、電荷保持特性が、トンネル絶縁膜厚のほかに、Si
x Ny 膜中のキャリアトラップに捕獲される電荷のエネ
ルギー的および空間的な分布に依存する。In a MONOS type nonvolatile semiconductor memory,
The nitride film [Six Ny (0
<X <1, 0 <y <1)] because carrier traps in the film or at the interface between the top insulating film and the nitride film are spatially dispersed (that is, in the plane direction and the film thickness direction) and spread. In addition to the tunnel insulating film thickness,
It depends on the energy and spatial distribution of the charge trapped by the carrier trap in the xNy film.
【0005】このトンネル絶縁膜に局所的にリーク電流
パスが発生した場合、FG型では多くの電荷がリークパ
スを通ってリークして電荷保持特性が低下しやすいのに
対し、MONOS型では、電荷蓄積手段が空間的に離散
化されているため、リークパス周辺の局所的な電荷がリ
ークパスを通して局所的にリークするに過ぎず、記憶素
子全体の電荷保持特性が低下しにくい。このため、MO
NOS型においては、トンネル絶縁膜の薄膜化による電
荷保持特性の低下の問題はFG型ほど深刻ではない。し
たがって、ゲート長が極めて短い微細メモリトランジス
タにおけるトンネル絶縁膜のスケーリング性は、MON
OS型の方がFG型よりも優れている。また、平面的に
離散化したキャリアトラップの分布平面に対し電荷が局
所的に注入された場合、その電荷はFG型のように平面
内および膜厚方向に拡散することなく保持される。When a leak current path is generated locally in the tunnel insulating film, a large amount of charge leaks through the leak path in the FG type and the charge retention characteristic is apt to deteriorate, whereas in the MONOS type, the charge storage characteristic is reduced. Since the means is spatially discretized, local charges around the leak path only leak locally through the leak path, and the charge retention characteristics of the entire storage element are unlikely to deteriorate. Therefore, MO
In the NOS type, the problem of deterioration of the charge retention characteristics due to the thinning of the tunnel insulating film is not as serious as in the FG type. Therefore, the scaling property of the tunnel insulating film in a very small memory transistor having a very short gate length is MON
The OS type is superior to the FG type. Further, when charges are locally injected into the distribution plane of the carrier traps discretized in a plane, the charges are held without being diffused in the plane and in the film thickness direction unlike the FG type.
【0006】MONOS型不揮発性メモリで微細メモリ
セルを実現するにはディスターブ特性の改善が重要であ
り、そのためにはトンネル絶縁膜を通常の膜厚(1.6
nm〜2.0nm)より厚く設定する必要が生じてい
る。It is important to improve the disturb characteristics in order to realize a fine memory cell with a MONOS type nonvolatile memory. For this purpose, a tunnel insulating film having a normal thickness (1.6) is required.
nm to 2.0 nm).
【0007】[0007]
【発明が解決しようとする課題】ところが、従来のMO
NOS型不揮発性メモリにおいて、トンネル絶縁膜を厚
膜化したり動作電圧を低減することは書き込み速度向上
にとっては益々不利な状況となっている。このため、従
来のMONOS型等の不揮発性メモリでは、信頼性(た
とえば、データ保持特性、リードディスターブ特性ある
いはデータ書換え特性など)を十分に満足させた場合、
書き込み速度は100μsecが限界である。However, the conventional MO
In the NOS type non-volatile memory, increasing the thickness of the tunnel insulating film or reducing the operating voltage is becoming more and more disadvantageous for improving the writing speed. For this reason, in the conventional nonvolatile memory such as the MONOS type, when the reliability (for example, the data holding characteristic, the read disturb characteristic, or the data rewriting characteristic) is sufficiently satisfied,
The writing speed is limited to 100 μsec.
【0008】書き込み速度だけを考えると、チャネルホ
ットエレクトロン(CHE)を用いた注入方式のほう
が、チャネル全面FNトンネリングより高速化しやす
い。ところが、ドレイン端でCHEを発生させる通常の
CHE注入方式では、注入効率が1×10-6と十分では
ない。また、注入効率を上げるために、CHEをソース
側から注入するソースサイド注入型MONOSトランジ
スタが報告されたが(IEEE Electron Device Letter19,
1998, pp153 )、このソースサイド注入型MONOS
トランジスタでは、動作電圧が書き込み時12V、消去
時14Vと高いうえ、リードディスターブ特性およびデ
ータ書換え特性などの信頼性が十分でない。[0008] Considering only the writing speed, the injection method using channel hot electrons (CHE) tends to be faster than the FN tunneling over the entire channel. However, in a normal CHE injection method in which CHE is generated at the drain end, the injection efficiency is 1 × 10 −6 , which is not sufficient. A source side injection type MONOS transistor in which CHE is injected from the source side in order to increase the injection efficiency has been reported (IEEE Electron Device Letter19,
1998, pp153), this source side injection type MONOS
The transistor has an operating voltage as high as 12 V at the time of writing and 14 V at the time of erasing, and has insufficient reliability such as read disturb characteristics and data rewriting characteristics.
【0009】このように、従来のMONOS型等の不揮
発性メモリでは、書き込み速度の向上と、動作電圧の低
電圧化および信頼性確保がトレードオフの関係にある。
このトレードオフの克服は、高速な大容量不揮発性メモ
リを開発するうえで、さらに近年盛んに開発が進められ
ているシステムLSIにおいてロジック回路との混載の
観点から、重要な課題となっていた。As described above, in the conventional nonvolatile memory such as the MONOS type, there is a trade-off between the improvement of the writing speed and the reduction of the operating voltage and the securing of the reliability.
Overcoming this trade-off has been an important issue in developing a high-speed large-capacity nonvolatile memory from the viewpoint of embedding with a logic circuit in a system LSI which has been actively developed in recent years.
【0010】本発明の目的は、MONOS型など平面的
に離散化されたキャリアトラップ等に電荷を蓄積させて
基本動作するメモリトランジスタにおいて、リードディ
スターブ特性などの信頼性を良好に維持し、また動作電
圧を低電圧化したまま、書き込み速度を向上することが
可能な構造を有する不揮発性半導体記憶装置と、その駆
動方法を提供することである。SUMMARY OF THE INVENTION An object of the present invention is to provide a memory transistor which performs basic operation by accumulating electric charges in a planarly discrete carrier trap or the like, such as a MONOS type, to maintain good reliability such as read disturb characteristics, and to operate properly. An object of the present invention is to provide a nonvolatile semiconductor memory device having a structure capable of improving a writing speed while keeping a voltage low, and a driving method thereof.
【0011】[0011]
【課題を解決するための手段】本発明の第1の観点に係
る不揮発性半導体記憶装置は、基板と、当該基板の表面
に設けられた半導体のチャネル形成領域と、当該チャネ
ル形成領域を挟んで基板表面に形成され、動作時にソー
スまたはドレインとなる第1および第2不純物領域と、
上記チャネル形成領域上に設けられたゲート絶縁膜と、
当該ゲート絶縁膜上に設けられたゲート電極と、上記ゲ
ート絶縁膜内で、上記チャネル形成領域に対向した面内
および膜厚方向に離散化され、かつ、動作時に電荷が加
速される方向に設けられている電荷蓄積手段とを有す
る。この電荷が主に加速される方向は、基板に水平方向
と垂直方向の何れでもよい。According to a first aspect of the present invention, there is provided a nonvolatile semiconductor memory device including a substrate, a semiconductor channel formation region provided on a surface of the substrate, and the channel formation region interposed therebetween. First and second impurity regions formed on the substrate surface and serving as a source or a drain during operation;
A gate insulating film provided on the channel formation region;
A gate electrode provided on the gate insulating film; and a gate electrode provided in the gate insulating film in a direction opposed to the channel formation region and in a film thickness direction, and provided in a direction in which electric charges are accelerated during operation. Charge accumulation means. The direction in which the charges are mainly accelerated may be either the horizontal direction or the vertical direction with respect to the substrate.
【0012】この第1の観点に係る不揮発性半導体記憶
装置は、離散化された電荷蓄積手段を電荷が加速される
方向に設けていることから、注入の際に電荷の運動量が
維持されやすい。このため、電荷蓄積手段に対し効率よ
く電荷が注入される。In the nonvolatile semiconductor memory device according to the first aspect, since the discrete charge storage means is provided in the direction in which the charge is accelerated, the momentum of the charge is easily maintained at the time of injection. For this reason, charges are efficiently injected into the charge storage means.
【0013】本発明の第2の観点に係る不揮発性半導体
記憶装置は、基板と、当該基板の表面に設けられた半導
体のチャネル形成領域と、当該チャネル形成領域を挟ん
で基板表面に形成され、動作時にソースまたはドレイン
となる第1および第2不純物領域と、上記チャネル形成
領域上に設けられたゲート絶縁膜と、当該ゲート絶縁膜
上に設けられたゲート電極と、上記ゲート絶縁膜内で、
上記チャネル形成領域に対向した面内および膜厚方向に
離散化されている電荷蓄積手段とを有し、上記チャネル
形成領域の表面に、上記第1不純物領域を上記第2不純
物領域に対し相対的に低くする段差が設けられている。[0013] A nonvolatile semiconductor memory device according to a second aspect of the present invention is formed on a substrate, a semiconductor channel forming region provided on the surface of the substrate, and a substrate surface with the channel forming region interposed therebetween. First and second impurity regions serving as a source or a drain during operation; a gate insulating film provided on the channel formation region; a gate electrode provided on the gate insulating film;
Charge accumulation means discrete in an in-plane and film thickness direction facing the channel formation region, wherein the first impurity region is provided on the surface of the channel formation region relative to the second impurity region. Is provided with a step which is lowered.
【0014】好適に、上記段差と上記第1不純物領域と
の間のゲート絶縁膜部分を中心に上記電荷蓄積手段が形
成されている。好適に、上記電荷が加速される上記段差
上部のチャネル方向の長さ(たとえば、チャネル形成領
域の第2不純物領域端から段差までの長さ)が、チャネ
ル内電子の平均自由行程以下である。あるいは、この長
さは、チャネル内電子が不純物散乱の影響を受けずに走
行できる所定距離以下の範囲内、たとえば50nm以下
に設定されている。Preferably, the charge storage means is formed around a gate insulating film portion between the step and the first impurity region. Preferably, the length in the channel direction above the step where the charge is accelerated (for example, the length from the end of the second impurity region of the channel forming region to the step) is equal to or less than the mean free path of electrons in the channel. Alternatively, the length is set to a range of a predetermined distance or less, for example, 50 nm or less, in which electrons in the channel can travel without being affected by impurity scattering.
【0015】一般に、ホットエレクトロン注入を用いて
書き込みを行う不揮発性半導体記憶装置では、ソースと
ドレイン間に所定のバイアス電圧が印加され、またゲー
ト電極に所定の書き込み電圧が印加されたときに、形成
されたチャネル内にソースから供給された電荷(この場
合、電子)が電界加速される。その加速によりドレイン
近傍で高エネルギーを得た電荷(ホットエレクトロン)
は、ゲート電極による電界に引き付けられて電荷蓄積手
段に注入される。In general, in a nonvolatile semiconductor memory device in which writing is performed by using hot electron injection, when a predetermined bias voltage is applied between a source and a drain, and when a predetermined writing voltage is applied to a gate electrode, the formation is performed. The electric charge (in this case, electrons) supplied from the source in the set channel is accelerated by an electric field. Charges (hot electrons) that gained high energy near the drain due to the acceleration
Are attracted to the electric field by the gate electrode and injected into the charge storage means.
【0016】本発明の第2の観点に係る不揮発性半導体
記憶装置は、基板表面に段差を設け、段差の低い側でO
NO膜などの内部に電荷蓄積手段(キャリアトラップ)
を有するゲート絶縁膜を設けている。したがって、ドレ
イン近傍で発生した高エネルギー電荷(たとえば、ホッ
トエレクトロン)は、その運動量(方向と大きさ)を維
持しながら殆ど運動エネルギーを失うことなく効率良
く、しかも高速にキャリアトラップに注入される。第2
の観点に係る不揮発性半導体記憶装置は、第1の観点に
係る不揮発性半導体記憶装置の水平電荷加速の一形態を
示す。この電荷が加速される段差上部のチャネル方向の
長さたとえば50nm以下とすると、電荷がチャネル内
を不純物散乱等の影響を殆ど受けずにバリスチックに伝
導する。したがって、電荷注入の効率、速度が更に高ま
る。In a nonvolatile semiconductor memory device according to a second aspect of the present invention, a step is provided on the surface of a substrate, and O
Charge accumulation means (carrier trap) inside NO film etc.
Is provided. Therefore, high-energy charges (for example, hot electrons) generated near the drain are efficiently and rapidly injected into the carrier trap without losing kinetic energy while maintaining the momentum (direction and magnitude). Second
The non-volatile semiconductor memory device according to the first aspect shows an embodiment of horizontal charge acceleration of the non-volatile semiconductor memory device according to the first aspect. If the length in the channel direction above the step where the charges are accelerated is, for example, 50 nm or less, the charges are ballistically transmitted through the inside of the channel almost without being influenced by impurity scattering or the like. Therefore, the efficiency and speed of charge injection are further increased.
【0017】本発明の第3の観点に係る不揮発性半導体
記憶装置は、基板と、当該基板の表面に設けられた半導
体のチャネル形成領域と、当該チャネル形成領域を挟ん
で基板表面に形成され、動作時にソースまたはドレイン
となる第1および第2不純物領域と、上記チャネル形成
領域上に設けられたゲート絶縁膜と、当該ゲート絶縁膜
上に設けられたゲート電極と、上記ゲート絶縁膜内で、
上記チャネル形成領域に対向する面内および膜厚方向に
離散化されている電荷蓄積手段とを有し、上記ゲート電
極は、上記チャネル形成領域の上記第1不純物領域側
に、内部に電荷蓄積手段を有しない第1ゲート絶縁膜を
介して積層された第1ゲート電極と、上記チャネル形成
領域の上記第2不純物領域側に、内部に電荷蓄積手段を
有した第2ゲート絶縁膜を介して積層された第2ゲート
電極とを含む。好適に、第2ゲート電極が第1ゲート電
極の側壁に絶縁膜を介して形成されている。According to a third aspect of the present invention, there is provided a nonvolatile semiconductor memory device comprising: a substrate; a semiconductor channel formation region provided on the surface of the substrate; and a semiconductor channel formation region sandwiching the channel formation region. First and second impurity regions serving as a source or a drain during operation; a gate insulating film provided on the channel formation region; a gate electrode provided on the gate insulating film;
Charge accumulation means which is discretized in a plane facing the channel formation region and in the film thickness direction, and wherein the gate electrode has charge accumulation means inside the channel formation region on the side of the first impurity region. A first gate electrode stacked via a first gate insulating film having no charge storage layer, and a second gate insulating film having charge storage means therein on the side of the channel formation region on the side of the second impurity region. A second gate electrode. Preferably, the second gate electrode is formed on a side wall of the first gate electrode via an insulating film.
【0018】この第3の観点に係る不揮発性半導体記憶
装置では、第1不純物領域側の第1ゲート電極、第2不
純物領域側の第2ゲート電極が別々に設けられている。
したがって、加速時のゲート電圧印加条件と、注入時の
ゲート電圧印加条件を別々に設定でき、それだけ、注入
効率を極大化して書き込みを高速化するための制御がし
やすい。第1ゲート電極側のゲート絶縁膜(第1ゲート
絶縁膜)内に電荷蓄積手段を形成しないでよいので、第
1ゲート絶縁膜を薄くして加速電界を大きくできる。ま
た、加速電界を一定とすれば、印加電圧を下げることが
できる。一方、第2ゲート電極をサイドウォール形とし
た場合、セル面積が小さくて済む。In the nonvolatile semiconductor memory device according to the third aspect, the first gate electrode on the first impurity region side and the second gate electrode on the second impurity region side are separately provided.
Therefore, the gate voltage application condition at the time of acceleration and the gate voltage application condition at the time of injection can be set separately, and accordingly, control for maximizing the injection efficiency and speeding up the writing is easy. Since it is not necessary to form the charge storage means in the gate insulating film (first gate insulating film) on the first gate electrode side, the first gate insulating film can be made thinner to increase the acceleration electric field. If the acceleration electric field is kept constant, the applied voltage can be reduced. On the other hand, when the second gate electrode is of a sidewall type, the cell area can be small.
【0019】本発明の第4の観点に係る不揮発性半導体
記憶装置の駆動方法は、基板と、当該基板の表面に設け
られた半導体のチャネル形成領域と、当該チャネル形成
領域を挟んで基板表面に形成され、動作時にソースまた
はドレインとなる第1および第2不純物領域と、上記チ
ャネル形成領域上に設けられたゲート絶縁膜と、当該ゲ
ート絶縁膜上に設けられたゲート電極と、上記ゲート絶
縁膜内で、上記チャネル形成領域に対向すた面内および
膜厚方向に離散化されている電荷蓄積手段とを有する不
揮発性半導体記憶装置の駆動方法であって、動作時に、
上記チャネル形成領域または周辺の空乏層内で電荷を加
速させ、運動量を保持した状態で上記離散化された電荷
蓄積手段内に注入する。好適に、書き込みの際に、電荷
蓄積手段の第1不純物領域側と第2不純物領域側に独立
に部分的な電荷注入を行う。具体的には、電圧印加条件
を逆にして書き込みを行う。読み出しでは、好適に、読
み出すべき情報に対応した電荷がソース側となるよう
に、第1,第2不純物領域間の電圧印加方向を決め、所
定の読み出しドレイン電圧を印加し、また、ゲート電極
に所定の読み出しゲート電圧を印加する。複数ビットの
読み出しでは、このような読み出しを、第1,第2不純
物領域間の電圧印加方向を逆にして行う。消去では、上
記第1および/または第2不純物領域側から注入され上
記電荷蓄積手段にチャネル方向の一方側または両側に保
持されている電荷を、直接トンネリングまたはFNトン
ネリングにより個別にあるいは一括して基板側に引く抜
く。According to a fourth aspect of the present invention, there is provided a method for driving a nonvolatile semiconductor memory device, comprising: a substrate; a semiconductor channel formation region provided on the surface of the substrate; First and second impurity regions formed and serving as a source or a drain during operation, a gate insulating film provided on the channel forming region, a gate electrode provided on the gate insulating film, and the gate insulating film A method for driving a non-volatile semiconductor storage device, comprising: charge storage means that is discrete in an in-plane and film thickness direction facing the channel forming region.
The charge is accelerated in the channel formation region or the depletion layer in the periphery thereof, and injected into the discretized charge storage means while maintaining the momentum. Preferably, at the time of writing, partial charge injection is performed independently on the first impurity region side and the second impurity region side of the charge storage means. Specifically, writing is performed with the voltage application conditions reversed. In reading, preferably, a voltage application direction between the first and second impurity regions is determined so that a charge corresponding to information to be read is on the source side, a predetermined read drain voltage is applied, and a gate electrode is applied. A predetermined read gate voltage is applied. In the case of reading a plurality of bits, such reading is performed by reversing the voltage application direction between the first and second impurity regions. In erasing, charges injected from the first and / or second impurity regions and held in the charge storage means on one or both sides in the channel direction are individually or collectively collected by direct tunneling or FN tunneling. Pull out to the side.
【0020】本発明の第5の観点に係る不揮発性半導体
記憶装置の駆動方法は、基板と、当該基板の表面に設け
られた半導体のチャネル形成領域と、当該チャネル形成
領域を挟んで基板表面に形成され、動作時にソースまた
はドレインとなる第1および第2不純物領域と、上記チ
ャネル形成領域上に設けられたゲート絶縁膜と、当該ゲ
ート絶縁膜上に設けられたゲート電極と、上記ゲート絶
縁膜内で、上記チャネル形成領域に対向した面内および
膜厚方向に離散化されている電荷蓄積手段とを有する不
揮発性半導体記憶装置の駆動方法であって、動作時に、
上記チャネル形成領域にできたチャネル内で電荷を加速
させ、バリスチックな電気伝導現象を利用して上記離散
化された電荷蓄積手段内に注入する。According to a fifth aspect of the present invention, there is provided a method for driving a nonvolatile semiconductor memory device, comprising: a substrate; a semiconductor channel formation region provided on the surface of the substrate; First and second impurity regions formed and serving as a source or a drain during operation, a gate insulating film provided on the channel forming region, a gate electrode provided on the gate insulating film, and the gate insulating film A method for driving a non-volatile semiconductor storage device having charge accumulation means in the plane facing the channel forming region and discretized in the film thickness direction.
The charge is accelerated in the channel formed in the channel forming region, and injected into the discretized charge storage means using ballistic electric conduction.
【0021】本発明の第6の観点に係る不揮発性半導体
記憶装置の駆動方法は、基板と、当該基板の表面に設け
られた半導体のチャネル形成領域と、当該チャネル形成
領域を挟んで基板表面に形成され、動作時にソースまた
はドレインとなる第1および第2不純物領域と、上記チ
ャネル形成領域上に設けられたゲート絶縁膜と、当該ゲ
ート絶縁膜上に設けられたゲート電極と、上記ゲート絶
縁膜内で、上記チャネル形成領域に対向した面内および
膜厚方向に離散化されている電荷蓄積手段とを有する不
揮発性半導体記憶装置の駆動方法であって、動作時に、
2次衝突電離により発生したホットエレクトロンを上記
離散化された電荷蓄積手段内に注入する。According to a sixth aspect of the present invention, there is provided a method of driving a nonvolatile semiconductor memory device, comprising: a substrate; a semiconductor channel formation region provided on the surface of the substrate; First and second impurity regions formed and serving as a source or a drain during operation, a gate insulating film provided on the channel forming region, a gate electrode provided on the gate insulating film, and the gate insulating film A method for driving a non-volatile semiconductor storage device having charge accumulation means in the plane facing the channel forming region and discretized in the film thickness direction.
Hot electrons generated by secondary impact ionization are injected into the discretized charge storage means.
【0022】本発明の第7の観点に係る不揮発性半導体
記憶装置の駆動方法は、基板と、当該基板の表面に設け
られた半導体のチャネル形成領域と、当該チャネル形成
領域を挟んで基板表面に形成され、動作時にソースまた
はドレインとなる第1および第2不純物領域と、上記チ
ャネル形成領域上に設けられたゲート絶縁膜と、当該ゲ
ート絶縁膜上に設けられたゲート電極と、上記ゲート絶
縁膜内で、上記チャネル形成領域に対向した面内および
膜厚方向に離散化されている電荷蓄積手段とを有する不
揮発性半導体記憶装置の駆動方法であって、動作時に、
上記チャネル形成領域にできた空乏層内で電荷を加速さ
せ、基板ホットエレクトロンにして上記離散化された電
荷蓄積手段内に注入する。According to a seventh aspect of the present invention, there is provided a method of driving a nonvolatile semiconductor memory device, comprising the steps of: providing a substrate; a semiconductor channel formation region provided on the surface of the substrate; First and second impurity regions formed and serving as a source or a drain during operation, a gate insulating film provided on the channel forming region, a gate electrode provided on the gate insulating film, and the gate insulating film A method for driving a non-volatile semiconductor storage device having charge accumulation means in the plane facing the channel forming region and discretized in the film thickness direction.
The charge is accelerated in the depletion layer formed in the channel forming region, and is converted into hot electrons in the substrate and injected into the discrete charge storage means.
【0023】本発明の第8の観点に係る不揮発性半導体
記憶装置の駆動方法は、基板と、当該基板の表面に設け
られ半導体のチャネル形成領域と、当該チャネル形成領
域を挟んで基板表面に形成され、動作時にソースまたは
ドレインとなる第1および第2不純物領域と、上記チャ
ネル形成領域上に形成されたゲート絶縁膜と、当該ゲー
ト絶縁膜上に形成されたゲート電極と、上記チャネル形
成領域に対向した面内および膜厚方向に離散化されて上
記ゲート絶縁膜内に形成され、動作時にチャネルホット
エレクトロン、バリスチックホットエレクトロン、2次
衝突電離ホットエレクトロン、基板ホットエレクトロン
またはバンド間トンネル電流に起因したホットエレクト
ロンが注入される電荷蓄積手段とを有する不揮発性半導
体記憶装置の駆動方法であって、消去時に、上記第1お
よび/または第2不純物領域側から注入され上記電荷蓄
積手段にチャネル方向の一方側または両側に保持されて
いる電荷を、直接トンネリングまたはFNトンネリング
により個別にあるいは一括して基板側に引く抜く。According to an eighth aspect of the present invention, there is provided a method for driving a nonvolatile semiconductor memory device, comprising: forming a substrate, a semiconductor channel formation region provided on the surface of the substrate, and forming the semiconductor channel formation region on the substrate surface with the channel formation region interposed therebetween. The first and second impurity regions serving as a source or a drain during operation, a gate insulating film formed on the channel forming region, a gate electrode formed on the gate insulating film, and Discretely formed in the opposing surface and in the film thickness direction, and formed in the gate insulating film, and caused by channel hot electrons, ballistic hot electrons, secondary impact ionization hot electrons, substrate hot electrons, or interband tunnel current during operation. Of a nonvolatile semiconductor memory device having charge storage means into which hot electrons are injected In erasing, charges injected from the first and / or second impurity regions and held in the charge storage means on one or both sides in the channel direction are individually separated by direct tunneling or FN tunneling. Alternatively, pull them all together toward the substrate.
【0024】第4〜第7の観点に係る不揮発性半導体記
憶装置の駆動方法では、たとえば、段差を介したチャネ
ルホットエレクトロン注入、バリスチック伝導を用いた
電荷注入、2次衝突電離ホットエレクトロン注入または
基板ホットエレクトロン注入を用いるために、電荷注入
の効率がよく、使用電圧が低くても十分に高速な書き込
みが可能である。本発明では、注入方式を適宜選択する
ことで、電荷が加速される方向を基板に水平方向のほか
に垂直方向にすることもでき、また、平面的に離散化さ
れた電荷蓄積手段に対し電荷を部分的に注入することも
できる。また、第8の観点に係る不揮発性半導体記憶装
置の駆動方法では、電荷を基板側にトンネリングに引き
抜くことにより消去を行うことから、従来のように消去
動作中にボトム絶縁膜内をホールが多量に移動すること
がない。なお、本発明は、ゲート絶縁膜内でボトム絶縁
膜上に窒化膜または酸化窒化膜を含むMONOS型また
はMNOS型等、あるいはゲート絶縁膜内でボトム絶縁
膜上に互いに絶縁された小粒径導電体を含む小粒径導電
体型に好適である。In the method of driving a nonvolatile semiconductor memory device according to the fourth to seventh aspects, for example, channel hot electron injection through a step, charge injection using ballistic conduction, secondary collision ionization hot electron injection, or substrate injection Since hot electron injection is used, the efficiency of charge injection is high, and sufficiently high-speed writing is possible even at a low operating voltage. In the present invention, by appropriately selecting the injection method, the direction in which the electric charge is accelerated can be made vertical in addition to the horizontal direction with respect to the substrate. Can also be partially injected. In addition, in the method of driving the nonvolatile semiconductor memory device according to the eighth aspect, erasing is performed by extracting charges to the substrate side by tunneling, so that a large amount of holes exist in the bottom insulating film during the erasing operation as in the related art. Never move to. Note that the present invention relates to a MONOS or MNOS type or the like including a nitride film or an oxynitride film on a bottom insulating film in a gate insulating film, or a small-grain conductive material insulated from the bottom insulating film in a gate insulating film. It is suitable for a small particle size conductor type including a body.
【0025】[0025]
【発明の実施の形態】第1実施形態 図1は、本発明の実施形態に係るソース線分離NOR型
の不揮発性半導体メモリのメモリセルアレイの概略構成
を示す回路図である。DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS First Embodiment FIG. 1 is a circuit diagram showing a schematic configuration of a memory cell array of a source line isolated NOR type nonvolatile semiconductor memory according to an embodiment of the present invention.
【0026】この不揮発性メモリ装置では、NOR型メ
モリセルアレイの各メモリセルがメモリトランジスタ1
個で構成されている。図1に示すように、メモリトラン
ジスタM11〜M22が行列状に配置され、これらトラ
ンジスタ間がワード線、ビット線および分離型ソース線
によって配線されている。すなわち、ビット方向に隣接
するメモリトランジスタM11およびM12の各ドレイ
ンがビット線BL1に接続され、各ソースがソース線S
L1に接続されている。同様に、ビット方向に隣接する
メモリトランジスタM21およびM22の各ドレインが
ビット線BL2に接続され、各ソースがソース線SL2
に接続されている。また、ワード方向に隣接するメモリ
トランジスタM11とM21の各ゲートがワード線WL
1に接続され、同様に、ワード方向に隣接するメモリト
ランジスタM12とM22の各ゲートがワード線WL2
に接続されている。メモリセルアレイ全体では、このよ
うなセル配置およびセル間接続が繰り返されている。In this nonvolatile memory device, each memory cell of the NOR type memory cell array is a memory transistor 1
It is composed of individual pieces. As shown in FIG. 1, memory transistors M11 to M22 are arranged in a matrix, and these transistors are wired by word lines, bit lines, and separated source lines. That is, each drain of the memory transistors M11 and M12 adjacent in the bit direction is connected to the bit line BL1, and each source is connected to the source line S1.
L1. Similarly, each drain of memory transistors M21 and M22 adjacent in the bit direction is connected to bit line BL2, and each source is connected to source line SL2.
It is connected to the. Each gate of the memory transistors M11 and M21 adjacent in the word direction is connected to the word line WL.
1, and similarly, each gate of the memory transistors M12 and M22 adjacent in the word direction is connected to the word line WL2.
It is connected to the. In the entire memory cell array, such cell arrangement and connection between cells are repeated.
【0027】図2は、第1実施形態に係る微細NOR型
セルアレイの概略平面図である。また、図3は、図2の
A−A’線に沿った断面側から見た鳥瞰図である。FIG. 2 is a schematic plan view of the fine NOR type cell array according to the first embodiment. FIG. 3 is a bird's-eye view as viewed from a cross-sectional side along the line AA ′ in FIG.
【0028】この微細NOR型メモリセルアレイでは、
図3に示すように、n型またはp型の半導体基板SUB
(nウエルまたはpウエルでも可)の表面にトレンチま
たはLOCOSなどから素子分離絶縁層ISOが形成さ
れている。素子分離絶縁層ISOは、図2に示すよう
に、ビット方向(図2の縦方向)に長い平行ストライプ
状に配置されている。素子分離絶縁層ISOにほぼ直交
して、各ワード線WL1,WL2,WL3,WL4,…
が等間隔に配線されている。このワード線は、後述する
ように、ボトム絶縁膜,窒化膜,トップ絶縁膜からなる
ゲート絶縁膜と、ゲート電極とを積層させて構成されて
いる。In this fine NOR type memory cell array,
As shown in FIG. 3, an n-type or p-type semiconductor substrate SUB
An element isolation insulating layer ISO is formed on the surface of an n-well or a p-well by a trench or LOCOS. As shown in FIG. 2, the element isolation insulating layers ISO are arranged in a parallel stripe shape that is long in the bit direction (vertical direction in FIG. 2). Each of the word lines WL1, WL2, WL3, WL4,... Is substantially orthogonal to the element isolation insulating layer ISO.
Are wired at equal intervals. As will be described later, this word line is formed by laminating a gate insulating film composed of a bottom insulating film, a nitride film, and a top insulating film, and a gate electrode.
【0029】各素子分離絶縁層ISOの間隔内の能動領
域において、各ワード線の離間スペースに、基板101
と逆導電型の不純物が高濃度に導入されてソース不純物
領域(第2不純物領域)Sとドレイン不純物領域(第1
不純物領域)Dとが交互に形成されている。このソース
不純物領域Sとドレイン不純物領域Dは、その大きさが
ワード方向(図2の横方向)には素子分離絶縁層ISO
の間隔のみで規定され、ビット方向にはワード線間隔の
みで規定される。したがって、ソース不純物領域Sとド
レイン不純物領域Dは、その大きさと配置のばらつきに
関しマスク合わせの誤差が殆ど導入されないことから、
極めて均一に形成されている。In the active region within the space between the element isolation insulating layers ISO, the substrate 101 is provided in the space between the word lines.
And a source impurity region (second impurity region) S and a drain impurity region (first impurity).
Impurity regions) D are formed alternately. The source impurity region S and the drain impurity region D have an element isolation insulating layer ISO in the word direction (the horizontal direction in FIG. 2).
And only the word line interval in the bit direction. Therefore, since the source impurity region S and the drain impurity region D hardly introduce a mask alignment error with respect to variations in size and arrangement,
It is formed very uniformly.
【0030】ワード線の上部および側壁は、絶縁層で覆
われている。すなわち、ワード線WL1,WL2,…の
上部に同じパターンにてオフセット絶縁層が配置され、
オフセット絶縁層、その下のゲート電極(ワード線)お
よびゲート絶縁膜からなる積層パターンの両側壁に、サ
イドウォール絶縁層が形成されている。このオフセット
絶縁層およびサイドウォール絶縁層により、各ワード線
同士のスペース部分に、ワード線に沿って細長い自己整
合コンタクトホールが開口されている。The upper part and the side wall of the word line are covered with an insulating layer. That is, the offset insulating layers are arranged in the same pattern above the word lines WL1, WL2,.
Sidewall insulating layers are formed on both side walls of a laminated pattern including an offset insulating layer, a gate electrode (word line) thereunder, and a gate insulating film. By the offset insulating layer and the side wall insulating layer, an elongated self-aligned contact hole is opened in the space between the word lines along the word line.
【0031】ソース不純物領域Sまたはドレイン不純物
領域Dに一部重なるように、自己整合コンタクトホール
内に導電性材料が互い違いに埋め込まれ、これによりビ
ットコンタクトBCおよびソースコンタクトSCが形成
されている。これらコンタクトBC,SCの形成では、
自己整合コンタクトホール内を埋め込むように導電材料
を堆積し、その上に、エッチングマスク用のレジストパ
ターンを形成する。このとき、レジストパターンを自己
整合コンタクトホールの幅より一回り大きくし、また、
一部を素子分離絶縁層ISOに重ねる。そして、このレ
ジストパターンをマスクとしてレジストパターン周囲の
導電材料をエッチングにより除去する。これにより、2
種類のコンタクトBC,SCが同時に形成される。A conductive material is alternately embedded in the self-aligned contact hole so as to partially overlap the source impurity region S or the drain impurity region D, thereby forming a bit contact BC and a source contact SC. In forming these contacts BC and SC,
A conductive material is deposited so as to fill the self-aligned contact hole, and a resist pattern for an etching mask is formed thereon. At this time, the resist pattern is slightly larger than the width of the self-aligned contact hole.
A part is overlapped on the element isolation insulating layer ISO. Then, using the resist pattern as a mask, the conductive material around the resist pattern is removed by etching. This gives 2
Kinds of contacts BC and SC are formed simultaneously.
【0032】図示しない絶縁膜でコンタクト周囲の凹部
が埋め込まれている。この絶縁膜上を、ビットコンタク
トBC上に接触するビット線BL1,BL2,…と、ソ
ースコンタクトSC上に接触するソース線SL1,SL
2,…が交互に、平行ストライプ状に形成されている。The recess around the contact is buried with an insulating film (not shown). The bit lines BL1, BL2,... Contacting on the bit contact BC and the source lines SL1, SL contacting on the source contact SC are formed on the insulating film.
Are alternately formed in parallel stripes.
【0033】この微細NOR型セルアレイは、そのビッ
ト線またはソース線に対するコンタクト形成が、自己整
合コンタクトホールの形成と、プラグの形成により達成
される。自己整合コンタクトホールの形成では、ワード
線との絶縁分離が達成されるとともに、ソース不純物領
域Sまたはドレイン不純物領域Dの表出面が均一に形成
される。そして、ビットコンタクトBCおよびソースコ
ンタクトSCの形成は、この自己整合コンタクトホール
内のソース不純物領域Sまたはドレイン不純物領域Dの
表出面に対して行う。したがって、各プラグの基板接触
面は、そのビット方向のサイズがほぼ自己整合コンタク
トホールの形成により決められ、その分、コンタクト面
積のバラツキは小さい。In this fine NOR type cell array, formation of a contact to the bit line or source line is achieved by forming a self-aligned contact hole and forming a plug. In the formation of the self-aligned contact hole, the isolation from the word line is achieved, and the exposed surface of the source impurity region S or the drain impurity region D is formed uniformly. The bit contact BC and the source contact SC are formed on the exposed surface of the source impurity region S or the drain impurity region D in the self-aligned contact hole. Therefore, the size of the plug contact surface of each plug in the bit direction is substantially determined by the formation of the self-aligned contact hole, and the contact area varies accordingly.
【0034】ビットコンタクトBCまたはソースコンタ
クトSCと、ワード線との絶縁分離が容易である。すな
わち、ワード線形成時に一括してオフセット絶縁層を形
成しておき、その後、絶縁膜の成膜と、全面エッチング
(エッチバック)を行うだけでサイドウォール絶縁層が
形成される。また、ビットコンタクトBCとソースコン
タクトSC、さらに、ビット線とソース線が同一階層の
導電層をパターンニングして形成されるため、配線構造
が極めて簡素であり、工程数も少なく、製造コストを低
く抑えるのに有利な構造となっている。しかも、無駄な
空間が殆どないことから、各層の形成をウエハプロセス
限界の最小線幅Fで行った場合、8F2 に近い非常に小
さいセル面積で製造できる。It is easy to isolate the bit contact BC or the source contact SC from the word line. That is, an offset insulating layer is formed at once when forming a word line, and thereafter, a sidewall insulating layer is formed only by forming an insulating film and etching the entire surface (etchback). In addition, since the bit contact BC and the source contact SC, and furthermore, the bit line and the source line are formed by patterning conductive layers in the same layer, the wiring structure is extremely simple, the number of steps is small, and the manufacturing cost is low. It has an advantageous structure to suppress. In addition, since there is almost no wasted space, when each layer is formed at the minimum line width F at the wafer process limit, it can be manufactured with a very small cell area close to 8F 2 .
【0035】図4は、本実施形態に係るMONOS型メ
モリトランジスタの素子構造を示す断面図である。FIG. 4 is a sectional view showing the element structure of the MONOS type memory transistor according to this embodiment.
【0036】図4中、符号1はn型またはp型の導電型
を有するシリコンウエハ等の半導体基板SUBまたはウ
エル(以下、基板という)、1aはチャネル形成領域、
2および4は当該メモリトランジスタのソース不純物領
域Sおよびドレイン不純物領域Dを示す。本発明で“チ
ャネル形成領域”とは、表面側内部に電子または正孔が
導電するチャネルが形成される領域をいう。本例の“チ
ャネル形成領域”は、基板内でソース不純物領域2およ
びドレイン不純物領域4に挟まれた部分が該当する。In FIG. 4, reference numeral 1 denotes a semiconductor substrate SUB or well (hereinafter referred to as a substrate) such as a silicon wafer having n-type or p-type conductivity, 1a denotes a channel formation region,
2 and 4 indicate a source impurity region S and a drain impurity region D of the memory transistor. In the present invention, the “channel forming region” refers to a region where a channel through which electrons or holes conduct is formed inside the surface side. The “channel formation region” in this example corresponds to a portion between the source impurity region 2 and the drain impurity region 4 in the substrate.
【0037】ソース不純物領域2およびドレイン不純物
領域4は、チャネル形成領域1aと逆導電型の不純物を
高濃度に基板1に導入することにより形成された導電率
が高い領域であり、種々の形態がある。通常、ソース不
純物領域2及びドレイン不純物領域4のチャネル形成領
域1aに臨む基板表面位置に、LDD(Lightly DopedDr
ain) と称する低濃度領域を具備させることが多い。The source impurity region 2 and the drain impurity region 4 are regions having a high conductivity formed by introducing an impurity of a conductivity type opposite to that of the channel formation region 1a into the substrate 1 at a high concentration. is there. Normally, an LDD (Lightly Doped Dr.) is formed at a substrate surface position facing the channel formation region 1a of the source impurity region 2 and the drain impurity region 4.
ain) is often provided.
【0038】チャネル形成領域1a上に、ゲート絶縁膜
6を介してメモリトランジスタのゲート電極8が積層さ
れている。ゲート電極8は、一般に、p型またはn型の
不純物が高濃度に導入されて導電化されたポリシリコン
(doped poly-Si) 、又はdoped poly-Si と高融点金属シ
リサイドとの積層膜からなる。このゲート電極8のチャ
ネル方向の長さ(ゲート長)は、0.25μm以下、た
とえば0.18μm程度である。On the channel forming region 1a, a gate electrode 8 of the memory transistor is laminated via a gate insulating film 6. In general, the gate electrode 8 is made of polysilicon made conductive by introducing p-type or n-type impurities at a high concentration.
(doped poly-Si) or a laminated film of doped poly-Si and high melting point metal silicide. The length (gate length) of gate electrode 8 in the channel direction is 0.25 μm or less, for example, about 0.18 μm.
【0039】本実施形態におけるゲート絶縁膜6は、下
層から順に、ボトム絶縁膜10,窒化膜12,トップ絶
縁膜14から構成されている。ボトム絶縁膜10は、た
とえば、酸化膜を形成し、これを窒化処理して用いる。
ボトム絶縁膜10の膜厚は、使用用途に応じて2.0n
mから5.0nmの範囲内で決めることができ、ここで
は5.0nmに設定されている。The gate insulating film 6 in this embodiment is composed of a bottom insulating film 10, a nitride film 12, and a top insulating film 14 in order from the lower layer. As the bottom insulating film 10, for example, an oxide film is formed, and this is used after nitriding.
The thickness of the bottom insulating film 10 is 2.0 n in accordance with the intended use.
It can be determined within a range from m to 5.0 nm, and is set to 5.0 nm here.
【0040】窒化膜12は、例えば5.0nmの窒化シ
リコン(Six Ny (0<x<1,0<y<1))膜か
ら構成されている。この窒化膜12は、たとえば減圧C
VD(LP−CVD)により作製され、膜中にキャリア
トラップが多く含まれ、プールフレンケル型(PF型)
の電気伝導特性を示す。The nitride film 12 is composed of, for example, a 5.0 nm silicon nitride (Six Ny (0 <x <1, 0 <y <1)) film. This nitride film 12 is, for example,
Fabricated by VD (LP-CVD), contains a lot of carrier traps in the film, Pool Frenkel type (PF type)
Shows the electrical conduction characteristics of
【0041】トップ絶縁膜14は、窒化膜12との界面
近傍に深いキャリアトラップを高密度に形成する必要が
あり、このため、例えば成膜後の窒化膜を熱酸化して形
成される。また、トップ絶縁膜14をHTO(High Tem
perature chemical vapor deposited Oxide)法により形
成したSiO2 膜としてもよい。トップ絶縁膜14がC
VDで形成された場合は熱処理によりこのトラップが形
成される。トップ絶縁膜14の膜厚は、ゲート電極8か
らのホールの注入を有効に阻止してデータ書換可能な回
数の低下防止を図るために、最低でも3.0nm、好ま
しくは3.5nm以上が必要である。ここでは、トップ
絶縁膜厚を3.5nmとする。The top insulating film 14 needs to form deep carrier traps in the vicinity of the interface with the nitride film 12 at a high density. Therefore, the top insulating film 14 is formed, for example, by thermally oxidizing the formed nitride film. Further, the top insulating film 14 is made of HTO (High Tem).
It may be a SiO 2 film formed by the method of (perature chemical vapor deposited oxide). Top insulating film 14 is C
When formed by VD, this trap is formed by heat treatment. The thickness of the top insulating film 14 must be at least 3.0 nm, preferably at least 3.5 nm, in order to effectively prevent holes from being injected from the gate electrode 8 and to prevent the number of times data can be rewritten. It is. Here, the top insulating film has a thickness of 3.5 nm.
【0042】このような構成のメモリトランジスタの製
造においては、まず、用意した半導体基板に素子分離絶
縁層ISO、ウエルWを形成し、しきい値電圧調整用の
イオン注入等を必要に応じて行った後に、ゲート絶縁膜
6を成膜する。具体的に、たとえば、短時間高温熱処理
法(RTO法)により1000℃,10secの熱処理
を行い、酸化シリコン膜(ボトム絶縁膜10)を形成す
る。つぎに、ボトム絶縁膜10上にLP−CVD法によ
り窒化シリコン膜(窒化膜12)を、最終膜厚が5nm
となるように、これより厚めに堆積する。このCVD
は、たとえば、ジクロロシラン(DCS)とアンモニア
を混合したガスを用い、基板温度650℃で行う。形成
した窒化シリコン膜表面を熱酸化法により酸化して、た
とえば3.5nmの酸化シリコン膜(トップ絶縁膜1
4)を形成する。この熱酸化は、たとえばH2 O雰囲気
中において炉温度950℃で行う。これにより、トラッ
プレベル(窒化シリコン膜の伝導帯からのエネルギー
差)が2.0eV以下の程度の深いキャリアトラップが
約1〜2×1013/cm2 の密度で形成される。また、
窒化膜12が1nmに対し熱酸化シリコン膜(トップ絶
縁膜14)が約1.6nm形成され、この割合で下地の
窒化膜厚が減少し、窒化膜12の最終膜厚が5nmとな
る。In manufacturing a memory transistor having such a configuration, first, an element isolation insulating layer ISO and a well W are formed on a prepared semiconductor substrate, and ion implantation for adjusting a threshold voltage is performed as necessary. After that, the gate insulating film 6 is formed. Specifically, for example, heat treatment is performed at 1000 ° C. for 10 seconds by a short-time high-temperature heat treatment method (RTO method) to form a silicon oxide film (bottom insulating film 10). Next, a silicon nitride film (nitride film 12) is formed on the bottom insulating film 10 by the LP-CVD method to a final film thickness of 5 nm.
Is deposited to be thicker than this. This CVD
Is performed at a substrate temperature of 650 ° C. using, for example, a gas obtained by mixing dichlorosilane (DCS) and ammonia. The surface of the formed silicon nitride film is oxidized by a thermal oxidation method to form, for example, a 3.5 nm-thick silicon oxide film (top insulating film 1).
4) is formed. This thermal oxidation is performed, for example, in a H 2 O atmosphere at a furnace temperature of 950 ° C. As a result, a deep carrier trap having a trap level (an energy difference from the conduction band of the silicon nitride film) of about 2.0 eV or less is formed at a density of about 1 to 2 × 10 13 / cm 2 . Also,
The thermal silicon oxide film (top insulating film 14) is formed to a thickness of about 1.6 nm with respect to the nitride film 12 having a thickness of 1 nm, and the nitride film thickness of the base decreases at this ratio, and the final film thickness of the nitride film 12 becomes 5 nm.
【0043】ゲート電極8となる導電膜、オフセット絶
縁層(不図示)の積層膜を積層させる。そして、このゲ
ート絶縁膜6、導電膜およびオフセット絶縁層の積層膜
を一括して同一パターンにて加工する。形成した積層パ
ターンと自己整合的にソースおよびドレイン不純物領域
2,4を、イオン注入法により形成する。A laminated film of a conductive film serving as the gate electrode 8 and an offset insulating layer (not shown) is laminated. Then, the laminated film of the gate insulating film 6, the conductive film, and the offset insulating layer is collectively processed in the same pattern. Source and drain impurity regions 2 and 4 are formed by ion implantation in a self-aligned manner with the formed laminated pattern.
【0044】続いて、図3のメモリセルアレイ構造とす
るために、サイドウォール絶縁層とともに自己整合コン
タクトホールを形成し、自己整合コンタクトホールによ
り表出するソースおよびドレイン不純物領域S,D(ソ
ースおよびドレイン不純物領域2,4)上にビットコン
タクトBCおよびソースコンタクトSCを形成する。そ
の後、これらコンタクト周囲を層間絶縁膜で埋め込み、
層間絶縁膜上にビット線BL1,…およびソース線SL
1,…を形成した後、必要に応じて行う層間絶縁層を介
した上層配線の形成およびオーバーコート成膜とパッド
開口工程等を経て、当該不揮発性メモリセルアレイを完
成させる。Subsequently, in order to obtain the memory cell array structure of FIG. 3, a self-aligned contact hole is formed together with the sidewall insulating layer, and the source and drain impurity regions S and D (source and drain) exposed by the self-aligned contact hole are formed. A bit contact BC and a source contact SC are formed on the impurity regions 2 and 4). After that, the area around these contacts is buried with an interlayer insulating film,
Bit lines BL1,... And source lines SL are formed on the interlayer insulating film.
After forming 1,..., The non-volatile memory cell array is completed through formation of an upper layer wiring via an interlayer insulating layer, overcoat film formation, and pad opening step, if necessary.
【0045】つぎに、このような構成の不揮発性メモリ
の書き込み時のバイアス設定例および動作について、メ
モリトランジスタM11にデータを書き込む場合を例に
説明する。本実施形態では、書き込みを2次衝突電離に
より発生したホットエレクトロンを用いて行う。2次衝
突電離ホットエレクトロン注入では、ドレイン近傍で発
生した基板電流となる正孔がドレイン近傍の空乏層を横
切って基板に注入されるときに、空乏層内で電界からエ
ネルギーを受け取って電子、正孔対を発生させ、このう
ち発生した電子が電界によって主に垂直方向に加速さ
れ、電荷蓄積手段に注入される。Next, a description will be given of a bias setting example and an operation of the nonvolatile memory having such a configuration at the time of writing, with a case where data is written to the memory transistor M11 as an example. In the present embodiment, writing is performed using hot electrons generated by secondary impact ionization. In the secondary impact ionization hot electron injection, when a hole, which is a substrate current generated near the drain, is injected into the substrate across the depletion layer near the drain, the electron receives energy from the electric field in the depletion layer, and electrons and positive electrons are injected. Hole pairs are generated, and the generated electrons are accelerated mainly in the vertical direction by the electric field and injected into the charge storage means.
【0046】書き込み時に、図4において、たとえば、
ソース不純物領域2に0V、ドレイン不純物領域4に
3.3V、ゲート電極8に5V、ウエル1に3Vを印加
する。この条件下、ドレイン不純物領域4から注入され
近傍の空乏層に入った正孔がシリコン原子に衝突し、こ
の衝突によって当該空乏層内で電子,正孔対が発生す
る。そのうち正孔はより電位が低い基板側へ消散する
が、電子は、ゲート電極と基板間の電界で加速されて空
乏層を上方に向かって加速される。この加速によって電
子はホットエレクトロンとなり、その一部がボトム絶縁
膜10のエネルギー障壁を乗り越えて窒化膜12中の電
荷蓄積手段(キャリアトラップ)に注入される。このと
き、衝突を引き起こす正孔が注入される側、すなわち図
4における第1領域に注入電子の分布が局在する。この
ため、当該メモリトランジスタM11のしきい値電圧が
消去状態の場合に書き込み状態まで上昇し、書き込みが
なされる。選択ワード線に連なる複数のメモリセルに対
し、この書き込みと書き込み禁止を電圧印加条件を変え
て適宜設定することで、ページ書き込みが可能である。At the time of writing, in FIG.
0 V is applied to the source impurity region 2, 3.3 V to the drain impurity region 4, 5 V to the gate electrode 8, and 3 V to the well 1. Under this condition, holes injected from the drain impurity region 4 and entering the nearby depletion layer collide with silicon atoms, and the collision generates an electron-hole pair in the depletion layer. Among them, holes are dissipated to the substrate side with a lower potential, but electrons are accelerated by the electric field between the gate electrode and the substrate and accelerated upward through the depletion layer. Due to this acceleration, the electrons become hot electrons, and a part of the electrons cross the energy barrier of the bottom insulating film 10 and are injected into the charge storage means (carrier trap) in the nitride film 12. At this time, the distribution of injected electrons is localized on the side into which holes that cause collision are injected, that is, on the first region in FIG. Therefore, when the threshold voltage of the memory transistor M11 is in the erased state, it rises to the written state, and writing is performed. Page writing is possible for a plurality of memory cells connected to the selected word line by appropriately setting the writing and the writing inhibition by changing the voltage application condition.
【0047】読み出しでは、バイアス値を書き込み状態
に応じてチャネルが形成される程度に変更する。たとえ
ば、ドレイン不純物領域4を接地した状態で、ソース不
純物領域2に1.5V、ゲート電極8に2Vを印加す
る。これにより、ページ読み出しの場合、電荷蓄積手段
の第1領域に電子が注入されていない消去状態のメモリ
トランジスタではチャネルが形成され、電荷蓄積手段の
第1領域に電子が注入された書き込み状態のメモリトラ
ンジスタではチャネルが形成されない。したがって、ビ
ット線BL1,…には、そのチャネル形成の有無に応じ
た電位変化が現出する。この電位変化をセンスアンプで
検出すると、ページ内の記憶データが一括して読み出さ
れる。In reading, the bias value is changed to such an extent that a channel is formed according to the writing state. For example, with the drain impurity region 4 grounded, 1.5 V is applied to the source impurity region 2 and 2 V is applied to the gate electrode 8. Accordingly, in the case of page reading, a channel is formed in an erased memory transistor in which electrons have not been injected into the first region of the charge storage means, and a write state memory in which electrons have been injected into the first region of the charge storage means. No channel is formed in the transistor. Therefore, a potential change appears on bit lines BL1,... Depending on whether or not the channel is formed. When this potential change is detected by the sense amplifier, the stored data in the page is read out collectively.
【0048】消去では、チャネル全面から、あるいはド
レイン不純物領域4側からFNトンネリングまたは直接
トンネリングを用いて電荷を引く抜くことにより行う。The erasing is performed by extracting charges from the entire surface of the channel or from the drain impurity region 4 side by using FN tunneling or direct tunneling.
【0049】これに対し、1セル内に2ビットのデータ
を記憶するために、電荷蓄積手段のソース不純物領域側
にも同様な書き込みを行う場合、この2回目の書き込み
では、ソースとドレインの印加電圧を1回目と逆とす
る。これにより、1回目と同様な2次衝突電離がソース
不純物領域側で起こり、発生した電子が電荷蓄積手段の
ソース不純物領域側の領域(第3領域)に注入される。
2ビットとも書き込み状態のセルでは、電荷蓄積手段の
第1領域にホットエレクトロンが注入されて保持され、
これと独立に、第3領域にホットエレクトロンが注入さ
れ保持されている。つまり、電荷蓄積手段の第1領域と
第3領域との間にはホットエレクトロンが注入されない
第2領域が介在するので、この2ビット情報に対応した
ホットエレクトロンは確実に峻別される。On the other hand, when the same writing is performed on the source impurity region side of the charge storage means in order to store 2-bit data in one cell, in the second writing, the source and the drain are applied. The voltage is reversed from the first time. As a result, secondary impact ionization similar to the first time occurs on the source impurity region side, and the generated electrons are injected into the region (third region) on the source impurity region side of the charge storage means.
In a cell in which both bits are written, hot electrons are injected and held in the first region of the charge storage means,
Independently, hot electrons are injected and held in the third region. That is, since the second region into which the hot electrons are not injected is interposed between the first region and the third region of the charge storage means, the hot electrons corresponding to the two-bit information are surely distinguished.
【0050】第3領域に保持された電荷の読み出しは、
第1領域の電荷の場合とはソースとドレイン間の電圧方
向を逆にして行う。これにより、2ビットのデータを独
立に読み出すことができる。消去も、前記した第1領域
側の消去と、ソース不純物領域2とドレイン不純物領域
4の印加電圧を逆にして行う。なお、チャネル全面で消
去を行う場合は、ソースおよびドレイン不純物領域2,
4を共に基板と同電位とすることで、第1領域側と第3
領域側のデータが一括消去される。The reading of the charges held in the third region is performed as follows.
The operation is performed by reversing the voltage direction between the source and the drain as compared with the case of the charges in the first region. Thus, 2-bit data can be read independently. The erasing is also performed by reversing the voltage applied to the source impurity region 2 and the drain impurity region 4 in the first region. When erasing is performed on the entire channel, the source and drain impurity regions 2 and
4 have the same potential as the substrate, so that the
The data in the area is erased collectively.
【0051】書き込み状態、消去状態のメモリトランジ
スタの電流−電圧特性について検討した。この結果、ド
レイン電圧1. 5Vでの非選択セルからのオフリーク電
流値は約1nAであった。この場合の読み出し電流は1
0μA以上であるため、非選択セルの誤読み出しが生じ
ることはない。したがって、ゲート長0.18μmのM
ONOS型メモリトランジスタにおいて読み出し時のパ
ンチスルー耐圧のマージンは十分あることが分かった。
また、ゲート電圧1.5Vでのリードディスターブ特性
も評価したが、3×108 sec以上の時間経過後でも
読み出しが可能であることが分かった。The current-voltage characteristics of the memory transistor in the written state and the erased state were examined. As a result, the off-leak current value from a non-selected cell at a drain voltage of 1.5 V was about 1 nA. The read current in this case is 1
Since the current is 0 μA or more, no erroneous reading of unselected cells does not occur. Therefore, M having a gate length of 0.18 μm
It has been found that the ONOS type memory transistor has a sufficient margin for the punch-through withstand voltage at the time of reading.
In addition, the read disturb characteristic at a gate voltage of 1.5 V was also evaluated, and it was found that reading was possible even after a lapse of 3 × 10 8 sec or more.
【0052】データ書換え回数は、キャリアトラップが
空間的に離散化されているために良好で、1×106 回
を満足することが分かった。また、データ保持特性は1
×106 回のデータ書換え後で85℃、10年を満足し
た。It was found that the number of times of data rewriting was satisfactory because the carrier traps were spatially discretized, and satisfied 1 × 10 6 times. The data retention characteristic is 1
After x10 6 data rewrites, 85 ° C for 10 years was satisfied.
【0053】以上より、ゲート長0. 18μmのMON
OS型不揮発性メモリトランジスタとして十分な特性が
得られていることを確かめることができた。As described above, a MON having a gate length of 0.18 μm
It was confirmed that sufficient characteristics were obtained as an OS type nonvolatile memory transistor.
【0054】本実施形態における2次衝突電離ホットエ
レクトロン注入法では、離散化された電荷蓄積手段に対
し、比較的に低いドレイン電流でホットエレクトロンの
注入が可能である。したがって、書き込み時のパンチス
ルーが通常のホットエレクトロン注入と比較して抑制さ
れ、その結果、ゲート長のスケーリングが容易であると
いう利点がある。また、電荷が主に基板と垂直方向に加
速されるため、加速電荷の運動量が維持されたまま注入
が行われるため、通常のCHE注入方式に比べ、電荷の
注入効率が高い。In the secondary impact ionization hot electron injection method according to the present embodiment, hot electrons can be injected into the charge storage means discretized with a relatively low drain current. Therefore, punch-through during writing is suppressed as compared with normal hot electron injection, and as a result, there is an advantage that scaling of the gate length is easy. In addition, since the charge is mainly accelerated in the direction perpendicular to the substrate, the injection is performed while the momentum of the accelerated charge is maintained. Therefore, the charge injection efficiency is higher than that of the normal CHE injection method.
【0055】第2実施形態 第2実施形態は、仮想接地NOR型の不揮発性メモリ装
置に関する。仮想接地型は、大別すると、スプリットゲ
ート型とAMG(Alternate Metal Vertual Ground)型が
ある。スプリットゲート型は選択トランジスタの機能を
実質的にメモリトランジスタ内に具備させることで書き
込みディスターブを防止する。AMG型は半導体不純物
領域からなる拡散層配線を1本おきにメタル配線に接続
させ、たとえば、メタル配線をビット線として、メタル
配線間の拡散層配線をソース線として選択することで隣
接セルの書き込みディスターブを防止する。 Second Embodiment The second embodiment relates to a virtual ground NOR type nonvolatile memory device. The virtual grounding type is roughly classified into a split gate type and an AMG (Alternate Metal Virtual Ground) type. The split gate type prevents the write disturbance by providing the function of the selection transistor substantially in the memory transistor. In the AMG type, writing of adjacent cells is performed by connecting every other diffusion layer wiring composed of a semiconductor impurity region to a metal wiring and selecting, for example, a metal wiring as a bit line and a diffusion layer wiring between the metal wirings as a source line. Prevent disturb.
【0056】図5は、仮想接地NOR型のうちAMG型
のメモリセルアレイ構成を示す回路図である。このメモ
リセルアレイでは、ソース線が隣接メモリセル間で共通
化されている。この共通化されたソース線は隣りのメモ
リセルを動作させるときはビット線として機能する。し
たがって、このメモリセルアレイでは、ビット方向の配
線は全て“ビット線”と称する。各ビット線BL1〜B
L3は、半導体の不純物領域からなる拡散層配線であ
る。その1本おき、たとえばビット線BL1とBL3
が、図示しないビットコンタクトを介して上層のメタル
配線に接続されている。FIG. 5 is a circuit diagram showing an AMG type memory cell array configuration of the virtual ground NOR type. In this memory cell array, a source line is shared between adjacent memory cells. This common source line functions as a bit line when operating an adjacent memory cell. Therefore, in this memory cell array, all the wirings in the bit direction are called "bit lines". Each bit line BL1-B
L3 is a diffusion layer wiring made of a semiconductor impurity region. Every other one, for example, bit lines BL1 and BL3
Are connected to an upper metal wiring via a bit contact (not shown).
【0057】このようにセルアレイ構造が異なる以外、
MONOS型メモリトランジスタ構造、および、書き込
み、読み出しおよび消去動作の基本は、第1実施形態と
同様である。仮想接地NOR型の場合、隣接するセルの
ビット線でソース線を代替えして用いることから、分離
ソース線型と比べビット方向のサイズが縮小でき、セル
面積6F2 が達成できる。1つのメモリセルに物理的に
2ビットのデータを記録することができ、この場合、ビ
ット当たりのセル面積は実効的に3F2 となる。As described above, except that the cell array structure is different,
The basics of the MONOS type memory transistor structure and the write, read and erase operations are the same as in the first embodiment. In the case of the virtual ground NOR type, since the source line is used instead of the bit line of the adjacent cell, the size in the bit direction can be reduced as compared with the isolated source line type, and a cell area of 6F 2 can be achieved. Two bits of data can be physically recorded in one memory cell. In this case, the cell area per bit is effectively 3F 2 .
【0058】第3実施形態 本実施形態では、チャネルホットエレクトロン(CH
E)注入書き込みと、チャネル全面トンネル消去を行
う。書き込みは通常のCHE注入であり、ここでの詳細
は省略する。 Third Embodiment In this embodiment, channel hot electrons (CH
E) Injection writing and tunnel erasing of the entire channel are performed. Writing is a normal CHE injection, and the details are omitted here.
【0059】メモリトランジスタを図4と同じ構成と
し、電荷蓄積手段の第1領域に保持された電子をチャネ
ル全面から直接トンネリングを用いて引き抜く場合、ゲ
ート電極8に0V、ドレイン不純物領域4に8V、ソー
ス不純物領域2をオープン、ウエル1に8Vの電圧を印
加する。これにより、電荷蓄積手段の第1領域に保持さ
れていた電子が、基板側に引き抜かれることで、セル消
去が行われる。このとき、消去速度は1msec程度で
あった。また、第3領域の電荷を消去するときは、第1
領域側の消去と、ソース不純物領域2とドレイン不純物
領域4の印加電圧を逆にして行う。さらに、第1,第3
領域に電荷が保持されている場合、チャネル全面で消去
を行う際に、ソースおよびドレイン不純物領域2,4を
共に基板と同電位とすることで、第1領域側と第3領域
側のデータを一括消去してもよい。When the memory transistor has the same configuration as that of FIG. 4 and electrons held in the first region of the charge storage means are directly extracted from the entire channel by tunneling, 0 V is applied to the gate electrode 8 and 8 V is applied to the drain impurity region 4. The source impurity region 2 is opened, and a voltage of 8 V is applied to the well 1. As a result, the electrons held in the first region of the charge storage means are extracted toward the substrate, thereby performing cell erasure. At this time, the erasing speed was about 1 msec. When erasing the charge in the third region, the first region
The erasing on the region side is performed by reversing the voltage applied to the source impurity region 2 and the drain impurity region 4. Furthermore, the first and third
When charge is held in the region, when erasing is performed on the entire surface of the channel, the source and drain impurity regions 2 and 4 are both set to the same potential as the substrate, so that the data on the first region side and the third region side are transferred. It may be erased all at once.
【0060】この消去方法では、ホットホール注入など
に比べ動作中にボトム絶縁膜10を通過するホール量が
格段に少なく、そのためボトム絶縁膜10が劣化し難
く、信頼性および耐久性(たとえば、エンディランス特
性)に優れる。In this erasing method, the amount of holes passing through the bottom insulating film 10 during operation is much smaller than that of hot hole injection or the like, so that the bottom insulating film 10 is hardly deteriorated, and its reliability and durability (for example, Lance characteristics).
【0061】第4実施形態 第4実施形態では、基板ホットエレクトロン注入現象を
利用した高速書き込み方法について、MONOS型メモ
リトランジスタを例として説明する。 Fourth Embodiment In a fourth embodiment, a high-speed writing method using a substrate hot electron injection phenomenon will be described by taking a MONOS type memory transistor as an example.
【0062】基板ホットエレクトロン注入方式では、ソ
ースとドレインを同電位で印加し、基板バイアス電圧を
印加して、ゲート電極下に厚い空乏層を形成した状態
で、空乏化しているチャネル形成領域に電荷(電子)を
注入する。注入された電子は、空乏層内で加速されて絶
縁膜の障壁エネルギー以上のエネルギーを得て、絶縁膜
を越えて平面的に離散化された電荷蓄積手段に注入さ
れ、これにより書き込みがなされる。In the substrate hot electron injection method, a source and a drain are applied at the same potential, and a substrate bias voltage is applied to form a thick depletion layer under the gate electrode. (Electrons) are injected. The injected electrons are accelerated in the depletion layer to obtain energy equal to or higher than the barrier energy of the insulating film, and are injected into the charge accumulating means that is planarized beyond the insulating film, whereby writing is performed. .
【0063】本実施形態に係るMONOS型メモリトラ
ンジスタの第1の構成は、第1実施形態における図4と
同じである。本実施形態では、基本構成は第1実施形態
と同じであるが、ここでのゲート絶縁膜6の各構成膜1
0,12,14は、たとえば3/5/3.5nmとす
る。また、このゲート絶縁膜6の作製およびメモリセル
の作製は、前記した実施形態と同様な装置、プロセス条
件を用いて行う。The first configuration of the MONOS type memory transistor according to the present embodiment is the same as that of the first embodiment shown in FIG. In the present embodiment, the basic configuration is the same as that of the first embodiment, but each constituent film 1 of the gate insulating film 6 here.
0, 12, and 14 are set to, for example, 3/5 / 3.5 nm. The fabrication of the gate insulating film 6 and the fabrication of the memory cell are performed using the same apparatus and process conditions as in the above-described embodiment.
【0064】つぎに、メモリセル動作について説明す
る。ソース不純物領域2とウエル1間のpn接合に、当
該pn接合が順方向と逆方向とで交互にバイアスされる
ACバイアス電圧を印加する。この場合、pn接合が順
バイアスのときはpn接合より電子がpウエル1に注入
される。ウエル内のチャネル形成領域は、基板バイアス
により空乏化させてある。このため、pn接合より注入
された電子は、ゲートに印加された正バイアス電圧によ
り加速されボトム絶縁膜10の障壁ポテンシャルを越え
て電荷蓄積手段である窒化膜12中のキャリアトラップ
にホットキャリア注入され、これにより書き込みがなさ
れる。Next, the operation of the memory cell will be described. An AC bias voltage is applied to the pn junction between the source impurity region 2 and the well 1 so that the pn junction is alternately biased in the forward and reverse directions. In this case, when the pn junction is forward biased, electrons are injected into the p well 1 from the pn junction. The channel forming region in the well is depleted by the substrate bias. For this reason, electrons injected from the pn junction are accelerated by the positive bias voltage applied to the gate, exceed the barrier potential of the bottom insulating film 10, and are injected into the carrier trap in the nitride film 12 serving as charge storage means by hot carriers. Thus, writing is performed.
【0065】たとえば、ドレインをオープン、ウエル電
位を0Vで保持した状態で、ゲート電極8に正バイアス
電圧5V、ACバイアス電圧としてソース不純物領域2
に対しパルス電圧を正方向に0.7V,逆方向にVCCで
印加した。その場合、ホットキャリア注入が高速に行わ
れ、動作電圧5V以下で書き込み時間1μsec以下が
実現できた。また、信頼性については、従来のFNトン
ネル注入方式のMONOS型メモリセルと同等の特性が
得られた。For example, with the drain open and the well potential maintained at 0 V, the gate electrode 8 is supplied with a positive bias voltage of 5 V and an AC bias voltage of the source impurity region 2.
, A pulse voltage of 0.7 V in the forward direction and V CC in the reverse direction. In this case, hot carrier injection was performed at a high speed, and a write time of 1 μsec or less was realized at an operating voltage of 5 V or less. As for reliability, characteristics equivalent to those of a conventional MONOS type memory cell of the FN tunnel injection method were obtained.
【0066】電荷蓄積手段が平面的に離散化されている
ため、基板ホットエレクトロンの注入条件を変えること
により、窒化膜12全面への注入のほかに、窒化膜12
への部分的な注入が可能である。たとえば、上記のよう
にソース側からの注入では電荷蓄積手段のソース側部分
(第1領域)への電荷注入がなされるが、逆に、ソース
オープンとしてドレイン側から電荷を注入することによ
り電荷蓄積手段のドレイン側部分(第3領域)に電荷注
入が可能である。図4の場合、第1領域と第2領域との
間に、電荷が注入されない第2領域が形成されるため、
2ビットの情報の峻別が可能である。また、消去の際の
電荷の引き抜きも局所的に行われ、電荷注入されていな
い第2領域のしきい値電圧は変化しないため、過剰消去
が防止され、消去状態のしきい値電圧の収束性が高いと
いう利点がある。その一方、ソースとドレインに対し、
大きな電圧値でACバイアス電圧を同じ位相で印加する
ことにより、図4の第1,第3領域がつながり、電荷蓄
積手段全体に電荷を注入することができる。Since the charge accumulating means is discretized in a plane, the injection condition of the substrate hot electrons is changed so that not only the injection to the entire surface of the nitride film 12 but also the
Partial injection into is possible. For example, as described above, in the injection from the source side, the charge is injected into the source side portion (first region) of the charge storage means. Conversely, the charge is stored by injecting the charge from the drain side as the source is open. Charge injection is possible in the drain side portion (third region) of the means. In the case of FIG. 4, a second region into which no charge is injected is formed between the first region and the second region.
It is possible to distinguish two bits of information. In addition, charge is locally extracted during erasing, and the threshold voltage of the second region where no charge is injected does not change. Therefore, excessive erasing is prevented, and the convergence of the threshold voltage in the erased state is prevented. There is an advantage that is high. On the other hand, for source and drain,
By applying the AC bias voltage at the same phase with a large voltage value, the first and third regions in FIG. 4 are connected, and charges can be injected into the entire charge storage means.
【0067】図6に、本実施形態に係るMONOS型メ
モリトランジスタの第2の構造例を示す。図6に示すメ
モリトランジスタは、2重ウエル構造となっている。す
なわち、p型半導体基板1にnウエル60が形成され、
nウエル60内にpウエル61が形成され、このpウエ
ル61内にメモリトランジスタが形成されている。他の
基本構成は、図4と同じである。ただし、本例のゲート
絶縁膜6の各構成膜10,12,14の膜厚仕様は、
3.5/5/4nmとした。FIG. 6 shows a second structural example of the MONOS type memory transistor according to the present embodiment. The memory transistor shown in FIG. 6 has a double well structure. That is, the n-well 60 is formed on the p-type semiconductor substrate 1,
A p-well 61 is formed in the n-well 60, and a memory transistor is formed in the p-well 61. Other basic configurations are the same as those in FIG. However, the film thickness specifications of the constituent films 10, 12, and 14 of the gate insulating film 6 of this example are as follows.
It was 3.5 / 5/4 nm.
【0068】nウエル60とpウエル61で構成される
pn接合を順バイアスすることにより、空乏化されたチ
ャネル形成領域に電子を注入し、この電子をゲート電極
側に電界加速した後、基板ホットエレクトロン注入で窒
化膜12内のキャリアトラップに注入する。By forward-biasing the pn junction formed by the n-well 60 and the p-well 61, electrons are injected into the depleted channel formation region, and the electrons are accelerated by the electric field toward the gate electrode. Electrons are injected into a carrier trap in the nitride film 12.
【0069】たとえば、ドレインオープンとした状態
で、ゲート電圧5V、ソース電圧VCCを設定し、nウエ
ル60とpウエル61間に順方向に0.7Vを印加し
た。これにより、動作電圧5V以下で書き込み時間1μ
sec以下が実現できた。また、メモリセルの信頼性に
ついては、従来のFNトンネル注入方式のMONOS型
メモリセルと同等の特性が得られた。For example, with the drain open, a gate voltage of 5 V and a source voltage V CC were set, and 0.7 V was applied between the n-well 60 and the p-well 61 in the forward direction. As a result, when the operating voltage is 5 V or less, the write time
sec was achieved. As for the reliability of the memory cell, characteristics equivalent to those of the conventional MONOS memory cell of the FN tunnel injection method were obtained.
【0070】基板ホットエレクトロン注入も、2次衝突
電離の場合と同様に、動作電圧が5V以下と低いうえ、
加速が主として基板に垂直に行われることから注入効率
が高いという利点がある。In the hot electron injection of the substrate, the operating voltage is as low as 5 V or less as in the case of the secondary impact ionization.
There is an advantage that the injection efficiency is high because the acceleration is mainly performed perpendicular to the substrate.
【0071】第5実施形態 第5実施形態では、チャネル形成領域に段差を設け、こ
の段差からCHE注入を行う。図7に、第5実施形態に
係るMONOSメモリトランジスタの断面図を示す。 Fifth Embodiment In the fifth embodiment, a step is provided in the channel formation region, and CHE implantation is performed from this step. FIG. 7 is a sectional view of a MONOS memory transistor according to the fifth embodiment.
【0072】このメモリトランジスタが、図4に示す第
1実施形態に係るメモリトランジスタと異なる点は、チ
ャネル形成領域1a部分の基板表面に段差1bが設けら
れていることである。段差1bは5〜50nm程度、た
とえば10nmの高さを有し、相対的にソース不純物領
域2側が高く、ドレイン不純物領域4側が低くなるよう
に形成されている。他の構成は、第1実施形態と同様で
ある。ただし、ここではゲート絶縁膜6の各構成膜1
0,12,14の膜厚仕様を、3.5/8.0/3.5
nmとする。This memory transistor differs from the memory transistor according to the first embodiment shown in FIG. 4 in that a step 1b is provided on the surface of the substrate in the channel forming region 1a. The step 1b has a height of about 5 to 50 nm, for example, 10 nm, and is formed to be relatively high on the source impurity region 2 side and low on the drain impurity region 4 side. Other configurations are the same as in the first embodiment. However, here, each constituent film 1 of the gate insulating film 6 is used.
The film thickness specifications of 0, 12, and 14 were set to 3.5 / 8.0 / 3.5.
nm.
【0073】このような構成のメモリトランジスタの製
造において、第1実施形態と異なる点は段差1bを形成
することであるが、その詳細は後述の実施形態で述べ
る。In the manufacture of the memory transistor having such a configuration, the difference from the first embodiment is that a step 1b is formed. The details will be described in an embodiment described later.
【0074】つぎに、このような構成の不揮発性メモリ
に対するCHE注入書き込み動作について、図1のメモ
リトランジスタM11にデータを書き込む場合を例に説
明する。Next, the CHE injection / write operation to the nonvolatile memory having such a configuration will be described by taking as an example a case where data is written to the memory transistor M11 in FIG.
【0075】書き込み時に、必要に応じて書き込みイン
ヒビット電圧を設定した後、プログラム電圧を印加す
る。たとえば、選択ビット線BL1に5Vを印加し、非
選択ワード線WL2,非選択ソース線SL2および非選
択ビット線BL2に、基板電位0Vのときは所定の電
圧、例えば3Vを印加する。また、選択ソース線SL1
は、接地電位0Vで保持する。この状態で、選択ワード
線WL1に、基板電位0Vのときは所定の電圧、例えば
7Vを印加する。At the time of writing, a program inhibit voltage is set as required, and then a program voltage is applied. For example, 5V is applied to the selected bit line BL1, and a predetermined voltage, for example, 3V, is applied to the unselected word line WL2, the unselected source line SL2, and the unselected bit line BL2 when the substrate potential is 0V. Also, the selected source line SL1
Are kept at the ground potential 0V. In this state, when the substrate potential is 0 V, a predetermined voltage, for example, 7 V is applied to the selected word line WL1.
【0076】この書き込み条件下、ソース不純物領域2
とドレイン不純物領域4との間のチャネル形成領域表面
に反転層(チャネル)が形成され、チャネル内にソース
不純物領域2側から電子が注入されて、電界加速され
る。加速された電子が水平チャネル端付近でホットエレ
クトロンとなり、その一部がボトム絶縁膜10のポテン
シャル障壁を越えて高エネルギー注入され、ゲート絶縁
膜6内のキャリアトラップに捕獲される。このため、当
該メモリトランジスタM11のしきい値電圧が消去状態
から書き込み状態まで上昇し、書き込みがなされる。Under this writing condition, the source impurity region 2
An inversion layer (channel) is formed on the surface of the channel formation region between the gate electrode and the drain impurity region 4, and electrons are injected into the channel from the source impurity region 2 side to accelerate the electric field. The accelerated electrons become hot electrons near the horizontal channel edge, and a part of the electrons are injected into the gate insulating film 6 with high energy through the potential barrier of the bottom insulating film 10 and are captured by carrier traps in the gate insulating film 6. Therefore, the threshold voltage of the memory transistor M11 increases from the erased state to the written state, and writing is performed.
【0077】本実施形態に係るトランジスタ構造では、
チャネル形成領域1aの途中に段差1bが設けられ、段
差1bの底部側にゲート絶縁膜6が延在する。したがっ
て、ゲート絶縁膜6の膜厚仕様に合わせて段差1bの高
さを最適化しておくと、電子の走行方向の延長線上また
はゲート電極8の印加電圧による電界で曲げられる軌跡
上に、キャリアトラップの分布中心を位置させることが
できる。つまり、本実施形態に係るメモリトランジスタ
の書き込みでは、電界加速された電子の運動量(大きさ
と方向)をほぼ維持した状態でのキャリアトラップへの
直接注入が可能となる。したがって、注入時のエネルギ
ー損失が従来より低減し、高速で効率がよい電荷注入が
可能で、その結果として、書き込み速度の高速化が達成
される。In the transistor structure according to the present embodiment,
A step 1b is provided in the middle of the channel forming region 1a, and the gate insulating film 6 extends on the bottom side of the step 1b. Therefore, if the height of the step 1b is optimized in accordance with the specification of the thickness of the gate insulating film 6, the carrier traps on an extended line in the traveling direction of electrons or on a trajectory bent by an electric field due to the voltage applied to the gate electrode 8. Can be located. That is, in the writing of the memory transistor according to the present embodiment, it is possible to directly inject the electrons into the carrier trap while substantially maintaining the momentum (magnitude and direction) of the field-accelerated electrons. Therefore, energy loss at the time of injection is reduced as compared with the conventional case, and high-speed and efficient charge injection can be performed. As a result, a higher writing speed is achieved.
【0078】従来のチャネルホットエレクトロン注入で
は、エネルギー的に励起された後の散乱によりチャネル
から飛び出した電荷を電界でキャリアトラップ側に引き
寄せていたため、その注入効率が1×10-6であり10
0万個に1個と低い割合でしかなかった。これに対し、
本実施形態に係るトランジスタ構造では、チャネルホッ
トエレクトロン注入の場合に注入効率が1桁以上改善さ
れ、10μsec以下の書き込み速度が達成できた。In the conventional channel hot electron injection, the charge that has jumped out of the channel due to scattering after being excited by energy is attracted to the carrier trap side by the electric field, so that the injection efficiency is 1 × 10 −6 and 10 × 10 −6 .
There was only a low ratio of 1 in 100,000. In contrast,
In the transistor structure according to the present embodiment, the injection efficiency is improved by one digit or more in the case of channel hot electron injection, and a writing speed of 10 μsec or less has been achieved.
【0079】さらに、電子が加速される部分のチャネル
長、すなわちソース不純物領域2の端から段差1bまで
の距離をたとえば50nm以下に短くすると、この距離
がチャネル電子の平均自由行程と同程度またはそれ以下
になるので、電界加速された電子がバリスチックにチャ
ネル内を電気伝導する。このバリスチック電子は、不純
物散乱等の影響を受けずに弾道的に高速にキャリアトラ
ップに注入されるため、さらに注入効率が高くでき、デ
ータ書き込みが高速化される。Furthermore, if the channel length of the portion where electrons are accelerated, that is, the distance from the end of the source impurity region 2 to the step 1b is reduced to, for example, 50 nm or less, this distance is almost equal to or equal to the mean free path of the channel electrons. Since the following condition is satisfied, the electrons accelerated by the electric field conduct ballistically in the channel. Since the ballistic electrons are trajectively injected into the carrier trap at a high speed without being affected by impurity scattering or the like, the injection efficiency can be further increased and the data writing speed is increased.
【0080】書き込み速度を現状維持とする場合、また
は、ある程度の高速化で十分である場合には、このよう
なトランジスタ構造および書き込み方法の適用によっ
て、チャネル形成領域(基板またはウエル)とゲート電
極間の印加電圧を10V以下にすることができる。ゲー
ト電極と基板またはウエルとの電圧印加を正電源と負電
源で分割して行う場合、動作電圧を絶対値で5V以下に
低減することが可能となる。In the case where the writing speed is maintained as it is, or when a certain speed-up is sufficient, by applying such a transistor structure and the writing method, the channel formation region (substrate or well) and the gate electrode can be connected. Can be set to 10 V or less. When the voltage application to the gate electrode and the substrate or well is performed by dividing the voltage into a positive power supply and a negative power supply, the operating voltage can be reduced to 5 V or less in absolute value.
【0081】電荷の注入効率が上がるため、書き込み時
のチャネル電流を低減する余地が生まれる。したがっ
て、従来のチャネルホットエレクトロン注入では高電圧
回路の電流駆動能力の限界により難しかった、たとえば
同一ワード線に接続された多数のメモリセルに対し一括
して行う並列書き込みが可能になった。Since the charge injection efficiency increases, there is room for reducing the channel current at the time of writing. Therefore, in the conventional channel hot electron injection, parallel writing, which has been difficult due to the limitation of the current driving capability of the high voltage circuit, for example, has been made possible for a large number of memory cells connected to the same word line at a time.
【0082】なお、消去については、通常のごとく、チ
ャネル全面からのFNトンネリングを用いた電荷引き抜
きによりブロック一括して行った場合、その消去速度が
100msec程度であった。In the case of erasing, when the blocks were collectively erased by charge extraction using FN tunneling from the entire surface of the channel as usual, the erasing speed was about 100 msec.
【0083】第6実施形態 図8は、第6実施形態に係るMONOS型メモリトラン
ジスタの断面図である。 Sixth Embodiment FIG. 8 is a sectional view of a MONOS type memory transistor according to a sixth embodiment.
【0084】このメモリトランジスタが第5実施形態の
MONOS型メモリトランジスタと大きく異なる点は、
ゲート電極がソース側の第1ゲート電極8aと、ドレイ
ン側の第2ゲート電極8bに分割されていることであ
る。第1ゲート電極8aは、電子が加速される部分、す
なわち段差1b上部に対向して設けられ、第2ゲート電
極8bは、主に段差1b底部に対向して設けられてい
る。書き込み時において、第1ゲート電極8aは主に電
荷を加速させるチャネルの生成を制御し、第2ゲート電
極8bは主に電荷を注入する電界の制御を行う。ゲート
絶縁膜6を構成する膜のうち、窒化膜12とトップ絶縁
膜14が第1ゲート電極8a側に延在していない。つま
り、第1ゲート電極8aとチャネル形成領域1aとの間
にはボトム絶縁膜10のみ介在している。これに対し、
第2ゲート電極8bとチャネル形成領域1aとの間に
は、第5実施形態と同様に3層構造のゲート絶縁膜6が
介在する。第1および第2ゲート電極8a,8bの隙間
は絶縁層9aで埋め込まれ、また、第1および第2ゲー
ト電極8a,8bの外側面には、それぞれサイドウォー
ル絶縁層9bが形成されている。This memory transistor is significantly different from the MONOS type memory transistor of the fifth embodiment in that:
The gate electrode is divided into a first gate electrode 8a on the source side and a second gate electrode 8b on the drain side. The first gate electrode 8a is provided facing a portion where electrons are accelerated, that is, the upper part of the step 1b, and the second gate electrode 8b is provided mainly facing the bottom of the step 1b. At the time of writing, the first gate electrode 8a mainly controls generation of a channel for accelerating charges, and the second gate electrode 8b mainly controls an electric field for injecting charges. Among the films constituting the gate insulating film 6, the nitride film 12 and the top insulating film 14 do not extend toward the first gate electrode 8a. That is, only the bottom insulating film 10 is interposed between the first gate electrode 8a and the channel formation region 1a. In contrast,
As in the fifth embodiment, a gate insulating film 6 having a three-layer structure is interposed between the second gate electrode 8b and the channel forming region 1a. The gap between the first and second gate electrodes 8a, 8b is filled with an insulating layer 9a, and a sidewall insulating layer 9b is formed on the outer surfaces of the first and second gate electrodes 8a, 8b, respectively.
【0085】このサイドウォール絶縁層9bの形成前後
のイオン注入により、ソース・ドレイン不純物領域2,
4とLDD領域2a,4aからなるLDD構造の不純物
領域が基板1の表面に形成されている。また、ドレイン
側のLDD領域4a端から段差1bにかけて、チャネル
形成領域1aの表面に薄くp型の不純物領域3が形成さ
れている。なお、このp型の不純物領域3および上記L
DD領域2a,4aは、必須の構成でなない。By ion implantation before and after the formation of the sidewall insulating layer 9b, the source / drain impurity regions 2 and
An impurity region having an LDD structure including LDD regions 4 and LDD regions 2 a and 4 a is formed on the surface of substrate 1. A thin p-type impurity region 3 is formed on the surface of the channel formation region 1a from the end of the LDD region 4a on the drain side to the step 1b. The p-type impurity region 3 and the L
The DD regions 2a and 4a are not essential components.
【0086】図9(A)〜図10(E)に、このMON
OS型メモリトランジスタの製造方法の一例を断面図に
より示す。FIGS. 9A to 10E show this MON.
An example of a method for manufacturing an OS memory transistor is shown in a cross-sectional view.
【0087】素子分離絶縁層およびウエル等を半導体基
板の表面に形成した後、図9(A)において、基板1の
表面に段差1bを形成する。この段差1bの形成では、
図示のように、基板表面の一部をマスク層、たとえばレ
ジストR1により覆った後、ドライエッチングによりレ
ジストR1に保護されていないシリコン表面を所定深さ
エッチングする。続いて、同じレジストR1をマスク層
としたイオン注入を行い、形成した段差1bの底部およ
び側部にp型不純物領域3を形成する。After forming the element isolation insulating layer and the well on the surface of the semiconductor substrate, a step 1b is formed on the surface of the substrate 1 in FIG. In the formation of this step 1b,
As shown in the drawing, after a part of the substrate surface is covered with a mask layer, for example, a resist R1, a silicon surface which is not protected by the resist R1 by dry etching is etched to a predetermined depth. Subsequently, ion implantation is performed using the same resist R1 as a mask layer to form a p-type impurity region 3 at the bottom and side of the formed step 1b.
【0088】レジストR1を除去後、図9(B)では、
ボトム絶縁膜10,窒化膜12およびトップ絶縁膜14
を、第1実施形態と同様な方法によって、順次成膜す
る。その後、段差1bから、その底部側の一部を覆うマ
スク層、たとえばレジストR2のパターンを形成した
後、ドライエッチングによりレジストR2周囲のトップ
絶縁膜14および窒化膜12を除去する。After removing the resist R1, in FIG. 9B,
Bottom insulating film 10, nitride film 12, and top insulating film 14
Are sequentially formed by the same method as in the first embodiment. Then, after forming a mask layer, for example, a pattern of the resist R2, which covers a part of the step 1b on the bottom side, the top insulating film 14 and the nitride film 12 around the resist R2 are removed by dry etching.
【0089】レジストR2を除去後、図9(C)では、
ゲート電極となる導電膜、たとえばdoped poly-Si 膜8
cを堆積し、先の工程でパターンニングしたトップ絶縁
膜14および窒化膜12上から段差上部の所定部分を覆
うマスク層、たとえばレジストR3を形成する。このレ
ジストR3をマスクとして、レジストR3周囲のdoped
poly-Si 膜8cを除去する。その後、同じレジストR3
をマスク層としたイオン注入を行い、doped poly-Si 膜
8cより外側の基板1の表面に、低濃度のn型LDD領
域2a,4aを形成する。このイオン注入の前または後
で、レジストR3をマスク層としたエッチングにより、
周辺部のボトム絶縁膜10を除去する。After removing the resist R2, in FIG.
A conductive film serving as a gate electrode, for example, a doped poly-Si film 8
On top of the top insulating film 14 and the nitride film 12 patterned in the previous step, a mask layer, for example, a resist R3 is formed to cover a predetermined portion above the step. Using this resist R3 as a mask, the doped region around the resist R3 is used.
The poly-Si film 8c is removed. Then, the same resist R3
Is performed using the mask layer as a mask layer to form low-concentration n-type LDD regions 2a and 4a on the surface of the substrate 1 outside the doped poly-Si film 8c. Before or after this ion implantation, by etching using the resist R3 as a mask layer,
The peripheral portion of the bottom insulating film 10 is removed.
【0090】レジストR3の除去後、図10(D)で
は、doped poly-Si 膜8cの中央部分を横切る開口部を
有するレジストR4を形成する。レジストR4をマスク
として、その開口部から表出するdoped poly-Si 膜8c
の中央部分を除去する。これにより、第1ゲート電極8
aと、第2ゲート電極8bが分離して形成される。After the removal of the resist R3, in FIG. 10D, a resist R4 having an opening crossing the center of the doped poly-Si film 8c is formed. Using the resist R4 as a mask, the doped poly-Si film 8c exposed from the opening.
Remove the central part of. Thereby, the first gate electrode 8
a and the second gate electrode 8b are formed separately.
【0091】レジストR4の除去後、図10(E)で
は、全面に、たとえば酸化シリコン系の絶縁膜を堆積
し、第1および第2ゲート電極8a,8bの周囲を絶縁
物で覆い、かつ、両電極間の隙間を絶縁物で埋め込む。
この状態で全面異方性エッチング(エッチバック)を行
うことにより、第1および第2ゲート電極8a,8b間
の絶縁層9aと、サイドウォール絶縁層9bを同時に形
成する。After removing the resist R4, in FIG. 10E, for example, a silicon oxide-based insulating film is deposited on the entire surface, and the first and second gate electrodes 8a and 8b are covered with an insulator. The gap between both electrodes is filled with an insulator.
By performing anisotropic etching (etch back) on the entire surface in this state, the insulating layer 9a between the first and second gate electrodes 8a and 8b and the sidewall insulating layer 9b are simultaneously formed.
【0092】図8に示すように、第1および第2ゲート
電極8a,8b、絶縁層9a,9bを自己整合マスクと
してn型不純物を高濃度にイオン注入し、ソースおよび
ドレイン不純物領域2,4を形成する。その後は、第1
実施形態と同様な諸工程を経て、メモリセルアレイを完
成させる。As shown in FIG. 8, high-concentration n-type impurities are ion-implanted using the first and second gate electrodes 8a and 8b and the insulating layers 9a and 9b as a self-aligned mask, and the source and drain impurity regions 2, 4 are formed. To form After that, the first
The memory cell array is completed through the same steps as in the embodiment.
【0093】このような構成のメモリトランジスタに対
して、第5実施形態とほぼ同じ様にして電圧を設定する
ことで、書き込みがなされる。このとき、本実施形態で
はチャネル形成用の第1ゲート電極8aと注入電界制御
用の第2ゲート電極8bとに分けてゲート電極が設けら
れていることから、プログラム電圧を別々に設定するこ
とができる。したがって、書き込み時のバイアス設定が
最適化しやすい利点がある。Writing is performed by setting the voltage to the memory transistor having such a configuration in substantially the same manner as in the fifth embodiment. At this time, in this embodiment, since the gate electrodes are provided separately for the first gate electrode 8a for forming the channel and the second gate electrode 8b for controlling the injection electric field, the program voltages can be set separately. it can. Therefore, there is an advantage that bias setting at the time of writing is easily optimized.
【0094】たとえば、書き込み時に、第1ゲート電極
8aに印加するプログラム電圧を3V、第2ゲート電極
8bに印加するプログラム電圧を5Vに設定する。この
ように書き込み時のバイアス電圧を最適化したうえで、
バリスチック電子伝導による直接注入を行うと、書き込
み速度を1μsec以下、たとえば100nsec程度
まで高速化することが可能となった。For example, at the time of writing, the program voltage applied to the first gate electrode 8a is set to 3V, and the program voltage applied to the second gate electrode 8b is set to 5V. After optimizing the bias voltage at the time of writing in this way,
When direct injection by ballistic electron conduction is performed, the writing speed can be increased to 1 μsec or less, for example, to about 100 nsec.
【0095】第7実施形態 図11は、第7実施形態に係るMONOS型メモリトラ
ンジスタの断面図である。 Seventh Embodiment FIG. 11 is a sectional view of a MONOS type memory transistor according to a seventh embodiment.
【0096】このメモリトランジスタが第6実施形態の
MONOS型メモリトランジスタと大きく異なる点は、
電荷注入電界を制御するための第2ゲート電極8dをサ
イドウォール形としたことである。これにより、トラン
ジスタの占有面積を第2実施形態の場合よりかなり小さ
くすることが可能となった。サイドウォール形の第2ゲ
ート電極8dの形成にともない、第1および第2ゲート
電極8a,8d間の絶縁層に、ゲート絶縁膜6を構成す
る窒化膜12とトップ絶縁膜14を用いている。その他
の構成は、第6実施形態と基本的に同じである。This memory transistor is largely different from the MONOS type memory transistor of the sixth embodiment in that:
The second gate electrode 8d for controlling the charge injection electric field has a sidewall shape. As a result, the area occupied by the transistor can be made considerably smaller than that in the second embodiment. With the formation of the sidewall-shaped second gate electrode 8d, a nitride film 12 and a top insulating film 14 constituting the gate insulating film 6 are used as an insulating layer between the first and second gate electrodes 8a and 8d. Other configurations are basically the same as the sixth embodiment.
【0097】なお、第2ゲート電極8dをサイドウォー
ル形としたことにより、ドレイン不純物領域4と段差1
bとの距離が第2実施形態の場合より近くなり、その
分、チャネルの形成が容易になった。したがって、図1
1では、チャネル形成領域1aの表面にp型不純物領域
が形成されていないが、もちろん、第6実施形態と同様
にp型不純物領域3を設けてもよい。また、第6実施形
態と同様、ソースおよびドレイン不純物領域2,4の内
側にそれぞれLDD領域を設けてもよい。Since the second gate electrode 8d has a sidewall shape, the drain impurity region 4 and the step 1
The distance from b was shorter than that in the second embodiment, and the channel formation was made easier. Therefore, FIG.
In No. 1, the p-type impurity region is not formed on the surface of the channel forming region 1a, but, of course, the p-type impurity region 3 may be provided as in the sixth embodiment. Further, similarly to the sixth embodiment, LDD regions may be provided inside the source and drain impurity regions 2 and 4, respectively.
【0098】図12(A)〜図13(D)に、このMO
NOS型メモリトランジスタの製造方法の一例を断面図
により示す。FIGS. 12A to 13D show this MO.
An example of a method for manufacturing a NOS type memory transistor is shown in a sectional view.
【0099】まず、図12(A)に示すように、基板表
面に段差1bを第6実施形態と同様な方法により形成す
る。つぎに、ボトム絶縁膜10およびゲート電極となる
導電膜を成膜し、図示しないレジストなどをマスクとし
たエッチングにより、ゲート電極となる導電膜をパター
ンニングする。これにより、段差1bの上部の所定位置
に第1ゲート電極8aが形成される。First, as shown in FIG. 12A, a step 1b is formed on the substrate surface by the same method as in the sixth embodiment. Next, a bottom insulating film 10 and a conductive film serving as a gate electrode are formed, and the conductive film serving as the gate electrode is patterned by etching using a resist (not shown) as a mask. Thus, the first gate electrode 8a is formed at a predetermined position above the step 1b.
【0100】レジストを除去後、図12(B)では、窒
化膜12およびトップ絶縁膜14を、第1実施形態と同
様な方法によって、順次成膜する。After removing the resist, in FIG. 12B, a nitride film 12 and a top insulating film 14 are sequentially formed by the same method as in the first embodiment.
【0101】その後、図13(C)において、ゲート電
極となる導電膜を全面に厚く堆積し、これをエッチバッ
クする。これにより、第1ゲート電極8aの両側壁に、
窒化膜12およびトップ絶縁膜14を介してサイドウォ
ール形の導電層8d,8eが形成される。Thereafter, as shown in FIG. 13C, a conductive film serving as a gate electrode is thickly deposited on the entire surface, and is etched back. Thereby, on both side walls of the first gate electrode 8a,
Sidewall-shaped conductive layers 8d and 8e are formed with nitride film 12 and top insulating film 14 interposed therebetween.
【0102】図13(D)では、まず、この導電層8
d,8eを自己整合マスクとして、その周囲に表出する
トップ絶縁膜14,窒化膜12およびボトム絶縁膜10
を順次除去する。段差底部側の導電層(第2ゲート電
極)8dおよび第1ゲート電極8a上を覆ってマスク
層、たとえばレジストR5を形成する。レジストR5を
マスクにエッチングを行って、片方の導電層8eを除去
し、続いて、トップ絶縁膜14,窒化膜12およびボト
ム絶縁膜10を順次除去する。In FIG. 13D, first, the conductive layer 8
d, 8e are used as a self-aligned mask, and the top insulating film 14, the nitride film 12, and the bottom insulating film 10 exposed therearound.
Are sequentially removed. A mask layer, for example, a resist R5 is formed over the conductive layer (second gate electrode) 8d and the first gate electrode 8a on the step bottom side. Etching is performed using the resist R5 as a mask to remove one of the conductive layers 8e. Subsequently, the top insulating film 14, the nitride film 12, and the bottom insulating film 10 are sequentially removed.
【0103】レジストR5を除去後、図11に示すよう
に、第1および第2ゲート電極8a,8d、絶縁膜1
2,14を自己整合マスクとしてn型不純物を高濃度に
イオン注入し、ソースおよびドレイン不純物領域2,4
を形成する。その後は、第1実施形態と同様な諸工程を
経て、メモリセルアレイを完成させる。After removing the resist R5, as shown in FIG. 11, the first and second gate electrodes 8a and 8d, the insulating film 1
The n-type impurity is ion-implanted at a high concentration using the self-aligned masks 2 and 14 as source and drain impurity regions 2 and 4.
To form Thereafter, through the same steps as in the first embodiment, the memory cell array is completed.
【0104】このような構成のメモリトランジスタに対
する書き込みでは、チャネル形成用と注入電界制御用の
ゲート電極を別々に設けているにもかかわらず、図7の
第5実施形態の場合とトランジスタの占有面積が殆ど変
わらない。したがって、高集積化に適した微細メモリセ
ルが実現できるという利点がある。In writing to a memory transistor having such a configuration, the area occupied by the transistor is different from that in the fifth embodiment shown in FIG. 7 even though gate electrodes for forming a channel and controlling an injection electric field are separately provided. Is almost unchanged. Therefore, there is an advantage that a fine memory cell suitable for high integration can be realized.
【0105】書き込み時の電圧設定方法は、第6実施形
態と基本的に同じであるが、本実施形態の場合、第1お
よび第2ゲート電極8a,8d間の絶縁膜が酸化膜換算
値で10nm未満と薄いので、第1ゲート電極8aの印
加電圧に応じた横方向の電界強度が高く、その横方向電
界がキャリアの注入をアシストするように作用する。こ
のため、とくに段差1aのコーナー部分に近いキャリア
トラップに効率よく電荷が注入される。つまり、第6実
施形態のトランジスタ構造に比べ、ゲート電極の占有面
積に対する電荷蓄積量の比率を大きくできる利点があ
る。また、この横方向電界のアシストによって電荷注入
効率がより高くなり、その分、書き込み速度を上げるこ
とが可能となる。The voltage setting method at the time of writing is basically the same as that of the sixth embodiment. However, in this embodiment, the insulating film between the first and second gate electrodes 8a and 8d is equivalent to an oxide film. Since it is as thin as less than 10 nm, the horizontal electric field strength according to the voltage applied to the first gate electrode 8a is high, and the horizontal electric field acts to assist the carrier injection. Therefore, electric charges are efficiently injected into the carrier trap near the corner of the step 1a. That is, there is an advantage that the ratio of the charge storage amount to the occupied area of the gate electrode can be increased as compared with the transistor structure of the sixth embodiment. Further, the charge injection efficiency is further increased by the assist of the lateral electric field, and the writing speed can be increased accordingly.
【0106】第8実施形態 図14は、第8実施形態に係るMONOS型メモリトラ
ンジスタの断面図である。 Eighth Embodiment FIG. 14 is a sectional view of a MONOS type memory transistor according to an eighth embodiment.
【0107】このメモリトランジスタが第7実施形態の
MONOS型メモリトランジスタと大きく異なる点は、
基板のチャネル形成領域1aに段差を設けていないこと
にある。したがって、注入方式そのものは基本的にはソ
ースサイド注入である。その他の構成は、第7実施形態
と基本的に同じである。本実施形態では、第7実施形態
と同様に、ゲート電極をチャネル形成用との注入電界制
御用とに分けて形成している。また、本実施形態におい
ては、書き込み速度を1μsecに高速化し、かつ、動
作電圧を7Vに低電圧化している。そのためには、公知
例と比較して、ゲート絶縁膜6のうちボトム絶縁膜10
を4nm以下にし、かつ、消去をチャネル方向に電子を
引き抜くことにより行う。This memory transistor is significantly different from the MONOS type memory transistor of the seventh embodiment in that:
That is, no step is provided in the channel forming region 1a of the substrate. Therefore, the injection method itself is basically a source side injection. Other configurations are basically the same as those of the seventh embodiment. In the present embodiment, as in the seventh embodiment, the gate electrode is formed separately for forming a channel and for controlling an injection electric field. In this embodiment, the writing speed is increased to 1 μsec, and the operating voltage is reduced to 7V. For this purpose, the bottom insulating film 10 of the gate insulating film 6 is compared with the known example.
Is set to 4 nm or less, and erasing is performed by extracting electrons in the channel direction.
【0108】なお、製造方法については、第7実施形態
の製造方法において段差の形成工程を省略すればよいの
で、ここでの説明は省略する。As for the manufacturing method, the step of forming the steps in the manufacturing method of the seventh embodiment may be omitted, and the description is omitted here.
【0109】このような構成のメモリトランジスタに対
して、第7実施形態とほぼ同じ様にして電圧を設定する
ことで、書き込みがなされる。たとえば、書き込み時
に、第1ゲート電極8aに印加するプログラム電圧を5
V、第2ゲート電極8bに印加するプログラム電圧を7
Vに設定する。このように書き込み時のバイアス電圧を
最適化したうえで、チャネルホットエレクトロン注入に
より書き込みを行う。Writing is performed by setting a voltage to the memory transistor having such a configuration in substantially the same manner as in the seventh embodiment. For example, when programming, the program voltage applied to the first gate electrode 8a is set to 5
V, the program voltage applied to the second gate electrode 8b is 7
Set to V. After optimizing the bias voltage at the time of writing as described above, writing is performed by channel hot electron injection.
【0110】本実施形態では、第7実施形態と同様、チ
ャネル形成用の第1ゲート電極8aと注入電界制御用の
第2ゲート電極8bとに分けてゲート電極が設けられて
いることから、プログラム電圧を別々に設定することが
できる。したがって、書き込み時のバイアス設定が最適
化しやすい利点がある。また、チャネル形成用と注入電
界制御用のゲート電極を別々に設けているにもかかわら
ず、図7の第5実施形態の場合とトランジスタの占有面
積が殆ど変わらない。したがって、高集積化に適した微
細メモリセルが実現できるという利点がある。In the present embodiment, as in the seventh embodiment, the gate electrodes are provided separately for the first gate electrode 8a for forming the channel and the second gate electrode 8b for controlling the injection electric field. The voltages can be set separately. Therefore, there is an advantage that bias setting at the time of writing is easily optimized. Although the gate electrodes for forming the channel and controlling the injection electric field are separately provided, the area occupied by the transistor is almost the same as that of the fifth embodiment shown in FIG. Therefore, there is an advantage that a fine memory cell suitable for high integration can be realized.
【0111】以下に、メモリセルセルアレイ構成、メモ
リセルおよびメモリトランジスタの構造に関する他の実
施形態を説明する。Hereinafter, another embodiment relating to the memory cell array structure and the structure of the memory cell and the memory transistor will be described.
【0112】第9実施形態 本実施形態に係るメモリセルおよびメモリセルアレイ
は、ビット線およびソース線が階層化された分離ソース
線NOR型である。図15に、このNOR型メモリセル
アレイの回路構成を示す。また、図16に、このNOR
型メモリセルアレイの平面図を、図17に、図16のB
−B’線に沿った断面側から見た鳥瞰図を示す。 Ninth Embodiment A memory cell and a memory cell array according to the ninth embodiment are of a separated source line NOR type in which bit lines and source lines are hierarchized. FIG. 15 shows a circuit configuration of this NOR type memory cell array. FIG. 16 shows this NOR.
FIG. 17 is a plan view of the type memory cell array, and FIG.
The bird's-eye view seen from the section side along line -B 'is shown.
【0113】この不揮発性メモリ装置では、ビット線が
主ビット線と副ビット線に階層化され、ソース線が主ソ
ース線と副ソース線に階層化されている。主ビット線M
BL1に選択トランジスタS11を介して副ビット線S
BL1が接続され、主ビット線MBL2に選択トランジ
スタS21を介して副ビット線SBL2が接続されてい
る。また、主ソース線MSL1に選択トランジスタS1
2を介して副ソース線SSL1が接続され、主ソース線
MSL2に選択トランジスタS22を介して副ソース線
SSL2が接続されている。In this nonvolatile memory device, the bit lines are hierarchized into main bit lines and sub-bit lines, and the source lines are hierarchized into main source lines and sub-source lines. Main bit line M
BL1 is connected to the sub-bit line S via the selection transistor S11.
BL1 is connected, and the sub-bit line SBL2 is connected to the main bit line MBL2 via the selection transistor S21. The selection transistor S1 is connected to the main source line MSL1.
The sub-source line SSL1 is connected to the sub-source line SSL2 via the select transistor S22, and the sub-source line SSL2 is connected to the main source line MSL2 via the select transistor S22.
【0114】副ビット線SBL1と副ソース線SSL1
との間に、メモリトランジスタM11〜M1n(たとえ
ば、n=128)が並列接続され、副ビット線SBL2
と副ソース線SSL2との間に、メモリトランジスタM
21〜M2nが並列接続されている。この互いに並列に
接続されたn個のメモリトランジスタと、2つの選択ト
ランジスタ(S11とS12、又は、S21とS22)
とにより、メモリセルアレイを構成する単位ブロックが
構成される。Sub bit line SBL1 and sub source line SSL1
, Memory transistors M11 to M1n (for example, n = 128) are connected in parallel, and sub bit line SBL2
Between the memory transistor M and the sub-source line SSL2.
21 to M2n are connected in parallel. The n memory transistors connected in parallel with each other and two select transistors (S11 and S12 or S21 and S22)
Thus, a unit block forming the memory cell array is formed.
【0115】ワード方向に隣接するメモリトランジスタ
M11,M21,…の各ゲートがワード線WL1に接続
されている。同様に、メモリトランジスタM12,M2
2,…の各ゲートがワード線WL2に接続され、また、
メモリトランジスタM1n,M2n,…の各ゲートがワ
ード線WLnに接続されている。ワード方向に隣接する
選択トランジスタS11,…は選択線SG11により制
御され、選択トランジスタS21,…は選択線SG21
により制御される。同様に、ワード方向に隣接する選択
トランジスタS12,…は選択線SG12により制御さ
れ、選択トランジスタS22,…は選択線SG22によ
り制御される。The gates of the memory transistors M11, M21,... Adjacent in the word direction are connected to the word line WL1. Similarly, memory transistors M12, M2
, Are connected to the word line WL2.
Each gate of the memory transistors M1n, M2n,... Is connected to a word line WLn. The selection transistors S11,... Adjacent in the word direction are controlled by a selection line SG11, and the selection transistors S21,.
Is controlled by Similarly, the select transistors S12,... Adjacent in the word direction are controlled by a select line SG12, and the select transistors S22,.
【0116】この微細NOR型セルアレイでは、図17
に示すように、半導体基板SUBの表面にpウエルWが
形成されている。pウエルWは、トレンチに絶縁物を埋
め込んでなり平行ストライプ状に配置された素子分離絶
縁層ISOにより、ワード方向に絶縁分離されている。In this fine NOR type cell array, FIG.
As shown in FIG. 7, a p-well W is formed on the surface of a semiconductor substrate SUB. The p-well W is insulated and isolated in the word direction by an element isolation insulating layer ISO in which an insulator is buried in a trench and arranged in parallel stripes.
【0117】素子分離絶縁層ISOにより分離された各
pウエル部分が、メモリトランジスタの能動領域とな
る。能動領域内の幅方向両側で、互いの距離をおいた平
行ストライプ状にn型不純物が高濃度に導入され、これ
により、副ビット線SBL1,SBL2(以下、SBL
と表記)および副ソース線SSL1,SSL2(以下、
SSLと表記)が形成されている。副ビット線SBLが
“第1不純物領域”、副ソース線SSLが“第2不純物
領域”に該当する。副ビット線SBLおよび副ソース線
SSL上に絶縁膜を介して直交して、各ワード線WL
1,WL2,WL3,WL4,…(以下、WLと表記)
が等間隔に配線されている。これらのワード線WLは、
内部に電荷蓄積手段を含む絶縁膜を介してpウエルW上
および素子分離絶縁層ISO上に接している。副ビット
線SBLと副ソース線SSLとの間のpウエルWの部分
と、各ワード線WLとの交差部分がメモリトランジスタ
のチャネル形成領域となり、そのチャネル形成領域に接
する副ビット線部分がドレイン、副ソース線部分がソー
スとして機能する。Each p-well portion separated by the element isolation insulating layer ISO becomes an active region of the memory transistor. On both sides in the width direction in the active region, n-type impurities are introduced at a high concentration in parallel stripes spaced apart from each other, whereby sub-bit lines SBL1 and SBL2 (hereinafter, SBL2) are introduced.
) And sub-source lines SSL1 and SSL2 (hereinafter, referred to as
SSL). The sub bit line SBL corresponds to a “first impurity region”, and the sub source line SSL corresponds to a “second impurity region”. Each word line WL is orthogonal to the sub bit line SBL and the sub source line SSL via an insulating film.
1, WL2, WL3, WL4, ... (hereinafter referred to as WL)
Are wired at equal intervals. These word lines WL
It is in contact with the p-well W and the element isolation insulating layer ISO via an insulating film including a charge storage means therein. The intersection of the p-well W between the sub-bit line SBL and the sub-source line SSL and each word line WL becomes a channel forming region of the memory transistor, and the sub-bit line portion in contact with the channel forming region is a drain, The sub source line portion functions as a source.
【0118】ワード線WLの上面および側壁は、オフセ
ット絶縁層およびサイドウォール絶縁層(本例では、通
常の層間絶縁層でも可)により覆われている。これら絶
縁層には、所定間隔で副ビット線SBLに達するビット
コンタクトBCと、副ソース線SSLに達するソースコ
ンタクトSCとが形成されている。これらのコンタクト
BC,SCは、たとえば、ビット方向のメモリトランジ
スタ128個ごとに設けられている。また、絶縁層上
を、ビットコンタクトBC上に接触する主ビット線MB
L1,MBL2,…と、ソースコンタクトSC上に接触
する主ソース線MSL1,MBL2,…が交互に、平行
ストライプ状に形成されている。The upper surface and the side wall of the word line WL are covered with an offset insulating layer and a side wall insulating layer (in this example, a normal interlayer insulating layer is also possible). In these insulating layers, bit contacts BC reaching the sub-bit lines SBL at predetermined intervals and source contacts SC reaching the sub-source lines SSL are formed. These contacts BC and SC are provided, for example, for every 128 memory transistors in the bit direction. The main bit line MB contacting the bit contact BC on the insulating layer.
, And the main source lines MSL1, MBL2, ... that are in contact with the source contact SC are alternately formed in a parallel stripe shape.
【0119】この微細NOR型セルアレイは、第1共通
線(ビット線)および第2共通線(ソース線)が階層化
され、メモリセルごとにビットコンタクトBCおよびソ
ースコンタクトSCを形成する必要がない。したがっ
て、コンタクト抵抗自体のバラツキは基本的にない。ビ
ットコンタクトBCおよびソースコンタクトSCは、た
とえば128個のメモリセルごとに設けられるが、この
プラグ形成を自己整合的に行わないときは、オフセット
絶縁層およびサイドウォール絶縁層は必要ない。すなわ
ち、通常の層間絶縁膜を厚く堆積してメモリトランジス
タを埋め込んだ後、通常のフォトリソグラフィとエッチ
ングによりコンタクトを開口する。In this fine NOR type cell array, a first common line (bit line) and a second common line (source line) are hierarchized, and it is not necessary to form a bit contact BC and a source contact SC for each memory cell. Therefore, there is basically no variation in the contact resistance itself. The bit contact BC and the source contact SC are provided, for example, for every 128 memory cells. However, when the plug formation is not performed in a self-aligned manner, the offset insulating layer and the sidewall insulating layer are not required. That is, a normal interlayer insulating film is deposited thickly to bury the memory transistor, and then a contact is opened by normal photolithography and etching.
【0120】副ビット線,副ソース線を不純物領域で構
成した疑似コンタクトレス構造として無駄な空間が殆ど
ないことから、各層の形成をウエハプロセス限界の最小
線幅Fで行った場合、8F2 に近い非常に小さいセル面
積で製造できる。本実施形態では1つのメモリセル内の
2か所に、独立に電子を高速で注入できるため、ビット
当たりのセル面積は4F2 となる。また、ソース線を分
離しているため、ページ書き込みも可能となる。さら
に、ビット線とソース線が階層化されており、選択トラ
ンジスタS11又はS21が非選択の単位ブロックにお
ける並列メモリトランジスタ群を主ビット線MBL1ま
たはMBL2から切り離すため、主ビット線の容量が著
しく低減され、高速化、低消費電力化に有利である。ま
た、選択トランジスタS12またはS22の働きで、副
ソース線を主ソース線から切り離して、低容量化するこ
とができる。なお、更なる高速化のためには、副ビット
線SBLおよび副ソース線SSLをシリサイドを張りつ
けた不純物領域で形成し、主ビット線MBLおよび主ソ
ース線MSLをメタル配線とするとよい。Since there is almost no wasteful space as a pseudo contactless structure in which the sub bit line and the sub source line are formed of impurity regions, when each layer is formed at the minimum line width F of the wafer process limit, it becomes 8F 2 . Can be manufactured with a very small cell area. In the present embodiment, since electrons can be independently injected at high speed into two locations in one memory cell, the cell area per bit is 4F 2 . Also, since the source lines are separated, page writing is also possible. Further, the bit lines and the source lines are hierarchized, and the selection transistor S11 or S21 separates the parallel memory transistor group in the unselected unit block from the main bit line MBL1 or MBL2, so that the capacity of the main bit line is significantly reduced. This is advantageous for high speed and low power consumption. Further, by the operation of the selection transistor S12 or S22, the sub-source line can be separated from the main source line, and the capacitance can be reduced. In order to further increase the speed, the sub-bit line SBL and the sub-source line SSL are preferably formed of silicide-attached impurity regions, and the main bit line MBL and the main source line MSL are preferably formed of metal wiring.
【0121】第10実施形態 第10実施形態に係るメモリセルおよびメモリセルアレ
イは、自己整合技術と蛇行ソース線を用いた微細NOR
型である。図18は、第10実施形態に係るNOR型セ
ルアレイの概略平面図である。 Tenth Embodiment A memory cell and a memory cell array according to a tenth embodiment have a fine NOR using a self-alignment technique and a meandering source line.
Type. FIG. 18 is a schematic plan view of a NOR type cell array according to the tenth embodiment.
【0122】このNOR型セルアレイでは、pウエルの
表面に縦帯状のトレンチまたはLOCOSなどからなる
素子分離絶縁層ISOが等間隔でビット方向(図18の
縦方向)に配置されている。素子分離絶縁層ISOにほ
ぼ直交して、各ワード線WLm-2 ,WLm-1 ,WLm ,
WLm+1 が等間隔に配線されている。このワード線を含
む積層構造は、前述の実施形態と同様に、ボトム絶縁
膜,窒化膜,トップ絶縁膜及びゲート電極の積層膜から
構成されている。In this NOR type cell array, element isolation insulating layers ISO made of vertical strip-like trenches or LOCOS are arranged at equal intervals in the bit direction (vertical direction in FIG. 18) on the surface of the p-well. The word lines WLm-2, WLm-1, WLm,
WLm + 1 are wired at equal intervals. The laminated structure including the word lines is composed of a laminated film of a bottom insulating film, a nitride film, a top insulating film, and a gate electrode, as in the above-described embodiment.
【0123】各素子分離絶縁層の間隔内の能動領域にお
いて、各ワード線の離間スペースに、例えばn型不純物
が高濃度に導入されてソース不純物領域Sとドレイン不
純物領域Dとが交互に形成されている。このソース不純
物領域Sとドレイン不純物領域Dは、その大きさがワー
ド方向(図18の横方向)には素子分離絶縁層ISOの
間隔のみで規定され、ビット方向にはワード線間隔のみ
で規定される。したがって、ソース不純物領域Sとドレ
イン不純物領域Dは、その大きさと配置のばらつきに関
しマスク合わせの誤差が殆ど導入されないことから、極
めて均一に形成されている。In the active region within the space between the element isolation insulating layers, for example, an n-type impurity is introduced at a high concentration in the space between the word lines so that the source impurity region S and the drain impurity region D are alternately formed. ing. The size of the source impurity region S and the drain impurity region D is defined only by the interval between the element isolation insulating layers ISO in the word direction (horizontal direction in FIG. 18) and only by the word line interval in the bit direction. You. Therefore, the source impurity region S and the drain impurity region D are formed very uniformly because errors in mask alignment with respect to variations in size and arrangement are scarcely introduced.
【0124】各ワード線の周囲は、サイドウォール絶縁
層を形成するだけで、ソース不純物領域Sとドレイン不
純物領域Dとに対し、ビット線接続用のコンタクトホー
ルとソース線接続用のコンタクトホールとが2度のセル
フアラインコンタクト技術を同時に転用しながら形成さ
れる。しかも、上記プロセスはフォトマスクが不要とな
る。したがって、先に述べたようにソース不純物領域S
とドレイン不純物領域Dの大きさや配置が均一な上に、
これに対して2次元的に自己整合して形成されるビット
線またはソース線接続用のコンタクトホールの大きさも
極めて均一となる。また、上記コンタクトホールはソー
ス不純物領域Sとドレイン不純物領域Dの面積に対し、
ほぼ最大限の大きさを有している。By forming a sidewall insulating layer around each word line, a contact hole for connecting a bit line and a contact hole for connecting a source line are formed with respect to the source impurity region S and the drain impurity region D. It is formed while diverting two self-aligned contact techniques simultaneously. Moreover, the above process does not require a photomask. Therefore, as described above, source impurity region S
And the size and arrangement of the drain impurity region D are uniform,
On the other hand, the size of a contact hole for connecting a bit line or a source line formed in a two-dimensional self-alignment is also very uniform. Further, the contact hole has an area corresponding to the area of the source impurity region S and the drain impurity region D.
It has almost the maximum size.
【0125】その上でビット方向に配線されているソー
ス線SLn-1 ,SLn ,SLn+1 (以下、SLと表記)
は、ドレイン不純物領域Dを避けながら素子分離絶縁層
ISO上とソース不純物領域S上に蛇行して配置され、
上記ソース線接続用のコンタクトホールを介して、下層
の各ソース不純物領域Sに接続されている。ソース線S
L上には、第2の層間絶縁膜を介してビット線BLn-1
,BLn ,BLn+1 (以下、BLと表記)が等間隔で
配線されている。このビット線BLは、能動領域上方に
位置し、ビット線接続用のコンタクトホールを介して、
下層の各ドレイン不純物領域Dに接続されている。The source lines SLn-1, SLn, SLn + 1 (hereinafter, referred to as SL) wired in the bit direction thereon.
Are meanderingly arranged on the element isolation insulating layer ISO and the source impurity region S while avoiding the drain impurity region D,
It is connected to each lower source impurity region S via the source line connection contact hole. Source line S
On L, the bit line BLn-1 is interposed via a second interlayer insulating film.
, BLn, and BLn + 1 (hereinafter, referred to as BL) are wired at equal intervals. This bit line BL is located above the active area, and via a contact hole for connecting the bit line.
It is connected to each lower drain impurity region D.
【0126】このような構成のセルパターンでは、上記
したように、ソース不純物領域Sとドレイン不純物領域
Dの形成がマスク合わせの影響を受けにくく、また、ビ
ット線接続用のコンタクトホールとソース線接続用のコ
ンタクトホールが、2度のセルフアライン技術を一括転
用して形成されることから、コンタクトホールがセル面
積縮小の制限要素とはならず、ウエハプロセス限界の最
小線幅Fでソース配線等ができ、しかも、無駄な空間が
殆どないことから、6F2 に近い非常に小さいセル面積
が実現できる。1つのメモリセル内の2か所に独立に電
子を注入することができ、この場合、ビット当たりのセ
ル面積は3F2 となる。In the cell pattern having such a structure, as described above, the formation of the source impurity region S and the drain impurity region D is hardly affected by the mask alignment, and the contact hole for bit line connection and the source line connection Contact holes are formed by diverting the self-alignment technique twice, so that the contact holes do not become a limiting factor for reducing the cell area, and the source wiring and the like can be formed with a minimum line width F of the wafer process limit. Since there is little wasteful space, a very small cell area close to 6F 2 can be realized. Electrons can be independently injected into two locations in one memory cell, and in this case, the cell area per bit is 3F 2 .
【0127】第11実施形態 第11実施形態は、メモリトランジスタの電荷蓄積手段
としてゲート絶縁膜中に埋め込まれ例えば10ナノメー
タ以下の粒径を有する多数の互いに絶縁されたSiナノ
結晶を用いた不揮発性半導体記憶装置(以下、Siナノ
結晶型という)に関する。 Eleventh Embodiment The eleventh embodiment is a nonvolatile transistor using a large number of mutually insulated Si nanocrystals embedded in a gate insulating film and having a particle size of, for example, 10 nanometers or less, as charge storage means of a memory transistor. The present invention relates to a semiconductor memory device (hereinafter, referred to as a Si nanocrystal type).
【0128】図19は、このSiナノ結晶型メモリトラ
ンジスタの素子構造を示す断面図である。本実施形態の
Siナノ結晶型不揮発性メモリが、先の第5実施形態と
異なるのは、電荷蓄積手段がナノ結晶32であること、
および、本実施形態のゲート絶縁膜30が、Siナノ結
晶32が上面に形成されたボトム絶縁膜10と、その上
の酸化膜34とから構成されていることである。その他
の構成は、第5実施形態と同様である。FIG. 19 is a sectional view showing the element structure of this Si nanocrystal type memory transistor. The Si nanocrystal nonvolatile memory according to the present embodiment is different from the fifth embodiment in that the charge storage means is a nanocrystal 32;
Further, the gate insulating film 30 of the present embodiment is composed of the bottom insulating film 10 having the Si nanocrystals 32 formed on the upper surface, and the oxide film 34 thereon. Other configurations are the same as in the fifth embodiment.
【0129】Siナノ結晶32は、そのサイズ(直径)
が、好ましくは10nm以下、例えば4.0nm程度で
あり、個々のSiナノ結晶同士が酸化膜34で空間的
に、例えば4nm程度の間隔で分離されている。本例に
おけるボトム絶縁膜10は、電荷蓄積手段(Siナノ結
晶32)が基板側に近いこととの関係で、第5実施形態
よりやや厚く、使用用途に応じて2.6nmから5.0
nmまでの範囲内で適宜選択できる。ここでは、4.0
nm程度の膜厚とした。The size (diameter) of the Si nanocrystal 32 is
However, it is preferably 10 nm or less, for example, about 4.0 nm, and individual Si nanocrystals are spatially separated by the oxide film 34 at an interval of, for example, about 4 nm. The bottom insulating film 10 in this example is slightly thicker than the fifth embodiment because of the fact that the charge storage means (Si nanocrystals 32) is closer to the substrate side, and from 2.6 nm to 5.0 depending on the application.
It can be appropriately selected within the range up to nm. Here, 4.0
The thickness was about nm.
【0130】このような構成のメモリトランジスタの製
造では、ボトム絶縁膜10の成膜後、例えばプラズマC
VD法でボトム絶縁膜10の上に、多数のSiナノ結晶
32を形成する。また、Siナノ結晶32を埋め込むよ
うに、酸化膜34を、例えば7nmほどLP−CVDに
より成膜する。このLP−CVDでは、原料ガスがDC
SとN2 Oの混合ガス、基板温度が例えば700℃とす
る。このときSiナノ結晶32は酸化膜34に埋め込ま
れる。平坦化が必要な場合は、新たに平坦化プロセス
(例えばCMP等)を行うとよい。その後、ゲート電極
8を成膜し、ゲート積層膜を一括してパターンニングす
る工程を経て、当該Siナノ結晶型メモリトランジスタ
を完成させる。In the manufacture of a memory transistor having such a configuration, after the bottom insulating film 10 is formed, for example, the plasma C
A large number of Si nanocrystals 32 are formed on the bottom insulating film 10 by the VD method. Further, an oxide film 34 is formed to a thickness of, for example, about 7 nm by LP-CVD so as to bury the Si nanocrystals 32. In this LP-CVD, the source gas is DC
The mixed gas of S and N 2 O and the substrate temperature are, for example, 700 ° C. At this time, the Si nanocrystals 32 are embedded in the oxide film 34. If planarization is required, a new planarization process (eg, CMP) may be performed. Thereafter, a gate electrode 8 is formed, and a step of collectively patterning the gate laminated film is performed, thereby completing the Si nanocrystal type memory transistor.
【0131】このように形成されたSiナノ結晶32
は、平面方向に離散化されたキャリアトラップとして機
能する。そのトラップレベルは、周囲の酸化シリコンと
のバンド不連続値で推定可能で、その推定値では約3.
1eV程度とされる。この大きさの個々のSiナノ結晶
32は、数個の注入電子を保持できる。なお、Siナノ
結晶32を更に小さくして、これに単一電子を保持させ
てもよい。The thus formed Si nanocrystal 32
Function as carrier traps discretized in the plane direction. The trap level can be estimated by a band discontinuity with the surrounding silicon oxide, and the estimated value is about 3.
It is about 1 eV. Individual Si nanocrystals 32 of this size can hold several injected electrons. Note that the Si nanocrystal 32 may be made smaller to hold a single electron.
【0132】このような構成のSiナノ結晶型不揮発性
メモリについて、ランドキストのバックトンネリングモ
デルによりデータ保持特性を検討した。データ保持特性
を向上させるためには、トラップレベルを深くして、電
荷重心と半導体基板1との距離を大きくすることが重要
となる。そこで、ランドキストモデルを物理モデルに用
いたシミュレーションにより、トラップレベル3. 1e
Vの場合のデータ保持を検討した。この結果、トラップ
レベル3. 1eVの深いキャリアトラップを用いること
により、電荷保持媒体からチャネル形成領域1aまでの
距離が4. 0nmと比較的に近い場合でも良好なデータ
保持を示すことが分かった。With respect to the Si nanocrystal type nonvolatile memory having such a configuration, data retention characteristics were examined by a Landkist back tunneling model. In order to improve the data retention characteristics, it is important to increase the trap level and increase the distance between the charge center of gravity and the semiconductor substrate 1. Therefore, the simulation using the Landkist model as a physical model yields a trap level of 3.1e.
Data retention in the case of V was studied. As a result, it was found that by using a deep carrier trap having a trap level of 3.1 eV, good data retention was exhibited even when the distance from the charge retention medium to the channel formation region 1a was relatively short, 4.0 nm.
【0133】第12実施形態 第12実施形態は、メモリトランジスタの電荷蓄積手段
として絶縁膜中に埋め込まれ互いに分離した多数の微細
分割型フローティングゲートを用いた不揮発性半導体記
憶装置(以下、微細分割FG型という)に関する。Twelfth Embodiment A twelfth embodiment is a nonvolatile semiconductor memory device (hereinafter referred to as a fine divided FG) using a large number of finely divided floating gates embedded in an insulating film and separated from each other as charge storage means of a memory transistor. Type).
【0134】図20は、この微細分割FG型メモリトラ
ンジスタの素子構造を示す断面図である。本実施形態の
微細分割FG型不揮発性メモリが、先の第5実施形態と
異なるのは、電荷蓄積手段が微細分割型フローティング
ゲートからなること、メモリトランジスタがSOI基板
に形成されていること、および、本実施形態のゲート絶
縁膜40が、微細分割型フローティングゲート42が上
面に形成されたボトム絶縁膜10と、その上の酸化膜4
4とから構成されていることである。その他の構成は、
第5実施形態と同様である。この微細分割フローティン
グゲート42は、先の第11実施形態のSiナノ結晶3
2とともに本発明でいう“小粒径導電体”の具体例に該
当する。FIG. 20 is a sectional view showing the element structure of this finely divided FG type memory transistor. The finely divided FG nonvolatile memory of this embodiment is different from the fifth embodiment in that the charge storage means is formed of a finely divided floating gate, the memory transistor is formed on an SOI substrate, and The gate insulating film 40 of the present embodiment comprises a bottom insulating film 10 having a finely divided floating gate 42 formed on an upper surface thereof, and an oxide film 4 thereon.
4 and 4. Other configurations are
This is the same as the fifth embodiment. This finely divided floating gate 42 is made of the Si nanocrystal 3 of the eleventh embodiment.
2 corresponds to a specific example of the “small particle size conductor” in the present invention.
【0135】SOI基板としては、酸素イオンをシリコ
ン基板に高濃度にイオン注入し基板表面より深い箇所に
埋込酸化膜を形成したSIMOX(Separation by Impl
anted Oxygen)基板や、一方のシリコン基板表面に酸化
膜を形成し他の基板と張り合わせた張り合せ基板などが
用いられる。このような方法によって形成され図20に
示したSOI基板は、支持基板46、分離酸化膜48お
よびシリコン層50とから構成され、シリコン層50内
に、チャネル形成領域1a,ソース不純物領域2および
ドレイン不純物領域4が設けられている。なお、支持基
板46は、半導体基板のほか、ガラス基板、プラスチッ
ク基板、サファイア基板等を用いてもよい。As an SOI substrate, SIMOX (Separation by Impl) in which oxygen ions are implanted into a silicon substrate at a high concentration and a buried oxide film is formed at a position deeper than the substrate surface.
An oxygen) substrate or a bonded substrate in which an oxide film is formed on one silicon substrate surface and bonded to another substrate are used. The SOI substrate formed by such a method and shown in FIG. 20 includes a support substrate 46, an isolation oxide film 48, and a silicon layer 50. In the silicon layer 50, a channel formation region 1a, a source impurity region 2, and a drain Impurity region 4 is provided. Note that a glass substrate, a plastic substrate, a sapphire substrate, or the like may be used as the support substrate 46 in addition to the semiconductor substrate.
【0136】微細分割フローティングゲート42は、通
常のFG型のフローティングゲートを、その高さが例え
ば5.0nm程度で、直径が例えば8nmまでの微細な
ポリSiドットに加工したものである。本例におけるボ
トム絶縁膜10は、第1実施形態よりやや厚いが、通常
のFG型に比べると格段に薄く形成され、使用用途に応
じて2.5nmから4.0nmまでの範囲内で適宜選択
できる。ここでは、最も薄い2.5nmの膜厚とした。The finely divided floating gate 42 is obtained by processing a normal FG type floating gate into fine poly-Si dots having a height of, for example, about 5.0 nm and a diameter of, for example, 8 nm. The bottom insulating film 10 in this example is slightly thicker than in the first embodiment, but is formed much thinner than a normal FG type, and is appropriately selected from the range of 2.5 nm to 4.0 nm according to the intended use. it can. Here, the thinnest film thickness is 2.5 nm.
【0137】このような構成のメモリトランジスタの製
造では、SOI基板上にボトム絶縁膜10を成膜した
後、例えばLP−CVD法で、ボトム絶縁膜10の上に
ポリシリコン膜(最終膜厚:5nm)を成膜する。この
LP−CVDでは、原料ガスがDCSとアンモニアの混
合ガス、基板温度が例えば650℃とする。つぎに、例
えば電子ビーム露光法を用いて、ポリシリコン膜を直径
が例えば8nmまでの微細なポリSiドットに加工す
る。このポリSiドットが、微細分割型フローティング
ゲート42(電荷蓄積手段)である。その後、微細分割
型フローティングゲート42を埋め込むかたちで、酸化
膜44を、例えば9nmほどLP−CVDにより成膜す
る。このLP−CVDでは、原料ガスがDCSとN2 O
の混合ガス、基板温度が例えば700℃とする。この
時、微細分割型フローティングゲート42は酸化膜44
に埋め込まれる。平坦化が必要な場合は、新たに平坦化
プロセス(例えばCMP等)を行うとよい。その後、ゲ
ート電極8を成膜し、ゲート積層膜を一括してパターン
ニングする工程を経て、当該微細分割FG型メモリトラ
ンジスタを完成させる。In manufacturing a memory transistor having such a configuration, after a bottom insulating film 10 is formed on an SOI substrate, a polysilicon film (final film thickness: 5 nm). In this LP-CVD, the source gas is a mixed gas of DCS and ammonia, and the substrate temperature is, for example, 650 ° C. Next, the polysilicon film is processed into fine poly-Si dots having a diameter of, for example, up to 8 nm by using, for example, an electron beam exposure method. This poly-Si dot is the finely divided floating gate 42 (charge storage means). Thereafter, an oxide film 44 is formed to a thickness of, for example, about 9 nm by LP-CVD while burying the finely divided floating gate 42. In this LP-CVD, the source gases are DCS and N 2 O.
And the substrate temperature is, eg, 700 ° C. At this time, the finely divided floating gate 42 is
Embedded in If planarization is required, a new planarization process (eg, CMP) may be performed. Thereafter, the gate electrode 8 is formed, and the finely divided FG type memory transistor is completed through a step of collectively patterning the gate laminated film.
【0138】このようにSOI基板を用い、フローティ
ングゲートが微細に分割されることについては、素子を
試作して特性を評価した結果、予想通りの良好な特性が
得られることを確認した。As to the fact that the floating gate is finely divided by using the SOI substrate in this manner, as a result of evaluating the characteristics of a prototype device, it was confirmed that the expected good characteristics were obtained.
【0139】変形例 以上述べてきた第1〜第12実施形態において、種々の
変形が可能である。 Modifications In the first to twelfth embodiments described above, various modifications are possible.
【0140】とくに図示しないがDINOR型、いわゆ
るHiCR型と称されソース線を隣接する2つのソース
領域で共有した分離ソース型のセルアレイから構成され
る微細NOR型セルなどの各種NOR型セルに対し本発
明が適用できる。Although not particularly shown, the present invention is applicable to various NOR type cells such as a fine NOR type cell which is a DINOR type, that is, a so-called HiCR type, and is composed of a separated source type cell array in which a source line is shared by two adjacent source regions. The invention is applicable.
【0141】本発明における“平面的に離散化された電
荷蓄積手段”は、窒化膜バルクのキャリアトラップおよ
び酸化膜と窒化膜界面付近に形成されたキャリアトラッ
プを含むことから、ゲート絶縁膜がNO(Nitride-Oxid
e) 膜なるMNOS型であっても本発明が適用できる。The “planar discrete charge storage means” in the present invention includes a carrier trap formed in the bulk of the nitride film and a carrier trap formed near the interface between the oxide film and the nitride film. (Nitride-Oxid
e) The present invention is applicable to an MNOS type film.
【0142】本発明は、スタンドアロン型の不揮発性メ
モリのほか、ロジック回路と同一基板上に集積化したエ
ンベデッド型の不揮発性メモリに対しても適用可能であ
る。なお、第12実施形態のようにSOI基板を用いる
ことは、第1〜第11実施形態のメモリトランジスタ構
造に重複して適用可能である。The present invention can be applied not only to a stand-alone nonvolatile memory but also to an embedded nonvolatile memory integrated with a logic circuit on the same substrate. The use of the SOI substrate as in the twelfth embodiment can be applied to the memory transistor structures of the first to eleventh embodiments.
【0143】[0143]
【発明の効果】本発明に係る不揮発性半導体記憶装置及
びその駆動方法によれば、加速電荷が運動量(方向と大
きさ)を維持しながら効率良く、しかも高速に電荷蓄積
手段に注入される結果、高い書き込み速度を得ることが
できる。また、たとえばチャネル形成用と注入電界制御
用として第1,第2ゲート電極を有することから、高い
書き込み速度を得るためのゲート電圧設定が容易であ
る。さらに、電子の引き抜きで消去することから信頼性
および耐久性が高い、複数ビットの書き込みの適用が容
易でありビットコストを低減しやすいなどの利点もあ
る。According to the nonvolatile semiconductor memory device and the method of driving the same according to the present invention, the accelerated charges are efficiently and rapidly injected into the charge storage means while maintaining the momentum (direction and magnitude). , A high writing speed can be obtained. Further, for example, since the first and second gate electrodes are provided for channel formation and injection field control, it is easy to set a gate voltage for obtaining a high writing speed. Further, there are advantages such as high reliability and durability due to erasing by extracting electrons, easy application of multi-bit writing, and easy reduction of bit cost.
【図1】第1実施形態に係る不揮発性半導体メモリのソ
ース分離NOR型メモリセルアレイの概略構成を示す回
路図である。FIG. 1 is a circuit diagram showing a schematic configuration of a source-separated NOR memory cell array of a nonvolatile semiconductor memory according to a first embodiment.
【図2】第1実施形態に係るNOR型メモリセルアレイ
の概略平面図である。FIG. 2 is a schematic plan view of a NOR memory cell array according to the first embodiment.
【図3】第1実施形態に係る図2のメモリセルアレイで
A−A’線に沿った断面側から見た斜視図である。FIG. 3 is a perspective view of the memory cell array of FIG. 2 according to the first embodiment as viewed from a cross-sectional side along line AA ′.
【図4】第1実施形態に係るMONOS型メモリトラン
ジスタの素子構造を示す断面図である。FIG. 4 is a sectional view showing the element structure of the MONOS type memory transistor according to the first embodiment.
【図5】第2実施形態に係る不揮発性半導体メモリの仮
想接地NOR型メモリセルアレイの概略構成を示す回路
図である。FIG. 5 is a circuit diagram showing a schematic configuration of a virtual ground NOR type memory cell array of a nonvolatile semiconductor memory according to a second embodiment.
【図6】第4実施形態に係るメモリトランジスタの素子
構造例を示す断面図である。FIG. 6 is a cross-sectional view illustrating an example of an element structure of a memory transistor according to a fourth embodiment.
【図7】第5実施形態に係るMONOSメモリトランジ
スタの素子構造を示す断面図である。FIG. 7 is a sectional view showing an element structure of a MONOS memory transistor according to a fifth embodiment.
【図8】第6実施形態に係るMONOSメモリトランジ
スタの素子構造を示す断面図である。FIG. 8 is a sectional view showing an element structure of a MONOS memory transistor according to a sixth embodiment.
【図9】第6実施形態に係るMONOSメモリトランジ
スタの製造において、LDD領域形成後の断面図であ
る。FIG. 9 is a cross-sectional view after an LDD region is formed in the manufacture of the MONOS memory transistor according to the sixth embodiment.
【図10】図9に続く、ゲート電極を分離し端面に絶縁
層を形成した後の断面図である。FIG. 10 is a cross-sectional view following FIG. 9 after separating a gate electrode and forming an insulating layer on an end face;
【図11】第7実施形態に係るMONOSメモリトラン
ジスタの素子構造を示す断面図である。FIG. 11 is a sectional view showing an element structure of a MONOS memory transistor according to a seventh embodiment.
【図12】第7実施形態に係るMONOSメモリトラン
ジスタの製造において、ゲート絶縁膜の成膜後の断面図
である。FIG. 12 is a cross-sectional view after a gate insulating film is formed in the manufacture of the MONOS memory transistor according to the seventh embodiment.
【図13】図12に続く、片方のサイドウォール形導電
層を除去した後の断面図である。FIG. 13 is a sectional view following FIG. 12 after removing one of the sidewall-type conductive layers.
【図14】第8実施形態に係るMONOSメモリトラン
ジスタの素子構造を示す断面図である。FIG. 14 is a sectional view showing an element structure of a MONOS memory transistor according to an eighth embodiment.
【図15】第9実施形態に係るNOR型メモリセルアレ
イの構成を示す回路図である。FIG. 15 is a circuit diagram showing a configuration of a NOR memory cell array according to a ninth embodiment.
【図16】第9実施形態に係るNOR型メモリセルアレ
イの平面図である。FIG. 16 is a plan view of a NOR type memory cell array according to a ninth embodiment.
【図17】第9実施形態に係るNOR型メモリセルアレ
イにおいて、図16のB−B’線に沿った断面側から見
た鳥瞰図である。FIG. 17 is a bird's-eye view of the NOR-type memory cell array according to the ninth embodiment as viewed from a cross-sectional side along the line BB ′ of FIG. 16;
【図18】第10実施形態に係る微細NOR型セルアレ
イの概略構成を示す平面図である。FIG. 18 is a plan view showing a schematic configuration of a fine NOR type cell array according to a tenth embodiment.
【図19】第11実施形態に係るSiナノ結晶型メモリ
トランジスタの素子構造を示す断面図である。FIG. 19 is a sectional view showing an element structure of a Si nanocrystal memory transistor according to an eleventh embodiment.
【図20】第12実施形態に係る微細分割FG型メモリ
トランジスタの素子構造を示す断面図である。FIG. 20 is a sectional view showing an element structure of a finely divided FG type memory transistor according to a twelfth embodiment;
1…半導体基板またはウエル、1a…チャネル形成領
域、2,S…ソース不純物領域(第2不純物領域)、
4,D…ドレイン不純物領域(第1不純物領域)、6,
30,40…ゲート絶縁膜、8…ゲート電極、10…ボ
トム絶縁膜、12…窒化膜、14…トップ絶縁膜、32
…Siナノ結晶、34,44…酸化膜、42…微細分割
型フローティングゲート、46…半導体基板、48…分
離酸化膜、50…シリコン層、60…nウエル、61…
pウエル、ISO…素子分離絶縁層、PW…pウエル、
M11〜M22…メモリトランジスタ、S11,ST0
等…選択トランジスタ、BL1等…ビット線、MBL1
等…主ビット線、SBL…副ビット線、SL1等…ソー
ス線、MSL…主ソース線、SSL1等…副ソース線、
WL1等…ワード線、BC…ビットコンタクト、SC…
ソースコンタクト。1 semiconductor substrate or well, 1a channel formation region, 2S source impurity region (second impurity region),
4, D ... drain impurity region (first impurity region), 6,
Reference numerals 30, 40: gate insulating film, 8: gate electrode, 10: bottom insulating film, 12: nitride film, 14: top insulating film, 32
... Si nanocrystals, 34, 44 oxide film, 42 fine-divided floating gate, 46 semiconductor substrate, 48 isolation oxide film, 50 silicon layer, 60 n-well, 61
p-well, ISO: element isolation insulating layer, PW: p-well,
M11 to M22: memory transistors, S11, ST0
Etc .... Selection transistor, BL1 etc .... Bit line, MBL1
Etc .: main bit line, SBL: sub-bit line, SL1, etc .: source line, MSL: main source line, SSL1, etc .: sub-source line,
WL1 etc .... word line, BC ... bit contact, SC ...
Source contact.
フロントページの続き Fターム(参考) 5F001 AA14 AA19 AA34 AB02 AB03 AC02 AC04 AC06 AC62 AD15 AD17 AD18 AD21 AD23 AE02 AE08 AF06 AF20 AG02 AG21 AG30 5F083 EP09 EP14 EP15 EP17 EP18 EP22 EP49 EP55 EP63 EP68 EP77 ER02 ER05 ER06 ER14 ER19 ER22 ER23 ER30 GA30 HA03 JA04 JA35 JA39 JA53 KA06 KA12 MA02 MA06 MA20 PR12 PR21 PR33 ZA21 5F101 BA16 BA46 BA54 BB02 BB04 BC02 BC07 BC11 BC13 BD05 BD07 BD09 BD13 BD15 BE05 BE07 BF02 BF05 BH02 BH03 BH16 Continued on front page F term (reference) 5F001 AA14 AA19 AA34 AB02 AB03 AC02 AC04 AC06 AC62 AD15 AD17 AD18 AD21 AD23 AE02 AE08 AF06 AF20 AG02 AG21 AG30 5F083 EP09 EP14 EP15 EP17 EP18 EP22 EP49 EP55 EP63 EP68 EP77 ER02 ER05 ER06 ER30 GA30 HA03 JA04 JA35 JA39 JA53 KA06 KA12 MA02 MA06 MA20 PR12 PR21 PR33 ZA21 5F101 BA16 BA46 BA54 BB02 BB04 BC02 BC07 BC11 BC13 BD05 BD07 BD09 BD13 BD15 BE05 BE07 BF02 BF05 BH02 BH03 BH16
Claims (40)
と、 当該チャネル形成領域を挟んで基板表面に形成され、動
作時にソースまたはドレインとなる第1および第2不純
物領域と、 上記チャネル形成領域上に設けられたゲート絶縁膜と、 当該ゲート絶縁膜上に設けられたゲート電極と、 上記ゲート絶縁膜内で、上記チャネル形成領域に対向し
た面内および膜厚方向に離散化され、かつ、動作時に電
荷が加速される方向に設けられている電荷蓄積手段とを
有する不揮発性半導体記憶装置。1. A substrate, a semiconductor channel formation region provided on the surface of the substrate, and first and second impurity regions formed on the substrate surface with the channel formation region interposed therebetween and serving as a source or a drain during operation. A gate insulating film provided on the channel forming region; a gate electrode provided on the gate insulating film; and a gate electrode in the gate insulating film in a plane facing the channel forming region and in a film thickness direction. A non-volatile semiconductor storage device having charge storage means which is discretized and provided in a direction in which charges are accelerated during operation.
トエレクトロンである請求項1に記載の不揮発性半導体
記憶装置。2. The nonvolatile semiconductor memory device according to claim 1, wherein the charge injected into said charge storage means is hot electrons.
領域と上記ゲート電極との間の垂直電界成分により行わ
れる請求項1に記載の不揮発性半導体記憶装置。3. The non-volatile semiconductor memory device according to claim 1, wherein said electric charge is accelerated mainly by a vertical electric field component between said first impurity region and said gate electrode.
注入される上記第1不純物領域側の第1領域と、電荷が
注入されない第2領域とを有する請求項3に記載の不揮
発性半導体記憶装置。4. The non-volatile semiconductor device according to claim 3, wherein said charge storage means has a first region into which said charge is injected during operation and a second region into which no charge is injected. Storage device.
で上記第1領域とチャネル方向に対峙した上記第2不純
物領域側の位置に、動作時に電荷が注入される第3領域
を有する請求項4に記載の不揮発性半導体記憶装置。5. The charge accumulating means has a third region into which charges are injected during operation at a position on the side of the second impurity region facing the first region in the channel direction with the second region interposed therebetween. The nonvolatile semiconductor memory device according to claim 4.
次衝突電離により発生したホットエレクトロンである請
求項3に記載の不揮発性半導体記憶装置。6. The charge injected into the charge storage means is 2
4. The nonvolatile semiconductor memory device according to claim 3, wherein the non-volatile semiconductor memory device is hot electrons generated by secondary impact ionization.
記チャネル形成領域の空乏層内で加速されて発生した基
板ホットエレクトロンである請求項3に記載の不揮発性
半導体記憶装置。7. The nonvolatile semiconductor memory device according to claim 3, wherein the charge injected into said charge storage means is substrate hot electrons generated by being accelerated in a depletion layer of said channel formation region.
不純物領域を上記第2不純物領域に対して相対的に低く
する段差が設けられ、 上記電荷の加速が、主に、上記第1および第2不純物領
域間の水平電界成分により上記段差の上部側でチャネル
形成領域に沿って行われる請求項1に記載の不揮発性半
導体記憶装置。8. The method according to claim 1, further comprising:
A step is provided for lowering the impurity region relatively to the second impurity region. The acceleration of the charge is mainly caused by a horizontal electric field component between the first and second impurity regions on the upper side of the step. 2. The nonvolatile semiconductor memory device according to claim 1, wherein the operation is performed along a channel formation region.
ート絶縁膜部分を中心に上記電荷蓄積手段が形成されて
いる請求項8に記載の不揮発性半導体記憶装置。9. The nonvolatile semiconductor memory device according to claim 8, wherein said charge storage means is formed around a gate insulating film portion between said step and said first impurity region.
ャネル方向の長さが、チャネル内電荷の平均自由行程以
下である請求項8に記載の不揮発性半導体記憶装置。10. The non-volatile semiconductor memory device according to claim 8, wherein a length of the upper part of the step in which the charge is accelerated in a channel direction is equal to or less than a mean free path of the charge in the channel.
ャネル方向の長さが、チャネル内電荷が不純物散乱の影
響を受けずに走行できる所定距離以下の範囲内に設定さ
れている請求項8に記載の不揮発性半導体記憶装置。11. A length of the upper portion of the step where the charge is accelerated in a channel direction is set to be within a predetermined distance within which the charge in the channel can travel without being affected by impurity scattering. 3. The nonvolatile semiconductor memory device according to 1.
ャネル方向の長さが、50nm以下である請求項8に記
載の不揮発性半導体記憶装置。12. The nonvolatile semiconductor memory device according to claim 8, wherein a length in a channel direction above said step at which said electric charges are accelerated is 50 nm or less.
との間で電荷の移動がない場合に、前記チャネル形成領
域に対向する面全体としての導電性を持たない請求項1
に記載の不揮発性半導体記憶装置。13. The charge accumulating means does not have conductivity as a whole surface facing the channel forming region when there is no movement of electric charge at least between the outside and the outside.
3. The nonvolatile semiconductor memory device according to 1.
領域上のボトム絶縁膜と、 当該ボトム絶縁膜上の窒化膜または酸化窒化膜とを含む
請求項13に記載の不揮発性半導体記憶装置。14. The nonvolatile semiconductor memory device according to claim 13, wherein said gate insulating film includes a bottom insulating film on said channel formation region, and a nitride film or an oxynitride film on said bottom insulating film.
領域上のボトム絶縁膜と、 前記電荷蓄積手段としてボトム絶縁膜上に形成され互い
に絶縁された小粒径導電体とを含む請求項13に記載の
不揮発性半導体記憶装置。15. The gate insulating film according to claim 13, wherein the gate insulating film includes a bottom insulating film on the channel formation region, and a small-diameter conductor formed on the bottom insulating film and insulated from each other as the charge storage means. 14. The nonvolatile semiconductor memory device according to claim 1.
タ以下である請求項15に記載の不揮発性半導体記憶装
置。16. The nonvolatile semiconductor memory device according to claim 15, wherein said small-diameter conductor has a particle size of 10 nanometers or less.
と、 当該チャネル形成領域を挟んで基板表面に形成され、動
作時にソースまたはドレインとなる第1および第2不純
物領域と、 上記チャネル形成領域上に設けられたゲート絶縁膜と、 当該ゲート絶縁膜上に設けられたゲート電極と、 上記ゲート絶縁膜内で、上記チャネル形成領域に対向し
た面内および膜厚方向に離散化されている電荷蓄積手段
とを有し、 上記チャネル形成領域の表面に、上記第1不純物領域を
上記第2不純物領域に対し相対的に低くする段差が設け
られている不揮発性半導体記憶装置。17. A substrate, a channel forming region of a semiconductor provided on the surface of the substrate, and first and second impurity regions formed on the substrate surface with the channel forming region interposed therebetween and serving as a source or a drain during operation. A gate insulating film provided on the channel forming region; a gate electrode provided on the gate insulating film; and a gate electrode in the gate insulating film in a plane facing the channel forming region and in a film thickness direction. A non-volatile semiconductor storage device having discrete charge storage means, wherein a step is provided on the surface of the channel forming region to make the first impurity region relatively lower than the second impurity region. .
と、 当該チャネル形成領域を挟んで基板表面に形成され、動
作時にソースまたはドレインとなる第1および第2不純
物領域と、 上記チャネル形成領域上に設けられたゲート絶縁膜と、 当該ゲート絶縁膜上に設けられたゲート電極と、 上記ゲート絶縁膜内で、上記チャネル形成領域に対向す
る面内および膜厚方向に離散化されている電荷蓄積手段
とを有し、 上記ゲート電極は、上記チャネル形成領域の上記第1不
純物領域側に、内部に電荷蓄積手段を有しない第1ゲー
ト絶縁膜を介して積層された第1ゲート電極と、 上記チャネル形成領域の上記第2不純物領域側に、内部
に電荷蓄積手段を有した第2ゲート絶縁膜を介して積層
された第2ゲート電極とを含む不揮発性半導体記憶装
置。18. A substrate, a semiconductor channel formation region provided on the surface of the substrate, and first and second impurity regions formed on the substrate surface with the channel formation region interposed therebetween and serving as a source or a drain during operation. A gate insulating film provided on the channel forming region; a gate electrode provided on the gate insulating film; and in the gate insulating film, in a plane facing the channel forming region and in a film thickness direction. The gate electrode is stacked on the first impurity region side of the channel forming region via a first gate insulating film having no charge storage unit therein. A first gate electrode; and a second gate electrode stacked on the second impurity region side of the channel formation region via a second gate insulating film having charge storage means therein. Non-volatile semiconductor storage device.
電極の側壁に絶縁膜を介して形成されている請求項18
に記載の不揮発性半導体記憶装置。19. The semiconductor device according to claim 18, wherein the second gate electrode is formed on a side wall of the first gate electrode via an insulating film.
3. The nonvolatile semiconductor memory device according to 1.
1不純物領域に対し上記第2不純物領域を相対的に低く
する段差を備える請求項18に記載の不揮発性半導体記
憶装置。20. The nonvolatile semiconductor memory device according to claim 18, further comprising a step on a surface of said channel formation region, said step being relatively lower than said first impurity region with respect to said second impurity region.
と、 当該チャネル形成領域を挟んで基板表面に形成され、動
作時にソースまたはドレインとなる第1および第2不純
物領域と、 上記チャネル形成領域上に設けられたゲート絶縁膜と、 当該ゲート絶縁膜上に設けられたゲート電極と、 上記ゲート絶縁膜内で、上記チャネル形成領域に対向す
た面内および膜厚方向に離散化されている電荷蓄積手段
とを有する不揮発性半導体記憶装置の駆動方法であっ
て、 動作時に、上記チャネル形成領域または周辺の空乏層内
で電荷を加速させ、運動量を保持した状態で上記離散化
された電荷蓄積手段内に注入する不揮発性半導体記憶装
置の駆動方法。21. A substrate, a semiconductor channel formation region provided on the surface of the substrate, and first and second impurity regions formed on the substrate surface with the channel formation region interposed therebetween and serving as a source or a drain during operation. A gate insulating film provided on the channel forming region; a gate electrode provided on the gate insulating film; and a surface and a film thickness direction in the gate insulating film facing the channel forming region. A method for driving a non-volatile semiconductor storage device having charge storage means discretized in the above manner, wherein, during operation, electric charges are accelerated in the channel formation region or the depletion layer in the periphery and the momentum is maintained A method for driving a non-volatile semiconductor memory device injecting charge into discrete charge storage means.
段の上記第1不純物領域側の部分に注入する請求項21
に記載の不揮発性半導体記憶装置の駆動方法。22. The accelerated charge is injected into a portion of the charge storage means on the first impurity region side.
3. The method for driving a nonvolatile semiconductor memory device according to claim 1.
アス印加条件を逆にして、上記電荷蓄積手段の上記第2
不純物領域側の部分に注入する請求項22に記載の不揮
発性半導体記憶装置の駆動方法。23. A method of applying a bias to said first and second impurity regions in a reverse manner, and
23. The method for driving a nonvolatile semiconductor memory device according to claim 22, wherein the impurity is implanted into a portion on an impurity region side.
距離が50nm以下である請求項21に記載の不揮発性
半導体記憶装置の駆動方法。24. The method of driving a nonvolatile semiconductor memory device according to claim 21, wherein a traveling distance from the start of the charge acceleration to the injection thereof is 50 nm or less.
に電気伝導させる請求項21に記載の不揮発性半導体記
憶装置の駆動方法。25. The method of driving a nonvolatile semiconductor memory device according to claim 21, wherein said electric charges are ballistically conducted in a channel.
極により制御する請求項21に記載の不揮発性半導体記
憶装置の駆動方法。26. The driving method of a nonvolatile semiconductor memory device according to claim 21, wherein acceleration and injection of the electric charge are controlled by separate gate electrodes.
を5V以下とする請求項21に記載の不揮発性半導体記
憶装置の駆動方法。27. The method according to claim 21, wherein the maximum value of the voltage applied to the gate electrode is 5 V or less.
不純物領域、上記ゲート電極に印加する電圧の最大値を
5V以下とする請求項27に記載の不揮発性半導体記憶
装置の駆動方法。28. The channel forming region, the first and second channels.
28. The method according to claim 27, wherein the maximum value of the voltage applied to the impurity region and the gate electrode is 5 V or less.
ースとなるように上記第1および第2不純物領域間に所
定の読み出しドレイン電圧を印加し、 上記ゲート電極に所定の読み出しゲート電圧を印加する
請求項21に記載の不揮発性半導体記憶装置の駆動方
法。29. At the time of reading, a predetermined read drain voltage is applied between the first and second impurity regions so that the first impurity region serves as a source, and a predetermined read gate voltage is applied to the gate electrode. A method for driving a nonvolatile semiconductor memory device according to claim 21.
電荷に応じて記憶された複数ビットのデータを、上記第
1,第2不純物領域間で電圧印加方向を変えて読み出す
請求項23に記載の不揮発性半導体記憶装置の駆動方
法。30. A method according to claim 23, wherein a plurality of bits of data stored according to the charge partially injected into said charge storage means are read out by changing a voltage application direction between said first and second impurity regions. The driving method of the nonvolatile semiconductor memory device described in the above.
入され上記電荷蓄積手段に保持されている電荷を、直接
トンネリングまたはFNトンネリングにより第1不純物
領域側に引く抜く請求項22に記載の不揮発性半導体記
憶装置の駆動方法。31. The non-volatile memory according to claim 22, wherein at the time of erasing, the charge injected from the first impurity region side and held in the charge storage means is drawn to the first impurity region side by direct tunneling or FN tunneling. For driving a volatile semiconductor memory device.
域側から注入され上記電荷蓄積手段にチャネル方向の両
側に分離されて保持されている電荷を、直接トンネリン
グまたはFNトンネリングにより個別にあるいは一括し
て基板側に引く抜く請求項23に記載の不揮発性半導体
記憶装置の駆動方法。32. At the time of erasing, charges injected from the first or second impurity region side and held in the charge storage means separately on both sides in the channel direction are individually or collectively collected by direct tunneling or FN tunneling. 24. The method of driving a non-volatile semiconductor storage device according to claim 23, wherein the pull-out operation is performed.
との間で電荷の移動がない場合に、前記チャネル形成領
域に対向する面全体としての導電性を持たない請求項2
1に記載の不揮発性半導体記憶装置の駆動方法。33. The charge accumulating means does not have conductivity as a whole surface facing the channel forming region when there is no movement of electric charge at least between the outside and the outside.
2. The method for driving a nonvolatile semiconductor memory device according to item 1.
領域上のボトム絶縁膜と、 当該ボトム絶縁膜上の窒化膜または酸化窒化膜とを含む
請求項33に記載の不揮発性半導体記憶装置の駆動方
法。34. The nonvolatile semiconductor memory device according to claim 33, wherein said gate insulating film includes a bottom insulating film on said channel formation region, and a nitride film or an oxynitride film on said bottom insulating film. Method.
領域上のボトム絶縁膜と、 前記電荷蓄積手段としてボトム絶縁膜上に形成され互い
に絶縁された小粒径導電体とを含む請求項33に記載の
不揮発性半導体記憶装置の駆動方法。35. The gate insulating film according to claim 33, wherein the gate insulating film includes a bottom insulating film on the channel formation region, and small-diameter conductors formed on the bottom insulating film and insulated from each other as the charge storage means. The driving method of the nonvolatile semiconductor memory device described in the above.
タ以下である請求項35に記載の不揮発性半導体記憶装
置の駆動方法。36. The driving method for a nonvolatile semiconductor memory device according to claim 35, wherein the small-diameter conductor has a particle size of 10 nanometers or less.
と、 当該チャネル形成領域を挟んで基板表面に形成され、動
作時にソースまたはドレインとなる第1および第2不純
物領域と、 上記チャネル形成領域上に設けられたゲート絶縁膜と、 当該ゲート絶縁膜上に設けられたゲート電極と、 上記ゲート絶縁膜内で、上記チャネル形成領域に対向し
た面内および膜厚方向に離散化されている電荷蓄積手段
とを有する不揮発性半導体記憶装置の駆動方法であっ
て、 動作時に、上記チャネル形成領域にできたチャネル内で
電荷を加速させ、バリスチックな電気伝導現象を利用し
て上記離散化された電荷蓄積手段内に注入する不揮発性
半導体記憶装置の駆動方法。37. A substrate, a semiconductor channel formation region provided on the surface of the substrate, and first and second impurity regions formed on the substrate surface with the channel formation region interposed therebetween and serving as a source or a drain during operation. A gate insulating film provided on the channel forming region; a gate electrode provided on the gate insulating film; and a gate electrode in the gate insulating film in a plane facing the channel forming region and in a film thickness direction. A method of driving a non-volatile semiconductor storage device having charge storage means that is discretized, wherein during operation, charges are accelerated in a channel formed in the channel formation region, and a ballistic electric conduction phenomenon is utilized. A method for driving a nonvolatile semiconductor memory device injecting the charge into the discrete charge storage means.
と、 当該チャネル形成領域を挟んで基板表面に形成され、動
作時にソースまたはドレインとなる第1および第2不純
物領域と、 上記チャネル形成領域上に設けられたゲート絶縁膜と、 当該ゲート絶縁膜上に設けられたゲート電極と、 上記ゲート絶縁膜内で、上記チャネル形成領域に対向し
た面内および膜厚方向に離散化されている電荷蓄積手段
とを有する不揮発性半導体記憶装置の駆動方法であっ
て、 動作時に、2次衝突電離により発生したホットエレクト
ロンを上記離散化された電荷蓄積手段内に注入する不揮
発性半導体記憶装置の駆動方法。38. A substrate, a semiconductor channel formation region provided on the surface of the substrate, and first and second impurity regions formed on the substrate surface with the channel formation region interposed therebetween and serving as a source or a drain during operation. A gate insulating film provided on the channel forming region; a gate electrode provided on the gate insulating film; and a gate electrode in the gate insulating film in a plane facing the channel forming region and in a film thickness direction. A method for driving a non-volatile semiconductor storage device, comprising: charge storage means which are discretized, wherein hot electrons generated by secondary impact ionization are injected into said charge storage means during operation. A method for driving a semiconductor memory device.
と、 当該チャネル形成領域を挟んで基板表面に形成され、動
作時にソースまたはドレインとなる第1および第2不純
物領域と、 上記チャネル形成領域上に設けられたゲート絶縁膜と、 当該ゲート絶縁膜上に設けられたゲート電極と、 上記ゲート絶縁膜内で、上記チャネル形成領域に対向し
た面内および膜厚方向に離散化されている電荷蓄積手段
とを有する不揮発性半導体記憶装置の駆動方法であっ
て、 動作時に、上記チャネル形成領域にできた空乏層内で電
荷を加速させ、基板ホットエレクトロンにして上記離散
化された電荷蓄積手段内に注入する不揮発性半導体記憶
装置の駆動方法。39. A substrate, a semiconductor channel formation region provided on the surface of the substrate, and first and second impurity regions formed on the substrate surface with the channel formation region interposed therebetween, and serving as a source or a drain during operation. A gate insulating film provided on the channel forming region; a gate electrode provided on the gate insulating film; and a gate electrode in the gate insulating film in a plane facing the channel forming region and in a film thickness direction. A method of driving a non-volatile semiconductor storage device having charge storage means that is discretized, comprising: accelerating charges in a depletion layer formed in the channel formation region during operation to convert the charge into substrate hot electrons; A method for driving a non-volatile semiconductor storage device injecting into a charged charge storage means.
と、 当該チャネル形成領域を挟んで基板表面に形成され、動
作時にソースまたはドレインとなる第1および第2不純
物領域と、 上記チャネル形成領域上に形成されたゲート絶縁膜と、 当該ゲート絶縁膜上に形成されたゲート電極と、 上記チャネル形成領域に対向した面内および膜厚方向に
離散化されて上記ゲート絶縁膜内に形成され、動作時に
チャネルホットエレクトロン、バリスチックホットエレ
クトロン、2次衝突電離ホットエレクトロン、基板ホッ
トエレクトロンまたはバンド間トンネル電流に起因した
ホットエレクトロンが注入される電荷蓄積手段とを有す
る不揮発性半導体記憶装置の駆動方法であって、 消去時に、上記第1および/または第2不純物領域側か
ら注入され上記電荷蓄積手段にチャネル方向の一方側ま
たは両側に保持されている電荷を、直接トンネリングま
たはFNトンネリングにより個別にあるいは一括して基
板側に引く抜く不揮発性半導体記憶装置の駆動方法。40. A substrate, a semiconductor channel formation region provided on the surface of the substrate, and first and second impurity regions formed on the substrate surface with the channel formation region interposed therebetween and serving as a source or a drain during operation. A gate insulating film formed on the channel forming region; a gate electrode formed on the gate insulating film; and a gate insulating film that is discretized in a plane facing the channel forming region and in a film thickness direction. Charge storage means formed therein, into which channel hot electrons, ballistic hot electrons, secondary impact ionization hot electrons, substrate hot electrons or hot electrons caused by band-to-band tunnel current are injected during operation. A method of driving a device, comprising: A method for driving a nonvolatile semiconductor memory device in which charges injected from a region side and held on one side or both sides in the channel direction in the charge storage means are individually or collectively drawn to the substrate side by direct tunneling or FN tunneling. .
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