JP2005277032A - Nonvolatile semiconductor memory device and method of charge injection for it - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、第1導電型の半導体基板上に形成され電荷蓄積層を含むゲート積層膜と、ゲート積層膜の一方向の両端側の半導体基板に形成されている第2導電型の2つのソース・ドレイン領域とを有する不揮発性半導体メモリ装置、および、その電荷注入方法に関するものである。 The present invention relates to a gate laminated film including a charge storage layer formed on a first conductive type semiconductor substrate, and two second conductive type sources formed on a semiconductor substrate on both ends in one direction of the gate laminated film. The present invention relates to a nonvolatile semiconductor memory device having a drain region and a charge injection method thereof.
不揮発性半導体メモリ装置のメモリセルを構成するトランジスタ(メモリトランジスタ)は、半導体基板上にゲート積層膜を有している。ゲート積層膜は、複数の層からなるゲート絶縁膜と、ゲート絶縁膜上のゲート電極とからなる。よく知られているように、メモリトランジスタをゲート積層膜構造で分類すると、ゲート絶縁膜内に周囲を絶縁体で囲まれ電気的にフローティング状態にしている導電性のフローティングゲート(FG)を有するFG型と、電荷トラップ密度が異なる膜を積層させてゲート絶縁膜が構成されている、たとえばMONOSメモリなどのトラップゲート型とに大別される。また、トラップゲート型の電荷トラップとしては、絶縁膜の界面準位や絶縁膜中の深い準位を用いるもの(たとえば、MONOSトランジスタやMNOSトランジスタ)と、ポリシリコンや金属などの微粒子を用いるものとが知られている。
FG型におけるフローティングゲート、トラップゲート型における電荷トラップを多く含む膜や層を、以下、電荷蓄積層と称する。
A transistor (memory transistor) constituting a memory cell of a nonvolatile semiconductor memory device has a gate stacked film on a semiconductor substrate. The gate laminated film includes a gate insulating film composed of a plurality of layers and a gate electrode on the gate insulating film. As is well known, when a memory transistor is classified by a gate laminated film structure, an FG having a conductive floating gate (FG) surrounded by an insulator in a gate insulating film and in an electrically floating state. The gate insulating film is roughly divided into a type and a trap gate type such as a MONOS memory in which gate insulating films are formed by stacking films having different charge trap densities. In addition, as trap-gate type charge traps, those using the interface states of the insulating film and deep levels in the insulating film (for example, MONOS transistors and MNOS transistors), and those using fine particles such as polysilicon and metal It has been known.
A film or layer containing a large number of FG type floating gates and trap gate type charge traps is hereinafter referred to as a charge storage layer.
FG型における電荷蓄積層(フローティングゲート)と半導体基板との間に介在する絶縁膜は、その電荷注入動作時の機能からトンネル膜と称される。トンネル膜は、通常、単層の膜であり、たとえば酸化シリコン膜から構成される。
一方、MONOSトランジスタのゲート絶縁膜は、半導体基板側から順に、いわゆるボトム酸化膜と称される第1の電位障壁絶縁膜、電荷蓄積層としての窒化膜、および、いわゆるトップ酸化膜と称される第2の電位障壁絶縁膜から構成されるのが一般的である。そして、半導体基板と電荷蓄積層との間に介在する第1の電位障壁絶縁膜は通常は単層の酸化シリコン膜からなること、さらには、第1の電位障壁絶縁膜を膜質が異なる複数の絶縁膜で構成することが知られている(たとえば、特許文献1参照)
The insulating film interposed between the charge storage layer (floating gate) and the semiconductor substrate in the FG type is called a tunnel film because of its function during the charge injection operation. The tunnel film is usually a single-layer film, and is composed of, for example, a silicon oxide film.
On the other hand, the gate insulating film of the MONOS transistor is called a first potential barrier insulating film called a so-called bottom oxide film, a nitride film as a charge storage layer, and a so-called top oxide film in order from the semiconductor substrate side. Generally, it is composed of a second potential barrier insulating film. The first potential barrier insulating film interposed between the semiconductor substrate and the charge storage layer is usually made of a single-layer silicon oxide film. Furthermore, the first potential barrier insulating film is made of a plurality of films having different film qualities. It is known to comprise an insulating film (see, for example, Patent Document 1).
特許文献1に記載されている技術によれば、半導体基板を熱窒化し、あるいは、熱酸化後に窒化して形成したシリコン窒化膜上にシリコン酸化膜を堆積し、この2層の膜から第1の電位障壁絶縁膜が構成されている。これは、第1の電位障壁絶縁膜上に形成されている電荷蓄積層としての窒化膜から半導体基板に抜ける電子の電位障壁を高く維持してデータ保持特性の低下を防止しながら、半導体基板から注入される電子の電位障壁を下げて、その注入効率を向上させるためであると、特許文献1に記載されている。
ところが、半導体基板全体を熱窒化し、あるいは酸化膜を窒化処理すると、窒素原子が半導体基板との界面付近に導入されて残存する。この場合、半導体基板を熱酸化して単層のシリコン酸化膜を形成する場合と比べ界面準位が変化することから、動作時のチャネルを流れる電流が減少し、メモリトランジスタの特性が低下するという課題がある。 However, if the entire semiconductor substrate is thermally nitrided or the oxide film is nitrided, nitrogen atoms are introduced near the interface with the semiconductor substrate and remain. In this case, since the interface state changes compared to the case where the semiconductor substrate is thermally oxidized to form a single-layer silicon oxide film, the current flowing through the channel during operation decreases, and the characteristics of the memory transistor deteriorate. There are challenges.
また、とくにゲート直下の基板側領域の局部から電荷を注入する場合においては、電荷が注入される箇所で必要な電位障壁高さが得られればよい。 In particular, in the case where charges are injected from a local portion of the substrate-side region immediately below the gate, it is only necessary to obtain a necessary potential barrier height at the portion where charges are injected.
さらに、電荷蓄積層の導電性が極めて低い場合に、その電荷蓄積層に注入する電荷に対する電位障壁高さをチャネル全面において低くすると、注入電荷の分布が拡がったものとなる。このことに関し、たとえば、電荷蓄積層の導電性が極めて低いことからゲート直下の基板側領域の局部から注入された電荷は電荷蓄積層の一部に蓄積され、その電荷の影響を打ち消すために逆極性の電荷を注入することがある。このとき、最初に注入される電荷の分布と、その後に注入される逆極性の電荷の分布の一方が極端に大きくなると、最初に注入される電荷の一部が相殺できない可能性が高くなる。しかも、この最初のデータ書き換え後の状態をイニシャルの状態として、さらに逆極性の電荷をそれぞれ注入して2度目のデータの書き換えを行うと、その1回目と2回目ではデータの書き込み状態および消去状態における電荷の分布が異なるものとなる。そして、この動作を繰り返していくうちに、大きなスパンで見ると一方の電荷が電荷蓄積層に徐々に溜まっていくことがある。この現象により書き込みまたは消去が不十分となり、書き込み状態と消去状態のしきい値電圧差(ウインドウ幅)が徐々に小さくなるというエンデュランス特性の低下を招く結果となる。また、保持電荷と逆極性の電荷が徐々に溜まるとすれば、電荷の拡散速度は低いが長時間の放置時の相互拡散により電荷が再結合して中和し、結果的に、電荷量が減少し、保持電荷が抜けていくリテンション特性が低い場合と同じ現象を招く。 Furthermore, when the electric conductivity of the charge storage layer is extremely low, if the height of the potential barrier with respect to the charge injected into the charge storage layer is lowered on the entire channel surface, the distribution of the injected charge is expanded. In this regard, for example, since the conductivity of the charge storage layer is extremely low, the charge injected from the local portion of the substrate side region directly under the gate is stored in a part of the charge storage layer, and reversely applied to cancel the influence of the charge. Polar charge may be injected. At this time, if one of the distribution of the charge injected first and the distribution of the reverse polarity charge injected thereafter becomes extremely large, there is a high possibility that a part of the charge injected first cannot be offset. Moreover, when the state after the first data rewrite is set to the initial state, and the data is rewritten for the second time by injecting charges of opposite polarities, the data write state and the erase state in the first and second times. The electric charge distribution at is different. As this operation is repeated, one charge may gradually accumulate in the charge storage layer when viewed in a large span. This phenomenon results in insufficient writing or erasing, resulting in a decrease in endurance characteristics in which the threshold voltage difference (window width) between the written state and the erased state is gradually reduced. Also, if the charge with the opposite polarity to the retained charge gradually accumulates, the charge diffusion rate is low, but the charge recombines and neutralizes due to mutual diffusion when left for a long time. The same phenomenon as in the case where the retention characteristic is low and the retention characteristic from which the retained charge is released is low.
また、一方の電荷が徐々に溜まらない場合でも、注入電荷の分布が広いと書き換えのたびにしきい値が異なる可能性が高くなる。この場合、書き換え動作が安定しないことから、読み出し動作のマージンをとるために、ウインドウ幅を必要以上に大きくする必要があり、これが低電圧化や微細化の妨げとなるという課題がある。 Even if one of the charges does not accumulate gradually, if the distribution of injected charges is wide, there is a high possibility that the threshold value will be different for each rewrite. In this case, since the rewrite operation is not stable, it is necessary to increase the window width more than necessary in order to obtain a margin for the read operation, which causes a problem that the voltage reduction and the miniaturization are hindered.
本発明が解決しようとする第1の課題は、電荷の注入方向に応じて必要な電位障壁高さを確保しながらメモリトランジスタの特性低下を防止し、かつ、注入される電荷の分布の拡がりを制御することである。
本発明が解決しようとする第2の課題は、書き換え動作を安定させ、これにより動作マージン、すなわちウインドウ幅をより小さくできるようにすることである。
The first problem to be solved by the present invention is to prevent the deterioration of the characteristics of the memory transistor while ensuring the necessary potential barrier height according to the charge injection direction, and to spread the distribution of the injected charge. Is to control.
The second problem to be solved by the present invention is to stabilize the rewrite operation, thereby making it possible to further reduce the operation margin, that is, the window width.
本発明の第1の観点に係る不揮発性半導体メモリ装置は、上記第1の課題を解決するためのものであり、第1導電型の半導体基板上に形成され電荷蓄積層を含むゲート積層膜と、ゲート積層膜の一方向の両端側の半導体基板に形成されている第2導電型の2つのソース・ドレイン領域とを有する不揮発性半導体メモリ装置であって、前記ゲート積層膜は電荷蓄積層と半導体基板との間に介在する電位障壁絶縁膜を含み、当該電位障壁絶縁膜は、その2つのソース・ドレイン領域の離間方向で一定の範囲に位置する局部が他の部分の組成と異なる組成を有している。 A non-volatile semiconductor memory device according to a first aspect of the present invention is for solving the first problem, and includes a gate stacked film formed on a first conductivity type semiconductor substrate and including a charge storage layer. A non-volatile semiconductor memory device having two source / drain regions of the second conductivity type formed on a semiconductor substrate on both ends in one direction of the gate stacked film, wherein the gate stacked film includes a charge storage layer, Including a potential barrier insulating film interposed between the semiconductor substrate, and the potential barrier insulating film has a composition whose local portion located in a certain range in the direction of separation of the two source / drain regions is different from the composition of other portions. Have.
この不揮発性半導体メモリ装置では、電位障壁絶縁膜が、2つのソース・ドレイン領域の離間方向(すなわち、チャネル電流が流れる方向)の一定の範囲の部分(局部)で、その組成が他の部分と異なっている。この組成が異なる電位障壁絶縁膜の局部とそれ以外の部分では、ある電荷に対する電位障壁高さが異なることから、同じ電圧条件で単位時間当たりに通過する電荷の量が異なる。つまり、ある電荷に対して、この局部を通過する電荷量が電位障壁絶縁膜の組成の違いに応じて制御される。このことを半導体基板側から電荷蓄積層に注入される電荷に対して行うと、その電荷蓄積層内の蓄積電荷の分布が制御される。 In this nonvolatile semiconductor memory device, the potential barrier insulating film is a part (local part) of a certain range in the direction in which the two source / drain regions are separated (that is, the direction in which the channel current flows), and the composition is different from that of the other part. Is different. Since the potential barrier height with respect to a certain charge is different between the local portion of the potential barrier insulating film having a different composition and the other portion, the amount of charge passing per unit time is different under the same voltage condition. That is, for a certain charge, the amount of charge passing through the local portion is controlled according to the difference in the composition of the potential barrier insulating film. When this is performed on the charge injected into the charge storage layer from the semiconductor substrate side, the distribution of the stored charge in the charge storage layer is controlled.
本発明の第2の観点に係る不揮発性半導体メモリ装置は、上記第2の課題を解決するためのものであり、半導体基板上に形成され電荷蓄積層を含むゲート積層膜を有する不揮発性半導体メモリ装置であって、電荷蓄積層の近傍に形成されている加熱電極と、当該加熱電極の一方端と他方端との間に電圧を供給して、当該加熱電極に電流を流す電圧供給手段とをさらに有する。 A non-volatile semiconductor memory device according to a second aspect of the present invention is for solving the second problem, and includes a non-volatile semiconductor memory having a gate stacked film including a charge storage layer formed on a semiconductor substrate. A heating electrode formed in the vicinity of the charge storage layer, and a voltage supply means for supplying a voltage between one end and the other end of the heating electrode and flowing a current to the heating electrode. Also have.
本発明に係る不揮発性半導体メモリ装置の電荷注入方法は、上記第2の課題を解決するためのものであり、第1導電型の半導体基板上に形成され電荷蓄積層を含むゲート積層膜と、ゲート積層膜の一方向の両端側の半導体基板に形成されている第2導電型の2つのソース・ドレイン領域とを有するメモリトランジスタに対し、電荷蓄積層に逆極性の電荷をそれぞれ注入することによりデータの書き込みと消去を行う不揮発性半導体メモリ装置の電荷注入方法であって、半導体基板とソース・ドレイン領域の一方に第1電荷を誘起させ、当該第1電荷を電荷蓄積層に注入することによってデータの書き込みを行う書き込みステップと、半導体基板とソース・ドレイン領域の他方に第1電荷と逆極性の第2電荷を誘起させ、当該第2電荷を前記電荷蓄積層に注入することによってデータの消去を行う消去ステップと、電荷蓄積層の近傍の導電層に電流を流して電荷蓄積層を加熱し、当該電荷蓄積層に蓄積されている電荷の再配置を行う加熱ステップとを含む。 A charge injection method for a nonvolatile semiconductor memory device according to the present invention is for solving the second problem, and is a gate stacked film including a charge storage layer formed on a first conductivity type semiconductor substrate, By injecting charges having opposite polarities into the charge storage layer to the memory transistor having two source / drain regions of the second conductivity type formed on the semiconductor substrate on both ends in one direction of the gate laminated film, respectively. A charge injection method for a nonvolatile semiconductor memory device for writing and erasing data, wherein a first charge is induced in one of a semiconductor substrate and a source / drain region, and the first charge is injected into a charge storage layer. A writing step for writing data; a second charge having a polarity opposite to the first charge is induced on the other of the semiconductor substrate and the source / drain region; An erasing step for erasing data by injecting into the storage layer, and a current flow through the conductive layer near the charge storage layer to heat the charge storage layer, thereby rearranging the charges stored in the charge storage layer. Performing a heating step.
この第2の観点に係る不揮発性半導体メモリ装置およびその電荷注入方法によれば、極性が異なる第1電荷および第2電荷を半導体基板側あるいはソース・ドレイン領域側から順次注入してデータの書き換えを行い(データの書き込みおよび消去ステップ)、電荷蓄積層の近傍の加熱電極の一方端と他方端に電圧を印加して電流を流すと、そのジュール熱により電荷蓄積層が加熱される。そのため、注入されている電荷が電荷蓄積層内で再配置される。つまり第1電荷の分布と第2電荷の分布がずれている場合、その重なり部分では電荷が相殺されているが、重なってない部分に離れて残存している第1電荷と第2電荷がそれぞれ熱拡散し、加熱時間とともに徐々に相殺される。この加熱をある温度で一定時間以上行うと、他方の電荷量がゼロとなり、これ以上電荷量の変化が起こらない、電荷量としての熱平衡状態になる。 According to the nonvolatile semiconductor memory device and the charge injection method thereof according to the second aspect, the first charge and the second charge having different polarities are sequentially injected from the semiconductor substrate side or the source / drain region side to rewrite data. When a current is applied by applying a voltage to one end and the other end of the heating electrode in the vicinity of the charge storage layer (data writing and erasing step), the charge storage layer is heated by the Joule heat. Therefore, the injected charge is rearranged in the charge storage layer. That is, when the distribution of the first charge and the distribution of the second charge are deviated, the charge is canceled out in the overlapping portion, but the first charge and the second charge remaining apart in the non-overlapping portion are respectively It diffuses and gradually offsets with heating time. If this heating is performed at a certain temperature for a certain time or more, the other charge amount becomes zero, and a change in the charge amount does not occur any more and a thermal equilibrium state as a charge amount is obtained.
本発明の不揮発性半導体メモリ装置によれば、電位障壁絶縁膜において組成を変えてある一定範囲の部分(局部)の位置とサイズに応じて電荷蓄積層内の電荷の分布をある程度制御できるという利点がある。また、その電荷の注入効率を、その局部で高める、あるいは、弱めることが可能となる。
より詳細には、たとえば、電荷が発生する位置、メカニズムおよび注入の向きが異なることによって、どうしても蓄積電荷の分布が拡がってしまうような電荷に対して、その電荷の分布を狭くする、あるいは、その電荷の注入量を制御することができるように、上記局部の組成、電位障壁絶縁膜内における上記局部の位置とサイズ(あるいは平面形状)を適切に設定することによって、その電荷が電荷蓄積層に注入される範囲をある程度限定し、分布の拡がりを抑制することが可能となる。
このことは、その一方で、上記局部以外の電位障壁絶縁膜の部分を、窒素などが半導体基板に導入されずに、電荷保持の点から望ましい電位障壁高さが得られる組成にすることを可能にする。
以上の結果、メモリトランジスタの特性を低下させることなく、ある特定の電荷の注入効率を高め、あるいは蓄積電荷の分布を制御できる不揮発性半導体メモリ装置を実現することができる。
According to the nonvolatile semiconductor memory device of the present invention, the charge distribution in the charge storage layer can be controlled to some extent according to the position and size of a certain range portion (local part) whose composition is changed in the potential barrier insulating film. There is. In addition, the charge injection efficiency can be increased or decreased locally.
More specifically, for example, the charge distribution is narrowed with respect to a charge that would inevitably expand the distribution of the accumulated charge due to the difference in the position where the charge is generated, the mechanism, and the direction of the injection. By appropriately setting the composition of the local part and the position and size (or planar shape) of the local part in the potential barrier insulating film so that the amount of injected charge can be controlled, the charge is transferred to the charge storage layer. The injection range can be limited to some extent, and the spread of the distribution can be suppressed.
On the other hand, it is possible to make the portion of the potential barrier insulating film other than the above-mentioned local region a composition that can obtain a desired potential barrier height from the viewpoint of charge retention without introducing nitrogen or the like into the semiconductor substrate. To.
As a result, it is possible to realize a nonvolatile semiconductor memory device that can increase the efficiency of injecting a specific charge or control the distribution of accumulated charge without degrading the characteristics of the memory transistor.
また、本発明の他の不揮発性半導体メモリ装置およびその電荷注入方法によれば、第1電荷および第2電荷の一方の電荷に対する注入範囲を制限して、その電荷の蓄積時の分布を制御しても、まだ他方の電荷の分布とずれがある場合に、加熱により電荷の再配置を行うことができる。その結果、何れかの電荷量がゼロとなる、電荷量としての熱平衡状態にすることができる。第1および第2電荷の各電荷量は、書き込み時と消去時のバイアス印加条件などによりほぼ同じに制御できることから、このことと加熱による電荷の再配置とを組み合わせると、データの書き換え後に蓄積電荷量がほぼゼロの状態を常に整えることが可能である。その結果、データの書き換えを行う間に一方の電荷が徐々に溜まり、エンデュランス特性が低下する現象を有効に防止できるという利点がある。
また、データ書き換え動作が安定して行えることから、読み出し動作時のマージンを余分にとる必要がなく、読み出しに必要なしきい値電圧差(ウインドウ幅)が得られるだけの注入電荷量で済むという利点がある。
In addition, according to another nonvolatile semiconductor memory device of the present invention and its charge injection method, the injection range for one of the first charge and the second charge is limited to control the distribution of the charge during accumulation. However, if there is still a deviation from the other charge distribution, the charge can be rearranged by heating. As a result, it is possible to achieve a thermal equilibrium state as a charge amount in which any charge amount becomes zero. Since the charge amounts of the first and second charges can be controlled to be almost the same depending on the bias application conditions at the time of writing and erasing, if this is combined with the rearrangement of charges by heating, the accumulated charge after data rewriting is combined. It is possible to always keep the amount almost zero. As a result, there is an advantage that a phenomenon in which one charge gradually accumulates during data rewriting and the endurance characteristic is deteriorated can be effectively prevented.
In addition, since the data rewrite operation can be performed stably, there is no need to provide an extra margin during the read operation, and an advantage is that the injected charge amount is sufficient to obtain the threshold voltage difference (window width) necessary for the read operation. There is.
[第1の実施の形態]
本実施の形態の不揮発性半導体メモリ装置は、半導体基板と電荷蓄積層との間に介在する電位障壁絶縁膜の組成を局部的に変化させているメモリトランジスタを有する。このメモリトランジスタのゲート積層膜構造は、FG型でもよく、その場合に、局部的な電荷の注入または抜き取りの効率が向上するという利点がある。ただし、この電位障壁絶縁膜の構成がより効果的なのは、電荷トラップに電荷を注入するトラップゲート型に対してである。そこで以下に、トラップゲート型のうち、MONOSメモリトランジスタを有する場合を例として、第1の実施の形態を説明する。
なお、以下の説明において、MONOS型メモリトランジスタをMNOS型や微細粒子型に置き換えることが可能である。また、以下の説明ではNチャネル型について述べるが、P型の場合は、不純物の導電型と動作時のソースとドレインの電位関係を逆にすることで、以下の説明を類推適用できる。
[First Embodiment]
The nonvolatile semiconductor memory device of this embodiment includes a memory transistor in which the composition of the potential barrier insulating film interposed between the semiconductor substrate and the charge storage layer is locally changed. The gate laminated film structure of this memory transistor may be FG type, and in that case, there is an advantage that the efficiency of local charge injection or extraction is improved. However, the configuration of the potential barrier insulating film is more effective for the trap gate type in which charges are injected into the charge trap. Therefore, in the following, the first embodiment will be described using a trap gate type having a MONOS memory transistor as an example.
In the following description, it is possible to replace the MONOS type memory transistor with an MNOS type or a fine particle type. In the following description, the N-channel type is described. In the case of the P-type, the following description can be applied by analogy by reversing the impurity conductivity type and the potential relationship between the source and drain during operation.
図1に、第1の実施の形態にかかるMONOSメモリトランジスタの概略的な断面構造を示す。
このメモリトランジスタ1はP型の半導体基板2に形成されている。ここで、「半導体基板」は、P型の単結晶シリコンなどの基板のほかに、半導体基板に形成されているP型ウェル、あるいは、半導体または他の材料の基板の主面に絶縁層を介して形成されている、いわゆるSOI構造のP型半導体層、さらには、基板上の積層構造に形成されている薄膜トランジスタのP型半導体材料層などであってもよい。
とくに図示しないが、メモリトランジスタ1は、これをマトリックス状に多数配置してなるメモリセルアレイを構成している。メモリトランジスタは、行方向または列方向の共通線、たとえばビット線やソース線によって接続または結合され、これらの共通線を介してバイアス電圧が印加可能になっている。また、各共通線に所定の電圧を供給してメモリセルアレイを動作させる周辺回路がメモリセルアレイの周囲に設けられている。
FIG. 1 shows a schematic cross-sectional structure of a MONOS memory transistor according to the first embodiment.
The
Although not particularly illustrated, the
半導体基板2の上に、第1の電位障壁絶縁膜4、電荷蓄積層5、第2の電位障壁絶縁膜6およびゲート電極7からなるゲート積層膜3が形成されている。ゲート積層膜3のうち、少なくともゲート電極7、あるいは、これを共通接続する共通線が列方向に長いライン状に形成されている。図1は、この共通線の配線方向と直行する方向の断面図である。
On the
ゲート積層膜3の両側の端部とそれぞれ平面パターン上で一部重なる基板位置に、N型の不純物領域が導入されて2つのソース・ドレイン領域8および9が形成されている。この2つのソース・ドレイン領域8と9の間の基板表面部に動作時にチャネルが形成される(以下、この基板表面部をチャネル形成領域という)。2つのソース・ドレイン領域8および9のそれぞれは、通常、LDDあるいはエクステンションと称される領域をチャネル形成領域の内側部分に備えることが多い。ただし、2つのソース・ドレイン領域8および9は、ゲート電極7と端部が重なっていれば、それらの領域を備えることが必須ではない。
Two source /
電荷蓄積層5は、窒化シリコン、酸化窒化シリコン、あるいはその他の、酸化シリコンより電荷トラップ密度が高い金属酸化膜などの絶縁材料により構成される。
第2の電位障壁絶縁膜6は、通常、酸化シリコンの膜から構成される。
ゲート電極7は、不純物を添加したドープド・ポリシリコンの単層構造、または、ドープド・ポリシリコンと高融点金属合金(シリサイド)層の2層構造となっている。
The
The second potential
The
第1の電位障壁絶縁膜4は、本実施の形態の特徴的な構成であり、平面パターンでみた領域として、チャネル形成領域の大部分と重なる主部4Aと、局部4Bとから構成される。主部4Aと局部4Bは異なる組成を有し、通常は、同一の膜を形成して、その一部の組成を変化させることにより形成される。この組成を異ならしめる理由は、チャネル形成領域に接する絶縁膜部分(主部4A)を電流チャネルおよびトランジスタ特性に悪影響を与えない材質(たとえば、熱酸化により形成される酸化シリコン)で形成し、同時に、電荷蓄積層5に蓄積されたときの分布が拡がってしまうような電荷の注入箇所の範囲をある程度限定するためである。電荷注入箇所を限定するには、その電荷の注入効率を、その限定したい箇所(局部4B)で高める必要があり、そのためには局部4Bにおいて、基板側から電荷蓄積層5に向かう当該電荷に対する電位障壁高さを、主部4Aの電位障壁高さより低くしている。
The first potential
このような要件を満せば主部4Aと局部4Bの材質は任意であり、電荷注入法に応じて適切な材質を選択することができる。本例では、データの書き込み時にホットエレクトロン(HE)を電荷蓄積層5のドレイン(ソース・ドレイン領域9)側部分に注入し、データの消去時にホットホール(HH)をドレイン側で発生させ、電荷蓄積層5の電子注入領域に注入する場合である。Nチャネル型メモリトランジスタの場合に電子を注入すると、そのしきい値電圧が上昇する。メモリセルアレイ内で電子を注入するメモリトランジスタを任意に選択することにより、データの書き込みが行われ、読み出し時にゲートに印加される電圧による電界を、注入された電子が弱める働きをすることから、電子注入がなされたメモリトランジスタではチャネルが形成されず、電子注入がなされなかったメモリトランジスタではチャネルが形成される。このチャネル電流の流れる、流れないに対応して変化するソース・ドレイン領域の電位をセンシングすることによりデータを読み出す。一方、データの消去では、ホールを注入することにより、先に注入した電子を打ち消して、しきい値電圧を初期状態に戻す。
なお、データの書き込みと消去の定義は、メモリセルアレイ方式に依存して逆の場合もある。つまり、全てのメモリトランジスタに電子を注入した状態が消去状態であり、任意のメモリセルにホールを注入しデータの書き込みを行ってもよい。
If these requirements are satisfied, the material of the
Note that the definition of data writing and erasing may be reversed depending on the memory cell array system. That is, the state in which electrons are injected into all the memory transistors is the erased state, and data may be written by injecting holes into an arbitrary memory cell.
本例で前提とする電荷注入法に適した望ましい第1の電位障壁絶縁膜4では、その局部4Bを、その主部4Aの組成より窒素の比率が大きい組成とすることが望ましい。たとえば、第1の電位障壁絶縁膜4の構成例を一つ挙げるとするならば、その主部4Aを熱酸化により形成される酸化シリコンから構成し、その局部4Bを窒化シリコンまたは酸化窒化シリコンから構成することが望ましい。これにより、ホールを基板側から注入するときの電位障壁高さが、主部4Aに比べ局部4Bで低くなる。これに対し、電子を基板側から注入するときの電位障壁高さは、主部4Aと局部4Bで余り変わらない。
なお、この材質の選択においては、上記要件に加えて、局部4Bに接する電荷蓄積層5の部分の電荷保持特性が、主部4Aに接する電荷蓄積層5の部分の電荷保持特性と同等以上となるような観点を加味して材質の選択を行うことが、より望ましい。
In the desirable first potential
In the selection of this material, in addition to the above requirements, the charge retention characteristic of the portion of the
本例の場合、電子を注入する方法としてCHE注入法を採用する。
CHE注入法では、ソースとなるソース・ドレイン領域8の電位を基準としてドレインとなる他のソース・ドレイン領域9に正の電圧を印加し、ゲート(ゲート電極7)に正の電圧を印加する。このとき電子が誘起されてチャネルが形成され、チャネル内を走行する電子が横方向の電界に加速されてホットエレクトロン(HE)となる。その一部は、主部4Aと局部4Bの境界付近の直下で高いエネルギーを得て、第1の電位障壁絶縁膜4の電位障壁を乗り越えて電荷蓄積層5の局部4A上付近の部分に注入され、そのトラップに捕獲される。
一方、ホールの注入時に、ドレインとなるソース・ドレイン領域9に正の電圧を印加し、ソースとなるソース・ドレイン領域8をより低い一定電圧(たとえば、接地電圧)または電気的オープン状態とし、ゲート電極7に負の電圧を印加する。ゲート電圧が負極性であることから、その下方のソース・ドレイン領域9の端部でマイノリティキャリア(ホール)の蓄積層が誘起され、価電子帯の電子が伝導帯にトンネルすることにより、あるいはアバランシェ効果により電子とホールの対が生じ、そのうちホールの一部が垂直方向(および水平方向)の電界に加速されてホットホール(HH)となる。そして、第1の電位障壁絶縁膜4の電位障壁を乗り越えて電荷蓄積層5の局部4A上付近の部分に注入される。このとき、ソースを一定電圧で保持すると横方向電界が強まり、ソースをオープンとすると横方向には電界がかからならいことから、これによりホールの注入範囲をある程度制御できる。
In this example, the CHE injection method is adopted as a method for injecting electrons.
In the CHE injection method, a positive voltage is applied to the other source /
On the other hand, when holes are injected, a positive voltage is applied to the source /
CHE注入法では、下記の問題点が指摘できる。
すなわち、極性の異なる電荷を順次注入することによりデータを書き換える場合、一般に、その一方の電荷の電荷蓄積層内での分布が他方の分布に比べて小なりとも拡がってしまう。本例では、電子はある電界を境に急激にホットエレクトロンの発生確率が増えることから、その電荷蓄積層内での分布は比較的に急峻となる。この電子の注入量と分布中心は、CHE注入時のバイアス電圧の印加条件を制御してある程度制御可能である。ところがホールの場合、その注入時にソースを一定電圧で保持すると横方向電界が強まり、ソースをオープンとすると横方向に電界がかからないことから、これによりホールの注入範囲をある程度制御できるものの、その制御可能な範囲は狭い。むしろ、ホールの場合、その発生部分が面状に拡がっていることから、電子に比べホールの分布が拡がりやすい。
The CHE injection method can point out the following problems.
That is, when data is rewritten by sequentially injecting charges having different polarities, generally, the distribution of one charge in the charge storage layer is expanded even if it is smaller than the other distribution. In this example, the probability of generation of hot electrons suddenly increases with a certain electric field as a boundary, so that the distribution in the charge storage layer is relatively steep. The electron injection amount and the distribution center can be controlled to some extent by controlling the bias voltage application conditions during CHE injection. However, in the case of holes, if the source is held at a constant voltage at the time of injection, the lateral electric field is strengthened, and if the source is opened, no electric field is applied in the lateral direction. The range is narrow. Rather, in the case of holes, the distribution of holes is easier to spread than electrons because the generated part is spread in a planar shape.
したがって、分布が比較的狭く捕獲密度が高い電子に対し、ホールを比較的広い範囲に注入して中和するには、どうしてもホールの注入量を多くして、過剰にホールを注入することになる。その結果、電荷蓄積層5中にホールが過剰に残留することとなる。つぎのデータ書き換え時には、このホールが残留した状態をイニシャルの状態として、繰り返しデータの書き換えが行われる。データの書き換えごとに、電子やホールの注入位置が多少ともずれるのが普通であり、そのため、何度も書き換えを繰り返している間に、ホールの残留範囲が徐々に拡がり、その結果、電荷蓄積層5中のホールの蓄積量が徐々に増えていく。
Therefore, in order to inject holes into a relatively wide range and neutralize electrons with a relatively narrow distribution and a high capture density, it is necessary to increase the amount of holes injected and inject holes excessively. . As a result, excessive holes remain in the
電荷蓄積層5にホールが蓄積された状態で、つぎのデータ書き換えサイクルが行われ、電子を注入してデータの書き込みを行うと、その注入された電子の一部が中和されて、その中和量が多いほど電子の注入量に対する蓄積量の割合が小さくなる。また、このとき中和に寄与できなかったホールは引き続き蓄積されることから、その蓄積量が徐々に増えることになる。データの書き換えを何度も行う間にホールの蓄積量が増えれば増えるだけ、その後のデータ書き込みでは、しきい値電圧の上昇に寄与する蓄積電子の量が減って、十分な書き込み後のしきい値電圧が得られにくくなる。つまり、データ書き換え特性(エンデュランス特性)の低下が起こる。
また、過剰なホール注入を必要とすることから、膜質が低下して電荷保持特性の低下も起こりやすくなる。この膜質低下までは起こらない場合でも、電荷の拡散速度は低いが長時間の放置時の相互拡散により電荷が再結合して中和し、結果的に、電荷量が減少し、保持電荷が抜けていくリテンション特性が低い場合と同じ現象を招く。
さらに、もともとホールの注入効率が低いことから消去時間が長い上に、エンデュランス特性の低下を防止しようとすれば、消去時間をさらに長くせざるを得ない。
When holes are accumulated in the
Further, since excessive hole injection is required, the film quality is deteriorated and the charge retention characteristics are likely to be deteriorated. Even if this film quality degradation does not occur, the charge diffusion rate is low, but the charges recombine and neutralize due to mutual diffusion when left for a long time, resulting in a decrease in charge amount and loss of retained charge. This leads to the same phenomenon as when the retention characteristics are low.
Further, since the hole injection efficiency is originally low, the erasing time is long, and if the endurance characteristic is prevented from being lowered, the erasing time must be further increased.
本実施の形態では、このような問題を解決するために、第1の電位障壁絶縁膜4の組成を、ホールの注入位置付近の局部4Bで他の部分と変えている。その局部4Bの位置は、電子の注入位置との関係で適切な位置に変更可能であり、また、そのチャネル方向(図の横方向)のサイズも適切なものに変更可能である。ただし局部4Bは、図1に示すように、ホールの発生源であるソース・ドレイン領域9の端部と少なくとも一部が重なっている必要がある。このため、電子が電荷蓄積層5の端部よりやや内側に注入され、電荷蓄積層5の端部にホールを入れたくない場合は、局部4Aの外側部分に、さらに主部4Aと同じ材料からなる部分を設けることも可能である。
また、図1ではチャネル電流が流れる方向の両側に局部4Bが形成されているが、少なくともドレインとなる片側に設けるとよい。後述するように、製造方法によっては両側に形成される場合もあり、また、積極的な意味で局部4Bを両側に設ける場合もある。たとえば、ソースとドレインを入れ替えた複数回の書き込みにより、チャネル電流方向両端部の2箇所のそれぞれに2値(または多値)のデータを書き込むことも可能である。
In the present embodiment, in order to solve such a problem, the composition of the first potential
Further, in FIG. 1, the
本実施の形態におけるメモリトランジスタ構造では、ホールの注入範囲が電子の注入範囲との関係で適切な位置で狭くなり、かつ、そのホールの基板側からの電位障壁高さが低くなって注入効率が向上することから、短時間で電子を中和し、かつ、ホールの残留を防止し、あるいは、ホールの残留量を大幅に低減することが可能となる。これにより、エンデュランス特性およびリテンション特性の低下が有効に防止できる。 In the memory transistor structure in the present embodiment, the hole injection range is narrowed at an appropriate position in relation to the electron injection range, and the potential barrier height from the substrate side of the hole is lowered, so that the injection efficiency is improved. As a result, the electrons can be neutralized in a short time, and the remaining of holes can be prevented, or the remaining amount of holes can be greatly reduced. Thereby, it is possible to effectively prevent the endurance characteristic and the retention characteristic from being lowered.
つぎに、この構造を得るための一製造方法例を説明する。
図2(A)〜図4(B)に、この製造途中の断面図を示す。
メモリトランジスタを形成する半導体基板2として、たとえばN型半導体基板に形成されているPウェルを用いる場合、このPウェルを不図示の素子分離絶縁層やN型半導体基板に囲まれるように形成する。半導体基板2(Pウェル)に対し必要に応じてしきい値電圧調整を行った後、Pウェル表面部を熱酸化して、図2(A)に示すように、酸化シリコン(SiO2)膜4Cをたとえば2〜10nm程度形成する。このSiO2膜4Cは、後に、MONOS型メモリトランジスタ1の第1の電位障壁絶縁膜4となる膜である(図1参照)。
Next, an example of a manufacturing method for obtaining this structure will be described.
FIG. 2A to FIG. 4B are cross-sectional views during the manufacturing.
For example, when a P-well formed on an N-type semiconductor substrate is used as the
つぎに、図2(B)に示すように、たとえば4〜20nm程度の窒化シリコン(SiN)の膜5AをCVDにより堆積する。シリコン窒化膜5Aを堆積する前に、SiO2膜4C表面を、CVD炉内で窒素化処理することにより、シリコン窒化膜5Aの成膜時の制御性向上、および、シリコン窒化膜5A表面の凹凸を減らす手法を用いることが可能である。このシリコン窒化膜5Aは、後に、MONOS型メモリトランジスタ1の電荷蓄積層5となる膜である(図1参照)。
続いて、CVDを行うか、あるいは、シリコン窒化膜5Aの表面部を酸化することにより、図2(B)に示すように、3〜10nm程度のシリコン酸化(SiO2)膜6Aを形成する。このSiO2膜6Aは、後に、MONOS型メモリトランジスタ1の第2の電位障壁絶縁膜6となる膜である(図1参照)。
Next, as shown in FIG. 2B, a silicon nitride (SiN)
Subsequently, by performing CVD or oxidizing the surface portion of the
第2の電位障壁絶縁膜となるSiO2膜6Aの上に、ゲート電極となる導電体膜7Aを堆積する。この導電体膜7Aの具体例としては、高濃度に不純物を含むポリシリコン、あるいは、このポリシリコン上にタングステン(W)などの高融点金属を含むシリサイド膜を積層した膜などが挙げられる。この導電体膜7Aは、後に、MONOS型メモリトランジスタ1のゲート電極7となる(図1参照)。
A conductor film 7A serving as a gate electrode is deposited on the SiO 2 film 6A serving as a second potential barrier insulating film. Specific examples of the conductor film 7A include polysilicon containing impurities at a high concentration, or a film in which a silicide film containing a refractory metal such as tungsten (W) is stacked on the polysilicon. This conductor film 7A will later become the
つぎに、フォトリソグラフィ工程とドライエッチング工程により、導電体膜7A、第2の電位障壁絶縁膜となるSiO2膜6A、電荷蓄積層となるSiN膜5A、第1の電位障壁絶縁膜となるSiO2膜4Cをパターンニングし、図3(A)に示すように、ゲート積層膜3を形成する。
Next, by a photolithography process and a dry etching process, the conductor film 7A, the SiO 2 film 6A serving as the second potential barrier insulating film, the
つぎに、このゲート積層膜3(および不図示の素子分離絶縁層)を自己整合マスクとしたイオン注入により、N型不純物を半導体基板1の表面部分に導入する。この不純物の導入部分は活性化アニール後に、図3(B)に示す2つのソース・ドレイン領域8および9となる。
Next, an N-type impurity is introduced into the surface portion of the
つぎに、たとえば50〜200nm程度のシリコン酸化(SiO2)膜からなる保護膜10をCVDにより堆積する。このとき比較的ステップカバレッジが悪い条件を選び、図4(A)に示すように、とくにゲート積層膜3の段差下部、すなわちゲート積層膜3と半導体基板2とが接する境界付近でCVD堆積膜(保護膜10)が最も薄くなるようにする。
つぎに、たとえばフッ酸(HF)系のエッチャントを用いたウエットエッチングを行い、保護膜10を表面から一定量除去する。このときの等方エッチング量は、保護膜10のステップカバレッジの程度に応じて最適なものに決められる。これによりエッチング後の状態で、ゲート積層膜3のうち、少なくともゲート電極7の表面と第2の電位障壁絶縁膜6の端面が保護膜10に覆われ、かつ、第1の電位障壁絶縁膜となるSiO2膜4Cの端面が露出する。
Next, a
Next, wet etching using, for example, a hydrofluoric acid (HF) etchant is performed to remove a certain amount of the
その後、この露出したSiO2膜4Cの端面から熱窒化を行う。このときの熱窒化の処理としては、たとえば、アンモニア(NH3)を含む雰囲気中で1000℃、30秒程度の短時間熱窒化(RTN)処理を行うことが望ましい。これにより、図4(B)に示すように、SiO2膜4Cの両端部に、窒化シリコンからなる局部4Bが形成され、これによって、第1の電位障壁絶縁膜4は、その2つの局部4Bにおいて、その間の領域である主部4Aと組成が変化する。
なお、局部4Bのチャネル電流方向のサイズは、この窒化処理の条件により制御されて最適化される。また、さらに第1の電位障壁絶縁膜の端部にSiO2からなる領域を形成したい場合には、窒化処理の後に、これによりできたSiN部の一部を酸化するとよい。さらに、局部4Bを片側にのみ形成する場合には、図4(A)に示す工程と図4(B)に示す工程との間に、ソース側のみ覆う第2の保護膜を形成する工程を追加するとよい。
Thereafter, thermal nitridation is performed from the exposed end face of the SiO 2 film 4C. As the thermal nitridation process at this time, it is desirable to perform a short-term thermal nitridation (RTN) process at 1000 ° C. for about 30 seconds in an atmosphere containing ammonia (NH 3 ), for example. As a result, as shown in FIG. 4B,
Note that the size of the local 4B in the channel current direction is controlled and optimized by the conditions of the nitriding treatment. Further, when it is desired to form a region made of SiO 2 at the end of the first potential barrier insulating film, it is preferable to oxidize a part of the SiN portion formed thereby after nitriding. Further, in the case where the
その後は、層間絶縁膜の堆積、電極取出しの形成(コンタクトおよび共通配線の形成)を行い、MONOS型メモリトランジスタを完成させる。
上記のような製法により、種々の利点がある図1に示す構成のMONOS型メモリトランジスタを簡単な工程を追加するだけで容易に実現することができる。
Thereafter, deposition of an interlayer insulating film and formation of electrodes (formation of contacts and common wiring) are performed to complete a MONOS type memory transistor.
By the manufacturing method as described above, the MONOS type memory transistor having various advantages shown in FIG. 1 can be easily realized by adding a simple process.
[第2の実施の形態]
本実施の形態は、電荷の再配置ステップを含むデータ書き換え手順(電荷注入方法)と、そのために必要な追加の構成を具備する不揮発性半導体メモリ装置に関する。
この不揮発性半導体メモリ装置は、図1に示す電荷蓄積層5の近傍で電流が流れることにより加熱する加熱電極を備え、その加熱電極に電圧を印加して電流を流すための回路をメモリセルアレイの周辺回路内に有する点で、第1の実施の形態と異なる。この加熱電極は、ゲート電極7とは別途設けてもよいが、製造プロセスをより簡素にするためには、ゲート電極7を加熱電極と兼用させることが望ましい。以下、この望ましい実施例を説明する。
ゲート電極7と加熱電極とを兼用させることから、ベースとなるメモリトランジスタ構造そのものは図1と同じであり、本実施の形態においても図1がそのまま適用できる。あるいは、第1の電位障壁絶縁膜4に組成が異なる局部4Bを設けていない通常のMONOS型メモリトランジスタ構造であってもよい。さらに、MONOS型以外のトラップゲート型(たとえば、MNOS型や微細粒子型)にも、本実施の形態のデータ書き換え手順(電荷注入方法)と、そのために必要な構成が適用可能である。
[Second Embodiment]
The present embodiment relates to a data rewrite procedure (charge injection method) including a charge rearrangement step and a nonvolatile semiconductor memory device having an additional configuration necessary for the data rewrite procedure.
This nonvolatile semiconductor memory device includes a heating electrode that heats when a current flows in the vicinity of the
Since the
図5は、データ書き換えの手順を示すフロー図である。
周辺回路がデータ書き換えの指示を受けると、ステップST1において、メモリセルアレイに供給する電圧値と、その供給先を制御して第1電荷(電子またはホール)の注入を行う。また続くステップST2において、周辺回路がメモリセルアレイに供給する電圧値と、その供給先を制御して第2電荷(電子またはホール)の注入を行う。第1電荷と第2電荷に逆極性の電荷であり、第1電荷が電子で第2電荷がホールの場合、第1電荷がホールで第2電荷が電子の場合の2通りがある。以下の説明では、第1電荷として電子を注入してデータの書き込みを行い、第2電荷としてホールを注入してデータの消去を行う第1の実施の形態と同じ電荷注入方法を前提とする。その具体的な電圧印加の方法と電荷注入のメカニズムは第1の実施の形態で既に述べたので、ここでの説明を省略する。
FIG. 5 is a flowchart showing a data rewriting procedure.
When the peripheral circuit receives a data rewrite instruction, in step ST1, the voltage value supplied to the memory cell array and the supply destination are controlled to inject the first charge (electrons or holes). In the subsequent step ST2, the second charge (electrons or holes) is injected by controlling the voltage value supplied to the memory cell array by the peripheral circuit and the supply destination. When the first charge is an electron and the second charge is a hole, the charge is opposite in polarity to the first charge and the second charge, and there are two cases where the first charge is a hole and the second charge is an electron. In the following description, it is assumed that the same charge injection method as that of the first embodiment in which data is written by injecting electrons as the first charge and data is erased by injecting holes as the second charge. Since the specific voltage application method and charge injection mechanism have already been described in the first embodiment, description thereof is omitted here.
つぎに、ステップST3において、電荷の再配置のために加熱処理を行う。図6に、加熱電極に電圧を供給するための構成を含む周辺回路の一部を図解する。
図6に示すように、メモリセルアレイ20は、メモリトランジスタ1からなるメモリセルが行列状に多数配置され、その行方向の共通線としてn本のワード線WL1〜WLnを有する。ワード線WL1〜WLnは、孤立したワード電極7を共通に接続する上層の配線層であってもよいが、通常は、ゲート電極7を行方向に長い配線として形成し、これをワード線WL1〜WLnとして用いている。なお、このようにゲート電極7をそのままワード線WL1〜WLnとして用いると、それを加熱電極として機能させるときの加熱効率が良く、より望ましい。
Next, in step ST3, heat treatment is performed for charge rearrangement. FIG. 6 illustrates a part of a peripheral circuit including a configuration for supplying a voltage to the heating electrode.
As shown in FIG. 6, the
周辺回路23は、第1の電圧供給回路21と第2の電圧供給回路22とを含む。
第1の電圧供給回路21は、図5に示すステップST1とST2に相当する通常のデータの書き込みと消去の動作時に、必要なワード線WL1〜WLnを順次選択し、選択したワード線に必要な値のゲート動作電圧を供給するための回路であり、ここではアドレス信号ADRを入力してデコードするロウデコーダの一機能として設けられている。
The peripheral circuit 23 includes a first voltage supply circuit 21 and a second voltage supply circuit 22.
The first voltage supply circuit 21 sequentially selects the necessary word lines WL1 to WLn during normal data writing and erasing operations corresponding to steps ST1 and ST2 shown in FIG. 5, and is necessary for the selected word line. This is a circuit for supplying a gate operating voltage of a value, and is provided here as a function of a row decoder that receives and decodes an address signal ADR.
第2の電圧供給回路22は第1の電圧供給回路21と反対側のワード線端に接続され、2つの機能を有する。第1の機能は、通常のデータの書き込みと消去の動作時に、このワード線端を電気的オープン状態にして、異なるワード線に対して第1の電圧供給回路21による異なる動作電圧の印加を可能とする機能である。第2の機能は、図5に示すステップST3において、第1の電圧供給回路21と連携動作して、加熱すべきワード線を選択し、その選択したワード線の一方端と他方端に所定の加熱電圧を印加させる機能である。したがって、第2の電圧供給回路22にもロウデコーダの機能が必要であり、そのためにアドレス信号ADRが第2の電圧供給回路22にも入力可能となっている。 The second voltage supply circuit 22 is connected to the word line end opposite to the first voltage supply circuit 21 and has two functions. The first function is to allow the first voltage supply circuit 21 to apply different operating voltages to different word lines by making the word line ends electrically open during normal data write and erase operations. It is a function. In the second function, in step ST3 shown in FIG. 5, the word line to be heated is selected in cooperation with the first voltage supply circuit 21, and a predetermined value is applied to one end and the other end of the selected word line. This is a function of applying a heating voltage. Therefore, the second voltage supply circuit 22 also needs a function of a row decoder, so that the address signal ADR can be input to the second voltage supply circuit 22.
なお、加熱電圧の印加は、メモリセルアレイ20の全てのワード線に一括して行ってもよく、また、メモリセルアレイ20を構成するブロックごとに行ってもよい。
また、加熱電圧自体を、不揮発性メモリの外部端子から供給する構成であってもよい。
The heating voltage may be applied to all the word lines of the
Moreover, the structure which supplies heating voltage itself from the external terminal of a non-volatile memory may be sufficient.
一般に抵抗体を通電すると、ジュール熱により抵抗体は多少なりとも発熱するが、その発熱量q[J/s]はq=I2・Rの式で決まる(I:抵抗体を流れる電流[A]、R:抵抗体の抵抗値[Ω])。また、放熱や熱伝導を考慮しない場合の抵抗体の温度上昇量ΔT(℃)は、ΔT=(ρ・C・V・t)/qの式により求めることができる。ここで、「ρ」は抵抗体の密度[kg/m3]、「C」は抵抗体の比熱[J/kg・K]、「V」は抵抗体の体積[m3]、「t」は通電時間を表す。 In general, when a resistor is energized, the resistor generates heat somewhat due to Joule heat, but the amount of heat generated q [J / s] is determined by the equation q = I 2 · R (I: current flowing through the resistor [A ], R: resistance value [Ω] of the resistor. Further, the temperature rise ΔT (° C.) of the resistor when heat dissipation and heat conduction are not taken into account can be obtained by the equation ΔT = (ρ · C · V · t) / q. Here, “ρ” is the density [kg / m 3 ] of the resistor, “C” is the specific heat [J / kg · K] of the resistor, “V” is the volume [m 3 ] of the resistor, and “t”. Represents energization time.
ステップST3においては、電荷蓄積層5内の電子の分布とホールの分布の拡がり具合、分布中心のズレの程度にもよるが、たとえば電荷蓄積層5を300〜600℃程度の温度において1m秒〜100秒程度加熱する。
この電荷蓄積層5を300〜600℃程度の温度まで上昇させるために、たとえば、放熱や熱伝導を考慮しないとする仮定においての一例として、ワード線WL1〜WLnが厚さ400nmのポリシリコンからなり、必要な長さが0.5mmの場合に、その幅を0.5〜1.5μmとする必要がある。この幅は現実的な数値であり、ワード線を用いた加熱が可能であることが分かる。ワード線材料がタングステン・シリコン(WSi)であり、その長さが1.0mmで厚さが300nmの場合に、上記加熱温度を得るために必要な幅は0.2〜1.0μmとなる。また、ワード線材料がコバルト・シリコン(CoSi)であり、その長さが2.0mmで厚さが300nmの場合に、上記加熱温度を得るために必要な幅は0.1〜0.7μmとなる。
In step ST3, depending on the distribution of electrons and the distribution of holes in the
In order to raise the
電荷蓄積層(窒化膜)5中の電荷の拡散速度を比較した場合、電子の拡散速度よりもホールの拡散速度が速い。もちろん電子も拡散するが、この場合にホールの拡散速度が電子より速いので、ある程度高い温度で所定時間以上加熱すると、電子をホールによって完全に中和することができる。 When the charge diffusion rates in the charge storage layer (nitride film) 5 are compared, the hole diffusion rate is faster than the electron diffusion rate. Of course, electrons also diffuse, but in this case, the diffusion rate of holes is faster than that of electrons. Therefore, when heated at a certain high temperature for a predetermined time or more, the electrons can be completely neutralized by the holes.
図7(A)と図7(B)に、加熱によってキャリアが中和される様子を模式的に示す。
加熱前の状態では、図7(A)に示すように、電荷蓄積層5内で電子の分布領域とホールの分布領域が一部重なっているとする。キャリア濃度Ncで見ると、分布領域が重なっている部分ではキャリア濃度Ncがほぼゼロとなって中和されている。このため、キャリア濃度Ncとして2つの濃度分布が存在する。
これが加熱後には図7(B)に示すようになる。各キャリア分布領域は拡散により拡がるが、ホールの拡散速度が大きいので最終的にはほぼ全ての電子がホールによって中和され、キャリア濃度Ncがほぼゼロの状態を達成できる。
FIG. 7A and FIG. 7B schematically show how carriers are neutralized by heating.
In the state before heating, it is assumed that the electron distribution region and the hole distribution region partially overlap in the
This is as shown in FIG. 7B after heating. Although each carrier distribution region is expanded by diffusion, since the diffusion rate of holes is high, finally, almost all electrons are neutralized by holes, and a state where the carrier concentration Nc is almost zero can be achieved.
本実施の形態によれば、加熱により電荷の再配置を行うことができ、その結果、電子とホールの何れかの電荷量がゼロとなる、電荷量としての熱平衡状態を実現することができる。電子とホールの各電荷量は、書き込み時と消去時のバイアス印加条件などによりほぼ同じに制御できることから、このことと加熱による電荷の再配置とを組み合わせると、データの書き換え後に蓄積電荷量がほぼゼロの状態を常に整えることが可能である。その結果、データの書き換えを行う間に一方の電荷が徐々に溜まり、エンデュランス特性やりテンション特性が低下する現象を有効に防止できるという利点がある。
また、データ書き換え動作が安定して行えることから、読み出し動作時の電圧マージンを余分にとる必要がなく、読み出しに必要なしきい値電圧差(ウインドウ幅)が得られるだけの注入電荷量で済む。このため、本実施の形態では、メモリトランジスタの低電圧化や微細化が進めやすいという利点がある。
According to the present embodiment, it is possible to rearrange charges by heating, and as a result, it is possible to realize a thermal equilibrium state as a charge amount in which the charge amount of either electrons or holes becomes zero. Since the amount of charges of electrons and holes can be controlled to be almost the same depending on the bias application conditions at the time of writing and erasing, when this is combined with the rearrangement of charges by heating, the amount of accumulated charges after data rewriting is almost the same. It is possible to always fix the zero state. As a result, there is an advantage that the phenomenon in which one charge gradually accumulates during data rewriting and the endurance characteristic and the tension characteristic deteriorate can be effectively prevented.
Further, since the data rewrite operation can be performed stably, it is not necessary to take an extra voltage margin during the read operation, and an injection charge amount sufficient to obtain a threshold voltage difference (window width) necessary for the read operation is sufficient. For this reason, in this embodiment, there is an advantage that the memory transistor can be easily reduced in voltage and miniaturized.
1…メモリトランジスタ、2…半導体基板、3…ゲート積層膜、4…第1の電位障壁絶縁膜、4A…主部、4B…局部、5…電荷蓄積層、6…第2の電位障壁絶縁膜、7…ゲート電極、8,9…ソース・ドレイン領域、10…保護膜、20…メモリセルアレイ、21…第1の電圧供給回路、22…第2の電圧供給回路、23…周辺回路
DESCRIPTION OF
Claims (9)
前記ゲート積層膜は電荷蓄積層と半導体基板との間に介在する電位障壁絶縁膜を含み、
当該電位障壁絶縁膜は、その2つのソース・ドレイン領域の離間方向で一定の範囲に位置する局部が他の部分の組成と異なる組成を有している
不揮発性半導体メモリ装置。 A gate laminated film including a charge storage layer formed on the first conductive type semiconductor substrate, and two source / drain regions of the second conductive type formed on the semiconductor substrate on both ends of the gate laminated film in one direction; A non-volatile semiconductor memory device comprising:
The gate laminated film includes a potential barrier insulating film interposed between the charge storage layer and the semiconductor substrate,
The non-volatile semiconductor memory device, wherein the potential barrier insulating film has a composition in which a local portion located in a certain range in the separation direction of the two source / drain regions is different from the composition of other portions.
請求項1に記載の不揮発性半導体メモリ装置。 The nonvolatile semiconductor memory device according to claim 1, wherein the local portion of the potential barrier insulating film has a composition in which a ratio of nitrogen is higher than a portion of the potential barrier insulating film other than the local portion.
当該電位障壁絶縁膜の局部の少なくとも一部が、平面パターン上でソース・ドレイン領域と重なっている
請求項1に記載の不揮発性半導体メモリ装置。 A local portion of the potential barrier insulating film is formed on at least one side of the two source / drain regions;
The nonvolatile semiconductor memory device according to claim 1, wherein at least a part of a local portion of the potential barrier insulating film overlaps with the source / drain region on the planar pattern.
当該加熱電極に電圧を印加し電荷蓄積層を加熱するための電圧印加手段と、
をさらに有する請求項1に記載の不揮発性半導体メモリ装置。 A heating electrode formed in the vicinity of the charge storage layer;
Voltage application means for applying a voltage to the heating electrode to heat the charge storage layer;
The nonvolatile semiconductor memory device according to claim 1, further comprising:
ゲート電極の一方端から動作電圧を供給する第1の電圧供給回路と、
動作時にゲート電圧の他方端を電気的オープン状態とし、加熱時に当該ゲート電圧の他方端から所定電圧を供給する第2の電圧供給回路と、
をさらに有する請求項1に記載の不揮発性半導体メモリ装置。 A line-shaped gate electrode extending in a direction different from the separation direction of the two source / drain regions through the gate laminated film;
A first voltage supply circuit for supplying an operating voltage from one end of the gate electrode;
A second voltage supply circuit that electrically opens the other end of the gate voltage during operation and supplies a predetermined voltage from the other end of the gate voltage during heating;
The nonvolatile semiconductor memory device according to claim 1, further comprising:
電荷蓄積層の近傍に形成されている加熱電極と、
当該加熱電極の一方端と他方端との間に電圧を供給して、当該加熱電極に電流を流す電圧供給手段と
を有する不揮発性半導体メモリ装置。 A non-volatile semiconductor memory device having a gate stacked film including a charge storage layer formed on a semiconductor substrate,
A heating electrode formed in the vicinity of the charge storage layer;
A non-volatile semiconductor memory device, comprising: voltage supply means for supplying a voltage between one end and the other end of the heating electrode and causing a current to flow through the heating electrode.
ゲート電極の一方端から動作電圧を供給する第1の電圧供給回路と、
動作時にゲート電圧の他方端を電気的にオープン状態とし、加熱時に当該ゲート電圧の他方端から所定電圧を供給する第2の電圧供給回路と、
を有する請求項6に記載の不揮発性半導体メモリ装置。 A line-shaped gate electrode extending in a direction different from the separation direction of the two source / drain regions through the gate laminated film;
A first voltage supply circuit for supplying an operating voltage from one end of the gate electrode;
A second voltage supply circuit that electrically opens the other end of the gate voltage during operation and supplies a predetermined voltage from the other end of the gate voltage during heating;
The non-volatile semiconductor memory device according to claim 6.
半導体基板とソース・ドレイン領域の一方に第1電荷を誘起させ、当該第1電荷を電荷蓄積層に注入することによってデータの書き込みを行う書き込みステップと、
半導体基板とソース・ドレイン領域の他方に第1電荷と逆極性の第2電荷を誘起させ、当該第2電荷を前記電荷蓄積層に注入することによってデータの消去を行う消去ステップと、
電荷蓄積層の近傍の導電層に電流を流して電荷蓄積層を加熱し、当該電荷蓄積層に蓄積されている電荷の再配置を行う加熱ステップと
を含む不揮発性半導体メモリ装置の電荷注入方法。 A gate laminated film including a charge storage layer formed on the first conductive type semiconductor substrate, and two source / drain regions of the second conductive type formed on the semiconductor substrate on both ends of the gate laminated film in one direction; A nonvolatile semiconductor memory device charge injection method for writing and erasing data by injecting charges of opposite polarity into a charge storage layer respectively for a memory transistor having
A writing step of writing data by inducing a first charge in one of the semiconductor substrate and the source / drain region and injecting the first charge into the charge storage layer;
An erasing step of erasing data by inducing a second charge having a polarity opposite to the first charge in the other of the semiconductor substrate and the source / drain region and injecting the second charge into the charge storage layer;
A method for injecting charge into a nonvolatile semiconductor memory device, comprising: a heating step in which a current is passed through a conductive layer in the vicinity of the charge storage layer to heat the charge storage layer and the charge stored in the charge storage layer is rearranged.
請求項8に記載の不揮発性半導体メモリ装置の電荷注入方法。
The current storage layer is heated in the heating step by passing a current to a line-shaped gate electrode extending in a direction different from the separation direction of the two source / drain regions through the gate stacked film. Charge injection method for a nonvolatile semiconductor memory device.
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