JP2008270364A - Nonvolatile semiconductor memory element - Google Patents
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Abstract
【課題】データ消去動作によりメモリセルにホールトラップやゲート酸化膜の欠陥を生じさせにくく、素子特性の変動を抑制して動作の安定化を図った不揮発性半導体記憶素子を提供する。
【解決手段】単層のポリシリコン層を有する断面構造を有する不揮発性半導体記憶素子は、互いに絶縁分離されるメモリセル部a、データ消去部b、及びコントロールゲート部cを含む。メモリセル部a及びデータ消去部bはMOSトランジスタで構成され、コントロールゲート部cは、MOSキャパシタで構成される。これら3つの部位は、前記単一のポリシリコン層で構成される共通のフローティングゲートを有する。フローティングゲート6cの電位を制御してメモリセルaをオンにすることにより、フローティングゲート6aにデータを書き込み、フローティングゲート6cの電位を制御してデータ消去部bをオンにすることにより、フローティングゲート6bを通じてデータを消去する。
【選択図】図1Provided is a nonvolatile semiconductor memory element that is less likely to cause a hole trap or a gate oxide film defect in a memory cell by a data erasing operation, and that stabilizes the operation by suppressing fluctuations in element characteristics.
A non-volatile semiconductor memory element having a cross-sectional structure having a single polysilicon layer includes a memory cell portion a, a data erasing portion b, and a control gate portion c that are isolated from each other. The memory cell part a and the data erasing part b are composed of MOS transistors, and the control gate part c is composed of a MOS capacitor. These three parts have a common floating gate composed of the single polysilicon layer. By controlling the potential of the floating gate 6c to turn on the memory cell a, data is written to the floating gate 6a, and by controlling the potential of the floating gate 6c to turn on the data erasing portion b, the floating gate 6b is turned on. Erase data through.
[Selection] Figure 1
Description
本発明は、単層のゲート用半導体層を有する断面構造の不揮発性半導体記憶素子に関する。 The present invention relates to a nonvolatile semiconductor memory element having a cross-sectional structure having a single gate semiconductor layer.
従来より、単層のゲート用半導体層を有する断面構造のEEPROM(Electrically Erasable and Programmable Read Only Memory)セルが開発されている。このようなEEPROMは、ゲート用半導体層が単層で済むため、複雑な製造プロセスが不要で、一般的なCMOS(Complementary Metal Oxide Silicon)プロセスで簡単に製造でき、また、データ消去等の動作が一般的なスタック型のEEPROMやフラッシュメモリと同一であることから、アナログ回路におけるトリミングやRF(Radio Frequency)タグにおける記憶装置として広く利用されている(例えば、特許文献1参照)。 Conventionally, an EEPROM (Electrically Erasable and Programmable Read Only Memory) cell having a single-layer gate semiconductor layer has been developed. Since such an EEPROM requires only a single gate semiconductor layer, it does not require a complicated manufacturing process, can be easily manufactured by a general CMOS (Complementary Metal Oxide Silicon) process, and has operations such as data erasing. Since it is the same as a general stack type EEPROM or flash memory, it is widely used as a storage device for trimming in an analog circuit or a radio frequency (RF) tag (for example, see Patent Document 1).
このようなEEPROMにおけるデータ書き込み動作には、チャネル領域に発生させたホットエレクトロンをフローティングゲートに注入するチャネルホットエレクトロン注入方式や、メモリセルのゲート酸化膜に5〜10MV/cmの電界を印加し、トンネル現象によってフローティングゲートに電子を注入する(トンネリングする)FN(Folower Nordheim)書込方式が用いられる。 For such data write operation in the EEPROM, a channel hot electron injection method in which hot electrons generated in the channel region are injected into the floating gate, or an electric field of 5 to 10 MV / cm is applied to the gate oxide film of the memory cell, An FN (Folower Nordheim) writing method in which electrons are injected (tunneled) into the floating gate by a tunnel phenomenon is used.
一方、データ消去動作には、書き込み時とは逆方向に電界を印加することにより、トンネル現象を利用して電子をフローティングゲートから引き抜くFN消去方法や、メモリセルのドレイン領域またはソース領域の付近で弱いアバランシェ降伏を発生させ、このとき発生するホットホールをフローティングゲートに注入し、電子と中和させることによってデータを消去するアバランシェホットホール注入方法が用いられる。
ところで、データ消去動作におけるアバランシェホットホール注入方法には、FN消去方法に比べて低電圧で実現されるため、周辺回路を簡素化できるというメリットがある。 By the way, the avalanche hot hole injection method in the data erasing operation is realized with a lower voltage than the FN erasing method, and thus has an advantage that the peripheral circuit can be simplified.
しかしながら、ホールがメモリセルのゲート酸化膜にトラップされやすく、これにより、トランジスタの動作電圧やコンダクタンス等の素子特性の変動が生じる可能性があり、FN消去方法に比べて繰り返しの書き換え特性が著しく低いという欠点があった。 However, holes are easily trapped in the gate oxide film of the memory cell, which may cause variations in device characteristics such as the operating voltage and conductance of the transistor, and repetitive rewrite characteristics are significantly lower than those of the FN erase method. There was a drawback.
また、トラップされたホールによって生じるトラップ準位に起因して、フローティングゲートと基板(Pウェル)との間にリーク電流が発生する可能性があった。このようなリーク電流はSILC(Stress Induced Leakage Current)と呼ばれ、メモリセルの特性に深刻な問題を及ぼす原因となる可能性があった。 In addition, there is a possibility that a leak current is generated between the floating gate and the substrate (P well) due to the trap level generated by the trapped holes. Such a leak current is called SILC (Stress Induced Leakage Current) and may cause a serious problem on the characteristics of the memory cell.
さらに、メモリセルで行われるアバランシェホットホール注入方法は、その構造的な理由から、耐圧が低くなりやすいゲートのエッジ近傍で多くのホール注入が行われるため、このエッジ近傍にホール電流が集中することにより、ホールトラップやゲート酸化膜の欠陥を引き起こしやすいという欠点があった。 In addition, the avalanche hot hole injection method performed in the memory cell has many holes injected near the edge of the gate where the breakdown voltage tends to be low because of its structural reason, and the hole current is concentrated near this edge. As a result, there is a drawback that defects in the hole trap and the gate oxide film are likely to occur.
そこで、本発明は、単層のゲート用半導体層を有する断面構造の不揮発性半導体記憶素子であって、データ消去動作によりメモリセルにホールトラップやゲート酸化膜の欠陥を生じさせにくく、素子特性の変動を抑制することにより動作の安定化を図った不揮発性半導体記憶素子を提供することを目的とする。 Therefore, the present invention is a non-volatile semiconductor memory element having a cross-sectional structure having a single gate semiconductor layer, and it is difficult to cause a hole trap or a gate oxide film defect in a memory cell by a data erasing operation. An object of the present invention is to provide a non-volatile semiconductor memory element whose operation is stabilized by suppressing fluctuations.
本発明の一局面の不揮発性半導体記憶素子は、第1導電型の半導体層領域上に第1絶縁層を介して形成される第1フローティングゲートを有するMOSトランジスタで構成される第1素子と、第2導電型の半導体層領域上に第2絶縁層を介して形成される第2フローティングゲートを有するMOSトランジスタで構成される第2素子と、第1導電型又は第2導電型の半導体層領域上に第3絶縁層を介して形成され、当該半導体層と容量結合される結合層を有する第3素子とを備え、前記第1素子、前記第2素子、及び前記第3素子の半導体領域層は、共通の半導体層内で平面視離間して互いに絶縁分離されるとともに、前記第1フローティングゲート、前記第2フローティングゲート、及び前記結合層は、共通の半導体層で形成され、前記結合層の電位を制御することにより、前記第1素子をオンにして前記第1フローティングゲートにデータを書き込み、前記第2素子をオンにして前記第2フローティングゲートを通じて当該データを消去する。 A nonvolatile semiconductor memory element according to one aspect of the present invention includes a first element including a MOS transistor having a first floating gate formed on a semiconductor layer region of a first conductivity type via a first insulating layer; A second element composed of a MOS transistor having a second floating gate formed on a second conductive type semiconductor layer region through a second insulating layer; and a first conductive type or second conductive type semiconductor layer region And a third element having a coupling layer capacitively coupled to the semiconductor layer, the first element, the second element, and a semiconductor region layer of the third element Are separated from each other in a common semiconductor layer in plan view, and the first floating gate, the second floating gate, and the coupling layer are formed of a common semiconductor layer, and By controlling the potential of the layers, turn on the first element writes data to the first floating gate, erasing the data through the second floating gate by turning on the second element.
また、前記データの書き込みは、前記第1素子の半導体層に生じるホットエレクトロンを前記第1絶縁層を通じて前記第1フローティングゲートに注入するホットエレクトロン注入方法、又は、前記第1素子の半導体層内のホールを前記第1絶縁層を通じてトンネリングさせるFN書込方法により行われ、前記データの消去は、前記第2素子の半導体層に生じるホットホールを前記第2絶縁層を通じて前記第2フローティングゲートに注入するチャネルホットホール注入方法により行われてもよい。 The data writing may be performed by injecting hot electrons generated in the semiconductor layer of the first element into the first floating gate through the first insulating layer, or in the semiconductor layer of the first element. The data is erased by injecting hot holes generated in the semiconductor layer of the second element into the second floating gate through the second insulating layer by tunneling holes through the first insulating layer. A channel hot hole injection method may be used.
本発明によれば、複雑な製造工程を要さず、記憶素子内におけるホールトラップやゲート酸化膜の欠陥の発生を抑制でき、動作電圧やコンダクタンス等の素子特性の変動を抑制して動作の安定化を図った不揮発性半導体記憶素子を提供できるという特有の効果が得られる。 According to the present invention, it is possible to suppress the occurrence of hole traps and defects in the gate oxide film in the memory element without requiring a complicated manufacturing process, and to suppress fluctuations in element characteristics such as operating voltage and conductance, thereby stabilizing the operation. Thus, a unique effect that a nonvolatile semiconductor memory element can be provided can be obtained.
以下、本発明の不揮発性半導体記憶素子を適用した実施の形態について説明する。 Embodiments to which the nonvolatile semiconductor memory element of the present invention is applied will be described below.
[実施の形態1]
図1は、実施の形態1の不揮発性半導体素子の構成を示す平面図である。図2は、図1に示す不揮発性半導体素子の断面構造を示す図である。
[Embodiment 1]
FIG. 1 is a plan view showing the configuration of the nonvolatile semiconductor element of the first embodiment. FIG. 2 is a diagram showing a cross-sectional structure of the nonvolatile semiconductor element shown in FIG.
図1に示すように、本実施の形態の不揮発性半導体記憶素子は、メモリセル部a、データ消去部b、及びコントロールゲート部cの3つの部位を含む。これら3つの部位(a〜c)の断面構造は、それぞれ、図2(a)、(b)及び(c)に示す通りである。 As shown in FIG. 1, the nonvolatile semiconductor memory element of the present embodiment includes three parts, a memory cell part a, a data erasing part b, and a control gate part c. The cross-sectional structures of these three parts (ac) are as shown in FIGS. 2 (a), 2 (b) and 2 (c), respectively.
図2(a)乃至(c)に示すように、各部位は、P型の半導体層1の上に形成される。この半導体層1は、不純物(典型的には、ボロン(B))の注入によって導電型がP型にされたシリコン層であればよく、例えば、SOI(Silicon On Insulator)構造の半導体基板における図示しない絶縁層の上にあるシリコン結晶層で構成することができる。 As shown in FIGS. 2A to 2C, each part is formed on the P-type semiconductor layer 1. The semiconductor layer 1 may be a silicon layer whose conductivity type is changed to P-type by implanting impurities (typically boron (B)). For example, the semiconductor layer 1 is illustrated in a semiconductor substrate having an SOI (Silicon On Insulator) structure. It can be composed of a silicon crystal layer overlying the insulating layer.
また、各部位は、図1に示すように、P型の半導体層1に形成されるメモリセル用Pウェル層2(以下、Pウェル層2)、データ消去部用Nウェル層22(以下、Nウェル層22)、及びコントロールゲート用Nウェル層32(以下、Nウェル層32)の領域内に形成される。Pウェル層2、Nウェル層22、及びNウェル層32は、共通の半導体層内で平面視離間して形成された半導体領域層であり、互いに絶縁分離される。
Further, as shown in FIG. 1, each portion includes a
「メモリセル部」
図1及び図2(a)に示すように、メモリセル部aは、半導体層1の上に形成されるPウェル層2内に形成され、ソースN+層3、ドレインN+層4、ゲート酸化膜5a、フローティングゲート6a、サイドウォール7a、LDD(Lightly Doped Drain)・N層8、ウェルコンタクト用P+層9、及びフィールド酸化膜10aを備える。
"Memory cell part"
As shown in FIGS. 1 and 2A, the memory cell portion a is formed in a
ソースN+層3及びドレインN+層4は、Pウェル層2の表面に互いに離間して形成される。これらの層は、Pウェル層2の表面から不純物(典型的にはホスフィン(P))を注入することにより、N+型にされる。
The source N +
ゲート酸化膜5aは、Pウェル層2の表面のソースN+層3とドレインN+層4との間に、一対のLDD・N層8を介して形成されるシリコン酸化膜で構成される。このゲート酸化膜5aは、例えば、熱酸化法によって形成することができる。
The
フローティングゲート6aは、ゲート酸化膜5aの上に形成され、例えば、ポリシリコン層によって構成される。このポリシリコン層は、例えば、CVD法によって形成することができる。
The
フローティングゲート6aの両側部からLDD・N層8の上面にわたる領域には、一対のサイドウォール7aが形成される。このサイドウォール7aは、シリコン酸化膜で構成され、ゲート絶縁膜5aと同一材料で構成されてもよい。また、このサイドウォール7aは、例えば、フローティングゲート6aを形成した後に、このフローティングゲート6aの上面及び両側面とLDD・N層8の表面とにわたる領域にシリコン酸化膜を成膜し、その後、成膜したシリコン酸化膜をフローティングゲート6aの上面が表出するまでエッチングすることによって形成される。
A pair of
ウェルコンタクト用P+層9は、Pウェル層2の表面から不純物(典型的にはボロン(B))を注入してP+型にすることによって形成される。
The well contact P +
フィールド酸化膜10aは、素子分離用に形成される酸化膜であり、例えば、局所酸化法(LOCOS)によって形成される(すなわち、一点鎖線で示す領域内では、ソースN+層3、ドレインN+層4、ゲート酸化膜5a、フローティングゲート6a、サイドウォール7a、LDD・N層8、及びウェルコンタクト用P+層9が後に形成される領域以外に形成されればよい)。
The
なお、このフィールド酸化膜10aは、図1に一点鎖線で示すPウェル層2、Nウェル層22、及びNウェル層32が形成される領域以外の領域にも一体的に形成されるとともに、後述するフィールド酸化膜10b及び10cと一体的に形成されるものであってよい。
The
以上のように、このメモリセル部aは、一般的なN型のMOSトランジスタと同一の構成である。 As described above, the memory cell portion a has the same configuration as a general N-type MOS transistor.
「データ消去部」
図1及び図2(b)に示すように、データ消去部bは、メモリセル部aと共通の半導体層1の上に形成されるNウェル層22内に形成され、ソースP+層23、ドレインP+層24、ゲート酸化膜5b、フローティングゲート6b、サイドウォール7b、ウェルコンタクト用N+層29、及びフィールド酸化膜10bを備える。
"Data erasure part"
As shown in FIGS. 1 and 2B, the data erasing part b is formed in an
ソースP+層23及びドレインP+層24は、Nウェル層22の表面に互いに離間して形成される。これらの層は、Nウェル層22の表面から不純物(典型的にはボロン(B))を注入することにより、P+型にされる。
The source P +
ゲート酸化膜5bは、Nウェル層22の表面のソースP+層23とドレインP+層24との間に形成されるシリコン酸化膜で構成される。このゲート酸化膜5bは、例えば、熱酸化法によって形成することができる。
Gate oxide film 5 b is formed of a silicon oxide film formed between source P +
フローティングゲート6bは、ゲート酸化膜5bの上に形成され、例えば、ポリシリコン層によって構成される。図1に示すように、このフローティングゲート6bは、Pウェル層2及びNウェル層22にわたってメモリセル部aのフローティングゲート6aと一体的に形成される。
The
フローティングゲート6bの両側部からソースP+層23とドレインP+層24との上面の一部にわたる領域には、一対のサイドウォール7bが形成される。このサイドウォール7bは、シリコン酸化膜で構成され、ゲート絶縁膜5bと同一材料で構成されてもよい。また、このサイドウォール7bは、例えば、フローティングゲート6bを形成した後に、このフローティングゲート6bの上面及び両側面とソースP+層23とドレインP+層24との上面の一部とにわたる領域にシリコン酸化膜を成膜し、その後、成膜したシリコン酸化膜をフローティングゲート6bの上面が表出するまでエッチングすることによって形成される。
A pair of
ウェルコンタクト用N+層29、Nウェル層22の表面から不純物(典型的にはホスフィン(P))を注入してN+型にすることによって形成される。
An impurity (typically phosphine (P)) is implanted from the surfaces of the well contact N +
フィールド酸化膜10bは、素子分離用に形成される酸化膜であり、例えば、局所酸化法(LOCOS)によって形成される(すなわち、符号22で示す一点鎖線で示す領域内では、ソースP+層23、ドレインP+層24、ゲート酸化膜5b、フローティングゲート6b、サイドウォール7b、及びウェルコンタクト用N+層29が後に形成される領域以外に形成されればよい)。
The
なお、このフィールド酸化膜10bは、図1に一点鎖線で示すPウェル層2、Nウェル層22、及びNウェル層32が形成される領域以外の領域にも一体的に形成されるとともに、フィールド酸化膜10a及び10cと一体的に形成されるものであってよい。
The
以上のように、データ消去部bは、一般的なP型のMOSトランジスタと同一の構成である。 As described above, the data erasing unit b has the same configuration as that of a general P-type MOS transistor.
「コントロールゲート部」
図1及び図2(c)に示すように、コントロールゲート部cは、メモリセル部a及びデータ消去部bと共通の半導体層1の上に形成されるNウェル層32内に形成され、コントロールゲートP+層33、ウェルコンタクト用N+層34、ゲート酸化膜5c、フローティングゲート6c、サイドウォール7c、及びフィールド酸化膜10cを備える。
"Control gate part"
As shown in FIGS. 1 and 2C, the control gate portion c is formed in an
ゲート酸化膜5c、フローティングゲート6c、サイドウォール7c、フィールド酸化膜10cは、メモリセル部a及びデータ消去部bのゲート酸化膜5a及び5b、フローティングゲート6a及び6b、サイドウォール7a及び7b、フィールド酸化膜10a及び10bとそれぞれ同一の膜で構成される。このうち、フローティングゲート6cは、図1に示すように、メモリセル部aのフローティングゲート6a、及びデータ消去部bのフローティングゲート6bと一体的に形成される。また、フィールド酸化膜10cは、符号32で示す一点鎖線で示す領域内では、コントロールゲートP+層33、ウェルコンタクト用N+層34、ゲート酸化膜5c、フローティングゲート6c、及びサイドウォール7cが形成された領域以外にあるPウェル層32を覆うように形成されればよい。
The
なお、フィールド酸化膜10cは、図1に一点鎖線で示すPウェル層2、Nウェル層22、及びNウェル層32が形成される領域以外の領域にも一体的に形成されるとともに、フィールド酸化膜10a及び10bと一体的に形成されるものであってよい。
The
コントロールゲートP+層33は、ゲート酸化膜5cの両側におけるNウェル層32の表面に形成され、例えば、Nウェル層32の表面から不純物(典型的にはボロン(B))を注入することによって形成される。
The control gate P +
ウェルコンタクト用N+層34は、片方のコントロールゲートP+層33と、フィールド酸化膜10cとの間におけるNウェル層32の表面に不純物(典型的にはホスフィン(P))を注入することによって形成される。
Well contact N +
以上のように、コントロールゲート部cは、一般的なP型のMOSキャパシタと同一の構成である。 As described above, the control gate portion c has the same configuration as a general P-type MOS capacitor.
「等価回路」
図3は、本実施の形態の不揮発性半導体記憶素子の等価回路を示す図である。この透過回路図に示すように、不揮発性半導体記憶素子は、メモリセル部a、データ消去部b、及びコントロールゲート部cのフローティングゲート6a、6b、及び6cを中心に、メモリセル部aを構成するNMOSトランジスタ、データ消去部bを構成するPMOSトランジスタ、及びコントロールゲート部cを構成するPMOSキャパシタを接続した構成である。なお、フローティングゲート6a、6b、及び6cの電位は、コントロールゲート部cのフローティングゲート6cの電位を制御することによって制御される。なお、フローティングゲート6a、6b、及び6cを一体として表す場合には、フローティングゲート6と記す。
"Equivalent circuit"
FIG. 3 is a diagram showing an equivalent circuit of the nonvolatile semiconductor memory element of this embodiment. As shown in the transparent circuit diagram, the non-volatile semiconductor memory element includes the memory cell portion a, the data erasing portion b, and the floating
フローティングゲート6a、6b、及び6cの各々の電位は、Pウェル層2とフローティングゲート6aとの間の静電容量(以下、第1静電容量、)Nウェル層22とフローティングゲート6bとの間の静電容量(以下、第2静電容量)、及びNウェル層32とフローティングゲート6cとの間の静電容量(以下、第3静電容量)の比によって決まる。
The potential of each of the floating
ここで、第3静電容量の値を第1静電容量及び第2静電容量の合成容量に対して十分に大きく(例えば、9:1)することにより、フローティングゲート6の電位はフローティングゲート6cの電位と略等しくなり、フローティングゲート6a及び6bの電位を制御しやすくなる。
Here, by making the value of the third capacitance sufficiently larger than the combined capacitance of the first capacitance and the second capacitance (for example, 9: 1), the potential of the floating gate 6 becomes the floating gate. The potential of the floating
「動作」
表1は、本実施の形態の不揮発性半導体記憶素子を動作させる際に各素子に印加する電位を表す。
"Operation"
Table 1 shows the potential applied to each element when the nonvolatile semiconductor memory element of this embodiment is operated.
このようにチャネルホットエレクトロン注入方式によってデータを書き込むことができるが、書き込み方法はこれに限定されず、トンネル現象によってフローティングゲートに電子を注入するFN(Folower Nordheim)書込方式を用いてもよい。 In this way, data can be written by the channel hot electron injection method, but the writing method is not limited to this, and an FN (Folower Nordheim) writing method in which electrons are injected into the floating gate by a tunnel phenomenon may be used.
一方、データを消去する際は、コントロールゲート部cのNウェル層32を0(V)に設定し、さらに、データ消去部bのデータ消去用Nウェル層22に5(V)を印加するとともに、ドレインP+層24を0(V)に設定する。このとき、フローティングゲート6bの電位も0(V)となり、データ消去部bでは、フローティングゲート6bよりNウェル層22の電位が高くなる。
On the other hand, when erasing data, the N well layer 32 of the control gate portion c is set to 0 (V), and 5 (V) is applied to the data erasing N well layer 22 of the data erasing portion b. The drain P +
これにより、データ消去部bのソースP+層23とドレインP+層24との間のデータ消去用Nウェル層22内(いわゆるチャネル領域内)に十分なホール電流が通流し、ドレインP+層24付近のチャネル領域内でインパクトイオン化現象が発生し、ホットエレクトロンとホットホールの対が発生する。このホットホールはフローティングゲート6bに注入され(チャネルホットホール注入方法)、これによりフローティングゲート6a(ひいては6b及び6c)に蓄積されていた電子が中和されることにより、データ消去部bにおいてデータが消去される。
As a result, a sufficient hole current flows in the data erasing N well layer 22 (so-called channel region) between the source P +
このように、チャネルホットホール注入方法により、フローティングゲート6に書き込まれたデータを消去することにより、従来のアバランシェホットホール注入方法のように局所的にホール電流密度が上昇することを抑制でき、ホールトラップやゲート酸化膜の欠陥形成を低減できる。 Thus, by erasing the data written in the floating gate 6 by the channel hot hole injection method, it is possible to suppress the local increase in the hole current density as in the conventional avalanche hot hole injection method. Defect formation of traps and gate oxide films can be reduced.
以上、本実施の形態の不揮発性半導体記憶素子によれば、製造工程の簡略化を図れる単層のポリシリコン層を有する断面構造の不揮発性半導体記憶素子において、データを消去する際にメモリセル部aを動作させずに、データ消去動作専用のデータ消去部bのPMOSトランジスタを動作させることによってフローティングゲート6に蓄積された電子を中和させるので、メモリセル部aのNMOSトランジスタにおけるホールトラップやゲート酸化膜の欠陥の発生が抑制され、メモリセル部aのNMOSトランジスタの動作電圧やコンダクタンス等の素子特性の変動を抑制して動作の安定化を図った不揮発性半導体記憶素子を提供することができる。 As described above, according to the nonvolatile semiconductor memory element of the present embodiment, when erasing data in the nonvolatile semiconductor memory element having a cross-sectional structure having a single polysilicon layer that can simplify the manufacturing process, Since the electrons stored in the floating gate 6 are neutralized by operating the PMOS transistor of the data erasing unit b dedicated to the data erasing operation without operating a, a hole trap or gate in the NMOS transistor of the memory cell unit a It is possible to provide a nonvolatile semiconductor memory element in which the occurrence of oxide film defects is suppressed, and fluctuations in element characteristics such as the operating voltage and conductance of the NMOS transistor in the memory cell portion a are suppressed to stabilize the operation. .
なお、以上では、SOI基板に不揮発性半導体記憶素子を形成する形態について説明したが、基板はSOI基板に限られるものではなく、上述の構成が実現されれば他の構成であってもよい。 In the above, the embodiment in which the nonvolatile semiconductor memory element is formed on the SOI substrate has been described. However, the substrate is not limited to the SOI substrate, and may be another configuration as long as the above-described configuration is realized.
[実施の形態2]
図4は、実施の形態2の不揮発性半導体素子の構成を示す平面図である。図5は、図4に示す不揮発性半導体素子の断面構造を示す図である。
[Embodiment 2]
FIG. 4 is a plan view showing the configuration of the nonvolatile semiconductor element of the second embodiment. FIG. 5 is a diagram showing a cross-sectional structure of the nonvolatile semiconductor element shown in FIG.
図4に示すように、本実施の形態の不揮発性半導体記憶素子は、メモリセル部a、データ消去部b、及びコントロールゲート部cの3つの部位を含む。 As shown in FIG. 4, the nonvolatile semiconductor memory element of the present embodiment includes three parts: a memory cell part a, a data erasing part b, and a control gate part c.
実施の形態2の不揮発性半導体記憶素子は、N型半導体基板の上に3つの部位を形成していることと、コントロールゲート部cの構成が異なること以外は、実施の形態1のものと同一である。 The nonvolatile semiconductor memory element of the second embodiment is the same as that of the first embodiment except that three parts are formed on an N-type semiconductor substrate and the configuration of the control gate part c is different. It is.
図5(a)乃至(c)に示すように、各部位は、N型の半導体層100の上に形成される。この半導体層1は、不純物(典型的には、ホスフィン(P))の注入によって導電型がN型にされたシリコン層であればよく、例えば、SOI(Silicon On Insulator)構造の半導体基板における図示しない絶縁層の上にあるシリコン結晶層で構成することができる。
As shown in FIGS. 5A to 5C, each part is formed on the N-
上述のように、メモリセル部a及びデータ消去部bは、実施の形態1の不揮発性半導体記憶素子のメモリセル部a及びデータ消去部bと同一である。 As described above, the memory cell part a and the data erasing part b are the same as the memory cell part a and the data erasing part b of the nonvolatile semiconductor memory element according to the first embodiment.
コントロールゲート部cは、Nウェル層32の代わりにコントロールゲート用Pウェル層132を有する以外は、すべて実施の形態1のコントロールゲート部cと同一であり、対応する要素には、同一符号を用いる。
The control gate part c is the same as the control gate part c of the first embodiment except that the control gate part c has a control gate P well layer 132 instead of the N well
この実施の形態2の不揮発性半導体記憶素子においても、実施の形態1の不揮発性半導体記憶素子と同様に、チャネルホットエレクトロン注入方式又はFN書込方式によってデータの書き込みを行うとともに、チャネルホットホール注入方法により、フローティングゲート6に書き込まれたデータを消去することができる。 In the nonvolatile semiconductor memory element according to the second embodiment, as in the nonvolatile semiconductor memory element according to the first embodiment, data is written by the channel hot electron injection method or the FN writing method, and channel hot hole injection is performed. By the method, the data written in the floating gate 6 can be erased.
このように、本実施の形態の不揮発性半導体記憶素子によれば、N型の半導体層100を用いた場合でも、実施の形態1と同様に、製造工程の簡略化を図れる単層のポリシリコン層を有する断面構造の不揮発性半導体記憶素子において、データを消去する際にメモリセル部aを動作させずに、データ消去動作専用のデータ消去部bのPMOSトランジスタを動作させることによってフローティングゲート6に蓄積された電子を中和させるので、データ消去時にメモリセル部aのNMOSトランジスタにホールトラップやゲート酸化膜の欠陥が引き起こされることを抑制でき、メモリセル部aのNMOSトランジスタの動作電圧やコンダクタンス等の素子特性の変動を抑制することにより動作の安定化を図った不揮発性半導体記憶素子を提供することができる。
As described above, according to the nonvolatile semiconductor memory element of this embodiment, even when the N-
以上、本発明の例示的な実施の形態の不揮発性半導体記憶素子について説明したが、本発明は、具体的に開示された実施の形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲から逸脱することなく、種々の変形や変更が可能である。 The nonvolatile semiconductor memory element according to the exemplary embodiment of the present invention has been described above, but the present invention is not limited to the specifically disclosed embodiment and departs from the scope of the claims. Without limitation, various modifications and changes are possible.
1 半導体層
2 メモリセル用Pウェル層(Pウェル層)
3 ソースN+層
4 ドレインN+層
5a、5b、5c ゲート酸化膜
6、6a、6b、6c フローティングゲート
7a、7b、7c サイドウォール
8 LDD・N層
9 ウェルコンタクト用P+層
10a、10b、10c フィールド酸化膜
22 データ消去部用Nウェル層(Nウェル層)
23 ソースP+層
24 ドレインP+層
29 ウェルコンタクト用N+層
32 コントロールゲート用Nウェル層(Nウェル層)
33 コントロールゲートP+層
34 ウェルコンタクト用N+層
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Semiconductor layer 2 P well layer (P well layer) for memory cells
3 Source N +
23 Source P +
33 Control gate P + layer 34 N + layer for well contact
Claims (2)
第2導電型の半導体層領域上に第2絶縁層を介して形成される第2フローティングゲートを有するMOSトランジスタで構成される第2素子と、
第1導電型又は第2導電型の半導体層領域上に第3絶縁層を介して形成され、当該半導体層と容量結合される結合層を有する第3素子と
を備え、前記第1素子、前記第2素子、及び前記第3素子の半導体領域層は、共通の半導体層内で平面視離間して互いに絶縁分離されるとともに、前記第1フローティングゲート、前記第2フローティングゲート、及び前記結合層は、共通の半導体層で形成され、
前記結合層の電位を制御することにより、前記第1素子をオンにして前記第1フローティングゲートにデータを書き込み、前記第2素子をオンにして前記第2フローティングゲートを通じて当該データを消去する、不揮発性半導体記憶素子。 A first element composed of a MOS transistor having a first floating gate formed on a semiconductor layer region of a first conductivity type via a first insulating layer;
A second element composed of a MOS transistor having a second floating gate formed on the semiconductor layer region of the second conductivity type via a second insulating layer;
A third element formed on a semiconductor layer region of the first conductivity type or the second conductivity type via a third insulating layer and having a coupling layer capacitively coupled to the semiconductor layer, the first element, The semiconductor region layers of the second element and the third element are separated from each other by being separated in plan view in a common semiconductor layer, and the first floating gate, the second floating gate, and the coupling layer are Formed with a common semiconductor layer,
By controlling the potential of the coupling layer, the first element is turned on to write data to the first floating gate, and the second element is turned on to erase the data through the second floating gate. Semiconductor memory element.
前記データの消去は、前記第2素子の半導体層に生じるホットホールを前記第2絶縁層を通じて前記第2フローティングゲートに注入するチャネルホットホール注入方法により行われる、請求項1に記載の不揮発性半導体記憶素子。 The data is written by a hot electron injection method in which hot electrons generated in the semiconductor layer of the first element are injected into the first floating gate through the first insulating layer, or holes in the semiconductor layer of the first element are formed. Performed by a FN writing method of tunneling through the first insulating layer;
2. The nonvolatile semiconductor device according to claim 1, wherein the erasing of data is performed by a channel hot hole injection method in which hot holes generated in the semiconductor layer of the second element are injected into the second floating gate through the second insulating layer. Memory element.
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