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JP5422886B2 - Semiconductor device - Google Patents

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JP5422886B2
JP5422886B2 JP2007333222A JP2007333222A JP5422886B2 JP 5422886 B2 JP5422886 B2 JP 5422886B2 JP 2007333222 A JP2007333222 A JP 2007333222A JP 2007333222 A JP2007333222 A JP 2007333222A JP 5422886 B2 JP5422886 B2 JP 5422886B2
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Description

本発明は、標準CMOS(complementary metal-oxide semiconductor)プロセスで製造できる1層ポリシリコンのセル構造で書き換え可能な半導体装置に関する。 The present invention relates to a semi-conductor device rewritable in cell structure of the first layer polysilicon which can be produced by standard CMOS (complementary metal-oxide semiconductor) process.

EEPROM(Electrically Erasable Programmable Read Only Memory)に代表される不揮発性半導体メモリは、電源を切っても情報が消えないことから、多くの用途に用いられてきた。例えば、EEPROMの代表的な用途としては、ICカードがある。また、いつでも用途に応じて書き換えが出来る便利さから、マイコン内のマスクROMの置き換えとしてEEPROMやフラッシュメモリが使われている。さらに、近年では、システムLSIや、論理ICの一部に不揮発性半導体メモリを取り込んだ、埋め込み型の所謂、ロジック混載メモリ(Embedded Memory)が必要になってきた。さらには、アナログ回路に組み込んで、高精度のアナログ回路のチューニング等を行うための調整用スイッチとして、数百ビットから数Kビット程度の小規模の不揮発性半導体メモリも必要になってきている。   Nonvolatile semiconductor memories represented by EEPROM (Electrically Erasable Programmable Read Only Memory) have been used in many applications because information is not lost even when the power is turned off. For example, a typical application of an EEPROM is an IC card. Also, EEPROM and flash memory are used as a replacement for the mask ROM in the microcomputer because it can be rewritten at any time according to the application. Furthermore, in recent years, there has been a need for a so-called embedded logic memory (embedded type) in which a nonvolatile semiconductor memory is incorporated in a part of a system LSI or logic IC. Furthermore, a small-sized non-volatile semiconductor memory of about several hundred bits to several K bits is also required as an adjustment switch that is incorporated in an analog circuit and performs tuning and the like of a high-precision analog circuit.

しかしながら、不揮発性半導体メモリは2層ポリシリコンあるいは3層ポリシリコンを用いたセル構造が一般的で、製造工程は標準CMOSロジックプロセスより複雑で製造工程も多く、不揮発性半導体メモリと標準ロジックを1チップの中に同時に埋め込もうとすると、製造工程が多く、歩留まりも低下し、製品の価格(コスト)が上る問題が生じていた。   However, a non-volatile semiconductor memory generally has a cell structure using two-layer polysilicon or three-layer polysilicon, and the manufacturing process is more complicated and requires more manufacturing processes than the standard CMOS logic process. Attempting to embed them in the chip at the same time has caused many problems in the manufacturing process, yield decreases, and the product price (cost) increases.

この問題を解決するひとつの手段として、1層ポリシリコンを用いたEEPROMが提案されている。(特許文献1)。この1層ポリシリコンEEPROMを用いれば、従来の2層ポリシリコンプロセスより製造工程を削減できる。
特開平10−289959号公報
As one means for solving this problem, an EEPROM using one-layer polysilicon has been proposed. (Patent Document 1). If this one-layer polysilicon EEPROM is used, the number of manufacturing steps can be reduced as compared with the conventional two-layer polysilicon process.
JP-A-10-289959

しかしながら、上記技術では、コントロールゲートとして使用されている2層目のポリシリコンを省略したために、フローティングゲートの下に拡散層からなるコントロールゲートを埋め込む必要があり、ロジックで用いられる標準CMOSプロセスより複雑な製造工程となってしまう。さらに、高濃度で埋め込まれた拡散層を酸化すると、質の悪い酸化膜となり、不良の発生する確率が高く、信頼性も問題となる。また、書き込みに高電圧を必要とする等、書き込み、消去も複雑であった。   However, in the above technique, since the second-layer polysilicon used as the control gate is omitted, it is necessary to embed a control gate made of a diffusion layer under the floating gate, which is more complicated than the standard CMOS process used in logic. It becomes a difficult manufacturing process. Furthermore, if the diffusion layer embedded at a high concentration is oxidized, an oxide film of poor quality is formed, and the probability of occurrence of a defect is high, and reliability is also a problem. In addition, writing and erasing are complicated, such as requiring a high voltage for writing.

本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、標準CMOSプロセスで製造できる1層ポリシリコンのセル構造の半導体装置を提供することを目的とする。 The present invention has been made in view of the above circumstances, and an object thereof is to provide a semi-conductor device of the cell structure of the first layer polysilicon which can be produced in a standard CMOS process.

上記課題を解決するため、請求項記載の発明は、半導体基板上に形成されたフローティングゲート、ドレイン及びソースからなる第1のトランジスタと、前記第1のトランジスタと直列接続され、オン又はオフすることで前記第1のトランジスタの選択又は非選択を制御する第2のトランジスタとからなる不揮発性半導体メモリ素子であって、前記第2のトランジスタをオン状態として、前記第1のトランジスタのソース・ドレイン間に電圧を印加して電荷を前記フローティングゲートに注入して蓄積すると共に、前記第1のトランジスタのフローティングゲートに蓄積された電荷の消去時に、前記半導体基板と前記第1のトランジスタのドレイン又はソース間に電圧を印加し、バンド・バンド間によるホットホールを前記半導体基板中に発生させ、該ホットホールにより前記フローティングゲートに蓄積された電荷を消去するように構成された不揮発性半導体メモリ素子を、複数個、行及び列方向に配列したマトリックスアレイと、複数の前記第1のトランジスタのソースを行毎に接続する複数のソース線と、複数の前記第2のトランジスタのゲートを行毎に接続する複数の行線と、複数の前記第2のトランジスタのドレインを列毎に接続する複数のビット線と、前記各ビット線に接続された複数のトランジスタを複数の列線によって選択することで前記各ビット線を選択する列線選択手段と、前記行線を選択する行線選択手段と、前記列線選択手段によって選択されたビット線に所定の電圧を印加する電圧印加手段と、前記列線選択手段及び行線選択手段によって選択された不揮発性半導体メモリ素子のフローティングゲートに蓄積された電荷の状態を読み出す読み出し手段とを備え、前記ソース線に印加する電圧を書き込み時と消去時で同一とし、書き込み時に前記不揮発性半導体メモリ素子の第2のトランジスタのドレインに接続されたビット線と第1のトランジスタのソースに接続されたソース線との間に電圧を印加し、消去時に前記不揮発性半導体メモリ素子の第2のトランジスタのドレインに接続されたビット線を開放として第1のトランジスタのソースに接続されたソース線と前記半導体基板間に電圧を印加することを特徴とする。
請求項2記載の発明は、前記不揮発性半導体メモリ素子の前記第1のトランジスタ構成において、前記フローティングゲートと前記ソース又は前記ドレイン間の容量と前記フローティングゲートとチャネル間の容量との比が1:8であることを特徴とする。
In order to solve the above-mentioned problem, the invention described in claim 1 is characterized in that a first transistor comprising a floating gate, a drain and a source formed on a semiconductor substrate is connected in series with the first transistor and is turned on or off. A non-volatile semiconductor memory element comprising a second transistor that controls selection or non-selection of the first transistor, wherein the second transistor is turned on and the source / drain of the first transistor is turned on A voltage is applied between them to inject and accumulate charges in the floating gate, and at the time of erasing the charges accumulated in the floating gate of the first transistor, the semiconductor substrate and the drain or source of the first transistor A voltage is applied between them to create hot holes between the bands. A plurality of non-volatile semiconductor memory devices configured to erase charges accumulated in the floating gate by the hot holes, and a plurality of the first array arranged in a row and column direction; A plurality of source lines for connecting the sources of the transistors for each row, a plurality of row lines for connecting the gates of the plurality of second transistors for each row, and a drain for the plurality of second transistors for each column A plurality of bit lines, a plurality of transistors connected to each bit line by selecting a plurality of column lines by selecting a plurality of column lines, and a row line selection for selecting the row lines Means, a voltage applying means for applying a predetermined voltage to the bit line selected by the column line selecting means, and the column line selecting means and the row line selecting means. And a reading means for reading the state of charge accumulated in the floating gate of the nonvolatile semiconductor memory device, wherein the same at the time of erasing the time of writing the voltage to be applied to the source line, first of the nonvolatile semiconductor memory element during writing A voltage is applied between the bit line connected to the drain of the second transistor and the source line connected to the source of the first transistor, and connected to the drain of the second transistor of the nonvolatile semiconductor memory element at the time of erasing A voltage is applied between the semiconductor substrate and the source line connected to the source of the first transistor with the bit line opened .
According to a second aspect of the present invention, in the first transistor configuration of the nonvolatile semiconductor memory element, a ratio between the capacitance between the floating gate and the source or the drain and the capacitance between the floating gate and the channel is 1: 8 is a feature.

請求項記載の発明は、半導体基板上に形成されたフローティングゲート、ドレイン及びソースからなる第1のトランジスタと、前記第1のトランジスタと直列接続され、オン又はオフすることで前記第1のトランジスタの選択又は非選択を制御する第2のトランジスタとからなる不揮発性半導体メモリ素子であって、前記第2のトランジスタをオン状態として、前記第1のトランジスタのソース・ドレイン間に電圧を印加して電荷を前記フローティングゲートに注入して蓄積すると共に、前記第1のトランジスタのフローティングゲートに蓄積された電荷の消去時に、前記半導体基板と前記第1のトランジスタのドレイン又はソース間に電圧を印加し、バンド・バンド間によるホットホールを前記半導体基板中に発生させ、該ホットホールにより前記フローティングゲートに蓄積された電荷を消去するように構成された不揮発性半導体メモリ素子を、複数個、行及び列方向に配列したマトリックスアレイと、複数の前記第1のトランジスタのソースを列毎に接続する複数のソース線と、複数の前記第2のトランジスタのゲートを行毎に接続する複数の行線と、複数の前記第2のトランジスタのドレインを列毎に接続する複数のビット線と、前記各ソース線及び前記各ビット線に接続された複数のトランジスタを複数の列線によって選択することで前記各ソース線及び前記各ビット線を選択する列線選択手段と、前記行線を選択する行線選択手段と、前記列線選択手段によって選択されたソース線及びビット線に所定の電圧を印加する電圧印加手段と、前記列線選択手段及び行線選択手段によって選択された不揮発性半導体メモリ素子のフローティングゲートに蓄積された電荷の状態を読み出す読み出し手段とを備え、書き込み時に、前記不揮発性半導体メモリ素子の前記第2のトランジスタのドレインに接続されたビット線に所定の書込電圧を印加し、前記第1のトランジスタのソースに接続されたソース線を接地し、前記第2のトランジスタのドレインと前記第1のトランジスタのソースとの間に電圧を印加し、消去時に、前記不揮発性半導体メモリ素子の第2のトランジスタのドレインに接続されたビット線に所定の消去電圧を印加し、前記第1のトランジスタのソースに接続されたソース線を開放し、前記第1のトランジスタのドレインと前記半導体基板との間に電圧を印加することを特徴とする。
請求項4記載の発明は、前記不揮発性半導体メモリ素子の前記第1のトランジスタ構成において、前記フローティングゲートと前記ソース又は前記ドレイン間の容量と前記フローティングゲートとチャネル間の容量との比が1:8であることを特徴とする。
According to a third aspect of the present invention, a first transistor comprising a floating gate, a drain and a source formed on a semiconductor substrate is connected in series with the first transistor, and the first transistor is turned on or off. And a second transistor that controls selection or non-selection of the first transistor, wherein the second transistor is turned on and a voltage is applied between the source and drain of the first transistor. Injecting charge into the floating gate and storing it, and at the time of erasing the charge stored in the floating gate of the first transistor, applying a voltage between the semiconductor substrate and the drain or source of the first transistor, Hot holes between bands are generated in the semiconductor substrate, and the hot holes A matrix array in which a plurality of nonvolatile semiconductor memory elements configured to erase charges accumulated in the floating gate are arranged in a row and column direction, and a source of the plurality of first transistors for each column. A plurality of source lines connected to each other; a plurality of row lines connecting the gates of the plurality of second transistors for each row; a plurality of bit lines connecting the drains of the plurality of second transistors for each column; Selecting a plurality of transistors connected to each source line and each bit line by a plurality of column lines to select each source line and each bit line; and selecting the row line Row line selection means for applying a voltage to a source line and a bit line selected by the column line selection means, and the column line selection means and the row line selection. And a reading means for reading the state of charge accumulated in the floating gate of the nonvolatile semiconductor memory device selected by means at the time of write, the second connected bit to the drain of the transistor of the nonvolatile semiconductor memory device A predetermined write voltage is applied to the line, a source line connected to the source of the first transistor is grounded, and a voltage is applied between the drain of the second transistor and the source of the first transistor And applying a predetermined erasing voltage to the bit line connected to the drain of the second transistor of the nonvolatile semiconductor memory element during erasing, and opening the source line connected to the source of the first transistor, A voltage is applied between the drain of the first transistor and the semiconductor substrate .
According to a fourth aspect of the present invention, in the first transistor configuration of the nonvolatile semiconductor memory element, a ratio between a capacitance between the floating gate and the source or the drain and a capacitance between the floating gate and the channel is 1: 8 is a feature.

本発明によれば、標準ロジックのCMOSプロセスで不揮発性半導体メモリ素子を用いた半導体装置が実現でき、ロジック混載メモリを容易に、また安価に実現できる。 According to the present invention, a semiconductor device including a nonvolatile semiconductor memory element in the standard logic CMOS process can be realized, the logic embedded memory easily, also can be realized inexpensively.

以下、図面を参照して本発明の実施の形態について説明する。
[実施形態1]
図1(a)に、本発明の実施の形態である不揮発性半導体メモリ素子を構成する1個のトランジスタの平面図を、(b)には断面図を、(c)には等価回路図を示す。図1(a)〜(c)に示す不揮発性半導体メモリ素子は、1層ポリシリコンのセル構造を用いて半導体基板SUB(電位Vsub)上に形成されたフローティングゲートFG、ドレインD及びソースSから構成される。このフローティングゲートFGが電荷保持領域となるものであり、電極は設けられておらず、基板SUB上に形成されたゲート絶縁層の上にポリシリコンからなるフローティングゲートFGが形成されている。また、ドレインD及びソースSは、それぞれ基板SUB上に形成された拡散領域であり、それぞれコンタクトを介して電極が設けられている。
Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings.
[Embodiment 1]
FIG. 1A is a plan view of one transistor constituting a nonvolatile semiconductor memory element according to an embodiment of the present invention, FIG. 1B is a sectional view, and FIG. 1C is an equivalent circuit diagram. Show. 1A to 1C includes a floating gate FG, a drain D, and a source S formed on a semiconductor substrate SUB (potential Vsub) using a single-layer polysilicon cell structure. Composed. This floating gate FG serves as a charge holding region, no electrode is provided, and a floating gate FG made of polysilicon is formed on a gate insulating layer formed on the substrate SUB. The drain D and the source S are diffusion regions formed on the substrate SUB, and electrodes are provided through contacts.

図2に、図1に示す不揮発性半導体メモリ素子のカップリング系の等価回路を示す。フローティングゲートFGにある電荷Qが入っているとすると、この系のトータルチャージがQということになるので、   FIG. 2 shows an equivalent circuit of the coupling system of the nonvolatile semiconductor memory element shown in FIG. If there is a charge Q in the floating gate FG, the total charge of this system is Q.

Figure 0005422886
Figure 0005422886

となる。ただし、VFG、VD、VS、Vchは、それぞれフローティングゲートFGの電位、ドレインDの電位、ソースSの電位、チャネルCHの電位である。また、C(FB)はフローティングゲートFGと基板SUB間の容量、C(FD)はフローティングゲートFGとドレインD間の容量、C(FS)はフローティングゲートFGとソースS間の容量、C(FC)はフローティングゲートFGとチャネルCH間の容量である。ここで、C(FB)+C(FD)+C(FS)+C(FC)=CT(トータル)とすると、 It becomes. However, VFG, VD, VS, and Vch are the potential of the floating gate FG, the potential of the drain D, the potential of the source S, and the potential of the channel CH, respectively. C (FB) is a capacitance between the floating gate FG and the substrate SUB, C (FD) is a capacitance between the floating gate FG and the drain D, C (FS) is a capacitance between the floating gate FG and the source S, and C (FC ) Is a capacitance between the floating gate FG and the channel CH. Here, when C (FB) + C (FD) + C (FS) + C (FC) = CT (total),

Figure 0005422886
Figure 0005422886

となる。ただし、Q/CTはフローティングゲートに電荷が注入されているときの電位を示す。ここで、Vsub=0V(基準電位、以下同じ)とすると、 It becomes. However, Q / CT represents a potential when charge is injected into the floating gate. Here, when Vsub = 0V (reference potential, the same applies hereinafter),

Figure 0005422886
Figure 0005422886

となる。ここで、各容量の比は、プロセスによっても多少異なるが、概略、C(FD):C(FS):C(FC)=0.1:0.1:0.8程度となる。ここで、フローティングゲートFG内の電荷量をQ・CT=−ΔVFGとすると、CT=1として It becomes. Here, the ratio of the capacities varies somewhat depending on the process, but is roughly about C (FD): C (FS): C (FC) = 0.1: 0.1: 0.8. Here, if the charge amount in the floating gate FG is Q · CT = −ΔVFG, CT = 1

Figure 0005422886
Figure 0005422886

となる。 It becomes.

ここで、図1の不揮発性半導体メモリ素子の消去を説明する。この不揮発性半導体メモリ素子を構成するトランジスタのチャネルCHの閾値は0.5Vとする。消去は、VD=8V、VS=open(オープン)とする。ソースがopenなので、このトランジスタのチャネルCH部分には空乏層が広がり、フローティングゲートFGと基板SUBとの容量は非常に小さくなるので、無視すると、消去時のフローティングゲート電位VGF(Erase)は、ΔVFG=0として、   Here, erasing of the nonvolatile semiconductor memory device of FIG. 1 will be described. The threshold value of the channel CH of the transistor constituting this nonvolatile semiconductor memory element is 0.5V. Erasing is performed with VD = 8V and VS = open (open). Since the source is open, a depletion layer spreads in the channel CH portion of this transistor, and the capacitance between the floating gate FG and the substrate SUB becomes very small. If neglected, the floating gate potential VGF (Erase) at the time of erasing is ΔVFG = 0,

Figure 0005422886
Figure 0005422886

となる。ドレインDに電圧を印加すると、図4に示すように、まず初めに、ドレインD近傍にて空乏層の電界集中が起こり、いわゆる高エネルギーによるBand to Band(BtoB)の電流が流れ、ホールと電子のペアが発生する。高エネルギーを持ったホール(ホットホール)が一部フローティングゲートFGに取り込まれ、さらに電圧を上げると、酸化膜が比較的厚い場合には、ファウラーノルトハイム(Fauler-Nordheim)のトンネル電流が流れる前にジャンクションブレークダウンが起こり、大電流が基板SUBに流れる。このブレークダウン電圧をVBDとする。 It becomes. When a voltage is applied to the drain D, as shown in FIG. 4, first, an electric field concentration in the depletion layer occurs in the vicinity of the drain D, and a so-called high energy band-to-band (BtoB) current flows, so that holes and electrons The pair occurs. When some holes with high energy (hot holes) are taken into the floating gate FG and the voltage is further increased, if the oxide film is relatively thick, the Fowler-Nordheim tunnel current flows before A junction breakdown occurs and a large current flows through the substrate SUB. This breakdown voltage is assumed to be VBD.

なお、バンド・バンド間(BtoB)電流の詳細は、「文献:『フラッシュメモリ技術ハンドブック』、編者:舛岡富士雄、発行所:株式会社サイエンスフォーラム、1993年8月15日第1版第1刷発行。第5章第2節 不揮発性メモリセルにおけるバンド間トンネル現象の解析、P206〜215」を参照。また、図4は横軸がドレイン電位VD、縦軸がドレイン電流IDで、ドレイン電位VDを変化させた場合のドレイン電流IDの変化をフローティングゲート電位VFGをパラメータとして模式的に表したものである。   For details of the band-to-band (BtoB) current, refer to “Reference:“ Flash Memory Technology Handbook ”, Editor: Fujio Takaoka, Publisher: Science Forum, Inc., August 15, 1993, first edition, first edition issued. See Chapter 5, Section 2, Analysis of Band-to-Band Tunneling in Non-volatile Memory Cells, P206-215. FIG. 4 schematically shows the change in the drain current ID when the drain potential VD is changed with the drain potential VD and the vertical axis as the drain potential VD, with the floating gate potential VFG as a parameter. .

ここで、BtoB及びブレークダウンはある一定電界で起こるので、フローティングゲートFGの電位に依存する。図4に示すように、VFGが低いとVBDも低くなり、VFGが高いとVBDも高くなる。   Here, since BtoB and breakdown occur in a certain electric field, it depends on the potential of the floating gate FG. As shown in FIG. 4, when VFG is low, VBD is also low, and when VFG is high, VBD is high.

消去を考察する。BtoBが起こる、ゲートとドレインの電位差の限界電位を5Vとすると、VD=8Vでは、フローティングゲート電位VFGは3Vになるまで消去される、言い換えれば、ホットホールが注入される。消去時は、ソースSをオープンとするため、VSはほぼ0V、チャネルもオフしているので、チャネル電位Vchもほぼ0Vとすると、初期状態では、ΔVFG=0Vなので、(式1)から(式2)が導き出される。初期のVFGは0.8Vとなるので、消去後3Vとなると、消去時の変化量ΔVFG(E)は+2.2Vとなる。   Consider erasure. If the limit potential of the potential difference between the gate and drain where BtoB occurs is 5V, when VD = 8V, the floating gate potential VFG is erased until it reaches 3V, in other words, hot holes are injected. At the time of erasing, since the source S is opened, VS is almost 0V and the channel is also turned off. Therefore, if the channel potential Vch is also almost 0V, ΔVFG = 0V in the initial state. 2) is derived. Since the initial VFG is 0.8V, when it becomes 3V after erasure, the change amount ΔVFG (E) at the time of erasure becomes + 2.2V.

一方、書き込みは、VD=5V、VS=0Vとする。このとき、書き込み前の状態は通常消去状態で、フローティングゲートFG内にはホールが入っているとすると、このトランジスタはオン状態なので、チャネルは飽和領域で動作している。従って、チャネルとゲートとの実勢カップリング面積は通常約半分になるので、書き込み時のフローティングゲート電位VGF(Program)は、(式1)より、   On the other hand, writing is performed with VD = 5V and VS = 0V. At this time, if the state before writing is a normal erasing state and a hole is in the floating gate FG, this transistor is in an on state, so that the channel operates in the saturation region. Accordingly, since the actual coupling area between the channel and the gate is usually about half, the floating gate potential VGF (Program) at the time of writing is calculated from (Equation 1):

Figure 0005422886
Figure 0005422886

となり、ゲート電圧が約2.5Vとなるので、チャネルがオンして過大電流が流れ、ホットエレクトロンが発生し、書き込みが行われる。ここで、このトランジスタの閾値が0.5Vなので、フローティングゲートFGの電位VFGが0.5Vになると電流が流れなくなり、書き込みが終了する。このとき、ゲート電圧が、2.5Vから0.5Vに変化するので、書き込み時の変化量ΔVFG(P)は−2.0Vとなる。 Since the gate voltage is about 2.5 V, the channel is turned on, an excessive current flows, hot electrons are generated, and writing is performed. Here, since the threshold value of this transistor is 0.5V, when the potential VFG of the floating gate FG becomes 0.5V, no current flows and writing is completed. At this time, since the gate voltage changes from 2.5V to 0.5V, the change amount ΔVFG (P) at the time of writing becomes −2.0V.

この消去及び書き込み状態のトランジスタ特性を図3に示す。図3は、横軸がフローティングゲート電位VFG、縦軸がドレインDの電流IDで、消去、中性及び書き込みの3つの状態においてフローティングゲート電位VFGを変化させた場合のゲート電流IDの変化を模式的に表したものである。   FIG. 3 shows the transistor characteristics in the erased and written states. FIG. 3 schematically shows changes in the gate current ID when the floating gate potential VFG is changed in three states of erasure, neutrality, and writing, where the horizontal axis is the floating gate potential VFG and the vertical axis is the current ID of the drain D. It is a representation.

次に読み出しの説明を行う。読み出しはVD=1V、VS=0Vとする。このとき、フローティングゲートFGにΔVFGの電荷が入っていたとすると、読み出し時のフローティングゲート電位VGF(Read)は、   Next, reading will be described. Reading is performed with VD = 1V and VS = 0V. At this time, if the charge of ΔVFG is in the floating gate FG, the floating gate potential VGF (Read) at the time of reading is

Figure 0005422886
Figure 0005422886

となる。“0”読み出しの場合は、書き込み時にフローティングゲートFG内に電子が−Δ2.0V分注入されているので、(式3)より、“0”読み出し時のフローティングゲート電位VFG(“0”)は、 It becomes. In the case of “0” reading, electrons are injected by −Δ2.0 V into the floating gate FG at the time of writing. Therefore, from (Equation 3), the floating gate potential VFG (“0”) at the time of “0” reading is ,

Figure 0005422886
Figure 0005422886

となる。一方、“1”読み出しの場合は、消去時にフローティングゲートFG内にホールがΔ2.2V分入っているので、(式3)より、“1”読み出し時のフローティングゲート電位VFG(“1”)は、 It becomes. On the other hand, in the case of “1” reading, since a hole is included in the floating gate FG by Δ2.2V at the time of erasing, the floating gate potential VFG (“1”) at the time of “1” reading is ,

Figure 0005422886
Figure 0005422886

となる。図5に、この不揮発性半導体メモリ素子の動作をまとめる。なお、ドレインとソースの動作は互いに逆の動作とすることが可能である。 It becomes. FIG. 5 summarizes the operation of this nonvolatile semiconductor memory element. Note that the operations of the drain and the source can be reversed.

[実施形態2]
図6に、図1などを参照して説明した実施形態1の応用例を示す。図6(a)はこの実施の形態の不揮発性半導体メモリ素子(以下ではメモリセルとも称する)の平面図、(b)は等価回路を示す。図1に示すトランジスタと同じフローティングゲートを有するフローティングゲートトランジスタ1と、フローティングゲートトランジスタ1を選択又は非選択するためのセレクトトランジスタである2との直列接続された構成である。セレクトトランジスタ2のゲート(セレクトゲートと称する)SGの電位を制御することで、この不揮発性半導体メモリ素子を構成するフローティングゲートトランジスタ1の選択、非選択を決定する。セレクトトランジスタ2のドレインをD端子、フローティングゲートトランジスタ1のソースをS端子とし、さらに、セレクトトランジスタ2のゲート電位をVSG、D端子の電位をVD、S端子の電位をVSとして、消去、書き込み、“0”読み出し、“1”読み出し、及びトランジスタ1を非選択とする場合の動作を図7に示す。選択される場合は、セレクトゲートSGに例えば書き込み、消去時は10V、読み出し時は3Vを印加してトランジスタ2を十分オンさせる。基本的な動作は図5と同じである。また、非選択の場合は、SGを0Vにする。
[Embodiment 2]
FIG. 6 shows an application example of the first embodiment described with reference to FIG. FIG. 6A is a plan view of a nonvolatile semiconductor memory element (hereinafter also referred to as a memory cell) of this embodiment, and FIG. 6B shows an equivalent circuit. A floating gate transistor 1 having the same floating gate as the transistor shown in FIG. 1 and a select transistor 2 for selecting or deselecting the floating gate transistor 1 are connected in series. By controlling the potential of the gate (referred to as a select gate) SG of the select transistor 2, the selection or non-selection of the floating gate transistor 1 constituting this nonvolatile semiconductor memory element is determined. The drain of the select transistor 2 is the D terminal, the source of the floating gate transistor 1 is the S terminal, the gate potential of the select transistor 2 is VSG, the potential of the D terminal is VD, and the potential of the S terminal is VS. FIG. 7 shows operations when “0” reading, “1” reading, and transistor 1 are not selected. When selected, for example, 10 V is applied to the select gate SG at the time of writing and erasing, and 3 V is applied at the time of reading to sufficiently turn on the transistor 2. The basic operation is the same as in FIG. If not selected, SG is set to 0V.

[実施形態3]
図8には、図6の不揮発性半導体メモリ素子をメモリアレイに構成した実施形態を示す。M11は図6のフローティングゲートトランジスタ1とセレクトトランジスタ2を直列接続して構成したひとつの不揮発性半導体メモリ素子である。100はM11と同じ不揮発性半導体メモリ素子がm×n個で構成されるマトリックスアレイを示す。不揮発性半導体メモリ素子M11〜Mmnの各セレクトトランジスタ2のドレインはビット線Bit1〜Bitnに接続され、すべてのフローティングゲートトランジスタ1のソースは、共通ソースSに接続される。また、各セレクトトランジスタ2のセレクトゲートは行デコーダ300の出力WL1〜WLmに接続される。200はBit1〜Bitnをトランジスタ201〜20nで選択するカラムゲート、300は、行線WL1〜WLmを選択する行デコーダ、400はカラムゲート200の各トランジスタ201〜20nを列線C1〜Cnで選択する列デコーダ、500は入力データDinに応じてデータ線Dataに書き込み、消去の電圧を印加する書き込み/消去制御回路、600はデータ線Data上に現れる不揮発性半導体メモリ素子M11〜Mmnのデータを読み出すためのセンスアンプであり、不揮発性半導体メモリ素子M11〜Mmnの各メモリセルのデータDoutを出力する。
[Embodiment 3]
FIG. 8 shows an embodiment in which the nonvolatile semiconductor memory element of FIG. 6 is configured in a memory array. M11 is one nonvolatile semiconductor memory element configured by connecting the floating gate transistor 1 and the select transistor 2 of FIG. 6 in series. Reference numeral 100 denotes a matrix array composed of m × n nonvolatile semiconductor memory elements similar to M11. The drains of the select transistors 2 of the nonvolatile semiconductor memory elements M11 to Mmn are connected to the bit lines Bit1 to Bitn, and the sources of all the floating gate transistors 1 are connected to the common source S. The select gate of each select transistor 2 is connected to the outputs WL1 to WLm of the row decoder 300. 200 is a column gate that selects Bit1 to Bitn by transistors 201 to 20n, 300 is a row decoder that selects row lines WL1 to WLm, and 400 is a column decoder that selects each transistor 201 to 20n of the column gate 200 by column lines C1 to Cn. A column decoder 500 is a write / erase control circuit that writes data to the data line Data according to the input data Din and applies an erase voltage, and 600 is for reading data from the nonvolatile semiconductor memory elements M11 to Mmn appearing on the data line Data. And outputs data Dout of each memory cell of the nonvolatile semiconductor memory elements M11 to Mmn.

動作を図9に示す。図9には、選択されたセル(ここではM11)の動作状態を示す。行線WL1及び列線C1が選択されて7Vが印加される。Data線に5Vが印加されると、ビット線Bit1にも5V、従ってメモリセルM11のドレインDにも5Vが印加され、ソースSは0Vなので、M11は書き込み状態となり、書き込みが行われる。   The operation is shown in FIG. FIG. 9 shows the operation state of the selected cell (here, M11). Row line WL1 and column line C1 are selected and 7V is applied. When 5V is applied to the Data line, 5V is also applied to the bit line Bit1 and therefore 5V is also applied to the drain D of the memory cell M11, and the source S is 0V, so that M11 is in a writing state and writing is performed.

一方、消去のときは、WL1、C1に10V、Dataに8Vを印加すると、Bit1が8Vとなり、M11のメモリセルのドレインDに8Vが印加され、ソースSはopenなので,BtoBによるホットホールが発生し、消去が行われる。このとき、行或いは列が非選択の場合は、フローティングゲートのトランジスタ1に電圧が印加されないので、書き込み、消去は起こらない。   On the other hand, at the time of erasing, if 10V is applied to WL1 and C1 and 8V is applied to Data, Bit1 is 8V, 8V is applied to the drain D of the memory cell of M11, and the source S is open. Then, erasure is performed. At this time, when a row or a column is not selected, no voltage is applied to the floating gate transistor 1, and thus writing and erasing do not occur.

この方式のメリットとしては、書き込みはビット書き込み及びページ書き込みが可能であり、また、消去は、ビット消去、ページ消去及び一括消去が可能である。ページ消去の場合には列線C1〜Cnを同時に選択する。マトリックスアレイ100全体の一括消去の場合にはすべての列線C1〜Cnと行線WL1〜WLmを同時に選択する。   As a merit of this method, bit writing and page writing are possible for writing, and bit erasing, page erasing and batch erasing are possible for erasing. In the case of page erase, the column lines C1 to Cn are simultaneously selected. In the case of batch erasure of the entire matrix array 100, all the column lines C1 to Cn and the row lines WL1 to WLm are simultaneously selected.

図10には、図8に示すメモリアレイの別の動作方法を示す。共通ソースS側に電圧を印加した例である。書き込みは、選択されたWL1、C1に3V、Data線に0Vを印加する。このとき、Sに5Vを印加すると、M11には電流が流れ、メモリセルにホットエレクトロン書き込みが起こる。非選択セル(M12〜Mmn)では、行線WL(WL2〜WLm)、列線C(C2〜Cn)が0Vでオフしているので、メモリセル(M12〜Mmn)に電流が流れず、書き込みは起こらない。   FIG. 10 shows another method of operating the memory array shown in FIG. This is an example in which a voltage is applied to the common source S side. For writing, 3 V is applied to the selected WL1 and C1, and 0 V is applied to the Data line. At this time, when 5 V is applied to S, a current flows through M11, and hot electron writing occurs in the memory cell. In the non-selected cells (M12 to Mmn), the row lines WL (WL2 to WLm) and the column lines C (C2 to Cn) are turned off at 0 V, so that no current flows to the memory cells (M12 to Mmn) and writing is performed. Does not happen.

消去については、ソースSが共通なので、全てのメモリセルM11〜Mmnが同時に消去される、所謂、フラッシュメモリの一括消去が行われる。もちろん、メモリアレイ100を分割して複数のブロックに分ければ、ブロック消去が可能である。このようにすると、消去はブロック消去或いは一括消去のみであるが、行デコーダ300、列デコーダ400の構成を低電圧トランジスタで構成できるので、面積的に小さく出来る。なお、書き込みは、ビット書き込み、ページ書き込みが可能である。   As for erasing, since the source S is common, all the memory cells M11 to Mmn are simultaneously erased, so-called batch erasing of the flash memory is performed. Of course, if the memory array 100 is divided into a plurality of blocks, block erasing is possible. In this way, erasing is only block erasing or batch erasing, but the configuration of the row decoder 300 and the column decoder 400 can be configured with low voltage transistors, so that the area can be reduced. The writing can be bit writing or page writing.

[実施形態4]
図11にさらに別の実施形態を示す。図8の実施形態のソースSを行方向に分離してソース線S1〜Smとしたものである。すなわち、この実施の形態では、図8のマトリックスアレイ100に対して、各メモリセルM11〜Mmnのソースを行ごとに分離してソース線S1〜Smとしたマトリックスアレイ100aを用いている。図12に動作を示す。
[Embodiment 4]
FIG. 11 shows still another embodiment. The source S of the embodiment of FIG. 8 is separated in the row direction into source lines S1 to Sm. That is, in this embodiment, a matrix array 100a is used in which the sources of the memory cells M11 to Mmn are separated into the source lines S1 to Sm for each row with respect to the matrix array 100 of FIG. FIG. 12 shows the operation.

この構成では、図8の構成で図10の動作の場合にブロック消去或いは一括消去しか出来なかったものが、ページ消去が可能となる。また、たとえば同じソース線S1に接続された各メモリセルM11〜M1nについては、書き込み時のソース電圧S1と消去時のソース電圧S1を同じ8Vにすれば、図12の書き込み動作と消去動作を同時に行うことが出来る。すなわち、例えば、メモリセルM11に書き込み、メモリセルM12を消去、メモリセルM13(図示せず)に書き込み・・・を同時に行う場合は、C1=3V、C2=0V、C3=3V、・・・というようにDinの入力情報に応じてカラムデコーダ400の出力を選択すれば、書き込みと消去が同時に行える。   In this configuration, in the configuration of FIG. 8, in the case of the operation of FIG. 10, only block erase or batch erase can be performed, and page erase is possible. For example, for each of the memory cells M11 to M1n connected to the same source line S1, if the source voltage S1 at the time of writing and the source voltage S1 at the time of erasing are set to the same 8V, the writing operation and the erasing operation of FIG. Can be done. That is, for example, when writing to the memory cell M11, erasing the memory cell M12, writing to the memory cell M13 (not shown)... Simultaneously, C1 = 3V, C2 = 0V, C3 = 3V,. Thus, if the output of the column decoder 400 is selected according to the input information of Din, writing and erasing can be performed simultaneously.

[実施形態5]
図13に、図8に示す実施形態3の変形して、書き込み、消去が同時に行えるようにした別の実施形態を示す。この実施の形態では、図8のマトリックスアレイ100に対して、各メモリセルM11〜Mmnのソースを列ごとに分離してソース線S1〜Snとしたマトリックスアレイ100bを用いている。またこの実施の形態のカラムゲート200bには、各ソース線S1、S2、…、SnとVS線とを接続・非接続するトランジスタ711、712、…、71nと、各ビット線Bit1、Bit2、…、BitnとVE線とを接続・非接続するトランジスタ721、722、…、72nと、各ビット線Bit1、Bit2、…、BitnとVW/R線とを接続・非接続するトランジスタ731、732、…、73nとが設けられている。
[Embodiment 5]
FIG. 13 shows another embodiment in which writing and erasing can be performed simultaneously by modifying the embodiment 3 shown in FIG. In this embodiment, a matrix array 100b is used in which the sources of the memory cells M11 to Mmn are separated into columns to form source lines S1 to Sn with respect to the matrix array 100 of FIG. In addition, the column gate 200b of this embodiment includes transistors 711, 712,... 71n for connecting / disconnecting the source lines S1, S2,..., Sn and VS lines, and bit lines Bit1, Bit2,. , 72n for connecting / disconnecting Bitn and VE line, and transistors 731, 732, for connecting / disconnecting Bitn and VW / R line to each bit line Bit1, Bit2,. 73n.

さらに、Bit線(Bit1〜Bitn)に書き込みと消去で異なる電圧を与えるために、図8の列デコーダ400を変更した列デコーダ400bによって各トランジスタトランジスタ731、732、…、73n、トランジスタ721、722、…、72n、トランジスタ711、712、…、71nを制御するために、書き込み制御及び読み出し時に選択される書き込みカラム選択線CW/R1〜CW/Rn、消去時に選択される消去カラム選択線CE1〜CEn、ソース線S1〜Snを選択するソースカラム選択線CS1〜CSnが設けられている。また、カラム電圧制御回路500bからは、書き込み電圧及び読み出しバイアス電圧を印加するVW/R、消去電圧を印加するVE、ソース電圧を印加するVSの各信号が出力される。以上の構成では、Din信号を受けて書き込みか消去かを判断して、列デコーダ400bと、カラム電圧制御回路500bとが動作するようになっている。   Further, in order to give different voltages to the bit lines (Bit1 to Bitn) by writing and erasing, the transistor decoders 731, 732,... 73n, transistors 721, 722, .., 72n, write column selection lines CW / R1 to CW / Rn selected at the time of write control and reading, and erase column selection lines CE1 to CEn selected at the time of erasure in order to control the transistors 711, 712,. Source column selection lines CS1 to CSn for selecting source lines S1 to Sn are provided. The column voltage control circuit 500b outputs VW / R for applying a write voltage and a read bias voltage, VE for applying an erase voltage, and VS for applying a source voltage. In the above configuration, the column decoder 400b and the column voltage control circuit 500b operate by determining whether to write or erase in response to the Din signal.

図14に動作を示す。例えばメモリセルM11が書き込みモードに設定されると、Din=“0”となり、CS1が3V、CE1が0V、CW/R1が7Vになり、Bit1がVW/R=5V、ソースS1がVS=0Vに接続され、WL1が10Vとなるので、M11は書き込みとなる。   FIG. 14 shows the operation. For example, when the memory cell M11 is set to the write mode, Din = “0”, CS1 becomes 3V, CE1 becomes 0V, CW / R1 becomes 7V, Bit1 becomes VW / R = 5V, and source S1 becomes VS = 0V. Since WL1 becomes 10V, M11 is written.

一方、メモリセルM11が消去モードになると、Din=“1”となり、CS1=0V、CE1=10V、CW/R1=0V、VE=8Vとなり、Bit1=8V、S1=openとなり、M11は消去される。このようにして、同じ行線WLで選択された各メモリセルの書き込みと消去が同時に行われる。   On the other hand, when the memory cell M11 enters the erase mode, Din = “1”, CS1 = 0V, CE1 = 10V, CW / R1 = 0V, VE = 8V, Bit1 = 8V, S1 = open, and M11 is erased. The In this way, writing and erasing of each memory cell selected by the same row line WL are performed simultaneously.

実施形態4との違いは、Bit線の電圧が、書き込み(5V)と消去(8V)でそれぞれ最適な電圧に設定可能であることである。   The difference from the fourth embodiment is that the voltage of the Bit line can be set to an optimum voltage for writing (5 V) and erasing (8 V).

上述したように、本発明の各実施の形態によれば、標準ロジックのCMOSプロセスで不揮発性半導体メモリ(すなわち不揮発性半導体メモリ素子及びそれを用いた半導体装置)が実現できる。したがって、標準ロジックに本発明の不揮発性半導体メモリを搭載することで、ロジック混載メモリを容易に、また安価に実現できる。   As described above, according to each embodiment of the present invention, a nonvolatile semiconductor memory (that is, a nonvolatile semiconductor memory element and a semiconductor device using the same) can be realized by a standard logic CMOS process. Therefore, by mounting the nonvolatile semiconductor memory of the present invention on the standard logic, a logic embedded memory can be realized easily and inexpensively.

本発明による不揮発性半導体メモリ素子の実施の形態(実施形態1)の構成を示す図である。It is a figure which shows the structure of embodiment (Embodiment 1) of the non-volatile semiconductor memory element by this invention. 図1の実施の形態の等化回路を示す図である。It is a figure which shows the equalization circuit of embodiment of FIG. 図1の実施の形態の特性を説明するための図である。It is a figure for demonstrating the characteristic of embodiment of FIG. 図1の実施の形態の他の特性を説明するための図である。It is a figure for demonstrating the other characteristic of embodiment of FIG. 図1の実施の形態の動作を説明するための図である。It is a figure for demonstrating the operation | movement of embodiment of FIG. 図1の不揮発性半導体メモリ素子の応用例としての実施の形態(実施形態2)の構成を示す図である。It is a figure which shows the structure of embodiment (Embodiment 2) as an application example of the non-volatile semiconductor memory element of FIG. 図6の実施の形態の動作を説明するための図である。It is a figure for demonstrating the operation | movement of embodiment of FIG. 図6の実施の形態を用いてマトリックスアレイを構成した場合の実施の形態(実施形態3)を示す図である。It is a figure which shows embodiment (Embodiment 3) at the time of comprising a matrix array using embodiment of FIG. 図8の実施の形態の動作を説明するための図である。It is a figure for demonstrating the operation | movement of embodiment of FIG. 図8の実施の形態の他の動作を説明するための図である。It is a figure for demonstrating the other operation | movement of embodiment of FIG. 図8の実施の形態の変形例としての実施の形態(実施形態4)の構成を示す図である。It is a figure which shows the structure of embodiment (Embodiment 4) as a modification of embodiment of FIG. 図11の実施の形態の動作を説明するための図である。It is a figure for demonstrating the operation | movement of embodiment of FIG. 図8の実施の形態の他の変形例としての実施の形態(実施形態5)の構成を示す図である。It is a figure which shows the structure of embodiment (Embodiment 5) as another modification of embodiment of FIG. 図13の実施の形態の動作を説明するための図である。It is a figure for demonstrating the operation | movement of embodiment of FIG.

符号の説明Explanation of symbols

D…ドレイン
S…ソース
FG…フローティングゲート
SG…セレクトゲート
M11〜Mmn…不揮発性半導体メモリ素子(メモリセル)
1…フローティングゲートトランジスタ
2…セレクトトランジスタ
100、100a、100b…マトリックスアレイ
200、200b…カラムゲート
300…行デコーダ
400、400b…列デコーダ
500…書き込み/消去制御回路
500b…カラム電圧制御回路
D ... Drain S ... Source FG ... Floating gate SG ... Select gates M11-Mmn ... Non-volatile semiconductor memory elements (memory cells)
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Floating gate transistor 2 ... Select transistor 100, 100a, 100b ... Matrix array 200, 200b ... Column gate 300 ... Row decoder 400, 400b ... Column decoder 500 ... Write / erase control circuit 500b ... Column voltage control circuit

Claims (4)

半導体基板上に形成されたフローティングゲート、ドレイン及びソースからなる第1のトランジスタと、前記第1のトランジスタと直列接続され、オン又はオフすることで前記第1のトランジスタの選択又は非選択を制御する第2のトランジスタとからなる不揮発性半導体メモリ素子であって、
前記第2のトランジスタをオン状態として、前記第1のトランジスタのソース・ドレイン間に電圧を印加して電荷を前記フローティングゲートに注入して蓄積すると共に、
前記第1のトランジスタのフローティングゲートに蓄積された電荷の消去時に、前記半導体基板と前記第1のトランジスタのドレイン又はソース間に電圧を印加し、バンド・バンド間によるホットホールを前記半導体基板中に発生させ、該ホットホールにより前記フローティングゲートに蓄積された電荷を消去するように構成された不揮発性半導体メモリ素子を、複数個、行及び列方向に配列したマトリックスアレイと、
複数の前記第1のトランジスタのソースを行毎に接続する複数のソース線と、
複数の前記第2のトランジスタのゲートを行毎に接続する複数の行線と、
複数の前記第2のトランジスタのドレインを列毎に接続する複数のビット線と、
前記各ビット線に接続された複数のトランジスタを複数の列線によって選択することで前記各ビット線を選択する列線選択手段と、
前記行線を選択する行線選択手段と、
前記列線選択手段によって選択されたビット線に所定の電圧を印加する電圧印加手段と、
前記列線選択手段及び行線選択手段によって選択された不揮発性半導体メモリ素子のフローティングゲートに蓄積された電荷の状態を読み出す読み出し手段と
を備え、
前記ソース線に印加する電圧を書き込み時と消去時で同一とし、書き込み時に前記不揮発性半導体メモリ素子の第2のトランジスタのドレインに接続されたビット線と第1のトランジスタのソースに接続されたソース線との間に電圧を印加し、消去時に前記不揮発性半導体メモリ素子の第2のトランジスタのドレインに接続されたビット線を開放として第1のトランジスタのソースに接続されたソース線と前記半導体基板間に電圧を印加する
ことを特徴とする半導体装置。
A first transistor including a floating gate, a drain, and a source formed on a semiconductor substrate and connected in series with the first transistor, and controls selection or non-selection of the first transistor by turning on or off. A non-volatile semiconductor memory device comprising a second transistor,
With the second transistor turned on, a voltage is applied between the source and drain of the first transistor to inject charges into the floating gate and accumulate,
When erasing charges accumulated in the floating gate of the first transistor, a voltage is applied between the semiconductor substrate and the drain or source of the first transistor, and hot holes due to band-to-band are formed in the semiconductor substrate. A matrix array in which a plurality of nonvolatile semiconductor memory elements configured to generate and erase charges accumulated in the floating gate by the hot holes are arranged in a row and column direction;
A plurality of source lines connecting the sources of the plurality of first transistors for each row;
A plurality of row lines connecting the gates of the plurality of second transistors for each row;
A plurality of bit lines connecting the drains of the plurality of second transistors for each column;
Column line selection means for selecting each bit line by selecting a plurality of transistors connected to each bit line by a plurality of column lines;
A row line selection means for selecting the row line;
Voltage applying means for applying a predetermined voltage to the bit line selected by the column line selecting means;
Read means for reading out the state of the charge accumulated in the floating gate of the nonvolatile semiconductor memory element selected by the column line selection means and the row line selection means,
The voltage applied to the source line is the same during writing and erasing, and the bit line connected to the drain of the second transistor of the nonvolatile semiconductor memory element and the source connected to the source of the first transistor during writing The semiconductor substrate and the source line connected to the source of the first transistor by applying a voltage between the line and opening the bit line connected to the drain of the second transistor of the nonvolatile semiconductor memory element at the time of erasing A semiconductor device characterized by applying a voltage between them.
前記不揮発性半導体メモリ素子の前記第1のトランジスタ構成において、前記フローティングゲートと前記ソース又は前記ドレイン間の容量と前記フローティングゲートとチャネル間の容量との比が1:8である
ことを特徴とする請求項1に記載の半導体装置。
In the first transistor configuration of the nonvolatile semiconductor memory element, a ratio of a capacitance between the floating gate and the source or the drain and a capacitance between the floating gate and the channel is 1 : 8. The semiconductor device according to claim 1.
半導体基板上に形成されたフローティングゲート、ドレイン及びソースからなる第1のトランジスタと、前記第1のトランジスタと直列接続され、オン又はオフすることで前記第1のトランジスタの選択又は非選択を制御する第2のトランジスタとからなる不揮発性半導体メモリ素子であって、
前記第2のトランジスタをオン状態として、前記第1のトランジスタのソース・ドレイン間に電圧を印加して電荷を前記フローティングゲートに注入して蓄積すると共に、
前記第1のトランジスタのフローティングゲートに蓄積された電荷の消去時に、前記半導体基板と前記第1のトランジスタのドレイン又はソース間に電圧を印加し、バンド・バンド間によるホットホールを前記半導体基板中に発生させ、該ホットホールにより前記フローティングゲートに蓄積された電荷を消去するように構成された不揮発性半導体メモリ素子を、複数個、行及び列方向に配列したマトリックスアレイと、
複数の前記第1のトランジスタのソースを列毎に接続する複数のソース線と、
複数の前記第2のトランジスタのゲートを行毎に接続する複数の行線と、
複数の前記第2のトランジスタのドレインを列毎に接続する複数のビット線と、
前記各ソース線及び前記各ビット線に接続された複数のトランジスタを複数の列線によって選択することで前記各ソース線及び前記各ビット線を選択する列線選択手段と、
前記行線を選択する行線選択手段と、
前記列線選択手段によって選択されたソース線及びビット線に所定の電圧を印加する電圧印加手段と、
前記列線選択手段及び行線選択手段によって選択された不揮発性半導体メモリ素子のフローティングゲートに蓄積された電荷の状態を読み出す読み出し手段と
を備え、
書き込み時に、前記不揮発性半導体メモリ素子の前記第2のトランジスタのドレインに接続されたビット線に所定の書込電圧を印加し、前記第1のトランジスタのソースに接続されたソース線を接地し、前記第2のトランジスタのドレインと前記第1のトランジスタのソースとの間に電圧を印加し、消去時に、前記不揮発性半導体メモリ素子の第2のトランジスタのドレインに接続されたビット線に所定の消去電圧を印加し、前記第1のトランジスタのソースに接続されたソース線を開放し、前記第1のトランジスタのドレインと前記半導体基板との間に電圧を印加する
とを特徴とする半導体装置。
A first transistor including a floating gate, a drain, and a source formed on a semiconductor substrate and connected in series with the first transistor, and controls selection or non-selection of the first transistor by turning on or off. A non-volatile semiconductor memory device comprising a second transistor,
With the second transistor turned on, a voltage is applied between the source and drain of the first transistor to inject charges into the floating gate and accumulate,
When erasing charges accumulated in the floating gate of the first transistor, a voltage is applied between the semiconductor substrate and the drain or source of the first transistor, and hot holes due to band-to-band are formed in the semiconductor substrate. A matrix array in which a plurality of nonvolatile semiconductor memory elements configured to generate and erase charges accumulated in the floating gate by the hot holes are arranged in a row and column direction;
A plurality of source lines connecting the sources of the plurality of first transistors for each column;
A plurality of row lines connecting the gates of the plurality of second transistors for each row;
A plurality of bit lines connecting the drains of the plurality of second transistors for each column;
Column line selection means for selecting each source line and each bit line by selecting a plurality of transistors connected to each source line and each bit line by a plurality of column lines;
A row line selection means for selecting the row line;
Voltage applying means for applying a predetermined voltage to the source line and the bit line selected by the column line selecting means;
Read means for reading out the state of the charge accumulated in the floating gate of the nonvolatile semiconductor memory element selected by the column line selection means and the row line selection means,
At the time of writing, a predetermined write voltage is applied to the bit line connected to the drain of the second transistor of the nonvolatile semiconductor memory element, the source line connected to the source of the first transistor is grounded, A voltage is applied between the drain of the second transistor and the source of the first transistor, and a predetermined erase is applied to the bit line connected to the drain of the second transistor of the nonvolatile semiconductor memory element at the time of erasing. A voltage is applied, a source line connected to the source of the first transistor is opened, and a voltage is applied between the drain of the first transistor and the semiconductor substrate.
Semiconductor device comprising a call.
前記不揮発性半導体メモリ素子の前記第1のトランジスタ構成において、前記フローティングゲートと前記ソース又は前記ドレイン間の容量と前記フローティングゲートとチャネル間の容量との比が1:8である
ことを特徴とする請求項3に記載の半導体装置。
In the first transistor configuration of the nonvolatile semiconductor memory element, a ratio of a capacitance between the floating gate and the source or the drain and a capacitance between the floating gate and the channel is 1 : 8. The semiconductor device according to claim 3.
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