JPH09162314A - 不揮発性半導体記憶装置および記憶方法 - Google Patents
不揮発性半導体記憶装置および記憶方法Info
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- JPH09162314A JPH09162314A JP7322889A JP32288995A JPH09162314A JP H09162314 A JPH09162314 A JP H09162314A JP 7322889 A JP7322889 A JP 7322889A JP 32288995 A JP32288995 A JP 32288995A JP H09162314 A JPH09162314 A JP H09162314A
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- H10D30/60—Insulated-gate field-effect transistors [IGFET]
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Abstract
(57)【要約】
【課題】 多値メモリセルで多値を実現するため、メモ
リセルのしきい値を所定の値に収束させる場合に、製造
バラツキの影響を受けないで効率良く、多値メモリセル
のしきい値を制御すること。 【解決手段】 浮遊ゲ−ト電極は多結晶シリコンで形成
されるが、電気伝導性を高抵抗の状態にするために、不
純物導入を非常に低レベルもしくは全く行わないことを
特徴とし、多値メモリセルの書込時に、浮遊ゲ−ト電極
中に注入される電子の注入領域を変えることでメモリセ
ルのチャネル抵抗を制御し、メモリセルの異なったしき
い値を実現することで、しきい値を細かく設定でき、従
来の1ビット(2つのしきい値状態)に代えて2ビット
(4つのしきい値状態)を記憶させることが容易にでき
る。
リセルのしきい値を所定の値に収束させる場合に、製造
バラツキの影響を受けないで効率良く、多値メモリセル
のしきい値を制御すること。 【解決手段】 浮遊ゲ−ト電極は多結晶シリコンで形成
されるが、電気伝導性を高抵抗の状態にするために、不
純物導入を非常に低レベルもしくは全く行わないことを
特徴とし、多値メモリセルの書込時に、浮遊ゲ−ト電極
中に注入される電子の注入領域を変えることでメモリセ
ルのチャネル抵抗を制御し、メモリセルの異なったしき
い値を実現することで、しきい値を細かく設定でき、従
来の1ビット(2つのしきい値状態)に代えて2ビット
(4つのしきい値状態)を記憶させることが容易にでき
る。
Description
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、ビット当たりの低
単価が実現可能な、電気的に書換え可能な不揮発性半導
体記憶装置に関し、特に、物理的な1メモリセルに2ビ
ット以上記憶させることの可能な不揮発性半導体記憶装
置およびその記憶方法に関する。
単価が実現可能な、電気的に書換え可能な不揮発性半導
体記憶装置に関し、特に、物理的な1メモリセルに2ビ
ット以上記憶させることの可能な不揮発性半導体記憶装
置およびその記憶方法に関する。
【0002】
【従来の技術】電気的に書換えの出来る不揮発性半導体
記憶装置の内、複数のメモリセルを同時に一括消去する
機能を有するものを、フラッシュ型EEPROM(以
下、フラッシュメモリと略す)と称する。フラッシュメ
モリは多くの応用に適するが、他の半導体記憶装置と同
様、ビット当たりの単価(ビット単価)の低減が市場を
拡大する上で常に求められている。そのためにこれま
で、各種の技術的提案がされているが、そのような一例
として物理的な1メモリセルに2ビット以上記憶させる
セル(多値メモリセルと称す)がある。
記憶装置の内、複数のメモリセルを同時に一括消去する
機能を有するものを、フラッシュ型EEPROM(以
下、フラッシュメモリと略す)と称する。フラッシュメ
モリは多くの応用に適するが、他の半導体記憶装置と同
様、ビット当たりの単価(ビット単価)の低減が市場を
拡大する上で常に求められている。そのためにこれま
で、各種の技術的提案がされているが、そのような一例
として物理的な1メモリセルに2ビット以上記憶させる
セル(多値メモリセルと称す)がある。
【0003】この種の多値メモリセルの構造及び動作の
一例を図9〜11に示す。図9は、従来の不揮発性半導
体記憶装置の断面構造図を示す。
一例を図9〜11に示す。図9は、従来の不揮発性半導
体記憶装置の断面構造図を示す。
【0004】図9に示すように、多値メモリセルは、P
型シリコン基板11の表面に約10nmのゲート絶縁膜
12を有し、ゲート絶縁膜12上には多結晶シリコンよ
り成る浮遊ゲート電極13、さらに浮遊ゲート電極13
上には約25nmの膜厚の浮遊ゲート上絶縁膜14が形
成され、浮遊ゲート上絶縁膜14上には制御ゲート電極
15を有している。浮遊ゲート電極13及び制御ゲート
電極15に覆われていないシリコン基板11表面にはN
型不純物によるソース16及びドレイン17が形成され
る。浮遊ゲート電極13は多結晶シリコンで形成される
が、通常電気伝導性を持たせるために、リン等の不純物
導入を、例えば1020cmー3程度の高レベルで行う。
型シリコン基板11の表面に約10nmのゲート絶縁膜
12を有し、ゲート絶縁膜12上には多結晶シリコンよ
り成る浮遊ゲート電極13、さらに浮遊ゲート電極13
上には約25nmの膜厚の浮遊ゲート上絶縁膜14が形
成され、浮遊ゲート上絶縁膜14上には制御ゲート電極
15を有している。浮遊ゲート電極13及び制御ゲート
電極15に覆われていないシリコン基板11表面にはN
型不純物によるソース16及びドレイン17が形成され
る。浮遊ゲート電極13は多結晶シリコンで形成される
が、通常電気伝導性を持たせるために、リン等の不純物
導入を、例えば1020cmー3程度の高レベルで行う。
【0005】このタイプの多値メモリセルの動作につい
て、図10、図11を参照して簡単に説明する。
て、図10、図11を参照して簡単に説明する。
【0006】図10は従来の不揮発性半導体記憶装置の
書込・消去動作の特性図、図11は従来の不揮発性半導
体記憶装置の書込・消去時の印加電圧を示す特性図であ
る。
書込・消去動作の特性図、図11は従来の不揮発性半導
体記憶装置の書込・消去時の印加電圧を示す特性図であ
る。
【0007】メモリセルの書込み(データの再書込)
は、例えば4値を再書込む場合、それらは異なった4種
類のしきい値電圧で実現されるが、例えばそれらをしき
い値の低い方から1、2、3、4の状態とする。例え
ば、状態1はセルしきい値の1V、状態2はセルしきい
値の2V、状態3はセルしきい値の3V、状態4はセル
しきい値の5V以上とする(図10参照)。再書込を行
う前には、メモリセルはそれぞれ4種類のしきい値の
内、所定のしきい値に設定されているから、一度消去と
いう動作を行う必要がある。
は、例えば4値を再書込む場合、それらは異なった4種
類のしきい値電圧で実現されるが、例えばそれらをしき
い値の低い方から1、2、3、4の状態とする。例え
ば、状態1はセルしきい値の1V、状態2はセルしきい
値の2V、状態3はセルしきい値の3V、状態4はセル
しきい値の5V以上とする(図10参照)。再書込を行
う前には、メモリセルはそれぞれ4種類のしきい値の
内、所定のしきい値に設定されているから、一度消去と
いう動作を行う必要がある。
【0008】メモリセルの消去(データの消去)では、
上述したような書込まれた状態のメモリセルの浮遊ゲー
ト電極13から電子を引き抜くために、シリコン基板1
1、ドレイン17及び制御ゲート電極15を0V(接地
電位)にして、ソース16に例えば12Vを印加する
(図11参照)。ソース16と浮遊ゲート電極13との
間のゲート絶縁膜12中には強い電界がかかり、10M
V/cm以上が印加されることになる。このような強い
電界のもとでは、ゲート絶縁膜12中にFowler−
Noldheim電流が流れ、その効果を利用して浮遊
ゲート電極13からソース16ヘ電子が流れることでメ
モリセルの消去が行われる。Fowler−Noldh
eim電流は消去を行う前のセルのしきい値にはよら
ず、一定の時間の後には全てのメモリセルのしきい値は
ほぼ状態1の1Vのセルしきい値に収束する(図1
1)。
上述したような書込まれた状態のメモリセルの浮遊ゲー
ト電極13から電子を引き抜くために、シリコン基板1
1、ドレイン17及び制御ゲート電極15を0V(接地
電位)にして、ソース16に例えば12Vを印加する
(図11参照)。ソース16と浮遊ゲート電極13との
間のゲート絶縁膜12中には強い電界がかかり、10M
V/cm以上が印加されることになる。このような強い
電界のもとでは、ゲート絶縁膜12中にFowler−
Noldheim電流が流れ、その効果を利用して浮遊
ゲート電極13からソース16ヘ電子が流れることでメ
モリセルの消去が行われる。Fowler−Noldh
eim電流は消去を行う前のセルのしきい値にはよら
ず、一定の時間の後には全てのメモリセルのしきい値は
ほぼ状態1の1Vのセルしきい値に収束する(図1
1)。
【0009】このようにして、セルのしきい値を一度全
て最もしきい値の低い状態1に揃えた後、例えば状態2
のセルしきい値の2Vを実現するには、ドレイン17に
例えば十7V、シリコン基板11とソース16に0V
(接地電位)を印加し、制御ゲート電極15に例えば9
V程度の電圧を所定の時間印加する(図11)。浮遊ゲ
ート電極13は、外部の電源とは接続していないので、
その電位は、ゲート絶縁膜12及び浮遊ゲート上絶縁膜
14により形成される静電容量比により制御ゲート電極
15、ソース16、ドレイン17、シリコン基板11の
電位から一義的に決定される。各電極をこのような電位
に設定することにより、ソース16とドレイン17間に
はチャネルが形成され、そこを流れる電子がドレイン端
部での強い電界により加速され、一部の電子がゲート絶
縁膜12の酸化膜/シリコン基板間のエネルギ−障壁を
越えて浮遊ゲート電極13中に注入される。いわゆるホ
ットな電子の発生および浮遊ゲート電極ヘの注入であ
る。
て最もしきい値の低い状態1に揃えた後、例えば状態2
のセルしきい値の2Vを実現するには、ドレイン17に
例えば十7V、シリコン基板11とソース16に0V
(接地電位)を印加し、制御ゲート電極15に例えば9
V程度の電圧を所定の時間印加する(図11)。浮遊ゲ
ート電極13は、外部の電源とは接続していないので、
その電位は、ゲート絶縁膜12及び浮遊ゲート上絶縁膜
14により形成される静電容量比により制御ゲート電極
15、ソース16、ドレイン17、シリコン基板11の
電位から一義的に決定される。各電極をこのような電位
に設定することにより、ソース16とドレイン17間に
はチャネルが形成され、そこを流れる電子がドレイン端
部での強い電界により加速され、一部の電子がゲート絶
縁膜12の酸化膜/シリコン基板間のエネルギ−障壁を
越えて浮遊ゲート電極13中に注入される。いわゆるホ
ットな電子の発生および浮遊ゲート電極ヘの注入であ
る。
【0010】同様に、例えば状態3のセルしきい値の3
Vを実現するには、ドレイン17に例えば十7V、シリ
コン基板11とソース16に0V(接地電位)を印加
し、制御ゲート電極15に例えば11V程度の電圧を所
定の時間印加する。また、例えば状態4のセルしきい値
の5Vを実現するには、ドレイン17に例えば十7V、
シリコン基板11とソース16に0V(接地電位)を印
加し、制御ゲート電極15に例えば13V程度の電圧を
所定の時間印加する。このようにして電子の注入に際
し、例えばドレイン17への印加電圧は一定にして、制
御ゲート電極15に印加される電圧を変化させることに
より、浮遊ゲート電極13に注入される電子の注入量を
変化させ、メモリセルに従来の1ビット(2つのしきい
値状態)に代えて2ビット(4つのしきい値状態)を記
憶させることができる。
Vを実現するには、ドレイン17に例えば十7V、シリ
コン基板11とソース16に0V(接地電位)を印加
し、制御ゲート電極15に例えば11V程度の電圧を所
定の時間印加する。また、例えば状態4のセルしきい値
の5Vを実現するには、ドレイン17に例えば十7V、
シリコン基板11とソース16に0V(接地電位)を印
加し、制御ゲート電極15に例えば13V程度の電圧を
所定の時間印加する。このようにして電子の注入に際
し、例えばドレイン17への印加電圧は一定にして、制
御ゲート電極15に印加される電圧を変化させることに
より、浮遊ゲート電極13に注入される電子の注入量を
変化させ、メモリセルに従来の1ビット(2つのしきい
値状態)に代えて2ビット(4つのしきい値状態)を記
憶させることができる。
【0011】通常、このようなドレイン電圧一定の書込
を行うと、書込時のドレイン電圧によるドレイン空乏層
の幅は一定であるため、制御ゲート電極15の電圧が変
化してもホットな電子の発生する場所及びゲート酸化膜
12ヘの注入場所は常に同一と考えられる。一方、前述
したように、浮遊ゲート電極13は高濃度で不純物が導
入されているため、浮遊ゲート電極ヘ注入されたホット
な電子は注入された場所に局在することなく浮遊ゲート
電極内でただち拡散し、浮遊ゲート電極の電位を均一に
する。
を行うと、書込時のドレイン電圧によるドレイン空乏層
の幅は一定であるため、制御ゲート電極15の電圧が変
化してもホットな電子の発生する場所及びゲート酸化膜
12ヘの注入場所は常に同一と考えられる。一方、前述
したように、浮遊ゲート電極13は高濃度で不純物が導
入されているため、浮遊ゲート電極ヘ注入されたホット
な電子は注入された場所に局在することなく浮遊ゲート
電極内でただち拡散し、浮遊ゲート電極の電位を均一に
する。
【0012】
【発明が解決しようとする課題】この従来の多値メモリ
セルでは、多値を実現するためのメモリセルの異なった
しきい値は、浮遊ゲート電極に蓄積される電荷量のみに
より決まる浮遊ゲート電極の電位状態によつて決定され
る。すなわち、個々の書込状態に対応してメモリセルの
しきい値をある狭い範囲で設定するためには、浮遊ゲー
ト電極に注入される電荷量(注入電子量)の絶対値を正
確に制御しなければならない。しかし、多数のメモリセ
ルのしきい値を同時に一定値に収束させることは、原理
的には可能であっても実際には容易ではない。
セルでは、多値を実現するためのメモリセルの異なった
しきい値は、浮遊ゲート電極に蓄積される電荷量のみに
より決まる浮遊ゲート電極の電位状態によつて決定され
る。すなわち、個々の書込状態に対応してメモリセルの
しきい値をある狭い範囲で設定するためには、浮遊ゲー
ト電極に注入される電荷量(注入電子量)の絶対値を正
確に制御しなければならない。しかし、多数のメモリセ
ルのしきい値を同時に一定値に収束させることは、原理
的には可能であっても実際には容易ではない。
【0013】その理由は、メモリセルの製造バラツキ
が、例えばゲート絶縁膜の膜厚バラツキになる場合やメ
モリセルのチャネル長のバラツキになることはめずらし
くなく、そのような場合、書込に際して製造バラツキに
起因したゲート絶縁膜中の電子電流のバラツキでしきい
値のバラツキが生じ、メモリセルのしきい値を所定の値
に収束させることが難しくなる。
が、例えばゲート絶縁膜の膜厚バラツキになる場合やメ
モリセルのチャネル長のバラツキになることはめずらし
くなく、そのような場合、書込に際して製造バラツキに
起因したゲート絶縁膜中の電子電流のバラツキでしきい
値のバラツキが生じ、メモリセルのしきい値を所定の値
に収束させることが難しくなる。
【0014】本発明の目的は、上記従来の問題点に鑑
み、多値メモリセルの書込時に所定のしきい値を実現す
るために、浮遊ゲート電極ヘの注入電子量を厳しく制御
することなく、注入する電子の場所を変えることでメモ
リセルのチャネル抵抗を制御し、より多くのしきい値を
実現することのできる不揮発性半導体記憶装置及びその
記憶方法を提供することにある。
み、多値メモリセルの書込時に所定のしきい値を実現す
るために、浮遊ゲート電極ヘの注入電子量を厳しく制御
することなく、注入する電子の場所を変えることでメモ
リセルのチャネル抵抗を制御し、より多くのしきい値を
実現することのできる不揮発性半導体記憶装置及びその
記憶方法を提供することにある。
【0015】
【課題を解決するための手段】本発明は、上記課題を解
決するために、第1導電型の半導体基板表面の第1の領
域に、前記半導体基板と反対導電型の第2導電型の不純
物より成る複数のソース、ドレインと、これらソース・
ドレイン間の複数の浮遊ゲ−ト電極及び複数の制御ゲ−
ト電極より構成される複数の積層ゲートMOS型の記憶
素子がマトリクス状に配置され、前記制御ゲート電極は
行線に、前記ドレイン、ソースはそれぞれ列線及びソー
ス線に接続された不揮発性半導体記憶装置において、前
記浮遊ゲ−ト電極は多結晶シリコンで形成されるが、電
気伝導性を高抵抗の状態にするために、不純物導入を、
非常に低レベルもしくは全く行わないことを特徴とし、
前記各記憶素子の浮遊ゲ−ト電極に蓄積される電子の電
荷量の違いによって4種類のしきい値を有する4種類の
記憶状態を有し、前記4種類の記憶状態は、最もしきい
値の低い第1のしきい値状態と最もしきい値の高い第4
のしきい値状態及びその間にある第2のしきい値状態と
それよりも高い第3のしきい値状態により構成され、前
記それぞれのしきい値状態は、すべての記憶素子を予め
第1のしきい値状態にした後、第1のしきい値状態に設
定する記憶素子を除く残りのすべての記憶素子を第2の
しきい値状態にし、次に第2のしきい値状態に設定する
記憶素子を除く残りのすべての記憶素子を第3のしきい
値状態にし、次に第3のしきい値状態に設定する記憶素
子を除く残りのすべての記憶素子を第4のしきい値状態
に設定し、それぞれのしきい値状態は前記浮遊ゲート電
極中に局在して存在する電子によって実現され、その結
果記憶素子に実質的に2ビット以上の記憶状態を実現す
ることのできる不揮発性半導体記憶装置及びその記憶方
法である。
決するために、第1導電型の半導体基板表面の第1の領
域に、前記半導体基板と反対導電型の第2導電型の不純
物より成る複数のソース、ドレインと、これらソース・
ドレイン間の複数の浮遊ゲ−ト電極及び複数の制御ゲ−
ト電極より構成される複数の積層ゲートMOS型の記憶
素子がマトリクス状に配置され、前記制御ゲート電極は
行線に、前記ドレイン、ソースはそれぞれ列線及びソー
ス線に接続された不揮発性半導体記憶装置において、前
記浮遊ゲ−ト電極は多結晶シリコンで形成されるが、電
気伝導性を高抵抗の状態にするために、不純物導入を、
非常に低レベルもしくは全く行わないことを特徴とし、
前記各記憶素子の浮遊ゲ−ト電極に蓄積される電子の電
荷量の違いによって4種類のしきい値を有する4種類の
記憶状態を有し、前記4種類の記憶状態は、最もしきい
値の低い第1のしきい値状態と最もしきい値の高い第4
のしきい値状態及びその間にある第2のしきい値状態と
それよりも高い第3のしきい値状態により構成され、前
記それぞれのしきい値状態は、すべての記憶素子を予め
第1のしきい値状態にした後、第1のしきい値状態に設
定する記憶素子を除く残りのすべての記憶素子を第2の
しきい値状態にし、次に第2のしきい値状態に設定する
記憶素子を除く残りのすべての記憶素子を第3のしきい
値状態にし、次に第3のしきい値状態に設定する記憶素
子を除く残りのすべての記憶素子を第4のしきい値状態
に設定し、それぞれのしきい値状態は前記浮遊ゲート電
極中に局在して存在する電子によって実現され、その結
果記憶素子に実質的に2ビット以上の記憶状態を実現す
ることのできる不揮発性半導体記憶装置及びその記憶方
法である。
【0016】
【発明の実施の形態】次に本発明について図面を参照し
て説明する。
て説明する。
【0017】(第1実施例)図1は本発明の第1実施例
であるメモリセルの断面構造図、図2は第1実施例であ
るメモリセルの書込・消去動作の特性図、図3は第1実
施例であるメモリセルの書込み手順を示すフローチャー
ト、及び図4は第1実施例であるメモリセルの書込時の
印加電圧を示す特性図である。
であるメモリセルの断面構造図、図2は第1実施例であ
るメモリセルの書込・消去動作の特性図、図3は第1実
施例であるメモリセルの書込み手順を示すフローチャー
ト、及び図4は第1実施例であるメモリセルの書込時の
印加電圧を示す特性図である。
【0018】以下、図1〜4を用いて本発明の要旨を説
明する。なお本実施例では、多値の一例として4値を挙
げて説明するが、いうまでもなく4値にこだわるもので
はなく、4値以上のN値であっても差し支えない。
明する。なお本実施例では、多値の一例として4値を挙
げて説明するが、いうまでもなく4値にこだわるもので
はなく、4値以上のN値であっても差し支えない。
【0019】図1に示すように、P型シリコン基板11
の表面に約10nmのゲート絶縁膜12を有し、ゲート
絶縁膜12上には多結晶シリコンより成る浮遊ゲート電
極13、さらに浮遊ゲート電極13上には約25nmの
膜厚の浮遊ゲート上絶縁膜14が形成され、浮遊ゲート
上絶縁膜14上には制御ゲート電極15を有している。
浮遊ゲート電極13及び制御ゲート電極15に覆われて
いないシリコン基板11表面にはN型不純物によるソー
ス16及びドレイン17が形成される。
の表面に約10nmのゲート絶縁膜12を有し、ゲート
絶縁膜12上には多結晶シリコンより成る浮遊ゲート電
極13、さらに浮遊ゲート電極13上には約25nmの
膜厚の浮遊ゲート上絶縁膜14が形成され、浮遊ゲート
上絶縁膜14上には制御ゲート電極15を有している。
浮遊ゲート電極13及び制御ゲート電極15に覆われて
いないシリコン基板11表面にはN型不純物によるソー
ス16及びドレイン17が形成される。
【0020】本実施例において、従来のセル構造と異な
る点は、浮遊ゲート電極13は多結晶シリコンで形成さ
れるが、電気伝導性を持たせるために従来行っていた、
リン等の不純物導入を非常に低レベルもしくは全く行わ
ず、高抵抗の状態に形成する点である。従来は、チャネ
ル全体の電位を一定にすることが必要であったため、注
入電子は速やかに浮遊ゲート電極全体に広げる必要があ
り、そのために浮遊ゲート電極の電気伝導度を高くする
必要があった。本発明では、浮遊ゲート電極の電子注入
場所(領域)を変化させることで注入電子が浮遊ゲート
電極に広がることになるので、浮遊ゲート電極の電気伝
導度を高くする必要はなく、むしろ、注入電子が浮遊ゲ
ート電極の特定の場所に留まっている必要があるので、
浮遊ゲート電極の電気伝導度は絶縁体に近い値(真性半
導体)でも差し支えない。
る点は、浮遊ゲート電極13は多結晶シリコンで形成さ
れるが、電気伝導性を持たせるために従来行っていた、
リン等の不純物導入を非常に低レベルもしくは全く行わ
ず、高抵抗の状態に形成する点である。従来は、チャネ
ル全体の電位を一定にすることが必要であったため、注
入電子は速やかに浮遊ゲート電極全体に広げる必要があ
り、そのために浮遊ゲート電極の電気伝導度を高くする
必要があった。本発明では、浮遊ゲート電極の電子注入
場所(領域)を変化させることで注入電子が浮遊ゲート
電極に広がることになるので、浮遊ゲート電極の電気伝
導度を高くする必要はなく、むしろ、注入電子が浮遊ゲ
ート電極の特定の場所に留まっている必要があるので、
浮遊ゲート電極の電気伝導度は絶縁体に近い値(真性半
導体)でも差し支えない。
【0021】本発明の多値メモリセルの動作を図2〜図
4を用いて説明する。
4を用いて説明する。
【0022】例えば4値を書き込む場合について説明す
る。メモリセルのしきい値は、図2に示すように異なっ
た4種類のしきい値電圧で実現されるが、例えばそれら
をしきい値の低い方から1、2、3、4の状態とする。
例えば、状態1はセルしきい値の1V、状態2はセルし
きい値の2V、状態3はセルしきい値の3V、状態4は
セルしきい値の5V以上とする。書込を行う前には、メ
モリセルはそれぞれ4種類のしきい値の内、所定のしき
い値に設定されているから、一度消去という動作を行う
必要がある。
る。メモリセルのしきい値は、図2に示すように異なっ
た4種類のしきい値電圧で実現されるが、例えばそれら
をしきい値の低い方から1、2、3、4の状態とする。
例えば、状態1はセルしきい値の1V、状態2はセルし
きい値の2V、状態3はセルしきい値の3V、状態4は
セルしきい値の5V以上とする。書込を行う前には、メ
モリセルはそれぞれ4種類のしきい値の内、所定のしき
い値に設定されているから、一度消去という動作を行う
必要がある。
【0023】メモリセルの消去(データの消去、ステッ
プS1)では、上述したような書込まれた状態のメモリ
セルの浮遊ゲート電極から電子を引き抜くために、シリ
コン基板11、ドレイン17及び制御ゲート電極15を
0V(接地電位)にして、ソース16に例えば12Vを
印加する。ソース16と浮遊ゲート電極13との間のゲ
ート絶縁膜12中には強い電界がかかり、10MV/c
m以上が印加されることになる。このような強い電界の
もとでは、ゲート絶縁膜12中にFowler−Nol
dheim電流が流れ、その効果を利用して浮遊ゲート
電極13からソース16ヘ電子が流れることでメモリセ
ルの消去が行われる。Fowler−Noldheim
電流は消去を行う前のセルのしきい値にはよらず、一定
の時間の後には全てのメモリセルのしきい値はほぼ状態
1の1Vのセルしきい値に収束する(ステップS2)。
プS1)では、上述したような書込まれた状態のメモリ
セルの浮遊ゲート電極から電子を引き抜くために、シリ
コン基板11、ドレイン17及び制御ゲート電極15を
0V(接地電位)にして、ソース16に例えば12Vを
印加する。ソース16と浮遊ゲート電極13との間のゲ
ート絶縁膜12中には強い電界がかかり、10MV/c
m以上が印加されることになる。このような強い電界の
もとでは、ゲート絶縁膜12中にFowler−Nol
dheim電流が流れ、その効果を利用して浮遊ゲート
電極13からソース16ヘ電子が流れることでメモリセ
ルの消去が行われる。Fowler−Noldheim
電流は消去を行う前のセルのしきい値にはよらず、一定
の時間の後には全てのメモリセルのしきい値はほぼ状態
1の1Vのセルしきい値に収束する(ステップS2)。
【0024】本発明の書込方法を説明する。図3、図4
に示すように、多数のメモリセルの内、状態1を書き込
むセルは、消去後のしきい値1Vのままで良いから電圧
を印加する必要はない(スッテプS3)。状態2を書き
込む場合(ステップS4)、状態1を書きんだセルを除
く全てのセルを対象にして、例えば制御ゲート電極15
に例えぼ9V、ドレイン17には4Vの電圧を例えば1
0マイクロ秒間印加する(ステップS5)。すると、メ
モリセルは導通状態になり、ソースとドレイン間に電子
の電流が流れ、その電子の一部はシリコン基板11とゲ
ート絶縁膜12のエネルギー障壁を越えることが可能な
エネルギー(3eV以上)を有するいわゆるホットな電
子となり、浮遊ゲート電極3に注入される。通常、この
ようなホットな電子はドレインの空乏層内で発生する。
従ってここで示したような低ドレイン電圧の下では、ド
レイン側での空乏層の幅が小さいから(例えば、シリコ
ン基板11の基板濃度が2XlO17cmー3では空乏層の
幅は、ドレイン端部から0.15ミクロン程度)、ホッ
トな電子はドレイン端近傍の浮遊ゲート電極中に注入さ
れる。
に示すように、多数のメモリセルの内、状態1を書き込
むセルは、消去後のしきい値1Vのままで良いから電圧
を印加する必要はない(スッテプS3)。状態2を書き
込む場合(ステップS4)、状態1を書きんだセルを除
く全てのセルを対象にして、例えば制御ゲート電極15
に例えぼ9V、ドレイン17には4Vの電圧を例えば1
0マイクロ秒間印加する(ステップS5)。すると、メ
モリセルは導通状態になり、ソースとドレイン間に電子
の電流が流れ、その電子の一部はシリコン基板11とゲ
ート絶縁膜12のエネルギー障壁を越えることが可能な
エネルギー(3eV以上)を有するいわゆるホットな電
子となり、浮遊ゲート電極3に注入される。通常、この
ようなホットな電子はドレインの空乏層内で発生する。
従ってここで示したような低ドレイン電圧の下では、ド
レイン側での空乏層の幅が小さいから(例えば、シリコ
ン基板11の基板濃度が2XlO17cmー3では空乏層の
幅は、ドレイン端部から0.15ミクロン程度)、ホッ
トな電子はドレイン端近傍の浮遊ゲート電極中に注入さ
れる。
【0025】図5は、状態2のしきい値状態を実現する
ための電子注入状態を示した模式図である。図中でeで
示した電子注入状態はドレイン端部から幅W1の領域に
局在する。ここで本発明では前述したように、浮遊ゲー
ト電極13は電気伝導性を持たせるために従来行ってい
た、リン等の不純物導入を非常に低レベルもしくは全く
行わない高抵抗状態の多結晶シリコンで形成されている
ため、浮遊ゲート電極13に注入された電子は、注入さ
れた領域から大きく拡散することはなく、ほぼ注入時の
領域に局在し続ける。
ための電子注入状態を示した模式図である。図中でeで
示した電子注入状態はドレイン端部から幅W1の領域に
局在する。ここで本発明では前述したように、浮遊ゲー
ト電極13は電気伝導性を持たせるために従来行ってい
た、リン等の不純物導入を非常に低レベルもしくは全く
行わない高抵抗状態の多結晶シリコンで形成されている
ため、浮遊ゲート電極13に注入された電子は、注入さ
れた領域から大きく拡散することはなく、ほぼ注入時の
領域に局在し続ける。
【0026】次に、図6は、状態3のしきい値状態を実
現するための電子注入状態を示した模式図である。状態
3を書き込む場合(ステップS6)、状態1および2を
書き込んだセルを除く全てのセルを対象にして(ステッ
プS7)、例えば制御ゲート電極15には12V、ドレ
イン17には6Vの電圧を例えば10マイクロ秒間印加
する。この場合、空乏層の幅は、ドレイン端部から0.
2ミクロン程度になり、ホットな電子はドレイン端近傍
の浮遊ゲート電極中に状態2の時よりもややソース側に
広がって注入される。注入領域は図6中でW2で示す。
現するための電子注入状態を示した模式図である。状態
3を書き込む場合(ステップS6)、状態1および2を
書き込んだセルを除く全てのセルを対象にして(ステッ
プS7)、例えば制御ゲート電極15には12V、ドレ
イン17には6Vの電圧を例えば10マイクロ秒間印加
する。この場合、空乏層の幅は、ドレイン端部から0.
2ミクロン程度になり、ホットな電子はドレイン端近傍
の浮遊ゲート電極中に状態2の時よりもややソース側に
広がって注入される。注入領域は図6中でW2で示す。
【0027】最後に、図7は、状態4のしきい値状態を
実現するための電子注入状態を示した模式図である。状
態4を書き込む場合(ステップS8)、状態1、2及び
3を書き込んだセルを除く全てのセル、すなわち状態4
を書き込むセルのみを対象にして、例えば制御ゲート電
極15には16V、ドレイン17には8Vの電圧を例え
ば10マイクロ秒間印加する。この場合、空乏層の幅
は、ドレイン端部から0.25ミクロン程度になり、ホ
ットな電子はドレイン端近傍の浮遊ゲート電極中に状態
3の時よりもさらにソース側に広がって注入される。注
入領域は図7中でW3で示す。
実現するための電子注入状態を示した模式図である。状
態4を書き込む場合(ステップS8)、状態1、2及び
3を書き込んだセルを除く全てのセル、すなわち状態4
を書き込むセルのみを対象にして、例えば制御ゲート電
極15には16V、ドレイン17には8Vの電圧を例え
ば10マイクロ秒間印加する。この場合、空乏層の幅
は、ドレイン端部から0.25ミクロン程度になり、ホ
ットな電子はドレイン端近傍の浮遊ゲート電極中に状態
3の時よりもさらにソース側に広がって注入される。注
入領域は図7中でW3で示す。
【0028】このように、電子の注入場所を変化させる
ことでメモリセルのしきい値を変化させることをもう少
し詳しく説明する。通常MOSFETでは、浮遊ゲート
電極の電荷によりチャネルと呼ばれるソースードレイン
間のシリコン基板表面の電位を制御することでチャネル
の電気抵抗を変化させる。本実施例のような、浮遊ゲー
ト電極を有するメモリセルの場合、浮遊ゲート電極に電
子を注入する事でチャネルの電気抵抗を制御することが
出来るが、電子の注入場所が局在していると、チャネル
全体の電気抵抗は、電子が注入された領域の直下の高抵
抗領域(RH)と注入されていない領域の直下の低抵抗
領域(RL)の直列抵抗、RH十RLで表され、このR
Hを変化させることでチャネル電流を変化させる訳であ
る。
ことでメモリセルのしきい値を変化させることをもう少
し詳しく説明する。通常MOSFETでは、浮遊ゲート
電極の電荷によりチャネルと呼ばれるソースードレイン
間のシリコン基板表面の電位を制御することでチャネル
の電気抵抗を変化させる。本実施例のような、浮遊ゲー
ト電極を有するメモリセルの場合、浮遊ゲート電極に電
子を注入する事でチャネルの電気抵抗を制御することが
出来るが、電子の注入場所が局在していると、チャネル
全体の電気抵抗は、電子が注入された領域の直下の高抵
抗領域(RH)と注入されていない領域の直下の低抵抗
領域(RL)の直列抵抗、RH十RLで表され、このR
Hを変化させることでチャネル電流を変化させる訳であ
る。
【0029】このようにして、従来は浮遊ゲート電極1
3の電子の注入量を変化させるのに対し、本発明では電
子を注入する領域を変化させることで、メモリセルに蓄
積させる電子量を詳細に制御することを特徴とする。従
って、従来と比較してしきい値を細かく設定でき(すな
わち読み出し時の電流を高精度で制御することがで
き)、従来の1ビット(2つのしきい値状態)に代えて
2ビット(4つのしきい値状態)を記憶させることが容
易にできる。
3の電子の注入量を変化させるのに対し、本発明では電
子を注入する領域を変化させることで、メモリセルに蓄
積させる電子量を詳細に制御することを特徴とする。従
って、従来と比較してしきい値を細かく設定でき(すな
わち読み出し時の電流を高精度で制御することがで
き)、従来の1ビット(2つのしきい値状態)に代えて
2ビット(4つのしきい値状態)を記憶させることが容
易にできる。
【0030】(第2実施例)次に本発明の第2実施例に
ついて図面を参照して説明する。
ついて図面を参照して説明する。
【0031】図8は、本発明の第2実施例であるメモリ
セルの書込・消去動作の特性図である。メモリセルの断
面構造については図示してないが、基本的に第1実施例
と同一である。以下、図8を用いて本発明の要旨を説明
する。
セルの書込・消去動作の特性図である。メモリセルの断
面構造については図示してないが、基本的に第1実施例
と同一である。以下、図8を用いて本発明の要旨を説明
する。
【0032】本実施例でも、例えば4値を書き込む場合
について説明する。メモリセルのしきい値は、第1実施
例と同様、例えば低い方から1、2、3、4の状態とす
る。この実施例では書込前のメモリセルの4種類のしき
い値から消去するのに際して、図8に示すように、例え
ば−0.5V程度の負のしきい値電圧まで消去を実施す
る。その後は、第1実施例と同様に、それぞれの状態2
〜4のセルしきい値になるように書込が行われる。
について説明する。メモリセルのしきい値は、第1実施
例と同様、例えば低い方から1、2、3、4の状態とす
る。この実施例では書込前のメモリセルの4種類のしき
い値から消去するのに際して、図8に示すように、例え
ば−0.5V程度の負のしきい値電圧まで消去を実施す
る。その後は、第1実施例と同様に、それぞれの状態2
〜4のセルしきい値になるように書込が行われる。
【0033】このようにして状態1を負のしきい値レベ
ルにまで広げることで、状態2〜3のしきい値の設定値
に幅を持たせることが出来、多値を記憶させることが容
易にできる。
ルにまで広げることで、状態2〜3のしきい値の設定値
に幅を持たせることが出来、多値を記憶させることが容
易にできる。
【0034】なお本実施例では、多値の一例として4値
を挙げて説明したが、いうまでもなく4値にこだわるも
のではなく、4値以上のN値であっても差し支えない。
その場合に正、負のしきい値レベルの境界は、1〜Nの
中央値N/2が対称に設定できて便利である。
を挙げて説明したが、いうまでもなく4値にこだわるも
のではなく、4値以上のN値であっても差し支えない。
その場合に正、負のしきい値レベルの境界は、1〜Nの
中央値N/2が対称に設定できて便利である。
【0035】なお、状態1が設定されたメモリセルはド
レインーソース間のリークを避けるために、制御ゲート
電極には読み出し時を除いて、−5V程度の負電圧を印
加しておくのがよい。
レインーソース間のリークを避けるために、制御ゲート
電極には読み出し時を除いて、−5V程度の負電圧を印
加しておくのがよい。
【0036】
【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
多値メモリセルの書込を行う場合に、従来は浮遊ゲート
電極の電子の注入量を変化させていたのに対し、本発明
では電子を注入する領域を変化させることで、メモリセ
ルに蓄積させる電子量を詳細に制御することを特徴とす
る。従って、従来と比較してしきい値を細かく設定でき
(すなわち読み出し時の電流を高精度で制御することが
でき)、従来の1ビット(2つのしきい値状態)に代え
て2ビット(4つのしきい値状態)を記憶させることが
容易にできる。
多値メモリセルの書込を行う場合に、従来は浮遊ゲート
電極の電子の注入量を変化させていたのに対し、本発明
では電子を注入する領域を変化させることで、メモリセ
ルに蓄積させる電子量を詳細に制御することを特徴とす
る。従って、従来と比較してしきい値を細かく設定でき
(すなわち読み出し時の電流を高精度で制御することが
でき)、従来の1ビット(2つのしきい値状態)に代え
て2ビット(4つのしきい値状態)を記憶させることが
容易にできる。
【図1】本発明の第1実施例であるメモリセルの断面構
造図
造図
【図2】本発明の第1実施例であるメモリセルの書込・
消去動作の特性図
消去動作の特性図
【図3】本発明の第1実施例であるメモリセルの書込み
手順を示すフローチャート
手順を示すフローチャート
【図4】本発明の第1実施例であるメモリセルの書込時
の印加電圧を示す特性図
の印加電圧を示す特性図
【図5】状態2のしきい値状態を実現するための電子注
入状態を示した模式図
入状態を示した模式図
【図6】状態3のしきい値状態を実現するための電子注
入状態を示した模式図
入状態を示した模式図
【図7】状態4のしきい値状態を実現するための電子注
入状態を示した模式図
入状態を示した模式図
【図8】本発明の第2実施例であるメモリセルの書込・
消去動作の特性図
消去動作の特性図
【図9】従来の不揮発性半導体記憶装置の断面構造図
【図10】従来の不揮発性半導体記憶装置の書込・消去
動作の特性図
動作の特性図
【図11】従来の不揮発性半導体記憶装置の書込・消去
時の印加電圧を示す特性図
時の印加電圧を示す特性図
1、11 P型シリコン基板 2、12 ゲート絶縁膜 3、13 浮遊ゲート電極 4、14 浮遊ゲート上絶縁膜 5、15 制御ゲート電極 6、16 ソース 7、17 ドレイン
Claims (8)
- 【請求項1】 第1導電型の半導体基板表面の第1の領
域に、前記半導体基板と反対導電型の第2導電型の不純
物より成る複数のソース、ドレインと、これらソース・
ドレイン間の複数の浮遊ゲ−ト電極及び複数の制御ゲ−
ト電極より構成される複数の積層ゲートMOS型の記憶
素子がマトリクス状に配置され、前記制御ゲート電極は
行線に、前記ドレイン、ソースはそれぞれ列線及びソー
ス線に接続された不揮発性半導体記憶装置において、 前記浮遊ゲ−ト電極は多結晶シリコンで形成されるが、
電気伝導性を高抵抗の状態にするために、不純物導入
を、非常に低レベルもしくは全く行わないことを特徴と
し、前記各記憶素子の浮遊ゲ−ト電極に蓄積される電子
の電荷量の違いによって4種類のしきい値を有する4種
類の記憶状態を有し、前記4種類の記憶状態は、最もし
きい値の低い第1のしきい値状態と最もしきい値の高い
第4のしきい値状態及びその間にある第2のしきい値状
態とそれよりも高い第3のしきい値状態により構成さ
れ、前記それぞれのしきい値状態は、すべての記憶素子
を予め第1のしきい値状態にした後、第1のしきい値状
態に設定する記憶素子を除く残りのすべての記憶素子を
第2のしきい値状態にし、次に第2のしきい値状態に設
定する記憶素子を除く残りのすべての記憶素子を第3の
しきい値状態にし、次に第3のしきい値状態に設定する
記憶素子を除く残りのすべての記憶素子を第4のしきい
値状態に設定し、それぞれのしきい値状態は前記浮遊ゲ
ート電極中に局在して存在する電子によって実現され、
その結果記憶素子に実質的に2ビット以上の記憶状態を
実現することを特徴とする不揮発性半導体記憶装置。 - 【請求項2】 請求項1記載の不揮発性半導体装置にお
いて、各記憶状態はそれぞれ所定のしきい値の分布幅を
以て実現され、それぞれの記憶状態を表すしきい値の分
布幅はそれぞれ一定の値を隔てて相互に離間して実現さ
れることを特徴とする不揮発性半導体装置。 - 【請求項3】 請求項1記載の不揮発性半導体装置にお
いて、4種類の記憶状態のうち、最もしきい値の低い第
1のしきい値状態もしくは第1および第2のしきい値状
態は負であり、第2、第3、および第4のしきい値状態
は、正であることを特徴とし、前記負のしきい値状態を
有する記憶素子の前記行線には書替え時および記憶デー
タの保持状態を除いて常に負電圧が印加されることを特
徴とする不揮発性半導体記億装置。 - 【請求項4】 請求項1記載の不揮発性半導体記憶装置
において、前記第1のしきい値状態は1〜1.5Vの範
囲であり、前記第2のしきい値状態は2〜2.5Vの範
囲であり、前記第3のしきい値状態は3〜3.5Vの範
囲であり、前記第4のしきい値状態は5V以上であり、
それ以外のしきい値状態は存在しないことを特徴とする
不揮発性半導体記憶装置。 - 【請求項5】 前記不揮発性半導体装置において、前記
4種類の記憶状態は、すべての記憶素子を予め第1のし
きい値状態にした後、第1のしきい値状態に設定する記
憶素子を除く残りのすべての記憶素子を第2のしきい値
状態にし、次に第2のしきい値状態に設定する記憶素子
を除く残りのすべての記憶素子を第3のしきい値状態に
し、次に第3のしきい値状態に設定する記憶素子を除く
残りのすべての記憶素子を第4のしきい値状態に設定
し、それぞれのしきい値状態は前記浮遊ゲート電極中に
局在して存在する電子によって実現され、その結果記憶
素子に実質的に2ビット以上の記憶状態を実現すること
を特徴とする請求項1、2、3または4記載の不揮発性
半導体記憶装置の記憶方法。 - 【請求項6】 第1導電型の半導体基板表面の第1の領
域に、前記半導体基板と反対導電型の第2導電型の不純
物より成る複数のソース、ドレインと、これらソース・
ドレイン間の複数の浮遊ゲ−ト電極及び複数の制御ゲー
ト電極より構成される複数の積層ゲートMOS型の記憶
素子がマトリクス状に配置され、前記制御ゲート電極は
行線に、前記ドレイン、ソースはそれぞれ列線及びソー
ス線に接続された不揮発性半導体記憶装置において、 前記浮遊ゲート電極は多結晶シリコンで形成されるが、
電気伝導性を高抵抗の状態にするために、不純物導入を
非常に低レベルもしくは全く行わないことを特徴とし、
前記各記憶素子の浮遊ゲート電極に蓄積される電子の電
荷量の違いによってN種類のしきい値を有し、N種類の
記憶状態は、最もしきい値の低い第1のしきい値状態と
最もしきい値の高い第Nのしきい値状態及びその間にあ
る第2、第3、および第(Nー1)のしきい値状態を有
し、第2のしきい値状態よりも第3のしきい値状態の方
が高い値を示し、同様に第(Nー2)のしきい値よりも
第(Nー1)のしきい値状態の方が高くし、前記それぞ
れのしきい値状態は、すべての記憶素子を予め第1のし
きい値状態にした後、第1のしきい値状態に設定する記
憶素子を除く残りのすべての記憶素子を第2のしきい値
状態にし、次に第2のしきい値状態に設定する記憶素子
を除く残りのすべての記憶素子を第3のしきい値状態に
し、次に第3のしきい値状態に設定する記憶素子を除く
残りのすべての記憶素子を第4のしきい値状態に設定
し、同様に第(Nー2)のしきい値を除く全ての記憶素
子を第(N−1)のしきい値状態に設定し、それぞれの
しきい値状態は前記浮遊ゲート電極中に局在して存在す
る電子によって実現し、その結果各記憶素子に実質的に
log2 Nビットの記憶状態を実現することを特徴とす
る不揮発性半導体記憶装置。 - 【請求項7】 請求項6記載の不揮発性半導体装置にお
いて、各記憶状態はそれぞれ所定のしきい値の分布幅を
以て実現され、それぞれの記憶状態を表すしきい値の分
布幅はそれぞれ一定の値を隔てて相互に離間して実現さ
れることを特徴とする不揮発性半導体装置。 - 【請求項8】 請求項6記載の不揮発性半導体装置にお
いて、N種類の記憶状態のうち、最もしきい値の高い第
Nのしきい値状態を除く第1、第2、・・・、および第
(Nー1)のしきい値状態は、最もしきい値の低いもの
から順に第(N/2)までのしきい値状態のうちひとつ
以上は負であり、第(N/2)以上のしきい値状態は、
正であることを特徴とし、前記負のしきい値状態を有す
る記憶素子の前記行線には書替え時および記憶データの
保持状態を除いて常に負電圧が印加されることを特徴と
する不揮発性半導体記憶装置。
Priority Applications (3)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP7322889A JP2982670B2 (ja) | 1995-12-12 | 1995-12-12 | 不揮発性半導体記憶装置および記憶方法 |
US08/764,362 US5787036A (en) | 1995-12-12 | 1996-12-12 | Flash memory including improved transistor cells and a method of programming the memory |
KR1019960067153A KR100260070B1 (ko) | 1995-12-12 | 1996-12-12 | 개선된 트랜지스터 셀을 포함하는 플래시 메모리 및 그 메모리를 프로그래밍하는 방법 |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP7322889A JP2982670B2 (ja) | 1995-12-12 | 1995-12-12 | 不揮発性半導体記憶装置および記憶方法 |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JPH09162314A true JPH09162314A (ja) | 1997-06-20 |
JP2982670B2 JP2982670B2 (ja) | 1999-11-29 |
Family
ID=18148756
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP7322889A Expired - Fee Related JP2982670B2 (ja) | 1995-12-12 | 1995-12-12 | 不揮発性半導体記憶装置および記憶方法 |
Country Status (3)
Country | Link |
---|---|
US (1) | US5787036A (ja) |
JP (1) | JP2982670B2 (ja) |
KR (1) | KR100260070B1 (ja) |
Cited By (30)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
EP1010182A2 (en) * | 1997-08-01 | 2000-06-21 | Saifun Semiconductors Ltd | Two bit non-volatile electrically erasable and programmable semiconductor memory cell utilizing asymmetrical charge trapping |
US6396741B1 (en) | 2000-05-04 | 2002-05-28 | Saifun Semiconductors Ltd. | Programming of nonvolatile memory cells |
US6429063B1 (en) | 1999-10-26 | 2002-08-06 | Saifun Semiconductors Ltd. | NROM cell with generally decoupled primary and secondary injection |
US6490204B2 (en) | 2000-05-04 | 2002-12-03 | Saifun Semiconductors Ltd. | Programming and erasing methods for a reference cell of an NROM array |
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