JP2002118184A - Operating method of nonvolatile semiconductor memory device - Google Patents
Operating method of nonvolatile semiconductor memory deviceInfo
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Abstract
(57)【要約】
【課題】pチャネル型のメモリトランジスタについて、
ホール注入による絶縁膜の膜質劣化を極力抑制しなが
ら、記憶情報を確実に読み出す。
【解決手段】n型半導体からなるチャネル形成領域と、
p型半導体からなりチャネル形成領域を挟む2つのソー
ス・ドレイン領域S/Dと、チャネル形成領域上のゲー
ト絶縁膜10およびゲート電極Gと、チャネル形成領域
に対向した面内および膜厚方向に離散化されてゲート絶
縁膜10内に形成された電荷蓄積手段(窒化膜12を中
心に形成されたキャリアトラップ)とを有する不揮発性
半導体記憶装置に対し、形成したチャネル内を電界加速
して生成したホットホールを電荷蓄積手段に注入して書
き込みを行い、ソース・ドレイン領域S/D側でバンド
間トンネル電流に起因したホットエレクトロンを生成
し、当該ホットエレクトロンをホールが保持されている
電荷蓄積手段の分布領域に注入して消去を行う。
(57) [Summary] A p-channel type memory transistor is provided.
Stored information is reliably read while minimizing deterioration of the insulating film due to hole injection. A channel formation region made of an n-type semiconductor;
two source / drain regions S / D made of a p-type semiconductor and sandwiching the channel formation region, the gate insulating film 10 and the gate electrode G on the channel formation region, and discrete in the plane facing the channel formation region and in the film thickness direction In a non-volatile semiconductor memory device having charge storage means (carrier trap formed centering on the nitride film 12) formed in the gate insulating film 10 after being formed, the generated channel is generated by accelerating the electric field in the formed channel. Hot holes are injected into the charge storage means to perform writing, generate hot electrons due to the interband tunnel current on the source / drain region S / D side, and transfer the hot electrons to the charge storage means in which the holes are held. Erasing is performed by injecting into the distribution region.
Description
【0001】[0001]
【発明の属する技術分野】本発明は、メモリトランジス
タのチャネル形成領域とゲート電極との間のゲート絶縁
膜の内部に、平面的に離散化された電荷蓄積手段(例え
ば、MONOS型やMNOS型における窒化膜内の電荷
トラップ、トップ絶縁膜と窒化膜との界面近傍の電荷ト
ラップ、或いは小粒径導電体等)を有し、当該電荷蓄積
手段に対し電荷を電気的に注入して蓄積し又は引き抜く
ことを基本動作とする不揮発性半導体記憶装置の動作方
法とに関する。BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a charge storage means (for example, a MONOS type or MNOS type) which is discretized planarly in a gate insulating film between a channel forming region of a memory transistor and a gate electrode. A charge trap in the nitride film, a charge trap near the interface between the top insulating film and the nitride film, or a small-diameter conductor, etc., and electrically injects and accumulates charges into the charge accumulating means; The present invention relates to an operation method of a nonvolatile semiconductor memory device whose basic operation is extraction.
【0002】[0002]
【従来の技術】不揮発性半導体メモリは、電荷を保持す
る電荷蓄積手段(浮遊ゲート)が平面的に連続したFG
(Floating Gate) 型と、電荷蓄積手段(キャリアトラッ
プ等)が平面的に離散化された、例えばMONOS(Met
al-Oxide-Nitride-Oxide Semiconductor) 型などに分類
される。また、メモリセルアレイ方式としては、DIN
OR(DIvided bit line NOR),ソース線が分離されたも
の,あるいはソース線が隣接する2列間で共通なVG(V
ertual Ground)を含むNOR型、NAND型など、各種
方式がある。2. Description of the Related Art In a nonvolatile semiconductor memory, an FG in which charge storage means (floating gate) for holding charges is continuous in a plane is used.
(Floating Gate) type and charge storage means (carrier trap etc.) are discretized in a plane. For example, MONOS (Met
al-Oxide-Nitride-Oxide Semiconductor). As a memory cell array system, DIN
OR (Divided bit line NOR), a source line separated, or a common VG (V
There are various types such as NOR type and NAND type including ertual ground).
【0003】たとえば特開平9−8153号公報では、
pチャネルのFG型メモリトランジスタを有したDIN
OR型メモリセルにおいて、ドレイン領域の表面を空乏
化してバンド間トンネリング(BTBT;Band-To-Band
Tunneling)を用いて生成し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、BBHE(Band-To-Ban
d tunneling induced hot electron) 書き込み方式が開
示されている(従来技術1)。この従来技術1における
消去では、FNトンネリングにより電子をチャネル全面
に引き抜いている。For example, in Japanese Patent Application Laid-Open No. 9-8153,
DIN having p-channel FG type memory transistor
In the OR type memory cell, the surface of the drain region is depleted to form inter-band tunneling (BTBT; Band-To-Band).
BBHE (Band-To-Ban) that injects hot electrons generated using Tunneling into a floating gate.
d tunneling induced hot electron) A writing method is disclosed (prior art 1). In the erasing in the prior art 1, electrons are drawn out to the entire channel by FN tunneling.
【0004】また、たとえば“Extended Abstract of t
he 1999 International Conferenceon Solid State Dev
ices and Materials, Tokyo, 1999, pp.522-523”で
は、MONOS型メモリトランジスタの離散的なトラッ
プの一部にCHE注入方式によって電荷を注入できるこ
とに着目して、電荷蓄積手段のソース側とドレイン側に
独立に2値情報を書き込むことにより1メモリセルあた
り2ビットを記録可能な技術が報告された(従来技術
2)。この従来技術2では、ソースとドレイン間の電圧
印加方向を入れ換えて2ビット情報をCHE注入により
書き込み、読み出し時には、書き込み時と逆方向に所定
電圧をソースとドレイン間に印加する、いわゆる“リバ
ースリード”方法によって書き込み時間が短く蓄積電荷
量が少ない場合でも2ビット情報を確実に読み出すこと
を可能としている。また、消去では、ソース側またはド
レイン側でバンド間トンネリング(BTBT)により発
生させたホットホールを、電子が保持された離散的なト
ラップの一部に注入する。この技術によって、書き込み
時間の高速化とビットコストの大幅な低減が可能となっ
た。In addition, for example, “Extended Abstract of t
he 1999 International Conferenceon Solid State Dev
Ices and Materials, Tokyo, 1999, pp. 522-523 ”, paying attention to the fact that electric charges can be injected into a part of discrete traps of a MONOS type memory transistor by the CHE injection method, A technique has been reported in which two bits can be recorded per memory cell by independently writing binary information on the memory side (Prior Art 2). Bit information is written by CHE injection, and at the time of reading, a predetermined voltage is applied between the source and the drain in the direction opposite to the writing, so-called "reverse read" method. In addition, in the erase operation, band-to-band tunneling (BT) is performed on the source side or the drain side. The hot holes generated by BT) are injected into a part of the discrete trap in which electrons are held, and this technique has made it possible to shorten the writing time and greatly reduce the bit cost.
【0005】また、この2ビット/セル記憶の技術をp
チャネル型MONOSトランジスタに適用した技術が、
たとえば“Guide-lines on Flash Memory Cell Selecti
on,'98 SSDM Hiroshima, P138〜P139, Yoshikawa ”に
報告されている(従来技術3)。Further, this 2-bit / cell storage technique is called p
The technology applied to the channel type MONOS transistor is
For example, “Guide-lines on Flash Memory Cell Selecti
on, '98 SSDM Hiroshima, P138-P139, Yoshikawa "(prior art 3).
【0006】[0006]
【発明が解決しようとする課題】ところが、前記した従
来技術2では、消去時にBTBTにより発生させたホッ
トホールを注入するため、そのホール注入時にONO膜
のボトム絶縁膜の膜質が劣化することが懸念される。However, in the above-mentioned prior art 2, since hot holes generated by BTBT are injected at the time of erasing, there is a concern that the quality of the bottom insulating film of the ONO film may be deteriorated at the time of the hole injection. Is done.
【0007】また、従来技術1のようにpチャネル型の
メモリトランジスタにBTBTにより情報を記憶する場
合、あるいは、従来技術3のようにpチャネル型のメモ
リトランジスタに2ビット/セルの情報を記憶する場合
において、pチャネル型メモリトランジスタのソース側
とドレイン側の一方または双方に局部的に電子を注入す
ると、以下に説明する理由により、その読み出しが行え
ないという課題がある。Further, when information is stored by BTBT in a p-channel type memory transistor as in prior art 1, or 2 bits / cell information is stored in a p-channel type memory transistor as in prior art 3. In such a case, if electrons are locally injected into one or both of the source side and the drain side of the p-channel type memory transistor, there is a problem that the reading cannot be performed for the following reason.
【0008】従来技術1,3では、ソース不純物領域と
ドレイン不純物領域間のn型不純物領域(チャネル形成
領域)のうち、その上方に電子が蓄積された端部はディ
プレッション形となる場合がある。このディプレッショ
ン形となったチャネル形成領域の端部は無バイアス時に
電流が流れるオン状態となる。読み出し時には、この端
部側をソース不純物領域とし、もう一方がドレイン不純
物領域となるようにソースとドレイン間にドレイン電圧
を印加する。In the prior arts 1 and 3, in the n-type impurity region (channel forming region) between the source impurity region and the drain impurity region, an end portion above which electrons are accumulated may be of a depletion type. The end of the depletion-type channel formation region is in an on state in which current flows when no bias is applied. At the time of reading, a drain voltage is applied between the source and the drain such that this end side is a source impurity region and the other is a drain impurity region.
【0009】いま、ソース不純物領域側に電子が蓄積さ
れた“1”記憶を読み出す場合、ゲート電圧を0Vから
負側に変化させると、チャネル形成領域のうち電子が蓄
積されたソース側は既にオンしていることから、当該メ
モリトランジスタは、上方に電子が保持されていないチ
ャネル形成領域の中央部分に反転層が形成されて初めて
ターンオン(turn-on) する。一方、読み出し対象の情報
に応じてソース側に電子が蓄積されていない“0”記憶
の場合は、チャネル形成領域全体のしきい値電圧に応じ
て当該メモリトランジスタがターンオンする。ところ
が、“1”記憶の場合にソース側が無バイアスでオンし
ているために、“0”記憶の場合との間で、しきい値電
圧差は得られない。When reading "1" storage in which electrons are stored in the source impurity region side, when the gate voltage is changed from 0 V to the negative side, the source side in the channel formation region where electrons are stored is already turned on. Therefore, the memory transistor is turned on only after the inversion layer is formed in the center of the channel formation region where electrons are not held above. On the other hand, in the case of “0” storage in which no electrons are stored on the source side according to the information to be read, the memory transistor is turned on according to the threshold voltage of the entire channel formation region. However, in the case of "1" storage, since the source side is turned on without bias, a threshold voltage difference cannot be obtained from that of "0" storage.
【0010】従来技術3の2ビット/セル記憶では、も
う一方の記憶情報を、ソース不純物領域とドレイン不純
物領域が逆となるようにドレイン電圧を印加して読み出
しを行うが、同様な理由で、“0”記憶と“1”記憶で
十分なしきい値電圧差が得られない。このように、pチ
ャネル型のメモリトランジスタに局所的に電子を蓄積さ
せて情報を記憶させる場合、片側の記憶情報の読み出し
および、2ビット/セルの確実な読み出しは不可能であ
る。In the two-bit / cell storage of the prior art 3, the other storage information is read out by applying a drain voltage so that the source impurity region and the drain impurity region are reversed. A sufficient threshold voltage difference cannot be obtained between "0" storage and "1" storage. As described above, in the case where information is stored by locally accumulating electrons in the p-channel type memory transistor, it is impossible to read out the stored information on one side and reliably read out 2 bits / cell.
【0011】本発明の目的は、MONOS型など平面的
に離散化されたキャリアトラップ等の電荷蓄積手段に電
荷を蓄積させて基本動作するpチャネル型のメモリトラ
ンジスタに対し、ホール注入による絶縁膜の膜質劣化を
極力抑制しながら、記憶情報を確実に読み出すことがで
きる不揮発性半導体記憶装置の動作方法を提供すること
にある。An object of the present invention is to provide a p-channel type memory transistor which basically operates by accumulating electric charges in a charge accumulating means such as a carrier trap or the like which is discretely planarized such as a MONOS type. It is an object of the present invention to provide a method of operating a nonvolatile semiconductor memory device capable of reliably reading stored information while minimizing film quality deterioration.
【0012】[0012]
【課題を解決するための手段】本発明に係る不揮発性半
導体記憶装置の動作方法は、n型半導体からなるチャネ
ル形成領域と、p型半導体からなり上記チャネル形成領
域を挟む2つのソース・ドレイン領域と、上記チャネル
形成領域上に設けられたゲート絶縁膜と、上記ゲート絶
縁膜上に設けられたゲート電極と、上記チャネル形成領
域に対向した面内および膜厚方向に離散化されて上記ゲ
ート絶縁膜内に形成された電荷蓄積手段とを有する不揮
発性半導体記憶装置の動作方法であって、上記チャネル
形成領域にチャネルを形成し、チャネル内を電界加速し
て生成したホットホールを上記電荷蓄積手段に注入して
書き込みを行い、上記ソース・ドレイン領域側でバンド
間トンネル電流に起因したホットエレクトロンを生成
し、当該ホットエレクトロンをホールが保持されている
上記電荷蓄積手段に注入して消去を行う。According to the present invention, there is provided a method of operating a nonvolatile semiconductor memory device, comprising: a channel forming region formed of an n-type semiconductor; and a source / drain region formed of a p-type semiconductor and sandwiching the channel forming region. A gate insulating film provided on the channel forming region; a gate electrode provided on the gate insulating film; and a gate insulating film which is discretized in a plane facing the channel forming region and in a film thickness direction. A method of operating a nonvolatile semiconductor memory device having a charge storage means formed in a film, comprising: forming a channel in the channel formation region; and accelerating an electric field in the channel to generate hot holes. To generate hot electrons due to the interband tunnel current on the source / drain region side. By injecting Tron to the charge storage means holes are held erasing.
【0013】書き込み時に、好適に、記憶させる情報に
応じて、上記ゲート絶縁膜内の上記電荷蓄積手段の分布
領域のうちドレイン側の一部にホットホールを注入す
る。2ビット/セル記憶の場合、好適に、ソースとドレ
イン間の電圧印加方向を逆とした2度の書き込みによ
り、記憶させる情報に応じて、上記ゲート絶縁膜内の上
記電荷蓄積手段の分布領域の中央のホットホールが注入
されない領域を挟んで一方端部と他方端部に独立にホッ
トホールを注入する。At the time of writing, preferably, a hot hole is injected into a part of the distribution region of the charge storage means in the gate insulating film on the drain side in accordance with information to be stored. In the case of 2-bit / cell storage, preferably, the voltage is applied twice between the source and the drain, and the distribution of the charge storage means in the gate insulating film is performed in accordance with the information to be stored. Hot holes are independently injected at one end and the other end with a central region into which hot holes are not injected.
【0014】一方で、チャネル長を短くすると上記電荷
蓄積手段の分布領域のほぼ全域にホットホールが注入さ
れるため1ビット/セル記憶となる。この場合、上記2
つのソース・ドレイン領域間のチャネル形成領域の長さ
が、上記書き込み時に上記チャネル形成領域に対向する
上記電荷蓄積手段の分布領域のほぼ全域に上記ホットホ
ールが注入される長さ以下である。この1ビット/セル
記憶の書き込み時に、上記チャネル形成領域の全面から
FNトンネリングを用いて上記電荷蓄積手段にホットホ
ールを注入する。あるいは、いわゆる基板ホットホール
を用いて書き込みを行うこともできる。この場合、上記
不揮発性半導体記憶装置は、n型半導体からなるnウエ
ルと、p型半導体からなり上記チャネル形成領域および
上記2つのソース・ドレイン領域が形成されたpウエル
とをさらに有し、書き込み時に、上記nウエルと上記p
ウエル間のpn接合に順方向のバイアス電圧を印加して
nウエルにマイノリティキャリアであるホットホールを
注入し、当該ホットホールをnウエルとp型のチャネル
形成領域間の電界で加速し、上記電荷蓄積手段に注入す
る。消去時に、好適に、上記バンド間トンネル電流に起
因したホットエレクトロンを上記2つのソース・ドレイ
ン領域の双方から上記電荷蓄積手段に注入するとよい。
なお、片側から上記電荷蓄積手段の分布領域のほぼ全域
にホットエレクトロンが注入できる場合は、その方法に
より消去してもよい。On the other hand, if the channel length is shortened, hot holes are injected into almost the entire distribution region of the charge storage means, so that 1 bit / cell storage is performed. In this case, the above 2
The length of the channel forming region between the two source / drain regions is equal to or less than the length at which the hot holes are injected into substantially the entire distribution region of the charge storage means facing the channel forming region during the writing. At the time of this 1-bit / cell storage writing, hot holes are injected into the charge storage means from the entire surface of the channel formation region using FN tunneling. Alternatively, writing can be performed using a so-called substrate hot hole. In this case, the nonvolatile semiconductor memory device further has an n-well made of an n-type semiconductor and a p-well made of a p-type semiconductor and having the channel formation region and the two source / drain regions formed therein. Sometimes the n-well and the p
A forward bias voltage is applied to the pn junction between the wells to inject hot holes, which are minority carriers, into the n-wells. The hot holes are accelerated by an electric field between the n-well and the p-type channel formation region, and Inject into the storage means. At the time of erasing, it is preferable to inject hot electrons caused by the interband tunnel current from both of the two source / drain regions into the charge storage means.
If hot electrons can be injected from almost one side to almost the entire distribution region of the charge storage means, the erasing may be performed by that method.
【0015】本発明では、また、ソースサイドからチャ
ネルホットホールを注入する書き込み方法も可能であ
る。この場合、上記ゲート電極が、上記書き込み時にホ
ットホールが注入される上記ゲート絶縁膜の記憶領域上
のメモリゲート電極と、ホットホールが注入されない上
記ゲート絶縁膜の他の領域上の制御ゲート電極とを有
し、書き込み時に、上記メモリゲート電極と上記制御ゲ
ート電極との印加電圧を制御して、上記記憶領域に対し
ソース側からホットホールを注入する。In the present invention, a writing method for injecting channel hot holes from the source side is also possible. In this case, the gate electrode has a memory gate electrode on the storage region of the gate insulating film into which hot holes are injected at the time of writing, and a control gate electrode on another region of the gate insulating film into which hot holes are not injected. And controlling the voltage applied to the memory gate electrode and the control gate electrode during writing to inject hot holes into the storage area from the source side.
【0016】本発明に係るゲート絶縁膜構造としては、
いわゆるMONOS型、MNOS型、ナノ結晶型のほか
に、電荷蓄積機能を持つ膜としてTa2 O3 などの窒化
膜以外の高誘電体材料を用いたもの、あるいは電荷蓄積
機能を持つ膜をチャネル形成領域となる半導体上に直接
設けたものなどがある。MONOS型、MNOS型の場
合、上記ゲート絶縁膜は、上記チャネル形成領域上のボ
トム絶縁膜と、当該ボトム絶縁膜上の窒化膜または酸化
窒化膜とを含む。ナノ結晶型の場合、上記ゲート絶縁膜
は、上記チャネル形成領域上のボトム絶縁膜と、上記電
荷蓄積手段としてボトム絶縁膜上に形成され互いに絶縁
された小粒径導電体とを含む。電荷蓄積機能を持つ膜と
して窒化膜以外の材料を用いた場合、上記ゲート絶縁膜
は、上記チャネル形成領域を構成する半導体材料より大
きなバンドギャップを有した第1の絶縁膜と、上記第1
の絶縁膜上に形成され、上記第1の絶縁膜より小さなバ
ンドギャップを有し、上記電荷蓄積手段としてのトラッ
プを内部に含む第2の絶縁膜とを含む。電荷蓄積機能を
持つ膜をチャネル形成領域上に直付けした場合、上記ゲ
ート絶縁膜は、上記チャネル形成領域上に形成され、上
記電荷蓄積手段としてのトラップを内部に含む電荷保持
膜と、上記電荷保持膜上の絶縁膜とを含む。The gate insulating film structure according to the present invention includes:
In addition to the so-called MONOS type, MNOS type and nanocrystalline type, a film using a high dielectric material other than a nitride film such as Ta 2 O 3 as a film having a charge storage function, or a film having a charge storage function is formed as a channel. There is one provided directly on a semiconductor serving as a region. In the case of the MONOS type and the MNOS type, the gate insulating film includes a bottom insulating film over the channel formation region and a nitride film or an oxynitride film over the bottom insulating film. In the case of the nanocrystal type, the gate insulating film includes a bottom insulating film on the channel formation region and a small-diameter conductor formed on the bottom insulating film and insulated from each other as the charge storage means. When a material other than a nitride film is used as the film having the charge storage function, the gate insulating film has a first insulating film having a band gap larger than a semiconductor material forming the channel formation region;
And a second insulating film having a smaller band gap than the first insulating film and including a trap as the charge storage means therein. When a film having a charge storage function is directly attached on the channel formation region, the gate insulating film is formed on the channel formation region, and includes a charge holding film including a trap as the charge storage means therein; And an insulating film on the holding film.
【0017】このような不揮発性半導体記憶装置の動作
方法では、ゲート絶縁膜内の電荷蓄積手段に対しホット
ホールが注入されて書き込みが行われることから、その
電荷蓄積領域が局部的であっても、その下のチャネル形
成領域部分がディプレッションにならない。したがっ
て、“1”記憶と“0”記憶のしきい値電圧が電荷蓄積
領域以外のチャネル形成領域の閾値より大きくなり、読
み出しが容易である。また、2ビット/セル記憶の場合
は、ソースとドレインの電圧印加方向を逆にした2回の
読み出しにより確実に2値情報が読み出させる。本発明
における書き込みではホットホール注入を用いるが、い
わゆるチャネルホットホール注入、チャネル全面FNト
ンネリングによるホットホール注入、または基板ホット
ホール注入であるため、ホールのもつエネルギーが小さ
い。そのため、本発明における書き込みでは、バンド間
トンネル電流に起因したホットホール注入ほどはボトム
絶縁膜の膜質が劣化しない。In such an operation method of the nonvolatile semiconductor memory device, since a hot hole is injected into the charge storage means in the gate insulating film to perform writing, even if the charge storage region is local. , The portion of the channel forming region thereunder is not depleted. Therefore, the threshold voltages of “1” storage and “0” storage are higher than the thresholds of the channel formation region other than the charge accumulation region, and reading is easy. Also, in the case of 2-bit / cell storage, binary information is reliably read by two readings with the voltage application directions of the source and the drain reversed. In the writing in the present invention, hot hole injection is used. However, since the so-called channel hot hole injection, hot hole injection by FN tunneling of the entire channel, or substrate hot hole injection, the energy of holes is small. Therefore, in the writing in the present invention, the film quality of the bottom insulating film does not deteriorate as much as the hot hole injection caused by the interband tunnel current.
【0018】[0018]
【発明の実施の形態】以下、本発明の実施形態を、MO
NOS型メモリトランジスタからなるメモリセルに本発
明を適用した場合を例に図面を参照しながら説明する。
図1は、メモリトランジスタの基本構造を示す断面図で
ある。このメモリトランジスタは、n型半導体基板また
は基板に支持されたn型半導体層(たとえばnウエル、
n型のSOI層など)に形成されている。以下、このn
型半導体を単に、基板SUBという。基板SUB内の表
面領域に、p型不純物が添加された2つのソース・ドレ
イン領域S/Dが互いに離間して形成されている。2つ
のソース・ドレイン領域S/D間の基板表面領域が、当
該メモリトランジスタのチャネル形成領域となる。DETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS Hereinafter, an embodiment of the present invention will be described with reference to an MO.
An example in which the present invention is applied to a memory cell including a NOS type memory transistor will be described with reference to the drawings.
FIG. 1 is a sectional view showing a basic structure of a memory transistor. This memory transistor has an n-type semiconductor substrate or an n-type semiconductor layer (for example, n-well,
n-type SOI layer). Hereinafter, this n
The type semiconductor is simply referred to as a substrate SUB. Two source / drain regions S / D to which a p-type impurity is added are formed separately from each other in a surface region in the substrate SUB. The substrate surface region between the two source / drain regions S / D becomes a channel formation region of the memory transistor.
【0019】チャネル形成領域上に、ゲート絶縁膜10
が形成され、ゲート絶縁膜10上にゲート電極Gが形成
されている。ゲート電極Gは、金属、n型の不純物が高
濃度に導入されて導電化されたポリシリコン(doped pol
y-Si) 、またはdoped poly-Si と高融点金属シリサイド
との積層膜からなる。The gate insulating film 10 is formed on the channel formation region.
Is formed, and a gate electrode G is formed on the gate insulating film 10. The gate electrode G is made of doped polysilicon (doped pol) by introducing metal and n-type impurities at a high concentration.
y-Si) or a laminated film of doped poly-Si and refractory metal silicide.
【0020】ゲート絶縁膜10は、下層から順に、ボト
ム絶縁膜11,窒化膜12,トップ絶縁膜13から構成
されている。ボトム絶縁膜11は、たとえば、酸化珪素
膜を形成し、これを必要に応じて窒化処理して用いる。
ボトム絶縁膜11の膜厚は、たとえば1nmから10n
mの範囲内で決めることができる。The gate insulating film 10 is composed of a bottom insulating film 11, a nitride film 12, and a top insulating film 13 in order from the lower layer. The bottom insulating film 11 is formed, for example, by forming a silicon oxide film, and nitriding the silicon oxide film as necessary.
The thickness of the bottom insulating film 11 is, for example, 1 nm to 10 n.
m.
【0021】窒化膜12は、たとえば2〜3nmから1
0nm程度の窒化珪素SiNx (x>0)または酸化窒化珪
素SiOx Ny (x,y>0)の膜からなる。この窒化膜12
は、たとえば減圧CVD(LP−CVD)により作製さ
れ、膜中にキャリアトラップが多く含まれている。窒化
膜12は、フレンケルプール型(FP型)の電気伝導特
性を示す。なお、本発明では、窒化膜12に代えて電荷
蓄積トラップを有する他の絶縁膜、たとえばTa2 O3
膜を選択できる。これらボトム絶縁膜11および窒化膜
12(または他の絶縁膜)の条件としては、ボトム絶縁
膜11が基板SUBより大きなバンドギャップを有し、
窒化膜12(または他の絶縁膜)がボトム絶縁膜11よ
り小さなバンドギャップを有し、かつ電荷蓄積能力を有
していることである。The nitride film 12 has a thickness of, for example, 2-3 nm to 1 nm.
It is made of a film of silicon nitride SiN x (x> 0) or silicon oxynitride SiO x N y (x, y> 0) of about 0 nm. This nitride film 12
Is manufactured by, for example, low pressure CVD (LP-CVD), and the film contains many carrier traps. The nitride film 12 has a Frenkel pool type (FP type) electric conduction characteristic. Note that, in the present invention, instead of the nitride film 12, another insulating film having a charge storage trap, for example, Ta 2 O 3
You can choose the membrane. The conditions for the bottom insulating film 11 and the nitride film 12 (or another insulating film) are as follows: the bottom insulating film 11 has a larger band gap than the substrate SUB;
The nitride film 12 (or another insulating film) has a smaller band gap than the bottom insulating film 11 and has a charge storage capability.
【0022】トップ絶縁膜13は、窒化膜12との界面
近傍に深いキャリアトラップを高密度に形成する必要が
あり、このため、例えば成膜後の窒化膜を熱酸化して形
成される。トップ絶縁膜13をHTO(High Temperatu
re chemical vapor deposited Oxide)法により形成した
SiO2 膜としてもよい。トップ絶縁膜13がCVDで
形成された場合は熱処理によりこのトラップが形成され
る。トップ絶縁膜13の膜厚は、ゲート電極Gからのホ
ールの注入を有効に阻止してデータ書換可能な回数の低
下防止を図るために、最低でも3.0nm、好ましくは
3.5nm以上が必要である。The top insulating film 13 needs to form deep carrier traps near the interface with the nitride film 12 at a high density, and is therefore formed by, for example, thermally oxidizing the nitride film after film formation. The top insulating film 13 is made of HTO (High Temperatu
It may be a SiO 2 film formed by a re-chemical vapor deposition (Oxide) method. When the top insulating film 13 is formed by CVD, this trap is formed by heat treatment. The thickness of the top insulating film 13 is required to be at least 3.0 nm, preferably at least 3.5 nm, in order to effectively prevent injection of holes from the gate electrode G and to prevent a reduction in the number of times data can be rewritten. It is.
【0023】このような構成のメモリトランジスタの製
造においては、まず、用意した基板SUBに対し必要に
応じて素子分離絶縁層などを形成した後に、必要に応じ
てしきい値電圧調整用のイオン注入等を行う。In manufacturing a memory transistor having such a configuration, first, an element isolation insulating layer and the like are formed on the prepared substrate SUB as necessary, and then ion implantation for adjusting the threshold voltage is performed as necessary. And so on.
【0024】つぎに、半導体基板SUB上にゲート絶縁
膜10を成膜する。具体的に、たとえば、短時間高温熱
処理法(RTO法)により酸化珪素膜(ボトム絶縁膜1
1)を形成する。また、必要に応じて酸化珪素膜の表面
あるいは全部を熱窒化する。つぎに、ボトム絶縁膜11
上にLP−CVD法により窒化珪素膜または酸化窒化珪
素膜(窒化膜12)を、最終膜厚より厚めに堆積する。
この窒化膜12の形成では、たとえば、モノシラン(S
iH4 ),ジクロロシラン(SiCl2 H2),トリク
ロロシラン(SiCl3 H),テトラクロロシラン(S
iCl4 )などSiを含むガス、N2 またはNH3 など
窒素原子を含むガス(および酸素原子を含むガス)を原
料としたCVD法を用いる。形成した窒化シリコン膜表
面を熱酸化法により酸化して、たとえば3.5nmの酸
化珪素膜(トップ絶縁膜13)を形成する。これによ
り、トラップレベル(窒化膜の伝導帯からのエネルギー
差)が2.0eV以下の程度の深いキャリアトラップが
約1×1018〜1×1019/cm2 の密度で形成され
る。また、窒化膜12が1nmに対し熱酸化シリコン膜
(トップ絶縁膜13)が1.62nm形成され、この割
合で下地の窒化膜厚が減少し、窒化膜12が所望の最終
膜厚となる。Next, a gate insulating film 10 is formed on the semiconductor substrate SUB. Specifically, for example, a silicon oxide film (bottom insulating film 1) is formed by a short-time high-temperature heat treatment method (RTO method).
Form 1). Also, if necessary, the surface or the entire surface of the silicon oxide film is thermally nitrided. Next, the bottom insulating film 11
A silicon nitride film or a silicon oxynitride film (nitride film 12) is deposited thereon by LP-CVD so as to be thicker than the final film thickness.
In the formation of the nitride film 12, for example, monosilane (S
iH 4 ), dichlorosilane (SiCl 2 H 2 ), trichlorosilane (SiCl 3 H), tetrachlorosilane (S
A CVD method using a gas containing Si such as iCl 4 ) and a gas containing nitrogen atoms (and a gas containing oxygen atoms) such as N 2 or NH 3 as raw materials is used. The surface of the formed silicon nitride film is oxidized by a thermal oxidation method to form, for example, a 3.5-nm-thick silicon oxide film (top insulating film 13). Thereby, a deep carrier trap having a trap level (energy difference from the conduction band of the nitride film) of about 2.0 eV or less is formed at a density of about 1 × 10 18 to 1 × 10 19 / cm 2 . A thermal silicon oxide film (top insulating film 13) is formed at 1.62 nm with respect to the nitride film 12 having a thickness of 1 nm. At this ratio, the thickness of the underlying nitride film is reduced, and the nitride film 12 has a desired final film thickness.
【0025】ゲート電極Gとなる導電膜とオフセット絶
縁層(不図示)との積層膜を積層させ、この積層膜を一
括して同一パターンにて加工する。このゲート電極パタ
ーンをマスクとしてp型不純物領域をイオン注入し、ソ
ース・ドレイン領域S/Dを形成する。なお、ソース・
ドレイン領域S/Dは、ゲート電極Gをマスクとしたイ
オン注入と、ゲート電極Gの側面に形成したサイドウォ
ールをマスクとしたイオン注入とにより形成し、LDD
構造にしてもよい。その後、図示しないが層間絶縁膜の
成膜、コンタクトホールの形成およびソース・ドレイン
電極の形成等の諸工程を経て当該メモリトランジスタを
完成させる。A laminated film of a conductive film serving as the gate electrode G and an offset insulating layer (not shown) is laminated, and this laminated film is processed at once by the same pattern. Using this gate electrode pattern as a mask, p-type impurity regions are ion-implanted to form source / drain regions S / D. The source
The drain region S / D is formed by ion implantation using the gate electrode G as a mask and ion implantation using the sidewall formed on the side surface of the gate electrode G as a mask.
It may be structured. Thereafter, although not shown, the memory transistor is completed through various steps such as formation of an interlayer insulating film, formation of a contact hole, and formation of a source / drain electrode.
【0026】図2に第1実施形態に係るメモリトランジ
スタの書き込み時を示し、図3に消去時を示す。また、
図4に、書き込み時と消去時のバイアス電圧の印加条件
の一覧表を示す。書き込み時には、基板SUBおよび各
種ウエルを0Vで保持し、2つのソース・ドレイン領域
S/Dの一方に0Vのソース電圧Vsを印加し、他方に
−3V〜−5Vのドレイン電圧Vdを印加し、ゲート電
極Gに−5V〜−10Vのゲート電圧Vgを印加する。
これにより、チャネル形成領域の表面に反転層(チャネ
ルCh)が形成され、チャネルCh内をホールがソース
から供給されてドレイン電圧により加速される。このホ
ールは加速電界からエネルギーを受けてドレイン端部付
近でホットホールとなる。ホットホールの一部はボトム
絶縁膜11のエネルギー障壁を越え、ゲート電極Gの電
界により引き寄せられて窒化膜12を中心に分布したキ
ャリアトラップに注入される。FIG. 2 shows a write operation of the memory transistor according to the first embodiment, and FIG. 3 shows an erase operation. Also,
FIG. 4 shows a list of bias voltage application conditions during writing and erasing. At the time of writing, the substrate SUB and various wells are held at 0 V, a source voltage Vs of 0 V is applied to one of the two source / drain regions S / D, and a drain voltage Vd of -3 V to -5 V is applied to the other, A gate voltage Vg of −5 V to −10 V is applied to the gate electrode G.
Thus, an inversion layer (channel Ch) is formed on the surface of the channel formation region, and holes are supplied from the source in the channel Ch and accelerated by the drain voltage. This hole receives energy from the accelerating electric field and becomes a hot hole near the drain end. A part of the hot hole exceeds the energy barrier of the bottom insulating film 11, is attracted by the electric field of the gate electrode G, and is injected into the carrier trap distributed around the nitride film 12.
【0027】このチャネルホットホール(CHH)注入
では、高エネルギー電荷(ホットホール)の発生がドレ
イン側に偏っているため、窒化膜12を中心とした電荷
蓄積手段(キャリアトラップ)の分布領域の一部にホッ
トホールが注入される。したがって、2ビット/セルの
書き込みが可能であり、その場合には、上記したドレイ
ン電圧Vdとソース電圧Vsを印加するソース・ドレイ
ン領域S/Dを入れ替えて再度、同様に書き込みを行
う。その結果、2ビットの情報を、キャリアトラップの
分布領域の両端部に独立に書き込みできる。キャリアト
ラップの分布領域の両端部にホットホールが注入された
場合、その間の領域はホットホールが注入されない領域
として残る。実効ゲート長に対し注入電荷量を調整する
ことで、ホットホールが注入されない中間領域の長さを
十分にとると、互いの記憶情報が干渉したり、高温保持
時に保持電荷が多少拡散しても記憶情報のぼけが生じな
い。In this channel hot hole (CHH) injection, since the generation of high energy charges (hot holes) is biased toward the drain side, the distribution area of the charge storage means (carrier trap) centered on the nitride film 12 is reduced. Hot holes are injected into the part. Therefore, writing at 2 bits / cell is possible. In this case, the above-described writing is performed again by exchanging the source / drain region S / D to which the drain voltage Vd and the source voltage Vs are applied. As a result, 2-bit information can be independently written at both ends of the carrier trap distribution region. When hot holes are injected into both ends of the carrier trap distribution region, the region between them remains as a region into which hot holes are not injected. By adjusting the amount of injected charge with respect to the effective gate length, if the length of the intermediate region where hot holes are not injected is made sufficiently long, even if the stored information interferes with each other or the stored charge slightly diffuses at high temperature No blurring of stored information occurs.
【0028】読み出しでは、いわゆるリバースリード法
を用いる。たとえば、読み出し対象のビットが記憶され
た側のソース・ドレイン領域S/Dをソースとして0V
を印加し、他方のソース・ドレイン領域をドレインとし
て−1.5Vを印加し、ゲート電極Gに−2Vを印加す
る。また、他方のビットを読み出すときは、ソースとド
レインを入れ替えて上記各電圧を印加する。いずれの場
合も、読み出し対象のビットが“1”でしきい値電圧が
高い場合はメモリトランジスタがオンしないし、読み出
し対象のビットが“0”でしきい値電圧が低いときはメ
モリトランジスタがオンしてドレイン電圧が変化する。
このドレイン電圧の変化を、たとえばセンスアンプによ
り増幅して、増幅後の電圧により記憶ビットの“1”,
“0”を判定する。For reading, a so-called reverse read method is used. For example, the source / drain region S / D on the side where the bit to be read is stored has a source of 0 V
Is applied, −1.5 V is applied to the other source / drain region as a drain, and −2 V is applied to the gate electrode G. When reading the other bit, the above-described voltages are applied while the source and the drain are switched. In any case, when the bit to be read is "1" and the threshold voltage is high, the memory transistor is not turned on. When the bit to be read is "0" and the threshold voltage is low, the memory transistor is turned on. As a result, the drain voltage changes.
This change in drain voltage is amplified by, for example, a sense amplifier, and the voltage after the amplification is used to store “1”,
Determine “0”.
【0029】消去では、BBHE注入を用いる。図4に
示すように、基板SUBおよび各種ウエルを0Vで保持
し、消去対象のビットが記憶された側のソース・ドレイ
ン領域S/Dに−3V〜−5Vの負電圧(図ではドレイ
ン電圧Vd)を印加し、消去対象でないビット側のソー
ス・ドレイン領域S/Dを開放し、その電圧(図ではソ
ース電圧Vs)をフローティング状態とする。また、ゲ
ート電極Gに0V〜5Vの正のゲート電圧Vgを印加す
る。これにより、負電圧Vdを印加したソース・ドレイ
ン領域S/Dをなすp型不純物領域の表面が深い空乏状
態となってアバランシェブレークダウンが起こり、p型
不純物領域表面のエネルギーバンドの曲がりが急峻とな
る。このときバンド間トンネル効果により電子が価電子
帯より伝導帯にトンネルし、p型不純物領域側に流れ、
その結果、電子が発生する。発生した電子は、チャネル
形成領域の中央部側に若干ドリフトして、そこで電界加
速され、その一部がホットエレクトロンとなる。このp
型不純物領域端で発生した高エネルギー電荷(ホットエ
レクトロン)は、その運動量(方向と大きさ)を維持し
ながら殆ど運動エネルギーを失うことなく効率よく、し
かも高速に電荷蓄積手段であるキャリアトラップに注入
される。他方のビットを消去するときは、その消去側の
ソース・ドレイン領域S/Dに負電圧Vdを印加し、も
う片方を開放とすることで同様にホットエレクトロン注
入による消去が達成される。なお、2つのソース・ドレ
イン領域S/Dの両方に負電圧Vdを印加すると、2ビ
ットが同時に消去できる。For erasing, BBHE implantation is used. As shown in FIG. 4, the substrate SUB and various wells are held at 0 V, and a negative voltage of -3 V to -5 V (a drain voltage Vd in FIG. ) Is applied to open the source / drain region S / D on the bit side not to be erased, and the voltage (source voltage Vs in the figure) is brought into a floating state. Further, a positive gate voltage Vg of 0 V to 5 V is applied to the gate electrode G. As a result, the surface of the p-type impurity region forming the source / drain region S / D to which the negative voltage Vd is applied is in a deep depletion state, causing avalanche breakdown, and the energy band on the surface of the p-type impurity region is sharply bent. Become. At this time, electrons tunnel from the valence band to the conduction band due to the interband tunnel effect, flow toward the p-type impurity region,
As a result, electrons are generated. The generated electrons slightly drift toward the center of the channel forming region, where the electric field is accelerated, and a part of the electrons is turned into hot electrons. This p
High-energy charges (hot electrons) generated at the end of the type impurity region are efficiently injected with little loss of kinetic energy while maintaining their momentum (direction and magnitude), and are injected into the carrier trap as charge storage means at high speed. Is done. When erasing the other bit, a negative voltage Vd is applied to the source / drain region S / D on the erase side and the other bit is left open, thereby achieving erasure by hot electron injection. When a negative voltage Vd is applied to both the two source / drain regions S / D, two bits can be erased simultaneously.
【0030】第1実施形態では、p型メモリトランジス
タにホール注入して書き込みを行うため、書き込み後
は、ホールを保持した側のチャネル形成領域の端部のし
きい値電圧が、消去時より上昇する。すなわち、このホ
ールを保持した側のチャネル形成領域の端部は、ディプ
レッション化することがなく、そのしきい値電圧が、ホ
ールを保持しない中央側のチャネル形成領域のしきい値
電圧より高くなる。その結果、読み出し時に、中央のチ
ャネル形成領域が先にオン可能となり、その後、ホール
を保持した側のチャネル形成領域の端部がオンし、最終
的にチャネルが形成される。このチャネル形成時のゲー
ト電圧は、ホールの有無により大きく変化し、書き込み
時と消去時のしきい値電圧差(ウインドウ幅)が大きく
なる。以上より、第1実施形態に係る不揮発性メモリの
動作方法では、p型メモリトランジスタに電子を注入し
て書き込みを行う従来の方法において読み出しが行えな
いという課題を解決し、すなわち読み出しができ、2ビ
ット化がしやすいという利点がある。In the first embodiment, writing is performed by injecting holes into the p-type memory transistor. Therefore, after writing, the threshold voltage at the end of the channel forming region on the side holding holes is higher than that during erasing. I do. That is, the end of the channel formation region on the side holding the hole is not depleted, and the threshold voltage is higher than the threshold voltage of the channel formation region on the center side not holding the hole. As a result, at the time of reading, the central channel formation region can be turned on first, and then the end of the channel formation region on the side holding holes is turned on, and finally a channel is formed. The gate voltage at the time of forming this channel varies greatly depending on the presence or absence of holes, and the threshold voltage difference (window width) between writing and erasing increases. As described above, the method of operating the nonvolatile memory according to the first embodiment solves the problem that reading cannot be performed by the conventional method of writing by injecting electrons into the p-type memory transistor. There is an advantage that bit conversion is easy.
【0031】バンド間トンネル電流に起因して発生した
ホットホールを注入するBBHH方式(従来技術2の消
去)では、基板とドレイン間の短い空乏層に生じた高電
界でキャリアが加速されるため、高エネルギーのホット
ホールが発生する。これに対し、第1実施形態では、書
き込みにCHH注入を用いており、電荷の加速距離が長
く相対的に弱い加速電界でもホットホールが生成される
ため、極端にエネルギーが高いホットホールが余り含ま
れていない。したがって、CHH注入方式は、BBHH
方式よりボトム絶縁膜11に与えるダメージを低減でき
る。したがって、電荷保持特性およびリテンション特性
に優れ、信頼性が高いという利点がある。In the BBHH method in which hot holes generated due to an interband tunnel current are injected (erasing in the prior art 2), carriers are accelerated by a high electric field generated in a short depletion layer between a substrate and a drain. High energy hot holes are generated. On the other hand, in the first embodiment, CHH injection is used for writing, and hot holes are generated even in a relatively weak accelerating electric field having a long charge acceleration distance. Not. Therefore, the CHH injection method is BBHH
Damage to the bottom insulating film 11 can be reduced as compared with the method. Therefore, there is an advantage that the charge retention characteristics and the retention characteristics are excellent and the reliability is high.
【0032】なお、以上の説明ではしきい値電圧が高い
側を書き込み状態とし、低い側を消去状態としたが、逆
の定義であってもよい。In the above description, the side with the higher threshold voltage is set to the writing state, and the side with the lower threshold voltage is set to the erasing state, but the definition may be reversed.
【0033】第2実施形態 第2実施形態では、ゲート電極Gの実効部分、すなわち
ソース・ドレイン間距離に相当するチャネル方向の長さ
(実効ゲート長)を0.1μm以下、たとえば80nm
〜90nm程度とする。他の基本的なトランジスタの構
成は図1と同様であり、製造方法も第1実施形態と共通
する。 Second Embodiment In the second embodiment, the effective portion of the gate electrode G, that is, the length in the channel direction (effective gate length) corresponding to the distance between the source and the drain is 0.1 μm or less, for example, 80 nm.
9090 nm. Other basic transistor configurations are the same as those in FIG. 1, and the manufacturing method is also common to the first embodiment.
【0034】この短ゲート長化に対応して、以下、単ビ
ット/セル記憶の動作を説明する。図5に第2実施形態
に係るメモリトランジスタの書き込み時を示し、図6に
消去時を示す。また、図7に、書き込み時と消去時のバ
イアス電圧の印加条件の一覧表を示す。書き込み時に
は、基板SUB、各種ウエルおよび2つのソース・ドレ
イン領域S/Dの双方を0Vで保持し、ゲート電極Gに
−5V〜−10Vのゲート電圧Vgを印加する。これに
より、チャネル形成領域の全面からホールがFNトンネ
リングにより窒化膜12を中心として分布するキャリア
トラップに注入される。The operation of single bit / cell storage will be described below in response to the shortened gate length. FIG. 5 shows a write operation of the memory transistor according to the second embodiment, and FIG. 6 shows an erase operation. FIG. 7 shows a list of bias voltage application conditions during writing and erasing. At the time of writing, both the substrate SUB, various wells, and the two source / drain regions S / D are held at 0 V, and a gate voltage Vg of −5 V to −10 V is applied to the gate electrode G. As a result, holes are injected from the entire surface of the channel formation region into the carrier trap distributed around the nitride film 12 by FN tunneling.
【0035】このチャネル全面のFNトンネリングを用
いたホットホール注入では、キャリアトラップの分布領
域のほぼ全域にホールが注入されやすく、その結果、し
きい値電圧が大きく上昇する。In the hot hole injection using the FN tunneling on the entire surface of the channel, holes are easily injected almost all over the distribution region of the carrier trap, and as a result, the threshold voltage is greatly increased.
【0036】読み出しでは、ソース・ドレイン領域S/
Dの一方(ソース)に0Vを印加し、他方(ドレイン)
に−1.5Vを印加し、ゲート電極Gに−2Vを印加す
る。ホールが注入されしきい値電圧が高い場合はメモリ
トランジスタがオンしないし、ホールが注入されずしき
い値電圧が低いときはメモリトランジスタがオンしてド
レイン電圧が変化する。このドレイン電圧の変化を、た
とえばセンスアンプにより増幅して、増幅後の電圧によ
り記憶ビットの“1”,“0”を判定する。In reading, the source / drain region S /
0V is applied to one (source) of D and the other (drain)
, And −2 V is applied to the gate electrode G. When holes are injected and the threshold voltage is high, the memory transistor does not turn on. When holes are not injected and the threshold voltage is low, the memory transistor turns on and the drain voltage changes. The change in the drain voltage is amplified by, for example, a sense amplifier, and “1” or “0” of the storage bit is determined based on the amplified voltage.
【0037】消去では、BBHE注入を用いる。キャリ
アトラップの分布領域のほぼ全域にホールが注入されて
いるときは、図6に示すように、2つのソース・ドレイ
ン領域S/Dの双方からBBHE注入を行うのが望まし
い。すなわち、基板SUBおよび各種ウエルを0Vで保
持し、2つのソース・ドレイン領域S/Dに−3V〜−
5Vの負電圧Vdを印加し、ゲート電極Gに0V〜5V
の正のゲート電圧Vgを印加する。これにより、第1実
施形態と同様な原理で、バンド間トンネル効果による電
子がホットエレクトロンとなり、電荷蓄積手段であるキ
ャリアトラップに注入される。なお、ゲート長が短く、
片側からのBBHE注入で消去が可能な場合は、一方の
ソース・ドレイン領域S/Dを開放し、その電圧をフロ
ーティング状態とすることもできる。For erasing, BBHE implantation is used. When holes are injected substantially all over the carrier trap distribution region, it is desirable to perform BBHE injection from both of the two source / drain regions S / D as shown in FIG. That is, the substrate SUB and various wells are held at 0 V, and the two source / drain regions S / D are -3V to -V.
A negative voltage Vd of 5 V is applied, and 0 V to 5 V is applied to the gate electrode G.
Is applied. Thereby, on the same principle as in the first embodiment, the electrons due to the band-to-band tunnel effect become hot electrons and are injected into the carrier trap as the charge storage means. The gate length is short,
If erasing is possible by BBHE injection from one side, one of the source / drain regions S / D may be opened and the voltage thereof may be in a floating state.
【0038】図8に、第2実施形態における他の書き込
み方法を示す。この書き込みでは、いわゆる基板ホット
ホールを用いる。基板ホットホールを生成するには、基
板深部のpn接合が必要となる。この不揮発性メモリで
は、基板SUB内にp型不純物が添加されてpウエルP
Wが形成され、pウエルPW内の一部にn型不純物が添
加されてnウエルNWが形成され、nウエルNW内にメ
モリトランジスタが形成さている。他の構成は、図5,
図6の場合と同じである。nウエルNW内のチャネル形
成領域を基板バイアスにより空乏化し、ゲート電極Gに
所定の負電圧を印加した状態で、この両ウエルPW,N
W間のpn接合を順バイアスする。これにより、空乏化
されたチャネル形成領域にホールが供給され、このホー
ルがゲート電極側に電界加速されてホットホールとな
り、窒化膜12を中心として分布するキャリアトラップ
に注入される。その結果、キャリアトラップの分布領域
のほぼ全域に容易にホットホールが注入され、メモリト
ランジスタのしきい値電圧が大きく上昇する。FIG. 8 shows another writing method according to the second embodiment. In this writing, a so-called substrate hot hole is used. In order to generate a substrate hot hole, a pn junction deep in the substrate is required. In this nonvolatile memory, a p-type impurity is added to the
W is formed, an n-type impurity is added to a part of the p-well PW to form an n-well NW, and a memory transistor is formed in the n-well NW. Another configuration is shown in FIG.
This is the same as in FIG. In a state where the channel forming region in the n-well NW is depleted by the substrate bias and a predetermined negative voltage is applied to the gate electrode G, the two wells PW, N
Forward bias the pn junction between W. As a result, holes are supplied to the depleted channel forming region, and the holes are electric field accelerated toward the gate electrode to become hot holes, which are injected into carrier traps distributed around the nitride film 12. As a result, hot holes are easily injected into almost the entire distribution region of the carrier trap, and the threshold voltage of the memory transistor is greatly increased.
【0039】第2実施形態においては、2ビット/セル
の記憶は出来ないが、pチャネル型トランジスタに対す
るホール注入書き込みを用いることから、チャネル形成
領域がディプレッション化することがなく、しきい値電
圧のウインドウ幅が十分大きくとれる。そのため、p型
メモリトランジスタに電子を注入して書き込みを行う従
来の方法に比べ読み出しが容易であるという利点があ
る。また、書き込みに基板ホットホール注入を用いてい
るため、バンド間トンネル電流に起因して発生したホッ
トホールを注入するBBHH方式(従来技術2の消去)
と比較すると、ボトム絶縁膜11に与えるダメージを低
減できる。したがって、電荷保持特性およびリテンショ
ン特性に優れ、信頼性が高いという利点がある。In the second embodiment, storage of 2 bits / cell is not possible, but since hole injection writing is used for a p-channel transistor, the channel formation region does not become depleted, and the threshold voltage is reduced. The window width can be made sufficiently large. Therefore, there is an advantage that reading is easier than in the conventional method of writing by injecting electrons into the p-type memory transistor. In addition, since the substrate hot hole injection is used for writing, the BBHH method of injecting a hot hole generated due to an inter-band tunnel current (erasing of prior art 2)
As compared with, damage to the bottom insulating film 11 can be reduced. Therefore, there is an advantage that the charge retention characteristics and the retention characteristics are excellent and the reliability is high.
【0040】なお、以上の説明ではしきい値電圧が高い
側を書き込み状態とし、低い側を消去状態としたが、逆
の定義であってもよい。In the above description, the side with the higher threshold voltage is the writing state, and the side with the lower threshold voltage is the erasing state. However, the opposite definition may be used.
【0041】第3実施形態 第3実施形態では、ソースサイドからのCHH注入を用
いて書き込みを行う。図9に、第3実施形態に係るメモ
リトランジスタに対する書き込み時を示す。 Third Embodiment In the third embodiment, writing is performed using CHH injection from the source side. FIG. 9 shows a state at the time of writing to the memory transistor according to the third embodiment.
【0042】このメモリトランジスタは、ドレイン側の
チャネル形成領域部分およびソース・ドレイン領域S/
Dの上部に、図1と同様に、ボトム絶縁膜11,窒化膜
12およびトップ絶縁膜13からなる3層構造のゲート
絶縁膜10が形成されているが、ソース側のチャネル形
成領域の残り部分の上部には、電荷蓄積能力を有しない
単層の絶縁膜14が形成されている。この単層の絶縁膜
14は、ボトム絶縁膜11と同じ材料の同じ厚さとする
こともできるが、ゲート電極Gのチャネルに対する支配
力を調整するため異なる膜から形成することが望まし
い。また、ゲート電極Gは、図9では共通化されている
が、ソース側に制御ゲート電極を設け、制御ゲート電極
とは絶縁分離されたメモリゲート電極を電荷蓄積能力を
有したゲート絶縁膜10上に設ける構成でもよい。何れ
の構成でも、チャネルを主として制御する制御トランジ
スタと、ホットホール注入を制御するメモリトランジス
タが、等価回路上では直列に接続されたメモリセル構造
となる。This memory transistor has a channel forming region portion on the drain side and a source / drain region S / D.
1, a gate insulating film 10 having a three-layer structure composed of a bottom insulating film 11, a nitride film 12, and a top insulating film 13 is formed as in FIG. A single-layer insulating film 14 having no charge storage capability is formed on the upper part of the substrate. This single-layer insulating film 14 can be made of the same material and the same thickness as the bottom insulating film 11, but is preferably formed of a different film in order to adjust the dominance of the gate electrode G over the channel. Although the gate electrode G is shared in FIG. 9, a control gate electrode is provided on the source side, and a memory gate electrode which is insulated and separated from the control gate electrode is formed on the gate insulating film 10 having charge storage capability. May be provided. In either configuration, a control transistor that mainly controls the channel and a memory transistor that controls hot hole injection have a memory cell structure in which they are connected in series on an equivalent circuit.
【0043】このメモリトランジスタは、基本的には第
1実施形態と同様なCHH注入により書き込みされる。
ただし、第3実施形態では、単層の絶縁膜14の材料お
よび膜厚を変えることにより、あるいは、制御トランジ
スタとメモリトランジスタの各ゲートに印加する電圧を
変えることにより、チャネルのコンダクタンスを任意に
調整できる。その結果、制御トランジスタとメモリトラ
ンジスタとの境界付近に高い電位勾配を発生させ、より
高い効率でホットホールを、窒化膜12を中心として分
布するキャリアトラップに注入することができる。した
がって、書き込み速度が向上する。また、制御トランジ
スタとメモリトランジスタのゲートを分離した場合、各
ゲート電極に印加する電圧およびゲート長を制御するこ
とにより窒化膜12内でホットホールの注入位置を変更
することが可能である。This memory transistor is basically written by CHH injection similar to the first embodiment.
However, in the third embodiment, the conductance of the channel is arbitrarily adjusted by changing the material and thickness of the single-layer insulating film 14 or by changing the voltage applied to each gate of the control transistor and the memory transistor. it can. As a result, a high potential gradient is generated near the boundary between the control transistor and the memory transistor, and hot holes can be injected into the carrier traps distributed around the nitride film 12 with higher efficiency. Therefore, the writing speed is improved. When the gates of the control transistor and the memory transistor are separated from each other, it is possible to change the hot hole injection position in the nitride film 12 by controlling the voltage applied to each gate electrode and the gate length.
【0044】読み出しおよび消去は、第1,第2実施形
態と同様に行う。Reading and erasing are performed in the same manner as in the first and second embodiments.
【0045】第3実施形態においても、第1,第2実施
形態と同様の利点、すなわちホール注入書き込みである
ためしきい値電圧のウインドウ幅が大きく読み出しが容
易であり、また、ソースサイドからのCHH注入を用い
ているためボトム絶縁膜へのダメージが低減するという
利点がる。Also in the third embodiment, the same advantages as those of the first and second embodiments, that is, since the hole injection writing is performed, the threshold voltage window width is large and reading is easy, and the third embodiment has the same advantages as the first embodiment. Since CHH implantation is used, there is an advantage that damage to the bottom insulating film is reduced.
【0046】本発明では、メモリトランジスタの構造は
MONOS型に限定されない。たとえば図1において、
トップ絶縁膜13を省略し窒化膜12を厚くし、いわゆ
るMNOS型としてもよい。また、電荷蓄積能力を有す
る膜、たとえば窒化珪素膜、酸化窒化珪素膜、Ta2 O
3 をチャネル形成領域となる半導体に直接接触させ、そ
の上に図1のトップ絶縁膜13と同じ機能を持たせた
膜、たとえば熱酸化珪素膜を形成したゲート絶縁膜構造
としてもよい。さらに、ボトム絶縁膜11上に直径が数
nmのポリシリコンなどの導電材料を分散して形成し、
これを酸化珪素膜内に埋め込んで、離散化された電荷蓄
積手段として用いる、いわゆるナノ結晶型としてもよい
し、ポリシリコンを電子ビームを用いた微細リソグラフ
ィ技術により加工して分離して、これを酸化珪素膜内に
埋め込んで、離散化された電荷蓄積手段として用いるこ
ともできる。In the present invention, the structure of the memory transistor is not limited to the MONOS type. For example, in FIG.
The top insulating film 13 may be omitted, and the thickness of the nitride film 12 may be increased, so that a so-called MNOS type may be used. Further, a film having a charge storage capability, for example, a silicon nitride film, a silicon oxynitride film, Ta 2 O
3 may be in direct contact with a semiconductor serving as a channel forming region, and a film having the same function as the top insulating film 13 in FIG. 1, for example, a gate insulating film structure formed with a thermal silicon oxide film may be used. Further, a conductive material such as polysilicon having a diameter of several nm is dispersed and formed on the bottom insulating film 11,
This may be buried in a silicon oxide film and used as a discretized charge storage means, that is, a so-called nano-crystal type, or polysilicon may be processed and separated by a fine lithography technique using an electron beam. It can also be embedded in a silicon oxide film and used as a discretized charge storage means.
【0047】[0047]
【発明の効果】本発明に係る不揮発性半導体記憶装置の
動作方法によれば、pチャネル型のメモリトランジスタ
に対しホール注入による絶縁膜の膜質劣化を極力抑制し
ながら、記憶情報を確実に読み出すことが可能となっ
た。According to the method of operating a nonvolatile semiconductor memory device according to the present invention, it is possible to reliably read out stored information from a p-channel type memory transistor while minimizing deterioration of the insulating film due to hole injection. Became possible.
【図1】実施形態に係るMONOS型メモリトランジス
タの基本構造を示す断面図である。FIG. 1 is a cross-sectional view showing a basic structure of a MONOS type memory transistor according to an embodiment.
【図2】第1実施形態に係るメモリトランジスタの書き
込み時を示す図である。FIG. 2 is a diagram illustrating a state of writing in a memory transistor according to the first embodiment.
【図3】第1実施形態に係るメモリトランジスタの消去
時を示す図である。FIG. 3 is a diagram showing a state when erasing a memory transistor according to the first embodiment;
【図4】第1実施形態に係るメモリトランジスタの書き
込み時と消去時のバイアス電圧の印加条件を示す一覧表
である。FIG. 4 is a table showing a bias voltage application condition at the time of writing and erasing of the memory transistor according to the first embodiment.
【図5】第2実施形態に係るメモリトランジスタの書き
込み時を示す図である。FIG. 5 is a diagram illustrating a write operation of a memory transistor according to a second embodiment.
【図6】第2実施形態に係るメモリトランジスタの消去
時を示す図である。FIG. 6 is a diagram illustrating a state of erasing a memory transistor according to a second embodiment.
【図7】第2実施形態に係るメモリトランジスタの書き
込み時と消去時のバイアス電圧の印加条件を示す一覧表
である。FIG. 7 is a table showing a bias voltage application condition during writing and erasing of a memory transistor according to a second embodiment.
【図8】第2実施形態に係るメモリトランジスタの他の
書き込み方法を示す図である。FIG. 8 is a diagram illustrating another writing method of the memory transistor according to the second embodiment.
【図9】第3実施形態に係るメモリトランジスタの書き
込み時を示す図である。FIG. 9 is a diagram showing a state of writing into a memory transistor according to a third embodiment.
10…ゲート絶縁膜、11…ボトム絶縁膜、12…窒化
膜、13…トップ絶縁膜、14…単層の絶縁膜、SUB
…基板、PW…pウエル、NW…nウエル、S/D…ソ
ース・ドレイン領域、G…ゲート電極、Vs…ソース電
圧、Vd…ドレイン電圧、Vg…ゲート電圧。10 gate insulating film, 11 bottom insulating film, 12 nitride film, 13 top insulating film, 14 single-layer insulating film, SUB
... substrate, PW ... p well, NW ... n well, S / D ... source / drain region, G ... gate electrode, Vs ... source voltage, Vd ... drain voltage, Vg ... gate voltage.
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き Fターム(参考) 5B025 AA03 AB01 AC01 AD08 AE08 5F001 AA14 AA19 AB03 AB08 AC02 AD41 AD61 AE02 AE03 AE08 AF07 5F083 EP17 EP18 EP23 ER02 ER05 ER06 ER11 GA21 NA03 5F101 BA46 BA54 BB04 BB05 BC02 BD22 BD36 BE02 BE05 BE07 BF03 ──────────────────────────────────────────────────続 き Continued on front page F-term (reference) BE07 BF03
Claims (12)
ソース・ドレイン領域と、 上記チャネル形成領域上に設けられたゲート絶縁膜と、 上記ゲート絶縁膜上に設けられたゲート電極と、 上記チャネル形成領域に対向した面内および膜厚方向に
離散化されて上記ゲート絶縁膜内に形成された電荷蓄積
手段とを有する不揮発性半導体記憶装置の動作方法であ
って、 上記チャネル形成領域にチャネルを形成し、チャネル内
を電界加速して生成したホットホールを上記電荷蓄積手
段に注入して書き込みを行い、 上記ソース・ドレイン領域側でバンド間トンネル電流に
起因したホットエレクトロンを生成し、当該ホットエレ
クトロンをホールが保持されている上記電荷蓄積手段に
注入して消去を行う不揮発性半導体記憶装置の動作方
法。1. A channel forming region made of an n-type semiconductor, two source / drain regions made of a p-type semiconductor and sandwiching the channel forming region, a gate insulating film provided on the channel forming region, and the gate A nonvolatile semiconductor memory device comprising: a gate electrode provided on an insulating film; and charge storage means formed in the gate insulating film in a plane opposed to the channel forming region and in the film thickness direction. An operation method, wherein a channel is formed in the channel formation region, hot holes generated by accelerating an electric field in the channel are injected into the charge storage means to perform writing, and a band-to-band tunnel is formed in the source / drain region. Hot electrons generated by the current are generated, and the hot electrons are injected into the charge storage means holding holes to extinguish them. Method of operating a nonvolatile semiconductor memory device that performs.
上記ゲート絶縁膜内の上記電荷蓄積手段の分布領域のう
ちドレイン側の一部にホットホールを注入する請求項1
記載の不揮発性半導体記憶装置の動作方法。2. In writing, according to information to be stored,
2. A hot hole is injected into a part of the distribution region of the charge storage means in the gate insulating film on a drain side.
The operation method of the nonvolatile semiconductor memory device described in the above.
した2度の書き込みにより、記憶させる情報に応じて、
上記ゲート絶縁膜内の上記電荷蓄積手段の分布領域の中
央のホットホールが注入されない領域を挟んで一方端部
と他方端部に独立にホットホールを注入する請求項2記
載の不揮発性半導体記憶装置の動作方法。3. The method according to claim 2, wherein the writing is performed twice with the voltage application direction between the source and the drain reversed.
3. The non-volatile semiconductor memory device according to claim 2, wherein hot holes are independently injected into one end and the other end of the gate insulating film with respect to a central region of the distribution region of the charge storage means where the hot hole is not injected. How it works.
ネル形成領域の長さが、上記書き込み時に上記チャネル
形成領域に対向する上記電荷蓄積手段の分布領域のほぼ
全域に上記ホットホールが注入される長さ以下である請
求項1記載の不揮発性半導体記憶装置の動作方法。4. The hot hole is injected into substantially the entire distribution region of the charge storage means facing the channel formation region during the writing when the length of the channel formation region between the two source / drain regions is set. The method according to claim 1, wherein the length is less than or equal to the length.
面からFNトンネリングを用いて上記電荷蓄積手段にホ
ットホールを注入する請求項4記載の不揮発性半導体記
憶装置の動作方法。5. The operating method of a nonvolatile semiconductor memory device according to claim 4, wherein at the time of writing, hot holes are injected into said charge storage means from the entire surface of said channel formation region using FN tunneling.
体からなるnウエルと、 p型半導体からなり上記チャネル形成領域および上記2
つのソース・ドレイン領域が形成されたpウエルとをさ
らに有し、 書き込み時に、上記nウエルと上記pウエル間のpn接
合にバイアス電圧を印加してホットホールを生成し、当
該ホットホールを上記電荷蓄積手段に注入する請求項4
記載の不揮発性半導体記憶装置の動作方法。6. The non-volatile semiconductor memory device according to claim 1, wherein the n-well comprises an n-type semiconductor;
And a p-well in which two source / drain regions are formed. During writing, a bias voltage is applied to a pn junction between the n-well and the p-well to generate a hot hole, and the hot hole is charged with the electric charge. 5. The method according to claim 4, wherein the liquid is injected into the storage means.
The operation method of the nonvolatile semiconductor memory device described in the above.
因したホットエレクトロンを上記2つのソース・ドレイ
ン領域の双方から上記電荷蓄積手段に注入する請求項4
記載の不揮発性半導体記憶装置の動作方法。7. An erase operation wherein hot electrons resulting from the interband tunnel current are injected into the charge storage means from both of the two source / drain regions.
The operation method of the nonvolatile semiconductor memory device described in the above.
トホールが注入される上記ゲート絶縁膜の記憶領域上の
メモリゲート電極と、 ホットホールが注入されない上記ゲート絶縁膜の他の領
域上の制御ゲート電極とを有し、 書き込み時に、上記メモリゲート電極と上記制御ゲート
電極との印加電圧を制御して、上記記憶領域に対しソー
ス側からホットホールを注入する請求項2記載の不揮発
性半導体記憶装置の動作方法。8. A memory gate electrode on a storage region of the gate insulating film into which hot holes are injected at the time of writing, and a control gate on another region of the gate insulating film into which hot holes are not injected. 3. The non-volatile semiconductor memory device according to claim 2, further comprising an electrode, wherein a hot hole is injected from a source side into the storage region by controlling a voltage applied to the memory gate electrode and the control gate electrode during writing. How it works.
域上のボトム絶縁膜と、 当該ボトム絶縁膜上の窒化膜または酸化窒化膜とを含む
請求項1記載の不揮発性半導体記憶装置の動作方法。9. The method of operating a nonvolatile semiconductor memory device according to claim 1, wherein said gate insulating film includes a bottom insulating film on said channel formation region, and a nitride film or an oxynitride film on said bottom insulating film. .
領域上のボトム絶縁膜と、 上記電荷蓄積手段としてボトム絶縁膜上に形成され互い
に絶縁された小粒径導電体とを含む請求項1記載の不揮
発性半導体記憶装置の動作方法。10. The gate insulating film includes a bottom insulating film on the channel formation region, and a small-diameter conductor formed on the bottom insulating film and insulated from each other as the charge storage means. Operating method of the non-volatile semiconductor memory device.
領域を構成する半導体材料より大きなバンドギャップを
有した第1の絶縁膜と、 上記第1の絶縁膜上に形成され、上記第1の絶縁膜より
小さなバンドギャップを有し、上記電荷蓄積手段として
のトラップを内部に含む第2の絶縁膜とを含む請求項1
記載の不揮発性半導体記憶装置の動作方法。11. The first insulating film having a band gap larger than a semiconductor material forming the channel formation region, the gate insulating film being formed on the first insulating film, wherein the first insulating film is formed on the first insulating film. And a second insulating film having a smaller band gap than the film and including a trap as the charge storage means therein.
The operation method of the nonvolatile semiconductor memory device described in the above.
領域上に形成され、チャネル形成領域を構成する半導体
材料より大きなバンドギャップを有し、上記電荷蓄積手
段としてのトラップを内部に含む電荷保持膜と、 上記電荷保持膜上の絶縁膜とを含む請求項1記載の不揮
発性半導体記憶装置。12. A charge holding film formed on the channel formation region, having a larger band gap than a semiconductor material forming the channel formation region, and including a trap as the charge storage means therein. The nonvolatile semiconductor memory device according to claim 1, further comprising: an insulating film on the charge holding film.
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