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JP2004158074A - Method for rewriting data in nonvolatile semiconductor memory - Google Patents

Method for rewriting data in nonvolatile semiconductor memory Download PDF

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JP2004158074A
JP2004158074A JP2002321038A JP2002321038A JP2004158074A JP 2004158074 A JP2004158074 A JP 2004158074A JP 2002321038 A JP2002321038 A JP 2002321038A JP 2002321038 A JP2002321038 A JP 2002321038A JP 2004158074 A JP2004158074 A JP 2004158074A
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
voltage
period
rewriting
trw2
gate electrode
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
JP2002321038A
Other languages
Japanese (ja)
Inventor
Mitsutaka Katada
満孝 堅田
Hiroyasu Ito
伊藤  裕康
Hidetoshi Muramoto
村本  英俊
Yasushi Higuchi
安史 樋口
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Denso Corp
Original Assignee
Denso Corp
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Denso Corp filed Critical Denso Corp
Priority to JP2002321038A priority Critical patent/JP2004158074A/en
Publication of JP2004158074A publication Critical patent/JP2004158074A/en
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a method for rewriting data in a nonvolatile semiconductor memory, which can raise the number of available rewriting (endurance lifetime) by a new technique. <P>SOLUTION: Injection/emission of electrons to a floating gate electrode from an buried impurities diffused area formed on a surface section of a silicon substrate is performed through a tunnel oxide film. As a shape of a voltage pulse impressed in writing and erasing data, the voltage is raised steeply in the first periods tre1 and trw1 to tunneling starting voltages Vtne and Vtnw at starting time, and in the second periods tre2 and trw2, the voltage is elevated gently to the subsequent final rewriting voltage Vpp. <P>COPYRIGHT: (C)2004,JPO

Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、不揮発性半導体メモリのデータ書換方法に関するものである。
【0002】
【従来の技術】
電気的書換可能なデバイスとしてEEPROMがある。このデバイスは、トンネル膜を介して電子の注入・放出によりデータの「1」,「0」となる状態を作る。詳しくは、BN層(埋込不純物拡散領域)とフローティングゲート間のトンネル膜と呼ばれる約10nm前後の薄い絶縁膜を通して電子をトンネリングさせることによりデータの「1」,「0」となる状態を作る。
【0003】
この電子を注入及び放出させることをそれぞれ消去、書込とEEPROMではいう。この消去、書込可能な回数(エンデュランス寿命)は多いことがメモリ特性上望ましい。
【0004】
しかし、書込・消去時に発生するトンネリングによりトンネル膜はダメージを受け最終的にはトンネル膜破壊に至らしめ、書換不能となる。
トンネル膜は通過した電荷量によりその寿命が決定されていることは公知の事実である。この破壊に至るまでの通過電荷量を破壊電荷量Qbdと呼んでいる。EEPROMにおいては前述のごとくトンネル膜に電子を通過させデータの書換を行うことからそのエンデュランス寿命は破壊電荷量Qbdと対応していることが知られている。
【0005】
図11に示すように、破壊電荷量Qbdはトンネル電流が流れているときの電界強度Eoxが高いほど小さくなることが知られている。なお、本願における図11は、「梅田,電子情報通信学会論文誌vol.j80−C−II No.2,p.65−72,1997」における図8を引用したものである。
【0006】
書換時の電界抑制法として、書込あるいは消去時の最終書換電圧Vppにいたるまでの時間(立上り時間tre,trw)を長くする方法が特許文献1,2により提案されている。そのような方法を用いた書換パルス波形を図12に示す。
【0007】
しかしながら、このパルス波形において最終書換電圧Vppは温度等により変動し、回路精度によっては最終書換電圧Vppが低い場合には最終書換電圧Vppが一定となる時間te,twが必要となる場合がある。このとき、立上り時間tre,trwが長いと定電圧印加時間te,twが短くなり、十分な書込閾値電圧Vtw、消去閾値電圧Vteを得ることができず、読出し時に誤動作が発生するという問題がある。また、常用の使用条件で要求される総書換時間Tew(約10ms)内に、所定の書込用閾値電圧及び消去用閾値電圧を達成しようとすると、立上り時間tre,trwの上限が制限される。
【0008】
【特許文献1】
特開昭61−289497号公報
【特許文献2】
特開昭61−239498号公報
【0009】
【発明が解決しようとする課題】
本発明はこのような背景の下になされたものであり、その目的は、新規な手法により書換可能回数(エンデュランス寿命)を向上させることができる不揮発性半導体メモリのデータ書換方法を提供することにある。
【0010】
【課題を解決するための手段】
請求項1に記載の発明は、データ書込と消去のうちの少なくともいずれかを行う際に印加する電圧パルスの形状として、立上げ時のトンネリング開始電圧までの第1期間は急峻に電圧を上昇させ、その後の最終書換電圧までの第2期間は緩やかに電圧を上昇させるようにしたことを特徴としている。即ち、電気的に書換可能な不揮発性半導体メモリにおいて書換時の電圧波形を制御し、フローティングゲート電極にトンネリングが開始するまでの電圧よりトンネリングが開始してから最終書換電圧に達するまでの電圧のスルーレートを小さくする(電圧の上昇速度を小さくする)。これにより、トンネリング時のトンネル膜に印加される電界強度が低減でき、書換可能回数(エンデュランス寿命)を向上させることができる。
【0011】
請求項2に記載のように、第2期間においては一次関数での一定の傾きにて電圧を上昇させるようにしたり、請求項3に記載のように、第2期間においては時間微分値が徐々に大きくなるように電圧を上昇させるようにしたり、請求項4に記載のように、第2期間内において連続する複数の異なる電圧上昇特性を有し、請求項5に記載のように、第2期間内での複数の電圧上昇特性は、一次関数での傾きが異なるものとしてもよい。
【0012】
【発明の実施の形態】
(第1の実施の形態)
以下、この発明を具体化した第1の実施の形態を図面に従って説明する。
【0013】
本実施形態においてはEEPROMに具体化している。図1には、EEPROMにおけるメモリセル部の縦断面図を示す。メモリセルは、フローティングゲートを有するメモリセルトランジスタと、選択トランジスタで構成されている。
【0014】
半導体基板としてのP型単結晶シリコン基板1の表層部にはN型ソース領域2とN型領域3とN型ドレイン領域4とが離間して形成されている。N型領域3はメモリセルトランジスタ部と選択トランジスタ部にわたり延設され、メモリセルトランジスタ部においてドレイン領域となるとともに選択トランジスタ部においてソース領域となる。
【0015】
一方、メモリセルトランジスタ部において、P型単結晶シリコン基板1の上には、ゲート酸化膜5を介してフローティングゲート電極(浮遊ゲート電極)7が配置されている。このゲート酸化膜5は、ドレイン領域上で局所的に10nm程度に薄くなっており、これにより、トンネル酸化膜(トンネル絶縁膜)6を介してフローティングゲート電極7が配置されていることになる。フローティングゲート電極7の上にはゲート層間絶縁膜としてのシリコン酸化膜8を介してコントロールゲート電極(制御ゲート電極)9が配置されている。
【0016】
また、選択トランジスタ部において、ドレイン領域4とソース領域3の間において基板1の上にはシリコン酸化膜(ゲート酸化膜)10を介して選択ゲート電極11が形成されている。そして、選択トランジスタのドレインがビット線BLに、また、ゲートがワード線WLにつながる。
【0017】
図2には、セルアレイおよびその周辺回路を示す。
図2において、メモリセル100が縦横に多数設けられ、セルアレイを構成している。各セルのワード線WL0,WL1,WL2,…はローデコーダ15と接続されている。また、各セルのビット線BL0,BL1,…はカラムデコーダ16と接続されている。書込回路17はローデコーダ15を介してワード線WL0,WL1,WL2,…に所定の電圧を印加する。書込回路18は切替回路19およびカラムデコーダ16を介してビット線BL0,BL1,…に所定の電圧を印加する。また、書込回路18は切替回路19を介して所望のコントロールゲート電極に所定の電圧を印加する。これら電圧印加により、以下のようにしてデータの書換動作が行われる。
【0018】
データの消去の際には、図1の選択トランジスタでの選択ゲート電極11に高電圧Vpp(具体的には18ボルト)を印加するとともにドレイン領域4をグランド電位にし、また、メモリセルトランジスタでのコントロールゲート電極9に高電圧Vpp(具体的には18ボルト)を印加する。すると、選択トランジスタがオンになり、メモリセルトランジスタでのフローティングゲート〜ドレイン間のトンネル酸化膜6を通して電子がドレインからフローティングゲートに注入される。これにより、メモリセルトランジスタの閾値電圧が高くなる。
【0019】
また、データの書き込みの際には、メモリセルトランジスタでのコントロールゲート電極9をグランド電位にするとともに、選択トランジスタでの選択ゲート電極11とドレイン領域4に高電圧Vpp(具体的には18ボルト)を印加する。すると、選択トランジスタがオンになり、メモリセルトランジスタのドレインに高電圧が印加され、フローティングゲート電極7からドレインに電子が引き抜かれる。これにより、メモリセルトランジスタの閾値電圧が低くなる。
【0020】
このように、半導体基板としてのシリコン基板1の表層部に形成した埋込不純物拡散領域(BN層)3からトンネル酸化膜6を介してフローティングゲート電極7に電子の注入・放出が行われる。広義には、シリコン基板1とフローティングゲート電極7との間に配したトンネル酸化膜6を介してフローティングゲート電極7に対して電子の注入・放出が行われる。
【0021】
読み出しは次のように行われる。メモリセルトランジスタのコントロールゲート電極9を高電圧にするとともに、選択トランジスタのゲート(ワード線)とドレイン(ビット線)を高電圧にする。この時に、ビット線の電流の有無を図2のセンスアンプ20により判定する。そして、ビット線に電流が流れると「1」、流れなければ「0」となる。
【0022】
本実施形態では、図2の書込回路17,18の出力電圧を、図3に示すようなパルス形状にしている。つまり、図3において、データ書込と消去を行う際に印加する電圧パルスの形状として、立上げ時のトンネリング開始電圧Vtne,Vtnw(例えば9.5ボルト)までの第1期間tre1,trw1は急峻に電圧を上昇させ、その後の最終書換電圧Vppまでの第2期間tre2,trw2は緩やかに電圧を上昇させる。より詳しくは、第2期間tre2,trw2においては一次関数での一定の傾きにて電圧を上昇させるようにしている。
【0023】
これは、以下の理由による。
図4に示すように、メモリセルトランジスタでのコントロールゲート電極とドレイン領域との間において2つのコンデンサが直列に接続されるとともに下側のコンデンサにダイオードが並列に接続されていると仮定する。そして、図5に示すように、コントロールゲート電極に対し18ボルトへの立上り時間が100μs、200μs、1msのパルス信号を印加する。このとき、図4の下側のコンデンサ(トンネル酸化膜によるコンデンサ)に加わる電圧V2のシミュレーション結果を図6に示す。
【0024】
この図6から、書換時の電界強度を解析する。トンネル膜の電界強度(図6の縦軸に相当)は、電子がフローティングゲートから引き出される書込時(あるいは電子が注入される消去時)のパルス電圧の立上りの際に高くなり、その後の電圧が一定となる時には電流はほとんど流れない。
【0025】
これは、図7に示すように、書換パルスが立ち上がるときにほとんど電子が移動することを意味し、まさにこのときの電界強度がエンデュランス寿命に影響することを意味している。従って、エンデュランス寿命を向上させるにはいかにこのトンネル電流が流れている時の電界強度を抑制するかがポイントとなる。また、図6に示すように、トンネル膜の電界強度(図6の縦軸に相当)は立上り時間が長いほど、即ちスルーレート(傾き)が小さいほど低くなることが分かる。
【0026】
ところで、一般論として、セルの閾値電圧Vtがシフトするに十分なトンネル電流が流れはじめるのは約8MV/cm以上の電界強度が必要である。従って、この電界強度になるまでは立上り波形を急峻にしてもトンネル電流は流れないため、トンネル膜へのダメージはトンネル電流が流れる場合に比べ圧倒的に少ない。
【0027】
従って、図3に示すように、コントロールゲート電圧Vcgと選択トランジスタドレイン電圧Vseldと選択トランジスタゲート電圧Vselgについての書換時のパルス波形の立上り形状としては、トンネリングが発生する電圧以降の立上り期間(tre2,trw2)においては、トンネリングが発生する電圧以前の立上り期間(tre1,trw1)よりもゆっくり電圧が上昇するように制御する。このようにすることにより、トンネル膜に対するダメージを抑制することができ、これによってエンデュランス寿命を向上させることができる。
【0028】
換言すると、トンネリングが発生する電圧以前の立上り期間(tre1,trw1)を短くすることにより、従来の書換方式と同一のダメージとなる場合には従来方式に比べ短い書換時間とすることができる(総書換時間を短くすることができる)。逆に、総書換時間が一定ならばより緩やかに電圧を上昇させることができる。
【0029】
以上説明したように、データ書込と消去を行う際に印加する電圧パルスの形状として、立上げ時のトンネリング開始電圧Vtne,Vtnwまでの第1期間tre1,trw1は急峻に電圧を上昇させ、その後の最終書換電圧Vppまでの第2期間tre2,trw2は緩やかに電圧を上昇させるようにした。即ち、電気的に書換可能なEEPROMにおいて書換時の電圧波形を制御し、フローティングゲート電極にトンネリングが開始するまでの電圧Vtne,Vtnwよりトンネリングが開始してから最終書換電圧Vppに達するまでの電圧のスルーレートを小さくした(電圧の上昇速度を小さくした)。これにより、トンネリング時のトンネル膜に印加される電界強度が低減でき、書換可能回数(エンデュランス寿命)を向上させることができる。
【0030】
つまり、書込・消去時にトンネル膜を電子が通過する時、極力トンネル膜に印加される電界強度を限られた立上り時間の間で抑制すべく、特にトンネル膜を電子が通過する書換パルスの立上り時の立上り波形を制御することによりエンデュランス寿命を向上させることができる。
【0031】
なお、データ書込と消去を行う際に印加する電圧パルスの形状を規定したが、データ書込または消去を行う際に印加する電圧パルスの形状を上述したように規定してもよい。つまり、広義には、データ書込と消去のうちの少なくともいずれかを行う際に印加する電圧パルスの形状を上述した形状に規定すればよい。
(第2の実施の形態)
次に、第2の実施の形態を、第1の実施の形態との相違点を中心に説明する。
【0032】
図3に代わり、本実施形態では図8に示す書換時の波形としている。
図3においては一次関数での一定の傾きにて電圧を上昇させるようにしたが、図8においては第2期間tre2,trw2において電圧上昇率を当初は小さく以後徐々に大きくしている。つまり、図9に示すように、時間微分値(ΔV/Δt)が徐々に大きくなるように電圧を上昇させるようにしている。このように、トンネル膜の電界強度を制御するコントロールゲート電圧Vcg及び選択トランジスタドレイン電圧Vseldの立上り波形を、トンネリング開始当初にはスルーレー(上昇速度)を小さくし、以後徐々に大きくする。
【0033】
これにより、書換時のトンネル膜に印加される電圧(トンネル膜に加わる電界)は立上り期間の中間付近(図8参照)で高くなるが、この中間付近での電界強度を低減することができる。
【0034】
なお、図8において、書換要否を決定する選択トランジスタゲート電圧Vselgについてはコントロールゲート電圧Vcgや選択トランジスタドレイン電圧Vseldのような波形にしていない。これは、同様にしても構わない。
(第3の実施の形態)
次に、第3の実施の形態を、第1の実施の形態との相違点を中心に説明する。
【0035】
図3に代わり、本実施形態では図10に示す書換時の波形としている。図3においては一次関数での一定の傾きにて電圧を上昇させるようにしたが、図10においては第2期間tre2,trw2内において連続する3つの異なる電圧上昇特性を有する(連続する複数の異なる電圧上昇特性を有する)。詳しくは、第2期間tre2,trw2内での3つの電圧上昇特性(期間ta,tb,tcでの特性)は、一次関数での傾きが異なっている。
【0036】
詳しくは、コントロールゲート電圧Vcg及び選択トランジスタドレイン電圧Vseldの立上り波形として、第2期間tre2,trw2を3つの期間ta,tb,tcに分け、最初の期間taにおいては急峻にし、次の期間tbにおいては緩やかにし、最後の期間tcにおいては急峻にしている。つまり、スルーレート(上昇速度)を最終書換電圧Vppの立上りの途中である期間tbで小さくし、立上り開始期間ta及び終了期間tcでは大きくする。
【0037】
これにより、図3に比べさらに最終書換電圧Vppの立上りの途中でのトンネル膜に加わる電界強度を抑制することができる。また、図10においても第2の実施形態と同様に選択トランジスタゲート電圧Vselgに同様の制御は必ずしも必要とはしない。
【0038】
なお、これまでの各実施形態ではEEPROMの例を示したが、フラッシュメモリに適用してもよい。
【図面の簡単な説明】
【図1】実施の形態におけるEEPROMの縦断面図。
【図2】セルアレイおよび周辺回路の電気的構成を示す図。
【図3】第1の実施の形態におけるパルス波形を示す図。
【図4】基板・コントロールゲート間の等価回路。
【図5】コントロールゲートに印加する波形図。
【図6】トンネル膜印加電圧の時間依存性を示す図。
【図7】電子の移動を説明するための図。
【図8】第2の実施の形態におけるパルス波形を示す図。
【図9】波形を説明するための図。
【図10】第3の実施の形態におけるパルス波形を示す図。
【図11】電界強度と破壊電荷量との関係を示す図。
【図12】従来技術を説明するためのパルス波形を示す図。
【符号の説明】
1…P型単結晶シリコン基板、2…ソース領域、3…N型領域、4…ドレイン領域、5…シリコン酸化膜、6…トンネル酸化膜、7…フローティングゲート電極、8…ゲート層間絶縁膜(シリコン酸化膜)、9…コントロールゲート電極、10…シリコン酸化膜、11…選択ゲート電極。
[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to a data rewriting method for a nonvolatile semiconductor memory.
[0002]
[Prior art]
An EEPROM is an electrically rewritable device. This device creates a state where data becomes "1" and "0" by injection / emission of electrons through a tunnel film. Specifically, a state where data becomes "1" or "0" is created by tunneling electrons through a thin insulating film of about 10 nm called a tunnel film between the BN layer (buried impurity diffusion region) and the floating gate.
[0003]
Injecting and emitting these electrons are referred to as erasing and writing, respectively, in the EEPROM. It is desirable in terms of memory characteristics that the number of times of erasing and writing (endurance life) is large.
[0004]
However, the tunnel film is damaged by the tunneling that occurs at the time of writing / erasing, and eventually causes the tunnel film to be destroyed.
It is a well-known fact that the lifetime of a tunnel film is determined by the amount of electric charge passed through it. The amount of charge passing through to this destruction is called a destructive charge Qbd. It is known that the endurance life of an EEPROM corresponds to the amount of destructive charge Qbd because electrons pass through the tunnel film to rewrite data as described above.
[0005]
As shown in FIG. 11, it is known that the breakdown charge amount Qbd decreases as the electric field strength Eox when a tunnel current flows increases. FIG. 11 in the present application is a reference to FIG. 8 in “Umeda, Transactions of the Institute of Electronics, Information and Communication Engineers vol.j80-C-II No. 2, p. 65-72, 1997”.
[0006]
As a method of suppressing the electric field at the time of rewriting, Patent Documents 1 and 2 propose a method of extending the time (rise time tr, trw) until reaching the final rewriting voltage Vpp at the time of writing or erasing. FIG. 12 shows a rewriting pulse waveform using such a method.
[0007]
However, in this pulse waveform, the final rewrite voltage Vpp fluctuates depending on the temperature or the like, and depending on circuit accuracy, when the final rewrite voltage Vpp is low, times te and tw in which the final rewrite voltage Vpp becomes constant may be required. At this time, if the rise times tr and trw are long, the constant voltage application times te and tw become short, so that sufficient write threshold voltage Vtw and erase threshold voltage Vte cannot be obtained, and a malfunction occurs during reading. is there. In addition, if an attempt is made to achieve a predetermined threshold voltage for writing and a threshold voltage for erasing within the total rewriting time Tew (about 10 ms) required under normal use conditions, the upper limits of the rise times tr and trw are limited. .
[0008]
[Patent Document 1]
JP-A-61-289497 [Patent Document 2]
Japanese Patent Application Laid-Open No. 61-239498
[Problems to be solved by the invention]
The present invention has been made under such a background, and an object of the present invention is to provide a data rewriting method for a nonvolatile semiconductor memory that can improve the number of rewrites (endurance life) by a novel method. is there.
[0010]
[Means for Solving the Problems]
According to the first aspect of the present invention, as a shape of the voltage pulse applied when performing at least one of data writing and erasing, the voltage is sharply increased during the first period up to the tunneling start voltage at the time of startup. The voltage is gradually increased during the second period up to the final rewrite voltage thereafter. That is, in the electrically rewritable nonvolatile semiconductor memory, the voltage waveform at the time of rewriting is controlled, and the voltage from the time when the tunneling starts to the time when the tunneling starts to the floating gate electrode until the final rewriting voltage is reached is controlled. Reduce the rate (reduce the rate of voltage rise). Thereby, the intensity of the electric field applied to the tunnel film at the time of tunneling can be reduced, and the number of rewritable times (endurance life) can be improved.
[0011]
According to the second aspect, the voltage is increased at a constant gradient of a linear function in the second period, or the time differential value is gradually increased in the second period. The voltage may be increased so as to increase, or a plurality of different voltage increasing characteristics which are continuous within the second period as described in claim 4. The plurality of voltage rising characteristics in the period may have different slopes in a linear function.
[0012]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
(First Embodiment)
Hereinafter, a first embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings.
[0013]
In this embodiment, the present invention is embodied in an EEPROM. FIG. 1 is a longitudinal sectional view of a memory cell portion in an EEPROM. The memory cell includes a memory cell transistor having a floating gate and a selection transistor.
[0014]
An N + -type source region 2, an N + -type region 3, and an N + -type drain region 4 are formed in a surface layer portion of a P-type single-crystal silicon substrate 1 as a semiconductor substrate so as to be separated from each other. The N + type region 3 extends over the memory cell transistor portion and the selection transistor portion, and serves as a drain region in the memory cell transistor portion and a source region in the selection transistor portion.
[0015]
On the other hand, in the memory cell transistor portion, a floating gate electrode (floating gate electrode) 7 is arranged on P-type single crystal silicon substrate 1 with a gate oxide film 5 interposed therebetween. The gate oxide film 5 is locally thinned to about 10 nm on the drain region, so that the floating gate electrode 7 is arranged via the tunnel oxide film (tunnel insulating film) 6. On the floating gate electrode 7, a control gate electrode (control gate electrode) 9 is arranged via a silicon oxide film 8 as a gate interlayer insulating film.
[0016]
In the select transistor section, a select gate electrode 11 is formed on the substrate 1 between the drain region 4 and the source region 3 via a silicon oxide film (gate oxide film) 10. Then, the drain of the selection transistor is connected to the bit line BL, and the gate is connected to the word line WL.
[0017]
FIG. 2 shows a cell array and its peripheral circuits.
2, a large number of memory cells 100 are provided vertically and horizontally to form a cell array. The word lines WL0, WL1, WL2,... Of each cell are connected to the row decoder 15. The bit lines BL0, BL1,... Of each cell are connected to the column decoder 16. The write circuit 17 applies a predetermined voltage to the word lines WL0, WL1, WL2,. Write circuit 18 applies a predetermined voltage to bit lines BL0, BL1,... Via switching circuit 19 and column decoder 16. Further, the writing circuit 18 applies a predetermined voltage to a desired control gate electrode via the switching circuit 19. By applying these voltages, a data rewriting operation is performed as follows.
[0018]
When erasing data, a high voltage Vpp (specifically, 18 volts) is applied to the select gate electrode 11 of the select transistor in FIG. 1 and the drain region 4 is set to the ground potential. High voltage Vpp (specifically, 18 volts) is applied to control gate electrode 9. Then, the selection transistor is turned on, and electrons are injected from the drain to the floating gate through the tunnel oxide film 6 between the floating gate and the drain in the memory cell transistor. Thereby, the threshold voltage of the memory cell transistor increases.
[0019]
When writing data, the control gate electrode 9 in the memory cell transistor is set to the ground potential, and the high voltage Vpp (specifically, 18 volts) is applied to the select gate electrode 11 and the drain region 4 in the select transistor. Is applied. Then, the selection transistor is turned on, a high voltage is applied to the drain of the memory cell transistor, and electrons are extracted from the floating gate electrode 7 to the drain. Thus, the threshold voltage of the memory cell transistor decreases.
[0020]
As described above, electrons are injected / emitted from the buried impurity diffusion region (BN layer) 3 formed in the surface layer portion of the silicon substrate 1 as a semiconductor substrate to the floating gate electrode 7 via the tunnel oxide film 6. In a broad sense, electrons are injected / emitted into / from the floating gate electrode 7 via a tunnel oxide film 6 disposed between the silicon substrate 1 and the floating gate electrode 7.
[0021]
Reading is performed as follows. The control gate electrode 9 of the memory cell transistor is set to a high voltage, and the gate (word line) and drain (bit line) of the selection transistor are set to a high voltage. At this time, the presence or absence of the bit line current is determined by the sense amplifier 20 in FIG. When a current flows through the bit line, the bit becomes "1", and when no current flows, it becomes "0".
[0022]
In the present embodiment, the output voltages of the write circuits 17 and 18 in FIG. 2 have a pulse shape as shown in FIG. That is, in FIG. 3, as the shape of the voltage pulse applied when performing data writing and erasing, the first periods trel and trw1 up to the tunneling start voltages Vtne and Vtnw (for example, 9.5 volts) at startup are steep. The voltage is gradually increased during the second period tr2, trw2 until the final rewrite voltage Vpp. More specifically, in the second periods tr2 and trw2, the voltage is increased with a constant gradient of a linear function.
[0023]
This is for the following reason.
As shown in FIG. 4, it is assumed that two capacitors are connected in series between a control gate electrode and a drain region in a memory cell transistor, and that a diode is connected in parallel to a lower capacitor. Then, as shown in FIG. 5, a pulse signal having a rise time to 18 volts of 100 μs, 200 μs, and 1 ms is applied to the control gate electrode. FIG. 6 shows a simulation result of the voltage V2 applied to the lower capacitor (capacitor made of the tunnel oxide film) at this time in FIG.
[0024]
From FIG. 6, the electric field strength at the time of rewriting is analyzed. The electric field strength of the tunnel film (corresponding to the vertical axis in FIG. 6) increases when a pulse voltage rises at the time of writing (or at the time of erasing where electrons are injected) where electrons are extracted from the floating gate. When the current becomes constant, almost no current flows.
[0025]
This means that almost all electrons move when the rewriting pulse rises as shown in FIG. 7, and that the electric field intensity at this time affects the endurance life. Therefore, the key to improving the endurance life is how to suppress the electric field intensity when the tunnel current is flowing. Also, as shown in FIG. 6, it can be seen that the electric field strength (corresponding to the vertical axis in FIG. 6) of the tunnel film becomes lower as the rise time is longer, that is, as the slew rate (slope) is smaller.
[0026]
By the way, as a general theory, an electric field strength of about 8 MV / cm or more is required for a tunnel current sufficient to shift the threshold voltage Vt of the cell to start flowing. Therefore, even if the rising waveform is sharp, the tunnel current does not flow until the electric field strength reaches this level, so that the damage to the tunnel film is much less than that when the tunnel current flows.
[0027]
Therefore, as shown in FIG. 3, the rising shape of the pulse waveform at the time of rewriting the control gate voltage Vcg, the select transistor drain voltage Vseld, and the select transistor gate voltage Vselg is a rising period (tre2, In trw2), control is performed so that the voltage rises more slowly than the rising period (tre1, trw1) before the voltage at which tunneling occurs. By doing so, damage to the tunnel film can be suppressed, and the endurance life can be improved.
[0028]
In other words, by shortening the rising period (tre1, trw1) before the voltage at which tunneling occurs, the rewriting time can be shortened as compared with the conventional method when the same damage occurs as in the conventional rewriting method (total time). Rewriting time can be shortened). Conversely, if the total rewriting time is constant, the voltage can be increased more slowly.
[0029]
As described above, as the shape of the voltage pulse applied at the time of performing data writing and erasing, the first periods trel and trw1 up to the tunneling start voltages Vtne and Vtnw at the time of rising are sharply increased. In the second period tr2, trw2 up to the final rewrite voltage Vpp, the voltage is gradually increased. That is, in the electrically rewritable EEPROM, the voltage waveform at the time of rewriting is controlled, and the voltage from the start of the tunneling to the final rewriting voltage Vpp from the voltages Vtne and Vtnw until the tunneling starts to the floating gate electrode. Reduced slew rate (reduced voltage rise rate). Thereby, the intensity of the electric field applied to the tunnel film at the time of tunneling can be reduced, and the number of rewritable times (endurance life) can be improved.
[0030]
That is, when electrons pass through the tunnel film at the time of writing / erasing, in order to suppress the electric field intensity applied to the tunnel film as much as possible during the limited rise time, particularly, the rising of the rewriting pulse through which the electrons pass through the tunnel film. By controlling the rising waveform at the time, the endurance life can be improved.
[0031]
Although the shape of the voltage pulse applied when performing data writing and erasing is defined, the shape of the voltage pulse applied when performing data writing or erasing may be defined as described above. That is, in a broad sense, the shape of the voltage pulse applied when performing at least one of data writing and erasing may be defined as the shape described above.
(Second embodiment)
Next, a second embodiment will be described focusing on differences from the first embodiment.
[0032]
Instead of FIG. 3, in the present embodiment, the waveform at the time of rewriting shown in FIG. 8 is used.
In FIG. 3, the voltage is increased at a constant gradient of a linear function. However, in FIG. 8, the voltage increase rate is initially small in the second periods tr2 and trw2, and is gradually increased thereafter. That is, as shown in FIG. 9, the voltage is increased so that the time differential value (ΔV / Δt) gradually increases. As described above, the rising waveforms of the control gate voltage Vcg for controlling the electric field strength of the tunnel film and the drain voltage Vsel of the selection transistor are reduced at the beginning of the tunneling, and gradually increased thereafter.
[0033]
As a result, the voltage (electric field applied to the tunnel film) applied to the tunnel film at the time of rewriting increases near the middle of the rising period (see FIG. 8), but the electric field strength near the middle can be reduced.
[0034]
In FIG. 8, the select transistor gate voltage Vselg for determining whether rewriting is necessary is not made to have a waveform such as the control gate voltage Vcg or the select transistor drain voltage Vseld. This may be the same.
(Third embodiment)
Next, a third embodiment will be described focusing on differences from the first embodiment.
[0035]
Instead of FIG. 3, in the present embodiment, the waveform at the time of rewriting shown in FIG. 10 is used. In FIG. 3, the voltage is increased at a constant gradient of a linear function. However, in FIG. 10, the voltage has three different voltage rising characteristics that are continuous in the second periods tr2 and trw2 (a plurality of different voltage rising characteristics are continuous). It has a voltage rise characteristic). More specifically, three voltage rising characteristics (characteristics in the periods ta, tb, and tc) in the second periods tr2 and trw2 have different slopes in a linear function.
[0036]
More specifically, as the rising waveforms of the control gate voltage Vcg and the select transistor drain voltage Vseld, the second periods tr2 and trw2 are divided into three periods ta, tb and tc, the first period ta being sharp and the next period tb being steep. Is made gradual, and sharp during the last period tc. That is, the slew rate (rising speed) is reduced during the period tb during the rising of the final rewrite voltage Vpp, and is increased during the rising start period ta and the ending period tc.
[0037]
Thereby, the electric field intensity applied to the tunnel film during the rise of the final rewrite voltage Vpp can be further suppressed as compared with FIG. Also, in FIG. 10, similar control to the select transistor gate voltage Vselg is not necessarily required as in the second embodiment.
[0038]
In each of the embodiments described above, the example of the EEPROM is shown, but the invention may be applied to a flash memory.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a longitudinal sectional view of an EEPROM according to an embodiment.
FIG. 2 is a diagram showing an electrical configuration of a cell array and peripheral circuits.
FIG. 3 is a diagram showing a pulse waveform according to the first embodiment.
FIG. 4 is an equivalent circuit between a substrate and a control gate.
FIG. 5 is a waveform chart applied to a control gate.
FIG. 6 is a diagram showing the time dependence of the voltage applied to the tunnel film.
FIG. 7 is a diagram illustrating movement of electrons.
FIG. 8 is a diagram showing a pulse waveform according to the second embodiment.
FIG. 9 is a diagram for explaining waveforms.
FIG. 10 is a diagram showing a pulse waveform according to the third embodiment.
FIG. 11 is a diagram showing a relationship between an electric field intensity and a breakdown charge amount.
FIG. 12 is a diagram showing a pulse waveform for explaining a conventional technique.
[Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... P type single crystal silicon substrate, 2 ... Source region, 3 ... N + type region, 4 ... Drain region, 5 ... Silicon oxide film, 6 ... Tunnel oxide film, 7 ... Floating gate electrode, 8 ... Gate interlayer insulating film (Silicon oxide film), 9: control gate electrode, 10: silicon oxide film, 11: select gate electrode.

Claims (5)

半導体基板(1)とフローティングゲート電極(7)との間に配したトンネル絶縁膜(6)を介してフローティングゲート電極(7)に対して電子の注入・放出を行う不揮発性半導体メモリにおいて、
データ書込と消去のうちの少なくともいずれかを行う際に印加する電圧パルスの形状として、立上げ時のトンネリング開始電圧までの第1期間(tre1,trw1)は急峻に電圧を上昇させ、その後の最終書換電圧までの第2期間(tre2,trw2)は緩やかに電圧を上昇させるようにしたことを特徴とする不揮発性半導体メモリのデータ書換方法。
In a nonvolatile semiconductor memory for injecting / emitting electrons to / from a floating gate electrode (7) via a tunnel insulating film (6) disposed between a semiconductor substrate (1) and a floating gate electrode (7),
As a shape of a voltage pulse applied when at least one of data writing and erasing is performed, the voltage is sharply increased in a first period (tre1, trw1) until a tunneling start voltage at the time of startup, and thereafter, the voltage is increased. A data rewriting method for a nonvolatile semiconductor memory, wherein the voltage is gradually increased in a second period (tre2, trw2) until a final rewriting voltage.
前記第2期間(tre2,trw2)においては一次関数での一定の傾きにて電圧を上昇させるようにしたことを特徴とする請求項1に記載の不揮発性半導体メモリのデータ書換方法。2. The data rewriting method according to claim 1, wherein in the second period (tre2, trw2), the voltage is increased at a constant gradient of a linear function. 前記第2期間(tre2,trw2)においては時間微分値が徐々に大きくなるように電圧を上昇させるようにしたことを特徴とする請求項1に記載の不揮発性半導体メモリのデータ書換方法。2. The method according to claim 1, wherein the voltage is increased in the second period (tre2, trw2) so that the time differential value gradually increases. 前記第2期間(tre2,trw2)内において連続する複数の異なる電圧上昇特性を有することを特徴とする請求項1に記載の不揮発性半導体メモリのデータ書換方法。2. The data rewriting method for a nonvolatile semiconductor memory according to claim 1, wherein the method has a plurality of different voltage rising characteristics that are continuous in the second period (tre2, trw2). 前記第2期間(tre2,trw2)内での複数の電圧上昇特性は、一次関数での傾きが異なることを特徴とする請求項4に記載の不揮発性半導体メモリのデータ書換方法。5. The data rewriting method according to claim 4, wherein the plurality of voltage rising characteristics in the second period (tre2, trw2) have different slopes in a linear function.
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