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JP2006173480A - Semiconductor memory device - Google Patents

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JP2006173480A
JP2006173480A JP2004366475A JP2004366475A JP2006173480A JP 2006173480 A JP2006173480 A JP 2006173480A JP 2004366475 A JP2004366475 A JP 2004366475A JP 2004366475 A JP2004366475 A JP 2004366475A JP 2006173480 A JP2006173480 A JP 2006173480A
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Japan
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function body
memory function
memory
semiconductor
gate electrode
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JP2004366475A
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Japanese (ja)
Inventor
Takashi Yokoyama
敬 横山
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Sharp Corp
Original Assignee
Sharp Corp
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Publication date
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Abstract

【課題】
メモリセルの面積を増やすことなく高集積化し、低コストでより大容量の半導体記憶装置を提供する。
【解決手段】
半導体層上に形成された電荷保持機能を有する第1メモリ機能体120と、第1メモリ機能体120上に形成された制御ゲート電極106と、第1メモリ機能体120下に配置されたチャネル領域と、チャネル領域の両側に配置され、チャネル領域と逆導電型を有する拡散領域101、102と、第1メモリ機能体120及び制御ゲート電極106の両側または一方側に配置され、拡散領域101、102と接するように形成された電荷保持機能を有する第2メモリ機能体108、109とを備えてなるメモリ素子を有する。
【選択図】 図3
【Task】
Provided is a high-capacity semiconductor memory device that is highly integrated without increasing the area of a memory cell and is low in cost.
[Solution]
A first memory function body 120 having a charge holding function formed on a semiconductor layer, a control gate electrode 106 formed on the first memory function body 120, and a channel region disposed under the first memory function body 120 The diffusion regions 101 and 102 are disposed on both sides of the channel region and have a conductivity type opposite to that of the channel region. The diffusion regions 101 and 102 are disposed on both sides or one side of the first memory function body 120 and the control gate electrode 106. And a second memory function body 108 and 109 having a charge holding function formed so as to be in contact with each other.
[Selection] Figure 3

Description

本発明は、電荷量の変化を電流量に変換する機能を有する素子からなる半導体記憶装置に関する。   The present invention relates to a semiconductor memory device including an element having a function of converting a change in charge amount into a current amount.

半導体記憶装置の大容量化を可能とする技術には、トランジスタのゲート電極の両側の所謂サイドウォールの領域に、メモリ機能を有するメモリ機能体を形成した半導体記憶装置がある(例えば、特許文献1参照)。この半導体記憶装置は、図1に示すように、半導体基板1、ゲート絶縁膜2、ゲート電極3、サイドウォール状に形成された電荷蓄積層4、チャネル領域6、及び、ドレイン或いはソースとなる高濃度不純物領域7から構成されている。このような構成では、一つのトランジスタの領域にメモリを2つ構成することが可能となる。   As a technology capable of increasing the capacity of a semiconductor memory device, there is a semiconductor memory device in which a memory function body having a memory function is formed in so-called sidewall regions on both sides of a gate electrode of a transistor (for example, Patent Document 1). reference). As shown in FIG. 1, the semiconductor memory device includes a semiconductor substrate 1, a gate insulating film 2, a gate electrode 3, a charge storage layer 4 formed in a sidewall shape, a channel region 6, and a high drain or source. It is composed of a concentration impurity region 7. In such a configuration, two memories can be configured in one transistor region.

国際公開第03/044868号パンフレットInternational Publication No. 03/044868 Pamphlet

しかしながら、特許文献1の半導体記憶装置は、サイドウォールの領域をメモリとして機能体させ高集積化を図るものであるが、メモリ素子の他の領域についてもメモリ機能を持たせることで大容量化が可能であり、近年の技術動向から、低コストでより大容量の半導体装置が望まれている。   However, the semiconductor memory device of Patent Document 1 is intended to achieve high integration by functioning the side wall region as a memory, but it is possible to increase the capacity by providing the memory function in other regions of the memory element. In view of recent technological trends, a low-cost and larger-capacity semiconductor device is desired.

本発明は、上記問題点に鑑みてなされたものであり、その目的は、メモリセルの面積を増やすことなく高集積化し、低コストでより大容量の半導体記憶装置を提供することにある。   The present invention has been made in view of the above problems, and an object of the present invention is to provide a semiconductor memory device that is highly integrated without increasing the area of the memory cell, and that has a lower cost and a larger capacity.

上記目的を達成するための本発明に係る半導体記憶装置は、半導体層上に形成された電荷保持機能を有する第1メモリ機能体と、前記第1メモリ機能体上に形成された制御ゲート電極と、前記第1メモリ機能体下に配置されたチャネル領域と、前記チャネル領域の両側に配置され、前記チャネル領域と逆導電型を有する拡散領域と、前記第1メモリ機能体及び前記制御ゲート電極の両側または一方側に配置され、前記拡散領域と接するように形成された電荷保持機能を有する第2メモリ機能体とを備えてなるメモリ素子を有することを特徴とする。   In order to achieve the above object, a semiconductor memory device according to the present invention includes a first memory function body having a charge holding function formed on a semiconductor layer, and a control gate electrode formed on the first memory function body. A channel region disposed under the first memory function body, a diffusion region disposed on both sides of the channel region and having a conductivity type opposite to that of the channel region, and the first memory function body and the control gate electrode. It has a memory element provided with the 2nd memory functional body which is arrange | positioned on both sides or one side, and was formed so that the said diffusion region may be contact | connected, and which has a charge holding function.

上記特徴の本発明に係る半導体記憶装置は、更に、前記第1メモリ機能体は、前記チャネル領域上に形成された第1絶縁膜と、前記第1絶縁膜上に形成された浮遊ゲート電極と、前記浮遊ゲート電極と前記制御ゲート電極との間に形成された第2絶縁膜と、を備えて構成されることを特徴とする。   In the semiconductor memory device according to the present invention having the above characteristics, the first memory function body further includes a first insulating film formed on the channel region, and a floating gate electrode formed on the first insulating film. And a second insulating film formed between the floating gate electrode and the control gate electrode.

上記何れかの特徴の本発明に係る半導体記憶装置は、更に、前記第2メモリ機能体は、前記第1メモリ機能体及び前記制御ゲート電極の両側に、2つ形成されていることを特徴とする。   The semiconductor memory device according to the present invention having any one of the above features is characterized in that two second memory function bodies are formed on both sides of the first memory function body and the control gate electrode. To do.

更に、上記何れかの特徴の本発明に係る半導体記憶装置は、前記メモリ素子が、前記半導体層に接続される第1端子と、前記拡散領域の一方に接続される第2端子と、前記拡散領域の他方に接続される第3端子と、前記制御ゲート電極に接続される第4端子の4端子のみを、他の回路との接続用として備えることを特徴とする。   Furthermore, in the semiconductor memory device according to the present invention having any one of the above characteristics, the memory element includes a first terminal connected to the semiconductor layer, a second terminal connected to one of the diffusion regions, and the diffusion. Only four terminals of a third terminal connected to the other of the regions and a fourth terminal connected to the control gate electrode are provided for connection to other circuits.

また、上記何れかの特徴の本発明に係る半導体記憶装置は、前記第2メモリ機能体が、前記制御ゲート電極への電圧印加によって、前記メモリ機能体に保持された電荷量に応じて、少なくとも前記第2メモリ機能体下に位置する前記拡散領域の抵抗を変化させ、一方の前記拡散領域から他方の前記拡散領域に流れる電流量を変化させるように構成されていても良いし、前記第2メモリ機能体が、前記第2メモリ機能体に保持された電荷量に応じて、少なくとも前記第2メモリ機能体下に位置する前記拡散領域の一部を空乏化させる、若しくは導電型を反転させるように構成されていても良い。   In the semiconductor memory device according to the present invention having any one of the above characteristics, the second memory function body is at least in accordance with a charge amount held in the memory function body by applying a voltage to the control gate electrode. The resistance of the diffusion region located under the second memory function body may be changed, and the amount of current flowing from one diffusion region to the other diffusion region may be changed, or the second The memory function body depletes at least a part of the diffusion region located under the second memory function body or inverts the conductivity type according to the amount of charge held in the second memory function body. It may be configured as follows.

更に、上記何れかの特徴の本発明に係る半導体記憶装置は、前記第2メモリ機能体が、電荷保持機能を有する電荷保持膜を含み、前記電荷保持膜の少なくとも一部が前記拡散領域の一部と接するように形成されていることを特徴とする。   Furthermore, in the semiconductor memory device according to the present invention having any one of the above characteristics, the second memory function body includes a charge holding film having a charge holding function, and at least a part of the charge holding film is a part of the diffusion region. It is formed so as to be in contact with the portion.

更に、上記何れかの特徴の本発明に係る半導体記憶装置は、前記半導体層が、半導体基板、前記半導体基板内に設けられたウェル領域、または、絶縁体上に配置された半導体層であることを特徴とする。   Furthermore, in the semiconductor memory device according to the present invention having any one of the above characteristics, the semiconductor layer is a semiconductor substrate, a well region provided in the semiconductor substrate, or a semiconductor layer disposed on an insulator. It is characterized by.

更に、上記何れかの特徴の本発明に係る半導体記憶装置は、前記第2メモリ機能体を読み出す際のゲート電圧が、前記第1メモリ機能体の電荷保持量によって規定される閾値電圧よりも高いことを特徴とする。   Furthermore, in the semiconductor memory device according to the present invention having any one of the above characteristics, the gate voltage when reading the second memory function body is higher than a threshold voltage defined by the charge retention amount of the first memory function body. It is characterized by that.

上記特徴により、本発明に係るメモリ素子は、トランジスタのゲートの代わりに、フラッシュメモリ等に用いられるセルを第1メモリ機能体として形成すると共に、このセルの両側、所謂サイドウォールの領域にメモリ機能を有する第2メモリ機能体を形成する。このような構成をとることにより、メモリ素子におけるサイドウォールの領域以外の他の領域についてもメモリとして機能させることができる。これによって、メモリセルの面積を増やすことなく高密度なメモリ素子を提供することが可能となり、この結果、低コストで大容量の半導体記憶装置を提供することができる。   Due to the above features, the memory element according to the present invention forms a cell used for a flash memory or the like as a first memory function body instead of the gate of a transistor, and has a memory function on both sides of the cell, so-called sidewall regions. Forming a second memory function body. By adopting such a configuration, other regions other than the sidewall region in the memory element can function as a memory. Accordingly, it is possible to provide a high-density memory element without increasing the area of the memory cell. As a result, it is possible to provide a low-cost and large-capacity semiconductor memory device.

本発明に係る半導体記憶装置(以下、適宜「本発明装置」と称す)の実施形態を図面に基づいて説明する。   An embodiment of a semiconductor memory device according to the present invention (hereinafter referred to as “the present invention device” as appropriate) will be described with reference to the drawings.

先ず、本発明に係る半導体記憶装置の構成について、図2乃至図4を基に説明する。ここで、図2は、本実施形態のメモリ素子(メモリセル)の概略平面図を示している。図3(a)は、図2のA―A方向における概略断面図を示しており、図3(b)は、図2のB―B方向における概略断面図を夫々示している。図4は、本実施形態のメモリセルにおいて、各電極に接続される端子を示している。   First, the configuration of the semiconductor memory device according to the present invention will be described with reference to FIGS. Here, FIG. 2 is a schematic plan view of the memory element (memory cell) of the present embodiment. 3A is a schematic cross-sectional view in the AA direction of FIG. 2, and FIG. 3B is a schematic cross-sectional view in the BB direction of FIG. FIG. 4 shows terminals connected to the respective electrodes in the memory cell of the present embodiment.

本実施形態のメモリセルは、図2及び図3(a)、(b)に示すように、半導体基板の一例としてのp型シリコン基板100上に形成された電荷保持機能を有する第1メモリ機能体120と、第1メモリ機能体120上に形成された制御ゲート電極106と、第1メモリ機能体120下に配置されたチャネル領域と、チャネル領域の両側に配置され、チャネル領域と逆導電型を有する拡散領域101、102と、第1メモリ機能体120及び制御ゲート電極106の両側または一方側に配置され、拡散領域101、102と接するように形成された電荷保持機能を有する第2メモリ機能体108,109とを備えている。更に、第2メモリ機能体108,109上に、サイドウォール107が形成されている。   As shown in FIG. 2 and FIGS. 3A and 3B, the memory cell of this embodiment has a first memory function having a charge holding function formed on a p-type silicon substrate 100 as an example of a semiconductor substrate. Body 120, control gate electrode 106 formed on first memory function body 120, channel region disposed below first memory function body 120, and disposed on both sides of the channel region, having a conductivity type opposite to that of the channel region And a second memory function having a charge holding function disposed on both sides or one side of the first memory function body 120 and the control gate electrode 106 and formed in contact with the diffusion areas 101 and 102 And bodies 108 and 109. Further, a sidewall 107 is formed on the second memory function bodies 108 and 109.

本実施形態の第1メモリ機能体120は、チャネル領域上に形成された、シリコン酸化膜からなるトンネル絶縁膜103と、トンネル絶縁膜103上に形成された浮遊ゲート電極104と、浮遊ゲート電極104上に形成されたゲート間絶縁膜105とから構成されている。また、本実施形態のゲート間絶縁膜105は、シリコン酸化膜、シリコン窒化膜、シリコン酸化膜からなるONO膜である。本実施形態の拡散領域101、102は、n型シリコン領域であるソース/ドレイン領域である。   The first memory function body 120 of this embodiment includes a tunnel insulating film 103 made of a silicon oxide film formed on a channel region, a floating gate electrode 104 formed on the tunnel insulating film 103, and a floating gate electrode 104. An intergate insulating film 105 formed thereon is formed. In addition, the inter-gate insulating film 105 of this embodiment is an ONO film made of a silicon oxide film, a silicon nitride film, and a silicon oxide film. The diffusion regions 101 and 102 of this embodiment are source / drain regions that are n-type silicon regions.

また、本実施形態のメモリセルは、図4に示すように、ゲート端子203(G)、ソース/ドレイン端子201(SD1)、ソース/ドレイン端子202(SD2)、及び、基板端子204に接続されている。即ち、1つのメモリセルは、4つの端子に接続される構成である。   In addition, the memory cell of this embodiment is connected to the gate terminal 203 (G), the source / drain terminal 201 (SD1), the source / drain terminal 202 (SD2), and the substrate terminal 204 as shown in FIG. ing. That is, one memory cell is connected to four terminals.

このようなメモリセルを少なくとも1つ以上接続し、マトリクス状に配置することで、低コストで大容量の半導体記憶装置を提供することができる。   By connecting at least one or more such memory cells and arranging them in a matrix, a large-capacity semiconductor memory device can be provided at low cost.

次に、本発明に係るメモリセルの各動作(書込み動作、消去動作、読出し動作)について図4及び図11を基に説明する。   Next, each operation (write operation, erase operation, read operation) of the memory cell according to the present invention will be described with reference to FIGS.

(書込み動作)
先ず、第1メモリ機能体120に対する書込み動作(閾値電圧を上げることでデータの書込みを行う場合)について説明する。
(Write operation)
First, a write operation to the first memory function body 120 (when data is written by increasing a threshold voltage) will be described.

非アクティブ時に、メモリセルの各端子に印加される電圧を0V(GNDレベル)とする。次に、書込み動作時には、例えば、ゲート端子203(G)に14〜20Vを印加する。このことにより、トンネル絶縁膜103にFowlar−Nordheim電流(以下、FN電流と称す)が流れ、浮遊ゲート電極104に電子が注入されて、浮遊ゲート電極104の電荷量によって規定される閾値電圧が上昇する。   When inactive, the voltage applied to each terminal of the memory cell is set to 0 V (GND level). Next, at the time of the write operation, for example, 14 to 20 V is applied to the gate terminal 203 (G). As a result, a Fowler-Nordheim current (hereinafter referred to as FN current) flows through the tunnel insulating film 103, electrons are injected into the floating gate electrode 104, and the threshold voltage defined by the charge amount of the floating gate electrode 104 increases. To do.

尚、第1メモリ機能体120に対する書込み手法としては、ホットエレクトロンを用いたものもあり、ホットエレクトロンによる書込み手法を用いても良い。但し、第2メモリ機能体108,109への誤書込みを防ぐように構成する必要がある。   Incidentally, as a writing method for the first memory function body 120, there is a method using hot electrons, and a writing method using hot electrons may be used. However, it is necessary to configure so as to prevent erroneous writing to the second memory function bodies 108 and 109.

次に、第2メモリ機能体108,109に対する書込み動作(読み出し時の電流を低下させることで、データの書き込みを行う場合)について説明する。尚、第2メモリ機能体108,109の書込み動作は、第2メモリ機能体108に接続されたソース/ドレイン端子201(SD1)に印加する電圧と、第2メモリ機能体109に接続されたソース/ドレイン端子202(SD2)に印加する電圧とを入れ替えるだけであるため、ここでは、第2メモリ機能体108に書き込みを行う場合について説明する。   Next, a writing operation to the second memory function bodies 108 and 109 (when data is written by reducing a current during reading) will be described. Note that the write operation of the second memory function bodies 108 and 109 includes the voltage applied to the source / drain terminal 201 (SD1) connected to the second memory function body 108 and the source connected to the second memory function body 109. Since only the voltage applied to the / drain terminal 202 (SD2) is switched, the case where data is written to the second memory function body 108 will be described here.

非アクティブ時に、メモリセルの各端子に印加される電圧を0V(GNDレベル)とする。次に、書込み動作時には、端子SD2及び基板端子の電圧は0Vのまま、例えば、端子Gに5Vを印加し、端子SD1に5Vを印加する。つまり、端子SD1に、読出し動作時に印加する電圧(例えば、1.5V等)に比して非常に大きな電圧を印加することで、第2メモリ機能体108の下部のチャネルでピンチオフ(空乏化)して、ホットエレクトロンを発生させ、第2メモリ機能体108に電子を注入する。尚、第2メモリ機能体109の下部では反転層が拡散領域102から延びて、ホットエレクトロンが発生せず書込みは起こらない。第2メモリ機能体108への書込みにより、第2メモリ機能体108の下部のチャネルの抵抗が増加し、読出し動作時の電流が減少する。このとき、書込み動作時に印加する電圧としては、第1メモリ機能体120の浮遊ゲート電極104に電子が注入されないような電圧に設定する必要がある(書込み動作時のディスターブの抑制)。   When inactive, the voltage applied to each terminal of the memory cell is set to 0 V (GND level). Next, at the time of the write operation, the voltage of the terminal SD2 and the substrate terminal remains 0V, for example, 5V is applied to the terminal G and 5V is applied to the terminal SD1. That is, pinch-off (depletion) occurs in the channel below the second memory function body 108 by applying a very large voltage to the terminal SD1 as compared to a voltage (for example, 1.5 V) applied during the read operation. Then, hot electrons are generated to inject electrons into the second memory function body 108. Note that an inversion layer extends from the diffusion region 102 below the second memory function body 109, so that hot electrons are not generated and writing does not occur. By writing to the second memory function body 108, the resistance of the channel below the second memory function body 108 increases, and the current during the read operation decreases. At this time, it is necessary to set the voltage applied at the time of the write operation to such a voltage that electrons are not injected into the floating gate electrode 104 of the first memory function body 120 (suppression of disturbance at the time of the write operation).

上述のように、メモリセルの各端子の電位を設定することにより、第1メモリ機能体120と第2メモリ機能体108,109に対する書き込みを行うことが可能となる。   As described above, by setting the potential of each terminal of the memory cell, writing to the first memory function body 120 and the second memory function bodies 108 and 109 can be performed.

(消去動作)
続いて、第1メモリ機能体120に対する消去動作(閾値電圧を下げることでデータの消去を行う場合)について説明する。
(Erase operation)
Next, an erasing operation on the first memory function body 120 (when data is erased by lowering the threshold voltage) will be described.

非アクティブ時に、メモリセルの各端子に印加される電圧を0V(GNDレベル)とする。そして、消去動作時に、例えば、端子Gに−5Vを印加し、基板端子に10〜15Vを印加する。端子SD1及び端子SD2はフローティング状態とする。このことにより、トンネル絶縁膜103にFN電流が流れ、浮遊ゲート電極104の電子が半導体基板100に放出されて閾値電圧が上昇する。   When inactive, the voltage applied to each terminal of the memory cell is set to 0 V (GND level). Then, at the time of the erase operation, for example, −5V is applied to the terminal G and 10 to 15V is applied to the substrate terminal. The terminals SD1 and SD2 are in a floating state. As a result, an FN current flows through the tunnel insulating film 103, electrons in the floating gate electrode 104 are emitted to the semiconductor substrate 100, and the threshold voltage rises.

次に、第2メモリ機能体108,109に対する消去動作(読み出し時の電流を増加させることでデータの消去を行う場合)について説明する。   Next, an erasing operation for the second memory function bodies 108 and 109 (when data is erased by increasing a current during reading) will be described.

非アクティブ時に、メモリセルの各端子に印加される電圧を0V(GNDレベル)とする。消去動作時に、例えば、端子Gに−5Vを印加し、端子SD1及び端子SD2に5Vを印加する(基板電圧は0V)。これによって、第2メモリ機能体108,109の下部に位置するPN接合付近でバンド−バンド間現象により、各第2メモリ機能体にホールが注入される。このことにより、第2メモリ機能体108,109の下部のチャネルの抵抗が減少し、読出し動作時の電流が増加する。このとき、消去動作時に印加する電圧としては、第1メモリ機能体120の浮遊ゲート電極104に不具合(ディスターブ)を起こさない電圧であることが必要となる。   When inactive, the voltage applied to each terminal of the memory cell is set to 0 V (GND level). During the erase operation, for example, −5V is applied to the terminal G, and 5V is applied to the terminals SD1 and SD2 (substrate voltage is 0V). As a result, holes are injected into each second memory function body due to the band-to-band phenomenon near the PN junction located below the second memory function bodies 108 and 109. As a result, the resistance of the channel under the second memory function bodies 108 and 109 decreases, and the current during the read operation increases. At this time, the voltage applied during the erasing operation needs to be a voltage that does not cause a problem (disturbance) in the floating gate electrode 104 of the first memory function body 120.

(読出し動作)
引き続き、第1メモリ機能体120に対する読出し動作について説明する。
(Read operation)
Next, a read operation for the first memory function body 120 will be described.

非アクティブ時に、メモリセルの各端子に印加される電圧を0V(GNDレベル)とする。そして、読出し動作時に、例えば、端子Gに2Vを印加し、端子SD1または端子SD2の電圧を1.5Vとする。このとき、第1メモリ機能体120の閾値電圧が3Vであれば第1メモリ機能体120に係るトランジスタはオフする。第1メモリ機能体120の閾値電圧が1Vである場合には、第1メモリ機能体120に係るトランジスタはオンする。しかしながら、第1メモリ機能体120の状態によって電流が変化してしまうため、第2メモリ機能体108または第2メモリ機能体109が書き込み状態の場合でも1〜50μA程度の電流が流れるように端子Gへの印加電圧または、第1メモリ機能体120の閾値電圧を調整する必要がある。また、読出し精度を確保するため、第2メモリ機能体108または第2メモリ機能体109が書き込み状態である場合に、第1メモリ機能体120に係るトランジスタのオン状態の電流量に対し、オフ状態の電流量は、一桁以上低いことが望ましい。   When inactive, the voltage applied to each terminal of the memory cell is set to 0 V (GND level). At the time of the read operation, for example, 2V is applied to the terminal G, and the voltage of the terminal SD1 or the terminal SD2 is set to 1.5V. At this time, if the threshold voltage of the first memory function body 120 is 3 V, the transistor related to the first memory function body 120 is turned off. When the threshold voltage of the first memory function body 120 is 1V, the transistor related to the first memory function body 120 is turned on. However, since the current changes depending on the state of the first memory function body 120, the terminal G is set so that a current of about 1 to 50 μA flows even when the second memory function body 108 or the second memory function body 109 is in the write state. It is necessary to adjust the voltage applied to or the threshold voltage of the first memory function body 120. Further, in order to ensure reading accuracy, when the second memory function body 108 or the second memory function body 109 is in a writing state, the off state current amount of the transistor related to the first memory function body 120 is off. It is desirable that the amount of current is lower by one digit or more.

次に、第2メモリ機能体108,109の読出し動作について説明する。ここで、図11(a)は、メモリセルの構成を等価回路として示している。図11(b)は、メモリ機能体108に対する読出し動作時の等価回路を示している。尚、メモリ機能体108とメモリ機能体109の読出し動作は、端子SD1に印加する電圧と端子SD2に印加する電圧とを入れ替えるだけであるため、ここでは、メモリ機能体108の読み出しを行う場合について説明する。また、本実施形態では、第1メモリ機能体120の電荷保持量によって規定される書込み状態の閾値電圧が3V程度、消去状態の閾値電圧は1V程度の場合を例として説明する。   Next, the reading operation of the second memory function bodies 108 and 109 will be described. Here, FIG. 11A shows the configuration of the memory cell as an equivalent circuit. FIG. 11B shows an equivalent circuit during a read operation for the memory function body 108. Note that since the read operation of the memory function body 108 and the memory function body 109 only replaces the voltage applied to the terminal SD1 and the voltage applied to the terminal SD2, here, the case where the memory function body 108 is read. explain. In the present embodiment, a case where the threshold voltage in the write state defined by the charge retention amount of the first memory function body 120 is about 3V and the threshold voltage in the erase state is about 1V will be described as an example.

非アクティブ時に、メモリセルの各端子に印加される電圧を0V(GNDレベル)とする。次に、読出し動作時に、例えば、端子Gに4Vを印加し、端子SD2に1.5Vを印加する。このとき、第1メモリ機能体120に係るトランジスタは状態に拘わらず必ずオンとなる。更に、第2メモリ機能体109の下部のチャネル領域には、端子SD2に印加した電圧により空乏層が形成される。この結果、図11(b)に示すように、第2メモリ機能体109は実質的に可変抵抗機能を失う。このため、メモリセルを流れる電流は、主に第2メモリ機能体108の状態によって決定されることとなり、第2メモリ機能体108の読出しができる。   When inactive, the voltage applied to each terminal of the memory cell is set to 0 V (GND level). Next, during the read operation, for example, 4V is applied to the terminal G and 1.5V is applied to the terminal SD2. At this time, the transistor related to the first memory function body 120 is always turned on regardless of the state. Further, a depletion layer is formed in the channel region below the second memory function body 109 by the voltage applied to the terminal SD2. As a result, as shown in FIG. 11B, the second memory function body 109 substantially loses the variable resistance function. For this reason, the current flowing through the memory cell is mainly determined by the state of the second memory function body 108, and the second memory function body 108 can be read.

以上の読出し動作では、第1メモリ機能体120、第2メモリ機能体108,109は、お互いの状態に拘わらず読出しを行うことができる。尚、メモリセルの各動作の説明を行う為、具体的な印加電圧値を例示して説明したが、所望の現象が得られれば異なる電圧の組み合わせを用いてもよい。   In the above read operation, the first memory function body 120 and the second memory function bodies 108 and 109 can perform reading regardless of the state of each other. In addition, in order to explain each operation | movement of a memory cell, although demonstrated by demonstrating a specific applied voltage value, you may use the combination of a different voltage, if a desired phenomenon is acquired.

(製造方法)
続いて、本発明装置の製造方法について図5乃至図8を基に説明する。尚、各図(a)は、図2に示したメモリセルのA−A断面図を示しており、各図(b)はB−B断面図を示している。
(Production method)
Next, a method for manufacturing the device of the present invention will be described with reference to FIGS. Each figure (a) shows an AA sectional view of the memory cell shown in FIG. 2, and each figure (b) shows a BB sectional view.

先ず、図5に示すように、半導体基板としてのp型シリコン基板100の表面に、既知のフォトリソフラフィ、エッチング、堆積技術等の組み合わせにより、第1メモリ機能体120と制御ゲート電極106とを形成する。尚、第1メモリ機能体120はメモリセル単位で独立して形成されるが、制御ゲート電極106は、図2のB−B方向に連続的に形成される。   First, as shown in FIG. 5, the first memory function body 120 and the control gate electrode 106 are formed on the surface of a p-type silicon substrate 100 as a semiconductor substrate by a combination of known photolithography, etching, deposition techniques, and the like. Form. Although the first memory function body 120 is formed independently for each memory cell, the control gate electrode 106 is continuously formed in the BB direction of FIG.

続いて、図6に示すように、例えば、シリコン酸化膜121を熱酸化法を用いて1〜20nm程度形成し、次に、シリコン窒化膜131の積層膜を2〜20nm程度堆積する。   Subsequently, as shown in FIG. 6, for example, a silicon oxide film 121 is formed with a thickness of about 1 to 20 nm using a thermal oxidation method, and then a laminated film of a silicon nitride film 131 is deposited with a thickness of about 2 to 20 nm.

次に、図7に示すように、絶縁膜であるシリコン酸化膜122を10〜100nm程度堆積する。この後、図8に示すように、反応性イオンエッチングによりシリコン酸化膜122、シリコン窒化膜131、シリコン酸化膜121を順次エッチングし、シリコン酸化膜122をサイドウォール状に形成する。シリコン酸化膜121とシリコン窒化膜131の積層膜が第2メモリ機能体108及び第2メモリ機能体109となる。   Next, as shown in FIG. 7, a silicon oxide film 122 which is an insulating film is deposited to a thickness of about 10 to 100 nm. After that, as shown in FIG. 8, the silicon oxide film 122, the silicon nitride film 131, and the silicon oxide film 121 are sequentially etched by reactive ion etching to form the silicon oxide film 122 in a sidewall shape. The stacked film of the silicon oxide film 121 and the silicon nitride film 131 becomes the second memory function body 108 and the second memory function body 109.

続いて、図9に示すように、例えばイオン注入法を用いて、制御ゲート電極106及びシリコン酸化膜122等をマスクとしてp型シリコン基板100の表面にn型シリコンの不純物領域141を形成する。このとき同時に、公知のパンチスルー抑制のためのHalo注入層やLDD層を形成してもよい。n型シリコンの不純物領域141の不純物濃度は1016〜1020/cm程度で構成されることが望ましい。 Subsequently, as shown in FIG. 9, an n-type silicon impurity region 141 is formed on the surface of the p-type silicon substrate 100 using the control gate electrode 106, the silicon oxide film 122, and the like as a mask by using, for example, an ion implantation method. At the same time, a known Halo injection layer or LDD layer for suppressing punch-through may be formed. The impurity concentration of the n-type silicon impurity region 141 is preferably about 10 16 to 10 20 / cm 3 .

この後、図10に示すように、公知の層間絶縁膜形成技術、及び層間絶縁膜平坦化技術により、層間絶縁膜150を形成し、公知の配線形成技術等によりコンタクト及びメタル配線151を形成する。   Thereafter, as shown in FIG. 10, an interlayer insulating film 150 is formed by a known interlayer insulating film forming technique and an interlayer insulating film flattening technique, and contacts and metal wirings 151 are formed by a known wiring forming technique or the like. .

以上、詳細に説明したように、本発実施形態の本発明に係る半導体記憶装置では、第1メモリ機能体120と、第1メモリ機能体120の両側に形成した第2メモリ機能体108,109により、一つのメモリセルで3ビットの記憶が可能となり、高集積化が可能となる。   As described above in detail, in the semiconductor memory device according to the present invention of the present embodiment, the first memory function body 120 and the second memory function bodies 108 and 109 formed on both sides of the first memory function body 120. Thus, 3 bits can be stored in one memory cell, and high integration can be achieved.

尚、上記実施形態の第1メモリ機能体120として、トンネル絶縁膜103、浮遊ゲート電極104及びゲート間絶縁膜105を構成したが、第1メモリ機能体120として、シリコン酸化膜及びシリコン窒化膜からなる複合絶縁膜を形成しても良い。   Although the tunnel insulating film 103, the floating gate electrode 104, and the inter-gate insulating film 105 are configured as the first memory function body 120 in the above embodiment, the first memory function body 120 is formed of a silicon oxide film and a silicon nitride film. A composite insulating film may be formed.

また、第2メモリ機能体は、必ずしも第1メモリ機能体120及び制御ゲート電極106の両側に形成されている必要はなく、何れか一方にのみ形成される構成としても良い。更に、半導体層として、p型シリコン基板を用いたが、SOI層としてもよいし、半導体基板内に設けられたウェル領域であっても良い。   Further, the second memory function body does not necessarily have to be formed on both sides of the first memory function body 120 and the control gate electrode 106, and may be formed only on one of them. Furthermore, although the p-type silicon substrate is used as the semiconductor layer, it may be an SOI layer or a well region provided in the semiconductor substrate.

従来技術におけるメモリセルの構成例を示す断面図Sectional drawing which shows the structural example of the memory cell in a prior art 本発明に係る半導体記憶装置のメモリセルの構成例を示すレイアウト図FIG. 6 is a layout diagram showing a configuration example of a memory cell of a semiconductor memory device according to the present invention. 本発明に係る半導体記憶装置のメモリセルの構成例を示す断面図Sectional drawing which shows the structural example of the memory cell of the semiconductor memory device based on this invention 本発明に係る半導体記憶装置のメモリセルの電極を説明する断面図Sectional drawing explaining the electrode of the memory cell of the semiconductor memory device based on this invention 本発明に係る半導体記憶装置の製造方法におけるメモリセルの一製造工程を示す工程断面図Process sectional drawing which shows one manufacturing process of the memory cell in the manufacturing method of the semiconductor memory device based on this invention 本発明に係る半導体記憶装置の製造方法におけるメモリセルの一製造工程を示す工程断面図Process sectional drawing which shows one manufacturing process of the memory cell in the manufacturing method of the semiconductor memory device based on this invention 本発明に係る半導体記憶装置の製造方法におけるメモリセルの一製造工程を示す工程断面図Process sectional drawing which shows one manufacturing process of the memory cell in the manufacturing method of the semiconductor memory device based on this invention 本発明に係る半導体記憶装置の製造方法におけるメモリセルの一製造工程を示す工程断面図Process sectional drawing which shows one manufacturing process of the memory cell in the manufacturing method of the semiconductor memory device based on this invention 本発明に係る半導体記憶装置の製造方法におけるメモリセルの一製造工程を示す工程断面図Process sectional drawing which shows one manufacturing process of the memory cell in the manufacturing method of the semiconductor memory device based on this invention 本発明に係る半導体記憶装置の製造方法におけるメモリセルの一製造工程を示す工程断面図Process sectional drawing which shows one manufacturing process of the memory cell in the manufacturing method of the semiconductor memory device based on this invention 本発明に係る半導体記憶装置におけるメモリセルの構成及び読出し動作時の構成を示す等価回路図1 is an equivalent circuit diagram showing a configuration of a memory cell and a configuration during a read operation in a semiconductor memory device according to the present invention;

符号の説明Explanation of symbols

1 半導体基板
2 ゲート絶縁膜
3 ゲート電極
4 電荷保持膜
6 チャネル領域
7 高濃度不純物拡散領域
8 低濃度不純物拡散領域
100 p型シリコン基板
101、102 拡散領域
103 トンネル絶縁膜
104 浮遊ゲート電極
105 ゲート間絶縁膜
106 制御ゲート電極
107 サイドウォール
108、109 メモリ機能体
120 第1メモリ機能体
121、122 シリコン酸化膜
131 シリコン窒化膜
141 n型不純物領域
150 層間絶縁膜
151 コンタクト、メタル配線
201、202 ソース/ドレイン端子
203 ゲート端子
204 基板端子
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Semiconductor substrate 2 Gate insulating film 3 Gate electrode 4 Charge holding film 6 Channel region 7 High concentration impurity diffusion region 8 Low concentration impurity diffusion region 100 P-type silicon substrate 101, 102 Diffusion region 103 Tunnel insulating film 104 Floating gate electrode 105 Between gates Insulating film 106 Control gate electrode 107 Side wall 108, 109 Memory function body 120 First memory function body 121, 122 Silicon oxide film 131 Silicon nitride film 141 N-type impurity region 150 Interlayer insulating film 151 Contact, metal wiring 201, 202 Source / Drain terminal 203 Gate terminal 204 Substrate terminal

Claims (9)

半導体層上に形成された電荷保持機能を有する第1メモリ機能体と、前記第1メモリ機能体上に形成された制御ゲート電極と、前記第1メモリ機能体下に配置されたチャネル領域と、前記チャネル領域の両側に配置され、前記チャネル領域と逆導電型を有する拡散領域と、前記第1メモリ機能体及び前記制御ゲート電極の両側または一方側に配置され、前記拡散領域と接するように形成された電荷保持機能を有する第2メモリ機能体とを備えてなるメモリ素子を有することを特徴とする半導体記憶装置。   A first memory function body having a charge holding function formed on a semiconductor layer; a control gate electrode formed on the first memory function body; a channel region disposed under the first memory function body; A diffusion region disposed on both sides of the channel region and having a conductivity type opposite to that of the channel region, and disposed on both sides or one side of the first memory function body and the control gate electrode, and formed in contact with the diffusion region A semiconductor memory device comprising a memory element including a second memory function body having a charge holding function. 前記第1メモリ機能体は、前記チャネル領域上に形成された第1絶縁膜と、前記第1絶縁膜上に形成された浮遊ゲート電極と、前記浮遊ゲート電極と前記制御ゲート電極との間に形成された第2絶縁膜と、を備えて構成されることを特徴とする請求項1に記載の半導体記憶装置。   The first memory function body includes a first insulating film formed on the channel region, a floating gate electrode formed on the first insulating film, and between the floating gate electrode and the control gate electrode. The semiconductor memory device according to claim 1, comprising: a second insulating film formed. 前記第2メモリ機能体は、前記第1メモリ機能体及び前記制御ゲート電極の両側に、2つ形成されていることを特徴とする請求項1または2に記載の半導体記憶装置。   The semiconductor memory device according to claim 1, wherein two second memory function bodies are formed on both sides of the first memory function body and the control gate electrode. 前記メモリ素子が、前記半導体層に接続される第1端子と、前記拡散領域の一方に接続される第2端子と、前記拡散領域の他方に接続される第3端子と、前記制御ゲート電極に接続される第4端子の4端子のみを、他の回路との接続用として備えることを特徴とする請求項1乃至3の何れか1項に記載の半導体記憶装置。   The memory element includes a first terminal connected to the semiconductor layer, a second terminal connected to one of the diffusion regions, a third terminal connected to the other of the diffusion regions, and the control gate electrode. 4. The semiconductor memory device according to claim 1, wherein only four of the fourth terminals to be connected are provided for connection to another circuit. 5. 前記第2メモリ機能体が、前記制御ゲート電極への電圧印加によって、前記メモリ機能体に保持された電荷量に応じて、少なくとも前記第2メモリ機能体下に位置する前記拡散領域の抵抗を変化させ、一方の前記拡散領域から他方の前記拡散領域に流れる電流量を変化させるように構成されていることを特徴とする請求項1乃至4の何れか1項に記載の半導体記憶装置。   The second memory function body changes a resistance of at least the diffusion region located under the second memory function body in accordance with a charge amount held in the memory function body by applying a voltage to the control gate electrode. 5. The semiconductor memory device according to claim 1, wherein the semiconductor memory device is configured to change an amount of current flowing from one of the diffusion regions to the other diffusion region. 6. 前記第2メモリ機能体が、前記第2メモリ機能体に保持された電荷量に応じて、少なくとも前記第2メモリ機能体下に位置する前記拡散領域の一部を空乏化させる、若しくは導電型を反転させるように構成されていることを特徴とする請求項1乃至4の何れか1項に記載の半導体記憶装置。   The second memory function body depletes at least a part of the diffusion region located under the second memory function body, or has a conductivity type according to the amount of charge held in the second memory function body. The semiconductor memory device according to claim 1, wherein the semiconductor memory device is configured to be inverted. 前記第2メモリ機能体が、電荷保持機能を有する電荷保持膜を含み、前記電荷保持膜の少なくとも一部が前記拡散領域の一部と接するように形成されていることを特徴とする請求項1乃至6の何れか1項に記載の半導体記憶装置。   2. The second memory function body includes a charge holding film having a charge holding function, and is formed so that at least a part of the charge holding film is in contact with a part of the diffusion region. 7. The semiconductor memory device according to any one of items 1 to 6. 前記半導体層が、半導体基板、前記半導体基板内に設けられたウェル領域、または、絶縁体上に配置された半導体層であることを特徴とする請求項1乃至7の何れか1項に記載の半導体記憶装置。   8. The semiconductor layer according to claim 1, wherein the semiconductor layer is a semiconductor substrate, a well region provided in the semiconductor substrate, or a semiconductor layer disposed on an insulator. Semiconductor memory device. 前記第2メモリ機能体を読み出す際のゲート電圧が、前記第1メモリ機能体の電荷保持量によって規定される閾値電圧よりも高いことを特徴とする請求項1乃至8の何れか1項に記載の半導体記憶装置。   The gate voltage for reading out the second memory function body is higher than a threshold voltage defined by a charge retention amount of the first memory function body, according to any one of claims 1 to 8. Semiconductor memory device.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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