JP2005294498A

Non-volatile semiconductor storage device

Abstract

Problem to be solved.To improve the characteristics of a non-volatile semiconductor storage device.

Solution.An ONO film composed of a silicon nitride film SIN for accumulating electric charges, oxide films BOTOX and TOPOX located above and below the silicon nitride film SIN, a memory gate electrode MG on the upper part thereof, and an ONO film on the side thereof. Positive potential for the source region MS of the memory cell having the selective gate electrode SG, the gate insulating film SGOX located below it, the source region MS and the drain region MD, the negative potential for the memory gate electrode MG, and the selective gate electrode SG. A positive potential is applied, and while electrons are flowing from the drain region MD to the source region MS, the holes generated by BTBT are injected into the silicon nitride film SIN to eliminate them. [Selection diagram] Fig. 31

JP2005294498A, drawing sheet 1
Sheet 1 of 32

Term

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43 claims: 7 independent, 36 dependent

  1. 1
    (a)半導体基板中に形成された第1および第2半導体領域と、 (b)前記第1および第2半導体領域間上の前記半導体基板の上部に形成され、前記第1半導体領域側に位置する第1導電体および前記第2半導体領域側に位置する第2導電体と、 (c)前記第1導電体と前記半導体基板との間に形成された第1絶縁膜と、 (d)前記第2導電体と前記半導体基板との間に形成された第2絶縁膜であって、その内部に電荷蓄積部を有する第2絶縁膜と、を有し、 (e)前記第2半導体領域に正または負の一方である第1極性の電位を印加し、前記第2導電体に前記第1極性とは逆の第2極性の電位を印加し、前記第1導電体に前記第1極性と同じ極性の電位を印加することで、前記第1極性と同じ極性の第1のキャリアを前記電荷蓄積部に注入することにより消去を行うことを特徴とする不揮発性半導体記憶装置。
  2. 2
    前記第1および第2半導体領域がn型の半導体領域の場合は、前記第1極性は正に対応し、前記第2極性は負に対応し、前記第1のキャリアは正孔に対応し、 前記第1および第2半導体領域がp型の半導体領域の場合は、前記第1極性は負に対応し、前記第2極性は正に対応し、前記第1のキャリアは電子に対応することを特徴とする請求項1記載の不揮発性半導体記憶装置。
  3. 3
    前記(e)の前記第1のキャリアの注入は、バンド間トンネル現象により発生した前記第1のキャリアを用いて行うことを特徴とする請求項1記載の不揮発性半導体記憶装置。
  4. 4
    前記(e)の前記第1のキャリアの注入は、前記第1および第2半導体領域間に電流が流れる状態で行われることを特徴とする請求項1記載の不揮発性半導体記憶装置。
  5. 5
    前記(e)の前記第1のキャリアの注入を、前記第1および第2半導体領域間に0.1~10μAの電流を流して行うことを特徴とする請求項4記載の不揮発性半導体記憶装置。
  6. 6
    前記(e)の前記第1のキャリアの注入を、前記第1および第2半導体領域間に流れる電流値が一定となるよう回路的に自動制御して行うことを特徴とする請求項4記載の不揮発性半導体記憶装置。
  7. 7
    前記(e)の前記第1のキャリアの注入を開始した後に、前記第1および第2半導体領域間に電流を流し始めることを特徴とする請求項4記載の不揮発性半導体記憶装置。
  8. 8
    前記(e)の前記第1のキャリアの注入の際に、前記第1および第2半導体領域間に流れる第2のキャリアであって前記第1のキャリアとは逆の極性を有する前記第2のキャリアを前記電荷蓄積部に注入することを特徴とする請求項1記載の不揮発性半導体記憶装置。
  9. 9
    前記第1のキャリアは正孔であり、前記第2のキャリアは電子であることを特徴とする請求項8記載の不揮発性半導体記憶装置。
  10. 10
    前記第2のキャリアの注入位置は、前記第2導電体の端部近傍の前記電荷蓄積部であることを特徴とする請求項8記載の不揮発性半導体記憶装置。
  11. 11
    前記(e)の消去により、前記第2導電体をゲート電極とするMISFETの閾値が低下することを特徴とする請求項1記載の不揮発性半導体記憶装置。
  12. 12
    前記第1および第2半導体領域間に流れ、前記第1のキャリアとは逆の極性を有する第2のキャリアを前記第2絶縁膜の前記第1導電体側の端部近傍に蓄積することにより書込みを行うことを特徴とする請求項1記載の不揮発性半導体記憶装置。
  13. 13
    前記電荷蓄積部は、前記第2絶縁膜中に形成されたトラップ性絶縁膜であることを特徴とする請求項1記載の不揮発性半導体記憶装置。
  14. 14
    前記電荷蓄積部は、前記第2絶縁膜中に形成された窒化膜であることを特徴とする請求項1記載の不揮発性半導体記憶装置。
  15. 15
    前記第2絶縁膜は、第1酸化膜、窒化膜および第2酸化膜の積層膜であることを特徴とする請求項1記載の不揮発性半導体記憶装置。
  16. 16
    前記第1および第2酸化膜は、3nm以上であることを特徴とする請求項15記載の不揮発性半導体記憶装置。
  17. 17
    前記電荷蓄積部は、前記第2絶縁膜中に形成された複数の導電性の微粒子であることを特徴とする請求項1記載の不揮発性半導体記憶装置。
  18. 18
    (f)前記第2導電体の下部の前記半導体基板中には、第3半導体領域が形成され、 (f1)前記第3半導体領域を構成する不純物の導電型は、前記第2半導体領域を構成する不純物の導電型と同じであり、 (f2)前記第3半導体領域の不純物濃度は、前記第2半導体領域の不純物濃度より低いことを特徴とする請求項1記載の不揮発性半導体記憶装置。
  19. 19
    前記電荷蓄積部に電荷が蓄積されていない状態において、前記第2導電体をゲート電極とするMISFETの閾値は、前記第1導電体をゲート電極とするMISFETの閾値より小さいことを特徴とする請求項1記載の不揮発性半導体記憶装置。
  20. 20
    (a)半導体基板中に形成された第1および第2半導体領域と、 (b)前記第1および第2半導体領域間上の前記半導体基板の上部に形成された第1導電体および第2導電体と、 (c)前記第1導電体と前記半導体基板との間に形成された第1絶縁膜と、 (d)前記第2導電体と前記半導体基板との間に形成された第2絶縁膜であって、その内部に電荷蓄積部を有する第2絶縁膜と、を有し、 (e)前記第1および第2半導体領域間に電流が流れる状態で、バンド間トンネル現象により発生したキャリアを前記電荷蓄積部に注入することにより消去を行うことを特徴とする不揮発性半導体記憶装置。
  21. 21
    前記キャリアは正孔であることを特徴とする請求項20記載の不揮発性半導体記憶装置。
  22. 22
    (a)半導体基板中に形成された第1および第2半導体領域と、 (b)前記第1および第2半導体領域間上の前記半導体基板の上部に形成された第1導電体および第2導電体と、 (c)前記第1導電体と前記半導体基板との間に形成された第1絶縁膜と、 (d)前記第2導電体と前記半導体基板との間に形成された第2絶縁膜であって、その内部に電荷蓄積部を有する第2絶縁膜と、を有するメモリセルが、複数アレイ状に配置され、 (e)前記複数のメモリセルのうち、 第1方向に並ぶ前記メモリセルの前記第1導電体を接続する第1線と、 前記第1方向と直交する第2方向に並ぶ前記メモリセルの、前記第1導電体側に位置する前記第1半導体領域を接続する第2線と、を複数有し、 (f)前記複数のメモリセルのうち選択メモリセルに接続される前記第1線に正または負の一方である第1極性の電位を印加した状態で、バンド間トンネル現象により発生した前記第1極性と同じ極性の第1のキャリアを前記選択メモリセルの前記電荷蓄積部に注入することにより消去を行うことを特徴とする不揮発性半導体記憶装置。
  23. 23
    前記第1および第2半導体領域がn型の半導体領域の場合は、前記第1極性は正に対応し、前記第1のキャリアは正孔に対応し、 前記第1および第2半導体領域がp型の半導体領域の場合は、前記第1極性は負に対応し、前記第1のキャリアは電子に対応することを特徴とする請求項22記載の不揮発性半導体記憶装置。
  24. 24
    前記(f)の前記第1のキャリアの注入は、前記選択メモリセルの前記第1および第2半導体領域間に電流が流れる状態で行われることを特徴とする請求項22記載の不揮発性半導体記憶装置。
  25. 25
    前記(f)の前記第1のキャリアの注入の際に、前記選択メモリセルの前記第1および第2半導体領域間に流れる第2のキャリアであって前記第1のキャリアとは逆の極性を有する前記第2のキャリアを前記選択メモリセルの前記電荷蓄積部に注入することを特徴とする請求項22記載の不揮発性半導体記憶装置。
  26. 26
    前記第1のキャリアは正孔であり、前記第2のキャリアは電子であることを特徴とする請求項25記載の不揮発性半導体記憶装置。
  27. 27
    前記第2のキャリアの注入位置は、前記第2導電体の端部近傍の前記電荷蓄積部であることを特徴とする請求項25記載の不揮発性半導体記憶装置。
  28. 28
    前記(e)の複数のメモリセルのうち選択メモリセルに接続される前記第1および第2半導体領域間に流れ、前記第1のキャリアとは逆の極性を有する第2のキャリアを前記第2絶縁膜の前記第1導電体側の端部近傍に蓄積することにより書込みを行うことを特徴とする請求項22記載の不揮発性半導体記憶装置。
  29. 29
    前記(f)の消去は、 (f1)前記複数の第1線のうち前記選択メモリセルに接続される前記第1線には、第1電位V1を印加し、 (f2)前記複数の第1線のうち前記選択メモリセルに接続されない前記第1線には、第2電位V2を印加し、 (f3)前記複数の第2線のうち前記選択メモリセルに接続される前記第2線には、第3電位V3を印加し、 (f4)前記複数の第2線のうち前記選択メモリセルに接続されない前記第2線には、第4電位V4を印加して行われ、 (f5)前記第1~第4電位について、 前記第3電位は、前記第1電位より小さく(V3<V1)、前記第2電位以上(V3≧V2)であり、 前記第4電位は、前記第1電位以上(V4≧V1)で、前記第2電位以上(V4≧V2)であることを特徴とする請求項22記載の不揮発性半導体記憶装置。
  30. 30
    前記不揮発性半導体記憶装置は、さらに、 (g)前記複数のメモリセルのうち前記第1方向に並ぶ前記メモリセルの前記第2半導体領域を接続する第3線を複数有し、 前記複数の第3線は、所定の単位で互いに接続されていることを特徴とする請求項22記載の不揮発性半導体記憶装置。
  31. 31
    前記不揮発性半導体記憶装置は、さらに、 (g)前記複数のメモリセルのうち前記第1方向に並ぶ前記メモリセルの前記第2導電体を接続する第3線を複数有し、 前記複数の第3線は、所定の単位で互いに接続されていることを特徴とする請求項22記載の不揮発性半導体記憶装置。
  32. 32
    (a)半導体基板中に形成された第1および第2半導体領域と、 (b)前記第1および第2半導体領域間上の前記半導体基板の上部に形成された第1導電体および第2導電体と、 (c)前記第1導電体と前記半導体基板との間に形成された第1絶縁膜と、 (d)前記第2導電体と前記半導体基板との間に形成された第2絶縁膜であって、その内部に電荷蓄積部を有する第2絶縁膜と、を有するメモリセルが、複数アレイ状に配置され、 (e)前記複数のメモリセルのうち、 第1方向に並ぶ前記メモリセルの前記第1導電体を接続する第1線と、 前記第1方向と直交する第2方向に並ぶ前記メモリセルの、前記第2導電体側に位置する前記第2半導体領域を接続する第2線と、 前記第1方向に並ぶ前記メモリセルの、前記第1半導体領域を接続する第3線と、を複数有し、 (f)前記複数のメモリセルのうち選択メモリセルに接続される前記第1線に正または負の一方である第1極性の電位を印加した状態で、バンド間トンネル現象により発生した前記第1極性と同じ極性の第1のキャリアを前記選択メモリセルの前記電荷蓄積部に注入することにより消去を行うことを特徴とする不揮発性半導体記憶装置。
  33. 33
    前記第1および第2半導体領域がn型の半導体領域の場合は、前記第1極性は正に対応し、前記第1のキャリアは正孔に対応し、 前記第1および第2半導体領域がp型の半導体領域の場合は、前記第1極性は負に対応し、前記第1のキャリアは電子に対応することを特徴とする請求項32記載の不揮発性半導体記憶装置。
  34. 34
    前記(f)の前記第1のキャリアの注入は、前記選択メモリセルの前記第1および第2半導体領域間に電流が流れる状態で行われることを特徴とする請求項32記載の不揮発性半導体記憶装置。
  35. 35
    前記(f)の前記第1のキャリアの注入の際に、前記選択メモリセルの前記第1および第2半導体領域間に流れる第2のキャリアであって前記第1のキャリアとは逆の極性を有する前記第2のキャリアを前記選択メモリセルの前記電荷蓄積部に注入することを特徴とする請求項32記載の不揮発性半導体記憶装置。
  36. 36
    前記第1のキャリアは正孔であり、前記第2のキャリアは電子であることを特徴とする請求項35記載の不揮発性半導体記憶装置。
  37. 37
    前記第2のキャリアの注入位置は、前記第2導電体の端部近傍の前記電荷蓄積部であることを特徴とする請求項35記載の不揮発性半導体記憶装置。
  38. 38
    前記(e)の前記複数のメモリセルのうち選択メモリセルに接続される前記第1および第2半導体領域間に流れ、前記第1のキャリアとは逆の極性を有する第2のキャリアを前記第2絶縁膜の前記第1導電体側の端部近傍に蓄積することにより書込みを行うことを特徴とする請求項32記載の不揮発性半導体記憶装置。
  39. 39
    前記(f)の消去は、 (f1)前記複数の第1線のうち前記選択メモリセルに接続される前記第1線には、第1電位V1を印加し、 (f2)前記複数の第1線のうち前記選択メモリセルに接続されない前記第1線には、第2電位V2を印加し、 (f3)前記複数の第3線のうち前記選択メモリセルに接続される前記第3線には、第3電位V3を印加し、 (f4)前記複数の第3線のうち前記選択メモリセルに接続されない前記第3線には、第4電位V4を印加して行い、 (f5)前記第1~第4電位について、 前記第3電位は、前記第1電位より小さく(V3<V1)、前記第2電位以上(V3≧V2)であり、 前記第4電位は、前記第1電位以上(V4≧V1)であり、前記第2電位以上(V4≧V2)であることを特徴とする請求項32記載の不揮発性半導体記憶装置。
  40. 40
    前記複数の第3線は、所定の単位で互いに接続されていることを特徴とする請求項32記載の不揮発性半導体記憶装置。
  41. 41
    前記不揮発性半導体記憶装置は、さらに、 (g)前記複数のメモリセルのうち前記第1方向に並ぶ前記メモリセルの前記第2導電体を接続する第4線を複数有し、 前記複数の第4線は、所定の単位で互いに接続されていることを特徴とする請求項32記載の不揮発性半導体記憶装置。
  42. 42
    (a)半導体基板中に形成された第1および第2半導体領域と、 (b)前記第1および第2半導体領域間上の前記半導体基板の上部に形成され、前記第1半導体領域側に位置する第1導電体および前記第2半導体領域側に位置する第2導電体と、 (c)前記第1導電体と前記半導体基板との間に形成された第1絶縁膜と、 (d)前記第2導電体と前記半導体基板との間に形成された第2絶縁膜であって、その内部に電荷蓄積部を有する第2絶縁膜と、を有し、 書込み動作時に、 (e)前記第2導電体に正電位を印加し、前記第2半導体領域に正電位を印加し、前記第1導電体に正電位を印加することで前記電荷蓄積部に電子を注入することと、 (f)前記第2導電体に正電位を印加し、前記第2半導体領域に0Vまたは前記第2導電体に比べ低い正電位を印加し、前記第1導電体に前記第1半導体領域に比べ等しいか低い電位を印加することで、前記電荷蓄積部に電子を注入することとを行うことを特徴とする不揮発性半導体記憶装置。
  43. 43
    (a)半導体基板中に形成された第1および第2半導体領域と、 (b)前記第1および第2半導体領域間上の前記半導体基板の上部に形成され、前記第1半導体領域側に位置する第1導電体および前記第2半導体領域側に位置する第2導電体と、 (c)前記第1導電体と前記半導体基板との間に形成された第1絶縁膜と、 (d)前記第2導電体と前記半導体基板との間に形成された第2絶縁膜であって、その内部に電荷蓄積部を有する第2絶縁膜と、を有し、 消去動作時に、 (e)前記第2導電体に負電位を印加し、前記第2半導体領域に正電位を印加し、前記第1導電体に正電位を印加することで前記電荷蓄積部に正孔を注入することと、 (f)前記第2導電体に正電位を印加し、前記第2半導体領域に0Vまたは前記第2導電体に比べ低い正電位を印加し、前記第1導電体に前記第1半導体領域に比べ等しいか低い電位を印加することで、前記電荷蓄積部に電子を注入することとを行うことを特徴とする不揮発性半導体記憶装置。
Independent claims43