JP3450438B2 - Semiconductor device - Google Patents
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Description
【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、電荷蓄積層と制御ゲー
トが蓄積形成された構造を有する電気的書替え可能なメ
モリセルを用いた不揮発性半導体記憶装置(EEPRO
M)等の半導体装置及びMOS型トランジスタに関す
る。
【0002】
【従来の技術】従来より、半導体装置、例えばEEPR
OMの中で高集積化可能なものとして、図28及び図2
9に示すようなメモリセルを複数個直列接続したNAN
Dセル型のEEPROMが知られている。図28はNA
NDセル型EEPROMの平面図であり、図29
(a),(b)はそれぞれ図28のA−A′,B−B′
断面図である。この装置では、メモリセルはn型半導体
基板1に設けられたP型ウェル上にSiO2 等のトンネ
ル絶縁膜3を介して浮遊ゲート41,42,43,44
と制御ゲート61,62,63,64が積層されたスタ
ックゲート構造を有し、複数個のメモリセルが隣接する
もの同士でソース,ドレイン9を共用する形で直列接続
されたNANDセルを構成している。そして、このよう
なNANDセルがマトリクスス配列されてメモリセルア
レイが構成される。
【0003】セルアレイの列方向に並びNANDセルの
一端側のドレインは、それぞれ選択ゲート45,65を
有するセレクトトランジスタを介してビット線8に接続
され、他端側のソースはやはり選択ゲート46,66を
有するセレクトトランジスタを介して共通ソース線9に
接続されている。メモリセルの制御ゲート41〜44及
び選択ゲート45,46は、メモリセルアレイの行方向
にそれぞれ制御ゲート線(ワード線)、選択ゲート線と
して共通接続される。また、選択ゲート45,65と4
6,66はそれぞれ電気的に接続されたものとなってい
る。
【0004】このNANDセル型EEPROMの動作は
次の通りである。データの書込みは、ビット線から遠い
方のメモリセルから順に行われる。nチャネルの場合を
例に説明すれば、書込みすべきメモリセル(書込みセ
ル)の制御ゲート6に高電位Vpp(例えば20V)が印
加され、これよりビット線側にある書込みすべきでない
(非書込みセル)の制御ゲート6及び選択ゲート45,
65には中間電位VMG(例えば10V)が印加される。
ビット線8には、データに応じて0V(例えばデータ
“1”と定義される)、又は中間電位VMbit(例えばデ
ータの“0”と定義される)が印加される。
【0005】このとき、ビット線8の電位は、ビット線
側のセレクトトランジスタ及び非書込みセルを通して書
込みセルのドレインまで伝達される。なお、書込みを行
わないビット線には中間電位VMbitが印加される。書込
むべきデータがあるとき(“1”データのとき)、書込
みセルのゲート・ドレイン間に高電界がかかり、基板1
のウェル2に形成されるチャネル全面もしくはドレイン
から浮遊ゲートにトンネル絶縁膜3を介して電子がトン
ネル注入される。これによって、書込みセルのしきい値
は正方向に移動する。書込むべきデータがないとき
(“0”データのとき)は、しきい値変化はない。
【0006】データ消去は、n型基板及びこれに形成さ
れたp型ウェルに高電位が印加され、全て或いは一部の
メモリの制御ゲート及び選択ゲートが0Vとされる。こ
れにより、全て或いは一部のメモリセルにおいて浮遊ゲ
ートの電子がトンネル絶縁膜3を介して基板1のウェル
2に放出され、しきい値が負方向に移動する。
【0007】データ読出しは、セレクタトランジスタ及
び読出しすべきメモリセル(読出しセル)よりビット線
側の読出しすべきでないメモリセル(非読出しセル)が
オンとされ、読出しセルのゲートに0Vが与えられる。
このとき、ビット線に流れる電流を読むことにより、デ
ータの“0”,“1”の判別がなされる。
【0008】従来のEEPROMでは上記のようにトン
ネル絶縁膜3に高電界を印加し、エレクトロンをFow
ler−Nordheimトンネル電流として流すこと
で書込み/消去を行なっている。この電界を印加し、ト
ンネル電流を流すことで、トンネル絶縁膜3はキャリア
(エレクトロン,ホール)トラップを生じ、またストレ
スリークを生じさらに、絶縁破壊に至っていた。この劣
化現象により、E2 PROMセルの書込み/消去の回数
が通常105 回程度に制限され、またトンネル酸化膜の
薄膜化も妨げられている。
【0009】この様な問題は、ウェル内にメモリセルが
形成されNAND型EEPROMに限らずメモリセルの
ドレインと浮遊ゲート間で高電界を印加するトンネル電
流を用いるEEPROMあるいはソース,ドレイン間で
の電位差を用いてホットエレクトロン注入により書込み
を行うEEPROMでは局所的にトンネル絶縁膜が用い
られるために特に顕著となる。また、前記のような浮遊
ゲートタイプのEEPROMに限らず酸化膜と窒化膜の
ように異なる種類の積層膜によってキャリアのトラップ
領域を構成する。いわゆるMNOSにおいても問題であ
る。
【0010】
【発明が解決しようとする課題】以上のようにEEPR
OMにおいては、書込み/消去時にトンネル絶縁膜に高
電圧を印加し、それにともない絶縁膜にキャリアトラッ
プを生じ、膜の特性が劣化していた。
【0011】本発明は上記事情を考慮してなされたもの
で、その目的とするところは、書込み/消去に伴うトン
ネル絶縁膜の劣化なしに動作でき、高性能化、高信頼化
を可能にしEEPROMセルを提供することにある。
【0012】
【課題を解決するための手段】本発明のEEPROMメ
モリセルは高電圧を印加してトンネル電流を流す部分の
膜を除去し、真空あるいは気体を充填し、キャリアトラ
ップを生じない。すなわち、書込み/消去により劣化し
ない膜により構成されていることを特徴とする。
【0013】
【作用】本発明によれば書込み/消去時にトンネル電流
により生じていた絶縁膜中のトラップは、真空あるいは
気体にすることで発生せず、劣化しないEEPROMセ
ルが提供できる。
【0014】
【実施例】以下、本発明の実施例を図面を参照して説明
する。図1は、本発明の一実施例に係わるNANDセル
型EEPROMのNANDセルを示すレイアウトであ
り、図2,図3はそれぞれ図1のA−A′及びB−B′
断面図であり、図4はNANDセルアレイの等価回路で
ある。
【0015】この実施例では、4個のメモリセルM1〜
M4と2個のセレクトトランジスタS1,S2を、それ
らのソース,ドレイン拡散層を隣接するもの同士で共用
する形で直列接続してNANDセルが構成されている。
このようなNANDセルがマトリクス配列されてセルア
レイが構成されている。
【0016】直列接続されたメモリセルの一端側のドレ
インは選択ゲートSG1を有するセレクトトランジスタ
S1を介してビット線BL1に接続され、他端側のソー
スは選択ゲートSG2を有するセレクトトランジスタS
2を介して接地線に接続されている。各メモリセルの制
御ゲートCG1〜CG4は、ビット線と交差して連続的
に配設されてワード線となる。この実施例では4個のメ
モリセルでNANDセルを構成しているが、一般に2n
個のメモリセルで一つのNANDセルを構成することが
できる。
【0017】具体的なメモリセル構造を、図2,図3に
より説明する。この実施例ではn型シリコン基板10を
用いて、この基板10にp型ウェル11が形成され、こ
のp型ウェル11にセルアレイが構成されているがp型
シリコン基板n型ウェル、p型ウェルを形成しても構わ
ない。周辺回路は、セルアレイ領域とは別に形成された
p型及びn型ウェルに形成される。
【0018】NANDセルとして、p型ウェル11には
トレンチ素子分離法によって素子分離酸化膜12が形成
され、この素子分離酸化膜12で囲まれた素子領域に真
空部分13を介して浮遊ゲート14(141 〜144 )
が形成され、この上に第2ゲート酸化膜15を介して制
御ゲート16(161 〜164 )が形成されている。真
空部は3〜20nm/の厚さであり、第2ゲート酸化膜
15は10〜40nmの熱酸化膜あるいはシリコン窒化
膜、またはシリコン酸化膜とシリコン窒化膜の積層膜で
ある。また、浮遊ゲート14は50〜400nmの第1
層多結晶シリコンにより形成され、制御ゲート16は1
00〜400nmの第2層多結晶シリコンにより形成さ
れる。各メモリセルのソース,ドレインとなるn型拡散
層17は隣接するもの同士で共用する形で4個のメモリ
セルが直列接続される。ゲート及び拡散層が形成された
基板上は、CVD絶縁膜18で覆われ、この上にビット
線19が配設される。
【0019】二つの選択ゲートSG1,SG2の部分
は、ゲート酸化膜20の膜厚が10〜40nmとメモリ
セル部分の真空部分より厚く形成される。ゲート電極1
45 ,146 は浮遊ゲート14と同じ第1層多結晶シリ
コン膜を用いて形成されている。そして、制御ゲート1
6と同じ第2層多結晶シリコン膜により形成された配線
165 ,166 ,がゲート電極145 ,146 に重ねて
形成され、ゲート電極145 ,146 に接続されてい
る。
【0020】各メモリセルの浮遊ゲート14と制御ゲー
ト16及びセレクトトランジスタの選択ゲート電極14
5 ,146 と配線165 ,166 は、ゲート長方向には
同じエッチングマスクを用いて同時にパターニングされ
ている。そして、ソース,ドレイン拡散層となるn型層
17は、これらのゲート電極及び配線をマスクとして砒
素または燐をイオン注入して形成されている。
【0021】メモリセルの制御ゲート6は、図2に示す
ように浮遊ゲート4の上面のみならず側壁部分も浮遊ゲ
ート14と制御ゲート16の容量に使えるようパターン
形成されている。メモリセルの制御ゲート14と基板1
0間の容量C1及び浮遊ゲート14と制御ゲート16間
の容量C2について具体的な数値例をあげて説明する。
1μmルールに従って浮遊ゲート14及び制御ゲート1
6を幅1μm、チャネル長1μmとする。また浮遊ゲー
ト14の側壁高さは0.5μmとする。真空部分の厚さ
は10nm、第2ゲート酸化膜15は25nmとする。
熱酸化膜の誘電率をεとすると、結合容量C1,C2は
それぞれ、
【0022】
【数1】
となる、すなわち容量結合比CR は
【0023】
【数2】
となる、これを従来のSiO2 トンネル酸化膜と比較す
るとトンネル酸化膜部分容量をC′1 とすると
【0024】
【数3】
となり、真空ゲートにすることでCR は0.444から
0.757へ改善される。すなわち書込みに要する電圧
Vppを下げることができる。
【0025】図4は、二つのビット線BL1,BL2に
つながる隣接する二つのNANDセル部を示しており、
これを用いてEEPROMの動作を説明する。まず、デ
ータ消去はNANDセルを構成するメモリセルについて
消去がなされる。そのためこの実施例では、NANDセ
ル内の消去するメモリセルの制御ゲートCG1〜CG4
が0Vとされ、ソース線、基板10及びp型ウェル11
に昇圧された高電位Vpp(例えば18V)が与えられ
る。ビット線BL1,BL2にも高電位Vppが与えられ
る。
【0026】これにより、メモリセルの制御ゲートとp
型ウェル11間に電界がかかり、浮遊ゲート14からp
型ウェル11にトンネル電流により電子が放出される。
全てのメモリセルはこれによりしきい値が負方向に移動
して“0”状態になる。
【0027】次に、データ書込みは、NANDセル内の
ソース線側のメモリセル、すなわちビット線から遠い方
のメモリセルから順に行われる。いま、メモリセルM4
(図4の破線で囲んだセルA)に選択的に“1”データ
書込みを行なう場合を説明すれば、セレクトトランジス
タS2の選択ゲートSG2が0Vとされ、制御ゲートC
G4に高電位Vpp(例えば16〜18V)が印加され、
残りの制御ゲートCG1〜CG3及び選択ゲートSG1
には電圧VM 印加される。また選択ビット線BL1には
0Vが与えられ、非選択ビット線BL2には電源電位V
ccが与えられる。p型ウェルは0V、n型基板はVccと
する。
【0028】これにより、選択されたセルAにおいて
は、ビット線BL1の0Vがドレインまで伝達されて制
御ゲートとの間に高電界がかかり、浮遊ゲートに電子が
注入される。この結果、セルAではしきい値が正方向に
移動して、“1”書込みがなされる。
【0029】ビット線BL1につながる他のメモリセル
M1〜M3で弱い書込みモードになるが、その電界は小
さく、しきい値変化はない。非選択(または“0”書込
み)のビット線BL2値のメモリセルM5〜M7では、
制御ゲートがVcc、チャネル電位(Vcc−Vth)であ
り、その電位差は1〜3Vであって、やはりしきい値変
化はない。
【0030】このようにしてセルM4に対する書込みが
終了すると、次にNANDセル内の一つ上のメモリセル
M3に対して同様に書込みが行われ、順次メモリセルM
2,M1と書込みがなされる。
【0031】以上の書込み動作において、メモリセルの
制御ゲートには高電位Vppとが印加されるが、流れる電
流はトンネル電流のみであるので、高々1μA以下であ
る。また、一括消去時はn型基板1とP型ウェル2を高
電位Vppに上げるが、この時流れる電流は、トンネル電
流と、0Vに保たれる周辺回路のp型ウェルとn型基板
間のリーク電流であり、これも10μA以下である。従
って、書込み及び消去に用いられる高電位Vpp及びVpp
(これらは同じ値でもよい)は、チップ内部に設けられ
た昇圧回路で充分賄うことができる。
【0032】また、選択書込み時に高電位により流れる
電流は上述のように微小であるから、一つの制御ゲート
線(ワード線)につながる全てのメモリセルに同時にデ
ータ書込みが可能である。即ち、ページモードの書込み
ができ、それだけ高速書込みが可能である。
【0033】データ読出し動作は、図4のセルM4(セ
ルA)について説明すれば、セレクトトランジスタS1
の選択ゲートSG1にVccが与えられ、非選択メモリセ
ルM1〜M3の制御ゲートCG1〜CG3には“1”状
態のメモリセルがオンする程度の電位としてやはりVcc
が与えられ、読出しセルAの制御ゲートCG4は0Vに
される。そして、読出しセルAにつながるビット線BL
1には1〜5Vの読出し電位が与えられ、他の非選択ビ
ット線BL2は0Vとされる。
【0034】これにより、ビット線BL1に電流が流れ
るか否かによって、データ“0”,“1”の判別がなさ
れる。次に本発明のメモリセルの製造工程の一実施例を
図5〜図8の断面図を用いて説明する。この図5〜図8
は図1のA−A′断面方向の断面図を示している。
【0035】n型Si基板上に形成されたp型ウェル1
1上に、例えば10nm厚の熱酸化SiO2 膜21を形
成し、次いでpoly−Si膜14を例えば400nm
堆積し例えばP(リン)をドーピングする。次いでSi
O2 膜22を200nm堆積形成する(図5(a))。
次いでフォトリゾグラフィー技術により選択的にSiO
2 膜22,poly−Si膜14,SiO2 膜21をエ
ッチング除去し、次いでSi基板を例えば500nmを
エッチング除去する(図5(b))。次いで例えばNH
4 F処理によりSiO2 膜を除去する。このときセレク
トトランジスタ以外の上記10nmの熱酸化膜21及び
SiO2 膜22は除去され、図6(a)に示すようにメ
モリセル領域のpoly−Si膜14の下側は中空とな
る。poly−Si膜14は、図1に示したセレクトト
ランジスタのソース部分によりささえられ、橋のように
中空に浮いた形状になる。また、このとき、フォトリソ
グラフィー技術により選択的にSiO2 膜を除去するこ
とも可能である。例えば、図1,4に示したCG1〜4
に接続したトランジスタが形成される部分のみNH4 F
処理により熱酸化膜21を除去できる。次いで例えばC
VD SiO2 膜12を例えば800nm堆積しSi基
板の溝及びpoly−Si14のスペース部分を埋める
(図6(b))。このときpoly−Si14と基板間
にはCVD膜は埋まらず中空(真空)状態13が形成さ
れる。上記CVDSiO2 膜12は常圧CVD膜の2層
膜、あるいは、CVDSiN膜、あるいはSiO2 とS
iNの積層膜でも構わない。図7には変形例としてSi
N膜23を例えば20nm埋積し(図7(a))、その
後TEOSを使用したCVDSiO2 膜を埋積した図を
示している(図7(b))。SiN膜を用いると中空状
態13に対する不純物拡散及び酸化が抑えられ、中空状
態が制御よく保たれる。
【0036】次いで、CVD膜12をエッチバッグし、
poly−Si14の中央あたりでエッチングをとめ
る。次いでpoly−poly間絶縁膜となる例えばO
NO膜24を形成する(図8(a))。次いで2層目の
poly−Si16をパターニングし、コントロールゲ
ートとする。次いでONO膜24,poly−Si14
をpoly−Si16と同じマスクでパターニングす
る。次いで層間絶縁膜18、ビット線コンタクト及びビ
ット線19を形成し、メモリセルが完成する(図8
(b))。
【0037】図9に同様な工程で形成したMOSトラン
ジスタの断面図を示す。この図では前に示したEEPR
OMメモリセル製造工程のpoly−poly間ONO
膜24を形成せず、直接2層目のpoly−Si膜16
aを1層目のpoly−Si膜14aに接触形成し、こ
れらの積層膜からなるゲート電極としている。このMO
Sトランジスタは、図1のNAND型EEPROMのセ
レクトトランジスタS1,S2のゲート等を形成するの
にも適用することは可能である。
【0038】また図10には素子分離がLOCOSの場
合の実施例を示している。次に図11にゲートと基板部
分の拡大断面図を示している。図10(a)は前述した
実施例と同様にゲート電極14と基板11の間が全て真
空あるいは気体になっている状態を示しており、また、
図10(b)に示すようにゲート電極と基板間はすべて
真空である必要はない。すなわち、対向するゲート側、
基板側表面にSiO2 膜が形成され、その間が真空であ
ってもよい。また、ゲート側、基板側のどちらかにのみ
SiO2 膜が形成されていてもよい。また、上記熱酸化
膜21をエッチング除去後中空になった内部を真空に
し、CVD膜を堆積形成し内部を真空、例えば10-6気
圧程度にできる。また、逆に圧力をかけて中空部分にガ
スを例えば10気圧充填して形成することもできる。さ
らに内部に充填されるガスは常温で気体となる物質なら
なんでもよい。例えばHe ,Ne ,Ar ,Kr の不活性
ガスであれば安定したデバイス動作となる。また、Si
O2 及びSi 上で比較安定なH2 ,F2 ,Cl2 ,B
r ,O2 ,N2 ,CO2 ,NH3 ,NF3 ,Si F4 あ
るいはN,O,Si ,C,F,H,Clの化合物、ある
いはこれらの混合物であればよい。
【0039】また、図11(a),(b)に示した中空
とSi 、中空とSi O2 の界面においてトラップ及び界
面準位を形成しないように安定にすることが大切であ
る。例えば、界面にH,F,−OH基,=O,N,C,
Al,B,P,As ,Ge 等で原子結合を終端し、安定
にできる。また界面安定させる方法はこれに限らず、他
の方法でもよい。
【0040】図12に本発明の一実施例である真空絶縁
(真空ゲート)の電圧−電流特性の一例を従来のSiO
2 膜と比較して示す。SiO2 膜ではFowler−N
ordheimストレス後にリーク電流が発生するが、
真空ゲートの場合は発生しない。真空ゲートの場合はキ
ャリアトラップが発生しないためである。これにより不
揮発性メモリセルではデータ保持特性が著しく向上す
る。さらにRead disturbの劣化等のストレ
スリークによる劣化は減少することができる。また、エ
レクトロントラップも発生せず、書込み/消去をくりか
えした後のwindow narrowingが発生し
ない。また絶縁破壊も生じない。
【0041】図13及び図14にさらに他の実施例を示
す。図13(b)はその平面図であり、図13(a)は
図13(b)のC−C′断面図である。
【0042】図13ではソース側(あるいはドレイン
側)のゲート絶縁膜の一部が真空ゲートになっている。
これにより真空部分13bでのトラップが発生せずホッ
トエレクトロン(Hot electron)注入によ
る劣化が緩和される。また、ソース/ドレイン両側を真
空ゲートにすることも可能である。また図14(a),
(b)はゲート酸化膜の素子分離に近接した部分の酸化
膜のみエッチング除去し、気体あるいは真空13cとし
ている。これにより素子分離エッジ部分での寄生トラン
ジスタの効果及び信頼性の低下は防止することができ
る。
【0043】図15に本発明のさらに他の実施例を示
す。図15(a)では拡散層9と電荷蓄積層14a間の
一部が他のゲート絶縁膜部分より薄く形成され、少なく
ともその薄い部分で真空あるいは気体13dとなってい
る。
【0044】また図15(b)では図15(a)で示し
た薄い部分13eに電界が集中するようにとがった形状
の電荷蓄積層14bになっている。また図15(c)で
は上記薄い部分13fが拡散層9上ではなくチャネル上
にある。
【0045】さらに図16では、真空または気体が充填
された領域13g側の電荷蓄積層14d表面に凹凸があ
る場合を示している。この場合凸部に書き込み消去時の
電界が集中し、低電圧で書き込み/消去が可能になる。
また図16では電荷蓄積層14dのみ凹凸がある場合を
示したが、基板側11にのみ凹凸がある場合、電荷蓄積
層14dと基板11両方にある場合も可能である。
【0046】さらに凹凸が両方にある場合は、真空ある
いは気体13gを介して対面する部分にあってもよい
し、電荷蓄積層14d側、基板11側が別々の場所に位
置してもよい。
【0047】また、図17に電荷蓄積層(この場合はp
oly −Si14)と制御ゲートpoly−Si16
の間のpoly−poly間13hが真空あるいは気体
の場合の実施例を示す。この場合、電荷蓄積層14への
電荷の注入、放出はpoly−poly間真空部分13
hを介して行うことも可能である。もちろん、基板11
と電荷蓄積層14間で行うことも可能である。
【0048】さらにまた、図18には電荷蓄積層(Fl
oating Gate)制御ゲート(Control
Gate)の他に消去ゲート(Erase Gat
e)を有する場合の実施例を示す。この場合、少なくと
も電荷蓄積層と消去ゲート間の一部、特に消去時、電界
集中する部分の絶縁膜が真空または気体となっている。
これにより、書き換えによる絶縁膜劣化はなくなる。
【0049】次に、本発明の他の実施例として図17に
示した電荷蓄積層14と制御ゲート16の間が真空ある
いは気体13hの場合の動作の一例について説明する。
図19に前記実施例のメモリセルの等価回路を示す。図
20にメモリセル単独での動作電圧について示す。まず
データ消去はコントロールゲート(CG)を0Vとし、
基板(well)に高電圧Vpp′を印加しコントロール
ゲート(CG)から電荷蓄積層(FG)にエレクトロン
を注入する。これにより図22(a)に示すようにメモ
リセルのしきい値は高くなる。
【0050】次に書き込みはコントロールゲート(C
G)にVppを印加しD/Sを0Vとする。電荷蓄積層中
のエレクトロンは制御ゲートに放出され、図22(a)
に示すようにメモリセルのVthは下がる。メモリセルを
書き込みたくないときはD/SにVM (=10V)を印
加する。
【0051】読み出しはコントロールゲートを0または
3V程度とし、ドレインに例えば1Vを印加し読み出
す。図22に示すように書き込みと消去のメモリセルの
しきい値の選び方により読み出し時制御ゲートに印加す
る電圧は異なる。すなわち、前記図22(a)では0
V、図22(b)では3Vである。
【0052】図21に他の動作方法を示している図20
に比べてEraseの方法が異なっている。この場合
は、制御ゲート(CG)に−Vpp′を印加し、D/S、
wellを0Vとし電荷蓄積層(FG)に電子を注入す
る。
【0053】次に、図23,24を用いてNANDセル
を構成する場合のメモリセルの動作について説明する。
まず、データ消去(Erase)はNANDセルを構成
するメモリセルについて消去がなされる。そのためこの
実施例では、NANDセル内の消去するメモリセルの制
御ゲートCG11〜CG14及びCG21〜CG24が
0Vとされ、ソース線、基板及びp型ウエルに昇圧され
た高電位Vpp(例えば18V)が与えられる。ビット線
BL1,BL2にも高電位Vppが与えられる。尚、ソー
ス線、ビット線BL1,BL2はFloatingでも
よい。
【0054】これにより、メモリセルの制御ゲートとp
型ウエル間に電界がかかり、制御ゲートから浮遊ゲート
にトンネル電流により電子注入される。全てのメモリセ
ルはこれによりしいき値が正方向に移動して“0”状態
になる。
【0055】図24のErase(選択1)では消去し
ないセルの制御ゲートに例えばVppを与え消去を防ぐ。
次に、データ書き込みは、NANDセル内のソース線側
のメモリセル、すなわちビット線から遠い方のメモリセ
ルから順に行われる。いま、CG14につながったセル
に選択的に“1”データ書き込みを行う場合を説明すれ
ば、セレクトトランジスタS2の選択ゲートSGS1が
0Vとされ、制御ゲートCG14に高電圧Vpp(例えば
16〜18V)が印加され、残りの制御ゲートCG11
〜CG13及び選択ゲートSGD1には電圧VM が印加
される。また選択ビット線BL1には0Vが与えられ、
非選択ビット線BL2には電源電位Vccが与えられる。
p型ウエルは0V、n型基板はVccとする。
【0056】これにより、選択されたセルにおいては、
ビット線BL1の0Vがドレインまで伝達されて制御ゲ
ート(CG)との間に高電界がかかり、浮遊ゲート(F
G)から電子が制御ゲートに放出される。この結果、選
択されたセルではしきい値が負方向に移動して、“1”
書き込みがなされる。
【0057】ビット線BL1につながる他のメモリセル
では、弱い書き込みモードになるが、その電界は小さ
く、しきい値変化はない。非選択(または“0”書き込
み)のビット線BL2側のメモリセルでは、制御ゲート
がVppあるいはVM 、チャネル電位が(Vcc−Vth)で
あり、その電位差は小さく、やはりしきい値変化はな
い。 このようにして選択セルに対する書き込みが終了
すると、前述した第1の実施例のM4,M3,M2,M
1へと書き込みが行われたのと同様に次にNANDセル
内の一つ上のメモリセルから順次次のメモリセルへと書
き込みがなされる。
【0058】以上の書き込み動作において、メモリセル
の制御ゲートには高電位Vppとが印加されるが、流れる
電流はトンネル電流のみであるので、高々1μA以下で
ある。また、一括消去時はn型基板1とp型ウエル2を
高電位Vppに上げるが、この時流れる電流は、トンネル
電流と、0Vに保たれる周辺回路のp型ウエルとn型基
板間のリーク電流であり、これも10μA以下である。
従って、書き込み及び消去に用いられる高電位Vpp(こ
れらは同じ値でもよい)は、チップ内部に設けられた昇
圧回路で充分賄うことができる。
【0059】また、選択書き込み時に高電位により流れ
る電流は上述のように微小であるから、一つの制御ゲー
ト線(ワード線)につながる全てのメモリセルに同時に
データ書き込みが可能である。すなわち、ページモード
の書き込みができ、それだけ高速書き込みが可能であ
る。
【0060】データ読み出し動作は、例えばCG12に
接続されたメモリセルを読み出す場合セレクトトランジ
スタS1の選択ゲートSG1にVccが与えられ、非選択
メモリセルM1,M3,M4の制御ゲートCG11,C
G13,CG14には“1”状態のメモリセルがオンす
る程度の電位としてやはりVccが与えられ、読み出しセ
ルAの制御ゲートCG12は0Vにされる。そして、読
み出しセルAにつながるビット線BL1には1〜5Vの
続出し電位が与えられ、他の非選択ビット線BL2は0
Vとされる。またビット線BL2を1〜5Vの読出し電
位を与え、BL1の読み出しと同時に読み出すこともで
きる。
【0061】これにより、ビット線BL1に電流が流れ
るか否かによって、データ“0”,“1”の判別がなさ
れる。次に図25,26,27を用いてチャネルホット
エレクトロンで電荷蓄積層にエレクトロンを注入して書
き込み、電荷蓄積層から制御ゲートへエレクトロンを抜
いて消去する動作について説明する。
【0062】図25に動作の電圧関係を示す。Eras
eは制御ゲート(CG)にVpp″を印加し、ソースドレ
イン(D/S)及びwellを0Vとし、電荷蓄積層か
ら制御ゲートへエレクトロンを放出する。これによりメ
モリセルのしきい値は低下し“0”状態になる。このと
きD/S、wellに負の電圧VE を印加してもよい。
【0063】書き込みは制御ゲートにVpp、Drain
にVpp′を印加しチャネルオットエレクトロンで基板か
ら電荷蓄積層へエレクトロンを注入する。これによりメ
モリセルのVthは上昇して“1”状態になる。
【0064】読み出しは通常の方法を用いる。書き込み
/消去後のVthは図22(b)に示したようにW/E共
にVthは正になる。次に図26にNOR型のアレイの等
価回路図、図27に動作の電圧関係を示す。
【0065】この動作では、WL(CG)にのみ高電圧
を印加すればよくなり、ソースに高電圧を印加して消去
するメモリセルに比べ、消去電流が少なく、高速のEr
aseが可能になる。また、周辺回路の構成も簡略化さ
れる。
【0066】また、本発明は、以上述べた実施例に限定
されるものではなく、広く半導体デバイスに適用可能で
ある。例えば本実施例では電荷蓄積層をpoly−Si
の場合について書いたがSiN/SiO2 界面トラッ
プ、または金属電極を用いても構わない。
【0067】
【発明の効果】以上述べたように本発明によれば、真空
あるいは気体ゲートを用いることで劣化の起こらないゲ
ート絶縁デバイスの形成が可能になる。DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a charge storage layer and a control gate.
Electrically rewritable memory having a structure in which
Nonvolatile semiconductor memory device using memory cells (EEPRO
M) and other semiconductor devices and MOS transistors
You.
[0002]
2. Description of the Related Art Conventionally, semiconductor devices such as EEPR
FIGS. 28 and 2 show that the OM can be highly integrated.
NAN in which a plurality of memory cells as shown in FIG. 9 are connected in series
D-cell type EEPROMs are known. FIG.
29 is a plan view of the ND cell type EEPROM, and FIG.
(A) and (b) are AA 'and BB' in FIG. 28, respectively.
It is sectional drawing. In this device, the memory cell is an n-type semiconductor
SiO 2 is formed on a P-type well provided on the substrate 1.Two Etc. Tunnel
Floating gates 41, 42, 43, 44 via
And a control gate in which control gates 61, 62, 63 and 64 are stacked.
Has a gate structure, and a plurality of memory cells are adjacent
Connected in series by sharing source and drain 9
Of the NAND cell. And like this
Memory cells are arranged in a matrix
Rays are configured.
[0003] A NAND cell array is arranged in the column direction of a cell array.
The drains on one end are connected to select gates 45 and 65, respectively.
Connected to bit line 8 via select transistor
The source at the other end also has select gates 46 and 66
To the common source line 9 via the select transistor
It is connected. Control gates 41-44 of memory cells and
And select gates 45 and 46 are connected in the row direction of the memory cell array.
Control gate line (word line), select gate line and
Connected in common. Also, select gates 45, 65 and 4
6, 66 are respectively electrically connected.
You.
The operation of this NAND cell type EEPROM is as follows.
It is as follows. Writing data is far from the bit line
It is performed in order from the memory cell of one side. In case of n channels
For example, a memory cell to be written (write cell)
High potential Vpp (for example, 20 V) is marked on the control gate 6 of FIG.
Should not be written further on the bit line side
(Non-written cell) control gate 6 and select gate 45,
65 has an intermediate potential VMG(For example, 10 V) is applied.
0 V (for example, data
"1") or the intermediate potential VMbit(Eg de
(Defined as data "0").
At this time, the potential of the bit line 8 is
Through the select transistor on the side and the unwritten cell.
To the drain of the embedded cell. Write
Intermediate potential VMbitIs applied. write
Write when there is data to be used (when data is "1")
A high electric field is applied between the gate and drain of the
Whole channel or drain formed in well 2 of
To the floating gate through the tunnel insulating film 3
Flannel injection. As a result, the threshold value of the write cell
Moves forward. When there is no data to write
(At the time of “0” data), there is no threshold change.
[0006] Data erasure is performed on an n-type substrate and the substrate.
High potential is applied to the p-type wells
The control gate and select gate of the memory are set to 0V. This
As a result, floating gates in all or some memory cells
The electrons of the heat are transferred to the well of the substrate 1 through the tunnel insulating film 3.
2 and the threshold moves in the negative direction.
[0007] Data reading is performed by a selector transistor and
From the memory cell to be read (read cell)
Memory cells that should not be read (non-read cells)
It is turned on, and 0 V is applied to the gate of the read cell.
At this time, by reading the current flowing through the bit line,
Data "0" and "1" are determined.
[0008] In the conventional EEPROM, as described above,
A high electric field is applied to the tunnel insulating film 3 to make electrons Fow.
flowing as ler-Nordheim tunnel current
Is writing / erasing. Apply this electric field and
When a tunnel current flows, the tunnel insulating film 3 becomes a carrier.
(Electron, hole) trap
Slaking occurred, and furthermore, dielectric breakdown occurred. This poor
Phenomena, ETwo Number of programming / erasing of PROM cell
Is usually 10Five Times and the tunnel oxide film
Thinning is also hindered.
Such a problem is caused by the fact that a memory cell
Not only the NAND type EEPROM but also the memory cell
Tunneling voltage that applies a high electric field between the drain and the floating gate
EEPROM using current or between source and drain
By hot electron injection using potential difference of
In the EEPROM which performs the operation, the tunnel insulating film is used locally.
This is particularly noticeable because In addition, floating
Not only for gate type EEPROM, but also for oxide film and nitride film
Carrier trapping by different types of laminated films
Configure the area. It is also a problem in so-called MNOS
You.
[0010]
SUMMARY OF THE INVENTION As described above, the EEPR
In OM, a high level is applied to the tunnel insulating film during writing / erasing.
A voltage is applied and the carrier traps
And the characteristics of the film deteriorated.
The present invention has been made in view of the above circumstances.
The purpose is ton / write
High performance and high reliability can be operated without deterioration of the tunnel insulating film
To provide an EEPROM cell.
[0012]
An EEPROM memory according to the present invention is provided.
The molycell is a part where a high voltage is applied and a tunnel current flows.
Remove the film, fill with vacuum or gas, and
No topping occurs. That is, it is deteriorated by writing / erasing.
It is characterized by being constituted by a non-film.
[0013]
According to the present invention, the tunnel current at the time of writing / erasing is
Traps in the insulating film caused by vacuum or vacuum
An EEPROM cell that does not degrade and does not generate gas
Can provide.
[0014]
Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings.
I do. FIG. 1 shows a NAND cell according to an embodiment of the present invention.
Is a layout showing NAND cells of a type EEPROM.
2 and 3 are AA 'and BB' of FIG. 1, respectively.
FIG. 4 is a sectional view, and FIG. 4 is an equivalent circuit of a NAND cell array.
is there.
In this embodiment, four memory cells M1 to M1
M4 and two select transistors S1 and S2
These source and drain diffusion layers are shared between adjacent ones
In this way, the NAND cells are connected in series to form a NAND cell.
Such NAND cells are arranged in a matrix and
Ray is configured.
The drain at one end of the memory cells connected in series
IN is a select transistor having a select gate SG1
S1 is connected to the bit line BL1 via the
Is a select transistor S having a select gate SG2.
2 is connected to the ground line. Control of each memory cell
The control gates CG1 to CG4 are continuously connected to the bit lines.
And become a word line. In this embodiment, four menus are used.
A memory cell constitutes a NAND cell.n
One NAND cell can be composed of memory cells
it can.
FIGS. 2 and 3 show a specific memory cell structure.
A more detailed description will be given. In this embodiment, the n-type silicon substrate 10 is
The substrate 10 is used to form a p-type well 11,
Cell array is formed in the p-type well 11 of FIG.
A silicon substrate n-type well and p-type well may be formed.
Absent. Peripheral circuits are formed separately from the cell array area
Formed in p-type and n-type wells.
As a NAND cell, a p-type well 11
Element isolation oxide film 12 is formed by trench element isolation method
The element region surrounded by the element isolation oxide film 12
The floating gate 14 (141 ~ 14Four )
Is formed thereon, and is controlled via a second gate oxide film 15.
Your gate 16 (161 ~ 16Four ) Is formed. true
The space is 3 to 20 nm / thick, and the second gate oxide film
15 is a thermal oxide film or silicon nitride of 10 to 40 nm
Film or a stacked film of silicon oxide film and silicon nitride film
is there. In addition, the floating gate 14 has a first width of 50 to 400 nm.
The control gate 16 is formed of polycrystalline silicon
Formed by a second layer polycrystalline silicon having a thickness of 100 to 400 nm.
It is. N-type diffusion to be the source and drain of each memory cell
Layer 17 has four memories shared by adjacent ones
Cells are connected in series. Gate and diffusion layer formed
The substrate is covered with a CVD insulating film 18 and a bit
A line 19 is provided.
Part of two select gates SG1 and SG2
Means that the thickness of the gate oxide film 20 is 10 to 40 nm,
It is formed thicker than the vacuum part of the cell part. Gate electrode 1
4Five , 146 Is the same first-layer polycrystalline silicon as the floating gate 14.
It is formed using a capacitor film. And control gate 1
6. Wiring formed of the same second-layer polycrystalline silicon film as in 6.
16Five , 166 , Are gate electrodes 14Five , 146 On top of
Formed and the gate electrode 14Five , 146 Connected to
You.
The floating gate 14 of each memory cell and the control gate
16 and the select gate electrode 14 of the select transistor
Five , 146 And wiring 16Five , 166 Is in the gate length direction
Simultaneously patterned using the same etching mask
ing. And an n-type layer serving as a source / drain diffusion layer
Reference numeral 17 denotes a mask using these gate electrodes and wirings as masks.
It is formed by ion implantation of elemental or phosphorus.
The control gate 6 of the memory cell is shown in FIG.
As shown in FIG.
Pattern to be used for the capacitance of the gate 14 and the control gate 16
Is formed. Control gate 14 of memory cell and substrate 1
0 between the capacitance C1 and the floating gate 14 and the control gate 16
The capacity C2 will be described with reference to specific numerical examples.
Floating gate 14 and control gate 1 according to the 1 μm rule
6 is 1 μm in width and 1 μm in channel length. Also floating game
The height of the side wall of the gate 14 is 0.5 μm. Vacuum thickness
Is 10 nm, and the second gate oxide film 15 is 25 nm.
Assuming that the dielectric constant of the thermal oxide film is ε, the coupling capacitances C1 and C2 are
Respectively,
[0022]
(Equation 1)
That is, the capacitive coupling ratio CR Is
[0023]
(Equation 2)
This is the conventional SiOTwo Compared with tunnel oxide film
Then, the partial capacitance of the tunnel oxide film becomes C '1 Then
[0024]
(Equation 3)
And by making it a vacuum gate,R Is from 0.444
It is improved to 0.757. That is, the voltage required for writing
Vpp can be reduced.
FIG. 4 shows two bit lines BL1 and BL2.
2 shows two adjacent NAND cell sections connected to each other,
The operation of the EEPROM will be described using this. First,
Data erasing is performed on the memory cells that constitute the NAND cell.
Erasure is performed. Therefore, in this embodiment, the NAND cell
Control gates CG1 to CG4 of memory cells to be erased in the memory cell
Is set to 0V, the source line, the substrate 10 and the p-type well 11
High voltage Vpp (for example, 18 V)
You. High potential Vpp is also applied to bit lines BL1 and BL2.
You.
Thus, the control gate of the memory cell and p
An electric field is applied between the mold wells 11 and the floating gate 14
Electrons are emitted into the mold well 11 by a tunnel current.
All memory cells move the threshold value in the negative direction
Then, the state becomes “0”.
Next, data writing is performed in the NAND cell.
The memory cell on the source line side, that is, the one farther from the bit line
Are performed in order from the first memory cell. Now, the memory cell M4
(Cell A surrounded by a broken line in FIG. 4)
To explain the case of writing, select transistor
The selection gate SG2 of the data gate S2 is set to 0V, and the control gate C2
High potential Vpp (for example, 16-18 V) is applied to G4,
The remaining control gates CG1 to CG3 and the selection gate SG1
Voltage VM Applied. Also, the selected bit line BL1
0V is applied, and the power supply potential V is applied to the unselected bit line BL2.
cc is given. 0V for p-type well and Vcc for n-type substrate
I do.
As a result, in the selected cell A,
Is controlled by transmitting 0 V of the bit line BL1 to the drain.
A high electric field is applied between the gate and the
Injected. As a result, in cell A, the threshold value increases in the positive direction.
Then, “1” is written.
Another memory cell connected to bit line BL1
The weak write mode is set in M1 to M3, but the electric field is small.
There is no threshold change. Not selected (or write "0")
) Of the memory cells M5 to M7 of the bit line BL2 value
When the control gate is at Vcc and the channel potential (Vcc-Vth)
The potential difference is 1 to 3 V, and the threshold
There is no conversion.
In this way, writing to cell M4 is
When finished, the next higher memory cell in the NAND cell
M3 is similarly programmed, and the memory cells M3 are sequentially written.
2, M1 is written.
In the above write operation, the memory cell
A high potential Vpp is applied to the control gate.
Since the current is only the tunnel current, the current is at most 1 μA or less.
You. Also, at the time of batch erasing, the n-type substrate 1 and the p-type well 2 are kept high.
The potential is increased to Vpp.
Current and p-type well and n-type substrate of peripheral circuit kept at 0V
Leakage current, which is also 10 μA or less. Obedience
Thus, the high potentials Vpp and Vpp used for writing and erasing
(These may be the same value) are provided inside the chip
Can be sufficiently covered by the booster circuit.
Also, it flows due to a high potential at the time of selective writing.
Since the current is small as described above, one control gate
Data to all memory cells connected to the line (word line) at the same time.
Data writing is possible. That is, writing in page mode
And high-speed writing is possible.
The data read operation is performed in cell M4 (cell M4) shown in FIG.
A) will be described. Select transistor S1
Vcc is applied to select gate SG1 of non-selected memory cell SG1.
The control gates CG1 to CG3 of the M1 to M3 have a "1" state.
Vcc is also a potential that turns on the memory cell in the active state.
And the control gate CG4 of the read cell A is set to 0V.
Is done. Then, the bit line BL connected to the read cell A
1 is supplied with a read potential of 1 to 5 V, and other non-selected
The cut line BL2 is set to 0V.
As a result, a current flows through bit line BL1.
Whether data "0" or "1" is determined depending on whether
It is. Next, an embodiment of the manufacturing process of the memory cell of the present invention will be described.
This will be described with reference to the cross-sectional views of FIGS. FIGS. 5 to 8
Shows a cross-sectional view taken along the line AA 'in FIG.
A p-type well 1 formed on an n-type Si substrate
1, for example, a thermally oxidized SiO having a thickness of 10 nm.Two Shape the membrane 21
Then, the poly-Si film 14 is formed to a thickness of, for example, 400 nm.
It is deposited and doped with, for example, P (phosphorus). Then Si
OTwo A film 22 is deposited to a thickness of 200 nm (FIG. 5A).
Then, selectively SiO 2 by photolithography technique
Two Film 22, poly-Si film 14, SiOTwo Membrane 21
And then remove the Si substrate by, for example, 500 nm.
It is removed by etching (FIG. 5B). Then for example NH
Four SiO treatment by F treatmentTwo Remove the film. At this time select
10 nm thermal oxide film 21 other than
SiOTwo The film 22 is removed, and as shown in FIG.
The lower side of the poly-Si film 14 in the memory cell region is hollow.
You. The poly-Si film 14 is made of the selected type shown in FIG.
Supported by the source part of the Lanista, like a bridge
It becomes a shape floating in the air. Also, at this time,
SiO 2 selectively by the lithography techniqueTwo Removing the membrane
Both are possible. For example, CG1 to CG4 shown in FIGS.
Only the part where the transistor connected toFour F
The thermal oxide film 21 can be removed by the treatment. Then for example C
VD SiOTwo The film 12 is deposited, for example, to a thickness of
Fill the groove of the plate and the space of poly-Si14
(FIG. 6 (b)). At this time, between the poly-Si 14 and the substrate
Is not filled with a CVD film and a hollow (vacuum) state 13 is formed.
It is. The above-mentioned CVDSiOTwo The film 12 is composed of two layers of a normal pressure CVD film.
Film or CVD SiN film or SiOTwo And S
A stacked film of iN may be used. FIG. 7 shows a modified example of Si.
The N film 23 is buried, for example, in a thickness of 20 nm (FIG. 7A).
CVD SiO using TEOS afterTwo The figure with embedded membrane
(FIG. 7B). Hollow shape using SiN film
Impurity diffusion and oxidation with respect to state 13
The state is kept well controlled.
Next, the CVD film 12 is etched and
Stop etching around the center of poly-Si14
You. Next, for example, O to become a poly-poly insulating film.
An NO film 24 is formed (FIG. 8A). Then the second layer
Poly-Si16 is patterned to form a control layer.
And Next, ONO film 24, poly-Si14
Is patterned with the same mask as poly-Si16.
You. Next, the interlayer insulating film 18, bit line contacts and vias are formed.
In this case, the memory cell is completed (FIG. 8).
(B)).
FIG. 9 shows a MOS transistor formed in a similar process.
FIG. 2 shows a cross-sectional view of a resistor. In this figure, the EEPR shown earlier
Poly-poly ONO in OM memory cell manufacturing process
The second poly-Si film 16 is directly formed without forming the film 24.
a is formed in contact with the first poly-Si film 14a.
The gate electrode is made of these laminated films. This MO
The S transistor is a cell of the NAND type EEPROM of FIG.
To form the gates and the like of the rect transistors S1 and S2.
It is also possible to apply to.
FIG. 10 shows a case where the element isolation is LOCOS.
The example of the case is shown. Next, FIG. 11 shows the gate and the substrate part.
FIG. FIG. 10A is described above.
As in the case of the embodiment, the space between the gate electrode 14 and the substrate 11 is all true.
It indicates the state of being empty or gaseous,
As shown in FIG. 10B, the space between the gate electrode and the substrate is all
It need not be a vacuum. That is, the opposite gate side,
SiO on the substrate side surfaceTwo A film is formed, during which a vacuum is
You may. Also, only on either the gate side or the substrate side
SiOTwo A film may be formed. In addition, the above thermal oxidation
After the film 21 is removed by etching, the inside of the hollow
Then, a CVD film is deposited and formed, and the inside thereof is vacuum-6Mind
Can be about pressure. Conversely, pressure is applied to the hollow part by applying pressure.
For example, it can be formed by filling the atmosphere with 10 atm. Sa
If the gas that fills the inside is a substance that becomes a gas at room temperature,
Anything is fine. For example, inactivation of He, Ne, Ar, and Kr
If the gas is used, the device operates stably. Also, Si
OTwo And H that is relatively stable on SiTwo , FTwo , ClTwo , B
r , OTwo , NTwo , COTwo , NHThree , NFThree , Si FFour Ah
Or compounds of N, O, Si, C, F, H, Cl
Or a mixture of these.
The hollow shown in FIGS. 11A and 11B is used.
And Si, hollow and SiOTwo Traps and fields at the interface of
It is important to stabilize so as not to form plane levels.
You. For example, an H, F, -OH group, 基 O, N, C,
Al, B, P, As , Ge Terminates atomic bonds with
Can be. The method of stabilizing the interface is not limited to this, and other
Method may be used.
FIG. 12 shows a vacuum insulation according to an embodiment of the present invention.
An example of the voltage-current characteristics of (vacuum gate) is a conventional SiO
Two Shown in comparison with the membrane. SiOTwo Fowler-N for membrane
Leakage current occurs after ordheim stress,
It does not occur in the case of a vacuum gate. Key for vacuum gate
This is because carrier traps do not occur. This makes
Volatile memory cells significantly improve data retention
You. In addition, there is a risk of deterioration of Read disturb, etc.
Degradation due to sleek can be reduced. Also,
No write-on / erase, no lectron trap
Window narrowing occurs after
Absent. Also, no dielectric breakdown occurs.
FIGS. 13 and 14 show still another embodiment.
You. FIG. 13B is a plan view thereof, and FIG.
It is CC 'sectional drawing of FIG.13 (b).
In FIG. 13, the source side (or the drain side)
A part of the gate insulating film on the (side) is a vacuum gate.
As a result, no trap occurs in the vacuum portion 13b and the
By electron injection (hot electron).
Degradation is reduced. Also, true both sides of source / drain
An empty gate is also possible. FIG. 14 (a),
(B) Oxidation of the portion of the gate oxide film close to the element isolation
Only the film is removed by etching to make gas or vacuum 13c.
ing. As a result, parasitic transformers at the element isolation edge
Reduction of the effect and reliability of the register can be prevented.
You.
FIG. 15 shows still another embodiment of the present invention.
You. In FIG. 15A, between the diffusion layer 9 and the charge storage layer 14a,
Some are formed thinner than other gate insulating films,
Both of them have vacuum or gas 13d in the thin part
You.
FIG. 15B shows the state shown in FIG.
Pointed shape so that the electric field concentrates on the thin part 13e
Of the charge storage layer 14b. Also, in FIG.
Indicates that the thin portion 13f is not on the diffusion layer 9 but on the channel
It is in.
In FIG. 16, vacuum or gas is filled.
The surface of the charge storage layer 14d on the side of the
Is shown. In this case, the write
The electric field is concentrated, and writing / erasing can be performed at a low voltage.
FIG. 16 shows a case where only the charge storage layer 14d has irregularities.
As shown, when there is unevenness only on the substrate side 11, the charge accumulation
It is also possible to have both the layer 14d and the substrate 11.
When there are irregularities on both sides, there is a vacuum.
Or it may be in the part facing through 13 g of gas
Then, the charge storage layer 14d side and the substrate 11 side are located in different places.
May be placed.
FIG. 17 shows a charge storage layer (p in this case).
poly-Si14) and control gate poly-Si16
13h between poly-poly is vacuum or gas
An example in the case of is shown. In this case, the charge storage layer 14
Charge injection and discharge are performed between the poly-poly vacuum portions 13.
It is also possible to do via h. Of course, the substrate 11
And between the charge storage layer 14.
FIG. 18 shows a charge storage layer (Fl).
Oating Gate) Control gate (Control)
Gate) and an erase gate (Erase Gat).
An example in the case of having e) is shown. In this case, at least
Electric field between the charge storage layer and the erase gate,
The concentrated portion of the insulating film is vacuum or gas.
As a result, deterioration of the insulating film due to rewriting is eliminated.
Next, FIG. 17 shows another embodiment of the present invention.
Vacuum exists between charge storage layer 14 and control gate 16 as shown
An example of the operation in the case of the gas 13h will be described.
FIG. 19 shows an equivalent circuit of the memory cell of the above embodiment. Figure
20 shows the operating voltage of the memory cell alone. First
To erase data, set the control gate (CG) to 0V,
High voltage V on the substrate (well)pp′ To control
Electrons from the gate (CG) to the charge storage layer (FG)
Inject. As a result, as shown in FIG.
The threshold value of the recell increases.
Next, writing is performed using the control gate (C
G) to VppIs applied to set the D / S to 0V. In the charge storage layer
Are emitted to the control gate, and FIG.
As shown in FIG.thGoes down. Memory cells
If you do not want to write, V / SM (= 10V) marked
Add.
For reading, set the control gate to 0 or
About 3 V, read for example by applying 1 V to the drain
You. As shown in FIG. 22, write and erase memory cells
Depending on the selection of the threshold voltage,
Voltage is different. That is, in FIG.
V, and 3 V in FIG.
FIG. 21 shows another operation method in FIG.
Is different from the method of Erase. in this case
Is -V at the control gate (CG).pp'And apply D / S,
Set the well to 0 V and inject electrons into the charge storage layer (FG)
You.
Next, referring to FIGS.
The operation of the memory cell when the memory cell is configured will be described.
First, data erase (Erase) constitutes a NAND cell
Erase is performed on the memory cell to be erased. So this
In the embodiment, the control of the memory cell to be erased in the NAND cell is performed.
The control gates CG11 to CG14 and CG21 to CG24
0V and the voltage is boosted to the source line, substrate and p-type well.
High potential Vpp(For example, 18 V). Bit line
High potential V is applied to BL1 and BL2ppIs given. In addition, saw
Lines and bit lines BL1 and BL2 can be floating
Good.
As a result, the control gate of the memory cell and p
An electric field is applied between the mold wells, causing the control gate to float
Is injected by a tunnel current. All memory cells
As a result, the threshold value moves in the positive direction and the state is “0”.
become.
In Erase (selection 1) of FIG.
For example, VppTo prevent erasure.
Next, data writing is performed on the source line side in the NAND cell.
Memory cells, that is, the memory cells farthest from the bit line.
Are performed in order from the Now, the cell connected to CG14
To selectively write "1" data to
If the select gate SGS1 of the select transistor S2 is
0V, and the high voltage V is applied to the control gate CG14.pp(For example,
16 to 18 V), and the remaining control gate CG11
To CG13 and select gate SGD1M Is applied
Is done. Also, 0 V is applied to the selected bit line BL1,
The power supply potential V is applied to the unselected bit line BL2.ccIs given.
0V for p-type well, V for n-type substrateccAnd
As a result, in the selected cell,
0V of the bit line BL1 is transmitted to the drain to control
A high electric field is applied between the floating gate (CG) and the floating gate (F).
G) emits electrons to the control gate. As a result,
In the selected cell, the threshold value moves in the negative direction to “1”.
Writing is performed.
Another memory cell connected to bit line BL1
In this case, the writing mode is weak, but the electric field is small.
No threshold change. Not selected (or write "0")
Of the memory cell on the side of the bit line BL2 in FIG.
Is VppOr VM , The channel potential is (Vcc-Vth)so
The potential difference is small and the threshold value does not change.
No. Writing to the selected cell is completed in this way.
Then, M4, M3, M2, M of the first embodiment described above.
Next, the NAND cell is written in the same manner
From the memory cell one above to the next memory cell
Inscription is made.
In the above write operation, the memory cell
High potential VppIs applied, but flows
Since the current is only a tunnel current, it is at most 1 μA or less.
is there. At the time of batch erasing, the n-type substrate 1 and the p-type well 2 are removed.
High potential VppThe current flowing at this time is
Current and p-type well and n-type base of peripheral circuit kept at 0V
This is the leak current between the plates, which is also 10 μA or less.
Therefore, the high potential V used for writing and erasing ispp(This
These may be the same value)
The pressure circuit can provide sufficient power.
Also, the flow due to the high potential during the selective writing
Current is very small as described above, so one control
At the same time for all memory cells connected to the
Data writing is possible. That is, page mode
Can be written, and high-speed writing is possible
You.
The data read operation is performed, for example, on the CG12.
When reading connected memory cells, select
V is applied to the selection gate SG1 of the star S1.ccGiven, unselected
Control gates CG11, C of memory cells M1, M3, M4
The memory cells in the “1” state are turned on in G13 and CG14.
VccAnd the readout security
The control gate CG12 of the channel A is set to 0V. And read
1 to 5 V is applied to the bit line BL1 connected to the overflow cell A.
The subsequent potential is applied, and other unselected bit lines BL2 are set to 0.
V. Also, the bit line BL2 is set to a read voltage of 1 to 5V.
And read it simultaneously with reading BL1.
Wear.
As a result, a current flows through bit line BL1.
Whether data "0" or "1" is determined depending on whether
It is. Next, channel hot using FIGS.
Inject electrons into the charge storage layer with electrons to write
To extract electrons from the charge storage layer to the control gate.
The operation of erasing will be described.
FIG. 25 shows the voltage relationship of the operation. Eras
e is V at the control gate (CG)pp″ To apply source drain
In (D / S) and well are set to 0V,
Emit electrons to the control gate. As a result,
The threshold value of the memory cell is lowered to the "0" state. This and
D / S, negative voltage VE May be applied.
Writing is performed by applying V to the control gate.pp, Drain
To Vpp'And apply channel-ot electrons to the substrate
Inject electrons into the charge storage layer. As a result,
Morisel's VthRises to the "1" state.
The reading is performed by a usual method. writing
/ V after erasethAre W / E shared as shown in FIG.
To VthBecomes positive. Next, FIG. 26 shows a NOR type array and the like.
FIG. 27 shows a voltage circuit of operation.
In this operation, a high voltage is applied only to WL (CG).
Apply high voltage to the source to erase
Erase current is smaller than high-speed memory cell
ase becomes possible. Also, the configuration of peripheral circuits has been simplified.
It is.
The present invention is limited to the above-described embodiment.
Not widely applied to semiconductor devices.
is there. For example, in this embodiment, the charge storage layer is made of poly-Si
I wrote about the case of SiN / SiOTwo Interface track
Or a metal electrode may be used.
[0067]
As described above, according to the present invention, the vacuum
Or use a gas gate to prevent deterioration
This allows the formation of a gate insulating device.
【図面の簡単な説明】
【図1】 本発明の実施例に係るEEPROMのNAN
Dセル構造を示す平面図。
【図2】 図1のA−A′断面図。
【図3】 図1のB−B′断面図。
【図4】 本発明の実施例に係るNANDセルの等価回
路図。
【図5】 本発明の実施例に係る工程断面図。
【図6】 本発明の実施例に係る工程断面図。
【図7】 本発明の実施例に係る工程断面図。
【図8】 本発明の実施例に係る工程断面図。
【図9】 本発明の他の実施例に係るMOSトランジス
タの断面図。
【図10】 本発明の他の実施例に係るMOSトランジ
スタの断面図。
【図11】 本発明の実施例に係る真空部の拡大断面
図。
【図12】 本発明の実施例の真空ゲートの電流−電圧
特性を示す特性図。
【図13】 本発明のさらに他の実施例を示す構造図。
【図14】 本発明のさらに他の実施例を示す構造図。
【図15】 本発明のさらに他の実施例を示す構造図。
【図16】 本発明のさらに他の実施例を示す構造図。
【図17】 本発明のさらに他の実施例を示す構造図。
【図18】 本発明のさらに他の実施例を示す構造図。
【図19】 図17の実施例の等価回路図。
【図20】 本発明の実施例の動作電圧を示す図。
【図21】 本発明の実施例のさらに他の動作電圧を示
す図。
【図22】 本発明の実施例のEEPROMの消去後、
書き込み後のしきい値分布を示す図。
【図23】 本発明の実施例に係るNAND型EEPR
OMの等価回路図。
【図24】 本発明の実施例のNAND型EEPROM
の動作電圧を示す図。
【図25】 本発明の他の実施例の動作電圧を示す図。
【図26】 本発明の他の実施例であるNOR型EEP
ROMの等価回路図。
【図27】 本発明の他の実施例であるNOR型EEP
ROMの動作電圧を示す図。
【図28】 従来技術を説明する平面図。
【図29】 従来技術を説明する断面図。
【符号の説明】
10…n型シリコン基板
11…p型ウェル
20…第1ゲート酸化膜
13,13a,13b,13c,13d,13e,13
f,13g,13h…真空または気体領域
14…浮遊ゲート
15…第2ゲート酸化膜
16…制御ゲート
18…CVD絶縁膜
19…ビット線
17…n型拡散層
M1〜M4,M5〜M8…メモリセル
S1,S2…セレクトトランジスタ
SG1,SG2…選択ゲート
BL1,FG2…ビット線
CG1〜CG4…制御ゲートBRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS FIG. 1 is an NAN of an EEPROM according to an embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a plan view showing a D cell structure. FIG. 2 is a sectional view taken along line AA ′ of FIG. 1; FIG. 3 is a sectional view taken along the line BB ′ of FIG. 1; FIG. 4 is an equivalent circuit diagram of a NAND cell according to the embodiment of the present invention. FIG. 5 is a process sectional view according to the embodiment of the present invention. FIG. 6 is a process sectional view according to the embodiment of the present invention. FIG. 7 is a process sectional view according to the embodiment of the present invention. FIG. 8 is a process sectional view according to the embodiment of the present invention. FIG. 9 is a sectional view of a MOS transistor according to another embodiment of the present invention. FIG. 10 is a sectional view of a MOS transistor according to another embodiment of the present invention. FIG. 11 is an enlarged sectional view of a vacuum section according to the embodiment of the present invention. FIG. 12 is a characteristic diagram showing current-voltage characteristics of a vacuum gate according to an example of the present invention. FIG. 13 is a structural view showing still another embodiment of the present invention. FIG. 14 is a structural view showing still another embodiment of the present invention. FIG. 15 is a structural view showing still another embodiment of the present invention. FIG. 16 is a structural view showing still another embodiment of the present invention. FIG. 17 is a structural view showing still another embodiment of the present invention. FIG. 18 is a structural view showing still another embodiment of the present invention. 19 is an equivalent circuit diagram of the embodiment in FIG. FIG. 20 is a diagram showing operating voltages according to the embodiment of the present invention. FIG. 21 is a diagram showing still another operating voltage of the embodiment of the present invention. FIG. 22 shows a state after erasing the EEPROM according to the embodiment of the present invention.
FIG. 9 is a diagram showing a threshold distribution after writing. FIG. 23 is a NAND type EEPROM according to an embodiment of the present invention.
FIG. 3 is an equivalent circuit diagram of the OM. FIG. 24 is a NAND EEPROM according to an embodiment of the present invention.
FIG. FIG. 25 is a diagram showing operating voltages according to another embodiment of the present invention. FIG. 26 shows a NOR type EEP according to another embodiment of the present invention.
FIG. 3 is an equivalent circuit diagram of a ROM. FIG. 27 is a NOR type EEP according to another embodiment of the present invention.
FIG. 3 is a diagram showing operating voltages of a ROM. FIG. 28 is a plan view illustrating a conventional technique. FIG. 29 is a cross-sectional view illustrating a conventional technique. [Description of Signs] 10 ... n-type silicon substrate 11 ... p-type well 20 ... first gate oxide films 13, 13a, 13b, 13c, 13d, 13e, 13
f, 13g, 13h vacuum or gas region 14 floating gate 15 second gate oxide film 16 control gate 18 CVD insulating film 19 bit line 17 n-type diffusion layers M1 to M4, M5 to M8 memory cells S1, S2 ... select transistors SG1, SG2 ... select gates BL1, FG2 ... bit lines CG1 to CG4 ... control gates
フロントページの続き (56)参考文献 特開 平6−112443(JP,A) 特開 平4−158582(JP,A) 特開 平6−180992(JP,A) 特開 平6−120490(JP,A) 特開 昭61−183969(JP,A) 特開 平5−48088(JP,A) 特開 平7−283404(JP,A) VACUUM−SEALED SIL ICON−RICH−OXIDE EE PROM CELL,IBM Tech nical Disclosure B ulletin,1991年11月,Vol. 34,No.6,PP.238−241 (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) H01L 21/8247 H01L 27/115 H01L 29/788 H01L 29/792 Continuation of the front page (56) References JP-A-6-112443 (JP, A) JP-A-4-158858 (JP, A) JP-A-6-180992 (JP, A) JP-A-6-120490 (JP) JP-A-61-183969 (JP, A) JP-A-5-48088 (JP, A) JP-A-7-283404 (JP, A) VACUMUM-SEALED SIL ICON-RICH-OXIDE EE PROM CELL, IBM Tech. Disclosure Bulletin, November 1991, Vol. 6, PP. 238−241 (58) Fields investigated (Int.Cl. 7 , DB name) H01L 21/8247 H01L 27/115 H01L 29/788 H01L 29/792
Claims (1)
積層形成され、前記半導体基板と前記電荷蓄積層間で電
荷の注入・放出が可能で、これにより電気的に書換え可
能とされたメモリセルが、複数個隣接するもの同志でソ
ース、ドレイン拡散層を共用する形で直列接続され、か
つこの直列接続部のドレイン側、ソース側それぞれに選
択ゲートを有するセレクトトランジスタが設けられてN
ANDセルが構成された半導体装置において、 前記半導体基板と電荷蓄積層の間の少なくとも一部が真
空あるいは気体とされており、前記セレクトトランジス
タは前記半導体基板上にゲート酸化膜を介して選択ゲー
トが積層されて形成され、前記ゲート酸化膜厚は前記真
空または気体の厚さより厚いことを特徴とする半導体装
置。 (57) [Claim 1] A charge storage layer and a control gate are formed on a semiconductor substrate.
A layer is formed, and an electric charge is applied between the semiconductor substrate and the charge storage layer.
Injection / release of load is possible, which enables electrically rewriting
Function memory cells are adjacent to each other.
Source and drain diffusion layers are connected in series.
Select the drain and source sides of this series connection
A select transistor having a select gate is provided and N
In a semiconductor device having an AND cell , at least a part between the semiconductor substrate and the charge storage layer is true.
It can be empty or gaseous.
A selective gate on the semiconductor substrate via a gate oxide film.
And the gate oxide film thickness is
Semiconductor device characterized by being thicker than the thickness of the air or gas
Place.
Priority Applications (1)
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|---|---|---|---|
| JP14839794A JP3450438B2 (en) | 1994-06-30 | 1994-06-30 | Semiconductor device |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP14839794A JP3450438B2 (en) | 1994-06-30 | 1994-06-30 | Semiconductor device |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
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| JPH0817947A JPH0817947A (en) | 1996-01-19 |
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Family
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|---|---|
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Families Citing this family (2)
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|---|---|---|---|---|
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| WO2007069180A1 (en) * | 2005-12-15 | 2007-06-21 | Nxp B.V. | Non-volatile memory device having a gap in the tunnuel insulating layer and method of manufacturing the same |
-
1994
- 1994-06-30 JP JP14839794A patent/JP3450438B2/en not_active Expired - Lifetime
Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| VACUUM−SEALED SILICON−RICH−OXIDE EEPROM CELL,IBM Technical Disclosure Bulletin,1991年11月,Vol.34,No.6,PP.238−241 |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
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