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JP4912658B2 - Semiconductor memory device and operation method thereof - Google Patents
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Description

本発明は、半導体記憶装置およびその動作方法に関するものである。特に電荷保持部に荷電粒子を保持することにより情報を記録する半導体記憶装置およびその動作方法に関するものである。   The present invention relates to a semiconductor memory device and an operation method thereof. In particular, the present invention relates to a semiconductor memory device that records information by holding charged particles in a charge holding portion and an operation method thereof.

従来、半導体記憶装置としてフラッシュメモリと呼ばれるEEPROM(Electric Erasable Programmable Read Only Memory)が広く使われている。フラッシュメモリは、トンネル絶縁膜上に、絶縁体によって周りを囲まれているフローティングゲートと呼ばれる電荷保持部を備えているメモリトランジスタである。上記フラッシュメモリは、フローティングゲートに荷電粒子を保持することにより情報を記憶するものであり、フローティングゲートに蓄えられた荷電粒子の多寡に応じてトランジスタの閾値電圧が異なることを利用して、情報を読み出す構造となっている(例えば、特許文献1参照)。   Conventionally, an EEPROM (Electric Erasable Programmable Read Only Memory) called a flash memory has been widely used as a semiconductor memory device. A flash memory is a memory transistor that includes a charge holding portion called a floating gate surrounded by an insulator on a tunnel insulating film. The flash memory stores information by holding charged particles in the floating gate, and the information is stored by utilizing the fact that the threshold voltage of the transistor varies depending on the number of charged particles stored in the floating gate. It has a structure for reading (see, for example, Patent Document 1).

具体的には、上記フラッシュメモリは、図8に示すように、P型半導体基板106と、このP型半導体基板106上に形成されたトンネル絶縁膜101と、トンネル絶縁膜に覆われた導電性のポリシリコンから成るフローティングゲート102と、フローティングゲート102上部に形成された導電体から成るコントロールゲート107と、P型半導体基板106の表面近傍に形成された第一のN型拡散領域であるソース領域103及び第二のN型拡散領域であるドレイン領域104と、絶縁体から成る素子分離領域105とから構成されている。   Specifically, as shown in FIG. 8, the flash memory includes a P-type semiconductor substrate 106, a tunnel insulating film 101 formed on the P-type semiconductor substrate 106, and a conductive material covered with the tunnel insulating film. Floating gate 102 made of polysilicon, a control gate 107 made of a conductor formed on the floating gate 102, and a source region which is a first N-type diffusion region formed near the surface of the P-type semiconductor substrate 106 103, a drain region 104 which is a second N-type diffusion region, and an element isolation region 105 made of an insulator.

上記フラッシュメモリに対する情報の記憶は、フローティングゲート102中に電子(荷電粒子)を保持させることにより行なわれる。すなわち、情報の書込みは、トンネル絶縁膜101を通してフローティングゲート102に電子を注入することにより行なわれる。一方、情報の消去は、フローティングゲート102から電子を抜き出すことにより行なわれる。また、情報の読み出しは、フローティングゲート102に保持された電子の多寡に応じて閾値電圧が異なることを利用して行なわれる。   Information is stored in the flash memory by holding electrons (charged particles) in the floating gate 102. That is, information is written by injecting electrons into the floating gate 102 through the tunnel insulating film 101. On the other hand, information is erased by extracting electrons from the floating gate 102. Information is read using the fact that the threshold voltage varies depending on the number of electrons held in the floating gate 102.

続いて、上記フラッシュメモリにおける情報の書込み、消去および読み出し方法について詳細に説明する。   Next, a method for writing, erasing and reading information in the flash memory will be described in detail.

例えば、情報の書込みは、チャネルホットエレクトロン注入と呼ばれる方法により行なわれる。この書込み方法は以下のように説明される。例えば、コントロールゲート107に+8V、ドレイン領域104に+5V、ソース領域103およびP型半導体基板106に0Vを印加することにより、ドレイン領域104近傍にホットエレクトロン(熱い電子)を発生させる。上記ホットエレクトロンは、コントロールゲート107に印加した正の電圧により生じる電場に従い、フローティングゲート102内に注入される。このようにして、フラッシュメモリに情報が書き込まれることになる。   For example, information is written by a method called channel hot electron injection. This writing method is explained as follows. For example, by applying + 8V to the control gate 107, + 5V to the drain region 104, and 0V to the source region 103 and the P-type semiconductor substrate 106, hot electrons (hot electrons) are generated in the vicinity of the drain region 104. The hot electrons are injected into the floating gate 102 according to the electric field generated by the positive voltage applied to the control gate 107. In this way, information is written to the flash memory.

次に、情報の消去は、ファウラー・ノルドハイムトンネリングと呼ばれる現象を利用することにより行なわれる。この消去方法は以下のように説明される。例えば、コントロールゲート107に−8V、ソース領域103およびP型半導体基板106に+8Vを印加することにより、フローティングゲート102内に強い電場を発生させる。この強い電場に従い、電子がフローティングゲート102内から抜き出される。このようにして、フラッシュメモリから情報が消去されることになる。   Next, information is erased by utilizing a phenomenon called Fowler-Nordheim tunneling. This erasing method is explained as follows. For example, by applying −8 V to the control gate 107 and +8 V to the source region 103 and the P-type semiconductor substrate 106, a strong electric field is generated in the floating gate 102. Electrons are extracted from the floating gate 102 in accordance with this strong electric field. In this way, information is erased from the flash memory.

次に、情報の読み出しは、フラッシュメモリをトランジスタとして動作させることにより行なわれる。この読出し方法は以下のように説明される。例えば、コントロールゲート107に+3V、ドレイン領域104に+1V、P型半導体基板106に0V、ソース領域103に0Vの電圧を印加し、そのときに生じるドレイン電流を外部の制御回路へ流す。制御回路において、上記ドレイン電流をメモリ信号として、リファレンスメモリセルのドレイン電流と比較し、その電流値の大きさを検出する。通常、フローティングゲート102に保持された電子の多寡に応じて、上記メモリ信号は異なった値となる。したがって、これを利用して情報の読み出しを行なうことが可能となる。   Next, reading of information is performed by operating the flash memory as a transistor. This reading method is described as follows. For example, a voltage of +3 V is applied to the control gate 107, a voltage of +1 V is applied to the drain region 104, a voltage of 0 V is applied to the P-type semiconductor substrate 106, and a voltage of 0 V is applied to the source region 103. In the control circuit, the drain current is compared with the drain current of the reference memory cell as a memory signal, and the magnitude of the current value is detected. Usually, the memory signal has different values depending on the number of electrons held in the floating gate 102. Therefore, information can be read using this.

しかし、上記従来技術を用いたフラッシュメモリでは、フローティングゲート102としてポリシリコンなどの導電体を用いているため、トンネル絶縁膜101の薄膜化は難しく、そのためメモリの微細化が困難であった。したがって、メモリを微細化して周囲のトンネル絶縁膜101を薄くすると、トンネル絶縁膜101にリークが生じるおそれがある。トンネル絶縁膜101にわずかでもリークがあると、フローティングゲート102に荷電粒子を長時間保持することができない。   However, in the flash memory using the above-described conventional technique, since a conductor such as polysilicon is used as the floating gate 102, it is difficult to reduce the thickness of the tunnel insulating film 101. Therefore, it is difficult to miniaturize the memory. Therefore, when the memory is miniaturized and the surrounding tunnel insulating film 101 is thinned, there is a possibility that leakage occurs in the tunnel insulating film 101. If there is even a slight leak in the tunnel insulating film 101, the charged particles cannot be held in the floating gate 102 for a long time.

この問題を解決するため、電荷保持部として、トラップ準位を多く含む物質が用いられることがある。電荷保持部として、トラップ準位を多く含む物質を用いると、書込み消去動作により電荷保持部に注入された電子はトラップ準位に捉えられているため、絶縁膜にわずかなリークが存在していても電荷保持部から電子が漏れにくく、電子を長時間保持できるという利点がある。上記のように電荷保持部としてトラップ準位を多く含む物質を用いた半導体メモリ装置のうち、絶縁膜としてシリコン酸化膜を用いると共に、電荷保持部としてシリコン窒化膜を用いた半導体メモリ装置は特にMONOS(Metal Oxide Nitride Oxide Semiconductor)型メモリと呼ばれている。
特開2003−173690号公報(公開日:2003年6月20日)
In order to solve this problem, a substance containing many trap levels may be used as the charge holding portion. If a substance containing a large amount of trap levels is used as the charge holding portion, electrons injected into the charge holding portion by the write / erase operation are captured at the trap level, so there is a slight leak in the insulating film. However, there is an advantage that electrons are not easily leaked from the charge holding portion and can be held for a long time. Among the semiconductor memory devices using the substance containing many trap levels as the charge holding portion as described above, the semiconductor memory device using the silicon oxide film as the insulating film and the silicon nitride film as the charge holding portion is particularly MONOS. It is called (Metal Oxide Nitride Oxide Semiconductor) type memory.
JP 2003-173690 A (publication date: June 20, 2003)

しかしながら、フラッシュメモリやMONOS型メモリ等の従来の半導体記憶装置では、以下のような問題点を有している。   However, conventional semiconductor memory devices such as flash memory and MONOS type memory have the following problems.

具体的には、従来の半導体記憶装置に書込み動作または消去動作を行なうときには、コントロールゲートに正または負の電圧を印加して、電子や正孔等の荷電粒子を電荷保持部内に注入する。このとき、半導体基板界面および絶縁膜中を荷電粒子が通過するため、半導体基板界面における界面準位や絶縁膜中のトラップ準位が増加することになる。   Specifically, when a write operation or an erase operation is performed on a conventional semiconductor memory device, a positive or negative voltage is applied to the control gate to inject charged particles such as electrons and holes into the charge holding portion. At this time, since charged particles pass through the semiconductor substrate interface and the insulating film, the interface level at the semiconductor substrate interface and the trap level in the insulating film increase.

半導体基板界面における界面準位が増加すると、半導体基板表面における荷電粒子の電荷移動度が低下しトランジスタ特性が劣化する。したがって、界面準位が無い場合に比べると、情報読み出し時の電流量が減少することになる。しかも、界面準位が増加するとリーク電流が増加することになるため、読み出し時のメモリ信号はさらに減少する。このため、界面準位が無い状態に比べると、書込み状態でのメモリ信号と消去状態でのメモリ信号との差が小さくなるため、書込み状態と消去状態とを区別することが困難となる。   When the interface state at the semiconductor substrate interface increases, the charge mobility of charged particles on the semiconductor substrate surface decreases, and the transistor characteristics deteriorate. Therefore, the amount of current at the time of reading information is reduced as compared with the case where there is no interface state. Moreover, since the leakage current increases as the interface state increases, the memory signal at the time of reading further decreases. For this reason, the difference between the memory signal in the written state and the memory signal in the erased state is smaller than in the state without the interface state, so that it is difficult to distinguish between the written state and the erased state.

一方、絶縁膜中のトラップ準位が増加すると、電荷保持部へ荷電粒子を注入するときに、電荷保持部内だけでなく絶縁膜中にも荷電粒子がトラップされやすくなる。電荷保持部内と絶縁膜中の両方に荷電粒子がトラップされた場合、電荷保持部内のみに荷電粒子がトラップされた場合と同様に読み出し時のメモリ信号は変化するが、絶縁膜中にトラップされた荷電粒子は非常に不安定なため、短時間で半導体基板へ流れ出ることになる。つまり、絶縁膜中のトラップ準位が増加すると、情報を長時間保持することが困難となる。   On the other hand, when the trap level in the insulating film increases, when charged particles are injected into the charge holding portion, the charged particles are easily trapped not only in the charge holding portion but also in the insulating film. When charged particles are trapped in both the charge holding part and the insulating film, the memory signal at the time of reading changes as in the case where the charged particles are trapped only in the charge holding part, but trapped in the insulating film. Since charged particles are very unstable, they flow out to the semiconductor substrate in a short time. That is, when the trap level in the insulating film increases, it becomes difficult to hold information for a long time.

したがって、フラッシュメモリやMONOS型メモリのように電荷保持部内の荷電粒子量を変化させて情報を記録する半導体記憶装置においては、書込み・消去動作のときに半導体基板界面および絶縁膜中を荷電粒子が通過するため、書込み・消去動作を複数回行なうと、情報の保持および読み出しが困難となる。   Therefore, in a semiconductor memory device that records information by changing the amount of charged particles in the charge holding unit, such as a flash memory or a MONOS type memory, charged particles are generated in the semiconductor substrate interface and in the insulating film during the write / erase operation. Therefore, if the write / erase operation is performed a plurality of times, it becomes difficult to hold and read information.

本発明は、上記の問題点に鑑みてなされたものであり、その目的は、情報記憶特性を向上し得る半導体記憶装置およびその動作方法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 capable of improving information storage characteristics and an operation method thereof.

本発明の半導体記憶装置は、上記課題を解決するために、半導体基板に形成されたチャネル領域と、上記チャネル領域を挟むように形成された一対の拡散層領域と、上記チャネル領域上に第一の絶縁膜を介して形成された電荷保持部と、上記電荷保持部上に第二の絶縁膜を介して形成されたゲート電極とを備え、上記電荷保持部は、内部に荷電粒子を保持し、その保持している荷電粒子の異なる分布状態により情報を記憶することが可能であることを特徴としている。   In order to solve the above problems, a semiconductor memory device of the present invention includes a channel region formed on a semiconductor substrate, a pair of diffusion layer regions formed so as to sandwich the channel region, and a first region on the channel region. A charge holding portion formed via the insulating film and a gate electrode formed on the charge holding portion via the second insulating film, and the charge holding portion holds charged particles therein. In addition, it is possible to store information according to different distribution states of the charged particles held therein.

また、本発明の半導体記憶装置は、上記課題を解決するために、半導体基板に形成されたチャネル領域と、上記チャネル領域を挟むように形成された一対の拡散層領域と、上記チャネル領域上に第一の絶縁膜を介して形成された電荷保持部と、上記電荷保持部上に第二の絶縁膜を介して形成されたゲート電極とを備え、上記電荷保持部は常温で内部の荷電粒子の分布状態を保持し得る絶縁体からなり、電荷保持部に保持された荷電粒子の分布状態に応じて、上記ゲート電極に電圧が印加された際に一方の拡散層領域から他方の拡散層領域へと流れる電流量が変化するようになっていることを特徴としている。   In order to solve the above problems, a semiconductor memory device of the present invention includes a channel region formed on a semiconductor substrate, a pair of diffusion layer regions formed so as to sandwich the channel region, and the channel region. A charge holding portion formed via a first insulating film; and a gate electrode formed on the charge holding portion via a second insulating film, wherein the charge holding portion is an internal charged particle at room temperature. Is formed of an insulator capable of maintaining a distribution state of one of the diffusion layer regions when a voltage is applied to the gate electrode according to the distribution state of the charged particles held in the charge holding portion. It is characterized in that the amount of current that flows to the point changes.

なお、本発明では断りの無い限り、「荷電粒子」とは、ナトリウムイオン等の金属イオンや、正または負の電荷を有するイオン(可動イオン)や、正孔または電子を意味している。また、「常温」とは25℃を意味している。   In the present invention, unless otherwise specified, “charged particle” means a metal ion such as sodium ion, an ion having positive or negative charge (movable ion), a hole or an electron. “Normal temperature” means 25 ° C.

本発明の構成によれば、例えば、ゲート電極に電圧が印加されると、ソース電極またはドレイン電極がそれぞれ電気的に接続された拡散層領域(例えば、ソース領域およびドレイン領域)間に流れるドレイン電流は、電荷保持部内の荷電粒子の分布状態に応じて変化することになる。   According to the configuration of the present invention, for example, when a voltage is applied to the gate electrode, the drain current that flows between the diffusion layer regions (for example, the source region and the drain region) in which the source electrode or the drain electrode is electrically connected, respectively. Changes according to the distribution state of the charged particles in the charge holding portion.

したがって、従来技術のように情報を記録するために、荷電粒子を電荷保持部に注入したり、抜き出したりする必要がない。よって、半導体基板界面における界面準位が増加することを抑制でき、記憶された情報を精度良く読み出すことが可能となる。また、半導体基板と電荷保持部との間の絶縁膜においてトラップ準位が増加することを防止できるので、絶縁膜中に保持される荷電粒子量を低減することができる。これにより、絶縁膜から荷電粒子が半導体基板に抜け出すことに起因する記憶情報の劣化を防止することができ、ひいては情報を長期間保持することが可能となる。その結果、情報記憶特性を向上し得る半導体記憶装置を提供することが可能となる。   Therefore, in order to record information as in the prior art, it is not necessary to inject or extract charged particles from the charge holding unit. Therefore, it is possible to suppress an increase in the interface state at the semiconductor substrate interface, and the stored information can be read with high accuracy. In addition, since the trap level can be prevented from increasing in the insulating film between the semiconductor substrate and the charge holding portion, the amount of charged particles held in the insulating film can be reduced. Accordingly, it is possible to prevent the deterioration of stored information caused by the charged particles escaping from the insulating film to the semiconductor substrate, and thus the information can be retained for a long time. As a result, it is possible to provide a semiconductor memory device that can improve information storage characteristics.

また、電荷保持部は荷電粒子の分布状態を保持して情報を記録するので、二値以上の情報を記憶することが可能となる。その結果、より高集積な多値メモリ装置を提供することが可能である。さらに、電荷保持部は連続的な情報を記憶することが可能となり、高集積なアナログメモリ装置を提供することも可能となる。   Further, since the charge holding unit records information while holding the distribution state of charged particles, it is possible to store binary or higher information. As a result, it is possible to provide a more highly integrated multilevel memory device. Further, the charge holding unit can store continuous information, and a highly integrated analog memory device can be provided.

本発明の半導体記憶装置では、前記絶縁体はシリコン酸化膜、シリコン窒化膜、又は、シリコン酸化膜とシリコン窒化膜とを二層以上積層した積層膜であることが好ましい。   In the semiconductor memory device of the present invention, the insulator is preferably a silicon oxide film, a silicon nitride film, or a stacked film in which two or more silicon oxide films and silicon nitride films are stacked.

上記の構成によれば、シリコン酸化膜やシリコン窒化膜には、トラップ準位が多数存在しているので、常温においては電荷保持部内での荷電粒子の移動は困難なものとなる。したがって、荷電粒子の分布状態がほぼ変化しないので、情報を長期間保持することが可能となる。   According to the above configuration, since a large number of trap levels exist in the silicon oxide film or silicon nitride film, it is difficult to move charged particles in the charge holding portion at room temperature. Accordingly, since the distribution state of charged particles does not substantially change, information can be retained for a long time.

本発明の半導体記憶装置では、電荷保持部内の荷電粒子を励起させる励起装置をさらに備えていることが好ましい。   The semiconductor memory device of the present invention preferably further includes an excitation device that excites charged particles in the charge holding unit.

上記の構成によれば、荷電粒子を励起させることができるので、電荷保持部において荷電粒子が移動しやすくなる。したがって、荷電粒子を移動させるために、高電圧を印加して高電場を生じさせる必要がなく、例えば8V程度の低電圧によって、荷電粒子を電荷保持部内で移動させることが可能となる。   According to said structure, since charged particle can be excited, it becomes easy to move a charged particle in a charge holding part. Therefore, it is not necessary to apply a high voltage to generate a high electric field in order to move the charged particles, and the charged particles can be moved in the charge holding portion with a low voltage of about 8 V, for example.

本発明の半導体記憶装置では、前記励起装置は、発熱装置又は電磁波発生装置であることが好ましい。   In the semiconductor memory device of the present invention, the excitation device is preferably a heat generating device or an electromagnetic wave generator.

上記の構成によれば、加熱または電磁波の照射により電荷保持部内の荷電粒子を励起させることができる。これにより、電荷保持部の或るトラップ準位に保持されている荷電粒子が他のトラップ準位に移動しやすくなる。   According to said structure, the charged particle in a charge holding part can be excited by heating or irradiation of electromagnetic waves. As a result, the charged particles held in a certain trap level of the charge holding unit easily move to another trap level.

本発明の半導体記憶装置の動作方法は、上記課題を解決するために、上記半導体記憶装置の動作方法であって、電荷保持部内に保持されている荷電粒子を励起させた状態で、ゲート電極に電圧を印加して上記荷電粒子の分布状態を変化させることにより、情報の書換えを行なうことを特徴としている。   In order to solve the above problems, an operation method of a semiconductor memory device according to the present invention is an operation method of the semiconductor memory device, in which charged particles held in a charge holding portion are excited and applied to a gate electrode. Information is rewritten by applying a voltage to change the distribution state of the charged particles.

上記の構成によれば、電荷保持部に保持されている荷電粒子を励起させた状態で、ゲート電極に電圧を印加すると、荷電粒子がトラップ準位から容易に移動して電荷保持部内で荷電粒子の局在化が生じることになる。荷電粒子の局在化が生じると、例えばソース電極からドレイン電極へのドレイン電流が流れるときに、その閾値に変化が生じることになる。したがって、閾値の変化から、荷電粒子の分布状態、すなわち、記録情報を読み出すことが可能となる。   According to the above configuration, when a voltage is applied to the gate electrode in a state where the charged particles held in the charge holding unit are excited, the charged particles easily move from the trap level and are charged in the charge holding unit. Will be localized. When localization of charged particles occurs, for example, when a drain current flows from the source electrode to the drain electrode, the threshold value changes. Therefore, it is possible to read the distribution state of charged particles, that is, the recorded information, from the change in threshold value.

このように、書込みまたは消去動作、すなわち、情報の書き換え動作のときに、電荷保持部への荷電粒子の注入を必要としないため、従来の構成のような半導体基板界面が劣化することを抑制することができる。そのため、従来よりも多くの回数、情報の書き換え動作に耐えることが可能となる。また、情報の書き換え動作後の、読み出しのときに読み出し不良を減少させることが可能となる。   As described above, since it is not necessary to inject charged particles into the charge holding portion during the writing or erasing operation, that is, the information rewriting operation, the deterioration of the semiconductor substrate interface as in the conventional configuration is suppressed. be able to. Therefore, the information rewriting operation can be endured more times than before. In addition, it is possible to reduce read defects at the time of reading after the information rewriting operation.

本発明の半導体記憶装置は、以上のように、上記電荷保持部は、内部に荷電粒子を保持し、その保持している荷電粒子の異なる分布状態により情報を記憶することが可能であるものである。   As described above, in the semiconductor memory device of the present invention, the charge holding unit can hold charged particles therein and store information according to different distribution states of the held charged particles. is there.

また、本発明の半導体記憶装置は、以上のように、電荷保持部に保持された荷電粒子の分布状態に応じて、上記ゲート電極に電圧が印加された際に一方の拡散層領域から他方の拡散層領域へと流れる電流量が変化するようになっているものである。   In addition, as described above, the semiconductor memory device of the present invention is configured so that when a voltage is applied to the gate electrode according to the distribution state of the charged particles held in the charge holding portion, The amount of current flowing to the diffusion layer region changes.

それゆえ、半導体基板界面における界面準位が増加することを抑制でき、記憶された情報を精度良く読み出すことが可能となる。また、半導体基板と電荷保持部との間の絶縁膜においてトラップ準位が増加することを防止できるので、絶縁膜中に保持される荷電粒子量を低減することができる。したがって、絶縁膜から荷電粒子が半導体基板に抜け出すことに起因する記憶情報の劣化を防止することができ、ひいては情報を長期間保持することが可能となる。その結果、情報記憶特性を向上し得る半導体記憶装置を提供することができるという効果を奏する。   Therefore, an increase in the interface state at the semiconductor substrate interface can be suppressed, and stored information can be read with high accuracy. In addition, since the trap level can be prevented from increasing in the insulating film between the semiconductor substrate and the charge holding portion, the amount of charged particles held in the insulating film can be reduced. Therefore, it is possible to prevent the deterioration of stored information due to the charged particles escaping from the insulating film to the semiconductor substrate, and thus the information can be retained for a long time. As a result, it is possible to provide a semiconductor memory device that can improve information storage characteristics.

また、本発明の半導体記憶装置の動作方法は、以上のように電荷保持部内に保持されている荷電粒子を励起させた状態で、ゲート電極に電圧を印加して上記荷電粒子の分布状態を変化させることにより、情報の書換えを行なう方法である。   In addition, the operation method of the semiconductor memory device of the present invention changes the distribution state of the charged particles by applying a voltage to the gate electrode in a state where the charged particles held in the charge holding portion are excited as described above. This is a method for rewriting information.

それゆえ、情報の書き換え動作のときに、電荷保持部への荷電粒子の注入を必要としないため、従来の構成のような半導体基板界面が劣化することを抑制することができる。そのため、従来よりも多くの回数、情報の書き換え動作に耐えることが可能となる。また、情報の書き換え動作後の、読み出しのときに読み出し不良を減少させることが可能となるという効果を奏する。   Therefore, it is not necessary to inject charged particles into the charge holding portion during the information rewriting operation, so that deterioration of the semiconductor substrate interface as in the conventional configuration can be suppressed. Therefore, the information rewriting operation can be endured more times than before. In addition, there is an effect that it is possible to reduce read defects at the time of reading after the information rewriting operation.

本発明の一実施形態について図1ないし図7に基づいて説明すると以下の通りである。   An embodiment of the present invention will be described below with reference to FIGS.

本実施の形態の半導体記憶装置は、電荷保持部内の荷電粒子の分布状態を保持することにより情報を記憶し、一つの電荷保持部に二値またはそれ以上の情報を記憶することができる多値メモリとして機能するものである。以下にその構成について詳細に説明する。   The semiconductor memory device of this embodiment stores information by holding the distribution state of charged particles in the charge holding unit, and can store binary or more information in one charge holding unit It functions as a memory. The configuration will be described in detail below.

図1は本実施の形態における半導体記憶装置の断面図である。本実施の形態の半導体記憶装置では、図1に示すように、半導体基板表面に形成されたP型ウエル領域5上に、第一の絶縁膜10、電荷保持部1、第二の絶縁膜11およびゲート電極4が、この順に積層されて構成されている。電荷保持部1内には、常温でその位置が固定されている複数の荷電粒子6が含まれている。また、ゲート電極4上に励起装置7が設けられている。半導体基板にはP型ウエル領域5を間に挟むように、N型拡散層から成るソース領域2とN型拡散層から成るドレイン領域3とが、互いに対向するように設けられている。なお、図1は形成直後の半導体記憶装置の状態を表しており、荷電粒子6の分布状態は、使用時の分布状態とは異なるものである。また、「常温」とは25℃を意味している。   FIG. 1 is a cross-sectional view of the semiconductor memory device in this embodiment. In the semiconductor memory device of this embodiment, as shown in FIG. 1, a first insulating film 10, a charge holding unit 1, and a second insulating film 11 are formed on a P-type well region 5 formed on the surface of a semiconductor substrate. The gate electrode 4 is laminated in this order. The charge holding unit 1 includes a plurality of charged particles 6 whose positions are fixed at room temperature. An excitation device 7 is provided on the gate electrode 4. In the semiconductor substrate, a source region 2 made of an N-type diffusion layer and a drain region 3 made of an N-type diffusion layer are provided so as to face each other with a P-type well region 5 interposed therebetween. FIG. 1 shows the state of the semiconductor memory device immediately after formation, and the distribution state of the charged particles 6 is different from the distribution state in use. “Normal temperature” means 25 ° C.

半導体基板としては、一般に半導体装置に使用されるものであれば特に限定されるものではない。例えば、シリコンおよびゲルマニウムなどの元素半導体で構成される基板や、ガリウムヒ素、窒化ガリウム、ガリウムリン、およびインジウムリンなどの化合物半導体で構成される基板や、SOI(Silicon on Insulator)基板および多層SOI基板などを用いることができる。なお、半導体基板には、電圧を印加することができるように基板電極が電気的に接続されている。   The semiconductor substrate is not particularly limited as long as it is generally used for a semiconductor device. For example, substrates composed of elemental semiconductors such as silicon and germanium, substrates composed of compound semiconductors such as gallium arsenide, gallium nitride, gallium phosphide, and indium phosphide, SOI (Silicon on Insulator) substrates, and multilayer SOI substrates Etc. can be used. Note that a substrate electrode is electrically connected to the semiconductor substrate so that a voltage can be applied.

半導体基板は、P型またはN型の導電型を有するものであってもよい。また、半導体基板の表面には少なくとも一つのウエル領域が形成されると共に、該ウエル領域の表面にメモリ装置が形成されていることが好ましい。   The semiconductor substrate may have a P-type or N-type conductivity type. Preferably, at least one well region is formed on the surface of the semiconductor substrate, and a memory device is formed on the surface of the well region.

また、半導体基板の表面には素子分離領域が形成されていることが好ましい。これにより、電流がリークすることを防止することができる。素子分離領域を形成する方法としては、一般に半導体装置に使用される方法であれば特に限定されるものではなく、例えば、LOCOS(Local Oxidation of Silicon)、トレンチ酸化、STI(Shallow Trench Isolation)などの方法を用いることができる。   Further, an element isolation region is preferably formed on the surface of the semiconductor substrate. As a result, current leakage can be prevented. The method for forming the element isolation region is not particularly limited as long as it is a method generally used in a semiconductor device. For example, LOCOS (Local Oxidation of Silicon), trench oxidation, STI (Shallow Trench Isolation), etc. The method can be used.

ゲート電極4としては、一般に半導体装置に使用されるものであれば特に限定されるものではない。例えば、ポリシリコンなどの半導体、アルミニウム、タングステン、チタン、およびモリブデンなどの金属、タングステンシリサイド、チタンシリサイドおよびモリブデンシリサイドなどの金属シリサイド、および半導体と金属シリサイドとの積層膜を用いることができる。   The gate electrode 4 is not particularly limited as long as it is generally used in a semiconductor device. For example, a semiconductor such as polysilicon, a metal such as aluminum, tungsten, titanium, and molybdenum, a metal silicide such as tungsten silicide, titanium silicide, or molybdenum silicide, and a stacked film of a semiconductor and a metal silicide can be used.

荷電粒子6は、ナトリウムイオン等の金属イオンや、正または負の電荷を有するイオン(可動イオン)や、正孔または電子である。   The charged particles 6 are metal ions such as sodium ions, ions having positive or negative charges (movable ions), holes or electrons.

電荷保持部1は、複数の荷電粒子6を保持するものであり、常温では荷電粒子6の分布状態を維持するようになっている。電荷保持部1としては、加熱時または電磁波の照射時に、外部電場により内部の荷電粒子の分布状態が変化する物質であり、かつ、常温ではその分布が保持される物質が好ましい。例えば、シリコン酸化膜、シリコン窒化膜、およびシリコン酸化膜とシリコン窒化膜とを多層に積層したものを用いることができる。   The charge holding unit 1 holds a plurality of charged particles 6 and maintains the distribution state of the charged particles 6 at room temperature. The charge holding unit 1 is preferably a substance that changes the distribution state of charged particles inside by an external electric field during heating or electromagnetic wave irradiation, and that maintains the distribution at room temperature. For example, a silicon oxide film, a silicon nitride film, and a silicon oxide film and a silicon nitride film stacked in multiple layers can be used.

また、電荷保持部1とウエル領域5との間には第一の絶縁膜10が設けられており、また電荷保持部1とゲート電極4との間には第二の絶縁膜11が設けられている。つまり、電荷保持部1は絶縁されたものとなっている。したがって、荷電粒子6が電荷保持部1からゲート電極4またはウエル領域5に移動しないようになっている。なお、第一の絶縁膜10及び第二の絶縁膜11としては、一般に半導体装置に使用される絶縁膜であれば特に限定されるものではなく、例えばシリコン酸化膜を用いることができる。   A first insulating film 10 is provided between the charge holding portion 1 and the well region 5, and a second insulating film 11 is provided between the charge holding portion 1 and the gate electrode 4. ing. That is, the charge holding unit 1 is insulated. Therefore, the charged particles 6 are prevented from moving from the charge holding unit 1 to the gate electrode 4 or the well region 5. The first insulating film 10 and the second insulating film 11 are not particularly limited as long as they are insulating films that are generally used in semiconductor devices. For example, silicon oxide films can be used.

励起装置7は、荷電粒子6を励起(活性化)させるものであり、例えば、電磁波発生装置または発熱装置である。電磁波発生装置は、電荷保持部1に電磁波を照射して荷電粒子6を励起させるものであり、例えば、YAGレーザやチタンサファイヤレーザといった固体レーザ、DH半導体レーザ、面発光型レーザなどの半導体レーザ素子や、発光ダイオード素子または電界発光素子などの発光素子を利用することができる。また、発熱装置は、電荷保持部1に熱を加えて、荷電粒子6を励起させるものであり、例えば、抵抗素子などを利用することができる。また、上記抵抗素子は、例えば素子分離領域や半導体基板内に設けてもよい。なお、図1中、参照番号のうち矢印8は電荷保持部1に照射される電磁波または印加される熱を表している。   The excitation device 7 excites (activates) the charged particles 6, and is, for example, an electromagnetic wave generation device or a heat generation device. The electromagnetic wave generator is an apparatus that excites the charged particles 6 by irradiating the electric charge holding unit 1 with an electromagnetic wave. For example, a solid state laser such as a YAG laser or a titanium sapphire laser, a semiconductor laser element such as a DH semiconductor laser, or a surface emitting laser. Alternatively, a light emitting element such as a light emitting diode element or an electroluminescent element can be used. Further, the heating device applies heat to the charge holding unit 1 to excite the charged particles 6, and for example, a resistance element can be used. The resistance element may be provided, for example, in an element isolation region or a semiconductor substrate. In FIG. 1, among the reference numerals, an arrow 8 represents an electromagnetic wave applied to the charge holding unit 1 or applied heat.

ソース領域2およびドレイン領域3は、半導体基板に形成されたP型ウエル領域5と、または、P型ウエル領域5が形成されていない場合は半導体基板と、逆の導電型を持つ拡散領域が用いられる。また、半導体基板におけるソース領域2およびドレイン領域3の接合深さは、一般的な半導体装置を製造するときに用いられる接合深さであれば特に限定されるものではない。また、ソース領域2およびドレイン領域3の一部を、第一の絶縁膜10下面(第一の絶縁膜10におけるP型ウエル領域5と接する面)の高さよりも高い位置に形成しても構わない。ソース領域2およびドレイン領域3は、それぞれ図示しないソース電極およびドレイン電極と電気的に接続されている。   For the source region 2 and the drain region 3, a P-type well region 5 formed in the semiconductor substrate or a diffusion region having a conductivity type opposite to that of the semiconductor substrate when the P-type well region 5 is not formed is used. It is done. Further, the junction depth of the source region 2 and the drain region 3 in the semiconductor substrate is not particularly limited as long as it is a junction depth used when a general semiconductor device is manufactured. Further, part of the source region 2 and the drain region 3 may be formed at a position higher than the height of the lower surface of the first insulating film 10 (the surface in contact with the P-type well region 5 in the first insulating film 10). Absent. The source region 2 and the drain region 3 are electrically connected to a source electrode and a drain electrode (not shown), respectively.

また、ソース領域2およびドレイン領域3との間のP型ウエル領域5の上部に形成されるチャネル領域には、閾値電圧の調整のために一般に半導体装置に使用されるような不純物が注入されていても構わない。   In addition, an impurity that is generally used in a semiconductor device for adjusting a threshold voltage is implanted into a channel region formed above the P-type well region 5 between the source region 2 and the drain region 3. It doesn't matter.

本実施の形態の半導体記憶装置は、上記のような構成の下で、ゲート電極4、ソース領域(ソース電極)2、ドレイン領域(ドレイン電極)3、および半導体基板(基板電極)を四つの端子として、それらの端子間に電圧を印加することにより、情報の書込み、消去、読み出しなどの動作を行なうものである。   In the semiconductor memory device of the present embodiment, the gate electrode 4, the source region (source electrode) 2, the drain region (drain electrode) 3, and the semiconductor substrate (substrate electrode) are provided with four terminals under the above-described configuration. As described above, operations such as writing, erasing and reading of information are performed by applying a voltage between these terminals.

上記構成において、半導体記憶装置の情報の書込み、消去、読み出し動作を、図2〜図6に基づき説明すると、以下の通りである。なお、本実施の形態においては、電荷保持部1内の荷電粒子6の電荷が正(例えば、正孔)である場合の動作について述べる。   In the above configuration, information writing, erasing and reading operations of the semiconductor memory device will be described with reference to FIGS. In the present embodiment, an operation when the charge of the charged particles 6 in the charge holding unit 1 is positive (for example, holes) will be described.

図2は上記半導体記憶装置が消去状態であるときの電荷保持部内における正孔の分布状態を示す断面図である。図3は上記半導体記憶装置が書込み状態であるときの電荷保持部内における正孔の分布状態を示す断面図である。   FIG. 2 is a cross-sectional view showing a distribution state of holes in the charge holding portion when the semiconductor memory device is in an erased state. FIG. 3 is a cross-sectional view showing a distribution state of holes in the charge holding portion when the semiconductor memory device is in a write state.

まず、「消去」とは、図2に示すように、電荷保持部1内の荷電粒子6の分布状態を、ゲート電極4に近い領域においては疎であり、かつP型ウエル領域5に近い領域においては密である状態に変化させることである。すなわち、消去状態とは、電荷保持部1内において荷電粒子6がP型ウエル領域5に近い領域に密集している状態(荷電粒子6がP型ウエル領域5に近い領域に局在化している状態)であり、かつ、消去を行なった後の半導体記憶装置の状態を表すものとする。   First, as shown in FIG. 2, “erasing” is a region in which the distribution state of the charged particles 6 in the charge holding unit 1 is sparse in the region close to the gate electrode 4 and close to the P-type well region 5. Is to change to a dense state. That is, the erased state is a state in which the charged particles 6 are concentrated in a region close to the P-type well region 5 in the charge holding unit 1 (the charged particles 6 are localized in a region close to the P-type well region 5. State) and represents the state of the semiconductor memory device after erasing.

一方、「書込み」とは、図3に示すように、電荷保持部1内の荷電粒子6の分布状態を、ゲート電極4に近い領域においては密であり、かつP型ウエル領域5に近い領域においては疎である状態に変化させることである。すなわち、書込み状態とは、電荷保持部1内において荷電粒子6がゲート電極4に近い領域に密集している状態(荷電粒子6がゲート電極4に近い領域に局在化している状態)であり、かつ、書込みを行なった後の半導体記憶装置の状態を表すものとする。   On the other hand, “writing” means that the distribution state of the charged particles 6 in the charge holding portion 1 is dense in the region close to the gate electrode 4 and close to the P-type well region 5 as shown in FIG. Is to change to a sparse state. In other words, the writing state is a state where the charged particles 6 are concentrated in a region close to the gate electrode 4 in the charge holding unit 1 (a state where the charged particles 6 are localized in a region close to the gate electrode 4). In addition, the state of the semiconductor memory device after writing is represented.

図2に示すように、荷電粒子6がP型ウエル領域5に近い領域に多く分布している状態、つまり消去状態では、電荷保持部1内の荷電粒子6のために、P型ウエル領域5内の正孔が、電荷保持部1との界面から遠ざかることになる。そのため、消去状態では、図3に示す荷電粒子6がゲート電極4に近い領域に多く分布している状態、つまり書込み状態に比べ、印加するゲート電圧が小さい電圧値であっても、第一の絶縁膜10下のP型ウエル領域5が反転し、ソース領域2とドレイン領域3との間にチャネル層(チャネル領域)が形成される。したがって、トランジスタとしての閾値電圧が低下することになる。   As shown in FIG. 2, in a state where the charged particles 6 are distributed in a region close to the P-type well region 5, that is, in the erased state, the P-type well region 5 is used for the charged particles 6 in the charge holding unit 1. The inner holes move away from the interface with the charge holding unit 1. Therefore, in the erased state, even when the charged particles 6 shown in FIG. 3 are distributed in a region close to the gate electrode 4, that is, in the erased state, that is, even when the applied gate voltage is smaller than the written state, the first The P-type well region 5 under the insulating film 10 is inverted, and a channel layer (channel region) is formed between the source region 2 and the drain region 3. Therefore, the threshold voltage as a transistor is lowered.

図4は、ドレイン電圧を一定とした場合の半導体記憶装置のゲート電圧−ドレイン電流特性を示したものである。横軸はゲート電圧を、縦軸はドレイン電流をそれぞれ示している。曲線12aは消去状態におけるゲート電圧−ドレイン電流特性を、曲線12bは書込み状態におけるゲート電圧−ドレイン電流特性をそれぞれ示したものである。図4より、書込み状態に比べ消去状態では、ゲート電圧が小さい値でドレイン電流が流れはじめ、トランジスタとしての閾値電圧が低下していることがわかる。   FIG. 4 shows the gate voltage-drain current characteristics of the semiconductor memory device when the drain voltage is constant. The horizontal axis represents the gate voltage, and the vertical axis represents the drain current. Curve 12a shows the gate voltage-drain current characteristic in the erased state, and curve 12b shows the gate voltage-drain current characteristic in the written state. From FIG. 4, it can be seen that in the erased state compared to the written state, the drain current starts to flow with a small gate voltage, and the threshold voltage as a transistor decreases.

なお、電荷保持部1内の荷電粒子6の電荷を負(例えば、電子)とした場合、荷電粒子6がゲート電極4に近い領域に多く分布している状態を消去状態とし、トランジスタ特性は曲線12bとなる。また、荷電粒子6がP型ウエル領域5に近い領域に多く分布している状態を書込み状態とし、そのトランジスタ特性は曲線12aとなる。   When the charge of the charged particles 6 in the charge holding unit 1 is negative (for example, electrons), a state where the charged particles 6 are distributed in a region close to the gate electrode 4 is an erased state, and the transistor characteristics are curved. 12b. In addition, a state where many charged particles 6 are distributed in a region close to the P-type well region 5 is referred to as a writing state, and the transistor characteristic is a curve 12a.

図5は上記半導体記憶装置への情報の消去方法を説明するための断面図である。電荷保持部1内の荷電粒子6が正の電荷を有する半導体記憶装置において、消去を行なうには、図5の矢印8に示すように半導体記憶装置に熱を印加した状態または電磁波を照射した状態で、ゲート電極4に正の電圧、例えば+8Vを印加すると共に、基板電極、ソース電極およびドレイン電極にそれぞれ0Vを印加すればよい。すなわち、熱の印加または電磁波の照射により、電荷保持部1内の荷電粒子6は、或るトラップ準位から励起され、電荷保持部1内を移動することが容易となる。その状態でゲート電極4に正の電圧を印加すると、電荷保持部1内の正の荷電粒子6は、ゲート電極4に印加された正の電圧により生じる電場14に従い、P型ウエル領域5に近い領域では密に、ゲート電極4に近い領域では疎に分布することになる。すなわち、荷電粒子6はP型ウエル領域5に近い領域に局在化されることになる。この状態で、熱の印加または電磁波の照射を停止すれば、荷電粒子6は再びトラップ準位に捉えられ、荷電粒子6は図2のように固定される。このようにして、電荷保持部1内の荷電粒子6の分布状態を変化させ、消去を行なうことができる。   FIG. 5 is a cross-sectional view for explaining a method of erasing information from the semiconductor memory device. In the semiconductor memory device in which the charged particles 6 in the charge holding unit 1 have a positive charge, in order to perform erasing, a state in which heat is applied to the semiconductor memory device or an electromagnetic wave is irradiated as shown by an arrow 8 in FIG. Thus, a positive voltage, for example, +8 V may be applied to the gate electrode 4 and 0 V may be applied to the substrate electrode, the source electrode, and the drain electrode, respectively. That is, by applying heat or irradiating electromagnetic waves, the charged particles 6 in the charge holding unit 1 are excited from a certain trap level and can easily move in the charge holding unit 1. When a positive voltage is applied to the gate electrode 4 in this state, the positive charged particles 6 in the charge holding unit 1 are close to the P-type well region 5 according to the electric field 14 generated by the positive voltage applied to the gate electrode 4. The region is densely distributed, and the region close to the gate electrode 4 is sparsely distributed. That is, the charged particles 6 are localized in a region close to the P-type well region 5. If the application of heat or irradiation of electromagnetic waves is stopped in this state, the charged particles 6 are captured again at the trap level, and the charged particles 6 are fixed as shown in FIG. In this manner, the distribution state of the charged particles 6 in the charge holding unit 1 can be changed and erasing can be performed.

図6は上記半導体記憶装置への情報の書込み方法を説明するための断面図である。電荷保持部1内の荷電粒子6が正の電荷を有する半導体記憶装置において、書込みを行なうには、図6に示すように、半導体記憶装置に熱を印加した状態または電磁波を照射した状態で、ゲート電極4に負の電圧、例えば−8Vを、基板電極、ソース電極、およびドレイン電極にそれぞれ0Vを印加すればよい。熱の印加または電磁波の照射により、電荷保持部1内の荷電粒子はトラップ準位から励起され、電荷保持部1内を移動することが容易となる。その状態でゲート電極4に負の電圧を印加すると、電荷保持部1内の正の荷電粒子6はゲート電極よって生じる電場15に従い、P型ウエル領域5の近くでは疎に、ゲート電極4の近くでは密に分布することになる。すなわち、荷電粒子6はゲート電極4の近くに局在化されることになる。そして、熱の印加または電磁波の照射を停止すれば、荷電粒子6は再びトラップ準位に捉えられ、荷電粒子の分布状態は図3のように固定される。このようにして、電荷保持部1内の荷電粒子の分布状態を変化させ、書込みを行なうことができる。   FIG. 6 is a cross-sectional view for explaining a method of writing information to the semiconductor memory device. In the semiconductor memory device in which the charged particles 6 in the charge holding unit 1 have a positive charge, as shown in FIG. 6, in a state where heat is applied to the semiconductor memory device or an electromagnetic wave is irradiated, as shown in FIG. A negative voltage, for example, −8 V may be applied to the gate electrode 4, and 0 V may be applied to the substrate electrode, the source electrode, and the drain electrode. By applying heat or irradiating electromagnetic waves, the charged particles in the charge holding unit 1 are excited from the trap level and can easily move in the charge holding unit 1. When a negative voltage is applied to the gate electrode 4 in this state, the positive charged particles 6 in the charge holding unit 1 follow the electric field 15 generated by the gate electrode, and are sparse near the P-type well region 5 and close to the gate electrode 4. Then it will be densely distributed. That is, the charged particles 6 are localized near the gate electrode 4. When the application of heat or the irradiation of electromagnetic waves is stopped, the charged particles 6 are captured again at the trap level, and the distribution state of the charged particles is fixed as shown in FIG. In this way, the writing state can be changed by changing the distribution state of the charged particles in the charge holding unit 1.

本実施の形態において、電荷保持部1は、例えばシリコン窒化膜により構成されており、その厚さは、例えば1nmから20nmであり、その比誘電率は7.0である。また、第一の絶縁膜10は、例えばシリコン酸化膜により構成されており、その厚さは、例えば0.5nmから10nmであり、その比誘電率は3.9である。また、ゲート電極4は例えばタングステンにより構成されており、その厚さは例えば50nmから500nmである。   In the present embodiment, the charge holding unit 1 is made of, for example, a silicon nitride film, and has a thickness of 1 nm to 20 nm, for example, and a relative dielectric constant of 7.0. The first insulating film 10 is made of, for example, a silicon oxide film, and has a thickness of 0.5 to 10 nm, for example, and a relative dielectric constant of 3.9. The gate electrode 4 is made of, for example, tungsten and has a thickness of, for example, 50 nm to 500 nm.

ここで、上記半導体記憶装置の閾値電圧について述べる。例えば、電荷保持部1の厚さが10nmの場合、真空の誘電率を8.9×10−14F・cm−1とすると、電荷保持部1の1cm当たりの電気容量はおよそ6.2×10−7F・cm−2と計算される。また、例えば、第一の絶縁膜10の厚さが5nmの場合、第一の絶縁膜10の1cm当たりの電気容量はおよそ6.9×10−7F・cm−2と計算される。したがって、書込み状態から消去状態への書換えにおいて、電荷保持部1内の荷電粒子が例えば1.3×10−6C・cm−2だけ、電荷保持部1の最上部から最下部へ移動する場合、書込み状態で読出すときの閾値電圧に比べて、消去状態での読出すときの閾値電圧はおよそ2.0Vだけ減少する。この閾値電圧の差を利用して、書込み状態と消去状態とを区別することが可能となる。 Here, the threshold voltage of the semiconductor memory device will be described. For example, when the thickness of the charge holding unit 1 is 10 nm and the dielectric constant of the vacuum is 8.9 × 10 −14 F · cm −1 , the electric capacity per 1 cm 2 of the charge holding unit 1 is approximately 6.2. It is calculated as x10 −7 F · cm −2 . For example, when the thickness of the first insulating film 10 is 5 nm, the electric capacity per 1 cm 2 of the first insulating film 10 is calculated to be approximately 6.9 × 10 −7 F · cm −2 . Therefore, when rewriting from the written state to the erased state, the charged particles in the charge holding unit 1 move from the top to the bottom of the charge holding unit 1 by, for example, 1.3 × 10 −6 C · cm −2. Compared with the threshold voltage when reading in the written state, the threshold voltage when reading in the erased state is decreased by about 2.0V. Using this threshold voltage difference, it is possible to distinguish between the written state and the erased state.

本実施の形態の半導体記憶装置では、以上のように、上記書込み・消去動作のときに、第一の絶縁膜10中を荷電粒子が通ることがない。そのため、フラッシュメモリなどにおいて書込み消去動作を複数回行なったときに発生するトンネル絶縁膜の劣化などは生じない。したがって、書込み消去動作を複数回行なっても、情報記録特性の劣化が起こり難く、従来に比べてより多くの回数、書換えに耐えることが可能である。また、電荷保持部は二値以上の情報を記憶することが可能であるため、より高集積な多値メモリ装置を提供することが可能である。   In the semiconductor memory device of the present embodiment, as described above, charged particles do not pass through the first insulating film 10 during the write / erase operation. Therefore, there is no deterioration of the tunnel insulating film that occurs when the write / erase operation is performed a plurality of times in a flash memory or the like. Therefore, even if the write / erase operation is performed a plurality of times, the information recording characteristics are hardly deteriorated, and it is possible to withstand the rewriting more times than in the past. In addition, since the charge holding portion can store binary or higher information, a more highly integrated multilevel memory device can be provided.

次に、本実施の形態の半導体記憶装置に対する情報の読み出し動作方法について述べる。   Next, a method for reading information from the semiconductor memory device of this embodiment will be described.

ここで、「読み出し」とは、半導体記憶装置が書込み状態であるか消去状態であるかを検出することである。   Here, “reading” means detecting whether the semiconductor memory device is in a writing state or an erasing state.

電荷保持部1内において局在化されている荷電粒子の分布として記憶されている情報を読み出すには、各電極間に電圧を印加してトランジスタ動作させ、ソース電極とドレイン電極との間に流れる電流をメモリ信号として検出すればよい。具体的には、例えばゲート電極4に+3V、ドレイン電極に+1V、ソース電極および基板電極に0Vをそれぞれ印加する。このとき、半導体記憶装置が消去状態であれば、電荷保持部1下のP型ウエル領域5の表面に反転層(チャネル層)が形成され、ソース領域2とドレイン領域3との間に電流が流れる。一方、半導体記憶装置が書込み状態であれば、P型ウエル領域5表面には反転層が形成されず、ソース領域2とドレイン領域3との間に電流はほとんど流れない。上記のように、トランジスタ動作をさせると、ソース領域2とドレイン領域3との間に流れる電流量は、半導体記憶装置が書込み状態であるか消去状態であるかに応じて異なる。したがって、この電流値をメモリ信号として外部に設けられている制御回路へ送り、制御回路においてメモリ信号の大きさを検出すれば、半導体記憶装置が書込み状態であるか消去状態であるかを検出することが可能となる。   In order to read information stored as a distribution of charged particles localized in the charge holding unit 1, a voltage is applied between the electrodes to operate the transistor, and the information flows between the source electrode and the drain electrode. What is necessary is just to detect an electric current as a memory signal. Specifically, for example, + 3V is applied to the gate electrode 4, + 1V is applied to the drain electrode, and 0V is applied to the source electrode and the substrate electrode. At this time, if the semiconductor memory device is in the erased state, an inversion layer (channel layer) is formed on the surface of the P-type well region 5 under the charge holding portion 1, and current flows between the source region 2 and the drain region 3. Flowing. On the other hand, if the semiconductor memory device is in a written state, no inversion layer is formed on the surface of the P-type well region 5, and almost no current flows between the source region 2 and the drain region 3. As described above, when the transistor is operated, the amount of current flowing between the source region 2 and the drain region 3 varies depending on whether the semiconductor memory device is in a writing state or an erasing state. Therefore, if this current value is sent as a memory signal to a control circuit provided outside, and the magnitude of the memory signal is detected in the control circuit, it is detected whether the semiconductor memory device is in a write state or an erase state. It becomes possible.

次に、図7に基づいて、上述した半導体記憶装置の変形例について以下に説明する。   Next, a modification of the semiconductor memory device described above will be described with reference to FIG.

図7は本実施の形態における半導体記憶装置の変形例を示す断面図である。本変形例の半導体記憶装置では、図7に示すように、電荷保持部16はシリコン酸化膜17とシリコン窒化膜18とから構成されており、シリコン酸化膜17とシリコン窒化膜18とが交互に積層されて合計十層の積層膜となっているものである。本変形例において、シリコン酸化膜17の膜厚は、第一の絶縁膜10および第二の絶縁膜11に比べ十分薄く、トンネル効果により荷電粒子は容易にシリコン酸化膜17を通過することができる。また、第一の絶縁膜10および第二の絶縁膜11は十分厚いため、トンネル効果はほとんど見られず、電荷保持部16に保持された荷電粒子は、ゲート電極4およびウエル領域5に移動しない。したがって、電荷保持部16において荷電粒子の分布状態が保持されることにより、情報の書込み・消去・読込動作を行うことができる。   FIG. 7 is a cross-sectional view showing a modification of the semiconductor memory device in this embodiment. In the semiconductor memory device of this modification, as shown in FIG. 7, the charge holding unit 16 is composed of a silicon oxide film 17 and a silicon nitride film 18, and the silicon oxide film 17 and the silicon nitride film 18 are alternately arranged. A total of ten laminated films are laminated. In this modification, the thickness of the silicon oxide film 17 is sufficiently thinner than the first insulating film 10 and the second insulating film 11, and the charged particles can easily pass through the silicon oxide film 17 by the tunnel effect. . Further, since the first insulating film 10 and the second insulating film 11 are sufficiently thick, the tunnel effect is hardly seen, and the charged particles held in the charge holding portion 16 do not move to the gate electrode 4 and the well region 5. . Therefore, the charge holding unit 16 holds the distribution state of the charged particles, whereby information can be written / erased / read.

以上のように、本実施の形態の半導体記憶装置によれば、情報の書き換え(書込み・消去)動作では、電荷保持部への荷電粒子の注入または抜き出しを必要としないので、半導体基板界面における界面準位が増加することや、絶縁膜中のトラップ準位が増加することを防止することができる。したがって、書込み状態と消去状態との区別が明確になり、情報の読み出し不良を抑制することができる。また、電荷保持部は絶縁されているため、荷電粒子が抜け出すことがなく、情報を長期間保持することが可能となる。   As described above, according to the semiconductor memory device of the present embodiment, in the information rewrite (write / erase) operation, it is not necessary to inject or extract charged particles into the charge holding portion. It is possible to prevent the level from increasing and the trap level in the insulating film from increasing. Therefore, the distinction between the written state and the erased state becomes clear, and information reading failure can be suppressed. In addition, since the charge holding portion is insulated, charged particles do not escape and information can be held for a long time.

しかも、高電圧を必要とするホットエレクトロン注入等が不要であり、低電圧での書込み動作が可能となる。したがって、半導体記憶装置の品質が劣化することを抑制することができる。   In addition, hot electron injection that requires a high voltage is not required, and a write operation at a low voltage is possible. Therefore, deterioration of the quality of the semiconductor memory device can be suppressed.

また、本実施の形態の半導体記憶装置は、励起装置を備えていることが望ましい。これにより、荷電粒子を励起させながら、情報の書き換えを行なうことができる。したがって、荷電粒子の移動を容易にすることができ、半導体記憶装置に印加する電圧をより低電圧にすることが可能となる。   In addition, the semiconductor memory device of this embodiment preferably includes an excitation device. Thereby, information can be rewritten while exciting charged particles. Therefore, the movement of the charged particles can be facilitated, and the voltage applied to the semiconductor memory device can be lowered.

さらに、電荷保持部1はシリコン酸化膜やシリコン窒化膜からなるので、トラップ準位が多く、荷電粒子を保持しやすくなる。したがって、情報を長期間保持することが可能となる。また、情報量を増大させることが可能となる。   Furthermore, since the charge holding unit 1 is made of a silicon oxide film or a silicon nitride film, there are many trap levels and it is easy to hold charged particles. Therefore, information can be retained for a long time. In addition, the amount of information can be increased.

なお、上述の説明では、電荷が正である荷電粒子6が電荷保持部1内の半導体基板側に多く存在する状態、および、ゲート電極4側に多く存在する状態の二つの状態のみを記録する二値メモリとして説明をしたが、これに限るものではない。すなわち、書込み時および消去時に印加するゲート電圧の大きさにより、電荷保持部1内の荷電粒子の分布状態を連続的に制御可能であるため、荷電粒子の分布状態に応じた連続的なメモリ信号を得ることができる。したがって、高集積なアナログメモリとして利用することも可能である。また、電荷保持部1内の荷電粒子の分布状態を離散的に制御し保持することも可能であるため、荷電粒子の分布状態に応じた離散的なメモリ信号を得ることができる。したがって多値メモリとして利用することも可能である。   In the above description, only two states are recorded: a state where many charged particles 6 having a positive charge are present on the semiconductor substrate side in the charge holding unit 1 and a state where many charged particles 6 are present on the gate electrode 4 side. Although described as a binary memory, it is not limited to this. That is, since the distribution state of the charged particles in the charge holding unit 1 can be continuously controlled by the magnitude of the gate voltage applied at the time of writing and erasing, a continuous memory signal corresponding to the distribution state of the charged particles is obtained. Can be obtained. Therefore, it can be used as a highly integrated analog memory. In addition, since the distribution state of the charged particles in the charge holding unit 1 can be discretely controlled and held, a discrete memory signal corresponding to the distribution state of the charged particles can be obtained. Therefore, it can be used as a multi-level memory.

また、本実施の形態では、半導体記憶装置に電荷保持部が一つだけ形成されている場合について説明をしたが、電荷保持部が複数形成されていてもよい。また、各電荷保持部に対応させて、ゲート電極や、絶縁膜や、ソース領域、ドレイン領域が複数形成されていてもよい。この場合、複数の電荷保持部が例えば半導体基板上にマトリクス状に配置されたメモリセルアレイとなっていてもよい。これにより、大容量の情報を記憶することができる。   In this embodiment, the case where only one charge holding portion is formed in the semiconductor memory device has been described. However, a plurality of charge holding portions may be formed. In addition, a plurality of gate electrodes, insulating films, source regions, and drain regions may be formed corresponding to each charge holding portion. In this case, a plurality of charge holding units may be a memory cell array arranged in a matrix on a semiconductor substrate, for example. Thereby, a large amount of information can be stored.

さらに、必要に応じて、半導体記憶装置に印加される電圧を制御する制御回路を備えていてもよい。これにより、例えば、半導体記憶装置が電荷保持部を複数備えている場合、複数の電荷保持部にそれぞれ書込み、消去、読出しの動作を行なわせることが可能となる。   Further, a control circuit for controlling a voltage applied to the semiconductor memory device may be provided as necessary. Accordingly, for example, when the semiconductor memory device includes a plurality of charge holding units, it is possible to perform write, erase, and read operations on the plurality of charge holding units, respectively.

また、本発明が提供する半導体記憶装置は、電荷保持部1が半導体基板表面に形成されたP型ウエル領域5上に形成されることが好ましい。   In the semiconductor memory device provided by the present invention, it is preferable that the charge holding portion 1 is formed on the P-type well region 5 formed on the surface of the semiconductor substrate.

なお、本発明の半導体記憶装置は、以下のように表現することができる。   Note that the semiconductor memory device of the present invention can be expressed as follows.

〔1〕本発明が提供する第一の半導体記憶装置は、電荷保持部内の荷電粒子の分布状態を保持することにより情報を記憶することを特徴としている。   [1] A first semiconductor memory device provided by the present invention is characterized in that information is stored by holding a distribution state of charged particles in a charge holding unit.

〔2〕本発明が提供する第二の半導体記憶装置は、半導体基板と、上記半導体基板上に形成された電荷保持部と、上記電荷保持部上に形成された電極(ゲート電極)と、上記電荷保持部下に形成されたチャネル領域と、上記チャネル領域の左右に形成された一対の拡散層領域と、素子分離領域とを備え、上記電荷保持部内には常温ではその位置が固定されている荷電粒子を含むことを特徴としている。   [2] A second semiconductor memory device provided by the present invention includes a semiconductor substrate, a charge holding portion formed on the semiconductor substrate, an electrode (gate electrode) formed on the charge holding portion, A charge region having a channel region formed under the charge holding portion, a pair of diffusion layer regions formed on the left and right sides of the channel region, and an element isolation region, the position of which is fixed in the charge holding portion at room temperature It is characterized by containing particles.

〔3〕本発明が提供する第三の半導体記憶装置は、半導体基板と、上記半導体基板上に形成された電荷保持部と、上記電荷保持部上に形成された電極(ゲート電極)と、上記電荷保持部下に形成されたチャネル領域と、上記チャネル領域の左右に形成された一対の拡散層領域と、素子分離領域とを備え、上記電荷保持部内には常温ではその位置が固定されている荷電粒子を含む半導体不揮発性メモリセルを複数備えたセルアレイと、上記電荷保持部内の荷電粒子を活性化し電荷保持部内での移動を容易にするための装置と、上記セルアレイの電流および電圧を制御する回路とを備えることを特徴としている。   [3] A third semiconductor memory device provided by the present invention includes a semiconductor substrate, a charge holding portion formed on the semiconductor substrate, an electrode (gate electrode) formed on the charge holding portion, A charge region having a channel region formed under the charge holding portion, a pair of diffusion layer regions formed on the left and right sides of the channel region, and an element isolation region, the position of which is fixed in the charge holding portion at room temperature A cell array having a plurality of semiconductor nonvolatile memory cells containing particles, a device for activating charged particles in the charge holding unit and facilitating movement in the charge holding unit, and a circuit for controlling the current and voltage of the cell array It is characterized by comprising.

〔4〕本発明が提供する第四の半導体記憶装置は、上記〔1〕から〔3〕までの半導体記憶装置において、電荷保持部がシリコン窒化膜、またはシリコン酸化膜とシリコン窒化膜とを二層以上積層した積層膜から成ることを特徴としている。   [4] A fourth semiconductor memory device provided by the present invention is the semiconductor memory device according to any one of [1] to [3], wherein the charge holding unit includes a silicon nitride film or a silicon oxide film and a silicon nitride film. It is characterized by comprising a laminated film in which at least one layer is laminated.

上記〔4〕の構成によれば、シリコン窒化膜中にはトラップ準位が多数存在しているため、常温においては電荷保持部内の荷電粒子の移動は困難であるため、荷電粒子の分布状態はほとんど変化しない。また、電荷保持部を高温にしたとき、または電荷保持部に電磁波を照射したときには、電荷保持部内の荷電粒子の移動が容易となるため、荷電粒子の分布状態を容易に変化させることが可能である。   According to the configuration of [4] above, since many trap levels exist in the silicon nitride film, it is difficult to move charged particles in the charge holding portion at room temperature. Almost no change. In addition, when the charge holding unit is heated or when the charge holding unit is irradiated with electromagnetic waves, the movement of the charged particles in the charge holding unit is facilitated, so that the distribution state of the charged particles can be easily changed. is there.

〔5〕本発明が提供する第五の半導体記憶装置は、上記第一から第四までの半導体記憶装置において、電荷保持部内の荷電粒子の活性化を行なうための装置として、発熱回路または電磁波の発生回路を有することを特徴としている。   [5] A fifth semiconductor memory device provided by the present invention provides a heating circuit or an electromagnetic wave as a device for activating charged particles in the charge holding portion in the first to fourth semiconductor memory devices. It has a generation circuit.

〔6〕本発明が提供する半導体記憶装置の書込み消去方法は、第一から第五までの半導体記憶装置において、熱または電磁波を印加した状態で、電荷保持部上に形成された電極へ電圧を印加して電荷保持部内の荷電粒子の分布状態を変化させることにより情報の書換えを行なうことを特徴としている。   [6] In the semiconductor memory device write / erase method provided by the present invention, in the first to fifth semiconductor memory devices, a voltage is applied to the electrode formed on the charge holding portion in a state where heat or electromagnetic waves are applied. It is characterized in that information is rewritten by changing the distribution state of charged particles in the charge holding portion when applied.

上記〔6〕の構成によれば、書込み消去動作のときに電荷保持部への荷電粒子の注入を必要としないため、界面の劣化が少ない。そのため、多数回の書込み消去動作に耐えることが可能である。   According to the configuration [6], since no charged particle injection into the charge holding unit is required during the write / erase operation, the interface is hardly deteriorated. Therefore, it is possible to withstand a large number of write / erase operations.

上記〔1〕〜〔6〕の構成によれば、本発明が提供する半導体記憶装置は、電荷保持部内の荷電粒子の分布状態を保持することにより情報を記憶するため、書込み消去動作のときに、荷電粒子が半導体基板界面および絶縁膜中を通過しない。そのため、荷電粒子量を変化させて情報を記憶するメモリ装置と比べると、絶縁膜中および半導体基板界面の劣化が少ない。そのため、本発明が提供する半導体記憶装置は、従来よりも多くの回数、書込み消去動作に耐えることが可能である。   According to the above configurations [1] to [6], the semiconductor memory device provided by the present invention stores information by holding the distribution state of the charged particles in the charge holding unit. The charged particles do not pass through the semiconductor substrate interface and the insulating film. Therefore, compared with a memory device that stores information by changing the amount of charged particles, there is less deterioration in the insulating film and at the semiconductor substrate interface. Therefore, the semiconductor memory device provided by the present invention can withstand the write / erase operation more times than before.

なお、本発明の半導体記憶装置は、特に限定されるものではなく、例えば、半導体不揮発性メモリ装置に適用することができる。   The semiconductor memory device of the present invention is not particularly limited and can be applied to, for example, a semiconductor nonvolatile memory device.

また、本発明は上述した実施形態に限定されるものではなく、請求項に示した範囲で種々の変更が可能である。すなわち、請求項に示した範囲で適宜変更した技術的手段を組み合わせて得られる実施形態についても本発明の技術的範囲に含まれる。   The present invention is not limited to the above-described embodiments, and various modifications can be made within the scope shown in the claims. That is, embodiments obtained by combining technical means appropriately modified within the scope of the claims are also included in the technical scope of the present invention.

本発明に係る半導体記憶装置では、情報記憶特性が向上するので、半導体記憶装置を備える半導体装置や表示装置に適用できる。   In the semiconductor memory device according to the present invention, since the information storage characteristics are improved, the semiconductor memory device can be applied to a semiconductor device or a display device including the semiconductor memory device.

本発明の一実施の形態における半導体記憶装置の断面図である。1 is a cross-sectional view of a semiconductor memory device in an embodiment of the present invention. 上記半導体記憶装置が消去状態であるときの電荷保持部内における正孔の分布状態を示す断面図である。It is sectional drawing which shows the distribution state of the hole in an electric charge holding part when the said semiconductor memory device is an erased state. 上記半導体記憶装置が書込み状態であるときの電荷保持部内における正孔の分布状態を示す断面図である。It is sectional drawing which shows the distribution state of the hole in an electric charge holding part when the said semiconductor memory device is in a writing state. 上記半導体記憶装置が書込み状態であるとき、および、消去状態であるときのそれぞれのゲート電圧−ドレイン電流特性を示すグラフである。4 is a graph showing respective gate voltage-drain current characteristics when the semiconductor memory device is in a write state and in an erase state. 上記半導体記憶装置への情報の消去方法を説明するための断面図である。It is sectional drawing for demonstrating the erase method of the information to the said semiconductor memory device. 上記半導体記憶装置への情報の書込み方法を説明するための断面図である。It is sectional drawing for demonstrating the writing method of the information to the said semiconductor memory device. 上記半導体記憶装置の変形例を示す断面図である。It is sectional drawing which shows the modification of the said semiconductor memory device. 従来の半導体記憶装置の断面図である。It is sectional drawing of the conventional semiconductor memory device.

符号の説明Explanation of symbols

1 電荷保持部
2 ソース領域(拡散層領域)
3 ドレイン領域(拡散層領域)
4 ゲート電極
5 P型ウエル領域(チャネル領域)
6 荷電粒子
7 励起装置
10 第一の絶縁膜
11 第二の絶縁膜
16 電荷保持部
17 シリコン酸化膜
18 シリコン窒化膜
1 Charge holding part 2 Source region (diffusion layer region)
3 Drain region (diffusion layer region)
4 Gate electrode 5 P-type well region (channel region)
6 Charged Particle 7 Excitation Device 10 First Insulating Film 11 Second Insulating Film 16 Charge Holding Portion 17 Silicon Oxide Film 18 Silicon Nitride Film

Claims (5)

半導体基板に形成されたチャネル領域と、上記チャネル領域を挟むように形成された一対の拡散層領域と、上記チャネル領域上に第一の絶縁膜を介して形成された電荷保持部と、上記電荷保持部上に第二の絶縁膜を介して形成されたゲート電極とを備え、
上記電荷保持部は、内部に荷電粒子を保持し、その保持している荷電粒子の異なる分布状態により情報を記憶することが可能であり、
上記電荷保持部はシリコン酸化膜とシリコン窒化膜とから構成されており、シリコン酸化膜とシリコン窒化膜とが交互に積層された積層膜であることを特徴とする半導体記憶装置。
A channel region formed on a semiconductor substrate; a pair of diffusion layer regions formed so as to sandwich the channel region; a charge holding portion formed on the channel region via a first insulating film; and the charge A gate electrode formed on the holding portion via the second insulating film,
The charge holding unit holds the inside charged particles, Ri can der to store information by different distribution of the charged particles that its retention,
The charge holding portion is composed of a silicon oxide film and a silicon nitride film, a semiconductor memory device according to claim laminate film der Rukoto where the silicon oxide film and a silicon nitride film are alternately stacked.
半導体基板に形成されたチャネル領域と、上記チャネル領域を挟むように形成された一対の拡散層領域と、上記チャネル領域上に第一の絶縁膜を介して形成された電荷保持部と、上記電荷保持部上に第二の絶縁膜を介して形成されたゲート電極とを備え、
上記電荷保持部は常温で内部の荷電粒子の分布状態を保持し得る絶縁体からなり、
電荷保持部に保持された荷電粒子の分布状態に応じて、上記ゲート電極に電圧が印加された際に一方の拡散層領域から他方の拡散層領域へと流れる電流量が変化するようになっており、
上記電荷保持部はシリコン酸化膜とシリコン窒化膜とから構成されており、シリコン酸化膜とシリコン窒化膜とが交互に積層された積層膜であることを特徴とする半導体記憶装置。
A channel region formed on a semiconductor substrate; a pair of diffusion layer regions formed so as to sandwich the channel region; a charge holding portion formed on the channel region via a first insulating film; and the charge A gate electrode formed on the holding portion via the second insulating film,
The charge holding portion is made of an insulator capable of holding a distribution state of charged particles inside at room temperature,
The amount of current flowing from one diffusion layer region to the other diffusion layer region when a voltage is applied to the gate electrode changes according to the distribution state of the charged particles held in the charge holding unit. And
The charge holding portion is composed of a silicon oxide film and a silicon nitride film, a semiconductor memory device according to claim laminate film der Rukoto where the silicon oxide film and a silicon nitride film are alternately stacked.
電荷保持部内の荷電粒子を励起させる励起装置をさらに備えていることを特徴とする請求項1又は2記載の半導体記憶装置。 The semiconductor memory device according to claim 1 or 2, wherein the further comprising a pumping device for exciting the charged particles in the charge holding portion. 前記励起装置は、発熱装置又は電磁波発生装置であることを特徴とする請求項記載の半導体記憶装置。 4. The semiconductor memory device according to claim 3 , wherein the excitation device is a heat generating device or an electromagnetic wave generator. 請求項1〜の何れか1項に記載の半導体記憶装置の動作方法であって、
電荷保持部内に保持されている荷電粒子を励起させた状態で、ゲート電極に電圧を印加して上記荷電粒子の分布状態を変化させることにより、情報の書換えを行なうことを特徴とする半導体記憶装置の動作方法。
A method of operating a semiconductor memory device according to any one of claims 1-4,
Information is rewritten by changing the distribution state of the charged particles by applying a voltage to the gate electrode while the charged particles held in the charge holding portion are excited. How it works.
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