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JPH0147906B2 - - Google Patents
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JPH0147906B2 - - Google Patents

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JPH0147906B2
JPH0147906B2 JP55043879A JP4387980A JPH0147906B2 JP H0147906 B2 JPH0147906 B2 JP H0147906B2 JP 55043879 A JP55043879 A JP 55043879A JP 4387980 A JP4387980 A JP 4387980A JP H0147906 B2 JPH0147906 B2 JP H0147906B2
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JP
Japan
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offset
region
insulating film
drain
offset region
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JP55043879A
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Shinji Morozumi
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Seiko Epson Corp
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Seiko Epson Corp
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Publication date
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    • HELECTRICITY
    • H10SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10DINORGANIC ELECTRIC SEMICONDUCTOR DEVICES
    • H10D30/00Field-effect transistors [FET]
    • H10D30/60Insulated-gate field-effect transistors [IGFET]
    • H10D30/69IGFETs having charge trapping gate insulators, e.g. MNOS transistors

Landscapes

  • Non-Volatile Memory (AREA)
  • Semiconductor Memories (AREA)

Description

【発明の詳細な説明】 本発明はMIS型トランジスタを用いた不揮発性
のメモリーに関するものであり、特に、ドレイン
拡散層とゲート電極直下の領域との間にオフセツ
ト領域を設け、ここに電界集中を起こさせること
によつて発生した高エネルギーの電子を、オフセ
ツト領域上部に形成された電子の蓄積領域に注入
して、情報を記憶する不揮発性メモリーの構造に
関するものである。
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION The present invention relates to a nonvolatile memory using an MIS transistor, and in particular, an offset region is provided between a drain diffusion layer and a region directly under a gate electrode to concentrate an electric field there. The present invention relates to a structure of a nonvolatile memory that stores information by injecting high-energy electrons generated by causing the offset region to rise into an electron storage region formed above the offset region.

また、本願発明は、オフセツト領域上部に形成
した電子の蓄積領域上部を覆うようにドレイン電
極を配置し、このドレイン電極の正電位を利用し
て、オフセツト領域で発生した高エネルギーの電
子を、効率よく蓄積領域に注入することを特徴と
する。
Furthermore, the present invention arranges a drain electrode so as to cover the upper part of the electron accumulation region formed above the offset region, and utilizes the positive potential of the drain electrode to efficiently collect high-energy electrons generated in the offset region. It is often characterized by injection into the accumulation area.

従来、不揮発性の固体素子メモリーとしては、
フローテイングゲート型のMISトランジスタ
(FAMOS)と窒化膜―酸化膜の界面準位を用い
るMNOS型の2種が主として用いられてきた。
FAMOS型のものは二重ゲート構造であり、その
欠点は、二重ゲートのため、トランジスタのコン
ダクタンスが向上できずアクセスタイムが向上で
きない、ゲートでの段差が大きく、Al配線の断
線を起こしやすい、短チヤンネル化がむずかしく
結局微細化ができないので大容量が困難であり、
かつ製造工程が複雑で歩留りが悪いという欠点が
あつた。又MNOS型のものは酸化膜をトンネル
によつてキヤリアを通過させるため、非常にうす
い酸化膜を形成することがむずかしく、同時に保
持特性が悪く、やはり製造上のむずかしさが多分
にあつた。
Traditionally, non-volatile solid-state memory
Two types of MIS transistors have been mainly used: floating gate MIS transistors (FAMOS) and MNOS transistors that use nitride-oxide interface states.
The FAMOS type has a double gate structure, and its disadvantages are that because of the double gate, the conductance of the transistor cannot be improved and the access time cannot be improved, the step at the gate is large, and the Al wiring is easily disconnected. It is difficult to shorten the channel, and ultimately it is impossible to miniaturize it, so it is difficult to achieve large capacity.
Moreover, the manufacturing process was complicated and the yield was low. In addition, in the MNOS type, since the carrier passes through the oxide film through a tunnel, it is difficult to form a very thin oxide film, and at the same time, the retention characteristics are poor, making manufacturing difficult.

本発明はこのような状況を鑑みて行なわれたも
のであり、不揮発性メモリーの大容量化、高速
化、を可能にすると共に製造しやすい方式を提供
することを目的とする。
The present invention was made in view of the above situation, and an object of the present invention is to provide a method that enables a nonvolatile memory to have a larger capacity and faster speed, and is easy to manufacture.

本発明に用いる不揮発性メモリーとなるMISト
ランジスタは、ドレイン拡散層とゲート電極の間
にオフセツト領域を設けて、ここに電界集中を起
こさせ、この強電界により加速されたキヤリアを
オフセツト上部のトラツプ準位、乃至はこれと同
等のフローテイング電極の如くの蓄積領域にトラ
ツプさせて、トランジスタの“0”又は“1”の
判読を行なうものである。
The MIS transistor, which serves as a non-volatile memory used in the present invention, has an offset region between the drain diffusion layer and the gate electrode to cause electric field concentration there, and carriers accelerated by this strong electric field to the trap level above the offset. The ``0'' or ``1'' level of the transistor is determined by trapping it in an accumulation region such as a floating electrode or an equivalent floating electrode.

第1図は本発明の不揮発特性を示すMOSトラ
ンジスタの一具体例を示すものであり、トラツプ
として、シリコン窒化膜―酸化膜界面を用いる。
P-シリコン基板1にソース拡散層N+2とドレイ
ン拡散層N+3を形成しその後シリコン酸化膜5、
シリコン窒化膜6を形成しゲート電極9を形成し
た後、イオン打込法によりオフセツト部分に比較
的低濃度のオフセツト領域4を形成する。その後
酸化膜7をデポジツトし、更にホールを開孔し、
金属配線8をオフセツト上部を覆うよう配置す
る。このトランジスタは、ゲート電極9に適当な
正バイアスを与えるとチヤンネルがN反転し、キ
ヤリアである電子はソースからチヤンネル、オフ
セツト領域4を介してドレインに流れ、第5図A
に示すようなごく普通のV―I特性を初期特性と
して示す。この状態でドレイン電圧VDを上昇さ
せるとチヤンネル部に対し、オフセツト領域の等
価抵抗が高くなりここの電界集中が激しくなり遂
には高エネルギーの電子が生じる。一方オフセツ
ト領域の上部にはドレイン電極が配置され、ドレ
インは正バイアスとなつているので、オフセツト
部で加速された電子の一部は、上方へ加速され酸
化膜5のバリアを越えて酸化膜5―窒化膜6の界
面準位を埋める。この結果オフセツト領域の上部
は負バイアスとなり、オフセツト領域がP反転し
て電流を遮断し、これを打消すだけのドレインバ
イアスΔVをかけて始めて電流が流せるようにな
る。この結果特性は第5図Bの如く遷移する。注
入電圧VD0を印加して始めて特性はAからBへ移
ることになり、一度Bの如くシフトすると、注入
された電荷は、光により消去されない限り半永久
的に保され不揮発性のメモリートランジスタとし
て作用することになる。ΔVが読み出し電圧より
大きければトランジスタはOFFの状態と同じで
あり、“0”“1”の検出が可能となる。当然注入
された電荷を蓄える方法は、このような界面トラ
ツプのみでなく、ローテイング層を設けたり、ト
ラツプ密度の高い酸化膜(例えばCVD膜)を用
いてもよい。
FIG. 1 shows a specific example of a MOS transistor exhibiting nonvolatile characteristics according to the present invention, in which a silicon nitride film-oxide film interface is used as a trap.
A source diffusion layer N + 2 and a drain diffusion layer N + 3 are formed on a P - silicon substrate 1, and then a silicon oxide film 5,
After forming the silicon nitride film 6 and the gate electrode 9, a relatively low concentration offset region 4 is formed in the offset portion by ion implantation. After that, an oxide film 7 is deposited, and holes are further opened.
The metal wiring 8 is arranged so as to cover the upper part of the offset. In this transistor, when an appropriate positive bias is applied to the gate electrode 9, the channel is inverted to N, and the carrier electrons flow from the source to the channel, and then to the drain via the offset region 4, as shown in FIG.
A very ordinary VI characteristic as shown in is shown as the initial characteristic. When the drain voltage V D is increased in this state, the equivalent resistance of the offset region increases with respect to the channel portion, the electric field concentration there becomes intense, and high-energy electrons are finally generated. On the other hand, a drain electrode is arranged above the offset region, and since the drain is positively biased, some of the electrons accelerated in the offset region are accelerated upward and cross the barrier of the oxide film 5 to reach the oxide film 5. -Fill the interface levels of the nitride film 6. As a result, the upper part of the offset region becomes a negative bias, and the offset region inverts P to cut off the current, and only by applying a drain bias ΔV sufficient to cancel this, can the current flow. As a result, the characteristics change as shown in FIG. 5B. It is only when the injection voltage V D0 is applied that the characteristics shift from A to B. Once shifted to B, the injected charge is retained semi-permanently unless erased by light and acts as a non-volatile memory transistor. I will do it. If ΔV is larger than the read voltage, the transistor is in the OFF state, and "0" and "1" can be detected. Naturally, the method for storing the injected charges is not limited to such interface traps, but may also include providing a rotating layer or using an oxide film with a high trap density (for example, a CVD film).

本発明においてはオフセツト領域にいかに電界
集中を発生させるかが1つのポイントである。こ
のため、オフセツト長L0とオフセツト領域のイ
オン打込のドーズ量が、2つの大きなフアクタと
なる。第6図はこの関係を示し注入電圧VD0を下
げ効率よく注入するためには、オフセツト長L0
を短かく、又ドーズ量が少ない方がよいが、実験
の結果では実効のオフセツト長は4μm以下、ドー
ズ量は5×1012/cm2以下が特に有効であつた。又
特性の遷移時間はドレインに電圧を印加してから
50msec以下と高速であり、更に早くするために
はオフセツト上部の金属電極をできるだけ大きな
正バイアスを与えると共にオフセツト上部のシリ
コン面から金属電極までの総膜厚をうすく、特に
酸化膜7をうすくすることが有効である。この場
合酸化膜5は500Å、窒化膜6は400Å、酸化膜7
は2000Åであつたが、酸化膜7をオフセツト上部
のみ局部的にうすくするか、用いない方式なら更
に高速書込が不能となる。
One key point in the present invention is how to generate electric field concentration in the offset region. Therefore, the offset length L0 and the dose of ion implantation in the offset region become two major factors. Figure 6 shows this relationship. In order to lower the injection voltage V D0 and inject efficiently, the offset length L 0
Although it is better to shorten the distance and use a smaller dose, experimental results show that an effective offset length of 4 μm or less and a dose of 5×10 12 /cm 2 or less are particularly effective. Also, the transition time of the characteristics is determined by applying the voltage to the drain.
It is fast, less than 50 msec, and to make it even faster, apply as much positive bias as possible to the metal electrode above the offset and thin the total film thickness from the silicon surface to the metal electrode above the offset, especially the oxide film 7. is valid. In this case, the oxide film 5 is 500 Å, the nitride film 6 is 400 Å, and the oxide film 7 is
was 2000 Å, but if the oxide film 7 is locally thinned or not used only above the offset, even higher speed writing becomes impossible.

第2図はこの不揮発性トランジスタを用いて集
積回路中に平面配置した例である。ゲート線1
0,11は各々アドレス線となり、ドレイン引出
電極線19,20はオフセツト部12,13,1
4,15上を横切つてビツト線を構成する。ソー
ス拡散層23,24は電源の(−)側に、又ドレ
イン拡散層21,22はコンタクトホール17,
18を介してビツト線に接続される。一点鎖線の
枠内25,26が各々1ビツトを構成する。
FIG. 2 shows an example in which this nonvolatile transistor is arranged in a plane in an integrated circuit. gate line 1
0 and 11 are address lines, respectively, and drain extraction electrode lines 19 and 20 are offset parts 12, 13, and 1.
4 and 15 to form a bit line. The source diffusion layers 23, 24 are on the (-) side of the power supply, and the drain diffusion layers 21, 22 are on the contact hole 17,
It is connected to the bit line via 18. Each of the bits 25 and 26 within the dashed-dotted line constitutes one bit.

本発明の不揮発性メモリーの特徴としては、 オフセツト構造であるのでパンチスルー耐圧
が高く、従つてシヨートチヤネル化がしやすく
この結果トランジスタのコンダクタンスが向上
しアクセスタイムが大幅向上すると同時に、小
面積化ができ大容量メモリーが可能となる。
The non-volatile memory of the present invention has an offset structure, so it has a high punch-through voltage, and therefore can be easily formed into a short channel.As a result, the conductance of the transistor is improved, the access time is greatly improved, and the area can be reduced. Large capacity memory becomes possible.

FAMOSタイプのような二重ゲート構造でな
いもので、急段差によるAl配線の断線の心配
がなく、第2図のビツト線の如くゲート上の配
線ができ、しかも細くしても良いので、チヤネ
ル幅を減少できセルサイズを減少して大容量化
が画れる。又ドレインからの引出線がオフセツ
ト上部を配線するので前述の如く注入効率が向
上できる。
It does not have a double gate structure like the FAMOS type, so there is no need to worry about the Al wiring breaking due to sudden steps, and the wiring above the gate can be made like the bit line in Figure 2. Moreover, it can be made thinner, so the channel width can be reduced. It is possible to reduce cell size and increase capacity. Furthermore, since the lead line from the drain is routed above the offset, the injection efficiency can be improved as described above.

トラツプ界面を形成する酸化膜5はMNOS
の如く数十Åである必要がなく数百Åでもよい
ので製造上、容易であり、かつ膜欠陥が少なく
歩留が向上できると共に保持特性がよい。又ゲ
ートは一層であるのでFAMOSの二重ゲートの
ような複雑な工程は必要としない。
The oxide film 5 forming the trap interface is MNOS.
The thickness does not need to be several tens of angstroms, but may be several hundred angstroms, so it is easy to manufacture, has few film defects, can improve yield, and has good retention characteristics. Also, since the gate is a single layer, there is no need for complicated processes like the double gate of FAMOS.

と、以上の如く、大容量化、高速化が可能になる
と共に製造も簡略化されて歩留りも向上し、更に
は保持特性もよいという非常に優れた素子である
ところにある。
As described above, it is an extremely excellent device that allows for larger capacity and higher speed, simplifies manufacturing, improves yield, and has good retention characteristics.

第3図は本発明の不揮発性トランジスタの製造
例を示している。(a)P-基板39上に酸化膜30、
窒化膜31、更に多結晶シリコン32を形成し、
ここにリンを全面ドープしてN+層とする。(b)そ
の後多結晶シリコンをホトリツ工程によりゲート
構造33を構成し、レジスト34をマスクとし
て、リンイオンを打ち込み、比較的高濃度のソー
ス、ドレイン拡散35,36を形成する。(c)その
後、更に全面にリンイオンを比較的低濃度を打込
み、オフセツト部37を形成する。
FIG. 3 shows an example of manufacturing a nonvolatile transistor of the present invention. (a) Oxide film 30 on P -substrate 39,
A nitride film 31 and further polycrystalline silicon 32 are formed,
The entire surface is doped with phosphorus to form an N + layer. (b) Thereafter, a gate structure 33 is formed using polycrystalline silicon by a photolithography process, and phosphorus ions are implanted using the resist 34 as a mask to form relatively high concentration source and drain diffusions 35 and 36. (c) Thereafter, phosphorus ions are further implanted at a relatively low concentration over the entire surface to form an offset portion 37.

第4図はオフセツト領域を更に短かく形成する
一工程例を示している。(a)P-基板45上に酸化
膜42、窒化膜41、多結晶シリコン40を形成
後、全面にリンを拡散するとソース、ドレイン拡
散層43,44が形成される。(b)その後、熱酸化
すると多結晶シリコンの酸化速度は横方向が縦方
向より一桁程度速いので酸化膜層46が図のよう
に形成される。(c)その後酸化膜のみエツチングす
ると図のように多結晶シリコン40の長さが短か
くなり、ソースドレイン拡散層との間にすきまが
できる。この状態で全面にリンイオンを打込んで
オフセツト部47,48が形成できる。このオフ
セツトの長さはフオト工程によらないため1μm前
後の値が再現性よく実現できることに特徴があ
る。
FIG. 4 shows an example of a step in which the offset region is made shorter. (a) After forming an oxide film 42, a nitride film 41, and a polycrystalline silicon 40 on a P - substrate 45, phosphorus is diffused over the entire surface to form source and drain diffusion layers 43 and 44. (b) After that, when thermally oxidized, the oxidation rate of polycrystalline silicon is about an order of magnitude faster in the horizontal direction than in the vertical direction, so an oxide film layer 46 is formed as shown in the figure. (c) After that, when only the oxide film is etched, the length of the polycrystalline silicon 40 is shortened as shown in the figure, and a gap is created between the polycrystalline silicon 40 and the source/drain diffusion layer. In this state, offset portions 47 and 48 can be formed by implanting phosphorus ions into the entire surface. The length of this offset does not depend on the photo process, so a value of around 1 μm can be achieved with good reproducibility.

本発明は以上述べたようにオフセツト領域を設
けたトランジスタを不揮発性メモリーとして用い
メモリーの大容量化、高速化、工程の簡略化、高
歩留り化を実現するものであり、チヤネル長3μm
のデバイスを用いると5mm12のチツプに128Kビ
ツトも集積化でき、この時のアクセスもチツプセ
レクト入力に対して100nsec以下が可能である。
As described above, the present invention uses a transistor provided with an offset region as a non-volatile memory to achieve larger memory capacity, higher speed, simpler process, and higher yield.
Using this device, 128K bits can be integrated on a 5mm x 12 chip, and access at this time can be less than 100nsec with respect to the chip select input.

【図面の簡単な説明】[Brief explanation of drawings]

第1図は本発明の不揮発性メモリーの断面図の
一例を、第2図は本発明のメモリーの集積回路上
での平面配置図の一例を、第3図、第4図は本発
明の不揮発性メモリーの製造工程を、又第5図は
本発明の素子のV―I特性でAは注入前、Bは注
入後の特性を、更に第6図は注入開始電圧VD0
依存性を示すグラフをそれぞれ示す。 5,7,30,42……酸化膜、6,31,4
1……窒化膜、9,33,40……ゲート電極、
8……金属配線、4,37,47,48……オフ
セツト領域、10,11……ゲート線(アドレス
線)、19,20……ドレイン引出線(ビツト
線)、17,18……コンタクトホール、△VD
…注入後の電圧シフト量。
FIG. 1 shows an example of a cross-sectional view of the non-volatile memory of the present invention, FIG. 2 shows an example of the planar layout of the memory of the present invention on an integrated circuit, and FIGS. Fig. 5 shows the VI characteristics of the device of the present invention, A shows the characteristics before injection, B shows the characteristics after injection, and Fig. 6 shows the dependence on the injection start voltage V D0 . A graph is shown for each. 5, 7, 30, 42...Oxide film, 6, 31, 4
1... Nitride film, 9, 33, 40... Gate electrode,
8... Metal wiring, 4, 37, 47, 48... Offset region, 10, 11... Gate line (address line), 19, 20... Drain lead line (bit line), 17, 18... Contact hole , △V D
...Amount of voltage shift after injection.

Claims (1)

【特許請求の範囲】[Claims] 1 MIS型トランジスタからなる不揮発性メモリ
ーにおいて、基板中に形成されたドレイン拡散
層、前記基板上に形成された第1の絶縁膜、前記
絶縁膜上に形成されたゲート電極、前記ゲート電
極上及び前記第1の絶縁膜上に形成された第2の
絶縁膜、前記ゲート電極直下の前記基板領域と前
記ドレイン拡散層との間に前記基板中に形成され
たオフセツト領域、前記オフセツト領域上に形成
された電荷の蓄積領域、前記オフセツト領域及び
前記蓄積領域の上方を被覆するように形成され、
前記第2絶縁膜を介して少なくともゲート電極周
囲まで伸長された前記蓄積領域へ電荷を加速して
注入するためのドレイン引出配線を有することを
特徴とする不揮発性メモリー。
1. In a nonvolatile memory consisting of an MIS transistor, a drain diffusion layer formed in a substrate, a first insulating film formed on the substrate, a gate electrode formed on the insulating film, and a second insulating film formed on the first insulating film; an offset region formed in the substrate between the substrate region directly under the gate electrode and the drain diffusion layer; and a second insulating film formed on the offset region. is formed so as to cover the offset region and the upper part of the accumulation region,
A nonvolatile memory comprising a drain lead wiring for accelerating and injecting charges into the storage region extending to at least the periphery of the gate electrode via the second insulating film.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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JPS5435470B2 (en) * 1973-05-22 1979-11-02

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