JP2006005372A - Nonvolatile semiconductor memory device - Google Patents
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Abstract
Description
この発明は不揮発性半導体記憶装置に関し、特にスタックゲート型メモリセルを含む電気的にプログラムおよび消去可能な不揮発性半導体記憶装置(以下、フラッシュメモリと称す)に関する。 The present invention relates to a nonvolatile semiconductor memory device, and more particularly to an electrically programmable and erasable nonvolatile semiconductor memory device (hereinafter referred to as a flash memory) including a stack gate type memory cell.
まず、消去およびプログラムの一般的な定義を説明する。消去とは、複数のメモリセルのしきい値電圧を一括して所定の状態に変えることをいう。プログラムとは、選択されたメモリセルのしきい値電圧をもう1つの所定の状態に変えることをいう。消去されたメモリセルにデータ“1”を対応させ、プログラムされたメモリセルにデータ“0”を対応させる。 First, the general definition of erase and program will be described. Erasing means changing the threshold voltages of a plurality of memory cells to a predetermined state at once. Programming means changing the threshold voltage of a selected memory cell to another predetermined state. Data “1” is made to correspond to the erased memory cell, and data “0” is made to correspond to the programmed memory cell.
(1) メモリセルの断面構造(図128,129)
図128に、従来のフラッシュメモリに用いられる一般的なスタックゲート型メモリセル(メモリトランジスタ)の断面構造を示す。P- 型半導体基板1001の主面に所定間隔をもって2つのN+ 型不純物領域が形成されている。一方の不純物領域がドレイン1002を構成し、他方の不純物領域がソース1003を構成する。ドレイン1002とソース1003との間の半導体基板1001の領域上に、極めて薄い酸化膜等からなる絶縁膜1004(約100Å)が形成されている。絶縁膜1004の上にフローティングゲート1005が形成され、さらにその上に絶縁膜を介してコントロールゲート1006が形成されている。このように、メモリセルは二重ゲート構造を有する。なお、P- 型半導体基板1001をP- ウェルで置換えてもよい。
(1) Cross-sectional structure of memory cell (FIGS. 128 and 129)
FIG. 128 shows a cross-sectional structure of a general stack gate type memory cell (memory transistor) used in a conventional flash memory. Two N + type impurity regions are formed on the main surface of the P−
フラッシュメモリでは、フローティングゲート1005に電子が注入されているかまたはフローティングゲート1005から電子が放出されているかにより、情報(データ)がメモリセルに記憶される。
In a flash memory, information (data) is stored in a memory cell depending on whether electrons are injected into the
フローティングゲート1005に電子が注入されている状態では、コントロールゲート1006から見たメモリセルのしきい値電圧は高く、図129に示すように、コントロールゲート電圧がVg0以上にならなければドレイン1002およびソース1003間に電流は流れない。これは、フローティングゲート1005に蓄積されている電子の負電荷によって正の電圧が打ち消されるからである。この状態をプログラム状態と呼ぶ。この場合、メモリセルにはデータ“0”が記憶される。フローティングゲート1005に蓄積された電子はそのままでは半永久的に消えないため、記憶されたデータも半永久的に保持される。
In the state where electrons are injected into the
また、フローティングゲート1005から電子が放出されている状態では、コントロールゲート1006から見たメモリセルのしきい値電圧は低く、図129に示すように、コントロールゲート電圧がVg1以上になるとドレイン1002およびソース1003間に電流が流れる。この状態を消去状態と呼ぶ。この場合、メモリセルにはデータ“1”が記憶される。
In the state where electrons are emitted from the
このような2つの状態を検出することにより、メモリセルに記憶されているデータを読取ることができる。 By detecting these two states, data stored in the memory cell can be read.
(2) メモリセルのプログラムおよび消去(図130)
図130の(a)にメモリセルのプログラム時の電圧印加条件を示し、図130の(b)にメモリセルの消去時の電圧印加条件を示す。
(2) Program and erase of memory cell (FIG. 130)
FIG. 130A shows the voltage application conditions at the time of programming the memory cell, and FIG. 130B shows the voltage application conditions at the time of erasing the memory cell.
プログラム時には、ドレイン1002に書込電圧Vw(通常6V程度)を印加し、コントロールゲート1006に高電圧Vpp(通常12V程度)を印加し、ソース1003を接地する。それにより、ドレイン1002の近傍でアバランシェ降伏によるホットエレクトロンが発生し、あるいは、ドレイン1002およびソース1003間の領域に形成されるチャネルに高エネルギを有するチャネルホットエレクトロンが発生する。コントロールゲート1006の高電圧によって加速されたホットエレクトロンは、絶縁膜1004によるエネルギ障壁を飛越えてドレイン近傍からフローティングゲート1005に注入される。その結果、メモリセルのしきい値電圧が上昇する。
At the time of programming, a write voltage Vw (usually about 6V) is applied to the
消去時には、ドレイン1002をフローティング状態にし、ソース1003に高電圧Vppを印加し、コントロールゲート1006を接地する。それにより、薄い絶縁膜1004に高電圧が発生し、トンネル現象によりフローティングゲート1005からソース1003に電子が放出される。その結果、メモリセルのしきい値電圧が下降する。
At the time of erasing, the
このように、プログラム時には、ホットエレクトロンによりフローティングゲート1005に電子が注入される。したがって、図130に示すように、チャネル方向または基板方向に、より高電界が発生するように、ドレイン1002に沿ってP+ 型不純物領域1002aが設けられている。
Thus, at the time of programming, electrons are injected into the
また、消去時には、トンネル現象によりフローティングゲート1005からソース1003に電子が放出される。そのため、消去時にはフローティングゲート1005とソース1003との間の電界のみが必要である。リーク電流が発生しないように、チャネル方向または基板方向の電界は小さいほうが好ましい。したがって、チャネル方向または基板方向の電界を弱めるために、ソース1003に沿ってN- 型不純物領域1003aが設けられている。
At the time of erasing, electrons are emitted from the
(3) フラッシュメモリの全体の構成(図131,132)
図131は、従来のフラッシュメモリの全体の構成を示すブロック図である。
(3) Overall configuration of flash memory (FIGS. 131 and 132)
FIG. 131 is a block diagram showing the overall configuration of a conventional flash memory.
メモリアレイ1010は、複数のビット線、複数のビット線に交差する複数のワード線、およびそれらの交点に設けられた複数のメモリセルを含む。
図131においては、説明を簡単にするために、2行および2列に配列された4つのメモリセルM00,M01,M10,M11が示される。メモリセルM00,M01のドレインはビット線BL0に接続され、メモリセルM10,M11のドレインはビット線BL1に接続される。メモリセルM00,M10のコントロールゲートはワード線WL0に接続され、メモリセルM01,M11のコントロールゲートはワード線WL1に接続される。メモリセルM00,M01,M10,M11のソースはソース線SLに接続される。 In FIG. 131, four memory cells M00, M01, M10, and M11 arranged in two rows and two columns are shown for ease of explanation. The drains of the memory cells M00 and M01 are connected to the bit line BL0, and the drains of the memory cells M10 and M11 are connected to the bit line BL1. The control gates of the memory cells M00 and M10 are connected to the word line WL0, and the control gates of the memory cells M01 and M11 are connected to the word line WL1. Sources of the memory cells M00, M01, M10, and M11 are connected to the source line SL.
アドレスバッファ1020は、外部から与えられるアドレス信号ADを受け、Xアドレス信号をXデコーダ1030に与え、Yアドレス信号をYデコーダ1040に与える。Xデコーダ1030は、Xアドレス信号に応答して複数のワード線WL0,WL1のうちいずれかを選択する。Yデコーダ1040は、Yアドレス信号に応答して複数のビット線のいずれかを選択する選択信号Y0,Y1を発生する。
Yゲート1050はビット線BL0,BL1に対応してYゲートトランジスタYG0,YG1を含む。YゲートトランジスタYG0,YG1は、それぞれ選択信号Y0,Y1に応答して、ビット線BL0,BL1をセンスアンプ1060および書込回路1080に接続する。
読出時には、センスアンプ1060が、ビット線BL0またはビット線BL1上に読出されたデータを検知し、データ入出力バッファ1070を介して外部に出力する。プログラム時には、外部から与えられるデータDAがデータ入出力バッファ1070を介して書込回路1080に与えられ、書込回路1080はそのデータに従ってビット線BL0,BL1に書込電圧を与える。
At the time of reading,
Vpp/Vcc切換回路1090は、外部から与えられる高電圧(通常12V)および外部から与えられる電源電圧Vcc(通常5V)を受け、Xデコーダ1030、Yデコーダ1040および書込回路1080に高電圧Vppまたは電源電圧Vccを与える。ベリファイ電圧発生回路1100は、外部から与えられる電源電圧Vccを受け、後述するベリファイ時に、選択されたワード線に所定のベリファイ電圧を与える。ソース制御回路1110は、消去時に、ソース線SLに高電圧Vppを与える。
Vpp /
制御信号バッファ1120は、外部から与えられる制御信号CTを制御回路1130に与える。制御回路1130は、各回路の動作を制御する。
The
Xデコーダ1030は、図132に示すように、デコーダ回路1301、および複数のワード線WLに対応する複数の高電圧スイッチ1302を含む。デコーダ回路1301は、Xアドレス信号XAをデコードして、複数のワード線WLのいずれか1つを選択するための選択信号を発生する。各高電圧スイッチ1302は、制御回路1130から与えられる制御信号SWに応答して、選択されたワード線WLに高電圧Vppまたは電源電圧Vccを与える。
As shown in FIG. 132, the
なお、このフラッシュメモリはチップCH上に形成される。
(4) フラッシュメモリの動作(図133〜図140)
(a) プログラム動作(図133)
図133は、プログラム動作時の電圧印加条件を示す図である。ここでは、たとえばメモリセルM00をプログラムするものと仮定する。制御回路1130には、制御信号バッファ1120を介してプログラム動作を指定する制御信号が与えられる。Vpp/Vcc切換回路1090には外部から高電圧Vppが与えられる。Vpp/Vcc切換回路1090は、高電圧VppをXデコーダ1030およびYデコーダ1040に与える。
This flash memory is formed on the chip CH.
(4) Flash memory operation (FIGS. 133 to 140)
(A) Program operation (FIG. 133)
FIG. 133 is a diagram illustrating voltage application conditions during a program operation. Here, for example, it is assumed that memory cell M00 is programmed. The
Xデコーダ1030は、アドレスバッファ1020から与えられるXアドレス信号に応答して、ワード線WL0を選択し、それに高電圧Vppを与える。
また、Yデコーダ1040は、アドレスバッファ1020から与えられるYアドレス信号に応答して、YゲートトランジスタYG0に高電圧の選択信号Y0を与える。それにより、YゲートトランジスタYG0がオンする。
The
ソース制御回路1110は、ソース線SLに0Vを与える。書込回路1080が活性化される。それにより、ビット線BL0に書込電圧Vwが与えられる。
The
その結果、メモリセルM00に、図130の(a)に示すように電圧が印加され、メモリセルM00がプログラムされる。 As a result, a voltage is applied to the memory cell M00 as shown in FIG. 130A, and the memory cell M00 is programmed.
(b) 消去動作(図134〜図136)
消去動作は消去前書込動作および一括消去動作からなる。
(B) Erase operation (FIGS. 134 to 136)
The erase operation includes a pre-erase write operation and a batch erase operation.
(i) 消去前書込動作(図134)
メモリセルを一括消去する前には、上記の方法によりすべてのメモリセルにプログラムを行なう。このようにして、すべてのメモリセルのしきい値電圧を高くする。これを、消去前書込動作と呼ぶ。
(I) Write operation before erasure (FIG. 134)
Before erasing the memory cells at once, all the memory cells are programmed by the above method. In this way, the threshold voltage of all memory cells is increased. This is called a pre-erase write operation.
図134のフローチャートを参照しながら、消去前書込動作を説明する。まず、すべてのメモリセルのデータが“0”であるか否かを判別する(ステップS51)。すべてのメモリセルのデータが“0”でないときには、アドレス信号により指定されるアドレスを0番地に設定する(ステップS52)。そして、上述したプログラム動作により、アドレス信号により指定されたメモリセルにプログラムを行なう(ステップS53)。 The pre-erase write operation will be described with reference to the flowchart of FIG. First, it is determined whether or not the data in all the memory cells is “0” (step S51). If the data in all the memory cells is not “0”, the address designated by the address signal is set to address 0 (step S52). Then, the memory cell specified by the address signal is programmed by the program operation described above (step S53).
次に、アドレス信号により指定されるアドレスが最終番地であるか否かを判別する(ステップS54)。アドレスが最終番地でない場合には、アドレスを1ずつインクリメントし(ステップS55)、プログラム動作を行なう(ステップS53)。この動作を、アドレスが最終番地になるまで続ける(ステップS53,S54,S55)。アドレスが最終番地になると、消去前書込動作を終了する。 Next, it is determined whether or not the address designated by the address signal is the last address (step S54). If the address is not the final address, the address is incremented by 1 (step S55), and the program operation is performed (step S53). This operation is continued until the address reaches the final address (steps S53, S54, S55). When the address reaches the final address, the pre-erase write operation is terminated.
(ii) 一括消去動作(図135,図136)
次に、図135のフローチャートを参照しながら、一括消去動作を説明する。また、図136に、一括消去時の電圧印加条件を示す。
(Ii) Batch erase operation (FIGS. 135 and 136)
Next, the batch erase operation will be described with reference to the flowchart of FIG. FIG. 136 shows voltage application conditions during batch erase.
まず、制御信号バッファ1120を介して制御回路1130に一括消去を指定する制御信号が与えられる。一括消去時には、Vpp/Vcc切換回路1090は、ソース制御回路1110に高電圧Vppを与える。ソース制御回路1110は、ソース線SLに高電圧Vppを与える(ステップS61)。
First, a control signal designating batch erase is given to the
また、Xデコーダ1030は、ワード線WL0,WL1を接地する。Yデコーダ1040は、YゲートトランジスタYG0,YG1にそれぞれ0Vの選択信号Y0,Y1を与える。それにより、ビット線BL0,BL1はフローティング状態になる。
The
その結果、すべてのメモリセルには、図130の(b)に示すように電圧が印加され、すべてのメモリセルのしきい値電圧が下降する。 As a result, a voltage is applied to all the memory cells as shown in FIG. 130B, and the threshold voltages of all the memory cells are lowered.
ソース線SLへの1回の高電圧(消去電圧)の印加のみでは、すべてのメモリセルのしきい値電圧を所定の値よりも下降させることが困難である。そのため、一般的には、ソース線SLに複数回高電圧パルスを印加し、それぞれのパルス印加後に消去ベリファイ動作を行なう。 Only by applying a high voltage (erase voltage) once to the source line SL, it is difficult to lower the threshold voltages of all the memory cells below a predetermined value. Therefore, in general, a high voltage pulse is applied to the source line SL a plurality of times, and an erase verify operation is performed after each pulse is applied.
まず、ソース線SLに高電圧パルスを印加した後(ステップS61)、ソース線SLを0Vに設定し(ステップS62)、0番地を選択する(ステップS63)。そして、選択されたワード線にベリファイ電圧発生回路1100によって電源電圧Vccよりも低い所定のベリファイ電圧が与えられる(ステップS64)。それにより、選択されたメモリセルのデータが対応するビット線に読出され、センスアンプ1060により検知される。そして、センスアンプ1060により検知されたデータが“1”であるか否かが判別される(ステップS65)。
First, after a high voltage pulse is applied to the source line SL (step S61), the source line SL is set to 0 V (step S62), and
センスアンプ1060により検知されたデータが“0”ならば、ステップS61〜S64が繰返される。
If the data detected by the
センスアンプ1060により検知されたデータが“1”ならば、アドレス信号により指定されるアドレスが最終番地であるか否かが判別される(ステップS66)。アドレスが最終番地でないならば、アドレスが1だけインクリメントされる(ステップS67)。このように、アドレスを1ずつインクリメントしながらすべてのメモリセルのデータが読出される。もし読出されたデータが“0”ならば、ソース線SLに高電圧パルスを印加し、メモリセルを消去する。
If the data detected by the
このようにして、メモリセルのしきい値電圧をモニタしながらすべてのメモリセルを徐々に消去する。 In this manner, all the memory cells are gradually erased while monitoring the threshold voltage of the memory cells.
(c) 読出動作(図137)
図137に、読出動作時の電圧印加条件を示す。ここでは、メモリセルM00からデータが読出されるものと仮定する。
(C) Read operation (FIG. 137)
FIG. 137 shows voltage application conditions during the read operation. Here, it is assumed that data is read from memory cell M00.
まず、制御信号バッファ1120を介して制御回路1130に、読出動作を指定する制御信号が与えられる。Xデコーダ1030は、アドレスバッファ1020から与えられるXアドレス信号に応答してワード線WL0を選択し、それに電源電圧Vccを印加する。このとき、非選択のワード線の電位は0Vに保たれる。
First, a control signal designating a reading operation is supplied to the
Yデコーダ1040は、アドレスバッファ1020から与えられるYアドレス信号に応答してYゲートトランジスタYG0をオンさせる。それにより、ビット線BL0がセンスアンプ1060に接続される。このとき、ソース線SLには、ソース制御回路1110により0Vが与えられる。
その結果、メモリセルM00のしきい値電圧が低い場合には、メモリセルM00はオン状態になる。それにより、センスアンプ1060内の抵抗Rに電流Iが流れ、ビット線BL0上の読出電圧Vrが低くなる。このビット線BL0上の読出電圧VrがインバータINV2を介してデータ“1”として出力される。
As a result, when the threshold voltage of the memory cell M00 is low, the memory cell M00 is turned on. Thereby, current I flows through resistor R in
また、メモリセルM00のしきい値電圧が高い場合には、メモリセルM00はオフ状態になる。それにより、ビット線BL0上の読出電圧Vrが高くなる。このビット線BL0上の読出電圧VrがインバータINV2を介してデータ“0”として出力される。 When the threshold voltage of the memory cell M00 is high, the memory cell M00 is turned off. Thereby, the read voltage Vr on the bit line BL0 is increased. Read voltage Vr on bit line BL0 is output as data “0” via inverter INV2.
なお、読出時のビット線の電圧が電源電圧Vccに近くなると、ホットエレクトロンが発生し、メモリセルがプログラムされる可能性がある。これをソフトライトと呼ぶ。このソフトライトを防止するために、NチャネルトランジスタTRおよびインバータINV1により、ビット線上の読出電圧Vrが1V程度に設定される。 When the voltage of the bit line at the time of reading becomes close to the power supply voltage Vcc, hot electrons are generated and the memory cell may be programmed. This is called soft light. In order to prevent this soft write, the read voltage Vr on the bit line is set to about 1 V by the N-channel transistor TR and the inverter INV1.
(d) 各動作における各線の電位(図138)
図138に、プログラム動作、消去動作および読出動作におけるワード線、ビット線およびソース線の電位を示す。プログラム時および消去前書込時には、ワード線に高電圧Vppが印加され、ビット線に書込電圧Vwが印加され、ソース線に0Vが印加される。一括消去時には、ソース線のみに高電圧Vppが印加され、ワード線に0Vが印加され、ビット線はフローティング状態となっている。読出時には、ワード線に電源電圧Vccが印加され、ソース線が0Vとなり、ビット線に読出電圧Vrが現れる。
(D) Potential of each line in each operation (FIG. 138)
FIG. 138 shows word line, bit line, and source line potentials in the program operation, erase operation, and read operation. During programming and pre-erase writing, the high voltage Vpp is applied to the word line, the write voltage Vw is applied to the bit line, and 0 V is applied to the source line. At the time of batch erasing, high voltage Vpp is applied only to the source line, 0V is applied to the word line, and the bit line is in a floating state. At the time of reading, the power supply voltage Vcc is applied to the word line, the source line becomes 0V, and the read voltage Vr appears on the bit line.
(e) 消去前書込動作が必要な理由(図139,図140)
次に、消去時に消去前書込動作が必要となる理由を図139および図140を用いて説明する。図139は、プログラム動作および一括消去動作を行なった場合のメモリセルのしきい値電圧の変化を示している。また、図140はプログラム動作、消去前書込動作および一括消去動作を行なった場合のメモリセルのしきい値電圧の変化を示している。
(E) Reason why write operation before erasure is necessary (FIGS. 139 and 140)
Next, the reason why the pre-erase write operation is necessary at the time of erasing will be described with reference to FIGS. 139 and 140. FIG. FIG. 139 shows changes in the threshold voltage of the memory cell when the program operation and the batch erase operation are performed. FIG. 140 shows a change in the threshold voltage of the memory cell when the program operation, the pre-erase write operation, and the batch erase operation are performed.
一括消去動作においては、図130の(b)に示すように、メモリセルのコントロールゲート1006は0Vとなり、ドレイン1002はフローティング状態となり、ソース1003には高電圧Vppが与えられる。このような電圧印加条件においては、ソース1003とフローティングゲート1005との間に高電圧が発生し、この高電圧によってフローティングゲート1005に蓄積された電子がソース1003に引抜かれる。その結果、メモリセルのしきい値電圧が低くなる。
In the batch erase operation, as shown in FIG. 130B, the
しかしながら、しきい値電圧の低い状態(データ“1”)においてこの消去動作を行なうと、図139に示すように、そのメモリセルのしきい値電圧が負になってしまう。これを、メモリセルのデプレッション化と呼ぶ。メモリセルのデプレッション化により、読出時に次に示す問題が生じる。 However, if this erase operation is performed in a state where the threshold voltage is low (data “1”), the threshold voltage of the memory cell becomes negative as shown in FIG. This is called memory cell depletion. Due to the depletion of the memory cell, the following problems occur during reading.
ここで、図137に示される読出動作において、メモリセルM00が選択され、かつメモリセルM01が一括消去によりデプレッション化していると仮定する。すなわち、メモリセルM01のしきい値電圧は負となっている。 Here, in the read operation shown in FIG. 137, it is assumed that memory cell M00 is selected and memory cell M01 is depleted by batch erase. That is, the threshold voltage of the memory cell M01 is negative.
この場合、ワード線WL0には電源電圧Vccが印加されるが、ワード線WL1の電位は0Vのままである。メモリセルM00がデータ“0”を記憶しているならば、ワード線WL0の電位が電源電圧VccとなってもメモリセルM00はオンしない。したがって、ビット線BL0には電流が発生しない。 In this case, the power supply voltage Vcc is applied to the word line WL0, but the potential of the word line WL1 remains 0V. If the memory cell M00 stores data “0”, the memory cell M00 is not turned on even if the potential of the word line WL0 becomes the power supply voltage Vcc. Therefore, no current is generated in the bit line BL0.
しかしながら、メモリセルM01のしきい値電圧が負になっていると、ワード線WL1の電位が0Vであっても、メモリセルM01はオンすることになる。その結果、ビット線BL0に電流が発生する。この場合、センスアンプ1060により、メモリセルM00に記憶されるデータが“1”であると判断される。
However, if the threshold voltage of the memory cell M01 is negative, the memory cell M01 is turned on even if the potential of the word line WL1 is 0V. As a result, a current is generated in the bit line BL0. In this case, the
このように、ビット線に接続されるメモリセルのうち少なくとも1つのメモリセルのしきい値電圧が負になっていれば、そのメモリセルが非選択の状態であってもそのビット線に電流が流れてしまう。そのため、選択されたメモリセルに記憶されるデータを正確に読出すことができない。 As described above, if the threshold voltage of at least one memory cell among the memory cells connected to the bit line is negative, even if the memory cell is in a non-selected state, a current is supplied to the bit line. It will flow. Therefore, the data stored in the selected memory cell cannot be read accurately.
このような問題を解決するために、図140に示すように、一括消去動作の前に消去前書込動作を行なう。それによって、すべてのメモリセルのしきい値電圧を一旦高い状態にし、その後一括消去動作を行なう。その結果、消去されたメモリセルの電圧は正の値でかつ電源電圧Vccよりも低い値に統一されることになる。このように、消去前書込動作により、信頼性が向上する。 In order to solve such a problem, as shown in FIG. 140, a pre-erase write operation is performed before the batch erase operation. As a result, the threshold voltages of all the memory cells are once raised to a high state, and then a batch erase operation is performed. As a result, the voltage of the erased memory cell is unified to a positive value and a value lower than the power supply voltage Vcc. Thus, reliability is improved by the pre-erase write operation.
以下に、従来のフラッシュメモリの構造についてより詳しく説明する。
データを自由に書込むことができ、しかも電気的に消去可能なメモリデバイスとしてフラッシュメモリが存在する。1つのトランジスタで構成され、書込まれた情報電荷を電気的に一括消去することが可能なEEPROM、いわゆる、フラッシュメモリが米国特許第4,868,619号、“An In−System Reprogrammable 32K×8 CMOS Flash Memory” by Virgil Niles Kynett et al.,IEEE Journal of Solid−State Circuits,vol.23,No.5,October 1988で提案されている。
Hereinafter, the structure of the conventional flash memory will be described in more detail.
There is a flash memory as a memory device that can freely write data and is electrically erasable. An EEPROM composed of one transistor and capable of electrically erasing written information charges collectively, a so-called flash memory is disclosed in US Pat. No. 4,868,619, “An In-System Reprogrammable 32K × 8”. CMOS Flash Memory "by Virgil Niles Kynett et al. , IEEE Journal of Solid-State Circuits, vol. 23, no. 5, October 1988.
図148はフラッシュメモリの一般的な構成を示すブロック図である。図において、フラッシュメモリは行列状に配置されたメモリセルマトリックス1と、Xアドレスデコーダ2と、Yゲート3と、Yアドレスデコーダ4と、アドレスバッファ5と、書込回路6と、センスアンプ7と、入出力バッファ8と、コントロールロジック9とを含む。
FIG. 148 is a block diagram showing a general configuration of the flash memory. In the figure, the flash memory includes a
メモリセルマトリックス1は、行列状に配置された複数個のメモリトランジスタをその内部に有する。メモリセルマトリックス1の行および列を選択するためにXアドレスデコーダ2とYゲート3とが接続されている。Yゲート3には列の選択情報を与えるYアドレスデコーダ4が接続されている。Xアドレスデコーダ2とYアドレスデコーダ4には、それぞれ、アドレス情報が一時格納されるアドレスバッファ5が接続されている。
The
Yゲート3には、データ入力時に書込動作を行なうための書込回路6とデータ出力時に流れる電流値から「0」と「1」を判定するセンスアンプ7が接続されている。書込回路6とセンスアンプ7にはそれぞれ、入出力データを一時格納する入出力バッファ8が接続されている。アドレスバッファ5と入出力バッファ8には、フラッシュメモリの動作制御を行なうためのコントロールロジック9が接続されている。コントロールロジック9は、チップイネーブル信号、アウトプットイネーブル信号およびプログラム信号に基づいた制御を行なう。
The
図149は、図148に示されたメモリセルマトリックス1の概略構成を示す等価回路図である。このメモリセルマトリックスを有するフラッシュメモリはNOR型と呼ばれている。図において、行方向に延びる複数本のワード線WL1 ,WL2 ,…,WLi と、列方向に延びる複数本のビット線BL1 ,BL2 ,…,BLj とが互いに直交するように配置され、マトリックスを構成する。各ワード線と各ビット線の交点には、それぞれフローティングゲートを有するメモリトランジスタQ11,Q12,…,Qijが配設されている。各メモリトランジスタのドレインは各ビット線に接続されている。メモリトランジスタのコントロールゲートは各ワード線に接続されている。メモリトランジスタのソースは各ソース線S1 ,S2 ,…に接続されている。同一行に属するメモリトランジスタのソースは、図に示されるように相互に接続されている。
FIG. 149 is an equivalent circuit diagram showing a schematic configuration of
図150は、上記のようなNOR型フラッシュメモリを構成する1つのメモリトランジスタの断面構造を示す部分断面図である。図151はNOR型フラッシュメモリの平面的配置を示す概略平面図である。図152は図151のA−A線に沿う部分断面図である。これらの図を参照してNOR型フラッシュメモリの構造について説明する。 FIG. 150 is a partial cross-sectional view showing a cross-sectional structure of one memory transistor constituting the NOR flash memory as described above. FIG. 151 is a schematic plan view showing a planar arrangement of a NOR flash memory. 152 is a partial cross-sectional view taken along line AA in FIG. The structure of the NOR type flash memory will be described with reference to these drawings.
図150および図152を参照して、シリコン基板上に設けられたp型不純物領域10の主表面上にn型不純物領域、たとえば、ドレイン領域11とソース領域12とが間隔を隔てて形成されている。これらのドレイン領域11とソース領域12との間に挟まれた領域には、チャネルが形成されるようにコントロールゲート13とフローティングゲート14が形成されている。フローティングゲート14はp型不純物領域10の上に膜厚100Å程度の薄いゲート酸化膜15を介在して形成されている。コントロールゲート13はフローティングゲート14から電気的に分離されるように、フローティングゲート14の上に層間絶縁膜16を介在して形成されている。フローティングゲート14は多結晶シリコンから形成されている。コントロールゲート13は多結晶シリコン層あるいは多結晶シリコン層と高融点金属の積層膜から構成されている。酸化膜17は、フローティングゲート14やコントロールゲート13を構成する多結晶シリコン層の表面にCVD法により堆積させることによって形成されている。さらに、フローティングゲート14やコントロールゲート13を被覆するようにスムースコート膜21(図152参照)が形成されている。
Referring to FIGS. 150 and 152, an n-type impurity region, for example, drain
図151に示すように、コントロールゲート13は相互に接続されて横方向(行方向)に延びるようにワード線として形成されている。ビット線18はワード線13と直交するように配置され、ドレインコンタクト20を通じて各ドレイン領域11に電気的に接続されている。図152に示すように、ビット線18はスムースコート膜21の上に形成されている。図151に示すように、ソース領域12は、ワード線13が延びる方向に沿って延在し、ワード線13とフィールド酸化膜19とに囲まれた領域に形成されている。ドレイン領域11もワード線13とフィールド酸化膜19とによって囲まれた領域に形成されている。
As shown in FIG. 151, the
上記のように構成されたNOR型フラッシュメモリの動作について図150を参照して説明する。 The operation of the NOR flash memory configured as described above will be described with reference to FIG.
まず書込動作においては、ドレイン領域11に5V程度の電圧、コントロールゲート13に10V程度の電圧が印加される。そしてソース領域12とp型不純物領域10は接地電位(OV)に保たれる。このとき、メモリトランジスタのチャネルには数100μAの電流が流れる。ソースからドレインに流れた電子のうちドレイン近傍で加速された電子は、この近傍で高いエネルギーを有する電子、いわゆるチャネルホットエレクトロンとなる。この電子は、コントロールゲート13に印加された電圧による電界により、矢印1に示されるように、フローティングゲート14に注入される。このようにして、フローティングゲート14に電子の蓄積が行なわれ、メモリトランジスタのしきい値電圧Vthがたとえば8Vとなる。この状態が書込状態、“0”と呼ばれる。
First, in the write operation, a voltage of about 5 V is applied to the
次に、消去動作においては、ソース領域12に5V程度の電圧が印加され、コントロールゲート13に−10V程度の電圧が印加され、p型不純物領域10は接地電位に保持される。そして、ドレイン領域11は解放される。ソース領域12に印加された電圧による電界により、矢印2に示されるように、フローティングゲート14中の電子は、薄いゲート酸化膜15をFNトンネル現象によって通過する。このようにして、フローティングゲート14中の電子が引き抜かれることによって、メモリトランジスタのしきい値電圧Vthがたとえば2Vとなる。この状態が消去状態、“1”と呼ばれる。各メモリトランジスタのソースは図149に示されるように接続されているので、この消去動作によって、すべてのメモリを一括消去できる。
Next, in the erase operation, a voltage of about 5V is applied to the
さらに、読出動作において、コントロールゲート13に5V程度の電圧、ドレイン領域11に1V程度の電圧が印加される。そしてソース領域12、p型不純物領域10は接地電位に保持される。このとき、メモリトランジスタのチャネル領域に電流が流れるかどうかにより、“1”、“0”の判定が行なわれる。
Further, in the read operation, a voltage of about 5 V is applied to the
すなわち、書込状態のときはVthが8Vなのでチャネルが形成されず、電流が流れない。これに対し、消去状態のときはVthが2Vなのでチャネルが形成され電流が流れる。 That is, since Vth is 8V in the write state, no channel is formed and no current flows. On the other hand, since Vth is 2V in the erase state, a channel is formed and current flows.
NOR型では、チャネルホットエレクトロンを利用してフローティングゲート14に電子を注入し、書込状態“0”にしている。チャネルホットエレクトロンによる電子の注入は効率が悪いので、NOR型は消費電力が大きくなるという問題があった。
In the NOR type, electrons are injected into the floating
また、図152を参照して、たとえばメモリトランジスタ22aを選択して書込む際には、先程説明したようにドレイン領域11に5V程度、コントロールゲート13に10V程度の電圧を印加することによって、メモリトランジスタ22aのフローティングゲート14に書込が行なわれる。
Referring to FIG. 152, for example, when
次にメモリトランジスタ22bを選択して書込む際にも、メモリトランジスタ22bにおけるドレイン領域11およびコントロールゲート13に同様の電圧が印加される。メモリトランジスタ22aとメモリトランジスタ22bとは、ドレイン領域11を共有している。したがって、メモリトランジスタ22bに書込む際にドレイン領域11に印加された電圧によって、メモリトランジスタ22aのフローティングゲート14に注入された電子がトンネル現象によりドレイン領域11に引き抜かれることが起きる場合がある。この現象をドレインディスターブ現象という。ドレインディスターブ現象により、電子を注入したメモリトランジスタのフローティングゲートから電子が引き抜かれるので、書込状態であったはずのメモリトランジスタが消去状態となり、フラッシュメモリの誤動作の原因となる。
Next, when the
NOR型の問題点を解決するものにNAND型がある。NAND型フラッシュメモリはたとえばNIKKEI ELECTRONICS 1992.2.17(no.547)のPP.180〜181に開示されている。図153はNAND型フラッシュメモリのメモリセルマトリックスの一部の等価回路図である。セレクトゲートトランジスタ39a、39b、39cは、それぞれ、一方の不純物領域がビット線に接続され、他方の不純物領域がメモリトランジスタ38a、38b、38cに接続されている。
There is a NAND type to solve the problem of the NOR type. The NAND type flash memory is, for example, the NIKKE ELECTRONICS 1992.2.17 (no. 547) PP. 180-181. FIG. 153 is an equivalent circuit diagram of a part of the memory cell matrix of the NAND flash memory. In the
セレクトゲートトランジスタ39aによって縦方向に8個並んでいるメモリトランジスタ38aが選択され、セレクトゲートトランジスタ39bにより縦方向に8個並んでいるメモリトランジスタ38bが選択され、セレクトゲートトランジスタ39cにより縦方向に8個並んでいるメモリトランジスタ38cが選択される。これらのメモリトランジスタ38a、38b、38cはそれぞれ、セレクトゲートトランジスタ23a、23b、23cを通して接地されている。
Eight
図154はNAND型フラッシュメモリのメモリセルマトリックスの一部の断面図である。シリコン基板26中に形成されたP型不純物領域30には、不純物領域27が間隔を隔てて形成されている。各不純物領域27の間には、フローティングゲート29およびコントロールゲート28を備えるメモリトランジスタ38aが形成されている。
FIG. 154 is a cross-sectional view of a part of the memory cell matrix of the NAND flash memory.
図155はメモリトランジスタ38aの断面構造図である。シリコン基板に形成されたp型不純物領域30には、不純物領域27が間を隔てて形成されている。各不純物領域27の間のp型不純物領域30上にはゲート酸化膜35、フローティングゲート29、層間絶縁膜36、コントロールゲート28が積層されている。コントロールゲート28およびフローティングゲート29は酸化膜37で覆われている。
FIG. 155 is a sectional view of the
NAND型フラッシュメモリの動作を図153〜図155を用いて以下説明する。まず書込動作を説明する。たとえばワード線W8 を有するメモリトランジスタ38aに書込みするときは、セレクトゲートトランジスタの選択ゲートS2 、ビット線B1、ソース線およびp型不純物領域30を接地電位に保ち、S1 ,B2,B3に10V程度の電圧を印加し、ワード線W8 に20V程度の電圧を印加し、他のワード線W1 〜W7 は接地電位に保つ。これにより図155の1で示すように、ワード線W8 (コントロールゲート28)を有するメモリトランジスタ38aでは、チャネル領域にある電子がチャネルFNによりフローティングゲート29に注入される。これが書込状態“0”であり、このときVthは3Vとなっている。
The operation of the NAND flash memory will be described below with reference to FIGS. First, the writing operation will be described. For example, when writing to the
次に消去動作について説明する。消去を行なうときは、ビット線、S1 ,S2 、p型不純物領域30に20Vの電圧を印加し、ワード線W1 〜W8 は接地電位に保つ。このとき図155の2で示すように、書込状態“0”の状態にあるメモリトランジスタ38aのフローティングゲート29からチャネルFNにより電子がチャネル領域に引き抜かれ消去状態“1”となる。消去状態“1”におけるVthは−2Vとなる。
Next, the erase operation will be described. When erasing is performed, a voltage of 20 V is applied to the bit lines, S1, S2, and p-
次に読出動作について説明していく。たとえばワード線W8 を有するメモリトランジスタ38aを読出すとき、ビット線B1に1V程度の電圧を印加し、ソース線と基板を接地電位に保つ。そしてワード線W8 を接地電位に保ち、ワード線W1 〜W7 に5V程度の電圧を印加する。また、選択ゲートS1 、S2 に所定の電圧を印加し、セレクトゲートトランジスタをONさせる。
Next, the reading operation will be described. For example, when the
ワード線W8 は接地電位(0V)に保たれているので、ワード線W8 を有するメモリトランジスタ38aが消去状態“1”のときはメモリトランジスタ38aがONし、書込状態“0”のときはメモリトランジスタ38aがOFFの状態になる。ワード線W1 〜W7 を有するメモリトランジスタ38aはワード線W1 〜W7 に5Vの電圧が印加されているので書込状態“0”、消去状態“1”如何にかかわらずメモリトランジスタ38aがONする。
Since the word line W8 is kept at the ground potential (0V), the
したがって、ワード線W8 を有するメモリトランジスタ38aが消去状態“1”のときは、図154を参照して、電流は各ワード線W1 〜W8 で形成されるチャネルを通り、ビット線を通り、センスアンプに導かれる。これに対し、ワード線W8 を有するメモリトランジスタ38aが書込状態“0”のときはワード線W8 によってはチャネルが形成されないので電流がセンスアンプに流れない。センスアンプが電流を感知したときは消去状態“1”と判定し、電流を感知しなかったときは書込状態“0”と判断する。
Therefore, when the
チャネルFNを用いてフローティングゲートに電子を注入する場合、チャネルホットエレクトロンを用いて電子を注入する場合に比べ効率がよい。したがって、NAND型はNOR型に比べ消費電力を低くすることができる。 Injecting electrons into the floating gate using the channel FN is more efficient than injecting electrons using channel hot electrons. Therefore, the NAND type can reduce power consumption compared to the NOR type.
また、NAND型は書込時にチャネルFNを用い、メモリトランジスタのドレイン領域に高電圧を印加しないのでドレインディスターブ現象をなくすことができる。 The NAND type uses the channel FN at the time of writing and does not apply a high voltage to the drain region of the memory transistor, so that the drain disturb phenomenon can be eliminated.
(1) 書換動作(図141)
上記の従来のフラッシュメモリにおいてメモリセルに記憶されるデータを書換える場合には、図141に示すように、消去前書込動作を行ない(ステップS71)、一括消去動作を行ない(ステップS72)、その後プログラム動作を行なう(ステップS73)。
(1) Rewrite operation (Fig. 141)
When rewriting data stored in a memory cell in the above conventional flash memory, as shown in FIG. 141, a pre-erase write operation is performed (step S71), and a batch erase operation is performed (step S72). Thereafter, a program operation is performed (step S73).
フラッシュメモリの容量が大きくなると、消去前書込動作に要する時間が非常に長くなる。たとえば、1Mビットのフラッシュメモリにおいては、すべてのアドレスのメモリセルにプログラムを行なうのに要する時間は1〜2秒にもなる。 As the capacity of the flash memory increases, the time required for the pre-erase write operation becomes very long. For example, in a 1 Mbit flash memory, the time required to program the memory cells of all addresses is as long as 1 to 2 seconds.
このように消去前書込動作に要する時間が長いことは、データの書換に長時間を要することを意味する。これは、ユーザーにとって非常に不便である。 The long time required for the pre-erase write operation in this manner means that a long time is required for data rewriting. This is very inconvenient for the user.
(2) 過消去によるデプレッション化(図142,図143)
上述のように、消去時には、一括消去動作の前に消去前書込動作を行なうことにより、メモリセルのしきい値電圧をほぼ同一の値に統一している。しかしながら、実際には、消去単位内に存在する複数のメモリセルの消去特性には、必ずばらつきが存在するものである。
(2) Depletion by over-erasure (Figs. 142 and 143)
As described above, at the time of erasing, the threshold voltage of the memory cells is unified to substantially the same value by performing the pre-erase write operation before the batch erase operation. However, in practice, there are always variations in the erase characteristics of a plurality of memory cells present in the erase unit.
もし、図142に示すように、このばらつきが非常に大きい場合には、一部のメモリセルが過消去され、この過消去されたメモリセルはデプレッション化される。 If this variation is very large as shown in FIG. 142, some memory cells are over-erased, and the over-erased memory cells are depleted.
このようにデプレッション化されたメモリセルにおいては、そのコントロールゲートが接地されていても電流が流れてしまう。その結果、デプレッション化されたメモリセルと同一のビット線に接続されるメモリセルから読出されるデータがデプレッション化されたメモリセルにより乱されてしまい、常にデータが“1”と判定されてしまう。 In such a depleted memory cell, a current flows even if its control gate is grounded. As a result, the data read from the memory cell connected to the same bit line as the depleted memory cell is disturbed by the depleted memory cell, and the data is always determined to be “1”.
このような問題は、図143に示されるような構造を有するメモリセルには存在しない。 Such a problem does not exist in a memory cell having a structure as shown in FIG.
図143において、P- 型半導体基板1301の主面に所定間隔をもってN+ 型不純物領域1302,1303,1310が形成されている。不純物領域1302と不純物領域1303との間の領域上には酸化膜からなる絶縁膜を介してゲート電極1304が形成されている。これにより、選択トランジスタ1305が構成される。
In FIG. 143, N @ + -
不純物領域1303上には約100Å程度の非常に薄い酸化膜1306を介してフローティングゲート1307が形成され、さらにその上方には絶縁膜を介してコントロールゲート1308が形成されている。これにより、2層ゲート構造を有するメモリトランジスタ1309が構成される。
A floating
選択トランジスタ1305およびメモリトランジスタ1309で1ビットのメモリセルが構成される。不純物領域1302はビット端子Bに接続され、ゲート電極1304はワード端子Wに接続される。不純物領域1310はソース端子Sに接続される。コントロールゲート1308はコントロールゲート端子CGに接続される。
The
図143に示されるメモリセルにおいては、選択トランジスタ1305が設けられているので、メモリトランジスタ1309がデプレッション化されても、上記のような問題は生じない。
In the memory cell shown in FIG. 143, since the
しかしながら、図143のメモリセルは、図128に示されるスタックゲート型メモリセルと比較して、構造が複雑になり、かつ広い面積が必要となる。 However, the memory cell of FIG. 143 has a more complicated structure and requires a larger area than the stacked gate type memory cell shown in FIG.
(3) セクタ間のディスターブ(図144)
従来のフラッシュメモリにおいて、メモリアレイをセクタ分割することによりデータの書換単位を細分化することができる。この場合、選択されたセクタ内のメモリセルが非選択のセクタ内のメモリセルに影響を与えることが問題となる。これをディスターブと呼ぶ。
(3) Disturbance between sectors (Fig. 144)
In a conventional flash memory, a data rewrite unit can be subdivided by dividing a memory array into sectors. In this case, there is a problem that the memory cells in the selected sector affect the memory cells in the non-selected sector. This is called disturb.
たとえば、図144に示すように、ワード線WL0に接続される複数のメモリセルをセクタSE1およびセクタSE2に分割する場合を考える。この場合、セクタSE1内のメモリセルをプログラムしているときに、非選択のセクタSE2内のメモリセルのコントロールゲートにも高電圧が印加される。 For example, as shown in FIG. 144, consider a case where a plurality of memory cells connected to word line WL0 are divided into sector SE1 and sector SE2. In this case, when programming the memory cell in the sector SE1, a high voltage is also applied to the control gate of the memory cell in the unselected sector SE2.
また、ビット線BL0に接続される複数のメモリセルをセクタSE1およびセクタSE3に分割する場合を考える。この場合、セクタSE1内のメモリセルをプログラムしているときに、非選択のセクタSE3内のメモリセルのドレインにも高電圧が印加される。 Consider a case where a plurality of memory cells connected to the bit line BL0 are divided into a sector SE1 and a sector SE3. In this case, when programming the memory cell in the sector SE1, a high voltage is also applied to the drain of the memory cell in the non-selected sector SE3.
いずれの場合においても、数千回程度のディスターブが起こっても、十分データの保証は可能である。しかし、同一のワード線および同一のビット線に複数のセクタが存在するため、1つのセクタ内のメモリセルの書換回数を10000回とすると、他のセクタに起こるディスターブの回数は次のようになる。 In any case, even if a disturbance occurs several thousand times, the data can be sufficiently guaranteed. However, since there are a plurality of sectors on the same word line and the same bit line, if the number of rewrites of the memory cells in one sector is 10,000, the number of disturbances occurring in other sectors is as follows. .
ディスターブの回数=(10000回)×(セクタ数−1)
このように、複数のセクタが存在する場合には、あるセクタに起こるディスターブの回数は膨大となる。近年では、要求されるセクタの書換保証回数は、ますます増加しており、異なるセクタ間のディスターブは大きな問題である。
Number of disturbs = (10000 times) × (number of sectors−1)
Thus, when there are a plurality of sectors, the number of disturbances occurring in a certain sector becomes enormous. In recent years, the required number of guaranteed sector rewrites is increasing, and disturb between different sectors is a serious problem.
(4) 消費電力
従来のフラッシュメモリのプログラム時には、チャネルホットエレクトロンによりフローティングゲートに電子が注入される。そのため、プログラム時に大きなチャネル電流が必要となる。したがって、プログラム時の消費電力が大きくなる。
(4) Power consumption When programming a conventional flash memory, electrons are injected into the floating gate by channel hot electrons. Therefore, a large channel current is required during programming. Therefore, power consumption during programming increases.
(5) 集積度
一方、米国特許番号5,126,808は、主ビット線および副ビット線を有する従来のフラッシュメモリを開示している。そのようなフラッシュメモリにおいて、プログラミングのためにチャネルホットエレクトロンによる電子の注入が用いられ、大きなチャネル電流が流れる。その結果、次のような問題も引き起こされる。
(5) Integration Level On the other hand, US Pat. No. 5,126,808 discloses a conventional flash memory having a main bit line and a sub bit line. In such a flash memory, electron injection by channel hot electrons is used for programming, and a large channel current flows. As a result, the following problems are also caused.
図145は、主ビット線および副ビット線を有する従来のフラッシュメモリの半導体基板上のレイアウト図である。図145を参照して、半導体基板上で、主ビット線MB,副ビット線SB0およびSB1が平行に形成されている。これらのビット線と垂直する方向に、ワード線VL0,WL1,…およびセレクトゲート線SGL0,SGL1が形成される。各ワード線と副ビット線とが交わる位置に、メモリセルが形成される。たとえば、各ワード線WL0,WL1,…と副ビット線SB1とが交わる位置に、メモリセルM11,M12,…が形成される。セクタ選択のためのセレクトゲートトランジスタSG′は、主ビット線MBとセレクトゲート線SGL0とが交差する位置に形成される。半導体基板内に、N+ 拡散層1405が形成される。
FIG. 145 is a layout diagram on a semiconductor substrate of a conventional flash memory having a main bit line and a sub bit line. Referring to FIG. 145, main bit line MB and sub bit lines SB0 and SB1 are formed in parallel on the semiconductor substrate. Word lines VL0, WL1,... And select gate lines SGL0, SGL1 are formed in a direction perpendicular to these bit lines. A memory cell is formed at a position where each word line and sub-bit line intersect. For example, memory cells M11, M12,... Are formed at positions where the word lines WL0, WL1,. A select gate transistor SG ′ for sector selection is formed at a position where the main bit line MB and the select gate line SGL0 intersect. An N +
図145に示したメモリセルM11,M12,…において、前述のように、チャネルホットエレクトロンを用いたプログラミングが行なわれるので、大きなチャネル電流が副ビット線SB1を介して流れることになる。したがって、この大きな電流がセクタ選択のためのセレクトゲートトランジスタSG′を介して流れるので、セレクトゲートトランジスタSG′のチャネル幅を大きな値に選択する必要がある。このことは、セレクトゲートトランジスタSG′が半導体基板上において大きな面積を占めることを意味しており、その結果、半導体基板における集積度を低下させることになる。 In memory cells M11, M12,... Shown in FIG. 145, programming using channel hot electrons is performed as described above, so that a large channel current flows through sub bit line SB1. Therefore, since this large current flows through the select gate transistor SG ′ for sector selection, it is necessary to select a large channel width for the select gate transistor SG ′. This means that the select gate transistor SG ′ occupies a large area on the semiconductor substrate, and as a result, the degree of integration on the semiconductor substrate is lowered.
これに加えて、図145に示したフラッシュメモリでは、主ビット線MBおよび副ビット線SB0,SB1の抵抗を減少させるため、第1および第2のアルミ配線層が副ビット線SB0,SB1および主ビット線MBとして形成される。したがって、ポリシリコン層によって形成されるワード線WL0,WL1,…の抵抗を減少させるためにアルミ配線層を使用することができなくなる。その結果、ワード線における信号の伝播において遅延が生じ、高い動作速度が得られなくなる。 In addition to this, in the flash memory shown in FIG. 145, the first and second aluminum wiring layers reduce the resistance of the main bit line MB and the sub bit lines SB0 and SB1, and the first and second aluminum wiring layers are connected to the sub bit lines SB0 and SB1. It is formed as a bit line MB. Therefore, the aluminum wiring layer cannot be used to reduce the resistance of the word lines WL0, WL1,... Formed by the polysilicon layer. As a result, a signal propagation in the word line is delayed and a high operation speed cannot be obtained.
図146は、従来のフラッシュメモリのメモリセルの構造図である。図146を参照して、2つのメモリセルM00およびM10は、Pウェル1008上に形成された分離酸化膜1402により分離されている。たとえば、メモリセルM10についてプログラムが行なわれる場合には、コントロールゲートを構成する第2アルミ配線層1006に10Vの高電圧が与えられ、一方、トランジスタM10のドレイン1002′に5Vの電圧が与えられる。もし、分離酸化膜1402の幅Wbが狭すぎると、この分離酸化膜1402をゲート酸化膜として用いたMOSトランジスタ1403が等価的に存在することになる。等価的なMOSトランジスタ1403の存在は、メモリセルM00およびM10における所望の動作を妨げる。したがって、この等価的なMOSトランジスタ1403の発生を防ぐために、分離酸化膜1402の幅Wbを小さな値に選択することができない。このことは、メモリセルアレイにおける集積度が低下されることを意味する。
FIG. 146 is a structural diagram of a memory cell of a conventional flash memory. Referring to FIG. 146, two memory cells M00 and M10 are separated by an
図147は、負電圧を利用したフラッシュメモリの動作を示す回路図である。図147(a)はプログラムのために与えられる電圧を示し、一方、図147(b)は消去のために与えられる電圧を示す。 FIG. 147 is a circuit diagram showing the operation of the flash memory using a negative voltage. FIG. 147 (a) shows the voltage applied for programming, while FIG. 147 (b) shows the voltage applied for erasing.
図147(a)を参照して、メモリセルM00のフローティングゲートに電子を注入するため、ビット線BL0に5Vの電圧が与えられ、一方、ワード線WL11に−10Vの負電圧が与えられる。一方、選択されないワード線WL12には、5Vの電圧が与えられる。言い換えると、図示されていないXデコーダは、−10Vおよび5Vの電圧を出力する必要があることになる。 Referring to FIG. 147 (a), in order to inject electrons into the floating gate of memory cell M00, a voltage of 5V is applied to bit line BL0, while a negative voltage of −10V is applied to word line WL11. On the other hand, a voltage of 5V is applied to the unselected word line WL12. In other words, an X decoder not shown needs to output voltages of −10V and 5V.
図147(b)を参照して、選択されたセクタSE1内にストアされたデータを消去するため、ワード線WL11およびWL12に10Vの正電圧が与えられ、一方、ビット線BL0およびBL1は高インピーダンス状態にもたらされる。一方、選択されないセレクタSE2内のワード線WL21およびWL22には、−8Vの負電圧が与えられる。言い換えると、図示されていないXデコーダは、10Vの正電圧および−8Vの負電圧を出力する必要がある。 Referring to FIG. 147 (b), in order to erase the data stored in the selected sector SE1, a positive voltage of 10V is applied to the word lines WL11 and WL12, while the bit lines BL0 and BL1 have a high impedance. Brought to the state. On the other hand, a negative voltage of −8V is applied to the word lines WL21 and WL22 in the selector SE2 that is not selected. In other words, an X decoder not shown needs to output a positive voltage of 10V and a negative voltage of -8V.
したがって、図示されていないXデコーダは、プログラム動作において15Vの電圧差を有する出力電圧を出力し、一方、消去動作において18Vの電圧差を有する出力電圧を出力する必要がある。したがって、出力電圧の電圧差が大きいため、Xデコーダを半導体基板上のより小さな占有領域内に形成することが難しくなっている。 Therefore, an X decoder (not shown) needs to output an output voltage having a voltage difference of 15V in the program operation, while outputting an output voltage having a voltage difference of 18V in the erase operation. Therefore, since the voltage difference between the output voltages is large, it is difficult to form the X decoder in a smaller occupied area on the semiconductor substrate.
(6) 外部電源
プログラム時には、各メモリセルのドレインに5V〜6Vの電圧を印加する必要がある。上記のように、チャネルホットエレクトロンによるプログラムは大きなチャネル電流を必要とするので、3Vまたは5Vの単一の外部電源を用いて内部昇圧によりこのドレイン電圧を作り出すことは非常に困難である。もし、それが可能であるとしても、多数のビットを同時にプログラムすることはできず、プログラム時間が膨大となる。
(6) External power supply During programming, it is necessary to apply a voltage of 5 V to 6 V to the drain of each memory cell. As described above, since channel hot electron programming requires a large channel current, it is very difficult to create this drain voltage by internal boosting using a single external power supply of 3V or 5V. Even if it is possible, a large number of bits cannot be programmed at the same time, and the programming time becomes enormous.
しかしNAND型は読出動作において、直列に並んだ8個のメモリトランジスタに電流を通すことにより行なうので読出動作が遅いという欠点を有する。 However, the NAND type has a disadvantage that the read operation is slow because the read operation is performed by passing a current through eight memory transistors arranged in series.
また、書込、消去時において20Vという比較的高い電圧を用いるので、高集積化が困難という問題があった。 In addition, since a relatively high voltage of 20 V is used at the time of writing and erasing, there is a problem that high integration is difficult.
この発明の目的は、フラッシュメモリにおいて消去動作に要する時間を短縮し、それによって書換動作に要する時間を短縮することである。 An object of the present invention is to reduce the time required for the erase operation in the flash memory, thereby reducing the time required for the rewrite operation.
この発明の他の目的は、スタックゲート型メモリセルの過消去によるデプレッション化を防止することである。 Another object of the present invention is to prevent depletion due to over-erasure of a stacked gate type memory cell.
この発明のさらに他の目的は、メモリアレイをセクタ分割した場合のディスターブを防止することである。 Still another object of the present invention is to prevent disturbance when the memory array is divided into sectors.
この発明のさらに他の目的は、プログラム時の消費電力を少なくすることである。
この発明のさらに他の目的は、単一の外部電源により動作可能なフラッシュメモリを提供することである。
Still another object of the present invention is to reduce power consumption during programming.
Still another object of the present invention is to provide a flash memory operable with a single external power source.
この発明のさらに他の目的は、低消費電力で動作させることができ、ドレインディスターブ現象を低減させることができ、読出動作を高速にすることができ、最大電圧を低くすることができる不揮発性半導体記憶装置を提供することである。 Still another object of the present invention is a non-volatile semiconductor that can be operated with low power consumption, can reduce the drain disturb phenomenon, can increase the read operation speed, and can reduce the maximum voltage. It is to provide a storage device.
本発明に係る不揮発性半導体記憶装置は、1つの局面では、半導体基板の主表面に所定の間隔をもって形成されたソースとドレインと、ソースとドレインの間に半導体基板の主表面上の第1の絶縁膜を介して形成されたフローティングゲートと、フローティングゲート上の第2の絶縁膜を介して形成されたコントロールゲートとを含むメモリセルと、複数のメモリセルのソースおよびドレインを覆うように半導体基板の主表面に形成されたウエルとを備え、複数のメモリセルのデータを消去する際、ウエルとフローティングゲート間で第1の絶縁膜を介して電子の移動を行い、複数のメモリセルのうち選択されたメモリセルにデータを書込む際、ドレインとフローティングゲート間で第1の絶縁膜を介して電子の移動を行う。 In one aspect, a nonvolatile semiconductor memory device according to the present invention includes a source and a drain formed on the main surface of the semiconductor substrate at a predetermined interval, and a first on the main surface of the semiconductor substrate between the source and the drain. A memory substrate including a floating gate formed through an insulating film and a control gate formed through a second insulating film on the floating gate, and a semiconductor substrate so as to cover the sources and drains of the plurality of memory cells A plurality of wells formed on the main surface, and when erasing data of a plurality of memory cells, electrons are transferred between the wells and the floating gate through the first insulating film, and selected from the plurality of memory cells. When data is written to the memory cell, electrons are transferred between the drain and the floating gate through the first insulating film.
本発明に係る不揮発性半導体記憶装置は、他の局面では、第1導電型の高濃度不純物領域と高濃度不純物領域を覆うように形成された第1導電型の低濃度不純物領域とを有する半導体基板の主表面に所定の間隔をもって形成されたソースとドレインと、ソースとドレインの間の半導体基板上に形成されたフローティングゲートと、半導体基板とフローティングゲート間に形成され、半導体基板からフローティングゲートにFNトンネリングにより電子を注入させる絶縁膜と、フローティングゲート上の絶縁膜を介して形成されたコントロールゲートとを含むメモリセルと、コントロールゲートに接続されたワード線と、ドレインに接続されたビット線とを備える。 In another aspect, the nonvolatile semiconductor memory device according to the present invention includes a semiconductor having a first conductivity type high concentration impurity region and a first conductivity type low concentration impurity region formed to cover the high concentration impurity region. A source and drain formed at a predetermined interval on the main surface of the substrate, a floating gate formed on the semiconductor substrate between the source and drain, and formed between the semiconductor substrate and the floating gate, from the semiconductor substrate to the floating gate A memory cell including an insulating film for injecting electrons by FN tunneling; a control gate formed through the insulating film on the floating gate; a word line connected to the control gate; and a bit line connected to the drain; Is provided.
本発明に係る不揮発性半導体記憶装置は、さらに他の局面では、半導体基板の主表面に所定の間隔をもって形成された第1導電型のソースとドレインと、ソースとドレインの間に半導体基板の主表面上の第1の絶縁膜を介して形成されたフローティングゲートと、フローティングゲート上の第2の絶縁膜を介して形成されたコントロールゲートとを含むメモリセルと、コントロールゲートに接続されたワード線と、ドレインに第1導電型のMISトランジスタを介して接続されたビット線と、メモリセルおよびMISトランジスタが配置された半導体基板の主表面に形成された第1導電型と異なる第2導電型のウエルと、第2導電型のウエルを囲むように形成された第1導電型のウエルとを備える。 In still another aspect of the nonvolatile semiconductor memory device according to the present invention, the source and drain of the first conductivity type formed at a predetermined interval on the main surface of the semiconductor substrate, and the main substrate of the semiconductor substrate between the source and drain. A memory cell including a floating gate formed via a first insulating film on the surface, a control gate formed via a second insulating film on the floating gate, and a word line connected to the control gate A bit line connected to the drain via the first conductivity type MIS transistor, and a second conductivity type different from the first conductivity type formed on the main surface of the semiconductor substrate on which the memory cell and the MIS transistor are arranged. A well and a first conductivity type well formed to surround the second conductivity type well.
本発明の1つの局面によれば、フローティングゲートの電子移動をウエルとドレインを介すので、ソースに対して構造の自由度を増すことができる。 According to one aspect of the present invention, since the electron movement of the floating gate is performed through the well and the drain, the degree of freedom of structure with respect to the source can be increased.
また、本発明の他の局面によれば、半導体基板から前記フローティングゲートにFNトンネリングにより電子を注入させるので、ソースとドレインを第1導電型の高濃度不純物領域と低濃度不純物領域の電界が緩和できる構造とできる。 According to another aspect of the present invention, electrons are injected from the semiconductor substrate into the floating gate by FN tunneling, so that the electric field between the high-concentration impurity region of the first conductivity type and the low-concentration impurity region is reduced in the source and drain. It can be made with a structure that can.
また、本発明のさらに他の局面によれば、メモリセルおよびMISトランジスタを第1導電型のウエルに囲まれた第2導電型のウエルに形成されているので、メモリセルおよびMISトランジスタは半導体基板からの直接の電位的影響を受けないようにできる。 According to still another aspect of the present invention, since the memory cell and the MIS transistor are formed in the second conductivity type well surrounded by the first conductivity type well, the memory cell and the MIS transistor are formed on the semiconductor substrate. It is possible to avoid being directly affected by potential.
まず、以下に説明する第1〜第11の実施例におけるプログラムおよび消去動作としきい値電圧との関係を従来例と比較して説明する。 First, the relationship between the program and erase operations and the threshold voltage in the first to eleventh embodiments described below will be described in comparison with a conventional example.
従来例では、図1の(b)に示すように、プログラム動作によりメモリセルのしきい値電圧が上昇し、消去動作によりメモリセルのしきい値電圧が下降する。これに対して、実施例では、図1の(a)に示すように、プログラム動作によりメモリセルのしきい値電圧が下降し、消去動作によりメモリセルのしきい値電圧が上昇する。 In the conventional example, as shown in FIG. 1B, the threshold voltage of the memory cell is increased by the program operation, and the threshold voltage of the memory cell is decreased by the erase operation. On the other hand, in the embodiment, as shown in FIG. 1A, the threshold voltage of the memory cell is lowered by the program operation, and the threshold voltage of the memory cell is raised by the erase operation.
すなわち、従来例では、図2の(b)に示すように、消去状態にあるメモリセルではフローティングゲートから電子が放出されており、そのしきい値電圧は低くなっている。また、プログラム状態にあるメモリセルではフローティングゲートに電子が注入されており、そのしきい値電圧は高くなっている。 That is, in the conventional example, as shown in FIG. 2B, in the memory cell in the erased state, electrons are emitted from the floating gate, and the threshold voltage is low. In the memory cell in the programmed state, electrons are injected into the floating gate, and the threshold voltage is high.
これに対して、実施例では、図2の(a)に示すように、消去状態にあるメモリセルではフローティングゲートに電子が注入されており、そのしきい値電圧は高くなっている。また、プログラム状態にあるメモリセルではフローティングゲートから電子が放出されており、そのしきい値電圧は低くなっている。 On the other hand, in the embodiment, as shown in FIG. 2A, in the memory cell in the erased state, electrons are injected into the floating gate, and the threshold voltage is high. In the memory cell in the programmed state, electrons are emitted from the floating gate, and the threshold voltage is low.
消去状態がデータ“1”に対応し、プログラム状態がデータ“0”に対応する点は、実施例および従来例において同様である。 The point that the erase state corresponds to data “1” and the program state corresponds to data “0” is the same in the embodiment and the conventional example.
このように、実施例では、消去動作により各メモリセルのしきい値電圧が高くなるので、図3に示すように、消去前書込動作を行なうことなく、一括消去動作によりすべてのメモリセルのしきい値電圧を電源電圧Vccよりも高くすることができる。 As described above, in the embodiment, the threshold voltage of each memory cell is increased by the erase operation. Therefore, as shown in FIG. The threshold voltage can be made higher than the power supply voltage Vcc.
また、図4に示すように、複数のメモリセルのしきい値電圧にばらつきがあっても、一括消去動作により一部のメモリセルがデプレッション化することはない。 As shown in FIG. 4, even if the threshold voltages of a plurality of memory cells vary, some memory cells are not depleted by the batch erase operation.
(1) 第1の実施例(図5〜図8)
(a) フラッシュメモリの全体の構成(図5)
図5は、第1の実施例によるフラッシュメモリの全体の構成を示すブロック図である。図5のフラッシュメモリの全体の構成は各動作における電圧の印加条件が異なる点を除いて、図131の従来のフラッシュメモリと同様である。図5のフラッシュメモリもチップCH上に形成される。
(1) First embodiment (FIGS. 5 to 8)
(A) Overall configuration of flash memory (FIG. 5)
FIG. 5 is a block diagram showing the overall configuration of the flash memory according to the first embodiment. The entire configuration of the flash memory of FIG. 5 is the same as that of the conventional flash memory of FIG. 131 except that the voltage application conditions in each operation are different. The flash memory of FIG. 5 is also formed on the chip CH.
(b) メモリセルのプログラムおよび消去(図6)
図6の(a)にプログラム時におけるメモリセルへの電圧印加条件を示す。また、図6の(b)に消去時におけるメモリセルへの電圧印加条件を示す。
(B) Memory cell programming and erasure (FIG. 6)
FIG. 6A shows the voltage application conditions to the memory cell during programming. FIG. 6B shows the voltage application conditions to the memory cell at the time of erasing.
プログラム時には、図6の(a)に示すように、ドレイン1002に高電圧Vpp(通常12V程度)を印加し、コントロールゲート1006に0Vを印加し、ソース1003をフローティング状態にする。それにより、フローティングゲート1005とドレイン1002との間に高電界が発生し、トンネル現象によりフローティングゲート1005からドレイン1002に電子が放出される。その結果、メモリセルのしきい値電圧が下降する。
At the time of programming, as shown in FIG. 6A, a high voltage Vpp (usually about 12V) is applied to the
消去時には、図6の(b)に示すように、ドレイン1002に0Vを印加し、コントロールゲート1006に高電圧Vpp(通常12V程度)を印加し、ソース1003に所定の高電圧VSL(6V)を印加する。それにより、ソース1003の近傍でアバランシェ降伏によるホットエレクトロンまたはチャネルホットエレクトロンが発生する。これらのホットエレクトロンは、コントロールゲート1006の高電圧Vppにより加速され、絶縁膜1004によるエネルギ障壁を飛越えて、フローティングゲート1005に注入される。その結果、メモリセルのしきい値電圧が上昇する。
At the time of erasing, as shown in FIG. 6B, 0V is applied to the
このように、プログラム時にはトンネル現象によりフローティングゲート1005からドレイン1002に電子が放出される。そのため、チャネル方向または基板方向の電界を弱めるために、ドレイン1002に沿ってN- 型不純物領域1002bが設けられている。
Thus, electrons are emitted from the floating
また、消去時にはホットエレクトロンによりソース1003の近傍からフローティングゲート1005に電子が注入される。そのため、チャネル方向または基板方向に、より高電界が発生するように、ソース1003に沿ってP+ 型不純物領域1003bが設けられている。
At the time of erasing, electrons are injected into the floating
なお、P- ウェル1008はP- 型半導体基板であってもよい。
(c) フラッシュメモリの動作(図7)
次に、フラッシュメモリの一括消去動作、プログラム動作および読出動作を図7を参照しながら説明する。図7には、メモリアレイ1010に含まれる一部のメモリセルM11〜M13,M21〜M23,M31〜M33が示されている。
The P − well 1008 may be a P − type semiconductor substrate.
(C) Flash memory operation (FIG. 7)
Next, the batch erase operation, program operation and read operation of the flash memory will be described with reference to FIG. FIG. 7 shows some memory cells M11 to M13, M21 to M23, and M31 to M33 included in the
(i) 一括消去動作(図7の(a))
まず、制御信号バッファ1120を介して制御回路1130に、一括消去動作を指定する制御信号が与えられる。また、Vpp/Vcc切換回路1090には外部から高電圧Vppが与えられる。
(I) Batch erase operation ((a) of FIG. 7)
First, a control signal designating a batch erase operation is given to the
Vpp/Vcc切換回路1090は、Xデコーダ1030に高電圧Vppを与える。Xデコーダ1030は、すべてのワード線WL〜WL3を選択し、それらに高電圧Vppを印加する。Yデコーダ1040は、Yゲート1050に含まれるすべてのYゲートトランジスタをオンさせる。書込回路1080は、Yゲート1050を介して0Vをすべてのビット線BL1〜BL3に印加する。ソース制御回路1110は、ソース線SLに所定の高電圧VSL(VSL<Vpp)を印加する。
Vpp /
このようにして、すべてのメモリセルM11〜M33に、図6の(b)に示されるように電圧が印加される。その結果、すべてのメモリセルM11〜M33が消去される。 In this way, a voltage is applied to all the memory cells M11 to M33 as shown in FIG. 6B. As a result, all the memory cells M11 to M33 are erased.
(ii) プログラム動作(図7の(b))
ここでは、メモリセルM12をプログラムするものと仮定する。すなわち、メモリセルM12にデータ“0”を書込み、他のメモリセルにデータ“1”を書き込む。
(Ii) Program operation ((b) of FIG. 7)
Here, it is assumed that the memory cell M12 is programmed. That is, data “0” is written to the memory cell M12, and data “1” is written to the other memory cells.
まず、制御信号バッファ1120を介して制御回路1130に、プログラム動作を指定する制御信号が与えられる。また、Vpp/Vcc切換回路1090には外部から高電圧Vppが与えられる。
First, a control signal designating a program operation is supplied to the
Xデコーダ1030は、アドレスバッファ1020から与えられるXアドレス信号に応答してワード線WL2を選択し、選択されたワード線WL2に0Vを印加し、非選択のワード線WL1,WL3には電源電圧Vccを印加する。
The
Vpp/Vcc切換回路1090は、書込回路1080に高電圧Vppを与える。外部からデータ入出力バッファ1070を介して書込回路1080に順次データが与えられる。このとき、Yデコーダ1040は、アドレスバッファ1020から与えられるYアドレス信号に応答してYゲート1050内のYゲートトランジスタを順次オンさせる。書込回路1080は、Yゲート1050を介してビット線BL1に高電圧Vppを印加し、かつビット線BL2,BL3に電源電圧Vccを印加する。ソース制御回路1110は、ソース線SLをフローティング状態にする。
Vpp /
このようにして、メモリセルM12に、図6の(a)に示されるように電圧が印加される。このとき、他のメモリセルは次のいずれかの状態になっている。 In this way, a voltage is applied to the memory cell M12 as shown in FIG. At this time, the other memory cells are in one of the following states.
(A) ドレインに高電圧Vppが印加され、コントロールゲートに電源電圧Vccが印加され、ソースはフローティング状態となっている。 (A) The high voltage Vpp is applied to the drain, the power supply voltage Vcc is applied to the control gate, and the source is in a floating state.
(B) ドレインに電源電圧Vccが印加され、コントロールゲートに0Vが印加され、ソースはフローティング状態になっている。 (B) The power supply voltage Vcc is applied to the drain, 0 V is applied to the control gate, and the source is in a floating state.
(C) ドレインに電源電圧Vccが印加され、コントロールゲートに電源電圧Vccが印加され、ソースはフローティング状態になっている。 (C) The power supply voltage Vcc is applied to the drain, the power supply voltage Vcc is applied to the control gate, and the source is in a floating state.
その結果、メモリセルM12のフローティングゲートとドレインとの間のみに高電界が発生し、メモリセルM12のみがプログラムされる。 As a result, a high electric field is generated only between the floating gate and drain of the memory cell M12, and only the memory cell M12 is programmed.
(iii) 読出動作(図7の(c))
読出動作は、図137を用いて説明した動作とほぼ同様である。ここでは、メモリセルMC12からデータを読出すものと仮定する。まず、制御信号バッファ1120を介して制御回路1130に、読出動作を指定する制御信号が与えられる。
(Iii) Read operation ((c) of FIG. 7)
The read operation is almost the same as the operation described with reference to FIG. Here, it is assumed that data is read from memory cell MC12. First, a control signal designating a reading operation is supplied to the
Xデコーダ1030は、アドレスバッファ1020から与えられるXアドレス信号に応答して、ワード線WL2を選択し、それに電源電圧Vccを印加する。このとき、他のワード線WL1,WL3は0Vに保たれる。Yデコーダ1040は、アドレスバッファ1020から与えられるYアドレス信号に応答して、Yゲート1050内の1つのYゲートトランジスタをオンさせる。ソース制御回路1110はソース線SLを接地する。
それにより、ビット線BL1に読出電圧Vrが現れる。この読出電圧Vrがセンスアンプ1060により検知および増幅され、データ入出力バッファ1070を介して外部に出力される。
As a result, the read voltage Vr appears on the bit line BL1. This read voltage Vr is detected and amplified by
(d) 書換動作(図8)
このフラッシュメモリにおけるデータの書換動作を図8のフローチャートを参照しながら説明する。
(D) Rewrite operation (Fig. 8)
The data rewriting operation in the flash memory will be described with reference to the flowchart of FIG.
まず、すべてのメモリセルにデータ“1”が記憶されているか否かを判別する(ステップS1)。すべてのメモリセルにデータ“1”が記憶されていないときには、一括消去動作を行なう(ステップS2)。その後、プログラム動作を行なう(ステップS3)。このように、従来例のような書込前消去動作を行なうことなく、データの書換を行なうことができる。 First, it is determined whether or not data “1” is stored in all the memory cells (step S1). When data “1” is not stored in all the memory cells, a batch erase operation is performed (step S2). Thereafter, a program operation is performed (step S3). In this manner, data can be rewritten without performing the pre-write erase operation as in the conventional example.
(e) 変形例
プログラム時に、非選択のビット線BL2,BL3をフローティング状態にしてもよい。このとき、非選択のメモリセルは次のいずれかの状態になっている。
(E) Modifications The non-selected bit lines BL2 and BL3 may be in a floating state during programming. At this time, the non-selected memory cell is in one of the following states.
(A) ドレインに高電圧Vppが印加され、コントロールゲートに電源電圧Vccが印加され、ソースはフローティング状態になっている。 (A) The high voltage Vpp is applied to the drain, the power supply voltage Vcc is applied to the control gate, and the source is in a floating state.
(B) ドレインはフローティング状態になっており、コントロールゲートに0Vが印加され、ソースはフローティング状態になっている。 (B) The drain is in a floating state, 0 V is applied to the control gate, and the source is in a floating state.
(C) ドレインはフローティング状態になっており、コントロールゲートに電源電圧Vccが印加され、ソースはフローティング状態になっている。 (C) The drain is in a floating state, the power supply voltage Vcc is applied to the control gate, and the source is in a floating state.
この場合にも、メモリセルM12のフローティングゲートとドレインとの間のみに高電界が発生し、トンネル現象によりメモリセルM12のみがプログラムされる。 Also in this case, a high electric field is generated only between the floating gate and drain of the memory cell M12, and only the memory cell M12 is programmed by the tunnel phenomenon.
プログラム時に、ソース線SLに電源電圧Vccを印加してもよい。このとき、メモリセルM12のドレインには高電圧Vppが印加され、コントロールゲートには0Vが印加され、ソースには電源電圧Vccが印加される。他のメモリセルは次のいずれかの状態になっている。 The power supply voltage Vcc may be applied to the source line SL during programming. At this time, the high voltage Vpp is applied to the drain of the memory cell M12, 0V is applied to the control gate, and the power supply voltage Vcc is applied to the source. Other memory cells are in one of the following states.
(A) ドレインに高電圧Vppが印加され、コントロールゲートに電源電圧Vccが印加され、ソースに電源電圧Vccが印加されている。 (A) A high voltage Vpp is applied to the drain, a power supply voltage Vcc is applied to the control gate, and a power supply voltage Vcc is applied to the source.
(B) ドレインに電源電圧Vccが印加され、コントロールゲートに0Vが印加され、ソースに電源電圧Vccが印加されている。 (B) The power supply voltage Vcc is applied to the drain, 0 V is applied to the control gate, and the power supply voltage Vcc is applied to the source.
(C) ドレインに電源電圧Vccが印加され、コントロールゲートに電源電圧Vccが印加され、ソースに電源電圧Vccが印加されている。 (C) The power supply voltage Vcc is applied to the drain, the power supply voltage Vcc is applied to the control gate, and the power supply voltage Vcc is applied to the source.
この場合にも、メモリセルM12のフローティングゲートとドレインとの間のみに高電界が発生し、トンネル現象によりメモリセルM12のみがプログラムされる。 Also in this case, a high electric field is generated only between the floating gate and drain of the memory cell M12, and only the memory cell M12 is programmed by the tunnel phenomenon.
プログラム時に、非選択のビット線BL2,BL3をフローティング状態にしかつソース線SLに電源電圧Vccを印加してもよい。このとき、メモリセルM12のドレインには高電圧Vppが印加され、コントロールゲートには0Vが印加され、ソースには電源電圧Vccが印加される。また、他のメモリセルは次のいずれかの状態になっている。 During programming, the unselected bit lines BL2 and BL3 may be in a floating state and the power supply voltage Vcc may be applied to the source line SL. At this time, the high voltage Vpp is applied to the drain of the memory cell M12, 0V is applied to the control gate, and the power supply voltage Vcc is applied to the source. Other memory cells are in any of the following states.
(A) ドレインに高電圧Vppが印加され、コントロールゲートに電源電圧Vccが印加され、ソースに電源電圧Vccが印加されている。 (A) A high voltage Vpp is applied to the drain, a power supply voltage Vcc is applied to the control gate, and a power supply voltage Vcc is applied to the source.
(B) ドレインはフローティング状態になっており、コントロールゲートに0Vが印加され、ソースに電源電圧Vccが印加されている。 (B) The drain is in a floating state, 0 V is applied to the control gate, and the power supply voltage Vcc is applied to the source.
(C) ドレインはフローティング状態となっており、コントロールゲートに電源電圧Vccが印加され、ソースに電源電圧Vccが印加されている。 (C) The drain is in a floating state, the power supply voltage Vcc is applied to the control gate, and the power supply voltage Vcc is applied to the source.
この場合にも、メモリセルM12のフローティングゲートとドレインとの間のみに高電界が発生し、トンネル現象によりメモリセルM12のみがプログラムされる。 Also in this case, a high electric field is generated only between the floating gate and drain of the memory cell M12, and only the memory cell M12 is programmed by the tunnel phenomenon.
また、一括消去動作後にベリファイ動作を行なってもよい。さらに、一括消去動作前に、すべてのメモリセルのコントロールゲートに0Vを印加しかつP- ウェル(またはP- 型半導体基板)に高電圧Vppを印加することによって、すべてのメモリセルのコントロールゲートから電子を引抜き、その後、ベリファイ動作を行ないながら一括消去動作を行なってもよい。それにより、一括消去されたメモリセルのしきい値電圧のばらつきをさらに小さくすることができる。 Further, the verify operation may be performed after the batch erase operation. Further, by applying 0 V to the control gates of all the memory cells and applying the high voltage Vpp to the P-well (or P-type semiconductor substrate) before the batch erase operation, the control gates of all the memory cells The collective erasing operation may be performed while extracting electrons and then performing a verify operation. Thereby, the variation in threshold voltage of the memory cells erased at once can be further reduced.
(f) 第1の実施例の効果
従来のフラッシュメモリでは電子がドレイン側からフローティングゲートに注入される。そのため、読出動作時にビット線の電位が高くなると、選択されているメモリセルにドレインから電子が注入され、ソフトライトが起こる可能性がある。
(F) Effect of First Embodiment In the conventional flash memory, electrons are injected from the drain side into the floating gate. Therefore, if the potential of the bit line becomes high during the read operation, electrons may be injected from the drain into the selected memory cell, and soft write may occur.
これに対して、第1の実施例のフラッシュメモリでは、電子がソース側からフローティングゲートに注入される。そのため、読出動作時に、ソフトライトが起こりにくい。 In contrast, in the flash memory of the first embodiment, electrons are injected from the source side into the floating gate. Therefore, soft write is unlikely to occur during the read operation.
なお、ベリファイ動作を行ないながらプログラム動作を行なってもよい。それにより、プログラムされたメモリセルのしきい値電圧のばらつきを小さくすることができる。 Note that the program operation may be performed while performing the verify operation. Thereby, the variation in the threshold voltage of the programmed memory cell can be reduced.
(2) 第2の実施例(図9,図10)
第2の実施例によるフラッシュメモリの全体の構成は、図5に示される構成と同様である。
(2) Second embodiment (FIGS. 9 and 10)
The overall configuration of the flash memory according to the second embodiment is the same as the configuration shown in FIG.
(a) メモリセルのプログラムおよび消去(図9)
図9の(a)にプログラム時におけるメモリセルへの電圧印加条件を示す。また、図9(b)に消去時におけるメモリセルへの電圧印加条件を示す。プログラム時の電圧印加条件は、図6の(a)に示した電圧印加条件と同様である。
(A) Memory cell program and erase (FIG. 9)
FIG. 9A shows voltage application conditions to the memory cell during programming. FIG. 9B shows voltage application conditions to the memory cell at the time of erasing. The voltage application conditions at the time of programming are the same as the voltage application conditions shown in FIG.
消去時には、図9の(b)に示すように、ドレイン1002に0Vを印加し、コントロールゲート1006に高電圧Vpp(通常12V程度)を印加し、ソース1003に0Vを印加する。それにより、ソース1003とドレイン1002との間の領域にチャネルchが形成され、そのチャネルchとフローティングゲート1005との間に高電界が発生する。トンネル現象によりチャネルchからフローティングゲート1005に電子が注入される。その結果、メモリセルのしきい値電圧が上昇する。
At the time of erasing, as shown in FIG. 9B, 0 V is applied to the
この実施例では、プログラム時にはトンネル現象によりフローティングゲート1005からドレイン1002に電子が放出される。そのため、チャネル方向または基板方向の電界を弱めるために、ドレイン1002に沿ってN- 型不純物領域1002cが設けられている。
In this embodiment, electrons are emitted from the floating
なお、ソース1003に沿ってN- 型不純物領域1003cを設けてもよい。このように、ドレイン側およびソース側の両方にN- 型不純物領域1002c,1003cを設けると、製造工程が少なくなる。
Note that an N − -
(b) フラッシュメモリの動作(図10)
次に、フラッシュメモリの一括消去動作、プログラム動作および読出動作を図10を参照しながら説明する。プログラム動作および読出動作は第1の実施例と同様である。したがって、以下、一括消去動作を説明する。
(B) Flash memory operation (FIG. 10)
Next, the batch erase operation, program operation, and read operation of the flash memory will be described with reference to FIG. The program operation and the read operation are the same as in the first embodiment. Therefore, the batch erase operation will be described below.
まず、制御信号バッファ1120を介して制御回路1130に、一括消去動作を指定する制御信号が与えられる。また、Vpp/Vcc切換回路1090には外部から高電圧Vppが与えられる。
First, a control signal designating a batch erase operation is given to the
Vpp/Vcc切換回路1090は、Xデコーダ1030に高電圧Vppを与える。Xデコーダ1030は、すべてのワード線WL1〜WL3を選択し、それらに高電圧Vppを印加する。Yデコーダ1040は、Yゲート1050に含まれるすべてのYゲートトランジスタをオンさせる。書込回路1080はYゲート1050を介して0Vをすべてのビット線BL1〜BL3に印加する。ソース制御回路1110はソース線SLに0Vを印加する。
Vpp /
このようにして、すべてのメモリセルM11〜M33に、図9の(b)に示されるように電圧が印加される。その結果、すべてのメモリセルM11〜M33が消去される。 In this way, a voltage is applied to all the memory cells M11 to M33 as shown in FIG. 9B. As a result, all the memory cells M11 to M33 are erased.
なお、一括消去動作時に、P- ウェル(またはP- 型半導体基板)に積極的に負の電圧を印加してもよい。 Note that a negative voltage may be positively applied to the P-well (or P-type semiconductor substrate) during the batch erase operation.
データの書換えは、図8に示される手順で行なわれる。したがって、従来例のような消去前書込動作を行なうことなく、データの書換えを行なうことができる。 Data rewriting is performed according to the procedure shown in FIG. Therefore, data can be rewritten without performing the pre-erase write operation as in the conventional example.
(3) 第3の実施例(図11〜図14)
図11は、第3の実施例によるフラッシュメモリの全体の構成を示すブロック図である。図11のフラッシュメモリが図5のフラッシュメモリと異なるのは次の点である。
(3) Third embodiment (FIGS. 11 to 14)
FIG. 11 is a block diagram showing the overall configuration of the flash memory according to the third embodiment. The flash memory of FIG. 11 differs from the flash memory of FIG. 5 in the following points.
外部から与えられる負電圧−Veeを受け、所定の負電圧を発生する負電圧制御回路1140がさらに設けられている。また、Xデコーダ1030は、図12に示すように、複数の高電圧スイッチ1302(図132参照)の代わりに、複数のワード線WLにそれぞれ接続される複数の電位制御スイッチ1303を含む。各電位制御スイッチ1303は、Vpp/Vcc切換回路1090から与えられる高電圧Vppまたは電源電圧Vccあるいは負電圧制御回路1140から与えられる負電圧−Veeを対応するワード線WLに印加する。
A negative
(b) メモリセルのプログラムおよび消去(図13)
図13の(a)にプログラム時におけるメモリセルへの電圧印加条件を示す。また、図13の(b)に消去時におけるメモリセルへの電圧印加条件を示す。
(B) Memory cell programming and erasure (FIG. 13)
FIG. 13A shows the voltage application conditions to the memory cells during programming. FIG. 13B shows the voltage application conditions to the memory cell at the time of erasing.
プログラム時には、図13の(a)に示すように、ドレイン1002に電源電圧Vcc(通常5V程度)を印加し、コントロールゲート1006に負電圧−Vee(−12V)を印加し、ソース1003をフローティング状態にする。それにより、フローティングゲート1005とドレイン1002との間に高電界が発生し、トンネル現象によりフローティングゲート1005からドレイン1002に電子が放出される。その結果、メモリセルのしきい値電圧が下降する。
At the time of programming, as shown in FIG. 13A, a power supply voltage Vcc (normally about 5V) is applied to the
消去時の電圧印加条件は、図6の(b)に示した電圧印加条件と同様である。
このように、プログラム時にはトンネル現象によりフローティングゲート1005からドレイン1002に電子が放出される。そのため、チャネル方向または基板方向の電界を弱めるために、ドレイン1002に沿ってN- 型不純物領域1002dが設けられている。
The voltage application conditions at the time of erasing are the same as the voltage application conditions shown in FIG.
Thus, electrons are emitted from the floating
また、消去時にはホットエレクトロンによりソース1003の近傍からフローティングゲート1005に電子が注入される。そのため、チャネル方向または基板方向に、より高電界が発生するように、ソース1003に沿ってP+ 型不純物領域1003dが設けられている。
At the time of erasing, electrons are injected into the floating
(c) フラッシュメモリの動作(図14)
次に、フラッシュメモリの一括消去動作、プログラム動作および読出動作を図14を参照しながら説明する。一括消去動作および読出動作は、第1の実施例と同様である。したがって、以下、プログラム動作を説明する。
(C) Flash memory operation (FIG. 14)
Next, the batch erase operation, program operation and read operation of the flash memory will be described with reference to FIG. The batch erase operation and the read operation are the same as in the first embodiment. Therefore, the program operation will be described below.
ここでは、メモリセルM12をプログラムするものと仮定する。すなわち、メモリセルM12にデータ“0”を書込み、他のメモリセルにデータ“1”を書き込む。 Here, it is assumed that the memory cell M12 is programmed. That is, data “0” is written to the memory cell M12, and data “1” is written to the other memory cells.
まず、制御信号バッファ1120を介して制御回路1130に、プログラム動作を指定する制御信号が与えられる。また、負電圧制御回路1140には外部から負電圧−Veeが与えられる。
First, a control signal designating a program operation is supplied to the
Xデコーダ1030は、アドレスバッファ1020から与えられるXアドレス信号に応答してワード線WL2を選択し、選択されたワード線WL2に負電圧制御回路1140からの負電圧−Veeを印加し、非選択のワード線WL1,WL3には0Vを印加する。
The
Vpp/Vcc切換回路1090は、書込回路1080に電源電圧Vccを与える。外部からデータ入出力バッファ1070を介して書込回路1080に順次データが与えられる。このとき、Yデコーダ1040は、アドレスバッファ1020から与えられるYアドレス信号に応答して、Yゲート1050内のYゲートトランジスタを順次オンさせる。書込回路1080は、Yゲート1050を介してビット線BL1に電源電圧Vccを印加し、ビット線BL2,BL3に0Vを印加する。ソース制御回路1110は、ソース線SLをフローティング状態にする。
Vpp /
このようにして、メモリセルM12に、図13の(a)に示されるように電圧が印加される。このとき、他のメモリセルは次のいずれかの状態になっている。 In this way, a voltage is applied to the memory cell M12 as shown in FIG. At this time, the other memory cells are in one of the following states.
(A) ドレインに電源電圧Vccが印加され、コントロールゲートに0Vが印加され、ソースはフローティング状態になっている。 (A) The power supply voltage Vcc is applied to the drain, 0 V is applied to the control gate, and the source is in a floating state.
(B) ドレインに0Vが印加され、コントロールゲートに負電圧−Veeが印加され、ソースはフローティング状態になっている。 (B) 0 V is applied to the drain, negative voltage -Vee is applied to the control gate, and the source is in a floating state.
(C) ドレインに0Vが印加され、コントロールゲートに0Vが印加され、ソースはフローティング状態になっている。 (C) 0 V is applied to the drain, 0 V is applied to the control gate, and the source is in a floating state.
(e) 変形例
プログラム時に、非選択のビット線BL2,BL3をフローティング状態にしてもよい。このとき、非選択のメモリセルは次のいずれかの状態になっている。
(E) Modifications The non-selected bit lines BL2 and BL3 may be in a floating state during programming. At this time, the non-selected memory cell is in one of the following states.
(A) ドレインに電源電圧Vccが印加され、コントロールゲートに0Vが印加され、ソースはフローティング状態になっている。 (A) The power supply voltage Vcc is applied to the drain, 0 V is applied to the control gate, and the source is in a floating state.
(B) ドレインはフローティング状態になっており、コントロールゲートに負電圧−Veeが印加され、ソースはフローティング状態になっている。 (B) The drain is in a floating state, a negative voltage -Vee is applied to the control gate, and the source is in a floating state.
(C) ドレインはフローティング状態になっており、コントロールゲートに0Vが印加され、ソースはフローティング状態になっている。 (C) The drain is in a floating state, 0 V is applied to the control gate, and the source is in a floating state.
この場合も、メモリセルM12のフローティングゲートとドレインとの間のみに高電界が発生し、トンネル現象によりメモリセルM12のみがプログラムされる。 Also in this case, a high electric field is generated only between the floating gate and drain of the memory cell M12, and only the memory cell M12 is programmed by the tunnel phenomenon.
プログラム時に、非選択のビット線をフローティング状態にしかつソース線SLに0Vを印加してもよい。このとき、メモリセルM12のドレインには電源電圧Vccが印加され、コントロールゲートには負電圧−Veeが印加され、ソースには0Vが印加される。他のメモリセルは次のいずれかの状態になっている。 During programming, a non-selected bit line may be set in a floating state and 0 V may be applied to the source line SL. At this time, the power supply voltage Vcc is applied to the drain of the memory cell M12, the negative voltage -Vee is applied to the control gate, and 0 V is applied to the source. Other memory cells are in one of the following states.
(A) ドレインに電源電圧Vccが印加され、コントロールゲートに0Vが印加され、ソースに0Vが印加されている。 (A) The power supply voltage Vcc is applied to the drain, 0 V is applied to the control gate, and 0 V is applied to the source.
(B) ドレインはフローティング状態になっており、コントロールゲートに負電圧−Veeが印加され、ソースに0Vが印加されている。 (B) The drain is in a floating state, a negative voltage -Vee is applied to the control gate, and 0 V is applied to the source.
(C) ドレインはフローティング状態になっており、コントロールゲートに0Vが印加され、ソースに0Vが印加されている。 (C) The drain is in a floating state, 0V is applied to the control gate, and 0V is applied to the source.
この場合も、メモリセルM12のフローティングゲートとドレインとの間のみに高電界が発生し、トンネル現象によりメモリセルM12のみがプログラムされる。 Also in this case, a high electric field is generated only between the floating gate and drain of the memory cell M12, and only the memory cell M12 is programmed by the tunnel phenomenon.
第3の実施例において、一括消去動作を図10に示される第2の実施例と同様に行なってもよい。各メモリセルには、図9の(b)に示したように電圧が印加される。 In the third embodiment, the batch erase operation may be performed in the same manner as the second embodiment shown in FIG. A voltage is applied to each memory cell as shown in FIG.
この場合には、フローティングゲートへの電子の注入およびフローティングゲートからの電子の放出をトンネル現象を利用して行なうことになるので、消費電力が低減される。そのため、外部から与えられる電源電圧から高電圧および負電圧を内部で発生することができる。 In this case, since the injection of electrons into the floating gate and the emission of electrons from the floating gate are performed using the tunnel phenomenon, power consumption is reduced. Therefore, a high voltage and a negative voltage can be generated internally from a power supply voltage applied from the outside.
(4) 第4の実施例(図15〜図16)
第4の実施例によるフラッシュメモリの全体の構成は図5に示される構成と同様である。また、プログラム時および消去時のメモリセルへの電圧印加条件は、図6の(a)および(b)に示した電圧印加条件と同様である。第4の実施例は、制御方法においてのみ第1の実施例と異なる。
(4) Fourth embodiment (FIGS. 15 to 16)
The overall configuration of the flash memory according to the fourth embodiment is the same as the configuration shown in FIG. The voltage application conditions to the memory cells at the time of programming and erasing are the same as the voltage application conditions shown in FIGS. 6A and 6B. The fourth embodiment differs from the first embodiment only in the control method.
(a) フラッシュメモリの動作(図15)
次に、フラッシュメモリのページ一括消去動作、プログラム動作および読出動作を図15を参照しながら説明する。プログラム動作および読出動作は、第1の実施例と同様である。したがって、以下、ページ一括消去動作を説明する。
(A) Flash memory operation (FIG. 15)
Next, page batch erase operation, program operation and read operation of the flash memory will be described with reference to FIG. The program operation and read operation are the same as in the first embodiment. Therefore, the page batch erase operation will be described below.
1つのワード線に接続されるすべてのメモリセルをページと呼ぶ。ページ一括消去動作は、ページ単位で一括消去が行なわれる。ここでは、ワード線WL2に対応するページの一括消去動作を説明する。 All memory cells connected to one word line are called a page. In the batch erase operation, batch erase is performed in units of pages. Here, a batch erase operation of pages corresponding to the word line WL2 will be described.
まず、制御信号バッファ1120を介して制御回路1130に、ページ一括消去動作を指定する制御信号が与えられる。また、Vpp/Vcc切換回路1090には外部から高電圧Vppが与えられる。
First, a control signal designating a page batch erase operation is given to the
Vpp/Vcc切換回路1090は、Xデコーダ1030に高電圧Vppを与える。Xデコーダ1030は、アドレスバッファ1020から与えられるXアドレス信号に応答して、ワード線WL2を選択し、選択されたワード線WL2に高電圧Vppを印加し、非選択のワード線WL1,WL3に0Vを印加する。Yデコーダ1040は、Yゲート1050に含まれるすべてのYゲートトランジスタをオンさせる。書込回路1080は、Yゲート1050を介して0Vをすべてのビット線BL1〜BL3に印加する。ソース制御回路1110は、ソース線SLに所定の高電圧VSL(VSL<Vpp)を印加する。
Vpp /
このようにして、ワード線WL2に接続されるメモリセルM12,M22,M32に、図6の(b)に示されるように電圧が印加される。その結果、メモリセルM12,M22,M32が消去される。 In this manner, a voltage is applied to the memory cells M12, M22, and M32 connected to the word line WL2 as shown in FIG. 6B. As a result, the memory cells M12, M22, M32 are erased.
非選択のワード線WL1,WL3に接続される各メモリセルにおいては、ドレイン1002に0Vが印加され、ソース1003に高電圧VSLが印加され、コントロールゲート1006に0Vが印加される。そのため、ホットエレクトロンが絶縁膜1004によるエネルギ障壁を飛越えてフローティングゲート1005に注入される可能性は少ない。したがって、選択されたワード線WL2に接続されるメモリセルのみが一括消去される。
In each memory cell connected to the unselected word lines WL1 and WL3, 0V is applied to the
このように、第4の実施例では、メモリアレイ単位でなく、ページ単位で一括消去動作が行なわれる。 Thus, in the fourth embodiment, the batch erase operation is performed in units of pages, not in units of memory arrays.
(b) 書換動作(図16)
第4の実施例によるフラッシュメモリにおけるデータの書換動作を図16のフローチャートを参照しながら説明する。
(B) Rewrite operation (FIG. 16)
The data rewriting operation in the flash memory according to the fourth embodiment will be described with reference to the flowchart of FIG.
まず、すべてのメモリセルにデータ“1”が記憶されているか否かを判別する(ステップS11)。すべてのメモリセルにデータ“1”が記憶されていないときには、書換えるべきページに関してページ一括消去動作を行なう(ステップS12)。その後、プログラム動作を行なう(ステップS13)。 First, it is determined whether or not data “1” is stored in all the memory cells (step S11). When data “1” is not stored in all the memory cells, a page batch erase operation is performed for the page to be rewritten (step S12). Thereafter, a program operation is performed (step S13).
このように、従来例のような書込前消去動作を行なうことなく、ページ単位でデータの書換えを行なうことができる。 In this way, data can be rewritten in units of pages without performing the pre-write erase operation as in the conventional example.
(5) 第5の実施例(図17)
第5の実施例によるフラッシュメモリの全体の構成は、図5に示される構成と同様である。また、プログラム時および消去時のメモリセルへの電圧印加条件は、図9の(a)および(b)に示した電圧印加条件と同様である。第5の実施例は、制御方法においてのみ第2の実施例と異なる。
(5) Fifth embodiment (FIG. 17)
The overall configuration of the flash memory according to the fifth embodiment is the same as the configuration shown in FIG. The voltage application conditions to the memory cell at the time of programming and erasing are the same as the voltage application conditions shown in FIGS. 9A and 9B. The fifth embodiment differs from the second embodiment only in the control method.
第5の実施例によるフラッシュメモリのページ一括消去動作、プログラム動作および読出動作を図17を参照しながら説明する。プログラム動作および読出動作は第2の実施例と同様である。したがって、以下、ページ一括消去動作を説明する。ここでは、ワード線WL2に対応するページの一括消去動作を説明する。 The batch page erase operation, program operation and read operation of the flash memory according to the fifth embodiment will be described with reference to FIG. The program operation and the read operation are the same as in the second embodiment. Therefore, the page batch erase operation will be described below. Here, a batch erase operation of pages corresponding to the word line WL2 will be described.
まず、制御信号バッファ1120を介して制御回路1130に、ページ一括消去動作を指定する制御信号が与えられる。また、Vpp/Vcc切換回路1090には外部から高電圧Vppが与えられる。
First, a control signal designating a page batch erase operation is given to the
Vpp/Vcc切換回路1090は、Xデコーダ1030に高電圧Vppを与える。Xデコーダ1030は、アドレスバッファ1020から与えられるXアドレス信号に応答して、ワード線WL2を選択し、その選択されたワード線WL2に高電圧Vppを印加し、非選択のワード線WL1,WL3に0Vを印加する。Yデコーダ1040は、Yゲート1050に含まれるすべてのYゲートトランジスタをオンさせる。書込回路1080は、Yゲート1050を介して0Vをすべてのビット線BL1〜BL3に印加する。ソース制御回路1110は、ソース線SLに0Vを印加する。
Vpp /
このようにして、ワード線WL2に接続されるメモリセルM12,M22,M32に、図9の(b)に示されるように電圧が印加される。その結果、メモリセルM12,M22,M32が消去される。 In this way, a voltage is applied to the memory cells M12, M22, M32 connected to the word line WL2 as shown in FIG. 9B. As a result, the memory cells M12, M22, M32 are erased.
非選択のワード線WL1,WL3に接続される各メモリセルにおいては、ドレイン1002、ソース1003およびコントロールゲート1006に0Vが印加される。そのため、フローティングゲート1005とソース1003との間には高電界は発生せず、トンネル現象により電子がフローティングゲート1005に注入されることはない。したがって、選択されたワード線に接続されたメモリセルのみが一括消去される。
In each memory cell connected to the unselected word lines WL1 and WL3, 0 V is applied to the
このように、第5の実施例においても、メモリアレイ単位ではなく、ページ単位で一括消去を行なうことができる。 As described above, also in the fifth embodiment, batch erasure can be performed in units of pages, not in units of memory arrays.
データの書換えは、図16に示される手順で行なわれる。したがって、従来例のような消去前書込動作を行なうことなく、ページ単位でデータの書換えを行なうことができる。 Data rewriting is performed according to the procedure shown in FIG. Therefore, data can be rewritten in units of pages without performing the pre-erase write operation as in the conventional example.
(6) 第6の実施例(図18〜図33)
(a) フラッシュメモリの全体の構成(図18,図19)
図18は、第6の実施例によるフラッシュメモリの全体の構成を示すブロック図である。また、図19は、メモリアレイおよびそれに関連する部分の詳細な構成を示す回路図である。
(6) Sixth embodiment (FIGS. 18 to 33)
(A) Overall configuration of flash memory (FIGS. 18 and 19)
FIG. 18 is a block diagram showing the overall configuration of the flash memory according to the sixth embodiment. FIG. 19 is a circuit diagram showing a detailed configuration of the memory array and related parts.
図18のフラッシュメモリが図131に示す従来のフラッシュメモリと異なるのは次の点である。メモリアレイ1010aが複数のセクタに分割されている。図18の例では、メモリアレイ1010aがセクタSE1,SE2に分割されている。メモリアレイ1010aは、セクタSE1,SE2にそれぞれ対応するセレクトゲートSG1,SG2を含む。
The flash memory of FIG. 18 differs from the conventional flash memory shown in FIG. 131 in the following points.
メモリアレイ1010aは、P- ウェル1008内に形成される。図131に示すVpp/Vcc切換回路1090は設けられず、高電圧発生回路1210,1220、負電圧発生回路1230,1240、ウェル電位発生回路1250およびセレクトゲートデコーダ1260がさらに設けられる。高電圧発生回路1210,1220は外部から電源電圧Vcc(たとえば5V)を受け、高電圧(たとえば10V)を発生する。負電圧発生回路1230,1240は、外部から電源電圧Vccを受け、負電圧(たとえば−10V)を発生する。ウェル電位発生回路1250は消去時にP- ウェル1008に負電圧(たとえば−5V)を印加する。セレクトゲートデコーダ1260は、アドレスバッファ1020からのアドレス信号の一部に応答して、セレクトゲートSG1,SG2を選択的に活性化する。
次に図19を参照する。メモリアレイ1010aには複数の主ビット線が配列される。図19には2つの主ビット線MB0,MB1が示される。主ビット線MB0,MB1はそれぞれYゲートトランジスタYG0,YG1を介してセンスアンプ1060および書込回路1080に接続される。
Reference is now made to FIG. A plurality of main bit lines are arranged in
各主ビット線に対応して複数の副ビット線が配列される。図19の例では、主ビット線MB0に対応して2つの副ビット線SB01,SB02が設けられ、主ビット線MB1に対応して2つの副ビット線SB11,SB12が設けられる。 A plurality of sub bit lines are arranged corresponding to each main bit line. In the example of FIG. 19, two sub bit lines SB01 and SB02 are provided corresponding to the main bit line MB0, and two sub bit lines SB11 and SB12 are provided corresponding to the main bit line MB1.
複数の副ビット線に交差するように複数のワード線が配列される。図19の例では、副ビット線SB01,SB11に交差するようにワード線WL0,WL1が配列され、副ビット線SB02,SB12に交差するようにワード線WL2,WL3が配列される。 A plurality of word lines are arranged to cross the plurality of subbit lines. In the example of FIG. 19, the word lines WL0 and WL1 are arranged so as to cross the sub bit lines SB01 and SB11, and the word lines WL2 and WL3 are arranged so as to cross the sub bit lines SB02 and SB12.
副ビット線SB01,SB02,SB11,SB12とワード線WL0〜WL3との交点にはそれぞれメモリセルM00〜M03,M10〜M13が設けられる。メモリセルM00,M01,M10,M11はセクタSE1に含まれ、メモリセルM02,M03,M12,M13はセクタSE2に含まれる。 Memory cells M00 to M03 and M10 to M13 are provided at the intersections of the sub bit lines SB01, SB02, SB11, and SB12 and the word lines WL0 to WL3, respectively. Memory cells M00, M01, M10, and M11 are included in sector SE1, and memory cells M02, M03, M12, and M13 are included in sector SE2.
各メモリセルのドレインは対応する副ビット線に接続され、コントロールゲートは対応するワード線に接続され、ソースはソース線SLに接続される。 The drain of each memory cell is connected to the corresponding subbit line, the control gate is connected to the corresponding word line, and the source is connected to the source line SL.
セレクトゲートSG1はセレクトゲートトランジスタSG01,SG11を含み、セレクトゲートSG2はセレクトゲートトランジスタSG02,SG12を含む。副ビット線SB01,SB02はそれぞれセレクトゲートトランジスタSG01,SG02を介して主ビット線MB0に接続され、副ビット線SB11,SB12はそれぞれセレクトゲートトランジスタSG11,SG12を介して主ビット線MB1に接続される。セレクトゲートデコーダ1260のセレクトゲート線SGL1はセレクトゲートトランジスタSG01,SG11に接続され、セレクトゲート線SGL2はセレクトゲートトランジスタSG02,SG12に接続される。
Select gate SG1 includes select gate transistors SG01 and SG11, and select gate SG2 includes select gate transistors SG02 and SG12. Sub-bit lines SB01 and SB02 are connected to main bit line MB0 via select gate transistors SG01 and SG02, respectively, and sub-bit lines SB11 and SB12 are connected to main bit line MB1 via select gate transistors SG11 and SG12, respectively. . The select gate line SGL1 of the
(b) メモリセルのプログラムおよび消去(図20)
図20の(a)にプログラム時におけるメモリセルへの電圧印加条件を示す。また、図20の(b)に消去時におけるメモリセルへの電圧印加条件を示す。
(B) Memory cell programming and erasure (FIG. 20)
FIG. 20A shows the voltage application conditions to the memory cells during programming. FIG. 20B shows voltage application conditions to the memory cell at the time of erasing.
プログラム時には、図20の(a)に示すように、ドレイン1002に正電圧(たとえば5V)を印加し、コントロールゲート1006に負電圧(たとえば−10V)を印加し、ソース1003をフローティング状態にし、P- ウェル1008に0Vを印加する。それにより、フローティングゲート1005とドレイン1002との間に高電界が発生し、トンネル現象によりフローティングゲート1005がドレイン1002に電子が放出される。その結果、メモリセルのしきい値電圧が下降する。
At the time of programming, as shown in FIG. 20A, a positive voltage (for example, 5V) is applied to the
消去時には、図20の(b)に示すように、ドレイン1002をフローティング状態にし、コントロールゲート1006に高電圧(たとえば10V)を印加し、ソース1003をフローティング状態にし、P- ウェル1008に負電圧(たとえば−5V)を印加する。それにより、コントロールゲート1006とP- ウェル1008との間に高電圧(この場合15V)が印加され、ソース1003とフローティングゲート1005との間に高電界が発生する。その結果、トンネル現象によりソース1003からフローティングゲート1005に電子が注入され、メモリセルのしきい値電圧が上昇する。
At the time of erasing, as shown in FIG. 20B, the
このように、プログラム時にはトンネル現象によりフローティングゲート1005からドレイン1002に電子が放出される。そのため、チャネル方向または基板方向の電界を弱めるために、ドレイン1002に沿ってN- 型不純物領域1002eが設けられる。
Thus, electrons are emitted from the floating
なお、ソース1003に沿ってN- 型不純物領域1003eを設けてもよい。このように、ドレイン側およびソース側の両方にN- 型不純物領域1002e,1003eを設けると、製造工程が少なくなる。
Note that an N − -
(c) フラッシュメモリの動作(図21)
次に、フラッシュメモリのセクタ一括消去動作、プログラム動作および読出動作を図21を参照しながら説明する。
(C) Flash memory operation (FIG. 21)
Next, the sector batch erase operation, program operation and read operation of the flash memory will be described with reference to FIG.
(i) セクタ一括消去動作
ここでは、セクタSE1を一括消去するものと仮定する。まず、制御信号バッファ1120を介して制御回路1130に、セクタ一括消去動作を指定する制御信号が与えられる。それにより、高電圧発生回路1220および負電圧発生回路1230が活性化される。
(I) Sector Batch Erase Operation Here, it is assumed that the sector SE1 is batch erased. First, a control signal designating a sector batch erase operation is given to the
高電圧発生回路1220はXデコーダ1030に高電圧(10V)を与える。Xデコーダ1030は、セクタSE1のワード線WL0,WL1に高電圧(10V)を印加し、セクタSE2のワード線WL2,WL3に0Vを印加する。負電圧発生回路1230はYデコーダ1040およびウェル電位発生回路1250に負電圧を与える。Yデコーダ1040はYゲート1050内のYゲートトランジスタYG0,YG1に負電圧(−5V)を印加する。それにより、主ビット線MB0,MB1はフローティング状態になる。ソース制御回路10はソース線SLをフローティング状態にする。また、ウェル電位発生回路1250はP- ウェル1008に負電圧(−5V)を印加する。セレクトゲートデコーダ1260はセレクトゲート線SG1,SG2に0Vを印加する。
The high
このようにして、セクタSE1内のメモリセルM00,M01,M10,M11に、図20の(b)に示されるように電圧が印加される。その結果、セクタSE1内のすべてのメモリセルが消去される。 In this way, voltages are applied to the memory cells M00, M01, M10, and M11 in the sector SE1 as shown in FIG. As a result, all the memory cells in the sector SE1 are erased.
このとき、非選択のセクタSE2内の各メモリセルにおいて、コントロールゲートとP- ウェルとの間に印加される電圧は5Vである。したがって、トンネル現象は発生しない。また、この電位条件は読出時の電位条件とほぼ同じであるので、データへのディスターブがほとんど起きない。 At this time, in each memory cell in the unselected sector SE2, the voltage applied between the control gate and the P-well is 5V. Therefore, the tunnel phenomenon does not occur. Further, since this potential condition is substantially the same as the potential condition at the time of reading, there is almost no disturbance to data.
(ii) プログラム動作(図21の(b))
ここでは、メモリセルM00をプログラムするものと仮定する。すなわち、メモリセルM00にデータ“0”を書込み、メモリセルM10にデータ“1”を書き込む。
(Ii) Program operation ((b) of FIG. 21)
Here, it is assumed that memory cell M00 is programmed. That is, data “0” is written into the memory cell M00, and data “1” is written into the memory cell M10.
まず、制御信号バッファ1120を介して制御回路1130に、プログラム動作を指定する制御信号が与えられる。それにより、高電圧発生回路1210および負電圧発生回路1240が活性化される。
First, a control signal designating a program operation is supplied to the
負電圧発生回路1240はXデコーダ1030に負電圧を与える。Xデコーダ1030は、アドレスバッファ1020から与えられるXアドレス信号に応答してワード線WL0を選択し、選択されたワード線WL0に負電圧(−10V)を印加し、非選択のワード線WL1〜WL3に0Vを印加する。
The negative
高電圧発生回路1210はYデコーダ1040、書込回路1080およびセレクトゲートデコーダ1260に高電圧を与える。まず、外部からデータ入出力バッファ1070を介してデータ“0”が書込回路1080に与えられ、ラッチされる。Yデコーダ1040は、アドレスバッファ1020から与えられるYアドレス信号に応答してYゲート1050内のYゲートトランジスタYG0に高電圧(たとえば7V)を印加し、YゲートトランジスタYG1に0Vを印加する。それにより、YゲートトランジスタYG0がオンする。
High
書込回路1080はYゲートトランジスタYG0を介して主ビット線MB0にデータ“0”に対応するプログラム電圧(5V)を印加する。また、セレクトゲートデコーダ1260は、セレクトゲート線SGL1に高電圧(たとえば(7V)を印加し、セレクトゲート線SGL2に0Vを印加する。それにより、副ビット線SB01,SB11がそれぞれ主ビット線MB0,MB1に接続される。ソース制御回路1110は、ソース線SLをフローティング状態にする。ウェル電位発生回路1250はP- ウェル1008に0Vを印加する。
Write
このようにして、メモリセルM00に、図20の(a)に示されるように電圧が印加される。その結果、メモリセルM00のしきい値電圧が下降する。 In this way, a voltage is applied to the memory cell M00 as shown in FIG. As a result, the threshold voltage of the memory cell M00 decreases.
一定時間(たとえば1m秒)経過後、外部からデータ入出力バッファ1070を介してデータ“1”が書込回路1080に与えられ、ラッチされる。Yデコーダ1040は、アドレスバッファ1020から与えられるYアドレス信号に応答してYゲート1050内のYゲートトランジスタYG1に高電圧(7V)を印加し、YゲートトランジスタYG0に0Vを印加する。それにより、YゲートトランジスタYG1がオンする。書込回路1080は、YゲートトランジスタYG1を介して主ビット線MB1にデータ“1”に対応する0Vを印加する。したがって、メモリセルM10のしきい値電圧は高いまま維持される。
After a predetermined time (for example, 1 ms), data “1” is externally applied to the
プログラム動作の際にベリファイ動作を行なってもよい。このベリファイ動作を図22のフローチャートを参照しながら説明する。 A verify operation may be performed during the program operation. This verify operation will be described with reference to the flowchart of FIG.
上記のように、選択されたワード線WL0に負電圧(−10V)を印加し、選択されたセレクトゲート線SGL1に高電圧(7V)を印加する(ステップS21)。また、ソース線SLをフローティング状態にし(ステップS22)、データ“0”の主ビット線MB0に5Vを印加し、データ“1”の主ビット線MB1に0Vを印加する(ステップS23)。それにより、メモリセルM00のしきい値電圧が下降する。このとき、メモリセルM10のしきい値電圧は高く維持される。 As described above, a negative voltage (−10V) is applied to the selected word line WL0, and a high voltage (7V) is applied to the selected select gate line SGL1 (step S21). Further, the source line SL is brought into a floating state (step S22), 5V is applied to the main bit line MB0 of data “0”, and 0V is applied to the main bit line MB1 of data “1” (step S23). Thereby, the threshold voltage of the memory cell M00 decreases. At this time, the threshold voltage of the memory cell M10 is kept high.
一定時間(たとえば1m秒)経過後、制御回路1130によりベリファイ動作が開始される。それにより、ベリファイ電圧発生回路1100が活性化される。ベリファイ電圧発生回路1100はXデコーダ1030に通常の電源電圧Vccよりも低いベリファイ電圧を供給する。その結果、選択されたワード線WL0にベリファイ電圧が印加される(ステップS24)。ソース制御回路1110によりソース線SLが接地される(ステップS25)。それにより、読出動作が行なわれる(ステップS26)。
After a predetermined time (for example, 1 msec) has elapsed, the verify operation is started by the
メモリセルM00のしきい値電圧がベリファイ電圧よりも高いと、主ビット線MB0には電流が流れない。そのため、センスアンプ1060がデータ“1”を検知する。この場合、制御回路1130はプログラムが不十分であると判断し、再びプログラム動作およびベリファイ動作を行なう(ステップS27,S21〜S26)。
When the threshold voltage of memory cell M00 is higher than the verify voltage, no current flows through main bit line MB0. Therefore, the
メモリセルM00のしきい値電圧がベリファイ電圧よりも低くなれば、主ビット線MB0に電流が流れる。そのため、センスアンプ1060がデータ“0”を検知する。この場合、制御回路1130はプログラムが十分であると判断し、メモリセルM00についてのプログラム動作を終了する。
When the threshold voltage of memory cell M00 becomes lower than the verify voltage, a current flows through main bit line MB0. Therefore, the
Xデコーダ1030に与えられるXアドレス信号が順次インクリメントされ、ワード線WL1,WL2,WL3に関して順次プログラム動作およびベリファイ動作が行なわれる(ステップS28,S29)。
The X address signal applied to
(iii) 読出動作(図21の(c))
ここでは、メモリセルM00からデータを読出すものと仮定する。まず、制御信号バッファ1120を介して制御回路1130に、読出動作を指定する制御信号が与えられる。
(Iii) Read operation ((c) of FIG. 21)
Here, it is assumed that data is read from memory cell M00. First, a control signal designating a reading operation is supplied to the
Xデコーダ1030は、アドレスバッファ1020から与えられるXアドレス信号に応答してワード線WL0を選択し、それに電源電圧Vcc(5V)を印加する。このとき、ワード線WL1,WL2,WL3は0Vに保たれる。セレクトゲートデコーダ1260は、セレクトゲート線SGL1に5Vを印加し、セレクトゲート線SGL2に0Vを印加する。Yデコーダ1040は、アドレスバッファ1020から与えられるYアドレス信号に応答してYゲート1050内のYゲートトランジスタYG0をオンさせる。ソース制御回路1110はソース線SLを接地する。
それにより、主ビット線MBOに読出電圧Vrが現れる。この読出電圧Vrがセンスアンプ1060により検知され、データ入出力バッファ1070を介して外部に出力される。
Thereby, read voltage Vr appears on main bit line MBO. The read voltage Vr is detected by the
(d) メモリセルの断面構造(図23)
図23はこの実施例のフラッシュメモリに用いられるメモリセルの断面構造を示す図である。図23に示す構造をトリプルウェル構造と呼ぶ。
(D) Cross-sectional structure of memory cell (FIG. 23)
FIG. 23 is a diagram showing a cross-sectional structure of a memory cell used in the flash memory of this embodiment. The structure shown in FIG. 23 is called a triple well structure.
P- 型半導体基板1001の所定領域にN- ウェル1009が形成され、N- ウェル1009内にP- ウェル1008が形成される。P- ウェル1008内の所定領域に所定間隔をもって2つのN+ 型不純物領域が形成される。N+ 型不純物領域の一方がドレイン1002を構成し、他方がソース1003を構成する。ソース1002とドレイン1003との間の領域上に、極めて薄い酸化膜等の絶縁膜1004(約100Å)を介してフローティングゲート1005が形成され、さらにその上に絶縁膜を介してコントロールゲート1006が形成される。このようにして、メモリセルMCが形成される。
An N − well 1009 is formed in a predetermined region of the P −
CMOS回路領域1300は、P- ウェル内に形成されたNチャネルトランジスタおよびN- ウェル内に形成されたPチャネルトランジスタを含む。
(e) 高集積化
図24は、第6の実施例における2つの隣接したメモリセルの構造図である。図24に示されるように、2つのメモリセルM00およびM10は、Pウェル1008上に形成された分離酸化膜1400により分離される。
(E) High integration FIG. 24 is a structural diagram of two adjacent memory cells in the sixth embodiment. As shown in FIG. 24, two memory cells M00 and M10 are separated by an
プログラム動作において、選択されたメモリセルM10のドレイン1002′に5Vの電圧が与えられ、一方、選択されないメモリセルM00のドレイン1002に0Vの電圧が与えられる。これに加えて、コントロールゲートを形成する第2アルミ配線層1006に−10Vの負電圧が与えられる。したがって、分離酸化膜1400をゲート酸化膜として、MOSトランジスタ1401が等価的に存在することになる。
In the program operation, a voltage of 5V is applied to the drain 1002 'of the selected memory cell M10, while a voltage of 0V is applied to the
この等価NMOSトランジスタ1401は、ゲート電極を介して−10Vの負電圧を受ける。したがって、この等価トランジスタ1401は、上記のプログラム動作において導通することがあり得ず、したがって、分離酸化膜1400の幅Waを図146に示した幅Wbと比較してより小さな値に選択することができ、したがって、より高い集積度が得られる。
The
図25は、第6の実施例におけるメモリセルアレイの半導体基板上のレイアウト図である。すでに説明したように、第6の実施例ではプログラム動作および消去動作がトンネル現象を利用して行なわれるので、副ビット線を介して流れる電流が極めて少なくなる。したがって、セクタ選択のためのセレクトゲートトランジスタSG0およびSG1のチャネル幅を、図145に示した例と比較してより小さな値に選択することができる。したがって、より高集積化に適したレイアウトが得られる。 FIG. 25 is a layout diagram of the memory cell array on the semiconductor substrate in the sixth embodiment. As already described, in the sixth embodiment, the program operation and the erase operation are performed using the tunnel phenomenon, so that the current flowing through the sub-bit line is extremely small. Therefore, the channel width of select gate transistors SG0 and SG1 for sector selection can be selected to a smaller value compared to the example shown in FIG. Therefore, a layout suitable for higher integration can be obtained.
図26は、第6の実施例のメモリセルアレイにおいて与えられる電圧を示す回路図である。図26(a)は、プログラム動作において与えられる電圧を示し、一方、図26(b)は、消去動作において与えられる電圧を示す。 FIG. 26 is a circuit diagram showing voltages applied in the memory cell array of the sixth embodiment. FIG. 26 (a) shows the voltage applied in the program operation, while FIG. 26 (b) shows the voltage applied in the erase operation.
図26(a)に示されるように、プログラム動作において、図示されていないXデコーダが−10Vおよび0Vの出力電圧を出力する。言い換えると、Xデコーダは10Vの電圧差を有する出力電圧を出力する。 As shown in FIG. 26A, in the program operation, an X decoder (not shown) outputs -10V and 0V output voltages. In other words, the X decoder outputs an output voltage having a voltage difference of 10V.
一方、図26(b)に示すように、Xデコーダは、消去動作において、10Vおよび0Vの出力電圧を必要とする。言い換えると、Xデコーダは、10Vの電圧差を有する出力電圧を出力する。 On the other hand, as shown in FIG. 26B, the X decoder requires output voltages of 10V and 0V in the erase operation. In other words, the X decoder outputs an output voltage having a voltage difference of 10V.
図26に示した出力電圧差(すなわち10V)と図147に示した出力電圧差(すなわち15Vおよび18V)を比較するとわかるように、第6の実施例におけるXデコーダの出力電圧差が減少されている。このことは、Xデコーダの集積度を向上させるのに貢献する。すなわち、第6の実施例ではXデコーダの出力電圧差が小さくなるので、Xデコーダを半導体基板上のより少ない占有領域内に形成することが可能となる。 As can be seen by comparing the output voltage difference shown in FIG. 26 (ie, 10V) and the output voltage difference shown in FIG. 147 (ie, 15V and 18V), the output voltage difference of the X decoder in the sixth embodiment is reduced. Yes. This contributes to improving the integration degree of the X decoder. That is, in the sixth embodiment, since the output voltage difference of the X decoder becomes small, the X decoder can be formed in a smaller occupied area on the semiconductor substrate.
(f) 高電圧発生回路(図27,図28)
図27の(a)に高電圧発生回路の等価回路を示す。高電圧発生回路は、複数のダイオードD210および複数のキャパシタンスC210を含む。キャパシタンスC210には2相のクロック信号φ,/φが与えられる。それにより、チャージポンプが構成される。
(F) High voltage generation circuit (FIGS. 27 and 28)
FIG. 27A shows an equivalent circuit of the high voltage generation circuit. The high voltage generation circuit includes a plurality of diodes D210 and a plurality of capacitances C210. A two-phase clock signal φ, / φ is applied to the capacitance C210. Thereby, a charge pump is configured.
各ダイオードD210は、通常、図27の(b)に示すように、Nチャネルトランジスタにより構成される。Nチャネルトランジスタのバックゲートは接地されている。 Each diode D210 is generally composed of an N-channel transistor as shown in FIG. The back gate of the N channel transistor is grounded.
しかし、電源電圧Vccが低い場合(たとえば3V)には、バックゲート効果により高電圧を得ることが困難になる。バックゲート効果とは、ソース電圧と相対的にバックゲート電圧が下がると、しきい値電圧が上昇することである。 However, when the power supply voltage Vcc is low (for example, 3 V), it is difficult to obtain a high voltage due to the back gate effect. The back gate effect is that the threshold voltage increases when the back gate voltage decreases relative to the source voltage.
そこで、この実施例では、図28に示す構造が用いられる。P- 型半導体基板1001に複数のN- ウェル1211が形成され、各N- ウェル1211内にP+ 型不純物領域1212およびN+ 型不純物領域1213が形成される。これらのP+ 型不純物領域1212およびN+ 型不純物領域1213がダイオードを構成する。
Therefore, in this embodiment, the structure shown in FIG. 28 is used. A plurality of N−
この構成によると、各ダイオードがバックゲートを有さないので、バックゲート効果は起こらない。 According to this configuration, since each diode does not have a back gate, the back gate effect does not occur.
しかしながら、場合により、図28に示した構造を有する高電圧発生回路において、図29に示すような寄生トランジスタ(バイポーラトランジスタ)が存在し得る。図29を参照して、pnp型の寄生トランジスタ1411および1412が、P+ 型不純物領域1212,N- ウェル1211およびP- 型半導体基板1001により形成され得る。したがって、これらの寄生トランジスタ1411,1412,…の存在により、図30に示した回路が等価的に形成され得る。
However, in some cases, a parasitic transistor (bipolar transistor) as shown in FIG. 29 may exist in the high voltage generation circuit having the structure shown in FIG. Referring to FIG. 29, pnp type
図30は、図29に示した寄生トランジスタ1411,1412,…により構成される回路の等価回路図である。図30からわかるように、カスケードされた寄生トランジスタ1411,1412,…により、微小な何らかのリーク電流ILEAKが増幅され、過大な電流Inが引き起こされる。すなわち、各寄生トランジスタ1411,1412,…の電流増幅率をhfeとすると、次式により決定される過大な電流Inが流れることになる。
30 is an equivalent circuit diagram of a circuit constituted by the
I1 =(1+hfe)・ILEAK
In=(1+hfe)n ・ILEAK
したがって、高電圧発生回路において過大な電流Inが流れるのを防ぐため、図31に示した構造が提案される。
I1 = (1 + hfe) · ILEAK
In = (1 + hfe) n · ILEAK
Therefore, in order to prevent an excessive current In from flowing in the high voltage generating circuit, the structure shown in FIG. 31 is proposed.
図31は、第6の実施例によるフラッシュメモリに用いられる高電圧発生回路の別の構造を示す断面図である。図31に示されるように、トリプルウェル構造が高電圧発生回路に適用される。これにより、図29に示したような寄生トランジスタ1411,1412,…が存在するのが防がれ、安定した昇圧動作が行なわれ得る。
FIG. 31 is a sectional view showing another structure of the high voltage generation circuit used in the flash memory according to the sixth embodiment. As shown in FIG. 31, the triple well structure is applied to the high voltage generation circuit. This prevents the presence of
(g) 負電圧発生回路(図32,図33)
図32の(a)に負電圧発生回路の等価回路を示す。負電圧発生回路は、複数のダイオードD230および複数のキャパシタンスC230を含む。キャパシタンスC230には2相のクロック信号φ,/φが与えられる。それにより、チャージポンプが構成される。
(G) Negative voltage generation circuit (FIGS. 32 and 33)
FIG. 32A shows an equivalent circuit of the negative voltage generation circuit. The negative voltage generation circuit includes a plurality of diodes D230 and a plurality of capacitances C230. A two-phase clock signal φ, / φ is applied to the capacitance C230. Thereby, a charge pump is configured.
各ダイオードD230は、通常、図32の(b)に示すように、Pチャネルトランジスタにより構成される。Pチャネルトランジスタのバックゲートは接地されている。 Each diode D230 is generally composed of a P-channel transistor as shown in FIG. The back gate of the P channel transistor is grounded.
しかし、電源電圧Vccが低い場合(たとえば3V)には、バックゲート効果により低い負電圧を得ることが困難になる。 However, when the power supply voltage Vcc is low (for example, 3 V), it is difficult to obtain a low negative voltage due to the back gate effect.
そこで、この実施例では、図33に示すトリプルウェル構造が用いられる。P- 型半導体基板1001にN- ウェル1231が形成され、N- ウェル1231内に複数のP- ウェル1232が形成され、各P- ウェル1232内にN+ 型不純物領域1233およびP+ 型不純物領域1234が形成される。これらのN+ 型不純物領域1233およびP+ 型不純物領域1234がダイオードを構成する。
Therefore, in this embodiment, a triple well structure shown in FIG. 33 is used. An N− well 1231 is formed in a P−
この構成によると、各ダイオードがバックゲートを有さないので、バックゲート効果は起こらない。また、図23に示したように、メモリセルもN- ウェル内に形成されるので、製造工程は増加しない。 According to this configuration, since each diode does not have a back gate, the back gate effect does not occur. Further, as shown in FIG. 23, since the memory cell is also formed in the N-well, the manufacturing process does not increase.
(7) 第7の実施例(図34,図35)
図34は第7の実施例によるフラッシュメモリのメモリアレイおよびそれに関連する部分の詳細な構成を示す回路図である。図7の実施例によるフラッシュメモリの全体の構成は、図18に示す構成と同様である。
(7) Seventh embodiment (FIGS. 34 and 35)
FIG. 34 is a circuit diagram showing a detailed configuration of a memory array of a flash memory according to the seventh embodiment and parts related thereto. The entire configuration of the flash memory according to the embodiment of FIG. 7 is the same as the configuration shown in FIG.
第7の実施例が第6の実施例と異なるのは、主ビット線MB0,MB1にそれぞれトランスファゲートトランジスタTG0,TG1を介してキャパシタンスC0,C1が接続されている点である。キャパシタンスC0,C1にはウェル電位VBが与えられる。トランスファゲートトランジスタTG0,TG1には制御回路1130から制御信号CG1が与えられる。他の部分の構成は、図19に示される構成と同様である。
The seventh embodiment differs from the sixth embodiment in that capacitances C0 and C1 are connected to main bit lines MB0 and MB1 via transfer gate transistors TG0 and TG1, respectively. A well potential VB is applied to the capacitances C0 and C1. A control signal CG1 is supplied from the
1つのメモリセルについてのプログラム時間がたとえば1m秒であると仮定すると、図34に示すような2ビット構成ではプログラムに2m秒必要となる。実際には、1つのワード線に接続されるメモリセルの数は数百〜数千であるので、データの書換えには膨大な時間がかかる。各主ビット線ごとにデータラッチを設けることにより複数のビット線に接続されるメモリセルに同時にプログラムを行なってもよい。しかし、レイアウトが困難となる。 Assuming that the program time for one memory cell is 1 ms, for example, the 2-bit configuration as shown in FIG. 34 requires 2 ms for programming. Actually, since the number of memory cells connected to one word line is several hundred to several thousand, it takes a long time to rewrite data. By providing a data latch for each main bit line, the memory cells connected to the plurality of bit lines may be programmed simultaneously. However, layout becomes difficult.
そこで、第7の実施例に示すように、キャパシタンスC0,C1が設けられる。
プログラム時に、制御信号CG1に応答してトランスファゲートトランジスタTG0,TG1がオンする。また、Yデコーダ1040は、Yアドレス信号に応答してYゲートトランジスタYG0,YG1をたとえば数十μ秒の周期で高速にスイッチングする。このとき、書込回路1080にはYアドレス信号に従ってデータが順次与えられる。それにより、主ビット線MB0,MB1を介してキャパシタンスC0,C1がデータに従って充電される。この動作が1m秒の間繰返される。
Therefore, as shown in the seventh embodiment, capacitances C0 and C1 are provided.
At the time of programming, the transfer gate transistors TG0 and TG1 are turned on in response to the control signal CG1. Further, the
一般に、フローティングゲートからの電子のトンネルに要する電流は数ナノアンペア以下であるので、キャパシタンスC0,C1に蓄積された電荷によりトンネルに要する消費電流を供給することができる。 In general, since the current required for tunneling electrons from the floating gate is several nanoamperes or less, the current consumed for tunneling can be supplied by the charges accumulated in the capacitances C0 and C1.
図35に示すように、たとえば250μ秒ごとにYゲートトランジスタYG0,YG1をスイッチングした場合、主ビット線MB0には、250μ秒〜500μ秒の期間および750μ秒〜1m秒の期間プログラム電圧は印加されない。しかし、これらの期間には、主ビット線MB0およびキャパシタンスC0に蓄積された電荷により主ビット線MB0の電圧が保持される。したがって、主ビット線MB0,MB1に接続されたメモリセルをプログラムするのに要する時間は1m秒となる。 As shown in FIG. 35, for example, when the Y gate transistors YG0 and YG1 are switched every 250 μs, the program voltage is not applied to the main bit line MB0 for a period of 250 μs to 500 μs and a period of 750 μs to 1 ms. . However, during these periods, the voltage of the main bit line MB0 is held by the charges accumulated in the main bit line MB0 and the capacitance C0. Therefore, the time required to program the memory cells connected to the main bit lines MB0 and MB1 is 1 ms.
ここで、主ビット線MB0にプログラム電圧が印加されない期間の電圧減少量ΔVは、キャパシタンスC0の値およびYゲートトランジスタのスイッチング周波数で決まる。キャパシタンスC0の値が大きいほど、またはスイッチング周波数が大きいほど、プログラム電圧の減少は抑えられ、安定かつ高速にプログラムが行なわれる。 Here, the voltage decrease amount ΔV during the period when the program voltage is not applied to the main bit line MB0 is determined by the value of the capacitance C0 and the switching frequency of the Y gate transistor. As the value of the capacitance C0 is larger or the switching frequency is larger, the decrease in the program voltage is suppressed, and the program is performed stably and at high speed.
キャパシタンスC0,C1をMOS容量で形成する場合、主ビット線MB0,MB1をゲートに接続することが好ましい。もし、主ビット線MB0,MB1をMOS容量の拡散層に接続すると、たとえば高温時に、接合リークなどにより、充電されたプログラム電圧が短時間で放電してしまう可能性があるからである。 When the capacitances C0 and C1 are formed of MOS capacitors, it is preferable to connect the main bit lines MB0 and MB1 to the gates. This is because if the main bit lines MB0 and MB1 are connected to the diffusion layer of the MOS capacitor, the charged program voltage may be discharged in a short time due to, for example, junction leakage at a high temperature.
プログラム時および消去時の電圧印加条件は第6の実施例と同様である。また、セクタ一括消去動作およびプログラム動作も第6の実施例と同様である。 The voltage application conditions during programming and erasing are the same as in the sixth embodiment. The sector batch erase operation and program operation are the same as in the sixth embodiment.
(8) 第8の実施例(図36〜図51)
(a) フラッシュメモリの全体の構成(図36,図37)
図36は、第8の実施例によるフラッシュメモリの全体の構成を示すブロック図である。また、図37は、メモリアレイおよびそれに関連する部分の詳細な構成を示す回路図である。
(8) Eighth Example (FIGS. 36 to 51)
(A) Overall configuration of flash memory (FIGS. 36 and 37)
FIG. 36 is a block diagram showing the overall configuration of the flash memory according to the eighth embodiment. FIG. 37 is a circuit diagram showing a detailed configuration of the memory array and related parts.
図36のフラッシュメモリが図18に示す第6の実施例のフラッシュメモリと異なるのは次の点である。ソース制御回路1110の代わりにソースデコーダ1270が設けられる。また、負電圧発生回路1230はYデコーダ1040の代わりにセレクトゲートデコーダ1260およびソースデコーダ1270に負電圧を与える。
The flash memory of FIG. 36 differs from the flash memory of the sixth embodiment shown in FIG. 18 in the following points. A
図37に示すように、セクタSE1内のメモリセルM00,M01,M10,M11のソースはソース線SL1に接続され、セクタSE2内のメモリセルM02,M03,M12,M13のソースはソース線SL2に接続される。ソースデコーダ1270の出力端子はソース線SL1,SL2に接続される。
As shown in FIG. 37, the sources of the memory cells M00, M01, M10, and M11 in the sector SE1 are connected to the source line SL1, and the sources of the memory cells M02, M03, M12, and M13 in the sector SE2 are connected to the source line SL2. Connected. The output terminal of
消去時には、選択されたセクタ内の各メモリセルのソースはフローティング状態となっている。ソースにリーク経路が存在すると、ソース電位が上昇し、ソースとフローティングゲートとの間の電界が小さくなる。 At the time of erasing, the source of each memory cell in the selected sector is in a floating state. When a leak path exists in the source, the source potential rises and the electric field between the source and the floating gate is reduced.
そこで、消去時にソース電位を安定にするために、ソース線SL1,SL2にそれぞれトランスファゲートトランジスタTG11,TG12を介してキャパシタンスC11,C12を接続してもよい。 Therefore, in order to stabilize the source potential at the time of erasing, capacitances C11 and C12 may be connected to the source lines SL1 and SL2 via transfer gate transistors TG11 and TG12, respectively.
キャパシタンスC11,C12にはウェル電位VBが与えられる。トランスファゲートトランジスタTG11,TG12には制御回路1130から制御信号CG2が与えられる。
A well potential VB is applied to the capacitances C11 and C12. A control signal CG2 is supplied from the
消去時に、制御信号CG2に応答してトランスファゲートトランジスタTG11,TG12がオンする。それにより、ソース電位の変化が小さくなる。 At the time of erasing, the transfer gate transistors TG11 and TG12 are turned on in response to the control signal CG2. Thereby, the change in the source potential is reduced.
第8の実施例におけるプログラム動作および読出動作は第6の実施例と同様であるので、以下、セクタ一括消去動作を説明する。 Since the program operation and the read operation in the eighth embodiment are the same as those in the sixth embodiment, the sector batch erase operation will be described below.
第6の実施例では、消去時に、図20の(b)に示されるように電圧が印加される。しかし、非常に短い時間(たとえば数m秒)で消去が行なわれると、メモリセルの下部における反転層の形成が電圧印加に追従することができず、メモリセルの下部に空乏層が形成される。 In the sixth embodiment, at the time of erasing, a voltage is applied as shown in FIG. However, if erasing is performed in a very short time (for example, several milliseconds), the formation of the inversion layer under the memory cell cannot follow the voltage application, and a depletion layer is formed under the memory cell. .
このような場合、選択されたセクタ内のメモリセルへの電圧印加条件と非選択のセクタ内のメモリセルへの電圧印加条件とを異ならせることが好ましい。 In such a case, it is preferable that the voltage application condition to the memory cells in the selected sector is different from the voltage application condition to the memory cells in the non-selected sector.
電圧印加条件は、フローティングゲート1005の下の絶縁膜1004(トンネル絶縁膜)にゲートバーズビークがない場合とゲートバーズビークがある場合とで異なる。ここで、ゲートバーズビークとは、図43にgbで示すように、製造時に、フローティングゲート1005の下のトンネル絶縁膜によりフローティングゲート1005の下面の周縁部が浸蝕されている状態をいう。これにより、フローティングゲート1005の周縁部の下方でトンネル絶縁膜の厚さが厚くなる。
The voltage application conditions differ depending on whether the insulating film 1004 (tunnel insulating film) under the floating
まず、ゲートバーズビークがないかあるいは小さい場合の電圧印加条件を説明し、次に、ゲートバーズビークが大きい場合の電圧印加条件を説明する。 First, voltage application conditions when the gate bird's beak is small or small will be described, and then voltage application conditions when the gate bird's beak is large will be described.
(b) ゲートバーズビークがない場合(図38〜図42)
(i) メモリセルの消去(図38,図39)
図38において、Cgはコントロールゲート1006とフローティングゲート1005との間の容量、Cfはフローティングゲート1005とP- ウェル1008と間の容量、Cbは空乏層による容量、Cdはドレイン1002とフローティングゲート1005との間の容量、Csはソース1003とフローティングゲート1005との間の容量を示す。また、Ctは容量Cfと容量Cbとの合成容量を示す。
(B) When there is no gate bird's beak (FIGS. 38 to 42)
(I) Erase of memory cell (FIGS. 38 and 39)
38, Cg is a capacitance between the
今、コントロールゲート1006に正電圧VCGを印加し、P- ウェル1008に負電圧VBを印加する。この場合、ドレイン1002およびソース1003はフローティング状態になっているので、ドレイン電圧Vdおよびソース電圧Vsはほぼ負電圧VBとなる。このときのフローティングゲート1005の電位をVFGとし、初期の蓄積電荷を0とすると、電荷保存則から次式が成立する。
Now, a positive voltage VCG is applied to the
(VCG−VFG)・Cg=(VFG−VB)・(Cs+Ct+Cd)
…(1)
式(1)を展開すると次式のようになる。
(VCG-VFG) .Cg = (VFG-VB). (Cs + Ct + Cd)
... (1)
When formula (1) is expanded, the following formula is obtained.
VFG={VCG・Cg+(Cs+Ct+Cd)・VB}/(Cs+Ct
+Cd+Cg) …(2)
さらに式(2)を展開すると、次式のようになる。
VFG = {VCG · Cg + (Cs + Ct + Cd) · VB} / (Cs + Ct
+ Cd + Cg) (2)
Further expanding equation (2) gives the following equation.
VFG={VCG+(Cs+Ct+Cd)・VB/Cg}/{(Cs+Ct
+Cd)/Cg+1} …(3)
ここで、Cs,CdはCgと比較して小さいので、無視することができる。したがって、式(3)は次式のようになる。
VFG = {VCG + (Cs + Ct + Cd) · VB / Cg} / {(Cs + Ct
+ Cd) / Cg + 1} (3)
Here, since Cs and Cd are smaller than Cg, they can be ignored. Therefore, Expression (3) becomes as follows.
VFG=(VCG+Ct・VB/Cg)/(Ct/Cg+1) …(4)
空乏層が広がると、容量Cbが小さくなり、容量Ctも小さくなる。したがって、フローティングゲート1005の電位VFGはコントロールゲート1006の電位VCGに近付く。しかし、フローティング状態のドレイン1002およびソース1003の電位は、ほぼP- ウェル1008の電位と同じである。
VFG = (VCG + Ct · VB / Cg) / (Ct / Cg + 1) (4)
When the depletion layer spreads, the capacity Cb decreases and the capacity Ct also decreases. Therefore, the potential VFG of the floating
この場合、フローティングゲート1005とドレイン1002またはソース1003との間の電界Eは次式で表される。
In this case, the electric field E between the floating
E=(VFG−VB)/TOX …(5)
ここで、VFGはフローティングゲート1005の電位、VBはP- ウェル1008の電位、TOXはトンネル絶縁膜の厚さを表す。
E = (VFG−VB) / TOX (5)
Here, VFG represents the potential of the floating
フローティングゲート1005の電位VFGが上昇するので、フローティングゲート1005とドレイン1002との間の電界およびフローティングゲート1005とソース1003との間の電界が大きくなる。したがって、ドレイン1002またはソース1003の端部でのトンネル効果が向上する。そのため、消去効率が向上する。
Since the potential VFG of the floating
このような効果は選択されたセクタでは好ましいが、非選択のセクタでは好ましくない。 Such an effect is preferable in the selected sector, but not preferable in the non-selected sector.
そこで、選択されたセクタ内のメモリセルのソース1003は、図39の(a)に示すように、フローティング状態にし、非選択のセクタ内のメモリセルのソース1003には、図39の(b)に示すように、P- ウェル1008の電位と同じ電位またはP- ウェル1008の電位よりも高い電位を供給する。
Therefore, the
それにより、非選択のセクタ内のメモリセルでは、ソース1003とドレイン1002との間にチャネルchが形成され、そのチャネルchの電位はソース1003から与えられる。そのため、フローティングゲート1005の電位は、フローティングゲート1005とチャネルchとの間の容量結合により低下し、トンネル絶縁膜にかかる電界が緩和される。その結果、非選択のセクタ内のメモリセルのデータが安定に保護される。
Thus, in the memory cell in the non-selected sector, a channel ch is formed between the
(ii) フラッシュメモリのセクタ一括消去動作(図40)
図40を参照しながらゲートバーズビークがない場合のフラッシュメモリのセクタ一括消去動作を説明する。ここで、セクタSE1を一括消去するものと仮定する。
(Ii) Flash memory sector batch erase operation (FIG. 40)
The sector batch erase operation of the flash memory when there is no gate bird's beak will be described with reference to FIG. Here, it is assumed that the sector SE1 is erased collectively.
セクタSE1内のワード線WL0,WL1に10Vが印加され、セクタSE2内のワード線WL2,WL3に0Vが印加される。また、セレクトゲート線SGL1,SGL2には0Vが印加される。P- ウェル1008には−5Vが印加される。ソース線SL1はフローティング状態にされ、ソース線SL2には−5Vが印加される。
10V is applied to the word lines WL0 and WL1 in the sector SE1, and 0V is applied to the word lines WL2 and WL3 in the sector SE2. Further, 0V is applied to the select gate lines SGL1 and SGL2. -5V is applied to the P-
それにより、セクタSE2内のメモリセルのデータを安定に保護しつつ、セクタSE1内のメモリセルを一括消去することができる。 As a result, the memory cells in the sector SE1 can be erased collectively while stably protecting the data in the memory cells in the sector SE2.
(iii) ソースデコーダ(図41,図42)
図41は、ゲートバーズビークがない場合に用いられるソースデコーダ1270の構成を示す図である。また、図42は、図41のソースデコーダ1270の各部の電圧を示す図である。図41には、ソース線SL1に関連する部分のみが示される。ソース線SL2に関連する部分の構成は、入力端子AD0,AD1,AD2に与えられる入力信号が異なる点を除いて、図41に示される構成と同様である。
(Iii) Source decoder (FIGS. 41 and 42)
FIG. 41 is a diagram showing the configuration of the
PチャネルトランジスタP1,P2,P3のバックゲートは端子VDDに接続され、NチャネルトランジスタN1,N2,N3,N4のバックゲートは端子VBBに接続される。 The back gates of P-channel transistors P1, P2, and P3 are connected to terminal VDD, and the back gates of N-channel transistors N1, N2, N3, and N4 are connected to terminal VBB.
消去時には、端子VDDに0Vが印加され、端子VBBにウェル電位と同じ負電圧(−5V)が印加される。また、端子VBB2にはウェル電位と同じ負電圧(−5V)またはウェル電位よりも高い負電圧が印加される。 At the time of erasing, 0V is applied to the terminal VDD, and a negative voltage (−5V) equal to the well potential is applied to the terminal VBB. Further, a negative voltage (−5 V) equal to the well potential or a negative voltage higher than the well potential is applied to the terminal VBB2.
セクタSE1の選択時には、入力端子AD0〜AD2のすべてに0Vの入力信号が与えられる。したがって、トランジスタN4がオフし、ソース線SL1はフローティング状態となる。セクタSE1の非選択時には、入力端子AD0〜AD2のいずれかに−5Vの入力信号が与えられる。したがって、トランジスタN4がオンし、ソース線SL1に−5Vが印加される。 When the sector SE1 is selected, an input signal of 0V is applied to all of the input terminals AD0 to AD2. Accordingly, the transistor N4 is turned off and the source line SL1 is in a floating state. When the sector SE1 is not selected, an input signal of −5V is applied to any one of the input terminals AD0 to AD2. Therefore, the transistor N4 is turned on, and −5V is applied to the source line SL1.
プログラム時および読出時には、端子VDDに電源電圧Vcc(5V)が印加され、端子VBBに0Vが印加され、端子VBB2に0Vが印加される。 During programming and reading, the power supply voltage Vcc (5 V) is applied to the terminal VDD, 0 V is applied to the terminal VBB, and 0 V is applied to the terminal VBB2.
プログラム時には、入力端子AD0〜AD2のすべてに5Vの入力信号が与えられる。したがって、トランジスタN4がオフし、ソース線SL1はフローティング状態になる。 At the time of programming, an input signal of 5V is applied to all of the input terminals AD0 to AD2. Accordingly, the transistor N4 is turned off and the source line SL1 is in a floating state.
読出時には、入力端子AD0〜AD2のすべてに0Vの入力信号が印加される。したがって、トランジスタN4がオンし、ソース線SL1に0Vが印加される。 At the time of reading, an input signal of 0V is applied to all of the input terminals AD0 to AD2. Therefore, the transistor N4 is turned on and 0 V is applied to the source line SL1.
(c) ゲートバーズビークがある場合(図43〜図47)
(i) メモリセルの消去(図43,図44)
図43に示すように、ゲートバーズビークgbが大きいと、ドレイン1002およびソース1003を形成する拡散層が薄いトンネル絶縁膜の下まで延びない場合が生じる。この場合、ドレイン1002とフローティングゲート1005との間およびソース1003とフローティングゲート1005との間でトンネル効果は生じない。したがって、P- ウェル1008とフローティングゲート1005との間のトンネル効果により消去が行なわれる。
(C) When there is a gate bird's beak (FIGS. 43 to 47)
(I) Erase of memory cell (FIGS. 43 and 44)
As shown in FIG. 43, when the gate bird's beak gb is large, the diffusion layer forming the
フローティングゲート1005とP- ウェル1008との間の電界Eは次式で表される。
The electric field E between the floating
E=(VFG−VB)/(TOX+Id) …(6)
ここで、VFGはフローティングゲート1005の電位、VBはP- ウェル1008の電位、TOXはトンネル絶縁膜の厚さ、Idは空乏層の厚さを表す。このように、ドレイン1002およびソース1003をフローティング状態にすると、空乏層により電界が弱められて消去効率が落ちる。
E = (VFG−VB) / (TOX + Id) (6)
Here, VFG represents the potential of the floating
このような場合、選択されたセクタ内のメモリセルのソース1003には、図44の(a)に示すように、P- ウェル1008の電位と同じ負電圧(−5V)を印加し、非選択のセクタ内のメモリセルのソース1003は、図44の(b)に示すように、フローティング状態にする。
In such a case, a negative voltage (-5 V) equal to the potential of the P-well 1008 is applied to the
それにより、選択されたセクタ内のメモリセルでは、ソース1003とドレイン1002との間にチャネルchが形成され、そのチャネルchの電位はソース1003から与えられる。そのため、チャネルchとフローティングゲート1005との間のトンネル絶縁膜に充分な電界が印加され、チャネルchとフローティングゲート1005との間でトンネル現象が起こる。その結果、選択されたセクタ内のメモリセルの消去効率が向上する。
Accordingly, in the memory cell in the selected sector, a channel ch is formed between the
一方、非選択のセクタ内のメモリセルのソース1003はフローティング状態となっているので、ソース1003とドレイン1002との間にチャネルは形成されず、メモリセルの下部に空乏層が形成される。そのため、フローティングゲート1005とP- ウェル1008との間の電界が緩和される。
On the other hand, since the
(ii) フラッシュメモリのセクタ一括消去動作(図45)
図45を参照しながらゲートバーズビークがある場合のフラッシュメモリのセクタ一括消去動作を説明する。ここで、セクタSE1を一括消去するものと仮定する。
(Ii) Flash memory sector batch erase operation (FIG. 45)
The sector batch erase operation of the flash memory when there is a gate bird's beak will be described with reference to FIG. Here, it is assumed that the sector SE1 is erased collectively.
セクタSE1内のワード線WL0,WL1に10Vが印加され、セクタSE2内のワード線WL2,WL3に0Vが印加される。また、セレクトゲート線SGL1,SGL2には0Vが印加される。P- ウェル1008には−5Vが印加される。ソース線SL1には−5Vが印加され、ソース線SL2はフローティング状態にされる。
10V is applied to the word lines WL0 and WL1 in the sector SE1, and 0V is applied to the word lines WL2 and WL3 in the sector SE2. Further, 0V is applied to the select gate lines SGL1 and SGL2. -5V is applied to the P-
それにより、セクタSE2内のメモリセルのデータを安定に保護しつつ、セクタSE1内のメモリセルを一括消去することができる。 As a result, the memory cells in the sector SE1 can be erased collectively while stably protecting the data in the memory cells in the sector SE2.
(iii) ソースデコーダ(図46,図47)
図46は、ゲートバーズビークがある場合に用いられるソースデコーダ1270の構成を示す図である。図47は、図46のソースデコーダ1270の各部の電圧を示す図である。図48は、ソース線SL1に関連する部分のみが示される。ソース線SL2に関連する部分の構成は、入力端子AD0,AD1,AD2に与えられる入力信号が異なる点を除いて、図46に示される構成と同様である。
(Iii) Source decoder (FIGS. 46 and 47)
FIG. 46 is a diagram showing the configuration of the
PチャネルトランジスタP1,P2,P3,P4のバックゲートは端子VDDに接続され、NチャネルトランジスタN1,N2,N3,N5,N6のバックゲートは端子VBBに接続される。 The back gates of P-channel transistors P1, P2, P3, and P4 are connected to terminal VDD, and the back gates of N-channel transistors N1, N2, N3, N5, and N6 are connected to terminal VBB.
消去時には、端子VDDに0Vが印加され、端子VBBにはウェル電位と同じ負電圧(−5V)が印加される。 At the time of erasing, 0V is applied to the terminal VDD, and a negative voltage (−5V) that is the same as the well potential is applied to the terminal VBB.
セクタSE1の選択時には、入力端子AD0〜AD2のすべてに0Vの入力信号が与えられる。したがって、トランジスタN6がオンし、ソース線SL1には−5Vが印加される。セクタSE1の非選択時には、入力端子AD0〜AD2のいずれかに−5Vの入力信号が与えられる。したがって、トランジスタN6がオフし、ソース線SL1はフローティング状態となる。 When the sector SE1 is selected, an input signal of 0V is applied to all of the input terminals AD0 to AD2. Therefore, the transistor N6 is turned on, and −5V is applied to the source line SL1. When the sector SE1 is not selected, an input signal of −5V is applied to any one of the input terminals AD0 to AD2. Accordingly, the transistor N6 is turned off and the source line SL1 is in a floating state.
プログラム時および読出時には、端子VDDに電源電圧Vcc(5V)が印加され、端子VBBに0Vが印加される。 During programming and reading, power supply voltage Vcc (5 V) is applied to terminal VDD, and 0 V is applied to terminal VBB.
プログラム時には、入力端子AD0〜AD2のすべてに0Vの入力信号が与えられる。したがって、トランジスタN6がオフし、ソース線SL1はフローティング状態になる。 At the time of programming, an input signal of 0V is applied to all of the input terminals AD0 to AD2. Accordingly, the transistor N6 is turned off and the source line SL1 is in a floating state.
読出時には、入力端子AD0〜AD2のすべてに5Vの入力信号が与えられる。したがって、トランジスタN6がオンし、ソース線SL1に0Vが印加される。 At the time of reading, a 5V input signal is applied to all of the input terminals AD0 to AD2. Therefore, the transistor N6 is turned on and 0 V is applied to the source line SL1.
(d) ウェル電位が低い場合(図48〜図51)
(i) メモリセルの消去(図48)
上記の説明では、消去時にP- ウェルに印加する電圧を−5Vと仮定してきた。さらに消去効率を向上するためにウェル電位をより下げた場合、非選択のセクタでのディスターブが問題となってくる。
(D) When the well potential is low (FIGS. 48 to 51)
(I) Erase of memory cell (FIG. 48)
In the above description, it has been assumed that the voltage applied to the P-well during erasing is -5V. Further, when the well potential is further lowered in order to improve the erasing efficiency, disturb in a non-selected sector becomes a problem.
たとえば、ゲートバーズビークが大きい場合には、図46に示したように、選択されたセクタのソース線にはウェル電位と同じ端子VBBの負電圧(−5V)が印加され、非選択のセクタのソース線はフローティング状態となる。 For example, when the gate bird's beak is large, as shown in FIG. 46, the negative voltage (−5V) of the terminal VBB which is the same as the well potential is applied to the source line of the selected sector. The source line is in a floating state.
しかし、ウェル電位がより下がると、非選択のセクタ内のメモリセルにおいて、フローティングゲートとP- ウェルとの間の電界が大きくなる。その結果、非選択のセクタ内のメモリセルのデータを確実に保護することができなくなる。 However, when the well potential is further lowered, the electric field between the floating gate and the P-well is increased in the memory cell in the non-selected sector. As a result, the data in the memory cells in the non-selected sector cannot be reliably protected.
そこで、非選択のセクタのソース線にはウェル電位よりも高い電圧を印加する。たとえば、図48に示すように、P- ウェル1008の電位を−10Vとする。この場合、選択されたセクタ内のメモリセルのソース1003には、図48の(a)に示すように、ウェル電位と同じ−10Vを印加し、非選択のセクタ内のメモリセルのソース1003には−5Vを印加する。
Therefore, a voltage higher than the well potential is applied to the source line of the unselected sector. For example, as shown in FIG. 48, the potential of the P-well 1008 is set to -10V. In this case, −10 V, which is the same as the well potential, is applied to the
それにより、非選択のセクタ内のメモリセルにおいて、チャネルとコントロールゲート1006との間の電位差を5Vにすることができる。
Thereby, the potential difference between the channel and the
(ii) フラッシュメモリのセクタ一括消去動作(図49)
図49を参照しながらウェル電位が低い場合のフラッシュメモリのセクタ一括消去動作を説明する。ここで、セクタSE1を一括消去するものと仮定する。
(Ii) Flash memory sector batch erase operation (FIG. 49)
The sector batch erase operation of the flash memory when the well potential is low will be described with reference to FIG. Here, it is assumed that the sector SE1 is erased collectively.
セクタSE1内のワード線WL0,WL1に10Vが印加され、セクタSE2内のワード線WL2,WL3に0Vが印加される。また、セレクトゲート線SGL1,SGL2には0Vが印加される。P- ウェル1008には−10Vが印加される。ソース線SL1には−10Vが印加され、ソース線SL2には−5Vが印加される。 10V is applied to the word lines WL0 and WL1 in the sector SE1, and 0V is applied to the word lines WL2 and WL3 in the sector SE2. Further, 0V is applied to the select gate lines SGL1 and SGL2. −10V is applied to the P− well 1008. −10V is applied to the source line SL1, and −5V is applied to the source line SL2.
それにより、セクタSE2内のメモリセルのデータを安定に保護しつつ、セクタSE1内のメモリセルを一括消去することができる。 As a result, the memory cells in the sector SE1 can be erased collectively while stably protecting the data in the memory cells in the sector SE2.
(iii) ソースデコーダ(図50,図51)
図50は、ウェル電位が低い場合に用いられるソースデコーダ1270の構成を示す図である。図51は、図50のソースデコーダ1270の各部の電圧を示す図である。図50には、ソース線SL1に関連する部分のみが示される。ソース線SL2に関連する部分の構成は、入力端子AD0,AD1,AD2に与えられる入力信号が異なる点を除いて、図50に示される構成と同様である。
(Iii) Source decoder (FIGS. 50 and 51)
FIG. 50 is a diagram showing a configuration of a
PチャネルトランジスタP1,P2,P3,P5のバックゲートは端子VDDに接続され、NチャネルトランジスタN1,N2,N3のバックゲートは端子VBBに接続される。 The back gates of P-channel transistors P1, P2, P3, and P5 are connected to terminal VDD, and the back gates of N-channel transistors N1, N2, and N3 are connected to terminal VBB.
消去時には、端子VDDに−5Vが印加され、端子VBBにウェル電位と同じ負電圧(−10V)が印加される。また、制御線CSLに0Vが印加され、制御線DSLに−10Vが印加される。 At the time of erasing, −5V is applied to the terminal VDD, and a negative voltage (−10V) that is the same as the well potential is applied to the terminal VBB. Further, 0V is applied to the control line CSL, and −10V is applied to the control line DSL.
セクタSE1の選択時には、入力端子AD0〜AD2のすべてに0Vの入力信号が与えられる。したがって、ソース線SL1に−10Vが印加される。セクタSE1の非選択時には、入力端子AD0〜AD2のいずれかに−10Vの入力信号が与えられる。したがって、ソース線SL1に−5Vが印加される。なお、非選択時のソース線の電位は、消去時に端子VDDに与える電位を変えることにより自由に選択することができる。 When the sector SE1 is selected, an input signal of 0V is applied to all of the input terminals AD0 to AD2. Therefore, −10 V is applied to the source line SL1. When the sector SE1 is not selected, an input signal of −10V is applied to any one of the input terminals AD0 to AD2. Therefore, −5 V is applied to the source line SL1. Note that the potential of the source line at the time of non-selection can be freely selected by changing the potential applied to the terminal VDD at the time of erasing.
プログラム時および読出時には、端子VDDに電源電圧Vcc(5V)が印加され、端子VBBに0Vが印加される。 During programming and reading, power supply voltage Vcc (5 V) is applied to terminal VDD, and 0 V is applied to terminal VBB.
プログラム時には、制御線CSLに0Vが印加され、制御線DSLに5Vが印加される。したがって、ソース線SL1はフローティング状態になる。 At the time of programming, 0V is applied to the control line CSL and 5V is applied to the control line DSL. Accordingly, the source line SL1 is in a floating state.
読出時には、制御線CSLに5Vが印加され、制御線DSLに0Vが印加される。また、入力端子AD0〜AD2のすべてに5Vの入力信号が与えられる。したがって、ソース線SL1に0Vが印加される。 At the time of reading, 5V is applied to the control line CSL and 0V is applied to the control line DSL. Further, an input signal of 5V is applied to all of the input terminals AD0 to AD2. Therefore, 0 V is applied to the source line SL1.
(9) 第9の実施例(図52〜図56)
(a) フラッシュメモリの全体の構成(図52,図53)
図52は、第9の実施例によるフラッシュメモリの全体の構成を示すブロック図である。また、図53は、メモリアレイおよびそれに関連する部分の詳細な構成を示す回路図である。
(9) Ninth embodiment (FIGS. 52 to 56)
(A) Overall configuration of flash memory (FIGS. 52 and 53)
FIG. 52 is a block diagram showing the overall configuration of the flash memory according to the ninth embodiment. FIG. 53 is a circuit diagram showing a detailed configuration of the memory array and related parts.
図52のフラッシュメモリが図36に示す第8の実施例のフラッシュメモリと異なるのは次の点である。ソースデコーダ1270の代わりにソーススイッチ1281,1282が設けられている。負電圧発生回路1230はセレクトゲートデコーダ1260に負電圧を与える。
The flash memory of FIG. 52 differs from the flash memory of the eighth embodiment shown in FIG. 36 in the following points.
図53に示すように、ソーススイッチ1281はセレクトゲート線SGL1上の電位を受け、ソース線SL1の電位を制御する。ソーススイッチ1282はセレクトゲート線SGL2上の電位を受け、ソース線SL2の電位を制御する。ソーススイッチ1281,1282は制御回路1130からの制御信号CG3により制御される。
As shown in FIG. 53, the
第9の実施例におけるプログラム動作および読出動作は第6の実施例と同様であるので、以下、消去動作を説明する。 Since the program operation and the read operation in the ninth embodiment are the same as those in the sixth embodiment, the erase operation will be described below.
(b) フラッシュメモリのセクタ一括消去動作(図54)
図54を参照しながら第9の実施例によるフラッシュメモリのセクタ一括消去動作を説明する。ここで、セクタSE1の一括消去を行なうものと仮定する。
(B) Flash memory sector batch erase operation (FIG. 54)
The sector batch erase operation of the flash memory according to the ninth embodiment will be described with reference to FIG. Here, it is assumed that collective erasure of sector SE1 is performed.
第8の実施例で説明したように、より消去効率を向上するために、P- ウェル1008には−10Vが印加される。セクタSE1内のワード線WL0,WL1には10Vが印加され、セクタSE2内のワード線WL2,WL3には0Vが印加される。また、セレクトゲート線SGL1に−10Vが印加され、セレクトゲート線SGL2に−5Vが印加される。ソース線SL1にはソーススイッチ1281により−10Vが印加され、ソース線SL2はソーススイッチ1282により−5Vが印加される。
As described in the eighth embodiment, −10 V is applied to the P − well 1008 in order to further improve the erase efficiency. 10V is applied to the word lines WL0 and WL1 in the sector SE1, and 0V is applied to the word lines WL2 and WL3 in the sector SE2. Further, -10V is applied to the select gate line SGL1, and -5V is applied to the select gate line SGL2. −10V is applied to the source line SL1 by the
それにより、セクタSE2にディスターブを起こすことなく、セクタSE1を効率的に一括消去することができる。 As a result, the sector SE1 can be efficiently erased collectively without disturbing the sector SE2.
(c) セレクトゲートデコーダおよびソーススイッチ(図55,図56)
図55は、第9の実施例のフラッシュメモリに用いられるセレクトゲートデコーダおよびソーススイッチの構成を示す回路図である。図56は、図55のセレクトゲートデコーダおよびソーススイッチの各部の電圧を示す図である。図55には、セレクトゲートデコーダ1260のセレクトゲート線SGL1に関連する部分およびソース線SL1に接続されるソーススイッチ1281のみが示される。セレクトゲートデコーダ1260のセレクトゲート線SGL2に関連する部分およびソーススイッチ1282の構成は、入力端子AD0,AD1,AD2に与えられる入力信号が異なる点を除いて、図55に示される構成と同様である。
(C) Select gate decoder and source switch (FIGS. 55 and 56)
FIG. 55 is a circuit diagram showing configurations of a select gate decoder and a source switch used in the flash memory according to the ninth embodiment. FIG. 56 is a diagram showing voltages at respective parts of the select gate decoder and the source switch of FIG. FIG. 55 shows only a portion related to select gate line SGL1 of
PチャネルトランジスタP21〜P25のバックゲートは端子VDDに接続され、NチャネルトランジスタN21〜N28のバックゲートは端子VBBに接続される。図53に示す制御信号CG3は、制御線ASL,BSLにより与えられる。 The back gates of P channel transistors P21-P25 are connected to terminal VDD, and the back gates of N channel transistors N21-N28 are connected to terminal VBB. The control signal CG3 shown in FIG. 53 is given by the control lines ASL and BSL.
消去時には、端子VDDに0Vが印加され、端子VBBに−10Vが印加される。端子VBB2には−5Vが印加され、端子VSGには−10Vが印加される。制御線ASLには0Vが印加され、制御線BSLには−10Vが印加される。 At the time of erasing, 0V is applied to the terminal VDD and −10V is applied to the terminal VBB. -5V is applied to the terminal VBB2, and -10V is applied to the terminal VSG. 0V is applied to the control line ASL, and −10V is applied to the control line BSL.
セクタSE1の選択時には、入力端子AD0〜AD2のすべてに0Vの入力信号が与えられる。したがって、トランジスタN25,P25がオンし、セレクトゲート線SGL1に端子VSGの電位(−10V)が与えられる。また、制御線ASLの電位が0Vであるので、トランジスタN27がオンし、ソース線SL1にも端子VSGの電位(−10V)が与えられる。 When the sector SE1 is selected, an input signal of 0V is applied to all of the input terminals AD0 to AD2. Therefore, the transistors N25 and P25 are turned on, and the potential (−10 V) of the terminal VSG is applied to the select gate line SGL1. Further, since the potential of the control line ASL is 0V, the transistor N27 is turned on, and the potential of the terminal VSG (−10V) is also applied to the source line SL1.
セクタSE1の非選択時には、入力端子AD0〜AD2のいずれかに−10Vの入力信号が与えられる。したがって、トランジスタN26がオンし、セレクトゲート線SGL1に端子VBB2の電位(−5V)が与えられる。また、トランジスタN27を介してソース線SL1にも端子VBB2の電位(−5V)が与えられる。なお、端子VBB2に印加される電圧を変更することによって、非選択のセクタのソース線の電位を自由に変更することができる。 When the sector SE1 is not selected, an input signal of −10V is applied to any one of the input terminals AD0 to AD2. Therefore, the transistor N26 is turned on, and the potential (−5V) of the terminal VBB2 is applied to the select gate line SGL1. Further, the potential (−5 V) of the terminal VBB2 is also applied to the source line SL1 through the transistor N27. Note that the potential of the source line of the unselected sector can be freely changed by changing the voltage applied to the terminal VBB2.
プログラム時には、端子VDDに電源電圧Vcc(7V)が印加され、端子VBB,VBB2に0Vが印加される。端子VSGには7vが印加され、制御線ASL,BSLには0Vが印加される。 In programming, the power supply voltage Vcc (7 V) is applied to the terminal VDD, and 0 V is applied to the terminals VBB and VBB2. 7v is applied to the terminal VSG, and 0V is applied to the control lines ASL and BSL.
セクタSE1の選択時には、トランジスタN25,P25がオンし、セレクトゲート線SGL1に端子VSGの電位(7V)が与えられる。このとき、トランジスタN27,N28はオフしているので、ソース線SL1はフローティング状態となる。セクタSE1の非選択時には、トランジスタN26がオンし、セレクトゲート線SGL1に端子VBB2の電位(0V)が与えられる。このときも、トランジスタN27,N28がオフしているので、ソース線SL1はフローティング状態となる。 When the sector SE1 is selected, the transistors N25 and P25 are turned on, and the potential (7 V) of the terminal VSG is applied to the select gate line SGL1. At this time, since the transistors N27 and N28 are off, the source line SL1 is in a floating state. When the sector SE1 is not selected, the transistor N26 is turned on, and the potential (0 V) of the terminal VBB2 is applied to the select gate line SGL1. Also at this time, since the transistors N27 and N28 are off, the source line SL1 is in a floating state.
読出時には、端子VDDに電源電圧Vcc(5V)が印加され、端子VBB,VBB2に0Vが印加される。端子VSGには5Vが印加される。制御線ASLには0Vが印加され、制御線BSLには5Vが印加される。 At the time of reading, the power supply voltage Vcc (5 V) is applied to the terminal VDD, and 0 V is applied to the terminals VBB and VBB2. 5V is applied to the terminal VSG. 0V is applied to the control line ASL, and 5V is applied to the control line BSL.
セクタSE1の選択時には、トランジスタN25,P25がオンし、セレクトゲート線SGL1に端子VSGの電位(5V)が与えられる。このとき、トランジスタN28がオンしているので、ソース線SL1は接地される。セクタSE1の非選択時には、トランジスタN26がオンし、セレクトゲート線SGL1に端子VBB2の電位(0V)が与えられる。このときも、トランジスタN28がオンしているので、ソース線SL1は接地される。 When the sector SE1 is selected, the transistors N25 and P25 are turned on, and the potential (5 V) of the terminal VSG is applied to the select gate line SGL1. At this time, since the transistor N28 is on, the source line SL1 is grounded. When the sector SE1 is not selected, the transistor N26 is turned on, and the potential (0 V) of the terminal VBB2 is applied to the select gate line SGL1. Also at this time, since the transistor N28 is on, the source line SL1 is grounded.
このように、図37に示したソースデコーダ1270を必要とせずに、消去時に、選択されたセクタのソース線にウェル電位を印加し、非選択のセクタのソース線にウェル電位よりも高い電位を印加することができる。
As described above, the well potential is applied to the source line of the selected sector and the potential higher than the well potential is applied to the source line of the unselected sector at the time of erasing without requiring the
(10) 第10の実施例(図57)
第10の実施例によるフラッシュメモリの特徴は、プログラム時にベリファイ動作を必要としないことである。第10の実施例のフラッシュメモリの構成は、第6〜第9のいずれかの実施例のフラッシュメモリの構成と同様である。また、一括消去動作および読出動作も、第6〜第9の実施例と同様である。
(10) Tenth embodiment (FIG. 57)
A feature of the flash memory according to the tenth embodiment is that a verify operation is not required at the time of programming. The configuration of the flash memory of the tenth embodiment is the same as the configuration of the flash memory of any of the sixth to ninth embodiments. The batch erase operation and the read operation are the same as in the sixth to ninth embodiments.
図57のフローチャートを参照しながら第10の実施例によるフラッシュメモリのプログラム動作を説明する。 The program operation of the flash memory according to the tenth embodiment will be described with reference to the flowchart of FIG.
まず、選択されたワード線の電位をベリファイレベルに設定し、選択されたセレクトゲート線に高電圧を印加する(ステップS31)。それにより、選択されたセレクトゲートトランジスタがオンする。そして、ソース線をフローティング状態にする(ステップS32)。データ“0”に対応する主ビット線を5Vにプリチャージし、データ“1”に対応する主ビット線を0Vに保つ(ステップS33)。 First, the potential of the selected word line is set to the verify level, and a high voltage is applied to the selected select gate line (step S31). As a result, the selected select gate transistor is turned on. Then, the source line is brought into a floating state (step S32). The main bit line corresponding to the data “0” is precharged to 5V, and the main bit line corresponding to the data “1” is kept at 0V (step S33).
その後、ソース線をある一定期間接地する(ステップS34)。もし選択されたセクタ内のメモリセルのしきい値電圧がベリファイレベルよりも高いと、データ“0”に対応する主ビット線の電位は上記のプリチャージレベルに保たれる。もし選択されたセクタ内のメモリセルのしきい値電圧がベリファイレベルよりも低いと、データ“0”に対応する主ビット線はメモリセルを介して放電される。 Thereafter, the source line is grounded for a certain period (step S34). If the threshold voltage of the memory cell in the selected sector is higher than the verify level, the potential of the main bit line corresponding to data “0” is maintained at the precharge level. If the threshold voltage of the memory cell in the selected sector is lower than the verify level, the main bit line corresponding to data “0” is discharged through the memory cell.
その後、ソース線をフローティング状態にし(ステップS35)、選択されたワード線に負電圧を印加する(ステップS36)。それにより、5Vにプリチャージされている主ビット線に接続されたメモリセルのみがプログラムされる。 Thereafter, the source line is brought into a floating state (step S35), and a negative voltage is applied to the selected word line (step S36). Thereby, only the memory cells connected to the main bit line precharged to 5V are programmed.
上記のプログラムサイクルを指定回数だけ繰返した後(ステップS37)、Xアドレスをインクリメントし、次のワード線に関して上記のプログラムサイクルを繰返す(ステップS38,S39)。上記のプログラムサイクルを選択されたセクタ内のすべてのワード線に関して繰返すと、プログラム動作が終了する(ステップS38)。 After repeating the above program cycle a specified number of times (step S37), the X address is incremented and the above program cycle is repeated for the next word line (steps S38 and S39). When the above program cycle is repeated for all the word lines in the selected sector, the program operation is completed (step S38).
上記の方法によると、主ビット線へのプログラム電圧の印加後、逐一ベリファイ動作を行なうことなく高速にプログラム動作を行なうことができる。 According to the above method, after the program voltage is applied to the main bit line, the program operation can be performed at high speed without performing the verify operation one by one.
プリチャージレベルを安定に保持するために、第2の実施例に示したように、主ビット線にトランスファゲートトランジスタを介してキャパシタンスを接続し、プログラム時にこれらのトランスファゲートトランジスタをオンさせてもよい。 In order to stably maintain the precharge level, as shown in the second embodiment, a capacitance may be connected to the main bit line via a transfer gate transistor, and these transfer gate transistors may be turned on during programming. .
なお、上記の方法は、他の実施例のフラッシュメモリにも、同様に適用することができる。 The above method can be similarly applied to the flash memories of other embodiments.
(11) 第11の実施例(図58)
第11の実施例によるフラッシュメモリの特徴も、プログラム時にベリファイ動作を必要としないことである。第11の実施例のフラッシュメモリの構成は、第6〜第9のいずれかの実施例のフラッシュメモリの構成と同様である。また、一括消去動作および読出動作も、第6〜第9の実施例と同様である。
(11) Eleventh embodiment (FIG. 58)
A feature of the flash memory according to the eleventh embodiment is that a verify operation is not required at the time of programming. The configuration of the flash memory of the eleventh embodiment is the same as the configuration of the flash memory of any of the sixth to ninth embodiments. The batch erase operation and the read operation are the same as in the sixth to ninth embodiments.
図58を参照しながら第11の実施例によるフラッシュメモリのプログラム動作を説明する。 The program operation of the flash memory according to the eleventh embodiment will be described with reference to FIG.
まず、選択されたワード線の電位をベリファイレベルに設定し、選択されたセレクトゲート線に高電圧を印加する(ステップS41)。それにより、選択されたセレクトゲートトランジスタがオンする。そして、ソース線をフローティング状態にする(ステップS42)。データ“0”に対応する主ビット線を5Vにプリチャージし、データ“1”に対応する主ビット線を0Vに保つ(ステップS43)。 First, the potential of the selected word line is set to the verify level, and a high voltage is applied to the selected select gate line (step S41). As a result, the selected select gate transistor is turned on. Then, the source line is brought into a floating state (step S42). The main bit line corresponding to data “0” is precharged to 5V, and the main bit line corresponding to data “1” is kept at 0V (step S43).
その後、ソース線をある一定期間接地する(ステップS44)。もし選択されたセクタ内のメモリセルのしきい値電圧がベリファイレベルよりも高いと、データ“0”に対応する主ビット線の電位は上記のプリチャージレベルに保たれる。もし選択されたセクタ内のメモリセルのしきい値電圧がベリファイレベルよりも低いと、データ“0”に対応する主ビット線はメモリセルを介して放電される。 Thereafter, the source line is grounded for a certain period (step S44). If the threshold voltage of the memory cell in the selected sector is higher than the verify level, the potential of the main bit line corresponding to data “0” is maintained at the precharge level. If the threshold voltage of the memory cell in the selected sector is lower than the verify level, the main bit line corresponding to data “0” is discharged through the memory cell.
その後、すべての主ビット線の電位が0Vとなっていないならば(ステップS45)、ソース線をフローティング状態にし(ステップS46)、選択されたワード線に負電圧を印加する(ステップS47)。それにより、5Vにプリチャージされている主ビット線に接続されたメモリセルのみがプログラムされる。 Thereafter, if the potentials of all the main bit lines are not 0 V (step S45), the source line is set in a floating state (step S46), and a negative voltage is applied to the selected word line (step S47). Thereby, only the memory cells connected to the main bit line precharged to 5V are programmed.
上記のプログラムサイクルをすべてのビット線の電位が0Vになるまで繰返した後(ステップS45)、Xアドレスをインクリメントし、次のワード線に関して上記のプログラムサイクルを繰返す(ステップS48,S49)。上記のプログラムサイクルを選択されたセクタ内のすべてのワード線に関して行なうと、プログラム動作が終了する(ステップS48)。 The above program cycle is repeated until the potentials of all the bit lines become 0 V (step S45), then the X address is incremented and the above program cycle is repeated for the next word line (steps S48 and S49). When the above program cycle is performed for all the word lines in the selected sector, the program operation is finished (step S48).
上記の方法によると、主ビット線へのプログラム電圧の印加後、逐一ベリファイ動作を行なうことなく高速にプログラム動作を行なうことができ、かつプログラム動作を自動的に終了することができる。 According to the above method, after the program voltage is applied to the main bit line, the program operation can be performed at high speed without performing the verify operation one by one, and the program operation can be automatically terminated.
なお、上記の方法は他の実施例のフラッシュメモリにも同様に適用することができる。
(12) 第12の実施例(図59〜図64)
図59は、第12の実施例によるフラッシュメモリの全体の構成を示すブロック図である。図59に示したフラッシュメモリにおいても、図18に示したフラッシュメモリと類似の態様でプログラム動作および消去動作が行なわれる。
The above method can be similarly applied to flash memories of other embodiments.
(12) Twelfth embodiment (FIGS. 59 to 64)
FIG. 59 is a block diagram showing the overall configuration of the flash memory according to the twelfth embodiment. In the flash memory shown in FIG. 59, the program operation and the erase operation are performed in a manner similar to that of the flash memory shown in FIG.
図59を参照して、このフラッシュメモリは、プリデコーダ1451ないし1454と、グローバルデコーダ1455と、セレクトゲートデコーダ1456と、ウェル電位制御回路1457および1458と、ソース線ドライバ1459および1460と、セクタに分割されたメモリセルアレイ1461および1462と、ローカルデコーダ1463および1464とを含む。
Referring to FIG. 59, this flash memory is divided into
図60は、図59に示したメモリセルアレイおよびその周辺回路の回路図である。図60において、グローバルデコーダ1455,ローカルデコーダ1464,メモリセルアレイ,ソース線ドライバ1460およびセレクトゲートデコーダ1456についての詳細な回路が示されている。図60において、“2AL”は第2アルミ配線層により形成された配線を示し、“2POL”は第2ポリシリコン層により形成された配線を示す。
FIG. 60 is a circuit diagram of the memory cell array and its peripheral circuits shown in FIG. In FIG. 60, detailed circuits for the
次の表1は、消去動作,プログラム動作および読出動作において図59および図60に示した回路に与えられる電圧を示している。 Table 1 below shows voltages applied to the circuits shown in FIGS. 59 and 60 in the erase operation, program operation and read operation.
第12の実施例では、すでに述べた様々な利点に加えて、次のような追加の利点も得られる。 In the twelfth embodiment, in addition to the various advantages already described, the following additional advantages are also obtained.
図61は、図60に示したワード線WL00ないしWL07およびWL10ないしWL17とローカルデコーダ1464の出力線WL0ないしWL7との間の接続態様を示す半導体基板上のレイアウト図である。図61を参照して、各ワード線WL00ないしWL07およびWL10ないしWL17は、第2ポリシリコン層により形成される。一方、ローカルデコーダ1464の各出力線は、第1アルミ配線層により形成される。各ワード線と対応する出力信号線との間の接続は、スルーホールを介して行なわれる。図61に示した接続態様は、図60に示した回路図においても示されていることが指摘される。 FIG. 61 is a layout diagram on a semiconductor substrate showing a connection mode between word lines WL00 to WL07 and WL10 to WL17 shown in FIG. 60 and output lines WL0 to WL7 of local decoder 1464. Referring to FIG. 61, each of word lines WL00 to WL07 and WL10 to WL17 is formed of a second polysilicon layer. On the other hand, each output line of the local decoder 1464 is formed by the first aluminum wiring layer. Connection between each word line and the corresponding output signal line is made through a through hole. It is pointed out that the connection mode shown in FIG. 61 is also shown in the circuit diagram shown in FIG.
図60および図61に示した接続態様を用いることにより、ワード線とローカルデコーダの出力線との間の接続が簡単化され、したがって配線密度が低下され、その結果高い集積度が得られる。 By using the connection modes shown in FIGS. 60 and 61, the connection between the word line and the output line of the local decoder is simplified, and therefore the wiring density is reduced, and as a result, a high degree of integration is obtained.
図62は、図60に示した2つのメモリセル1491および1492の間の分離を示す断面構造図である。図60に示したメモリセル1491および1492は、それぞれのセクタにおいて他方のセクタに最も近い位置に置かれている。これらのトランジスタ1491および1492を分離するため、図62に示すように、半導体基板内に分離酸化膜1490が形成される。2つの隣接するトランジスタ1491および1492を分離するために必要となる分離酸化膜1490の幅Wcは、図63に示すようなフィールドシールドのためのトランジスタ1495および1496を用いる場合と比較して少なくて足りる。すなわち、図63に示した例では、分離のためのトランジスタ1495および1496を形成するのみ大きな幅Wdが必要となるが、分離酸化膜1490を用いることによりより少ない幅Wcで近接する2つのトランジスタ1491および1492を分離することができる。これにより、より高い集積度が得られる。
FIG. 62 is a cross-sectional structure diagram showing separation between two
図64は、第12の実施例において用いられるワード線電圧制御回路およびプリデコーダの回路図である。図64に示したワード線電圧制御回路1470は、図59において簡単化のために省略されている。
FIG. 64 is a circuit diagram of a word line voltage control circuit and a predecoder used in the twelfth embodiment. The word line
図64を参照して、ワード線電圧制御回路1470は、VPP発生器1471と、VBB発生器1472と、電圧検出器1473と、インバータ1474と、VPPスイッチング回路1475と、VPPスイッチング回路1476と、CMOSトランスミッションゲート1477および1478とを含む。
64, word line
プリデコーダ1452は、CMOSトランスミッションゲートを構成するPMOSトランジスタ1481およびNMOSトランジスタ1482を含む。
図64に示したワード線電圧制御回路1470およびプリデコーダ1452において、消去動作,プログラム動作および読出動作を実行するため前述の表1に示した電圧が与えられる。
In the word line
一般に、フラッシュメモリのメモリセルのしきい電圧の分布を検査するため、テストのための外部電圧VEWが与えられる。図64に示されるように、テストモード動作において、外部電圧VEWは、ワード線電圧制御回路1470におけるCMOSトランスミッションゲート1478およびプリデコーダ1452におけるCMOSトランスミッションゲート(トランジスタ1481および1482により構成される)を介して図60に示したワード線WL00ないしWL17に与えられる。外部電圧VEWの電圧経路がCMOS回路のみにより構成されているので、MOSトランジスタのしきい電圧による電圧の損失が生じない。言い換えると、より広い範囲で変化する外部電圧VEWを電圧レベルの変化なしにワード線に与えることができ、所望のテストが行なわれ得る。
In general, in order to inspect the threshold voltage distribution of the memory cells of the flash memory, an external voltage VEW for testing is applied. As shown in FIG. 64, in the test mode operation, external voltage VEW is applied via
(13) 第13実施例
図65はこの発明に従った不揮発性半導体記憶装置の第13実施例の模式図である。半導体基板80はメモリトランジスタ領域と周辺領域とに分けられている。メモリトランジスタ領域には、メモリトランジスタ87a、87b、87c、87dが間を隔てて形成されている。半導体基板80の主表面のうち、メモリトランジスタ領域には、n型のソース領域84a、84b、n型のドレイン領域85a、85bが間を隔てて形成されている。ソース領域84aはメモリトランジスタ87aと87bのソース領域となり、ソース領域84bはメモリトランジスタ87cと87dのソース領域となる。
(13) Thirteenth Embodiment FIG. 65 is a schematic diagram of a thirteenth embodiment of a nonvolatile semiconductor memory device according to the present invention. The
またドレイン領域85aはメモリトランジスタ87bと87cのドレイン領域となり、ドレイン領域85bはメモリトランジスタ87dのドレイン領域となる。なお88はコントロールゲートを示し、89はフローティングゲートを示している。
The
半導体基板80の主表面のうち、メモリトランジスタ領域には、n型のソース/ドレイン領域83a、83bを有するセレクトゲートトランジスタ86が形成されている。ソース/ドレイン領域83bはメモリトランジスタ87aのドレイン領域の役割もしている。
A
メモリトランジスタ87a、87b、87c、87d上には多結晶シリコンからなる副ビット線90が形成されている。副ビット線90はソース/ドレイン領域83bと接続されている。副ビット線90から分岐した分岐線91aはドレイン領域85aと接続され、分岐線91bはドレイン領域85bと接続されている。副ビット線90上にはアルミニウムからなる主ビット線92が形成されている。主ビット線92は、ソース/ドレイン領域83aに接続されている。
A sub bit line 90 made of polycrystalline silicon is formed on the
半導体基板80中にはメモリトランジスタ領域を囲むようにpウェル領域82が形成されており、pウェル領域82を囲むようにnウェル領域81が形成されている。周辺領域にはMOSトランジスタ93が形成されている。この発明に従った不揮発性半導体記憶装置のさらに詳細な説明を第14実施例を用いて行なう。
A
(14) 第14実施例
図66(a)はこの発明に従った不揮発性半導体記憶装置の第14実施例のメモリトランジスタ部の一部の断面図である。p型シリコン基板201にはpウェル領域210が間を隔てて形成されている。pウェル領域210上には、メモリトランジスタ250〜257、261、262、セレクトゲートトランジスタ259、260が形成されている。pウェル領域210には、各メモリトランジスタのn型のソース領域223、n型のドレイン領域224が形成されている。249はn型の不純物領域を示している。
(14) Fourteenth Embodiment FIG. 66A is a cross-sectional view of a part of a memory transistor portion of a fourteenth embodiment of the nonvolatile semiconductor memory device according to the present invention. A
各メモリトランジスタ、セレクトゲートトランジスタはシリコン酸化膜247で覆われている。ソース領域223上はシリコン酸化膜247によって塞がれている。これに対しドレイン領域224および不純物領域249上はシリコン酸化膜で塞がれていない。各メモリトランジスタはフローティングゲート219およびコントロールゲート220を備えている。
Each memory transistor and select gate transistor are covered with a
メモリトランジスタ250〜257の各ドレイン領域224は1本の副ビット線227aによって電気的に接続されている。メモリトランジスタ261、262のドレイン領域224は1本の副ビット線227bによって電気的に接続されている。不純物領域249は接続導電層248と電気的に接続されている。また、フィールド酸化膜206上にはダミーゲート242を有するダミーゲートトランジスタ258が形成されている。ダミーゲートトランジスタの詳細は後で説明する。
The
副ビット線227aおよび227b上には層間絶縁膜245が形成され、層間絶縁膜245上には主ビット線233が形成されている。主ビット線233は接続導電層248と電気的に接続されている。主ビット線233上には層間絶縁膜246が形成され、層間絶縁膜246上にはアルミニウム配線238が間を隔てて形成されている。
An interlayer insulating
一方、シリコン基板201中にはpウェル領域210を覆うようにnウェル領域207が形成されている。
On the other hand, an
図66(b)は図66(a)に示すメモリトランジスタの等価回路図である。8個のメモリトランジスタの各ドレイン領域は副ビット線と接続され、ソース領域はソース線に接続されている。選択ゲート1によって主ビット線と副ビット線との導通/遮断が行なわれる。ワード線1〜8はコントロールゲートのことである。
FIG. 66 (b) is an equivalent circuit diagram of the memory transistor shown in FIG. 66 (a). Each of the eight memory transistors has a drain region connected to the sub-bit line and a source region connected to the source line. The
図67は、この発明に従った不揮発性半導体記憶装置の第14実施例のメモリトランジスタの断面構造図である。pウェル領域210とフローティングゲート219との間にはゲート酸化膜213が形成され、フローティングゲート219とコントロールゲート220の間にはONO膜215が形成されている。
FIG. 67 is a cross-sectional structure diagram of a memory transistor of the fourteenth embodiment of the nonvolatile semiconductor memory device according to the present invention. A
次にこの発明に従った不揮発性半導体記憶装置の第14実施例の動作を図66(b)と図67を用いて説明する。まず消去動作について説明する。従来例で説明したNOR型およびNAND型は電子を引き抜くことにより消去状態にしていたが、この第14実施例では電子を注入することにより消去状態にしている。すなわち、メモリトランジスタ250〜257を一括消去する場合、主ビット線233をフローティング状態に保ち、セレクトゲートトランジスタ259をOFFする。これにより副ビット線227aもフローティング状態となる。そしてソース線およびpウェル領域210aに−10V程度の電圧を印加する。そして、ワード線1〜ワード線8に10V程度の電圧を印加する。これにより図67の2に示すようにチャネル領域にある電子がトンネル効果の1つであるチャネルFN現象によってフローティングゲート219に注入される。これが消去状態“1”でありVthの値は〜6V程度である。
Next, the operation of the fourteenth embodiment of the nonvolatile semiconductor memory device according to the present invention will be explained with reference to FIGS. First, the erase operation will be described. The NOR type and NAND type described in the conventional example are in an erased state by extracting electrons, but in the fourteenth embodiment, they are in an erased state by injecting electrons. That is, when the
次に書込動作について説明する。たとえばメモリトランジスタ257を書込状態“0”にするとき、セレクトゲートトランジスタ259をONし、主ビット線233に5V程度の電圧を印加する。これにより副ビット線227aの電圧も5V程度になる。そしてpウェル領域210aを接地電位に保ち、ソース線をOPENにする。さらに、ワード線8に−10V程度の電圧を印加し、ワード線1〜ワード線7は接地電位に保つ。これにより、図67の1に示すように、メモリトランジスタ257のフローティングゲート219に蓄積された電子はトンネル効果の1つであるドレインFN現象によってドレイン領域224に引き抜かれる。これによりメモリトランジスタ257が書込状態“0”となり、このときVthの値は1V程度になる。
Next, the writing operation will be described. For example, when the
次に読出動作を説明する。たとえばメモリトランジスタ257を読出すとき、セレクトゲートトランジスタ259をONし、主ビット線233に1V程度の電圧を印加する。そしてソース線およびpウェル領域210aを接地電位に保つ。そしてワード線8に3〜5V程度の電圧を印加し、ワード線1〜ワード線7を接地電位にする。このときメモリトランジスタ257が消去状態“1”のときはチャネルが形成されずビット線に電流が流れない。これに対し書込状態“0”のときはチャネルが形成されビット線に電流が流れる。これにより書込状態/消去状態の判定を行なう。
Next, the reading operation will be described. For example, when the
この第14実施例ではpウェル領域210に負の電圧を印加させている。pウェル領域210の周りにはnウェル領域207があるので、負の電圧を印加してもpウェル領域210とnウェル領域207とは逆バイアス状態となり、pウェル領域210に電圧を印加しても周辺回路形成領域に電圧が印加されることはない。
In the fourteenth embodiment, a negative voltage is applied to the
また、消去動作のとき、pウェル領域に負の電圧を印加し、ワード線に正の電圧を印加することにより、最大電圧の値を小さくしながらも、pウェル領域210とコントロールゲート220間の電位差を相対的に大きくし、チャネルFN効果を起こすことを可能にしている。
In the erase operation, a negative voltage is applied to the p-well region and a positive voltage is applied to the word line, so that the maximum voltage value is reduced while the p-
また、図66(a)に示すようにメモリトランジスタ250〜257の各ドレイン領域224には副ビット線227aが接続されている。このため読出動作の際には読出電流を多くとることができるのでNAND型に比べて読出動作を高速に行なえる。
As shown in FIG. 66 (a), a
さらに、図67に示すように書込動作をドレインFNを用いているので、チャネルホットエレクトロンを用いる場合に比べ高い効率で書込動作を行なうことができ、これにより消費電力の低減を図れる。 Further, since the drain FN is used for the writing operation as shown in FIG. 67, the writing operation can be performed with a higher efficiency than the case of using channel hot electrons, thereby reducing the power consumption.
次に図66(a)に示す構造の平面的配置状態を説明する。図68はコントロールゲート220を形成した状態までにおける平面図である。図68をA−A線で切断した状態が、図66(a)においてコントロールゲート220までの状態を示している。コントロールゲート220、選択ゲート234、ダミーゲート242、ソース線223aは縦方向に延びている。ソース線223aは図66(a)に示すソース領域223をつなげたものである。フィールド酸化膜206とドレイン領域224が交互に形成されている。なお、選択ゲート234上にある配線層(メモリトランジスタのコントロールゲートにあたる)は図示を省略している。
Next, the planar arrangement state of the structure shown in FIG. FIG. 68 is a plan view up to the state where the
図69は図68の上に副ビット線227a、227bを形成した状態を示している。ソース線223aは配線層241と電気的に接続されている。配線層241は副ビット線227a、227bと同時に形成されたものである。
FIG. 69 shows a state where
また、選択ゲート234はポリパッド236と電気的に接続されている。ポリパッド236も副ビット線227a、227bと同時に形成されたものである。なお、副ビット線227a、227bとドレイン領域224とのコンタクトは図示が省略されている。また、接続導電層248と不純物領域249とのコンタクトも図示が省略されている。
The
図70は図69の上に主ビット線233を形成した状態を示している。主ビット線233は接続導電層248と電気的に接続されている。アルミ電極237a、237b、237c、237dは主ビット線233と同時に形成されたものである。アルミ電極237aは一方のポリパッド236と電気的に接続され、アルミ電極237bは他方のポリパッド236と電気的に接続されている。アルミ電極237cは配線層241と電気的に接続されている。またアルミ電極237dはダミーゲート242と電気的に接続されている。
FIG. 70 shows a state in which the
図71は図70の上にアルミ配線238a〜238gを形成した状態を示している。アルミ配線238aはアルミ電極237aと電気的に接続され、アルミ配線238bはアルミ電極237bと電気的に接続され、アルミ配線238eはアルミ電極237cと電気的に接続され、アルミ配線238f、238gはアルミ電極237bと電気的に接続されている。
71 shows a state in which
次に、この発明に従った不揮発性半導体記憶装置の第14実施例の全体の構成および動作の第1〜第7の例を表2を参照しながら説明する。 Next, first to seventh examples of the overall configuration and operation of the fourteenth embodiment of the nonvolatile semiconductor memory device according to the present invention will be described with reference to Table 2.
この不揮発性半導体記憶装置に含まれるメモリセルマトリックスは、以下に説明するように複数のセクタに分割されている。表2には、選択されたセクタ内のメモリセル(メモリトランジスタ)および非選択のセクタ内のメモリセル(メモリトランジスタ)への電圧印加条件が示される。表2において、Vdはドレイン電圧、Vgはコントロールゲート電圧、Vsはソース電圧、Vbbはウェル電圧を示す。 A memory cell matrix included in the nonvolatile semiconductor memory device is divided into a plurality of sectors as described below. Table 2 shows voltage application conditions to the memory cells (memory transistors) in the selected sector and the memory cells (memory transistors) in the non-selected sectors. In Table 2, Vd is a drain voltage, Vg is a control gate voltage, Vs is a source voltage, and Vbb is a well voltage.
<1> 第1の例
(a) 不揮発性半導体記憶装置の全体の構成
図72は、第1の例による不揮発性半導体記憶装置の全体の構成を示すブロック図である。
<1> First Example (a) Overall Configuration of Nonvolatile Semiconductor Memory Device FIG. 72 is a block diagram showing the overall configuration of the nonvolatile semiconductor memory device according to the first example.
メモリセルマトリックス70はセクタSE1,SE2に分割されている。メモリセルマトリックス70は、セクタSE1,SE2にそれぞれ対応するセレクトゲートSG1,SG2を含む。メモリセルマトリックス70はPウェル領域71内に形成される。
メモリセルマトリックス70には2つの主ビット線MB0,MB1が配列される。主ビット線MB0,MB1はそれぞれYゲート72内のYゲートトランジスタYG0,YG1を介してセンスアンプ52および書込回路53に接続される。
In the
主ビット線MB0に対応して2つの副ビット線SB01,SB02が設けられ、主ビット線MB1に対応して2つの副ビット線SB11,SB12が設けられる。 Two sub bit lines SB01 and SB02 are provided corresponding to the main bit line MB0, and two sub bit lines SB11 and SB12 are provided corresponding to the main bit line MB1.
副ビット線SB01,SB11に交差するようにワード線WL0,WL1が配列され、副ビット線SB02,SB12に交差するようにワード線WL2,WL3が配列される。 Word lines WL0 and WL1 are arranged so as to cross sub-bit lines SB01 and SB11, and word lines WL2 and WL3 are arranged so as to cross sub-bit lines SB02 and SB12.
副ビット線SB01,SB02,SB11,SB12とワード線WL0〜WL3との交点にはそれぞれメモリセル(メモリトランジスタ)M00〜M03,M10〜M13が設けられる。メモリセルM00,M01,M10,M11はセクタS1に含まれ、メモリセルM02,M03,M12,M13はセクタSE2に含まれる。 Memory cells (memory transistors) M00 to M03 and M10 to M13 are provided at the intersections of the sub bit lines SB01, SB02, SB11, and SB12 and the word lines WL0 to WL3, respectively. Memory cells M00, M01, M10, and M11 are included in sector S1, and memory cells M02, M03, M12, and M13 are included in sector SE2.
各メモリセルのドレインは対応する副ビット線に接続され、コントロールゲートは対応するワード線に接続され、ソースはソース線SLに接続される。 The drain of each memory cell is connected to the corresponding subbit line, the control gate is connected to the corresponding word line, and the source is connected to the source line SL.
セレクトゲートSG1はセレクトゲートトランジスタSG01,SG11を含み、セレクトゲートSG2はセレクトゲートトランジスタSG02,SG12を含む。副ビット線SB01,SB02はそれぞれセレクトゲートトランジスタSG01,SG02を介して主ビット線MB0に接続され、副ビット線SB11,SB12はそれぞれセレクトゲートトランジスタSG11,SG12を介して主ビット線MB1に接続される。 Select gate SG1 includes select gate transistors SG01 and SG11, and select gate SG2 includes select gate transistors SG02 and SG12. Sub-bit lines SB01 and SB02 are connected to main bit line MB0 via select gate transistors SG01 and SG02, respectively, and sub-bit lines SB11 and SB12 are connected to main bit line MB1 via select gate transistors SG11 and SG12, respectively. .
アドレスバッファ58は、外部から与えられるアドレス信号を受け、Xアドレス信号をXデコーダ59に与え、Yアドレス信号をYデコーダ57に与える。Xデコーダ59は、Xアドレス信号に応答して複数のワード線WL0〜WL3のうちいずれかを選択する。Yデコーダ57は、Yアドレス信号に応答して複数の主ビット線MB0,MB1のいずれかを選択する選択信号を発生する。
Yゲート72内のYゲートトランジスタは、それぞれ選択信号に応答して主ビット線MB0,MB1をセンスアンプ52および書込回路53に接続する。
Y gate transistors in
読出時には、センスアンプ52が、主ビット線MB0または主ビット線MB1上に読出されたデータを検知し、データ入出力バッファ51を介して外部に出力する。
At the time of reading,
書込時には、外部から与えられるデータがデータ入出力バッファ51を介して書込回路53に与えられ、書込回路53はそのデータに従って主ビット線MB0,MB1にプログラム電圧を与える。
At the time of writing, externally applied data is applied to write
高電圧発生回路54,55は外部から電源電圧Vcc(たとえば5V)を受け、高電圧を発生する。負電圧発生回路56は外部から電源電圧Vccを受け、負電圧を発生する。ベリファイ電圧発生回路60は、外部から与えられる電源電圧Vccを受け、ベリファイ時に、選択されたワード線に所定のベリファイ電圧を与える。ウェル電位発生回路61は、消去時に、pウェル領域71に負電圧を印加する。ソース制御回路62は、消去時に、ソース線SLに高電圧を与える。セレクトゲートデコーダ63は、アドレスバッファ58からのアドレス信号の一部に応答して、セレクトゲートSG1,SG2を選択的に活性化する。
High
書込/消去制御回路50は、外部から与えられる制御信号に応答して、各回路の動作を制御する。
The write / erase
(b) 不揮発性半導体記憶装置の動作
次に、不揮発性半導体記憶装置のセクタ消去動作、書込動作および読出動作を表1を参照しながら説明する。
(B) Operation of Nonvolatile Semiconductor Memory Device Next, sector erase operation, write operation, and read operation of the nonvolatile semiconductor memory device will be described with reference to Table 1.
(i) セクタ消去動作
ここでは、セクタSE1を一括消去するものと仮定する。まず、書込/消去制御回路50にセクタ一括消去動作を指定する制御信号が与えられる。それにより、高電圧発生回路55および負電圧発生回路56が活性化される。
(I) Sector Erase Operation Here, it is assumed that the sector SE1 is erased collectively. First, a control signal designating the sector batch erase operation is given to the write / erase
高電圧発生回路55はXデコーダ59に高電圧(10V)を与える。Xデコーダ59は、セクタSE1のワード線WL0,WL1に高電圧(10V)を印加し、セクタSE2のワード線WL2,WL3に0Vを印加する。負電圧発生回路56はYデコーダ57およびウェル電位発生回路61に負電圧を与える。Yデコーダ57はYゲート72内のYゲートトランジスタYG0,YG1に負電圧を印加する。それにより、主ビット線MB0,MB1はフローティング状態になる。ソース制御回路62はソース線SLをフローティング状態にする。また、ウェル電位発生回路61はpウェル領域71に負電圧(−8V)を印加する。セレクトゲートデコーダ63はセレクトゲートSG1,SG2をオフ状態にする。
The high
このようにして、選択セクタSE1内のメモリセルおよび非選択セクタSE2内のメモリセルに、表2の(E1)に示されるように電圧が印加される。その結果、セクタSE1内のすべてのメモリセルは消去される。 In this way, voltages are applied to the memory cells in the selected sector SE1 and the memory cells in the non-selected sector SE2 as shown in (E1) of Table 2. As a result, all the memory cells in the sector SE1 are erased.
(ii) 書込動作
ここでは、メモリセルM00をプログラムするものと仮定する。すなわち、メモリセルM00にデータ“0”を書込み、メモリセルM10はデータ“1”を保持する。
(Ii) Write Operation Here, it is assumed that the memory cell M00 is programmed. That is, data “0” is written into the memory cell M00, and the memory cell M10 holds data “1”.
まず、書込/消去制御回路50に、プログラム動作を指定する制御信号が与えられる。それにより、高電圧発生回路54および負電圧発生回路56が活性化される。
First, a control signal designating a program operation is given to the write / erase
負電圧発生回路56はXデコーダ59に負電圧を与える。Xデコーダ59は、アドレスバッファ58から与えられるXアドレス信号に応答してワード線WL0を選択し、選択されたワード線WL0に負電圧(−8V)を印加し、非選択のワード線WL1〜WL3に0Vを印加する。
The negative
高電圧発生回路54はYデコーダ57、書込回路53およびセレクトゲートデコーダ63に高電圧を与える。まず、外部からデータ入出力バッファ51を介してデータ“0”が書込回路53に与えられ、ラッチされる。Yデコーダ57は、アドレスバッファ58から与えられるYアドレス信号に応答してYゲート72内のYゲートトランジスタYG0に高電圧を印加し、YゲートトランジスタYG1に0Vを印加する。それにより、YゲートトランジスタYG0がオンする。
High
書込回路53はYゲートトランジスタYG0を介して主ビット線MB0にデータ“0”に対応するプログラム電圧(5V)を印加する。また、セレクトゲートデコーダ63は、セレクトゲートSG1をオン状態にし、セレクトゲートSG2をオフ状態にする。それにより、副ビット線SB01,SB11がそれぞれ主ビット線MB0,MB1に接続される。ソース制御回路62は、ソース線SLをフローティング状態にする。ウェル電位発生回路61はpウェル領域71に0Vを印加する。
Write
このようにして、メモリセルM00に、表2の(P1)の左欄に示されるように電圧が印加される。その結果、メモリセルM00のしきい値電圧が下降する。 In this way, a voltage is applied to the memory cell M00 as shown in the left column of (P1) in Table 2. As a result, the threshold voltage of the memory cell M00 decreases.
一定時間(たとえば1m秒)経過後、外部からデータ入出力バッファ51を介してデータ“1”が書込回路53に与えられ、ラッチされる。Yデコーダ57は、アドレスバッファ58から与えられるYアドレス信号に応答してYゲート72内のYゲートトランジスタYG1に高電圧を印加し、YゲートトランジスタYG0に0Vを印加する。それにより、YゲートトランジスタYG1がオンする。書込回路53は、YゲートトランジスタYG1を介して主ビット線MB1にデータ“1”に対応する0Vを印加する。
After a predetermined time (for example, 1 ms), data “1” is externally applied to the
このようにして、メモリセルM10に、表2の(P1)の右欄に示されるように電圧が印加される。その結果、メモリセルM10のしきい値電圧は高いまま維持される。 In this way, a voltage is applied to the memory cell M10 as shown in the right column of (P1) in Table 2. As a result, the threshold voltage of the memory cell M10 is maintained high.
(iii) 読出動作
ここでは、メモリセルM00からデータを読出すものと仮定する。まず、書込/消去制御回路50に、読出動作を指定する制御信号が与えられる。
(Iii) Read Operation Here, it is assumed that data is read from memory cell M00. First, a control signal designating a read operation is applied to the write / erase
Xデコーダ59は、アドレスバッファ58から与えられるXアドレス信号に応答してワード線WL0を選択し、それに3Vを印加する。このとき、ワード線WL1〜WL3は0Vに保たれる。セレクトゲートデコーダ63は、セレクトゲートSG1をオン状態にし、セレクトゲートSG2をオフ状態にする。Yデコーダ57は、アドレスバッファ58から与えられるYアドレス信号に応答してYゲート72内のYゲートトランジスタYG0をオンさせる。ソース制御回路62はソース線SLを接地する。
The
このようにして、選択されたメモリセルM00に、表2の(R1)の左欄に示されるように電圧が印加される。それにより、M00の内容が“1”であれば主ビット線MB0に読出電流が流れる。この読出電流がセンスアンプ52により検知され、データ入出力バッファ51を介して外部に出力される。このとき、非選択のメモリセルには、表2の(R1)の右欄に示されるように電圧が印加される。
In this way, a voltage is applied to the selected memory cell M00 as shown in the left column of (R1) in Table 2. Thereby, if the content of M00 is “1”, a read current flows through the main bit line MB0. This read current is detected by the
<2> 第2の例
(a) 不揮発性半導体記憶装置の全体の構成
図73は、第2の例による不揮発性半導体記憶装置の全体の構成を示すブロック図である。
<2> Second Example (a) Overall Configuration of Nonvolatile Semiconductor Memory Device FIG. 73 is a block diagram showing an overall configuration of a nonvolatile semiconductor memory device according to a second example.
図73の不揮発性半導体記憶装置が図72の不揮発性半導体記憶装置と異なるのは、負電圧発生回路56が消去時にソース制御回路62に負電圧を与える点である。
The non-volatile semiconductor memory device of FIG. 73 differs from the non-volatile semiconductor memory device of FIG. 72 in that the negative
他の部分の構成は、図72に示される構成と同様である。
(b) 不揮発性半導体記憶装置の動作
第2の例の不揮発性半導体記憶装置の書込動作および読出動作は第1の例と同様である。また、セクタ一括消去動作では、ソース制御回路62によりソース線SLに負電圧(−8V)が印加される点が第1の例と異なる。
The structure of other parts is the same as the structure shown in FIG.
(B) Operation of Nonvolatile Semiconductor Memory Device The write operation and the read operation of the nonvolatile semiconductor memory device of the second example are the same as those of the first example. Also, the sector batch erase operation is different from the first example in that a negative voltage (−8 V) is applied to the source line SL by the
一括消去時に、選択セクタ内のメモリセルには、表2の(E2)の左欄に示されるように電圧が印加され、非選択セクタ内のメモリセルには表2の(E2)の右欄に示されるように電圧が印加される。 At the time of batch erasing, a voltage is applied to the memory cells in the selected sector as shown in the left column of (E2) in Table 2, and the memory cell in the unselected sector is applied to the right column of (E2) in Table 2. A voltage is applied as shown in FIG.
<3> 第3の例
(a) 不揮発性半導体記憶装置の全体の構成
図74は、第3の例による不揮発性半導体記憶装置の全体の構成を示すブロック図である。
<3> Third Example (a) Overall Configuration of Nonvolatile Semiconductor Memory Device FIG. 74 is a block diagram showing the overall configuration of the nonvolatile semiconductor memory device according to the third example.
第3の例の不揮発性半導体記憶装置が第1の例の不揮発性半導体記憶装置と異なるのは次の点である。ソース制御回路62の代わりにソースデコーダ102が設けられる。また、負電圧発生回路56はYデコーダ57の代わりにセレクトゲートデコーダ63およびソースデコーダ102に負電圧を与える。
The nonvolatile semiconductor memory device of the third example is different from the nonvolatile semiconductor memory device of the first example in the following points. A
セクタSE1内のメモリセルM00,M01,M10,M11のソースはソース線SL1に接続され、セクタSE2内のメモリセルM02,M03,M12,M13のソースはソース線SL2に接続される。ソースデコーダ102の出力端子はソース線SL1,SL2に接続される。
The sources of the memory cells M00, M01, M10, and M11 in the sector SE1 are connected to the source line SL1, and the sources of the memory cells M02, M03, M12, and M13 in the sector SE2 are connected to the source line SL2. The output terminal of the
(b) 不揮発性半導体記憶装置の動作
第3の例の不揮発性半導体記憶装置の書込動作および読出動作は第1の例と同様である。セクタ一括消去動作では、ソースデコーダ102が、選択セクタに対応するソース線をフローティング状態にし、非選択セクタに対応するソース線に負電圧(−8V)を印加する。たとえば、セクタSE1の一括消去時には、ソース線SL1がフローティング状態にされ、ソース線SL2に−8Vが印加される。
(B) Operation of Nonvolatile Semiconductor Memory Device The write operation and read operation of the nonvolatile semiconductor memory device of the third example are the same as those of the first example. In the sector batch erase operation, the
このようにして、選択セクタ内のメモリセルには、表2の(E3)の左欄に示されるように電圧が印加され、非選択セクタ内のメモリセルには表2の(E3)の右欄に示されるように電圧が印加される。 In this way, the voltage is applied to the memory cells in the selected sector as shown in the left column of (E3) in Table 2, and the memory cells in the unselected sector are applied to the right of (E3) in Table 2. A voltage is applied as indicated in the column.
その結果、非選択セクタ内のメモリセルのデータを安定に保護しつつ、選択セクタ内のメモリセルを一括消去することができる。 As a result, the memory cells in the selected sector can be collectively erased while stably protecting the data in the memory cells in the non-selected sector.
<4> 第4の例
(a) 不揮発性半導体記憶装置の全体の構成
図75は、第4の例による不揮発性半導体記憶装置の全体の構成を示すブロック図である。
<4> Fourth Example (a) Overall Configuration of Nonvolatile Semiconductor Memory Device FIG. 75 is a block diagram showing an overall configuration of a nonvolatile semiconductor memory device according to a fourth example.
第4の例の不揮発性半導体記憶装置が図74に示す第3の例の不揮発性半導体記憶装置と異なるのは次の点である。負電圧発生回路56は、消去時にウェル電位発生回路61のみに負電圧を与え、セレクトゲートデコーダ63およびソースデコーダ102には負電圧を与えない。
The nonvolatile semiconductor memory device of the fourth example is different from the nonvolatile semiconductor memory device of the third example shown in FIG. 74 in the following points. Negative
(b) 不揮発性半導体記憶装置の動作
第4の例の不揮発性半導体記憶装置の書込動作および読出動作は第1の例と同様である。
(B) Operation of Nonvolatile Semiconductor Memory Device The write operation and read operation of the nonvolatile semiconductor memory device of the fourth example are the same as those of the first example.
一括消去動作時には、ソースデコーダ102が、選択セクタに対応するソース線をフローティング状態にし、非選択セクタに対応するソース線に0Vを印加する。たとえば、セクタSE1の一括消去時には、ソース線SL1がフローティング状態にされ、ソース線SL2には0Vが印加される。
During the batch erase operation, the
このようにして、選択セクタ内のメモリセルには、表2の(E4)の左欄に示されるように電圧が印加され、非選択セクタ内のメモリセルには、表2の(E4)の右欄に示されるように電圧が印加される。 In this way, a voltage is applied to the memory cells in the selected sector as shown in the left column of (E4) in Table 2, and the memory cells in the non-selected sector are in accordance with (E4) in Table 2. A voltage is applied as shown in the right column.
その結果、非選択セクタ内のメモリセルのデータを安定に保護にしつつ、選択セクタ内のメモリセルを一括消去することができる。 As a result, the memory cells in the selected sector can be collectively erased while stably protecting the data in the memory cells in the non-selected sector.
<5> 第5の例
(a) 不揮発性半導体記憶装置の全体の構成
図76は、第5の例による不揮発性半導体記憶装置の全体を構成を示すブロック図である。
<5> Fifth Example (a) Overall Configuration of Nonvolatile Semiconductor Memory Device FIG. 76 is a block diagram showing the overall configuration of the nonvolatile semiconductor memory device according to the fifth example.
第5の例の不揮発性半導体記憶装置が図75に示す第4の例の不揮発性半導体記憶装置と異なるのは次の点である。2つの負電圧発生回路56a、56bが設けられている。負電圧発生回路56aはウェル電位発生回路61、セレクトゲートデコーダ63およびソースデコーダ102に負電圧を与える。負電圧発生回路56bはXデコーダ59に負電圧を与える。他の部分の構成は図75に示される構成と同様である。
The nonvolatile semiconductor memory device of the fifth example is different from the nonvolatile semiconductor memory device of the fourth example shown in FIG. 75 in the following points. Two negative voltage generation circuits 56a and 56b are provided. Negative voltage generation circuit 56 a applies a negative voltage to well
(b) 不揮発性半導体記憶装置の動作
第5の例の不揮発性半導体記憶装置の書込動作および読出動作は第1の例と同様である。
(B) Operation of Nonvolatile Semiconductor Memory Device The write operation and read operation of the nonvolatile semiconductor memory device of the fifth example are the same as those of the first example.
セクタ一括消去動作時には、ソースデコーダ102が、選択セクタに対応するソース線をフローティング状態にし、非選択セクタに対応するソース線に−4Vを印加する。たとえば、セクタSE1の一括消去時には、ソース線SL1がフローティング状態にされ、ソース線SL2には−4Vが印加される。
During the sector batch erase operation, the
このようにして、選択セクタ内のメモリセルには、表2の(E5)の左欄に示されるように電圧が印加され、非選択セクタ内のメモリセルには、表2の(E5)に示されるように電圧が印加される。 In this way, the voltage is applied to the memory cells in the selected sector as shown in the left column of (E5) in Table 2, and the memory cells in the unselected sector are in (E5) of Table 2. A voltage is applied as shown.
その結果、非選択セクタ内のメモリセルのデータを安定に保護しつつ、選択セクタ内のメモリセルを一括消去することができる。 As a result, the memory cells in the selected sector can be collectively erased while stably protecting the data in the memory cells in the non-selected sector.
<6> 第6の例
第6の例による不揮発性半導体記憶装置の全体の構成は、図74に示される構成と同様である。また、第6の例の不揮発性半導体記憶装置の書込動作および読出動作は、第1の例と同様である。
<6> Sixth Example The overall configuration of the nonvolatile semiconductor memory device according to the sixth example is the same as the configuration shown in FIG. The write operation and read operation of the nonvolatile semiconductor memory device of the sixth example are the same as in the first example.
一括消去動作時には、ソースデコーダ102が、選択セクタに対応するソース線に−8Vを印加し、非選択セクタに対応するソース線に0Vを印加する。たとえば、セクタSE1の一括消去時には、ソース線SL1に−8Vが印加され、ソース線SL2に0Vが印加される。
During the batch erase operation, the
このようにして、選択セクタ内のメモリセルには、表2の(E6)の左欄に示されるように電圧が印加され、非選択セクタ内のメモリセルには、表2の(E6)の右欄に示されるように電圧が印加される。 In this way, the voltage is applied to the memory cells in the selected sector as shown in the left column of (E6) in Table 2, and the memory cells in the non-selected sector are in accordance with (E6) in Table 2. A voltage is applied as shown in the right column.
その結果、非選択セクタ内のメモリセルのデータを安定に保護しつつ、選択セクタ内のメモリセルを一括消去することができる。 As a result, the memory cells in the selected sector can be collectively erased while stably protecting the data in the memory cells in the non-selected sector.
<7> 第7の例
第7の例による不揮発性半導体記憶装置の全体の構成は、図76に示される構成と同様である。また、第7の例の不揮発性半導体記憶装置の書込動作および読出動作は、第1の例と同様である。
<7> Seventh Example The overall configuration of the nonvolatile semiconductor memory device according to the seventh example is the same as the configuration shown in FIG. The write operation and read operation of the nonvolatile semiconductor memory device of the seventh example are the same as those of the first example.
セクタ一括消去動作時には、ソースデコーダ102が、選択セクタに対応するソース線に−8Vを印加し、非選択セクタに対応するソース線に−4Vを印加する。たとえば、セクタSE1の選択時には、ソース線SL1に−8Vが印加され、ソース線SL2に−4Vが印加される。
During the sector batch erase operation, the
このようにして、選択セクタ内のメモリセルに、表2の(E7)の左欄に示されるように電圧が印加され、非選択セクタ内のメモリセルに、表2の(E7)の右欄に示されるように電圧が印加される。 In this way, a voltage is applied to the memory cells in the selected sector as shown in the left column of (E7) in Table 2, and the memory cell in the unselected sector is applied to the right column of (E7) in Table 2. A voltage is applied as shown in FIG.
その結果、非選択セクタ内のメモリセルのデータを安定に保護しつつ、選択セクタ内のメモリセルを一括消去することができる。 As a result, the memory cells in the selected sector can be collectively erased while stably protecting the data in the memory cells in the non-selected sector.
<8> 各例の利点
第1および第2の例では、非選択セクタが基板からある程度ディスターブを受けるが、ソースデコーダは不要であり、負電圧発生回路は1つだけでよい。
<8> Advantages of each example In the first and second examples, the non-selected sector is disturbed to some extent from the substrate. However, the source decoder is not necessary and only one negative voltage generating circuit is required.
第3の例では、非選択セクタが基板から受けるディスターブは小さい。また、負電圧発生回路は1つだけでよい。さらに、消去時のソースの接合耐圧は低くてよい。ただし、ソースデコーダが必要である。 In the third example, the disturbance that the non-selected sector receives from the substrate is small. Further, only one negative voltage generation circuit is required. Further, the junction breakdown voltage of the source at the time of erasing may be low. However, a source decoder is necessary.
第4および第6の例では、非選択セクタが基板から受けるディスターブは最も小さい。また負電圧発生回路は1つだけでよい。ただし、ソースデコーダが必要であり、ソースの接合耐圧が8Vだけ必要である。 In the fourth and sixth examples, the disturbance that the unselected sector receives from the substrate is the smallest. Only one negative voltage generating circuit is required. However, a source decoder is required, and a source junction breakdown voltage of 8V is required.
第5および第7の例では、非選択セクタが基板から受けるディスターブはやや小さく、ソースの接合耐圧も〜4Vと小さくてよい。ただし、ソースデコーダが必要であり、2つの負電圧発生回路が必要である。 In the fifth and seventh examples, the disturbance that the non-selected sector receives from the substrate is slightly small, and the source junction breakdown voltage may be as small as ˜4V. However, a source decoder is necessary, and two negative voltage generation circuits are necessary.
次に、図66(a)に示すこの発明に従った不揮発性半導体記憶装置の第14実施例の製造方法について、図77〜図95を用いて説明する。図77〜図95は、上記の構造を有する不揮発性半導体記憶装置の製造方法における第1工程〜第19工程を示す断面図である。 Next, a manufacturing method of the fourteenth embodiment of the nonvolatile semiconductor memory device according to the present invention shown in FIG. 66 (a) will be described with reference to FIGS. 77 to 95 are cross-sectional views showing the first to nineteenth steps in the method for manufacturing the nonvolatile semiconductor memory device having the above structure.
まず図77を参照して、p型シリコン基板201主表面に、300Å程度の膜厚を有する下敷き酸化膜202を形成する。そして、この下敷き酸化膜202上に、CVD(Chemical Vapour Deposition)法を用いて、500Å程度の膜厚の多結晶シリコン膜203を形成する。この多結晶シリコン膜203上に、CVD法などを用いて、1000Å程度のシリコン窒化膜204を形成する。そして、このシリコン窒化膜204上に、素子分離領域を露出するようにレジスト205を形成する。このレジスト205をマスクとして異方性エッチングを行なうことによって、素子分離領域上のシリコン窒化膜204および多結晶シリコン膜203をエッチングする。
First, referring to FIG. 77,
その後、レジスト205を除去し、シリコン窒化膜204をマスクとして用いて選択酸化を行なうことによって、図78に示されるように、フィールド酸化膜206を形成する。そして、上記の多結晶シリコン膜203およびシリコン窒化膜204を除去する。
Thereafter, resist 205 is removed, and selective oxidation is performed using
次に、図79に示されるように、メモリトランジスタ領域および周辺回路領域の一部に、3.0MeV,2.0×1013cm-3の条件で、リン(P)をイオン注入する。そして、1000℃の温度で1時間の不純物ドライブを行なう。それにより、nウェル207が形成される。その後、図80に示されるように、メモリセル形成領域を覆うようにレジスト209を形成し、このレジスト209をマスクとして用いて、リン(P)を1.2MeV,1.0×1013cm-3の条件でイオン注入し、さらに、リン(P)を180KeV,3.5×1012cm-3の条件でイオン注入する。それにより、周辺回路領域の一部にnウェル(図示せず)が形成される。
Next, as shown in FIG. 79, phosphorus (P) is ion-implanted into the memory transistor region and a part of the peripheral circuit region under the conditions of 3.0 MeV and 2.0 × 10 13 cm −3. Then, impurity driving is performed for 1 hour at a temperature of 1000 ° C. Thereby, an n-
次に、図81を参照して、メモリトランジスタ領域に、700KeV,1.0×1013cm-3の条件でボロン(B)をイオン注入し、さらに180KeV,3.5×1012cm-3の条件でボロン(B)をイオン注入する。それにより、pウェル210が形成される。
Next, referring to FIG. 81, boron (B) is ion-implanted into the memory transistor region under the conditions of 700 KeV and 1.0 × 10 13 cm −3, and further boron under the conditions of 180 KeV and 3.5 × 10 12 cm −3. (B) is ion-implanted. Thereby, a p-
そして、各メモリトランジスタのしきい値電圧制御のための不純物注入を行なった後、図82を参照して、p型シリコン基板201主表面上全面に、熱酸化処理を施すことによって150Å程度の膜厚のゲート絶縁膜211を形成する。そして、このゲート絶縁膜211上における選択ゲートトランジスタ(後述)形成領域を覆うようにレジスト212を形成する。このレジスト212をマスクして用いて、エッチングを行なうことによって上記のゲート絶縁膜211の選択ゲートトランジスタ形成領域以外の部分を除去する。
Then, after the impurity implantation for controlling the threshold voltage of each memory transistor is performed, the entire surface of the main surface of the p-
上記のレジスト212を除去し、再び熱酸化処理を施すことによって、p型シリコン基板201上全面に100Å程度の膜厚のゲート絶縁膜213を形成する。それにより、選択ゲートトランジスタ形成領域には、約250Å程度の膜厚を有するゲート絶縁膜211,213が形成されることになる。そして、このゲート絶縁膜211,213上に、CVD法などを用いて第1の多結晶シリコン膜214を1200Å程度の膜厚に形成する。そして、この第1の多結晶シリコン膜厚214上に、所定形状(この場合であれば紙面に垂直方向に断続的に複数のレジストパターンが形成される)のレジスト212aを堆積し、このレジスト212aをマスクとして用いて第1の多結晶シリコン膜214をエッチングする。
The resist 212 is removed, and a thermal oxidation process is performed again to form a
その後、図84に示されるように、上記の第1の多結晶シリコン膜214上に、CVD法などを用いて100Å程度の膜厚の高温酸化膜を形成し、この高温酸化膜上にCVD法などを用いてシリコン窒化膜を100Å程度の厚みに形成し、さらにこのシリコン窒化膜上にCVD法を用いて150Å程度の厚みの高温酸化膜を形成する。それにより、ONO膜215が形成される。
Thereafter, as shown in FIG. 84, a high-temperature oxide film having a thickness of about 100 mm is formed on the first
次に、図85を参照して、上記のONO膜215上に、CVD法を用いて、不純物が導入された多結晶シリコン層を1200Å程度の厚みに形成する。そしてこの多結晶シリコン層上にスパッタリング法を用いて、タングステンシリサイド(WSi)層を1200Å程度の厚みに形成する。これらにより、コントロールゲート電極となる導電層216が形成される。この導電層216上にCVD法を用いて、2000Å程度の膜厚を有する高温酸化膜217を形成する。そして、メモリトランジスタ領域および周辺部のトランジスタ形成領域上に位置する高温酸化膜217上に、レジスト218を形成し、このレジスト218をマスクとしてエッチングを行なうことによって、周辺回路で用いるトランジスタの電極を形成する。
Next, referring to FIG. 85, a polycrystalline silicon layer doped with impurities is formed on the
次に、図86を参照して、上記の高温酸化膜217上に、図86において横方向に断続的にレジスト218aを形成する。そして、このレジスト218aをマスクとして用いて、高温酸化膜217、導電膜216、ONO膜215、第1の多結晶シリコン膜214をエッチングする。それにより、フローティングゲート電極219およびコントロールゲート電極220が形成される。
Next, referring to FIG. 86, a resist 218a is intermittently formed on the high-
次に、図87(a)を参照して、図86に示される状態のフラッシュメモリ上に、さらにレジスト221を塗布し、メモリトランジスタのソース領域となる部分を露出させるようにこのレジスト221をパターニングする。図87(b)は、図87(a)に示される状態のフラッシュメモリの一部平面を示す平面図である。そして、図87(b)におけるB−B線に沿って見た断面が、図87(a)に示されることになる。このようにパターニングされたレジスト221をマスクとして用いて、ドライエッチングを行なうことによってソース領域上に形成されているフィールド酸化膜206を除去する。
Next, referring to FIG. 87 (a), a resist 221 is further applied onto the flash memory in the state shown in FIG. 86, and this resist 221 is patterned so as to expose a portion to be a source region of the memory transistor. To do. FIG. 87 (b) is a plan view showing a partial plan view of the flash memory in the state shown in FIG. 87 (a). And the cross section seen along the BB line in FIG. 87 (b) will be shown by FIG. 87 (a). The
そして、レジスト218a,211を除去した後、図88に示されるように、選択ゲートトランジスタのみを露出させるようにレジストパターン221aを形成する。そして、このレジストパターン221aをマスクとして用いて、リン(P)を60KeV,3.0×1013cm-3の条件でイオン注入する。それにより、選択ゲートトランジスタのソース/ドレイン領域223,224を形成する。そして、上記のレジスト221aを除去する。
Then, after removing the resists 218a and 211, a resist
その後、図89を参照して、選択ゲートトランジスタとなるトランジスタを覆い他のメモリセルを露出するようにレジストパターン221bを形成する。そして、このレジスト221bをマスクとして用いて、35KeV,5.5×1015cm-3の条件で、砒素(As)をイオン注入する。それにより、メモリトランジスタのソース/ドレイン領域およびソース線が形成されることになる。そして、レジスト221bを除去する。
Thereafter, referring to FIG. 89, a resist
次に、図90を参照して、メモリトランジスタ領域に、CVD法を用いて、2000Å程度の膜厚を有する高温酸化膜を形成する。そして、この高温酸化膜を異方性エッチングすることによって、選択ゲートトランジスタの側壁あるいはメモリトランジスタの側壁にサイドウォール225を形成する。そして、このサイドウォール225をマスクとして用いて、35KeV,4.0×1015cm-3の条件で、砒素(As)をイオン注入する。それにより、周辺部のトランジスタのソース/ドレイン領域を形成する。
Next, referring to FIG. 90, a high temperature oxide film having a film thickness of about 2000 mm is formed in the memory transistor region by CVD. Then, the
その後、図91を参照して、メモリトランジスタ領域に、TEOS(Tetra ethyl ortho Silicate)膜などからなるシリコン酸化膜226を堆積する。そして、30分程度の酸化膜のシンタ処理を行なう。そして、図92に示すように、このシリコン酸化膜226を異方性エッチングすることによって、サイドウォール225aが形成されることになる。このサイドウォール225aの形成によって、メモリセルにおけるソース領域は、シリコン酸化膜によって覆われることになる。
Thereafter, referring to FIG. 91, a
次に、図93を参照して、CVD法などを用いて、2000Å程度の膜厚を有する多結晶シリコン層を形成し、この多結晶シリコン層に不純物を導入することによって導電性をもたせる。この多結晶シリコン層上に所定形状のレジスト228を塗布し、このレジスト228をマスクとしてパターニングすることによって副ビット線227が形成される。
Next, referring to FIG. 93, a polycrystalline silicon layer having a thickness of about 2000 mm is formed by CVD or the like, and conductivity is imparted by introducing impurities into this polycrystalline silicon layer. A
次に、図94を参照して、上記のレジスト228を除去した後、副ビット線227上に、CVD法を用いてTEOS膜などからなるシリコン酸化膜229を形成する。このシリコン酸化膜229の膜厚は、1500Å程度である。このシリコン酸化膜229上に、CVD法などを用いて、膜厚500Å程度のシリコン窒化膜230を形成する。そして、このシリコン窒化膜230上に、CVD法などを用いて10000Å程度の膜厚を有するBPTEOS膜などからなるシリコン酸化膜231を形成する。その後、850℃程度の熱処理によりリフローを行ない、HF等によりBPTEOS膜を5000Å程度エッチバックする。そして、このシリコン酸化膜231上に所定形状のレジスト232を堆積し、このレジスト232をマスクとして用いて、シリコン酸化膜229,231およびシリコン窒化膜230をエッチングする。それにより、副ビット線227と後の工程で形成される主ビット線233との接続のためのコンタクトホール233aが形成されることになる。
Next, referring to FIG. 94, after removing the resist 228, a
次に、図95を参照して、上記のコンタクトホール233a内に、CVD法およびエッチバック法を用いて、タングステンプラグ233bを形成する。そして、このタングステンプラグ233b上およびシリコン酸化膜231上に、スパッタリング法などを用いて、5000Å程度の膜厚を有するアルミニウム合金層を形成する。そして、このアルミニウム合金層上に所定形状のレジスト232aを堆積し、このレジスト232aをマスクとしてアルミニウム合金層をパターニングすることによって主ビット線233が形成される。その後、レジスト232aを除去し、この主ビット線上に層間絶縁層を形成する。そして、スルーホール形成工程を経てこの層間絶縁層上にさらにアルミニウム配線層を形成する。それにより、図66(a)に示される不揮発性半導体装置が形成されることになる。
Next, referring to FIG. 95,
次に、この発明に従った不揮発性半導体記憶装置の第14実施例のセレクトゲートコンタクト部の製造方法について、図96〜図100を用いて説明する。図96〜図100は、図68におけるC−C線に沿って見た断面を示す図である。 A method for manufacturing the select gate contact portion of the fourteenth embodiment of the nonvolatile semiconductor memory device according to the present invention will now be described with reference to FIGS. 96 to 100 are views showing cross sections taken along line CC in FIG.
まず、図96を参照して、上記の実施例と同様の工程を経て、高温酸化膜217までを形成する。選択ゲートトランジスタはといえば、その上層に形成されるアルミニウム配線層238とコンタクトホールを介して接続される。したがって、その接続部には、コンタクトホールが形成されることになる。このコンタクト部が図97に示されている。図97を参照して、上記のように高温酸化膜217を堆積した後、エッチングを行なうことによってコンタクト部における高温酸化膜217および導電膜216を除去する。それにより、コンタクトホール251が形成される。
First, referring to FIG. 96, up to high-
そして、図98を参照して、CVD法などを用いてTEOS膜などからなる酸化膜を全面に形成した後、異方性エッチングを行なうことによって、コンタクトホール251の側壁にシリコン酸化膜235を残存させる。このとき、このサイドウォールとなるシリコン酸化膜235の形成時に、第1の多結晶シリコン膜214上のONO膜215もエッチングされるため、第1の多結晶シリコン膜214は露出している。
Referring to FIG. 98, an oxide film made of a TEOS film or the like is formed on the entire surface by using the CVD method or the like, and then anisotropic etching is performed to leave
次に、図99を参照して、コンタクトホール251に多結晶シリコンからなるポリパッド236を形成し、同時に副ビット線227を形成する。その後、図100に示されるように、ポリパッド236上および副ビット線227上に層間絶縁膜245を形成する。そして、この層間絶縁膜245におけるポリパッド236上に位置する部分に、コンタクトホール251aを形成し、このコンタクトホール251aにアルミ電極237を形成する。このとき、このアルミ電極237の形成と同時に、主ビット線233が形成される。このように、選択ゲートトランジスタのコンタクト部にポリパッド236を形成することによって、このコンタクト部におけるアスペクト比を小さくすることができ、かつパターンの重ね合わせのマージンを増大することが可能となる。
Next, referring to FIG. 99,
以上のようにして主ビット線233およびアルミニウム電極237が形成された後は、上記の実施例と同様の工程を経て不揮発性半導体記憶装置が形成されることになる。
After the
次に、図101〜図106を用いて、この発明に基づく不揮発性半導体記憶装置の第14実施例のソース線コンタクト部の製造方法について説明する。図101は、図70に示された不揮発性半導体記憶装置の一部を示す平面図である。まず図101を参照して、ソース線223aは、ソース線コンタクト部239において、コンタクト部以外のソース線223aの幅W2よりも大きい幅W1を有するように形成されている。一方、この形状を反映して、ドレイン領域の幅は、ソース線コンタクト部239に挟まれる部分においては、W4と小さく、それ以外の部分では、このW4より大きいW3の幅を有している。このような幅の違いを利用して、本実施例においては、ソース線コンタクト部239のコンタクトホール形成と、ドレインコンタクト部240におけるコンタクトホール形成とは同時に行なおうとするものである。
A method for manufacturing the source line contact portion of the fourteenth embodiment of the nonvolatile semiconductor memory device according to the present invention will now be described with reference to FIGS. FIG. 101 is a plan view showing a part of the nonvolatile semiconductor memory device shown in FIG. First, referring to FIG. 101,
以下に、図102〜図106を用いて、詳しく説明する。図102(I)は、図101におけるD−D線に沿った見た断面を示す図である。図102(II)は、図101におけるE−E線に沿って見た断面を示す図である。以下、図103〜図106においても同様とする。 Details will be described below with reference to FIGS. FIG. 102I is a diagram illustrating a cross section viewed along line DD in FIG. FIG. 102 (II) is a view showing a cross section taken along line EE in FIG. The same applies to FIGS. 103 to 106.
まず、図102を参照して、メモリトランジスタにおけるフローティングゲート電極219、ONO膜215、コントロールゲート電極220および高温酸化膜217を上記の実施例と同様の工程を経て形成する。このとき、(I)図においては、ソース部の間隔がドレイン部の間隔よりも広くなっており、(II)図においては、ドレイン部の間隔がソース部の間隔よりも広くなっている。
First, referring to FIG. 102, a floating
このような状態のメモリトランジスタに、図103に示されるように、上記の実施例と同様の方法でサイドウォール225を形成する。そして、サイドウォール225上に、図104に示されるように、さらに酸化膜226を堆積する。
In the memory transistor in such a state, as shown in FIG. 103, a
その後、図105(I)を参照して、上記の酸化膜226に異方性エッチングを施すことによって、ソース線コンタクト部239に、コンタクトホール239aを形成する。このとき、ソース部の幅がドレイン部の幅よりも広いため、ソース部の方がエッチングされやすくなり、ソース部においてはコンタクトホール239aが形成されるが、ドレイン部においてはコンタクトホールが形成されない。
Thereafter, referring to FIG. 105I, anisotropic etching is performed on
一方、図105(II)を参照して、この場合であれば、ドレイン部の方がソース部よりも幅が広くなっているため、上記の場合と同様の考え方で、ドレイン部のみにコンタクトホール240aが形成されることになる。このようにして、コンタクトホール239aおよび240aが同時に形成された後、図106に示されるように、メモリトランジスタ上に多結晶シリコンなどからなる副ビット線227および配線層241が形成されることになる。
On the other hand, referring to FIG. 105 (II), in this case, since the drain portion is wider than the source portion, the contact hole is formed only in the drain portion in the same way as in the above case. 240a is formed. In this way, after
以上のように、この実施例によれば、ソース線223aの幅の違いおよびドレイン部の幅の違いを利用して、ソース線コンタクト部239の形成とドレインコンタクト部240の形成とを同時に行なうことが可能となる。また、それぞれのコンタクトホール形成のためのマスクも必要としないため、工程の簡略化および製造コストの低減が可能となる。
As described above, according to this embodiment, the source
(15) 第15実施例
次に、図107を用いて、この発明に従った不揮発性半導体記憶装置の第15実施例について説明する。図107(a)は、ダミーメモリトランジスタを形成しない場合の副ビット線227形成後の不揮発性半導体記憶装置の断面図であり、図107(b)は、ダミーメモリトランジスタを形成した場合、つまり不揮発性半導体記憶装置の第15実施例の断面図である。まず図107(a)を参照して、副ビット線227の一方端は選択ゲートトランジスタ234上で切れており、他方端は、フィールド酸化膜206上で切れている。このような場合には、コンタクトエッチング時などにフィールド酸化膜206が膜減りし、分離特性が劣化するといった問題点がある。
(15) Fifteenth Embodiment Next, a fifteenth embodiment of the nonvolatile semiconductor memory device according to the present invention will be described with reference to FIG. FIG. 107 (a) is a cross-sectional view of the nonvolatile semiconductor memory device after formation of the
そこで、第15実施例においては、このフィールド酸化膜206上にダミーメモリトランジスタ242bを形成している。それにより、素子間の分離耐圧を劣化させることなくかつ副ビット線227における段差も低減することが可能となる。このように、第15実施例においては、ダミーメモリトランジスタ242bをフィールド酸化膜206上に形成したが、図107(b)に示されるように、ダミーメモリトランジスタ242aを、p型シリコン基板201上に直接形成してもよい。それにより、ダミーゲート242とp型シリコン基板201との間でFNトンネリングを用いて電子の注入を行なうことが可能となる。それにより、フィールドシールド効果を持たせることが可能となる。また、このダミーメモリトランジスタ242aを挟む副ビット線227を用いて、チャネルホットエレクトロンによってダミーゲート242に電子を注入することも可能である。それによっても、上記の場合と同様のフィールドシールド効果が期待できる。
Therefore, in the fifteenth embodiment, a dummy memory transistor 242b is formed on the
(16) 第16実施例
次に、図108〜図119を用いて、この発明に従った不揮発性半導体記憶装置の第16実施例について説明する。図108は、この発明に従った第16実施例における不揮発性半導体記憶装置のメモリトランジスタ部の部分断面図である。図109は、図69におけるF−F線に沿ってみた断面に対応する断面図である。図110〜図119は、本実施例における不揮発性半導体記憶装置の製造工程の第10工程〜第19工程を示す断面図である。
(16) Sixteenth Embodiment Next, a sixteenth embodiment of the nonvolatile semiconductor memory device according to the present invention will be described with reference to FIGS. FIG. 108 is a partial cross sectional view of the memory transistor portion of the nonvolatile semiconductor memory device according to the sixteenth embodiment of the invention. 109 is a cross-sectional view corresponding to a cross section taken along line FF in FIG. 69. 110 to 119 are cross-sectional views showing the tenth to nineteenth steps of the manufacturing process of the nonvolatile semiconductor memory device in this example.
前述の各実施例においては、ソース領域上に位置するフィールド酸化膜206をエッチング除去し、この状態でソース領域に砒素(As)などを注入することによってソース線を形成していた。しかし、この場合には、次に説明するような問題点が考えられる。フィールド酸化膜206直下には、素子間の分離特性を向上させるために、予めボロン(B)などがフィールド酸化膜206越しに注入されている。したがって、上記のように、フィールド酸化膜206をエッチングした後にソース線形成のための砒素(As)を注入した場合には、フィールド酸化膜206越しに予め注入されているボロン(B)と、ソース線形成のために注入された砒素(As)とがオーバラップする部分が生じることとなる。それにより、その重なる部分において、キャリア濃度が相殺され、ソース耐圧が低くなるといった問題点が考えられる。
In each of the foregoing embodiments, the
そこで、本実施例においては、ソース線形成のために、各ソース領域を電気的に接続するような不純物の導入された多結晶シリコンなどからなる配線層を形成することとしている。それにより、フィールド酸化膜206上にその配線層を形成することができるため、ソース線形成領域上に位置するフィールド酸化膜206を取除く必要がなくなる。それにより、上記のような不純物領域の重なりをなくすことができ、ソース耐圧が低下するのを防止することが可能となる。
Therefore, in this embodiment, in order to form the source line, a wiring layer made of polycrystalline silicon or the like into which impurities are introduced so as to electrically connect the source regions is formed. Thereby, the wiring layer can be formed on the
以下に、図を用いて、本実施例について、より具体的に説明する。まず、図108を参照して、本実施例における特徴部分となるのは、ワード線方向に散在する各ソース領域223を電気的に接続する配線層262が形成されていることである。それ以外の構造は、上記の各実施例と同様である。この配線層262は、この場合であれば、多結晶シリコンなどで形成されている。
Hereinafter, the present embodiment will be described more specifically with reference to the drawings. First, referring to FIG. 108, a feature of the present embodiment is that a
この配線層262は、フィールド酸化膜206で分離されている各ソース領域223を互いに接続している。したがって、図109に示されるように、ソース領域223上およびソース領域223に挟まれたフィールド酸化膜206上に、配線層262は延在している。このように、配線層262を備えることにより、各ソース領域223を電気的に接続することができるため、フィールド酸化膜206の一部をエッチング除去する必要がなくなる。それにより、上述したように、ソース線耐圧が低下するのを防止することが可能となる。
The
次に、図110〜図119を用いて、上記の構造を有する不揮発性半導体記憶装置の製造方法について説明する。まず図110を参照して、上記の第2の実施例と同様の工程を経て、高温酸化膜217、導電膜216、ONO膜215、第1の多結晶シリコン膜214をエッチングする。それにより、フローティングゲート電極219およびコントロールゲート電極220が形成される。そして、レジスト218aを除去する。
Next, a method for manufacturing a nonvolatile semiconductor memory device having the above structure will be described with reference to FIGS. First, referring to FIG. 110, high
次に、図111に示されるように、選択ゲートトランジスタのみを露出させるようにレジストパターン221aを形成する。そして、このレジストパターン221aをマスクとして用いて、リン(P)を60KeV,3.0×1013cm-2の条件でイオン注入する。それにより、選択ゲートトランジスタのソース/ドレイン領域223,224を形成する。その後、上記のレジスト221aを除去する。
Next, as shown in FIG. 111, a resist
次に、図112を参照して、選択ゲートトランジスタとなるトランジスタを覆い、他のメモリトランジスタを露出させるようにレジストパターン221bを形成する。そして、このレジストパターン221bをマスクとして用いて、35KeV,5.5×1015cm-2の条件で、砒素(As)をイオン注入する。それにより、メモリトランジスタのソース/ドレイン領域が形成される。その後、レジスト221bを除去する。
Next, referring to FIG. 112, a resist
次に、図113を参照して、メモリトランジスタ領域にCVD法を用いて、2000Å程度の膜厚を有する高温酸化膜を形成する。そして、この高温酸化膜を異方性エッチングすることによって、選択ゲートトランジスタの側壁あるいはメモリトランジスタの側壁にサイドウォール225を形成する。そして、このサイドウォール225をマスクとして用いて、35KeV,4.0×1015cm-2の条件で、砒素(As)をイオン注入する。それにより、周辺部のトランジスタのソース/ドレイン領域およびソース領域223、ドレイン領域224を形成する。
Next, referring to FIG. 113, a high temperature oxide film having a film thickness of about 2000 mm is formed in the memory transistor region by CVD. Then, the
次に、図114を参照して、メモリトランジスタ領域に、TEOS(Tetra ethyl Ortho Silicate)膜などからなるシリコン酸化膜226を堆積する。そして、30分程度の酸化膜のシンタ処理を行なう。その後、ソース領域223上に位置するシリコン酸化膜226を露出させるようにレジストパターン261を形成する。そして、このレジストパターン261をマスクとして用いて、ソース領域223上に位置するシリコン酸化膜226、サイドウォール225の一部をエッチングする。それにより、図115に示されるように、ソース領域223上に位置する領域にコンタクトホール268を形成する。そして、レジスト261を除去する。
Next, referring to FIG. 114, a
次に、図116を参照して、CVD法などを用いて、上記のコンタクトホール268内表面およびシリコン酸化膜226上に、多結晶シリコン層262を形成する。そして、この多結晶シリコン層262上に、CVD法などを用いて、酸化膜263を形成する。そして、ソース領域223上に位置する酸化膜263上に、レジストパターン264を形成する。このとき、レジストパターン264の端部は、ソース側に位置するフローティングゲート電極219、コントロールゲート電極220の端部上に位置するようにする。それにより、多結晶シリコン層262と副ビット線227との距離を離すことができ、多結晶シリコン層262と副ビット線227との所望の耐圧を確保することができる。さらに、コントロールゲート電極220と多結晶シリコン層262間の耐圧も所望の値とすることができる。
Next, referring to FIG. 116, a
そして、図117に示されるように、上記のレジストパターン264をマスクとして用いて酸化膜263および多結晶シリコン層262をエッチングする。それにより、ワード線方向に散在する各ソース領域223を電気的に接続する配線層262が形成されることになる。
Then, as shown in FIG. 117,
次に、図118を参照して、レジスト264を除去した後、酸化膜226,263上に、CVD法などを用いて酸化膜265を形成する。そして、ドレイン拡散領域224上に位置する酸化膜265を露出させるようにレジストパターン266を形成する。そして、このレジストパターン266をマスクとして用いて、ドレイン領域224上に位置する各酸化膜265,226をエッチング除去する。それにより、ドレイン領域224の一部が露出することになる。
Next, referring to FIG. 118, after removing resist 264,
その後、図119を参照して、上記のレジスト266を除去した後、CVD法などを用いて、2000Å程度の膜厚を有する多結晶シリコン層を形成し、この多結晶シリコン層に不純物を導入することによって導電性をもたせる。そして、この多結晶シリコン層上に所定形状のレジスト228を塗布し、このレジスト228をマスクとして上記の多結晶シリコン層をパターニングすることによって、副ビット線227が形成される。以下、前記の第2の実施例と同様の工程を経て不揮発性半導体記憶装置が形成されることになる。
Then, referring to FIG. 119, after removing the resist 266, a polycrystalline silicon layer having a thickness of about 2000 mm is formed by CVD or the like, and impurities are introduced into this polycrystalline silicon layer. This provides conductivity. A
(17) 第17実施例
次に、図120〜図125および図156〜図159を用いて、本発明に基づく第17実施例について説明する。図120は、本発明に従った第17実施例における不揮発性半導体記憶装置の部分断面図である。図121〜図125は、図120に示される不揮発性半導体記憶装置の製造工程の第1工程〜第5工程を示す図である。図156は、上記の第17実施例における不揮発性半導体記憶装置の従来構造を示す平面図(a)および(a)におけるB−B線に沿って見た断面図(b)を示す図である。図157は、図156に示される従来の不揮発性半導体記憶装置の書込動作を説明するための部分断面図である。図158は、図156に示される不揮発性半導体記憶装置の消去動作を説明するための部分断面図である。図159は、図156に示される従来の不揮発性半導体記憶装置における問題点を説明するための部分断面図である。
(17) Seventeenth Embodiment Next, a seventeenth embodiment according to the present invention will be described with reference to FIGS. 120 to 125 and FIGS. 156 to 159. FIG. 120 is a partial cross-sectional view of the nonvolatile semiconductor memory device in the seventeenth embodiment according to the invention. 121 to 125 are views showing the first to fifth steps of the manufacturing process of the nonvolatile semiconductor memory device shown in FIG. FIG. 156 is a plan view showing a conventional structure of the nonvolatile semiconductor memory device in the seventeenth embodiment and a cross-sectional view taken along line BB in FIG. . FIG. 157 is a partial cross-sectional view for describing the write operation of the conventional nonvolatile semiconductor memory device shown in FIG. FIG. 158 is a partial cross-sectional view for describing an erasing operation of the nonvolatile semiconductor memory device shown in FIG. FIG. 159 is a partial cross-sectional view for illustrating problems in the conventional nonvolatile semiconductor memory device shown in FIG.
まず、図156〜図159を用いて、本発明に基づく第17実施例における不揮発性半導体記憶装置の従来の構造について説明する。図156(a)および図156(b)を参照して、このタイプの不揮発性半導体記憶装置は、一般的に、バーチャルグランド構成のメモリセルアレイ(Virtual Ground Array)を有する不揮発性半導体記憶装置と呼ばれている。 First, the conventional structure of the nonvolatile semiconductor memory device according to the seventeenth embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. Referring to FIGS. 156 (a) and 156 (b), this type of nonvolatile semiconductor memory device is generally called a nonvolatile semiconductor memory device having a virtual ground array memory cell array (Virtual Ground Array). It is.
図156(b)を参照して、p型半導体基板301の主表面には、ビット線として機能するn型の高濃度不純物領域302a,302b,302c,302dが互いに略平行に間隔を隔てて形成されている。これらの高濃度不純物領域302a〜302dに挟まれた領域上に、絶縁膜304を介してフローティングゲート305a、305b、305が形成されている。そして、これらのフローティングゲート305a,305b,305を覆うように、絶縁膜306が形成されている。この絶縁膜306表面上に、コントロールゲート307が形成されている。コントロールゲート307は、図156(a)を参照して、複数のフローティングゲート305上に延在し、高濃度不純物領域302a〜302dと略直交する。
Referring to FIG. 156 (b), n-type high-
次に、図157および図158を用いて、上記の構造を有する従来の不揮発性半導体記憶装置の従来の動作について説明する。まず書込動作について説明する。図156(a)および図157を参照して、フローティングゲート305bに書込みを行なう場合について説明する。フローティングゲート305bに書込を行なう際には、このフローティングゲート305b上を延在するコントロールゲート307に12V程度の電圧が印加され、ビット線として機能する高濃度不純物領域302bに5V程度の電圧が印加される。
Next, a conventional operation of the conventional nonvolatile semiconductor memory device having the above structure will be described with reference to FIGS. 157 and 158. First, the writing operation will be described. Referring to FIGS. 156 (a) and 157, description will be given of the case where writing is performed to floating
このとき、高濃度不純物領域302aは、フローティング状態に保持される。不純物領域302cは、接地電位に保持される。それにより、高濃度不純物領域302bから高濃度不純物領域302cに電流が流れる。このときに、フローティングゲート305bに電子が注入されることになる。それにより、フローティングゲート305bに書込が行なわれる。
At this time, the high
次に、消去動作について説明する。各フローティングゲート305,305a,305bに書込まれた情報を消去する際には、各コントロールゲート307が接地電位に保持され、各高濃度不純物領域302a〜302dに10V程度の電圧が印加される。それにより、各フローティングゲート305,305a,305bから同時に電子が引き抜かれ、書込まれた情報が消去されることになる。この様子が、図158に示されている。
Next, the erase operation will be described. When erasing information written in each floating
以上のような構成を有し、動作を行なう従来のバーチャルグランド構成のメモリセルアレイを有する不揮発性半導体記憶装置に本発明に従った動作を行なわせた場合には、次に説明するような問題点が生じることとなる。その問題点について、図159を用いて説明する。 When a non-volatile semiconductor memory device having the above-described configuration and having a conventional virtual ground configuration memory cell array is operated according to the present invention, the following problems are encountered. Will occur. The problem will be described with reference to FIG.
従来のバーチャルグランド構成のメモリセルアレイを有する不揮発性半導体記憶装置に本発明に従った動作を行なわせた場合には、本発明に従った書込動作を行なった際に問題点が生じることとなる。図159を参照して、本発明に従った書込動作を行なわせることによってたとえばフローティングゲート305aに情報を書込むには、選択されたコントロールゲート307に、たとえば−8V程度の電圧が印加される。このとき、選択されたビット線、この場合であれば、ビット線として機能する高濃度不純物領域302bに5V程度の電圧が印加される。そして、非選択のビット線、この場合であれば、高濃度不純物領域302a,302c,302dは、接地電位に保持される。
When a conventional non-volatile semiconductor memory device having a memory cell array with a virtual ground configuration is operated according to the present invention, a problem occurs when the write operation according to the present invention is performed. . Referring to FIG. 159, for example, in order to write information to floating
それにより、図159において矢印で示されるように、フローティングゲート305aから電子が引き抜かれると同時に、フローティングゲート305aと隣接するフローティングゲート305bからも電子が引き抜かれることになる。それは、高濃度不純物領域302bの一方の端部がフローティングゲート305aと部分的に重なり、他方の端部がフローティングゲート305bと部分的に重なるように形成されているからである。
Accordingly, as indicated by an arrow in FIG. 159, electrons are extracted from the floating
このように、高濃度不純物領域302bと、フローティングゲート305aおよびフローティングゲート305bが部分的に重なるような位置関係に形成されることによって、その重なった部分において、FN現象によってそれぞれのフローティングゲート305a,305bから電子が引き抜かれてしまう。すなわち、両方のフローティングゲート305a,305bに情報が書込まれたことになる。その結果、不揮発性半導体記憶装置の誤動作を引き起こすといった問題点が生じることとなる。
In this way, the high
本実施例における不揮発性半導体記憶装置は、上記のような問題点を解決するために考案されたものである。以下、本実施例における不揮発性半導体記憶装置の構造および動作について、図120〜図125を用いて説明する。 The nonvolatile semiconductor memory device in the present embodiment is devised to solve the above problems. Hereinafter, the structure and operation of the nonvolatile semiconductor memory device in this example will be described with reference to FIGS.
図120を参照して、本実施例におけるバーチャルグランド構成のメモリセルアレイを有する不揮発性半導体記憶装置は、ビット線として機能する高濃度不純物領域302a,302b,302c,302dの一方の端部は、フローティングゲート305の下に位置し、他方の端部は、隣接するフローティングゲート305の下には位置しないように形成されている。高濃度不純物領域302a,302b,302c,302dの濃度は、好ましくは、1020/cm3 以上である。
Referring to FIG. 120, in the nonvolatile semiconductor memory device having the memory cell array of the virtual ground configuration in this embodiment, one end of high
より具体的には、図120を参照して、高濃度不純物領域302bの一方端はフローティングゲート305aの下に位置するが、このフローティングゲート305aと隣接するフローティングゲート305bと不純物領域302bとは重ならないようにオフセットされている。それ以外の構造に関しては、図156(b)に示される従来の構造とほぼ同様である。
More specifically, referring to FIG. 120, one end of high-
このように、高濃度不純物領域302bの端部を隣接するフローティングゲート305bと重ならないように形成することによって、たとえばフローティングゲート305aに本発明に従った書込動作を行なう際に、隣接するフローティングゲート305bから電子が引き抜かれるといった状況を回避することが可能となる。それにより、より確実に情報の書込を行なうことが可能となる。
In this way, by forming the end portion of the high
次に、図121〜図125を用いて、図120に示される構造を有する本実施例における不揮発性半導体記憶装置の製造方法について説明する。まず図121(a)および(b)を参照して、p型半導体基板301主表面上に、100Å程度の膜厚を有する絶縁膜304を形成する。そして、この絶縁膜304上に、CVD法などを用いて、1000Å程度の膜厚を有する第1多結晶シリコン層305cを堆積する。
Next, a method for manufacturing the nonvolatile semiconductor memory device according to this embodiment having the structure shown in FIG. 120 will be described with reference to FIGS. First, referring to FIGS. 121A and 121B, an insulating
この第1多結晶シリコン305c上に、所望の膜厚を有するレジスト308を塗布する。このレジスト308を所定形状にパターニングする。このパターニングされたレジスト308をマスクとして用いて、エッチングすることによって第1多結晶シリコン層305cをパターニングする。
A resist 308 having a desired film thickness is applied on the first
次に、図122(a)を参照して、上記の第1多結晶シリコン層305cをパターニングした後、レジスト308をマスクとして用いて、砒素(As)などのn型の不純物をp型半導体基板301の主表面にイオン注入する。このとき、不純物の注入角度を所定角度θだけ傾ける。それにより、レジスト308によるシャドーイング効果によって、p型半導体基板301の主表面に、隣合うフローティングゲートのうち一方にのみその端部が部分的に重なるように高濃度不純物領域302a〜302dを形成することが可能となる。
Next, referring to FIG. 122A, after patterning the first
上記の傾斜角度θの値は、好ましくは、約7°である。このようにして、θの角度だけ鉛直方向に対して角度を持たせて砒素(As)をイオン注入することによって、レジスト308に従ってパターニングされた隣り合う第1多結晶シリコン層305cのうち、一方の第1多結晶シリコン層305cとは重なるが他方の第1多結晶シリコン層305cとはオフセットされた高濃度不純物領域302a〜302dが形成されることになる。この状態を平面的に見た様子が図122(b)に示されている。
The value of the tilt angle θ is preferably about 7 °. In this way, arsenic (As) is ion-implanted at an angle of θ with respect to the vertical direction, whereby one of the adjacent first polycrystalline silicon layers 305c patterned in accordance with the resist 308 is selected. High-
次に、図123を参照して、レジスト308を除去した後、CVD法などを用いて、第1多結晶シリコン層305cを覆うように酸化膜309を形成する。そして、この酸化膜309をエッチバックすることによって、酸化膜309を第1多結晶シリコン層305cの間に埋込む。
Next, referring to FIG. 123, after removing resist 308,
次に、図124を参照して、CVD法などを用いて、上記の酸化膜309上および第1多結晶シリコン層305c上に、絶縁膜306を形成する。この絶縁膜306上に、CVD法などを用いて、所定膜厚の第2多結晶シリコン層307aを堆積する。その後、図125(a)を参照して、上記の第2多結晶シリコン層307a上にレジスト310を塗布し、このレジスト310を所定形状にパターニングする。この場合であれば、図125(b)を参照して、高濃度不純物領域302a〜302dと略直交する方向にレジスト310をパターニングする。このようにパターニングされたレジスト310をマスクとして用いてエッチングすることによって、図125(a)に示されるように、コントロールゲート307,フローティングゲート305a,305b,305および絶縁膜306を形成する。その後、レジスト310を除去する。以上の工程を経て、図120に示される不揮発性半導体記憶装置が完成する。
Next, referring to FIG. 124, an insulating
次に、図126を用いて、図120に示された上記の第17実施例の他の態様について説明する。図120に示される不揮発性半導体記憶装置においては、高濃度不純物領域302a〜302dのみが形成されていた。しかし、本実施例においては、書込動作に関与するn型の高濃度不純物領域302a〜302dを上記の第17実施例と同様の方法を用いて形成し、さらに、n型の低濃度不純物領域303を形成している。このように低濃度不純物領域303を設けることによって、不揮発性半導体記憶装置の動作特性を向上させることが可能となる。この低濃度不純物領域303の形成方法としては、砒素(As)などのn型の不純物を、従来例と同様の注入角度で半導体基板301の主表面にイオン注入することによって形成される。
Next, another aspect of the seventeenth embodiment shown in FIG. 120 will be described with reference to FIG. In the nonvolatile semiconductor memory device shown in FIG. 120, only high-
注入条件の一例としては、低濃度不純物領域303の形成には、注入量1011/cm2 以上の量の砒素(As)を注入する。それにより、形成される低濃度不純物領域303の濃度は、1016/cm3 以上の濃度を有するものとなる。また、このとき、高濃度不純物領域302a〜302dの形成に際しては、砒素(As)の注入量は、好ましくは、1015/cm2 以上である。それにより、高濃度不純物領域302a〜302dの濃度は、1020/cm3 以上のものとなる。
As an example of the implantation conditions, arsenic (As) in an amount of 10 11 /
次に、図127を参照して、本発明を要約する。図127は、本発明に従った不揮発性半導体記憶装置の必須の構成を示した模式図である。図127を参照して、半導体基板401の主表面には、間隔を隔てて不純物領域402a,402bが形成されている。この不純物領域402a,402bの間のチャネル領域409上には絶縁膜403が形成されている、この絶縁膜403上にはフローティングゲート404が形成されている。このフローティングゲート404が電子蓄積手段となる。フローティングゲート404上には絶縁膜405を介してワード線406が形成される。ワード線406上には層間絶縁膜407が形成され、この層間絶縁膜407上にはビット線408が形成される。ビット線408は、層間絶縁膜407に設けられたコンタクトホール410を介して不純物領域402aと電気的に接続されている。
The present invention will now be summarized with reference to FIG. FIG. 127 is a schematic diagram showing an essential configuration of the nonvolatile semiconductor memory device according to the present invention. Referring to FIG. 127,
以上の構成を有する不揮発性半導体記憶装置において、本発明に従った特徴的な動作が行なわれることになる。まず、本発明に従った不揮発性半導体記憶装置の特徴的な動作においては、初期状態は消去状態となる。すなわち、フローティングゲート404に電子が蓄積された状態が消去状態(初期状態)となる。フローティングゲート404に電子を蓄積する方法としては、まずビット線408をフローティング状態に保持し、半導体基板401にたとえば−10V程度の電圧を印加する。このとき、ワード線406に10V程度の電圧を印加する。それにより、チャネル領域409全面でのFN現象(チャネルFN)によって、フローティングゲート404内に電子を注入することが可能となる。このとき、消去状態のメモリトランジスタのしきい値電圧Vth(E)は、読出時にワード線406に印加される電圧VReadよりも高い値となっている。
In the nonvolatile semiconductor memory device having the above configuration, a characteristic operation according to the present invention is performed. First, in the characteristic operation of the nonvolatile semiconductor memory device according to the present invention, the initial state is the erased state. That is, the state in which electrons are accumulated in the floating
上記のようにまず消去状態とした後、所定のメモリトランジスタから電子を引き抜くことによって情報の書込が行なわれることになる。書込みの際には、ビット線408に5V程度の電圧を印加する。このとき、半導体基板401は接地電位に保たれる。そして、ワード線406に−10V程度の電圧を印加する。それにより、フローティングゲート404から電子が引き抜かれることになる。このとき、電子の引き抜きは、フローティングゲート404と不純物領域402aとの重なり部分でのFN現象によって行なわれることになる。その結果、書込後のメモリトランジスタのしきい値電圧Vth(p)は、読出時のワード線406に印加される電圧VReadよりも小さい値となる。
As described above, after the erase state is first set, information is written by extracting electrons from a predetermined memory transistor. At the time of writing, a voltage of about 5 V is applied to the
以上説明したように、本発明に従った不揮発性半導体記憶装置の動作においては、メモリトランジスタに電子を注入した状態が消去状態となっており、すべてのメモリトランジスタのうち所定のメモリトランジスタから電子を引き抜くことによって情報が書込まれることになる。なお、上記の各実施例においては、本発明を不揮発性半導体記憶装置に適用した場合について説明した。しかし、本発明は、不揮発性半導体記憶装置以外の半導体記憶装置にも適用可能である。 As described above, in the operation of the nonvolatile semiconductor memory device according to the present invention, the state in which electrons are injected into the memory transistor is the erased state, and electrons are emitted from a predetermined memory transistor among all the memory transistors. Information is written by pulling out. In each of the above embodiments, the case where the present invention is applied to a nonvolatile semiconductor memory device has been described. However, the present invention can also be applied to semiconductor memory devices other than nonvolatile semiconductor memory devices.
80 半導体基板
81 nウェル領域
82 pウェル領域
83a、b ソース/ドレイン領域
84a、b ソース領域
85a、b ドレイン領域
86 セレクトゲートトランジスタ
87a、b、c、d メモリトランジスタ
88 コントロールゲート
89 フローティングゲート
90 副ビット線
91a、b 分岐線
92 主ビット線
93 MOSトランジスタ
1001 P- 型半導体基板
1002 ドレイン
1003 ソース
1004 絶縁膜
1005 フローティングゲート
1006 コントロールゲート
1008 P- ウェル
1010,10a メモリアレイ
1020 アドレスバッファ
1030 Xデコーダ
1040 Yデコーダ
1050 Yゲート
1060 センスアンプ
1070 データ入出力バッファ
1080 書込回路
1090 Vpp/Vcc切換回路
100 ベリファイ電圧発生回路
1110 ソース制御回路
1120 制御信号バッファ
1130 制御回路
1140 負電圧制御回路
1210,1220 高電圧発生回路
1230,1240 負電圧発生回路
1250 ウェル電位発生回路
1260 セレクトゲートデコーダ
1270 ソースデコーダ
1281,1282 ソーススイッチ
BL1,BL2,BL3 ビット線
WL0,WL1,WL2,WL3 ワード線
M11,M12,M13,M21,M22,M23,M31,M32,M33
メモリセル
SL ソース線
SE1,SE2 セクタ
MB0,MB1 主ビット線
SB01,SB02,SB11,SB12 副ビット線
SL1,SL2 ソース線
SGL1,SGL2 セレクトゲート線
なお、各図中同一符号は同一または相当部分を示す。
80 Semiconductor substrate 81 n well region 82
Memory cell SL source line SE1, SE2 Sector MB0, MB1 Main bit line SB01, SB02, SB11, SB12 Sub bit line SL1, SL2 Source line SGL1, SGL2 Select gate line .
Claims (3)
前記ソースと前記ドレインの間に前記半導体基板の主表面上の第1の絶縁膜を介して形成されたフローティングゲートと、前記フローティングゲート上の第2の絶縁膜を介して形成されたコントロールゲートとを含むメモリセルと、
複数の前記メモリセルのソースおよびドレインを覆うように半導体基板の主表面に形成されたウエルとを備え、
前記複数のメモリセルのデータを消去する際、前記ウエルとフローティングゲート間で前記第1の絶縁膜を介して電子の移動を行い、
前記複数のメモリセルのうち選択されたメモリセルにデータを書込む際、前記ドレインとフローティングゲート間で前記第1の絶縁膜を介して電子の移動を行う不揮発性半導体記憶装置。 A source and a drain formed at a predetermined interval on the main surface of the semiconductor substrate;
A floating gate formed between the source and the drain via a first insulating film on the main surface of the semiconductor substrate; and a control gate formed via a second insulating film on the floating gate; A memory cell including:
A well formed on the main surface of the semiconductor substrate so as to cover the source and drain of the plurality of memory cells,
When erasing data of the plurality of memory cells, electrons are transferred between the well and the floating gate through the first insulating film,
A nonvolatile semiconductor memory device in which electrons are transferred between the drain and the floating gate through the first insulating film when data is written to a selected memory cell among the plurality of memory cells.
前記ソースと前記ドレインの間の前記半導体基板上に形成されたフローティングゲートと、
前記半導体基板と前記フローティングゲート間に形成され、前記半導体基板から前記フローティングゲートにFNトンネリングにより電子を注入させる絶縁膜と、
前記フローティングゲート上の絶縁膜を介して形成されたコントロールゲートとを含むメモリセルと、
前記コントロールゲートに接続されたワード線と、
前記ドレインに接続されたビット線とを備えた不揮発性半導体記憶装置。 A source formed at a predetermined interval on a main surface of a semiconductor substrate having a first conductivity type high concentration impurity region and the first conductivity type low concentration impurity region formed so as to cover the high concentration impurity region; Drain,
A floating gate formed on the semiconductor substrate between the source and the drain;
An insulating film formed between the semiconductor substrate and the floating gate and injecting electrons from the semiconductor substrate to the floating gate by FN tunneling;
A memory cell including a control gate formed through an insulating film on the floating gate;
A word line connected to the control gate;
A non-volatile semiconductor memory device comprising a bit line connected to the drain.
前記コントロールゲートに接続されたワード線と、
前記ドレインに第1導電型のMISトランジスタを介して接続されたビット線と、
前記メモリセルおよび前記MISトランジスタが配置された前記半導体基板の主表面に形成された前記第1導電型と異なる第2導電型のウエルと、
前記第2導電型のウエルを囲むように形成された第1導電型のウエルとを備える不揮発性半導体記憶装置。 A source and drain of a first conductivity type formed at a predetermined interval on the main surface of the semiconductor substrate, and a floating formed between the source and drain via a first insulating film on the main surface of the semiconductor substrate A memory cell including a gate and a control gate formed through a second insulating film on the floating gate;
A word line connected to the control gate;
A bit line connected to the drain via a MIS transistor of a first conductivity type;
A well of a second conductivity type different from the first conductivity type formed on the main surface of the semiconductor substrate on which the memory cell and the MIS transistor are disposed;
A non-volatile semiconductor memory device comprising: a first conductivity type well formed to surround the second conductivity type well.
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