JP2003158207A - Nonvolatile semiconductor memory device and method for operating the same - Google Patents
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Abstract
Description
【0001】[0001]
【発明の属する技術分野】本発明は、積層された誘電体
膜内の電荷蓄積手段に電荷を入出力させることをデータ
記憶動作の基本とする不揮発性半導体メモリ装置と、そ
の動作方法とに関する。BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a nonvolatile semiconductor memory device whose data storage operation is based on inputting and outputting charges to and from a charge storage means in a laminated dielectric film, and an operating method thereof.
【0002】[0002]
【従来の技術】フラッシュEEPROMなどの従来の不
揮発性メモリ装置は、動作時にゲート電極を制御して、
その下方のチャネルを制御する、いわゆるメモリトラン
ジスタを有している。ゲート電極は、チャネルが形成さ
れる半導体領域(以下、チャネル形成領域という)に対
し、複数の積層された誘電体膜を介在させて対峙する。
この積層された誘電体膜は電荷蓄積能力を持ち、その電
荷蓄積手段の種類に応じて、いわゆるフローティングゲ
ート(FG)型、MONOS(Metal−Oxide
−Nitride−Oxide−Semiconduc
tor)型、MNOS(Metal−Nitride−
Oxide−Semiconductor)型などに分
類される。2. Description of the Related Art A conventional non-volatile memory device such as a flash EEPROM controls a gate electrode during operation,
It has a so-called memory transistor that controls the channel below it. The gate electrode faces a semiconductor region in which a channel is formed (hereinafter referred to as a channel formation region) with a plurality of stacked dielectric films interposed.
This laminated dielectric film has a charge storage capability, and is a so-called floating gate (FG) type, MONOS (Metal-Oxide) depending on the type of the charge storage means.
-Nitride-Oxide-Semiconduc
type), MNOS (Metal-Nitride-)
Oxide-Semiconductor) type etc.
【0003】一般に、電荷蓄積手段に基板側から電荷を
注入して書き込みを行う。読み出し時には、適当なバイ
アス条件下でトランジスタ動作させることによって、そ
の蓄積電荷の有無または電荷量に応じたメモリトランジ
スタの閾値電圧の差を、例えばドレイン不純物領域の電
位変化に変換する。ドレイン不純物領域の電位変化は、
外部に出力可能な大きさの電圧まで増幅して読み出され
る。Generally, writing is performed by injecting charges from the substrate side into the charge storage means. At the time of reading, by operating the transistor under an appropriate bias condition, the difference in the threshold voltage of the memory transistor depending on the presence or absence of the accumulated charges or the amount of the charges is converted into, for example, the potential change of the drain impurity region. The potential change of the drain impurity region is
The voltage is amplified and read out to a voltage that can be output to the outside.
【0004】[0004]
【発明が解決しようとする課題】ところが、この不揮発
性メモリ装置では、少なくとも読み出し時にはチャネル
を形成する必要があり、チャネル形成領域のほかに、チ
ャネルにキャリアを供給するソース不純物領域、チャネ
ルからキャリアを吸い出すドレイン不純物領域が必要で
あった。ソース不純物領域およびドレイン不純物領域
は、チャネル形成領域に対し逆の導電型を有し、通常、
チャネル形成領域を挟んで一方にソース不純物領域、他
方にドレイン不純物領域が配置される。このような不揮
発性半導体メモリ装置では、読み出しを行うためソース
不純物領域とドレイン不純物領域の双方が必要であり、
このため特にチャネル方向の寸法短縮に限界があった。However, in this non-volatile memory device, it is necessary to form a channel at least at the time of reading, and in addition to the channel forming region, a source impurity region for supplying carriers to the channel and carriers from the channel are formed. A drain impurity region to suck out was required. The source impurity region and the drain impurity region have opposite conductivity types to the channel formation region,
A source impurity region is arranged on one side and a drain impurity region is arranged on the other side across the channel formation region. In such a non-volatile semiconductor memory device, both a source impurity region and a drain impurity region are required for reading,
Therefore, there is a limit to the reduction of the dimension in the channel direction.
【0005】また、記憶密度の向上のために実効チャネ
ル長を短縮すると、ソースとドレイン間の耐圧低下など
を含む、いわゆる微細形状効果が顕著となって素子特性
が低下する。したがって、メモリトランジスタを有する
従来の不揮発性半導体メモリ装置は、その構造そのもの
が微細化の進展に適合していない。Further, if the effective channel length is shortened to improve the memory density, so-called fine shape effect including reduction in breakdown voltage between the source and drain becomes conspicuous and the device characteristics deteriorate. Therefore, the structure of the conventional nonvolatile semiconductor memory device having the memory transistor is not suitable for the progress of miniaturization.
【0006】本発明の目的は、チャネルを形成するトラ
ンジスタ動作をさせなくてもデータの書き込み,消去お
よび読み出しの全ての動作が可能で、そのためセル面積
縮小に有利で、しかも微細化しても特性が低下しにくい
新規な構造を有した不揮発性半導体メモリ装置と、その
動作方法を提供することにある。An object of the present invention is that all operations of data writing, erasing and reading can be performed without operating a transistor for forming a channel, which is advantageous for reducing a cell area, and even if it is miniaturized, the characteristics are reduced. A non-volatile semiconductor memory device having a novel structure that does not easily deteriorate, and an operating method thereof.
【0007】[0007]
【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、本発明の第1の観点に係る不揮発性半導体メモリ装
置は、第1導電型半導体と第2導電型半導体との接触に
より形成されたpn接合ダイオードと、pn接合ダイオ
ードのカソード側の第2導電型半導体を一方電極とし、
当該一方電極に対し、複数の誘電体膜からなり内部に電
荷蓄積手段を含むキャパシタ誘電体膜を介して他方電極
が対向したキャパシタとをそれぞれ1つずつ含むメモリ
セルを有している。In order to achieve the above object, a non-volatile semiconductor memory device according to a first aspect of the present invention is formed by contacting a first conductivity type semiconductor and a second conductivity type semiconductor. And a second conductivity type semiconductor on the cathode side of the pn junction diode as one electrode,
There is provided a memory cell including one capacitor each of which is opposed to the other electrode via a capacitor dielectric film including a plurality of dielectric films and including a charge storage unit inside.
【0008】この不揮発性半導体メモリ装置では、例え
ば第1導電型半導体の表面領域の一部に第2導電型半導
体を形成し、その第2導電型半導体に対し、電荷蓄積能
力を有したキャパシタ誘電体膜を介在させてキャパシタ
の他方電極が一部重なる構造とすることができる。この
構造は、専有面積が比較的に小さくて済む。In this non-volatile semiconductor memory device, for example, a second conductivity type semiconductor is formed in a part of the surface region of the first conductivity type semiconductor, and a capacitor dielectric having a charge storage capability with respect to the second conductivity type semiconductor. The body electrode may be interposed so that the other electrode of the capacitor partially overlaps. This structure requires a relatively small footprint.
【0009】本発明の第2の観点に係る不揮発性半導体
メモリ装置の動作方法は、第1導電型半導体と第2導電
型半導体との接触により形成されたpn接合ダイオード
と、pn接合ダイオードのカソード側の第2導電型半導
体を一方電極とし、当該一方電極に対し、複数の誘電体
膜からなり内部に電荷蓄積手段を含むキャパシタ誘電体
膜を介して他方電極が対向したキャパシタとを有した不
揮発性半導体メモリ装置の動作方法であって、書き込み
または消去時に、上記キャパシタ誘電体膜内に電荷が注
入され、または抜き取られる極性と値の電圧を、上記一
方電極と上記他方電極との間に印加し、データ読み出し
時に、上記他方電極に所定の電圧を印加して、上記蓄積
電荷に応じてpn接合ダイオードを流れる電流または当
該電流に起因した電位変化を検出する。A method of operating a nonvolatile semiconductor memory device according to a second aspect of the present invention is a pn junction diode formed by contact between a first conductivity type semiconductor and a second conductivity type semiconductor, and a cathode of the pn junction diode. A second non-volatile capacitor having a second conductive type semiconductor on one side as one electrode, and a capacitor in which the other electrode is opposed to the one electrode via a capacitor dielectric film including a plurality of dielectric films and including charge storage means inside A method of operating a non-volatile semiconductor memory device, wherein a voltage having a polarity and a value that charges are injected into or extracted from the capacitor dielectric film during writing or erasing is applied between the one electrode and the other electrode. Then, at the time of data reading, a predetermined voltage is applied to the other electrode to cause a current flowing through the pn junction diode or the current due to the accumulated charge. To detect the position change.
【0010】この不揮発性半導体メモリ装置の動作方法
では、書き込みまたは消去時に、上記した電圧の印加に
よって、記憶データに応じてキャパシタ誘電体膜内の蓄
積電荷量が変化する。キャパシタは、その蓄積電荷量が
異なると結合容量が異なる。読み出し時には、キャパシ
タの他方電極に所定の電圧を印加すると、キャパシタの
結合容量の違いに応じて、pn接合ダイオードのカソー
ド側の第2導電型半導体の電位も異なってくる。このカ
ソード側の第2導電型半導体の電位がpn接合の降伏が
起こる臨界点を挟んで変化するように、pn接合ダイオ
ードをバイアスさせる。この読み出し時の電圧印加によ
り、結局、記憶データの論理に応じて、当該pn接合の
降伏が起きたり起きなかったりする。このときの第1導
電型半導体または第2導電型半導体の電流の有無を検出
するか、このときの第1導電型半導体または第2導電型
半導体の電位変化の有無を検出する。In this method of operating a non-volatile semiconductor memory device, the amount of charge stored in the capacitor dielectric film changes in accordance with the stored data by applying the above voltage during writing or erasing. Capacitors have different coupling capacities when the amount of stored charge is different. At the time of reading, when a predetermined voltage is applied to the other electrode of the capacitor, the potential of the second conductivity type semiconductor on the cathode side of the pn junction diode also changes according to the difference in the coupling capacitance of the capacitor. The pn junction diode is biased so that the potential of the second conductivity type semiconductor on the cathode side changes across a critical point where breakdown of the pn junction occurs. Due to the voltage application at the time of reading, breakdown of the pn junction may or may not occur depending on the logic of the stored data. The presence or absence of a current in the first conductivity type semiconductor or the second conductivity type semiconductor at this time is detected, or the presence or absence of a potential change in the first conductivity type semiconductor or the second conductivity type semiconductor at this time is detected.
【0011】本発明の第3の観点に係る不揮発性半導体
メモリ装置の動作方法は、第1導電型半導体と、第1導
電型半導体の表面領域に形成された第2導電型半導体領
域と、少なくとも第1導電型半導体と第2導電型半導体
領域の境界を含む半導体表面に接した複数の誘電体膜か
らなり、内部に電荷蓄積手段を含む電荷蓄積可能な誘電
体膜と、電荷蓄積可能な誘電体膜を介在させて上記半導
体表面に対峙した制御電極とを有した不揮発性半導体メ
モリ装置の動作方法であって、読み出し時に、上記第2
導電型半導体をバイアスした状態で上記制御電極に所定
の電圧を印加して、上記第1導電型半導体と第2導電型
半導体との接触により形成されたpn接合ダイオードに
上記電荷蓄積可能な誘電体膜内の蓄積電荷に応じて電流
を流し、当該電流または当該電流に起因した電位変化を
検出する。A method of operating a non-volatile semiconductor memory device according to a third aspect of the present invention includes at least a first conductivity type semiconductor and a second conductivity type semiconductor region formed in a surface region of the first conductivity type semiconductor. A dielectric film that is composed of a plurality of dielectric films in contact with a semiconductor surface including a boundary between a first conductivity type semiconductor region and a second conductivity type semiconductor region, and includes charge storage means inside, and a dielectric film capable of storing charges. A method of operating a non-volatile semiconductor memory device having a control electrode facing a surface of the semiconductor with a body film interposed therebetween, comprising:
A dielectric capable of accumulating charges in a pn junction diode formed by contacting the first conductivity type semiconductor and the second conductivity type semiconductor by applying a predetermined voltage to the control electrode while biasing the conductivity type semiconductor. An electric current is caused to flow according to the accumulated charges in the film, and the electric current or a potential change caused by the electric current is detected.
【0012】この動作方法(読み出し方法)は、第1の
観点に係る1キャパシタ−1ダイオード型セルの不揮発
性半導体メモリ装置に限らず、メモリトランジスタを有
する不揮発性半導体メモリ装置にも適用できる。この場
合、例えば、ソースとドレインの片側をフローティング
状態として、他方側だけで読み出しを行うとよい。This operating method (reading method) is applicable not only to the 1-capacitor-1 diode type non-volatile semiconductor memory device according to the first aspect but also to a non-volatile semiconductor memory device having a memory transistor. In this case, for example, one side of the source and the drain may be in a floating state, and reading may be performed only on the other side.
【0013】[0013]
【発明の実施の形態】第1実施形態
図1(A)は、本発明の実施形態に係る基本セル構造を
示す断面図、図1(B)は、その等価回路図である。図
1(A)に示すように、第1導電型、例えばp型のウェ
ルWの表面領域に、第2導電型、例えばn型の不純物領
域IRが形成されている。pウェルW上には、少なくと
もn型不純物領域IRとの境界領域を含む部分に重ね
て、キャパシタ誘電体膜CDと、キャパシタの上部電極
CEとの積層体が形成されている。このような構造で
は、図1(B)に示す等価回路上で、n型不純物領域I
Rを一方電極とし、上部電極CEを他方電極とし、その
間の誘電体膜CDをキャパシタ誘電体膜とするキャパシ
タCAPと、n型不純物領域IRとpウェルW間の接合
により形成されるダイオードDIとが直列接続されてい
る。また、キャパシタの上部電極CE、ダイオードDI
のアノード(pウェルW)とカソード(n型不純物領域
IR)は、それぞれ個別に電圧を印加可能に構成されて
いる。BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION First Embodiment FIG. 1 (A) is a sectional view showing a basic cell structure according to an embodiment of the present invention, and FIG. 1 (B) is an equivalent circuit diagram thereof. As shown in FIG. 1A, a second-conductivity-type, for example, n-type impurity region IR is formed in a surface region of a well W of the first-conductivity type, for example, p-type. On the p well W, a laminated body of the capacitor dielectric film CD and the upper electrode CE of the capacitor is formed so as to overlap at least a portion including the boundary region with the n-type impurity region IR. In such a structure, in the equivalent circuit shown in FIG.
A capacitor CAP having R as one electrode, an upper electrode CE as the other electrode, and a dielectric film CD between them as a capacitor dielectric film, and a diode DI formed by a junction between the n-type impurity region IR and the p well W. Are connected in series. In addition, the upper electrode CE of the capacitor, the diode DI
The anode (p well W) and the cathode (n-type impurity region IR) are configured to be able to individually apply voltage.
【0014】キャパシタ誘電体膜CDは、内部に電荷蓄
積手段を含む複数の誘電体膜から構成されていればよ
く、ここでは、いわゆるONO膜型の積層膜から構成さ
れている。具体的に、下層側から順に、ボトム誘電体膜
BTM、電荷蓄積膜CHS、トップ誘電体膜TOPか
ら、キャパシタ誘電体膜CDが構成されている。ボトム
誘電体膜BTMは、例えば二酸化硅素、酸化窒化硅素な
ど電荷トラップ密度が相対的に低い誘電体から構成さ
れ、電荷蓄積膜CHSに対する第1の電位障壁層として
機能する。電荷蓄積膜CHSは、例えば窒化硅素、酸化
窒化珪素など電荷トラップ密度がボトム誘電体膜BTM
より十分高い誘電体から構成されている。トップ誘電体
膜TOPは、例えば二酸化硅素、酸化窒化硅素など電荷
トラップ密度が電荷蓄積膜CHSより十分に低い誘電体
から構成され、電荷蓄積膜CHSに対する第2の電位障
壁層として機能する。The capacitor dielectric film CD may be composed of a plurality of dielectric films including charge storage means inside, and here it is composed of a so-called ONO film type laminated film. Specifically, the capacitor dielectric film CD is composed of the bottom dielectric film BTM, the charge storage film CHS, and the top dielectric film TOP in this order from the lower layer side. The bottom dielectric film BTM is made of a dielectric material having a relatively low charge trap density such as silicon dioxide or silicon oxynitride, and functions as a first potential barrier layer for the charge storage film CHS. The charge storage film CHS is made of, for example, silicon nitride or silicon oxynitride and has a charge trap density of bottom dielectric film BTM.
It is composed of a much higher dielectric. The top dielectric film TOP is made of a dielectric material having a charge trap density sufficiently lower than that of the charge storage film CHS, such as silicon dioxide or silicon oxynitride, and functions as a second potential barrier layer for the charge storage film CHS.
【0015】キャパシタ誘電体膜CDは、例えば、窒化
硅素と二酸化硅素を積層させたようなNO型の積層膜と
してもよい。この場合、電荷蓄積手段は、ONO型と同
様、窒化硅素中、あるいは窒化珪素と二酸化硅素との境
界領域に形成された電荷トラップとなる。あるいは、ボ
トム誘電体膜BTMとトップ誘電体膜TOPとの間に、
例えばドープド多結晶硅素などからなり電気的にフロー
ティング状態となる導電体を形成してもよい。この場
合、導電体が電荷蓄積手段となる。あるいは、ボトム誘
電体膜BTM上に、多結晶硅素またはシリコンゲルマニ
ウム等の導電性微粒子を離散化させて多数配置し、それ
を誘電体膜で覆った構成でもよい。この場合、導電性微
粒子が電荷蓄積手段となる。The capacitor dielectric film CD may be, for example, an NO type laminated film in which silicon nitride and silicon dioxide are laminated. In this case, the charge storage means serves as a charge trap formed in silicon nitride or in the boundary region between silicon nitride and silicon dioxide as in the ONO type. Alternatively, between the bottom dielectric film BTM and the top dielectric film TOP,
For example, a conductor made of doped polycrystalline silicon or the like that is in an electrically floating state may be formed. In this case, the conductor serves as the charge storage means. Alternatively, a configuration may be adopted in which a large number of conductive fine particles such as polycrystalline silicon or silicon germanium are discretely arranged on the bottom dielectric film BTM, and the conductive fine particles are covered with the dielectric film. In this case, the conductive fine particles serve as charge storage means.
【0016】図1(C−1)と図1(C−2)は、書き
込みまたは消去時に用いられる局所的な電荷注入動作の
説明図である。図1(C−1)に示す電荷注入では、n
型不純物領域IRに0Vまたは負電圧(−Vke)を印
加し、キャパシタ電極CEに正電圧(+Vpe)を印加
する。この電界により、n型不純物領域IRから電子が
ボトム誘電体膜BTMをFNトンネリング(またはダイ
レクトトンネリング)して、キャパシタ誘電体膜CD内
の電荷トラップに注入される。このときn型不純物領域
IRとキャパシタ電極CEとの重なりぐあいに応じて、
電子の注入領域が決まる。FIGS. 1C-1 and 1C-2 are explanatory views of the local charge injection operation used at the time of writing or erasing. In the charge injection shown in FIG. 1C-1, n
0V or a negative voltage (-Vke) is applied to the type impurity region IR, and a positive voltage (+ Vpe) is applied to the capacitor electrode CE. Due to this electric field, electrons are injected from the n-type impurity region IR into the charge trap in the capacitor dielectric film CD by FN tunneling (or direct tunneling) the bottom dielectric film BTM. At this time, depending on the overlap between the n-type impurity region IR and the capacitor electrode CE,
The electron injection region is determined.
【0017】図1(C−2)に示す電荷注入動作では、
n型不純物領域IRに対してキャパシタ電極CEが負極
性となる電圧を印加する。ここでは、n型不純物領域I
Rに正電圧(+Vkh)を印加し、キャパシタ電極CE
に負電圧(−Vph)を印加する。この電界により、n
型不純物領域IRの表面が深い空乏状態となり、エネル
ギーバンドの曲がりが急峻となる。このときのバンド−
バンド間トンネル効果により電子が価電子帯にトンネル
し、n型不純物領域IR内部に流れ、その結果、ホール
が発生する。発生したホールは、pウェルW側に若干ド
リフトして、そこで電界加速され、その一部がホットホ
ールとなる。ホットホールは運動量を維持しながら殆ど
エネルギーを失うことなく効率よく、しかも高速にキャ
パシタ誘電体膜CD内の電荷トラップに注入される。In the charge injection operation shown in FIG. 1C-2,
A voltage with which the capacitor electrode CE has a negative polarity is applied to the n-type impurity region IR. Here, the n-type impurity region I
A positive voltage (+ Vkh) is applied to R, and the capacitor electrode CE
A negative voltage (-Vph) is applied to. This electric field causes n
The surface of the type impurity region IR becomes deeply depleted, and the energy band bends sharply. Band at this time-
Electrons tunnel to the valence band due to the band-to-band tunnel effect and flow inside the n-type impurity region IR, resulting in the generation of holes. The generated holes slightly drift toward the p-well W side, and the electric field is accelerated there, and a part of the holes become hot holes. The hot holes are efficiently injected into the charge traps in the capacitor dielectric film CD while maintaining the momentum and losing almost no energy, and at high speed.
【0018】電荷の引き抜き動作は、特に図示しない
が、図(C−1)の場合と反対の電界を発生させて、蓄
積電子をFNトンネリング(またはダイレクトトンネリ
ング)によりn型不純物領域IRから引き抜く。あるい
は、n型不純物領域IRとpウェルWを同電位として全
面で引き抜く。さらに、キャパシタ電極CE側に引き抜
いてもよい。Although not shown in the drawing, the electric charge is extracted from the n-type impurity region IR by FN tunneling (or direct tunneling) by generating an electric field opposite to that shown in FIG. Alternatively, the n-type impurity region IR and the p-well W are set to the same potential and are pulled out over the entire surface. Further, it may be pulled out to the capacitor electrode CE side.
【0019】書き込みと消去に関し、これらの電荷注入
方式と電荷引き抜き動作の組合せは種々ある。例えば、
図1(C−1)のFN電子注入後の状態(電荷量Q<
0)を“1”データ記憶、図1(C−2)のBTBH注
入後の状態(電荷量Q>0)を“0”データ記憶として
書き込みを行う。この場合、消去では、例えば“1”デ
ータ記憶の場合のみ、BTBH注入を行って“0”デー
タ記憶状態に移行させたり、“0”データ記憶の場合の
み、FN電子注入を行って“1”データ記憶状態に移行
させることで、データ記憶状態を一方に揃える。また、
電荷量Qが正または負の場合と電荷量Q=0の場合とを
2値データに対応させた書き込みでもよい。この場合、
消去では、電荷の引き抜き動作を行ったり、逆極性電荷
の注入を行って電荷量Qをゼロに戻す動作を行う。Regarding writing and erasing, there are various combinations of these charge injection methods and charge extraction operations. For example,
The state after FN electron injection in FIG. 1C-1 (charge amount Q <
0) is stored as "1" data storage, and the state after BTBH injection in FIG. 1C-2 (charge amount Q> 0) is stored as "0" data storage. In this case, in erasing, for example, only when "1" data is stored, BTBH injection is performed to shift to a "0" data storage state, or only when "0" data storage is performed, FN electron injection is performed and "1" is stored. By shifting to the data storage state, the data storage state is aligned to one side. Also,
Writing may be performed by associating the case where the charge amount Q is positive or negative and the case where the charge amount Q = 0 with binary data. in this case,
In erasing, an operation of pulling out an electric charge or an operation of injecting an electric charge of opposite polarity to return the electric charge amount Q to zero is performed.
【0020】図1(D−1)および図1(D−2)は、
読み出し動作の説明図である。図2は、一般的なMOS
トランジスタの電圧−電流特性図である。図3は、本実
施形態に係るダイオードの読み出し原理を示す電圧−電
流特性図である。1 (D-1) and 1 (D-2),
It is explanatory drawing of a read-out operation. Figure 2 shows a typical MOS
It is a voltage-current characteristic view of a transistor. FIG. 3 is a voltage-current characteristic diagram showing the reading principle of the diode according to the present embodiment.
【0021】図2に示すように、エンハンスメント型の
メモリトランジスタでは、ゲート電圧Vgが正の領域で
ドレイン電流Idが流れ始める閾値Vthが、記憶デー
タの論理に応じて変化する。このため、その変化が検出
できるように読み出しゲート電圧を設定し、記憶データ
に応じてメモリトランジスタがオンまたはオフすること
で読み出しを行っている。As shown in FIG. 2, in the enhancement type memory transistor, the threshold value Vth at which the drain current Id starts to flow in the region where the gate voltage Vg is positive varies depending on the logic of the stored data. Therefore, the read gate voltage is set so that the change can be detected, and the memory transistor is turned on or off according to the stored data to perform the read.
【0022】これに対し、本実施形態では、pn接合を
逆バイアスしたときにサーフェスブレークダウンによる
降伏電流が流れ始める領域(降伏電圧:VB)を読み出
しに利用する。サーフェスブレークダウンによる降伏現
象は、良く知られているように、ツェナー降伏、アバラ
ンシェ降伏など種々存在する。本実施形態では、キャパ
シタの蓄積電荷量Qに応じて、そのn型不純物領域IR
に対する結合容量が変化する。このため、蓄積電荷量Q
が負(または小さい)記憶データ“1”の場合の降伏電
圧VB1が、蓄積電荷量Qが正(または大きい)記憶デ
ータ“0”の場合の降伏電圧VB0より大きくなる。読
み出しでは、この降伏電圧差を利用する。On the other hand, in this embodiment, a region (breakdown voltage: VB) where a breakdown current starts to flow due to surface breakdown when the pn junction is reverse biased is used for reading. As is well known, there are various breakdown phenomena due to surface breakdown, such as Zener breakdown and avalanche breakdown. In this embodiment, the n-type impurity region IR of the capacitor is changed according to the accumulated charge amount Q of the capacitor.
The coupling capacity for changes. Therefore, the accumulated charge amount Q
The breakdown voltage VB1 when the stored data is "1" (negative) is larger than the breakdown voltage VB0 when the stored data "Q" is positive (or large) stored data "0". In reading, this breakdown voltage difference is used.
【0023】具体的には、図1(D−1),(D−2)
に示すように、n型不純物領域IRに電圧Vkrを印加
してフローティング状態で保持し、n型不純物領域IR
の電位が2つの降伏電圧VB1,VB0の間になるよう
な電圧Vrをキャパシタ電極CEに印加する。このと
き、“1”データ記憶の場合に、キャパシタ直下のn型
不純物領域IR表面の空乏層の拡がりが抑えられ、当該
空乏層に大きな電界がかかり、図3に示すようにダイオ
ードの逆方向電流(破壊電流)Idiが流れる。“0”
データ記憶の場合は、キャパシタの結合容量が小さいた
め、n型不純物領域IR表面の空乏層電界は小さく、ダ
イオードの逆方向電流Idiは流れない。このn型不純
物領域IRからpウェルWに流れる電流Idiを、n型
不純物領域側またはpウェル側で検出するか、この電流
に起因したn型不純物領域またはpウェルの電位変化を
検出する。これにより、記憶データの読み出しが可能と
なる。Specifically, FIG. 1 (D-1), (D-2)
As shown in, the voltage Vkr is applied to the n-type impurity region IR to hold it in the floating state.
A voltage Vr is applied to the capacitor electrode CE such that the potential of the voltage Vd is between the two breakdown voltages VB1 and VB0. At this time, in the case of "1" data storage, the expansion of the depletion layer on the surface of the n-type impurity region IR immediately below the capacitor is suppressed, a large electric field is applied to the depletion layer, and the reverse current of the diode is reversed as shown in FIG. (Breakdown current) Idi flows. "0"
In the case of data storage, since the coupling capacitance of the capacitor is small, the depletion layer electric field on the surface of the n-type impurity region IR is small, and the reverse current Idi of the diode does not flow. The current Idi flowing from the n-type impurity region IR to the p-well W is detected on the n-type impurity region side or the p-well side, or the potential change of the n-type impurity region or the p-well caused by this current is detected. Thereby, the stored data can be read.
【0024】このキャパシタとダイオードから構成され
る記憶素子は、ダイオードを構成する2つの逆導電型半
導体領域IR,Wの境界付近にキャパシタ電極CEが重
なる必要がある。この要件を満たす限り、図1(A)の
断面方向の素子寸法がプロセス最小限界Fの1倍より大
きく2倍より小さい範囲で当該記憶素子を形成できる。
このため、メモリトランジスタ型記憶素子より専有面積
が大幅に削減することができる。また、トランジスタ動
作させないため、微細形状効果による素子特性の低下が
なく、より微細化しても有効に動作可能である。In the storage element composed of the capacitor and the diode, the capacitor electrode CE needs to overlap in the vicinity of the boundary between the two opposite conductivity type semiconductor regions IR and W forming the diode. As long as this requirement is satisfied, the memory element can be formed in a range in which the element size in the cross-sectional direction of FIG.
Therefore, the occupied area can be significantly reduced as compared with the memory transistor type storage element. Further, since the transistor is not operated, the element characteristics are not deteriorated due to the effect of the fine shape, and the device can be effectively operated even if it is further miniaturized.
【0025】図4は、記憶素子を多数配置したメモリセ
ルアレイの等価回路図である。キャパシタCAPとダイ
オードDIとからなるメモリセルM11〜M44が行列
状に配置されている。列方向のメモリセルのn型不純物
領域IRが、ビット線BL1,BL2,BL3,BL
4,…の何れかに電気的に接続されている。ビット線
は、n型不純物領域IRそのものから構成してもよい
し、セルごとに、あるいは所定数(例えば64個)おき
にn型不純物領域IRを接続する上層配線からビット線
を構成してもよい。行方向のメモリセルのキャパシタの
上部電極CEが、ワード線WL1,WL2,WL3,W
L4,…の何れかに電気的に接続されている。ワード線
は、キャパシタの上部電極CEそのものから構成しても
よいし、セルごとに、あるいは複数のセル間で共通され
たキャパシタの上部電極を接続する上層配線からワード
線を構成してもよい。FIG. 4 is an equivalent circuit diagram of a memory cell array in which a large number of storage elements are arranged. Memory cells M11 to M44 each including a capacitor CAP and a diode DI are arranged in a matrix. The n-type impurity regions IR of the memory cells in the column direction are bit lines BL1, BL2, BL3, BL
It is electrically connected to any one of 4, .... The bit line may be composed of the n-type impurity region IR itself, or may be composed of an upper layer wiring connecting the n-type impurity regions IR for each cell or for every predetermined number (for example, 64). Good. The upper electrodes CE of the capacitors of the memory cells in the row direction correspond to the word lines WL1, WL2, WL3, W
It is electrically connected to any one of L4, .... The word line may be composed of the upper electrode CE itself of the capacitor, or may be composed of an upper layer wiring for connecting the upper electrode of the capacitor common to each cell or between a plurality of cells.
【0026】以下、第2〜第5実施形態では、図4の等
価回路を実現する記憶素子構造および素子パターンにつ
いて記述する。In the following, in the second to fifth embodiments, the memory element structure and element pattern for realizing the equivalent circuit of FIG. 4 will be described.
【0027】第2実施形態
図5は、第2実施形態に係るメモリセルアレイの平面図
である。また、図6は、図5のA−A線における断面図
である。 Second Embodiment FIG. 5 is a plan view of a memory cell array according to the second embodiment. 6 is a sectional view taken along the line AA of FIG.
【0028】このメモリセルアレイでは、図5に示すよ
うに、列方向に長い平行ストライプ状のパターンにて誘
電体分離層ISOが形成され、これにより半導体基板S
UBに形成されたpウェルWが列ごとの単位に電気的に
分離されている。行方向に長い平行ストライプ状のワー
ド線WL1〜WL4が、誘電体分離層ISOに直交して
配置されている。各ワード線は、例えばドープド多結晶
硅素からなり、キャパシタ誘電体膜CDを介在させて、
分離後の各pウェルWに対峙する。このワード線が、第
1実施形態で示したキャパシタの上部電極CEに該当す
る。In this memory cell array, as shown in FIG. 5, the dielectric isolation layer ISO is formed in a parallel stripe pattern elongated in the column direction, whereby the semiconductor substrate S is formed.
The p wells W formed in the UB are electrically separated in units of columns. The parallel striped word lines WL1 to WL4 that are long in the row direction are arranged orthogonal to the dielectric isolation layer ISO. Each word line is made of, for example, doped polycrystalline silicon, with a capacitor dielectric film CD interposed,
Face each p-well W after separation. This word line corresponds to the upper electrode CE of the capacitor shown in the first embodiment.
【0029】各pウェルWのワード線間領域には、n型
不純物領域IRが形成されている。n型不純物領域のn
型不純物はワード線の縁下方に拡散し、この部分でワー
ド線とn型不純物領域IRが重なり、これによりキャパ
シタが形成されている。列方向で2つごとのn型不純物
領域IRa上には、導電材料からなるプラグが配置さ
れ、これによりビットコンタクトBCが形成されてい
る。ビットコンタクトBCは、層間絶縁膜IF内に埋め
込まれ、層間絶縁膜IF上のビット線に接続されてい
る。ビット線は、誘電体分離層ISO間の領域の上方
に、列方向に長い平行ストライプ状に配置されている。
このビット線に電気的に接続され素子動作時に活性とな
るn型不純物領域IRaとワード線との重なり部分のキ
ャパシタが、記憶素子に寄与するキャパシタCAPとな
る。図5では、この重なり部分を、メモリ部と記述して
いる。なお、他の重なり部分を構成するn型不純物領域
IRfは、ビット線に接続されておらず常時フローティ
ング状態となるため素子動作に寄与しない。また、n型
不純物領域IRaとpウェルWにより、ダイオードDI
が形成されている。An n-type impurity region IR is formed in the inter-word line region of each p well W. n of the n-type impurity region
The type impurities diffuse below the edge of the word line, and the word line and the n-type impurity region IR overlap each other at this portion, thereby forming a capacitor. A plug made of a conductive material is arranged on every two n-type impurity regions IRa in the column direction, whereby a bit contact BC is formed. The bit contact BC is embedded in the interlayer insulating film IF and connected to the bit line on the interlayer insulating film IF. The bit lines are arranged in parallel stripes that are long in the column direction above the region between the dielectric isolation layers ISO.
The capacitor in the overlapping portion of the word line and the n-type impurity region IRa that is electrically connected to the bit line and is active during device operation becomes the capacitor CAP that contributes to the memory element. In FIG. 5, this overlapping part is described as a memory part. The n-type impurity region IRf forming the other overlapping portion is not connected to the bit line and is always in a floating state and therefore does not contribute to the element operation. In addition, the diode DI is formed by the n-type impurity region IRa and the p well W.
Are formed.
【0030】このメモリセルアレイを形成するには、半
導体基板SUBにpウェルWを形成し、例えばLOCO
S(LOCcal Oxidation of Sil
icon)やSTI(Shallow Trench
Isolation)により誘電体分離層ISOを形成
する。To form this memory cell array, a p-well W is formed on the semiconductor substrate SUB and, for example, LOCO is formed.
S (LOCcal Oxidation of Sil
icon) and STI (Shallow Trench)
Isolation) to form the dielectric isolation layer ISO.
【0031】全面にキャパシタ誘電体膜CDを形成す
る。具体的にMONOS型の場合、例えば、短時間高温
熱処理(RTO)によりウェル表面を熱処理し、二酸化
硅素(ボトム誘電体膜BTM)を形成する。ボトム誘電
体膜BTM上に、低圧力の有機化学的気相堆積(LP−
CVD)により窒化硅素膜(電荷蓄積膜CHS)を最終
膜厚より厚めに堆積する。このCVDでは、例えばジク
ロルシラン(DCS)とアンモニアNH3を混合したガ
スを用いる。その後、この窒化硅素膜表面を熱酸化し
て、所望厚の酸化硅素膜(トップ誘電体膜TOP)を形
成する。この熱酸化は、例えば水蒸気雰囲気中で行い、
その間に下地の電荷蓄積膜CHSが膜減りして所望厚と
なる。これにより、トラップレベル(窒化硅素膜の伝導
帯からのエネルギー差)が深い電荷トラップが電荷蓄積
膜CHSとトップ誘電体膜TOPとの界面を中心に高密
度で形成される。電荷蓄積手段としての電荷トラップと
しては、この深い電荷トラップと、窒化硅素膜中の電荷
トラップの双方が寄与する。A capacitor dielectric film CD is formed on the entire surface. Specifically, in the case of the MONOS type, for example, the well surface is heat-treated by high-temperature heat treatment (RTO) for a short time to form silicon dioxide (bottom dielectric film BTM). Low pressure organic chemical vapor deposition (LP-) on the bottom dielectric film BTM.
By CVD, a silicon nitride film (charge storage film CHS) is deposited thicker than the final film thickness. In this CVD, for example, a gas in which dichlorosilane (DCS) and ammonia NH 3 are mixed is used. After that, the surface of the silicon nitride film is thermally oxidized to form a silicon oxide film (top dielectric film TOP) having a desired thickness. This thermal oxidation is performed, for example, in a steam atmosphere,
In the meantime, the underlying charge storage film CHS is reduced to a desired thickness. As a result, charge traps having a deep trap level (energy difference from the conduction band of the silicon nitride film) are formed with high density centering on the interface between the charge storage film CHS and the top dielectric film TOP. Both the deep charge trap and the charge trap in the silicon nitride film contribute as a charge trap as a charge storage means.
【0032】キャパシタ誘電体膜CD上に、ワード線と
なるドープド多結晶硅素をCVDにより堆積する。この
ドープド多結晶硅素膜とキャパシタ誘電体膜CDを連続
してパターンニングすることにより、図7(A)のワー
ド線パターンを有した積層体が形成される。On the capacitor dielectric film CD, a doped polycrystalline silicon which becomes a word line is deposited by CVD. By continuously patterning the doped polycrystalline silicon film and the capacitor dielectric film CD, a laminated body having the word line pattern of FIG. 7A is formed.
【0033】この積層体と、図示しない誘電体分離層I
SOを自己整合マスクとしてウェル表面にn型不純物を
高濃度で導入する。この不純物導入は、例えば、イオン
注入、熱拡散等により行う。活性化アニールを行うと、
図7(B)に示すように、n型不純物領域IRa,IR
fが形成される。なお、n型不純物領域のプロファイル
(濃度および深さ)は、サーフェスブレークダウンが起
こりやすい条件に最適化することが望ましい。また、イ
オン注入の場合は、その注入角度を調整してキャパシタ
面積を最適化することができる。This laminate and a dielectric isolation layer I (not shown)
An n-type impurity is introduced at a high concentration on the well surface using SO as a self-alignment mask. This impurity introduction is performed by, for example, ion implantation, thermal diffusion, or the like. When activation annealing is performed,
As shown in FIG. 7B, n-type impurity regions IRa, IR
f is formed. It is desirable that the profile (concentration and depth) of the n-type impurity region be optimized under the condition that surface breakdown easily occurs. In the case of ion implantation, the implantation angle can be adjusted to optimize the capacitor area.
【0034】その後は、特に図示しないが、層間絶縁膜
IFを堆積し、これにコンタクトを開口してプラグ等で
埋め込んでビットコンタクトBCを形成する。また、ビ
ットコンタクトBCを列方向で接続するビット線BL
1,BL2,…を層間絶縁膜IF上に形成する。After that, although not particularly shown, an interlayer insulating film IF is deposited, and a contact is opened in this to be filled with a plug or the like to form a bit contact BC. In addition, the bit line BL that connects the bit contacts BC in the column direction
1, BL2, ... Are formed on the interlayer insulating film IF.
【0035】図8(A)は、本実施形態の変形例を示す
1メモリセル分の平面図である。また、図8(B)は、
図8(A)のa−a線の断面図である。このメモリセル
では、全てのワード線間が最小寸法Fで形成され、ビッ
トコンタクトBCが自己整合コンタクト(SAC)によ
り形成されている。FIG. 8A is a plan view of one memory cell showing a modified example of this embodiment. In addition, FIG.
It is sectional drawing of the aa line of FIG. 8 (A). In this memory cell, all the word lines are formed with the minimum dimension F, and the bit contacts BC are formed by self-aligned contacts (SAC).
【0036】この自己整合コンタクトを列方向の断面で
見ると、図8(B)のように、各ワード線の上に、ワー
ド線と同じパターンにて絶縁層IDが形成され、また、
この誘電体からなる絶縁層ID、ワード線WLおよびキ
ャパシタ誘電体膜CDからなる積層体の側面には、誘電
体からなるサイドウォールSWが形成されている。そし
て、これらの誘電体層ID,SWにより電気的,空間的
に分離された状態でビットコンタクトBCが形成されて
いる。ビットコンタクトBCの列方向の両端部はワード
線と重なっているが、それらの空間的距離は誘電体層I
DおよびSWの厚さにより決まり、マスクあわせ時のア
ライメントずれの影響を受けない。すなわち、自己整合
コンタクトSACとなっている。なお、ビットコンタク
トBCの列方向両側には誘電体分離層が存在している。When this self-aligned contact is viewed in the column direction, as shown in FIG. 8B, the insulating layer ID is formed on each word line in the same pattern as the word line, and
Sidewalls SW made of a dielectric are formed on the side surfaces of the laminated body made of the insulating layer ID made of the dielectric, the word line WL, and the capacitor dielectric film CD. Then, the bit contact BC is formed in a state of being electrically and spatially separated by these dielectric layers ID and SW. Both ends of the bit contact BC in the column direction overlap the word line, but the spatial distance between them is the dielectric layer I.
It is determined by the thickness of D and SW, and is not affected by misalignment during mask alignment. That is, it is a self-aligned contact SAC. A dielectric isolation layer exists on both sides of the bit contact BC in the column direction.
【0037】つぎに、メモリセルの書き込み,消去,読
み出し動作を、メモリセルM21へのデータ記憶を例に
説明する。ここでは、局所的なFN電子注入により蓄積
電荷量Qが負となる場合を“1”データ記憶とし、蓄積
電荷量がほぼ零の場合を“0”データ記憶(および消去
状態)とし、消去は全面からのFN電子抜き取りにより
行う場合を示す。なお、ページ単位の動作も可能であ
り、その場合は、同じ行内の他のメモリセルにもメモリ
セルM21と同様なバイアスを設定することで実現でき
る。Next, the writing, erasing and reading operations of the memory cell will be described by taking the data storage in the memory cell M21 as an example. Here, the case where the accumulated charge amount Q becomes negative due to local FN electron injection is defined as “1” data storage, and the case where the accumulated charge amount is substantially zero is defined as “0” data storage (and erase state). The case where FN electrons are extracted from the entire surface is shown. It is also possible to operate in page units, and in that case, it can be realized by setting the same bias as that of the memory cell M21 in other memory cells in the same row.
【0038】図9の等価回路図に、書き込み時のバイア
ス印加条件を示す。“1”データ記憶対象のメモリセル
M21が接続されたビット線BL2に、所定の電圧、例
えば0Vを印加し、他のビット線BL1,BL3,…
に、ダイオードが降伏しない程度で、ワード線WL1の
印加電圧との電圧差でFN電子注入が起きない程度の電
圧、例えば4Vを印加し、ワード線WL1に所定の書き
込み電圧、例えば15Vを印加する。また、他のワード
線WL2,…には、書き込み禁止電圧、例えば4Vを印
加する。これにより、メモリセルM21において、その
n型不純物領域IRaから電子がキャパシタ誘電体膜C
D内に注入され電荷トラップに蓄積され、“1”データ
が記憶される。The equivalent circuit diagram of FIG. 9 shows the bias application conditions during writing. A predetermined voltage, for example, 0V is applied to the bit line BL2 connected to the memory cell M21 for storing "1" data, and the other bit lines BL1, BL3, ...
Is applied to the word line WL1 with a predetermined write voltage, for example, 15V so that the diode does not break down and FN electron injection does not occur due to the voltage difference from the applied voltage of the word line WL1. . A write inhibit voltage, for example, 4V is applied to the other word lines WL2, .... As a result, in the memory cell M21, electrons are emitted from the n-type impurity region IRa of the capacitor dielectric film C.
Injected into D and accumulated in the charge trap, "1" data is stored.
【0039】図10の等価回路図に、消去時のバイアス
印加条件を示す。消去はブロック単位またはメモリセル
アレイ一括で行い、全てのビット線BL1,BL2,B
L3,…をフローティングにした状態で、pウェルWに
所定の電圧、例えば10Vを印加し、選択されたブロッ
クのワード線WL1,WL2,…、またはアレイ一括消
去の場合は全てのワード線に所定の消去電圧、例えば0
Vを印加する。また、非選択のブロックがあるときは、
そのワード線に消去禁止電圧、例えば10Vを印加す
る。これにより、メモリセルM21〜M32,…におい
て、キャパシタ誘電体膜CD内の蓄積電子が基板側に全
面から引き抜かれて消去状態になる。The equivalent circuit diagram of FIG. 10 shows the bias application conditions during erase. Erasing is performed in block units or in a memory cell array at a time, and all bit lines BL1, BL2, B
A predetermined voltage, for example, 10 V is applied to the p-well W with L3, ... Floating, and a predetermined voltage is applied to the word lines WL1, WL2, ... Of the selected block, or all word lines in the case of array erase. Erase voltage, eg 0
Apply V. Also, if there are unselected blocks,
An erase inhibit voltage, for example, 10V is applied to the word line. As a result, in the memory cells M21 to M32, ..., Stored electrons in the capacitor dielectric film CD are extracted from the entire surface to the substrate side to be in an erased state.
【0040】図11の等価回路図に、読み出し時のバイ
アス印加条件を示す。読み出し対象のメモリセルM21
が接続されたビット線BL2に、所定の電圧、例えば5
Vを印加し、他のビット線BL1,BL3,…に、ダイ
オードの降伏や書き込みが起きない電圧、例えば0Vを
印加し、ワード線WL1に所定の読み出し電圧、例えば
0Vを印加し、他のワード線WL2,…に読み出し禁止
電圧、例えば5Vを印加する。これにより、メモリセル
M21において、そのn型不純物領域IRaの表面領域
でサーフェスブレークダウンが起こり、ダイオードDI
内を逆方向電流Idiが流れる。この電流または当該電
流に起因した電位変化を検出し、必要に応じて、外部に
取り出し可能な電圧にまで増幅して出力する。The equivalent circuit diagram of FIG. 11 shows the bias application conditions during reading. Read target memory cell M21
To the bit line BL2 connected to
V is applied to the other bit lines BL1, BL3, ..., A voltage that does not cause breakdown or writing of the diode, for example, 0 V is applied, and a predetermined read voltage, for example, 0 V is applied to the word line WL1, and other words are applied. A read inhibit voltage, for example, 5V is applied to the lines WL2, .... As a result, in the memory cell M21, surface breakdown occurs in the surface region of the n-type impurity region IRa, and the diode DI
A reverse current Idi flows through the inside. This current or a potential change caused by the current is detected, and if necessary, amplified to a voltage that can be taken out to the outside and output.
【0041】図12に、比較例としてSSL型のメモリ
セルの平面図を示す。このメモリセルでは、誘電体分離
層ISOの間隔をプロセスの最小寸法Fの3倍以上とし
て、そのpウェルW領域に、ソース線SLとして機能す
るn型のソース不純物領域と、ビット線BLとして機能
するn型のドレイン不純物領域とを互いに平行に配置す
る必要がある。この2つの不純物領域間のウェル表面領
域がチャネル形成領域となる。ホットエレクトロン注入
書き込みでは、より電位が低いソース線SL側から供給
された電子が電界加速され、より電位が高いドレイン
(ビット線BL)側の局部に注入され、ここがメモリ部
となる。このメモリセルでは、ビットコンタクトBCお
よびソースコンタクトSCを含む場合、そのセル面積は
約12F2となる。また、コンタクトを多数のメモリセ
ルごとに形成しコンタクト面積が無視できる程度に小さ
い場合は、そのセル面積は約8F2となる。FIG. 12 shows a plan view of an SSL type memory cell as a comparative example. In this memory cell, the distance between the dielectric isolation layers ISO is set to three times the minimum dimension F of the process or more, and in the p well W region thereof, the n-type source impurity region functioning as the source line SL and the bit line BL functioning. It is necessary to dispose the n-type drain impurity region to be parallel to each other. A well surface region between the two impurity regions serves as a channel formation region. In the hot electron injection writing, the electrons supplied from the source line SL side having a lower potential are accelerated by the electric field and injected into a local portion on the drain (bit line BL) side having a higher potential, which serves as a memory portion. In this memory cell, when the bit contact BC and the source contact SC are included, the cell area is about 12F 2 . When a contact is formed for each of a large number of memory cells and the contact area is small enough to be ignored, the cell area is about 8F 2 .
【0042】これに対し、本実施形態のメモリセルは、
ソース側のn型不純物領域が不要なため、図5に示すメ
モリセルの面積は約5F2と小さい。また、第1実施形
態で記述したように、微細化しても特性低下がしにく
い。On the other hand, the memory cell of this embodiment is
Since the n-type impurity region on the source side is unnecessary, the area of the memory cell shown in FIG. 5 is as small as about 5F 2 . Further, as described in the first embodiment, the characteristics are not easily deteriorated even when the size is reduced.
【0043】第3実施形態
図13(A)に、第3実施形態に係るメモリセルアレイ
において、2メモリセル分の平面図を示す。また、図1
3(B)に、図13(A)のB−B線における断面図を
示す。このメモリセルアレイでは、図12に示す比較例
と同様に、誘電体分離層ISOの間隔を3F以上とし、
この間のpウェルWに、行方向に隣接する2セルを形成
している。誘電体分離層ISOに交差するワード線WL
1を自己整合マスクとしてpウェルWにn型不純物を導
入し、これによりn型不純物領域IRがワード線下方で
分離して形成されている。図における上側のn型不純物
領域IRがビットコンタクトBCを介して上層のビット
線BL1に接続され、下側のn型不純物領域IRがビッ
トコンタクトBCを介して上層のビット線BL2に接続
されている。 Third Embodiment FIG. 13A shows a plan view of two memory cells in the memory cell array according to the third embodiment. Also, FIG.
FIG. 3B shows a cross-sectional view taken along the line BB of FIG. In this memory cell array, as in the comparative example shown in FIG. 12, the distance between the dielectric isolation layers ISO is 3F or more,
Two cells adjacent to each other in the row direction are formed in the p well W between them. Word line WL intersecting dielectric isolation layer ISO
1 is used as a self-alignment mask to introduce an n-type impurity into the p-well W, whereby an n-type impurity region IR is formed separately below the word line. The upper n-type impurity region IR in the drawing is connected to the upper bit line BL1 via the bit contact BC, and the lower n-type impurity region IR is connected to the upper bit line BL2 via the bit contact BC. .
【0044】ところで、図5に示す第2実施形態では、
メモリ部(キャパシタ面積)がn型不純物領域IRa形
成時の不純物の横方向拡散量で規定され、このために、
キャパシタ面積が不十分な場合がある。キャパシタ面積
が小さすぎると、例えば読み出し時のワード線の電圧印
加時にn型不純物領域IRaの電位の上昇量が不足し
て、確実に読み出しを行うための動作マージンが小さす
ぎる場合がある。By the way, in the second embodiment shown in FIG.
The memory portion (capacitor area) is defined by the lateral diffusion amount of impurities when the n-type impurity region IRa is formed.
The capacitor area may be insufficient. If the capacitor area is too small, for example, the amount of increase in the potential of the n-type impurity region IRa at the time of voltage application to the word line during reading may be insufficient, and the operation margin for reliable reading may be too small.
【0045】これに対し、本実施形態では、n型不純物
領域IRaとワード線WL1との重なり面積で規定され
るキャパシタ面積は、図13(A)に示すように、その
行方向の長さが3F以上と長いため、第2実施形態と比
較してかなり広くなる。したがって、確実な動作のため
の素子設計が容易であるという利点がある。On the other hand, in the present embodiment, the capacitor area defined by the overlapping area of the n-type impurity region IRa and the word line WL1 has a length in the row direction as shown in FIG. 13 (A). Since it is as long as 3F or more, it is considerably wider than that in the second embodiment. Therefore, there is an advantage that element design for reliable operation is easy.
【0046】なお、本実施形態におけるセル面積は約6
F2となるが、図11の比較例では、ソース線側にも電
荷注入することができ2ビット/セル記憶が可能なこと
を考慮すると、ビット当たりのセル面積は比較例と同等
となる。しかし、比較例では、2ビット記憶の動作シー
ケンスにおいて、書き込み時や読み出し時にビット線と
ソース線の電圧を入れ換える動作が必要である。このと
き、比較的大きなビット線やソース線の容量を充放電す
るのに時間がかかり、その結果、動作速度が高速化でき
ないという不利益がある。これに対し、本実施形態で
は、図13(A)に示す2つのメモリセルは、書き込み
が2セル同時にでき、また、例えば読み出し電流に起因
した電位変化をビット線側で検出する場合では、読み出
しも2ビット同時に行える。したがって、動作速度の高
速化に適している。The cell area in this embodiment is about 6
Although the F 2, in the comparative example of FIG. 11, considering that it is possible two-bit / cell storage can also charge injection to the source line side, the cell area per bit is equivalent to the comparative example. However, in the comparative example, the operation of switching the voltages of the bit line and the source line at the time of writing or reading is necessary in the operation sequence of 2-bit storage. At this time, it takes time to charge and discharge a relatively large capacity of the bit line and the source line, and as a result, there is a disadvantage that the operation speed cannot be increased. On the other hand, in the present embodiment, two memory cells shown in FIG. 13A can be written simultaneously, and in the case where a potential change due to a read current is detected on the bit line side, the read operation is performed. 2 bits can be done at the same time. Therefore, it is suitable for increasing the operating speed.
【0047】なお、本実施形態では、ビットコンタクト
BCを図8(A),(B)と同様な自己整合コンタクト
SACにより形成するとセル面積が縮小できて、より望
ましい。In this embodiment, it is more desirable to form the bit contact BC by the self-aligned contact SAC similar to that shown in FIGS. 8A and 8B because the cell area can be reduced.
【0048】また、本実施形態では、書き込みまたは消
去動作時に、図1(C−1)のFN電子注入、図1(C
−2)のBTBH注入に加え、チャネルホットエレクト
ロン(CHE)注入も可能である。たとえば、図13
(A)のビット線BL2を0V等の低い電圧で保持した
状態で、それより高い電圧をビット線BL1に印加し、
また、ワード線WL1に所定の正電圧を印加する。この
とき、ワード線WL1下方のウェルW表面にチャネルが
形成され、図13(B)の左側のn型不純物領域IRか
ら供給された電子がチャネル内を加速され、図の右側の
n型不純物領域IR側でホットエレクトロンとなり、キ
ャパシタ誘電体膜CDのメモリ部1に局所的に注入され
る。逆に、メモリ部2に電子を注入したいときは、ビッ
ト線の電圧状態を上記の場合と逆にする。Further, in this embodiment, the FN electron injection shown in FIG. 1C-1 and the case shown in FIG.
In addition to the BTBH injection of -2), channel hot electron (CHE) injection is also possible. For example, in FIG.
While holding the bit line BL2 of (A) at a low voltage such as 0 V, a higher voltage is applied to the bit line BL1.
Further, a predetermined positive voltage is applied to the word line WL1. At this time, a channel is formed on the surface of the well W below the word line WL1, electrons supplied from the n-type impurity region IR on the left side of FIG. 13B are accelerated in the channel, and the n-type impurity region on the right side of FIG. It becomes hot electrons on the IR side and is locally injected into the memory portion 1 of the capacitor dielectric film CD. On the contrary, when it is desired to inject electrons into the memory section 2, the voltage state of the bit line is reversed from the above case.
【0049】第4実施形態
図14に、第4実施形態のメモリセルアレイの平面図を
示す。また、図15に、図14のC−C線における断面
図を示す。このメモリセルアレイでは、ビット線BL,
BL2,BL3,BL4,…を構成するn型不純物領域
IRが、列方向に長いライン状に形成され途中で分断さ
れていない。このため、ビットコンタクトBCは多数
(例えば64個)のメモリセルごとに設けることがで
き、図14では図示していない。また、ワード線WL
1,WL2,WL3,WL4,…は、層間絶縁膜IF上
の上層配線により形成されている。そのため、キャパシ
タの上部電極CEがセルごとに、例えば1F×1Fの大
きさで設けられている。キャパシタの上部電極CEは、
その下面にキャパシタ誘電体膜CDを介在させた状態
で、各n型不純物領域IRの幅方向の片側に一定の幅だ
け重ねられている。 Fourth Embodiment FIG. 14 shows a plan view of a memory cell array of the fourth embodiment. Further, FIG. 15 shows a cross-sectional view taken along the line CC of FIG. In this memory cell array, the bit lines BL,
The n-type impurity regions IR forming BL2, BL3, BL4, ... Are formed in long lines in the column direction and are not divided in the middle. Therefore, the bit contact BC can be provided for each of a large number (for example, 64) of memory cells and is not shown in FIG. Also, the word line WL
1, WL2, WL3, WL4, ... Are formed by upper layer wiring on the interlayer insulating film IF. Therefore, the upper electrode CE of the capacitor is provided for each cell in a size of, for example, 1F × 1F. The upper electrode CE of the capacitor is
A capacitor dielectric film CD is interposed on the lower surface of each of the n-type impurity regions IR, and the n-type impurity regions IR are stacked on one side in the width direction by a certain width.
【0050】一方、半導体基板SUBには、pウェルW
が形成されておらず、また、誘電体分離層ISOも形成
されていない。これは、ワード線が上層配線から構成さ
れていることと関係する。すなわち、第1〜第3実施形
態では、ワード線がキャパシタ誘電体膜CDを介在させ
て行方向に長いライン状に配置されているため、仮に誘
電体分離層ISOを形成しないとすると、隣接セル間の
ビット線印加電圧のかかり方によっては、隣接セル間で
寄生トランジスタがオンしてリークパスが生じる可能性
がある。こころが、本実施形態では、キャパシタ誘電体
膜CDを介在させた上部電極CEがセルごとに分離さ
れ、ワード線は、それらを接続する役目を担うため上層
配線から形成されている。したがって、誘電体分離層I
SOがなくとも寄生トランジスタが形成されず、セル間
の干渉が構造上、防止されている。On the other hand, the semiconductor substrate SUB has a p well W
Is not formed, and the dielectric isolation layer ISO is not formed. This is related to the fact that the word line is composed of the upper layer wiring. That is, in the first to third embodiments, since the word lines are arranged in a line shape that is long in the row direction with the capacitor dielectric film CD interposed, assuming that the dielectric isolation layer ISO is not formed, the adjacent cells are not formed. Depending on how the voltage applied to the bit line between them is applied, a parasitic transistor may be turned on between adjacent cells and a leak path may occur. In the present embodiment, however, the upper electrode CE with the capacitor dielectric film CD interposed is separated for each cell, and the word line is formed of the upper layer wiring in order to connect them. Therefore, the dielectric isolation layer I
A parasitic transistor is not formed without SO, and interference between cells is structurally prevented.
【0051】なお、pウェルWが形成されていないた
め、読み出し時には、フローティング状態としたビット
線の電位変化を検出する必要がある。その他の基本的な
動作およびバイアス印加条件は、第1実施形態と同じで
ある。Since the p well W is not formed, it is necessary to detect the potential change of the bit line in the floating state at the time of reading. Other basic operations and bias application conditions are the same as in the first embodiment.
【0052】図16(A)〜(C)に、このメモリセル
アレイの製造途中の断面図を示す。まず、図16(A)
に示すように、半導体基板SUBの表面領域にビット線
として機能するn型不純物領域IRを、例えばイオン注
入により形成する。16A to 16C are cross-sectional views of the memory cell array during manufacture. First, FIG. 16 (A)
As shown in, the n-type impurity region IR functioning as a bit line is formed in the surface region of the semiconductor substrate SUB by, for example, ion implantation.
【0053】つぎに、図16(B)に示すように、キャ
パシタ誘電体膜CDと上部電極CEとの積層体を、例え
ば第1実施形態と同じ材料、方法により形成する。この
段階での積層体のパターンは、特に図示しないが、列方
向に長い平行ストライプ状とする。また、積層体のパタ
ーンは、各n型不純物領域IRに対し、その幅方向片側
で一定量だけ重ねられている。Next, as shown in FIG. 16B, a laminated body of the capacitor dielectric film CD and the upper electrode CE is formed by using, for example, the same material and method as in the first embodiment. Although not particularly shown, the pattern of the laminated body at this stage is parallel stripes that are long in the column direction. Further, the pattern of the stacked body is overlapped with each n-type impurity region IR by a certain amount on one side in the width direction.
【0054】図16(C)では、層間絶縁膜IFを堆積
して平坦化し、積層体CD,CEのパターン間を絶縁材
料で完全に埋め込む。その後、この層間絶縁膜IF上
に、ワード線となる導電膜を堆積し、これをパターンニ
ングする。このときのエッチング時に、下地に表出する
積層体CE,CD部分をエッチングして、ライン状の積
層体を一定間隔で分断する。これにより、セルごとに孤
立したパターンのキャパシタの上部電極CEが形成され
る。In FIG. 16C, an interlayer insulating film IF is deposited and flattened, and the space between the patterns of the laminated bodies CD and CE is completely filled with an insulating material. After that, a conductive film to be a word line is deposited on this interlayer insulating film IF and patterned. At the time of etching at this time, the portions CE and CD exposed on the base are etched to divide the linear laminate at regular intervals. As a result, the upper electrode CE of the capacitor having an isolated pattern is formed for each cell.
【0055】本実施形態では、pウェルWおよび誘電体
分離層ISOを形成してもよい。図17(A)〜(C)
に、この場合の製造方法を示す。図17(A)は、キャ
パシタの上部電極CEのパターンニング直後の断面図で
ある。このメモリセルアレイでは、半導体基板SUBに
pウェルWを形成し、そのウェル内にn型不純物領域I
Rを形成し、さらに、ウェル上にキャパシタ誘電体膜C
Dを介在させて列方向に長いライン状のキャパシタの上
部電極CEを形成している。In this embodiment, the p well W and the dielectric isolation layer ISO may be formed. 17 (A) to (C)
Shows the manufacturing method in this case. FIG. 17A is a sectional view immediately after patterning of the upper electrode CE of the capacitor. In this memory cell array, a p well W is formed in a semiconductor substrate SUB, and an n type impurity region I is formed in the well.
R is formed, and the capacitor dielectric film C is formed on the well.
The upper electrode CE of a linear capacitor long in the column direction is formed with D interposed.
【0056】図17(B)に示すように、このパターン
ニング時に用いたマスク層、例えばレジストRを残した
まま、表出したウェル表面をエッチングする。このエッ
チングは、そのエッチング溝Tの深さがウェルより深
く、半導体基板SUBのバルクが表出するまで行う。な
お、レジストRだけではマスク層として不十分な場合
は、レジストRと上部電極CEとの間にエッチング耐性
が高い材料の膜を介在させてもよい。As shown in FIG. 17B, the exposed well surface is etched while leaving the mask layer used for this patterning, for example, the resist R. This etching is performed until the depth of the etching groove T is deeper than the well and the bulk of the semiconductor substrate SUB is exposed. If the resist R alone is insufficient as a mask layer, a film made of a material having high etching resistance may be interposed between the resist R and the upper electrode CE.
【0057】その後、層間絶縁膜IFを上記したと同様
に堆積し平坦化するが、このとき、エッチング溝Tが絶
縁材料で埋められ、トレンチアイソレーション(誘電体
分離層ISO)が形成される。この誘電体分離層ISO
によって、pウェルWが分離され、列ごとに異なる電圧
の印加が可能となる。Thereafter, the interlayer insulating film IF is deposited and planarized in the same manner as described above, but at this time, the etching trench T is filled with an insulating material, and trench isolation (dielectric isolation layer ISO) is formed. This dielectric isolation layer ISO
By this, the p well W is separated, and a different voltage can be applied to each column.
【0058】本実施形態では、図14に示すようにメモ
リセル面積が4F2と更に小さくでき、また、トランジ
スタ動作させないので微細化しやすいという第1,第2
実施形態と同様な利点がある。本実施形態では、キャパ
シタの上部電極CEを孤立パターンでセルごとに設け、
ワード線は上部電極CEを接続する上層配線であるの
で、誘電体分離層ISOの形成が必須でなく、また、キ
ャパシタの容量を任意に設定できる。なぜなら、キャパ
シタ面積はn型不純物領域IRと上部電極CEとの重な
り面積で決まるが、この面積はパターン設計で任意に変
更できるからである。したがって、本実施形態の素子構
造では、構造および特性を最適化しやすく、特に読み出
し時のサーフェスブレークダウンが起きやすい素子設計
が容易であり、動作が安定する。また誘電体分離層IS
Oを形成する場合も、上記した製造方法ではフォトマス
クが不要で、シリコン等のエッチングを上部電極CE等
のエッチングの後に追加するだけでよい。In the present embodiment, as shown in FIG. 14, the memory cell area can be further reduced to 4F 2, and since the transistor is not operated, it is easy to miniaturize.
There are similar advantages to the embodiment. In this embodiment, the upper electrode CE of the capacitor is provided for each cell in an isolated pattern,
Since the word line is an upper layer wiring that connects the upper electrode CE, it is not necessary to form the dielectric isolation layer ISO, and the capacitance of the capacitor can be set arbitrarily. This is because the capacitor area is determined by the area of overlap between the n-type impurity region IR and the upper electrode CE, but this area can be arbitrarily changed by pattern design. Therefore, in the device structure of the present embodiment, the structure and characteristics are easily optimized, and in particular, the device design in which surface breakdown is likely to occur during reading is easy, and the operation is stable. In addition, the dielectric isolation layer IS
Also in the case of forming O, a photomask is not required in the above manufacturing method, and etching of silicon or the like may be added after etching of the upper electrode CE or the like.
【0059】第5実施形態
図18に、第5実施形態のメモリセルアレイの平面図を
示す。また、図19に、図18のD−D線における断面
図を示す。このメモリセルアレイでは、キャパシタの上
部電極CEが行方向に隣接する2セル間で共有されてい
る。したがって、隣接する2つのn型不純物領域IRの
互いに近い側にメモリ部が位置する。その他の構成は第
4実施形態と同じである。また、キャパシタの上部電極
CEのエッチングパターンが異なるのみで、製造方法自
体は第4実施形態と同じである。さらに、この場合も、
第4実施形態と同様な方法によって誘電体分離層ISO
が形成できる。 Fifth Embodiment FIG. 18 shows a plan view of a memory cell array of the fifth embodiment. Further, FIG. 19 shows a cross-sectional view taken along the line DD of FIG. In this memory cell array, the upper electrode CE of the capacitor is shared by two cells adjacent in the row direction. Therefore, the memory section is located on the side closer to each other between the two adjacent n-type impurity regions IR. Other configurations are the same as those in the fourth embodiment. Further, the manufacturing method itself is the same as that of the fourth embodiment, only the etching pattern of the upper electrode CE of the capacitor is different. Furthermore, in this case as well,
The dielectric isolation layer ISO is manufactured by the same method as in the fourth embodiment.
Can be formed.
【0060】本実施形態では、図18に示すようにメモ
リセル面積が4F2と小さくでき、また、トランジスタ
動作させないので微細化しやすいという第1〜第3実施
形態と同様な利点がある。また、第4実施形態と同様
に、誘電体分離層ISOの形成が必須でなく、また、キ
ャパシタの容量を任意に設定できるため構造および特性
を最適化しやすく、特に読み出し時の動作が安定する。
なお、この場合も、図13(A),(B)の場合と同様
に、CHE注入が可能である。In this embodiment, as shown in FIG. 18, the memory cell area can be made as small as 4F 2, and since there is no transistor operation, it is easy to miniaturize, which is the same advantage as in the first to third embodiments. Further, similarly to the fourth embodiment, the formation of the dielectric isolation layer ISO is not essential, and since the capacitance of the capacitor can be set arbitrarily, it is easy to optimize the structure and characteristics, and particularly the operation during reading is stable.
In this case as well, CHE injection is possible as in the case of FIGS. 13A and 13B.
【0061】第6実施形態
この実施形態は多値記憶に関する。多値記憶は上記した
第1〜第5実施形態のセル構造のいずれにも適用でき
る。多値記憶動作では、キャパシタ誘電体膜CD内に蓄
える電荷量を複数設定し、閾値を多段階に変化させ、こ
れにより複数の2値データを記憶させる。具体的には、
書き込み時にキャパシタCAPの上部電極と下部電極に
印加する電圧値を細かく制御して少しずつ電荷を注入す
る。あるいは、最初に飽和値に近い量の電荷を注入して
おき、消去時にキャパシタCAPの上部電極と下部電極
に印加する電圧値を細かく制御して、蓄積電荷を少しず
つ引き抜くか、逆極性の電荷を少しずつ注入する。 Sixth Embodiment This embodiment relates to multi-valued storage. Multi-value storage can be applied to any of the cell structures of the above-described first to fifth embodiments. In the multi-value storage operation, a plurality of charge amounts to be stored in the capacitor dielectric film CD are set and the threshold value is changed in multiple steps, whereby a plurality of binary data is stored. In particular,
During writing, the voltage value applied to the upper electrode and the lower electrode of the capacitor CAP is finely controlled to gradually inject charges. Alternatively, first, an amount of charge close to the saturation value is injected, and the voltage value applied to the upper electrode and the lower electrode of the capacitor CAP during erasing is finely controlled so that the accumulated charge is gradually extracted or the opposite polarity charge is discharged. Inject little by little.
【0062】以下、4値記憶動作を例として説明する。
図20(A)に、キャパシタ誘電体膜CDに蓄積する電
荷量に応じた特性変化を示す。また、図20(B)に閾
値変化を示す。たとえば、キャパシタ誘電体膜CDに電
子を注入して閾値Vthを制御する場合、図20(A)の
Q4は電子が殆ど注入されていない消去状態を表すとす
ると、Q4を維持するビットを除いて他の全てのビット
に電子を所定量だけ注入してQ3の状態にする。続い
て、Q3,Q4を維持するビットを除いて他の全てのビ
ットに電子を所定量だけ注入してQ2の状態にする。最
後に、Q2,Q3,Q4を維持するビットを除いて他の
全てのビットに電子を所定量だけ注入してQ1の状態に
する。これらの電荷量の制御は、書き込み電圧とその印
加時間によって制御する。これにより、図20(B)に
示すように、メモリセルアレイ全体では閾値Vthが4つ
に分離した分布となる。The four-value storage operation will be described below as an example.
FIG. 20A shows a characteristic change according to the amount of charges accumulated in the capacitor dielectric film CD. In addition, FIG. 20B shows the threshold change. For example, when electrons are injected into the capacitor dielectric film CD to control the threshold value Vth, if Q4 in FIG. 20A represents an erased state in which almost no electrons are injected, except for the bit that maintains Q4. A predetermined amount of electrons are injected into all the other bits to bring them into the state of Q3. Then, electrons are injected into all the other bits except a bit that maintains Q3 and Q4 by a predetermined amount to bring them into the state of Q2. Finally, a predetermined amount of electrons are injected into all the other bits except the bit that maintains Q2, Q3, and Q4 to bring them into the state of Q1. The control of these charge amounts is controlled by the write voltage and its application time. As a result, as shown in FIG. 20B, the threshold Vth has a distribution divided into four in the entire memory cell array.
【0063】読み出し、この閾値分布の間に読み出しゲ
ート電圧を設定して行う。具体的には、たとえば閾値の
高い方から読み出しを行う場合、図20(B)のように
最も高い方から1番目の分布“11”と2番目の分布
“10”との間に読み出しゲート電圧Vreadを設定し
て、まず、“11”を読み出す。つぎに、2番目の分布
“10”と3番目の分布“01”との間に読み出しゲー
ト電圧Vreadを設定して“10”を読み出す。最後に、
3番目の分布“01”と消去状態の分布“00”との間
に読み出しゲート電圧Vreadを設定して“01”を読み
出す。これにより、2ビットのデータの読み出しが完了
する。Reading is performed by setting the reading gate voltage during this threshold distribution. Specifically, for example, when reading is performed from the one with the higher threshold, the read gate voltage is placed between the first distribution “11” and the second distribution “10” from the highest one as shown in FIG. First, "11" is read by setting Vread. Next, the read gate voltage Vread is set between the second distribution "10" and the third distribution "01" to read "10". Finally,
The read gate voltage Vread is set between the third distribution "01" and the erased state distribution "00" to read "01". This completes the reading of 2-bit data.
【0064】なお、このような読み出し動作は、書き込
みパルスの印加ごとに行って閾値を検証しながら書き込
みを行う場合でも同じである。このベリファイ動作を行
いながら書き込みを細かく行うと、閾値分布を急峻にで
きる。また、多値記憶動作は2ビット(4値)に限定さ
れず、3ビット以上でもよく、この場合も同様にして行
う。The above read operation is the same when writing is performed while verifying the threshold value by performing each time a write pulse is applied. If writing is performed finely while performing this verify operation, the threshold distribution can be made steep. Further, the multi-value storage operation is not limited to 2 bits (4 values) and may be 3 bits or more, and in this case, the same operation is performed.
【0065】[0065]
【発明の効果】本発明に係る不揮発性半導体メモリ装置
およびその動作方法によれば、チャネルを形成するトラ
ンジスタ動作させなくてもデータの書き込み,消去およ
び読み出しの全ての動作が可能で、そのためセル面積縮
小に有利で、しかも微細化しても特性が低下しにくい新
規な構造を有した不揮発性半導体メモリ装置と、その動
作方法を提供することができる。According to the non-volatile semiconductor memory device and the method of operating the same according to the present invention, all the data writing, erasing and reading operations can be performed without operating the transistor forming the channel. It is possible to provide a non-volatile semiconductor memory device having a novel structure that is advantageous for reduction in size and whose characteristics are not easily deteriorated even when miniaturized, and an operating method thereof.
【図1】(A)は、本発明の実施形態に係る基本セル構
造を示す断面図、(B)は、その等価回路図である。
(C−1)と(C−2)は、書き込みまたは消去時に用
いられる局所的な電荷注入動作の説明図である。(D−
1)および(D−2)は、読み出し動作の説明図であ
る。1A is a cross-sectional view showing a basic cell structure according to an embodiment of the present invention, and FIG. 1B is an equivalent circuit diagram thereof.
(C-1) and (C-2) are explanatory views of a local charge injection operation used at the time of writing or erasing. (D-
1) and (D-2) are explanatory views of the read operation.
【図2】本発明の実施形態に係る読み出し原理の説明に
用いた、一般的なMOSトランジスタの電圧−電流特性
図である。FIG. 2 is a voltage-current characteristic diagram of a general MOS transistor used for explaining the read principle according to the embodiment of the present invention.
【図3】本発明の実施形態に係るダイオードの読み出し
原理を示す電圧−電流特性図である。FIG. 3 is a voltage-current characteristic diagram showing a reading principle of the diode according to the embodiment of the present invention.
【図4】本発明の実施形態に係る記憶素子を多数配置し
たメモリセルアレイの等価回路図である。FIG. 4 is an equivalent circuit diagram of a memory cell array in which a large number of memory elements according to the embodiment of the present invention are arranged.
【図5】本発明の第2実施形態に係るメモリセルアレイ
の平面図である。FIG. 5 is a plan view of a memory cell array according to a second embodiment of the present invention.
【図6】本発明の第2実施形態に係り、図5のA−A線
における断面図である。6 is a cross-sectional view taken along the line AA of FIG. 5 according to the second embodiment of the present invention.
【図7】(A),(B)は、本発明の第2実施形態に係
るメモリセルアレイの製造途中の断面図である。7A and 7B are cross-sectional views of the memory cell array according to the second embodiment of the present invention during manufacture.
【図8】(A),(B)は、本発明の第2実施形態の変
形例に係るメモリセルの構成を示す平面図と断面図であ
る。8A and 8B are a plan view and a sectional view showing a configuration of a memory cell according to a modified example of the second embodiment of the present invention.
【図9】本発明の実施形態に係るメモリセルアレイにお
いて、書き込み時のバイアス印加条件例を示す等価回路
図である。FIG. 9 is an equivalent circuit diagram showing a bias application condition example at the time of writing in the memory cell array according to the embodiment of the present invention.
【図10】本発明の実施形態に係るメモリセルアレイに
おいて、消去時のバイアス印加条件例を示す等価回路図
である。FIG. 10 is an equivalent circuit diagram showing an example of bias application conditions during erase in the memory cell array according to the embodiment of the present invention.
【図11】本発明の実施形態に係るメモリセルアレイに
おいて、読み出し時のバイアス印加条件例を示す等価回
路図である。FIG. 11 is an equivalent circuit diagram showing an example of bias application conditions during reading in the memory cell array according to the embodiment of the present invention.
【図12】本発明の第1実施形態の比較例のメモリトラ
ンジスタの平面図である。FIG. 12 is a plan view of a memory transistor of a comparative example of the first embodiment of the present invention.
【図13】(A)は、本発明の第3実施形態に係るメモ
リセルアレイの2メモリセル分の平面図である。(B)
は、(A)のB−B線における断面図である。FIG. 13A is a plan view of two memory cells of the memory cell array according to the third embodiment of the present invention. (B)
[Fig. 4] is a sectional view taken along line BB in (A).
【図14】本発明の第4実施形態に係るメモリセルアレ
イの平面図である。FIG. 14 is a plan view of a memory cell array according to a fourth embodiment of the present invention.
【図15】本発明の第4実施形態に係るメモリセルアレ
イにおいて、図14のC−C線における断面図である。FIG. 15 is a cross-sectional view taken along the line CC of FIG. 14 in the memory cell array according to the fourth embodiment of the present invention.
【図16】(A)〜(C)は、本発明の第4実施形態に
係るメモリセルアレイの製造途中の断面図である。16A to 16C are cross-sectional views of the memory cell array according to the fourth embodiment of the present invention during manufacturing.
【図17】(A)〜(C)は、本発明の第4実施形態に
係るメモリセルアレイにおいて、誘電体分離層を形成す
る場合の製造途中の断面図である。FIGS. 17A to 17C are cross-sectional views of the memory cell array according to the fourth embodiment of the present invention during manufacture when a dielectric isolation layer is formed.
【図18】本発明の第5実施形態のメモリセルアレイの
平面図である。FIG. 18 is a plan view of a memory cell array according to a fifth embodiment of the present invention.
【図19】本発明の第5実施形態に係り、図18のD−
D線における断面図である。FIG. 19 relates to the fifth embodiment of the present invention and is D- in FIG.
It is sectional drawing in the D line.
【図20】本発明の第6実施形態に係る電荷注入動作を
示す電流−電圧特性図と閾値分布図である。FIG. 20 is a current-voltage characteristic diagram and a threshold distribution diagram showing a charge injection operation according to the sixth embodiment of the present invention.
CAP…キャパシタ、DI…ダイオード、SUB…半導
体基板(第1導電型半導体)、W…pウェル(第1導電
型半導体)、ISO…誘電体分離層、IR,IRa,I
Rf…n型不純物領域(第2導電型半導体)、CD…キ
ャパシタ誘電体膜、BTM…ボトム誘電体膜、CHS…
電荷蓄積膜、TOP…トップ誘電体膜、CE…キャパシ
タの上部電極、IF…層間絶縁膜、ID…絶縁層、SW
…絶縁性サイドウォール、BC…ビットコンタクト、M
11等…メモリセル、BL1等…ビット線、WL1等…
ワード線。CAP ... Capacitor, DI ... Diode, SUB ... Semiconductor substrate (first conductivity type semiconductor), W ... P well (first conductivity type semiconductor), ISO ... Dielectric isolation layer, IR, IRa, I
Rf ... N-type impurity region (second conductivity type semiconductor), CD ... Capacitor dielectric film, BTM ... Bottom dielectric film, CHS ...
Charge storage film, TOP ... Top dielectric film, CE ... Capacitor upper electrode, IF ... Interlayer insulating film, ID ... Insulating layer, SW
… Insulating sidewalls, BC… Bit contacts, M
11 etc .... memory cell, BL1 etc .... bit line, WL1 etc.
Word line.
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き Fターム(参考) 5F083 EP18 EP22 ER03 ER04 ER11 ER22 ER29 ER30 JA04 MA02 MA03 MA06 MA20 NA01 PR29 ZA21 5F101 BA45 BA46 BB02 BC02 BC04 BC08 BD20 BD32 BD33 BD35 BD37 BE02 BE05 BE07 BF05 BH19 ─────────────────────────────────────────────────── ─── Continued front page F-term (reference) 5F083 EP18 EP22 ER03 ER04 ER11 ER22 ER29 ER30 JA04 MA02 MA03 MA06 MA20 NA01 PR29 ZA21 5F101 BA45 BA46 BB02 BC02 BC04 BC08 BD20 BD32 BD33 BD35 BD37 BE02 BE05 BE07 BF05 BH19
Claims (17)
接触により形成されたpn接合ダイオードと、 pn接合ダイオードのカソード側の第2導電型半導体を
一方電極とし、当該一方電極に対し、複数の誘電体膜か
らなり内部に電荷蓄積手段を含むキャパシタ誘電体膜を
介して他方電極が対向したキャパシタとをそれぞれ1つ
ずつ含むメモリセルを有した不揮発性半導体メモリ装
置。1. A pn junction diode formed by contact between a semiconductor of a first conductivity type and a semiconductor of a second conductivity type, and a second conductivity type semiconductor on the cathode side of the pn junction diode as one electrode, with respect to the one electrode. A non-volatile semiconductor memory device having a memory cell including a capacitor having a plurality of dielectric films and a capacitor having a capacitor dielectric film inside and having the other electrode facing each other.
導体の表面領域に形成され、 上記キャパシタ誘電体膜と上記他方電極の積層体が、第
2導電型半導体と第1導電型半導体との境界を含む双方
の半導体の表面に形成された請求項1記載の不揮発性半
導体メモリ装置。2. The second conductivity type semiconductor is formed in a surface region of the first conductivity type semiconductor, and a laminate of the capacitor dielectric film and the other electrode is a second conductivity type semiconductor and a first conductivity type semiconductor. The non-volatile semiconductor memory device according to claim 1, wherein the non-volatile semiconductor memory device is formed on the surfaces of both semiconductors including a boundary between the two.
とからなるメモリセルが行列状に複数配置され、 列方向のセル間で共有または電気的に接続された上記第
2導電型半導体を含むビット線と、 行方向のセル間で共有され、上記キャパシタの他方電極
あるいは他方電極間を接続する配線として機能するワー
ド線とを有した請求項2記載の不揮発性半導体メモリ装
置。3. A bit line including the second conductivity type semiconductor, wherein a plurality of memory cells each including the pn junction diode and the capacitor are arranged in a matrix and shared or electrically connected between cells in a column direction. 3. The nonvolatile semiconductor memory device according to claim 2, further comprising: a word line that is shared between cells in a row direction and that functions as another electrode of the capacitor or a wiring connecting the other electrodes.
導電型半導体が、上記ワード線の幅方向両側でそれぞれ
ワード線と一部重なった請求項3記載の不揮発性半導体
メモリ装置。4. The second memory cell of two memory cells adjacent in the row direction.
4. The non-volatile semiconductor memory device according to claim 3, wherein the conductive type semiconductor partially overlaps the word line on both sides in the width direction of the word line.
積層体が行方向に隣接する2メモリセル間で共有され、 当該積層体が、その行方向両端側でそれぞれ上記第2導
電型半導体と一部重なった請求項3記載の不揮発性半導
体メモリ装置。5. A laminated body of the capacitor dielectric film and the other electrode is shared between two memory cells adjacent in the row direction, and the laminated body is formed with the second conductivity type semiconductor on both ends in the row direction. The nonvolatile semiconductor memory device according to claim 3, wherein the nonvolatile semiconductor memory devices partially overlap each other.
接触により形成されたpn接合ダイオードと、 pn接合ダイオードのカソード側の第2導電型半導体を
一方電極とし、当該一方電極に対し、複数の誘電体膜か
らなり内部に電荷蓄積手段を含むキャパシタ誘電体膜を
介して他方電極が対向したキャパシタとをそれぞれ1つ
ずつ含むメモリセルを有した不揮発性半導体メモリ装置
の動作方法であって、 書き込みまたは消去時に、上記キャパシタ誘電体膜内に
電荷が注入され、または抜き取られる極性と値の電圧
を、上記一方電極と上記他方電極との間に印加し、 データ読み出し時に、上記他方電極に所定の電圧を印加
し、上記蓄積電荷に応じてpn接合ダイオードを流れる
電流または当該電流に起因した電位変化を検出する不揮
発性半導体メモリ装置の動作方法。6. A pn junction diode formed by contact between a semiconductor of a first conductivity type and a semiconductor of a second conductivity type, and a second conductivity type semiconductor on the cathode side of the pn junction diode is used as one electrode, with respect to the one electrode. A method of operating a non-volatile semiconductor memory device having a memory cell including one capacitor each of which is formed of a plurality of dielectric films and has the other electrode facing each other via a capacitor dielectric film having a charge storage means inside. Then, a voltage having a polarity and a value by which charges are injected or extracted in the capacitor dielectric film at the time of writing or erasing is applied between the one electrode and the other electrode, and at the time of data reading, the other electrode A non-volatile semiconductor that applies a predetermined voltage to a current and detects a current flowing through a pn junction diode or a potential change caused by the current according to the accumulated charge. Method of operation of the memory device.
導電型半導体と上記第2導電型半導体との間のサーフェ
スブレークダウンに起因した電流である請求項6記載の
不揮発性半導体メモリ装置の動作方法。7. The current flowing during the read is the first current
7. The method of operating a nonvolatile semiconductor memory device according to claim 6, wherein the current is a current caused by a surface breakdown between a conductive semiconductor and the second conductive semiconductor.
導電型半導体と上記第2導電型半導体との間のツェナー
降伏電流である請求項7記載の不揮発性半導体メモリ装
置の動作方法。8. The current flowing during the read is the first current
8. The method for operating a nonvolatile semiconductor memory device according to claim 7, wherein the Zener breakdown current is between a conductive type semiconductor and the second conductive type semiconductor.
導電型半導体と上記第2導電型半導体との間のアバラン
シェ降伏電流である請求項7記載の不揮発性半導体メモ
リ装置の動作方法。9. The current flowing during the read is the first current
8. The method of operating a non-volatile semiconductor memory device according to claim 7, wherein the avalanche breakdown current is between a conductivity type semiconductor and the second conductivity type semiconductor.
荷蓄積手段に負の電荷が蓄積されている場合に相対的に
大きく、正の電荷が蓄積されている場合に相対的に小さ
い請求項6記載の不揮発性半導体メモリ装置の動作方
法。10. The current flowing at the time of reading is relatively large when negative charges are accumulated in the charge accumulating means, and relatively small when positive charges are accumulated. Non-volatile semiconductor memory device operating method.
接合の近傍のキャパシタ誘電体膜の一部に電荷を局所的
に注入する請求項6記載の不揮発性半導体メモリ装置の
動作方法。11. The pn during the writing or erasing.
7. The method of operating a non-volatile semiconductor memory device according to claim 6, wherein charges are locally injected into a part of the capacitor dielectric film near the junction.
電極と上記他方電極との間に印加する電圧の値を種々変
化させて上記キャパシタ誘電体膜に蓄積する電荷量を複
数設定し、2ビット以上の多値情報を記憶させる請求項
6記載の不揮発性半導体メモリ装置の動作方法。12. At the time of writing or erasing, the value of the voltage applied between the one electrode and the other electrode is variously changed to set a plurality of charge amounts to be accumulated in the capacitor dielectric film, and two or more bits are set. 7. The method for operating a non-volatile semiconductor memory device according to claim 6, wherein the multi-valued information is stored.
の積層体が行方向に隣接する2メモリセル間で共有さ
れ、 当該積層体が、その行方向両端側でそれぞれ上記第2導
電型半導体と一部重なっており、 上記隣接するメモリセルそれぞれに対して、上記書き込
みまたは消去時に、上記一方電極と上記他方電極との間
に印加する電圧の値を種々変化させて上記キャパシタ誘
電体膜に蓄積する電荷量を複数設定し、2ビット以上の
多値情報を記憶させる請求項6記載の不揮発性半導体メ
モリ装置の動作方法。13. A laminated body of the capacitor dielectric film and the other electrode is shared between two memory cells adjacent in the row direction, and the laminated body is formed with the second conductivity type semiconductor on both ends in the row direction. Part of them overlap each other, and the value of the voltage applied between the one electrode and the other electrode at the time of writing or erasing the adjacent memory cells is changed variously and accumulated in the capacitor dielectric film. 7. The method of operating a non-volatile semiconductor memory device according to claim 6, wherein a plurality of charge amounts to be set are set and multi-valued information of 2 bits or more is stored.
導体領域と、 少なくとも第1導電型半導体と第2導電型半導体領域の
境界を含む半導体表面に接した複数の誘電体膜からな
り、内部に電荷蓄積手段を含む電荷蓄積可能な誘電体膜
と、 電荷蓄積可能な誘電体膜を介在させて上記半導体表面に
対峙した制御電極とを有した不揮発性半導体メモリ装置
の動作方法であって、 読み出し時に、上記第2導電型半導体をバイアスした状
態で上記制御電極に所定の電圧を印加し、上記第1導電
型半導体と第2導電型半導体との接触により形成された
pn接合ダイオードに上記電荷蓄積可能な誘電体膜内の
蓄積電荷に応じて電流を流し、当該電流または当該電流
に起因した電位変化を検出する不揮発性半導体メモリ装
置の動作方法。14. A semiconductor including a first conductivity type semiconductor, a second conductivity type semiconductor region formed in a surface region of the first conductivity type semiconductor, and a semiconductor including at least a boundary between the first conductivity type semiconductor and the second conductivity type semiconductor region. A dielectric film composed of a plurality of dielectric films in contact with the surface and having charge storage means inside, and a control electrode facing the semiconductor surface with the dielectric film capable of charge storage interposed. A method of operating a nonvolatile semiconductor memory device according to claim 1, wherein a predetermined voltage is applied to the control electrode while the second conductivity type semiconductor is biased during reading, and the first conductivity type semiconductor and the second conductivity type semiconductor are applied. A non-volatile semiconductor memory in which an electric current is caused to flow in a pn junction diode formed by contact with the electric current according to the accumulated charge in the dielectric film capable of accumulating the electric charge, and the electric current or a potential change caused by the electric current is detected. How the device operates.
1導電型半導体と上記第2導電型半導体との間のサーフ
ェスブレークダウンに起因した電流である請求項14記
載の不揮発性半導体メモリ装置の動作方法。15. The operation of a nonvolatile semiconductor memory device according to claim 14, wherein the current flowing at the time of reading is a current caused by a surface breakdown between the first conductivity type semiconductor and the second conductivity type semiconductor. Method.
1導電型半導体と上記第2導電型半導体との間のツェナ
ー降伏電流である請求項15記載の不揮発性半導体メモ
リ装置の動作方法。16. The method of operating a nonvolatile semiconductor memory device according to claim 15, wherein the current flowing at the time of reading is a Zener breakdown current between the first conductivity type semiconductor and the second conductivity type semiconductor.
1導電型半導体と上記第2導電型半導体との間のアバラ
ンシェ降伏電流である請求項15記載の不揮発性半導体
メモリ装置の動作方法。17. The method of operating a nonvolatile semiconductor memory device according to claim 15, wherein the current flowing at the time of reading is an avalanche breakdown current between the first conductivity type semiconductor and the second conductivity type semiconductor.
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| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2001359084A JP2003158207A (en) | 2001-11-26 | 2001-11-26 | Nonvolatile semiconductor memory device and method for operating the same |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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ID=19170155
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| JP (1) | JP2003158207A (en) |
Cited By (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2005203075A (en) * | 2004-01-14 | 2005-07-28 | Macronix Internatl Co Ltd | Nonvolatile semiconductor memory and method of operating the memory |
| JP2007109954A (en) * | 2005-10-14 | 2007-04-26 | Sharp Corp | Semiconductor memory device, manufacturing method thereof and operating method thereof |
| KR100995535B1 (en) | 2009-02-11 | 2010-11-22 | 한국과학기술원 | Flash Memory Using Collision Ionization Metal Oxide Semiconductors |
| JP2022076545A (en) * | 2020-11-10 | 2022-05-20 | ルネサスエレクトロニクス株式会社 | Semiconductor device |
-
2001
- 2001-11-26 JP JP2001359084A patent/JP2003158207A/en active Pending
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