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JP3288099B2 - Nonvolatile semiconductor memory device and rewriting method thereof - Google Patents

Nonvolatile semiconductor memory device and rewriting method thereof

Info

Publication number
JP3288099B2
JP3288099B2 JP36002892A JP36002892A JP3288099B2 JP 3288099 B2 JP3288099 B2 JP 3288099B2 JP 36002892 A JP36002892 A JP 36002892A JP 36002892 A JP36002892 A JP 36002892A JP 3288099 B2 JP3288099 B2 JP 3288099B2
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
voltage
memory cell
drain
well
control gate
Prior art date
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Expired - Lifetime
Application number
JP36002892A
Other languages
Japanese (ja)
Other versions
JPH06204491A (en
Inventor
康夫 佐藤
喜久三 澤田
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Nippon Steel Corp
Original Assignee
Nippon Steel Corp
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Nippon Steel Corp filed Critical Nippon Steel Corp
Priority to JP36002892A priority Critical patent/JP3288099B2/en
Publication of JPH06204491A publication Critical patent/JPH06204491A/en
Priority to US08/390,160 priority patent/US5592003A/en
Application granted granted Critical
Publication of JP3288099B2 publication Critical patent/JP3288099B2/en
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Description

【発明の詳細な説明】DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

【0001】[0001]

【産業上の利用分野】本発明は、EEPROM(Electr
ically Erasable Programmable Read Only Memory)等の
電気的に書き換えが可能な不揮発性の半導体記憶装置及
びその書き換え方法に関する。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to an EEPROM (Electr
The present invention relates to an electrically rewritable nonvolatile semiconductor memory device such as an erasable programmable read only memory (IC) and a method for rewriting the same.

【0002】[0002]

【従来の技術】(文献1)「単一トランジスタの電気的
プログラム式メモリ装置、その製造方法」:特開昭61
−127179号公報 (文献2)「CMOS超LSIの設計」:菅野卓雄監
修、1989年、P172−173 (文献3)「フラッシュメモリの現状と将来展望」:電
子情報通信学会、ICD91−134 (文献4)「ワード負電圧消去方式を用いたフラッシュ
メモリ」:電子情報通信学会、ICD91−135
2. Description of the Related Art (Reference 1) "Electrically Programmable Memory Device with Single Transistor and Manufacturing Method Thereof":
-127179 (Reference 2) "Design of CMOS LSI": Supervised by Takuo Sugano, 1989, P172-173 (Reference 3) "Current and Future Prospects of Flash Memory": IEICE, ICD91-134 (Reference) 4) "Flash memory using word negative voltage erase method": IEICE, ICD91-135

【0003】電気的に書き換えが可能で且つ不揮発性を
有する半導体メモリの記憶素子は、1980年代初めよ
り、数多く提案されている。その中でも代表的なもの
は、フローティングゲートを電荷保持層として有するE
EPROMメモリセルであり、文献1〜4に記載されて
いる。
Many storage elements of electrically rewritable and nonvolatile semiconductor memories have been proposed since the early 1980's. Among them, a typical example is an E having a floating gate as a charge holding layer.
EPROM memory cells, which are described in Documents 1-4.

【0004】このフローティングゲートを用いたEEP
ROMメモリセルは、結晶性の半導体シリコン基板と、
この基板表面に基板不純物とは反対導電型の不純物をド
ープして形成されたソース及びドレイン拡散層(例え
ば、不純物としてホウ素をドープしたP型基板の場合、
ソース及びドレイン拡散層は、ヒ素又はリンをドープし
たN型層)と、これらソース及びドレイン拡散層の間に
少数キャリアを導通させるチャネル領域と、このチャネ
ル領域の上にある薄い酸化膜と、この酸化膜の上に設け
られた多結晶シリコンのフローティングゲートと、この
フローティングゲートの上に薄い絶縁膜を介して設けら
れた多結晶シリコンの制御ゲートとを有している。
EEP using this floating gate
The ROM memory cell includes a crystalline semiconductor silicon substrate,
Source and drain diffusion layers formed by doping the substrate surface with impurities of the opposite conductivity type to the substrate impurities (for example, in the case of a P-type substrate doped with boron as an impurity,
The source and drain diffusion layers are N-type layers doped with arsenic or phosphorus), a channel region for conducting minority carriers between the source and drain diffusion layers, a thin oxide film on the channel region, It has a polycrystalline silicon floating gate provided on the oxide film, and a polycrystalline silicon control gate provided on the floating gate via a thin insulating film.

【0005】このフローティングゲートを用いたEEP
ROMメモリセルの動作原理は次の通りである。即ち、
絶縁膜に囲まれて電気的に孤立しているフローティング
ゲートに電荷(電子又は正孔)を注入し、蓄積させるこ
とによりメモリセルのしきい値電圧を変化させ、このし
きい値電圧の違いを記憶情報として利用する。
EEP using the floating gate
The operating principle of the ROM memory cell is as follows. That is,
Charges (electrons or holes) are injected into an electrically isolated floating gate surrounded by an insulating film and accumulated, thereby changing the threshold voltage of the memory cell. Use as stored information.

【0006】図12及び図13に、フローティングゲー
トを用いた従来のEEPROMメモリセルの一構成例を
示す(この構成に関しては、文献1及び2に記載があ
る。)。
FIGS. 12 and 13 show a configuration example of a conventional EEPROM memory cell using a floating gate (this configuration is described in References 1 and 2).

【0007】この例の構成では、1ビットの情報を記憶
させるのに、1個のNチャネルエンハンスメント型MO
Sトランジスタ(図12のトランジスタ20、21、2
2又は23)とフローティングゲートを有するメモリセ
ル(図12の24、25、26又は27)1個を必要と
している。従って、図12に示した範囲では、4ビット
分の情報を記憶できることになる。
In the configuration of this example, one N-channel enhancement type MO is used to store 1-bit information.
S transistor (transistors 20, 21, 2 in FIG. 12)
2 or 23) and one memory cell (24, 25, 26 or 27 in FIG. 12) having a floating gate. Accordingly, information of 4 bits can be stored in the range shown in FIG.

【0008】図12において、200、201はワード
線である。ワード線200は、バイト選択用のNチャネ
ルエンハンスメント型MOSトランジスタ18のゲート
並びに上述したトランジスタ20、21のゲートに夫々
接続されている。また、ワード線201は、バイト選択
用のNチャネルエンハンスメント型MOSトランジスタ
19のゲート並びに上述したトランジスタ22、23の
ゲートに夫々接続されている。
In FIG. 12, reference numerals 200 and 201 are word lines. The word line 200 is connected to the gate of the N-channel enhancement MOS transistor 18 for byte selection and the gates of the transistors 20 and 21 described above. The word line 201 is connected to the gate of the N-channel enhancement type MOS transistor 19 for byte selection and the gates of the transistors 22 and 23 described above.

【0009】同図において、203、204はビット線
である。ビット線203はトランジスタ20、22のド
レインに接続され、ビット線204はトランジスタ2
1、23のドレインに接続されている。
In FIG. 1, reference numerals 203 and 204 denote bit lines. Bit line 203 is connected to the drains of transistors 20 and 22, and bit line 204 is connected to transistor 2
1, 23 are connected to the drains.

【0010】また、202はセンス線であり、トランジ
スタ18、19のドレインに接続されている。
Reference numeral 202 denotes a sense line, which is connected to the drains of the transistors 18 and 19.

【0011】更に、トランジスタ18のソースはメモリ
セル24、25の制御ゲート206(多結晶シリコンの
制御ゲートは、通常、結線と一体に構成される。以下同
様。)に接続され、トランジスタ19のソースはメモリ
セル26、27の制御ゲート207に接続されている。
Further, the source of the transistor 18 is connected to the control gate 206 of the memory cells 24 and 25 (the control gate of polycrystalline silicon is usually formed integrally with the wiring. The same applies to the following description). Is connected to the control gate 207 of the memory cells 26 and 27.

【0012】更に、トランジスタ20のソースとメモリ
セル24のドレイン、トランジスタ21のソースとメモ
リセル25のドレイン、トランジスタ22のソースとメ
モリセル26のドレイン、並びに、トランジスタ23の
ソースとメモリセル27のドレインは、各々、共通のN
型不純物拡散層208、209、210、211で構成
され、互いに電気的に接続されている。
Further, the source of the transistor 20 and the drain of the memory cell 24, the source of the transistor 21 and the drain of the memory cell 25, the source of the transistor 22 and the drain of the memory cell 26, and the source of the transistor 23 and the drain of the memory cell 27 Are each a common N
It is composed of type impurity diffusion layers 208, 209, 210, 211 and is electrically connected to each other.

【0013】205は、メモリセル24〜27のソース
に接続されたソース線である。
Reference numeral 205 denotes a source line connected to the sources of the memory cells 24 to 27.

【0014】なお、各トランジスタ18〜23のしきい
値電圧は、例えば1Vである。
The threshold voltage of each of the transistors 18 to 23 is, for example, 1V.

【0015】図13に、図12のA−B線に沿った断面
図を示す。同図において、220はP型シリコン基板で
あり、205′、208、203′はN型不純物拡散
層、223、224はシリコン熱酸化膜(ゲート酸化
膜)である。また、シリコン熱酸化膜224のうち22
5の部分は、シリコン熱酸化膜224の他の部分及びシ
リコン熱酸化膜223に比べて非常に薄い部分である
(例えば、シリコン熱酸化膜224の他の部分及びシリ
コン熱酸化膜223の膜厚が50nmの時、225の部
分の膜厚は10nm)。
FIG. 13 is a sectional view taken along the line AB in FIG. In the figure, 220 is a P-type silicon substrate, 205 ', 208, and 203' are N-type impurity diffusion layers, and 223 and 224 are silicon thermal oxide films (gate oxide films). Also, 22 out of the silicon thermal oxide film 224
The portion 5 is very thin compared to the other portions of the silicon thermal oxide film 224 and the silicon thermal oxide film 223 (for example, the thickness of the other portions of the silicon thermal oxide film 224 and the silicon thermal oxide film 223). Is 50 nm, the film thickness of the portion 225 is 10 nm).

【0016】また、226は、例えば多結晶シリコンで
形成されたフローティングゲート、206は、例えば多
結晶シリコンで形成された制御ゲートであり、227
は、フローティングゲート226と制御ゲート206の
間の絶縁膜(例えば、25nm程度の熱酸化膜)であ
る。
Reference numeral 226 denotes a floating gate formed of, for example, polycrystalline silicon, and reference numeral 206 denotes a control gate formed of, for example, polycrystalline silicon.
Is an insulating film between the floating gate 226 and the control gate 206 (for example, a thermal oxide film of about 25 nm).

【0017】更に、200は、例えば多結晶シリコンで
形成されたトランジスタ20(図12参照)のゲート
(図12のワード線200と一体に構成されている。)
であり、228は絶縁層、203は、例えばアルミニウ
ムを主材料としたビット線である。また、229は、ビ
ット線203と、トランジスタ20のドレインを構成す
るN型不純物拡散層203′とを接続するためのコンタ
クト孔である。なお、フローティングゲート226は、
その周囲を全て絶縁膜で囲まれ、他の導電部分から電気
的に絶縁されている。
Further, reference numeral 200 denotes a gate of the transistor 20 (see FIG. 12) formed of, for example, polycrystalline silicon (integrated with the word line 200 in FIG. 12).
228 is an insulating layer, and 203 is a bit line mainly made of, for example, aluminum. Reference numeral 229 denotes a contact hole for connecting the bit line 203 to the N-type impurity diffusion layer 203 'forming the drain of the transistor 20. Note that the floating gate 226 is
The entire area is surrounded by an insulating film, and is electrically insulated from other conductive portions.

【0018】図12及び図13の各メモリセルの電気的
等価回路を図14に示す。同図において、206は制御
ゲートで電圧Vg が印加され、208はドレインで電圧
dが印加され、205′はソースで電圧Vs が印加さ
れ、220は基板で電圧Vsub が印加される。図13の
酸化膜224及び絶縁膜227は夫々電気的にはキャパ
シタンスとして表すことができ、フローティングゲート
226と制御ゲート206との間のキャパシタンスをC
ip、フローティングゲート226とドレイン208との
間のキャパシタンスをCd 、フローティングゲート22
6とソース205′との間のキャパシタンスをCs 、フ
ローティングゲート226と基板220との間のキャパ
シタンスをCsub とする。ここで、フローティングゲー
ト226の電位をVf とすると、電荷保存の法則によ
り、
FIG. 14 shows an electrical equivalent circuit of each of the memory cells shown in FIGS. In the figure, 206 is a voltage V g applied at the control gate, 208 the voltage V d applied at the drain, 205 ', the voltage V s is applied at the source, 220 a voltage V sub is applied at the substrate . The oxide film 224 and the insulating film 227 in FIG. 13 can each be expressed electrically as capacitance, and the capacitance between the floating gate 226 and the control gate 206 is represented by C.
ip , the capacitance between the floating gate 226 and the drain 208 is C d , the floating gate 22
Let C s be the capacitance between C.6 and source 205 ′ and C sub be the capacitance between floating gate 226 and substrate 220. Here, assuming that the potential of the floating gate 226 is Vf , by the law of conservation of electric charge,

【0019】 Cip(Vg −Vf )=Cs (Vf −Vs )+Csub (Vf −Vsub )+Cd ( Vf −Vd ) …(1) この(1)式において、Vs =Vsub =Vd =0の時
は、 Vf =Vg ・Rp ここで、 Rp =Cip/(Cip+Cd +Csub +Cs ) …(2) であり、このRp は“カップリングレシオ”と呼ばれ
る。一般的には、Rp =0.55〜0.7である。
C ip (V g −V f ) = C s (V f −V s ) + C sub (V f −V sub ) + C d (V f −V d ) (1) In this equation (1) , V s = V sub = V d = 0, V f = V g · R p, where R p = C ip / (C ip + C d + C sub + C s ) (2) R p is called the “coupling ratio”. In general, an R p = from 0.55 to 0.7.

【0020】次に、この構成のEEPROMの書き換え
及び読み出しの動作を説明する。
Next, the rewriting and reading operations of the EEPROM having the above configuration will be described.

【0021】図12において、メモリセル24に書き込
みを行う場合、例えば、ワード線200を20V、セン
ス線202を0V、ビット線203を20V、ソース線
205を開放とすることにより、トランジスタ18、2
0、21がオン状態となり、制御ゲート206が0V、
メモリセル24のドレイン208が約18V(20Vか
らトランジスタ20のしきい値電圧を引いた値(但し、
基板効果を含む。))となる。これにより、メモリセル
24のフローティングゲート226(図13参照)に約
7Vの電圧が誘起される。この時、図13に示すシリコ
ン熱酸化膜224の225の部分の膜厚が10nmであ
るので、フローティングゲート226とドレイン208
との間の電位差により、この225の部分にファウラー
−ノルドハイムトンネル電流(ファウラー−ノルドハイ
ム(Fowler-Nordheim)の式に従うトンネル電流:以下、
「F−Nトンネル電流」と称する。)が流れる。このF
−Nトンネル電流は、一般に、極薄酸化膜(10nm以
下)に10MV/cm以上の電界を印加した時に流れ
る。そして、このF−Nトンネル電流により、ドレイン
208からフローティングゲート226に正孔が注入さ
れ、メモリセル24のしきい値が低くなる(例えば、メ
モリセル24の初期のしきい値を2Vとすると、書き込
み後は−2〜−3Vになる)。この時、ワード線200
以外のワード線及びビット線203以外のビット線、図
では、ワード線201及びビット線204の電圧を0V
とすることにより、メモリセル24以外のメモリセルに
は高電圧が印加されず、従って、書き込みは行われな
い。
Referring to FIG. 12, when writing data to the memory cell 24, for example, the word line 200 is set to 20 V, the sense line 202 is set to 0 V, the bit line 203 is set to 20 V, and the source line 205 is opened.
0 and 21 are turned on, the control gate 206 is set to 0V,
The drain 208 of the memory cell 24 is about 18V (a value obtained by subtracting the threshold voltage of the transistor 20 from 20V (however,
Including the substrate effect. )). As a result, a voltage of about 7 V is induced in the floating gate 226 of the memory cell 24 (see FIG. 13). At this time, since the thickness of the portion 225 of the silicon thermal oxide film 224 shown in FIG. 13 is 10 nm, the floating gate 226 and the drain 208
Due to the potential difference between the 225 and the Fowler-Nordheim tunnel current (tunnel current according to the Fowler-Nordheim equation:
This is referred to as “FN tunnel current”. ) Flows. This F
The -N tunnel current generally flows when an electric field of 10 MV / cm or more is applied to an extremely thin oxide film (10 nm or less). Then, due to the FN tunnel current, holes are injected from the drain 208 into the floating gate 226, and the threshold value of the memory cell 24 decreases (for example, if the initial threshold value of the memory cell 24 is 2V, After writing, the voltage becomes -2 to -3 V). At this time, the word line 200
And the bit lines other than the bit line 203, in the figure, the voltage of the word line 201 and the bit line 204 is set to 0V.
By doing so, no high voltage is applied to the memory cells other than the memory cell 24, and therefore, writing is not performed.

【0022】メモリセル24の消去を行う場合には、例
えば、ワード線200に20V、センス線202に20
V、ビット線203に0Vを印加することにより、制御
ゲート206が約18V、ドレイン208が0Vにな
る。これにより、メモリセル24のフローティングゲー
ト226に約11Vが誘起され、F−Nトンネル電流が
225の部分を流れて、電子がフローティングゲート2
26に注入され、メモリセル24のしきい値が高くなる
(例えば、6〜7V)。この時、ワード線200以外の
ワード線、例えばワード線201の印加電圧を0Vとす
ることにより、制御ゲート207が開放状態となり、メ
モリセル26、27は消去されない。但し、この場合、
ビット線には全て0Vが印加されるので、制御ゲート2
06と同じノードにつながる全てのメモリセル、例えば
メモリセル25は消去されてしまう。
When erasing the memory cell 24, for example, 20 V is applied to the word line 200 and 20 V is applied to the sense line 202.
By applying V to the bit line 203 and 0 V, the control gate 206 becomes about 18 V and the drain 208 becomes 0 V. As a result, about 11 V is induced in the floating gate 226 of the memory cell 24, the FN tunnel current flows through the portion 225, and electrons are
26, and the threshold value of the memory cell 24 increases (for example, 6 to 7 V). At this time, by setting the applied voltage of a word line other than the word line 200, for example, the word line 201 to 0 V, the control gate 207 is opened and the memory cells 26 and 27 are not erased. However, in this case,
Since 0 V is applied to all the bit lines, the control gate 2
All the memory cells connected to the same node as 06, for example, the memory cell 25 are erased.

【0023】メモリセル24の読み出しを行う場合に
は、例えば、ワード線200に5V、センス線202に
3V、ビット線203に2Vを印加することにより、ト
ランジスタ18、20がオン状態となり、メモリセル2
4のドレイン208が2V、制御ゲート206が5Vと
なる。この時、メモリセル24のしきい値電圧が6〜7
Vと高い場合には、このメモリセル24はオフ状態であ
り、そのドレイン−ソース間に電流は流れない。一方、
メモリセル24のしきい値電圧が−2〜−3Vと低い場
合には、このメモリセル24はオン状態になり、そのド
レイン−ソース間に電流が流れる。この電流の有無(或
いは、大小)を検出することにより、記憶情報の読み出
しが行われる。
When reading from the memory cell 24, for example, by applying 5 V to the word line 200, 3 V to the sense line 202, and 2 V to the bit line 203, the transistors 18 and 20 are turned on, and the memory cell 24 is turned on. 2
4 has a voltage of 2V and the control gate 206 has a voltage of 5V. At this time, the threshold voltage of the memory cell 24 is 6 to 7
When the voltage is as high as V, the memory cell 24 is off, and no current flows between its drain and source. on the other hand,
When the threshold voltage of the memory cell 24 is as low as -2 to -3 V, the memory cell 24 is turned on, and a current flows between its drain and source. By detecting the presence or absence (or magnitude) of the current, the stored information is read.

【0024】図15及び図16に、フローティングゲー
トを用いた従来の別のEEPROMメモリセルの構成例
を示す(この構成に関しては、文献1、3及び4に記載
がある。)。
FIGS. 15 and 16 show examples of the configuration of another conventional EEPROM memory cell using a floating gate (this configuration is described in Documents 1, 3 and 4).

【0025】図15において、30、31、32、33
はメモリセルであり、300、301はワード線、30
2、303はビット線である。そして、ワード線300
はメモリセル30、31の制御ゲートに接続され、ワー
ド線301はメモリセル32、33の制御ゲートに接続
されている。また、ビット線302はメモリセル30、
32のドレインに接続され、ビット線303はメモリセ
ル31、33のドレインに接続されている。また、30
4はソース線であり、メモリセル30〜33のソースに
接続されている。
In FIG. 15, 30, 31, 32, 33
Is a memory cell, 300 and 301 are word lines, 30
2, 303 are bit lines. And the word line 300
Is connected to the control gates of the memory cells 30 and 31, and the word line 301 is connected to the control gates of the memory cells 32 and 33. The bit line 302 is connected to the memory cell 30,
The bit line 303 is connected to the drains of the memory cells 31 and 33. Also, 30
Reference numeral 4 denotes a source line, which is connected to the sources of the memory cells 30 to 33.

【0026】図16に、図15のA−B線に沿った断面
図を示す。同図において、305はP型シリコン基板で
あり、302′、304′はN型不純物拡散層、306
は薄い(例えば、10nm)シリコン熱酸化膜(ゲート
酸化膜)である。また、309は、例えば多結晶シリコ
ンで形成されたフローティングゲート、300は、例え
ば多結晶シリコンで形成された制御ゲート(図14のワ
ード線300と一体に構成されている。)であり、30
7は、フローティングゲート309と制御ゲート300
との間の絶縁膜(例えば、酸化膜と窒化膜からなる25
nmの絶縁膜)である。更に、310は絶縁層、302
は、例えばアルミニウムを主材料としたビット線であ
る。また、308は、ビット線302とN型不純物拡散
層302′とを接続するためのコンタクト孔である。
FIG. 16 is a sectional view taken along the line AB in FIG. In the figure, reference numeral 305 denotes a P-type silicon substrate; 302 'and 304' denote N-type impurity diffusion layers;
Is a thin (for example, 10 nm) silicon thermal oxide film (gate oxide film). Reference numeral 309 denotes a floating gate formed of, for example, polycrystalline silicon; reference numeral 300 denotes a control gate formed of, for example, polycrystalline silicon (integrated with the word line 300 in FIG. 14);
7 is a floating gate 309 and a control gate 300
(For example, 25 made of an oxide film and a nitride film).
nm insulating film). Further, 310 is an insulating layer, 302
Is a bit line mainly made of aluminum, for example. Reference numeral 308 denotes a contact hole for connecting the bit line 302 and the N-type impurity diffusion layer 302 '.

【0027】次に、この構成のEEPROMの書き換え
及び読み出しの動作を説明する。
Next, the operation of rewriting and reading of the EEPROM having this configuration will be described.

【0028】今、各メモリセルのフローティングゲート
に電荷が注入されていない状態でのしきい値を例えば2
Vであるとする。
Now, the threshold value in a state where no electric charge is injected into the floating gate of each memory cell is set to, for example, 2
V.

【0029】図15のメモリセル30に書き込みを行う
場合、例えば、ワード線300を12V、ワード線30
1を0V、ビット線302を5V、ビット線303を0
V、ソース線304を0Vにする。この時、メモリセル
のカップリングレシオRp =0.6とすると、図16の
フローティングゲート309には約7Vが誘起される。
これにより、メモリセルのドレイン302′とソース3
04′との間に電子のチャネル層が形成され、しかも、
高いゲート電圧とドレイン電圧のためにドレイン30
2′近傍の高電界領域においてホットエレクトロンが発
生し、このホットエレクトロンがシリコン−ゲート酸化
膜間の電位障壁を越えてフローティングゲート309に
注入される。この現象を“チャネルホットエレクトロン
注入”(以下、「CHE注入」と称する。)と呼び、こ
のCHE注入により、図15のメモリセル30のしきい
値電圧が例えば6〜8Vと高くなり、書き込み動作が行
われる。この時、CHE注入が起こるに先立ち、メモリ
セル30のドレイン−ソース間には30μA〜1mAの
電流が流れる。また、ワード線301及びビット線30
3が共に0Vであるので、メモリセル31〜33には書
き込みが行われない。
When writing to the memory cell 30 in FIG. 15, for example, the word line 300 is
1 is 0 V, bit line 302 is 5 V, bit line 303 is 0
V, the source line 304 is set to 0V. At this time, assuming that the coupling ratio of the memory cell is R p = 0.6, about 7 V is induced in the floating gate 309 in FIG.
As a result, the drain 302 ′ and the source 3
04 ′, an electron channel layer is formed.
Drain 30 for high gate and drain voltages
Hot electrons are generated in the high electric field region near 2 ', and the hot electrons are injected into the floating gate 309 across the potential barrier between the silicon and the gate oxide film. This phenomenon is called "channel hot electron injection" (hereinafter referred to as "CHE injection"), and the CHE injection increases the threshold voltage of the memory cell 30 in FIG. Is performed. At this time, a current of 30 μA to 1 mA flows between the drain and the source of the memory cell 30 before the CHE injection occurs. In addition, the word line 301 and the bit line 30
3 is 0 V, no data is written to the memory cells 31 to 33.

【0030】メモリセル30の消去を行う場合には、例
えば、ワード線300を−9V、ワード線301を0
V、ビット線302と303を何れも開放にし、ソース
線304を5Vにする。これにより、メモリセル30の
フローティングゲート309に約−7Vが誘起され、ゲ
ート酸化膜306を経由してフローティングゲート30
9からソース304′にF−Nトンネル電流により電子
が引き抜かれる。そして、この電子の引き抜き量を制御
回路により適度に調整することで、メモリセル30のし
きい値を2〜3Vと低くする。なお、この例でも、ワー
ド線300を介してメモリセル30と共通の制御ゲート
を有する全てのメモリセル、例えばメモリセル31は消
去されてしまう。メモリセル32、33は、ワード線3
01が0Vのため、消去されない。
When erasing the memory cell 30, for example, the word line 300 is set to -9V, and the word line 301 is set to 0.
V, the bit lines 302 and 303 are both opened, and the source line 304 is set to 5V. As a result, about −7 V is induced in the floating gate 309 of the memory cell 30, and the floating gate 30
Electrons are extracted from No. 9 to the source 304 'by the FN tunnel current. The threshold value of the memory cell 30 is reduced to 2 to 3 V by appropriately adjusting the amount of the extracted electrons by the control circuit. Also in this example, all the memory cells having a common control gate with the memory cell 30 via the word line 300, for example, the memory cell 31 are erased. The memory cells 32 and 33 are connected to the word line 3
Since 01 is 0V, it is not erased.

【0031】メモリセル30の読み出しを行う場合に
は、例えば、ワード線300を5V、ワード線301を
0V、ビット線302を1V、ビット線303を0V、
ソース線304を0Vとすることにより、メモリセル3
0のしきい値が高い場合(例えば、6〜8V)には、メ
モリセル30のドレイン−ソース間に電流が流れない
が、しきい値が低い場合(例えば、2〜3V)には、メ
モリセル30のドレイン−ソース間に電流が流れる。
When reading data from the memory cell 30, for example, the word line 300 is set to 5V, the word line 301 is set to 0V, the bit line 302 is set to 1V, the bit line 303 is set to 0V.
By setting the source line 304 to 0 V, the memory cell 3
When the threshold value of 0 is high (for example, 6 to 8 V), no current flows between the drain and source of the memory cell 30, but when the threshold value is low (for example, 2 to 3 V), A current flows between the drain and the source of the cell 30.

【0032】[0032]

【発明が解決しようとする課題】図12及び図13に示
した第1の従来例では、メモリセルへの書き込みを、F
−Nトンネル電流を利用した電荷の注入により行ってい
るため、書き込み時にメモリセルに比較的小さな電流
(例えば、1メモリセル当り10〜1000pA)しか
必要ないという利点がある。
In the first conventional example shown in FIGS. 12 and 13, writing to a memory cell is performed by F
Since the charge is injected by using the -N tunnel current, there is an advantage that a relatively small current (for example, 10 to 1000 pA per memory cell) is required for the memory cell at the time of writing.

【0033】しかし、この第1の従来例では、セルアレ
ーの中で書き込みを選択的に行うために、図12のトラ
ンジスタ20〜23のようなメモリセルを相互に分離す
るための分離用トランジスタが必要であった。即ち、こ
れらの分離用トランジスタ20〜23がない場合には、
既述した方法により例えばメモリセル24に書き込みを
行うと、同時に、ビット線203に接続された全てのメ
モリセル、例えばメモリセル26にも書き込みが行われ
てしまう。このように、1ビットにつき1個の分離用ト
ランジスタを設けると、その占有面積は例えば80〜1
50μm2 程度必要となり、このためにセルアレーの大
規模集積化が妨げられるという問題があった。
In the first conventional example, however, an isolation transistor for isolating memory cells from each other, such as transistors 20 to 23 in FIG. 12, is required to selectively perform writing in the cell array. Met. That is, when these isolation transistors 20 to 23 are not provided,
When writing is performed on, for example, the memory cell 24 by the method described above, writing is performed on all the memory cells connected to the bit line 203, for example, the memory cell 26 at the same time. As described above, when one isolation transistor is provided for one bit, the occupied area is, for example, 80 to 1
About 50 μm 2 is required, which causes a problem that large-scale integration of the cell array is hindered.

【0034】一方、図15及び図16に示した第2の従
来例では、第1の従来例のような分離用トランジスタを
必要としないという利点がある反面、書き込み時にドレ
イン近傍からのCHE注入を利用するため、メモリセル
のその部分に大きな電流を必要とするという欠点があっ
た。即ち、F−Nトンネル電流を利用した書き込みの場
合には必要な電流量が小さいので、例えば3Vの電源電
圧での使用時においても、チャージポンプ回路等の昇圧
回路を集積回路に備えることで、単一電源電圧での動作
が可能である。これに対し、ドレイン近傍からのCHE
注入で書き込みを行う場合には、その部分でホットエレ
クトロンを発生させる必要からドレイン電圧の低下に限
度があり、例えば最小加工寸法が0.8μmレベルの集
積回路で6〜7V必要なものが、0.5μmレベルにな
っても5Vにしか下げられない。このため、低電圧化さ
れた単一電源電圧での使用は不可能に近かった。
On the other hand, the second conventional example shown in FIGS. 15 and 16 has an advantage that the isolation transistor is not required unlike the first conventional example, but the CHE injection from the vicinity of the drain at the time of writing is performed. There is a drawback that a large current is required for that part of the memory cell to use. That is, in the case of writing using the FN tunnel current, the necessary current amount is small. Therefore, even when using a power supply voltage of 3 V, for example, by providing a booster circuit such as a charge pump circuit in the integrated circuit, Operation with a single power supply voltage is possible. On the other hand, CHE from near the drain
In the case of writing by injection, a reduction in drain voltage is limited due to the need to generate hot electrons in that portion. For example, an integrated circuit having a minimum processing dimension of 0.8 μm and requiring 6 to 7 V is 0%. Even at the 0.5 μm level, it can only be reduced to 5V. For this reason, it was almost impossible to use a single power supply voltage with a reduced voltage.

【0035】また、仮にドレイン近傍からのCHE注入
を用いた書き込み時のドレイン電圧を3V程度に下げる
ことができたとしても、今度は、読み出し時におけるド
レイン電圧による誤書き込みがより起こり易くなるとい
う問題があった。即ち、ドレイン近傍からのCHE注入
を用いて書き込みを行う場合、書き込み時のドレイン電
圧と読み出し時のドレイン電圧との差が小さいと、読み
出し時のドレイン電圧によって誤書き込みが起こり易く
なり、メモリの信頼性を低下させるという問題があっ
た。
Even if the drain voltage at the time of writing using CHE injection from the vicinity of the drain can be reduced to about 3 V, erroneous writing due to the drain voltage at the time of reading is more likely to occur. was there. That is, when writing is performed using CHE injection from near the drain, if the difference between the drain voltage at the time of writing and the drain voltage at the time of reading is small, erroneous writing is likely to occur due to the drain voltage at the time of reading, and the reliability of the memory is reduced. There is a problem that the property is reduced.

【0036】要するに、従来のドレイン近傍からのCH
E注入を用いた書き込み方式では、F−Nトンネル電流
を用いた書き込み方式と比較して、電源電圧の低電圧化
が困難であるという問題があった。
In short, the conventional CH from the vicinity of the drain
The writing method using the E injection has a problem that it is difficult to lower the power supply voltage as compared with the writing method using the FN tunnel current.

【0037】そこで、本発明は、分離用トランジスタを
必要とせず、且つ、低電圧化された単一電源電圧での使
用が可能なEEPROM等の不揮発性半導体記憶装置の
書き換え方法を提供するとともに、この方法を実施する
ために好適な不揮発性半導体記憶装置を提供するもので
ある。
Accordingly, the present invention provides a method for rewriting a nonvolatile semiconductor memory device such as an EEPROM which does not require an isolation transistor and can be used with a reduced single power supply voltage. An object of the present invention is to provide a nonvolatile semiconductor memory device suitable for carrying out this method.

【0038】[0038]

【課題を解決するための手段】上述した目的を達成する
ために、本発明は、電気的に書き換えが可能な不揮発性
の半導体記憶装置であって、マトリクス状に配された複
数のメモリセルを有し、各メモリセルが、ソース及びド
レインと、これらのソース及びドレインの間に形成され
たチャネル領域と、このチャネル領域の上に設けられた
電荷保持層と、この電荷保持層の上に設けられた制御ゲ
ートとを有した不揮発性半導体記憶装置において、前記
各メモリセルが第1導電型の第1のウェル内に形成さ
れ、この第1のウェルが第2導電型の第2のウェル内に
形成され、この第2のウェルが第1導電型の半導体基板
に形成され、前記第1のウェルと前記第2のウェルヘの
電気的接続が前記半導体基板に対し夫々独立的に行われ
ているものであるとともに、前記各メモリセルにおい
て、前記電荷保持層に蓄積された電荷量の違いによるし
きい値電圧の変化に応じた書き込みレベルと消去レベル
を実現すべく、前記メモリセルの制御ゲートに電圧印加
するワード線と、前記メモリセルのドレインに電圧印加
するビット線とを備え、前記複数のメモリセルのうちか
ら選択されたメモリセルにおける前記書き込みレベル
を、前記ワード線による、接地電位よりも低い第1の電
圧と、前記ビット線による、前記接地電位よりも高い第
2の電圧と、前記メモリセルの制御ゲートと電気的に接
続された制御ゲートを有する少なくとも1個の第1の非
選択のメモリセルにおいて、前記ビット線による、前記
第1の電圧との間の電位差によってトンネル現象を引き
起こさない程度の前記第2の電圧よりも低い第3の電圧
と、前記メモリセルのドレインと電気的に接続されたド
レインを有する少なくとも1個の第2の非選択のメモリ
セルにおいて、前記ワード線による、前記第2の電圧と
の間の電位差によってトンネル現象を引き起こさない程
度の前記第1の電圧よりも高い第4の電圧とにより制御
する手段を有する
In order to achieve the above-mentioned object, the present invention provides an electrically rewritable nonvolatile semiconductor memory device comprising a plurality of memory cells arranged in a matrix. Wherein each memory cell comprises a source and a drain, a channel region formed between the source and the drain, a charge holding layer provided on the channel region, and a charge holding layer provided on the charge holding layer. The memory cells are formed in a first well of a first conductivity type, and the first well is formed in a second well of a second conductivity type. The second well is formed in a semiconductor substrate of a first conductivity type, and the first well and the second well are electrically connected to the semiconductor substrate independently of each other. If something In addition, in each of the memory cells, a voltage is applied to a control gate of the memory cell so as to realize a write level and an erase level according to a change in a threshold voltage due to a difference in the amount of charge stored in the charge holding layer. And a bit line for applying a voltage to the drain of the memory cell, wherein the write level in a memory cell selected from the plurality of memory cells is provided.
A first voltage lower than a ground potential by the word line, a second voltage higher than the ground potential by the bit line, and a control gate electrically connected to a control gate of the memory cell. In the at least one first non-selected memory cell having a third voltage lower than the second voltage, which does not cause a tunnel phenomenon due to a potential difference between the bit line and the first voltage. In at least one second unselected memory cell having a drain electrically connected to a drain of the memory cell, a tunneling phenomenon occurs due to a potential difference between the word line and the second voltage. controlled by a high fourth voltage than the first voltage as not to cause
Have means to do so .

【0039】本発明において好ましくは、前記電荷保持
層がフローティングゲートである。
In the present invention, preferably, the charge holding layer is a floating gate.

【0040】本発明において更に好ましくは、前記第1
のウェルの不純物濃度が前記半導体基板の不純物濃度よ
りも高い。
In the present invention, more preferably, the first
Has a higher impurity concentration than the semiconductor substrate.

【0041】本発明において好ましくは、前記不揮発性
半導体記憶装置は、前記メモリセルのソースに電圧印加
するソース線を備え、前記複数のメモリセルのうちから
選択されたメモリセルにおける前記消去レベルを、前記
ワード線による第5の電圧と、前記ソース線及び前記ビ
ット線による、前記第5の電圧よりも低い第6の電圧と
により、前記第5の電圧及び前記第6の電圧の電位差を
利用して、前記メモリセルのチャネル領域からトンネル
現象により負電荷を当該メモリセルの電荷保持層に注入
して制御する手段を有する。
Preferably, in the present invention, the nonvolatile semiconductor memory device includes a source line for applying a voltage to a source of the memory cell, and sets the erase level in a memory cell selected from the plurality of memory cells. A fifth voltage by the word line and a sixth voltage lower than the fifth voltage by the source line and the bit line are used to make use of a potential difference between the fifth voltage and the sixth voltage. A negative charge is injected into a charge holding layer of the memory cell from the channel region of the memory cell by a tunnel phenomenon.
Control means.

【0042】本発明において好ましくは、前記第6の電
圧が接地電位よりも低い。
In the present invention, preferably, the sixth power supply
Pressure is lower than ground potential.

【0043】[0043]

【0044】[0044]

【作用】本発明では、電荷保持層を有するEEPROM
等の不揮発性半導体記憶装置のメモリセルへ書き込みを
行う際、トンネル現象を用いることにより電荷保持層か
ら負電荷を引き抜くのであるが、従来とは異なり、選択
したメモリセルの制御ゲートには負電圧を印加し、ドレ
インに印加する電圧の高低(例えば、5Vと0V)によ
りトンネル現象の有無、即ち、書き込みを制御する。そ
して、選択したメモリセルのドレインと電気的に接続し
たドレインを有する非選択のメモリセルの制御ゲートに
は、上記負電圧よりも高く且つ電荷保持層に負電荷が蓄
積されていない状態でのメモリセルのしきい値電圧より
も低い電圧(例えば、上記負電圧が−8Vで且つメモリ
セルのしきい値電圧が2Vの場合、0V)を印加するこ
とにより、その非選択のメモリセルでのトンネル現象を
防止する。
According to the present invention, an EEPROM having a charge holding layer is provided.
When writing to a memory cell of a non-volatile semiconductor memory device such as the above, a negative charge is extracted from the charge holding layer by using a tunnel phenomenon. However, unlike the related art, a negative voltage is applied to the control gate of the selected memory cell. Is applied, and the presence or absence of a tunnel phenomenon, that is, writing is controlled by the level of the voltage applied to the drain (for example, 5 V and 0 V). The control gate of a non-selected memory cell having a drain electrically connected to the drain of the selected memory cell is connected to the memory in a state where the negative voltage is higher than the negative voltage and no negative charge is accumulated in the charge holding layer. By applying a voltage lower than the threshold voltage of the cell (for example, 0 V when the negative voltage is -8 V and the threshold voltage of the memory cell is 2 V), tunneling in the unselected memory cell is performed. Prevent the phenomenon.

【0045】この時、本発明の不揮発性半導体記憶装置
では、各メモリセルが、半導体基板に形成された2重ウ
ェル、例えば、P型半導体基板に形成されたNウェル内
に形成されたPウェルに形成されており、且つ、各ウェ
ルの電位を独立して変化させることができるようにして
いるので、各メモリセルの基板部即ちPウェルの電位
を、周辺回路部における基板部とは独立的に調整するこ
とができる。
At this time, in the nonvolatile semiconductor memory device of the present invention, each memory cell has a double well formed in a semiconductor substrate, for example, a P well formed in an N well formed in a P-type semiconductor substrate. And the potential of each well can be changed independently, so that the potential of the substrate portion of each memory cell, that is, the P well, is independent of the substrate portion of the peripheral circuit portion. Can be adjusted.

【0046】なお、本発明において、「トンネル現象」
は、ファウラー−ノルドハイムの式に従うF−Nトンネ
リングに限られず、他のトンネル現象、例えば直接トン
ネリングでも良い。
In the present invention, the "tunnel phenomenon"
Is not limited to FN tunneling according to the Fowler-Nordheim equation, but may be another tunneling phenomenon, for example, direct tunneling.

【0047】また、「電荷保持層」は、フローティング
ゲートに限られず、トラップ型のEEPROMメモリセ
ルにおける例えば窒化物による絶縁層等をも含めた電荷
を注入でき蓄積できる層を意味する。
The "charge holding layer" is not limited to the floating gate, but means a layer capable of injecting and storing charges including a nitride insulating layer in a trap type EEPROM memory cell.

【0048】[0048]

【実施例】以下、本発明を実施例につき図1〜図11を
参照して説明する。
BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS FIG. 1 is a perspective view of a first embodiment of the present invention; FIG.

【0049】図2は、本発明をEEPROMに適用した
一実施例の結線図であり、図1は、図2のA−B線に沿
った断面図である。
FIG. 2 is a connection diagram of an embodiment in which the present invention is applied to an EEPROM, and FIG. 1 is a sectional view taken along the line AB in FIG.

【0050】図2において、10、11、12、13は
フローティングゲートを有するメモリセル、100、1
01はワード線、102、103はビット線、104は
ソース線である。ワード線100はメモリセル10と1
1の制御ゲートに接続され、ワード線101はメモリセ
ル12と13の制御ゲートに接続されている。また、ビ
ット線102はメモリセル10と12のドレインに接続
され、ビット線103はメモリセル11と13のドレイ
ンに接続されている。更に、ソース線104はメモリセ
ル10〜13のソースに接続されている。
In FIG. 2, reference numerals 10, 11, 12, and 13 denote memory cells having floating gates,
01 is a word line, 102 and 103 are bit lines, and 104 is a source line. Word line 100 is connected to memory cells 10 and 1
The word line 101 is connected to the control gates of the memory cells 12 and 13. The bit line 102 is connected to the drains of the memory cells 10 and 12, and the bit line 103 is connected to the drains of the memory cells 11 and 13. Further, the source line 104 is connected to the sources of the memory cells 10 to 13.

【0051】本実施例においては、図1及び図4に示す
ように、P型シリコン基板105にNウェル112が形
成され、このNウェル112にPウェル113が形成さ
れている。そして、各メモリセルはこのPウェル113
に形成されている。このPウェル113の表面不純物濃
度は、例えば1×1017cm-3である。
In this embodiment, as shown in FIGS. 1 and 4, an N well 112 is formed in a P-type silicon substrate 105, and a P well 113 is formed in the N well 112. Each memory cell is connected to the P well 113
Is formed. The surface impurity concentration of the P well 113 is, for example, 1 × 10 17 cm −3 .

【0052】図4に示すように、Pウェル113は、N
ウェル112中に浮遊した形で形成されている。そし
て、セルアレーの周囲部において、Pウェル113及び
Nウェル112の電位を固定するための高濃度P型不純
物拡散層301及び高濃度N型不純物拡散層302が夫
々設けられている。
As shown in FIG. 4, the P well 113
It is formed in a form floating in the well 112. A high-concentration P-type impurity diffusion layer 301 and a high-concentration N-type impurity diffusion layer 302 for fixing the potentials of the P well 113 and the N well 112 are provided around the cell array, respectively.

【0053】各メモリセル、例えばメモリセル10は、
図1に示すように、ソース及びドレインを構成するN型
不純物拡散層104′及び102′、熱酸化により形成
された厚さ10nm程度のゲート酸化膜106、このゲ
ート酸化膜106の上に形成された厚さ150nm程度
の導電性多結晶シリコンからなるフローティングゲート
109、このフローティングゲート109の上に形成さ
れた酸化膜と窒化膜からなる厚さ25nm程度の絶縁膜
107、この絶縁膜107の上に形成された厚さ250
nm程度の導電性多結晶シリコンからなる制御ゲート1
00を有している。なお、制御ゲート100は、図2の
ワード線100と一体に構成されている。
Each memory cell, for example, the memory cell 10,
As shown in FIG. 1, N-type impurity diffusion layers 104 'and 102' constituting a source and a drain, a gate oxide film 106 having a thickness of about 10 nm formed by thermal oxidation, and formed on the gate oxide film 106 Gate 109 made of conductive polycrystalline silicon having a thickness of about 150 nm, an insulating film 107 made of an oxide film and a nitride film formed on the floating gate 109 and having a thickness of about 25 nm, Formed thickness 250
Control gate 1 made of conductive polycrystalline silicon of about nm
00. The control gate 100 is formed integrally with the word line 100 in FIG.

【0054】また、本実施例においては、図1及び図4
に示すように、メモリセルのソースを構成するN型不純
物拡散層104′が、Pウェル113よりも不純物濃度
が高い(例えば、1×1018cm-3)P型不純物拡散層
114により囲まれた状態になっている。
In this embodiment, FIGS. 1 and 4
As shown in FIG. 7, an N-type impurity diffusion layer 104 'constituting a source of a memory cell is surrounded by a P-type impurity diffusion layer 114 having an impurity concentration higher than that of a P well 113 (for example, 1 × 10 18 cm −3 ). It is in a state of being left.

【0055】図1において、110はチャネル領域で、
その幅は約0.4〜1μmである。また、111は絶縁
層、102はアルミニウムを主材料としたビット線であ
り、108は、このビット線102とドレインであるN
型不純物拡散層102′とを接続するためのコンタクト
孔である。
In FIG. 1, reference numeral 110 denotes a channel region.
Its width is about 0.4-1 μm. Further, 111 is an insulating layer, 102 is a bit line mainly composed of aluminum, and 108 is this bit line 102 and N which is a drain.
This is a contact hole for connecting with the impurity diffusion layer 102 '.

【0056】本実施例において、フローティングゲート
109に電荷が注入されていない時のメモリセルのしき
い値は約2Vであり、これが書き込みレベルになる。
In this embodiment, the threshold value of the memory cell when no charge is injected into the floating gate 109 is about 2 V, which is the write level.

【0057】図3に、本実施例のメモリセルの平面図を
示す。同図において、150はN型不純物拡散層(メモ
リセルのドレイン及びソース並びにソース線)、151
はワード線(=制御ゲート)、152はフローティング
ゲート、154はビット線、153はコンタクト孔であ
る。本実施例において、1ビット分のメモリセルの占有
面積は約10μm2 である。
FIG. 3 shows a plan view of the memory cell of this embodiment. In the figure, reference numeral 150 denotes an N-type impurity diffusion layer (a drain and a source and a source line of a memory cell);
Is a word line (= control gate), 152 is a floating gate, 154 is a bit line, and 153 is a contact hole. In this embodiment, the area occupied by the memory cell for one bit is about 10 μm 2 .

【0058】次に、図5及び図6を参照して、本実施例
の構造の製造方法を説明する。
Next, a method of manufacturing the structure of this embodiment will be described with reference to FIGS.

【0059】まず、図5(a)に示すように、P型シリ
コン基板105にイオン注入法によりリンを1×1012
〜1013cm-2程度のドーズ量で導入した後、熱処理を
行い、Nウェル112を形成する。この後、熱酸化によ
り400Å程度のシリコン酸化膜115を形成する。
First, as shown in FIG. 5A, 1 × 10 12 phosphorus is implanted into a P-type silicon substrate 105 by ion implantation.
After introducing at a dose of about 10 13 cm -2 , heat treatment is performed to form an N well 112. Thereafter, a silicon oxide film 115 of about 400 ° is formed by thermal oxidation.

【0060】次に、図5(b)に示すように、Nウェル
112の内側部分が開口した形のホトレジスト117を
ホトリソグラフィにより形成し、このホトレジスト11
7をマスクとしてイオン注入を行い、Nウェル112に
ホウ素を1×1013〜1014cm-2程度のドーズ量で導
入する。
Next, as shown in FIG. 5B, a photoresist 117 having an opening inside the N-well 112 is formed by photolithography.
7 is used as a mask, and boron is introduced into the N well 112 at a dose of about 1 × 10 13 to 10 14 cm −2 .

【0061】次に、図5(c)に示すように、熱処理を
行い、Nウェル112の中にPウェル113を形成す
る。
Next, as shown in FIG. 5C, heat treatment is performed to form a P well 113 in the N well 112.

【0062】次に、図6(a)に示すように、Pウェル
113の表面に熱酸化により厚さ10nm程度のシリコ
ン酸化膜106を形成し、この上に厚さ150nm程度
の導電性多結晶シリコン膜を形成する。この後、ホトリ
ソグラフィ技術によってこの導電性多結晶シリコン膜を
パターニングし、この導電性多結晶シリコン膜をメモリ
セル毎に分断する。次に、全面に、酸化膜と窒化膜から
なる厚さ25nm程度の絶縁膜を形成し、更に、その上
に厚さ250nm程度の導電性多結晶シリコン膜を形成
する。そして、ホトリソグラフィ及び反応性イオンエッ
チングによりこれらの絶縁膜及び上下の導電性多結晶シ
リコン膜をパターニングし、フローティングゲート10
9、絶縁膜107及び制御ゲート100を自己整合的に
形成する。
Next, as shown in FIG. 6A, a silicon oxide film 106 having a thickness of about 10 nm is formed on the surface of the P well 113 by thermal oxidation, and a conductive polycrystal having a thickness of about 150 nm is formed thereon. A silicon film is formed. Thereafter, the conductive polycrystalline silicon film is patterned by photolithography, and the conductive polycrystalline silicon film is divided into memory cells. Next, an insulating film made of an oxide film and a nitride film having a thickness of about 25 nm is formed on the entire surface, and a conductive polycrystalline silicon film having a thickness of about 250 nm is formed thereon. Then, the insulating film and the upper and lower conductive polycrystalline silicon films are patterned by photolithography and reactive ion etching to form a floating gate 10.
9. The insulating film 107 and the control gate 100 are formed in a self-aligned manner.

【0063】次に、図6(b)に示すように、ソースを
形成すべき部分と制御ゲート100の一部が開口したホ
トレジスト118をホトリソグラフィにより形成し、こ
のホトレジスト118と制御ゲート100をマスクとし
たイオン注入法によりPウェル113にBF2 イオンを
1×1013〜2×1014cm-2程度のドーズ量で導入す
る。
Next, as shown in FIG. 6B, a photoresist 118 having an opening at a portion where a source is to be formed and a part of the control gate 100 is formed by photolithography, and the photoresist 118 and the control gate 100 are masked. BF 2 ions are introduced into the P well 113 at a dose of about 1 × 10 13 to 2 × 10 14 cm −2 by the ion implantation method described above.

【0064】次に、図6(c)に示すように、ホトレジ
スト118を除去した後、Pウェル113の素子領域の
全面にイオン注入法によりヒ素イオンを1×1015〜1
16cm-2程度のドーズ量で導入する。
Next, as shown in FIG. 6C, after the photoresist 118 is removed, arsenic ions are implanted in an amount of 1 × 10 15 to 1 × 10 15 by ion implantation over the entire surface of the element region of the P well 113.
It is introduced at a dose of about 0 16 cm -2 .

【0065】次に、図6(d)に示すように、窒素雰囲
気中で950℃、30分程度の熱処理を行い、Pウェル
113に導入したヒ素及びホウ素を夫々熱拡散させて、
ドレイン102′、ソース104′、高濃度P型不純物
拡散層114を夫々形成する。
Next, as shown in FIG. 6D, a heat treatment is performed at 950 ° C. for about 30 minutes in a nitrogen atmosphere to thermally diffuse the arsenic and boron introduced into the P well 113, respectively.
A drain 102 ', a source 104', and a high-concentration P-type impurity diffusion layer 114 are formed.

【0066】この図6の工程により、ソース104′
が、Pウェル113よりも高濃度のP型不純物拡散層1
14に囲まれた構造を形成することができる。
By the process of FIG. 6, the source 104 '
Is a P-type impurity diffusion layer 1 having a higher concentration than the P well 113.
14 can be formed.

【0067】なお、図4に示されている素子分離領域
は、この図6の工程を実施する前にLOCOS法等によ
り形成される。また、高濃度P型不純物拡散層301及
び高濃度N型不純物拡散層302は、夫々、図6の工程
における同導電型の不純物拡散層を形成する際に同時に
形成しても良く、また、別の工程で形成しても良い。
The element isolation region shown in FIG. 4 is formed by the LOCOS method or the like before performing the step of FIG. The high-concentration P-type impurity diffusion layer 301 and the high-concentration N-type impurity diffusion layer 302 may be formed at the same time as forming the same conductivity type impurity diffusion layer in the step of FIG. May be formed in the step.

【0068】次に、この実施例のメモリセルの書き換え
方法を図7〜図10を参照して説明する。
Next, a method of rewriting a memory cell according to this embodiment will be described with reference to FIGS.

【0069】図7は、図2の回路において、メモリセル
10に書き込みを行う場合の印加電圧を示したものであ
る。
FIG. 7 shows the applied voltage when writing to the memory cell 10 in the circuit of FIG.

【0070】メモリセル10に書き込みを行う場合、図
示の如く、ワード線100の電圧をVw1とし、例えばV
w1=−8Vを印加する。また、ビット線102の電圧を
prg1とし、例えばVprg1=6Vを印加する。更に、基
板部であるPウェル113の電圧をVsub とし、例えば
sub =0Vとする。更に、ソース線104の電圧をV
asとし、ソース線104は開放にしておく。この時の電
圧関係は、Vprg1>Vsub ≒0V>Vw1である。この
時、制御ゲート100に負電圧が印加されているので、
メモリセル10、11はオフ状態であり、チャネルは形
成されない。上述の電圧条件を(1)式に適用し、カッ
プリングレシオRp =0.6とすると、図1のフローテ
ィングゲート109とドレイン102′との間の電位差
は約10.5Vとなる。そして、この電位差により、F
−Nトンネル電流が流れ、フローティングゲート109
からドレイン102′へ電子が引き抜かれる。この時、
書き込むメモリセル10は予め消去レベルにあり、フロ
ーティングゲート109から電子が引き抜かれることに
よって、そのしきい値が低くなる。そして、このしきい
値が過剰に低くならないように書き込み時間等を適当に
制御することにより、しきい値を書き込みレベルの2V
にすることができる。
When writing to the memory cell 10, the voltage of the word line 100 is set to V w1 as shown in FIG.
w1 = -8V is applied. Further, the voltage of the bit line 102 is set to V prg1, and for example, V prg1 = 6 V is applied. Further, the voltage of the P-well 113 serving as the substrate is set to V sub , for example, V sub = 0V. Further, the voltage of the source line 104 is set to V
as and the source line 104 is left open. The voltage relationship at this time is V prg1 > V sub ≒ 0V> V w1 . At this time, since a negative voltage is applied to the control gate 100,
Memory cells 10 and 11 are off, and no channel is formed. If the above voltage conditions are applied to the equation (1) and the coupling ratio R p = 0.6, the potential difference between the floating gate 109 and the drain 102 ′ in FIG. 1 is about 10.5V. Then, due to this potential difference, F
−N tunnel current flows and the floating gate 109
Electrons are extracted from the drain to the drain 102 '. At this time,
The memory cell 10 to which data is to be written is at an erase level in advance, and the threshold is lowered by extracting electrons from the floating gate 109. By properly controlling the writing time and the like so that the threshold value does not become excessively low, the threshold value is set to 2 V of the writing level.
Can be

【0071】図7に示すように、メモリセル10への書
き込み時において、ワード線101の電圧をVw2とし、
例えばVw2=0V(Vw2>Vw1)を印加する。また、ビ
ット線103の電圧をVprg2とし、例えばVprg2=0V
を印加する。この時、メモリセル11の制御ゲートとド
レインとの間の電位差は8Vとなり、これにより、メモ
リセル11のフローティングゲートには約7Vの電圧が
誘起されるが、この電圧による電位差ではF−Nトンネ
ル電流は流れず、従って、メモリセル11のしきい値は
変化しない。即ち、メモリセル11への書き込みは行わ
れない。また、メモリセル12の制御ゲートとドレイン
との間の電位差は6Vになり、これにより、メモリセル
12のフローティングゲートとドレインとの間に約5.
5Vの電位差が生じるが、この電位差では無論F−Nト
ンネル電流は流れず、従って、メモリセル12のしきい
値も変化しない。即ち、メモリセル12への書き込みも
行われない。
As shown in FIG. 7, at the time of writing to the memory cell 10, the voltage of the word line 101 is set to V w2 ,
For example, V w2 = 0 V (V w2 > V w1 ) is applied. The voltage of the bit line 103 is set to V prg2 , for example, V prg2 = 0V
Is applied. At this time, the potential difference between the control gate and the drain of the memory cell 11 is 8 V, which induces a voltage of about 7 V at the floating gate of the memory cell 11. No current flows, and thus the threshold value of the memory cell 11 does not change. That is, writing to the memory cell 11 is not performed. In addition, the potential difference between the control gate and the drain of the memory cell 12 becomes 6 V, so that about 5.0 V is applied between the floating gate and the drain of the memory cell 12.
Although a potential difference of 5 V occurs, an FN tunnel current does not flow at this potential difference, and the threshold value of the memory cell 12 does not change. That is, writing to the memory cell 12 is not performed.

【0072】次に、消去動作を説明する。Next, the erasing operation will be described.

【0073】図8は、図2の回路において、メモリセル
10の消去を行う場合の印加電圧の組み合わせの第1の
例を示したものである。
FIG. 8 shows a first example of a combination of applied voltages when erasing the memory cell 10 in the circuit of FIG.

【0074】この第1の消去方法例では、ワード線10
0の電圧をVers1とし、例えばVer s1=18Vを印加す
る。また、ビット線102、103及びソース線104
の電圧をVseとし、例えばVse=0V(Vers1≫Vse
を印加する。この時、メモリセル10の制御ゲート10
0に18Vの高電圧が印加されるので、メモリセル10
はオン状態になり、チャネルが形成される。そして、メ
モリセル10の制御ゲート100とチャネルとの間の電
位差が18Vとなるため、カップリングレシオRp
0.6とすると、メモリセル10のフローティングゲー
ト109に約11Vの電圧が誘起される。そして、この
電圧によるフローティングゲート109とチャネルとの
間の電位差により、F−Nトンネル電流が流れ、チャネ
ル領域からフローティングゲート109へ電子が注入さ
れる。この結果、メモリセル10のしきい値は例えば6
〜8Vと高くなり、メモリセル10が消去レベルにな
る。この時、メモリセル12と13は、ワード線101
の印加電圧が0Vであるので、そのしきい値は変化せ
ず、従って、これらのメモリセル12と13は消去され
ない。しかし、メモリセル11には、メモリセル10と
同様の電圧が印加されるので、このメモリセル11は消
去されてしまう。即ち、この第1の消去方法例では、従
来のEEPROMの場合と同様、選択したメモリセルと
同一のワード線上にあるメモリセルは全て消去される。
In the first example of the erasing method, the word line 10
0 voltage and V ERS1, is applied, for example, V er s1 = 18V. Also, the bit lines 102 and 103 and the source line 104
Is set to V se , for example, V se = 0 V (V ers1 ≫V se )
Is applied. At this time, the control gate 10 of the memory cell 10
0, a high voltage of 18 V is applied to the memory cell 10
Is turned on, and a channel is formed. Since the potential difference between the control gate 100 of the memory cell 10 and the channel is 18 V, the coupling ratio R p =
Assuming 0.6, a voltage of about 11 V is induced in the floating gate 109 of the memory cell 10. Then, an FN tunnel current flows due to a potential difference between the floating gate 109 and the channel due to this voltage, and electrons are injected into the floating gate 109 from the channel region. As a result, the threshold value of the memory cell 10 is, for example, 6
88V, and the memory cell 10 becomes the erase level. At this time, the memory cells 12 and 13 are connected to the word line 101.
Since the applied voltage is 0 V, the threshold value does not change, and therefore these memory cells 12 and 13 are not erased. However, since the same voltage as that of the memory cell 10 is applied to the memory cell 11, the memory cell 11 is erased. That is, in the first erasing method example, as in the case of the conventional EEPROM, all the memory cells on the same word line as the selected memory cell are erased.

【0075】図9に、図2のメモリセル10の消去を行
う場合の印加電圧の組み合わせの第2の例を示す。
FIG. 9 shows a second example of combinations of applied voltages when erasing the memory cell 10 of FIG.

【0076】この第2の消去方法例では、ワード線10
0に例えばVers1=8Vを印加し、ビット線102、1
03及びソース線104に例えばVse=−10V(V
ers1>0V>Vse)を印加する。この時、メモリセル1
0の制御ゲート100に8Vが印加されるので、メモリ
セル10はオン状態となり、チャネルが形成される。な
お、本例において、基板部であるPウェル113の電位
sub は、Vseと同じ値に設定してある。本例の場合、
メモリセル10の制御ゲート100とチャネルとの間の
電位差は18Vあるので、上述した第1の消去方法例の
場合と同様、F−Nトンネル電流が流れ、チャネル領域
からフローティングゲート109へ電子が注入される。
そして、そのしきい値が高くなり、メモリセル10が消
去レベルになる。また、ワード線101の印加電圧をV
ers2とし、例えばVers2=0Vとすることにより、メモ
リセル12及び13の夫々の制御ゲートとドレイン/ソ
ース/基板との間には8Vの電位差を生じ、これによ
り、夫々のフローティングゲートとドレイン/ソース/
基板との間に約6Vの電位差が誘起されるが、この電位
差ではF−Nトンネル電流は流れないので、メモリセル
12及び13の消去は行われない。なお、上述した第1
の消去方法例の場合と同様、この第2の消去方法例で
も、選択したメモリセルと同一のワード線上にあるメモ
リセル(例えば、メモリセル11)は全て消去される。
In the second example of the erasing method, the word line 10
For example, V ers1 = 8 V is applied to the bit lines 102, 1
03 and the source line 104, for example, V se = −10 V (V
ers1 >0V> Vse ). At this time, memory cell 1
Since 8 V is applied to the 0 control gate 100, the memory cell 10 is turned on and a channel is formed. In this example, the potential Vsub of the P well 113 as the substrate is set to the same value as Vse . In this case,
Since the potential difference between the control gate 100 of the memory cell 10 and the channel is 18 V, an FN tunnel current flows and electrons are injected from the channel region into the floating gate 109 as in the case of the above-described first erase method. Is done.
Then, the threshold value increases, and the memory cell 10 becomes the erase level. Further, the applied voltage of the word line 101 is V
By setting ers2 to, for example, V ers2 = 0 V, a potential difference of 8 V is generated between the control gate and the drain / source / substrate of each of the memory cells 12 and 13, whereby the respective floating gate and drain / Source/
Although a potential difference of about 6 V is induced between the substrate and the substrate, the FN tunnel current does not flow at this potential difference, so that the memory cells 12 and 13 are not erased. In addition, the first
In the second example of the erasing method, all the memory cells (for example, the memory cell 11) on the same word line as the selected memory cell are erased, as in the case of the example of the erasing method described above.

【0077】以上に説明した2つの消去方法例を用いた
メモリセルの書き換え方法では、書き込み及び消去の何
れにもトンネル現象を用い、且つ、分離用トランジスタ
を必要としない。従って、図12及び図13に示した第
1の従来例と比較してセルアレーの大幅な面積縮小を実
現することができ、ひいては、セルアレーの大規模集積
化を達成することができる。また、書き込みにCHE注
入を用いないため、図15及び図16に示した第2の従
来例と比較して、読み出し時にメモリセルのドレインに
印加する電圧を高くすることができる(例えば、従来技
術では1Vであったものを、2V以上にすることができ
る。)。この結果、読み出し時のメモリセルのオン電流
を大きくとることができ、読み出し時の読み出し速度を
速くすることができる。更に、書き込み及び消去の何れ
にもF−Nトンネル電流を用いているので、低電圧化さ
れた単一電源電圧での使用が可能となる。
The memory cell rewriting method using the two erasing method examples described above uses a tunnel phenomenon for both writing and erasing, and does not require an isolation transistor. Therefore, the area of the cell array can be significantly reduced as compared with the first conventional example shown in FIGS. 12 and 13, and a large-scale integration of the cell array can be achieved. Further, since CHE injection is not used for writing, the voltage applied to the drain of the memory cell at the time of reading can be higher than that of the second conventional example shown in FIGS. Then, what was 1V can be changed to 2V or more.) As a result, the ON current of the memory cell at the time of reading can be increased, and the reading speed at the time of reading can be increased. Furthermore, since the FN tunnel current is used for both writing and erasing, it can be used with a reduced single power supply voltage.

【0078】更に、本実施例では、メモリセルの消去
は、そのメモリセルのしきい値電圧を高くする動作とな
るので、消去時における過剰消去の問題を生じさせない
という利点もある。即ち、図15及び図16に示した第
2の従来例では、セルアレー全体を一括消去する際、メ
モリセルの製造時に生じる特性のばらつきに起因した過
剰消去(しきい値電圧が低くなりすぎる現象)が問題と
なっていた。そして、これを防止するために、消去作業
を時分割し、消去作業の途中でベリファイ動作を行う必
要があった。この結果、従来例では、その消去時間が長
くなっていた(例えば、1Mビットの集積度では約90
0ms必要であった。)。これに対し、上述した本発明
の実施例では、一括消去の場合でも、20ms以内での
動作が可能である。
Furthermore, in the present embodiment, erasing a memory cell is an operation of increasing the threshold voltage of the memory cell, and thus has the advantage of not causing the problem of excessive erasing during erasing. That is, in the second conventional example shown in FIGS. 15 and 16, when the entire cell array is collectively erased, excessive erasing (phenomenon in which the threshold voltage becomes too low) due to variations in characteristics that occur during the manufacture of memory cells. Was a problem. In order to prevent this, it is necessary to time-divide the erasing operation and perform the verify operation in the middle of the erasing operation. As a result, in the conventional example, the erasing time was long (for example, about 90% at 1 Mbit integration).
0 ms was required. ). On the other hand, in the above-described embodiment of the present invention, the operation can be performed within 20 ms even in the case of the batch erase.

【0079】更に、上述した本発明の実施例では、図1
及び図4に示すように、各メモリセルを、Nウェル11
2によってP型シリコン基板105から電気的に分離し
たPウェル113に形成しており、且つ、これらのPウ
ェル113とNウェル112の電位を夫々独立的に設定
できるように構成している。従って、メモリセルの書き
換え時の基板電位であるPウェル113の電位を比較的
自由に設定することができ、例えば、上述した第2の消
去方法例のように、Pウェル113に接地電位よりも低
い電圧を印加することにより、制御ゲートに印加する高
電圧(Vers1)を相対的に低くすることができる。この
結果、高電圧(Vers1)を制御する周辺回路におけるト
ランジスタ耐圧を低く設計することができるという利点
がある。特に、高電圧(Vers1)が印加される素子分離
部(フィールド部)の幅を狭くできるので、より高集積
化されたEEPROMを実現することができる。
Further, in the above-described embodiment of the present invention, FIG.
As shown in FIG. 4 and FIG.
2, the P-well 113 is formed in the P-well 113 electrically separated from the P-type silicon substrate 105, and the potentials of the P-well 113 and the N-well 112 can be independently set. Therefore, the potential of the P well 113, which is the substrate potential at the time of rewriting the memory cell, can be set relatively freely. For example, as in the above-described second erasing method, the P well 113 has a potential higher than the ground potential. By applying a low voltage, the high voltage (V ers1 ) applied to the control gate can be relatively reduced. As a result, there is an advantage that the transistor breakdown voltage in the peripheral circuit for controlling the high voltage (V ers1 ) can be designed to be low. In particular, since the width of the element isolation section (field section) to which the high voltage (V ers1 ) is applied can be reduced, a more highly integrated EEPROM can be realized.

【0080】図10に、図2のメモリセル10の消去を
行う場合の印加電圧の組み合わせの第3の例を示す。
FIG. 10 shows a third example of a combination of applied voltages when erasing the memory cell 10 of FIG.

【0081】この第3の消去方法例では、ワード線10
0に例えばVers1=12Vを印加し、ソース線104の
電圧をVse1 として、例えばVse1 =5Vを印加し、ビ
ット線102の電圧をVse2 として、例えばVse2 =0
Vを印加する。即ち、Vers1>Vse1 >Vse2 ≧0Vで
ある。この時、メモリセル10の制御ゲートに12V、
ソースに5V、ドレインに0Vが印加されるので、ソー
ス近傍でホットエレクトロンが発生し、このホットエレ
クトロンによるCHE注入が起こって、メモリセル10
のしきい値が高くなる。一方、ワード線101に例えば
ers2=0V(Vers1>Vers2)を印加すると、メモリ
セル12では、制御ゲートが0V、ドレインが0V、ソ
ースが5Vとなり、メモリセル12はオフ状態のままで
あって、そのしきい値は変化しない。また、この時、ビ
ット線103の電圧をVse3 として、例えばVse3 =5
V(Vse3 ≒Vse1 >Vse2 )を印加すると、メモリセ
ル11の制御ゲートは12V、ドレインは5V、ソース
は5Vとなり、制御ゲート電圧が12Vであるので、メ
モリセル11はオン状態となり、チャネルが形成される
が、ドレイン−ソース間に電位差がないため、チャネル
電流は流れず、従って、CHE注入も起きない。また、
電位差が小さいためにF−Nトンネル電流も発生せず、
従って、このメモリセル11のしきい値は変化しない。
更に、メモリセル13の制御ゲートには0V、ドレイン
には5V、ソースには5Vが夫々印加されるが、制御ゲ
ート電圧が0Vであるためにこのメモリセル13はオフ
状態であり、また、電位差も小さいので、このメモリセ
ル13のしきい値も変化しない。
In the third example of the erasing method, the word line 10
For example, V ers1 = 12 V is applied to 0, the voltage of the source line 104 is set to V se1 , for example, V se1 = 5 V is applied, and the voltage of the bit line 102 is set to V se2 , for example, V se2 = 0.
V is applied. That is, V ers1 > V se1 > V se2 ≧ 0V. At this time, 12V is applied to the control gate of the memory cell 10,
Since 5 V is applied to the source and 0 V is applied to the drain, hot electrons are generated in the vicinity of the source, and CHE injection by the hot electrons occurs.
Becomes higher. On the other hand, when, for example, V ers2 = 0V (V ers1 > V ers2 ) is applied to the word line 101, in the memory cell 12, the control gate becomes 0 V, the drain becomes 0 V, and the source becomes 5 V, and the memory cell 12 remains off. Thus, the threshold does not change. At this time, the voltage of the bit line 103 is set to V se3 , for example, V se3 = 5.
When V (V se3 ≒ V se1 > V se2 ) is applied, the control gate of the memory cell 11 is 12 V, the drain is 5 V, the source is 5 V, and the control gate voltage is 12 V, so that the memory cell 11 is turned on. A channel is formed, but since there is no potential difference between the drain and the source, no channel current flows, and thus no CHE injection occurs. Also,
Because the potential difference is small, no FN tunnel current is generated,
Therefore, the threshold value of the memory cell 11 does not change.
Further, 0 V is applied to the control gate, 5 V is applied to the drain, and 5 V is applied to the source of the memory cell 13. Since the control gate voltage is 0 V, the memory cell 13 is in the off state, and the potential difference Therefore, the threshold value of the memory cell 13 does not change.

【0082】この第3の消去方法例では、書き込みにド
レインでのF−Nトンネル電流、消去にソース方向から
のCHE注入を用いるので、図15及び図16に示した
第2の従来例に対し以下の利点を有している。
In the third erasing method, the FN tunnel current at the drain is used for writing, and the CHE injection from the source is used for erasing, so that the second conventional example shown in FIGS. It has the following advantages.

【0083】一つは、従来例では、消去時にバイト単位
(或いは、ワード単位若しくはセクタ単位)でしか選択
消去できなかったのに対し、この第3の消去方法例で
は、上述した如く、ビット単位での消去が可能である。
しかも、従来例では、バイト単位(或いは、ワード単位
若しくはセクタ単位)での消去を行うために、バイト
(或いは、ワード若しくはセクタ)選択用のトランジス
タをセルアレーとは別に用意する必要があったり、或い
は、ソース線をバイト単位(或いは、ワード単位若しく
はセクタ単位)に分離する必要があったのに対し、この
第3の消去方法例では、そのような手段を採ることなし
に、ビット単位での消去を行うことができる。従って、
不必要なメモリセルを消去することがなく、且つ、装置
の占有面積も小さくすることができる。
One is that, in the conventional example, selective erasing could be performed only in byte units (or word units or sector units) at the time of erasing, whereas in the third erasing method example, as described above, Can be erased.
Moreover, in the conventional example, in order to perform erasing in byte units (or word units or sector units), it is necessary to prepare a transistor for byte (or word or sector) selection separately from the cell array, or , It is necessary to separate the source line into byte units (or word units or sector units). In this third erasing method, however, erasing in bit units is not required. It can be performed. Therefore,
Unnecessary memory cells are not erased, and the area occupied by the device can be reduced.

【0084】また、メモリセルの読み出しを行う時に
は、図15及び図16に示した第2の従来例と同様、選
択したメモリセルのドレインに一定の電圧を印加し、ソ
ースを接地して読み出すのであるが、この第3の消去方
法例では、ソース方向からCHE注入を行っているの
で、ドレイン電圧による誤消去(従来例では、誤書き込
み)の虞が少なくなり、従って、読み出し時のドレイン
電圧を従来例と比較して高く設定することができ、読み
出し速度を速くすることができるという利点がある。ま
た、読み出し時のドレイン電圧と消去時のソース電圧と
は互いに独立しているため、CHE注入の際の低電圧化
が容易であるという利点もある。
When a memory cell is read, a constant voltage is applied to the drain of the selected memory cell and the source is grounded, as in the second conventional example shown in FIGS. However, in the third erasing method example, since CHE injection is performed from the source direction, the risk of erroneous erasure (erroneous writing in the conventional example) due to the drain voltage is reduced. There is an advantage that it can be set higher than in the conventional example and the reading speed can be increased. In addition, since the drain voltage at the time of reading and the source voltage at the time of erasing are independent of each other, there is an advantage that it is easy to lower the voltage at the time of CHE injection.

【0085】更に、図1及び図4に示す如く、本実施例
のメモリセルは、ソースを構成するN型不純物拡散層1
04′が、Pウェル113よりも不純物濃度が高いP型
不純物拡散層114により囲まれた構造となっている。
このため、ソース近傍のホットエレクトロンの発生効率
が、P型不純物拡散層114を設けない場合と比較し
て、大幅に向上する。図11に、P型不純物拡散層11
4を設けた場合(曲線41)とP型不純物拡散層114
を設けない場合(曲線42)とで、夫々、第3の消去方
法例に従い、消去を行った場合の消去特性を示す。この
グラフから分かるように、P型不純物拡散層114を設
けることにより、消去速度が1桁近く向上する。
Further, as shown in FIGS. 1 and 4, the memory cell of this embodiment has an N-type impurity diffusion layer 1 constituting a source.
04 'is surrounded by a P-type impurity diffusion layer 114 having an impurity concentration higher than that of the P well 113.
For this reason, the generation efficiency of hot electrons near the source is significantly improved as compared with the case where the P-type impurity diffusion layer 114 is not provided. FIG. 11 shows a P-type impurity diffusion layer 11.
4 (curve 41) and the P-type impurity diffusion layer 114
And the case where no is provided (curve 42) shows the erasing characteristics when erasing is performed according to the third example of erasing method. As can be seen from this graph, the provision of the P-type impurity diffusion layer 114 improves the erasing speed by almost one digit.

【0086】なお、本発明によるメモリセルの消去方法
として、上述した第1の消去方法例と第3の消去方法例
又は第2の消去方法例と第3の消去方法例を組み合わせ
た方法を用いることもできる。例えば、後者の場合、ビ
ット単位での消去を行う必要がある時には第3の消去方
法例を用い、セクタ単位若しくはもっと大きな単位(ブ
ロック乃至EEPROM全部のメモリセル)の消去を行
う時には第2の消去方法例を用いる。即ち、複数バイト
(数百バイト〜数Mバイト)を同時に消去したい用途に
おいて、第3の消去方法例では、消去に要する消費電力
の節約から、多少の時間(例えば、128kバイトでは
約1.3秒)を要するのに対し、第2の消去方法例を併
用することにより、約20msで行うことができる。
As the erasing method of the memory cell according to the present invention, a method combining the above-described first erasing method example and the third erasing method example or a combination of the second erasing method example and the third erasing method example is used. You can also. For example, in the latter case, the third erasing method is used when it is necessary to perform erasing in bit units, and the second erasing method is used when erasing in sector units or larger units (blocks or all memory cells in the EEPROM). An example method is used. That is, in an application in which a plurality of bytes (several hundred bytes to several megabytes) are to be erased simultaneously, the third example of the erasing method requires a certain amount of time (for example, approximately 1.3 bytes for 128 kbytes) to save power consumption required for erasing. Second), but by using the second example of the erasing method together, it can be performed in about 20 ms.

【0087】以上、本発明の実施例を説明したが、上述
の実施例は本発明を限定するものではない。例えば、上
述の実施例における書き換え方法において、具体的な電
圧値を示したが、これらの電圧値は、メモリセルの構
造、特に、酸化膜や層間絶縁膜のキャパシタンス値やカ
ップリングレシオの値に応じ、請求の範囲に記載した関
係を満足する範囲内で適宜変更されるべきものである。
Although the embodiments of the present invention have been described above, the above-described embodiments do not limit the present invention. For example, in the rewriting method in the above-described embodiment, specific voltage values are shown, but these voltage values are different depending on the structure of the memory cell, particularly, the capacitance value and the coupling ratio value of the oxide film and the interlayer insulating film. Accordingly, it should be appropriately changed within a range that satisfies the relationship described in the claims.

【0088】また、第3の消去方法を用いない場合、図
1及び図4のP型不純物拡散層114は特に設けなくて
も良い。
When the third erasing method is not used, the P-type impurity diffusion layer 114 shown in FIGS. 1 and 4 may not be provided.

【0089】[0089]

【発明の効果】本発明によれば、例えばEEPROM等
のメモリセルを、半導体基板と反対導電型の第2のウェ
ルに浮遊した形で形成した半導体基板と同導電型の第1
のウェルに形成し、且つ、これら第1及び第2のウェル
への電気的接続を夫々独立的に行っているので、メモリ
セルの書き換えを行う際の基板電位即ち第1のウェルの
電位を比較的任意に設定することができる。
According to the present invention, for example, a memory cell such as an EEPROM is formed in a first well of the same conductivity type as a semiconductor substrate formed in a form floating in a second well of the opposite conductivity type to the semiconductor substrate.
And the electrical connection to the first and second wells is made independently of each other. Therefore, the substrate potential when rewriting the memory cell, that is, the potential of the first well is compared. Can be set arbitrarily.

【0090】また、本発明の書き換え方法により、単一
電源電圧での書き換え及び読み出しが可能で且つ低電源
電圧化が容易となる。更に、分離用トランジスタ等を必
要としないので、セル面積の縮小化が可能であり、集積
度の向上を図ることができる。
Further, according to the rewriting method of the present invention, rewriting and reading can be performed with a single power supply voltage, and low power supply voltage can be easily reduced. Further, since no isolation transistor or the like is required, the cell area can be reduced, and the degree of integration can be improved.

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

【図1】本発明の一実施例によるEEPROMメモリセ
ルの概略縦断面図であり、図2のA−B線に沿った部分
の概略縦断面図である。
FIG. 1 is a schematic longitudinal sectional view of an EEPROM memory cell according to an embodiment of the present invention, and is a schematic longitudinal sectional view of a portion along a line AB in FIG.

【図2】図1のメモリセルの電気的結線を示す回路図で
ある。
FIG. 2 is a circuit diagram showing an electrical connection of the memory cell of FIG. 1;

【図3】図2の部分に相当するEEPROMメモリセル
の概略平面図である。
FIG. 3 is a schematic plan view of an EEPROM memory cell corresponding to the portion of FIG. 2;

【図4】本発明の一実施例によるEEPROMのセルア
レー周辺部の構成を示す概略縦断面図である。
FIG. 4 is a schematic vertical sectional view showing a configuration of a peripheral portion of a cell array of an EEPROM according to an embodiment of the present invention.

【図5】本発明の一実施例によるEEPROMメモリセ
ルの製造方法を示す概略縦断面図である。
FIG. 5 is a schematic vertical sectional view showing a method for manufacturing an EEPROM memory cell according to one embodiment of the present invention.

【図6】本発明の一実施例によるEEPROMメモリセ
ルの製造方法を示す概略縦断面図である。
FIG. 6 is a schematic longitudinal sectional view showing a method for manufacturing an EEPROM memory cell according to one embodiment of the present invention.

【図7】図2のメモリセルに書き込みを行う場合の印加
電圧を示す図である。
FIG. 7 is a diagram showing applied voltages when writing is performed on the memory cell of FIG. 2;

【図8】図2のメモリセルの第1の消去方法例による印
加電圧を示す図である。
8 is a diagram showing applied voltages according to a first example of an erasing method of the memory cell of FIG. 2;

【図9】図2のメモリセルの第2の消去方法例による印
加電圧を示す図である。
FIG. 9 is a diagram illustrating applied voltages according to a second example of the erasing method of the memory cell in FIG. 2;

【図10】図2のメモリセルの第3の消去方法例による
印加電圧を示す図である。
FIG. 10 is a diagram illustrating applied voltages according to a third example of the erasing method of the memory cell in FIG. 2;

【図11】図1のメモリセルのソースを囲む高濃度P型
不純物拡散層の有無による第3の消去方法例での消去特
性を示すグラフである。
FIG. 11 is a graph showing erasing characteristics in a third erasing method example depending on the presence or absence of a high-concentration P-type impurity diffusion layer surrounding the source of the memory cell of FIG. 1;

【図12】従来のEEPROMメモリセルの電気的結線
を示す回路図である。
FIG. 12 is a circuit diagram showing an electrical connection of a conventional EEPROM memory cell.

【図13】図12のA−B線に沿った部分での縦断面図
である。
FIG. 13 is a vertical cross-sectional view taken along a line AB in FIG. 12;

【図14】図13のメモリセルの等価回路図である。FIG. 14 is an equivalent circuit diagram of the memory cell of FIG. 13;

【図15】従来の別のEEPROMメモリセルの電気的
結線を示す回路図である。
FIG. 15 is a circuit diagram showing an electrical connection of another conventional EEPROM memory cell.

【図16】図15のA−B線に沿った部分での縦断面図
である。
FIG. 16 is a longitudinal sectional view taken along a line AB in FIG. 15;

【符号の説明】[Explanation of symbols]

10、11、12、13 メモリセル 100、101 ワード線(制御ゲート) 102、103 ビット線 102′ ドレイン 104 ソース線 104′ ソース 105 P型シリコン基板 106 ゲート酸化膜 107 絶縁膜 109 フローティングゲート 110 チャネル領域 112 Nウェル 113 Pウェル 114 高濃度P型不純物拡散層 150 N型拡散層 151 制御ゲート 152 フローティングゲート 154 ビット線 10, 11, 12, 13 Memory cell 100, 101 Word line (control gate) 102, 103 Bit line 102 'Drain 104 Source line 104' Source 105 P-type silicon substrate 106 Gate oxide film 107 Insulating film 109 Floating gate 110 Channel region 112 N well 113 P well 114 High concentration P type impurity diffusion layer 150 N type diffusion layer 151 Control gate 152 Floating gate 154 Bit line

フロントページの続き (56)参考文献 特開 平4−229655(JP,A) 特開 昭60−200574(JP,A) 特開 平4−256361(JP,A) 特開 平1−320700(JP,A) 特開 昭60−72275(JP,A) 特開 平5−183171(JP,A) 特開 平6−244386(JP,A) 特開 平6−151785(JP,A) 特開 平5−343700(JP,A) 特開 平4−211178(JP,A) 特開 平3−99474(JP,A) 特開 平2−143464(JP,A) 特開 平1−130570(JP,A) 特開 昭61−264764(JP,A) IEEE JOURNAL OF S OLID−STATE CIRCUIT S,Vol.27,No.11,p.1547− 1554 日経マイクロデバイス1993年1月号, 1992年12月24日,No.91,p.59−68 (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) H01L 21/8247 H01L 27/115 H01L 29/788 H01L 29/792 Continuation of the front page (56) References JP-A-4-229655 (JP, A) JP-A-60-200574 (JP, A) JP-A-4-256361 (JP, A) JP-A-1-320700 (JP, A) JP-A-60-72275 (JP, A) JP-A-5-183171 (JP, A) JP-A-6-244386 (JP, A) JP-A-6-151785 (JP, A) 5-343700 (JP, A) JP-A-4-211178 (JP, A) JP-A-3-99474 (JP, A) JP-A-2-143464 (JP, A) JP-A-1-130570 (JP, A) A) JP-A-61-264764 (JP, A) IEEE JOURNAL OF S OLID-STATE CIRCUIT S, Vol. 27, No. 11, p. 1547-1554 Nikkei Microdevices January 1993, December 24, 1992, No. 91, p. 59-68 (58) Fields investigated (Int.Cl. 7 , DB name) H01L 21/8247 H01L 27/115 H01L 29/788 H01L 29/792

Claims (8)

(57)【特許請求の範囲】(57) [Claims] 【請求項1】 電気的に書き換えが可能な不揮発性の半
導体記憶装置であって、マトリクス状に配された複数の
メモリセルを有し、各メモリセルが、ソース及びドレイ
ンと、これらのソース及びドレインの間に形成されたチ
ャネル領域と、このチャネル領域の上に設けられた電荷
保持層と、この電荷保持層の上に設けられた制御ゲート
とを有した不揮発性半導体記憶装置において、 前記各メモリセルが第1導電型の第1のウェル内に形成
され、この第1のウェルが第2導電型の第2のウェル内
に形成され、この第2のウェルが第1導電型の半導体基
板に形成され、前記第1のウェルと前記第2のウェルヘ
の電気的接続が前記半導体基板に対し夫々独立的に行わ
れているものであるとともに、 前記各メモリセルにおいて、前記電荷保持層に蓄積され
た電荷量の違いによるしきい値電圧の変化に応じた書き
込みレベルと消去レベルを実現すべく、前記メモリセル
の制御ゲートに電圧印加するワード線と、前記メモリセ
ルのドレインに電圧印加するビット線とを備え、 前記複数のメモリセルのうちから選択されたメモリセル
における前記書き込みレベルを、 前記ワード線による、接地電位よりも低い第1の電圧
と、 前記ビット線による、前記接地電位よりも高い第2の電
圧と、 前記メモリセルの制御ゲートと電気的に接続された制御
ゲートを有する少なくとも1個の第1の非選択のメモリ
セルにおいて、前記ビット線による、前記第1の電圧と
の間の電位差によってトンネル現象を引き起こさない程
度の前記第2の電圧よりも低い第3の電圧と、 前記メモリセルのドレインと電気的に接続されたドレイ
ンを有する少なくとも1個の第2の非選択のメモリセル
において、前記ワード線による、前記第2の電圧との間
の電位差によってトンネル現象を引き起こさない程度の
前記第1の電圧よりも高い第4の電圧とにより制御する
手段を有することを特徴とする不揮発性半導体記憶装
置。
An electrically rewritable non-volatile semiconductor memory device including a plurality of memory cells arranged in a matrix, wherein each memory cell includes a source and a drain, and the source and the drain. A nonvolatile semiconductor memory device having a channel region formed between the drains, a charge holding layer provided on the channel region, and a control gate provided on the charge holding layer; A memory cell is formed in a first well of a first conductivity type, the first well is formed in a second well of a second conductivity type, and the second well is a semiconductor substrate of the first conductivity type. And the electrical connection between the first well and the second well is made independently to the semiconductor substrate, and in each of the memory cells, the electrical charge is stored in the charge holding layer. A word line for applying a voltage to a control gate of the memory cell, and a bit for applying a voltage to a drain of the memory cell, in order to realize a write level and an erase level according to a change in a threshold voltage due to a difference in the amount of charge applied A write voltage in a memory cell selected from the plurality of memory cells, a first voltage lower than a ground potential by the word line, and a first voltage lower than a ground potential by the bit line. A high second voltage; and at least one first unselected memory cell having a control gate electrically connected to a control gate of the memory cell, wherein the first voltage is applied by the bit line. A third voltage lower than the second voltage that does not cause a tunnel phenomenon due to a potential difference between the third voltage and an electrical contact with a drain of the memory cell; In the at least one second unselected memory cell having a drain connected to the memory cell, the word line is higher than the first voltage such that a potential difference between the memory cell and the second voltage does not cause a tunnel phenomenon. Control by the fourth voltage
The nonvolatile semiconductor memory device characterized by having means.
【請求項2】 第2導電型の前記不純物拡散層が前記高
濃度不純物拡散層により囲まれた構造となっていること
を特徴とする請求項1に記載の不揮発性半導体記憶装
置。
2. The nonvolatile semiconductor memory device according to claim 1, wherein said impurity diffusion layer of the second conductivity type is surrounded by said high-concentration impurity diffusion layer.
【請求項3】 前記第1のウェルの不純物濃度が前記半
導体基板の不純物濃度よりも高いことを特徴とする請求
項1又は2に記載の不揮発性半導体記憶装置。
3. The nonvolatile semiconductor memory device according to claim 1, wherein an impurity concentration of said first well is higher than an impurity concentration of said semiconductor substrate.
【請求項4】 前記メモリセルのソースに電圧印加する
ソース線を備え、前記複数のメモリセルのうちから選択
されたメモリセルにおける前記消去レベルを、 前記ワード線による第5の電圧と、 前記ソース線及び前記ビット線による、前記第5の電圧
よりも低い第6の電圧とにより、前記第5の電圧及び前
記第6の電圧の電位差を利用して、前記メモリセルのチ
ャネル領域からトンネル現象により負電荷を当該メモリ
セルの電荷保持層に注入して制御する手段を有すること
を特徴とする請求項1〜3のいずれか1項に記載の不揮
発性半導体記憶装置。
4. A source line for applying a voltage to a source of the memory cell, wherein the erase level in a memory cell selected from the plurality of memory cells is set to a fifth voltage by the word line; And a sixth voltage lower than the fifth voltage by the line and the bit line, the potential difference between the fifth voltage and the sixth voltage is used to cause tunneling from the channel region of the memory cell. 4. The nonvolatile semiconductor memory device according to claim 1, further comprising: means for injecting a negative charge into the charge holding layer of the memory cell to control the charge.
【請求項5】 前記第6の電圧が接地電位よりも低い
とを特徴とする請求項4に記載の不揮発性半導体記憶装
置。
5. The nonvolatile semiconductor memory device according to claim 4, wherein said sixth voltage is lower than a ground potential .
【請求項6】 電気的に書き換えが可能な不揮発性の半
導体記憶装置であって、マトリクス状に配された複数の
メモリセルを有し、各メモリセルが、ソース及びドレイ
ンと、これらのソース及びドレインの間に形成されたチ
ャネル領域と、このチャネル領域の上に設けられた電荷
保持層と、この電荷保持層の上に設けられた制御ゲート
とを有した不揮発性半導体記憶装置の書き換え方法にお
いて、 前記不揮発性半導体記憶装置は、前記各メモリセルが第
1導電型の第1のウェル内に形成され、この第1のウェ
ルが第2導電型の第2のウェル内に形成され、この第2
のウェルが第1導電型の半導体基板に形成され、前記第
1のウェルと前記第2のウェルヘの電気的接続が前記半
導体基板に対し夫々独立的に行われるものであり、 前記各メモリセルが、前記電荷保持層に蓄積された電荷
量の違いによるしきい値電圧の変化に応じた書き込みレ
ベルと消去レベルを有し、 前記複数のメモリセルのうちの選択したメモリセルベ書
き込みを行う場合、 当該メモリセルの制御ゲートに接地電位よりも低い第1
の電圧を印加するとともに、当該メモリセルのドレイン
に接地電位よりも高い第2の電圧を印加し、これら第1
及び第2の電圧の電位差によって、当該メモリセルの電
荷保持層からトンネル現象により負電荷を引き抜き、当
該メモリセルを前記書き込みレベルにするとともに、 前記選択したメモリセルの制御ゲートと電気的に接続さ
れた制御ゲートを有する少なくとも1個の第1の非選択
のメモリセルのドレインには、前記第1の電圧との間の
電位差によってトンネル現象を引き起こさない程度に前
記第2の電圧よりも低い第3の電圧を印加し、且つ、 前記選択したメモリセルのドレインと電気的に接続され
たドレインを有する少なくとも1個の第2の非選択のメ
モリセルの制御ゲートには、前記第2の電圧との間の電
位差によってトンネル現象を引き起こさない程度に前記
第1の電圧よりも高い第4の電圧を印加することを特徴
とする不揮発性半導体記憶装置の書き換え方法。
6. An electrically rewritable non-volatile semiconductor memory device having a plurality of memory cells arranged in a matrix, wherein each memory cell includes a source and a drain, and the source and the drain. In a rewriting method for a nonvolatile semiconductor memory device having a channel region formed between drains, a charge holding layer provided on the channel region, and a control gate provided on the charge holding layer, In the nonvolatile semiconductor memory device, each of the memory cells is formed in a first well of a first conductivity type, and the first well is formed in a second well of a second conductivity type. 2
Are formed in a semiconductor substrate of a first conductivity type, and electrical connection between the first well and the second well is performed independently of the semiconductor substrate. A memory having a write level and an erase level corresponding to a change in a threshold voltage due to a difference in the amount of charge stored in the charge holding layer; and performing a write operation on a selected one of the plurality of memory cells. The control gate of the cell has a first voltage lower than the ground potential.
And a second voltage higher than the ground potential is applied to the drain of the memory cell.
A negative charge is extracted from the charge holding layer of the memory cell by a tunnel phenomenon due to a potential difference between the second voltage and the second voltage, the memory cell is set to the write level, and is electrically connected to a control gate of the selected memory cell. The drain of at least one first unselected memory cell having a control gate is provided with a third voltage lower than the second voltage so as not to cause a tunnel phenomenon due to a potential difference between the first voltage and the first voltage. And a control gate of at least one second non-selected memory cell having a drain electrically connected to the drain of the selected memory cell is connected to the second voltage. And applying a fourth voltage higher than the first voltage to such an extent that a tunneling phenomenon is not caused by a potential difference therebetween. Rewriting storage device.
【請求項7】 前記複数のメモリセルのうちの選択した
メモリセルの消去を行う場合、当該メモリセルの制御ゲ
ートに第5の電圧を印加するとともに、当該メモリセル
のソース及びドレインに前記第5の電圧よりも低い第6
の電圧を印加し、これら第5及び第6の電圧の電位差に
よって、当該メモリセルの電荷保持層にチャネル領域か
らトンネル現象により負電荷を注入し、当該メモリセル
を前記消去レベルにすることを特徴とする請求項6に記
載の不揮発性半導体記憶装置の書き換え方法。
7. When erasing a selected memory cell among the plurality of memory cells, applying a fifth voltage to a control gate of the memory cell and applying the fifth voltage to a source and a drain of the memory cell. 6th lower than the voltage of
And applying a potential difference between the fifth and sixth voltages to inject a negative charge from the channel region into the charge holding layer of the memory cell by a tunnel phenomenon to bring the memory cell to the erase level. 7. The rewriting method for a nonvolatile semiconductor memory device according to claim 6, wherein:
【請求項8】 前記第6の電圧が接地電位よりも低いこ
とを特徴とする請求項7に記載の不揮発性半導体記憶装
置の書き換え方法。
8. The method according to claim 7, wherein the sixth voltage is lower than a ground potential.
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