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Timestamp: 2019-10-15 08:47:21
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JP4370104B2 - A semiconductor memory device - Google Patents
JP4370104B2
JP4370104B2 JP2003035280A JP2003035280A JP4370104B2 JP 4370104 B2 JP4370104 B2 JP 4370104B2 JP 2003035280 A JP2003035280 A JP 2003035280A JP 2003035280 A JP2003035280 A JP 2003035280A JP 4370104 B2 JP4370104 B2 JP 4370104B2
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2009-11-25 Publication of JP4370104B2 publication Critical patent/JP4370104B2/en
本発明は、半導体記憶装置の動作方法に関する。 The present invention relates to a method of operating the semiconductor memory device. より詳細には、電荷量の変化を電流量に変換する機能を有する電界効果トランジスタからなる半導体記憶装置に関する。 To a semiconductor memory device comprising a field effect transistor having a function of converting the change in the charge amount to the amount of current.
従来から、１つの電界効果トランジスタで２ビットの記憶が可能な不揮発性メモリとして、サイファン・セミコンダクターズ・リミテッド社が開発したメモリがある（例えば特許文献１参照）。 Conventionally, as one non-volatile memory capable of storing 2 bits in field effect transistors, Sai Van Semiconductors Limited, Inc. is the developed memory (for example, see Patent Document 1). 上記従来技術のメモリの構造と、消去動作原理を以下で説明する。 The structure of the memory of the prior art will be described below an erase operation principle.
このメモリは、図９に示したように、Ｐ型ウェル領域９０１上にゲート絶縁膜を介して形成されたゲート電極９０９、Ｐ型ウェル領域９０１表面に形成された第１のＮ型拡散層領域９０２及び第２のＮ型拡散層領域９０３から構成される。 This memory, as shown in FIG. 9, a first N-type diffusion regions formed in the P-type well region 901 a gate electrode 909 which is formed through a gate insulating film on, P-type well region 901 surface 902 and a second N-type diffusion layer region 903. ゲート絶縁膜は、シリコン酸化膜９０４、９０５の間にシリコン窒化膜９０６が挟まれた、いわゆるＯＮＯ(Ｏｘｉｄｅ Ｎｉｔｒｉｄｅ Ｏｘｉｄｅ)膜からなる。 Gate insulating film, a silicon nitride film 906 between the silicon oxide film 904, 905 is interposed, made of a so-called ONO (Oxide Nitride Oxide) film. シリコン窒化膜９０６中には、第１及び第２のＮ型拡散層領域９０２、９０３の端部付近に、それぞれ記憶保持部９０７、９０８が形成されている。 In the silicon nitride film 906, near the end of the first and second N-type diffusion layer region 902 and 903, respectively storing holder 907 is formed.
これらの記憶保持部９０７、９０８のそれぞれの個所での電荷の多寡をトランジスタのドレイン電流として読み出すことにより、１トランジスタで２ビットの情報を記憶させることができる。 By reading the amount of charge in each of locations of these storage holding unit 907 as the drain current of the transistor, can be stored 2 bits by one transistor.
次に、このメモリにおける消去動作方法を説明する。 Next, the erasing operation method in the memory. ここで、消去とは、記憶保持部９０７，９０８に蓄積された電子を放出させることを指すこととする。 Here, the erasing, and it refers to emit electrons accumulated in the storage holding unit 907, 908. 特表２００１−５１２２９０号公報では、右側の記憶保持部９０８に蓄積された電子を放出させるために、第２の拡散層領域９０３に５．５Ｖを、ゲート電極９０９に−８Ｖを印加してドレイン電極に電子を引きぬく方法が開示されている。 In Kohyo 2001-512290 discloses, in order to release the electrons accumulated on the right side of the memory holding unit 908, the 5.5V to the second diffusion layer region 903, by applying -8V to the gate electrode 909 drain how pulling out electrons to the electrode is disclosed. これにより、２つある記憶保持部の特定の側を消去することができる。 Thus, it is possible to erase the particular side of the two is storage holder. 特定の側の書込み及び読出しを行う方法も開示されており、これらの方法を総合して２ビット動作が可能となっている。 Method for performing write and read specific side have also been disclosed, Together 2-bit operation of these methods is possible.
特表２００１−５１２２９０号公報【０００７】 JP-T-2001-512290 [0007]
しかし、前記のメモリでは、ゲート絶縁膜は、トランジスタを動作させるための機能と、電荷を蓄積するメモリ膜としての機能を併せ持たせるために、ＯＮＯ膜の３層構造となっていた。 However, in the memory, the gate insulating film has a function for operating the transistor, in order to Awasemota functions as a memory layer for storing charge, has been a three-layer structure of the ONO film. それゆえ、ゲート絶縁膜の薄膜化が困難であった。 Therefore, thinning of the gate insulating film is difficult. また、チャネル長が短くなるにつれ、１つのトランジスタの記憶保持部９０７、９０８の２箇所が互いに干渉して２ビット動作が困難になっていた。 Further, as the channel length becomes shorter, the interference to 2-bit operation two places of the storage holder 907 and 908 of the one transistor to each other had become difficult. それゆえ、さらなる素子の微細化が果たせなかった。 Therefore, further miniaturization of elements did not fulfill.
本発明は前記課題に鑑みなされたものであり、１つのトランジスタで２ビットの記憶保持を実現しながら、更に微細化することができる半導体記憶装置を提供することを目的とする。 The present invention has been made in view of the above problems, while providing 2 bits of memory retention in one transistor, further an object to provide a semiconductor memory device which can be miniaturized.
上記課題を解決するため、第１の発明の半導体記憶装置は、Ｐ型半導体基板、半導体基板内に設けられたＰ型ウェル領域又は絶縁体上に配置されたＰ型半導体膜と、上記Ｐ型半導体基板、半導体基板内に設けられたＰ型ウェル領域又は絶縁体上に配置されたＰ型半導体膜上に形成されたゲート絶縁膜と、上記ゲート絶縁膜上に形成された単一のゲート電極と、上記単一のゲート電極側壁の両側に形成された２つの電荷保持部と、上記単一のゲート電極下に配置されたチャネル領域と、上記チャネル領域の両側に配置されたＮ型拡散層領域とを備え、上記電荷保持部は、上記電荷保持部に保持された電荷の多寡により、上記ゲート電極に電圧を印加した際の上記一方の拡散層領域から他方の拡散層領域に流れる電流量を変化させるように構成さ To solve the above problems, a semiconductor memory device of the first invention, P-type semiconductor substrate, a P-type semiconductor film disposed in the P-type well region or insulator on material provided in the semiconductor substrate, the P-type semiconductor substrate, a gate insulating film formed on provided the P-type well region or an insulator being arranged on a P-type semiconductor film on a semiconductor substrate, a single gate electrode formed on said gate insulating film When the two charge holding portions formed on both sides of the single gate electrode side walls and said single channel region disposed under the gate electrode, N-type diffusion layers disposed on both sides of the channel region and a region, the charge holding portion, the amount of charges held in the charge holding portion, the amount of current flowing from said one diffusion layer region when a voltage is applied to the gate electrode to the other diffusion layer regions is configured so as to change the てなり、上記他方のＮ型拡散層領域を基準電圧とし、上記一方のＮ型拡散層領域を基準電圧より高い電圧とし、上記ゲート電極を基準電圧より低い電圧とし、上記Ｐ型半導体基板、半導体基板内に設けられたＰ型ウェル領域又は絶縁体上に配置されたＰ型半導体膜を基準電圧より高い電圧とすることにより、正孔を一方のＮ型拡散層領域側に存する電荷保持部に注入することを特徴としている。 Becomes Te, and the reference voltage the other N-type diffusion layer region, one of the N-type diffusion layer region above the voltage higher than the reference voltage, the voltage lower than the reference voltage the gate electrode, the P-type semiconductor substrate, a semiconductor the P-type semiconductor film disposed in the P-type well region or insulator on material provided in the substrate by a voltage higher than the reference voltage, the charge holding portion residing holes into one of the N-type diffusion layer region side It is characterized by injecting.
上記第１の発明の半導体記憶装置によれば、一方のＮ型拡散層領域と、上記Ｐ型半導体基板、半導体基板内に設けられたＰ型ウェル領域又は絶縁体上に配置されたＰ型半導体膜とのＰＮ接合には順方向電圧が印加されるため、上記半導体基板中に電子が注入される。 According to the semiconductor memory device of the first invention, hand of the N-type diffusion layer region, the P-type semiconductor substrate, P-type well region or P type disposed on the insulator provided in the semiconductor substrate since the forward voltage is applied to the PN junction between the semiconductor film, electrons are injected into the semiconductor substrate. 注入された電子は他方のＮ型拡散層領域と上記Ｐ型半導体基板、半導体基板内に設けられたＰ型ウェル領域又は絶縁体上に配置されたＰ型半導体膜とのＰＮ接合において加速、散乱され、電子−正孔対を発生する。 Injected electrons accelerated in the PN junction between the other N-type diffusion layer region and the P-type semiconductor substrate, P-type well region provided in the semiconductor substrate or disposed on the insulator the P-type semiconductor film, scattering It is an electron - generating a hole pairs. 発生した正孔は、他方のＮ型拡散層領域の側に有る電荷保持部に選択的に注入される。 The generated holes are selectively injected into the charge holding portion on the side of the other N-type diffusion layer region. 上記過程は、他方のＮ型拡散層領域と上記半導体基板との電圧差が比較的低い場合にも起こるため、半導体記憶装置の動作電圧を低くすることが可能となる。 The above process, the voltage difference between the other N-type diffusion layer region and the semiconductor substrate occurs even when relatively low, it is possible to lower the operating voltage of the semiconductor memory device. したがって、半導体記憶装置の低消費電力化、素子劣化の抑制を実現することができる。 Therefore, power consumption of the semiconductor memory device, it is possible to realize the suppression of deterioration of the device.
また、第２の発明の半導体記憶装置は、Ｎ型半導体基板、半導体基板内に設けられたＮ型ウェル領域又は絶縁体上に配置されたＮ型半導体膜と、上記Ｎ型半導体基板、半導体基板内に設けられたＮ型ウェル領域又は絶縁体上に配置されたＮ型半導体膜上に形成されたゲート絶縁膜と、上記ゲート絶縁膜上に形成された単一のゲート電極と、上記単一のゲート電極側壁の両側に形成された２つの電荷保持部と、上記単一のゲート電極下に配置されたチャネル領域と、上記チャネル領域の両側に配置されたＰ型拡散層領域とを備え、上記電荷保持部は、上記電荷保持部に保持された電荷の多寡により、上記ゲート電極に電圧を印加した際の上記一方の拡散層領域から他方の拡散層領域に流れる電流量を変化させるように構成されてなり、上記他方 The semiconductor memory device of the second invention, the N-type semiconductor substrate, and the N-type semiconductor film disposed N-type well region or insulator on material provided in the semiconductor substrate, the N-type semiconductor substrate, a semiconductor substrate a single gate electrode and the gate insulating film, which is formed on the gate insulating film formed on the N-type well region or disposed on the insulator N-type semiconductor film provided on the inside, the single comprising the two charge holding portions formed on both sides of the gate electrode side walls, a channel region disposed under the single gate electrode, and disposed on opposite sides of the channel region P-type diffusion layer region, the charge holding portion, the amount of charges held in the charge holding portion, so as to vary the amount of current flowing from said one diffusion layer region when a voltage is applied to the gate electrode to the other diffusion layer regions constructed will be, the other Ｐ型拡散層領域を基準電圧とし、上記一方のＰ型拡散層領域を基準電圧より低い電圧とし、上記ゲート電極を基準電圧より高い電圧とし、上記Ｎ型半導体基板、半導体基板内に設けられたＮ型ウェル領域又は絶縁体上に配置されたＮ型半導体膜を基準電圧より低い電圧とすることにより、電子を一方のＰ型拡散層領域側に存する電荷保持部に注入することを特徴としている。 A reference voltage of the P-type diffusion layer region, one of the P-type diffusion layer region above the voltage lower than the reference voltage, the gate electrode is higher than the reference voltage, provided the N-type semiconductor substrate, the semiconductor substrate with N-type well region or arranged N-type semiconductor film voltage lower than the reference voltage on the insulator is characterized by injecting the charge holding portion that exists electrons to one of the P-type diffusion layer region side .
上記第２の発明の半導体記憶装置は、第１の発明の半導体記憶装置において、メモリトランジスタの極性をＰチャネル型としたものである。 The semiconductor memory device of the second invention, the semiconductor memory device of the first invention, the polarity of the memory transistor is obtained by a P-channel type. したがって、第１の発明の半導体記憶装置と同様な作用効果を奏する。 Therefore, achieving the same effect as the semiconductor memory device of the first invention.
１実施の形態では、上記Ｎ型又はＰ型拡散層領域は、上記ゲート絶縁膜を介して上記ゲート電極とオーバーラップ領域を持たないオフセット構造を有していることを特徴としている。 In one embodiment, the N-type or P-type diffusion layer region is characterized by having an offset structure in which no said gate electrode overlap region via the gate insulating film.
上記実施の形態によれば、半導体記憶装置はいわゆるオフセットトランジスタ構造を有しており、大きなメモリ効果を得ることができる。 According to the above embodiment, the semiconductor memory device has a so-called offset transistor structure, it is possible to obtain a large memory effect. 一方、オフセット構造を有するがゆえに、上記ゲート電極の電位により、他方のＮ型又はＰ型拡散層領域とＰ型又はＮ型半導体基板とのＰＮ接合における正孔又は電子の発生が促進される効果が乏しくなる。 On the other hand, because it has an offset structure, the potential of the gate electrode, the effect of the holes or electrons generated in the PN junction between the other N-type or P-type diffusion layer region and a P-type or N-type semiconductor substrate is promoted It becomes poor. しかしながら、一方のＮ型又はＰ型拡散層領域とＰ型又はＮ型半導体基板とのＰＮ接合には順方向電圧が印加されるため、比較的低い電圧で他方のＮ型又はＰ型拡散層領域とＰ型又はＮ型半導体基板とのＰＮ接合において正孔又は電子が発生する。 However, since the forward voltage is applied to the PN junction between one of the N-type or P-type diffusion layer region and a P-type or N-type semiconductor substrate, the other N-type or P-type diffusion layer region at a relatively low voltage holes or electrons are generated in the PN junction between the P-type or N-type semiconductor substrate and. したがって、大きなメモリ効果を持ち、かつ、低電圧動作が可能な半導体記憶装置が提供される。 Therefore, a large has a memory effect, and provides low voltage operation the semiconductor memory device is provided.
また、１実施の形態では、他方のＮ型拡散層領域と上記Ｐ型半導体基板、半導体基板内に設けられたＰ型ウェル領域又は絶縁体上に配置されたＰ型半導体膜との電圧差の絶対値は、０．７Ｖ以上であって１Ｖ以下であることを特徴としている。 Further, In one embodiment, the other N-type diffusion layer region and the P-type semiconductor substrate, the voltage difference between the P-type semiconductor film disposed in the P-type well region or insulator on material provided in the semiconductor substrate absolute value is characterized in that there is 0.7V or more and less than 1V.
上記実施の形態によれば、一方のＮ型拡散層領域と上記Ｐ型半導体基板、半導体基板内に設けられたＰ型ウェル領域又は絶縁体上に配置されたＰ型半導体膜とのＰＮ接合に流れる順方向電流を、他方のＮ型拡散層領域と上記Ｐ型半導体基板、半導体基板内に設けられたＰ型ウェル領域又は絶縁体上に配置されたＰ型半導体膜とのＰＮ接合における正孔又は電子の発生に十分なだけ得ることができる。 According to the above embodiment, the PN junction between one of the N-type diffusion layer region and the P-type semiconductor substrate, is disposed in the P-type well region or insulator on material provided in the semiconductor substrate has P-type semiconductor film holes in the PN junction between the forward direction current, the other N-type diffusion layer region and the P-type semiconductor substrate, is disposed in the P-type well region or insulator on material provided in the semiconductor substrate has P-type semiconductor film flowing or it can be obtained enough to electron generation. 同時に、上記順方向電流が、半導体記憶装置の消費電流を著しく増大させることがない。 At the same time, the forward current is not significantly increase the current consumption of the semiconductor memory device.
また、１実施の形態では、他方のＰ型拡散層領域と上記Ｎ型半導体基板、半導体基板内に設けられたＮ型ウェル領域又は絶縁体上に配置されたＮ型半導体膜との電圧差の絶対値は、０．７Ｖ以上であって１Ｖ以下であることを特徴としている。 Further, In one embodiment, the other P-type diffusion layer region and the N-type semiconductor substrate, the voltage difference between the N-type semiconductor film disposed N-type well region or insulator on material provided in the semiconductor substrate absolute value is characterized in that there is 0.7V or more and less than 1V.
上記実施の形態によれば、一方のＰ型拡散層領域と上記Ｎ型半導体基板、半導体基板内に設けられたＮ型ウェル領域又は絶縁体上に配置されたＮ型半導体膜とのＰＮ接合に流れる順方向電流を、他方のＰ型拡散層領域と上記Ｎ型半導体基板、半導体基板内に設けられたＮ型ウェル領域又は絶縁体上に配置されたＮ型半導体膜とのＰＮ接合における正孔又は電子の発生に十分なだけ得ることができる。 According to the above embodiment, one of the P-type diffusion layer region and the N-type semiconductor substrate, the PN junction between the N-type semiconductor film disposed N-type well region or insulator on material provided in the semiconductor substrate holes in the PN junction between the forward direction current, the other P-type diffusion layer region and the N-type semiconductor substrate, N-type semiconductor film disposed N-type well region or insulator on material provided in the semiconductor substrate flowing or it can be obtained enough to electron generation. 同時に、上記順方向電流が、半導体記憶装置の消費電流を著しく増大させることがない。 At the same time, the forward current is not significantly increase the current consumption of the semiconductor memory device.
また、１実施の形態では、上記ゲート電極のゲート長は、０．０１５μｍ以上であって０．５μｍ以下であることを特徴としている。 Also, in one embodiment, the gate length of the gate electrode is characterized in that it is 0.5μm or less be more than 0.015 .mu.m.
上記実施の形態によれば、他方のＮ型又はＰ型拡散層領域とＰ型又はＮ型半導体基板（Ｐ型又はＮ型ウェル領域、Ｐ型又はＮ型半導体膜）とのＰＮ接合において、十分に正孔又は電子が発生し、上記電荷保持部に注入することができる。 According to the above embodiment, the other N-type or P-type diffusion layer region and a P-type or N-type semiconductor substrate (P-type or N-type well region, a P-type or N-type semiconductor film) in the PN junction between the sufficiently can be holes or electrons are generated and injected into the charge holding portion. また、メモリ動作の基本となるトランジスタ動作が確保される。 Moreover, the underlying transistor operation of the memory operation is ensured.
本発明の半導体記憶装置は、主として、ゲート絶縁膜と、ゲート絶縁膜上に形成されたゲート電極と、ゲート電極の両側に形成された電荷保持部と、電荷保持部のゲート電極と反対側のそれぞれに配置されたソース／ドレイン領域（拡散層領域）と、ゲート電極下に配置されたチャネル領域とから構成される。 The semiconductor memory device of the present invention mainly includes a gate insulating film, a gate electrode formed on the gate insulating film, the charge retaining portions formed on both sides of the gate electrode, on the side opposite to the gate electrode of the charge holding portion and it is disposed in each source / drain region (diffusion layer region), composed of a channel region disposed under the gate electrode.
この半導体記憶装置は、１つの電荷保持部に２値又はそれ以上の情報を記憶することにより、４値又はそれ以上の情報を記憶するメモリ素子として機能する。 The semiconductor memory device by storing binary or more information in one charge holding portion, which functions as a memory element for storing information of four or more values. しかしながら、この半導体記憶装置は、必ずしも４値又はそれ以上の情報を記憶して機能させる必要はなく、例えば、２値の情報を記憶して機能させてもよい。 However, the semiconductor memory device is not necessarily required to function to store information of four or more values, for example, it may function to store binary data.
本発明の半導体記憶装置は、半導体基板上、好ましくは半導体基板内に形成された第１導電型のウェル領域上に形成されることが好ましい。 The semiconductor memory device of the present invention, on a semiconductor substrate, preferably be formed on a first conductivity type well region formed in the semiconductor substrate.
半導体基板としては、半導体装置に使用されるものであれば特に限定されるものではなく、例えば、シリコン、ゲルマニウム等の元素半導体、ＧａＡｓ、ＩｎＧａＡｓ、ＺｎＳｅ等の化合物半導体による基板、ＳＯＩ基板又は多層ＳＯＩ基板等の種々の基板、ガラスやプラスチック基板上に半導体層を有するものを用いてもよい。 As the semiconductor substrate, but the present invention is not particularly limited as long as it is used in a semiconductor device, for example, silicon, an element semiconductor such, GaAs, InGaAs, the substrate of a compound semiconductor ZnSe, etc., SOI substrate or a multi-layer SOI various substrates such as a substrate, may be used which has a semiconductor layer on a glass or plastic substrate. なかでもシリコン基板又は表面半導体層としてシリコン層が形成されたＳＯＩ基板が好ましい。 SOI substrate is preferably silicon layer is formed as inter alia silicon substrate or the surface semiconductor layer. 半導体基板又は半導体層は、内部を流れる電流量に多少が生ずるが、単結晶（例えば、エピタキシャル成長による単結晶）、多結晶又はアモルファスのいずれであってもよい。 A semiconductor substrate or the semiconductor layer is somewhat an amount of current flowing therein, a single crystal (e.g., a single crystal by epitaxial growth), may be either polycrystalline or amorphous.
この半導体基板上又は半導体層上には、素子分離領域が形成されていることが好ましく、更にトランジスタ、キャパシタ、抵抗等の素子、これらによる回路、半導体装置や層間絶縁膜が組み合わせられて、シングル又はマルチレイヤー構造で形成されていてもよい。 The semiconductor substrate or the semiconductor layer, it is preferable that the element isolation region is formed, further transistors, capacitors, elements such as resistors, these by the circuit, in combination a semiconductor device or an interlayer insulating film, single or it may be formed in a multi-layer structure. なお、素子分離領域は、ＬＯＣＯＳ膜、トレンチ酸化膜、ＳＴＩ膜等種々の素子分離膜により形成することができる。 Note that the element isolation region can be formed by the LOCOS film, a trench oxide film, STI film or the like of various device isolation films. 半導体基板は、Ｐ型又はＮ型の導電型を有していてもよく、半導体基板には、少なくとも１つの第１導電型（Ｐ型又はＮ型）のウェル領域が形成されていることが好ましい。 The semiconductor substrate may have a conductivity type of the P-type or N-type, the semiconductor substrate is at least one well region of the first conductivity type (P-type or N-type) is formed . 半導体基板及びウェル領域の不純物濃度は、当該分野で公知の範囲のものが使用できる。 The impurity concentration of the semiconductor substrate and the well region, a known range in this field can be used. なお、半導体基板としてＳＯＩ基板を用いる場合には、表面半導体層には、ウェル領域が形成されていてもよいが、チャネル領域下にボディ領域を有していてもよい。 In the case of using an SOI substrate as the semiconductor substrate, the surface semiconductor layer may be well region formed but may have a body region under the channel region.
ゲート絶縁膜は、通常、半導体装置に使用されるものであれば特に限定されるものではなく、例えば、シリコン酸化膜、シリコン窒化膜等の絶縁膜；酸化アルミニウム膜、酸化チタニウム膜、酸化タンタル膜、酸化ハフニウム膜などの高誘電体膜の単層膜又は積層膜を使用することができる。 The gate insulating film is usually not particularly limited as long as it is used in a semiconductor device, for example, a silicon oxide film, an insulating film such as a silicon nitride film; an aluminum oxide film, titanium oxide film, a tantalum oxide film , it can be used a single-layer film or a multilayer film of a high dielectric film such as a hafnium oxide film. なかでも、シリコン酸化膜が好ましい。 Among them, the silicon oxide film is preferable. ゲート絶縁膜は、例えば、１〜２０ｎｍ程度、好ましくは１〜６ｎｍ程度の膜厚とすることが適当である。 The gate insulating film is, for example, about 1 to 20 nm, and preferably from a film thickness of approximately 1 to 6 nm. ゲート絶縁膜は、ゲート電極直下にのみ形成されていてもよいし、ゲート電極よりも大きく（幅広）で形成されていてもよい。 The gate insulating film may be formed only directly under the gate electrode, it may be formed in greater than the gate electrode (wide).
ゲート電極は、ゲート絶縁膜上に、通常半導体装置に使用されるような形状で形成されている。 The gate electrode is formed on the gate insulating film, it is formed in a shape such as is usually used for a semiconductor device. ゲート電極は、実施の形態のなかで特に指定がない限り、特に限定されるものではなく、導電膜、例えば、ポリシリコン：銅、アルミニウム等の金属：タングステン、チタン、タンタル等の高融点金属：高融点金属とのシリサイド等の単層膜又は積層膜等が挙げられる。 Gate electrode, unless otherwise specified among the embodiments, the present invention is not particularly limited, a conductive film, for example, polysilicon: copper, metal such as aluminum: tungsten, titanium, a refractory metal such as tantalum: single-layer film or a multilayer film of silicide of a refractory metal. ゲート電極の膜厚は、例えば５０〜４００ｎｍ程度の膜厚で形成することが適当である。 The thickness of the gate electrode, it is appropriate to form for example a thickness of about 50 to 400 nm. なお、ゲート電極の下には、チャネル領域が形成されるが、チャネル領域は、ゲート電極下のみならず、ゲート電極とゲート長方向におけるゲート端の外側を含む領域下に形成されていることが好ましい。 Incidentally, under the gate electrode, but the channel region is formed, a channel region is not under the gate electrode only, to be formed under the region including the outer gate edge at the gate electrode and the gate length direction preferable. このように、ゲート電極で覆われていないチャネル領域が存在する場合には、そのチャネル領域は、ゲート絶縁膜又は後述する電荷保持部で覆われていることが好ましい。 Thus, if the channel region not covered with the gate electrode is present, the channel region is preferably covered with a gate insulating film or later to the charge holding portion.
電荷保持部は、少なくとも、電荷を保持するか、電荷を蓄え、保持する機能を有するか、電荷をトラップする機能を有する膜又は領域を含んで構成される。 Charge holding portion, at least, either holding charges, an electric charge is charged or has a function of holding configured to include a film or region having a function of trapping charges. これらの機能を果たすものとしては、シリコン窒化物；シリコン；リン、ボロン等の不純物を含むシリケートガラス；シリコンカーバイド；アルミナ；ハフニウムオキサイド、ジルコニウムオキサイド、タンタルオキサイド等の高誘電体；酸化亜鉛；金属等が挙げられる。 As those fulfilling these functions, silicon nitride; silicon; silicon carbide; alumina; phosphorus, silicate glass containing an impurity such as boron hafnium oxide, zirconium oxide, high dielectric such as tantalum oxide; zinc oxide; metal or the like and the like. 電荷保持部は、例えば、シリコン窒化膜を含む絶縁体膜；導電膜もしくは半導体層を内部に含む絶縁体膜；導電体もしくは半導体ドットを１つ以上含む絶縁体膜等の単層又は積層構造によって形成することができる。 Charge holding portion, for example, an insulator film including a silicon nitride film; by a single layer or a lamination structure such as an insulating film including a conductor or a semiconductor dots one or more; insulating film containing a conductive film or semiconductor layer inside it can be formed. なかでも、シリコン窒化膜は、電荷をトラップする準位が多数存在するため大きなヒステリシス特性を得ることができ、また、電荷保持時間が長く、リークパスの発生による電荷漏れの問題が生じないため保持特性が良好であり、さらに、ＬＳＩプロセスではごく標準的に用いられる材料であるため、好ましい。 Among them, the silicon nitride film, levels of trapping charges can obtain a large hysteresis characteristic since there are many, also, the charge retention time is long, the holding characteristics because that does not cause a problem of charge leakage due to occurrence of a leak path it is good, further, since the LSI process is a material which is used as standard, preferred.
シリコン窒化膜などの電荷保持機能を有する絶縁膜を内部に含む絶縁膜を電荷保持部として用いることにより、記憶保持に関する信頼性を高めることができる。 By using the insulating film including an insulating film having the charge holding function such as a silicon nitride film within a charge holding portion, it is possible to increase the reliability of storage and retention. シリコン窒化膜は絶縁体であるから、その一部に電荷のリークが生じた場合でも、直ちにシリコン窒化膜全体の電荷が失われることがないからである。 Since the silicon nitride film is an insulator, even if the leakage of part charges occurs, because there is no immediately charge of the entire silicon nitride film is lost. 更には、複数のメモリ素子（半導体記憶装置）を配列する場合、メモリ素子間の距離が縮まって隣接する電荷保持部が接触しても、電荷保持部が導電体からなる場合のように夫々の電荷保持部に記憶された情報が失われることがない。 Furthermore, when arranging a plurality of memory devices (semiconductor memory device), also in contact with the charge holding portions adjacent narrowed the distance between memory elements, each as in the case where the charge holding portion is made of a conductive material never information stored in the charge holding portion is lost. また、コンタクトプラグをより電荷保持部と接近して配置することができ、場合によっては電荷保持部と重なるように配置することができるので、メモリ素子の微細化が容易となる。 Further, it can be disposed closer to the charge holding portion to the contact plugs, so in some cases can be arranged so as to overlap the charge holding portion, miniaturization of the memory cell is facilitated.
さらに記憶保持に関する信頼性を高めるためには、電荷を保持する機能を有する絶縁膜は、必ずしも膜状である必要はなく、電荷を保持する機能を有する絶縁体が絶縁膜に離散的に存在することが好ましい。 To further increase the reliability of storage and retention, the insulating film having the function of retaining charges are not necessarily film-shaped insulator having a function of holding charges exist discretely in an insulating film it is preferable. 具体的には、電荷を保持しにくい材料、例えば、シリコン酸化物中にドット状に分散していることが好ましい。 Specifically, a material which is hard to retain charges, for example, it is preferably dispersed in dots in the silicon oxide.
また、導電膜もしくは半導体層を内部に含む絶縁体膜を電荷保持部として用いることにより、導電体もしくは半導体中への電荷の注入量を自由に制御できるため、多値化しやすい効果がある。 Further, by using an insulator film including a conductive film or semiconductor layer inside the charge holding portion, since the injection amount of charges into the conductor or semiconductor in can be freely controlled, there is a multi-level and easy to effect.
さらに、導電体もしくは半導体ドットを１つ以上含む絶縁体膜を電荷保持部として用いることにより、電荷の直接トンネリングによる書込・消去が行ないやすくなり、低消費電力化の効果がある。 Furthermore, by using an insulator film including a conductor or a semiconductor dots one or more as a charge holding portion, it becomes easy to perform writing and erasing by direct tunneling of charge, there is an effect of reducing power consumption.
つまり、電荷保持部は、電荷を逃げにくくする領域又は電荷を逃げにくくする機能を有する膜をさらに含むことが好ましい。 In other words, the charge holding portion preferably further includes a film having a function of suppressing escape of region or charge suppressing escape of charges. 電荷を逃げにくくする機能を果たすものとしては、シリコン酸化膜等が挙げられる。 As the function of suppressing escape of charges include a silicon oxide film or the like.
電荷保持部は、直接又は絶縁膜を介してゲート電極の両側に形成されており、また、直接、ゲート絶縁膜又は絶縁膜を介して半導体基板（ウェル領域、ボディ領域又はソース／ドレイン領域もしくは拡散層領域）上に配置している。 Charge holding portion is formed on both sides of the gate electrode directly or via an insulating film, also directly, the semiconductor substrate (well region via a gate insulating film or an insulating film, the body region or source / drain regions or diffusion It is arranged on the layer region). ゲート電極の両側の電荷保持膜は、直接又は絶縁膜を介してゲート電極の側壁の全てを覆うように形成されていてもよいし、一部を覆うように形成されてもよい。 Both sides of the charge holding film of the gate electrode may be formed so as to cover all of the side walls of the gate electrode directly or via an insulating film, it may be formed so as to cover part. 電荷保持膜として導電膜を用いる場合には、電荷保持膜が半導体基板（ウェル領域、ボディ領域又はソース／ドレイン領域もしくは拡散層領域）又はゲート電極と直接接触しないように、絶縁膜を介して配置させることが好ましい。 In the case of using the conductive film as the charge holding film, charge holding film is a semiconductor substrate so as not to contact (well region, body region or source / drain regions or diffusion layer region) or directly to the gate electrode, disposed through the insulating film so it is preferable to be. 例えば、導電膜と絶縁膜との積層構造、絶縁膜内に導電膜をドット状等に分散させた構造、ゲートの側壁に形成された側壁絶縁膜内の一部に配置した構造等が挙げられる。 For example, the laminated structure of the conductive film and the insulating film, the structure in which a conductive film is dispersed in the form of dots or the like in the insulating film, and disposed on a portion the structure of the sidewall insulating film formed on the sidewalls of the gate, and the like .
電荷保持部は、電荷を蓄積する第１の絶縁体からなる膜が、第２の絶縁体からなる膜と第３の絶縁体からなる膜とで挟まれたサンドウィッチ構造を有するのが好ましい。 Charge holding portion, the first composed of an insulator film for accumulating charge, preferably has a sandwich structure sandwiched between a film composed of the second insulator film and a third insulator. 電荷を蓄積する第１の絶縁体が膜状であるから、電荷の注入により短い時間で第１の絶縁体内の電荷密度を上げ、また、電荷密度を均一にすることができる。 Since the first insulator for charge storage is a membrane-like, increasing the charge density of the first insulating body in a short time by injection of charge, also can be made uniform charge density. 電荷を蓄積する第１の絶縁体内の電荷分布が不均一であった場合、保持中に第１の絶縁体内を電荷が移動してメモリ素子の信頼性が低下する恐れがある。 When the charge distribution of the first insulating body for accumulating charges were heterogeneous, the reliability of the memory device by a first insulating body moves charge may be reduced during the holding. また、電荷を蓄積する第１の絶縁体は、導電体部（ゲート電極、拡散層領域、半導体基板）とは他の絶縁膜で隔てられているので、電荷の漏れが抑制されて十分な保持時間を得ることができる。 The first insulator for charge storage is conductor portion (the gate electrode, the diffusion layer region, the semiconductor substrate) so are separated by other insulating film with sufficient holding charge leakage is suppressed it is possible to obtain a time. したがって、上記サンドウィッチ構造を有する場合、半導体記憶装置の高速書換え、信頼性の向上、十分な保持時間の確保が可能となる。 Accordingly, if having the sandwich structure, high-speed rewriting of the semiconductor memory device, improvement of reliability, it is possible to ensure a sufficient retention time. 上記条件を満たす電荷保持部としては、上記第１の絶縁体をシリコン窒化膜とし、第２及び第３の絶縁体をシリコン酸化膜とするのが特に好ましい。 As the condition is satisfied the charge holding portion, said first insulator and the silicon nitride film, particularly preferably a second and third insulator a silicon oxide film. シリコン窒化膜は、電荷をトラップする準位が多数存在するため大きなヒステリシス特性を得ることができる。 Silicon nitride film, it is possible to obtain a large hysteresis characteristic of levels for trapping charges exist many. また、シリコン酸化膜およびシリコン窒化膜は共にＬＳＩプロセスでごく標準的に用いられる材料であるため、好ましい。 Further, since the silicon oxide film and silicon nitride film are both material which is used as standard in LSI process, preferred. また、第１の絶縁体として、窒化シリコンのほかに、酸化ハフニウム、タンタルオキサイド、イットリウムオキサイドなどを用いることができる。 Further, as the first insulator, in addition to silicon nitride, hafnium oxide, tantalum oxide, or the like can be used yttrium oxide. 更には、第２及び第３の絶縁体として、酸化シリコンのほかに、酸化アルミニウなどを用いることができる。 Furthermore, as the second and third insulators, in addition to silicon oxide, or the like can be used aluminum oxide. なお、上記第２及び第３の絶縁体は、異なる物質であってもよいし同一の物質であってもよい。 Incidentally, the second and third insulator may be a different material may be the same material.
電荷保持部は、ゲート電極の両側に形成されており、また、半導体基板（ウェル領域、ボディ領域又はソース／ドレイン領域もしくは拡散層領域）上に配置している。 Charge holding portion is formed on both sides of the gate electrode, also, the semiconductor substrate is placed on (the well region, body region or source / drain regions or diffusion layer region).
電荷保持部に含まれる電荷保持膜は、直接又は絶縁膜を介してゲート電極の両側に形成されており、また、直接、ゲート絶縁膜又は絶縁膜を介して半導体基板（ウェル領域、ボディ領域又はソース／ドレイン領域もしくは拡散層領域）上に配置している。 Charge holding film included in the charge holding portion is formed on both sides of the gate electrode directly or via an insulating film, also directly, the semiconductor substrate (well region via a gate insulating film or an insulating film, the body region or It is arranged in the source / drain regions or diffusion layer region) on. ゲート電極の両側の電荷保持膜は、直接又は絶縁膜を介してゲート電極の側壁の全て又は一部を覆うように形成されていることが好ましい。 Charge holding films on both sides of the gate electrode is preferably formed so as directly or via an insulating film covering all or part of the side wall of the gate electrode. 応用例としては、ゲート電極が下端部に凹部を有する場合には、直接又は絶縁膜を介して凹部を完全に又は凹部の一部を埋め込むように形成されていてもよい。 As an application example, when the gate electrode has a recess in its lower end, it may be formed so as to fill the part completely or concave recess directly or via an insulating film.
ゲート電極は、電荷保持部の側壁のみに形成されるか、あるいは電荷保持部の上部を覆わないことが好ましい。 The gate electrode is formed only on the sidewalls of the charge holding portion, or does not cover the upper part of the charge holding portion. このような配置により、コンタクトプラグをよりゲート電極と接近して配置することができるので、メモリ素子の微細化が容易となる。 Such an arrangement can be arranged closer to the gate electrode contact plug, miniaturization of the memory cell is facilitated. また、このような単純な配置を有するメモリ素子は製造が容易であり、歩留まりを向上することができる。 Further, the memory device having such simple arrangement is easy to manufacture, it is possible to improve the yield.
ソース／ドレイン領域は、半導体基板又はウェル領域と逆導電型の拡散層領域として、電荷保持部のゲート電極と反対側のそれぞれに配置されている。 Source / drain regions, as the diffusion layer region of the semiconductor substrate or the well region having a conductivity type opposite, are disposed on the opposite sides of the gate electrode of the charge holding portion. ソース／ドレイン領域と半導体基板又はウェル領域との接合は、不純物濃度が急峻であることが好ましい。 Junction between the source / drain region and the semiconductor substrate or the well region preferably, impurity concentration is high. ホットエレクトロンやホットホールが低電圧で効率良く発生し、より低電圧で高速な動作が可能となるからである。 Hot electrons or hot holes are generated efficiently at low voltage, and high-speed operation becomes possible at a lower voltage. ソース／ドレイン領域の接合深さは、特に限定されるものではなく、得ようとする半導体記憶装置の性能等に応じて、適宜調整することができる。 Junction depth of the source / drain regions is not limited in particular, in accordance with the performance of the semiconductor memory device to be obtained, it can be appropriately adjusted. なお、半導体基板としてＳＯＩ基板を用いる場合には、ソース／ドレイン領域は、表面半導体層の膜厚よりも小さな接合深さを有していてもよいが、表面半導体層の膜厚とほぼ同程度の接合深さを有していることが好ましい。 In the case of using an SOI substrate as the semiconductor substrate, the source / drain regions may have a junction depth smaller than the thickness of the surface semiconductor layer, approximately the same as the thickness of the surface semiconductor layer preferably it has a junction depth of.
ソース／ドレイン領域は、ゲート電極端とオーバーラップするように配置していてもよいし、ゲート電極端に対してオフセットされて配置されていてもよい。 Source / drain region may be disposed so as to overlap with an end of the gate electrode, it may be arranged offset with respect to the gate electrode end. 特に、オフセットされている場合には、ゲート電極に電圧を印加したとき、電荷保持膜下のオフセット領域の反転しやすさが、電荷保持部に蓄積された電荷量によって大きく変化し、メモリ効果が増大するとともに、短チャネル効果の低減をもたらすため、好ましい。 Particularly, in the case of offset, when a voltage is applied to the gate electrode, easiness of inversion of the offset region under the charge holding film is largely changed by the amount of charge stored in the charge holding unit, memory effect with increases, to provide a reduction in the short channel effect, preferred. ただし、あまりオフセットしすぎると、ソース・ドレイン間の駆動電流が著しく小さくなるため、ゲート長方向に対して平行方向の電荷保持膜の厚さよりもオフセット量つまり、ゲート長方向における一方のゲート電極端から近い方のソース・ドレイン領域までの距離は短い方が好ましい。 However, too much a too offset, because the driving current between the source and drain becomes remarkably small, the offset amount than the thickness of the charge holding film in the direction parallel to the gate length direction that is, one end of the gate electrode in the gate length direction the distance to the source and drain regions of the closer from the shorter the better. 特に重要なことは、電荷保持部中の電荷蓄積領域の少なくとも一部が、拡散層領域であるソース／ドレイン領域の一部とオーバーラップしていることである。 It is particularly important that at least a part of the charge accumulation region in the charge holding portion is that it is overlapped with part of the source / drain regions are diffused layer region. 本発明の半導体記憶装置を構成するメモリ素子の本質は、電荷保持部の側壁部にのみ存在するゲート電極とソース／ドレイン領域間の電圧差により電荷保持部を横切る電界によって記憶を書き換えることであるためである。 The essence of the memory device of the semiconductor memory device of the present invention is to rewrite the memory by an electric field across the charge holding portion by the voltage difference between the gate electrode and the source / drain regions that exist only in the side wall of the carrier holding portion This is because.
ソース／ドレイン領域は、その一部が、チャネル領域表面、つまり、ゲート絶縁膜下面よりも高い位置に延設されていてもよい。 Source / drain regions, a part surface of the channel region, i.e., may be extended to a position higher than the lower face of the gate insulating film. この場合には、半導体基板内に形成されたソース／ドレイン領域上に、このソース／ドレイン領域と一体化した導電膜が積層されて構成されていることが適当である。 In this case, the source / drain region formed in a semiconductor substrate, a conductive film integrated with the source / drain region is suitable that is formed by laminating. 導電膜としては、例えば、ポリシリコン、アモルファスシリコン等の半導体、シリサイド、上述した金属、高融点金属等が挙げられる。 As the conductive film, for example, polysilicon, semiconductor such as amorphous silicon, silicide, the above-described metals is a refractory metal or the like. なかでも、ポリシリコンが好ましい。 Among them, poly-silicon is preferable. ポリシリコンは、不純物拡散速度が半導体基板に比べて非常に大きいために、半導体基板内におけるソース／ドレイン領域の接合深さを浅くするのが容易で、短チャネル効果の抑制がしやすいためである。 Polysilicon, for impurity diffusion rate much faster than that of the semiconductor substrate, easy that a shallow junction depth of the source / drain region in the semiconductor substrate, is in order to suppress the short channel effect is easily . なお、この場合には、このソース／ドレイン領域の一部は、ゲート電極とともに、電荷保持膜の少なくとも一部を挟持するように配置することが好ましい。 In this case, part of the source / drain regions, a gate electrode, it is preferable to arrange so as to sandwich at least a part of the charge holding film.
本発明の半導体記憶装置は、ゲート絶縁膜上に形成された単一のゲート電極、ソース領域、ドレイン領域及び半導体基板を４個の端子として、この４個の端子のそれぞれに所定の電位を与えることにより、書込み、消去、読出しの各動作を行なう。 The semiconductor memory device of the present invention, a single gate electrode formed on the gate insulating film, a source region, a drain region and the semiconductor substrate as a four terminal, giving a predetermined potential to each of the four terminals it allows performing writing, erasing, each operation of reading. 具体的な動作原理及び動作電圧の例は、後述する。 Examples of specific operating principle and operating voltage are described below. 本発明の半導体記憶装置をアレイ状に配置してメモリセルアレイを構成した場合、単一の制御ゲートで各メモリセルを制御できるので、ワード線の本数を少なくすることができる。 If the semiconductor memory device of the present invention to constitute a memory cell array arranged in an array, it is possible to control each memory cell with a single control gate, it is possible to reduce the number of word lines.
本発明の半導体記憶装置は、通常の半導体プロセスによって、例えば、ゲート電極の側壁に積層構造のサイドウォールスペーサを形成する方法と同様の方法によって形成することができる。 The semiconductor memory device of the present invention can be formed by a normal semiconductor process, for example, it can be formed by a method similar to the method of forming a sidewall spacer of the laminated structure on the side wall of the gate electrode. 具体的には、ゲート電極を形成した後、絶縁膜（第２の絶縁体）／電荷蓄積膜（第１の絶縁体）／絶縁膜（第２の絶縁体）の積層膜を形成し、適当な条件下でエッチバックしてこれらの膜をサイドウォールスペーサ状に残す方法が挙げられる。 Specifically, after forming the gate electrode, forming a laminated film of the insulating film (second insulator) / charge storage film (first insulator) / insulating film (second insulator), suitable and a method of and these films are left in a sidewall spacer shape by etching back under such conditions. このほか、所望の電荷保持部の構造に応じて、適宜サイドウォール形成時の条件や堆積物を選択すればよい。 In addition, depending on the structure of the desired charge holding portion may be selected appropriately sidewall formation at conditions and sediment.
本発明の半導体記憶装置は、電池駆動の携帯電子機器、特に携帯情報端末に用いることができる。 The semiconductor memory device of the present invention, a portable electronic device driven by a battery, can be used in particular a portable information terminal. 携帯電子機器としては、携帯情報端末、携帯電話、ゲーム機器等が挙げられる。 The portable electronic devices, portable information terminals, mobile phones, game machines, and the like.
以下に、本発明の半導体記憶装置について、図面に基づいて詳細に説明する。 Hereinafter, a semiconductor memory device of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
本実施の形態の半導体記憶装置を構成するメモリ素子の構造を、図１〜図３を用いて説明する。 The structure of a memory element constituting the semiconductor memory device of the present embodiment will be described with reference to FIGS. 図１〜図３は、メモリ素子の概略断面図であり、それぞれサイドウォールスペーサ形状の電荷保持部の構造が異なっている。 1 to 3 are schematic cross-sectional view of the memory device, are different structures of the charge holding portion of each sidewall spacer shape.
本実施の形態の半導体記憶装置を構成するメモリ素子は、２ビットの記憶が可能な不揮発性メモリセルとして、図１〜図３に示したように、半導体基板１１上に、ゲート絶縁膜１２を介して、通常のトランジスタと同程度のゲート長を有するゲート電極１３が形成されており、ゲート絶縁膜１２及びゲート電極１３の側壁に、サイドウォールスペーサ形状の電荷保持部６１，６２が形成されて構成されている。 Memory elements constituting the semiconductor memory device of this embodiment, as a two-bit memory is non-volatile memory cell, as shown in FIGS. 1 to 3, on the semiconductor substrate 11, a gate insulating film 12 through it, which is a gate electrode 13 having a gate length of the same level as normal transistor is formed on the sidewalls of the gate insulating film 12 and the gate electrode 13, sidewall spacers charge holding portions 61 and 62 of the shape is formed It is configured. また、電荷保持部６１，６２のゲート電極１３と反対の側には、それぞれ第１の拡散層領域１７及び第２の拡散層領域１８（ソース／ドレイン領域）が形成されており、このソース／ドレイン領域１７，１８は、ゲート電極１３端部に対して（ゲート電極１３が形成された領域４１から）オフセットされている。 Further, on the side opposite to the gate electrode 13 of the charge holding portions 61 and 62 are first diffusion layer region 17 and the second diffusion layer region 18, respectively (the source / drain region) is formed, the source / drain regions 17 and 18, (a region 41 where the gate electrode 13 is formed) with respect to the gate electrode 13 ends are offset.
このように、メモリトランジスタの電荷保持部は、ゲート絶縁膜とは独立して形成されている。 Thus, the charge holding portion of the memory transistor is formed independently of the gate insulating film. したがって、電荷保持部が担うメモリ機能と、ゲート絶縁膜が担うトランジスタ動作機能とは分離されている。 Therefore, a memory function of the charge holding unit is responsible, is separated from the transistor operation function of the gate insulating film plays. また、ゲート電極の両側に形成された２つの電荷保持部はゲート電極により分離されているので書換え時の干渉が効果的に抑制される。 Further, the two charge holding portions formed on both sides of the gate electrode is interference at the time of rewriting because it is separated by the gate electrode is effectively suppressed. したがって、このメモリトランジスタは、２ビットの記憶が可能で、かつ微細化が容易である。 Accordingly, the memory transistor can store two bits, and it is easy miniaturization.
また、ソース／ドレイン領域１７，１８がゲート電極１３からオフセットされていることにより、ゲート電極１３に電圧を印加したとき、電荷保持部下のオフセット領域４２の反転しやすさを、電荷保持部に蓄積された電荷量によって大きく変化させることができ、メモリ効果を増大させることが可能となる。 The accumulation by the source / drain regions 17 and 18 are offset from the gate electrode 13, when a voltage is applied to the gate electrode 13, the easiness of inversion of the offset region 42 of the charge holding subordinates, the charge holding portion been able to greatly change by the amount of charge, it is possible to increase the memory effect. 更に、通常のロジックトランジスタと比較して、短チャネル効果を強力に防止することができ、より一層のゲート長の微細化を図ることができる。 Further, as compared with a normal logic transistor, a short channel effect can be strongly prevented, it is possible to further the gate length miniaturized. また、構造的に短チャネル効果抑制に適しているため、ロジックトランジスタと比較して膜厚の厚いゲート絶縁膜を採用することができ、信頼性を向上させることが可能となる。 Further, since suitable for structurally short channel effect, as compared with a logic transistor can adopt a thick gate insulating film of the film thickness, it is possible to improve the reliability.
サイドウォールスペーサ形状の電荷保持部は、例えば図１のように、サイドウォール形状をしたシリコン窒化膜２１と、このシリコン窒化膜２１とゲート電極１３、半導体基板１１及びソース／ドレイン領域１７，１８とを隔てるシリコン酸化膜１４とからなる構造にすることができる。 Charge holding portion of the sidewall spacer shape, for example as in FIG. 1, a silicon nitride film 21 where the side wall shape, and the silicon nitride film 21 and the gate electrode 13, the semiconductor substrate 11 and the source / drain regions 17 and 18 it can be a structure composed of a silicon oxide film 14 for separating the. 電荷（電子又は正孔）を蓄積する機能を有するのはシリコン窒化膜２１であり、シリコン酸化膜１４はシリコン窒化膜２１に蓄積された電荷の漏れを防いでいる。 Has a function of accumulating charges (electrons or holes) is a silicon nitride film 21, the silicon oxide film 14 is prevented the leakage of the charge accumulated in the silicon nitride film 21.
電荷保持部の他の例は、図２に示すように、サイドウォール形状をした導電体膜２２と、この導電体膜２２と、ゲート電極１３、半導体基板１１及びソース／ドレイン領域１７，１８とを隔てるシリコン酸化膜１４とからなっている。 Other examples of the charge holding unit, as shown in FIG. 2, the conductive film 22 where the side wall shape, and the conductive film 22, the gate electrode 13, the semiconductor substrate 11 and the source / drain regions 17 and 18 It is made of silicon oxide film 14 for separating. 電荷を蓄積する機能を有するのは導電体膜２２であり、シリコン酸化膜１４は導電体膜２２に蓄積された電荷の漏れを防いでいる。 Has a function of storing charges is a conductor film 22, the silicon oxide film 14 is prevented leakage of charges accumulated in the conductive film 22.
電荷保持部は、更に、図３に示す構造を有していてもよい。 Charge holding unit may further have the structure shown in FIG. サイドウォールスペーサ形状の電荷保持部は、シリコン窒化膜１５がシリコン酸化膜１４，１６で挟まれた構造を有している。 Charge holding portion of the sidewall spacer shape comprises a silicon nitride film 15 is sandwiched by the silicon oxide films 14 and 16 structure. シリコン窒化膜１５は、電荷（電子又は正孔）をトラップして蓄積する機能を有している。 Silicon nitride film 15 has a function to store and trap charges (electrons or holes). 主として電荷を蓄積するのは、シリコン窒化膜１５のうち、オフセット領域４２上に存する部分である。 It is to primarily storing charge, of the silicon nitride film 15, a portion present on an offset region 42. このように、電荷保持部はシリコン窒化膜１５がシリコン酸化膜１４，１６によって挟まれた構造を有するため、電荷保持部への電荷注入効率が上がり、書換え動作（書込み及び消去動作）の高速化が実現する。 Thus, the charge holding portion to have a silicon nitride film 15 is sandwiched by the silicon oxide films 14 and 16 structure, raise the charge injection efficiency into the charge holding unit, speed rewrite operation (write and erase operation) but to achieve.
電荷保持部の構造は、上記３つの例（図１〜図３）に限らず、例えば、電荷保持部に電荷を蓄積する機能を有する量子ドットが含まれているものでもよい。 Structure of the charge holding portion is not limited to the above three examples (FIGS. 1-3), for example, it may be one that contains the quantum dots having a function of storing electric charges in the charge holding portion. また、電荷保持部の形状はサイドウォール形状を有している必要はなく、ゲート電極の両側にあって、その一部が半導体基板１１及びソース／ドレイン領域１７，１８に接していればよい。 The shape of the charge holding portion is not required to have a sidewall shape, in the both sides of the gate electrode, a part of it is sufficient that contact with the semiconductor substrate 11 and the source / drain regions 17 and 18.
次に、このメモリ素子の動作原理について、図４〜図８を用いて説明する。 Next, the operation principle of the memory cell will be described with reference to FIGS. 4-8. なお、図４〜図６は、図３に示した電荷保持部を持つメモリ素子の場合を示しているが、その他の形状の電荷保持部を持つメモリ素子にも適用することができる。 4A to 6, the case of a memory device having a charge holding portion shown in FIG. 3, it can be applied to a memory device having a charge holding portion of the other shapes.
まず、このメモリ素子の書込み動作について、図４を用いて説明する。 First, the write operation of the memory cell will be described with reference to FIG. なお、書込みとは、メモリ素子がＮチャネル型のとき、電荷保持部に電子を注入することを指し、メモリ素子がＰチャネル型のとき、電荷保持部に正孔を注入することを指すこととする。 The write and when the memory element is an N-channel type, refers to the injection of electrons into the charge holding portion, when the memory element is a P-channel type, it refers to the injection of holes into the charge holding portion and to. なお、メモリ素子がＮチャネル型の時は、半導体基板１１はＰ型、拡散層領域１７，１８はＮ型の導電型を持ち、メモリ素子がＰチャネル型のときはそれぞれ導電型が反対となる。 Incidentally, when the memory device is of the N-channel type, the semiconductor substrate 11 is P-type, diffusion layer regions 17 and 18 has N-type conductivity, conductivity type, respectively the opposite when the memory element is a P-channel type . 以下の説明（読出し方法及び消去方法に関する説明も含む）では、メモリ素子がＮチャネル型の場合を説明するが、Ｐチャネル型の場合は電子と正孔の役割を逆にすればよい。 In the following description (including description of the reading method and erasing method), but the memory device will be described the case of the N-channel type, in the case of P-channel type may be reversed the roles of electrons and holes. また、Ｐチャネル型の場合は各ノードに印加する電圧の符号を全て反対にすればよい。 In the case of P-channel type may be entirely reversing the sign of the voltage applied to each node. このメモリの書込み動作は、ドレイン電界により加速されたホットエレクトロン（熱電子）を電荷保持部に注入することにより行なう。 The write operation of the memory is performed by injecting accelerated hot electrons by the drain electric field (thermal electrons) to the charge holding portion.
第２の電荷保持部６２に電子を注入する（書込む）ためには、図４（ａ）に示すように、第１の拡散層領域１７をソース電極に、第２の拡散層領域１８をドレイン電極とする。 In order to inject electrons (write) the second charge carrier holding portion 62, as shown in FIG. 4 (a), the first diffusion layer region 17 to the source electrode, the second diffusion layer region 18 a drain electrode. 例えば、第１の拡散層領域１７及び半導体基板１１に０Ｖ、第２の拡散層領域１８に＋５Ｖ、ゲート電極１３に＋４Ｖを印加すればよい。 For example, 0V to the first diffusion layer region 17 and the semiconductor substrate 11, + 5V to the second diffusion layer region 18, may be applied to + 4V to the gate electrode 13. このような電圧条件によれば、反転層３１が、第１の拡散層領域１７（ソース電極）から伸びるが、第２の拡散層領域１８（ドレイン電極）に達することなく、ピンチオフ点が発生する。 According to such a voltage condition, an inversion layer 31, but extending from the first diffusion layer region 17 (source electrode), without reaching the second diffusion layer region 18 (drain electrode), a pinch-off point occurs . 電子は、ピンチオフ点から第２の拡散層領域１８（ドレイン電極）まで高電界により加速され、いわゆるホットエレクトロン（高エネルギーの伝導電子）となる。 Electrons from the pinch-off point to the second diffusion layer region 18 (drain electrode) are accelerated by a high electric field, so-called hot electrons (high energy conduction electrons). このホットエレクトロンが第２の電荷保持部６２（より正確にはシリコン窒化膜１５）に注入されることにより書込みが行なわれる。 The hot electrons writing is performed by being injected into the second charge carrier holding portion 62 (more precisely, the silicon nitride film 15). なお、第１の電荷保持部６１近傍では、ホットエレクトロンが発生しないため、書込みは行なわれない。 In the first charge carrier holding portion 61 near, since the hot electrons are not generated, the write is not performed. このようにして、第２の電荷保持部６２に電子を注入して、書込みを行なうことができる。 In this way, electrons are injected into the second charge carrier holding portion 62, writing can be performed.
一方、第１の電荷保持部６１に電子を注入する（書込む）ためには、図４（ｂ）に示すように、第２の拡散層領域１８をソース電極に、第１の拡散層領域１７をドレイン電極とする。 Meanwhile, in order to inject electrons (write) the first charge holding portion 61, as shown in FIG. 4 (b), the second diffusion layer region 18 to the source electrode, the first diffusion layer region 17 to the drain electrode. 例えば、第２の拡散層領域１８及び半導体基板１１に０Ｖ、第１の拡散層領域１７に＋５Ｖ、ゲート電極１３に＋４Ｖを印加すればよい。 For example, 0V to the second diffusion layer region 18 and the semiconductor substrate 11, + 5V to the first diffusion layer region 17, may be applied to + 4V to the gate electrode 13. このように、第２の電荷保持部６２に電子を注入する場合とは、ソース／ドレイン領域を入れ替えることにより、第１の電荷保持部６１に電子を注入して、書込みを行なうことができる。 Thus, the case of injecting electrons into the second charge carrier holding portion 62, by interchanging the source / drain region, electrons are injected into the first charge carrier holding portion 61, writing can be performed.
次に、上記メモリ素子の読み出し動作原理を説明する（図示せず）。 Next, the read operation principle of the memory device (not shown).
第１の電荷保持部６１に記憶された情報を読み出す場合、第１の拡散層領域１７をソース電極に、第２の拡散層領域１８をドレイン電極とし、トランジスタを飽和領域動作させる。 When reading the information stored in the first charge holding portion 61, a first diffusion layer region 17 to the source electrode, the second diffusion layer region 18 and the drain electrode, the transistor is operated in a saturation region. 例えば、第１の拡散層領域１７及び半導体基板１１に０Ｖ、第２の拡散層領域１８に＋２Ｖ、ゲート電極１３に＋１Ｖを印加すればよい。 For example, 0V to the first diffusion layer region 17 and the semiconductor substrate 11, + 2V to the second diffusion layer region 18, may be applied to + 1V to the gate electrode 13. この際、第１の電荷保持部６１に電子が蓄積していない場合には、ドレイン電流が流れやすい。 In this case, when electrons are not accumulated in the first charge holding portion 61, a drain current easily flows. 一方、第１の電荷保持部６１に電子が蓄積している場合は、第１の電荷保持部６１近傍で反転層が形成されにくいので、ドレイン電流は流れにくい。 When electrons are accumulated in the first charge holding portion 61, the inversion layer is not easily formed in the first charge holding portion 61 near the drain current hardly flows. したがって、ドレイン電流を検出することにより、第１の電荷保持部６１の記憶情報を読み出すことができる。 Therefore, by detecting the drain current, it is possible to read the information stored in the first charge holding portion 61. このとき、第２の電荷保持部６２における電荷蓄積の有無は、ドレイン近傍がピンチオフしているため、ドレイン電流に影響を与えない。 In this case, the presence or absence of charge accumulation in the second charge carrier holding portion 62, since the vicinity of the drain is pinched off, does not affect the drain current.
第２の電荷保持部６２に記憶された情報を読み出す場合、第２の拡散層領域１８をソース電極に、第１の拡散層領域１７をドレイン電極とし、トランジスタを飽和領域動作させる。 When reading the information stored in the second charge carrier holding portion 62, a second diffusion layer region 18 to the source electrode, the first diffusion layer region 17 and the drain electrode, the transistor is operated in a saturation region. 例えば、第２の拡散層領域１８及び半導体基板１１に０Ｖ、第１の拡散層領域１７に＋２Ｖ、ゲート電極１３に＋１Ｖを印加すればよい。 For example, 0V to the second diffusion layer region 18 and the semiconductor substrate 11, + 2V to the first diffusion layer region 17, may be applied to + 1V to the gate electrode 13. このように、第１の電荷保持部６１に記憶された情報を読み出す場合とは、ソース／ドレイン領域を入れ替えることにより、第２の電荷保持部６２に記憶された情報の読出しを行なうことができる。 Thus, the case of reading information stored in the first charge holding portion 61, by interchanging the source / drain regions, can be read out information stored in the second charge carrier holding portion 62 .
なお、ゲート電極１３で覆われないチャネル領域（オフセット領域４２）が残されている場合、ゲート電極１３で覆われないチャネル領域においては、電荷保持部６１，６２の余剰電子の有無によって反転層が消失又は形成され、その結果、大きなヒステリシス（閾値の変化）が得られる。 In the case where the channel region which is not covered with the gate electrode 13 (the offset region 42) are left in the channel region that is not covered with the gate electrode 13, an inversion layer by the presence or absence of excess electrons in the charge holding portion 61, 62 It is lost or formed, as a result, a large hysteresis (change in threshold) is obtained. ただし、オフセット領域４２の幅があまり大きいと、ドレイン電流が大きく減少し、読出し速度が大幅に遅くなる。 However, when the width of the offset region 42 is too large, the drain current largely decreases and reading speed is significantly slowed. したがって、十分なヒステリシスと読出し速度が得られるように、オフセット領域４２の幅を決定することが好ましい。 Accordingly, as sufficient hysteresis and reading speed can be obtained, it is preferable to determine the width of the offset region 42.
拡散層領域１７，１８がゲート電極１３端に達している場合、つまり、拡散層領域１７，１８とゲート電極１３とがオーバーラップしている場合であっても、書込み動作によりトランジスタの閾値はほとんど変わらなかったが、ソース／ドレイン端での寄生抵抗が大きく変わり、ドレイン電流は大きく減少（１桁以上）した。 If the diffusion layer regions 17 and 18 reaches the gate electrode 13 ends, that is, even when the diffusion layer regions 17 and 18 and the gate electrode 13 are overlapped, most the threshold of the transistor by a write operation but did not change, change a large parasitic resistance in the source / drain terminal, the drain current is greatly reduced (by more than one order of magnitude) it was. したがって、ドレイン電流の検出により読出しが可能であり、メモリとしての機能を得ることができる。 Therefore, read by detecting the drain current is possible, it is possible to obtain a function as a memory. ただし、より大きなメモリヒステリシス効果を必要とする場合、拡散層領域１７，１８とゲート電極１３とがオーバーラップしていない（オフセット領域４２が存在する）ほうが好ましい。 However, if you require larger memory hysteresis effect, the diffusion layer regions 17 and 18 and the gate electrode 13 do not overlap (the offset region 42 exists) it is preferable.
次に、上記半導体記憶装置の第１の消去方法を図５で説明する。 Next, the first erasing method of the semiconductor memory device in FIG.
第２の電荷保持部６２に記憶された情報を消去する場合、第２の拡散層領域１８に正電圧（例えば、＋５Ｖ）、半導体基板１１に０Ｖを印加して、第２の拡散層領域１８と半導体基板１１とのＰＮ接合に逆バイアスをかけ、更にゲート電極１３に負電圧（例えば、−５Ｖ）を印加すればよい。 Case of erasing information stored in the second charge carrier holding portion 62, a positive voltage to the second diffusion layer region 18 (e.g., + 5V), and 0V is applied to the semiconductor substrate 11, the second diffusion layer region 18 and a reverse bias applied to the PN junction between the semiconductor substrate 11 may be a negative voltage (e.g., -5V) further to the gate electrode 13. このとき、上記ＰＮ接合のうちゲート電極１３付近では、負電圧が印加されたゲート電極の影響により、特にポテンシャルの勾配が急になる。 At this time, in the vicinity of the gate electrode 13 of the PN junction, due to the influence of the gate electrode to which the negative voltage is applied, in particular the gradient of the potential becomes steep. そのため、バンド間トンネルによりＰＮ接合の半導体基板１１側に正孔（ホール）が発生する。 Therefore, positive holes are generated in the semiconductor substrate 11 side of the PN junction by interband tunneling. この正孔が負の電位をもつゲート電極１３方向に引きこまれ、その結果、第２の電荷保持部６２に正孔が注入される。 The holes are attracted to the gate electrode 13 that has a negative potential, as a result, holes are injected into the second charge carrier holding portion 62. このようにして、第２の電荷保持部６２の消去が行なわれる。 As described above, the erase of the second charge carrier holding portion 62 is performed. このとき第１の拡散層領域１７には０Ｖを印加するか、又は、オープン状態にすればよい。 Or 0V is applied to the first diffusion layer region 17 at this time, or may be open.
上記消去方法において、第１の電荷保持部６１に記憶された情報を消去する場合は、上記において第１の拡散層領域と第２の拡散層領域の電位を入れ替えればよい。 In the above erasing method, when erasing information stored in the first charge holding unit 61 may be interchanged with the potential of the first diffusion layer region and the second diffusion layer regions above.
次に、上記半導体記憶装置の第２の消去方法を図６及び図７で説明する。 Next, a second erasing method of the semiconductor memory device in FIGS.
第２の電荷保持部６２に記憶された情報を消去する場合、図６に示すように、第２の拡散層領域１８に正電圧（例えば、＋４Ｖ）、第１の拡散層領域１７に０Ｖ、ゲート電極１３に負電圧（例えば、−４Ｖ）、半導体基板１１に正電圧（例えば、＋０．８Ｖ）を印加すればよい。 Case of erasing information stored in the second charge carrier holding portion 62, as shown in FIG. 6, a positive voltage to the second diffusion layer region 18 (e.g., + 4V), 0V to the first diffusion layer region 17, negative voltage to the gate electrode 13 (e.g., -4 V), to the semiconductor substrate 11 a positive voltage (e.g., + 0.8 V) may be applied to. すなわち、一方のＮ型拡散層領域（第１の拡散層領域１７）を基準電圧とし、他方のＮ型拡散層領域（第２の拡散層領域１８）を基準電圧より高い電圧とし、ゲート電極１３を基準電圧より低い電圧とし、Ｐ型半導体基板（半導体基板１１）を基準電圧より高い電圧とする。 That is, one N-type diffusion layer region (first diffusion layer region 17) as a reference voltage, the other N-type diffusion layer region (second diffusion layer region 18) is higher than the reference voltage, the gate electrode 13 was lower than the reference voltage, and a voltage higher than the reference voltage P-type semiconductor substrate (semiconductor substrate 11). なお、各ノードに印加する電圧は相対的なものであるから、半導体基板１１を基準電圧（０Ｖ）とすれば、上記条件は、第２の拡散層領域１８が＋３．２Ｖ、第１の拡散層領域１７が−０．８Ｖ、ゲート電極１３が−４．８Ｖである場合と等価である。 Incidentally, since the voltage applied to each node is relative, if the semiconductor substrate 11 a reference voltage (0V), the above conditions, the second diffusion layer region 18 is + 3.2 V, the first diffusion the layer region 17 -0.8 V, the gate electrode 13 is equivalent to the case is -4.8V. この場合、Ｐ型半導体基板（半導体基板１１）を基準電圧とし、一方のＮ型拡散層領域（第１の拡散層領域１７）を基準電圧より低い電圧とし、他方のＮ型拡散層領域（第２の拡散層領域１８）を基準電圧より高い電圧とし、ゲート電極１３を基準電圧より低い電圧とすると表現することもできる。 In this case, P-type semiconductor substrate (semiconductor substrate 11) as a reference voltage, one of the N-type diffusion layer region (first diffusion layer region 17) to a voltage lower than the reference voltage, the other N-type diffusion layer region (second the second diffusion layer region 18) is higher than the reference voltage, the gate electrode 13 may also be expressed as a voltage lower than the reference voltage.
なお、本実施の形態の半導体記憶装置をセルアレイ状に配置する場合は、各メモリ素子のＰ型半導体基板を共通とし（すなわち、１個の半導体基板上にメモリセルアレイを形成するか、もしくは、半導体基板中に共通のＰ型ウェル領域を形成してその上にメモリセルアレイを形成する）、Ｐ型半導体基板の電位を固定して動作させるのが好ましい。 In the case of placing the semiconductor memory device of this embodiment the cell array shape, and the P-type semiconductor substrate of the memory element and the common (i.e., to form a memory cell array on a single semiconductor substrate, or a semiconductor forming a common P-type well region in the substrate to form a memory cell array thereon and), it is preferable to operate by fixing the potential of the P-type semiconductor substrate. なぜなら、共通のＰ型半導体基板は非常に大きな面積のＰＮ接合を有しているから、Ｐ型半導体基板の電位を変動させるとＰＮ接合に纏わる容量を充電するために大きな電流が流れるからである。 This is because, the common P-type semiconductor substrate is because since a very PN junction large area, a large current flows to charge the capacitor coils round Varying the potential of the P-type semiconductor substrate PN junction .
図７は、図６における切断面線Ａ−Ａ'における、電子に対するエネルギーダイヤグラム（エネルギーバンド図）を示している。 7, taken along section line A-A 'in FIG. 6 shows the energy diagram (energy band diagram) for electrons. 図７（ａ）は、半導体基板１１に第１の拡散層領域１７と同じ０Ｖを印加したとき（他のノードの電位は図６と同じ）を表し、図７（ｂ）は、半導体基板１１に＋０．８Ｖを印加したとき（すなわち図６に示した条件と同じ）を、それぞれ表している。 7 (a) is, upon application of the same 0V as the first diffusion layer region 17 in the semiconductor substrate 11 (the potential of the other nodes the same as FIG. 6) represent, FIG. 7 (b), the semiconductor substrate 11 + 0.8 V upon application of a (i.e. same as the condition shown in FIG. 6), represents respectively. 図７中、Ｅｃは伝導電子帯端を、Ｅｖは価電子帯端をそれぞれ表しており、ＥｃとＥｖの間はバンドギャップとなっている。 In Figure 7, Ec is the conduction electron band edge, Ev represents the valence band edge, respectively, between Ec and Ev has a band gap.
図７（ａ）の場合は、電圧の絶対値は異なるものの、本質的に第１の消去方法と同じである。 In the case of FIG. 7 (a), although the absolute value of the voltage differs, essentially the same as the first erasing method. この場合、半導体基板１１と第２の拡散層領域１８との間には、バンド間トンネルが起きるに足る電位差を与えなければならない。 In this case, the semiconductor substrate 11 and between the second diffusion layer region 18, must be given a potential difference sufficient to band tunneling occurs. 第２の消去方法は、半導体基板１１と第２の拡散層領域１８との間の電位差が、バンド間トンネルが起きるに足らない場合であっても、正孔を発生させて消去動作を行なうものである。 Those second erase method, the potential difference between the semiconductor substrate 11 and the second diffusion layer region 18, even if not enough to band tunneling occurs, which generates holes performs an erase operation it is. 第２の消去方法における最も重要な点は、第１の拡散層領域１７と半導体基板１１との間のＰＮ接合に、順方向電圧を印加することである。 The most important point in the second erasing method, the PN junction between the first diffusion layer region 17 and the semiconductor substrate 11 is to apply a forward voltage. 図７（ｂ）に示すように、上記順方向電圧を印加すると、半導体基板１１のポテンシャルは、点線から実線へと低下する。 As shown in FIG. 7 (b), when applying the forward voltage, the potential of the semiconductor substrate 11 is reduced from dashed to solid lines. そのため、第１の拡散層領域１７から半導体基板１１へ電子が注入される（電子５１）。 Therefore, electrons are injected from the first diffusion layer region 17 to the semiconductor substrate 11 (electronic 51). 半導体基板へ注入された電子５１は、第２の拡散層領域１８と半導体基板１１との間のＰＮ接合に達して電界により加速され、散乱によりエネルギーを失う（電子５２）。 Electronic 51 injected into the semiconductor substrate is accelerated by the electric field reaches the PN junction between the second diffusion layer region 18 and the semiconductor substrate 11, lose energy by scattering (electron 52). このとき失われたエネルギーは、価電子帯の電子が受け取り、電子５３と正孔５４との対を発生させる。 The time lost energy is received by electrons in the valence band, to generate a pair of electrons 53 and holes 54. かくして第２の拡散層領域１８と半導体基板１１との間のＰＮ接合において正孔が発生し、更に第２の電荷保持部６２に注入されて消去が行われる。 Thus holes generated in the PN junction between the second diffusion layer region 18 and the semiconductor substrate 11, erasing is performed is further injected into the second charge carrier holding portion 62.
上記第２の消去方法によれば、第２の拡散層領域１８と半導体基板１１に印加する逆方向バイアスが比較的小さい場合であっても正孔を発生させ、消去動作が可能となる。 According to the second erasing method, even when reverse bias applied to the second diffusion layer region 18 and the semiconductor substrate 11 is relatively small to generate a positive hole, thereby enabling the erase operation. それゆえ、メモリ素子の動作電圧を低くすることが可能となる。 Therefore, it is possible to lower the operating voltage of the memory device. したがって、低消費電力化、メモリ素子劣化の抑制を実現することができる。 Therefore, it is possible to realize lower power consumption, the suppression of the memory element degradation. 特に、オフセット領域４２が存在する場合は、負の電位が印加されたゲート電極によりＰＮ接合のポテンシャルが急峻となる効果が少ない。 In particular, when the offset region 42 is present, the effect of the potential of the PN junction becomes steep lesser gate electrode to which a negative potential is applied. そのため、バンド間トンネルによる正孔の発生が難しいのであるが、第２の消去方法はその欠点を補い、低電圧で消去動作を実現することができる。 Therefore, although difficult generation of holes by interband tunnel can second erasing method, the disadvantage is overcome to realize the erase operation at a low voltage. それゆえ、オフセット領域４２を設けることによりメモリ効果が増大する本発明のメモリ装置においては、第２の消去方法は特に好ましいのである。 Therefore, in the memory device of the present invention the memory effect by providing the offset region 42 is increased, the second erasing method is particularly preferred.
第１の拡散層領域１７と半導体基板１１との間に印加する順方向バイアスは、０．７Ｖ以上の時に消去が行われ、０．７Ｖ未満では全く消去が行われなかった。 Forward bias to be applied between the first diffusion layer region 17 and the semiconductor substrate 11 is performed erased when the above 0.7 V, the erase completely not performed is less than 0.7 V. また、上記順方向バイアスが１Ｖを越えると順方向電流が増大して、消去動作時の消費電流が著しく増大してしまった。 Further, the forward bias forward current is increased exceeds 1V, the current consumption during erase operation had increased significantly. したがって、上記順方向バイアスは、０．７Ｖ以上であって、１Ｖ以下であるのが好ましい。 Therefore, the forward bias is a by 0.7V or more, and preferably less than 1V.
上記第２の消去方法において、第１の電荷保持部６１に記憶された情報を消去する場合は、上記において第１の拡散層領域と第２の拡散層領域の電位を入れ替えればよい。 In the second erasing method, when erasing information stored in the first charge holding unit 61 may be interchanged with the potential of the first diffusion layer region and the second diffusion layer regions above.
図８は、上記第２の消去方法における、ゲート長が変化した時の消去能力の変化を示す図である。 Figure 8 is a drawing showing the second erasing method, a change in the erasing capability when the gate length is changed. 図８を作成するための実験では、メモリ素子に書込み動作を行なった後にメモリ素子の閾値を測定し、続いて上記第２の消去方法で消去動作を行なった後に再び閾値を測定した。 In experiments to create a 8, a threshold value of the memory element was measured after performing a write operation to the memory device, followed by measuring the threshold again after performing the erase operation in the second erasing method. 書込み動作を行なう前の閾値の初期値は約０．４Ｖであった。 The initial value of the threshold prior to the write operation was about 0.4V. 書込み動作を行なった後は、ゲート長に関わらずほぼ一定の閾値（０．８５Ｖ）まで閾値が上昇した。 After performing the write operation, the threshold is raised substantially up to a certain threshold (0.85V) regardless of the gate length. 一方、消去動作を行なった後は、ゲート長が０．５μｍ以下ではほぼ一定の閾値（０．４Ｖ）まで閾値が低下したが、０．６μｍ以上ではゲート長の増大にしたがって急速に消去能力が低下していくことが分かった。 On the other hand, after performing the erase operation, the gate length is the threshold to approximately constant threshold (0.4V) and decreased in 0.5μm or less, rapidly erasability with increasing gate length is 0.6μm or more it was found that the decreases. このような現象が起きる原因は、以下のように考えられる。 Cause such a phenomenon occurs is considered as follows. 図７（ｂ）において、第１の拡散層領域１７から半導体基板１１中に注入された電子５１は、ゲート長（チャネル長）が十分に短い場合には、第２の拡散層領域１８と半導体基板１１とのＰＮ接合に達することができる。 In FIG. 7 (b), electrons 51 injected into the semiconductor substrate 11 from the first diffusion layer region 17, when the gate length (channel length) is sufficiently short, semiconductor and the second diffusion layer region 18 You can reach the PN junction between the substrate 11. しかし、ゲート長（チャネル長）が長い場合には、電子５１は再結合などによって失われ、もしくは負電位を持つゲート電極から反発力を受け、上記ＰＮ接合に達する数が著しく減少する。 However, when the gate length (channel length) is long, electrons 51 are lost, such as by recombination, or a gate electrode receiving a repulsive force with a negative potential, the number reaching the PN junction is considerably reduced. そのため、図８に示すような特性が得られたものと考えられる。 Therefore, it is considered that the characteristics shown in FIG. 8 is obtained. これより、このメモリ素子のゲート長は０．５μｍ以下であることが好ましい。 Than this, the gate length of the memory element is preferably 0.5μm or less. このメモリ素子は、既に述べたように特に微細化に適しているのであるが、ゲート長が０．０１５μｍ以下となると、もはやトランジスタ動作自体が困難なものとなる。 The memory device, although Suitable for especially fine As already mentioned, when the gate length is less than 0.015 .mu.m, becomes longer difficult transistor operation itself. 以上のことを総合して、このメモリ素子のゲート長は０．０１５μｍ以上であって、０．５μｍ以下であることが好ましい。 Taken together with the above, the gate length of the memory element is not less than 0.015 .mu.m, is preferably 0.5μm or less.
上記動作方法では、ソース電極とドレイン電極を入れ替えることによって１トランジスタ当り２ビットの書込み及び消去をさせているが、ソース電極とドレイン電極を固定して１ビットメモリとして動作させてもよい。 In the above operation method, the 2-bit write and erase per transistor by interchanging the source electrode and the drain electrode may be fixed to the source electrode and the drain electrode is operated as a 1-bit memory. この場合ソース／ドレイン領域の一方を共通固定電圧とすることが可能となり、ソース／ドレイン領域に接続されるビット線の本数を半減できる。 In this case it is possible to a common fixed voltage one of the source / drain regions, it can be halved and the number of bit lines connected to the source / drain regions.
なお、上記動作方法は本実施の形態の半導体記憶装置に限らず、他の実施の形態の半導体記憶装置についても適用することができる。 The above operation method is not limited to the semiconductor memory device of this embodiment can also be applied to a semiconductor memory device of another embodiment.
本実施の形態の半導体記憶装置によれば、メモリトランジスタの電荷保持部は、ゲート絶縁膜とは独立して形成され、ゲート電極の両側に形成されている。 According to the semiconductor memory device of this embodiment, the charge holding portion of the memory transistor, the gate insulating film are formed independently, they are formed on both sides of the gate electrode. そのため、２ビット動作が可能である。 Therefore, it is possible 2-bit operation. 更には、各電荷保持部はゲート電極により分離されているので書換え時の干渉が効果的に抑制される。 Furthermore, the charge holding portion is interference during rewrite so are separated by the gate electrode is effectively suppressed. また、電荷保持部が担うメモリ機能と、ゲート絶縁膜が担うトランジスタ動作機能とは分離されているので、ゲート絶縁膜厚を薄膜化して短チャネル効果を抑制することができる。 Moreover, the memory function of the charge holding unit is responsible, which is separated from the transistor operation function of the gate insulating film plays, the gate insulating film thickness can be suppressed short channel effect by thinning. したがって素子の微細化が容易となる。 Thus it is easy to miniaturization of the element.
また、この半導体記憶装置の第２の消去方法によれば、比較的低い電圧で正孔を発生させて消去動作を行なうことが可能となる。 Further, according to the second method of erasing semiconductor memory device, it is possible to perform an erase operation by generating a hole at a relatively low voltage. それゆえ、メモリ素子の動作電圧を低くすることが可能となる。 Therefore, it is possible to lower the operating voltage of the memory device. したがって、低消費電力化、メモリ素子劣化の抑制を実現することができる。 Therefore, it is possible to realize lower power consumption, the suppression of the memory element degradation. 更には、上記第２の消去方法は、拡散層領域をゲート電極に対してオフセットすることによりメモリ効果が増大する本発明のメモリ装置においては、消去動作電圧を低減する効果が特に大きい。 Furthermore, the second erasing method, in a memory device of the present invention that the memory effect is increased by the offset with respect to the gate electrode of the diffusion layer regions, is particularly large effect of reducing the erase operation voltage.
この実施の形態の半導体記憶装置は、図９に示すように、電荷保持部１６１、１６２が、電荷を保持する領域（電荷を蓄える領域であって、電荷を保持する機能を有する膜であってもよい）と、電荷を逃げにくくする領域（電荷を逃げにくくする機能を有する膜であってもよい）とから構成される。 The semiconductor memory device of this embodiment, as shown in FIG. 9, the charge holding portion 161 and 162, a region for storing region (charge retaining charges, a film having the function of retaining charges constructed from a well may), an area of ​​suppressing escape of charges (charges may be a film having a function of suppressing escape of). 例えば、ＯＮＯ構造を有している。 For example, and it has an ONO structure. すなわち、第１の絶縁体としてのシリコン窒化物からなる膜１４２が、第２の絶縁体としてのシリコン酸化物からなる膜１４１と、第３の絶縁体としてのシリコン酸化物からなる膜１４３との間に挟まれて、電荷保持部１６１、１６２を構成している。 That is, film 142 made of silicon nitride as the first insulator, a film 141 made of silicon oxide as the second insulator, the film 143 made of silicon oxide as the third insulator sandwiched between, it constitutes a charge holding portion 161. ここで、シリコン窒化膜１４２は、電荷を蓄積して保持する機能を果たす。 Here, the silicon nitride film 142 serves the function of holding and storing charge. また、シリコン酸化膜１４１、１４３はシリコン窒化膜中に蓄えられた電荷を逃げにくくする機能を果たす。 Further, the silicon oxide film 141, 143 the function of suppressing escape of charges stored in the silicon nitride film.
また、上記電荷保持部１６１、１６２における電荷を保持する領域（シリコン窒化膜１４２）は、拡散層領域１１２、１１３とそれぞれオーバーラップしている。 Also, the diffusion regions in the charge holding portions 161 and 162 (silicon nitride film 142), are overlapped with the diffusion layer regions 112, 113. ここで、オーバーラップするとは、拡散層領域１１２、１１３の少なくとも一部の領域上に、電荷を保持する領域（シリコン窒化膜１４２）の少なくとも一部が存在することを意味する。 Here, the overlap is on at least a portion of a region of the diffusion layer regions 112 and 113, it means that at least a portion is present in the diffusion regions (silicon nitride film 142). なお、１１１は半導体基板、１１４はゲート絶縁膜、１１７はゲート電極、１７１は（ゲート電極と拡散層領域との）オフセット領域である。 Incidentally, the semiconductor substrate 111, 114 is a gate insulating film, 117 a gate electrode, 171 is (the gate electrode and the diffusion layer region) offset region. 図示しないが、ゲート絶縁膜１１４下であって半導体基板１１１の最表面部はチャネル領域となる。 Although not shown, the outermost surface portion of the semiconductor substrate 111 serves as a channel region under the gate insulating film 114.
電荷保持部１６１、１６２における電荷を保持する領域１４２と拡散層領域１１２、１１３とがオーバーラップすることによる効果を説明する。 An area 142 for holding electric charges in the charge holding portion 161, 162 and the diffusion layer regions 112, 113 will be described the effect of overlap.
図１０は、図９の右側の電荷保持部１６２周辺部の拡大図である。 Figure 10 is an enlarged view of the right charge holding portion 162 peripheral portion of FIG. Ｗ１はゲート電極１１４と拡散層領域１１３とのオフセット量を示す。 W1 denotes an offset amount between the gate electrode 114 and the diffusion layer region 113. また、Ｗ２はゲート電極のチャネル長方向の切断面における電荷保持部１６２の幅を示しているが、電荷保持部１６２のうちシリコン窒化膜１４２のゲート電極１１７と離れた側の端が、ゲート電極１１７から離れた側の電荷保持部１６２の端と一致しているため、電荷保持部１６２の幅をＷ２として定義した。 Further, W2 is shows the width of the charge holding portion 162 in a cross section in the channel length direction of the gate electrode, the end on the side apart from the gate electrode 117 of the silicon nitride film 142 of the charge holding portion 162, the gate electrode because it matches the end of the charge holding portion 162 on the side apart from 117, defining the width of the charge holding portion 162 as W2. 電荷保持部１６２と拡散層領域１１３とのオーバーラップ量はＷ２−Ｗ１で表される。 Overlapping amount of the charge holding unit 162 and the diffusion layer region 113 is expressed by W2-W1. 特に重要なことは、電荷保持部１６２のうちシリコン窒化膜１４２が、拡散層領域１１３とオーバーラップする、つまり、Ｗ２＞Ｗ１なる関係を満たすことである。 Of particular importance, the silicon nitride film 142 of the charge holding portion 162, the diffusion layer region 113 and the overlapping, that is, is that the relation of W2> W1 is satisfied.
なお、図１１に示すように、電荷保持部１６２ａのうちシリコン窒化膜１４２ａのゲート電極と離れた側の端が、ゲート電極から離れた側の電荷保持部１６２ａの端と一致していない場合は、Ｗ２をゲート電極端からシリコン窒化膜１４２ａのゲート電極と遠い側の端までと定義すればよい。 Incidentally, as shown in FIG. 11, if the end on the side apart from the gate electrode of the silicon nitride film 142a of the charge holding portion 162a does not match the end of the charge holding portion 162a on the side apart from the gate electrode , it may be defined as a W2 from the gate electrode end to the end of the gate electrode and the side away of the silicon nitride film 142a.
図１２は、図１０の構造において、電荷保持部１６２の幅Ｗ２を１００ｎｍに固定し、オフセット量Ｗ１を変化させたときのドレイン電流Ｉｄを示している。 12, in the structure of FIG. 10, the width W2 of the charge holding portion 162 is fixed to 100 nm, shows a drain current Id when varying the offset amount W1. ここで、ドレイン電流は、電荷保持部１６２を消去状態（正孔が蓄積されている）とし、拡散層領域１１２、１１３をそれぞれソース電極、ドレイン電極として、デバイスシミュレーションにより求めた。 Here, the drain current, the charge holding portion 162 and an erase state (has holes are accumulated), the diffusion layer regions 112, 113 a source electrode, respectively, as the drain electrode was determined by device simulation.
図１２から明らかなように、Ｗ１が１００ｎｍ以上（すなわち、シリコン窒化膜１４２と拡散層領域１１３とがオーバーラップしない）では、ドレイン電流が急速に減少している。 As apparent from FIG. 12, W1 is more than 100 nm (i.e., the silicon nitride film 142 and the diffusion layer region 113 are not overlapped), the drain current is rapidly decreased. ドレイン電流値は、読出し動作速度にほぼ比例するので、Ｗ１が１００ｎｍ以上ではメモリの性能は急速に劣化する。 Since the drain current value is almost proportional to reading operation speed, W1 is a 100nm or more memory performance is rapidly deteriorated. 一方、シリコン窒化膜１４２と拡散層領域１１３とがオーバーラップする範囲においては、ドレイン電流の減少は緩やかである。 In the range where the silicon nitride film 142 and the diffusion layer region 113 are overlapped, a decrease of the drain current is gentle. したがって、電荷を保持する機能を有する膜であるシリコン窒化膜１４２の少なくとも一部とソース／ドレイン領域とがオーバーラップすることが好ましい。 Therefore, it is preferable that at least part and the source / drain regions of the silicon nitride film 142 is a film having the function of retaining charges overlap.
上述したデバイスシミュレーションの結果を踏まえて、Ｗ２を１００ｎｍ固定とし、Ｗ１を設計値として６０ｎｍ及び１００ｎｍとして、メモリセルアレイを作製した。 Based on the results of the device simulation, the W2 to 100nm fixed, as 60nm and 100nm as a design value of W1, to produce a memory cell array. Ｗ１が６０ｎｍの場合、シリコン窒化膜１４２と拡散層領域１１２、１１３とは設計値として４０ｎｍオーバーラップし、Ｗ１が１００ｎｍの場合、設計値としてオーバーラップしない。 If W1 is 60 nm, the silicon nitride film 142 and the diffusion layer regions 112, 113 and 40nm overlap as a design value, W1 is the case of 100 nm, there is no overlap as a design value. これらのメモリセルアレイの読出し時間を測定した結果、ばらつきを考慮したワーストケースで比較して、Ｗ１を設計値として６０ｎｍとした場合の方が、読出しアクセス時間で１００倍高速であった。 As a result of measuring the read time of these memory cell arrays in comparison with the worst cases considering variations found the following case of a 60nm as a design value W1, was 100 times faster read access time. 実用上、読み出しアクセス時間は１ビットあたり１００ナノ秒以下であることが好ましいが、Ｗ１＝Ｗ２では、この条件を到底達成できないことが分かった。 In practice, it is preferable read access time is 100 nanoseconds or less per one bit. When W1 = W2, it was found that the condition can not be achieved. また、製造ばらつきまで考慮した場合、Ｗ２−Ｗ１＞１０ｎｍであることがより好ましいことが判明した。 In the case of considering manufacturing variations, it has been found that it is more preferably W2-W1> 10nm.
図９乃至１１の半導体記憶装置において、電荷保持部１６１（領域１８１）に記憶された情報の読み出しは、実施の形態１と同様に、拡散層領域１１２をソース電極とし、拡散層領域１１３をドレイン領域としてチャネル領域中のドレイン領域に近い側にピンチオフ点を形成するのが好ましい。 In the semiconductor memory device of FIG. 9 through 11, read information stored in the charge holding unit 161 (region 181), as in the first embodiment, the diffusion layer region 112 and the source electrode, the drain diffusion layer region 113 preferably, to form the pinch-off point on the side closer to the drain region in the channel region as a region. すなわち、２つの電荷保持部のうち一方に記憶された情報を読み出す時に、ピンチオフ点をチャネル領域内であって、他方の電荷保持部に近い領域に形成させるのが好ましい。 More specifically, in reading information stored in one of the two charge holding portion, the pinch-off point to a channel region, preferably formed in a region closer to the other of the charge holding portion. これにより、電荷保持部１６２の記憶状況の如何にかかわらず、電荷保持部１６１の記憶情報を感度よく検出することができ、２ビット動作を可能にする大きな要因となる。 Thus, regardless of the storage condition of the charge holding portion 162, can be detected with high sensitivity information stored in the charge holding portion 161, it is a major factor that enables 2-bit operation.
一方、２つの電荷保持部１６１，１６２のうちのの片側のみに情報を記憶させる場合又は２つの電荷保持部１６１，１６２を同じ記憶状態にして使用する場合には、読出し時に必ずしもピンチオフ点を形成しなくてもよい。 On the other hand, when used in the case where only stores information on one or two charge holding portions 161 and 162 of one of the two charge holding portions 161 and 162 in the same storage state, necessarily form a pinch-off point at the time of reading it may not be.
なお、図９には図示していないが、半導体基板１１１の表面にウェル領域（Ｎチャネル素子の場合はＰ型ウェル）を形成することが好ましい。 Although not shown in FIG. 9, it is preferable to form the (P-type well in the case of the N channel device) in the surface of the semiconductor substrate 111 well region. ウェル領域を形成することにより、チャネル領域の不純物濃度をメモリ動作（書換え動作及び読出し動作）に最適にしつつ、その他の電気特性（耐圧、接合容量、短チャネル効果）を制御するのが容易になる。 By forming the well region, while the impurity concentration of the channel region optimum for memory operations (rewriting operation and reading operation), the other electric characteristics (withstand voltage, junction capacitance, short channel effect) is facilitated to control the .
電荷保持部は、メモリの保持特性を向上させる観点から、電荷を保持する機能を有する電荷保持膜と絶縁膜とを含んでいるのが好ましい。 Charge holding unit, from the viewpoint of improving the retention characteristic of the memory, preferably include a charge retaining film and the insulating film having the function of retaining charges. この実施の形態では、電荷保持膜として電荷をトラップする準位を有するシリコン窒化膜１４２、絶縁膜として電荷保持膜に蓄積された電荷の散逸を防ぐ働きのあるシリコン酸化膜１４１、１４３を用いている。 In this embodiment, a silicon oxide film 141, 143 with a function of preventing the silicon nitride film 142 having a level of trapping charges is used as the charge holding film, dissipation of charges accumulated in the charge holding film as an insulating film there. 電荷保持部が電荷保持膜と絶縁膜とを含むことにより電荷の散逸を防いで保持特性を向上させることができる。 It is possible to improve the retention characteristics prevent dissipation of charges by the charge holding portion and an insulating film and the charge holding film. さらに、電荷保持部が電荷保持膜のみで構成される場合に比べて電荷保持膜の体積を適度に小さくすることができる。 Furthermore, it is possible to charge holding portion is moderately reduced the volume of the charge holding film as compared with the case constituted only by the charge holding film. 電荷保持膜の体積を適度に小さくすることにより電荷保持膜内での電荷の移動を制限し、記憶保持中に電荷移動による特性変化が起こるのを抑制することができる。 It is possible to restrict the movement of charges in the charge holding film by moderately reduce the volume of the charge holding film, to suppress the characteristic change due to movement of charges during memory holding.
また、電荷保持部は、ゲート絶縁膜表面と略平行に配置される電荷保持膜を含むこと、言い換えると、電荷保持部における電荷保持膜の上面が、ゲート絶縁膜上面から等しい距離に位置するように配置されることが好ましい。 The charge holding portion, that includes a charge holding film which is disposed substantially parallel to the surface of the gate insulating film, in other words, so that the upper surface of the charge holding film in the charge holding portion is located equal distance from the surface of the gate insulating film it is preferably disposed. 具体的には、図１３に示すように、電荷保持部１６２の電荷保持膜１４２ａが、ゲート絶縁膜１１４表面と略平行な面を有している。 Specifically, as shown in FIG. 13, the charge holding film 142a of the charge holding portion 162, and a gate insulating film 114 surface substantially parallel to the plane. 言い換えると、電荷保持膜１４２ａは、ゲート絶縁膜１１４表面に対応する高さから、均一な高さに形成されることが好ましい。 In other words, the charge holding film 142a from a height corresponding to the gate insulating film 114 surface is preferably formed to a uniform height. 電荷保持部１６２中に、ゲート絶縁膜１１４表面と略平行な電荷保持膜１４２ａがあることにより、電荷保持膜１４２ａに蓄積された電荷の多寡によりオフセット領域１７１での反転層の形成されやすさを効果的に制御することができ、ひいてはメモリ効果を大きくすることができる。 During the charge holding unit 162, by that there is a gate insulating film 114 surface substantially parallel to the charge holding film 142a, an inversion layer formed easiness of the offset region 171 by quantity of charges accumulated in the charge holding film 142a it can be effectively controlled, thereby enabling increase of the memory effect. また、電荷保持膜１４２ａをゲート絶縁膜１１４の表面と略平行とすることにより、オフセット量（Ｗ１）がばらついた場合でもメモリ効果の変化を比較的小さく保つことができ、メモリ効果のばらつきを抑制することができる。 Further, with the surface almost parallel to the gate insulating film 114 a charge holding film 142a, it can be kept relatively small change in the memory effect even if the offset amount (W1) varies, suppress variations in the memory effect can do. しかも、電荷保持膜１４２ａ上部方向への電荷の移動が抑制され、記憶保持中に電荷移動による特性変化が起こるのを抑制することができる。 Moreover, it is possible to move the charges to the charge holding film 142a upper direction is suppressed, to suppress the characteristic change due to movement of charges during memory holding.
さらに、電荷保持部１６２は、ゲート絶縁膜１１４の表面と略平行な電荷保持膜１４２ａとチャネル領域（又はウェル領域）とを隔てる絶縁膜（例えば、シリコン酸化膜１４４のうちオフセット領域１７１上の部分）を含むことが好ましい。 Further, the charge holding portion 162, substantially parallel to the surface charge holding film 142a and the channel region of the gate insulating film 114 (or well region) and the separating insulating film (e.g., the portion on the offset region 171 in the silicon oxide film 144 ) it will be preferable to include. この絶縁膜により、電荷保持膜に蓄積された電荷の散逸が抑制され、さらに保持特性の良い半導体記憶装置を得ることができる。 This insulating film is suppressed dissipation of charges accumulated in the charge holding film, it is possible to obtain further a semiconductor memory device with good retention properties.
なお、電荷保持膜１４２ａの膜厚を制御すると共に、電荷保持膜１４２ａ下の絶縁膜（シリコン酸化膜１４４のうちオフセット領域１７１上の部分）の膜厚を一定に制御することにより、半導体基板表面から電荷保持膜中に蓄えられる電荷までの距離を概ね一定に保つことが可能となる。 Incidentally, to control the thickness of the charge holding film 142a, by controlling the thickness of the constant (portion on the offset region 171 in the silicon oxide film 144) The insulating film under the charge holding film 142a, a semiconductor substrate surface generally it is possible to keep a constant distance to the electric charges stored in the charge holding film from. つまり、半導体基板表面から電荷保持膜中に蓄えられる電荷までの距離を、電荷保持膜１４２ａ下の絶縁膜の最小膜厚値から、電荷保持膜１４２ａ下の絶縁膜の最大膜厚値と電荷保持膜１４２ａの最大膜厚値との和までの間に制御することができる。 That is, the distance to the electric charges stored from the semiconductor substrate surface in the charge holding film, charge from the minimum thickness value of the insulation film under the charge holding film 142a, and the maximum film thickness value of the insulation film under the charge holding film 142a holding it can be controlled until the sum of the maximum film thickness value of the film 142a. これにより、電荷保持膜１４２ａに蓄えられた電荷により発生する電気力線の密度を概ね制御することが可能となり、メモリ素子のメモリ効果の大きさばらつきを非常に小さくすることが可能となる。 Thus, it is possible to substantially control the density of electric lines of force generated by the charges accumulated in the charge holding film 142a, it is possible to very small variations in the memory effect of the memory element.
この実施の形態は、電荷保持部１６２の電荷保持膜１４２が、図１４に示すように、略均一な膜厚を有し、ゲート絶縁膜１１４の表面と略平行をなす第１部１８１と、ゲート電極１１７側面と略平行をなす第２部１８２とを有している。 This embodiment, the charge holding film 142 in the charge holding portion 162, as shown in FIG. 14, has a substantially uniform thickness, a first part 181 having a substantially parallel to the surface of the gate insulating film 114, and a second part 182 having a substantially parallel with the gate electrode 117 side.
ゲート電極１１７に正電圧が印加された場合には、電荷保持部１６２中での電気力線は、矢印１８３で示すように、シリコン窒化膜１４２を、上記第１部１８１と第２部１８２とで２回通過する。 When the gate electrode 117 is a positive voltage is applied, electric lines of force in the charge holding unit 162, as shown by arrow 183, the silicon nitride film 142, the first part 181 and second part 182 passing in 2 times. なお、ゲート電極１１７に負電圧が印加された時は電気力線の向きは反対側となる。 The direction of the lines of electric force when a negative voltage to the gate electrode 117 is applied becomes opposite. ここで、シリコン窒化膜１４２の比誘電率は約６であり、シリコン酸化膜１４１、１４３の比誘電率は約４である。 Here, dielectric constant of the silicon nitride film 142 is about 6, the dielectric constant of the silicon oxide film 141, 143 is about 4. したがって、電荷保持膜１４２が第１部１８１のみを有する場合よりも、電気力線１８３方向における電荷保持部１６２の実効的な比誘電率が大きくなり、電気力線の両端での電位差をより小さくすることができる。 Therefore, as compared with the case where the charge holding film 142 has only first part 181, large electric power line 183 direction in the effective dielectric constant of the charge holding portion 162, a smaller potential difference at both ends of the electric line of force can do. すなわち、ゲート電極１１７に印加された電圧の多くの部分が、オフセット領域１７１における電界を強くするために使われることになる。 That is, many portions of the voltage applied to the gate electrode 117, will be used to increase the electric field in the offset region 171.
書換え動作時に電荷がシリコン窒化膜１４２に注入されるのは、発生した電荷がオフセット領域１７１における電界により引き込まれるためである。 The charge at the time of rewriting operation are injected into the silicon nitride film 142, the charge generated is because drawn by the electric field in the offset region 171. したがって、電荷保持膜１４２が第２部１８２を含むことにより、書換え動作時に電荷保持部１６２に注入される電荷が増加し、書換え速度が増大する。 Therefore, the charge holding film 142 by including a second part 182, the charge is increased to be injected into the charge holding unit 162 at the time of rewriting operation, the rewriting speed increases.
なお、シリコン酸化膜１４３の部分もシリコン窒化膜であった場合、つまり、電荷保持膜がゲート絶縁膜１１４の表面に対応する高さに対して均一でない場合、シリコン窒化膜の上方向への電荷の移動が顕著になって、保持特性が悪化する。 Case where the portion of the silicon oxide film 143 a silicon nitride film, that is, when the charge holding film is not uniform with respect to the height corresponding to the surface of the gate insulating film 114, the charge in the direction on the silicon nitride film movement becomes prominent, the retention characteristic deteriorates.
さらに、電荷保持部は、ゲート絶縁膜表面と略平行な電荷保持膜とチャネル領域（又はウェル領域）とを隔てる絶縁膜（シリコン酸化膜１４１のうちオフセット領域１７１上の部分）をさらに含むことが好ましい。 Further, the charge holding portion may further include a gate insulating film surface substantially parallel to the charge holding film and the channel region (or well region) and the separating insulating film (portion on the offset region 171 in the silicon oxide film 141) preferable. この絶縁膜により、電荷保持膜に蓄積された電荷の散逸が抑制され、さらに保持特性を向上させることができる。 This insulating film is suppressed dissipation of charges accumulated in the charge holding film, it is possible to further improve the retention characteristics.
また、電荷保持部は、ゲート電極と、ゲート電極側面と略平行な向きに延びた電荷保持膜とを隔てる絶縁膜（シリコン酸化膜１４１のうちゲート電極１１７に接した部分）をさらに含むことが好ましい。 The charge holding portion includes a gate electrode, may further include an insulating film that separates the charge holding film extending in the gate electrode almost parallel with the side face (portion in contact with the gate electrode 117 of the silicon oxide film 141) preferable. この絶縁膜により、ゲート電極から電荷保持膜へ電荷が注入されて電気的特性が変化することを防止し、半導体記憶装置の信頼性を向上させることができる。 This insulating film injection of charges from the gate electrode into the charge holding film prevents the electrical characteristics change, it is possible to improve the reliability of the semiconductor memory device.
さらに、第２実施の形態と同様に、電荷保持膜１４２の下側の絶縁膜（シリコン酸化膜１４１のうちオフセット領域１７１上の部分）の膜厚を一定に制御すること、さらにゲート電極側面上に配置する絶縁膜（シリコン酸化膜１４１のうちゲート電極１１７に接した部分）の膜厚を一定に制御することが好ましい。 Furthermore, as in the second embodiment, by controlling the thickness of the constant (portion on the offset region 171 in the silicon oxide film 141) under the insulating film of the charge holding film 142, further a gate electrode on the side surface it is preferable to control the thickness of the insulating film (portion in contact with the gate electrode 117 of the silicon oxide film 141) to be disposed in a constant. これにより、電荷保持膜１４２に蓄えられた電荷により発生する電気力線の密度を概ね制御することができるとともに、電荷リークを防止することができる。 Thus, it is possible to substantially control the density of electric lines of force generated by the charges accumulated in the charge holding film 142 can be prevented charge leakage.
この実施の形態は、ゲート電極、電荷保持部及びソース／ドレイン領域間距離の最適化に関する。 This embodiment includes a gate electrode, on the optimization of the charge holding portion and the source / drain regions distance.
図１５に示すように、Ａはチャネル長方向の切断面におけるゲート電極長、Ｂはソース／ドレイン領域間の距離（チャネル長）、Ｃは一方の電荷保持部１６１の端から他方の電荷保持部１６２の端までの距離、つまり、チャネル長方向の切断面における一方の電荷保持部１６１内の電荷を保持する機能を有する膜１４２の端（ゲート電極１１７から離れている側）から他方の電荷保持部１６２内の電荷を保持する機能を有する膜１４２の端（ゲート電極１１７から離れている側）までの距離を示す。 As shown in FIG. 15, A denotes a gate electrode length in the cross section in the channel length direction, B is the distance between the source / drain region (channel length), C is the other charge holding portion from the end of one charge carrier holding portion 161 the distance to the end of 162, that is, the other charge holding the edge of the film 142 having the function of retaining the one charge in the charge holding portion 161 in a cross section in the channel length direction (a side away from the gate electrode 117) shows the distance to the end of the film 142 having the function of retaining charges parts 162 (the side away from the gate electrode 117).
まず、Ｂ＜Ｃであることが好ましい。 First, it is preferable that B <C. チャネル領域のうちゲート電極１１７下の部分とソース／ドレイン領域１１２、１１３との間にはオフセット領域１７１が存する。 Offset region 171 between the gate electrode 117 under the portion and the source / drain regions 112 and 113 of the channel region exist. Ｂ＜Ｃにより、電荷保持部１６１、１６２（シリコン窒化膜１４２）に蓄積された電荷により、オフセット領域１７１の全領域において、反転の容易性が効果的に変動する。 The B <C, by charges accumulated in the charge holding unit 161 and 162 (silicon nitride film 142), in the entire region of the offset region 171, easiness of inversion effectively fluctuates. したがって、メモリ効果が増大し、特に読出し動作の高速化が実現する。 Therefore, the memory effect increases and, particularly, higher-speed reading operation is realized.
また、ゲート電極１１７とソース／ドレイン領域１１２、１１３がオフセットしている場合、つまり、Ａ＜Ｂが成立する場合には、ゲート電極１１７に電圧を印加したときのオフセット領域の反転のしやすさが電荷保持部１６１，１６２に蓄積された電荷量によって大きく変化し、メモリ効果が増大するとともに、短チャネル効果を低減することができる。 Further, if the gate electrode 117 and the source / drain regions 112 and 113 are offset, that, when A <B is satisfied, the inverted ease of offset region when a voltage is applied to the gate electrode 117 There largely changed by the amount of charge stored in the charge holding unit 161, the memory effect increases, it is possible to reduce the short channel effect. ただし、メモリ効果が発現する限りにおいては、必ずしも存在する必要はない。 However, as long as the memory effect appears, need not necessarily be present. オフセット領域１７１がない場合においても、ソース／ドレイン領域１１２、１１３の不純物濃度が十分に薄ければ、電荷保持部１６１、１６２（シリコン窒化膜１４２）においてメモリ効果が発現し得る。 In case there is no offset region 171 also, if the impurity concentration of the source / drain regions 112 and 113 is sufficiently thin, the memory effect can be expressed in the charge holding unit 161 and 162 (silicon nitride film 142). したがって、Ａ＜Ｂ＜Ｃであるのが最も好ましい。 Therefore, A <is most preferable B <C.
この実施の形態の半導体記憶装置は、図１６に示すように、実施の形態２における半導体基板をＳＯＩ基板とする以外は、実質的に同様の構成を有する。 The semiconductor memory device of this embodiment, as shown in FIG. 16, except that the semiconductor substrate in the second embodiment and the SOI substrate have substantially the same configuration.
この半導体記憶装置は、半導体基板１８６上に埋め込み酸化膜１８８が形成され、さらにその上にＳＯＩ層が形成されている。 The semiconductor memory device is a buried oxide film 188 is formed on the semiconductor substrate 186, and SOI layer is further formed thereon. ＳＯＩ層内には拡散層領域１１２、１１３が形成され、それ以外の領域はボディ領域１８７となっている。 The SOI layer diffusion layer regions 112 and 113 are formed, and other areas constitute a body region 187.
この半導体記憶装置によっても、実施の形態３の半導体記憶装置と同様の作用効果を奏する。 With this semiconductor memory device, the same effects as the semiconductor memory device of the third embodiment. さらに、拡散層領域１１２、１１３とボディ領域１８２との接合容量を著しく小さくすることができるので、素子の高速化や低消費電力化が可能となる。 Furthermore, it is possible to significantly reduce the junction capacitance between the diffusion layer regions 112, 113 and the body region 182, it is possible to speed and lower power consumption of the device.
この実施の形態の半導体記憶装置は、図１７に示すように、第２実施の形態において、Ｎ型のソース／ドレイン領域１１２、１１３のチャネル側に隣接して、Ｐ型高濃度領域１９１を追加した以外は、実質的に同様の構成を有する。 The semiconductor memory device of this embodiment, as shown in FIG. 17, in the second embodiment, adjacent to the channel side of the N-type source / drain regions 112 and 113, add a P-type high-concentration region 191 except that the have substantially the same configuration.
すなわち、Ｐ型高濃度領域１９１におけるＰ型の不純物（例えばボロン）濃度が、領域１９２におけるＰ型の不純物濃度よりも高い。 That is, impurities (e.g., boron) concentration of the P-type in the P-type high-concentration region 191 is higher than the impurity concentration of the P-type in the region 192. このＰ型高濃度領域１９１におけるＰ型の不純物濃度は、例えば、５×１０ １７ 〜１×１０ １９ ｃｍ −３程度が適当である。 The impurity concentration of the P-type in the P-type high-concentration region 191 is, for example, approximately 5 × 10 17 ~1 × 10 19 cm -3 is appropriate. また、領域１９２のＰ型の不純物濃度は、例えば、５×１０ １６ 〜１×１０ １８ ｃｍ −３とすることができる。 Further, P-type impurity concentration of the region 192 can be, for example, a 5 × 10 16 ~1 × 10 18 cm -3.
このように、Ｐ型高濃度領域１９１を設けることにより、拡散層領域１１２、１１３と半導体基板１１１との接合が、電荷保持部１６１、１６２の直下で急峻となる。 Thus, by providing the P-type high-concentration region 191, the junction between the diffusion layer regions 112 and 113 and the semiconductor substrate 111 becomes sharp just below the charge holding portion 161. そのため、書込み及び消去動作時にホットキャリアが発生し易くなり、書込み動作及び消去動作の電圧を低下させ、あるいは書込み動作及び消去動作を高速にすることが可能となる。 Therefore, easily hot carriers are generated at the time of write and erase operations, reduces the voltage of the writing operation and the erasing operation, or the write operation and erase operation can be performed at high speed. さらに、領域１９２の不純物濃度は比較的薄いので、メモリが消去状態にあるときの閾値が低く、ドレイン電流は大きくなる。 Further, since the impurity concentration in the region 192 is relatively thin, the threshold when the memory is in erase state is low, the drain current increases. そのため、読出し速度が向上する。 Therefore, the read speed is improved. したがって、書換え電圧が低く又は書換え速度が高速で、かつ、読出し速度が高速な半導体記憶装置を得ることができる。 Thus, in low or rewriting speed rewriting voltage is fast, and the reading speed can be obtained a high-speed semiconductor memory device.
また、図１７において、ソース／ドレイン領域近傍であって電荷保持部１６１，１６２の下側の位置（すなわち、ゲート電極の直下ではない位置）に、Ｐ型高濃度領域１９１を設けることにより、トランジスタ全体としての閾値は著しく上昇する。 Further, in FIG. 17, the lower position of the charge holding portion 161 a source / drain region near (i.e., the position not immediately below the gate electrode) in, by providing the P-type high-concentration region 191, transistor threshold as a whole significantly increased. この上昇の程度は、Ｐ型高濃度領域１９１がゲート電極１１７の直下にある場合に比べて著しく大きい。 The degree of increase is much higher than that in the case where the P-type high-concentration region 191 is positioned immediately below the gate electrode 117. 電荷保持部１６１，１６２に書込み電荷（トランジスタがＮチャネル型の場合は電子）が蓄積した場合は、この差がいっそう大きくなる。 If the write charge holding portion 161, 162 (transistor electrons in the case where the N-channel type) was accumulated, the difference becomes larger. 一方、電荷保持部に十分な消去電荷（トランジスタがＮチャネル型の場合は正孔）が蓄積された場合は、トランジスタ全体としての閾値は、ゲート電極１１７下のチャネル領域（領域１９２）の不純物濃度で決まる閾値まで低下する。 On the other hand, the impurity concentration of the case sufficient erase charges in the charge holding portion (the transistor is in the case of N-channel type holes) are accumulated, the threshold value of the entire transistor, under the gate electrode 117 channel region (region 192) It decreased down to a value determined by the. すなわち、消去時の閾値は、Ｐ型高濃度領域１９１の不純物濃度には依存せず、一方で、書込み時の閾値は非常に大きな影響を受ける。 That is, the threshold of the erasing operation does not depend on the impurity concentration of the P-type high-concentration region 191, whereas the threshold value in the written state largely influenced. よって、Ｐ型高濃度領域１９１を、電荷保持部１６１，１６２の下であってソース／ドレイン領域近傍に配置することにより、書込み時の閾値のみが非常に大きく変動し、メモリ効果（書込時と消去時での閾値の差）を著しく増大させることができる。 Therefore, by disposing the P-type high-concentration region 191, the vicinity of the source / drain regions a below the charge holding portion 161, only the threshold at the time of writing largely fluctuates, and the memory effect (write time it can significantly increase the difference) threshold at the time of erasing.
この実施の形態の半導体記憶装置は、図１８に示すように、第２実施の形態において、電荷保持膜（シリコン窒化膜１４２）とチャネル領域又はウェル領域とを隔てる絶縁膜１４１の厚さＴ１が、ゲート絶縁膜１１４の厚さＴ２よりも薄いこと以外は、実質的に同様の構成を有する。 The semiconductor memory device of this embodiment, as shown in FIG. 18, in the second embodiment, the thickness T1 of the insulating film 141 separating the charge holding film (silicon nitride film 142) and the channel region or well region , it is smaller than the thickness T2 of the gate insulating film 114 has a substantially similar configuration.
ゲート絶縁膜１１４は、メモリの書換え動作時における耐圧の要請から、その厚さＴ２には下限値が存在する。 The gate insulating film 114, from the demand of withstand voltage at the time of rewriting operation of the memory in the thickness T2 of the lower limit. しかし、電荷保持膜（シリコン窒化膜１４２）とチャネル領域又はウェル領域とを隔てる絶縁膜１４１の厚さＴ１は、耐圧の要請にかかわらず、Ｔ２よりも薄くすることが可能である。 However, the thickness T1 of the insulating film 141 separating the charge holding film (silicon nitride film 142) and the channel region or well region, regardless of the request for withstand voltage can be smaller than T2.
本実施の形態の半導体記憶装置において、上述のような絶縁膜の厚さＴ１に対する設計の自由度が高いのは以下の理由による。 In the semiconductor memory device of this embodiment, by a high degree of freedom of the following reasons the design of the thickness T1 of the insulating film as described above. 本実施の形態の半導体記憶装置においては、電荷保持膜１４２とチャネル領域又はウェル領域とを隔てる絶縁膜１４１は、ゲート電極１１７とチャネル領域又はウェル領域とに挟まれていない。 In the semiconductor memory device of this embodiment, the insulating film 141 for separating the charge retaining film 142 and the channel region or well region is not sandwiched by the gate electrode 117 and the channel region or well region. そのため、電荷保持膜１４２とチャネル領域又はウェル領域とを隔てる絶縁膜１４１には、ゲート電極１１７とチャネル領域又はウェル領域間に働く高電界が直接作用せず、ゲート電極１１７から横方向に広がる比較的弱い電界が作用する。 Therefore, compared to the insulating film 141 for separating the charge retaining film 142 and the channel region or well region is that not act high electric field acting between the gate electrode 117 and the channel region or well region is directly spread from the gate electrode 117 in the lateral direction target weak electric field is applied. そのため、ゲート絶縁膜１１４に対する耐圧の要請にかかわらず、Ｔ１をＴ２より薄くすることが可能になるのである。 Therefore, regardless of the breakdown voltage of the request for the gate insulating film 114, it become possible thinner than the T1 T2. 一方、例えば、フラッシュメモリに代表されるＥＥＰＲＯＭにおいては、フローティングゲートとチャネル領域又はウェル領域とを隔てる絶縁膜は、ゲート電極（コントロールゲート）とチャネル領域又はウェル領域に挟まれているので、ゲート電極からの高電界が直接作用する。 On the other hand, for example, in an EEPROM typified by a flash memory, the insulating film separating the floating gate and the channel region or well region is because the gate electrode (control gate) and the channel region or well region, a gate electrode a high electric field from acts directly. それゆえ、ＥＥＰＲＯＭにおいては、フローティングゲートとチャネル領域又はウェル領域とを隔てる絶縁膜の厚さが制限され、メモリ素子の機能の最適化が阻害されるのである。 In EEPROM, therefore, is limited thickness of the insulating film separating the floating gate and the channel region or well region is of the optimization of the function of the memory cell is inhibited. 以上より明らかなように、本実施の形態のメモリ素子において電荷保持膜１４２とチャネル領域又はウェル領域とを隔てる絶縁膜１４１が、ゲート電極１１７とチャネル領域又はウェル領域とに挟まれていないことが、Ｔ１の自由度を高くする本質的な理由となっている。 As apparent from the above, that the insulating film 141 in the memory device of this embodiment separates the charge holding film 142 and the channel region or well region is not sandwiched by the gate electrode 117 and the channel region or well region , it has become an essential reason to increase the degree of freedom of T1.
上記絶縁膜の厚みＴ１を薄くすることにより、電荷保持部１６１，１６２への電荷の注入が容易になり、書込み動作及び消去動作の電圧を低下させ、又は書込み動作及び消去動作を高速にすることが可能となり、また、シリコン窒化膜１４２に電荷が蓄積された時にチャネル領域又はウェル領域に誘起される電荷量が増えるため、メモリ効果を増大させることができる。 By reducing the thickness T1 of the insulating film, it facilitates the injection of charges into the charge holding portion 161 reduces the voltage of the writing operation and the erasing operation, or to write and erase operations at high speed becomes possible, also, since the amount of charge induced in the channel region or well region when charges are accumulated in the silicon nitride film 142 is increased, thereby increasing the memory effect.
ところで、電荷保持部中での電気力線は、図１４の矢印１８４で示すように、シリコン窒化膜１４２を通過しない短いものもある。 Incidentally, the electric lines of force in the charge holding portion, as indicated by arrow 184 in FIG. 14, a short one which does not pass through the silicon nitride film 142. このような短い電気力線上では比較的電界強度が大きいので、この電気力線に沿った電界は書換え動作時においては大きな役割を果たしている。 Since such electric field strength is relatively large in the short electric power lines, it plays a major role in the field the rewriting operation along the electric line of force. 絶縁膜１４１の厚みＴ１を薄くすることにより、シリコン窒化膜１４２が図１４の下側に移動し、矢印１８４で示す電気力線がシリコン窒化膜１４２を通過するようになる。 By reducing the thickness T1 of the insulating film 141, a silicon nitride film 142 is moved to the lower side of FIG. 14, the electric line of force indicated by the arrow 184 passes through the silicon nitride film 142. それゆえ、電気力線１８４に沿った電荷保持部中の実効的な比誘電率が大きくなり、電気力線１８４の両端での電位差をより小さくすることができる。 Therefore, the electric line of force 184 charge retaining effective dielectric constant is increased in section along the can the potential difference at both ends of the electric line of force 184 smaller. したがって、ゲート電極１１７に印加された電圧の多くの部分が、オフセット領域における電界を強くするために使われ、書込み動作及び消去動作が高速になる。 Therefore, most part of the voltage applied to the gate electrode 117, is used to increase the electric field in the offset region, the writing operation and the erasing operation is fast.
以上より明らかなように、チャネル領域又はウェル領域とを隔てる絶縁膜１４１の厚さＴ１と、ゲート絶縁膜１１４の厚さＴ２とについて、Ｔ１＜Ｔ２とすることにより、メモリの耐圧性能を低下させることなく、書込み動作及び消去動作の電圧を低下させ、又は書込み動作及び消去動作を高速にし、さらにメモリ効果を増大することが可能となる。 As apparent from the above, the thickness T1 of the insulating film 141 from the channel region or well region, on the thickness T2 of the gate insulating film 114, by a T1 <T2, deteriorating the withstand voltage performance of the memory it without lowering the voltage of the writing operation and the erasing operation, or a write operation and erase operation at high speed, it is possible to further increase the memory effect.
具体的には、デザインルールの大きな高耐圧が必要とされる液晶ドライバーＬＳＩのような場合、液晶パネルＴＦＴを駆動するために、最大１５〜１８Ｖの電圧が必要となる。 Specifically, in the case of a liquid crystal driver LSI for high withstand voltage in a design rule is required, in order to drive the liquid crystal panel TFT, voltage is necessary up to 15 to 18 V. このため、ゲート酸化膜を薄膜化することができない。 Therefore, it is impossible to thin the gate oxide film. 前記液晶ドライバーＬＳＩに画像調整用として本発明の不揮発性メモリを混載する場合、本発明のメモリ素子ではゲート絶縁膜厚とは独立して電荷保持膜（シリコン窒化膜２４２）とチャネル領域又はウェル領域とを隔てる絶縁膜の厚さを最適に設計できる。 In the case of mounting a nonvolatile memory of the present invention is used for image adjustment on the liquid crystal driver LSI, separate charge holding film (silicon nitride film 242) and the channel region or well region thickness of the insulating film in the memory device of the present invention DOO independently of the thickness of the insulating film separating. 例えば、ゲート電極長（ワード線幅）２５０ｎｍのメモリセルに対して、Ｔ１＝２０ｎｍ、Ｔ２＝１０ｎｍで個別に設定でき、書込み効率の良いメモリセルを実現できている。 For example, the gate electrode length (word line width) 250 nm memory cell, T1 = 20nm, T2 = 10nm in can be set separately, which can be realized a memory cell with good write efficiency. （Ｔ１が通常のロジックトランジスタよりも厚くても短チャネル効果が発生しない理由はゲート電極に対して、ソース・ドレイン領域がオフセットしているためである）。 (T1 is the normal reason for the short-channel effect does not occur even thicker than the logic transistor gate electrode, because the source-drain region is offset).
この実施の形態の半導体記憶装置は、図１９に示すように、第２実施の形態において、電荷保持膜（シリコン窒化膜１４２）とチャネル領域又はウェル領域とを隔てる絶縁膜１４１の厚さＴ１が、ゲート絶縁膜１１４の厚さＴ２よりも厚いこと以外は、実質的に同様の構成を有する。 The semiconductor memory device of this embodiment, as shown in FIG. 19, in the second embodiment, the thickness T1 of the insulating film 141 separating the charge holding film (silicon nitride film 142) and the channel region or well region well region is larger than the thickness T2 of the gate insulating film 114 has a substantially similar configuration.
ゲート絶縁膜１１４は、素子の短チャネル効果防止の要請から、その厚さＴ２には上限値が存在する。 The gate insulating film 114, a demand for preventing a short channel effect of the device exists in the thickness T2 of the upper limit. しかし、上記電荷保持膜１４２下側の絶縁膜１４１の厚さＴ１は、短チャネル効果防止の要請かかわらず、Ｔ２よりも厚くすることが可能である。 However, the thickness T1 of the charge holding film 142 below the insulating film 141, regardless of the request for prevention of short channel effect can be thicker than T2. すなわち、微細化スケーリングが進んだとき（ゲート絶縁膜１１４の薄膜化が進行したとき）にゲート絶縁膜厚Ｔ２とは独立して、電荷保持膜（シリコン窒化膜１４２）とチャネル領域又はウェル領域とを隔てる絶縁膜１４１の厚さを最適に設計できるため、電荷保持部がスケーリングの障害にならないという効果を奏する。 That is, as miniaturization scaling proceeds independently of the gate insulating film thickness T2 (when the thinning has progressed gate insulating film 114), the charge holding film (silicon nitride film 142) and the channel region or well region It can be designed optimally the thickness of the insulating film 141 which separates an effect that the charge holding portion does not disturb scaling.
本実施の形態の半導体記憶装置において、上述のように絶縁膜１４１の厚さＴ１に対する設計の自由度が高い理由は、既に述べた通り、電荷保持膜１４２とチャネル領域又はウェル領域とを隔てる絶縁膜１４１が、ゲート電極１１７とチャネル領域又はウェル領域とに挟まれていないことによる。 In the semiconductor memory device of this embodiment, the reason a high degree of freedom in design with respect to the thickness T1 of the insulating film 141 as described above, as already mentioned, separating the charge holding film 142 and the channel region or well region insulation membrane 141, due to the fact that not interposed between the gate electrode 117 and the channel region or well region. そのため、ゲート絶縁膜１１４に対する短チャネル効果防止の要請にかかわらず、Ｔ１をＴ２より厚くすることが可能になるのである。 Therefore, regardless of the request for prevention of short channel effect gate insulating film 114, it become possible to thicker than the T1 T2.
上記絶縁膜１４１の厚さＴ１を厚くすることにより、上記電荷保持部１４２に蓄積された電荷が散逸するのを防ぎ、メモリの保持特性を改善することが可能となる。 The by increasing the thickness T1 of the insulating film 141, the charge accumulated in the charge holding portion 142 prevents the dissipation, it is possible to improve the retention characteristics of the memory.
なお、上記絶縁膜１４１の厚さＴ１は、書換え速度の低下を考慮して、２０ｎｍ以下であることが好ましい。 The thickness T1 of the insulating film 141, in consideration of decrease in rewriting speed is preferably 20nm or less.
具体的には、フラッシュメモリに代表される従来の不揮発性メモリは、選択ゲート電極が書込み消去ゲート電極を構成し、前記書込み消去ゲート電極に対応するゲート絶縁膜（フローティングゲートを内包する）が電荷蓄積膜を兼用している。 Specifically, in a conventional nonvolatile memory typified by a flash memory, selection gate electrode constitutes a write erase gate electrode (including a floating gate) the gate insulating layer corresponding to the write erase gate electrode charge also it serves as a storage film. このため、微細化（短チャネル効果抑制のため薄膜化が必須）の要求と、信頼性確保（保持電荷のリーク抑制のため、フローティングゲートとチャネル領域又はウェル領域とを隔てる絶縁膜の厚さは７ｎｍ程度以下には薄膜化できない）の要求が相反するため、微細化が困難となる。 Therefore, a demand for miniaturization (thinning for suppressing the short channel effect is required), for securing reliability (retention charge leakage suppression, the thickness of the insulating film separating the floating gate and the channel region or well region since requests can not be thinned) is below about 7nm is conflicting, it is difficult to reduce the size. 実際、ＩＴＲＳ（International Technology Roadmap for Semiconductors：国際半導体技術ロードマップ）によれば、物理ゲート長の微細化は０．２ミクロン程度以下に対して目処が立っていない。 Indeed, ITRS: According to (International Technology Roadmap for Semiconductors International Technology Roadmap for Semiconductors), the miniaturization of the physical gate length is not standing prospect for the following order of 0.2 micron. 本発明の半導体記憶装置では、上述したようにＴ１とＴ２を個別に設計できることにより、微細化が可能となる。 In the semiconductor memory device of the present invention, by independent designing of T1 and T2 as described above, size reduction is made possible. 例えば、本発明では、ゲート電極長（ワード線幅）４５ｎｍのメモリセルに対して、Ｔ２＝４ｎｍ、Ｔ１＝７ｎｍで個別に設定し、短チャネル効果の発生しない半導体記憶装置を実現した。 For example, in the present invention, the gate electrode length (word line width) 45 nm of the memory cells, are individually set at T2 = 4nm, T1 = 7nm, to provide a semiconductor memory device which the short channel effect is not produced. Ｔ２を通常のロジックトランジスタよりも厚く設定しても短チャネル効果が発生しない理由はゲート電極に対して、ソース・ドレイン領域がオフセットしているためである。 The T2 for normal reasons for the short-channel effect does not occur even if thicker than the logic transistor gate electrode, because the source and drain regions are offset. また、本発明の半導体記憶装置はゲート電極に対して、ソース・ドレイン領域がオフセットしているため、通常のロジックトランジスタと比較しても更に微細化を容易にしている。 Further, the semiconductor memory device of the present invention with respect to the gate electrode, the source-drain region is offset, and further facilitate miniaturization as compared with a normal logic transistor.
以上のように、本実施形態の半導体記憶装置によれば、電荷保持部の上部に書込、消去を補助する電極が存在しないため、電荷保持膜とチャネル領域又はウェル領域とを隔てる絶縁膜には、書込、消去を補助する電極とチャネル領域又はウェル領域間に働く高電界が直接作用せず、ゲート電極から横方向に広がる比較的弱い電界が作用するだけである。 As described above, according to the semiconductor memory device of this embodiment, writing on top of the charge holding unit, since the electrode for assisting the erasure is not present, the insulating film that separates the charge holding film and the channel region or well region is writing, it does not act a high electric field acting between the electrodes and the channel region or well region to assist the erasure directly, a relatively weak electric field extending laterally from the gate electrode is only acting. そのため、同じ加工世代に対してロジックトランジスタのゲート長と同程度以上に微細化されたゲート長を保有するメモリセルの実現が可能になるのである。 Therefore, it is to become feasible in the memory cell having a gate length miniaturized more gate length of a logic transistor of the same process generation.
この実施の形態は、本発明の半導体記憶装置において、書換えを行ったときの電気特性の変化に関する。 This embodiment, in the semiconductor memory device of the present invention relates to a change in the electric characteristic at the time of rewriting.
図２０は、Ｎチャネル型メモリ素子の電荷保持部中の電荷量が、消去状態と書込み状態との異なる状態において、ゲート電圧Ｖｇ（Ｖ）の変化に対するドレイン電流Ｉｄ（Ａ）の変化を曲線で示した図であり、横軸がゲート電圧Ｖｇ（Ｖ）であり、縦軸がドレイン電流Ｉｄ（Ａ）である。 Figure 20 is a charge amount in the charge holding portion of the N-channel type memory device, in different states of the erased state and the write state, the change in the drain current Id (A) with respect to a change in the gate voltage Vg (V) with a curve a view showing a horizontal axis the gate voltage Vg (V), the vertical axis represents the drain current Id (a). 図２０から明らかなように、消去状態（実線）から書込み動作を行った場合、単純に閾値が上昇するのみならず、特にサブスレッショルド領域においてグラフの傾きが顕著に減少している。 As apparent from FIG. 20, in the case of performing a writing operation in an erasing state (solid line), not only simply threshold is increased, in particular the inclination of the graph in the subthreshold region is significantly reduced. そのため、ゲート電圧（Ｖｇ）が比較的高い領域においても、消去状態と書込み状態でのドレイン電流比が大きくなっている。 Therefore, even in a region with relatively high gate voltage (Vg), the drain current ratio of the erased state and the written state is large. 例えば、Ｖｇ＝２．５Ｖにおいても、電流比は２桁以上を保っている。 For example, even at Vg = 2.5V, the current ratio is still two digits or more. この特性は、図２１で示すフラッシュメモリの場合と大きく異なる。 This characteristic is largely different from that in the case of a flash memory shown in FIG. 21. 図２１は、フラッシュメモリについて、図２０と同様に、消去状態と書込み状態とにおいて、ゲート電圧Ｖｇ（Ｖ）の変化に対するドレイン電流Ｉｄ（Ａ）の変化を曲線で示した図である。 Figure 21, for a flash memory, similarly to FIG. 20, in the erased state and the written state is a view showing a change in drain current Id (A) with respect to a change in the gate voltage Vg (V) with a curve.
本実施の形態の半導体記憶装置における上記の特性の出現は、ゲート電極と拡散領域とがオフセットし、ゲート電界がオフセット領域に及びにくいために起こる特有な現象である。 Appearance of the properties in the semiconductor memory device of the present embodiment, offset between the gate electrode and the diffusion region, a gate electric field is a phenomenon peculiar to difficult to reach the offset region. 半導体記憶装置が書込み状態にあるときには、ゲート電極に正電圧を加えても電荷保持部下のオフセット領域には反転層が極めてできにくい状態になっている。 When the semiconductor memory device is in the write state, in the offset region of the charge holding subordinates even when a positive voltage is applied to the gate electrode it has become difficult state can inversion layer is extremely. これが、書込み状態においてサブスレッショルド領域でのＩｄ−Ｖｇ曲線の傾きが小さくなる原因となっている。 This is the slope of the Id-Vg curve in the subthreshold region is causing the smaller in the write state. 一方、半導体記憶装置が消去状態にあるときには、オフセット領域には高密度の電子が誘起されている。 On the other hand, when the semiconductor memory device is in the erase state is induced electrons of high density in the offset region. なおかつ、ゲート電極に０Ｖが印加されているとき（すなわちオフ状態にあるとき）は、ゲート電極下のチャネルには電子が誘起されない（そのためオフ電流が小さい）。 Yet, (when in, or OFF state) when 0V to the gate electrode is applied to the channel under the gate electrode are not induced electrons (therefore low off-state current). これが、消去状態においてサブスレッショルド領域でのＩｄ−Ｖｇ曲線の傾きが大きく、かつ閾値以上の領域でも電流の増加率（コンダクタンス）が大きい原因となっている。 This has become a Id-Vg slope of the curve is large and the rate of increase in current at the threshold or more regions (conductance) is large cause of the sub-threshold region in the erasing state.
以上のことから明らかなように、本発明の半導体記憶装置は、書込み時と消去時のドレイン電流比を特に大きくすることができる。 As apparent from the above, the semiconductor memory device of the present invention can be particularly large drain current ratio between the writing operation and the erasing operation.
以上より明らかなように、第１の発明によれば、一方のＮ型拡散層領域と、上記Ｐ型半導体基板、半導体基板内に設けられたＰ型ウェル領域又は絶縁体上に配置されたＰ型半導体膜とのＰＮ接合には順方向電圧が印加されるため、上記半導体基板中に電子が注入される。 As is apparent from the above, according to the first invention, one of the N-type diffusion layer region, the P-type semiconductor substrate, P disposed in the P-type well region or insulator on material provided in the semiconductor substrate since the PN junction type semiconductor film forward voltage is applied, electrons are injected into the semiconductor substrate. 注入された電子は他方のＮ型拡散層領域と上記Ｐ型半導体基板、半導体基板内に設けられたＰ型ウェル領域又は絶縁体上に配置されたＰ型半導体膜とのＰＮ接合において加速、散乱され、電子−正孔対を発生する。 Injected electrons accelerated in the PN junction between the other N-type diffusion layer region and the P-type semiconductor substrate, P-type well region provided in the semiconductor substrate or disposed on the insulator the P-type semiconductor film, scattering It is an electron - generating a hole pairs. 発生した正孔は、他方のＮ型拡散層領域の側に有る電荷保持部に選択的に注入される。 The generated holes are selectively injected into the charge holding portion on the side of the other N-type diffusion layer region. 上記過程は、他方のＮ型拡散層領域と上記半導体基板との電圧差が比較的低い場合にも起こるため、半導体記憶装置の動作電圧を低くすることが可能となる。 The above process, the voltage difference between the other N-type diffusion layer region and the semiconductor substrate occurs even when relatively low, it is possible to lower the operating voltage of the semiconductor memory device. したがって、半導体記憶装置の低消費電力化、素子劣化の抑制を実現することができる。 Therefore, power consumption of the semiconductor memory device, it is possible to realize the suppression of deterioration of the device.
また、第２の発明の半導体記憶装置は、第１の発明の半導体記憶装置において、メモリトランジスタの極性をＰチャネル型としたものである。 The semiconductor memory device of the second invention, the semiconductor memory device of the first invention, the polarity of the memory transistor is obtained by a P-channel type. したがって、第３の発明の半導体記憶装置と同様な作用効果を奏する。 Therefore, achieving the same effect as the semiconductor memory device of the third invention.
１実施の形態によれば、半導体記憶装置はいわゆるオフセットトランジスタ構造を有しており、大きなメモリ効果を得ることができる。 According to one embodiment, the semiconductor memory device has a so-called offset transistor structure, it is possible to obtain a large memory effect. 一方、オフセット構造を有するがゆえに、上記ゲート電極の電位により、他方のＮ型又はＰ型拡散層領域とＰ型又はＮ型半導体基板とのＰＮ接合における正孔又は電子の発生が促進される効果が乏しくなる。 On the other hand, because it has an offset structure, the potential of the gate electrode, the effect of the holes or electrons generated in the PN junction between the other N-type or P-type diffusion layer region and a P-type or N-type semiconductor substrate is promoted It becomes poor. しかしながら、一方のＮ型又はＰ型拡散層領域とＰ型又はＮ型半導体基板とのＰＮ接合には順方向電圧が印加されているため、比較的低い電圧で他方のＮ型又はＰ型拡散層領域とＰ型又はＮ型半導体基板とのＰＮ接合において正孔又は電子が発生する。 However, since the PN junction between one of the N-type or P-type diffusion layer region and a P-type or N-type semiconductor substrate a forward voltage is applied, the other N-type or P-type diffusion layer at a relatively low voltage holes or electrons are generated in the PN junction between the region and the P-type or N-type semiconductor substrate. したがって、大きなメモリ効果を持ち、かつ、低電圧動作が可能な半導体記憶装置が提供される。 Therefore, a large has a memory effect, and provides low voltage operation the semiconductor memory device is provided.
また、１実施の形態によれば、他方のＮ型拡散層領域と上記Ｐ型半導体基板、半導体基板内に設けられたＰ型ウェル領域又は絶縁体上に配置されたＰ型半導体膜とのＰＮ接合に流れる順方向電流を、他方のＮ型拡散層領域と上記Ｐ型半導体基板、半導体基板内に設けられたＰ型ウェル領域又は絶縁体上に配置されたＰ型半導体膜とのＰＮ接合における正孔又は電子の発生に十分なだけ得ることができる。 Further, according to one embodiment, PN of the other N-type diffusion layer region and the P-type semiconductor substrate, is disposed in the P-type well region or insulator on material provided in the semiconductor substrate has P-type semiconductor film a forward current flowing through the junction, the PN junction between the other N-type diffusion layer region and the P-type semiconductor substrate, is disposed in the P-type well region or insulator on material provided in the semiconductor substrate has P-type semiconductor film it can be obtained sufficiently for the hole or electron generation. 同時に、上記順方向電流が、半導体記憶装置の消費電流を著しく増大させることがない。 At the same time, the forward current is not significantly increase the current consumption of the semiconductor memory device.
また、１実施の形態によれば、他方のＰ型拡散層領域と上記Ｎ型半導体基板、半導体基板内に設けられたＮ型ウェル領域又は絶縁体上に配置されたＮ型半導体膜とのＰＮ接合に流れる順方向電流を、他方のＰ型拡散層領域と上記Ｎ型半導体基板、半導体基板内に設けられたＮ型ウェル領域又は絶縁体上に配置されたＮ型半導体膜とのＰＮ接合における正孔又は電子の発生に十分なだけ得ることができる。 Further, according to one embodiment, PN of the other P-type diffusion layer region and the N-type semiconductor substrate, N-type semiconductor film disposed N-type well region or insulator on material provided in the semiconductor substrate a forward current flowing through the junction, the PN junction between the other P-type diffusion layer region and the N-type semiconductor substrate, N-type semiconductor film disposed N-type well region or insulator on material provided in the semiconductor substrate it can be obtained sufficiently for the hole or electron generation. 同時に、上記順方向電流が、半導体記憶装置の消費電流を著しく増大させることがない。 At the same time, the forward current is not significantly increase the current consumption of the semiconductor memory device.
また、１実施の形態では、上記ゲート電極のゲート長は、０．０１５μｍ以上であって０．５μｍ以下であるから、他方のＮ型又はＰ型拡散層領域とＰ型又はＮ型半導体基板（Ｐ型又はＮ型ウェル領域、Ｐ型又はＮ型半導体膜）とのＰＮ接合において、十分に正孔又は電子が発生し、上記電荷保持部に注入することができる。 Also, in one embodiment, the gate length of the gate electrode, since it is 0.5μm or less be more than 0.015 .mu.m, the other N-type or P-type diffusion layer region and a P-type or N-type semiconductor substrate ( P-type or N-type well region, the PN junction between the P-type or N-type semiconductor film), it is possible to sufficiently holes or electrons are generated in and injected into the charge holding portion. また、メモリ動作の基本となるトランジスタ動作が確保される。 Moreover, the underlying transistor operation of the memory operation is ensured.
また、１実施の形態によれば、上記電荷を蓄積する機能を有する第１の絶縁体はシリコン窒化膜であり、電荷（電子及び正孔）をトラップする準位が多数存在するため大きなヒステリシス特性を得ることができる。 Further, according to one embodiment, a first insulator having a function of storing the charge is a silicon nitride film, a large hysteresis characteristics of levels for trapping charges (electrons and holes) there are many it is possible to obtain. また、第２及び第３の絶縁膜はシリコン酸化膜であるから、上記電荷保持部はいわゆるＯＮＯ(Ｏｘｉｄｅ Ｎｉｔｒｉｄｅ Ｏｘｉｄｅ)膜構造になっているので、電荷の注入効率が高くなり、書換え動作を高速化できる。 Further, since the second and third insulating film is a silicon oxide film, since the charge holding portion is in a so-called ONO (Oxide Nitride Oxide) film structure, higher injection efficiency of charges, a high speed rewrite operation possible reduction.
また、１実施の形態によれば、電荷保持膜とチャネル領域又は半導体層とを隔てる絶縁膜の膜厚が、ゲート絶縁膜の膜厚より薄く、かつ０．８ｎｍ以上であるから、メモリの耐圧性能を低下させることなく書込み動作及び消去動作の電圧を低下させ、又は書込み動作及び消去動作を高速にすることが可能となり、メモリ効果を増大することが可能となる。 Further, according to one embodiment, the thickness of the insulating film separating the charge holding film and the channel region or the semiconductor layer is thinner than the film thickness of the gate insulating film, and since it is 0.8nm or more, a memory breakdown voltage lowering the voltage of the write operation and erase operation without reducing the performance, or the writing operation and erasing operation can be performed at high speed, it is possible to increase the memory effect.
また、１実施の形態によれば、電荷保持膜とチャネル領域又は半導体層とを隔てる絶縁膜の膜厚が、ゲート絶縁膜の膜厚より厚く、かつ２０ｎｍ以下であるから、メモリの短チャネル効果を悪化させることなく保持特性を改善することが可能となる。 Further, according to one embodiment, the thickness of the insulating film separating the charge holding film and the channel region or the semiconductor layer is thicker than the thickness of the gate insulating film, and since it is 20nm or less, a short channel effect of the memory it is possible to improve the retention characteristics without deteriorating.
また、１実施の形態では、上記電荷を蓄積する機能を有する第１の絶縁体からなる膜が、ゲート絶縁膜の表面と略平行な表面を有する部分を含むので、半導体記憶装置の保持特性の悪化を防ぎながら書換え速度を高速にすることができる。 Also, in one embodiment, the film made of the first insulator having a function of storing the charge, because it includes a portion having a surface approximately parallel to the surface of the gate insulating film, the retention characteristics of the semiconductor memory device the rewrite speed can be in high speed while preventing deterioration.
また、１実施の形態によれば、電荷保持部が、ゲート電極又はワード線と、ゲート電極又はワード線の側面と略平行に延びた電荷保持膜とを隔てる絶縁膜をさらに含むから、ゲート電極側面と略平行に延びた電荷保持膜とゲート電極との間での電荷の出入りを抑制することができる。 Further, according to one embodiment, the charge holding portion, and the gate electrode or word line, because further comprising an insulating film separating the sides and the charge holding film extending almost parallel gate electrode or word line, the gate electrode it is possible to suppress the entry and exit of charge between the side surface and the charge holding film and the gate electrode extending substantially parallel. したがって、半導体記憶装置の信頼性を高くすることができる。 Therefore, it is possible to increase the reliability of the semiconductor memory device.
また、１実施の形態では、上記電荷保持部の少なくとも一部が上記拡散層領域の一部にオーバーラップするように形成されてなるから、半導体記憶装置の読出し電流を大きくし、読出し電流のばらつきを抑えることができるので、半導体記憶装置の読出し動作を高速にすることができる。 Also, in one embodiment, from at least a portion of the charge holding portion is formed so as to overlap a portion of the diffusion layer regions, to increase the read current of the semiconductor memory device, the variation of the read current it is possible to suppress, it can be a read operation of the semiconductor memory device at a high speed.
【図１】 本発明の第１実施の形態の半導体記憶装置の第１の例の要部の概略断面図である。 1 is a schematic sectional view of a main portion of a first example of the semiconductor memory device of the first embodiment of the present invention.
【図２】 本発明の第１実施の形態の半導体記憶装置の第２の例の要部の概略断面図である。 2 is a schematic cross-sectional view of a main part of a second example of the semiconductor memory device of the first embodiment of the present invention.
【図３】 本発明の第１実施の形態の半導体記憶装置の第３の例の要部の概略断面図である。 3 is a schematic sectional view of a main portion of a third embodiment of the semiconductor memory device of the first embodiment of the present invention.
【図４】 本発明の半導体記憶装置の書込み動作を説明するための要部の概略断面図である。 4 is a schematic cross-sectional view of essential parts for explaining the write operation of the semiconductor memory device of the present invention.
【図５】 本発明の半導体記憶装置の第１の消去動作を説明するための要部の概略断面図である。 5 is a schematic sectional view of a main portion for explaining the first erase operation of the semiconductor memory device of the present invention.
【図６】 本発明の半導体記憶装置の第２の消去動作を説明するための要部の概略断面図である。 6 is a schematic cross-sectional view of a main part for explaining the second erasing operation of the semiconductor memory device of the present invention.
【図７】 図６の切断面線Ａ−Ａ'における、電子に対するエネルギーダイヤグラムである。 In [7] taken along the line A-A 'in FIG. 6, an energy diagram for the electronic.
【図８】 本発明の半導体記憶装置の第２の消去方法における、ゲート長が変化した時の消去能力の変化を示すグラフである。 In the second erasing method of the semiconductor memory device of the present invention; FIG is a graph showing changes in erase capability when the gate length is changed.
【図９】 本発明の第２の実施の形態の半導体記憶装置の要部の概略断面図である。 9 is a schematic cross-sectional view of a main part of a semiconductor memory device of the second embodiment of the present invention.
【図１０】 図９の半導体記憶装置の要部の拡大概略断面図である。 10 is an enlarged schematic sectional view of a main part of a semiconductor memory device of FIG.
【図１１】 図９の半導体記憶装置の変形例における要部の拡大概略断面図である。 11 is an enlarged schematic sectional view of a main portion in a modified example of the semiconductor memory device of FIG.
【図１２】 本発明の第２の実施の形態の半導体記憶装置の電気特性を示すグラフである。 12 is a graph showing the electrical characteristics of the semiconductor memory device of the second embodiment of the present invention.
【図１３】 本発明の第２の実施の形態の半導体記憶装置の変形例における要部の概略断面図である。 13 is a schematic sectional view of a main portion in a modified example of the semiconductor memory device of the second embodiment of the present invention.
【図１４】 本発明の第３の実施の形態の半導体記憶装置の要部の概略断面図である。 14 is a schematic cross-sectional view of a main part of a semiconductor memory device of the third embodiment of the present invention.
【図１５】 本発明の第４の実施の形態の半導体記憶装置の要部の概略断面図である。 15 is a schematic cross-sectional view of a main part of a semiconductor memory device of the fourth embodiment of the present invention.
【図１６】 本発明の第５の実施の形態の半導体記憶装置の要部の概略断面図である。 16 is a schematic cross-sectional view of a main part of a semiconductor memory device of the fifth embodiment of the present invention.
【図１７】 本発明の第６の実施の形態の半導体記憶装置の要部の概略断面図である。 17 is a sixth schematic sectional view of a main portion of a semiconductor memory device of the embodiment of the present invention.
【図１８】 本発明の第７の実施の形態の半導体記憶装置の要部の概略断面図である。 18 is a seventh schematic sectional view of a main portion of a semiconductor memory device of the embodiment of the present invention.
【図１９】 本発明の第８の実施の形態の半導体記憶装置の要部の概略断面図である。 19 is a eighth schematic sectional view of a main portion of a semiconductor memory device of the embodiment of the present invention.
【図２０】 本発明の第９の実施の形態の半導体記憶装置の電気特性を示すグラフである。 20 is a graph showing the electrical characteristics of the semiconductor memory device of the ninth embodiment of the present invention.
【図２１】 従来のフラッシュメモリの電気特性を示すグラフである。 21 is a graph showing the electrical characteristics of a conventional flash memory.
【図２２】 従来の半導体記憶装置を示す要部の概略断面図である。 22 is a schematic sectional view of a main part showing a conventional semiconductor memory device.
１１・・・半導体基板１２・・・ゲート絶縁膜１３・・・ゲート電極１４、１６・・・シリコン酸化膜１５、２１・・・シリコン窒化膜１７、１８・・・ソース／ドレイン領域２２・・・導電体膜３１・・・反転層４１・・・ゲート電極が形成された領域４２・・・オフセット領域５１，５２，５３・・・電子５４・・・正孔６１、６２・・・電荷保持部 11 ... semiconductor substrate 12 ... gate insulating film 13 ... gate electrode 14 and 16 ... silicon oxide film 15, 21 ... silicon nitride film 17, 18 ... source / drain regions 22 .. - conductor film 31 ... inversion layer 41 ... region a gate electrode is formed 42 ... offset region 51, 52, 53 ... electronic 54 ... hole 61, 62 ... charge retention part
Ｐ型半導体基板、半導体基板内に設けられたＰ型ウェル領域又は絶縁体上に配置されたＰ型半導体膜と、 P-type semiconductor substrate, a P-type semiconductor film disposed in the P-type well region or insulator on material provided in the semiconductor substrate,
上記Ｐ型半導体基板、半導体基板内に設けられたＰ型ウェル領域又は絶縁体上に配置されたＰ型半導体膜上に形成されたゲート絶縁膜と、 The P-type semiconductor substrate, a gate insulating film formed on the P-type well region or disposed on the insulator the P-type semiconductor film provided on the semiconductor substrate,
上記ゲート絶縁膜上に形成された単一のゲート電極と、 A single gate electrode formed on said gate insulating film,
上記単一のゲート電極側壁の両側に形成された２つの電荷保持部と、 And two charge holding portions formed on both sides of the single gate electrode side wall,
上記単一のゲート電極下に配置されたチャネル領域と、 A channel region disposed under the single gate electrode,
上記チャネル領域の両側に配置されたＮ型拡散層領域とを備え、 And a disposed on both sides of the channel region N-type diffusion layer region,
上記電荷保持部は、上記電荷保持部に保持された電荷の多寡により、上記ゲート電極に電圧を印加した際の上記一方の拡散層領域から他方の拡散層領域に流れる電流量を変化させるように構成されてなり、 The charge holding portion, the amount of charges held in the charge holding portion, so as to vary the amount of current flowing from said one diffusion layer region when a voltage is applied to the gate electrode to the other diffusion layer regions configured will be,
上記他方のＮ型拡散層領域を基準電圧とし、 The other N-type diffusion layer region and a reference voltage,
上記一方のＮ型拡散層領域を基準電圧より高い電圧とし、 One of the N-type diffusion layer region above the voltage higher than the reference voltage,
上記ゲート電極を基準電圧より低い電圧とし、 The gate electrode is lower than the reference voltage,
上記Ｐ型半導体基板、半導体基板内に設けられたＰ型ウェル領域又は絶縁体上に配置されたＰ型半導体膜を基準電圧より高い電圧とすることにより、正孔を一方のＮ型拡散層領域側に存する電荷保持部に注入することを特徴とする半導体記憶装置。 The P-type semiconductor substrate, by a voltage higher than the reference voltage P-type well region or P-type semiconductor film disposed on the insulator provided in the semiconductor substrate, one of the N-type diffusion layer region holes the semiconductor memory device characterized by injecting the charge holding portion existing on a side.
Ｎ型半導体基板、半導体基板内に設けられたＮ型ウェル領域又は絶縁体上に配置されたＮ型半導体膜と、 And N-type semiconductor film N-type semiconductor substrate, arranged in the N-type well region or insulator on material provided in the semiconductor substrate,
上記Ｎ型半導体基板、半導体基板内に設けられたＮ型ウェル領域又は絶縁体上に配置されたＮ型半導体膜上に形成されたゲート絶縁膜と、 The N-type semiconductor substrate, a gate insulating film formed on N-type well region or disposed on the insulator N-type semiconductor film provided on the semiconductor substrate,
上記チャネル領域の両側に配置されたＰ型拡散層領域とを備え、 And a disposed on both sides of the channel region P-type diffusion layer region,
上記他方のＰ型拡散層領域を基準電圧とし、 The other of P-type diffusion layer region and a reference voltage,
上記一方のＰ型拡散層領域を基準電圧より低い電圧とし、 One of P-type diffusion layer region above the voltage lower than the reference voltage,
上記ゲート電極を基準電圧より高い電圧とし、 The gate electrode is higher than the reference voltage,
上記Ｎ型半導体基板、半導体基板内に設けられたＮ型ウェル領域又は絶縁体上に配置されたＮ型半導体膜を基準電圧より低い電圧とすることにより、電子を一方のＰ型拡散層領域側に存する電荷保持部に注入することを特徴とする半導体記憶装置。 The N-type semiconductor substrate, by a voltage lower than the reference voltage N-type well regions or N-type semiconductor film disposed on the insulator provided in the semiconductor substrate, one of the P-type diffusion layer region side electronic the semiconductor memory device characterized by injecting the charge holding portion existing in.
請求項１又は請求項２に記載の半導体記憶装置において、 The semiconductor memory device according to claim 1 or claim 2,
上記Ｎ型又はＰ型拡散層領域は、上記ゲート絶縁膜を介して上記ゲート電極とオーバーラップ領域を持たないオフセット構造を有していることを特徴とする半導体記憶装置。 The N-type or P-type diffusion layer region, the semiconductor memory device characterized in that it has an offset structure having no said gate electrode overlap region via the gate insulating film.
他方のＮ型拡散層領域と上記Ｐ型半導体基板、半導体基板内に設けられたＰ型ウェル領域又は絶縁体上に配置されたＰ型半導体膜との電圧差の絶対値は、０．７Ｖ以上であって１Ｖ以下であることを特徴とする半導体記憶装置。 The other N-type diffusion layer region and the P-type semiconductor substrate, the absolute value of the voltage difference between the P-type semiconductor film disposed in the P-type well region or insulator on material provided in the semiconductor substrate is, 0.7 V or more the semiconductor memory device characterized by comprising at at 1V or less.
請求項２に記載の半導体記憶装置において、 The semiconductor memory device according to claim 2,
他方のＰ型拡散層領域と上記Ｎ型半導体基板、半導体基板内に設けられたＮ型ウェル領域又は絶縁体上に配置されたＮ型半導体膜との電圧差の絶対値は、０．７Ｖ以上であって１Ｖ以下であることを特徴とする半導体記憶装置。 The other P-type diffusion layer region and the N-type semiconductor substrate, the absolute value of the voltage difference between the N-type semiconductor film disposed N-type well region or insulator on material provided in the semiconductor substrate is, 0.7 V or more the semiconductor memory device characterized by comprising at at 1V or less.
上記ゲート電極のゲート長は、０．０１５μｍ以上であって０．５μｍ以下であることを特徴とする半導体記憶装置。 The gate length of the gate electrode, a semiconductor memory device, characterized in that be more than 0.015μm is 0.5μm or less.
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