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JP2002368141A - Nonvolatile semiconductor memory device - Google Patents

Nonvolatile semiconductor memory device

Info

Publication number
JP2002368141A
JP2002368141A JP2001171334A JP2001171334A JP2002368141A JP 2002368141 A JP2002368141 A JP 2002368141A JP 2001171334 A JP2001171334 A JP 2001171334A JP 2001171334 A JP2001171334 A JP 2001171334A JP 2002368141 A JP2002368141 A JP 2002368141A
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
sub
memory cell
array
memory device
layer
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
JP2001171334A
Other languages
Japanese (ja)
Inventor
Ichiro Fujiwara
一郎 藤原
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Sony Corp
Original Assignee
Sony Corp
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Sony Corp filed Critical Sony Corp
Priority to JP2001171334A priority Critical patent/JP2002368141A/en
Publication of JP2002368141A publication Critical patent/JP2002368141A/en
Pending legal-status Critical Current

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

Abstract

(57)【要約】 【課題】ゲート誘電体膜内部に電荷蓄積機能を持たせた
不揮発性メモリトランジスタのスケーリング性および特
性の向上の余地を狭めることなく、そのビット当たりの
セル面積を大幅に低減する。 【解決手段】本発明は、メモリセルのチャネルが形成さ
れる半導体とゲート電極(ワード線WL)との間に複数
の誘電体層GDが積層され、当該複数の誘電体層GD内
部にチャネルと対向する面内で離散化された電荷蓄積手
段を含む不揮発性半導体メモリ装置に適用される。半導
体基板SUB上に導電層と層間絶縁層INT1,INT
2とを複数積層させた積層構造を有している。メモリセ
ルアレイを構成する1つまたは複数のサブアレイ(MC
A1)が半導体基板SUBに形成され、メモリセルアレ
イの残りのサブアレイ(MCA2)が積層構造内に配置
されている。
[PROBLEMS] To significantly reduce the cell area per bit of a nonvolatile memory transistor having a charge storage function inside a gate dielectric film without narrowing the room for improvement in characteristics and scaling. I do. A plurality of dielectric layers are stacked between a semiconductor in which a channel of a memory cell is formed and a gate electrode (word line), and a channel is formed inside the plurality of dielectric layers. The present invention is applied to a nonvolatile semiconductor memory device including charge storage means discretized in opposing planes. A conductive layer and an interlayer insulating layer INT1, INT are formed on a semiconductor substrate SUB.
2 is laminated. One or a plurality of sub-arrays (MC
A1) is formed on the semiconductor substrate SUB, and the remaining sub-array (MCA2) of the memory cell array is arranged in a stacked structure.

Description

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

【0001】[0001]

【発明の属する技術分野】本発明は、チャネルが形成さ
れる半導体と、その制御を行うゲート電極との間に複数
の誘電体層を有し、その内部に平面的に離散化された電
荷蓄積手段(たとえば、MONOS型やMNOS型にお
ける電荷トラップ、あるいは小粒径導電体)を含む不揮
発性半導体メモリ装置に関する。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a semiconductor device having a plurality of dielectric layers between a semiconductor in which a channel is formed and a gate electrode for controlling the semiconductor. The present invention relates to a nonvolatile semiconductor memory device including means (for example, a charge trap of a MONOS type or MNOS type, or a conductor having a small particle size).

【0002】[0002]

【従来の技術】不揮発性半導体メモリは、電荷を保持す
る電荷蓄積手段が単一の導電層からなるFG(Floating
Gate) 型のほかに、電荷トラップを多く含む窒化珪素な
どからなる電荷蓄積層に電荷を保持させる、たとえばM
ONOS(Metal-Oxide-Nitride-Oxide-Silicon) 型など
がある。
2. Description of the Related Art In a nonvolatile semiconductor memory, an FG (Floating) in which a charge storage means for holding a charge is formed of a single conductive layer.
Gate) type, a charge is stored in a charge storage layer made of silicon nitride or the like containing a large number of charge traps.
There is an ONOS (Metal-Oxide-Nitride-Oxide-Silicon) type or the like.

【0003】FG型不揮発性メモリにおいて、メモリト
ランジスタを直列に接続させてセルごとのコンタクト数
を低減してNAND動作をさせるNAND型のセル接続
方式が知られている。このセル接続方式ではセルの微細
化が図りやすく、たとえばセル面積の理論値が4F2
あるため大容量メモリに適している。
In the FG type nonvolatile memory, a NAND type cell connection system in which memory transistors are connected in series to reduce the number of contacts per cell to perform a NAND operation is known. This cell connection method facilitates miniaturization of cells, and is suitable for a large-capacity memory, for example, because the theoretical value of the cell area is 4F 2 .

【0004】その一方、CHE(Channel Hot Electron)
注入方式によって電荷を離散的なトラップの分布領域の
一部に局所的に注入できることに着目して、電荷蓄積層
のソース側とドレイン側に独立に2値情報を書き込むこ
とにより1メモリセルあたり2ビットを記録可能な技術
が報告された。たとえば“Extended Abstract of the19
99 International Conference on Solid State Devices
and Materials, Tokyo, 1999, pp.522-523”では、ソ
ースとドレイン間の電圧印加方向を入れ換えて2ビット
情報をCHE注入により書き込み、書き込み時と逆方向
に所定電圧をソースとドレイン間に印加する、いわゆる
“リバースリード”方法によって読み出す。これによ
り、書き込み時間が短く蓄積電荷量が少ない場合でも2
ビット情報を確実に読み出すことを可能としている。ま
た、消去はホットホール注入によって行っている。この
技術によって、書き込み時間の高速化とビットコストの
大幅な低減が可能となった。この場合のセル面積を6F
2 とすると、1ビット当たりのセル面積は3F2 とな
る。
On the other hand, CHE (Channel Hot Electron)
Paying attention to the fact that charges can be locally injected into a part of the distribution region of the discrete traps by the injection method, by independently writing binary information on the source side and the drain side of the charge storage layer, 2 bits per memory cell can be obtained. A technology capable of recording bits was reported. For example, “Extended Abstract of the19
99 International Conference on Solid State Devices
and Materials, Tokyo, 1999, pp.522-523 ”, switch the direction of voltage application between source and drain, write 2-bit information by CHE injection, and apply a predetermined voltage between source and drain in the opposite direction of writing. In this case, the data is read out by a so-called “reverse read” method, so that even if the writing time is short and the amount of accumulated electric charge is small, the data can be read.
Bit information can be read reliably. Erasing is performed by hot hole injection. This technology has made it possible to shorten the write time and significantly reduce the bit cost. The cell area in this case is 6F
If 2 , the cell area per bit is 3F 2 .

【0005】[0005]

【発明が解決しようとする課題】近年、不揮発性メモリ
の大容量化が進んでおり、セル面積の縮小を図っても、
メモリセルアレイの面積が増大する傾向にある。したが
って、周辺回路を含むメモリ部の専有面積が大きく、こ
のことがビットコストを低減する上で妨げとなってい
た。
In recent years, the capacity of nonvolatile memories has been increasing, and even if the cell area is reduced,
The area of the memory cell array tends to increase. Therefore, the occupied area of the memory unit including the peripheral circuit is large, which hinders the reduction of the bit cost.

【0006】本発明の出願人は、特開平11−8754
5号公報に記載したように、低コスト化を一つの目的と
して廉価なガラスあるいはプラスチックからなる絶縁性
基板を採用し、その上に、いわゆるTFT(Thin Film T
ransistor)構造のメモリトランジスタを形成した不揮発
性半導体メモリ装置に係る発明を以前に出願した。この
発明により、低コスト化に加え、メモリトランジスタの
各種寄生容量が低減し、不揮発性メモリの低電圧化を実
現することが可能となった。
[0006] The applicant of the present invention is disclosed in Japanese Patent Application Laid-Open No. 11-8754.
As described in Japanese Patent Application Publication No. 5 (1993) -5, an inexpensive insulating substrate made of glass or plastic is used for one purpose of cost reduction, and a so-called TFT (Thin Film T
An invention related to a nonvolatile semiconductor memory device in which a memory transistor having a ransistor structure is formed was previously filed. According to the present invention, in addition to the cost reduction, various parasitic capacitances of the memory transistor are reduced, and the voltage of the nonvolatile memory can be reduced.

【0007】ところが、この不揮発性メモリでは、基板
材料の変更により材料コストが幾分か削減されたもの
の、TFT型トランジスタを有したメモリセルアレイが
一層であるため、ビット当たりのチップ面積、ビットコ
ストの低減が不十分であった。
However, in this nonvolatile memory, although the material cost has been somewhat reduced by changing the substrate material, since the memory cell array having the TFT type transistors is one layer, the chip area per bit and the bit cost are reduced. The reduction was insufficient.

【0008】一方、特許第3109537号公報には、
読み出し専用メモリにおいてであるが、たとえば多結晶
シリコンからなる半導体薄膜が層間絶縁層を間に挟んで
複数積層されたメモリセルアレイ構造が開示されてい
る。これにより、ビット面積の大幅な低減が可能とな
る。
[0008] On the other hand, Japanese Patent No. 3109537 discloses that
In a read-only memory, for example, a memory cell array structure in which a plurality of semiconductor thin films made of polycrystalline silicon are stacked with an interlayer insulating layer interposed therebetween is disclosed. Thereby, the bit area can be significantly reduced.

【0009】ところが、この技術を電気的書き換え可能
な不揮発性メモリ(EEPROM)に適用しようとした
ときに、多結晶シリコンなどの半導体薄膜上に形成した
絶縁膜の絶縁特性が悪いことが要因で、EEPROMへ
の適用が容易でないという課題がある。以下、この課題
について説明する。
However, when this technique is applied to an electrically rewritable nonvolatile memory (EEPROM), the insulation characteristics of an insulating film formed on a semiconductor thin film such as polycrystalline silicon are poor. There is a problem that application to the EEPROM is not easy. Hereinafter, this problem will be described.

【0010】EEPROMのうち現在、実用化が最も進
んでいるFG型においては、チャネルが形成される半導
体上に、酸化シリコンなどの第1の電位障壁膜(一般
に、トンネリング膜という)を介在させて電荷蓄積手段
としてのフローティングゲートを積層させ、さらに、そ
の上に第2の電位障壁膜(たとえば、ONO膜)を介在
させてコントロールゲートを積層させている。そして、
書き込みまたは消去時には、最も下層のトンネリング膜
を通して電荷のフローティングゲートへの入出力を行
う。この書き込み動作、消去動作の高速化あるいは低電
圧化のためには、トンネリング膜を薄膜化することが重
要で、現在、理論的限界値8nmに近い10nm前後の
膜厚となっているものが多い。この薄いトンネリング膜
を、たとえば多結晶シリコンからなる半導体薄膜上に形
成した場合、これを単結晶シリコン上に形成した場合に
比べ、リーク特性が格段に低下する。FG型において、
このリーク電流の増大は致命的である。なぜなら、フロ
ーティングゲートが単一の導電層からなるため、その下
のトンネリング膜にリーク箇所が存在すると、時間の経
過とともに全ての蓄積電荷が基板側に消失してしまう。
つまり、FG型のメモリトランジスタを半導体薄膜に形
成した場合に、トンネリング膜厚を含めた素子寸法のス
ケーリングを行うと、低電圧で高速動作させることと電
荷保持特性とを実用化レベルでバランスさせることが難
しいといった課題にぶつかっていた。
In the FG type of the EEPROM, which is currently being put to practical use, the first potential barrier film (generally referred to as a tunneling film) such as silicon oxide is interposed on a semiconductor on which a channel is formed. A floating gate as charge storage means is stacked, and a control gate is stacked thereon with a second potential barrier film (for example, an ONO film) interposed therebetween. And
At the time of writing or erasing, charge is input / output to / from the floating gate through the lowest tunneling film. It is important to reduce the thickness of the tunneling film in order to increase the speed of the writing operation and the erasing operation or to lower the voltage. At present, the thickness of the tunneling film is about 10 nm, which is close to the theoretical limit value of 8 nm. . When this thin tunneling film is formed on a semiconductor thin film made of, for example, polycrystalline silicon, the leak characteristics are remarkably reduced as compared with the case where it is formed on single crystal silicon. In the FG type,
This increase in leakage current is fatal. Because the floating gate is formed of a single conductive layer, if there is a leak in the tunneling film below the floating gate, all the accumulated charges disappear to the substrate over time.
In other words, when the FG type memory transistor is formed in a semiconductor thin film, the scaling of the device dimensions including the tunneling film thickness makes it possible to achieve a high-speed operation at a low voltage and a charge retention characteristic at a practical level. Was difficult.

【0011】一方、前記した特許公報のようにメモリ素
子が読み出し専用の場合、記憶データが、たとえばトラ
ンジスタをエンハンスメントとするかディプレッション
とするかによって予めメモリ素子内にインクリメントさ
れている。このため、EEPROMのようにゲート絶縁
膜を通した電荷のやり取りを行う動作ステップ(電気的
な書き込み、消去ステップ)が存在しない。したがっ
て、たとえば上記特許公報で25nm程度のゲート絶縁
膜厚が例示されているように、半導体薄膜とゲート電極
との間の絶縁膜を余り薄くする必要性がない。以上の理
由により、従来は、読み出し専用メモリなど、ゲート絶
縁膜が単層のMOSトランジスタを有する不揮発性メモ
リにおいてのみ、セル内トランジスタをTFTで実現す
ることが容易であった。
On the other hand, when the memory element is read-only as in the above-mentioned patent publication, the storage data is previously incremented in the memory element depending on whether the transistor is to be enhanced or depleted. For this reason, there is no operation step (electrical writing and erasing steps) for exchanging charges through the gate insulating film as in the EEPROM. Therefore, there is no need to make the insulating film between the semiconductor thin film and the gate electrode very thin, as exemplified by the gate insulating film thickness of about 25 nm in the above-mentioned patent publication. For the above reasons, conventionally, it has been easy to realize a transistor in a cell using a TFT only in a nonvolatile memory such as a read-only memory having a single-layer MOS transistor as a gate insulating film.

【0012】本発明の目的は、チャネルが形成される半
導体とゲート電極との間に複数の誘電体層が積層され、
その内部に電荷蓄積機能を持たせた不揮発性メモリセル
のスケーリング性および特性の向上の余地を狭めること
なく、そのメモリセルアレイの一部をTFTから構成し
て半導体基板の上方に積層させ、ビット当たりのセル面
積を大幅に低減した不揮発性半導体メモリ装置を提供す
ることにある。
An object of the present invention is to provide a semiconductor device in which a channel is formed and a plurality of dielectric layers laminated between a gate electrode and a semiconductor.
A part of the memory cell array is composed of TFTs and is laminated above the semiconductor substrate without narrowing the room for improvement of the scalability and characteristics of the non-volatile memory cell having a charge storage function therein. It is an object of the present invention to provide a nonvolatile semiconductor memory device in which the cell area is significantly reduced.

【0013】[0013]

【課題を解決するための手段】本発明に係る不揮発性半
導体メモリ装置は、メモリセルのチャネルが形成される
半導体とゲート電極との間に複数の誘電体層が積層さ
れ、当該複数の誘電体層内部にチャネルと対向する面内
で離散化された電荷蓄積手段を含む不揮発性半導体メモ
リ装置であって、半導体基板上に導電層と層間絶縁層と
を複数積層させた積層構造を有し、メモリセルアレイを
構成する1つまたは複数のサブアレイが半導体基板に形
成され、メモリセルアレイの残りのサブアレイが上記積
層構造内に配置されている。本発明において、上記積層
構造内に配置されたサブアレイが、層間絶縁層上の半導
体薄膜に形成された複数のメモリトランジスタを有して
いる。また、メモリセルを選択し動作させる周辺回路
が、好適に、上記サブアレイ周囲の、半導体基板領域お
よび/または積層構造内に形成されている。この周辺回
路は、上記サブアレイ周囲の積層構造内に配置され、複
数のサブアレイの何れか1つを選択するセレクトトラン
ジスタ群を含む。あるいは、この周辺回路は、階層の異
なる複数のサブアレイを同時に選択し、同時に書き込む
機能を有している。
In a nonvolatile semiconductor memory device according to the present invention, a plurality of dielectric layers are stacked between a semiconductor in which a channel of a memory cell is formed and a gate electrode, and the plurality of dielectric layers are stacked. A non-volatile semiconductor memory device including charge storage means discretized in a plane facing a channel inside a layer, having a stacked structure in which a plurality of conductive layers and interlayer insulating layers are stacked on a semiconductor substrate, One or more sub-arrays forming the memory cell array are formed on the semiconductor substrate, and the remaining sub-arrays of the memory cell array are arranged in the stacked structure. In the present invention, the sub-array arranged in the laminated structure has a plurality of memory transistors formed on a semiconductor thin film on an interlayer insulating layer. A peripheral circuit for selecting and operating a memory cell is preferably formed in the semiconductor substrate region and / or the stacked structure around the sub-array. The peripheral circuit includes a select transistor group arranged in a stacked structure around the subarray and selecting one of the plurality of subarrays. Alternatively, the peripheral circuit has a function of simultaneously selecting a plurality of sub-arrays having different hierarchies and writing data at the same time.

【0014】この不揮発性半導体メモリ装置では、半導
体基板に形成したバルク型メモリセルを有したサブアレ
イの上層の積層構造内に、TFT型メモリセルを有した
サブアレイが積層されている。各サブアレイを構成する
メモリトランジスタにおいて、複数の誘電体層を積層さ
せたゲート誘電体膜内で電荷蓄積手段が平面的に離散化
されている。このため、電荷蓄積手段と半導体薄膜との
間の電位障壁層を薄くし、その電位障壁層にリークパス
が生じても、その発生頻度がある程度小さいのであれ
ば、電荷保持特性の急激な低下にならない。電荷蓄積手
段(電荷トラップまたは小粒径導電体)が離散化されて
いるため、リークパス周囲の局所的な蓄積電荷が半導体
薄膜内に消失するに過ぎないからである。
In this nonvolatile semiconductor memory device, a sub-array having a TFT type memory cell is stacked in a stacked structure of an upper layer of a sub-array having a bulk type memory cell formed on a semiconductor substrate. In a memory transistor constituting each sub-array, charge storage means is discretely planarized in a gate dielectric film in which a plurality of dielectric layers are stacked. Therefore, even if the potential barrier layer between the charge storage means and the semiconductor thin film is made thinner and a leak path is generated in the potential barrier layer, if the frequency of occurrence is small to some extent, the charge retention characteristic does not suddenly decrease. . This is because the charge storage means (charge trap or small-diameter conductor) is discretized, so that the local stored charge around the leak path only disappears in the semiconductor thin film.

【0015】[0015]

【発明の実施の形態】以下、本発明に係る不揮発性半導
体メモリ装置の実施の形態を、図面を参照して説明す
る。図1は、本発明に係る不揮発性半導体メモリ装置の
一実施形態を示す断面図である。
DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS Embodiments of a nonvolatile semiconductor memory device according to the present invention will be described below with reference to the drawings. FIG. 1 is a sectional view showing one embodiment of a nonvolatile semiconductor memory device according to the present invention.

【0016】この不揮発性メモリは、平面上で、メモリ
セルアレイの配置領域と、周辺回路の配置領域に大別さ
れる。半導体基板SUBのメモリセルアレイの配置領域
にp型またはn型のウエルWが形成され、半導体基板S
UBの周辺回路の配置領域にp型またはn型のウエルW
0が形成されている。ウエルW,W0間の基板表面領域
は、誘電体分離層ISOにより分離されている。誘電体
分離層ISOは、LOCOS法,トレンチ法またはフィ
ールドアイソレーション法により形成される。図示例の
誘電体分離層ISOは、STI(Shallow Trench Isolat
ion)法により形成されている。
This non-volatile memory is roughly classified on a plane into a memory cell array arrangement area and a peripheral circuit arrangement area. A p-type or n-type well W is formed in the area where the memory cell array is arranged on the semiconductor substrate SUB.
P-type or n-type wells W
0 is formed. The substrate surface region between the wells W and W0 is separated by a dielectric separation layer ISO. The dielectric isolation layer ISO is formed by a LOCOS method, a trench method, or a field isolation method. In the illustrated example, the dielectric isolation layer ISO is an STI (Shallow Trench Isolat).
ion) method.

【0017】周辺回路のウエルW0の表面に、たとえば
10数nm〜数10nmのゲート絶縁膜を介在させて各
種MOSトランジスタのゲート電極、あるいはゲート間
配線層が配置されている。ゲート電極間のウエル表面に
適宜、ウエルと逆導電型の不純物が添加され、これによ
りソース・ドレイン領域が形成されている。これによ
り、たとえば各種デコーダ、各種バッファ、制御回路ま
たは電源供給回路などの周辺回路用のバルク形トランジ
スタQ1,Q2,SWが形成されている。なお、これら
バルク形MOSトランジスタQ1,Q2,SWは、p型
ウエルとn型ウエルに分けて形成されたCMOS型とし
てもよい。ゲート電極は、p型および/またはn型の不
純物が添加された多結晶シリコンなどからなる。ゲート
絶縁膜は、たとえば電源供給回路では厚くして高耐圧化
し、その他のロジック回路では薄くして動作性能を高め
るようにしてもよい。
On the surface of well W0 of the peripheral circuit, gate electrodes of various MOS transistors or inter-gate wiring layers are arranged with a gate insulating film of, for example, several tens nm to several tens nm interposed therebetween. An impurity of the conductivity type opposite to that of the well is appropriately added to the well surface between the gate electrodes, thereby forming source / drain regions. Thus, bulk type transistors Q1, Q2, and SW for peripheral circuits such as various decoders, various buffers, a control circuit, and a power supply circuit are formed. Incidentally, these bulk type MOS transistors Q1, Q2, and SW may be of a CMOS type formed separately in a p-type well and an n-type well. The gate electrode is made of polycrystalline silicon to which p-type and / or n-type impurities are added. For example, the gate insulating film may be thickened in a power supply circuit to increase the breakdown voltage, and may be thinned in other logic circuits to enhance the operation performance.

【0018】これらのトランジスタ上に、第1層間絶縁
層INT1が形成されている。第1層間絶縁層INT1
内に、各種コンタクトWC1〜WC3および相互接続層
ICが埋め込まれている。各種コンタクトWC1〜WC
3は、たとえばタングステン(W)プラグなどから形成
され、ゲート電極または相互接続層IC上、あるいはソ
ース・ドレイン領域上に接している。相互接続層IC
は、適宜、コンタクトの上面に接し、素子間を電気的に
接続している。
A first interlayer insulating layer INT1 is formed on these transistors. First interlayer insulating layer INT1
Various contacts WC1 to WC3 and an interconnect layer IC are embedded therein. Various contacts WC1-WC
Reference numeral 3 is formed of, for example, a tungsten (W) plug or the like, and is in contact with the gate electrode or the interconnect layer IC, or the source / drain regions. Interconnection layer IC
Appropriately contacts the upper surface of the contact to electrically connect the elements.

【0019】第1層間絶縁層INT1の上に半導体薄膜
STFが形成され、この半導体薄膜にも周辺回路の一部
が形成されている。ここでは、メモリセルアレイのサブ
アレイを選択するための手段として、TFT形のセレク
トトランジスタSWが形成されている。TFT形のセレ
クトトランジスタSW上を第2層間絶縁層INT2が覆
っている。セレクトトランジスタSWの一方のソース・
ドレイン領域は、ワードコンタクトWC3を介して、下
層の他のセレクトトランジスタSWの一方のソース・ド
レイン領域に接続されている。これら上層と下層にそれ
ぞれ形成されたセレクトトランジスタSWの残りのソー
ス・ドレイン領域は、ワードコンタクトWC2,相互接
続層IC,ワードコンタクトWC1を介して、対応する
サブアレイのワード線に接続されている。なお、図1で
は、サブアレイを選択する手段を各階層に設けた場合を
例示したが、これに限定する必要はない。たとえば、こ
れらのセレクトトランジスタSW全てをバルク形として
もよいし、TFT形としてもよい。また、他の周辺回路
の機能ブロックを適宜、上層に配置してもよい。
A semiconductor thin film STF is formed on the first interlayer insulating layer INT1, and a part of a peripheral circuit is also formed on the semiconductor thin film STF. Here, a TFT type select transistor SW is formed as a means for selecting a sub-array of the memory cell array. The second interlayer insulating layer INT2 covers the TFT type select transistor SW. One source of the select transistor SW
The drain region is connected via a word contact WC3 to one source / drain region of another select transistor SW in the lower layer. The remaining source / drain regions of the select transistor SW formed in each of the upper and lower layers are connected to the corresponding word line of the subarray via the word contact WC2, the interconnect layer IC, and the word contact WC1. Although FIG. 1 illustrates an example in which means for selecting a sub-array is provided in each layer, the present invention is not limited to this. For example, all of these select transistors SW may be of a bulk type or a TFT type. Further, functional blocks of other peripheral circuits may be appropriately arranged in an upper layer.

【0020】以下に、本発明で適用可能なメモリセル
と、そのアレイとの構成および動作について、図面を参
照しながら説明する。本実施形態のメモリセルアレイ
は、半導体基板に形成されたバルク形メモリトランジス
タを有したサブアレイ(以下、バルク形サブアレイとい
う)と、その上層の積層構造内に形成されたTFT形メ
モリトランジスタを有したサブアレイ(以下、TFT形
サブアレイという)とからなる。TFT形サブアレイ
は、2層以上としてもよいが、ここでは単層であるとす
る。
The configuration and operation of a memory cell applicable to the present invention and an array thereof will be described below with reference to the drawings. The memory cell array according to the present embodiment includes a sub-array having a bulk-type memory transistor formed on a semiconductor substrate (hereinafter, referred to as a bulk-type sub-array) and a sub-array having a TFT-type memory transistor formed in a stacked structure on the sub-array. (Hereinafter, referred to as a TFT type sub-array). The TFT type sub-array may have two or more layers, but here it is assumed to be a single layer.

【0021】メモリセルアレイ1 図1に示すメモリセルアレイは、分離ソース線(SS
L)と称されるNOR型のメモリセルアレイである。図
2(A),図2(B)は、このSSL−NOR型メモリ
セルアレイの回路図である。図2(A)にバルク形サブ
アレイMCA1の4メモリセル分の等価回路、図2
(B)にTFT形サブアレイMCA2の4メモリセル分
の等価回路を示す。
Memory Cell Array 1 The memory cell array shown in FIG.
L) is a NOR type memory cell array. FIGS. 2A and 2B are circuit diagrams of the SSL-NOR type memory cell array. FIG. 2A shows an equivalent circuit for four memory cells of the bulk type sub-array MCA1,
(B) shows an equivalent circuit for four memory cells of the TFT type sub-array MCA2.

【0022】これらのサブアレイMCA1,MCA2の
構成は、等価回路上で同じである。以下、このアレイ構
成を図2(B)のTFT形サブアレイMCA2で説明す
る。メモリセルM11,M21,…,M12,M22,
…が行列状に配置されている。第1行のメモリセルトラ
ンジスタのゲートがワード線WL21に接続され、第2
行のメモリセルトランジスタのゲートがワード線WL2
2に接続されている。ワード線WL21,WL22のそ
れぞれに、共通のアレイ選択線SGA2により制御され
るセレクトトランジスタSW1,SW2が接続されてい
る。第1列のメモリセルトランジスタのドレインがビッ
ト線BL21に接続され、そのソースがソース線SL2
1に接続されている。同様に、第2列のメモリセルトラ
ンジスタのドレインがビット線BL22に接続され、そ
のソースがソース線SL22に接続されている。ビット
線BL21,BL22に、共通の選択ゲート線SG1に
より制御されるセレクトトランジスタSB1,SB2が
接続されている。ソース線SL21,BL22に、共通
の選択ゲート線SG2により制御されるセレクトトラン
ジスタSS1,SS2が接続されている。
The configurations of these sub-arrays MCA1 and MCA2 are the same on an equivalent circuit. Hereinafter, this array configuration will be described with reference to the TFT type sub-array MCA2 in FIG. The memory cells M11, M21, ..., M12, M22,
Are arranged in a matrix. The gate of the memory cell transistor in the first row is connected to the word line WL21,
The gate of the memory cell transistor in the row is connected to word line WL2
2 are connected. Select transistors SW1, SW2 controlled by a common array select line SGA2 are connected to the word lines WL21, WL22, respectively. The drain of the memory cell transistor in the first column is connected to bit line BL21, and its source is connected to source line SL2.
1 connected. Similarly, the drain of the memory cell transistor in the second column is connected to the bit line BL22, and the source is connected to the source line SL22. Select transistors SB1 and SB2 controlled by a common select gate line SG1 are connected to the bit lines BL21 and BL22. Select transistors SS1, SS2 controlled by a common select gate line SG2 are connected to the source lines SL21, BL22.

【0023】バルク形サブアレイMCA1におけるビッ
ト線およびソース線は、図1に示すように、ウエルWの
表面に並行ストライプ状に形成されたn+ 型不純物領域
(ソース・ドレイン領域)S/Dからなる。第1列のソ
ース線SL11と第2列のビット線BL12との間、第
2列のソース線SL12と第3列のビット線BL13と
の間は、誘電体分離層ISOによってセル間分離されて
いる。このため、セル間の寄生トランジスタがオンする
ことによって意図しない電流が流れるようなことがな
い。なお、各セル内でソース・ドレイン領域S/D間に
挟まれたウエル領域は、チャネル形成領域と称される。
このチャネル形成領域は、必然的に、列方向に長い並行
ストライプ状となる。
As shown in FIG. 1, the bit lines and source lines in the bulk type sub-array MCA1 are composed of n + -type impurity regions (source / drain regions) S / D formed in parallel stripes on the surface of the well W. . The cell between the source line SL11 in the first column and the bit line BL12 in the second column, and the source line SL12 in the second column and the bit line BL13 in the third column are separated by a dielectric isolation layer ISO. I have. Therefore, an unintended current does not flow when the parasitic transistor between the cells is turned on. The well region sandwiched between the source / drain regions S / D in each cell is called a channel formation region.
This channel forming region necessarily has a parallel stripe shape long in the column direction.

【0024】このチャネル形成領域およびソース・ドレ
イン領域S/Dと直交する行方向に、ゲート誘電体膜G
Dをウエルとの間に介在させた状態でワード線WL1
1,WL12,…が配置されている。
In a row direction orthogonal to the channel forming region and the source / drain region S / D, a gate dielectric film G is formed.
D is interposed between the word line WL1 and the well.
1, WL12,... Are arranged.

【0025】図3に、MONOS型メモリセルの拡大し
た断面図を示す。このゲート誘電体膜GDは、いわゆる
ONO型の3層からなる。具体的に、ゲート誘電体膜G
Dが、最下層のボトム誘電体層BTM、中間の電荷蓄積
層CHS、および最上層のトップ誘電体層TOPからな
る。ボトム誘電体層BTMは、たとえば、基板表面を熱
酸化して形成された熱酸化珪素、熱酸化珪素を窒化処理
してできた酸化窒化珪素からなる。電荷蓄積層CHS
は、たとえば窒化珪素または酸化窒化珪素からなり、内
部に離散的な電荷蓄積手段として電荷トラップを多数含
む。トップ誘電体層TOPは、たとえば酸化珪素からな
る。なお、いわゆるMNOS型の場合は、トップ誘電体
層TOPが省略され、電荷蓄積層CHS(窒化膜)が比
較的に厚く形成される。また、MNOS型の窒化膜に代
えて、たとえばTa23 などの高誘電体膜を半導体薄
膜上に直接形成してもよい。また、いわゆるナノ結晶型
の場合は、ボトム誘電体膜と酸化膜との間に、たとえば
多結晶珪素からなる無数の微細粒子が離散化して埋め込
まれている。
FIG. 3 is an enlarged sectional view of a MONOS type memory cell. This gate dielectric film GD is composed of three layers of a so-called ONO type. Specifically, the gate dielectric film G
D comprises a lowermost bottom dielectric layer BTM, an intermediate charge storage layer CHS, and an uppermost top dielectric layer TOP. The bottom dielectric layer BTM is made of, for example, thermally oxidized silicon formed by thermally oxidizing the substrate surface, or silicon oxynitride formed by nitriding the thermally oxidized silicon. Charge storage layer CHS
Is made of, for example, silicon nitride or silicon oxynitride, and includes a large number of charge traps therein as discrete charge storage means. Top dielectric layer TOP is made of, for example, silicon oxide. In the case of the so-called MNOS type, the top dielectric layer TOP is omitted, and the charge storage layer CHS (nitride film) is formed relatively thick. Instead of the MNOS type nitride film, a high dielectric film such as Ta 2 O 3 may be formed directly on the semiconductor thin film. In the case of the so-called nanocrystal type, innumerable fine particles made of, for example, polycrystalline silicon are discretely embedded between the bottom dielectric film and the oxide film.

【0026】ワード線WL11,WL12,…は、後述
するように2回のパターンニングによりスペース幅を極
限まで小さくしたワード線配置を採用してもよいが、こ
こでは、ワード線をライン幅と同じスペース幅で1回の
パターンニングにより形成している。なお、ワード線
は、ドープド多結晶珪素またはドープド非晶質珪素から
り、対応するセレクトトランジスタSW1,SW2,…
と接続されている。このように形成されたバルク形サブ
アレイMCA1上に第1層間絶縁層INT1が形成さ
れ、その表面が平坦化されている。
The word lines WL11, WL12,... May adopt a word line arrangement in which the space width is reduced to the limit by two patterning operations as described later. It is formed by one patterning with a space width. The word lines are made of doped polycrystalline silicon or doped amorphous silicon, and the corresponding select transistors SW1, SW2,.
Is connected to A first interlayer insulating layer INT1 is formed on the bulk type sub-array MCA1 thus formed, and its surface is planarized.

【0027】第1層間絶縁層INT1上に、たとえばp
型不純物が添加された多結晶珪素からなる半導体薄膜S
TFが形成されている。この半導体薄膜STFに、TF
T形サブアレイMCA2が形成されている。具体的に、
半導体薄膜STF内にn型不純物が添加され、これによ
りソース・ドレイン領域S/Dが互いに離間して形成さ
れている。ソース・ドレイン領域S/Dは、ビット線B
L21,BL22,…およびソース線SL21,SL2
2,…を構成する。ビット線およびソース線は、列方向
に長くサブアレイ全体では並行ストライプ状に配置され
ている。セル境界に位置するビット線とソース線との間
の半導体薄膜部が絶縁化され、これにより誘電体分離層
ISOが形成されている。なお、後述するメモリセルア
レイ2と同じく、必要に応じてソース・ドレイン領域S
/D上となる部分にも、たとえばフィルドアイソレーシ
ョン法により誘電体分離層を形成してもよい。
On the first interlayer insulating layer INT1, for example, p
Semiconductor thin film S made of polycrystalline silicon doped with type impurities
TF is formed. TF is added to this semiconductor thin film STF.
A T-shaped sub-array MCA2 is formed. Specifically,
An n-type impurity is added to the semiconductor thin film STF, so that the source / drain regions S / D are formed apart from each other. The source / drain region S / D is connected to the bit line B
L21, BL22,... And source lines SL21, SL2
2,... The bit lines and source lines are long in the column direction and arranged in parallel stripes in the entire subarray. The semiconductor thin film portion between the bit line and the source line located at the cell boundary is insulated, thereby forming a dielectric isolation layer ISO. Note that, similarly to the memory cell array 2 described later, the source / drain regions S
A dielectric isolation layer may be formed on the portion above / D by, for example, a field isolation method.

【0028】この半導体薄膜STF上にゲート誘電体膜
GDを介在させた状態で、ワード線WL21,WL2
2,…が並行ストライプ状に配置されている。このFT
F形におけるゲート誘電体膜GDも、バルク形と同様に
ONO膜、NO膜、あるいは小粒径導電体を埋め込んだ
積層誘電体膜からなる。また、ワード線がドープド多結
晶珪素またはドープド非晶質珪素からなり、対応するセ
レクトトランジスタSW1,SW2,…と接続されてい
る。このように形成されたTFT形サブアレイMCA2
上に第2層間絶縁層INT2が形成され、その表面が平
坦化されている。
With the gate dielectric film GD interposed on the semiconductor thin film STF, the word lines WL21, WL2
Are arranged in parallel stripes. This FT
Similarly to the bulk type, the gate dielectric film GD in the F type is formed of an ONO film, an NO film, or a laminated dielectric film in which a conductor having a small grain size is embedded. The word line is made of doped polycrystalline silicon or doped amorphous silicon, and is connected to corresponding select transistors SW1, SW2,. The TFT sub-array MCA2 thus formed
A second interlayer insulating layer INT2 is formed thereon, and its surface is planarized.

【0029】書き込み時に、図3に示す記憶部1に電荷
注入を行う場合は、ビット線BLに正のドレイン電圧
(たとえば4.5V)、ソース線SLとウエルWまたは
半導体薄膜STFのボディとに基準電圧0Vを印加し、
ワード線WLに所定の正電圧(たとえば9V)を印加す
る。このとき、ソース線SLを構成する右側のソース・
ドレイン領域S/Dから供給された電子がチャネル内を
加速され、ビット線BLを構成する左側のソース・ドレ
イン領域S/D側で高いエネルギーを得て、ボトム誘電
体層BTMの電位障壁を越えて記憶部1に注入され、蓄
積される。記憶部2に電荷を注入する場合は、周辺回路
が、ビット線BLとソース線SL間の電圧を切り替え
る。これにより、電子の供給側と電子がエネルギー的に
ホットになる側が上記の場合と反対となり、電子が記憶
部2に注入される。
At the time of writing, when charge is injected into the storage unit 1 shown in FIG. 3, a positive drain voltage (for example, 4.5 V) is applied to the bit line BL, and the source line SL and the well W or the body of the semiconductor thin film STF are applied to the bit line BL. Apply a reference voltage of 0V,
A predetermined positive voltage (for example, 9 V) is applied to word line WL. At this time, the right source
The electrons supplied from the drain region S / D are accelerated in the channel, and high energy is obtained on the left source / drain region S / D side constituting the bit line BL, and exceeds the potential barrier of the bottom dielectric layer BTM. Injected into the storage unit 1 and stored. When injecting charges into the storage unit 2, the peripheral circuit switches the voltage between the bit line BL and the source line SL. Accordingly, the side on which electrons are supplied and the side on which electrons become hot in terms of energy are opposite to the above case, and electrons are injected into the storage unit 2.

【0030】読み出し時には、読み出し対象のビットが
書き込まれた記憶部側がソースとなるよう、ビット線B
Lとソース線SL間に所定の読み出しドレイン電圧を印
加する。たとえば、ビット線BLを接地した状態で、ソ
ース線SLに負電圧−1.5Vを印加する。また、両端
の記憶部にはさまれたチャネル部をオンさせ得るが記憶
部のしきい値電圧を変化させない程度に低く、かつ、最
適化された正の電圧(たとえば3V)をワード線WLに
印加する。このとき、読み出し対象の記憶部の蓄積電荷
量、あるいは電荷の有無の違いによってチャネルの導電
率が有効に変化し、その結果、記憶情報がソースとドレ
イン間の電流量あるいは電位差に変換されて読み出され
る。もう一方の記憶部を読み出す場合は、周辺回路が、
その記憶部側がソースとなるように、ビット線とソース
線の電圧を切り替えることにより、上記と同様に読み出
しを行う。
At the time of reading, the bit line B is set so that the storage unit side on which the bit to be read is written becomes the source.
A predetermined read drain voltage is applied between L and the source line SL. For example, with the bit line BL grounded, a negative voltage of -1.5 V is applied to the source line SL. Further, a channel section sandwiched between the storage sections at both ends can be turned on, but is low enough not to change the threshold voltage of the storage section, and an optimized positive voltage (for example, 3 V) is applied to the word line WL. Apply. At this time, the conductivity of the channel changes effectively depending on the amount of accumulated charge in the storage unit to be read or the presence or absence of the charge. As a result, the stored information is converted into the amount of current or the potential difference between the source and the drain and read. It is. When reading the other storage unit, the peripheral circuit
Reading is performed in the same manner as described above by switching the voltage of the bit line and the voltage of the source line so that the storage unit side becomes the source.

【0031】消去時には、チャネル形成領域とソース・
ドレイン領域S/Dの側が高く、ワード線WL側が低く
なるように、上記書き込み時とは逆方向の消去電圧を印
加する。これにより、記憶部の一方または双方から蓄積
電荷が基板SUBまたは半導体薄膜STFの側にFNト
ンネリングまたは直接トンネリングにより引き抜かれ、
メモリトランジスタが消去状態に戻る。このときの消去
時間は1ms程度である。なお、他の消去方法として
は、ソース・ドレイン領域S/D側で発生し蓄積電荷と
は逆極性を有しバンド−バンド間トンネリングに起因し
て発生した高エネルギー電荷を、制御ゲートの電界によ
り引き寄せることによって記憶部に注入する方法も採用
可能である。
At the time of erasing, the channel forming region and the source
An erase voltage is applied in the direction opposite to that during the writing so that the drain region S / D side is high and the word line WL side is low. As a result, the accumulated charge is extracted from one or both of the storage units to the substrate SUB or the semiconductor thin film STF by FN tunneling or direct tunneling,
The memory transistor returns to the erased state. The erasing time at this time is about 1 ms. As another erasing method, high-energy charge generated on the source / drain region S / D side and having a polarity opposite to that of the accumulated charge and generated due to band-band tunneling is removed by the electric field of the control gate. It is also possible to adopt a method of injecting into the storage unit by drawing.

【0032】メモリセルアレイ2 図4に、バーチャルグランド(VG)形に接続したメモ
リセルアレイの行方向の断面図を示す。また、図5
(A)にTFT形サブアレイの平面図、図5(B)にA
−A線に沿った列方向の断面図を示す。
Memory Cell Array 2 FIG. 4 is a cross-sectional view in the row direction of a memory cell array connected in a virtual ground (VG) form. FIG.
FIG. 5A is a plan view of a TFT type sub-array, and FIG.
FIG. 3 shows a cross-sectional view in the column direction along line -A.

【0033】図4に示すメモリセルアレイを図1と比較
すると、ウエルWおよび半導体薄膜STFにセル間分離
用の誘電体分離層ISOが形成されていない。したがっ
て、列方向に、チャネル形成領域とソース・ドレイン領
域S/Dが繰り返し配置されている。全てのソース・ド
レイン領域S/Dは、書き込みまたは読み出し対象の記
憶部に応じて、あるときはビット線として、また、ある
ときはソース線として機能する。したがって、すべてビ
ット線と称される。TFT形で示す図5(A)のよう
に、ビット線BL21,BL22,BL23,BL2
4,…が並行ストライプ状に配置されている。ビット線
を構成する不純物領域上には、図4に示すように、たと
えばフィールドアイソレーション法により形成された誘
電体分離層ISOが、ほぼ同一パターンにて形成されて
いる。この誘電体分離層ISOの存在により、ゲートと
ソースまたはドレインとの間の寄生容量が低減され、ま
た、不要な箇所に電荷が注入されることが防止される。
When the memory cell array shown in FIG. 4 is compared with FIG. 1, the dielectric isolation layer ISO for separating cells is not formed in the well W and the semiconductor thin film STF. Therefore, the channel formation region and the source / drain regions S / D are repeatedly arranged in the column direction. All the source / drain regions S / D function as bit lines at one time and as source lines at other times, depending on the storage unit to be written or read. Therefore, they are all called bit lines. As shown in FIG. 5A showing a TFT type, bit lines BL21, BL22, BL23, BL2
Are arranged in parallel stripes. As shown in FIG. 4, a dielectric isolation layer ISO formed by, for example, a field isolation method is formed in substantially the same pattern on the impurity region forming the bit line. Due to the presence of the dielectric isolation layer ISO, the parasitic capacitance between the gate and the source or drain is reduced, and charge is prevented from being injected into unnecessary parts.

【0034】図5(A)に示すように、チャネル形成領
域およびビット線と直交する行方向に、ワード線WL2
1,WL22,WL23,WL24,WL25,…が配
置されている。
As shown in FIG. 5A, in the row direction orthogonal to the channel formation region and the bit lines, the word lines WL2
1, WL22, WL23, WL24, WL25,...

【0035】このワード線は、通常どおりにライン幅と
同じスペース幅で一括形成してもよいが、ここでは2回
のパターンニングによりスペース幅を極限まで小さくし
たワード線配置を採用している。このため、図5(B)
に示すように、偶数番目のワード線WL22,WL2
4,…(以下、第1ワード線という)と奇数番目のワー
ド線WL21,WL23,WL25,…(以下、第2ワ
ード線という)の断面形状が若干異なる。第1ワード線
WL22,WL24,…が、ゲート誘電体膜GD1を介
在させた状態で半導体薄膜STF上に形成されている。
The word lines may be collectively formed in the same space width as the line width as usual, but here, a word line arrangement is used in which the space width is reduced to the minimum by patterning twice. For this reason, FIG.
As shown, even-numbered word lines WL22, WL2
(Hereinafter referred to as a first word line) and odd-numbered word lines WL21, WL23, WL25,... (Hereinafter referred to as a second word line) have slightly different cross-sectional shapes. The first word lines WL22, WL24,... Are formed on the semiconductor thin film STF with the gate dielectric film GD1 interposed therebetween.

【0036】第1ワード線WL22,WL24,…の表
面、第1ワード線間に表出した半導体薄膜部の表面を覆
って、ゲート誘電体膜GD2が形成されている。そし
て、このゲート誘電体膜GD2を介在させて状態で、奇
数番目のワード線WL21,WL23,WL25,…が
第1ワード線間に形成されている。全ワード線は、第1
ワード線と第2ワード線とを交互に配置させて構成され
ている。第1,第2ワード線の関係をさらに詳しく説明
すると、第2ワード線の底面が、ゲート誘電体膜GD2
を介在させた状態で、第1ワード線間の半導体領域に対
面している。第2ワード線の主側面が、ゲート誘電体膜
GD2を介在させた状態で、第1ワード線間の側面に対
面している。また、第2ワード線の幅方向の両端部が、
隣接する2つの第1ワード線の幅方向の端部それぞれ
に、ゲート誘電体膜GD2を介在させた状態で乗り上げ
ている。このように、図示例のワード線は、隣接する2
つのワード線間が、その離間方向の寸法が膜厚となるよ
うに介在するゲート誘電体膜GD2によって絶縁分離さ
れている。なお、ワード線は、ドープド多結晶珪素また
はドープド非晶質珪素からなる。
A gate dielectric film GD2 is formed so as to cover the surfaces of the first word lines WL22, WL24,... And the surface of the semiconductor thin film portion exposed between the first word lines. The odd-numbered word lines WL21, WL23, WL25,... Are formed between the first word lines with the gate dielectric film GD2 interposed therebetween. All word lines are
The word lines and the second word lines are arranged alternately. The relationship between the first and second word lines will be described in more detail. The bottom surface of the second word line is formed by the gate dielectric film GD2
In a state where the semiconductor region is interposed between the first word lines. The main side surface of the second word line faces the side surface between the first word lines with the gate dielectric film GD2 interposed therebetween. Further, both ends in the width direction of the second word line are
Two adjacent first word lines run over each other in the width direction with the gate dielectric film GD2 interposed therebetween. In this manner, the word line in the illustrated example is
The two word lines are insulated and separated by a gate dielectric film GD2 interposed therebetween so that the dimension in the direction of separation becomes a film thickness. The word line is made of doped polycrystalline silicon or doped amorphous silicon.

【0037】ゲート誘電体膜GD1,GD2それぞれ
が、ONO膜,NO膜または小粒径導電体を埋め込んだ
積層誘電体膜などからなる。ゲート誘電体膜GD1,G
D2は、トータルの厚さが二酸化珪素換算で十数nm程
度である。また、このゲート誘電体膜GD1とGD2
は、少なくとも多結晶珪素(半導体薄膜STF)に接す
る部分において、各層の厚さを含めた構造および組成が
ほぼ等しいことが望ましい。MONOS型の場合の基本
的なセル構造は、図3と同様となる。
Each of the gate dielectric films GD1 and GD2 is formed of an ONO film, an NO film, a laminated dielectric film in which a conductor having a small grain size is embedded, or the like. Gate dielectric film GD1, G
D2 has a total thickness of about ten and several nm in terms of silicon dioxide. Also, the gate dielectric films GD1 and GD2
It is preferable that the structure and composition including the thickness of each layer are substantially equal at least in a portion in contact with polycrystalline silicon (semiconductor thin film STF). The basic cell structure in the case of the MONOS type is the same as in FIG.

【0038】書き込み時に、図3に示す記憶部1に電荷
注入を行う場合は、左側のソース・ドレイン領域S/D
に正のドレイン電圧、右側のソース・ドレイン領域S/
Dに基準電圧を印加し、ワード線WLに所定の正電圧を
印加する。このとき、右側のソース・ドレイン領域S/
Dから供給された電子がチャネル内を加速され、左側の
ソース・ドレイン領域S/D側で高いエネルギーを得
て、ボトム誘電体層BTMの電位障壁を越えて記憶部1
に注入され、蓄積される。記憶部2に電荷を注入する場
合は、周辺回路が、ソース・ドレイン領域S/D間の電
圧を切り替える。これにより、電子の供給側と電子がエ
ネルギー的にホットになる側が上記の場合と反対とな
り、電子が記憶部2に注入される。
In the case where charge is injected into the storage section 1 shown in FIG. 3 during writing, the left source / drain region S / D
Has a positive drain voltage, and the right source / drain region S /
A reference voltage is applied to D, and a predetermined positive voltage is applied to word line WL. At this time, the right source / drain region S /
The electrons supplied from D are accelerated in the channel, obtain high energy on the source / drain region S / D side on the left side, and cross the potential barrier of the bottom dielectric layer BTM to store the data.
Injected and accumulated. When charges are injected into the storage unit 2, the peripheral circuit switches the voltage between the source / drain regions S / D. Accordingly, the side on which electrons are supplied and the side on which electrons become hot in terms of energy are opposite to the above case, and electrons are injected into the storage unit 2.

【0039】読み出し時には、読み出し対象のビットが
書き込まれた記憶部側がソースとなるように、2つのソ
ース・ドレイン領域S/D間に所定の読み出しドレイン
電圧を印加する。また、両端の記憶部にはさまれたチャ
ネル部をオンさせ得るが記憶部のしきい値電圧を変化さ
せない程度に低く、かつ、最適化された正の電圧をワー
ド線WLに印加する。このとき、読み出し対象の記憶部
の蓄積電荷量、あるいは電荷の有無の違いによってチャ
ネルの導電率が有効に変化し、その結果、記憶情報がソ
ースとドレイン間の電流量あるいは電位差に変換されて
読み出される。もう一方の記憶部を読み出す場合は、周
辺回路が、その記憶部側がソースとなるように、ソース
・ドレイン領域S/D間の電圧を切り替えることによ
り、上記と同様に読み出しを行う。
At the time of reading, a predetermined read drain voltage is applied between the two source / drain regions S / D so that the storage portion side where the bit to be read is written becomes the source. Further, a channel portion sandwiched between the storage portions at both ends can be turned on, but a low and optimized positive voltage is applied to the word line WL so as not to change the threshold voltage of the storage portion. At this time, the conductivity of the channel changes effectively depending on the amount of accumulated charge in the storage unit to be read or the presence or absence of the charge. As a result, the stored information is converted into the amount of current or the potential difference between the source and the drain and read. It is. When reading the other storage unit, the peripheral circuit performs reading in the same manner as described above by switching the voltage between the source and drain regions S / D so that the storage unit side becomes the source.

【0040】消去時には、チャネル形成領域とソース・
ドレイン領域S/Dの側が高く、ワード線WL側が低く
なるように、上記書き込み時とは逆方向の消去電圧を印
加する。これにより、記憶部の一方または双方から蓄積
電荷が基板SUBまたは半導体薄膜STFの側に引き抜
かれ、メモリトランジスタが消去状態に戻る。なお、他
の消去方法としては、ソース・ドレイン領域S/D側で
発生し蓄積電荷とは逆極性を有してバンド−バンド間を
トンネルした高エネルギー電荷を、制御ゲートの電界に
より引き寄せることによって記憶部に注入する方法も採
用可能である。
At the time of erasing, the channel forming region and the source
An erase voltage is applied in the direction opposite to that during the writing so that the drain region S / D side is high and the word line WL side is low. As a result, the accumulated charges are drawn from one or both of the storage units toward the substrate SUB or the semiconductor thin film STF, and the memory transistor returns to the erased state. As another erasing method, a high-energy charge generated on the source / drain region S / D side and having a polarity opposite to that of the accumulated charge and tunneling between the bands is attracted by the electric field of the control gate. It is also possible to adopt a method of injecting into the storage unit.

【0041】つぎに、このVG型メモリセルアレイの形
成手順を、TFT形サブアレイを例として簡単に説明す
る。
Next, the procedure for forming the VG type memory cell array will be briefly described by taking a TFT type sub-array as an example.

【0042】第1層間絶縁層INT1上に多結晶珪素の
膜(半導体薄膜STF)を堆積する。この堆積方法とし
ては、CVD法やスタッパタリング法により非晶質珪素
を堆積し、その後、550℃で数10時間のアニールま
たはレーザーアニールによりグレインを成長させて多結
晶珪素に改質する。なお、このVG型メモリセルアレイ
では必要ないが、たとえばソース線分離(SSL)型の
場合、チャネル形成領域の周囲の半導体薄膜部をリソグ
ラフィとエッチングにより除去し、素子分離する。
On the first interlayer insulating layer INT1, a polycrystalline silicon film (semiconductor thin film STF) is deposited. As this deposition method, amorphous silicon is deposited by a CVD method or a stuttering method, and thereafter, grains are grown by annealing at 550 ° C. for several tens of hours or laser annealing to be modified into polycrystalline silicon. Although not necessary in the VG type memory cell array, for example, in the case of a source line isolation (SSL) type, a semiconductor thin film portion around a channel formation region is removed by lithography and etching to separate elements.

【0043】半導体薄膜STF上にレジスト等のマスク
層を形成して、選択的イオン注入によりチャネル濃度を
決めるドーズでp型不純物をドープする。マスク層を除
去後、別のマスク層を形成して選択的にn型不純物をイ
オン注入し、ソース・ドレイン領域S/Dを(ビット線
BL21,BL22,…)を形成する。同様に、別のマ
スク層を形成して選択的にp型不純物をイオン注入し、
半導体薄膜の電位を与えるp+ コンタクト領域を形成す
る。RTA法によりアニールして、導入不純物を活性化
する。
A mask layer such as a resist is formed on the semiconductor thin film STF, and p-type impurities are doped by selective ion implantation at a dose that determines the channel concentration. After removing the mask layer, another mask layer is formed and n-type impurities are selectively ion-implanted to form source / drain regions S / D (bit lines BL21, BL22,...). Similarly, another mask layer is formed, and p-type impurities are selectively ion-implanted,
A p + contact region for applying a potential of the semiconductor thin film is formed. Annealing is performed by the RTA method to activate the introduced impurities.

【0044】半導体薄膜STF上に、ゲート誘電体膜G
D1を形成する。たとえば、半導体薄膜STF表面を熱
酸化してボトム誘電体層BTMを形成し、必要に応じて
ボトム誘電体層BTMを窒化処理し、ボトム誘電体層B
TM上に窒化珪素または酸化窒化珪素からなる電荷蓄積
膜CHSを形成し、電荷蓄積膜CHS表面を熱酸化する
などの方法によりトップ誘電層TOPを形成する。ゲー
ト誘電体膜GD1上に、たとえばCVD法によりドープ
ド多結晶珪素またはドープド非晶質珪素からなる導電膜
を堆積する。この導電膜上にレジストパターンを形成し
て、RIEなどの異方性エッチングを行い導電膜をパタ
ーンニングする。続いて、導電膜パターン間で露出した
ゲート誘電体膜GD1を、たとえばCF4 /CHF3
Arを用いたドライエッチング装置を用いてパターンニ
ングする。その後、レジストパターンを除去する。これ
により、ゲート誘電体膜GD1と第1ワード線WL22
またはWL24からなる積層パターンが、ソース・ドレ
イン領域S/Dに対し直交する並行ストライプ状のパタ
ーンにて形成される。
The gate dielectric film G is formed on the semiconductor thin film STF.
Form D1. For example, the surface of the semiconductor thin film STF is thermally oxidized to form a bottom dielectric layer BTM, and if necessary, the bottom dielectric layer BTM is nitrided to form a bottom dielectric layer BTM.
A charge storage film CHS made of silicon nitride or silicon oxynitride is formed on the TM, and the top dielectric layer TOP is formed by a method such as thermally oxidizing the surface of the charge storage film CHS. A conductive film made of doped polycrystalline silicon or doped amorphous silicon is deposited on gate dielectric film GD1 by, for example, a CVD method. A resist pattern is formed on the conductive film, and anisotropic etching such as RIE is performed to pattern the conductive film. Subsequently, the gate dielectric film GD1 exposed between the conductive film patterns is removed by, for example, CF 4 / CHF 3 /
Patterning is performed using a dry etching apparatus using Ar. After that, the resist pattern is removed. As a result, the gate dielectric film GD1 and the first word line WL22
Alternatively, a laminated pattern composed of WL24 is formed in a parallel stripe pattern orthogonal to the source / drain regions S / D.

【0045】つぎに、半導体薄膜STF表面層をエッチ
ングする。このエッチングは、通常のドライエッチング
でもよいが犠牲酸化を用いる方法が望ましい。すなわ
ち、半導体薄膜表面を熱酸化して薄い犠牲酸化膜を形成
し、これをウエットエッチング等で除去する。これによ
り、犠牲酸化時に消費された多結晶シリコン表面層が均
一に、しかもダメージを残すことなくエッチングされた
こととなる。この犠牲酸化条件は、ゲート誘電体膜GD
1の形成時に半導体薄膜STF表面層に導入された窒素
原子が十分除去されるように予め決められる。
Next, the semiconductor thin film STF surface layer is etched. This etching may be ordinary dry etching, but a method using sacrificial oxidation is desirable. That is, the surface of the semiconductor thin film is thermally oxidized to form a thin sacrificial oxide film, which is removed by wet etching or the like. As a result, the polycrystalline silicon surface layer consumed during the sacrificial oxidation is etched uniformly and without any damage. This sacrificial oxidation condition is based on the gate dielectric film GD
1 is determined in advance so that nitrogen atoms introduced into the surface layer of the semiconductor thin film STF at the time of forming 1 are sufficiently removed.

【0046】上記したゲート誘電体膜GD1と同じ条件
で、2回目のゲート誘電体膜GD2の形成を行う。ま
た、ワード線WL22,WL24,…間を完全に埋め込
む導電膜WLF、たとえばドープド多結晶珪素またはド
ープド非晶質珪素の膜を堆積する。この導電膜WLF上
に、ワード線WL22,WL24,…上方で開口するレ
ジストを形成する。
A second gate dielectric film GD2 is formed under the same conditions as the gate dielectric film GD1 described above. Further, a conductive film WLF that completely fills the space between the word lines WL22, WL24,..., For example, a film of doped polycrystalline silicon or doped amorphous silicon is deposited. On this conductive film WLF, a resist opening above the word lines WL22, WL24,... Is formed.

【0047】その後、このレジストをマスクとして、R
IEなどの異方性エッチングを行う。これにより、導電
膜WLFが分離され、ワード線WL21,WL23,W
L25,…が形成される。
Thereafter, using this resist as a mask, R
Perform anisotropic etching such as IE. Thereby, the conductive film WLF is separated, and the word lines WL21, WL23, W
L25,... Are formed.

【0048】メモリセルアレイ3 図6に、ビット線とソース線が階層化されたSSL−N
OR型メモリセルアレイの等価回路図を示す。このメモ
リセルアレイでは、ビット線が主ビット線と副ビット線
に階層化され、ソース線が主ソース線と副ソース線に階
層化されている。主ビット線MBL1にセレクトトラン
ジスタS11を介して副ビット線SBL1が接続され、
主ビット線MBL2にセレクトトランジスタS21を介
して副ビット線SBL2が接続されている。また、主ソ
ース線MSL1にセレクトトランジスタS12を介して
副ソース線SSL1が接続され、主ソース線MSL2に
セレクトトランジスタS22を介して副ソース線SSL
2が接続されている。副ビット線SBL1,SBL2お
よび副ソース線SSL1,SSL2は、それぞれソース
・ドレイン領域S/Dから構成され、図1と同様に並行
ストライプ状に配置され、セル間が誘電体分離層ISO
で分離されている。主ビット線MBL1,MBL2およ
び主ソース線MSL1,MSL2は、上層配線層により
構成される。
Memory cell array 3 FIG. 6 shows an SSL-N in which bit lines and source lines are hierarchized.
1 shows an equivalent circuit diagram of an OR type memory cell array. In this memory cell array, bit lines are hierarchized into main bit lines and sub-bit lines, and source lines are hierarchized into main source lines and sub-source lines. The sub-bit line SBL1 is connected to the main bit line MBL1 via the select transistor S11,
The sub-bit line SBL2 is connected to the main bit line MBL2 via the select transistor S21. The sub-source line SSL1 is connected to the main source line MSL1 via the select transistor S12, and the sub-source line SSL is connected to the main source line MSL2 via the select transistor S22.
2 are connected. The sub-bit lines SBL1 and SBL2 and the sub-source lines SSL1 and SSL2 are each composed of a source / drain region S / D, are arranged in parallel stripes as in FIG. 1, and have a dielectric isolation layer ISO between cells.
Separated by Main bit lines MBL1 and MBL2 and main source lines MSL1 and MSL2 are formed by upper wiring layers.

【0049】副ビット線SBL1と副ソース線SSL1
との間に、メモリトランジスタM11〜M1n(たとえ
ば、n=128)が並列接続され、副ビット線SBL2
と副ソース線SSL2との間に、メモリトランジスタM
21〜M2nが並列接続されている。この互いに並列に
接続されたn個のメモリトランジスタと、2つのセレク
トトランジスタ(S11とS12、又は、S21とS2
2)とにより、メモリセルアレイを構成する単位ブロッ
クが構成される。
The sub bit line SBL1 and the sub source line SSL1
, Memory transistors M11 to M1n (for example, n = 128) are connected in parallel, and sub bit line SBL2
Between the memory transistor M and the sub-source line SSL2.
21 to M2n are connected in parallel. The n memory transistors connected in parallel to each other and two select transistors (S11 and S12 or S21 and S2
2) constitutes a unit block constituting the memory cell array.

【0050】ワード方向に隣接するメモリトランジスタ
M11,M21,…の各ゲートがワード線WL1に接続
されている。同様に、メモリトランジスタM12,M2
2,…の各ゲートがワード線WL2に接続され、また、
メモリトランジスタM1n,M2n,…の各ゲートがワ
ード線WLnに接続されている。ワード方向に隣接する
セレクトトランジスタS11,…は選択ゲート線SG1
1により制御され、セレクトトランジスタS21,…は
選択ゲート線SG21により制御される。同様に、ワー
ド方向に隣接するセレクトトランジスタS12,…は選
択ゲート線SG12により制御され、セレクトトランジ
スタS22,…は選択ゲート線SG22により制御され
る。なお、各ワード線に対しても、図2(A),図2
(B)と同様に、サブアレイを選択するために共通のア
レイ選択線により制御されるセレクトトランジスタSW
1,SW2,…が接続されている。
Each gate of the memory transistors M11, M21,... Adjacent in the word direction is connected to a word line WL1. Similarly, memory transistors M12, M2
, Are connected to the word line WL2.
Each gate of the memory transistors M1n, M2n,... Is connected to a word line WLn. The select transistors S11,... Adjacent in the word direction are connected to a select gate line SG1.
, And the select transistors S21,... Are controlled by a select gate line SG21. Similarly, the select transistors S12,... Adjacent in the word direction are controlled by the select gate line SG12, and the select transistors S22,. It should be noted that FIG.
As in (B), select transistor SW controlled by a common array select line to select a sub-array
1, SW2,... Are connected.

【0051】書き込み,読み出しおよび消去動作の基本
は、図2(A),図2(B)の場合と同じであり、ここ
での説明は省略する。
The basics of the writing, reading and erasing operations are the same as those in FIGS. 2A and 2B, and the description is omitted here.

【0052】メモリセルアレイ4 図7は、NAND型のメモリセルアレイのバルク形サブ
アレイの平面図である。また、図8(A)は図7のA−
A線に沿った断面図、図8(B)は図8(A)の一部を
拡大した断面図である。
Memory Cell Array 4 FIG. 7 is a plan view of a bulk type sub-array of a NAND type memory cell array. Further, FIG.
FIG. 8B is a cross-sectional view along line A, and FIG. 8B is an enlarged cross-sectional view of a part of FIG.

【0053】このメモリセルアレイは、たとえばp型不
純物が添加された多結晶珪素からなる半導体薄膜STF
に形成されている。半導体薄膜STF上に、ワード線W
L21,WL22,…WL2nが形成されている。奇数
番目のワード線WL21,WL23,…,WL2n(第
1ワード線)が、ゲート誘電体膜GD1を介在させた状
態で半導体薄膜STF上に形成されている。第1ワード
線WL21,WL23,…,WL2nの表面、第1ワー
ド線間に表出した半導体薄膜部の表面を覆って、ゲート
誘電体膜GD2が形成されている。そして、このゲート
誘電体膜GD2を介在させて状態で、偶数番目のワード
線WL22,WL24,…(第2ワード線)が第1ワー
ド線間に形成されている。このように、隣接する2つの
ワード線間が、その離間方向の寸法が膜厚となるように
介在するゲート誘電体膜GD2によって絶縁分離されて
いる。なお、ワード線は、ドープド多結晶珪素またはド
ープド非晶質珪素からなる。
This memory cell array has a semiconductor thin film STF made of, for example, polycrystalline silicon doped with a p-type impurity.
Is formed. The word line W is formed on the semiconductor thin film STF.
L21, WL22,... WL2n are formed. The odd-numbered word lines WL21, WL23,..., WL2n (first word lines) are formed on the semiconductor thin film STF with the gate dielectric film GD1 interposed therebetween. A gate dielectric film GD2 is formed to cover the surfaces of the first word lines WL21, WL23,..., WL2n and the surface of the semiconductor thin film portion exposed between the first word lines. Then, even-numbered word lines WL22, WL24,... (Second word lines) are formed between the first word lines with the gate dielectric film GD2 interposed therebetween. In this manner, the two adjacent word lines are insulated and separated by the interposed gate dielectric film GD2 such that the dimension in the direction of separation becomes a film thickness. The word line is made of doped polycrystalline silicon or doped amorphous silicon.

【0054】ゲート誘電体膜GD1,GD2は、たとえ
ばONO膜,NO膜または小粒径導電体を埋め込んだ積
層誘電体膜などからなる。ここでは、図8(B)に示す
ように、各ゲート誘電体膜が、最下層のボトム誘電体層
BTM、中間の電荷蓄積層CHS、および最上層のトッ
プ誘電層TOPからなる。
The gate dielectric films GD1 and GD2 are made of, for example, an ONO film, an NO film, or a laminated dielectric film in which a small-diameter conductor is embedded. Here, as shown in FIG. 8B, each gate dielectric film includes a lowermost bottom dielectric layer BTM, an intermediate charge storage layer CHS, and an uppermost top dielectric layer TOP.

【0055】ワード線WL21の外側に、たとえばゲー
ト誘電体膜GD2により分離された選択ゲート線SG1
が並行に配置されている。同様に、ワード線WL2nの
外側に、たとえばゲート誘電体膜GD2により分離され
た選択ゲート線SG2が並行に配置されている。これら
の選択ゲート線SG1,SG2は、セレクトトランジス
タのゲート電極を兼用し、ゲート誘電体膜GD3を介し
て半導体薄膜STFに接している。ゲート誘電体膜GD
3は、たとえば単層の二酸化珪素膜から構成される。こ
の場合、製造工程が若干複雑になるが、この部分のみ単
層のゲート誘電体膜を形成して、セレクトトランジスタ
が通常のMOS型となる。あるいは、ゲート誘電体膜G
D2とGD3を同じ膜として、印加バイアス条件によ
り、このゲート誘電体膜GD3の部分には電荷の注入が
なされないようにしてもよい。
Outside the word line WL21, for example, a select gate line SG1 separated by a gate dielectric film GD2
Are arranged in parallel. Similarly, outside the word line WL2n, for example, a select gate line SG2 separated by a gate dielectric film GD2 is arranged in parallel. These select gate lines SG1 and SG2 also serve as the gate electrodes of the select transistors, and are in contact with the semiconductor thin film STF via the gate dielectric film GD3. Gate dielectric film GD
3 is formed of, for example, a single-layer silicon dioxide film. In this case, although the manufacturing process is slightly complicated, a single-layer gate dielectric film is formed only in this portion, and the select transistor becomes a normal MOS type. Alternatively, the gate dielectric film G
D2 and GD3 may be the same film, and charge injection may not be performed to the gate dielectric film GD3 depending on the applied bias condition.

【0056】選択ゲート線SG1の外側には、n型不純
物領域からなるドレイン領域DRが形成されている。こ
のドレイン領域DRは、図示しない他のNANDストリ
ングと共有されている。また、選択ゲート線SG2の外
側には、n型不純物領域からなる共通ソース線CSLが
形成されている。共通ソース線CSLは、行方向に並ぶ
1行分のNANDストリング、および、列方向に隣接す
る図示しない他の1行分のNANDストリングで共有さ
れている。
Outside the select gate line SG1, a drain region DR formed of an n-type impurity region is formed. This drain region DR is shared with another NAND string not shown. Further, outside the select gate line SG2, a common source line CSL including an n-type impurity region is formed. The common source line CSL is shared by one row of NAND strings arranged in the row direction and another unillustrated one row of NAND strings adjacent in the column direction.

【0057】これらNANDストリングを構成するトラ
ンジスタ上に、第2層間絶縁層INT2が形成されてい
る。第2層間絶縁層INT2上に並行ストライプ状のビ
ット線を配置してもよいが、ここでは、ドレイン領域D
Rが、ビットコンタクトBC、ドレイン配線メタル層C
MDを介して、下層の周辺回路に接続されている。ま
た、断面図には表れていない箇所で、共通ソース線CS
Lが、同様に、ソースコンタクト,ソース配線メタル層
を介して、下層の周辺回路に接続されている。
A second interlayer insulating layer INT2 is formed on the transistors constituting these NAND strings. Although parallel stripe-shaped bit lines may be arranged on the second interlayer insulating layer INT2, here, the drain region D
R is bit contact BC, drain wiring metal layer C
It is connected to lower peripheral circuits via the MD. Also, at a location not shown in the cross-sectional view, the common source line CS
Similarly, L is connected to a lower peripheral circuit via a source contact and a source wiring metal layer.

【0058】書き込み時に、図8(B)に示す記憶部1
に電荷注入を行う場合は、ドレイン領域DRに正のドレ
イン電圧、共通ソース線CSLに基準電圧を印加し、2
つのセレクトトランジスタをオンさせる電圧を選択ゲー
ト線SG1,SG2に印加する。また、書き込み対象の
セルが接続されたワード線WL23以外の他のワード線
WL21,WL22,WL24,…WL2nには、上記
ドレイン電圧または上記基準電圧を書き込み対象のセル
に伝達可能なパス電圧を印加する。これにより、書き込
み対象のセルを構成するメモリトランジスタのソースと
ドレイン間に、所定の書き込みドレイン電圧が印加され
る。その状態で、ワード線WL23に所定のプログラム
電圧を印加する。このとき、図8(B)の右側からチャ
ネルに供給された電子がチャネル内を加速され、チャネ
ル左端部で高いエネルギーを得て、ボトム誘電体層BT
Mの電位障壁を越えて記憶部1に注入され、蓄積され
る。記憶部2に電荷を注入する場合は、周辺回路が、ド
レイン領域DRと共通ソース線CSLとの間の電圧を切
り替える。これにより、電子の供給側と電子がエネルギ
ー的にホットになる側が上記の場合と反対となり、電子
が記憶部2に注入される。
At the time of writing, the storage unit 1 shown in FIG.
When charge injection is performed, a positive drain voltage is applied to the drain region DR, and a reference voltage is applied to the common source line CSL.
A voltage for turning on one select transistor is applied to select gate lines SG1 and SG2. Further, to the other word lines WL21, WL22, WL24,... WL2n other than the word line WL23 to which the cell to be written is connected, a pass voltage capable of transmitting the drain voltage or the reference voltage to the cell to be written is applied. I do. As a result, a predetermined write drain voltage is applied between the source and the drain of the memory transistor forming the cell to be written. In this state, a predetermined program voltage is applied to the word line WL23. At this time, electrons supplied to the channel from the right side of FIG. 8B are accelerated in the channel, and high energy is obtained at the left end of the channel, so that the bottom dielectric layer BT
It is injected into the storage unit 1 over the potential barrier of M and stored. When injecting charges into the storage unit 2, the peripheral circuit switches the voltage between the drain region DR and the common source line CSL. Accordingly, the side on which electrons are supplied and the side on which electrons become hot in terms of energy are opposite to the above case, and electrons are injected into the storage unit 2.

【0059】他の更に望ましい書き込み方法としては、
ソースサイド注入法が採用できる。この場合、記憶部1
への書き込み時には、ドレイン領域DRから基準電圧を
供給し、共通ソース線CSLからドレイン電圧を供給す
る。また、書き込み対象のセルが接続されたワード線W
L23の1つソース寄りのワード線WL22の印加電圧
は、単なるパス電圧ではなく、ソースサイド注入が可能
に最適化された電圧である。これにより、ワード線WL
22とワード線WL23との境界付近で横方向電界が強
まり、メモリトランジスタのソース端(記憶部1)に電
子を、さらに効率よく注入できる。
As another more desirable writing method,
The source side injection method can be adopted. In this case, the storage unit 1
At the time of writing to the memory cell, a reference voltage is supplied from the drain region DR, and a drain voltage is supplied from the common source line CSL. Further, the word line W connected to the cell to be written is connected.
The voltage applied to the word line WL22 near one source of L23 is not a simple pass voltage but a voltage optimized to enable source side injection. Thereby, the word line WL
The lateral electric field is increased near the boundary between the word line WL23 and the word line WL23, and electrons can be more efficiently injected into the source end (storage unit 1) of the memory transistor.

【0060】記憶部2に電荷を注入する場合は、周辺回
路が、ドレイン領域DRと共通ソース線CSLとの間の
電圧を切り替え、かつ、ワード線WL24の電圧値をソ
ースサイド注入が可能な値に最適化する。これにより、
電子の供給側と電子がエネルギー的にホットになる側が
上記の場合と反対となり、電子が記憶部2に注入され
る。
In the case of injecting charges into the storage unit 2, the peripheral circuit switches the voltage between the drain region DR and the common source line CSL, and changes the voltage value of the word line WL24 to a value that allows source side injection. To optimize. This allows
The side on which electrons are supplied and the side on which electrons become hot in terms of energy are opposite to those described above, and electrons are injected into the storage unit 2.

【0061】読み出し時には、読み出し対象のビットが
書き込まれた記憶部側がソースとなるようにドレイン領
域DRと共通ソース線CSL間に所定の読み出しドレイ
ン電圧を印加し、読み出し対象のセルが接続されたワー
ド線以外のワード線にパス電圧を印加する。また、両端
の記憶部にはさまれたチャネル部をオンさせ得るが記憶
部のしきい値電圧を変化させない程度に低く、かつ、最
適化された正の電圧をワード線WL23に印加する。こ
のとき、読み出し対象の記憶部の蓄積電荷量、あるいは
電荷の有無の違いによってチャネルの導電率が有効に変
化し、その結果、記憶情報がビット線に流れる電流量あ
るいはその電位変化量に変換されて読み出される。もう
一方のビットを読み出す場合は、そのビットが書き込ま
れた記憶部側がソースとなるように、周辺回路が、ドレ
イン領域DRと共通ソース線CSLとの電圧を切り替え
ることにより、上記と同様に読み出しを行う。
At the time of reading, a predetermined read drain voltage is applied between the drain region DR and the common source line CSL so that the memory portion side where the bit to be read has been written becomes the source, and the word to which the cell to be read is connected is applied. A pass voltage is applied to a word line other than the word line. In addition, a channel portion sandwiched between the storage units at both ends can be turned on, but a low and optimized positive voltage is applied to the word line WL23 so as not to change the threshold voltage of the storage unit. At this time, the conductivity of the channel is effectively changed depending on the amount of charge stored in the storage unit to be read or the presence or absence of the charge, and as a result, the stored information is converted into the amount of current flowing through the bit line or the amount of potential change thereof. Read out. When the other bit is read, the peripheral circuit switches the voltage between the drain region DR and the common source line CSL so that the read is performed in the same manner as described above so that the storage unit side in which the bit is written becomes the source. Do.

【0062】消去時は、チャネル全面のFNトンネリン
グを用いて基板側に電荷を引き抜くか、ワード線側に電
荷を引き抜くことで一括消去する。
At the time of erasing, collective erasing is performed by extracting charges to the substrate side by using FN tunneling on the entire surface of the channel or extracting charges to the word line side.

【0063】つぎに、このNAND型サブアレイの形成
手順を簡単に説明する。
Next, the procedure for forming the NAND type sub-array will be briefly described.

【0064】第1層間絶縁層INT1上に、メモリセル
アレイ2と同様な方法により、半導体薄膜STFを形成
する。チャネル形成領域の周囲の半導体薄膜部をリソグ
ラフィとエッチングにより除去し、素子分離する。半導
体薄膜STF上にレジスト等のマスク層を形成して、選
択的イオン注入によりチャネル濃度を決めるドーズでp
型不純物をドープする。別のマスク層を形成して選択的
にp型不純物をイオン注入し、半導体薄膜の電位を与え
るp+ コンタクト領域を形成する。RTA法によりアニ
ールして、導入不純物を活性化する。
A semiconductor thin film STF is formed on the first interlayer insulating layer INT1 by the same method as that for the memory cell array 2. The semiconductor thin film portion around the channel formation region is removed by lithography and etching to separate elements. A mask layer such as a resist is formed on the semiconductor thin film STF, and p is applied at a dose that determines the channel concentration by selective ion implantation.
Doping with type impurities. Another mask layer is formed, and a p-type impurity is selectively ion-implanted to form ap + contact region for giving a potential of the semiconductor thin film. Annealing is performed by the RTA method to activate the introduced impurities.

【0065】半導体薄膜STF上に、メモリセルアレイ
2と同様な方法により、図8(B)に示すゲート誘電体
膜GD1を形成する。ゲート誘電体膜GD1上に、たと
えばCVD法によりドープド多結晶珪素またはドープド
非晶質珪素からなる導電膜を堆積する。この導電膜上に
レジストパターンを形成して、RIEなどの異方性エッ
チングを行い導電膜をパターンニングする。続いて、導
電膜パターン間で露出した第1電荷蓄積膜GD1を、た
とえばCF4 /CHF3 /Arを用いたドライエッチン
グ装置を用いてパターンニングする。その後、レジスト
パターンを除去する。これにより、ゲート誘電体膜GD
1と第1ワード線WL21,WL23,…WL2nから
なる積層パターンが、並行ストライプ状のパターンにて
形成される。
A gate dielectric film GD1 shown in FIG. 8B is formed on the semiconductor thin film STF by the same method as that for the memory cell array 2. A conductive film made of doped polycrystalline silicon or doped amorphous silicon is deposited on gate dielectric film GD1 by, for example, a CVD method. A resist pattern is formed on the conductive film, and anisotropic etching such as RIE is performed to pattern the conductive film. Subsequently, the first charge storage film GD1 exposed between the conductive film patterns is patterned using, for example, a dry etching apparatus using CF 4 / CHF 3 / Ar. After that, the resist pattern is removed. Thereby, the gate dielectric film GD
, WL2n are formed in a parallel stripe pattern.

【0066】つぎに、必要に応じて、たとえば半導体薄
膜STF表面層を犠牲酸化を用いる方法により軽くエッ
チングする。続いて、ゲート誘電体膜GD1と同じ条件
で、2回目のゲート誘電体膜GD2の形成を行う。ま
た、必要に応じて、ワード線WL1外側領域とワード線
WLn外側領域のゲート誘電体膜GD2を選択的に除去
し、この部分に単層の誘電体膜GD3を選択的に形成す
る。
Next, if necessary, for example, the surface layer of the semiconductor thin film STF is lightly etched by a method using sacrificial oxidation. Subsequently, a second gate dielectric film GD2 is formed under the same conditions as the gate dielectric film GD1. Further, if necessary, the gate dielectric film GD2 in the region outside the word line WL1 and the region outside the word line WLn is selectively removed, and a single-layer dielectric film GD3 is selectively formed in this portion.

【0067】第1ワード線WL21,WL23,…,W
L2n間を完全に埋め込む導電膜、たとえばドープド多
結晶珪素またはドープド非晶質珪素の膜を堆積する。こ
の導電膜上に、第1ワード線WL21,WL23,…,
WL2n上方で開口するレジストを形成する。
The first word lines WL21, WL23,..., W
A conductive film completely filling the space between L2n, for example, a film of doped polycrystalline silicon or doped amorphous silicon is deposited. On this conductive film, first word lines WL21, WL23,.
A resist opening above WL2n is formed.

【0068】その後、このレジストをマスクとして、R
IEなどの異方性エッチングを行う。これにより、導電
膜が分離され、図8(A)に示す第2ワード線WL2
2,WL24,…および選択ゲート線SG1,SG2が
形成される。
Thereafter, using this resist as a mask, R
Perform anisotropic etching such as IE. As a result, the conductive film is separated, and the second word line WL2 shown in FIG.
, WL24,... And select gate lines SG1, SG2.

【0069】選択ゲート線SG1,SG2の外側の半導
体薄膜部に、n型不純物をイオン注入する。このとき、
ワード線の配置領域ではイオンが透過しないためソース
・ドレイン領域は形成されない。その後は、第2層間絶
縁層INT2の堆積、ビットコンタクトBCの形成、上
層配線層の形成を経て、当該NAND型サブアレイを完
成させる。
An n-type impurity is ion-implanted into the semiconductor thin film portion outside the select gate lines SG1 and SG2. At this time,
Source / drain regions are not formed in the word line arrangement region because ions do not pass therethrough. Thereafter, the NAND type sub-array is completed through deposition of the second interlayer insulating layer INT2, formation of the bit contact BC, and formation of the upper wiring layer.

【0070】メモリセルアレイ5 図9(A)は、このアレイを構成するメモリセルの構造
を示す断面図、図9(B)は、その平面図である。
Memory Cell Array 5 FIG. 9A is a sectional view showing the structure of a memory cell constituting this array, and FIG. 9B is a plan view thereof.

【0071】p型不純物が添加された半導体薄膜STF
に、n型不純物が高濃度に導入されて出来た2つのソー
ス・ドレイン領域S/Dが互いに離れて形成されてい
る。ソース・ドレイン領域S/Dは、上記した他のメモ
リセルアレイと同様に、並行ストライプ状に配置されて
いる。2つのソース・ドレイン領域S/D間がチャネル
形成領域となる。チャネル形成領域は、そのほぼ中央に
形成された内側チャネル領域Ch2と、内側チャネル領
域Ch2とソース・ドレイン領域S/Dとの間の2つの
外側チャネル領域Ch1a,Ch1bとからなる。内側
チャネル領域Ch2は、外側チャネル領域Ch1a,C
h1bに比べ活性化されたp型不純物の濃度が低く、高
閾値化されている。
Semiconductor thin film STF doped with p-type impurities
In addition, two source / drain regions S / D formed by introducing n-type impurities at a high concentration are formed apart from each other. The source / drain regions S / D are arranged in parallel stripes, like the other memory cell arrays described above. A region between the two source / drain regions S / D is a channel forming region. The channel forming region includes an inner channel region Ch2 formed substantially at the center thereof, and two outer channel regions Ch1a and Ch1b between the inner channel region Ch2 and the source / drain region S / D. The inner channel region Ch2 is the outer channel region Ch1a, C
The concentration of the activated p-type impurity is lower than that of h1b, and the threshold is increased.

【0072】内側チャネル領域Ch2上に、たとえば1
nm〜10nm程度の厚さの二酸化珪素からなる単層の
ゲート誘電体膜GD0が形成されている。このゲート誘
電体膜GD0は、単層であり、かつ膜中のキャリアトラ
ップは比較的に少なく電荷保持能力を有しない。ゲート
誘電体膜GD0上に、不純物が添加された多結晶珪素ま
たは非晶質珪素からなる制御ゲート電極CGが形成され
ている。制御ゲート電極CGは、ソース・ドレイン領域
S/Dの離間スペース内で、ソース・ドレイン領域S/
Dと平行に列方向に長く配置されている。制御ゲート電
極CGは、メモリセルアレイの制御線CLを構成する。
制御ゲート電極CGのゲート長に限定はないが、たとえ
ば50nm以下と超微細化すると、チャネル内のキャリ
アが準バリスティックに走行し、好ましい。すなわち、
電界条件にもよるが、このようにゲート長を極微細化す
ると、ソースから供給されたキャリアがチャネル内を移
動する際に、不純物による細かな小角散乱は受けるが軌
道を大きく曲げるような大角散乱を受けることなく、キ
ャリアが弾道的に走行するようになる。
On the inner channel region Ch2, for example, 1
A single-layer gate dielectric film GD0 made of silicon dioxide having a thickness of about 10 nm to 10 nm is formed. The gate dielectric film GD0 is a single layer, and has relatively few carrier traps in the film and does not have a charge holding ability. On gate dielectric film GD0, control gate electrode CG made of polycrystalline silicon or amorphous silicon to which impurities are added is formed. The control gate electrode CG is provided between the source / drain regions S / D in the space separated from the source / drain regions S / D.
It is arranged long in the column direction in parallel with D. The control gate electrode CG forms a control line CL of the memory cell array.
There is no limitation on the gate length of the control gate electrode CG, but it is preferable to make the control gate electrode CG ultra-fine, for example, 50 nm or less, since carriers in the channel run quasi-ballistically. That is,
Depending on the electric field conditions, when the gate length is made extremely small in this way, when carriers supplied from the source move through the channel, they undergo fine small-angle scattering due to impurities, but large-angle scattering that bends the orbit greatly. Carriers will run ballistically without being affected.

【0073】ゲート誘電体膜GD0と制御ゲート電極C
Gの積層パターンの表面、および半導体薄膜表面を覆っ
て、たとえば3層BTM,CHS,TOPからなり電荷
蓄積能力を有するゲート誘電体膜GDが形成されてい
る。このゲート誘電体膜GD上に、制御ゲート電極CG
と交差するメモリトランジスタのゲート電極が形成され
ている。ゲート電極は、たとえば不純物が添加された多
結晶珪素または非晶質珪素からなり、メモリセルアレイ
のワード線WLを構成する。
The gate dielectric film GD0 and the control gate electrode C
A gate dielectric film GD having, for example, three layers of BTM, CHS, and TOP and having a charge storage capability is formed so as to cover the surface of the G stacked pattern and the surface of the semiconductor thin film. The control gate electrode CG is formed on the gate dielectric film GD.
The gate electrode of the memory transistor that intersects with the gate electrode is formed. The gate electrode is made of, for example, polycrystalline silicon or amorphous silicon to which impurities are added, and forms a word line WL of the memory cell array.

【0074】このメモリセルは、メモリトランジスタ、
MOS型のトランジスタ、メモリトランジスタが、2つ
のビット線BL(ソース・ドレイン領域S/D)間に直
列に接続した3トランジスタ構成となる。2つのメモリ
トランジスタのゲートは、ワード線WLにより制御さ
れ、中央のMOS型トランジスタのゲートはビット線B
Lと平行な制御線CLにより制御される。前記したチャ
ネル濃度差、および誘電体膜GD0,GDの材料、厚さ
および構造の諸条件により、消去状態のメモリトランジ
スタのしきい値電圧は、MOS型トランジスタのしきい
値電圧より低く設定されている。中央のMOS型トラン
ジスタの主な機能としては、メモリトランジスタの動作
(書き込み、読み出し、消去)時に特性向上のために補
助的に動作したり、チャネル形成領域とゲート誘電体膜
GDとの接触部分を規定する。チャネル形成領域とゲー
ト誘電体膜GDの接触部分が記憶部となる。2つの記憶
部1,記憶部2間の単層の誘電体膜GD0は、電荷蓄積
能力を有しないためデータ記憶に寄与できない。
This memory cell comprises a memory transistor,
A MOS transistor and a memory transistor have a three-transistor configuration in which two transistors are connected in series between two bit lines BL (source / drain regions S / D). The gates of the two memory transistors are controlled by a word line WL, and the gate of the central MOS transistor is a bit line B
It is controlled by a control line CL parallel to L. The threshold voltage of the memory transistor in the erased state is set lower than the threshold voltage of the MOS transistor due to the above-mentioned channel concentration difference and various conditions of the material, thickness and structure of the dielectric films GD0 and GD. I have. The main function of the central MOS type transistor is to perform auxiliary operations for improving characteristics at the time of operation (writing, reading, erasing) of the memory transistor, and to form a contact portion between the channel formation region and the gate dielectric film GD. Stipulate. A contact portion between the channel formation region and the gate dielectric film GD becomes a storage unit. The single-layer dielectric film GD0 between the two storage units 1 and 2 cannot contribute to data storage because it has no charge storage capability.

【0075】図10は、このメモリセルをSSL−NO
R型に接続したメモリセルアレイを示す。奇数番目のソ
ース・ドレイン領域S/Dからなるソース線SL1,S
L2,…,SL6,…と、偶数番目のソース・ドレイン
領域S/Dからなるビット線BL1,BL2,…,BL
6,…とが行方向に交互で、列方向に長く平行に配線さ
れている。また、ワード線WL1,WL2,WL3,…
が、行方向に長く平行に配置されている。ソース線とビ
ット線の対と、ワード線Wとの交点付近にメモリセルが
配置されている。第1列では、ソース線SL1とビット
線BL1との間にメモリセルM11,M12,M13,
…が並列接続され、メモリセルM11の2つのゲート電
極がワード線WL1に接続され、メモリセルM12の2
つのゲート電極がワード線WL2に接続され、メモリセ
ルM13の2つのゲート電極がワード線WL3に接続さ
れている。このような接続関係が、他の列についても繰
り返されている。各列のメモリセルのほぼ中央を貫い
て、制御線CL1,CL2,…,CL6,…が列方向に
配線されている。ソース線とビット線はカラムデコー
ダ、ワード線はロウデコーダ、制御線CLはカラム分割
制御回路により制御される。
FIG. 10 shows this memory cell as SSL-NO
3 shows a memory cell array connected in an R type. Source lines SL1, S composed of odd-numbered source / drain regions S / D
, SL6, and bit lines BL1, BL2,..., BL formed of even-numbered source / drain regions S / D.
Are alternately arranged in the row direction and long and parallel in the column direction. Also, word lines WL1, WL2, WL3,.
Are arranged long and parallel to the row direction. A memory cell is arranged near an intersection between a word line W and a source line / bit line pair. In the first column, between the source line SL1 and the bit line BL1, the memory cells M11, M12, M13,
Are connected in parallel, two gate electrodes of the memory cell M11 are connected to the word line WL1, and two gate electrodes of the memory cell M12 are connected.
One gate electrode is connected to word line WL2, and two gate electrodes of memory cell M13 are connected to word line WL3. Such a connection relationship is repeated for other columns. The control lines CL1, CL2,..., CL6,. The source line and the bit line are controlled by a column decoder, the word line is controlled by a row decoder, and the control line CL is controlled by a column division control circuit.

【0076】図11は、メモリセルをVG型に接続した
メモリセルアレイの回路図である。このメモリセルアレ
イでは、図10において行方向に隣り合うセルがビット
線を共有している。具体的に列方向の配線は、ビット線
BL1,BL2,…BL7,…と、制御線CL1,CL
2,…,CL6,…が行方向に交互に配置されている。
他の構成は、図10と同じである。このようなVG型メ
モリセルアレイでは、図10の場合と比較すると、片側
のS/D不純物領域の配置スペースが不要であり、また
上層のメタル配線に余裕があるため、セル面積が小さ
い。
FIG. 11 is a circuit diagram of a memory cell array in which memory cells are connected in a VG type. In this memory cell array, adjacent cells in the row direction in FIG. 10 share a bit line. Specifically, the wirings in the column direction include bit lines BL1, BL2,..., BL7,.
, CL6,... Are arranged alternately in the row direction.
Other configurations are the same as those in FIG. In such a VG type memory cell array, compared to the case of FIG. 10, a space for disposing the S / D impurity region on one side is not required, and the cell area is small because there is room for the upper metal wiring.

【0077】つぎに、このメモリセルの製造方法を説明
する。第1層間絶縁層INT上に、他のメモリセルアレ
イと同様な方法によって、半導体薄膜STFを形成す
る。この半導体薄膜に、必要に応じて誘電体分離層IS
Oを形成し、チャネル形成領域表面を熱酸化してゲート
誘電体膜GD0を形成する。このゲート誘電体膜GD0
をスルー膜として、チャネル形成領域の全域に対し、中
央のMOS型トランジスタの比較的高いしきい値電圧を
決めるチャネルドープを、たとえばイオン注入により行
う。これにより、図9(A)に示すように、内側チャネ
ル領域Ch2となる高閾値チャネルドープ層が形成され
る。続いて、ゲート誘電体膜GD0上に、不純物が添加
された多結晶珪素または非晶質珪素を堆積し、列方向に
長いライン状にパターンニングし、制御ゲート電極CG
を形成する。
Next, a method of manufacturing this memory cell will be described. A semiconductor thin film STF is formed on the first interlayer insulating layer INT by a method similar to that for other memory cell arrays. If necessary, a dielectric isolation layer IS may be added to this semiconductor thin film.
O is formed, and the surface of the channel formation region is thermally oxidized to form a gate dielectric film GD0. This gate dielectric film GD0
Is used as a through film, and channel doping for determining a relatively high threshold voltage of the central MOS transistor is performed by, for example, ion implantation over the entire region of the channel formation region. Thus, as shown in FIG. 9A, a high-threshold channel doping layer to be the inner channel region Ch2 is formed. Subsequently, polycrystalline silicon or amorphous silicon to which impurities are added is deposited on the gate dielectric film GD0 and patterned in a long line in the column direction to form the control gate electrode CG.
To form

【0078】制御ゲート電極CGをマスクとし、ゲート
誘電体膜GD0をスルー膜としたイオン注入により、制
御ゲート電極CG周囲のチャネル形成領域に逆導電型の
不純物を導入する(カウンタードープ)。これにより、
制御ゲート電極CG周囲の領域では、制御ゲート電極C
G下方の領域よりp型が弱まる。その結果、内側チャネ
ル領域Ch2に比べ、外側チャネル領域Ch1a,Ch
1bのしきい値電圧が下がる。このことにより、同じゲ
ート電圧を印加した場合でも、より低いチャネル抵抗を
得ることができる。
Using the control gate electrode CG as a mask and ion implantation using the gate dielectric film GD0 as a through film, impurities of the opposite conductivity type are introduced into the channel formation region around the control gate electrode CG (counter doping). This allows
In the region around the control gate electrode CG, the control gate electrode C
The p-type is weaker than the region below G. As a result, as compared with the inner channel region Ch2, the outer channel regions Ch1a and Ch1
The threshold voltage of 1b decreases. Thus, a lower channel resistance can be obtained even when the same gate voltage is applied.

【0079】つぎに、制御ゲート電極CGをマスクとし
てゲート誘電体膜GD0を同じパターンに加工した後、
全面にゲート誘電体膜GDを形成する。具体的に、たと
えば、短時間高温熱処理法(RTO法)により1000
℃,10secの熱処理を行い、二酸化珪素膜(ボトム
誘電体層BTM)を形成する。つぎに、ボトム誘電体層
BTM上にLP−CVD法により窒化珪素膜(電荷蓄積
層CHS)を、最終膜厚より厚めに堆積する。このCV
Dは、たとえば、ジクロルシラン(DCS)とアンモニ
アを混合したガスを用い、基板温度730℃で行う。形
成した窒化珪素膜表面を熱酸化法により酸化して、たと
えば3.5nmの二酸化珪素膜(トップ誘電体層TO
P)を形成する。この熱酸化は、たとえばH2O雰囲気
中で炉温度950℃で40分程度行う。
Next, after processing the gate dielectric film GD0 into the same pattern using the control gate electrode CG as a mask,
A gate dielectric film GD is formed on the entire surface. Specifically, for example, 1000 times by a short-time high-temperature heat treatment method (RTO method).
A heat treatment at 10 ° C. for 10 seconds is performed to form a silicon dioxide film (bottom dielectric layer BTM). Next, a silicon nitride film (charge storage layer CHS) is deposited on the bottom dielectric layer BTM by LP-CVD so as to be thicker than the final film thickness. This CV
D is performed at a substrate temperature of 730 ° C. using, for example, a gas obtained by mixing dichlorosilane (DCS) and ammonia. The surface of the formed silicon nitride film is oxidized by a thermal oxidation method to form, for example, a 3.5 nm silicon dioxide film (top dielectric layer TO).
P) is formed. This thermal oxidation is performed, for example, in a H 2 O atmosphere at a furnace temperature of 950 ° C. for about 40 minutes.

【0080】つぎに、制御ゲート電極CG形状を反映し
て出来たゲート誘電体膜GDの段差の両側面に、導電材
料かなるサイドウォールを形成する。具体的には、不純
物が添加された多結晶珪素または非晶質珪素を厚く堆積
し、これを異方性が強い条件で全面エッチング(エッチ
バック)する。必要に応じて、形成したサイドウォール
および制御ゲート電極CGをマスクとした斜めイオン注
入により、n型あるいはp型の不純物を半導体薄膜ST
Fの比較的深い位置まで導入する。これにより、しきい
値電圧の調整、あるいはパンチスルー耐性を高めること
が可能となる。
Next, sidewalls made of a conductive material are formed on both sides of the step of the gate dielectric film GD formed by reflecting the shape of the control gate electrode CG. Specifically, polycrystalline silicon or amorphous silicon to which impurities are added is deposited thickly, and the entire surface is etched (etched back) under the condition of strong anisotropy. If necessary, an n-type or p-type impurity is removed from the semiconductor thin film ST by oblique ion implantation using the formed sidewall and control gate electrode CG as a mask.
F is introduced to a relatively deep position. This makes it possible to adjust the threshold voltage or enhance the punch-through resistance.

【0081】続いて、サイドウォールおよび制御ゲート
電極CGをマスクとした、ほぼ垂直なイオン注入によ
り、n型不純物をサイドウォール外側の領域にドープ
し、ソース・ドレイン領域S/Dを形成する。その後、
たとえば、サイドウォールを構成する材料と同じ不純物
添加条件の多結晶珪素または非晶質珪素を全面に厚く堆
積し、制御ゲート電極CGと直交する方向に長いライン
状にパターンニングし、ワード線WLを形成する。
Subsequently, an n-type impurity is doped into a region outside the sidewall by substantially vertical ion implantation using the sidewall and the control gate electrode CG as a mask, thereby forming a source / drain region S / D. afterwards,
For example, polycrystalline silicon or amorphous silicon having the same impurity doping conditions as the material forming the sidewalls is thickly deposited on the entire surface and patterned in a long line in a direction orthogonal to the control gate electrode CG, and the word line WL is formed. Form.

【0082】その後は、第2層間絶縁層INT2の堆
積、コンタクト形成、上層配線層の形成等をへて当該不
揮発性メモリを完成させる。
Thereafter, the non-volatile memory is completed by depositing a second interlayer insulating layer INT2, forming a contact, forming an upper wiring layer, and the like.

【0083】つぎに、メモリセルの動作を説明する。書
き込みは、CHE注入を用いる第1の方法と、ブレーク
ダウンによる高エネルギー電荷を注入する第2の方法が
ある。
Next, the operation of the memory cell will be described. For writing, there are a first method using CHE injection and a second method for injecting high-energy charges by breakdown.

【0084】第1の方法では、ソースとなる不純物領域
S/Dに基準電圧,ドレインとなる不純物領域S/Dに
ドレイン電圧を印加し、制御ゲート電極CG(制御線C
L)に所定の正電圧、ワード線WLに所定の正電圧を印
加する。この条件下、チャネル形成領域に反転層(チャ
ネル)が形成され、ソースから供給された電子がチャネ
ル内を加速され、その一部がドレイン側で、電荷保持膜
6のボトム誘電体層BTMを構成する二酸化珪素膜のエ
ネルギー障壁を越える高エネルギー電子(ホットエレク
トロン)となる。ホットエレクトロンの一部は、ある確
率でゲート誘電体膜GDのドレイン側部分(記憶部)に
注入される。
In the first method, a reference voltage is applied to the impurity region S / D serving as a source, and a drain voltage is applied to the impurity region S / D serving as a drain, and the control gate electrode CG (control line C / D) is applied.
L) and a predetermined positive voltage to the word line WL. Under these conditions, an inversion layer (channel) is formed in the channel formation region, electrons supplied from the source are accelerated in the channel, and a part thereof forms a bottom dielectric layer BTM of the charge retention film 6 on the drain side. Energy electrons (hot electrons) that exceed the energy barrier of the silicon dioxide film. Some of the hot electrons are injected into the drain-side portion (memory portion) of the gate dielectric film GD with a certain probability.

【0085】この書き込み時のチャネル電子は、不純物
散乱および半導体格子との衝突により電界から受けたエ
ネルギーの一部を損失しながら、全体では加速されてゆ
く。この電子の運動エネルギーはドレイン端付近でピー
クを迎え、電子が充満しているソース・ドレインS/D
に入ると急激に減少する。この運動エネルギーのピーク
点を出来るだけ大きくすることができれば、ホットエレ
クトロンの注入効率が向上する。
The channel electrons at the time of writing are accelerated as a whole while losing some of the energy received from the electric field due to impurity scattering and collision with the semiconductor lattice. The kinetic energy of this electron peaks near the drain end, and the source / drain S / D is full of electrons.
When entering, it decreases sharply. If the peak point of the kinetic energy can be increased as much as possible, the injection efficiency of hot electrons is improved.

【0086】このメモリセルでは、チャネルに抵抗差を
持たせることで内側チャネル領域Ch2の抵抗を相対的
に高くし、この領域での電界を上げ、ここでの加速効率
を上げる。したがって、電子が注入直前で最も効率よく
エネルギー的に励起され、その結果、チャネルに抵抗差
を持たせない従来の場合より、ホットエレクトロンの注
入効率が向上する。とくに、内側チャネル長を短くする
と、高エネルギー電界中を電子が準バリスティックに走
行し、さらに注入効率が向上する。
In this memory cell, the resistance of the inner channel region Ch2 is relatively increased by providing a channel with a resistance difference, the electric field in this region is increased, and the acceleration efficiency is increased. Therefore, electrons are most efficiently energized immediately before injection, and as a result, the injection efficiency of hot electrons is improved as compared with the conventional case in which the channel has no resistance difference. In particular, when the inner channel length is shortened, electrons travel quasi-ballistically in a high-energy electric field, and the injection efficiency is further improved.

【0087】一方、もう一方の記憶部に書き込みたい場
合は、2つの不純物領域S/Dの電圧関係を入れ替える
ことにより、同様な原理でホットエレクトロンが他の記
憶部に注入される。電子が注入されるとメモリトランジ
スタのしきい値電圧が上昇し書き込み状態となる。
On the other hand, if it is desired to write data into the other storage unit, hot electrons are injected into the other storage unit on the same principle by exchanging the voltage relationship between the two impurity regions S / D. When electrons are injected, the threshold voltage of the memory transistor rises, and the memory transistor enters a write state.

【0088】第2の書き込み方法では、ワード線WLに
負電圧を印加し、書き込み側の不純物領域S/Dに正電
圧を印加する。この条件下、n型不純物領域の表面が深
い空乏状態となり、エネルギーバンドの曲がりが急峻と
なる。そして反転層が形成され、ついにはアバランシェ
ブレークダウンが生じる。このブレークダウンにより高
エネルギーを有する電子、ホール対が生じ、高エネルギ
ー電子は正電圧に引き寄せられてn型不純物領域S/D
内に吸収される。一方、高エネルギーホール(ホットホ
ール)は、多くが半導体薄膜STFに流れるが、その一
部がチャネル形成領域側にドリフトして、そこでワード
線WLによる電界に引き寄せられて二酸化膜障壁を越え
て、ゲート誘電体膜GD内に注入される。この第2の方
法では、反対側の記憶部へのホットホール注入も同様に
できる。この方法は、チャネルを形成しないため、2つ
の記憶部に同時に書き込みが可能である。
In the second write method, a negative voltage is applied to the word line WL, and a positive voltage is applied to the write-side impurity region S / D. Under this condition, the surface of the n-type impurity region is in a deep depletion state, and the energy band is sharply bent. Then, an inversion layer is formed, and finally, avalanche breakdown occurs. Due to this breakdown, a pair of electrons and holes having high energy is generated, and the high-energy electrons are attracted to a positive voltage to form an n-type impurity region S / D.
Is absorbed into. On the other hand, most of high-energy holes (hot holes) flow into the semiconductor thin film STF, but a part thereof drifts toward the channel formation region side, where it is attracted to the electric field by the word line WL and crosses the dioxide film barrier. It is implanted into the gate dielectric film GD. In the second method, hot holes can be similarly injected into the storage section on the opposite side. Since this method does not form a channel, it is possible to write to two storage units simultaneously.

【0089】読み出しは、読み出し対象の記憶データが
保持された記憶部側をソースとし、他の記憶部側がドレ
インとなるように、2つのソース・ドレイン領域S/D
間に、たとえば1.5〜3V程度のドレイン電圧を印加
し、両ゲート電極CG,WLそれぞれに所定の正電圧を
印加する。その結果、読み出し対象の記憶部内の電荷の
有無または電荷量の違いに応じて、チャネルのオン/オ
フあるいは電流量の違いが生じ、その結果、ドレイン側
の不純物領域の電位変化が現出する。この電位変化を図
示しないセンスアンプにより読み出すことで、記憶デー
タの論理判別が可能となる。他の記憶部の読み出しは、
ソースとドレインを入れ替えて同様に行う。これによ
り、2ビット記憶データが独立に読み出せる。
In the read operation, the two source / drain regions S / D are arranged such that the storage portion holding the storage data to be read is used as a source and the other storage portion is used as a drain.
In the meantime, for example, a drain voltage of about 1.5 to 3 V is applied, and a predetermined positive voltage is applied to each of the gate electrodes CG and WL. As a result, on / off of the channel or a difference in the amount of current occurs depending on the presence or absence of a charge or a difference in the amount of charge in the storage unit to be read, and as a result, a potential change in the impurity region on the drain side appears. By reading out this potential change by a sense amplifier (not shown), the logic of the stored data can be determined. Reading of other storage units
The same operation is performed with the source and drain exchanged. Thereby, the 2-bit storage data can be read independently.

【0090】消去では、保持電荷を引き抜くか、逆極性
の電荷を注入する。後者の場合、上記した第1の方法で
書き込みしたときは、第2の方法を消去に用いる。逆
に、第2の方法で書き込みしたときは、第1の方法を消
去に用いる。前者の保持電荷の引き抜きでは、トンネリ
ング現象による電荷が引き抜かれる大きさと方向の所定
電界を、ワード線WLとソース・ドレイン領域S/D間
に発生させる。これにより、保持電荷が基板側に引き抜
かれ、メモリトランジスタのしきい値電圧が低い消去状
態となる。
In erasing, the retained charges are extracted or charges of the opposite polarity are injected. In the latter case, when writing is performed by the above-described first method, the second method is used for erasing. Conversely, when writing is performed by the second method, the first method is used for erasing. In the former method of extracting the retained charges, a predetermined electric field having a magnitude and direction in which the charges are extracted by the tunneling phenomenon is generated between the word line WL and the source / drain regions S / D. As a result, the retained charges are drawn to the substrate side, and the memory transistor enters an erased state where the threshold voltage is low.

【0091】このメモリセルでは、電荷蓄積能力を有す
る2つの記憶部を有し、その2つの記憶部間が電荷蓄積
能力を有しない単層の誘電体膜GD0によって離されて
いる。したがって、2ビット記憶データ保持時に、2ビ
ットの記憶情報が確実に峻別される。なぜなら、各記憶
部に過剰に電荷が注入されても、その間にデータ保持特
性能力を有しない単層の誘電体膜GD0が存在すること
により、ある領域以上は電荷注入が進まないため、電荷
の分布領域同士が混じらないからである。また、高温保
持時に保持電荷がドリフトしても電荷の分布領域同士が
混じらないため、この点でも2ビット情報の記憶がぼけ
ない。また、チャネル形成領域Chに抵抗差を設けるこ
とは、書き込みまたは消去時に、電荷の注入効率が高
く、高速動作が実現される。
This memory cell has two storage units having a charge storage capability, and the two storage units are separated by a single-layer dielectric film GD0 having no charge storage capability. Therefore, at the time of holding the 2-bit storage data, 2-bit storage information is reliably distinguished. The reason is that even if an excessive amount of charge is injected into each storage unit, the single-layer dielectric film GD0 having no data retention characteristic capability exists therebetween, so that the charge injection does not proceed beyond a certain region. This is because the distribution regions do not mix with each other. In addition, even if the retained charges drift at the time of high-temperature retention, the distribution regions of the charges are not mixed with each other. In addition, providing a resistance difference in the channel formation region Ch increases the charge injection efficiency and realizes high-speed operation during writing or erasing.

【0092】バルク形のMONOSメモリセルの書き込
み状態、消去状態の電流−電圧特性について検討した。
この検討に用いたメモリセルは図3の構造を有し、図2
(A),図2(B)に示すSSL−NOR型に接続した
ものを用いた。この結果、ドレイン電圧1.5Vでの非
選択セルからのオフリーク電流値は約1nAであった。
この場合の読み出し電流は10μA以上であるため、非
選択セルの誤読み出しが生じることはない。また、ゲー
ト長0.18μmのMONOS型メモリトランジスタに
おいて読み出し時のパンチスルー耐圧のマージンは十分
あることが分かった。ゲート電圧1.5Vでのリードデ
ィスターブ特性も評価したが、3×108 sec以上の
時間経過後でも読み出しが可能であることが分かった。
データ書き換え回数は、電荷トラップが空間的に離散化
されているために良好で、1×106 回を満足すること
が分かった。また、データ保持特性は1×106 回のデ
ータ書き換え後で85℃,10年を満足した。
The current-voltage characteristics of the bulk type MONOS memory cell in the written state and the erased state were examined.
The memory cell used in this study has the structure of FIG.
(A) and those connected to the SSL-NOR type shown in FIG. 2 (B) were used. As a result, the off-leak current value from an unselected cell at a drain voltage of 1.5 V was about 1 nA.
Since the read current in this case is 10 μA or more, erroneous read of a non-selected cell does not occur. It was also found that the MONOS memory transistor having a gate length of 0.18 μm had a sufficient margin for punch-through withstand voltage at the time of reading. The read disturb characteristics at a gate voltage of 1.5 V were also evaluated, and it was found that reading was possible even after a lapse of 3 × 10 8 sec or more.
It was found that the number of times of data rewriting was satisfactory because the charge traps were spatially discretized, and satisfied 1 × 10 6 times. The data retention characteristics satisfy 85 ° C. and 10 years after data rewriting 1 × 10 6 times.

【0093】同様にして、TFT形のMONOSメモリ
セルについても、各種メモリトランジスタ特性を評価し
た。その結果、上述したバルク形のMONOSメモリセ
ルに匹敵するデータが得られた。なお、バルク形のMO
NOSメモリセルと全く同じ特性を得るには、TFT形
のMONOSメモリセルのデザインルールを若干大きく
するとよいことも判明した。
Similarly, the characteristics of various memory transistors of the TFT type MONOS memory cell were evaluated. As a result, data comparable to the above-mentioned bulk type MONOS memory cell was obtained. In addition, bulk type MO
It has also been found that in order to obtain exactly the same characteristics as the NOS memory cell, it is better to slightly increase the design rule of the TFT type MONOS memory cell.

【0094】なお、ここまでの説明では、周辺回路はサ
ブアレイの一つを選択するとした。しかし、本発明で
は、周辺回路を、階層が異なる複数のサブアレイを同時
に選択し、同時に書き込むように構成してもよい。たと
えば、図2(A)のバルク型サブアレイMCA1と図2
(B)のTFT型サブアレイMCA2を同時選択とする
場合、アレイ選択線SGA1とSGA2とを同時に活性
化し、また、各サブアレイにおける選択ゲート線SG1
同士、選択ゲート線SG2同士を同時に活性化する。そ
して、各サブアレイにおけるビット線、ソース線および
ワード線を同時に駆動して、バルク型サブアレイMCA
1とTFT型サブアレイMCA2に対し同時書き込みを
実行する。これにより、単位時間当たりの書き込み速度
が大幅に短くできる。
In the above description, the peripheral circuit selects one of the sub-arrays. However, in the present invention, the peripheral circuit may be configured so that a plurality of sub-arrays having different hierarchies are simultaneously selected and simultaneously written. For example, the bulk type sub-array MCA1 shown in FIG.
When the TFT type sub-array MCA2 shown in FIG. 8B is selected simultaneously, the array selection lines SGA1 and SGA2 are simultaneously activated, and the selection gate line SG1 in each sub-array is activated.
And the select gate lines SG2 are simultaneously activated. Then, the bit line, the source line, and the word line in each sub-array are simultaneously driven, and the bulk type sub-array MCA
1 and the TFT type sub-array MCA2. As a result, the writing speed per unit time can be significantly reduced.

【0095】上述した何れのメモリセルアレイにおいて
も、その多層化のために、複数の誘電体層を積層させた
ゲート誘電体膜GD,GD1,GD2内で電荷蓄積手段
が平面的に離散化されている。電荷蓄積手段と半導体薄
膜STFとの間の電位障壁層BTMを薄くし、その電位
障壁層BTMにリークパスが生じても、その発生頻度が
ある程度小さいのであれば、電荷保持特性の急激な低下
にならない。電荷蓄積手段(電荷トラップまたは小粒径
導電体)が離散化されているため、リークパス周囲の局
所的な蓄積電荷が半導体薄膜STF内に消失するに過ぎ
ないからである。
In any of the above-described memory cell arrays, the charge storage means is planarized and discretized in the gate dielectric films GD, GD1, and GD2 in which a plurality of dielectric layers are stacked for multi-layering. I have. Even if the potential barrier layer BTM between the charge storage means and the semiconductor thin film STF is made thinner and a leak path is generated in the potential barrier layer BTM, the charge holding characteristic does not sharply decrease if the frequency of occurrence is small to some extent. . This is because the charge storage means (charge trap or small-diameter conductor) is discretized, so that only local stored charges around the leak path disappear into the semiconductor thin film STF.

【0096】さらに、メモリセルアレイ2,4で詳述し
たように、ワード線を一部オーバラップさせた場合、そ
のワード線間の距離が誘電体膜(ゲート誘電体膜GD
2)の膜厚によって決まるため、ワード線幅に比べワー
ド線間距離が大幅に小さい。したがって、2F2 (F:
リソグラフィの解像限界またはデザインルール)と2ビ
ットを記憶するセルとしては極めて小さい面積のメモリ
セルが実現できる。
Further, as described in detail in the memory cell arrays 2 and 4, when the word lines are partially overlapped, the distance between the word lines is reduced by the dielectric film (gate dielectric film GD).
Since it is determined by the film thickness of 2), the distance between word lines is significantly smaller than the word line width. Therefore, 2F 2 (F:
A memory cell having an extremely small area can be realized as a cell for storing the resolution limit of lithography or the design rule) and 2 bits.

【0097】[0097]

【発明の効果】本発明に係る不揮発性半導体メモリ装置
によれば、半導体基板の上方に導電層を層間絶縁層を間
に挟んで複数積層した積層構造内にメモリセルアレイの
一部をを配置することが可能となった。このメモリセル
アレイの多層化により、チップ内におけるメモリセルア
レイの専有面積を縮小し、ビットコストを大幅に低減す
ることができた。また、周辺回路の各サブアレイへの接
続が容易となった。
According to the nonvolatile semiconductor memory device of the present invention, a part of the memory cell array is arranged in a stacked structure in which a plurality of conductive layers are stacked above a semiconductor substrate with an interlayer insulating layer interposed therebetween. It became possible. With this multi-layered memory cell array, the occupied area of the memory cell array in the chip can be reduced, and the bit cost can be significantly reduced. In addition, connection of peripheral circuits to each subarray has been facilitated.

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

【図1】実施形態に係る不揮発性メモリの概略構造を示
す断面図である。
FIG. 1 is a sectional view showing a schematic structure of a nonvolatile memory according to an embodiment.

【図2】実施形態のメモリセルアレイ1に係り、(A)
はバルク形サブアレイの等価回路図、(B)はTFT形
サブアレイの等価回路図である。
FIG. 2 relates to the memory cell array 1 of the embodiment, and FIG.
3 is an equivalent circuit diagram of a bulk type sub-array, and FIG. 3 (B) is an equivalent circuit diagram of a TFT type sub-array.

【図3】実施形態のメモリセルアレイ1に係り、メモリ
セルの構造を示す断面図である。
FIG. 3 is a cross-sectional view showing a structure of a memory cell according to the memory cell array 1 of the embodiment;

【図4】実施形態のメモリセルアレイ2の概略構造を示
す断面図である。
FIG. 4 is a sectional view showing a schematic structure of a memory cell array 2 of the embodiment.

【図5】実施形態のメモリセルアレイ2に係り、(A)
はTFT形サブアレイの平面図、(B)は(A)のA−
A線に沿った断面図である。
FIG. 5A relates to the memory cell array 2 according to the embodiment;
Is a plan view of a TFT type sub-array, and FIG.
It is sectional drawing along the A line.

【図6】実施形態のメモリセルアレイ3の基本構成を示
す等価回路図である。
FIG. 6 is an equivalent circuit diagram showing a basic configuration of the memory cell array 3 of the embodiment.

【図7】実施形態のメモリセルアレイ4に係るTFT形
サブアレイの平面図である。
FIG. 7 is a plan view of a TFT type sub-array according to the memory cell array 4 of the embodiment.

【図8】実施形態のメモリセルアレイ4に係り、(A)
は図7のA−A線に沿った断面図、(B)は(A)の一
部を拡大した断面図である。
FIG. 8 relates to the memory cell array 4 of the embodiment,
FIG. 8 is a cross-sectional view taken along line AA of FIG. 7, and FIG. 8B is a cross-sectional view in which a part of FIG.

【図9】実施形態のメモリセルアレイ5に係り、(A)
はメモリセルの構造を示す断面図、(B)はメモリセル
の平面図である。
FIG. 9 relates to the memory cell array 5 of the embodiment,
FIG. 3 is a cross-sectional view illustrating a structure of a memory cell, and FIG. 3B is a plan view of the memory cell.

【図10】実施形態のメモリセルアレイ5の、メモリセ
ルをSSL−NOR型に接続した場合の等価回路図であ
る。
FIG. 10 is an equivalent circuit diagram when the memory cells of the memory cell array 5 according to the embodiment are connected in an SSL-NOR type.

【図11】実施形態のメモリセルアレイ5の、メモリセ
ルをVG−NOR型に接続した場合の等価回路図であ
る。
FIG. 11 is an equivalent circuit diagram when the memory cells of the memory cell array 5 of the embodiment are connected in a VG-NOR type.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

SUB…半導体基板、W,W0…ウエル、S/D…ソー
ス・ドレイン領域、ISO…誘電体分離層、INT1,
INT2…層間絶縁層、WC1〜WC3,BC…コンタ
クト、IC…相互接続層、STF…半導体薄膜、GD,
GD1,GD2…ゲート誘電体膜、BTM…ボトム誘電
体層、CHS…電荷蓄積層、TOP…トップ誘電体層、
MCA1…バルク形サブアレイ、MCA2…TFT形サ
ブアレイ、M11等…メモリセル、SW1,SW2…サ
ブアレイ選択用のセレクトトランジスタ、SB1,SS
1等…セレクトトランジスタ、SGA1等…アレイ選択
線、SG1,SG2…選択ゲート線、WL,WL21等
…ワード線、BL,BL21等…ビット線。
SUB: semiconductor substrate, W, W0: well, S / D: source / drain region, ISO: dielectric separation layer, INT1,
INT2: interlayer insulating layer, WC1 to WC3, BC: contact, IC: interconnecting layer, STF: semiconductor thin film, GD,
GD1, GD2: gate dielectric film, BTM: bottom dielectric layer, CHS: charge storage layer, TOP: top dielectric layer,
MCA1: bulk type sub-array, MCA2: TFT type sub-array, M11, etc .: memory cell, SW1, SW2: select transistor for selecting sub-array, SB1, SS
1 etc. select transistor, SGA1 etc ... array select line, SG1, SG2 ... select gate line, WL, WL21 etc ... word line, BL, BL21 etc ... bit line.

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き Fターム(参考) 5F083 EP17 EP18 EP22 EP32 EP76 EP77 ER02 ER09 ER11 ER14 ER19 GA09 HA02 JA06 KA06 LA12 LA16 MA06 MA19 NA01 NA08 PR33 5F101 BA45 BA54 BB02 BC02 BD22 BD30 BD34 BE05 BE06 BF05 ──────────────────────────────────────────────────続 き Continued on the front page F term (reference) 5F083 EP17 EP18 EP22 EP32 EP76 EP77 ER02 ER09 ER11 ER14 ER19 GA09 HA02 JA06 KA06 LA12 LA16 MA06 MA19 NA01 NA08 PR33 5F101 BA45 BA54 BB02 BC02 BD22 BD30 BD34 BE05 BE06 BF05

Claims (11)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】メモリセルのチャネルが形成される半導体
とゲート電極との間に複数の誘電体層が積層され、当該
複数の誘電体層内部にチャネルと対向する面内で離散化
された電荷蓄積手段を含む不揮発性半導体メモリ装置で
あって、 半導体基板上に導電層と層間絶縁層とを複数積層させた
積層構造を有し、 メモリセルアレイを構成する1つまたは複数のサブアレ
イが半導体基板に形成され、 メモリセルアレイの残りのサブアレイが上記積層構造内
に配置された不揮発性半導体メモリ装置。
A plurality of dielectric layers are stacked between a semiconductor in which a channel of a memory cell is formed and a gate electrode, and charges are discretized within the plurality of dielectric layers in a plane facing the channel. What is claimed is: 1. A nonvolatile semiconductor memory device including storage means, comprising: a stacked structure in which a plurality of conductive layers and interlayer insulating layers are stacked on a semiconductor substrate, wherein one or a plurality of sub-arrays forming a memory cell array are provided on the semiconductor substrate. A nonvolatile semiconductor memory device formed, wherein the remaining sub-arrays of the memory cell array are arranged in the stacked structure.
【請求項2】上記積層構造内に配置されたサブアレイ
が、層間絶縁層上の半導体薄膜に形成された複数のメモ
リトランジスタを有した請求項1記載の不揮発性半導体
メモリ装置。
2. The nonvolatile semiconductor memory device according to claim 1, wherein said sub-array disposed in said laminated structure has a plurality of memory transistors formed on a semiconductor thin film on an interlayer insulating layer.
【請求項3】メモリセルを選択し動作させる周辺回路
が、上記サブアレイ周囲の、半導体基板領域および/ま
たは積層構造内に形成された請求項1記載の不揮発性半
導体メモリ装置。
3. The nonvolatile semiconductor memory device according to claim 1, wherein a peripheral circuit for selecting and operating a memory cell is formed in a semiconductor substrate region and / or a stacked structure around said sub-array.
【請求項4】上記周辺回路は、上記サブアレイ周囲の積
層構造内に配置され、複数のサブアレイの何れか1つを
選択するセレクトトランジスタ群を含む請求項3記載の
不揮発性半導体メモリ装置。
4. The nonvolatile semiconductor memory device according to claim 3, wherein said peripheral circuit includes a select transistor group arranged in a stacked structure around said sub-array and selecting one of a plurality of sub-arrays.
【請求項5】上記半導体基板に形成されたサブアレイを
構成するメモリセルのデザインルールが、上記積層構造
内に配置され半導体薄膜に形成されたサブアレイを構成
するメモリセルのデザインルール以下である請求項2記
載の不揮発性半導体メモリ装置。
5. The design rule of a memory cell forming a sub-array formed on the semiconductor substrate is equal to or less than a design rule of a memory cell forming a sub-array formed on a semiconductor thin film and arranged in the laminated structure. 3. The nonvolatile semiconductor memory device according to item 2.
【請求項6】上記サブアレイが、上記積層構造内で層間
絶縁層を間に挟んで2層以上積層された請求項1記載の
不揮発性半導体メモリ装置。
6. The non-volatile semiconductor memory device according to claim 1, wherein two or more of said sub-arrays are stacked in said stacked structure with an interlayer insulating layer interposed therebetween.
【請求項7】上記周辺回路が、階層の異なる複数のサブ
サレイを同時に選択し、同時に書き込む機能を有した請
求項3記載の不揮発性半導体メモリ装置。
7. The nonvolatile semiconductor memory device according to claim 3, wherein said peripheral circuit has a function of simultaneously selecting a plurality of sub-slays having different hierarchies and writing data at the same time.
【請求項8】上記周辺回路は、電荷注入箇所を変更し2
ビットを記憶させるために、各メモリトランジスタのソ
ースとドレインの印加電圧を切り換える機能を有した請
求項3記載の不揮発性半導体メモリ装置。
8. The peripheral circuit according to claim 1, wherein the charge injection location is changed to
4. The nonvolatile semiconductor memory device according to claim 3, further comprising a function of switching a voltage applied to a source and a drain of each memory transistor in order to store a bit.
【請求項9】上記ゲート誘電体膜が、 上記半導体薄膜上に形成された電位障壁層と、 電荷蓄積手段としての電荷トラップを含む電荷蓄積層
と、 電荷蓄積層上の酸化層とを含む請求項1記載の不揮発性
半導体メモリ装置。
9. The gate dielectric film includes a potential barrier layer formed on the semiconductor thin film, a charge storage layer including a charge trap as charge storage means, and an oxide layer on the charge storage layer. Item 2. The nonvolatile semiconductor memory device according to Item 1.
【請求項10】上記ゲート誘電体膜が、 上記半導体薄膜上に形成され、電荷蓄積手段としての電
荷トラップを含む電荷蓄積層と、 電荷蓄積層上の酸化層とを含む請求項1記載の不揮発性
半導体メモリ装置。
10. The non-volatile memory according to claim 1, wherein said gate dielectric film is formed on said semiconductor thin film and includes a charge storage layer including a charge trap as a charge storage means, and an oxide layer on said charge storage layer. Semiconductor memory device.
【請求項11】上記ゲート誘電体膜が、 上記半導体薄膜上に形成された電位障壁層と、 電位障壁層上に電荷蓄積手段として互いに離散して形成
された複数の小粒径導電体と、 小粒径導電体を覆う絶縁層とを含む請求項1記載の不揮
発性半導体メモリ装置。
11. A gate dielectric film comprising: a potential barrier layer formed on the semiconductor thin film; a plurality of small-diameter conductors formed discretely on the potential barrier layer as charge storage means; 2. The nonvolatile semiconductor memory device according to claim 1, further comprising: an insulating layer covering the small-grain conductor.
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