JPH0120552B2 - - Google Patents

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JPH0120552B2
JPH0120552B2 JP55182745A JP18274580A JPH0120552B2 JP H0120552 B2 JPH0120552 B2 JP H0120552B2 JP 55182745 A JP55182745 A JP 55182745A JP 18274580 A JP18274580 A JP 18274580A JP H0120552 B2 JPH0120552 B2 JP H0120552B2
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JP
Japan
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channel
layer
depletion layer
floating gate
depletion
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Japanese (ja)
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JPS57107076A (en
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Akira Takei
Yoshihiko Higa
Takashi Mitsuida
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Fujitsu Ltd
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Fujitsu Ltd
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    • HELECTRICITY
    • H10SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10DINORGANIC ELECTRIC SEMICONDUCTOR DEVICES
    • H10D8/00Diodes
    • H10D8/812Charge-trapping diodes
    • HELECTRICITY
    • H10SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10BELECTRONIC MEMORY DEVICES
    • H10B41/00Electrically erasable-and-programmable ROM [EEPROM] devices comprising floating gates
    • HELECTRICITY
    • H10SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10DINORGANIC ELECTRIC SEMICONDUCTOR DEVICES
    • H10D30/00Field-effect transistors [FET]
    • H10D30/60Insulated-gate field-effect transistors [IGFET]
    • H10D30/68Floating-gate IGFETs
    • H10D30/681Floating-gate IGFETs having only two programming levels
    • H10D30/683Floating-gate IGFETs having only two programming levels programmed by tunnelling of carriers, e.g. Fowler-Nordheim tunnelling

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  • Static Random-Access Memory (AREA)
  • Semiconductor Memories (AREA)
  • Non-Volatile Memory (AREA)

Abstract

PURPOSE:To obtain higher integration density in smaller size memories by making memory status of ''1'' or ''0'' correspond to either existence or absence of depletion layers produced under the channel region with only one impurity diffusion layer provided in each memory cell. CONSTITUTION:A p type silicon substrate 1 is divided by a channel stoppers 1' and field oxide layers 2, and an n<+> layer 3 is formed on the substrate. An insulating layer 5, the floating gate 6, an insulating layer 7 and the control gate 8 are laminated on the channel 4. Under this construction, when electrons exist in the floating gate 6, a small depletion layer 9 exists in the channel 4, but no electrons exist, a larger depletion layer 9' exists in the channel. The depletion layer grows when positive voltage is applied to word terminal W, so that electrons flow from n<+> layer 3 to the depletion layer toward the direction X as indicated by the arrow. Memory status of either ''1'' or ''0'' can be read out by detecting this current. Values of the current is determined by a total of thicknesses of the insulating layers 5, 6 and area of the channel 4.

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は不揮発性半導体記憶装置、特に、フロ
ーテイングゲート形の不揮発性半導体記憶装置に
関する。
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION The present invention relates to a nonvolatile semiconductor memory device, and particularly to a floating gate type nonvolatile semiconductor memory device.

不揮発性半導体記憶装置としてフローテイング
形のものは広く知られている。従来のフローテイ
ング形の不揮発性半導体記憶装置においては、半
導体基板にソース、ドレインおよびチヤネル領域
を形成し、また、チヤネル領域上に絶縁膜を介し
てフローテイングゲートを形成し、さらに、フロ
ーテイングゲート上に絶縁膜を介してコントロー
ルゲートを形成している。この装置の書込みは、
キヤリアをトンネル効果もしくはアバランシブレ
ークダウンによりフローテイングゲートに注入す
ることにより行われる。従つて、たとえば、nチ
ヤネル形装置であれば、フローテイングゲートに
電子が注入されるとスレツシユホールド値は高く
なり、他方、フローテイングゲートから電子が掃
出されるとスレツシユホールド値が低くなる。こ
のような2つの状態が記憶状態“1”および
“0”に相当する。すなわち、コントロールゲー
トに所定電圧を印加した場合に、チヤネル領域に
おけるチヤネルの有無に対応したオン状態および
オフ状態が記憶状態“1”および“0”に相当す
る。
Floating type nonvolatile semiconductor memory devices are widely known. In a conventional floating type nonvolatile semiconductor memory device, a source, a drain, and a channel region are formed on a semiconductor substrate, and a floating gate is formed on the channel region with an insulating film interposed therebetween. A control gate is formed thereon with an insulating film interposed therebetween. This device writes:
This is done by injecting a carrier into the floating gate through tunneling or avalanche breakdown. Thus, for example, in an n-channel device, when electrons are injected into the floating gate, the threshold value increases, whereas when electrons are swept out of the floating gate, the threshold value decreases. . These two states correspond to storage states "1" and "0". That is, when a predetermined voltage is applied to the control gate, the on state and off state corresponding to the presence or absence of a channel in the channel region correspond to the memory states "1" and "0".

しかしながら、上述の従来形においては、各メ
モリセルに2つの不純物拡散層、すなわちソース
領域およびドレイン領域を必要とするために、セ
ル面積が大きくなり、従つて、装置の集積度が低
いという問題点がある。
However, in the conventional type described above, each memory cell requires two impurity diffusion layers, that is, a source region and a drain region, resulting in a large cell area and a problem in that the degree of device integration is low. There is.

また、上述の不純物拡散層を1つにしてセル面
積を小さくし、従つて、装置の集積度を高めたも
のがある(参照:特開昭54−148341号公報)。し
かしながら、このものにおいては、書込動作およ
び消去動作はアバランシブレークダウンを利用し
ているために、他の高濃度の不純物拡散層を設け
なければならず、この結果、製造コストが高くな
り、また、セル面積の改良が不充分であり、従つ
て、装置の集積度の向上が不充分であつた。
There is also a device in which the above-mentioned impurity diffusion layer is made into one, thereby reducing the cell area and thus increasing the degree of integration of the device (see Japanese Patent Laid-Open No. 148341/1983). However, in this case, since the write operation and the erase operation utilize avalanche breakdown, another high-concentration impurity diffusion layer must be provided, resulting in high manufacturing costs. Furthermore, the cell area has not been sufficiently improved, and therefore the degree of integration of the device has not been sufficiently improved.

本発明の目的は、各メモリセルには唯1つの不
純物拡散層を設け、記憶状態“1”および“0”
はチヤネル領域下に発生する空欠層の有無を対応
させると共に、書込動作および消去動作をトンネ
ル効果によつて行うことにより、セル面積を小さ
くし、従つて、集積度を高め、前述の従来形にお
ける問題点を解決することにある。
It is an object of the present invention to provide only one impurity diffusion layer in each memory cell, so that the memory states "1" and "0"
By adjusting the presence or absence of a void layer that occurs under the channel region and performing writing and erasing operations using the tunnel effect, the cell area can be reduced, and the degree of integration can therefore be increased. The aim is to solve problems in form.

以下、図面により本発明の実施例を説明する。 Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings.

第1図は本発明の一実施例としての不揮発性半
導体記憶装置の断面図である。第1図において、
p―形半導体基板1には比較的厚いフイールド絶
縁膜2及びチヤネルストツプ用拡散領域1′が形
成される。フイールド絶縁膜1が存在しないアク
テイブ領域には、不純物拡散領域3およびチヤネ
ル領域4が形成される。この場合、不純物拡散領
域3はリン(P)あるいはヒ素(As)をドープ
することによつて得られる高濃度のn+拡散層で
ある。チヤネル領域4上には第1の絶縁膜5が形
成され、さらに、絶縁膜5上にはフローテイング
ゲート6が形成される。また、フローテイングゲ
ート6上には第2の絶縁膜7が形成され、さらに
第2の絶縁膜7上にはコントロールゲート8が形
成される。本発明においては、第1図において、
1つのみの不純物拡散領域3しか存在していない
ことが特徴である。なお、第1図の装置において
は、全体を覆う絶縁膜たとえばPSG膜および各
セル間を接続する配線等も存在するが、省略して
ある。
FIG. 1 is a sectional view of a nonvolatile semiconductor memory device as an embodiment of the present invention. In Figure 1,
A relatively thick field insulating film 2 and a channel stop diffusion region 1' are formed on a p-type semiconductor substrate 1. In the active region where field insulating film 1 does not exist, impurity diffusion region 3 and channel region 4 are formed. In this case, the impurity diffusion region 3 is a high concentration n + diffusion layer obtained by doping with phosphorus (P) or arsenic (As). A first insulating film 5 is formed on the channel region 4, and a floating gate 6 is further formed on the insulating film 5. Further, a second insulating film 7 is formed on the floating gate 6, and a control gate 8 is further formed on the second insulating film 7. In the present invention, in FIG.
A feature is that only one impurity diffusion region 3 is present. In the device shown in FIG. 1, there is also an insulating film, such as a PSG film, covering the entire structure, and wiring connecting each cell, but these are omitted.

第1図の装置の書込および消去動作はトンネル
効果を利用して行う。トンネル効果を利用して電
子を半導体基板1からフローテイングゲート6に
注入する場合には、ビツト線端子Bの電位をゼロ
とし且つワード線端子Wの電位を正の高電圧にす
る。また、フローテイングゲート6の電子を半導
体基板1に掃出する場合には、ビツト線端子Bの
電位を正の電圧にし且つワード線端子Wの電位を
負の高電圧にする。なお、このような書込および
消去動作は2つの不純物拡散領域が存在する従来
形の場合にも同様である。
Write and erase operations in the device of FIG. 1 are performed using the tunnel effect. When electrons are injected from the semiconductor substrate 1 into the floating gate 6 using the tunnel effect, the potential of the bit line terminal B is set to zero and the potential of the word line terminal W is set to a positive high voltage. Further, when the electrons in the floating gate 6 are swept to the semiconductor substrate 1, the potential of the bit line terminal B is set to a positive voltage, and the potential of the word line terminal W is set to a negative high voltage. Note that such write and erase operations are the same in the case of the conventional type in which two impurity diffusion regions exist.

次に、第1図の装置の読出動作について説明す
る。第2図Aおよび第2図Bは第1図の装置の読
出動作を説明するための概略的な断面図である。
なお、チヤネルストツプ用拡散層1′は省略して
ある。第2図Aはフローテイングゲート6に電子
が蓄積されている状態を示し、第2図Bはフロー
テイングゲート6に電子が存在しない状態を示
す。なお、第2図Aおよび第2図Bにおいて、ビ
ツト線端子Bは浮遊状態にし、ワード線端子Wに
は所定の正電圧(ただし、比較的低い)を印加し
てある。
Next, the reading operation of the apparatus shown in FIG. 1 will be explained. 2A and 2B are schematic cross-sectional views for explaining the read operation of the apparatus of FIG. 1.
Note that the channel stop diffusion layer 1' is omitted. 2A shows a state in which electrons are accumulated in the floating gate 6, and FIG. 2B shows a state in which there are no electrons in the floating gate 6. Note that in FIGS. 2A and 2B, the bit line terminal B is in a floating state, and a predetermined positive voltage (however, relatively low) is applied to the word line terminal W.

第2図Aに示すように、フローテイングゲート
6に電子が存在するために、チヤネル領域4に小
さい空乏層9が存在するのに対し、第2図Bに示
すように、フローテイングゲート6に電子が存在
しないとチヤネル領域4に大きな空乏層9′が存
在する。従つて、第2図Bにおいて、ワード線端
子Wに正電圧を印加した瞬間には、空乏層が成長
するので、矢印Xに示すように電子が不純物拡散
領域3から空乏層へ向かつて流れる。従つて、こ
のようにして生ずる電流を検知することにより記
憶状態“1”もしくは“0”を読出すことができ
る。この場合、この電流の大きさは絶縁膜5と絶
縁膜7の和の厚さおよびチヤネル領域4の面積に
よつて決定される。
As shown in FIG. 2A, a small depletion layer 9 exists in the channel region 4 due to the presence of electrons in the floating gate 6, whereas as shown in FIG. In the absence of electrons, a large depletion layer 9' exists in the channel region 4. Therefore, in FIG. 2B, the moment a positive voltage is applied to the word line terminal W, the depletion layer grows, and electrons flow from the impurity diffusion region 3 toward the depletion layer as shown by the arrow X. Therefore, by detecting the current generated in this manner, the memory state "1" or "0" can be read. In this case, the magnitude of this current is determined by the total thickness of insulating film 5 and insulating film 7 and the area of channel region 4.

第3図は、上述の空乏層へ流込む電荷による電
流を検知するためのセンスアツプ回路の回路図を
示す。第3図において、Q1,Q2,Q3はゲートト
ランジスタ、Q4,Q5はロードトランジスタ、Q6
Q7はドライブトランジスタである。Cは第2図
Aの空乏層9もしくは第2図Bの空乏層9′を模
写的に示し、DCは第1図と同一な構成でチヤネ
ル領域の面積大体半分であるダミーセルの空乏層
を模写的に示したものである。
FIG. 3 shows a circuit diagram of a sense-up circuit for detecting the current caused by charges flowing into the depletion layer. In Figure 3, Q 1 , Q 2 , Q 3 are gate transistors, Q 4 , Q 5 are load transistors, Q 6 ,
Q7 is the drive transistor. C schematically shows the depletion layer 9 in FIG. 2A or the depletion layer 9' in FIG. 2B, and DC shows the depletion layer of a dummy cell having the same configuration as in FIG. This is what is shown.

ゲートトランジスタQ2,Q3をオン状態にして、
空乏層C,DCに接続されている両方のビツト線
の電圧を同一の値(VDD―Vth)にセツトした
後、再び、ゲートトランジスタQ2,Q3をオフ状
態に戻す。その後、ダミーセルのゲートワード線
に正電圧を印加すると、たとえば、第2図Aの場
合には、空乏層C中に注入される電荷よりも、空
乏層DC中に注入される電荷の方が大きいため、
空乏層Cに接続されているビツト線の方が空乏層
DCに接続されているビツト線よりも電圧が高く
なる。この両方の電圧は直ちに、各々トランジス
タQ4,Q5のゲートに伝達される。ここで、トラ
ンジスタQ1のゲートにVLEが印加されるとトラン
ジスタQ1,Q4,Q5,Q6,Q7で形成されるフリツ
プフロツプ回路が駆動して出力端子Voの電位は
ローレベルにセツトされ、読み出しが完了する。
Turn on gate transistors Q 2 and Q 3 ,
After setting the voltages of both bit lines connected to the depletion layers C and DC to the same value (VDD-Vth), the gate transistors Q 2 and Q 3 are turned off again. After that, when a positive voltage is applied to the gate word line of the dummy cell, for example, in the case of FIG. 2A, the charge injected into the depletion layer DC is larger than the charge injected into the depletion layer C. For,
The bit line connected to depletion layer C is the depletion layer
The voltage will be higher than the bit line connected to DC. Both voltages are immediately transferred to the gates of transistors Q 4 and Q 5 , respectively. Here, when V LE is applied to the gate of transistor Q 1 , the flip-flop circuit formed by transistors Q 1 , Q 4 , Q 5 , Q 6 , and Q 7 is driven, and the potential of output terminal Vo becomes low level. is set and reading is completed.

他方、第2図Bの場合には、空乏層Cに接続さ
れたビツト線の方が空乏層DCに接続されている
ビツト線より電圧が低くなり、出力端子Voの電
位はハイレベルになつて読み出しが完了する。
On the other hand, in the case of Figure 2B, the voltage of the bit line connected to the depletion layer C is lower than that of the bit line connected to the depletion layer DC, and the potential of the output terminal Vo becomes high level. Reading is complete.

以上説明したように本発明によれば、不純物拡
散領域を従来形に比べて減少しているので、装置
の集積度を高めることができ、前述の従来形にお
ける問題点の解決に役立つものである。
As explained above, according to the present invention, since the impurity diffusion region is reduced compared to the conventional type, the degree of integration of the device can be increased, which helps to solve the problems of the conventional type described above. .

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

第1図は本発明の一実施例としてのフローテイ
ング形の不揮発性半導体記憶装置の断面図、第2
図Aおよび第2図Bは第1図の装置の読出動作を
説明するための断面図、第3図は第1図の装置の
読出信号をセンスするセンスアンプ回路の回路図
である。 1……半導体基板、1′……チヤネルストツプ
拡散層、2……フイールド絶縁膜、3……不純物
拡散領域、4……チヤネル領域、5……第1の絶
縁膜、6……フローテイングゲート、7……第2
の絶縁膜、8……コントロールゲート、9……空
乏層。
FIG. 1 is a sectional view of a floating type nonvolatile semiconductor memory device as an embodiment of the present invention, and FIG.
2A and 2B are cross-sectional views for explaining the read operation of the device shown in FIG. 1, and FIG. 3 is a circuit diagram of a sense amplifier circuit for sensing the read signal of the device shown in FIG. 1. DESCRIPTION OF SYMBOLS 1... Semiconductor substrate, 1'... Channel stop diffusion layer, 2... Field insulating film, 3... Impurity diffusion region, 4... Channel region, 5... First insulating film, 6... Floating gate, 7...Second
insulating film, 8... control gate, 9... depletion layer.

Claims (1)

【特許請求の範囲】[Claims] 1 一導電型の半導体基体を具備し、該半導体基
体の一つの素子領域内に、チヤネル領域と該半導
体基体とは反対導電型の唯一の不純物領域とを設
け、かつ該チヤネル領域上に、フローテイングゲ
ートと該フローテイングゲート上に絶縁膜を介し
てコントロールゲートとを設け、前記チヤネル領
域の空乏層の大きさに応じて記憶状態“1”およ
び“0”を設定し、前記フローテイングゲートへ
の書込動作および消去動作をトンネル効果によつ
て行うことを特徴とする不揮発性半導体記憶装
置。
1. A semiconductor substrate of one conductivity type is provided, a channel region and a unique impurity region of a conductivity type opposite to that of the semiconductor substrate are provided in one element region of the semiconductor substrate, and a flow A floating gate and a control gate are provided on the floating gate through an insulating film, and memory states "1" and "0" are set according to the size of the depletion layer in the channel region, and the control gate is connected to the floating gate. 1. A nonvolatile semiconductor memory device characterized in that a write operation and an erase operation are performed by a tunnel effect.
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