[发明专利]非易失性半导体存储器及其驱动方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种非易失性半导体存储器及其驱动方法。

背景技术

已知在具有控制栅极和电荷存储层的NOR型闪存的存储单元(memory cell)中利用热电子对电荷存储层注入电荷的MOS晶体管结构(例如，参照非专利文献1)。将根据该电荷存储层的电荷存储状态的差异而形成的阈值电压的差异作为数据“0”、“1”进行存储。例如，在电荷存储层中使用浮置栅极的N沟道的存储单元的情况下，要对浮置栅极注入电荷而对控制栅极和漏极扩散层提供高电压，将源极扩散层和半导体衬底接地。此时，通过源极/漏极之间的电压来提高半导体衬底的电子的能量，使其克服隧道氧化膜的能量壁垒而注入至电荷存储层。通过该电荷注入，存储单元的阈值电压向正方向移动。在源极/漏极之间流过的电流中注入至电荷存储层的比率较小。因此，写入所需的电流成为每单元100μA量级，不适合写入的高速化。

图1、图2分别是上述文献所示出的以往的NOR型闪存的存储单元阵列的等效电路和布局。存储单元被排列成阵列状。将比特线(BL1、BL2、...)布线在列方向(图1、图2的纵方向)上，将控制栅极线(WL1、WL2、...)排列在行方向(图1、图2的横方向)上，将源极线排列在列方向上，在与控制栅极线连接的所有存储单元的源极扩散层上连接源极线(SL)。

随着近年来半导体技术的进步、特别是精细加工技术的进步，闪存的存储单元的小型化和大容量化正在急速发展。由于在NOR型闪存中采用上述的写入方式，因此由短沟道效应引起的漏电流增大，变得无法正常读写数据，从而难以缩小存储单元的栅极长度。

与此相对，已知在具有控制栅极和电荷存储层的NAND型闪存的存储单元中利用FN(Fowler-Nordheim：福勒-诺德海姆)隧道电流来对电荷存储层注入电荷的MOS晶体管结构(例如，参照专利文献1)。在电荷存储层中使用浮置栅极的N沟道的存储单元的情况下，要对浮置栅极注入电荷而对控制栅极施加与存储单元垂直的方向的电压，由此能够将电子注入到浮置栅极。此时，将对浮置栅极注入电子的存储单元的源极/漏极接地。另一方面，对不在浮置栅极中注入电子的存储单元的源极/漏极施加相同的正电压，来阻止对存储单元的写入。在该NAND型闪存中，不需要在存储单元的源极/漏极之间施加电压。因此，利用FN隧道电流对电荷存储层注入电荷的闪存与利用热电子对电荷存储层注入电荷的闪存相比，容易缩小存储单元的栅极长度。并且，使用FN隧道电流对电荷存储层注入电荷的闪存能够在沟道全面内进行双方向写入/擦除动作，因此能够同时实现高速的写入动作、高可靠性(例如，参照非专利文献2)。

因此，在NOR型闪存中需要利用FN隧道电流对电荷存储层注入电荷。

然而，使用图1所示的以往的NOR型闪存的等效电路，很难利用FN隧道电流对所选择的一个存储单元的电荷存储层注入电荷。这是因为当对控制栅极线施加高电压时，连接在控制栅极线上的所有存储单元导通，源极线与连接在控制栅极线上的所有存储单元连接，因此所有比特线短路。因此，使用以往的平面型存储单元，将与存储单元的源极连接的源极线布线在列方向上。图3、图4分别示出此时的NOR型闪存的存储单元阵列的等效电路和布局。如该图4所示，源极线、比特线被配置在相同的布线层上，因此与利用热电子的情况相比存储单元面积成为两倍以上。

专利文献1：日本特开平1-173652号公报

非专利文献1：T.Tanzawa，Y.Takano，T.Taura，and S.Atsumi，IEEE J.Solid-State Circuits，Vol.35，no.10，p.1415-1421，2000.

非专利文献2：T.Endoh，R.Shirota，S.Aritome，and F.Masuoka，IEICE Transactions on Electron，Vol.E75-C，no.11，pp.1351-1357，Nov.1992.

发明内容

发明要解决的问题

因此，本发明的目的在于提供一种无损于存储单元的高集成化而能够利用FN隧道电流来对电荷存储层注入电荷的NOR型非易失性半导体存储器。

用于解决问题的方案