JP2001244352A - Semiconductor device and fabrication method therefor - Google Patents

Semiconductor device and fabrication method therefor

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JP2001244352A
JP2001244352A JP2000057052A JP2000057052A JP2001244352A JP 2001244352 A JP2001244352 A JP 2001244352A JP 2000057052 A JP2000057052 A JP 2000057052A JP 2000057052 A JP2000057052 A JP 2000057052A JP 2001244352 A JP2001244352 A JP 2001244352A
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insulating film
region
floating gate
voltage
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JP2000057052A
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Shu Ito
周 伊藤
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NEC Corp
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To reduce programming voltage and cell area of a floating gate type semiconductor storage device capable of writing and deleting electrically. SOLUTION: A double tunnel insulating layer is formed in a tunnel region to flow tunnel current, and a resonance tunnel effect, instead of FN tunnel effect, is used when charging and discharging electricity. This reduces operation voltage, flows tunnel current directly, prolongs the lifetime of a memory cell, better the holding ability of a memory since current does not flow without the voltage of resonance tunnel effect.

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、半導体メモリに関
し、特に書き込んだメモリ内容を電気的に消去可能なメ
モリセル(EEPROMセル)に関する。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a semiconductor memory, and more particularly to a memory cell (EEPROM cell) capable of electrically erasing written memory contents.

【従来の技術】EEPROMなどこの種の半導体メモリ
では、絶縁体薄膜を通してトンネル電流を流すことによ
って電気的に書込、消去を行うことができる。トンネル
絶縁膜として、シリコン酸化膜、もしくはシリコン窒化
膜を通常80から120オングストローム程度の厚さに
形成し、これに対して10数ボルトの電圧を印加する。
これらのトンネル絶縁膜のバンドギャップは、シリコン
に較べてかなり大きく、例えばシリコンのバンドギャッ
プは約1.11電子ボルトであるのに対してシリコン酸
化膜のバンドギャップは約9.0電子ボルトである。
2. Description of the Related Art In this type of semiconductor memory such as an EEPROM, writing and erasing can be performed electrically by passing a tunnel current through an insulating thin film. As a tunnel insulating film, a silicon oxide film or a silicon nitride film is usually formed to a thickness of about 80 to 120 angstroms, and a voltage of several tens of volts is applied thereto.
The band gap of these tunnel insulating films is considerably larger than that of silicon. For example, the band gap of silicon is approximately 1.11 eV, while the band gap of silicon oxide film is approximately 9.0 eV. .

【0002】これらの絶縁体薄膜は、シリコン中の電子
や正孔に対してトンネルポテンシャル障壁として機能す
ることができ、これらの絶縁体薄膜に電界を印加する
と、いわゆるFowler=Nordheimトンネリ
ング(以下FNトンネルと言う)と呼ばれる現象が起こ
り、トンネル絶縁膜にトンネル電流が流れる。これは電
界を印加することによりトンネル絶縁膜のバンドに曲が
りが生じ、絶縁体膜厚が薄くなったと同じこととなって
トンネル電流が流れる現象である。この時のトンネルポ
テンシャルの形状は三角ポテンシャルであり、形式的に
は金属における電界電子放出と同じ式で記述することが
できる。
[0002] These insulator thin films can function as tunnel potential barriers for electrons and holes in silicon. When an electric field is applied to these insulator thin films, so-called Fowler = Nordheim tunneling (hereinafter referred to as FN tunneling). This phenomenon occurs, and a tunnel current flows through the tunnel insulating film. This is a phenomenon in which the application of an electric field causes the band of the tunnel insulating film to bend, which is the same as the case where the thickness of the insulator is reduced, and a tunnel current flows. The shape of the tunnel potential at this time is a triangular potential, which can be formally described by the same formula as the field electron emission in a metal.

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、この手
法ではメモリセルに書込、消去を繰り返すと、トンネル
絶縁膜に電子や正孔が捕獲され、トンネル絶縁膜が次第
に劣化し、最終的にはトンネル絶縁膜の絶縁破壊が生ず
る。この現象を経時絶縁破壊と称し、この経時絶縁破壊
がメモリ素子としてのEEPROMの寿命を決定する。
However, in this method, when writing and erasing are repeated in the memory cell, electrons and holes are trapped in the tunnel insulating film, and the tunnel insulating film gradually deteriorates, and finally the tunnel insulating film is deteriorated. The dielectric breakdown of the insulating film occurs. This phenomenon is called dielectric breakdown with time, and the dielectric breakdown with time determines the life of the EEPROM as a memory element.

【0003】また、近年、半導体デバイスの微細化の要
請によって、デバイス面積の縮小が要望されている。こ
のためには、プログラム時の印加電圧をできる限り低く
することが望ましい。なぜなら、印加電圧を低くできれ
ば昇圧回路を簡略化でき、面積を縮小でき、またメモリ
セルを選択するセレクトトランジスタの耐圧も低くて済
むので、結果的にセレクトトランジスタの面積を縮小で
きるからである。
In recent years, there has been a demand for a reduction in device area due to a demand for miniaturization of a semiconductor device. To this end, it is desirable to reduce the voltage applied during programming as much as possible. This is because if the applied voltage can be reduced, the booster circuit can be simplified, the area can be reduced, and the withstand voltage of the select transistor for selecting the memory cell can be reduced, so that the area of the select transistor can be reduced as a result.

【0004】EEPROMに書込、消去を行う時にトン
ネル絶縁膜に印加する印加電圧を低くするためにはトン
ネル絶縁膜の膜厚を薄くする必要がある。なぜなら、F
Nトンネル電流はトンネル絶縁膜中の電界強度できま
り、同一の電界強度で同一の電流が流れるからであり、
印加電圧を低くして同一の電界強度を形成するためには
膜厚を薄くする必要がある。
In order to reduce the voltage applied to the tunnel insulating film when writing and erasing data in the EEPROM, it is necessary to reduce the thickness of the tunnel insulating film. Because F
This is because the N tunnel current is determined by the electric field strength in the tunnel insulating film, and the same current flows at the same electric field strength.
In order to form the same electric field strength by lowering the applied voltage, it is necessary to reduce the film thickness.

【0005】しかし、トンネル絶縁膜の膜厚を薄くし、
50オングストローム以下の膜厚にすると、FNトンネ
ル電流ではなく直接トンネル電流が流れるようになって
くる。直接トンネル電流はバンドの曲がりなしに流れる
トンネル電流であり、高電圧が印加されていない状態で
も電流が流れる。そのため、フローティングゲートに電
荷を安定に保持しておくことができなくなり、情報を安
定して長期間保持しておくことができなくなるという問
題があった。したがって、トンネル絶縁膜を薄膜化する
には限界があった。
However, when the thickness of the tunnel insulating film is reduced,
If the thickness is less than 50 angstroms, the tunnel current will flow directly instead of the FN tunnel current. The direct tunnel current is a tunnel current that flows without bending the band, and the current flows even when a high voltage is not applied. For this reason, there has been a problem that charges cannot be stably held in the floating gate, and information cannot be stably held for a long period of time. Therefore, there is a limit in reducing the thickness of the tunnel insulating film.

【0006】本発明の目的は、トンネル絶縁膜の膜厚を
薄くし、トンネル絶縁膜に印加する電圧を低くすること
ができ、しかもフローティングゲートに蓄積された電荷
を安定に保持できる半導体装置とその製造方法を提供す
ることである。
SUMMARY OF THE INVENTION It is an object of the present invention to provide a semiconductor device capable of reducing the thickness of a tunnel insulating film, reducing the voltage applied to the tunnel insulating film, and stably retaining charges accumulated in a floating gate. It is to provide a manufacturing method.

【0007】[0007]

【課題と解決するための手段】本発明による半導体装置
は、電気的にプログラム可能なメモリセルにおいて、ト
ンネル領域を、2重の絶縁膜で形成し、トンネル電流と
して従来のFNトンネル電流ではなく共鳴トンネル電流
を用いることとした。2重の絶縁膜で形成したことによ
り、トンネルポテンシャルが2重に形成されるので、2
つのポテンシャル障壁のあいだに量子井戸が形成され、
そこに二次元電子のエネルギー準位が形成される。ポテ
ンシャル障壁に注入される電子のエネルギーをこのエネ
ルギー準位に合わせると電子の波動関数の共鳴効果によ
ってトンネル電流が流れ、一方、それ以外のエネルギー
の場合には殆ど流れない。これを共鳴トンネル電流と称
している。電子を所定のエネルギー状態にするには特定
の電圧を印加する。
In a semiconductor device according to the present invention, in an electrically programmable memory cell, a tunnel region is formed by a double insulating film, and a tunnel current is generated by resonance instead of a conventional FN tunnel current. Tunnel current was used. Since the tunnel potential is formed doubly due to the formation of the double insulating film,
A quantum well is formed between two potential barriers,
There, energy levels of two-dimensional electrons are formed. When the energy of the electrons injected into the potential barrier is adjusted to this energy level, a tunnel current flows due to the resonance effect of the wave function of the electrons, while almost no current flows at other energies. This is called a resonance tunnel current. A specific voltage is applied to bring electrons into a predetermined energy state.

【0008】[0008]

【作用】このような2重の絶縁膜で形成した構造では、
特定の電圧を印加した場合にのみ、波動関数の共鳴効果
が生ずるので、電子は2重のトンネル障壁を越えてフロ
ーティングゲートに流入、またはフローティングゲート
から流出する。電圧を印加していない場合には共鳴トン
ネル効果は生じないので、トンネル電流が流れることは
なく、フローティングゲートから電子が流出することが
なくなる。
In the structure formed by such a double insulating film,
Only when a specific voltage is applied, the resonance effect of the wave function occurs, so that electrons flow into or out of the floating gate through the double tunnel barrier. When no voltage is applied, the resonance tunnel effect does not occur, so that no tunnel current flows and no electrons flow out of the floating gate.

【0009】したがって、従来の単一層からなるトンネ
ル絶縁膜の場合と異なり、トンネル絶縁膜の膜厚を薄く
しても保持特性の低下が起こらず、トンネル絶縁膜に印
加する電圧を低くすることができる。したがって、高電
圧を発生させる必要が無くなるため、昇圧回路を簡略化
することができ、デバイス面積の削減になる。また、個
々のセルに対するセレクトトランジスタの降伏電圧を低
く抑えることが可能になるため、セレクトトランジスタ
の面積も削減することができ、また、高電圧を使わなく
なるので、ラッチアップの危険性が大幅に減少する。
Therefore, unlike the conventional case of a tunnel insulating film having a single layer, even if the thickness of the tunnel insulating film is reduced, the holding characteristic does not deteriorate, and the voltage applied to the tunnel insulating film can be reduced. it can. Therefore, since it is not necessary to generate a high voltage, the boosting circuit can be simplified, and the device area can be reduced. Also, since the breakdown voltage of the select transistor for each cell can be kept low, the area of the select transistor can be reduced, and the risk of latch-up is greatly reduced because high voltage is not used. I do.

【0010】また、一般にトンネル酸化膜を薄くして、
トンネル電流における直接トンネル電流の成分が増加す
ると、酸化膜の電気的絶縁破壊が起こるための臨界通過
電荷量(以下Qbdと言う)が大きくなる。これは、直
接トンネル電流の場合、FNトンネル電流と異なり、ト
ンネル絶縁膜のバンドを曲げる必要がなくなるため、電
子トラップの密度の大きい伝導帯付近を電子が通過する
割合が減るためであると考えられている。そのためトン
ネル障壁を通過中に絶縁膜内にトラップされる電子の数
が減り、その結果、トンネル絶縁膜の電気的絶縁破壊が
起こりにくくなる。したがって、トンネル絶縁膜の膜厚
を薄くすることによって、繰り返し書き換え回数を増加
させることができる。
In general, the thickness of the tunnel oxide film is reduced,
When the component of the direct tunnel current in the tunnel current increases, the critical charge (hereinafter referred to as Qbd) for causing electrical breakdown of the oxide film increases. This is considered to be because, in the case of the direct tunnel current, unlike the FN tunnel current, it is not necessary to bend the band of the tunnel insulating film, so that the ratio of electrons passing near the conduction band where the electron trap density is high is reduced. ing. Therefore, the number of electrons trapped in the insulating film while passing through the tunnel barrier is reduced, and as a result, electrical breakdown of the tunnel insulating film is less likely to occur. Therefore, by reducing the thickness of the tunnel insulating film, the number of times of rewriting repeatedly can be increased.

【0011】[0011]

【発明の実施の形態】本発明にかかる半導体装置の実施
の一形態を、添付した図面を参照しながら詳述する。
DETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS One embodiment of a semiconductor device according to the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.

【0012】図2に、本発明の一実施形態としてのFL
OTOXタイプのEEPROMの断面図を示す。図2で
は、トンネル領域2以外は従来のFLOTOXタイプの
EEPROMとおなじ構造である。図1は図2のトンネ
ル領域2の断面の拡大図である。本発明のEEPROM
セルではトンネル領域2に二重のトンネル絶縁膜を形成
している。
FIG. 2 shows an FL according to an embodiment of the present invention.
1 is a sectional view of an OTOX type EEPROM. In FIG. 2, the structure other than the tunnel region 2 is the same as that of the conventional FLOTOX type EEPROM. FIG. 1 is an enlarged view of a cross section of the tunnel region 2 in FIG. EEPROM of the present invention
In the cell, a double tunnel insulating film is formed in the tunnel region 2.

【0013】図2は、本発明の一実施例としての半導体
装置1(EEPROMセル)の断面図である。すなわ
ち、半導体基板8内に形成された相互間チャネル領域を
形成するソース領域10とドレイン領域12、チャネル
領域の上に形成されたフローティングゲート14と、前
記フローティングゲート14の上に形成されたコントロ
ールゲート16とを備えた、FLOTOXタイプのEE
PROMである。
FIG. 2 is a sectional view of a semiconductor device 1 (EEPROM cell) as one embodiment of the present invention. That is, a source region 10 and a drain region 12 forming an inter-channel region formed in the semiconductor substrate 8, a floating gate 14 formed on the channel region, and a control gate formed on the floating gate 14. FLOTOX type EE with 16
PROM.

【0014】フローティングゲート14は周囲を絶縁膜
(図示せず)に被われていて電気的に隔離されており、
フローティングゲート14と半導体基板8内に形成され
たドレイン領域12の間でトンネル電流を用いて電荷を
フローティングゲート14に流入させ、またフローティ
ングゲート14から電荷を流出させるトンネル領域2を
備えている。
The floating gate 14 is covered with an insulating film (not shown) at the periphery and is electrically isolated.
A tunnel region 2 is provided between the floating gate 14 and the drain region 12 formed in the semiconductor substrate 8 to allow a charge to flow into the floating gate 14 by using a tunnel current and to flow a charge from the floating gate 14.

【0015】コントロールゲート16は、フローティン
グゲート14との間に絶縁膜22を有し、電気的に絶縁
されており、コントロールゲート16とフローティング
ゲート14との間の絶縁膜22の容量は、フローティン
グゲート14とドレイン領域12の間のトンネル領域2
での容量に比較して大きく設定されている。
The control gate 16 has an insulating film 22 between itself and the floating gate 14 and is electrically insulated. The capacitance of the insulating film 22 between the control gate 16 and the floating gate 14 is equal to the floating gate. Tunnel region 2 between 14 and drain region 12
It is set to be large compared to the capacity at.

【0016】トンネル領域2は、図1に示すように導電
体3の表裏に第1絶縁膜4と第2絶縁膜6とを備えた2
重絶縁膜構造である。トンネル領域2は2重絶縁膜構造
であるため、共鳴トンネル効果を利用できるようになっ
ている。第1絶縁膜4と第2絶縁膜6は、ポリシリコン
層からなる導電体3をはさんでいる。第1絶縁膜4と第
2絶縁膜6の間にはさまれた導電体3の膜厚は、トンネ
ル領域での共鳴トンネル効果を最大限に利用できるよう
に最適設計されている。
The tunnel region 2 includes a first insulating film 4 and a second insulating film 6 on the front and back of a conductor 3 as shown in FIG.
It has a heavy insulating film structure. Since the tunnel region 2 has a double insulating film structure, the resonance tunnel effect can be used. The first insulating film 4 and the second insulating film 6 sandwich the conductor 3 made of a polysilicon layer. The thickness of the conductor 3 sandwiched between the first insulating film 4 and the second insulating film 6 is optimally designed so that the resonance tunnel effect in the tunnel region can be used to the maximum.

【0017】コントロールゲート16とドレイン領域1
2の間に電圧を印加すると、フローティングゲート14
と半導体基板8に形成されたドレイン領域12との間で
トンネル電流を用いて電荷をフローティングゲート14
に流入させたり、あるいはフローティングゲート14か
ら電荷を流出させることが可能である。かかる操作によ
ってフローティングゲート14内の電位を外部からコン
トロールし、チャネル領域における閾値電圧(以下Vt
と呼ぶ)を変化させて、電気的にメモリを消去可能にな
っている。
Control gate 16 and drain region 1
2 between the floating gate 14
Charge is applied between the floating gate 14 and the drain region 12 formed in the semiconductor substrate 8 by using a tunnel current.
, Or charge can be discharged from the floating gate 14. With this operation, the potential in the floating gate 14 is externally controlled, and the threshold voltage (hereinafter referred to as Vt) in the channel region is controlled.
), And the memory can be electrically erased.

【0018】このタイプの半導体装置1は、トンネル領
域2に高電圧を印加するために、コントロールゲート1
6とフローティングゲート14の間の面積はトンネル領
域2に比較して大面積である。トンネル領域2以外の構
造は、従来のFLOTOXタイプのEEPROMセルと
同じである。
The semiconductor device 1 of this type has a control gate 1 for applying a high voltage to the tunnel region 2.
The area between 6 and floating gate 14 is larger than tunnel area 2. The structure other than the tunnel region 2 is the same as that of the conventional FLOTOX type EEPROM cell.

【0019】図1に示すトンネル領域の構造を実現する
ためのプロセスの一例を次に述べる。まず、通常のEE
PROMセルを作成するために用いられる標準的方法に
よってシリコン基板上にフィールド酸化膜によって素子
分離領域を形成し、その後N型、あるいはP型の不純物
を導入した不純物半導体の領域を形成する。次にその上
に、ゲート酸化膜を形成する。このゲート酸化膜は通常
のトランジスタのゲート酸化膜と同じ厚さである。
An example of a process for realizing the structure of the tunnel region shown in FIG. 1 will be described below. First, normal EE
An element isolation region is formed by a field oxide film on a silicon substrate by a standard method used to form a PROM cell, and then an N-type or P-type impurity semiconductor region is formed. Next, a gate oxide film is formed thereon. This gate oxide film has the same thickness as the gate oxide film of a normal transistor.

【0020】次に、トンネル領域2の形成工程に入る。
この酸化膜上に感光性のレジストを塗布し、トンネル領
域の部分だけが感光性のレジストが残らないように露光
し、現像する。この後で、フッ化水素によるウェットエ
ッチングを行い、トンネル領域2だけゲート酸化膜を除
去する。
Next, a process for forming the tunnel region 2 is started.
A photosensitive resist is applied on this oxide film, and is exposed and developed so that only the tunnel region does not leave the photosensitive resist. Thereafter, wet etching with hydrogen fluoride is performed to remove the gate oxide film only in the tunnel region 2.

【0021】次に、通常のトンネル酸化膜を形成する工
程と同様の熱酸化工程によってトンネル領域2に、まず
第1絶縁膜4を形成する。なお、第1絶縁膜4は、酸化
膜のかわりに窒化膜、あるいは酸化窒化膜を形成させて
もよい。その上に所定の厚さのポリシリコンを化学的気
相成長法を用いて成長させ、導電体3を形成する。この
ポリシリコンには必要に応じてリン、もしくは砒素など
の不純物を拡散、あるいはイオン注入などの方法によっ
て導入するか、あるいはドープ済みのポリシリコンを堆
積させてもよい。
Next, a first insulating film 4 is first formed in the tunnel region 2 by a thermal oxidation process similar to the process of forming a normal tunnel oxide film. The first insulating film 4 may be formed by a nitride film or an oxynitride film instead of the oxide film. A predetermined thickness of polysilicon is grown thereon by a chemical vapor deposition method to form a conductor 3. If necessary, an impurity such as phosphorus or arsenic may be introduced into the polysilicon by diffusion, ion implantation, or the like, or doped polysilicon may be deposited.

【0022】さらに、この導電体3であるポリシリコン
の上に熱酸化法、あるいは熱窒化法を用いて第2絶縁膜
6を形成する。この第2絶縁膜6は、かならずしも熱酸
化法、あるいは熱窒化法によって形成しなくても、化学
的気相成長法によって形成してもよい。このようにし
て、所定の厚さに第2絶縁膜6を形成する。これらの第
1、第2絶縁膜4、6の厚さは、例えば40オングスト
ローム程度の直接トンネル効果が起こる厚さとする。
Further, a second insulating film 6 is formed on the polysilicon as the conductor 3 by using a thermal oxidation method or a thermal nitridation method. The second insulating film 6 does not necessarily need to be formed by the thermal oxidation method or the thermal nitridation method, but may be formed by the chemical vapor deposition method. Thus, the second insulating film 6 is formed to a predetermined thickness. The thickness of the first and second insulating films 4 and 6 is, for example, about 40 angstroms, at which a direct tunnel effect occurs.

【0023】次に、その上にレジストを塗布し、パター
ニングによってトンネル領域2だけを残してポリシリコ
ンとその上の酸化膜をドライエッチングによって除去す
る。
Next, a resist is applied thereon, and the polysilicon and the oxide film thereon are removed by dry etching, leaving only the tunnel region 2 by patterning.

【0024】このようにして2重構造のトンネル絶縁膜
を形成したあとで、その上にポリシリコンを化学的気相
成長法によって堆積させ、これをパターニングした後エ
ッチングすることによってフローティングゲート14を
形成する。さらにこの上に好ましくは酸化物/窒化物/酸
化物の3層絶縁膜を化学的気相成長法によって形成し、
その上にコントロールゲート16としてポリシリコンを
化学的気相成長法によって堆積させ、パターニングした
後にエッチングすることによりコントロールゲート16
を形成する。
After the formation of the double-layered tunnel insulating film in this manner, polysilicon is deposited thereon by a chemical vapor deposition method, which is patterned and then etched to form the floating gate 14. I do. Furthermore, a three-layer insulating film of oxide / nitride / oxide is preferably formed thereon by a chemical vapor deposition method.
Polysilicon is deposited thereon as a control gate 16 by a chemical vapor deposition method, patterned and etched to form a control gate 16.
To form

【0025】次に、このような共鳴トンネル効果を有す
る半導体装置1(EEPROMメモリセル)の動作につ
いて説明する。
Next, the operation of the semiconductor device 1 (EEPROM memory cell) having such a resonance tunnel effect will be described.

【0026】メモリセルに書込を行う時には、コントロ
ールゲート16とドレイン領域12の間に所定の電圧を
印加する。共鳴トンネル構造の印加電圧に対する電流−
電圧特性を図3に示す。図3に示すように、バイアス電
圧が特定の値Vbをとるときに電流は極大値になり、そ
れよりバイアス電圧が大きくても小さくても電流は減少
する。バイアス電圧Vがある値Vbの時に共鳴効果が最
大になり、JRTがピーク値になる。
When writing to a memory cell, a predetermined voltage is applied between the control gate 16 and the drain region 12. Current vs. applied voltage of resonant tunneling structure
FIG. 3 shows the voltage characteristics. As shown in FIG. 3, when the bias voltage takes a specific value Vb, the current reaches a local maximum value, and the current decreases when the bias voltage is higher or lower. When the bias voltage V is at a certain value Vb, the resonance effect is maximized, and JRT has a peak value.

【0027】実際のメモリ装置、例えばEEPROMセ
ルにおいては、このバイアス電圧はセルに印加される書
込電圧Vppとセルの容量結合比γの積で与えられる。容
量結合比は、トンネル領域2における容量と、フローテ
ィングゲート14とコントロールゲート16の電極間お
よびフローティングゲート14とドレイン領域12間の
容量の和との比である。Vppは、通常はチャージポンプ
などの昇圧回路を用いて生成される。その結果、バイア
ス電圧Vbは以下の式で与えられることになる。 Vb=γ×Vpp 通常は、Vppをむやみに高くしないために、γができる
だけ大きく(約0.9)なるように設計する。
In an actual memory device, for example, an EEPROM cell, this bias voltage is given by the product of the write voltage Vpp applied to the cell and the capacitance coupling ratio γ of the cell. The capacitance coupling ratio is the ratio of the capacitance in the tunnel region 2 to the sum of the capacitance between the electrodes of the floating gate 14 and the control gate 16 and the capacitance between the floating gate 14 and the drain region 12. Vpp is usually generated using a booster circuit such as a charge pump. As a result, the bias voltage Vb is given by the following equation. Vb = γ × Vpp Normally, γ is designed to be as large as possible (approximately 0.9) in order not to increase Vpp unnecessarily.

【0028】図4に、二重構造の共鳴トンネル絶縁膜の
バンドダイヤグラムを示す。Vはトンネル障壁の高
さ、Lbはトンネル障壁の幅、Lwはトンネル障壁に囲
まれた量子井戸の幅である。トンネル障壁の高さV
は、トンネル絶縁膜(第1絶縁膜4または第2絶縁膜
6)を構成する物質と量子井戸を構成する物質の界面バ
ンド不連続(バンドオフセット)によって与えられる。
FIG. 4 shows a band diagram of a resonance tunnel insulating film having a double structure. V 0 is the tunneling barrier height, Lb is the width of the tunnel barrier, is Lw is the width of the quantum well surrounded by the tunnel barrier. Tunnel barrier height V
0 is given by the interface band discontinuity (band offset) between the material forming the tunnel insulating film (the first insulating film 4 or the second insulating film 6) and the material forming the quantum well.

【0029】第1と第2それぞれのトンネル障壁の幅
は、直接トンネル電流が流れる程度に薄くしてあり(4
0Å以下)、また、トンネル障壁に囲まれた導体領域
(量子井戸)の幅は、そのポテンシャルの谷における量
子化された束縛状態(共鳴状態)のエネルギーが入射さ
れる電子のエネルギーに一致するように設計してある。
The width of each of the first and second tunnel barriers is so thin that a direct tunnel current flows (4).
0 ° or less), and the width of the conductor region (quantum well) surrounded by the tunnel barrier is such that the energy of the quantized bound state (resonance state) in the potential valley matches the energy of the incident electron. Designed for

【0030】このとき、両トンネル障壁に囲まれた量子
井戸の幅をLwとすると、2Lwが入射電子の波長λe
の整数倍に等しくなると、量子井戸に入射された電子波
が量子井戸の束縛準位と共鳴的に干渉して強め合い、二
重トンネル障壁の透過確率は理論的には1になる。この
条件は入射電子エネルギーExが量子井戸の固有エネル
ギーEr(n)=(h2/2me*)(nπ/Lw)2に一致する、つ
まり共鳴することに対応している。ここで、hはプラン
ク定数、me*は電子の有効質量である。この構造のトン
ネル電流全体は近似的に JRT=q/(2π2h)∫dEx∫dktT*T.F で与えられる。ここで、hはプランク定数である。また
Tは透過波の確率振幅であり、T*Tは透過確率であ
る。Fは積分中に現れる電子の分布関数などをまとめて
表現した項である。
At this time, assuming that the width of the quantum well surrounded by both tunnel barriers is Lw, 2Lw is the wavelength λe of the incident electron.
When it is equal to an integral multiple of, the electron wave incident on the quantum well resonates and interferes with the bound level of the quantum well to reinforce it, and the transmission probability of the double tunnel barrier becomes 1 theoretically. This condition corresponds to the incident electron energy Ex matches the specific energy Er (n) = (h 2 / 2m e *) (nπ / Lw) 2 quantum well, i.e. resonate. Here, h is Planck's constant and me * is the effective mass of electrons. Overall tunneling current of this structure is given approximately by J RT = q / (2π 2 h) ∫dEx∫dk t T * T.F. Here, h is Planck's constant. T is the probability amplitude of the transmitted wave, and T * T is the transmission probability. F is a term collectively expressing a distribution function of electrons appearing during integration.

【0031】また、トンネル電流以外の電流成分、つま
り熱的に励起されたキャリアがホットキャリアとなって
障壁の上を通過する成分JEXが存在する。従って、全体
の電流はJ=JRT+JEXで与えられる。JEXの電流成分は
温度に強く依存するので、室温での良好な動作特性を得
るためには、JEXをできるだけ抑制する必要がある。
There is a current component other than the tunnel current, that is, a component J EX in which thermally excited carriers serve as hot carriers and pass over the barrier. Therefore, the total current is given by J = J RT + J EX . Since the current component of J EX strongly depends on temperature, it is necessary to suppress J EX as much as possible in order to obtain good operating characteristics at room temperature.

【0032】トンネル電流は電子分布だけでなく透過係
数の形状、つまりT*Tのピークの高さ、ピークエネル
ギーExp、および半値全幅ΔExpなどの量によって決定
される。これらの量は、二重障壁構造の構造パラメータ
により設計することができる。一般にこの積分を解析的
に実行するのは困難なので、数値的に積分するか、ある
いは実験によってパラメータを決定しなければならな
い。計算結果および過去の実験的研究結果から、次のこ
とがわかっている。
The tunnel current is determined not only by the electron distribution but also by the shape of the transmission coefficient, that is, the amount of T * T peak height, peak energy Exp, and full width at half maximum ΔExp. These quantities can be designed according to the structural parameters of the double barrier structure. Since it is generally difficult to perform this integration analytically, the parameters must be numerically integrated or experimentally determined. From the calculation results and the results of past experimental studies, the following is known.

【0033】1、障壁幅LBだけを増加させるとExpは
変化せず、ほとんどΔExpのみ指数関数的に減少する。
1. If only the barrier width L B is increased, Exp does not change, and only ΔExp decreases almost exponentially.

【0034】2、井戸幅Lwだけを増加させるとExp、
ΔExpがともに減少する。
2. When only the well width Lw is increased, Exp,
Both ΔExp decrease.

【0035】3、障壁高さV0だけを増加させるとExp
は増加し、ΔExpは指数関数的に減少する。
3. If only the barrier height V 0 is increased, Exp
Increase and ΔExp decreases exponentially.

【0036】これら3つのパラメータを操作することに
より、望む性能の二重構造共鳴トンネル障壁を得ること
とする。障壁の高さV0は、絶縁膜に用いる物質と導体
に用いる物質のバンド構造によって決定される。トンネ
ル電流成分を増やすためにはできるだけ障壁を高くした
方がよいが、障壁を高くすると半値幅ΔExpが狭くな
り、JRTが減少する。これを防ぐためには障壁幅LB
減少させればよい。
By manipulating these three parameters, a dual-structure resonant tunnel barrier of the desired performance will be obtained. The height V 0 of the barrier is determined by the band structure of the substance used for the insulating film and the substance used for the conductor. In order to increase the tunnel current component, it is better to increase the barrier as much as possible. However, when the barrier is increased, the half width ΔExp becomes narrow and J RT decreases. It is sufficient to reduce the barrier width L B in order to prevent this.

【0037】また、井戸幅LwはExp、ΔExpを同時に
変化させる。一般に、半導体中の電子のエネルギーは一
定ではなく、フェルミ・ディラック分布に従って分布し
ている。常温ではキャリアとなる電子のエネルギー分布
は近似的にマックスウェル・ボルツマン分布に従ってい
るとみなしてよい。そこで、トンネル電流を最大にする
ためには、井戸幅Lwを電子のエネルギー分布のピーク
値に合わせるように調節すればよい。
The well width Lw simultaneously changes Exp and ΔExp. Generally, the energy of electrons in a semiconductor is not constant, but is distributed according to a Fermi-Dirac distribution. At room temperature, the energy distribution of electrons serving as carriers may be regarded as approximately following the Maxwell-Boltzmann distribution. Therefore, in order to maximize the tunnel current, the well width Lw may be adjusted to match the peak value of the energy distribution of electrons.

【0038】次に、半導体装置1の動作方法について説
明する。書込を行う時にはフローティングゲート14か
ら電子を引き抜く必要があるので、コントロールゲート
16にVppを印加し、ドレイン領域12をゼロ[V]に
する。すると、コントロールゲート16とフローティン
グゲート14の間の容量は、フローティングゲート14
とドレイン領域12との間の容量に較べて比較的大きい
ため、コントロールゲート16とフローティングゲート
14の間より、フローティングゲート14とドレイン領
域12の間に比較的高い電圧が印加される。フローティ
ングゲート14とドレイン領域12のあいだは前述した
2重構造のトンネル領域2を介して電気的に結合されて
いるため、所定の電圧が印加されることによって波動関
数の共鳴効果が生じ、2重のトンネル絶縁膜を通して共
鳴トンネル電流が流れ、フローティングゲート14から
電子が流出する。
Next, an operation method of the semiconductor device 1 will be described. When writing, it is necessary to extract electrons from the floating gate 14, so Vpp is applied to the control gate 16 and the drain region 12 is set to zero [V]. Then, the capacitance between the control gate 16 and the floating gate 14 becomes
A relatively high voltage is applied between the floating gate 14 and the drain region 12 than between the control gate 16 and the floating gate 14 because the capacitance is relatively large as compared with the capacitance between the floating gate 14 and the drain region 12. Since the floating gate 14 and the drain region 12 are electrically coupled to each other via the above-described double-structured tunnel region 2, a predetermined voltage is applied to generate a resonance effect of a wave function. A resonant tunneling current flows through the tunnel insulating film, and electrons flow out of the floating gate 14.

【0039】Vppは、2重のトンネル絶縁膜に挟まれ
た量子井戸の共鳴準位に対してちょうど波動関数の共鳴
効果が生じるような電圧になるように計算し、あらかじ
め設定しておく。また、この動作モード時にはソースは
開放にしておき、どこにも電気的に接続しないようにす
る。
Vpp is calculated and set in advance so as to have a voltage at which the resonance effect of the wave function just occurs with respect to the resonance level of the quantum well sandwiched between the double tunnel insulating films. Also, in this operation mode, the source is left open so that it is not electrically connected to anywhere.

【0040】また消去動作を行う時には、コントロール
ゲート16とドレイン領域12の間での電圧の方向を逆
にすればよい。従って、コントロールゲート16をゼロ
[V]にし、ドレイン領域12にVppを印加することに
よって、書込時とは逆方向に共鳴トンネル電流が流れる
ので、フローティングゲート14に電子が注入される。
In performing the erasing operation, the direction of the voltage between the control gate 16 and the drain region 12 may be reversed. Therefore, the control gate 16 is set to zero.
[V], and applying Vpp to the drain region 12 causes a resonant tunneling current to flow in a direction opposite to that during writing, so that electrons are injected into the floating gate 14.

【0041】読み取りの動作を行う時には、ソース領域
10に比較的小さな電圧(Vdd)を印加し、ドレイン
領域12はゼロ[V]にしておく。コントロールゲート1
6にコントロール電圧を印加すると、ある閾値(以下V
tと呼ぶ)以上のゲート電圧を印加したときに、通常の
MOSトランジスタと同じくチャンネル領域に反転層が
形成される効果によってソース領域10からドレイン領
域12に向かって電流が流れる。この閾値はフローティ
ングゲート14にどの程度の電子が蓄積されているかに
よって変化する。例えばフローティングゲート14に電
子が比較的多く蓄積されている時にはVtは高くなり、
逆に電子が比較的少なく蓄積されている時にはVtは低
くなる。このVtの違いによって半導体装置1に書き込
まれている情報が1か0かを識別することができる。
When performing a reading operation, a relatively small voltage (Vdd) is applied to the source region 10 and the drain region 12 is set to zero [V]. Control gate 1
When a control voltage is applied to No. 6, a certain threshold (hereinafter referred to as V
When a gate voltage of not less than t) is applied, a current flows from the source region 10 to the drain region 12 due to the effect of forming an inversion layer in the channel region as in a normal MOS transistor. This threshold value changes depending on how much electrons are stored in the floating gate 14. For example, when a relatively large number of electrons are accumulated in the floating gate 14, Vt becomes high,
Conversely, when electrons are accumulated in a relatively small amount, Vt becomes low. It is possible to identify whether the information written in the semiconductor device 1 is 1 or 0 based on this difference in Vt.

【0042】以上説明したように、本発明による半導体
装置1の動作は、従来のFNトンネル電流を利用したE
EPROMの動作と全く同様のモードで電圧を印加すれ
ばよく、周辺回路は従来技術と完全に互換性を保つこと
ができる。
As described above, the operation of the semiconductor device 1 according to the present invention is performed by using the conventional FN tunneling current.
It suffices to apply a voltage in exactly the same mode as the operation of the EPROM, and the peripheral circuits can be completely compatible with the prior art.

【0043】[0043]

【発明の効果】本発明の半導体装置によれば、トンネル
領域を二重トンネル構造としたことにより、所定の電圧
でのみトンネル領域に共鳴トンネル電流が流れるので、
トンネル絶縁膜の膜厚を薄くして、印加電圧を低下で
き、かつ、直接トンネル電流が流れるためセルの寿命を
長くすることができる。また、共鳴電流の印加電圧以外
ではトンネル電流が流れにくいことから、メモリの保持
能力を高めることができる。
According to the semiconductor device of the present invention, since the tunnel region has the double tunnel structure, the resonance tunnel current flows through the tunnel region only at a predetermined voltage.
The applied voltage can be reduced by reducing the thickness of the tunnel insulating film, and the life of the cell can be prolonged because a tunnel current flows directly. Further, since the tunnel current does not easily flow at a voltage other than the applied voltage of the resonance current, it is possible to increase the memory retention ability.

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

【図1】本発明の記憶装置のトンネル領域の一実施形態
を示す図である。
FIG. 1 is a diagram showing one embodiment of a tunnel area of a storage device of the present invention.

【図2】本発明にかかる記憶装置の一実施形態を示す図
である。
FIG. 2 is a diagram showing one embodiment of a storage device according to the present invention.

【図3】トンネル領域にかかる電流と電圧の関係を示す
図である。
FIG. 3 is a diagram showing a relationship between current and voltage applied to a tunnel region.

【図4】二重トンネル構造を説明する図である。FIG. 4 is a diagram illustrating a double tunnel structure.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

1 半導体装置 2 トンネル領域 3 導電体 4 第1絶縁膜 6 第2絶縁膜 8 半導体基板 10 ソース領域 12 ドレイン領域 14 フローティングゲート 16 コントロールゲート 22 絶縁膜 Reference Signs List 1 semiconductor device 2 tunnel region 3 conductor 4 first insulating film 6 second insulating film 8 semiconductor substrate 10 source region 12 drain region 14 floating gate 16 control gate 22 insulating film

Claims (3)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 半導体基板内に形成されたソース・ドレ
イン領域と、 前記ソース・ドレイン領域の上に形成されたフローティ
ングゲートと、 前記フローティングゲートの上に形成されたコントロー
ルゲートとを備え、 前記フローティングゲートと前記ドレイン領域の間でト
ンネル電流を用いて電荷を前記フローティングゲートに
流入、あるいは流出させるトンネル領域を備えた、電気
的消去可能な半導体装置において、 前記トンネル領域に、導電体の表裏に第1と第2絶縁膜
をそれぞれ形成した2重絶縁膜を構成し、該トンネル領
域のトンネル電流として共鳴トンネル電流を用いること
を特徴とした半導体装置。
A source / drain region formed in a semiconductor substrate; a floating gate formed on the source / drain region; a control gate formed on the floating gate; An electrically erasable semiconductor device, comprising: a tunnel region that allows a charge to flow into or out of the floating gate by using a tunnel current between a gate and the drain region. A semiconductor device, comprising: a double insulating film formed with a first insulating film and a second insulating film, wherein a resonant tunneling current is used as a tunneling current in the tunnel region.
【請求項2】 前記第1絶縁膜および第2絶縁膜の膜厚
を直接トンネル電流が流れる厚さ以下としたことを特徴
とした請求項1記載の半導体装置。
2. The semiconductor device according to claim 1, wherein the first insulating film and the second insulating film have a thickness equal to or less than a thickness through which a tunnel current flows directly.
【請求項3】 前記トンネル領域は、第1絶縁膜を形成
した後、ポリシリコン膜を成長させ、それに更に酸化も
しくは窒化を行い、その上に絶縁膜を堆積させて第2絶
縁膜を形成し、第1絶縁膜、第2絶縁膜、及び第1絶縁
膜と第2絶縁膜の間に導電体膜を形成する工程から構成
したことを特徴とする請求項1記載の半導体装置を製造
する半導体装置の製造方法。
3. The tunnel region is formed by forming a first insulating film, growing a polysilicon film, oxidizing or nitriding the polysilicon film, and depositing an insulating film thereon to form a second insulating film. 2. A semiconductor device for manufacturing a semiconductor device according to claim 1, further comprising a step of forming a first insulating film, a second insulating film, and a conductor film between the first insulating film and the second insulating film. Device manufacturing method.
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Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE10158018A1 (en) * 2001-11-27 2003-06-12 Infineon Technologies Ag Layer arrangement and method for operating a layer arrangement as data storage

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