JP2002026151A - 半導体メモリ装置 - Google Patents

半導体メモリ装置

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JP2002026151A
JP2002026151A JP2000203897A JP2000203897A JP2002026151A JP 2002026151 A JP2002026151 A JP 2002026151A JP 2000203897 A JP2000203897 A JP 2000203897A JP 2000203897 A JP2000203897 A JP 2000203897A JP 2002026151 A JP2002026151 A JP 2002026151A
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oxide film
memory cell
semiconductor memory
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Kiyoteru Kobayashi
清輝 小林
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Mitsubishi Electric Corp
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 フラッシュメモリセルを備えたより書き込み
速度の速い半導体メモリ装置を提供する。 【解決手段】 p型Si基板の上に、チャンネル領域と
チャンネル領域の両側に形成されたドレイン領域及びソ
ース領域と、チャンネル領域上に第1の酸化膜を介して
形成されたフローティングゲートと、フローティングゲ
ート上に第2の酸化膜を介して形成されたコントロール
ゲートとを有してなるメモリセルを備えた半導体メモリ
装置において、フローティングゲートは、チャンネル領
域上の第1領域と第1領域より幅の広い第2領域とから
なり、縦断面形状がT字型になるように形成され、コン
トロールゲートにコントロール電圧を印加した時に、フ
ローティングゲートの電位が最大になるように第1領域
の高さを設定した。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、半導体メモリ装置
に関する。
【0002】
【従来の技術】フラッシュメモリは、フラッシュメモリ
セルの構成が簡単で高集積化に適しており、ビットあた
りのコストを安くでき、かつ電気的に読み書き及び消去
が可能であることから、その需要が拡大されつつある。
今後その需要はさらに拡大されるものと思われる。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、フラッ
シュメモリセルを備えた半導体メモリ装置は、その需要
の拡大に伴い、書き込み速度の向上が求められている
が、現状はその要求に十分応えているとは言いがたい。
【0004】そこで、本発明は、フラッシュメモリセル
を備えたより書き込み速度の速い半導体メモリ装置を提
供することを目的とする。
【0005】
【課題を解決するための手段】以上の目的を達成するた
めに、本発明に係る第1の半導体メモリ装置は、p型S
i基板の上に、チャンネル領域と、そのチャンネル領域
の両側に形成されたn型のドレイン領域及びn型のソー
ス領域と、上記チャンネル領域の上に第1の酸化膜を介
して形成されたフローティングゲートと、該フローティ
ングゲートの上に第2の酸化膜を介して形成されたコン
トロールゲートとを有してなるメモリセルを備えた半導
体メモリ装置において、上記フローティングゲートは、
上記チャンネル領域上に上記第1の酸化膜を介して位置
する第1領域と上記第1領域より広い幅に形成されかつ
上記第2の酸化膜を介して制御ゲートと容量結合する第
2領域とからなり、縦断面形状がT字型になるように形
成され、上記コントロールゲートにコントロール電圧を
印加した時に、上記フローティングゲートの電位が最大
になるように上記第1領域の高さが設定されたことを特
徴とする。
【0006】また、本発明に係る第2の半導体メモリ装
置は、p型Si基板の上に、チャンネル領域と、そのチ
ャンネル領域の両側に形成されたn型のドレイン領域及
びn型のソース領域と、上記チャンネル領域の上に第1
の酸化膜を介して形成されたフローティングゲートと、
該フローティングゲートの上に第2の酸化膜を介して形
成されたコントロールゲートとを有してなるメモリセル
を備えた半導体メモリ装置において、上記フローティン
グゲートは、上記チャンネル領域上に上記第1の酸化膜
を介して位置する第1領域と上記第1領域より広い幅に
形成されかつ上記第2の酸化膜を介して制御ゲートと容
量結合する第2領域とからなり、縦断面形状がT字型に
なるように形成されかつ、各メモリセルにおける、上記
コントロールゲートと上記Si基板との間に構成される
メモリセル全体の静電容量に対する上記コントロールゲ
ートとフローティングゲートの間の静電容量の比である
カップリング比が最大になるように上記第1領域の高さ
が設定されたことを特徴とする。このようにしても、上
記フローティングゲートの電位が最大になるようにでき
る。ここで、上記コントロールゲートと上記p型Si基
板との間に構成されるメモリセル全体の静電容量とは、
1つのメモリセルにおいて、上記コントロールゲートと
上記Si基板との間に構成される静電容量であって、上
記コントロールゲートとフローティングゲートの間の静
電容量、上記第1領域とチャンネル領域間の静電容量、
上記第2領域とソース領域の間の静電容量、上記第2領
域と上記ドレイン領域の間の静電容量、上記第1領域の
側面とソース領域の間の静電容量及び上記第1領域の側
面とドレイン領域の間の静電容量を含むものである。
【0007】
【発明の実施の形態】以下、図面を参照して本発明に係
る実施の形態について説明する。本発明に係る実施の形
態の半導体メモリ装置は、p型基板1の各メモリセルに
それぞれ電気的に書き込み消去が可能な記憶素子を備え
たフラッシュメモリであって以下のように構成される。
すなわち、実施の形態の半導体メモリ装置において、p
型基板1の各メモリセルにチャンネル領域13を挟んで
n型のソース領域31とn型のドレイン領域32とが形
成され、そのチャンネル領域13の上に第1の酸化膜
(トンネル酸化膜)4を介してフローティングゲート7
が形成されて各メモリセルに記憶部であるメモリセルト
ランジスタが形成される。そして、各メモリセルのメモ
リセルトランジスタのフローティングゲート7に第2の
絶縁膜(インターポリ絶縁膜)8を介してメモリセルト
ランジスタの読み書きを制御するコントロールゲート1
9が形成される。尚、コントロールゲート19はリンド
ープポリシリコン層9とタングステンシリサイド層10
とからなり、コントロールゲート19上には、層間絶縁
膜11を介してAl−Cu合金からなる配線12が形成
される。また、図1中において、5の符号を付して示す
ものは、シリコン酸化膜である。以上のようにして各メ
モリセルは構成される。
【0008】また、本実施の形態の複数のメモリセルの
うちの、一方向(行方向)に配列されたメモリセルのコ
ントロールゲート19は、図1,図2に示すように連続
的に一体で形成される。また、その行方向に配列された
複数のメモリセルにおいて隣接するメモリセルの間は、
図1及び図2に示すように、例えば、シリコン酸化膜か
らなる素子分離領域2によって分離される。そして、そ
の行方向に直交する列方向に配列された複数のメモリセ
ルにおいて隣接するメモリセルのチャンル領域13間
は、図1及び図3に示すように、p型拡散領域6によっ
て互いに分離される。
【0009】ここで、特に本実施の形態では、各メモリ
セルトランジスタのフローティングゲート7は、(1)
チャンネル領域13上にトンネル酸化膜(第1の酸化
膜)を介して位置する第1領域7aと、(2)コントロ
ールゲート19との間の静電容量を大きくすることを目
的として、コントロールゲート19との対向面積が大き
くなるように、第1領域7aより広い幅に形成された第
2領域7bとからなる。そして、本実施の形態の半導体
メモリ装置において、第1領域7aと第2領域7bとか
らなる縦断面形状がT字型のフローティングゲート7
は、詳細後述するようにその形状を設定することにより
メモリセルトランジスタへの書き込み速度を向上させた
ことを特徴としている。
【0010】<本発明におけるT字型のフローティング
ゲート7の形状の設定の詳細>まず、実施の形態のメモ
リセルにおいて、コントロールゲート19に印加される
電圧をVCG、メモリセルトランジスタの閾値電圧をVt
hとしたとき、次の(1)式の関係式を満足したとき
に、チャンネル領域13は反転状態となる。 VCG>Vth・・・(1)
【0011】また、本実施の形態の半導体メモリ装置の
メモリセルトランジスタ近傍における静電容量は、図
4、図5に示すように表すことができる。従って、この
時のメモリセルトランジスタは、図6に示す等価回路で
表すことができる。図6の等価回路において、VCGは、
コントロールゲート19の電位、VFGは、フローティン
グゲート7の電位、Vchannelは、チャンネル領域13
の電位、VS/Dは、ソース領域31とドレイン領域32
間の電位、Vsideは、p型拡散層6の電位を表す。
【0012】また、図4、図5に示すように、C1は、
コントロールゲート19とフローティングゲート7の第
2領域7bとの間の静電容量、C2は、フローティング
ゲート7の第1領域7aとチャンネル領域13間の静電
容量、C3は、フローティングゲート7の第2領域7b
とソース領域31との間、フローティングゲートの第2
領域とドレイン領域32との間の静電容量、C4は、フ
ローティングゲート7の第1領域7aの側面とソース領
域31との間の静電容量、フローティングゲート7の第
1領域7aの側面とドレイン領域32との間の静電容
量、C5は、フローティングゲート7の第1領域7aと
p型拡散層6の間の静電容量である。
【0013】従って、図1、図2に示す構造の半導体メ
モリ装置において、メモリセルトランジスタのフローテ
ィングゲート7中に蓄積される電荷Qは、次の(2)式
で表すことができる。
【0014】ここで、式(2)において、VS/D=0、
channel=0、Vside=0とすることができるので、
式(2)は次の式(3)に示すように簡略化して表すこ
とができる。 Q =C1(VFG−VCG)+(C2+C3+C4+C5)VFG =CTFG−C1VCG・・・(3) ここで、CT=C1+C2+C3+C4+C5であっ
て、各メモリセルにおいて、コントロールゲートとSi
基板との間に形成される総計の静電容量である。
【0015】(3)式を変形すると、フローティングゲ
ート電位VFGは次の(4)式で表される。 VFG=(Q+C1VCG)/CT・・・(4) ここで、C1/CTは、カップリング比と呼ばれる。
【0016】図1等に示す本実施の形態の半導体メモリ
装置において、メモリセルトランジスタへの書き込み動
作は、所定のコントロール電位VCGを与え、VS/D=V
side=Vchannel=0の状態で実施する。すなわち、V
S/D=Vside=Vchannel=0の状態でコントロール電位
CGを与えると、チャンネル領域からフローティングゲ
ート7に電子が輸送され、その輸送された電子がフロー
ティングゲート7に蓄積されることにより書き込みが実
施される。
【0017】この書き込み時のフローティングゲート7
への電子の輸送は、ファウラー・ノルドハイム電流(Fo
wler‐Nordheim current)の式である次の(5)式に従
う。 j=A・VFG 2・exp(−B/VFG)・・・(5) (5)式から明らかなように、フローティングゲート電
位VFGが大きくなるほど、電流jは大きくなり、書き込
み速度は向上する。従って、コントロール電位VCGが与
えられたとき、フローティングゲート電位VFGが最大と
なるような構成、より具体的には、カップリング比C1
/CTが最大になるようにフローティングゲート7の形
状を設定することが好ましく、これにより、書き込み速
度を大きくすることができる。
【0018】次に、フローティングゲート電位VFGを大
きくする具体的な構成について詳細に説明する。フロー
ティングゲート7の第2領域7bの形状を一定として第
1領域7aの高さtのみを変化させると、C1は高さt
の値に関わらず一定値となるが、高さtが変化すると、
フローティングゲート7の第2領域7bとソース領域3
1との間の間隔及びフローティングゲートの第2領域と
ドレイン領域32との間の間隔は変化するので、静電容
量C3は、高さtの関数となる。また、フローティング
ゲート7の第1領域7aの側面とソース領域31との間
の静電容量C4、フローティングゲート7の第1領域7
aの側面とドレイン領域32との間の静電容量C4は、
高さtの関数となる。また、フローティングゲート7の
第1領域7aとp型拡散層6の間の静電容量C5も、C
4と同様に第1領域7aの高さtによって変化するの
で、第1領域7aの高さtの関数となる。より具体的に
は、第1領域7aの高さtが大きくなると、静電容量C
3は小さくなるが、静電容量C4,C5は大きくなる。
このように、全静電容量CTは、第1領域7aの高さt
の関数となるので、フローティングゲート電位VFGも第
1領域7aの高さtの関数となる。
【0019】そこで、静電容量C1〜C5を、フローテ
ィングゲート7の形状及びメモリセルの構成とに基い
て、第1領域7aの高さtと(Ls+Ld)とを用いて
表して、(4)式に代入することにより、tと(Ls+
Ld)の関数としてのフローティングゲート電位VFG
得、(Ls+Ld)を0.30μm、0.35μm、
0.40μmにそれぞれ固定した状態(一定値)で、t
を変化させると、図7に示すように、特定の高さtに対
してフローティングゲート電位VFGは最大値を取る。
尚、静電容量C1〜C3は、平行平板における静電容量
の評価方法を用いて比較的容易に、第1領域7aの高さ
をtと(Ls+Ld)とによって表すことができるが、
静電容量C4,C5は、後藤憲一、山崎修一郎共編「電
磁気学演習」(共立出版、初版p52)に記載された方
法を用いて計算した。
【0020】このように、フローティングゲート電位V
FGは(Ls+Ld)にも依存するが、特定の(Ls+L
d)に対して1つの極大値を有し、その極大値に対応し
て1つの第1領域7bの高さtが一意的に決まる。ま
た、書き込み速度は、フローティングゲート電位VFG
大きいほど大きくなるので、当然、極大値であるフロー
ティングゲート電位VFGを取る第1領域7bの高さtに
対応する書き込み速度が最大になる。また、図8は(L
s+Ld)に対して、フローティングゲート電位V
FG(又は書き込み速度)が極大値を取る第1領域7bの
高さtをグラフに示したものである。図8から明らかな
ように、図8は(Ls+Ld)が大きくなるにつれて、
フローティングゲート電位VFG(又は書き込み速度)が
極大値を取る第1領域7bの高さtは大きくなる。
【0021】尚、図7,図8に示した結果は、図1のメ
モリセル構造において、以下の物理量を基にして計算し
た結果である。 真空の誘電率ε0:8.85×10-14F/cm、 SiO2の比誘電率εox:3.85、 フローティングゲート7の第2領域7aの厚さ:0.0
7μm、 フローティングゲート長Lg:0.25μm、 トンネル絶縁膜の厚さ:8.5nm、 インターポリ絶縁膜の厚さ:15nm、 フローティングゲート幅Lw:0.20μm、 Lg+Ld:0.40μm、0.35μm、0.30μ
m、 第2領域7aの長辺の長さ:0.81μm(Lg+Ld
が0.40μmの時)、0.76μm(Lg+Ldが
0.35μmの時)、0.71μm(Lg+Ldが0.
30μmの時)、
【0022】すなわち、本実施の形態の半導体メモリ装
置は、縦断面形状がT字型になるように、チャンネル領
域上に位置する第1領域7aとその第1領域7aより広
い幅に形成された第2領域とからなるフローティングゲ
ートを備えたフラッシュメモリであって、フローティン
グゲート7の第1領域7aの高さtを以下のように設定
したものである。 (1)所定のコントロールゲート電圧が印加されたとき
に、フローティングゲート電位VFGが最大になるよう
に、第1領域7aの高さをtと(Ls+Ld)とを設定
したものである。 (2)言いかえると、カップリング比C1/CTが最大
になるように、第1領域7aの高さをtと(Ls+L
d)とを設定したものである。 (3)さらに別の言葉で言うと、静電容量C1を特定の
値に設定したとき(フローティングゲートの第2領域7
bの形状を特定したとき)に、静電容量(C2+C3+
C4+C5)が最小になるように、第1領域7aの高さ
tを設定したものである。以上のように構成された実施
の形態の半導体メモリ装置は、フローティングゲート電
位VFGを大きくでき、書き込み速度を速くできる。
【0023】以上の実施の形態では、所定のコントロー
ルゲート電圧が印加されたときに、フローティングゲー
ト電位VFGが最大になるように又はカップリング比C1
/C Tが最大になるように、第1領域7aの高さtと
(Ls+Ld)とを設定した。しかしながら、本発明は
これに限られず、例えば、(Ls+Ld)が予め決定さ
れる場合には、その決められた(Ls+Ld)の値に基
いて、フローティングゲート電位VFGが最大になるよう
に又はカップリング比C1/CTが最大になるように、
第1領域7aの高さtを設定するようにしてもよい。す
なわち、メモリセルの大きさ及びメモリセルトランジス
タに対する要求特性などにより、(Ls+Ld)が取り
得る範囲が制限される場合があるが、その場合は、予め
決定される(Ls+Ld)の値に基いて、フローティン
グゲート電位VFGが最大になるように又はカップリング
比C1/CTが最大になるように、第1領域7aの高さ
tを設定するようにすればよい。
【0024】変形例1.図9は、本発明に係る変形例1
の半導体メモリ装置の構成を示す断面図である。本変形
例1の半導体メモリ装置は、実施の形態の半導体メモリ
装置において、フローティングゲート7の第2領域7b
とソース領域31との間と、フローティングゲート7の
第2領域7bがドレイン領域32との間に、シリコン窒
化膜14を形成した以外は実施の形態の半導体メモリ装
置と同様に構成される。以上のように構成された変形例
1の半導体メモリ装置では、シリコン窒化膜14の比誘
電率はシリコン酸化膜の比誘電率の約2倍であることか
ら、フローティングゲートの第2領域とソース領域31
との間、フローティングゲートの第2領域とドレイン領
域32との間の静電容量C3、フローティングゲートの
第1領域7aの側面とソース領域31との間の静電容量
C4及びフローティングゲートの第1領域7aの側面と
ドレイン領域32との間の静電容量C4は実施の形態に
比較して大きな値となるが、実施の形態と同様にしてフ
ローティングゲート電位V FGが最小となるように第1領
域7aの高さtを設定することができる。
【0025】変形例2.図10は、本発明に係る変形例
2の半導体メモリ装置の構成を示す断面図である。本変
形例2の半導体メモリ装置は、実施の形態の半導体メモ
リ装置において、列方向に配列された隣接するメモリセ
ルトランジスタ間にシリコン窒化膜15を形成した以外
は、実施の形態と同様に構成される。以上のように構成
された変形例2の半導体メモリ装置では、シリコン窒化
膜15の比誘電率はシリコン酸化膜の比誘電率の約2倍
であることから、フローティングゲートの第1領域7a
とp型拡散層6の間の静電容量であるC5が実施の形態
に比較して多きくなるが、実施の形態と同様にしてフロ
ーティングゲート電位VFGが最小となるように第1領域
7aの高さtを設定することができる。
【0026】
【発明の効果】以上詳細に説明したように、フローティ
ングゲートを有してなるメモリセルを備えた半導体メモ
リ装置において、上記フローティングゲートは、上記第
1領域と上記第1領域より広い幅に形成された上記第2
領域とからなり、縦断面形状がT字型になるように形成
され、かつ上記コントロールゲートにコントロール電圧
を印加した時に、上記フローティングゲートの電位が最
大になるように上記第1領域の高さが設定されているの
で、上記フローティングゲートへの電子の輸送量を大き
くすることができ、各メモリセルにおける書き込み速度
を速くできる。従って、本発明の第1の半導体メモリ装
置によれば、フラッシュメモリセルを備えたより書き込
み速度の速い半導体メモリ装置を提供することができ
る。
【0027】また、本発明に係る第2の半導体メモリ装
置は、上記フローティングゲートを有してなるメモリセ
ルを備えた半導体メモリ装置において、上記フローティ
ングゲートは、上記第1領域と上記第1領域より広い幅
の第2領域とからなり、縦断面形状がT字型になるよう
に形成されかつ、各メモリセルにおける上記カップリン
グ比が最大になるように上記第1領域の高さが設定され
ているので、上記フローティングゲートの電位を大きく
でき、上記フローティングゲートへの電子の輸送量を大
きくすることができる。従って、本発明の第2の半導体
メモリ装置によれば、各メモリセルにおける書き込み速
度を速くできるので、フラッシュメモリセルを備えたよ
り書き込み速度の速い半導体メモリ装置を提供すること
ができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】 本発明に係る実施の形態の半導体メモリ装置
の平面図である。
【図2】 図1のA−A’線についての断面図である。
【図3】 図1のB−B’線についての断面図である。
【図4】 本実施の形態の半導体メモリ装置におけるフ
ローティングゲートの周りに形成される静電容量を示す
断面図(図2に対応)である。
【図5】 本実施の形態の半導体メモリ装置におけるフ
ローティングゲートの周りに形成される静電容量を示す
断面図(図3に対応)である。
【図6】 本実施の形態の半導体メモリ装置におけるメ
モリセルトランジスタの等価回路である。
【図7】 (Ls+Ld)を一定とした時の、第1領域
7aの高さtに対するフローティングゲート電位VFG
示すグラフである。
【図8】 フローティングゲート電位VFGが最大にな
る、(Ls+Ld)に対する第1領域7aの高さtを示
すグラフである。
【図9】 本発明に係る変形例1の半導体メモリ装置の
断面図である。
【図10】 本発明に係る変形例2の半導体メモリ装置
の断面図である。
【符号の説明】
1 p型基板、2 素子分離領域、4 第1の酸化膜
(トンネル酸化膜)、6 p型拡散領域、7 フローテ
ィングゲート、7a 第1領域、7a 第2領域、8
第2の絶縁膜(インターポリ絶縁膜)、9 リンドープ
ポリシリコン層、10 タングステンシリサイド層、1
1 層間絶縁膜、12 配線、13 チャンネル領域、
14,15 シリコン窒化膜、19 コントロールゲー
ト、31 ソース領域、32 ドレイン領域。

Claims (2)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 p型Si基板の上に、チャンネル領域
    と、そのチャンネル領域の両側に形成されたn型のドレ
    イン領域及びn型のソース領域と、上記チャンネル領域
    の上に第1の酸化膜を介して形成されたフローティング
    ゲートと、該フローティングゲートの上に第2の酸化膜
    を介して形成されたコントロールゲートとを有してなる
    メモリセルを備えた半導体メモリ装置において、 上記フローティングゲートは、上記チャンネル領域上に
    上記第1の酸化膜を介して位置する第1領域と上記第1
    領域より広い幅に形成されかつ上記第2の酸化膜を介し
    て制御ゲートと容量結合する第2領域とからなり、縦断
    面形状がT字型になるように形成され、 上記コントロールゲートにコントロール電圧を印加した
    時に、上記フローティングゲートの電位が最大になるよ
    うに上記第1領域の高さが設定されたことを特徴とする
    半導体メモリ装置。
  2. 【請求項2】 p型Si基板の上に、チャンネル領域
    と、そのチャンネル領域の両側に形成されたn型のドレ
    イン領域及びn型のソース領域と、上記チャンネル領域
    の上に第1の酸化膜を介して形成されたフローティング
    ゲートと、該フローティングゲートの上に第2の酸化膜
    を介して形成されたコントロールゲートとを有してなる
    メモリセルを備えた半導体メモリ装置において、 上記フローティングゲートは、上記チャンネル領域上に
    上記第1の酸化膜を介して位置する第1領域と上記第1
    領域より広い幅に形成されかつ上記第2の酸化膜を介し
    て制御ゲートと容量結合する第2領域とからなり、縦断
    面形状がT字型になるように形成されかつ、 各メモリセルにおける、上記コントロールゲートと上記
    Si基板との間に構成されるメモリセル全体の静電容量
    に対する上記コントロールゲートとフローティングゲー
    トの間の静電容量の比であるカップリング比が最大にな
    るように上記第1領域の高さが設定されたことを特徴と
    する半導体メモリ装置。
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