JP2003282744A - 不揮発性記憶装置 - Google Patents

不揮発性記憶装置

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JP2003282744A JP2002081224A JP2002081224A JP2003282744A JP 2003282744 A JP2003282744 A JP 2003282744A JP 2002081224 A JP2002081224 A JP 2002081224A JP 2002081224 A JP2002081224 A JP 2002081224A JP 2003282744 A JP2003282744 A JP 2003282744A
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gate
substrate
control gate
region
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孝士 ▲高▼村
Takashi Takamura
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Seiko Epson Corp
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    • H01L29/66Types of semiconductor device ; Multistep manufacturing processes therefor
    • H01L29/68Types of semiconductor device ; Multistep manufacturing processes therefor controllable by only the electric current supplied, or only the electric potential applied, to an electrode which does not carry the current to be rectified, amplified or switched
    • H01L29/76Unipolar devices, e.g. field effect transistors
    • H01L29/772Field effect transistors
    • H01L29/78Field effect transistors with field effect produced by an insulated gate
    • H01L29/792Field effect transistors with field effect produced by an insulated gate with charge trapping gate insulator, e.g. MNOS-memory transistors
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Abstract

(57)【要約】 【課題】MONOS型の不揮発性記憶装置において、
書き込み時に電子が注入される位置と、消去時に正孔が
注入される位置とを一致させること。 【解決手段】基板301の上方にONO膜からなる第2
のゲート絶縁層306を介して第1及び第2のコントロ
ールゲート304,305が形成されている。第2のゲ
ート絶縁層は、酸化シリコン層からなる第3層の一部が
除去された構造をとる。これにより、書き込み時に電子
が注入される位置と、消去時に正孔が注入される位置と
を、第3層の段差部近傍に一致させることができる。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、不揮発性記憶装置
に関する。特に、本発明は、MONOS型の不揮発性記
憶装置に関する。
【0002】
【従来の技術】不揮発性記憶装置の一つのタイプとし
て、MONOS(Metal Oxide NitrideOxide Semicondu
ctor)型の記憶装置がある。
【0003】MONOS型の記憶装置の特徴は、チャネ
ル領域とコントロールゲートとの間のゲート絶縁層は、
酸化シリコン層−窒化シリコン層−酸化シリコン層から
なり、その窒化シリコン層に電荷がトラップされるよう
になっていることである。
【0004】図6は、関連技術に係わるMONOS型の
不揮発性記憶装置を示す部分断面図である。
【0005】MONOS型のメモリセル100では、半
導体基板101内に、ソース領域101aとドレイン領
域101bとが、チャネル形成領域を挟んで、離間して
形成されている。チャネル領域の上方には、ゲート絶縁
層104を介してコントロールゲート(CG)103が
形成されている。ゲート絶縁層104は、3層を有し、
半導体基板101上に形成された酸化シリコン層である
第1層104aと、第1層104a上に形成された窒化
シリコン層である第2層104bと、第2層104b上
に形成された酸化シリコン層である第3層104cとか
らなる。
【0006】ゲート絶縁層104は、第2層104bに
トラップ準位を持つ構造である。
【0007】この記憶装置では、第1層104aに飛び
込んだ電子は、第2層104bのトラップ準位に捕獲さ
れる。一旦飛び込み、トラップ準位に捕らえられた電子
は簡単にはトラップ準位から脱出することができず、そ
のまま安定することとなる。
【0008】この状態では、ゲート絶縁層104中に、
具体的には第2層104b中に電子、つまり負電荷が存
在していることになるので、ゲート絶縁層104の閾値
は初期状態に比べ上昇することになる。この閾値変動を
検出することによって、データが書き込まれているか否
かを判断し、記憶装置としての動作を実現する。
【0009】このMONOS型の記憶装置を発展させた
構造に、例えば、特開2001−102466、特開2
001−148434、米国6,255,166B1に
示されるような、スプリットゲート型と呼ばれる構造の
不揮発性記憶装置がある。
【0010】図7は、関連技術に係わるスプリットゲー
ト型の不揮発性記憶装置を示す図である。
【0011】図6の不揮発性記憶装置は、一つのメモリ
セルに、一ビットの情報を記憶するものであるが、図7
に示すスプリットゲート型記憶装置は、一つのメモリセ
ルに2ビットの情報を記憶するものである。
【0012】図7において、メモリセル200では、p
型の半導体基板201内に、ソース領域あるいはドレイ
ン領域となる第1の不純物領域(n型)201aと第2
の不純物領域(n型)201bとが、チャネル形成領域
を挟んで、離間して形成されている。
【0013】スプリットゲート型のメモリセル200
は、半導体基板201の上方に第1のゲート絶縁層20
2を介してワードゲート(WG。以下、WGと略すこと
もある)203が形成されている。そして、WG203
の両側には、それぞれサイドウォール状の第1のコント
ロールゲート(LCG。以下、LCGと略すこともあ
る)204と、第2のコントロールゲート(RCG。以
下、RCGと略すこともある)205とが配置されてい
る。LCG204の底部と半導体基板201との間には
第2のゲート絶縁層206aが設けられている。LCG
204の側面とWG203との間には第1のサイド絶縁
層207aが設けられている。同様に、RCG205の
底部と半導体基板201との間には第3のゲート絶縁層
206bが設けられている。RCG205の側面とWG
203との間には第2のサイド絶縁層207bが設けら
れている。
【0014】第2及び第3のゲート絶縁層206a,2
06bと第1及び第2のサイド絶縁層207a,207
bとは、3層を有し、半導体基板201上に形成された
酸化シリコン層である第1層と、第1層上に形成された
窒化シリコン層である第2層と、第2層上に形成された
酸化シリコン層である第3層からなる。
【0015】図7に示すスプリットゲート型の記憶装置
は、図6の記憶装置に比べて、構造的には複雑である
が、左右対称の構造を持った2ビット記録可能な構造で
ある。
【0016】まず、上述したスプリットゲート型の記憶
装置における書き込み動作を説明する。
【0017】便宜上、メモリセル200において、RC
G205側に書き込みを行うものとして説明する。
【0018】第2の不純物領域(ドレイン領域)201
b、WG203、LCG204およびRCG205に所
定の電圧を印加する。第1の不純物領域(ソース領域)
201aからドレイン領域201bに向かって走る電子
のうち、Hotになった電子、すなわち運動エネルギー
が大きい電子は、RCG205に印加された電圧によ
り、第3のゲート絶縁層206b中に飛び込む。こうし
て、データの書き込みが実現される。
【0019】次に、データの消去方法について説明す
る。
【0020】ドレイン領域201bと、RCG205と
に所定の電圧を印加することで、ドレイン領域201b
のチャネル形成領域近傍ではトンネル効果によるホール
が発生する。この正孔(ホール)がHotな正孔、すな
わち高い運動エネルギーを獲得した状態の正孔となり、
第3のゲート絶縁層206b中に飛び込む。この時、第
2層である窒化シリコン中のトラップ準位に電子がトラ
ップされていた場合、再結合により電子−正孔が消滅す
ることになる。つまり、電荷が消去され最初の状態に戻
ることとなる。これは、BBH(Band−to−Ba
nd tunneling Hole)消去機構、すな
わち、バンド間トンネル伝導による消去方法と言われて
いる。
【0021】
【発明が解決しようとする課題】電子−正孔が再結合し
て初期状態に戻るというのが上記説明の主旨であるが、
電子−正孔が再結合するためには電子−正孔が空間的に
同じ位置に注入される必要があることに注意されたい。
窒化シリコン層は絶縁体であるため、キャリア(電子や
ホール)が窒化シリコン層の構造体中を移動して再結合
することはできないからである。
【0022】図7に示すスプリットゲート型の記憶装置
では、Hot電子による書き込みはWG203近傍で生
じる。
【0023】一方、BBH消去機構による消去は、ドレ
イン端、すなわちドレイン領域201bの端部近傍で生
じる。
【0024】つまり、図7に示すデバイス構造では窒化
シリコン層のトラップ準位に捕らえられた電荷の総和を
0にすることはできても、部分的には正負の電荷が残留
することとなる。さらにこの電荷は互いに打ち消し合う
電荷を供給されることがないので、書き込み及び消去の
サイクルを繰り返す毎に増強されることとなる。
【0025】このように内部で不均一な電荷の残留が生
じると、MOSトランジスタの相互コンダクタンスは著
しく低下する。しかもそれが書き込み及び消去のサイク
ルを繰り返す毎に変化していくため、書き換え可能型メ
モリの構造上、大きな問題になっていた。
【0026】
【課題を解決するための手段】本発明の不揮発性記憶装
置は、基板内にチャネル形成領域を挟んで形成された第
1及び第2の不純物領域と、前記チャネル形成領域の上
方に第1のゲート絶縁層を介して形成されたワードゲー
トと、前記ワードゲートの一方の側面に第1のサイド絶
縁層を介して形成された第1のコントロールゲートと、
前記ワードゲートの他方の側面に第2のサイド絶縁層を
介して形成された第2のコントロールゲートと、前記基
板と前記第1のコントロールゲートとの間に形成された
電荷蓄積領域を有する第2のゲート絶縁層と、前記基板
と前記第2のコントロールゲートとの間に形成された電
荷蓄積領域を有する第3のゲート絶縁層と、を含む不揮
発性記憶装置において、前記基板と前記第1のコントロ
ールゲートとの間の該基板表面に対する垂直方向の電界
は、前記第1の不純物領域の近傍に比べ前記第1のサイ
ド絶縁層の近傍が小さい。
【0027】また本発明の不揮発性記憶装置は、前記基
板と前記第2のコントロールゲートとの間の該基板表面
に対する垂直方向の電界は、前記第2の不純物領域の近
傍に比べ前記第2のサイド絶縁層の近傍が小さい。
【0028】また本発明の不揮発性記憶装置は、基板内
にチャネル形成領域を挟んで形成された第1及び第2の
不純物領域と、前記チャネル形成領域の上方に第1のゲ
ート絶縁層を介して形成されたワードゲートと、前記ワ
ードゲートの一方の側面に第1のサイド絶縁層を介して
形成された第1のコントロールゲートと、前記ワードゲ
ートの他方の側面に第2のサイド絶縁層を介して形成さ
れた第2のコントロールゲートと、前記基板と前記第1
のコントロールゲートとの間に形成された電荷蓄積領域
を有する第2のゲート絶縁層と、前記基板と前記第2の
コントロールゲートとの間に形成された電荷蓄積領域を
有する第3のゲート絶縁層と、を含む不揮発性記憶装置
において、前記第2のゲート絶縁層の膜厚は、前記第1
の不純物領域の近傍に比べ前記第1のサイド絶縁層の近
傍が厚い。
【0029】また本発明の不揮発性記憶装置は、前記第
3のゲート絶縁層の膜厚は、前記第2の不純物領域の近
傍に比べ前記第2のサイド絶縁層の近傍が厚い。
【0030】また本発明の不揮発性記憶装置は、基板内
にチャネル形成領域を挟んで形成された第1及び第2の
不純物領域と、前記チャネル形成領域の上方に第1のゲ
ート絶縁層を介して形成されたワードゲートと、前記ワ
ードゲートの一方の側面に第1のサイド絶縁層を介して
形成された第1のコントロールゲートと、前記ワードゲ
ートの他方の側面に第2のサイド絶縁層を介して形成さ
れた第2のコントロールゲートと、前記基板と前記第1
のコントロールゲートとの間に形成された電荷蓄積領域
を有する第2のゲート絶縁層と、前記基板と前記第2の
コントロールゲートとの間に形成された電荷蓄積領域を
有する第3のゲート絶縁層と、を含む不揮発性記憶装置
において、前記第2のゲート絶縁層は、窒化シリコン層
を挟んで上下に酸化シリコン層が配置された積層膜から
なり、前記第2のゲート絶縁層を構成する前記窒化シリ
コン層は、前記第1の不純物領域の近傍において前記第
1のコントロールゲートと接触している。
【0031】また本発明の不揮発性記憶装置は、前記第
3のゲート絶縁層は、窒化シリコン層を挟んで上下に酸
化シリコン層が配置された積層膜からなり、前記第3の
ゲート絶縁層を構成する前記窒化シリコン層は、前記第
2の不純物領域の近傍において前記第2のコントロール
ゲートと接触している。
【0032】また本発明の不揮発性記憶装置は、基板内
にチャネル形成領域を挟んで形成された第1及び第2の
不純物領域と、前記チャネル形成領域の上方に第1のゲ
ート絶縁層を介して形成されたワードゲートと、前記ワ
ードゲートの一方の側面にサイド絶縁層を介して形成さ
れたコントロールゲートと、前記基板と前記コントロー
ルゲートとの間に形成された電荷蓄積領域を有する第2
のゲート絶縁層と、を含む不揮発性記憶装置において、
前記基板と前記第コントロールゲートとの間の該基板表
面に対する垂直方向の電界は、前記第2の不純物領域の
近傍に比べ前記サイド絶縁層の近傍が小さい。
【0033】また本発明の不揮発性記憶装置は、基板内
にチャネル形成領域を挟んで形成された第1及び第2の
不純物領域と、前記チャネル形成領域の上方に第1のゲ
ート絶縁層を介して形成されたワードゲートと、前記ワ
ードゲートの一方の側面にサイド絶縁層を介して形成さ
れたコントロールゲートと、前記基板と前記コントロー
ルゲートとの間に形成された電荷蓄積領域を有する第2
のゲート絶縁層と、を含む不揮発性記憶装置において、
前記第2のゲート絶縁層の膜厚は、前記第2の不純物領
域の近傍に比べ前記サイド絶縁層の近傍が厚い。
【0034】また本発明の不揮発性記憶装置は、基板内
にチャネル形成領域を挟んで形成された第1及び第2の
不純物領域と、前記チャネル形成領域の上方に第1のゲ
ート絶縁層を介して形成されたワードゲートと、前記ワ
ードゲートの一方の側面にサイド絶縁層を介して形成さ
れたコントロールゲートと、前記基板と前記コントロー
ルゲートとの間に形成された電荷蓄積領域を有する第2
のゲート絶縁層と、を含む不揮発性記憶装置において、
前記第2のゲート絶縁層は、窒化シリコン層を挟んで上
下に酸化シリコン層が配置された積層膜からなり、前記
第2のゲート絶縁層を構成する前記窒化シリコン層は、
前記第2の不純物領域の近傍において前記コントロール
ゲートと接触している。
【0035】また本発明の不揮発性記憶装置は、基板内
にチャネル形成領域を挟んで形成された第1及び第2の
不純物領域と、前記チャネル形成領域の上方にゲート絶
縁層を介して形成されたコントロールゲートと、を含む
不揮発性記憶装置において、前記基板と前記コントロー
ルゲートとの間の該基板表面に対する垂直方向の電界
は、前記第1及び第2の不純物領域の近傍に比べ前記第
コントロールゲートのゲート長方向における中央領域が
小さい。
【0036】また本発明の不揮発性記憶装置は、基板内
にチャネル形成領域を挟んで形成された第1及び第2の
不純物領域と、前記チャネル形成領域の上方にゲート絶
縁層を介して形成されたコントロールゲートと、を含む
不揮発性記憶装置において、前記第ゲート絶縁層は、窒
化シリコン層を挟んで上下に酸化シリコン層が配置され
た積層膜からなり、前記ゲート絶縁層を構成する前記窒
化シリコン層は、前記第1及び第2の不純物領域の近傍
において前記コントロールゲートと接触している。
【0037】このような構成によれば、書き込み及び消
去のサイクルに耐え得るMONOS型の不揮発性記憶装
置を提供することができる。
【0038】
【発明の実施の形態】1.第1の実施の形態 図1は、第1の実施の形態に係る、一つのワードゲート
について2ビットの情報を記憶するスプリットゲート型
記憶装置の部分断面図である。
【0039】図1において、メモリセル300では、p
型の半導体基板301内に、ソース領域あるいはドレイ
ン領域となる第1の不純物領域(n型)301aと第2
の不純物領域(n型)301bとが、チャネル形成領域
を挟んで、離間して形成されている。
【0040】また、チャネル形成領域の上方に第1のゲ
ート絶縁層302を介してワードゲート(WG。以下W
Gと略すこともある)303が形成されている。そし
て、ワードゲート303の両側には、それぞれサイドウ
ォール状の第1のコントロールゲート(LCG。以下、
LCGと略すこともある)304と、第2のコントロー
ルゲート(RCG。以下、RCGと略すこともある)3
05とが配置されている。ここでコントロールゲートが
サイドウォール状であるとは、コントロールゲートの断
面形状が、従来のMOSトランジスタにおけるサイドウ
ォール絶縁層の断面構造と同様であるという意味であ
る。
【0041】LCG304の底部と半導体基板301と
の間には第2のゲート絶縁層306aが設けられてい
る。LCG304の側面とWG303との間には第1の
サイド絶縁層307aが設けられている。同様に、RC
G305の底部と半導体基板301との間には第3のゲ
ート絶縁層306bが設けられている。RCG305の
側面とWG303との間には第2のサイド絶縁層307
bが設けられている。
【0042】第2及び第3のゲート絶縁層306a,3
06bと第1及び第2のサイド絶縁層307a,307
bとは、3層を有し、半導体基板301上に形成された
酸化シリコン層である第1層と、第1層上に形成された
窒化シリコン層である第2層と、第2層上に形成された
酸化シリコン層である第3層とからなる。すなわち、第
2及び第3のゲート絶縁層306a,306bと第1及
び第2のサイド絶縁層307a,307bとは、ONO
膜である。
【0043】第2及び第3のゲート絶縁層306a,3
06bは、窒化シリコン層である第2層に電荷蓄積領域
(トラップ準位)を持つ構造である。
【0044】尚、第1及び第2のサイド絶縁層307
a,307bはワードゲートとコントロールゲートとの
絶縁を果たせればよく、必ずしもONO膜である必要は
無い。例えば、単層の酸化シリコン層や、酸化シリコン
層と窒化シリコン層との積層でも良い。
【0045】第3層の酸化シリコン層は、矢印gで示す
ゲート長方向において、第2層の窒化シリコン層よりも
短く形成されている。詳細には、第2層は、WG303
側ではその上部が第3層に覆われている。一方、第1及
び第2の不純物領域301a,301b側では第2層の
上部は第3層に覆われることなく、LCG304,LC
G305の底面と接触している。言い換えれば、第3層
の一部を除去し、ONO膜に段差部を設けたものであ
る。
【0046】図2を用いてさらに詳細に説明する。図2
は、ONO膜のゲート長方向gにおける各層の長さの違
いを説明するための拡大部分断面図である。
【0047】第1層306dと第2層306eとのゲー
ト長方向gにおける長さは同一である(この長さをL2
とする)。これに対し、第3層306fは、第1層30
6d及び第2層306eよりも短い。(第3層306f
の長さをL1とすると、L2>L1となる)。また、第
2の不純物領域301bの端部308と第3層306f
の端部309とのゲート長方向gにおける長さはL3と
なる。
【0048】次に、上述した構造における書き込み、及
び消去の動作を説明する。
【0049】まず、書き込み動作について説明する。こ
こではメモリセル300のRCG305側に書き込みを
行うものとして説明する。なお、この構造は左右対称で
あるため、LCG304側の書き込みは、RCG305
に書き込む際に各構成に印加する電圧をそれぞれ左右逆
にすることによって実現できる。
【0050】まず、LCG304に十分高い電圧、例え
ば3V程度を印加する。さらにWG303に、閾値より
も若干高い電圧、例えば閾値が0.5Vとして1V程度
の電圧を印加する。第2の不純物領域301bには、電
子を加速するに十分な電圧、例えば5Vを印加する。R
CG305には第2の不純物領域301bよりも高い電
圧、例えば6Vを印加する。
【0051】この状態でこのデバイスに流れる電流は、
WG303で制限される電流値、例えば10μA程度の
値に制御することができる。
【0052】このとき、RCG305下方のチャネル形
成領域に着目すると、第2の不純物領域301b近傍
に、極めて強い反転層、すなわち深い反転層が形成され
る。これは、第3層306fの一部がRCG305側で
除去されているためである。この反転層の電子伝導度は
極めて高いものとなっている。つまり、RCG305下
方のチャネル形成領域であって、第2の不純物領域30
1bの近傍は、ほぼ第2の不純物領域301bと等価な
状態と考えることができる。
【0053】このため、Hot電子は、第3のゲート絶
縁層306bの厚みが異なる領域に近いところで発生す
ることになり、書き込みはこの位置で行われることにな
る。
【0054】ここで、第3層の端部309下方における
半導体基板301とRCG305との間の半導体基板3
01の表面に対する垂直方向の電界に関して検討する。
第3のゲート絶縁層306bが3層の絶縁層から構成さ
れている部分(L1の部分)の電界をE1と定義する。
また第3のゲート絶縁層306bが2層の絶縁層から構
成されている部分(L3の部分)の電界をE2と定義す
る。E1とE2とを比べると、E2は、E1よりも大き
い。これは、電界は電位差/距離であり、同じ電位差な
ら膜厚が薄い、すなわち距離が小さいところでは電界強
度は増加するからである。すなわち、このデバイスにお
いて、コントロールゲートと半導体基板との間の垂直方
向の電界は、キャリアの進行方向に沿って異なる。
【0055】従って、キャリアであるHot電子は、第
3のゲート絶縁層306bの厚みが異なる領域に近いと
ころで運動エネルギーが最大となって、RCG305に
引っ張られるように、キャリア保持部である第2層30
6eに引き込まれる。こうして、データの書き込みが実
現される。
【0056】次に、消去動作について図3を参照しなが
ら説明する。図3は電子のポテンシャルエネルギーを縦
軸、実空間座標を横軸としたバンド図であり、第2の不
純物領域301bの端部308近傍(pn接合部分)の
状態を示している。
【0057】まず、第2の不純物領域301bに高い正
の電圧、例えば5Vを印加し、RCG305に負の電圧
例えば−5Vを印加する。
【0058】その結果、n型領域である第2の不純物領
域301bにおいて、電子のポテンシャルエネルギーが
小さくなる。(図3において、n型領域の電子のポテン
シャルエネルギーが矢印方向にシフトする)。ここで高
濃度のpn接合では、空乏層の厚みは数nmと非常に小
さいため、p型価電子帯にある電子はn型伝導帯中へト
ンネル効果により移動することが可能となる。つまり、
電子の移動に伴い、p型領域である第2の不純物領域3
01bの端部308近傍には正孔が発生することにな
る。すなわち、端部308近傍にはホール蓄積層が形成
されたことを意味する。
【0059】ここで、第3のゲート絶縁層が2層から構
成されている領域(L3の部分)と、3層から構成され
ている領域(L1の部分)との電界に着目する。2層領
域においては、ホール蓄積層が形成されているため、キ
ャリアの伝導度は高い。従って横方向(ゲート長方向
g)の電界は相対的に小さい。またゲート絶縁層の膜厚
が薄いために、垂直方向の電界は相対的に大きい。従っ
て、端部308近傍で発生した正孔は、2層領域ではゲ
ート絶縁層中に飛び込むことができない。
【0060】一方、3層領域では、横方向の電界は相対
的に大きく、垂直方向の電界は相対的に小さい。従っ
て、端部308近傍で発生した正孔は、2層領域と3層
領域との境界部で大きなエネルギーを持つこととなり、
第3のゲート酸化層306b中に飛び込むことになる。
すなわち、第3のゲート絶縁層306bの厚みが異なる
領域に近いところで正孔の注入が行なわれ、消去はこの
位置で行なわれることになる。
【0061】このようにして窒化シリコン層である第2
層306e内において、書き込み時に電子が注入される
位置と消去時に正孔が注入される位置とを一致させるこ
とができる。それ故、書き込み/消去サイクルを繰り返
しても劣化しない記憶装置を実現することができる。
【0062】ここで、第2及び第3のゲート絶縁層膜の
各層について考察する。
【0063】第1層と第3層との酸化シリコン層はとも
25オングストローム以上の厚さが必要である。その理
由は、直接的なトンネル効果が顕著となる25オングス
トローム未満では、電荷が室温においてもゲート電極や
半導体基板に逃げてしまい、記憶装置としての性能を保
つことが困難となるからである。
【0064】第2層の窒化シリコン層であるが、界面に
おけるトラップ準位に電荷は蓄積されるので厚さは1原
子分でも原理的には十分である。しかし、この上に形成
される酸化シリコン層を形成する際に、800℃近い酸
化雰囲気を用いる場合、窒化シリコン層の厚さが20オ
ングストローム未満だと酸化種が窒化シリコン層を貫通
し下側の酸化シリコン層を変質させてしまう。従って、
その場合は、20オングストローム以上の膜厚が必要で
ある。
【0065】次に、第2及び第3のゲート絶縁層の総膜
厚について検討する。
【0066】ゲート絶縁層には消去時に8V程度の電圧
がかかることとなる。消去という短い時間にのみかかる
電界なので15MV/cm程度まで耐えうるものとし
て、ゲート絶縁層の膜厚の総和は最も薄いところでも6
0オングストローム程度が必要である。
【0067】一方、ゲート絶縁層の最も厚い部分の膜厚
が厚くなりすぎると、この部分での閾値が上がりすぎ消
去時においても電流が流れなくなってしまう。従って、
ゲート絶縁層の膜厚は、250オングストローム以下が
好ましい。
【0068】2.変形例 変形例として、本実施の形態の記憶装置は、図4に示す
ような構造であってもよい。図4は、第1の実施の形態
に係わる記憶装置の変形例を示す部分断面図である。
【0069】図4では、図1及び図2で説明した構成要
素と同一の構成要素については同一の符号を付し、説明
は省略し、異なる点のみを説明する。
【0070】本変形例が、上述した実施の形態と異なる
点は、WGの片側にのみコントロールゲートが形成され
ていることである。つまり、図1と比較すると、RCG
305のみが存在し、LCGが無い構造となる。図4の
場合、左側にはサイドウォール絶縁層304が形成され
ている。また第1の不純物領域301aの端部310
は、その端部310の位置を半導体基板301上に投影
した場合に、ワードゲート303の下方にまで延長した
構造となる。
【0071】この構造の利点としては、片側にのみのコ
ントロールゲートであるため、両側にある場合に比べて
制御が単純になる事が挙げられる。
【0072】以上説明したように、本実施の形態によれ
ば、書き込み/消去位置を予め決められた位置に一致さ
せることが可能となり、書き込み/消去サイクルを繰り
返しても劣化しない記憶装置を実現することができる。
【0073】3.第2の実施の形態 次に、第2の実施の形態に係る不揮発性記憶装置につい
て説明する。
【0074】図5は、第2の実施の形態に係る不揮発性
記憶装置の構造を示す部分断面図である。
【0075】図5において、メモリセル400では、p
型の半導体基板401内に、ソース領域あるいはドレイ
ン領域となる第1の不純物領域(n型)401aと第2
の不純物領域(n型)401bとが、チャネル形成領域
を挟んで、離間して形成されている。
【0076】チャネル形成領域の上方に第1のゲート絶
縁層402を介してワードゲート(WG)403が形成
されている。
【0077】ゲート絶縁層402は、3層を有し、半導
体基板401上に形成された酸化シリコン層である第1
層と、第1層上に形成された窒化シリコン層である第2
層と、第2層上に形成された酸化シリコン層である第3
層からなる。
【0078】第3層の酸化シリコン層は、ゲート長方向
gにおいて第2層402bの中央部分に位置するように
設けられている。従って、ONO構造のゲート絶縁層4
02において、第3層402cと第2層402bによっ
て段差部が形成されている。
【0079】本実施の形態においても、第1の実施の形
態と同様に、書き込み/消去位置をその段差部近傍に局
在化させることが可能となり、書き込み/消去サイクル
を繰り返しても劣化しない記憶素子が実現する。
【0080】尚、上記のデバイス構造では、段差部近傍
の第2層402bにそれぞれデータをストアできるの
で、2ビットデータの記憶をすることができる。
【0081】以上、本発明の2つの実施の形態について
述べたが、本発明はこれらに限定されず、本発明の要旨
の範囲内で種々の態様をとりうる。たとえば、上記実施
の形態では、半導体層としてバルク状の半導体基板を用
いたが、SOI基板の半導体層を用いてもよい。
【図面の簡単な説明】
【図1】 本発明の第1の実施形態を示す図である。
【図2】 本発明の第1の実施形態を示す図である。
【図3】 本発明の第1の実施形態の消去メカニズムを
説明する図である。
【図4】 本発明の第1の実施形態の変形例を示す図で
ある。
【図5】 本発明の第2の実施形態を示す図である。
【図6】 公知の関連技術を示す図である。
【図7】 公知の関連技術を示す図である。
【符号の説明】
300・・・メモリセル、301・・・半導体基板、3
01a・・・第1の不純物領域、301b・・・第2の
不純物領域、302・・・第1のゲート絶縁層、303
・・・ワードゲート、304・・・第1のコントロール
ゲート、305・・・第2のコントロールゲート、30
6・・・第2のゲート絶縁層、307・・・絶縁層
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き Fターム(参考) 5B025 AA07 AC01 AE08 5F083 EP18 EP23 EP28 EP32 EP33 EP34 EP35 ER02 ER05 ER06 ER11 GA21 HA02 PR09 ZA21 5F101 BA45 BB03 BB05 BC12 BD22 BD30 BE05 BE07 BF05

Claims (11)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 基板内にチャネル形成領域を挟んで形成
    された第1及び第2の不純物領域と、 前記チャネル形成領域の上方に第1のゲート絶縁層を介
    して形成されたワードゲートと、 前記ワードゲートの一方の側面に第1のサイド絶縁層を
    介して形成された第1のコントロールゲートと、 前記ワードゲートの他方の側面に第2のサイド絶縁層を
    介して形成された第2のコントロールゲートと、 前記基板と前記第1のコントロールゲートとの間に形成
    された電荷蓄積領域を有する第2のゲート絶縁層と、 前記基板と前記第2のコントロールゲートとの間に形成
    された電荷蓄積領域を有する第3のゲート絶縁層と、を
    含む不揮発性記憶装置において、 前記基板と前記第1のコントロールゲートとの間の該基
    板表面に対する垂直方向の電界は、前記第1の不純物領
    域の近傍に比べ前記第1のサイド絶縁層の近傍が小さ
    い、不揮発性記憶装置。
  2. 【請求項2】 請求項1において、 前記基板と前記第2のコントロールゲートとの間の該基
    板表面に対する垂直方向の電界は、前記第2の不純物領
    域の近傍に比べ前記第2のサイド絶縁層の近傍が小さ
    い、不揮発性記憶装置。
  3. 【請求項3】 基板内にチャネル形成領域を挟んで形成
    された第1及び第2の不純物領域と、 前記チャネル形成領域の上方に第1のゲート絶縁層を介
    して形成されたワードゲートと、 前記ワードゲートの一方の側面に第1のサイド絶縁層を
    介して形成された第1のコントロールゲートと、 前記ワードゲートの他方の側面に第2のサイド絶縁層を
    介して形成された第2のコントロールゲートと、 前記基板と前記第1のコントロールゲートとの間に形成
    された電荷蓄積領域を有する第2のゲート絶縁層と、 前記基板と前記第2のコントロールゲートとの間に形成
    された電荷蓄積領域を有する第3のゲート絶縁層と、を
    含む不揮発性記憶装置において、 前記第2のゲート絶縁層の膜厚は、前記第1の不純物領
    域の近傍に比べ前記第1のサイド絶縁層の近傍が厚い、
    不揮発性記憶装置。
  4. 【請求項4】 請求項3において、 前記第3のゲート絶縁層の膜厚は、前記第2の不純物領
    域の近傍に比べ前記第2のサイド絶縁層の近傍が厚い、
    不揮発性記憶装置。
  5. 【請求項5】 基板内にチャネル形成領域を挟んで形成
    された第1及び第2の不純物領域と、 前記チャネル形成領域の上方に第1のゲート絶縁層を介
    して形成されたワードゲートと、 前記ワードゲートの一方の側面に第1のサイド絶縁層を
    介して形成された第1のコントロールゲートと、 前記ワードゲートの他方の側面に第2のサイド絶縁層を
    介して形成された第2のコントロールゲートと、 前記基板と前記第1のコントロールゲートとの間に形成
    された電荷蓄積領域を有する第2のゲート絶縁層と、 前記基板と前記第2のコントロールゲートとの間に形成
    された電荷蓄積領域を有する第3のゲート絶縁層と、を
    含む不揮発性記憶装置において、 前記第2のゲート絶縁層は、窒化シリコン層を挟んで上
    下に酸化シリコン層が配置された積層膜からなり、 前記第2のゲート絶縁層を構成する前記窒化シリコン層
    は、前記第1の不純物領域の近傍において前記第1のコ
    ントロールゲートと接触している、不揮発性記憶装置。
  6. 【請求項6】 請求項5において、 前記第3のゲート絶縁層は、窒化シリコン層を挟んで上
    下に酸化シリコン層が配置された積層膜からなり、 前記第3のゲート絶縁層を構成する前記窒化シリコン層
    は、前記第2の不純物領域の近傍において前記第2のコ
    ントロールゲートと接触している、不揮発性記憶装置。
  7. 【請求項7】 基板内にチャネル形成領域を挟んで形成
    された第1及び第2の不純物領域と、 前記チャネル形成領域の上方に第1のゲート絶縁層を介
    して形成されたワードゲートと、 前記ワードゲートの一方の側面にサイド絶縁層を介して
    形成されたコントロールゲートと、 前記基板と前記コントロールゲートとの間に形成された
    電荷蓄積領域を有する第2のゲート絶縁層と、を含む不
    揮発性記憶装置において、 前記基板と前記第コントロールゲートとの間の該基板表
    面に対する垂直方向の電界は、前記第2の不純物領域の
    近傍に比べ前記サイド絶縁層の近傍が小さい、不揮発性
    記憶装置。
  8. 【請求項8】 基板内にチャネル形成領域を挟んで形成
    された第1及び第2の不純物領域と、 前記チャネル形成領域の上方に第1のゲート絶縁層を介
    して形成されたワードゲートと、 前記ワードゲートの一方の側面にサイド絶縁層を介して
    形成されたコントロールゲートと、 前記基板と前記コントロールゲートとの間に形成された
    電荷蓄積領域を有する第2のゲート絶縁層と、を含む不
    揮発性記憶装置において、 前記第2のゲート絶縁層の膜厚は、前記第2の不純物領
    域の近傍に比べ前記サイド絶縁層の近傍が厚い、不揮発
    性記憶装置。
  9. 【請求項9】 基板内にチャネル形成領域を挟んで形成
    された第1及び第2の不純物領域と、 前記チャネル形成領域の上方に第1のゲート絶縁層を介
    して形成されたワードゲートと、 前記ワードゲートの一方の側面にサイド絶縁層を介して
    形成されたコントロールゲートと、 前記基板と前記コントロールゲートとの間に形成された
    電荷蓄積領域を有する第2のゲート絶縁層と、を含む不
    揮発性記憶装置において、 前記第2のゲート絶縁層は、窒化シリコン層を挟んで上
    下に酸化シリコン層が配置された積層膜からなり、 前記第2のゲート絶縁層を構成する前記窒化シリコン層
    は、前記第2の不純物領域の近傍において前記コントロ
    ールゲートと接触している、不揮発性記憶装置。
  10. 【請求項10】 基板内にチャネル形成領域を挟んで形
    成された第1及び第2の不純物領域と、 前記チャネル形成領域の上方にゲート絶縁層を介して形
    成されたコントロールゲートと、を含む不揮発性記憶装
    置において、 前記基板と前記コントロールゲートとの間の該基板表面
    に対する垂直方向の電界は、前記第1及び第2の不純物
    領域の近傍に比べ前記第コントロールゲートのゲート長
    方向における中央領域が小さい、不揮発性記憶装置。
  11. 【請求項11】 基板内にチャネル形成領域を挟んで形
    成された第1及び第2の不純物領域と、 前記チャネル形成領域の上方にゲート絶縁層を介して形
    成されたコントロールゲートと、を含む不揮発性記憶装
    置において、 前記第ゲート絶縁層は、窒化シリコン層を挟んで上下に
    酸化シリコン層が配置された積層膜からなり、 前記ゲート絶縁層を構成する前記窒化シリコン層は、前
    記第1及び第2の不純物領域の近傍において前記コント
    ロールゲートと接触している、不揮発性記憶装置。
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