JP2004186490A - Nonvolatile semiconductor memory device - Google Patents
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Abstract
Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、電荷蓄積型の不揮発性メモリに関するものである。
【0002】
【従来の技術】
従来、フローティングゲートに電荷を蓄積するタイプの不揮発性メモリとして、例えばフラッシュメモリがある。図10に従来におけるフラッシュメモリの断面図を示す。図10に示すように、このフラッシュメモリは、P型シリコン基板1の上に、N型ウェル61と、P型ウェル2とが形成されている半導体基板62を有している。
【0003】
半導体基板62の上には、シリコン酸化膜により構成されたトンネル膜63と、ポリシリコンにより構成されたフローティングゲート5と、ONO膜により構成された層間絶縁膜6と、コントロールゲート7とが順に形成されている。このように、半導体基板3の表面上には、2層ポリシリコンゲート電極構造が形成されている。さらに、この2層ポリシリコンゲート電極構造の側壁には、シリコン酸化膜より構成されたサイドウォール8が形成されている。
【0004】
半導体基板3の表層のうち、この2層ポリシリコンゲート電極構造の両側に、N+型ソース領域9と、N+型ドレイン領域10とが形成されている。ドレイン領域10の周りにはP−型ポケット層11が形成されており、言い換えると、ポケット層11内に、ポケット層11よりも深さが浅いドレイン領域10が形成されている。
【0005】
図11に従来のフラッシュメモリにおける動作電圧の一例を示し、図12、13に書き込み及び消去バイアス時のメモリセルアレーを示す。書き込みにCHE(Channel Hot Electron)、消去に基板からのFN(Fowler−Nordheim)トンネル電流を利用した一般的なフラッシュメモリでは、その書き込み、消去時に必要とする電圧は、図11に示すようになる。なお、Vcg、Vs、Vd、Vbはそれぞれ、コントロールゲート7、ソース領域9、ドレイン領域10、P型ウェル2に印加する電圧値である。
【0006】
書き込み時には、コントロールゲート7に高い電圧を印加した上で、ドレイン領域10、ソース領域9との間に電圧を印加する。これによりドレイン領域10、ソース領域9との間に電流が流れ、CHEと呼ばれるエネルギーの高い電子が発生し、このCHEがフローティングゲート5に注入される。この場合、例えば12V、6Vの2種類の電圧を印加する必要がある。
【0007】
これは次の理由のためである。CHEを発生させるためには、フローティングゲート5とドレイン領域10に同等の大きさの電圧を印加する必要がある。フローティングゲート5とコントロールゲート7との間には層間絶縁膜6が形成されているため、フローティングゲート5に所望の電圧を印加するためには、その所望の電圧よりも大きな電圧をコントロールゲート7に印加する必要がある。したがって、書き込み時には、ドレイン領域10よりもコントロールゲート7に大きな電圧を印加しなければならない。
【0008】
また、消去時には、コントロールゲート7に負バイアスを印加し、ソース領域9及び基板3に正バイアスを印加する。これにより、フローティングゲート5に蓄えられている電子が、フローティングゲート5と基板3を隔てているゲート絶縁膜63をFNトンネリングにより通過する。これにより、電子がフローティングゲート5から引き抜かれ、初期の状態へ戻る。この場合、例えば一6v、8vの2種類の電圧を印加する必要である。
【0009】
これは、FNトンネリングをさせるためには、フローティングゲート5とソース領域9及びP型ウェル2との間に高電位差を生じさせる必要があるためである。例えば、ゲート絶縁膜4の膜厚が8.5〜11nmのとき、トンネル膜63にかかる電界の大きさを10MV/cmとする必要があるため、上述の2種類の大きさの電圧を印加する必要がある。
【0010】
次にセルがアレー状に配置されている場合の書き込みと消去を説明する。書き込み時は、図12に示すように、書き込みを行うセル13に対して、コントロールゲート7に接続されているワード線(Word線)23に12V、ドレイン領域10に接続されているビット線(bit線)32に6Vの電圧を印加することで書き込みを行う。さらに、セル14にも書き込みを行う際には、セル13の書き込みが終わった後に、ワード線21とビット線32に電圧を印加して書き込みを行う。一方、消去時は、図13に示すように、P型ウェル2に8V、ワード線21〜24に−6V、ソース領域9に8Vを印加することで全てのセルを一括消去する。
【0011】
なお、上述したように、不揮発性メモリの書き込み、消去時において、複数の大きさの電圧を印加する必要があることを記載している文献としては例えば特許文献1がある。
【0012】
【特許文献1】
特許第2660734号公報
【0013】
【発明が解決しようとする課題】
上述したようにフローティングゲートに電荷を蓄積するタイプの不揮発性メモリでは、書き込み、消去時に複数の電圧が必要となる。このため、これらの電圧を発生するための周辺回路として、昇圧回路、負バイアス回路が必要となる。これらの回路は、通常ロジックゲートを形成するよりも高い耐圧を有するトランジスタや、比較的大きい容量のキャパシタ等で構成される。したがって、周辺回路面積が大きくなってしまうことから、不揮発性メモリ全体がその分大きくなってしまうという問題がある。
【0014】
特に、メモリ容量が小さな不揮発性メモリでは、メモリ容量が小さい程、不揮発性メモリ全体における周辺回路の占有面積が大きくなるため、周辺回路面積がメモリ素子の占める面積より大きくなってしまう。したがって、周辺回路面積が大きいことから、メモリ容量を小さくしても、装置全体の面積を縮小させることができない。
【0015】
本発明は上記点に鑑みて、周辺回路を簡略化することで、周辺回路面積を小さくすることができる新たな構造の不揮発性半導体記憶装置を提供することを目的とする。
【0016】
【課題を解決するための手段】
上記従来技術の欄に記載したように、従来の不揮発性メモリでは、書き込み、消去には、CHE現象及びFNトンネル現象を利用するため、コントロールゲート、ドレイン領域等に大きさが異なる電圧を印加しなければならなかった。そこで、本発明者らは、ドレイン電圧よりもゲート電圧の方が低いときにみられるドレインアバランシェ・ホットエレクトロン(Drain Avalanche Hot Electron;以下では、DAHEと略称する)、ドレインアバランシェ・ホットホール(Drain Avalanche Hot Hole;以下では、DAHHと略称する)によるゲート電流に着目し、以下の発明を創出した。
【0017】
上記目的を達成するため、請求項1に記載の発明では、ドレインアバランシェ・ホットエレクトロンを用いて書き込みを行い、ドレインアバランシェ・ホットホールを用いて消去を行うことができ、かつ、書き込み及び消去のときに必要な印加電圧の大きさが1種類となるようにメモリ素子のカップリング比が調整されていることを特徴としている。
【0018】
このように、書き込み、消去の際に必要とする電圧の大きさを1種類にすることで、複数の種類の電圧を用いて、書き込み、消去を行うものと比較して、周辺回路を簡略化することができる。この結果、複数の種類の電圧を用いて、書き込み、消去を行うものと比較して、周辺回路面積を縮小することができる。
【0019】
なお、具体的には、メモリ素子のカップリング比を例えば以下の3つの条件式を満たすように調整する。
【0020】
▲1▼{(Cfc+Cfd)/(Cfc+Cfd+Cf+Cfs)}×Vw≒(1/2)×Vw、
▲2▼{Cfd/(Cf+Cfs+Cfc+Cfd)}×Ve=(DAHHが発生するフローティングゲート電圧)、
▲3▼Vw=Ve、
ここで、Cfdはフローティングゲートとドレイン領域の間の結合容量であり、Cfcはフローティングゲートとコントロールゲートの間の結合容量であり、Cfsはフローティングゲートとソース領域の間の結合容量であり、Cfはトンネル膜のゲート容量であり、Vwは書き込み時にコントロールゲートとドレイン領域に印加する電圧であり、Veは消去時にドレイン領域に印加する電圧である。
【0021】
請求項2に記載の発明では、フローティングゲート(5)とドレイン領域(10)との間の結合容量が、ドレインアバランシェ・ホットエレクトロンを用いて書き込みを行い、ドレインアバランシェ・ホットホールを用いて消去を行うことができ、かつ、書き込み及び消去のときに必要な印加電圧の大きさが一種類となるように、調整されていることを特徴としている。
【0022】
Cf、Cfcは一般に電荷保持特性、書き換え時間等の条件から制約が大きく、設計自由度が小さい。そこで、請求項2に示すように、他の各結合容量は一般的な不揮発性半導体記憶装置と同様に、電荷保持特性、書き換え時間等の条件を満たすように設定したまま、フローティングゲートとドレイン領域との間の結合容量Cfdを調整することが好ましい。
【0023】
例えば、請求項3に示すように、フローティングゲート(5)とドレイン領域(10)とのオーバーラップ長(12)により、フローティングゲート(5)とドレイン領域(10)との間の結合容量を調整することができる。
【0024】
また、請求項4に示すように、フローティングゲート(5)の上に絶縁膜(6)を介して形成され、ドレイン領域(10)と電気的に接続された導電膜(51)を有し、フローティングゲート(5)と導電膜(51)のオーバーラップ長(52)により、フローティングゲート(5)とドレイン領域(10)との間の結合容量を調整することができる。
【0025】
メモリセルをアレー状に配置する場合では、請求項5に示すように、同一ビット線に接続されたメモリセルのうち、書き込み予定のメモリセル全てに対して、同時に書き込みを行うのが好ましい。
【0026】
なお、上記各手段の括弧内の符号は、後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係を示すものである。
【0027】
【発明の実施の形態】
(第1実施形態)
図1に本発明を適用した第1実施形態における不揮発性半導体記憶装置としてのフラッシュメモリの断面図を示す。なお、図10に示すフラッシュメモリと同一の構造部には同一の符号を付している。
【0028】
図1に示すように、このフラッシュメモリは、P型シリコン基板1の上にP型ウェル2が形成されている半導体基板3を有している。半導体基板3の表面上には、ゲート絶縁膜4、フローティングゲート5、層間絶縁膜6、コントロールゲート7とからなる2層ポリシリコンゲート電極構造及びサイドウォール8が形成されている。
【0029】
また、半導体基板3の表層のうち、この2層ポリシリコンゲート電極構造の両側に、N+型ソース領域9と、N+型ドレイン領域10及びP型ポケット層11とが形成されている。
【0030】
また、本実施形態では半導体基板3を上方から見たとき、ドレイン領域10とフローティングゲート5とは一部が重なり合っている。なお、以下ではこの重なり合っている部分の長さをオーバーラップ長12と呼ぶ。
【0031】
このフラッシュメモリでは、以下にて説明するように、書き込み動作においてDAHEと呼ばれる高エネルギー電子を用い、消去動作においてDAHHと呼ばれる高エネルギーホールとを用いることができ、かつ、これらのDAHE、DAHHを一種類の大きさの電圧をフラッシュメモリに印加することで発生させることができるように、オーバーラップ長12が調整されている。
【0032】
ここで、DAHE、DAHHについて説明する。「ホットキャリア効果」、武田英次著、日経マグロウヒル社、p33、34や、特開2000−306390号公報等に記載されているように、ホットキャリアのゲート注入によるゲート電流は、チャネル電流が流れるゲート電圧領域でゲート電圧が低い方から、DAHH、DAHE、CHEといったゲート電流が観測されることが知られている。
【0033】
具体的には、ゲート電極(フローティングゲート)におけるDAHEの注入によるゲート電流は、ゲート電極の電圧値がドレイン領域の電圧値に対して1/2付近のとき、最も大きくなる。また、前者の文献では、ゲート電極におけるこのDAHHの注入によるゲート電流は、ドレイン電圧、ゲート電圧がそれぞれ、例えば、約7.0V、約1.8Vのとき、最も大きくなることが記載されている。
【0034】
このことから、フラッシュメモリにおいて、DAHE、DAHHを発生させるためには、次のようにメモリ素子のカップリング比を調整する必要がある。
【0035】
▲1▼コントロールゲート7とドレイン領域10に同一の書き込み電圧Vwを印加したとき、フローティングゲート5に印加される電圧がドレイン領域10に印加される電圧の約1/2となること、▲2▼ドレイン領域10に消去電圧Veを印加したとき、フローティングゲート5に印加される電圧がDAHHの発生する電圧(なお、このときの電圧はドレイン構造によって異なる)となること、▲3▼Vw=Veとなることである。
【0036】
これらの条件を式で示すと次のようになる。フローティングゲート5とドレイン領域10の間の結合容量をCfd、フローティングゲート5とコントロールゲート7の間の結合容量をCfc、フローティングゲート5とソース領域9の間の結合容量をCfs、ゲート絶縁膜4でのゲート容量をCfとし、書き込み時にて、コントロールゲート7と、ドレイン領域10に印加する電圧をVwとし、消去時にて、ドレイン領域10に印加する電圧をVeとしたとき、
▲1▼{(Cfc+Cfd)/(Cfc+Cfd+Cf+Cfs)}×Vw≒(1/2)×Vw
▲2▼{Cfd/(Cf+Cfs+Cfc+Cfd)}×Ve=(DAHHの発生するフローティングゲート電圧)
▲3▼Vw=Ve
となる。
【0037】
一般にCf、Cfcは電荷保持特性、書き換え時間等の条件から制約が大きく、設計自由度が小さい。このため、本実施形態では、メモリ素子のカップリング比のうち、Cf、Cfc、Cfsを電荷保持特性、書き換え時間等の条件を満たすように従来と同様に設定し、ドレイン領域10とフローティングゲート5とのオーバーラップ長12を調整することで、Cfdを調節している。このようにCfdを調整することで、上記した3つの条件式が満たされている。
【0038】
次に、本実施形態におけるフラッシュメモリの書き込みと消去動作について説明する。
【0039】
図2に動作電圧の一例を示す。図2に示すように、書き込みを行うとき、書き込みを行うセルにおいて、ドレイン領域10とコントロールゲート7に例えば6Vの書き込み電圧を印加する。ソース領域9、基板3(ウェル2)は0Vとする。これにより、半導体基板3の表層のうち、チャネル領域にてDAHEを発生させ、このDAHEをフローティングゲート5に注入する。このように、フローティングゲート5にDAHEを注入することで書き込みを行う。
【0040】
また、消去を行うときでは、ドレイン領域10に書き込みのときと同様に6Vを印加する。コントロールゲート7、ソース領域9及び基板3は0Vとする。これにより、チャネル領域にてDAHHを発生させ、このDAHHをフローティングゲート5に注入する。このようにして、電子が注入されているフローティングゲート5を中性状態とすることで消去を行う。
【0041】
次に、複数のセルをアレー状に配置したときの書き込み及び消去を説明する。図3、4に複数のセルをアレー状に配置したときの図を示す。図3、4にはそれぞれ書き込み、消去のときのバイアス例を示している。
【0042】
図3、4に示すように、ワード線21〜24は各セルのコントロールゲートと接続されている。また、ビット線31〜34は各セルのドレイン領域と接続されている。
【0043】
図3に示すように、例えば書き込みセル13と書き込みセル14とに書き込みを行う場合では、ワード線23、ワード線21及びビット線32に電圧を印加する。このように、同一ビット線に接続されたセルのうち、書き込みを行う予定のセルの全てのワード線と、このビット線に電圧を印加する。これにより、同一ビット線に接続されたセルのうち、書き込みを行う予定のセル全てに対して、同時に書き込みを行う。
【0044】
図4に示すように、消去を行う場合では、全てのワード線21〜24を0Vとし、全てのビット線31〜34に電圧を印加する。これにより、全てのセルを一括して消去する。
【0045】
なお、読み出しの場合では、従来と同様に、コントロールゲートに例えば3Vを印加し、ドレイン領域に例えば1Vを印加する。このとき、ビット線に電流が流れるかどうかで”1”、”0”を識別する。
【0046】
本実施形態において、このように書き込みを行うのは以下に示す理由のためである。本実施形態におけるセルアレーにおいて、従来のセルアレーと同様に、書き込みセル13に対して、ワード線23とビット線32とにそれぞれ6Vの電圧を印加した場合、セル13を除くビット線32に接続されているセルでは、消去のときと同じバイアス条件となる。したがって、書き込みセル13を書き込んだ後、書き込みセル14に書き込みを行うと、書き込みセル13が消去されてしまうという問題が発生する。
【0047】
そこで、本実施形態では、同一ビット線に接続されているセルにおいては、一括して書き込みを行うようにしている。
【0048】
また、従来のセルアレーでは、図12に示すように、書き込みセル13を書き込んだ後、書き込みセル14に書き込みを行うと、セル14と同一のビット線に接続されているセル13のドレイン領域に電圧が印加される。このドレイン領域に印加される電圧のため、同一のビット線に接続されたセル13においては、フローティングゲートに蓄積された電荷が引き抜かれるという不具合(ドレインディスターブ)が生じる恐れがあった。
【0049】
これに対して、本実施形態では、同一ビット線に接続されているセルにおいて、書き込みを行うセルに対しては、全て書き込みのバイアスを与えているため、ドレインディスターブの発生を防ぐことができる。
【0050】
また、従来のセルアレーでは、消去のとき、1ビットでもセルがディプレッション状態(過剰消去)になると、同一ビット線に接続されたセルのしきい値は読み出し不能となってしまう。このため、過剰消去セルが発生しないように、消去時の電圧印加に対しては、細かい制御が不可欠であった。
【0051】
これに対して、本実施形態では、フローティングゲート5にDAHHを注入することにより消去を行っている。特開2000−306390号公報等に記載されているように、DAHE/DAHHを用いた消去では、ドレイン領域に印加される電圧値によって、フローティングゲートの電位を自己整合的に平衡状態にそろえることができる。このため、消去中に過剰消去セルが発生しても救済することができる。
【0052】
このことから、本実施形態によれば、従来のように過剰消去セルが発生しないように細かい制御等を行う必要が無い。
【0053】
なお、本実施形態では、図3、4に示すように、書き込み動作および消去動作を別々に説明したが、書き込み動作と消去動作とを同時に行うこともできる。上述したように、書き込み動作では、非書き込みのセルに対して、消去動作を行っている。したがって、書き込み動作のみを行うことで、書き換え動作を行うことができる。
【0054】
これまでに説明してきたように、フローティングゲート5に注入されるキャリアとしてCHEを用いる方式の不揮発性メモリでは、書き込み時において、CHE現象を発生させるため、コントロールゲート7にドレイン領域10よりも高い電圧を印加する必要があった。
【0055】
これに対して、本実施形態では、書き込み動作に、従来のCHEを用いる代わりに、DAHEを用いている。DAHE現象は、上述したように、ドレインに印加される電圧の大きさに対して、フローティングゲートに印加される電圧の大きさが1/2付近のとき多く発生する。このため、従来よりもコントロールゲート7に印加する電圧を低くすることができる。
【0056】
このことから、本実施形態では、上述したようにメモリ素子のカップリング比を調整して、ドレイン領域10およびコントロールゲート7に同一の書き込み電圧を印加するだけで、DAHEを発生させるのに必要なフローティングゲートとドレイン領域とに印加される電圧の組み合わせとなるようにすることができる。
【0057】
一方、消去時において、従来の不揮発性メモリではFNトンネリングを用いていたことから、ゲート絶縁膜4に大きな電界をかける必要があった。このため、コントロールゲート7と、P型ウェル2及びドレイン領域10とに、正負の異なる電圧を印加する必要があった。
【0058】
これに対して、本実施形態では、消去にFNトンネリング現象を用いず、DAHHを用いている。DAHH現象を発生させるために必要なドレイン領域10への印加電圧と、フローティングゲート5への印加電圧との大きさの差は、FNトンネリングを発生させるために必要な電界の大きさよりも低い。
【0059】
このため、上述したようにメモリ素子のカップリング比を調整することで、ドレイン領域10に、書き込みの際に印加する電圧と同じ大きさの電圧を印加したとき、このドレイン領域10に印加される電圧と、フローティングゲート5に印加される電圧とをDAHHが発生する組み合わせとなるようにすることができる。
【0060】
なお、従来では、消去時において、一種類の電圧にて消去を行うものもあった。具体的には、ソース領域9に例えば12V、コントロールゲート5、ドレイン領域10、P型ウェル2のそれぞれに0Vを印加する。このようにしても、FNトンネリングが発生し、消去することができる。このように一種類の電圧を印加して、消去を行うためには、上述したようにゲート絶縁膜4での電界を大きくしなければならないので、12Vのような高電圧を印加する必要があった。このため、書き込み時に必要な電圧(例えば6V)と同じように、低電圧とすることができなかった。
【0061】
これに対して、DAHHを発生させるために必要なドレイン領域10への印加電圧と、フローティングゲート5への印加電圧との大きさの差は、FNトンネリングを発生させるために必要な電界の大きさよりも低い。このことから、消去時に必要な電圧を従来よりも低下させることができる。周辺回路は発生させる電圧が大きいほど、回路面積が大きくなる。このことから、本実施形態では、従来よりも周辺回路面積を縮小させることができる。
【0062】
以上のようにしてメモリ素子のカップリング比を適当に設定することで、書き換えのために発生させる電圧を1種類で済ませる事が可能となる。したがって、周辺回路を簡略化させることができる。この結果、周辺回路面積を縮小させることができる。
【0063】
従来、メモリ容量の小さいフラッシュメモリでは、周辺回路面積の方がメモリ素子の占める面積よりも大きくなっていた。このため、メモリ容量を小さくしても、装置全体の面積を縮小することができなかった。これに対して、本実施形態によれば、メモリ容量の小さいフラッシュメモリを従来よりも縮小化することができる。
【0064】
次にこのフラッシュメモリの製造方法を説明する。図5(a)、(b)、図6(a)、(b)にこのフラッシュメモリの製造工程を示す。
【0065】
〔図5(a)に示す工程〕
P型シリコン基板1の表層にP型ウェル2を形成することで、半導体基板3を形成する。そして、図示しないが、半導体基板3に素子分離領域を形成する。その後、図示しないが、半導体基板3の上に、厚さが8〜10nm程度のシリコン酸化膜と、厚さが200nm程度のポリシリコン膜と、酸化膜換算にして15〜20nm程度のONO膜と、厚さが200nm程度のポリシリコン膜とを順に形成する。次にこれらを、フォトリソグラフィとエッチング工程によってパターニングする。
【0066】
これにより、シリコン酸化膜により構成されたゲート絶縁膜4と、ポリシリコンにより構成されたフローティングゲート5と、ONO膜により構成された層間絶縁膜6と、ポリシリコンにより構成されたコントロールゲートとを形成する。すなわち、2層ポリシリコンゲート電極構造を形成する。
【0067】
〔図5(b)に示す工程〕
ドレイン側にのみ開口したフォトレジスト21を被せて、B(ボロン)などの導電型不純物を斜めにイオン注入する。これにより、半導体基板3の表層のうち、フローティングゲート5の片側にP型ポケット層11を形成する。
【0068】
なお、従来のCHEを書き込み時のキャリアとして用いる場合でも、CHEを発生させるためのP型ポケット層が、半導体基板3に対して斜めにイオン注することで形成されていた。これに対して、本実施形態では、フローティングゲート5とドレイン領域10とのオーバーラップ長12を従来よりも大きくするため、従来よりも浅い角度にて(半導体基板3に対する角度を小さくして)、イオン注入する。
【0069】
〔図6(a)に示す工程〕
フォトレジスト41をそのまま用いて、半導体基板3の表層のうち、ドレイン領域10の形成予定領域にP(リン)など導電型不純物を斜めにイオン注入する。なお、このイオン注入では、ドレイン領域10とフローティングゲート5とのオーバーラップ長12を従来よりも大きくするために、後の熱処理工程にて、拡散しやすいPなどの導電型不純物を用いる。
【0070】
〔図6(b)に示す工程〕
フォトレジスト41を除去した後、CVD法などにより、シリコン窒化膜またはシリコン酸化膜を堆積し、エッチバック工程を行う。これにより、2層ポリシリコンゲート電極構造部の側壁にサイドウォール8を形成する。次に、Asなどの導電型不純物を基板に対して垂直な方向にて、半導体基板3の表層のうち、ソース領域9の形成予定領域とドレイン領域10にイオン注入する。そして、RTP(Rapid Thermal Process)などによる熱処理を行い、不純物拡散層を活性化させることで、半導体基板3の表層のうち、フローティングゲート5の両側に、ソース領域9とドレイン領域10とを形成する。
【0071】
本実施形態では、フローティングゲート5とドレイン領域10とのオーバーラップ長12を従来よりも大きくしている。このようにして、上記した3つの条件式を満たすように、ドレイン領域10とフローティングゲート5との間の結合容量Cfdを適切に調整する。
【0072】
その後は、図示しないが、通常のLSl工程で用いられるPoly−Meta1層間絶縁膜、配線工程等を経て、素子を完成させる。
【0073】
(第2実施形態)
図7に本発明を適用した第2実施形態におけるフラッシュメモリの断面図を示す。なお、第1実施形態における図1に示すフラッシュメモリと同一の構造部には同一の符号を付すことで、同一の構造部の説明を省略する。
【0074】
第1実施形態では、フローティングゲート5とドレイン領域10とのオーバーラップ長12を適切な長さにすることで、上記した3つの条件式を満たすように、ドレイン領域10とフローティングゲート5との間の結合容量Cfdを調整する場合を説明したが、以下に説明するように、コントロールゲートの一部を分割し、この分割した部分とドレイン領域と短絡させることでCfdを調節することもできる。
【0075】
図7に示すように、本実施形態のフラッシュメモリは、フローティングゲート5の上に層間絶縁膜6を介して、コントロールゲート7と、ポリシリコン膜51とを備えた構造となっている。このポリシリコン膜51は、コントロールゲート7と電気的に分離されており、ドレイン領域10と電気的に接続されている。これらのポリシリコン膜51とドレイン領域10との電気的な接続方法としては、図示していないが、例えば、アルミ配線等を用いて接続することができる。
【0076】
本実施形態では、このようにドレイン領域10と電気的に接続されたポリシリコン膜51がフローティングゲート5の上に形成された構造とし、このポリシリコン膜51の幅が、上記した3つの条件式を満たすように、適切に調整されている。このフラッシュメモリにおいて、ポリシリコン膜51とフローティングゲート5とを半導体基板3の上方からみたとき、ポリシリコン膜51とフローティングゲート5とは一部が重なり合っている。この重なり合っている部分の長さ、すなわち、オーバーラップ長52を調整している。このように、オーバーラップ長52を調整することで、Cfdを適切に調整することもできる。
【0077】
図8に複数のセルをアレー状に配置したときの図を示す。なお、図8は図7に示すセルの断面構造をアレー構成図と合わせて示したものである。本実施形態では、このようなアレー構成とすることができる。なお、書き込みおよび消去における動作は第1実施形態と同様である。
【0078】
次に、このフラッシュメモリの製造方法を図5(a)、図9(a)、(b)、(c)を用いて説明する。第1実施形態と同様に、図5(a)に示す工程において、半導体基板3のうち、フラッシュメモリの形成予定領域の上に、シリコン酸化膜と、1層目のポリシリコン膜と、ONO膜と、2層目のポリシリコン膜とを順に形成する。その後、フォトリソグラフィ及びエッチング工程を行うことで、2層ポリシリコンゲート電極構造を形成する。
【0079】
〔図9(a)に示す工程〕
この工程では、第1実施形態での図5(b)に示す工程と同様に、ドレイン側のみ開口したフォトレジスト41を被せて、B(ボロン)などの導電型不純物を斜めにイオン注入する。この際、イオン注入する角度は、図5(b)に示す工程のように、従来より浅い角度でなくても良い。
【0080】
〔図9(b)に示す工程〕
フォトレジスト41を除去した後、新たにフォトレジスト42を被せてパターニングし、2層目のポリシリコン膜7の一部のみを露出するように、フォトレジスト42を開口する。2層目のポリシリコン膜7をこのフォトレジスト42をマスクとしてエッチングすることで、コントロールゲート7とポリシリコン膜51とを形成する。
【0081】
〔図9(c)に示す工程〕
フォトレジスト42を除去した後、第1実施形態での図6(b)に示す工程と同様に、2層ポリシリコンゲート電極構造部の側壁にサイドウォール8を形成し、半導体基板3の表層のうち、フローティングゲート5の両側にソース領域9とドレイン領域10とを形成する。
【0082】
その後は、図示しないが、通常のLSl工程で用いられるPoly−Meta1層間絶縁膜、配線工程等を経て、素子を完成させる。
【0083】
(他の実施形態)
上記した各実施形態では、ドレイン領域10とフローティングゲート5との間の結合容量Cfdを主に調整することで、上記した3つの条件式を満たすようにしていたが、Cfdに限らず、Cfdに加え、フローティングゲート5とコントロールゲート7の間の結合容量Cfc、フローティングゲート5とソース領域9の間の結合容量Cfs、ゲート絶縁膜4でのゲート容量Cfのそれぞれを3つの条件式を満たすように調整することもできる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の第1実施形態におけるフラッシュメモリの断面図である。
【図2】第1実施形態におけるフラッシュメモリの書き換え及び読み出し時の印加電圧を示す図表である。
【図3】第1実施形態におけるフラッシュメモリにおいて、書き込み時のバイアスを併記したセルアレー構成図である。
【図4】第1実施形態におけるフラッシュメモリにおいて、消去時のバイアスを併記したセルアレー構成図である。
【図5】第1実施形態におけるフラッシュメモリの製造工程を説明するための断面図である。
【図6】図5に続く製造工程を説明するための断面図である。
【図7】本発明の第2実施形態におけるフラッシュメモリの断面図である。
【図8】第2実施形態におけるフラッシュメモリのセルアレー構成図である。なお、このセルアレー構成図では、セルの断面構造を合わせて示している。
【図9】第2実施形態におけるフラッシュメモリの製造工程を説明するための断面図である。
【図10】従来におけるフラッシュメモリの断面図である。
【図11】従来におけるフラッシュメモリの書き換え及び読み出し時の印加電圧を示す図表である。
【図12】従来におけるフラッシュメモリにおいて、書き込み時のバイアスを併記したセルアレー構成図である。
【図13】従来におけるフラッシュメモリにおいて、消去時のバイアスを併記したセルアレー構成図である。
【符号の説明】
1…P型シリコン基板、2…P型ウェル、3…半導体基板、
4…トンネル膜、5…フローティングゲート、6…層間絶縁膜、
7…コントロールゲート、8…サイドウォール、9…N+型ソース領域、
10…N+型ドレイン領域、11…P型ポケット層、
12、52…オーバーラップ長、21〜24…ワード線、
31〜34…ビット線、51…ポリシリコン膜。[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to a charge storage type nonvolatile memory.
[0002]
[Prior art]
2. Description of the Related Art Conventionally, for example, a flash memory has been known as a type of non-volatile memory in which charges are stored in a floating gate. FIG. 10 shows a sectional view of a conventional flash memory. As shown in FIG. 10, the flash memory has a
[0003]
On the
[0004]
In the surface layer of the
[0005]
FIG. 11 shows an example of an operating voltage in a conventional flash memory, and FIGS. 12 and 13 show a memory cell array at the time of writing and erasing bias. In a general flash memory using CHE (Channel Hot Electron) for writing and FN (Fowler-Nordheim) tunnel current from the substrate for erasing, voltages required for writing and erasing are as shown in FIG. . Vcg, Vs, Vd, and Vb are voltage values applied to the
[0006]
At the time of writing, a high voltage is applied to the
[0007]
This is for the following reasons. In order to generate CHE, it is necessary to apply voltages of the same magnitude to the
[0008]
At the time of erasing, a negative bias is applied to the
[0009]
This is because a high potential difference needs to be generated between the
[0010]
Next, writing and erasing when cells are arranged in an array will be described. At the time of writing, as shown in FIG. 12, for a cell 13 to be written, 12 V is applied to a word line (Word line) 23 connected to the
[0011]
As described above,
[0012]
[Patent Document 1]
Japanese Patent No. 2660734
[0013]
[Problems to be solved by the invention]
As described above, in the nonvolatile memory of the type in which charges are stored in the floating gate, a plurality of voltages are required for writing and erasing. For this reason, a booster circuit and a negative bias circuit are required as peripheral circuits for generating these voltages. These circuits are usually composed of a transistor having a higher breakdown voltage than that forming a logic gate, a capacitor having a relatively large capacity, and the like. Therefore, there is a problem that the area of the peripheral circuit increases, and the entire nonvolatile memory increases accordingly.
[0014]
In particular, in a non-volatile memory having a small memory capacity, the smaller the memory capacity, the larger the area occupied by the peripheral circuits in the entire nonvolatile memory. Therefore, since the peripheral circuit area is large, even if the memory capacity is reduced, the area of the entire device cannot be reduced.
[0015]
In view of the above, it is an object of the present invention to provide a nonvolatile semiconductor memory device having a new structure capable of reducing the area of a peripheral circuit by simplifying the peripheral circuit.
[0016]
[Means for Solving the Problems]
As described in the section of the prior art, in the conventional nonvolatile memory, in order to use the CHE phenomenon and the FN tunnel phenomenon for writing and erasing, a voltage having different magnitudes is applied to the control gate, the drain region, and the like. I had to. Therefore, the present inventors have proposed a drain avalanche hot electron (hereinafter abbreviated as DAHE) and a drain avalanche hot hole (Drain Avalanche hot hole) which are observed when the gate voltage is lower than the drain voltage. Focusing on the gate current due to Hot Hole (hereinafter abbreviated as DAHH), the following invention was created.
[0017]
In order to achieve the above object, in the invention according to
[0018]
In this manner, by setting the magnitude of the voltage required at the time of writing and erasing to one type, the peripheral circuit is simplified as compared with the case of performing writing and erasing using a plurality of types of voltages. can do. As a result, the peripheral circuit area can be reduced as compared with the case where writing and erasing are performed using a plurality of types of voltages.
[0019]
Specifically, the coupling ratio of the memory element is adjusted to satisfy, for example, the following three conditional expressions.
[0020]
{1} {(Cfc + Cfd) / (Cfc + Cfd + Cf + Cfs)} × Vw ≒ (1 /) × Vw,
(2) {Cfd / (Cf + Cfs + Cfc + Cfd)} × Ve = (floating gate voltage at which DAHH occurs),
(3) Vw = Ve,
Here, Cfd is a coupling capacitance between the floating gate and the drain region, Cfc is a coupling capacitance between the floating gate and the control gate, Cfs is a coupling capacitance between the floating gate and the source region, and Cf is Vw is a voltage applied to the control gate and the drain region at the time of writing, and Ve is a voltage applied to the drain region at the time of erasing.
[0021]
According to the invention described in
[0022]
Generally, Cf and Cfc are largely restricted by conditions such as charge retention characteristics and rewriting time, and have a small degree of freedom in design. Therefore, as in the second embodiment, each of the other coupling capacitances is set so as to satisfy the conditions such as the charge retention characteristics and the rewriting time in the same manner as in a general nonvolatile semiconductor memory device. It is preferable to adjust the coupling capacitance Cfd between the first and second components.
[0023]
For example, the coupling capacitance between the floating gate (5) and the drain region (10) is adjusted by the overlap length (12) between the floating gate (5) and the drain region (10). can do.
[0024]
According to a fourth aspect of the present invention, there is provided a conductive film (51) formed on the floating gate (5) via an insulating film (6) and electrically connected to the drain region (10). The coupling capacitance between the floating gate (5) and the drain region (10) can be adjusted by the overlap length (52) of the floating gate (5) and the conductive film (51).
[0025]
In the case where the memory cells are arranged in an array, it is preferable to simultaneously write all the memory cells to be written among the memory cells connected to the same bit line.
[0026]
In addition, the code | symbol in the parenthesis of each said means shows the correspondence with the concrete means described in embodiment mentioned later.
[0027]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
(1st Embodiment)
FIG. 1 is a sectional view of a flash memory as a nonvolatile semiconductor memory device according to a first embodiment to which the present invention is applied. The same components as those of the flash memory shown in FIG. 10 are denoted by the same reference numerals.
[0028]
As shown in FIG. 1, the flash memory has a
[0029]
In the surface layer of the
[0030]
In the present embodiment, when the
[0031]
In this flash memory, as described below, a high-energy electron called DAHE can be used in a write operation, a high-energy hole called DAHH can be used in an erase operation, and these DAHE and DAHH can be combined with one another. The
[0032]
Here, DAHE and DAHH will be described. As described in "Hot carrier effect", Eiji Takeda, Nikkei McGraw-Hill, p33, 34, JP-A-2000-306390, etc., a channel current flows due to a gate current caused by hot carrier gate injection. It is known that gate currents such as DAHH, DAHE, and CHE are observed from the lower gate voltage in the gate voltage region.
[0033]
Specifically, the gate current due to the injection of DAHE in the gate electrode (floating gate) becomes largest when the voltage value of the gate electrode is about 1/2 of the voltage value of the drain region. In the former document, it is described that the gate current due to the injection of DAHH in the gate electrode becomes maximum when the drain voltage and the gate voltage are, for example, about 7.0 V and about 1.8 V, respectively. .
[0034]
Therefore, in order to generate DAHE and DAHH in the flash memory, it is necessary to adjust the coupling ratio of the memory element as follows.
[0035]
{Circle around (1)} When the same write voltage Vw is applied to the
[0036]
These conditions are expressed by the following equations. The coupling capacitance between the floating
{1} {(Cfc + Cfd) / (Cfc + Cfd + Cf + Cfs)} × Vw ≒ (1 /) × Vw
{Circle around (2)} {Cfd / (Cf + Cfs + Cfc + Cfd)} × Ve = (floating gate voltage generated by DAHH)
(3) Vw = Ve
It becomes.
[0037]
Generally, Cf and Cfc are largely restricted by conditions such as charge retention characteristics and rewriting time, and have a small degree of freedom in design. For this reason, in the present embodiment, among the coupling ratios of the memory element, Cf, Cfc, and Cfs are set in the same manner as before so as to satisfy the conditions such as the charge retention characteristics and the rewriting time, and the
[0038]
Next, the write and erase operations of the flash memory according to the present embodiment will be described.
[0039]
FIG. 2 shows an example of the operating voltage. As shown in FIG. 2, when writing is performed, a writing voltage of, for example, 6 V is applied to the
[0040]
When erasing is performed, 6 V is applied to the
[0041]
Next, writing and erasing when a plurality of cells are arranged in an array will be described. 3 and 4 show diagrams when a plurality of cells are arranged in an array. 3 and 4 show examples of biases at the time of writing and erasing, respectively.
[0042]
As shown in FIGS. 3 and 4, the word lines 21 to 24 are connected to the control gate of each cell. The bit lines 31 to 34 are connected to the drain region of each cell.
[0043]
As shown in FIG. 3, for example, when writing is performed to the write cell 13 and the write cell 14, a voltage is applied to the
[0044]
As shown in FIG. 4, when erasing is performed, all
[0045]
In the case of reading, 3 V is applied to the control gate and 1 V is applied to the drain region as in the conventional case. At this time, "1" and "0" are identified based on whether or not a current flows through the bit line.
[0046]
In the present embodiment, such writing is performed for the following reason. In the cell array according to the present embodiment, similarly to the conventional cell array, when a voltage of 6 V is applied to each of the
[0047]
Therefore, in the present embodiment, writing is performed collectively on cells connected to the same bit line.
[0048]
Further, in the conventional cell array, as shown in FIG. 12, when writing to the writing cell 14 is performed after writing to the writing cell 13, a voltage is applied to the drain region of the cell 13 connected to the same bit line as the cell 14. Is applied. Due to the voltage applied to the drain region, in the cells 13 connected to the same bit line, there is a possibility that the charge accumulated in the floating gate is drawn out (drain disturbance).
[0049]
On the other hand, in the present embodiment, in the cells connected to the same bit line, the write bias is applied to all the cells to be written, so that the occurrence of drain disturbance can be prevented.
[0050]
Further, in a conventional cell array, when a cell is in a depletion state (excessive erasure) even with one bit at the time of erasing, the threshold value of a cell connected to the same bit line cannot be read. For this reason, fine control of the voltage application at the time of erasure was indispensable so as not to generate an excessively erased cell.
[0051]
On the other hand, in the present embodiment, erasing is performed by injecting DAHH into the floating
[0052]
For this reason, according to the present embodiment, it is not necessary to perform fine control or the like so as not to generate an excessively erased cell unlike the related art.
[0053]
In this embodiment, the write operation and the erase operation are separately described as shown in FIGS. 3 and 4, but the write operation and the erase operation can be performed simultaneously. As described above, in the writing operation, the erasing operation is performed on the non-written cells. Therefore, the rewriting operation can be performed by performing only the writing operation.
[0054]
As described above, in the non-volatile memory using CHE as the carrier injected into the floating
[0055]
On the other hand, in the present embodiment, DAHE is used for the write operation instead of using the conventional CHE. As described above, the DAHE phenomenon occurs more frequently when the magnitude of the voltage applied to the floating gate is about half the magnitude of the voltage applied to the drain. Therefore, the voltage applied to the
[0056]
For this reason, in the present embodiment, it is necessary to adjust the coupling ratio of the memory element as described above and to apply the same write voltage to the
[0057]
On the other hand, at the time of erasing, since a conventional nonvolatile memory uses FN tunneling, it is necessary to apply a large electric field to the
[0058]
On the other hand, in the present embodiment, DAHH is used for erasing without using the FN tunneling phenomenon. The difference between the voltage applied to the
[0059]
Therefore, by adjusting the coupling ratio of the memory element as described above, when a voltage having the same magnitude as the voltage applied at the time of writing is applied to the
[0060]
Heretofore, in some cases, erasing is performed with one type of voltage at the time of erasing. Specifically, for example, 12 V is applied to the
[0061]
On the other hand, the difference between the voltage applied to the
[0062]
By appropriately setting the coupling ratio of the memory element as described above, it is possible to use only one type of voltage to be generated for rewriting. Therefore, the peripheral circuit can be simplified. As a result, the peripheral circuit area can be reduced.
[0063]
Conventionally, in a flash memory having a small memory capacity, a peripheral circuit area is larger than an area occupied by a memory element. For this reason, even if the memory capacity is reduced, the area of the entire device cannot be reduced. On the other hand, according to the present embodiment, it is possible to reduce the size of the flash memory having a small memory capacity as compared with the related art.
[0064]
Next, a method of manufacturing the flash memory will be described. FIGS. 5A, 5B, 6A, and 6B show manufacturing steps of this flash memory.
[0065]
[Step shown in FIG. 5 (a)]
A
[0066]
Thus, a
[0067]
[Step shown in FIG. 5B]
A conductive type impurity such as B (boron) is obliquely ion-implanted with a
[0068]
Note that, even when the conventional CHE is used as a carrier at the time of writing, a P-type pocket layer for generating CHE is formed by obliquely ion-implanting the
[0069]
[Step shown in FIG. 6 (a)]
Using the
[0070]
[Step shown in FIG. 6B]
After removing the
[0071]
In the present embodiment, the
[0072]
Thereafter, although not shown, the device is completed through a Poly-Meta1 interlayer insulating film, a wiring process, and the like used in a normal LSl process.
[0073]
(2nd Embodiment)
FIG. 7 is a sectional view of a flash memory according to the second embodiment to which the present invention is applied. In the first embodiment, the same components as those of the flash memory shown in FIG. 1 are denoted by the same reference numerals, and the description of the same components will be omitted.
[0074]
In the first embodiment, by setting the
[0075]
As shown in FIG. 7, the flash memory according to the present embodiment has a structure in which a
[0076]
In the present embodiment, the
[0077]
FIG. 8 shows a diagram when a plurality of cells are arranged in an array. FIG. 8 shows a cross-sectional structure of the cell shown in FIG. 7 together with an array configuration diagram. In the present embodiment, such an array configuration can be adopted. The operations in writing and erasing are the same as in the first embodiment.
[0078]
Next, a method for manufacturing this flash memory will be described with reference to FIGS. 5 (a), 9 (a), 9 (b) and 9 (c). As in the first embodiment, in the step shown in FIG. 5A, a silicon oxide film, a first polysilicon film, and an ONO film are formed on a region of the
[0079]
[Step shown in FIG. 9A]
In this step, similarly to the step shown in FIG. 5B in the first embodiment, a conductive type impurity such as B (boron) is obliquely ion-implanted with a
[0080]
[Step shown in FIG. 9B]
After removing the
[0081]
[Step shown in FIG. 9C]
After the
[0082]
Thereafter, although not shown, the device is completed through a Poly-Meta1 interlayer insulating film, a wiring process, and the like used in a normal LSl process.
[0083]
(Other embodiments)
In each of the above-described embodiments, the above-described three conditional expressions are satisfied by mainly adjusting the coupling capacitance Cfd between the
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a sectional view of a flash memory according to a first embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a table showing applied voltages at the time of rewriting and reading of the flash memory according to the first embodiment.
FIG. 3 is a configuration diagram of a cell array in which a bias at the time of writing is also shown in the flash memory according to the first embodiment.
FIG. 4 is a configuration diagram of a cell array in which a bias at the time of erasing is also shown in the flash memory according to the first embodiment.
FIG. 5 is a cross-sectional view for explaining a manufacturing process of the flash memory according to the first embodiment.
FIG. 6 is a cross-sectional view for explaining a manufacturing step following FIG. 5;
FIG. 7 is a cross-sectional view of a flash memory according to a second embodiment of the present invention.
FIG. 8 is a configuration diagram of a cell array of a flash memory according to a second embodiment. In this cell array configuration diagram, the cross-sectional structure of the cell is also shown.
FIG. 9 is a cross-sectional view for explaining a manufacturing step of the flash memory according to the second embodiment.
FIG. 10 is a sectional view of a conventional flash memory.
FIG. 11 is a table showing applied voltages at the time of rewriting and reading of a conventional flash memory.
FIG. 12 is a configuration diagram of a cell array in which a bias at the time of writing is additionally shown in a conventional flash memory.
FIG. 13 is a diagram illustrating a cell array in which a bias at the time of erasing is also described in a conventional flash memory.
[Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF
4 tunnel film, 5 floating gate, 6 interlayer insulating film,
7: control gate, 8: sidewall, 9: N + Type source area,
10 ... N + -Type drain region, 11 ... P-type pocket layer,
12, 52: overlap length, 21 to 24: word line,
31 to 34: bit line, 51: polysilicon film.
Claims (5)
前記ゲート絶縁膜(4)の上に形成されたフローティングゲート(5)と、
前記フローティングゲート(5)と容量結合されているコントロールゲート(7)と、
前記半導体基板(3)の表層のうち、前記フローティングゲート(5)の両側の位置に形成されたソース領域(9)及びドレイン領域(10)とを有する不揮発性半導体記憶装置において、
ドレインアバランシェ・ホットエレクトロンを用いて書き込みを行い、ドレインアバランシェ・ホットホールを用いて消去を行うことができ、かつ、前記書き込み及び前記消去のときに必要な印加電圧の大きさが1種類となるようにメモリ素子のカップリング比が調整されていることを特徴とする不揮発性半導体記憶装置。A gate insulating film (4) formed on the semiconductor substrate (3);
A floating gate (5) formed on the gate insulating film (4);
A control gate (7) capacitively coupled to the floating gate (5);
In a nonvolatile semiconductor memory device having a source region (9) and a drain region (10) formed at positions on both sides of the floating gate (5) in a surface layer of the semiconductor substrate (3),
Writing can be performed using a drain avalanche hot electron, erasing can be performed using a drain avalanche hot hole, and the magnitude of an applied voltage required at the time of writing and erasing can be one type. Wherein the coupling ratio of the memory element is adjusted.
前記フローティングゲート(5)と前記導電膜(51)のオーバーラップ長(52)により、前記フローティングゲート(5)と前記ドレイン領域(10)との間の結合容量が調整されていることを特徴とする請求項2に記載の不揮発性半導体記憶装置。A conductive film (51) formed on the floating gate (5) via an insulating film (6) and electrically connected to the drain region (10);
A coupling capacitance between the floating gate (5) and the drain region (10) is adjusted by an overlap length (52) between the floating gate (5) and the conductive film (51). The nonvolatile semiconductor memory device according to claim 2.
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