JP2004312019A - 窪み中に形成された浮遊ゲートを持つ不揮発性浮遊ゲート・メモリセル及びその配列及び製造方法 - Google Patents

窪み中に形成された浮遊ゲートを持つ不揮発性浮遊ゲート・メモリセル及びその配列及び製造方法 Download PDF

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Abstract

【課題】 高密度な双方向性読出し/プログラム不揮発性メモリセル及び配列を提供する。
【解決手段】 不揮発性メモリセル(60)は半導体基板(10)中に形成された、ソース/ドレイン領域(40a、40b)と、第1部分、第2部分及び第3部分からなるチャンネル領域(70)と、ゲート電極(54)と、電荷を蓄積するための導電性又は非導電性の浮遊ゲート(36a、36b)とを持つ。浮遊ゲートは窪み中に形成された3つの先端(62、64、66)を持つほぼ三角形状を有する。ゲート電極は浮遊ゲートと容量的に結合している。
【選択図】 図4

Description

本発明は、電荷を貯蔵するため窪み中に形成された浮遊ゲートを使用する不揮発性メモリセルに関する。より詳細には、本発明は、2つの浮遊ゲートが形成されて単一セル内に複数ビットを双方向的に記憶し読み出すことが可能なこのような不揮発性メモリセル及びこのようなセルの配列及び製造方法に関する。
記憶のために浮遊ゲートを使用した単方向性読出し/プログラム不揮発性メモリセルは、業界で良く知られている。例えば、特許文献1を参照。典型的に、これらのタイプのメモリセルの各々は、1つのビットを記憶するために導電性浮遊ゲートを使用する。すなわち、浮遊ゲートが電荷を貯蔵するか又はしないかのいずれかである。浮遊ゲート上に貯蔵された電荷はトランジスタのチャンネル中の電荷の流れを制御する。このような不揮発性メモリセルの記憶容量を増大する要望のために、このようなメモリセルの浮遊ゲートにセルの異なる状態を決定する異なる量のいくつかの電荷を貯蔵するようにプログラムし、これにより単一セル中に複数ビットを記憶させる。セルを複数レベル状態の1つにプログラムし、そしてこのような状態を読み出す場合の問題は、1つの状態を他から区別するため浮遊ゲート上に貯蔵される電荷量を大変注意深く制御しなければならないことである。さらに、従来技術の単方向性読出し/プログラム不揮発性メモリセルにおいては、浮遊ゲートはマスキング・ステップ等を含むリソグラフイック・プロセスにより製造されていて、「大きい」構造となる。
2000年にIEEEから発行された、ゼット・クリボカビック等の論文「非常に良い電界記憶を持つ量子井戸メモリ装置(QWMD)」には、量子井戸として浮遊ゲートを使用する装置が開示されている。しかし、これは離間した領域と、これらの間に電荷を伝導するためのチャンネルを持つ不揮発性メモリセルとは大変異なる。
単一セル中に複数のビットを記憶できる双方向性読出し/プログラム不揮発性メモリセルも業界で良く知られている。例えば、特許文献2を参照。典型的に、これらのタイプのメモリセルは、電荷を捕まえるため、二酸化シリコンなどの2つの絶縁層の間にある窒化シリコンなどの異なる絶縁性トラッピング材料を使用する。トランジスタのチャンネル中の電荷の流れを制御するために電荷がソース/ドレインの近くで捕まえられる。セルはソース/ドレイン領域の1つの近くで捕まえられた電荷の状態を決定するために1つの方向に読み出され、そして、ソース/ドレイン領域の他の近くで捕まえられた電荷の状態を決定するために反対方向に読み出される。したがって、これらのセルは双方向的に読み出され及びプログラムされる。
米国特許第5,029,130号公報 米国特許第6,011,725号公報
これらのタイプのセルの問題は、消去のため、プログラミング電荷を「中性化」するために最初にプログラミング電荷が捕まえられた正確に同じ場所のトラッピング材料中に反対導電性の電荷又は正孔が注入又は「プログラム」されなければならないことである。プログラミング電荷と消去電荷とが非導電性トラッピング材料中に注入されるため、電荷は導電性材料のようには移動しない。従って、もし、消去電荷をプログラミング電荷の場所に注入する際に誤りがあると、消去電荷はプログラミング電荷を中性化せず、そしてセルは完全には消去されない。さらに、消去電荷を注入するために、セルは双方向的に消去されなければならず、よって、1つのセルを消去するのに要する時間が増大する。
従って、これらの問題を解決した不揮発性メモリセルと配列が必要である。
本発明においては、不揮発性メモリセルが、第1導電性型の単結晶シリコンなどの実質的に単結晶の半導体材料を含む。各々が第1導電型とは異なる第2導電型の第1領域及び第2領域が互いに離間して半導体材料中に形成される。第1部分及び第2部分を有するチャンネル領域が電荷を流すために第1及び第2領域を接続する。誘電体がチャンネル領域上にある。浮遊ゲートが、チャンネル領域の第1部分から離間して誘電体上にある。チャンネル領域の第1部分は第1領域の隣接していて、浮遊ゲートは概略的に三角形状を持つ。ゲート電極が、浮遊ゲートと容量的に結合していて、チャンネル領域の第2部分から離間している。チャンネルの第2部分は第1部分と第2領域との間にある。
また、本発明は、各々が概略的に三角形状を持つ2つの浮遊ゲートを有する不揮発性メモリセル、前述した不揮発性メモリセルの配列、及び不揮発性メモリセル及び配列の製造方法にも関する。
本発明の方法は、本発明のメモリセル配列を製造する処理ステップを示す図1A乃至1E及び図2A乃至2O及び本発明のメモリセル配列の周辺部分を製造する処理ステップを示す図3A乃至3Oに説明されている。方法は、業界で良く知られている好ましくはP型の半導体基板10から出発する。以下に説明される層の厚さは設計規則とプロセス技術生成に依存する。ここで説明されるのは0.1ミクロン・プロセスのものである。しかし、当業者には理解されるように本発明はどんな特定のプロセス技術生成に限定されず、以下に説明されるどんなプロセス・パラメータのどんな特定の値に限定されない。
隔離領域形成
図1A乃至1Eは、基板上に隔離領域を形成する周知のSTI方法を示す。図1Aを参照すると、業界では良く知られている好ましくはP型の半導体基板10(又は、半導体ウェル)の上面図を示す。二酸化シリコン(以下、「酸化物」)の第1層11が、基板10上に酸化又は酸化物堆積(例えば、化学蒸着又はCVD)などの既知の技術により約50−120オングストロームの厚さに形成(例えば、成長又は堆積で)される。酸化物11上には、ポリシリコン12の第2層が形成(例えば、成長又は堆積で)される。後で詳細に説明するように、ポリシリコン12の第2層は、3つのサブ層からなっている。真性ポリシリコンの第1サブ層(100−500オングストロームのオーダーの厚さを持つ)、真性ポリシリコンの第1サブ層上のドープされたポリシリコンの第2サブ層(例えば、Asによりドープされ、30−50オングストロームのオーダーの厚さを持つ)、及びドープされたポリシリコン層上の真性ポリシリコンの第3サブ層(30−50オングストロームのオーダーの厚さを持つ)である。理解されるように、ポリシリコンの第2層12は、犠牲層である。ポリシリコンで形成されていると説明されたが、限定的ではなく、酸化物又は窒化シリコン(以下、「窒化物」)などの絶縁材料を含むどんな材料で形成できる。最後に、窒化物の第3層14が、ポリシリコン層12上に、約1000−2000オングストロームの厚さに好ましくはCVDで形成される。図1Bは、結果として得られた構造の断面図を示す。
一旦、第1、第2及び第3層11/12/14が形成されると、適当なフォト・レジスト材料16が窒化層14上に塗布されて、図1Cに示すようにY又は列方向に延びる中央領域(ストライプ18)からフォト・レジスト材料を選択的に除去するマスキング・ステップが実行される。フォト・レジスト材料16が除去された場所では、露出された窒化層14、ポリシリコン層12及び酸化層11が構造中に溝20を形成するために標準のエッチング技術(すなわち、異方性窒化物及び酸化物エッチ・プロセス)を使用してストライプ18にてエッチ除去される。隣接ストライプ18間の距離Wは、使用されるプロセスの最小のリソグラフイック特徴と同程度に小さくできる。そして、シリコン・エッチ・プロセスが図1Dに示すように、約500−4000オングストロームの深さまでシリコン基板10中に溝20を掘り下げるのに使用される。フォト・レジスト16が除去されない場所では、窒化層14、ポリシリコン層12及び酸化層11が維持される。結果として得られる構造が図1Dに示され、隔離された領域24によりインターレースされた能動領域22が画定される。
この構造は残留フォト・レジスト16を除去するためにさらに処理される。そして、二酸化シリコンなどの隔離材料が厚い酸化層の堆積により溝20内に形成され、その後に、図1Eに示すように溝20内の酸化物ブロック26を除いて酸化層を除去するために(窒化層14をエッチ・ストップとして使用して)化学機械研磨又はCMPエッチが続く。
図1A乃至1Eは、基板のメモリセル配列領域を示す。ここには、メモリセルの列が隔離領域24により分離された能動領域22内に形成される。また、基板10は、メモリセル配列領域中に形成されたメモリセルを動作するのに使用される制御回路が形成される少なくとも1つの周辺領域を含むことに注意する。好ましくは、隔離ブロック26が周辺領域にも上述した同じSTIプロセス中に形成される。
メモリセル配列形成
図1Eに示された構造はさらに以下に説明するように処理される。図2A乃至2Oは、図1Eに垂直な断面(図1Cに示されるような線2A−2Aに沿った)の能動領域22の構造の断面図を示す。図2Aは、メモリセル配列部分を線2A−2Aに沿って切断した図1Eの構造の断面図である。図3Aは、周辺部分の断面図である。
そして、フォト・レジスト16が周辺部分上を含む全てに塗布される。マスキング・ステップが実行されて、フォト・レジスト16のX方向に延びたストライプが除去される。フォト・レジスト中に開口30が形成される。フォト・レジストをマスクとして用い、ポリシリコン12をエッチ・ストップとして用い、窒化物14の異方性エッチが行われる。この後に、酸化物11をエッチ・ストップとして用い、ポリシリコン12の異方性エッチが続く。図2Bに結果として得られた構造が示されている。図2Bに示された開口30は、STI酸化物26が開口30に隣接しているため、X方向(紙の内又は外へ)に連続していないことに注意する。図3Bに示すように、フォト・レジスト16により保護された周辺部分はこのプロセスにより影響を受けない。
次に、ポリシリコン12のウェット・エッチが行われる。周辺はフォト・レジスト16によりまだ保護されているため、ポリシコンのウェット・エッチによる変化はない。セル部分では、ドープされたポリシリコン・サブ層がドープされていない又は真性ポリシリコン・サブ層よりも早くエッチされるために、ポリシリコン12のウェット・エッチはポリシリコン12の「横方向」エッチングを生ずる。これは、ドープされたポリシリコンとドープされていない又は真性ポリシリコンとの間のエッチ速度の差に起因する。さらに、このエッチング・プロセスは本質的に自己制限的である。このプロセスによりポリシリコンがエッチされることによる横方向長さは、エッチャントの拡散速度により制限される。次に、酸化層11のウェット・エッチが行われる。図2Cに結果として得られた構造が示される。図3Cに示されるように周辺部分は変化しない。
図2Cに示される構造の酸化プロセスが実行される。これは露出されたポリシリコン12を酸化して、層32を形成する。さらに、好ましくは、HOTCVDプロセスにより約200−250オングストロームの層を形成して、酸化物34の層を堆積する。結果として得られる構造が、図2Dに示される。図3Dに示すように、周辺部分は変化しない。
そして、ドープされたポリシリコン36が構造上に、例えば、CVDにより、100−250オングストロームのオーダーの厚さで堆積される。ポリシリコン36は、前のウェット・エッチにより作られた「窪み」を充填する。そして、この後に酸化層34をエッチ・ストップとして使用した、異方性エッチが続く。図2Eに結果として得られる構造が示される。図3Eに示すように、周辺部分は影響を受けない。代替的に、ポリシリコンの代りに、窒化物などの電荷を捕まえることのできる材料が、ウェット・エッチにより作られた「窪み」を充填するために使用できる。窒化物を使用したメモリセルの動作は、特許文献2に開示されているものと同様である。
次に、酸化物の層34が異方性エッチにより除去されて、下にある基板10を露出する。また、酸化層34の除去は、STI26内の酸化物の一部を除去する。そして、基板10は、基板10内のSTI26の深さである約500−4000オングストロームの深さまで異方性エッチされる。そして、STI内の酸化物26の異方性エッチが基板10をエッチ・ストップとして使用して実行される。図2Fに示すように、X方向に連続した溝30が結果として得られる。さらに、溝30を囲むソース/ドレイン領域40(a,b)を形成する注入が行われる。従って、ソース/ドレイン領域40(a,b)がX方向へ連続して延びる。さらに、ソース/ドレイン領域40(a,b)は、溝30の一方側に能動装置のためのソース/ドレイン領域を形成し、溝30の他の側にその能動装置のソース/ドレイン領域を形成する。従って、装置の隣接する行は、共通のソース/ドレイン領域を共有する。図2Fに結果として構造が示されている。図3Fに示すように、周辺部分は変化しない。
フォト・レジスト層16が除去され、そして、全構造上に再度塗布される。図3Gに示すように、周辺部分に開口42が作られる。フォト・レジスト16により保護されたセル部分は図2Gに示すように変化しない。周辺部分において、ポリシリコン層12をエッチ・ストップとして使用して、窒化層14の異方性エッチが行われる。その後、酸化層11に達するまで、ポリシリコン層12が異方性エッチされる。結果として得られた構造が図3Gに示される。
周辺部分の露出された酸化層11は、基板10に到達するまで、異方性エッチされる。そして、基板10は、STI溝42を形成するために周辺でエッチされる。そして、フォト・レジスト層16は除去される。STI酸化物44が溝42中に堆積され、そしてSTI酸化物50が溝30中に堆積される。通常のCMPプロセスが、窒化層14と平面をなすように、STI30及び42中の酸化物の平面表面を研磨するために使用される。図2H及び3Hに、結果として得られる構造が示されている。
セル部分が、再び、フォト・レジスト層16を使用してマスクされる。図2Iに結果として得られる構造が示される。周辺部分に関しては、論理ゲート装置を形成するための窒化層14の除去、マスキング及びポリシリコン層12のエッチングなどの、論理回路を形成するための通常のプロセスを行うことができる。図3Iに結果して得られる構造が、概略的に示されている。
そして、セル部分からフォト・レジスト16が除去される。STI酸化物50及びSTI酸化物44は、所望の高さに異方性エッチできる。後で詳細に説明するように、基板10の平面上のSTI50の高さは、装置の動作の容量性結合に影響を与える。図2J及び3Jに結果として得られる構造を示す。
そして、窒化物の層14が除去される。ポリシリコンの層12が、酸化層11をエッチ・ストップとして使用して、反応性イオン・エッチングにより異方性的に除去される。前に形成された、窪み中に堆積されたポリシリコン36は、酸化物32の層により覆われているため、概略的に三角形状のポリシリコン36は、RIEポリシリコン除去プロセスには影響されない。ポリシリコン36は、メモリセルの浮遊ゲートを形成する。図2K及び3Kに、結果として得られる構造が示される。
次に、フォト・レジスト16が再び塗布されて、装置の周辺部分を覆う。装置のセル部分は、メモリセルのチャンネルのVthを調節するために、イオン注入ステップを受ける(複数のイオン注入ステップを含む)。図2L及び3Lに、結果として得られる構造が示される。
次に、フォト・レジスト16が周辺部分から除去され、そしてセル部分のみを覆うために再び塗布される。装置の周辺部分は、周辺論理装置のチャンネルのVthを調節するために、イオン注入ステップを受ける(複数のイオン注入ステップを含む)。図2M及び3Mに、結果として得られる構造が示される。
次に、フォト・レジスト16が除去される。ウェット・エッチが浮遊ゲート36を覆う酸化層32を除去するために適用される。浮遊ゲート36上に高電圧ゲート誘電体が形成される。これは、浮遊ゲート36を再酸化して、そして構造にHTO(高温度酸化物)52の層を覆うことで作ることができる。図2N及び3Nに、結果として得られる構造が示されている。
最後に、制御ゲートを形成するために、ポリシリコンの層54が塗布されて、そしてドープされて、エッチされる。図2O及び3Oに、結果として得られる構造が示されている。
図4に、本発明のメモリセル60の断面図の例が示されている。図4に示すように、セル60は、もし基板がPタイプであるならば、各々が例えばNタイプである第1及び第2ソース/ドレイン40a及び40bをそれぞれ含む。チャンネル領域70は、第1ソース/ドレイン40aと第2ソース/ドレイン40bとを接続する。チャンネル領域70は、3つの部分を含む。第1ソース/ドレイン40aに直接隣接する第1部分、第2ソース/ドレイン40bに直接隣接する第3部分、及び、第1部分と第3部分との間の第2部分である。第1浮遊ゲート36aが、チャンネル領域70から絶縁されて、第1部分上にある。第2浮遊ゲート36bが、チャンネル領域70から絶縁されて、第3部分上にある。制御ゲート54が、第1及び第2浮遊ゲート36a及び36bと容量的に結合していて、チャンネル領域70の第2部分から絶縁されている。制御ゲートは、概略的にY又は列方向に走っている。浮遊ゲート36a及び36bの各々は、窪み中に形成されて、「先端」62、64及び66を持つ概略的に三角形状を有する。前述したように、浮遊ゲート36(a,b)は、ポリシリコンに加えて、窒化物などのトラッピング材料により作成できる。従って、ここ及び請求項において使用される「浮遊ゲート」という言葉は、上述したように「窪み」中に材料が形成できるならば、導電性又は非導電性にかかわらず、どんな電荷蓄積要素を意味する。
前述したように、STI50の「高さ」が、制御ゲート54と浮遊ゲート36の間の容量的結合を制御する。もし、STI50が「より高い」と、制御ゲート54は浮遊ゲート36からさらに離間して、それらの間により少ない容量的結合を生ずる。もし、STI50が図4に示すように、基板10の平面レベルに有るか又は近いと、制御ゲート54と浮遊ゲート36との間の容量的結合は最大に近くなる。
メモリセル動作
図4に示されるメモリセル60の動作を以下に説明する。
消去
メモリセル60は、ソース/ドレイン40(a,b)に0ボルトを加え、そして制御ゲート54に高電圧、例えば、12ボルトを加えることにより消去される。同じ電圧が両ソース/ドレイン40(a,b)に加えられるため、チャンネル領域70内に電荷は流れない。さらに、制御ゲート54が浮遊ゲート36(a,b)と高度に容量的に結合しているため、浮遊ゲート36(a,b)から電子は制御ゲート54に加えられた正電圧により引かれて、ファラー・ノルデハイム・トンネリング機構を介して、電子が浮遊ゲート36(a,b)から取り出されて、先端62からトンネリング酸化層52を介して制御ゲート54へトンネルされる。この消去のためのポリ・ツー・ポリ・トンネリング機構は特許文献1に説明されている。本特許文献1を参照によりここに組み込む。
しかし、制御ゲート54と浮遊ゲート36との間の容量的結合はSTI50の高さにより変化できるため、浮遊ゲート36がソース/ドレイン領域40(a,b)に高く容量的に結合することができることに注意する。この場合、消去のため、ゼロ・ボルトが制御ゲート54に加えられて、+12ボルト等の正の高電圧がソース/ドレイン40(a,b)に加えられる。そして、電子が先端64から酸化層11を介してソース/ドレイン40へトンネルする。
プログラミング
メモリセル60のプログラミングは、2つの機構の内の1つ:第1浮遊ゲート36aがプログラムされるか又は第2浮遊ゲート36bがプログラムされるかいずれか、で行うことができる。最初に、第1浮遊ゲート36aのプログラミング、すなわち、第1浮遊ゲート36a上の電子の蓄積を説明する。第1ソース領域40aが、10乃至15ボルトの間の正電圧に維持される。制御ゲート54が、2乃至3ボルトの間の正電圧に維持される。第2ソース領域40bが、0ボルトに維持される。制御ゲート54が第2浮遊ゲート40bに強く容量的に結合しているため、制御ゲート54上の2−3ボルトの正電圧は、たとえ、第2浮遊ゲート36bがプログラムされていても、すなわち、その上に電子を蓄積していても、チャンネル領域70の第3部分、すなわち、第2浮遊ゲート36bがその上にある第2ソース/ドレイン領域40bに隣接した部分、を導通するのに十分である。制御ゲート54の2−3ボルトの正電圧は、チャンネル領域の第2部分、すなわち、第1部分と第3部分との間のチャンネル領域70の部分、を導通するのに十分である。第1ソース領域40a上の10−15ボルトの間の正電圧はチャンネル領域70中の電子を引き付けるのに十分である。従って、電子が第2ソース領域40bから第1ソース領域40aへチャンネル領域70中を流れる。しかし、チャンネル領域70が第1浮遊ゲート36aの先端66aに接近するチャンネル領域70の接合部で、電子は第1浮遊ゲート36aに容量的に結合されている第1ソース領域40aの正の高電圧により発生される電圧の突然の増加を経験する。これにより電子は第1浮遊ゲート36aに注入されるホット・チャンネルになる。プログラミングのためのホット・チャンネル電子注入のこの機構は、特許文献1に記載されている。
第2浮遊ゲート36bをプログラムするには、第1ソース領域40aに加えられる電圧が、第2ソース領域40bに加えられる電圧と反転される。
読出し
メモリセル60の読出しは、2つの機構の1つ:第1浮遊ゲート36aの状態を読み出すか又は第2浮遊ゲート36bの状態を読み出すかのいずれか、で実行することができる。最初に、第2浮遊ゲート36b上に電子が蓄積されているかどうか、第2浮遊ゲート36bの状態を読み出す動作について説明する。第1ソース/ドレイン領域40aは、2乃至3.5ボルトの正電圧に維持される。これは、チャンネル領域70の第1部分を越えて延びるデプレション領域を作るのに十分である。制御ゲート54は、1乃至2ボルトの間の正電圧に維持される。第2ソース/ドレイン領域40bは、0ボルトに維持される。制御ゲート54上の1−2ボルトの間の正電圧は、チャンネル領域70の第2部分を導通するのに十分である。第2浮遊ゲート36bがプログラムされているか又はいないかに依存して、電子が第2ソース/ドレイン領域40bから第1ソース/ドレイン領域40bへチャンネル領域70中を流れる。もし、第2浮遊ゲート36bがプログラムされていると、第2浮遊ゲート36bが上にあるチャンネル領域70の第3部分を導通しない。この場合、電子の流れは生じない。しかし、もし、第2浮遊ゲート36bが消去されていると、電子が第2ソース/ドレイン領域40bから、チャンネル領域70の第3部分を通り、チャンネル領域70の第2部分を通り(制御ゲート54がそれを導通しているため)、第1ソース/ドレイン領域40aに加えられている正電圧により生じたデプレション領域の外側境界まで流れる。従って、第1ソース領域40aにて検知される電流の存在/不存在又は電流量が、第2浮遊ゲート36bのプログラミング状態を決定する。
第1浮遊ゲート36aを読み出すには、第1ソース/ドレイン領域40aに加えられる電圧が、第2ソース/ドレイン領域40bに加えられる電圧と反転される。
メモリセル配列の動作
メモリセル60の配列の動作を以下に説明する。図5に概略的にメモリセルの配列が示されている。図5に示すように、メモリセル60の配列は、複数の列:60a(1−k),60b(1−k)及び60c(1−k)と行:60(a−n)1、60(a−n)2及び60(a−n)3に配置された複数のメモリセル60を持つ。メモリセル60に接続された制御ゲート54はまた、同じ列の他のメモリセル60に接続されている。メモリセル60に接続された第1及び第2ソース領域40はまた、同じ行内の他のメモリセル60に接続されている。
消去
消去動作において、共通の制御ゲート線54により接続された同じ列内のメモリセル60は同時に消去される。従って、例えば、もし、列60b(1−n)内のメモリセル60を消去したい場合、制御ゲート線54bが、8乃至12ボルトの間に維持される。選択されない制御ゲート線54a及び54cは、0ボルトに維持される。全てのソース/ドレイン領域線、40a、40b及び40cもまた、0ボルトに維持される。このようにして、全てのメモリセル60b(1−n)が同時に消去されるが、全ての他の列内のメモリセル60の全ての端子は接地電圧にあるため、他の列内のメモリセル60に関して、消去妨害は発生しない。
プログラム
メモリセル60b2の第2浮遊ゲート36bがプログラムされると仮定する。従って、上述の説明に基づいて、さまざまな線に加えられる電圧は次の通りである。制御ゲート線54bは2乃至3ボルトの正電圧、その他の全ての選択されない制御ゲート線54は0ボルトにされる。ソース/ドレイン線40bは0ボルトに維持される。ソース/ドレイン線40aなど、ソース/ドレイン線40bに隣接した全ての選択されないソース/ドレイン線40は0ボルトに維持される(ソース/ドレイン40bの反対側)。選択されたソース/ドレイン線40cは、10乃至15ボルトの間の正電圧に維持される。ソース/ドレイン線40dなど、ソース/ドレイン線40bに隣接する全ての選択されないソース/ドレイン線40は、3乃至4ボルトの間の電圧に維持される(ソース/ドレイン40aの反対側)。選択されないメモリセルへの「妨害」は次の通りである。
選択されていない列中のメモリセル60について、制御ゲート54へ0ボルトを加えることは、チャンネル領域の第2部分(制御ゲート54が直接に制御する部分)は導通しないため、これらのメモリセル15c(1−n)及び15a(1−n)のチャンネル領域70はいずれも導通しないことを意味する。従って、妨害はない。同じ選択された列内にあって選択されていない行にあるメモリセル60b1について、ソース/ドレイン線40a及び40bへ0ボルトを加えることは、チャンネル領域70が導通しないことを意味する。同じ選択された列内にあって選択されていない行にあるメモリセル60b3について、ソース/ドレイン線40dへ制御ゲート54bに加えられる電圧よりも高い3−4ボルトを加えることは、チャンネル領域が導通しないことを意味する。同様にして、選択された列内にあって選択されていない行にある全てのメモリセル60について、メモリセル60へのソース/ドレイン線に加えられる電圧が同じ電圧であるため、メモリセル60のチャンネル領域70は導通しない。
第1浮遊ゲート36aのプログラミングについては、ソース/ドレイン線40b及び40cに加えられた電圧が反転される。これに加えて、その他の選択されていない行線には次の電圧が加えられる。ソース/ドレイン線40dなど、ソース/ドレイン線40cと同じ側の全ての選択されていないソース/ドレイン線に対しては、0ボルトが加えられる。ソース/ドレイン線40aなど、ソース/ドレイン線40bと同じ側の全ての選択されていないソース/ドレイン線に対しては、3−4ボルトが加えられる。
読出し
メモリセル60b2の第2浮遊ゲート36bが読み出されると仮定する。よって、前述の説明に従って、以下の様に電圧がさまざまな線に加えられる。ソース/ドレイン線40bに2乃至3.5ボルトの間の正電圧、制御ゲート線54bに1乃至2ボルトの間の正電圧、ソース/ドレイン線40cに0ボルトの電圧が加えられる。
選択されていない制御ゲート線54に加えられる電圧は、接地電圧又は0ボルトである。ソース/ドレイン線40aなど、ソース/ドレイン線40bと同じ側の選択されていないソース/ドレイン線40上の電圧は、2乃至3.5ボルトである。ソース/ドレイン線40dなど、ソース/ドレイン線40cと同じ側の選択されていないソース/ドレイン線40上の電圧は、0ボルトである。選択されていないメモリセル60への「妨害」は次の通りである。
選択されていない列中のメモリセル60について、制御ゲート線54へ0ボルトを加えることは、メモリセル60c(1−k)及び60a(1−k)のチャンネル領域70がどれも導通しないことを意味する。従って、妨害はない。同じ選択された列内にあるが選択されていない行にあるメモリセル60b3については、線40dへソース/ドレイン40cへ加えられるのと同じ電圧の0ボルトを加えることは、メモリセル60b3のチャンネル領域70の部分が導通しないことを意味する。従って、メモリセル60b3への妨害はほとんど又は全く生じない。同様にして、同じ選択された列内にあり、ソース/ドレイン40bの他の側の選択されていない行にあるメモリセル60については、同じ電圧が各選択されていないメモリセル60、例えば、メモリセル60b1、へのソース/ドレイン線40の両方に加えられて、チャンネル領域70の部分が導通しないため、妨害はない。
第1浮遊ゲート36aの読出しのためには、ソース/ドレイン領域線40aに加えられる電圧を、ソース/ドレイン領域線40bに加えられる電圧と反転する。これに加えて、ソース/ドレイン線40bと同じ側のソース/ドレイン領域40の全ての線に加えられる電圧は、ソース/ドレイン線40cと同じ側に加えられる電圧と反転される。
以上の説明により、新規で高密度の不揮発性メモリセル、配列及び製造方法が開示された。好ましい実施の形態では、メモリセル内の2つの浮遊ゲートの各々に単一ビットが記憶されることが説明されたが、単一のメモリセル内の各々の浮遊ゲート上に複数ビットを記憶して、よって、記憶密度をさらに増加することも本発明の精神の範囲内にある。
隔離領域を形成するため本発明の方法の第1ステップに使用される半導体基板の上面図。 本発明の最初の処理ステップを示す線1B−1Bに沿って切断した構造の断面図。 隔離領域が画定された図1Bの構造の処理の次のステップを示す構造の上面図。 構造中に形成された隔離トレンチを示す線1D−1Dに沿って切断した図1Cの構造の断面図。 図1Dの構造の隔離トレンチ中の隔離ブロック材料の形成を示す断面図。 本発明の浮遊ゲートメモリセルの不揮発性メモリ配列のセル部分の形成の半導体構造処理ステップの順序を示す図1Eの半導体構造を線2A−2A(図1C)に沿って切断した断面図。 本発明の浮遊ゲートメモリセルの不揮発性メモリ配列のセル部分の形成の半導体構造処理ステップの順序を示す図1Eの半導体構造を線2A−2Aに沿って切断した断面図。 本発明の浮遊ゲートメモリセルの不揮発性メモリ配列のセル部分の形成の半導体構造処理ステップの順序を示す図1Eの半導体構造を線2A−2Aに沿って切断した断面図。 本発明の浮遊ゲートメモリセルの不揮発性メモリ配列のセル部分の形成の半導体構造処理ステップの順序を示す図1Eの半導体構造を線2A−2Aに沿って切断した断面図。 本発明の浮遊ゲートメモリセルの不揮発性メモリ配列のセル部分の形成の半導体構造処理ステップの順序を示す図1Eの半導体構造を線2A−2Aに沿って切断した断面図。 本発明の浮遊ゲートメモリセルの不揮発性メモリ配列のセル部分の形成の半導体構造処理ステップの順序を示す図1Eの半導体構造を線2A−2Aに沿って切断した断面図。 本発明の浮遊ゲートメモリセルの不揮発性メモリ配列のセル部分の形成の半導体構造処理ステップの順序を示す図1Eの半導体構造を線2A−2Aに沿って切断した断面図。 本発明の浮遊ゲートメモリセルの不揮発性メモリ配列のセル部分の形成の半導体構造処理ステップの順序を示す図1Eの半導体構造を線2A−2Aに沿って切断した断面図。 本発明の浮遊ゲートメモリセルの不揮発性メモリ配列のセル部分の形成の半導体構造処理ステップの順序を示す図1Eの半導体構造を線2A−2Aに沿って切断した断面図。 本発明の浮遊ゲートメモリセルの不揮発性メモリ配列のセル部分の形成の半導体構造処理ステップの順序を示す図1Eの半導体構造を線2A−2Aに沿って切断した断面図。 本発明の浮遊ゲートメモリセルの不揮発性メモリ配列のセル部分の形成の半導体構造処理ステップの順序を示す図1Eの半導体構造を線2A−2Aに沿って切断した断面図。 本発明の浮遊ゲートメモリセルの不揮発性メモリ配列のセル部分の形成の半導体構造処理ステップの順序を示す図1Eの半導体構造を線2A−2Aに沿って切断した断面図。 本発明の浮遊ゲートメモリセルの不揮発性メモリ配列のセル部分の形成の半導体構造処理ステップの順序を示す図1Eの半導体構造を線2A−2Aに沿って切断した断面図。 本発明の浮遊ゲートメモリセルの不揮発性メモリ配列のセル部分の形成の半導体構造処理ステップの順序を示す図1Eの半導体構造を線2A−2Aに沿って切断した断面図。 本発明の浮遊ゲートメモリセルの不揮発性メモリ配列のセル部分の形成の半導体構造処理ステップの順序を示す図1Eの半導体構造を線2A−2Aに沿って切断した断面図。 本発明の浮遊ゲートメモリセルの不揮発性メモリ配列の周辺部分の形成の半導体構造処理ステップの順序を示す図1Eの半導体構造を線2A−2A(図1C)に沿って切断した断面図。 本発明の浮遊ゲートメモリセルの不揮発性メモリ配列の周辺部分の形成の半導体構造処理ステップの順序を示す図1Eの半導体構造を線2A−2Aに沿って切断した断面図。 本発明の浮遊ゲートメモリセルの不揮発性メモリ配列の周辺部分の形成の半導体構造処理ステップの順序を示す図1Eの半導体構造を線2A−2Aに沿って切断した断面図。 本発明の浮遊ゲートメモリセルの不揮発性メモリ配列の周辺部分の形成の半導体構造処理ステップの順序を示す図1Eの半導体構造を線2A−2Aに沿って切断した断面図。 本発明の浮遊ゲートメモリセルの不揮発性メモリ配列の周辺部分の形成の半導体構造処理ステップの順序を示す図1Eの半導体構造を線2A−2Aに沿って切断した断面図。 本発明の浮遊ゲートメモリセルの不揮発性メモリ配列の周辺部分の形成の半導体構造処理ステップの順序を示す図1Eの半導体構造を線2A−2Aに沿って切断した断面図。 本発明の浮遊ゲートメモリセルの不揮発性メモリ配列の周辺部分の形成の半導体構造処理ステップの順序を示す図1Eの半導体構造を線2A−2Aに沿って切断した断面図。 本発明の浮遊ゲートメモリセルの不揮発性メモリ配列の周辺部分の形成の半導体構造処理ステップの順序を示す図1Eの半導体構造を線2A−2Aに沿って切断した断面図。 本発明の浮遊ゲートメモリセルの不揮発性メモリ配列の周辺部分の形成の半導体構造処理ステップの順序を示す図1Eの半導体構造を線2A−2Aに沿って切断した断面図。 本発明の浮遊ゲートメモリセルの不揮発性メモリ配列の周辺部分の形成の半導体構造処理ステップの順序を示す図1Eの半導体構造を線2A−2Aに沿って切断した断面図。 本発明の浮遊ゲートメモリセルの不揮発性メモリ配列の周辺部分の形成の半導体構造処理ステップの順序を示す図1Eの半導体構造を線2A−2Aに沿って切断した断面図。 本発明の浮遊ゲートメモリセルの不揮発性メモリ配列の周辺部分の形成の半導体構造処理ステップの順序を示す図1Eの半導体構造を線2A−2Aに沿って切断した断面図。 本発明の浮遊ゲートメモリセルの不揮発性メモリ配列の周辺部分の形成の半導体構造処理ステップの順序を示す図1Eの半導体構造を線2A−2Aに沿って切断した断面図。 本発明の浮遊ゲートメモリセルの不揮発性メモリ配列の周辺部分の形成の半導体構造処理ステップの順序を示す図1Eの半導体構造を線2A−2Aに沿って切断した断面図。 本発明の浮遊ゲートメモリセルの不揮発性メモリ配列の周辺部分の形成の半導体構造処理ステップの順序を示す図1Eの半導体構造を線2A−2Aに沿って切断した断面図。 本発明のメモリセルの断面図。 本発明のメモリセル配列の概略的な回路図。
符号の説明
10 半導体基板
20 溝
30 溝
36a 第1浮遊ゲート
36b 第2浮遊ゲート
40a 第1ソース/ドレイン
40b 第2ソース/ドレイン
54 制御ゲート
60 メモリセル
62、64、66 先端
70 チャンネル領域

Claims (43)

  1. 不揮発性メモリセルであって、
    第1導電型の実質的に単結晶の半導体材料と、
    前記材料内の前記第1導電型とは異なる第2導電型の第1領域と、
    前記第1領域と離間した前記材料内の前記第2導電型の第2領域と、
    電荷の伝導のために前記第1及び第2領域を接続する第1部分、及び第2部分を有するチャンネル領域と、
    前記チャンネル領域上の誘電体と、
    ほぼ三角形状を有し、前記第1領域に隣接した前記チャンネル領域の前記第1部分から離間した、前記誘電体上の第1浮遊ゲートと、
    前記第1部分と前記第2領域との間の前記チャンネル領域の前記第2部分から離間し且つ前記第1浮遊ゲートに容量的に結合したゲート電極と、
    を含むメモリセル。
  2. 前記実質的に単結晶の半導体材料が、単結晶シリコンである請求項1に記載のメモリセル。
  3. 前記第1浮遊ゲートが、窪み中に形成された請求項2に記載のメモリセル。
  4. 前記第1浮遊ゲートが、ポリシリコンから作られている請求項3に記載のメモリセル。
  5. 前記第1浮遊ゲートが、窒化シリコンから作られている請求項3に記載のメモリセル。
  6. 前記チャンネル領域が第3部分を有し、前記第2部分が前記第2領域に隣接し、前記第3部分が前記第1部分と前記第2部分の間にあり、前記メモリセルがさらに、
    ほぼ三角形状を有し、前記チャンネル領域の前記第2部分から離間した、前記誘電体上の第2浮遊ゲートを含む請求項3に記載のメモリセル。
  7. 前記第2浮遊ゲートが、窪み中に形成された請求項6に記載のメモリセル。
  8. 側壁と底壁とを持つ第1溝をさらに備え、前記第1領域が前記第1溝の前記側壁と底壁に沿い且つ前記第1浮遊ゲートに容量的に結合している請求項7に記載のメモリセル。
  9. 側壁と底壁とを持つ第2溝をさらに備え、前記第2領域が前記第2溝の前記側壁と底壁に沿い且つ前記第2浮遊ゲートに容量的に結合している請求項8に記載のメモリセル。
  10. 前記第2浮遊ゲートが、ポリシリコンから作られている請求項9に記載のメモリセル。
  11. 前記第2浮遊ゲートが、窒化シリコンから作られている請求項9に記載のメモリセル。
  12. 複数ビットを記憶するための不揮発性メモリセルであって、
    第1導電型の実質的に単結晶の半導体材料と、
    前記材料内の側壁と底壁とを持つ第1溝と、
    前記第1溝の前記側壁と前記底壁に沿った前記材料内の前記第1導電型とは異なる第2導電型の第1領域と、
    前記第1領域と離間した前記材料内の前記第2導電型の第2領域と、
    電荷の伝導のために前記第1及び第2領域を接続する第1部分、第2部分、及び第3部分を有するチャンネル領域と、
    前記チャンネル領域上の誘電体と、
    前記複数のビットの少なくとも1つを記憶するため、前記第1領域に隣接した前記チャンネル領域の前記第1部分から離間した、前記誘電体上の第1浮遊ゲートと、
    前記第1領域は前記第1浮遊ゲートと容量的に結合し、
    前記複数のビットの少なくとも別を記憶するため、前記第2領域に隣接した前記チャンネル領域の前記第2部分から離間した、前記誘電体上の第2浮遊ゲートと、
    前記第1部分と前記第2部分との間の前記チャンネル領域の前記第3部分から離間し且つ前記第1浮遊ゲート及び前記第2浮遊ゲートに容量的に結合したゲート電極と、
    を含むメモリセル。
  13. 前記実質的に単結晶の半導体材料が、単結晶シリコンである請求項12に記載のメモリセル。
  14. 前記第1浮遊ゲートが、実質的に三角形状である請求項13に記載のメモリセル。
  15. 前記第2浮遊ゲートが、実質的に三角形状である請求項14に記載のメモリセル。
  16. 前記ゲート電極が、実質的に前記チャンネル領域と平行な請求項12に記載のメモリセル。
  17. 側壁と底壁とを持つ第1溝をさらに備え、前記第1領域が前記第1溝の前記側壁と底壁に沿い且つ前記第1浮遊ゲートに容量的に結合している請求項12に記載のメモリセル。
  18. 側壁と底壁とを持つ第2溝をさらに備え、前記第2領域が前記第2溝の前記側壁と底壁に沿い且つ前記第2浮遊ゲートに容量的に結合している請求項12に記載のメモリセル。
  19. 複数の行及び列に配置された不揮発性メモリセルの配列であって、
    第1導電型の実質的に単結晶半導体材料の基板と、
    前記半導体材料の基板内に複数の行及び列に配置されて、各々が複数ビットを記憶する複数の不揮発性メモリセルとを含み、前記メモリセルの各々が
    前記材料内の前記第1導電型とは異なる第2導電型の第1領域と、
    前記第1領域と離間した前記材料内の前記第2導電型の第2領域と、
    電荷の伝導のために前記第1及び第2領域を接続する第1部分、第2部分、及び第3部分を有するチャンネル領域と、
    前記チャンネル領域上の誘電体と、
    前記複数のビットの少なくとも1つを記憶するため、前記第1領域に隣接した前記チャンネル領域の前記第1部分から離間した、前記誘電体上の第1浮遊ゲートと、
    前記複数のビットの少なくとも別を記憶するため、前記第2領域に隣接した前記チャンネル領域の前記第2部分から離間した、前記誘電体上の第2浮遊ゲートと、
    前記第1部分と前記第2部分との間の前記チャンネル領域の前記第3部分から離間し且つ前記第1浮遊ゲート及び前記第2浮遊ゲートに容量的に結合したゲート電極とを含み、
    同じ行内の前記メモリセルは、前記ゲート電極を共有し、
    同じ列内の前記メモリセルは、前記第1領域を共有し、そして前記第2領域を共有し、
    隣接する列内の前記メモリセルは、前記第1領域を共有する配列。
  20. 前記実質的に単結晶の半導体材料が、単結晶シリコンである請求項19に記載の配列。
  21. 前記第1浮遊ゲートが、ほぼ三角形状である請求項20に記載の配列。
  22. 前記第2浮遊ゲートが、ほぼ三角形状である請求項21に記載の配列。
  23. 前記ゲート電極が、実質的に前記チャンネル領域と平行な請求項22に記載の配列。
  24. 側壁と底壁とを持つ第1溝をさらに備え、前記第1領域が前記第1溝の前記側壁と底壁に沿い且つ前記第1浮遊ゲートに容量的に結合している請求項23に記載の配列。
  25. 側壁と底壁とを持つ第2溝をさらに備え、前記第2領域が前記第2溝の前記側壁と底壁に沿い且つ前記第2浮遊ゲートに容量的に結合している請求項24に記載の配列。
  26. 第1導電型の実質的に単結晶の半導体材料中に不揮発性メモリセルを製造する方法であって、
    前記材料中に前記第1導電型とは異なる第2導電型の第1領域及び第2領域を形成し、前記第1領域及び第2領域を接続して電荷を伝導するチャンネル領域を形成し、前記チャンネル領域は第1部分及び第2部分を有し、前記チャンネル領域の前記第1部分は第1領域に隣接し、前記チャンネル領域の前記第2部分は前記第1部分と第2領域との間にあり、
    前記チャンネル領域上に誘電体を形成し、
    前記誘電体上に犠牲層を形成し、
    前記チャンネル領域の前記第1部分から離間した第1窪みを前記犠牲層に形成し、
    前記第1窪み中に第1浮遊ゲートを形成し、
    前記チャンネル領域の前記第2部分から離間し、前記第1浮遊ゲートと容量的に結合したゲート電極を形成する、
    各ステップを含む方法。
  27. 前記チャンネル領域の前記第2部分から離間した第2窪みを前記犠牲層に形成し、
    前記第2窪み中に第2浮遊ゲートを形成し、
    前記ゲート電極を形成するための前記ステップが、前記第2浮遊ゲートと容量的に結合した前記ゲート電極を形成することをさらに含む請求項26に記載の方法。
  28. 前記犠牲層が、真性ポリシリコンの第1層と、真性ポリシリコンの前記第1層上のドープされたポリシリコンの層と、ドープされたポリシリコンの前記層上の真性ポリシリコンの第2層とを含む請求項26に記載の方法。
  29. 前記犠牲層が、窒化シリコンである請求項26に記載の方法。
  30. 各々が側壁と底壁を持ち互いに離間した第1及び第2溝を前記半導体材料内に形成し、
    前記材料内に第1領域及び第2領域を形成する前記ステップが、前記第1溝及び前記第2溝の前記側壁に隣接した前記第1領域及び第2領域をそれぞれ形成することをさらに含む請求項26に記載の方法。
  31. 前記第1及び第2浮遊ゲートの各々が、実質的に三角形状である請求項28に記載の方法。
  32. 前記第1及び第2浮遊ゲートの各々が、ポリシリコンから作られている請求項31に記載の方法。
  33. 前記第1及び第2浮遊ゲートの各々が、窒化シリコンから作られている請求項31に記載の方法。
  34. 第1導電型の実質的に単結晶の半導体材料中に不揮発性メモリセルの配列を製造する方法であって、不揮発性メモリセルの前記配列は前記半導体材料中に複数の行及び列に配置された複数の不揮発性メモリセルを有し、
    前記半導体基板上に前記列方向に延びて互いに実質的に平行な離間した隔離領域を形成して、隣り合う隔離領域の各対の間に能動領域を形成し、前記半導体基板は表面を有し、
    各能動領域中に複数のメモリセルを形成し、各メモリセルの形成は、
    前記材料中に前記第1導電型とは異なる第2導電型の第1領域及び第2領域を形成し、前記第1領域及び第2領域を接続して電荷を伝導するチャンネル領域を形成し、前記チャンネル領域は第1部分及び第2部分を有し、前記チャンネル領域の前記第1部分は第1領域に隣接し、前記チャンネル領域の前記第2部分は前記第1部分と第2領域との間にあり、
    前記チャンネル領域上に誘電体を形成し、
    前記誘電体上に犠牲層を形成し、
    前記チャンネル領域の前記第1部分から離間した第1窪みを前記犠牲層に形成し、
    前記第1窪み中に第1浮遊ゲートを形成し、
    前記チャンネル領域の前記第2部分から離間し、前記第1浮遊ゲートと容量的に結合したゲート電極を形成する、
    各ステップを含む方法。
  35. 前記チャンネル領域の前記第2部分から離間した第2窪みを前記犠牲層に形成し、
    前記第2窪み中に第2浮遊ゲートを形成し、
    前記ゲート電極を形成するための前記ステップが、前記第2浮遊ゲートと容量的に結合した前記ゲート電極を形成することをさらに含む請求項34に記載の方法。
  36. 前記犠牲層が、真性ポリシリコンの第1層と、真性ポリシリコンの前記第1層上のドープされたポリシリコンの層と、ドープされたポリシリコンの前記層上の真性ポリシリコンの第2層とを含む請求項34に記載の方法。
  37. 前記犠牲層が、窒化シリコンである請求項34に記載の方法。
  38. 各々が側壁と底壁を持ち互いに離間した第1及び第2溝を前記半導体材料内に形成し、
    前記材料内に第1領域及び第2領域を形成する前記ステップが、前記第1溝及び前記第2溝の前記側壁に隣接した前記第1領域及び第2領域をそれぞれ形成することをさらに含む請求項34に記載の方法。
  39. 前記第1及び第2浮遊ゲートの各々が、実質的に三角形状である請求項36に記載の方法。
  40. 前記第1及び第2浮遊ゲートの各々が、ポリシリコンから作られている請求項34に記載の方法。
  41. 前記第1及び第2浮遊ゲートの各々が、窒化シリコンから作られている請求項34に記載の方法。
  42. 前記第1領域及び前記第2領域を形成する前記ステップが、複数の列を横断して前記行方向へ前記第1領域及び前記第2領域を連続的に形成し、隣接する行のメモリセルが共通の第1領域を共有する請求項37に記載の方法。
  43. 前記ゲート電極を形成する前記ステップが、複数メモリセルを横断して前記列方向へ前記ゲート電極を連続的に形成する請求項37に記載の方法。
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