JP2004349353A - Semiconductor storage device, its operating method, and portable electronic equipment - Google Patents

Semiconductor storage device, its operating method, and portable electronic equipment Download PDF

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浩 岩田
Akihide Shibata
晃秀 柴田
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a semiconductor storage device in which a storage element can be miniaturized and, at the same time, which can be reduced in manufacturing cost, because an insulator separating a channel region and a word electrode from each other is formed in a separated state and a short channel effect can be suppressed easily by reducing the thickness of the insulator. <P>SOLUTION: In the semiconductor storage device, a plurality of memory elements which are composed of field effect transistors are formed in an active region and disposed in a matrix-like state. The memory elements are formed on parts of word lines 1104 formed as gate electrodes on a semiconductor substrate 1101 through gate insulating films 1103 and on the lateral sides of the gate electrodes; and contain memory function groups 1105a and 1105b having charge holding functions, channel regions 1110 disposed under the gate insulating films 1103, and diffusion regions 1107 disposed on both sides of the channel regions 1110. In addition, two memory elements adjoining each other in the same row own jointly the diffusion region 1107 disposed in the area between the gate electrodes of the memory elements. Moreover, two memory elements adjoining each other in the same column also own jointly the diffusion region 1107 disposed in the area between the gate electrodes of the memory elements. <P>COPYRIGHT: (C)2005,JPO&NCIPI

Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体記憶装置及びその動作方法、並びに携帯電子機器に関する。より具体的には、電荷もしくは分極を保持する機能を有するメモリ機能体を備えた電界効果トランジスタを配列してなる半導体記憶装置及びその動作方法、並びに、そのような半導体記憶装置を備えた携帯電子機器に関する。
【0002】
【従来の技術】
不揮発性メモリの一つであるフラッシュメモリは、半導体記憶装置としてのメモリセルアレイを備えている。
【0003】
従来、フラッシュメモリのメモリセルアレイとしては、図29に示すようなものがある(例えば、特許文献1参照)。
【0004】
図29は、上記メモリセルアレイの概略平面図である。図30は、図29の30−30線から見た概略断面図である。図29及び図30中、901は半導体基板、902はチャネル領域、FGはフローティングゲート、WLはワード線、SLはソース線、BLはビット線、908は素子分離領域、931は絶縁膜をそれぞれ示している。
【0005】
上記メモリセルアレイは、マトリクス状に配置された複数のメモリセルを備えている。各メモリセルは、図30に示すように、フローティングゲートFGを有し、フローティングゲートFG中の電荷量の多寡として記憶を保持する。
【0006】
上記構成のメモリセルアレイによれば、特定のワード線WL、ビット線BLを選択して所定の電圧を印加することにより、所望のメモリセルの書き換え、読み出し動作を行なうことができる。
【0007】
図31は、上記メモリセルのフローティングゲートFG中の電荷量が変化したときにおけるドレイン電流(Id)対ゲート電圧(Vg)の特性を模式的に示す図である。
【0008】
上記フローティングゲートFG中の負電荷の量が増加すると閾値が増加し、Id−Vg曲線はVgの増加する方向(図中の矢印方向)に略平行移動する。
【0009】
【特許文献1】
特開05−304277号公報
【0010】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、上記従来のメモリセルアレイでは、ゲート電極を兼ねるワード線WLとチャネル領域902との間にフローティングゲートFGを配置している。そして、上記フローティングゲートFGからの電荷漏れを防ぐために、フローティングゲートFGとワード線WLと間、及び、フローティングゲートFGとチャネル領域902との間に絶縁膜931を設けている。
【0011】
このように、上記ワード線WLとチャネル領域902との間にはフローティングゲートFG及び絶縁膜931が存在し、この絶縁膜931の厚さを薄くすることが困難である。その結果、上記従来のメモリセルアレイは、メモリセルを微細化することができないという問題がある。
【0012】
そこで、本発明の目的は、微細化が容易な半導体記憶装置を提供することにある。
【0013】
【課題を解決するための手段】
上記目的を目的を達成するため、第1の発明の半導体記憶装置は、
素子分離領域と活性領域とを表面に有する半導体基板と、
上記活性領域に形成されてマトリクス状に配置された複数の電界効果トランジスタである記憶素子と、
上記記憶素子のゲート電極に接続するワード線と、
上記記憶素子のソース・ドレイン拡散領域に接続するビット線とを備え、
隣り合う2つの上記ビット線に関して、一方の上記ビット線は同一列の上記ソース・ドレイン拡散領域の一方に電気的に接続する一方、他方の上記ビット線は上記同一列の上記ソース・ドレイン拡散領域の他方に電気的に接続し、
同一行で隣り合う上記記憶素子は上記ソース・ドレイン拡散領域の一方を共有し、
同一列で隣り合う上記記憶素子は上記ソース・ドレイン拡散領域の一方を共有し、
上記記憶素子は、
上記半導体基板上にゲート絶縁膜を介して形成された上記ゲート電極と、
上記ゲート電極の側方に形成され、電荷または分極を保持する機能を有するメモリ機能体と、
上記ゲート絶縁膜下に配置されたチャネル領域と、
上記チャネル領域の両側に配置された上記ソース・ドレイン拡散領域と
を含み、
上記メモリ機能体に保持された電荷または分極の多寡により、上記ゲート電極に電圧を印加した際の上記ソース・ドレイン拡散領域の一方から上記ソース・ドレイン拡散領域の他方に流れる電流量が変化することを特徴としている。
【0014】
上記構成の半導体記憶装置によれば、上記ワード線の側壁には、電荷を保持する機能又は分極を保持する機能を有するメモリ機能体が形成されている。このメモリ機能体は、チャネル領域とワード電極とを隔てる絶縁体(ゲート絶縁膜)と分離されて形成されている。これにより、上記絶縁体を薄膜化して短チャネル効果を抑制するのが容易である。したがって、上記記憶素子を微細化して、製造コストを削減することができる。
【0015】
更には、上記同一行で隣り合う記憶素子はソース・ドレイン拡散領域の一方を共有し、同一列で隣り合う記憶素子はソース・ドレイン拡散領域の一方を共有している。すなわち、1つのソース・ドレイン拡散領域は、4つの電界効果トランジスタによって共有されていることとなる。そのため、上記ビット線が少なくなると共に、ビット線とソース・ドレイン拡散領域とを接続するコンタクト孔数も少なくなる。したがって、上記ビット線及びコンタクト孔に纏わるマージンが小さいので半導体記憶装置を更に縮小し、製造コストを低減することが可能となる。
【0016】
一実施形態の半導体記憶装置は、上記ワード線は夫々蛇行して延在しており、隣り合う2つの上記ワード線間において、上記ビット線が延在する方向に平行な方向の距離は、上記活性領域上よりも上記素子分離領域上の方が短い。
【0017】
上記実施形態の半導体記憶装置によれば、上記ワード線は夫々蛇行して延在している。このような複数のワード線の中で隣り合う2つのワード線間では、ビット線が延在する方向に平行な方向の距離が活性領域上よりも素子分離領域上の方が短くなっている。これにより、上記ビット線とソース・ドレイン拡散領域との接続部と、ワード線とのマージンを保ったまま素子分離領域の長さを縮小することができる。つまり、上記接続部に対するワード線のマージンを確保しつつ、素子分離領域の表面積を低減できる。したがって、上記記憶素子をメモリセルアレイのメモリセルとして用いた場合、メモリセルアレイの更なる縮小(もしくは高密度化)及び製造コストの低減が可能となる。
【0018】
一実施形態の半導体記憶装置は、上記メモリ機能体は、上記ワード線の両側に形成され、夫々独立した記憶単位として書き換え動作及び読み出し動作が行われる。
【0019】
上記実施形態の半導体記憶装置によれば、上記ワード線の両側の側壁に形成された2つのメモリ機能体のそれぞれに、独立して記憶の書き換え動作及び読み出し動作を行なうので、記憶素子の多値化が容易に実現する。したがって、上記記憶素子をメモリセルアレイのメモリセルとして用いた場合、1つのメモリセルの多値化が容易に実現する。その結果、上記メモリセルアレイを更に大容量化して、製造コストを削減することができる。
【0020】
一実施形態の半導体記憶装置は、上記メモリ機能体の少なくとも一部が上記ソース・ドレイン拡散領域の一部にオーバーラップする。
【0021】
上記実施形態の半導体記憶装置によれば、上記メモリ機能体の少なくとも一部が上記ソース・ドレイン拡散領域の一部にオーバーラップするので、記憶素子の読出し速度を十分に高速にすることができる。
【0022】
一実施形態の半導体記憶装置は、上記メモリ機能体は、上記ゲート絶縁膜の表面と略並行な表面を有して電荷を保持する機能を有する電荷保持膜を含む。
【0023】
上記実施形態の半導体記憶装置によれば、上記メモリ機能体が、ゲート絶縁膜の表面と略並行な表面を有して電荷を保持する機能を有する電荷保持膜を含むことにより、記憶素子のメモリ効果のばらつきを小さくすることができる。その結果、上記記憶素子の読出し電流ばらつきを抑えることができる。更には、記憶保持中の記憶素子の特性変化を小さくすることができるので、記憶素子の記憶保持特性が向上する。
【0024】
一実施形態の半導体記憶装置は、上記電荷保持膜は、上記ゲート電極の側面と略平行な表面を有する。
【0025】
上記実施形態の半導体記憶装置によれば、上記電荷保持膜が、ゲート電極の側面と略平行な表面を有するので、記憶素子の書換え動作を高速にすることができる。
【0026】
一実施形態の半導体記憶装置は、上記メモリ機能体は、上記電荷保持膜と上記活性領域との間に形成された絶縁膜を含み、上記絶縁膜の膜厚が、上記ゲート絶縁膜の膜厚より薄く、かつ、0.8nm以上である。
【0027】
上記実施形態の半導体記憶装置によれば、上記絶縁膜の膜厚が、ゲート絶縁膜の膜厚より薄く、かつ、0.8nm以上であるので、記憶素子の書込み動作及び消去動作の電圧を低下させたり、書込み動作及び消去動作を高速にしたりすることが可能となる。更には、上記記憶素子のメモリ効果が増大するので、記憶素子の読出し速度を高速にすることが可能となる。
【0028】
一実施形態の半導体記憶装置は、上記メモリ機能体は、上記電荷保持膜と上記活性領域との間に形成された絶縁膜を含み、上記絶縁膜の膜厚が、上記ゲート絶縁膜の膜厚より厚く、かつ、20nm以下である。
【0029】
上記実施形態の半導体記憶装置によれば、上記絶縁膜の膜厚が、ゲート絶縁膜の膜厚より厚く、かつ、20nm以下であるから、記憶素子の短チャネル効果を悪化させることなく保持特性を改善することができる。したがって、上記記憶素子を高集積化しても、記憶素子において十分な記憶保持性能を得ることができる。
【0030】
一実施形態の半導体記憶装置は、上記メモリ機能体は、シリコン窒化膜と、このシリコン窒化膜を挟むシリコン酸化膜とを含む。
【0031】
上記実施形態の半導体記憶装置によれば、上記メモリ機能体は、シリコン窒化膜がシリコン酸化膜で挟まれた構造を有するので、書換え動作時におけるメモリ機能体への電荷注入効率が高くなり、より高速な動作が可能となる。
【0032】
一実施形態の半導体記憶装置は、カラムデコーダー、センスアンプ及びロウデコーダーを含み、1つのチップから成る。
【0033】
上記実施形態の半導体記憶装置によれば、上記カラムデコーダー、センスアンプ及びロウデコーダーとを備えているので、特定の記憶素子を選択して書換え及び読み出し動作を行なうことができる。
【0034】
更には、上記カラムデコーダー、センスアンプ及びロウデコーダーなどの論理回路やアナログ回路を構成する通常トランジスタと、上記本発明の半導体記憶装置との混載が容易であるから、製造プロセスが容易なって、製造コストを下げることができる。
【0035】
また、第2の発明の半導体記憶装置の動作方法は、上記第1の発明の半導体記憶装置の動作方法であって、動作させるべき上記メモリ機能体が属する上記記憶素子の上記ゲート電極に接続された上記ワード線に、上記メモリ機能体を動作させるための電位を与える前に、上記記憶素子の一方の側方に位置する全ての上記ビット線を第1の電位にプリチャージすると共に、上記記憶素子の他方の側方に位置する全ての上記ビット線を第2の電位にプリチャージすることを特徴としている。
【0036】
上記構成の半導体記憶装置の動作方法によれば、上記動作させるべきメモリ機能体が属する記憶素子の一方の側方に位置する全てのビット線を第1の電位にプリチャージすると共に、その記憶素子の他方の側方に位置する全てのビット線を第2の電位にプリチャージする。その後、上記記憶素子のゲート電極に接続されたワード線に、メモリ機能体を動作させるための電位を与える。このような動作方法により、比較的簡単な制御回路でのランダムアクセスによる読み出し、書込み・消去動作が可能となり、メモリの占有面積がさらに縮小すると共に、動作効率が向上し、高速動作が可能となる。例えば、上記記憶素子の情報を読み出す場合、その記憶素子のゲート電極に接続されたワード線に読み出し動作を行なうための電位を与えた後には、速やかに記憶素子の情報を読み出すことができる。
【0037】
更には、上記記憶素子の一方の側方に位置する全ての上記ビット線を第1の電位にプリチャージすると共に、その記憶素子の他方の側方に位置する全ての上記ビット線を第2の電位にプリチャージするから、選択された電界効果トランジスタ(記憶素子)を流れる電流を検知するにあたってのノイズ電流を小さくすることができる。
【0038】
また、第3の発明の携帯電子機器は、上記第1の発明の半導体記憶装置を備えたことを特徴としている。
【0039】
上記構成の携帯電子機器によれば、上記第1の発明の半導体記憶装置を備えることにより、制御回路の製造コストが削減されるから、携帯電子機器自体のコストを削減することができる。もしくは、制御回路に含まれる不揮発性メモリを大容量化して、携帯電子機器の機能を高度化することができる。
【0040】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の半導体記憶装置を図示の実施の形態により詳細に説明する。
【0041】
本発明の半導体記憶装置(メモリセルアレイ)では、2ビットの情報を記憶することが可能であり、微細化が容易であり、形成が容易な記憶素子としてのメモリ素子が配列されている。
【0042】
本発明の半導体記憶装置が備える記憶素子としてのメモリ素子は、主として、ソース・ドレイン拡散領域としての第1導電型の領域と、第2導電型の領域と、第1及び第2導電型の領域の境界に跨って配置されたメモリ機能体と、絶縁膜を介して設けられた電極とを含むか、あるいは、主として、ゲート絶縁膜と、ゲート絶縁膜上に形成されたゲート電極と、ゲート電極の両側に形成されたメモリ機能体と、メモリ機能体のゲート電極と反対側のそれぞれに配置されたソース・ドレイン拡散領域と、ゲート電極下に配置されたチャネル領域とを含む。
【0043】
本明細書において、第1導電型とは、P型またはN型を意味する。また、第2導電型とは、第1導電型がP型の場合はN型、N型の場合はP型を意味する。
【0044】
上記メモリ素子は、1つの電荷保持膜に2値又はそれ以上の情報を記憶することにより、4値又はそれ以上の情報を記憶するメモリ素子として機能し、また、メモリ機能体による可変抵抗効果により、選択トランジスタとメモリトランジスタとの機能を兼ね備えたメモリセルとしても機能する。しかしながら、このメモリ素子は、必ずしも4値又はそれ以上の情報を記憶して機能させる必要はなく、例えば、2値の情報を記憶して機能させてもよい。
【0045】
本発明の半導体記憶装置は、半導体基板、好ましくは半導体基板内に形成された第1導電型のウェル領域を用いて形成されることが好ましい。
【0046】
半導体基板としては、半導装置に使用されるものであれば特に限定されるものではなく、例えば、シリコン、ゲルマニウム等の元素半導体、シリコンゲルマニウム、GaAs、InGaAs、ZnSe、GaN等の化合物半導体によるバルク基板が挙げられる。また、表面に半導体層を有するものとして、SOI(Silicon on Insulator)基板又は多層SOI基板等の種々の基板、ガラスやプラスチック基板上に半導体層を有するものを用いてもよい。なかでもシリコン基板又は表面にシリコン層が形成されたSOI基板等が好ましい。半導体基板又は半導体層は、内部を流れる電流量に多少が生ずるが、単結晶(例えば、エピタキシャル成長による)、多結晶又はアモルファスのいずれであってもよい。
【0047】
この半導体基板又は半導体層上には、素子分離領域が形成されていることが好ましく、さらにトランジスタ、キャパシタ、抵抗等の素子、これらによる回路、半導体装置や層間絶縁膜が組み合わせられて、シングル又はマルチレイヤー構造で形成されていてもよい。なお、素子分離領域は、LOCOS(シリコン局所酸化)膜、トレンチ酸化膜、STI膜等種々の素子分離膜により形成することができる。半導体基板は、P型又はN型の導電型を有していてもよく、半導体基板には、少なくとも1つの第1導電型(P型又はN型)のウェル領域が形成されていることが好ましい。半導体基板及びウェル領域の不純物濃度は、当該分野で公知の範囲のものが使用できる。なお、半導体基板としてSOI基板を用いる場合には、表面半導体層には、ウェル領域が形成されていてもよいが、チャネル領域下にボディ領域を有していてもよい。
【0048】
ゲート絶縁膜又は絶縁膜は、通常、半導体記憶装置に使用されるものであれば特に限定されるものではなく、例えば、シリコン酸化膜、シリコン窒化膜等の絶縁膜;酸化アルミニウム膜、酸化チタニウム膜、酸化タンタル膜、酸化ハフニウム膜などの高誘電体膜の単層膜又は積層膜を使用することができる。なかでも、シリコン酸化膜が好ましい。ゲート絶縁膜は、例えば、1〜20nm程度、好ましく1〜6nm程度の膜厚とすることが適当である。ゲート絶縁膜は、ゲート電極直下にのみ形成されていてもよいし、ゲート電極よりも大きく(幅広)で形成されていてもよい。
【0049】
ゲート電極又は電極は、ゲート絶縁膜上に、通常の半導体記憶装置に使用されるような形状又は下端部に凹部を有した形状で形成されている。また、ゲート電極は単一のゲート電極であってもよい。なお、単一のゲート電極とは、ゲート電極としては、単層又は複層の導電膜によって分離されることなく、一体形状として形成されているゲート電極を意味する。また、ゲート電極は、側壁に側壁絶縁膜を有していてもよい。ゲート電極は、通常、半導体記憶装置に使用されるものであれば特に限定されるものではなく、導電膜、例えば、ポリシリコン:銅、アルミニウム等の金属:タングステン、チタン、タンタル等の高融点金属:高融点金属とのシリサイド等の単層膜又は積層膜等が挙げられる。ゲート電極の膜厚は、例えば50〜400nm程度の膜厚で形成することが適当である。なお、ゲート電極の下にはチャネル領域が形成されている。
【0050】
メモリ機能体は、少なくとも、電荷を保持するか、電荷を蓄え、保持する機能を有するか、電荷をトラップするか、電荷分極状態を保持する機能を有する膜又は領域を含んで構成される。これらの機能を果たすものとしては、シリコン窒化物;シリコン;リン、ボロン等の不純物を含むシリケートガラス;シリコンカーバイド;アルミナ;ハフニウムオキサイド、ジルコニウムオキサイド、タンタルオキサイド等の高誘電体;酸化亜鉛;強誘電体;金属等が挙げられる。メモリ機能体は、例えば、シリコン窒化膜を含む絶縁体膜;導電膜もしくは半導体層を内部に含む絶縁体膜;導電体もしくは半導体ドットを1つ以上含む絶縁体膜;電界により内部電荷が分極し、その状態が保持される強誘電体膜を含む絶縁膜等の単層又は積層構造によって形成することができる。なかでも、シリコン窒化膜は、電荷をトラップする準位が多数存在するため大きなヒステリシス特性を得ることができ、また、電荷保持時間が長く、リークパスの発生による電荷漏れの問題が生じないため保持特性が良好であり、さらに、LSIプロセスではごく標準的に用いられる材料であるため、好ましい。
【0051】
シリコン窒化膜などの電荷保持機能を有する絶縁膜を内部に含む絶縁膜をメモリ機能体として用いることにより、記憶保持に関する信頼性を高めることができる。シリコン窒化膜は絶縁体であるから、その一部に電荷のリークが生じた場合でも、直ちにシリコン窒化膜全体の電荷が失われることがないからである。更には、複数のメモリ素子を配列する場合、メモリ素子間の距離が縮まって隣接するメモリ機能体が接触しても、メモリ機能体が導電体からなる場合のように夫々のメモリ機能体に記憶された情報が失われることがない。また、コンタクトプラグをよりメモリ機能体と接近して配置することができ、場合によってはメモリ機能体と重なるように配置することができるので、メモリ素子の微細化が容易となる。
【0052】
さらに記憶保持に関する信頼性を高めるためには、電荷を保持する機能を有する絶縁膜は、必ずしも膜状である必要はなく、電荷を保持する機能を有する絶縁体が絶縁膜に離散的に存在することが好ましい。具体的には、電荷を保持しにくい材料、例えば、シリコン酸化物中にドット状に分散していることが好ましい。
【0053】
また、導電膜もしくは半導体層を内部に含む絶縁体膜をメモリ機能体として用いることにより、導電体もしくは半導体中への電荷の注入量を自由に制御できるため、多値化しやすい効果がある。
【0054】
さらに、導電体もしくは半導体ドットを1つ以上含む絶縁体膜をメモリ機能体として用いることにより、電荷の直接トンネリングによる書込・消去が行ないやすくなり、低消費電力化の効果がある。
【0055】
また、メモリ機能体として、電界により分極方向が変化するPZT、PLZT等の強誘電体膜を用いてもよい。この場合、分極により強誘電体膜の表面に実質的に電荷が発生し、その状態で保持される。従って、メモリ機能を有する膜外から電荷を供給され電荷をトラップする膜と同様なヒステリシス特性を得ることができ、かつ、強誘電体膜の電荷保持は、膜外からの電荷注入の必要がなく、膜内の電荷の分極のみによってヒステリシス特性を得ることができるため、高速に書込・消去ができる効果がある。
【0056】
つまり、メモリ機能体は、電荷を逃げにくくする領域又は電荷を逃げにくくする機能を有する膜をさらに含むことが好ましい。電荷を逃げにくくする機能を果たすものとしては、シリコン酸化膜等が挙げられる。
【0057】
メモリ機能体に含まれる電荷保持膜は、直接又は絶縁膜を介してゲート電極の両側に形成されており、また、直接、ゲート絶縁膜又は絶縁膜を介して半導体基板(ウェル領域、ボディ領域又はソース・ドレイン領域もしくは拡散領域)上に配置している。ゲート電極の両側の電荷保持膜は、直接又は絶縁膜を介してゲート電極の側壁の全て又は一部を覆うように形成されていることが好ましい。応用例としては、ゲート電極が下端部に凹部を有する場合には、直接又は絶縁膜を介して凹部を完全に又は凹部の一部を埋め込むように形成されていてもよい。
【0058】
ゲート電極は、メモリ機能体の側壁のみに形成されるか、あるいはメモリ機能体の上部を覆わないことが好ましい。このような配置により、コンタクトプラグをよりゲート電極と接近して配置することができるので、メモリ素子の微細化が容易となる。また、このような単純な配置を有するメモリ素子は製造が容易であり、歩留まりを向上することができる。
【0059】
電荷保持膜として導電膜を用いる場合には、電荷保持膜が半導体基板(ウェル領域、ボディ領域又はソース・ドレイン領域もしくは拡散領域)又はゲート電極と直接接触しないように、絶縁膜を介して配置させることが好ましい。例えば、導電膜と絶縁膜との積層構造、絶縁膜内に導電膜をドット状等に分散させた構造、ゲートの側壁に形成された側壁絶縁膜内の一部に配置した構造等が挙げられる。
【0060】
ソース・ドレイン拡散領域は、半導体基板又はウェル領域と逆導電型の拡散領域として、電荷保持膜のゲート電極と反対側のそれぞれに配置されている。ソース・ドレイン拡散領域と半導体基板又はウェル領域との接合は、不純物濃度が急峻であることが好ましい。ホットエレクトロンやホットホールが低電圧で効率良く発生し、より低電圧で高速な動作が可能となるからである。ソース・ドレイン拡散領域の接合深さは、特に限定されるものではなく、得ようとする半導体記憶装置の性能等に応じて、適宜調整することができる。なお、半導体基板としてSOI基板を用いる場合には、ソース・ドレイン拡散領域は、表面半導体層の膜厚よりも小さな接合深さを有していてもよいが、表面半導体層の膜厚と略同程度の接合深さを有していることが好ましい。
【0061】
ソース・ドレイン拡散領域は、ゲート電極端とオーバーラップするように配置していてもよいし、ゲート電極端と一致するように配置してもよいし、ゲート電極端に対してオフセットされて配置されていてもよい。特に、オフセットされている場合には、ゲート電極に電圧を印加したとき、電荷保持膜下のオフセット領域の反転しやすさが、メモリ機能体に蓄積された電荷量によって大きく変化し、メモリ効果が増大するとともに、短チャネル効果の低減をもたらすため、好ましい。ただし、あまりオフセットしすぎると、ソース・ドレイン間の駆動電流が著しく小さくなるため、ゲート長方向に対して平行方向の電荷保持膜の厚さよりもオフセット量つまり、ゲート長方向における一方のゲート電極端から近い方のソース・ドレイン拡散領域までの距離は短い方が好ましい。特に重要なことは、メモリ機能体中の電荷蓄積領域の少なくとも一部が、拡散領域であるソース・ドレイン拡散領域の一部とオーバーラップしていることである。本発明の半導体記憶装置を構成するメモリ素子の本質は、メモリ機能体の側壁部にのみ存在するゲート電極とソース・ドレイン拡散領域間の電圧差によりメモリ機能体を横切る電界によって記憶を書き換えることであるためである。
【0062】
ソース・ドレイン拡散領域は、その一部が、チャネル領域表面、つまり、ゲート絶縁膜下面よりも高い位置に延設されていてもよい。この場合には、半導体基板内に形成されたソース・ドレイン拡散領域上に、このソース・ドレイン拡散領域と一体化した導電膜が積層されて構成されていることが適当である。導電膜としては、例えば、ポリシリコン、アモルファスシリコン等の半導体、シリサイド、上述した金属、高融点金属等が挙げられる。なかでも、ポリシリコンが好ましい。ポリシリコンは、不純物拡散速度が半導体基板に比べて非常に大きいために、半導体基板内におけるソース・ドレイン拡散領域の接合深さを浅くするのが容易で、短チャネル効果の抑制がしやすいためである。なお、この場合には、このソース・ドレイン拡散領域の一部は、ゲート電極とともに、メモリ機能体の少なくとも一部を挟持するように配置することが好ましい。
【0063】
本発明のメモリ素子は、通常の半導体プロセスによって、例えば、ゲート電極の側壁に単層又は積層構造のサイドウォールスペーサを形成する方法と同様の方法によって形成することができる。具体的には、ゲート電極又は電極を形成した後、電荷保持膜、電荷保持膜/絶縁膜、絶縁膜/電荷保持膜、絶縁膜/電荷保持膜/絶縁膜等の電荷保持膜を含む単層膜又は積層膜を形成し、適当な条件下でエッチバックしてこれらの膜をサイドウォールスペーサ状に残す方法;絶縁膜又は電荷保持膜を形成し、適当な条件下でエッチバックしてサイドウォールスペーサ状に残し、さらに電荷保持膜又は絶縁膜を形成し、同様にエッチバックしてサイドウォールスペーサ状に残す方法;粒子状の電荷保持材料を分散させた絶縁膜材料をゲート電極を含む半導体基板上に塗布または堆積し、適当な条件下でエッチバックして、絶縁膜材料をサイドウォールスペーサ形状に残す方法;ゲート電極を形成した後、上記単層膜又は積層膜を形成し、マスクを用いてパターニングする方法等が挙げられる。また、ゲート電極又は電極を形成する前に、電荷保持膜、電荷保持膜/絶縁膜、絶縁膜/電荷保持膜、絶縁膜/電荷保持膜/絶縁膜等を形成し、これらの膜のチャネル領域となる領域に開口を形成し、その上全面にゲート電極材料膜を形成し、このゲート電極材料膜を、開口を含み、開口よりも大きな形状でパターニングする方法等が挙げられる。
【0064】
このメモリ素子の形成方法の一例を説明する。
【0065】
まず、公知の手順で、半導体基板上にゲート絶縁膜及びゲート電極を形成する。続いて、上記半導体基板上全面に、膜厚0.8〜20nm、より好ましくは膜厚3〜10nmのシリコン酸化膜を、熱酸化法により形成し、又はCVD(Chemical Vapor Deposition)法により堆積する。次に、上記シリコン酸化膜上全面に、膜厚2〜15nm、より好ましくは3〜10nmのシリコン窒化膜をCVD法により堆積する。更に、上記シリコン窒化膜上全面に、20〜70nmのシリコン酸化膜をCVD法により堆積する。
【0066】
続いて、異方性エッチングによりシリコン酸化膜/シリコン窒化膜/シリコン酸化膜をエッチングバックすることにより、記憶に最適なメモリ機能体を、ゲート電極の側壁にサイドウォールスペーサ状に形成する。
【0067】
その後、上記ゲート電極及びサイドウォールスペーサ状のメモリ機能体をマスクとしてイオン注入することにより、拡散層領域(ソース/ドレイン領域)を形成する。その後、公知の手順でシリサイド工程や上部配線工程を行なえばよい。
【0068】
本発明のメモリ素子を配列してメモリセルアレイを構成した場合、メモリ素子は次の要件(1)〜(10)の全てを満たすとき最良の形態となる。
(1) 複数のメモリ素子のゲート電極が一体となってワード線の機能を有する。
(2) 上記ワード線の両側にはメモリ機能体が形成されている。
(3) メモリ機能体内で電荷を保持するのは絶縁体、特にシリコン窒化膜である。
(4) メモリ機能体はONO(Oxide Nitride Oxide)膜で構成されており、シリコン窒化膜はゲート絶縁膜の表面と略並行な表面を有している。
(5) メモリ機能体中のシリコン窒化膜はワード線及びチャネル領域とシリコン酸化膜で隔てられている。
(6) メモリ機能体内のシリコン窒化膜と拡散層とがオーバーラップしている。
(7) ゲート絶縁膜の表面と略並行な表面を有するシリコン窒化膜とチャネル領域又は半導体層とを隔てる絶縁膜の厚さと、ゲート絶縁膜の厚さが異なる。
(8) 1個のメモリ素子の書込み及び消去動作は単一のワード線により行なう。
(9) メモリ機能体の上には書込み及び消去動作を補助する機能を有する電極(ワード線)がない。
(10) メモリ機能体の直下で拡散領域と接する部分に拡散領域の導電型と反対導電型の不純物濃度が濃い領域を有する。
【0069】
本発明のメモリ素子は、無論、必ずしも上記要件(1)〜(10)を全て満たす必要はない。
【0070】
上記要件(1)〜(10)を複数満たす場合、特に好ましい組み合わせが存在する。例えば、(3)メモリ機能体内で電荷を保持するのが絶縁体、特にシリコン窒化膜であり、(9)メモリ機能体の上には書込み及び消去動作を補助する機能を有する電極(ワード線)がなく、(6)メモリ機能体内の絶縁膜(シリコン窒化膜)と拡散層とがオーバーラップしている、場合である。メモリ機能体内で電荷を保持しているのが絶縁体であり、且つ、メモリ機能体の上には書込み及び消去動作を補助する機能を有する電極がない場合には、メモリ機能体内の絶縁膜(シリコン窒化膜)と拡散層とがオーバーラップしている場合にのみ、書込み動作が良好に行なわれることを発見した。すなわち、要件(3)及び(9)を満たす場合は、要件▲6▼を満たすことが必須であることが判明した。一方、メモリ機能体内で電荷を保持するのが導電体である場合はメモリ機能体内の導電体と拡散層がオーバーラップしていない場合でも、書込み動作を行なうことができた(メモリ機能体内の導体が書込み電極との容量カップリングにより書込み補助を行なうため)。また、メモリ機能体の上に書込み及び消去動作を補助する機能を有する電極がある場合は、メモリ機能体内の絶縁膜と拡散層がオーバーラップしていない場合でも、書込み動作を行なうことができた。
【0071】
しかしながら、メモリ機能体内で電荷を保持するのが導電体ではなく絶縁体であり、かつメモリ機能体の上には書込み及び消去動作を補助する機能を有する電極がない場合には、以下のような非常に大きな効果を得ることができる。
【0072】
まず、ビット線コンタクトをワード線側壁のメモリ機能体と、より接近して配置することができ、又はメモリ素子間の距離が接近しても複数のメモリ機能体が干渉せず記憶情報を保持できるので、メモリ素子の微細化が容易となる。メモリ機能体内の電荷保持領域が導体の場合、容量カップリングによりメモリ素子間が近づくにつれて電荷保持領域間で干渉が起き、記憶情報を保持できなくなる。
【0073】
また、メモリ機能体内の電荷保持領域が絶縁体(例えばシリコン窒化膜)である場合、メモリセル毎にメモリ機能体を独立させる必要が無くなる。例えば、複数のメモリセルで共有される1本のワード線の両側に形成されたメモリ機能体は、メモリセル毎に分離する必要が無く、1本のワード線の両側に形成されたメモリ機能体を、ワード線を共有する複数のメモリセルで共有することが可能となる。そのため、メモリ機能体を分離するフォト、エッチング工程が不要となり製造工程が簡略化される。更には、フォトの位置合わせマージン、エッチングの膜減りマージンが不要となるため、メモリセル間のマージンを縮小できる。したがって、メモリ機能体内の電荷保持領域が導電体(例えば多結晶シリコン膜)である場合と比較して、同じ微細加工レベルで形成しても、メモリセル占有面積を微細化できる効果がある(メモリ機能体内の電荷保持領域が導電体である場合、メモリ機能体をメモリセル毎に分離するフォト、エッチング工程が必要となり、フォトの位置合わせマージン、エッチングの膜減りマージンが必要となる)。
【0074】
更に、メモリ機能体の上には書込み及び消去動作を補助する機能を有する電極がなく素子構造が単純であるから工程数が減少し、歩留まりを向上し、論理回路やアナログ回路を構成するトランジスタとの混載を容易にすることができる。
【0075】
更にまた、非常に重要な設計事項として、メモリ機能体内の電荷保持領域が絶縁体であり、かつメモリ機能体の上に書込み及び消去動作を補助する機能を有する電極がない場合(上記2つの条件を満たすことにより、セル占有面積の縮小、製造方法の簡略化による歩留まり向上、ならびにコスト削減という非常に重要な効果が得られる)であっても、メモリ機能体内の電荷保持領域と拡散層をオーバーラップさせることにより、非常に低電圧で書込、消去が可能となることを我々は発見した。具体的には、5V以下という低電圧により書込み及び消去動作が行なわれることを確認した。この作用は回路設計上非常に大きな効果を有する。つまり、フラッシュメモリのような高電圧をチップ内で作る必要がなくなるため、莫大な占有面積が必要となるチャージポンピング回路を省略、もしくは、規模を小さくすることが可能となる。特に、小規模容量のメモリを調整用としてロジックLSIに内蔵する場合、メモリ部の占有面積はメモリセルよりも、メモリセルを駆動する周辺回路の占有面積が支配的となるため、メモリセル用電圧昇圧回路を省略、もしくは、規模を小さくすることは、チップサイズを縮小させるためには最も効果的となる。
【0076】
以上より、上記要件(3)、(9)及び(6)を満たすことが特に好ましいのである。
【0077】
本発明の半導体記憶装置は、論理素子又は論理回路等と組み合わせることにより、パーソナルコンピュータ、ノート、ラップトップ、パーソナル・アシスタント/発信機、ミニコンピュータ、ワークステーション、メインフレーム、マルチプロセッサー・コンピュータ又は他のすべての型のコンピュータシステム等のデータ処理システム;CPU、メモリ、データ記憶装置等のデータ処理システムを構成する電子部品;電話、PHS、モデム、ルータ等の通信機器;ディスプレイパネル、プロジェクタ等の画像表示機器;プリンタ、スキャナ、複写機等の事務機器;ビデオカメラ、デジタルカメラ等の撮像機器;ゲーム機、音楽プレーヤ等の娯楽機器;携帯情報端末、時計、電子辞書等の情報機器;カーナビゲーションシステム、カーオーディオ等の車載機器;動画、静止画、音楽等の情報を記録、再生するためのAV機器;洗濯機、電子レンジ、冷蔵庫、炊飯器、食器洗い機、掃除機、エアコン等の電化製品;マッサージ器、体重計、血圧計等の健康管理機器;ICカード、メモリカード等の携帯型記憶装置等の電子機器への幅広い応用が可能である。特に、携帯電話、携帯情報端末、ICカード、メモリカード、携帯型コンピュータ、携帯型ゲーム機、デジタルカメラ、ポータブル動画プレーヤ、ポータブル音楽プレーヤ、電子辞書、時計等の携帯電子機器への応用が有効である。なお、本発明の半導体記憶装置は、電子機器の制御回路又はデータ記憶回路の少なくとも一部として内蔵されるか、あるいは必要に応じて着脱可能に組み込んでもよい。
【0078】
以下の実施形態では、Nチャネル型素子をメモリとした場合について述べているが、Pチャネル型素子をメモリとして用いてもよい。この場合は、不純物の導電型を全て逆にすれば良い。
【0079】
また、以下の図面の記載において、同一の材料および物質を用いている部分においては、同一の符号を付しており、必ずしも同様の形状を示すものではない。
【0080】
また、以下の図面は模式的なものであり、厚みと平面寸法の関係、各層や各部の厚みや大きさの比率等は現実のものとは異なることに留意すべきである。したがって、具体的な厚みや大きさの寸法は、以下の説明を斟酌して判断すべきものである。また図面相互間においても、互いの寸法の関係や比率が異なる部分が含まれていることはもちろんである。
【0081】
(実施の形態1)
図1は、本発明の半導体記憶装置が備える記憶素子の一例としてのメモリ素子の断面構造を示すものである。
【0082】
図1に示すように、メモリ素子1は、半導体基板101の表面に形成されたP型ウェル領域102上に形成されている。P型ウェル領域102上にゲート絶縁膜103を介してゲート電極104が形成されている。上記ゲート電極104の両側には、メモリ機能体105a、105bが形成されている。ここで、メモリ機能体とは、メモリ機能体又は電荷保持膜のうちで書換え動作により実際に電荷が蓄積される部分を指している。図1に示す例では、ゲート電極104の上面及び側面を、電荷を保持するトラップ準位を有し、電荷保持膜となるシリコン窒化膜109が覆っており、上記シリコン窒化膜109のなかでゲート電極104の両側壁部分が、それぞれ実際に電荷を保持するメモリ機能体105a、105bとなっている。ソース・ドレイン拡散領域の一例としての拡散領域107a、107bは、それぞれソース領域又はドレイン領域として機能する。メモリ素子1の拡散領域は、オフセット構造を有している。すなわち、拡散領域107a、107bはゲート電極下領域121には達しておらず、電荷保持部下のオフセット領域120がチャネル領域122の一部を構成している。
【0083】
図2は、本発明の半導体記憶装置が備える記憶素子としてのメモリ素子の他の例を示すものである。
【0084】
図2のメモリ素子2が図1のメモリ素子1と異なるのは、メモリ機能体131a、131bのそれぞれは、電荷を保持するトラップ準位を有し、電荷保持膜の一例としてのシリコン窒化膜113が、シリコン酸化膜111と、絶縁膜の一例としてのシリコン酸化膜112とに挟まれた構造を有しているという点である。上記シリコン窒化膜113がシリコン酸化膜111、112で挟まれた構造とすることにより、メモリ素子の書換え動作時の電荷注入効率が高くなり、より高速な動作が可能となる。
【0085】
なお、図2において、シリコン窒化膜113を強誘電体で置き換えてもよい。更には、図1おいて、メモリ機能体105a、105bは、ナノメートルサイズの導電体または半導体からなる微粒子が絶縁膜中に散点状に分布する構造を有していてもよい。このとき、上記微粒子が1nm未満であると、量子効果が大きすぎるためにドットに電荷がトンネルするのが困難になり、10nmを超えると室温では顕著な量子効果が現れなくなる。したがって、上記微粒子の直径は1nm〜10nmの範囲にあることが好ましい。また、メモリ機能体131a、131bは、必ずしもメモリ素子2(図2)のようにサイドウォールスペーサ形状である必要はない。例えば、メモリ素子1(図1)では、電荷を保持するトラップ準位を有するシリコン窒化膜109はゲート電極104の側面及び上面を覆っているが、実質的に電荷を保持するメモリ機能体は、ゲート電極の両側壁部分(105a、105b)である。すなわち、これらの領域に電荷を保持する機能もしくは分極を保持する物質が配置されていればよいのである。
【0086】
上記メモリ素子の書込み動作原理を、図3及び図4を用いて説明する。なお、ここではメモリ機能体131a、131bが電荷を保持する機能を有する場合について説明する。
【0087】
ここで、書込みとは、メモリ素子1、2がNチャネル型である場合にはメモリ機能体131a、131bに電子を注入することを指すこととする。以後、上記メモリ素子1、2はNチャネル型であるとして説明する。
【0088】
第2のメモリ機能体131bに電子を注入する(書込む)ためには、図3に示すように、第1の拡散領域107a(N型の導電型を有する)をソース電極に、第2の拡散領域107b(N型の導電型を有する)をドレイン電極とする。例えば、第1の拡散領域107a及びP型ウェル領域102に0V、第2の拡散領域107bに+5V、ゲート電極104に+5Vを印加すればよい。このような電圧条件によれば、反転層226が、第1の拡散領域107a(ソース電極)から伸びるが、第2の拡散領域107b(ドレイン電極)に達することなく、ピンチオフ点が発生する。電子は、ピンチオフ点から第2の拡散領域107b(ドレイン電極)まで高電界により加速され、いわゆるホットエレクトロン(高エネルギーの伝導電子)となる。このホットエレクトロンが第2のメモリ機能体131bに注入されることにより書込みが行なわれる。なお、第1のメモリ機能体131a近傍では、ホットエレクトロンが発生しないため、書込みは行なわれない。
【0089】
このようにして、第2のメモリ機能体131bに電子を注入して、書込みを行なうことができる。
【0090】
一方、第1のメモリ機能体131aに電子を注入する(書込む)ためには、図4に示すように、第2の拡散領域107bをソース電極に、第1の拡散領域107aをドレイン電極とする。例えば、第2の拡散領域107b及びP型ウェル領域102に0V、第1の拡散領域107aに+5V、ゲート電極104に+5Vを印加すればよい。このように、第2のメモリ機能体131bに電子を注入する場合とは、ソース・ドレイン領域を入れ替えることにより、第1のメモリ機能体131aに電子を注入して、書込みを行なうことができる。
【0091】
次に、上記メモリ素子の消去動作原理を図5及び図6で説明する。
【0092】
第1のメモリ機能体131aに記憶された情報を消去する第1の方法では、図5に示すように、第1の拡散領域107aに正電圧(例えば、+5V)、P型ウェル領域102に0Vを印加して、第1の拡散領域107aとP型ウェル領域102とのPN接合に逆方向バイアスをかけ、更にゲート電極104に負電圧(例えば、−5V)を印加すればよい。このとき、上記PN接合のうちゲート電極104付近では、負電圧が印加されたゲート電極の影響により、特にポテンシャルの勾配が急になる。そのため、バンド間トンネルによりPN接合のP型ウェル領域102側にホットホール(高エネルギーの正孔)が発生する。このホットホールが負の電位をもつゲート電極104方向に引きこまれ、その結果、第1のメモリ機能体131aにホール注入が行なわれる。このようにして、第1のメモリ機能体131aの消去が行なわれる。このとき第2の拡散領域107bには0Vを印加すればよい。
【0093】
第2のメモリ機能体131bに記憶された情報を消去する場合は、上記において第1の拡散領域と第2の拡散領域の電位を入れ替えればよい。
【0094】
第1のメモリ機能体131aに記憶された情報を消去する第2の方法では、図6に示すように、第1の拡散領域107aに正電圧(例えば、+4V)、第2の拡散領域107bに0V、ゲート電極104に負電圧(例えば、−4V)、P型ウェル領域102に正電圧(例えば、+0.8V)を印加すればよい。この際、P型ウェル領域102と第2の拡散領域107bとの間に順方向電圧が印加され、P型ウェル領域102に電子が注入される。注入された電子は、P型ウェル領域102と第1の拡散領域107aとのPN接合まで拡散し、そこで強い電界により加速されてホットエレクトロンとなる。このホットエレクトロンは、PN接合において、電子−ホール対を発生させる。すなわち、P型ウェル領域102と第2の拡散領域107bとの間に順方向電圧を印加することにより、P型ウェル領域102に注入された電子がトリガーとなって、反対側に位置するPN接合でホットホールが発生する。PN接合で発生したホットホールは負の電位をもつゲート電極104方向に引きこまれ、その結果、第1のメモリ機能体131aに正孔注入が行なわれる。
【0095】
この第2の方法によれば、P型ウェル領域と第1の拡散領域107aとのPN接合において、バンド間トンネルによりホットホールが発生するに足りない電圧しか印加されない場合においても、第2の拡散領域107bから注入された電子は、PN接合で電子−正孔対が発生するトリガーとなり、ホットホールを発生させることができる。したがって、消去動作時の電圧を低下させることができる。特に、オフセット領域120(図1及び図2を参照)が存在する場合は、負の電位が印加されたゲート電極により上記PN接合が急峻となる効果が少ない。そのため、バンド間トンネルによるホットホールの発生が難しいのであるが、第2の方法はその欠点を補い、低電圧で消去動作を実現することができる。
【0096】
なお、第1のメモリ機能体131aに記憶された情報を消去する場合、第1の消去方法では、第1の拡散領域107aに+5Vを印加しなければならなかったが、第2の消去方法では、+4Vで足りた。このように、第2の方法によれば、消去時の電圧を低減することができるので、消費電力が低減され、ホットキャリアによるメモリ素子の劣化を抑制することができる。
【0097】
何れの消去方法によっても、本発明のメモリ素子は過消去が起きにくいという特徴を有している。過消去とは、メモリ機能体に蓄積された正孔の量が増大するにつれ、飽和することなく閾値が低下していく現象である。フラッシュメモリを代表とするEEPROM(Electrically Erasable Programmable ROM:電気的に消去可能な読み出し専用メモリ)では大きな問題となっており、特に閾値が負になった場合にメモリセルの選択が不可能になるという致命的な動作不良を生じる。本発明のメモリ素子においては、メモリ機能体に大量の正孔が蓄積された場合においても、メモリ機能体下に電子が誘起されるのみで、ゲート絶縁膜下のチャネル領域のポテンシャルにはほとんど影響を与えない。消去時の閾値はゲート絶縁膜下のポテンシャルにより決まるので、過消去が起きにくいのである。
【0098】
次に、上記メモリ素子の読み出し動作原理を、図7を用いて説明する。
【0099】
第1のメモリ機能体131aに記憶された情報を読み出す場合、図7に示すように、第1の拡散領域107aをソース電極に、第2の拡散領域107bをドレイン電極とし、トランジスタを動作させる。例えば、第1の拡散領域107a及びP型ウェル領域102に0V、第2の拡散領域107bに+2V、ゲート電極104に+2Vを印加すればよい。この際、第1のメモリ機能体131aに電子が蓄積していない場合には、ドレイン電流が流れやすい。一方、第1のメモリ機能体131aに電子が蓄積している場合は、第1のメモリ機能体131a近傍で反転層が形成されにくいので、ドレイン電流は流れにくい。したがって、ドレイン電流を検出することにより、第1のメモリ機能体131aの記憶情報を読み出すことができる。特に、ピンチオフ動作させるような電圧を与えて読み出す場合、第2のメモリ機能体131bにおける電荷蓄積の有無に影響されることなく、第1のメモリ機能体131aにおける電荷蓄積の状態について、より高精度に判定することが可能となる。
【0100】
第2のメモリ機能体131bに記憶された情報を読み出す場合、第2の拡散領域107bをソース電極に、第1の拡散領域107aをドレイン電極とし、トランジスタを飽和領域動作させる。例えば、第2の拡散領域107b及びP型ウェル領域102に0V、第1の拡散領域107aに+2V、ゲート電極104に+2Vを印加すればよい。このように、第1のメモリ機能体131aに記憶された情報を読み出す場合とは、ソース・ドレイン領域を入れ替えることにより、第2のメモリ機能体131bに記憶された情報の読出しを行なうことができる。
【0101】
なお、ゲート電極104で覆われないチャネル領域(オフセット領域120)が残されている場合、ゲート電極104で覆われないチャネル領域においては、メモリ機能体131a、131bの余剰電荷の有無によって反転層が消失又は形成され、その結果、大きなヒステリシス(閾値の変化)が得られる。ただし、オフセット領域120の幅があまり大きいと、ドレイン電流が大きく減少し、読出し速度が大幅に遅くなる。したがって、十分なヒステリシスと読出し速度が得られるように、オフセット領域102の幅を決定することが好ましい。
【0102】
拡散領域107a、107bがゲート電極104端に達している場合、つまり、拡散領域107a、107bとゲート電極104とがオーバーラップしている場合であっても、書込み動作によりトランジスタの閾値はほとんど変わらなかったが、ソース・ドレイン端での寄生抵抗が大きく変わり、ドレイン電流は大きく減少(1桁以上)した。したがって、ドレイン電流の検出により読出しが可能であり、メモリとしての機能を得ることができる。ただし、より大きなメモリヒステリシス効果を必要とする場合、拡散領域107a、107bとゲート電極104とがオーバーラップしていない(オフセット領域120が存在する)ほうが好ましい。
【0103】
以上の動作方法により、1トランジスタ当り選択的に2ビットの書込み及び消去が可能となる。また、メモリ素子のゲート電極104にワード線WLを、第1の拡散領域107aに第1のビット線BL1を、第2の拡散領域107bに第2のビット線BL2をそれぞれ接続し、メモリ素子を配列することにより、メモリセルアレイを構成することができる。
【0104】
また、上記動作方法では、ソース電極とドレイン電極を入れ替えることによって1トランジスタ当り2ビットの書込み及び消去をさせているが、ソース電極とドレイン電極を固定して1ビットメモリとして動作させてもよい。この場合ソース・ドレイン領域の一方を共通固定電圧とすることが可能となり、ソース・ドレイン領域に接続されるビット線の本数を半減することができる。
【0105】
以上の説明から明らかなように、上記メモリ素子によれば、メモリ機能体はゲート絶縁膜と独立して形成され、ゲート電極の両側に形成されている。そのため、2ビット動作が可能である。更には、各メモリ機能体はゲート電極により分離されているので書換え時の干渉が効果的に抑制される。また、メモリ機能体とは分離されているので、ゲート絶縁膜を薄膜化して短チャネル効果を抑制することができる。したがってメモリ素子の微細化が容易となる。
【0106】
(実施の形態2)
この実施の形態のメモリ素子は、メモリ機能体261、262が電荷を保持する領域(電荷を蓄える領域であって、電荷を保持する機能を有する膜であってもよい)と電荷を逃げにくくする領域(電荷を逃げにくくする機能を有する膜であってもよい)から構成される。例えば、図8に示すように、ONO構造を有している。すなわち、シリコン酸化膜241とシリコン酸化膜243との間にシリコン窒化膜242が挟まれ、メモリ機能体261、262を構成している。ここで、シリコン窒化膜は電荷を保持する機能を果たす。また、シリコン酸化膜241、243はシリコン窒化膜中に蓄えられた電荷を逃げにくくする機能を有する膜の役割を果たす。
【0107】
また、メモリ機能体261、262における電荷を保持する領域(シリコン窒化膜242)は、ソース・ドレイン拡散領域の一例としての拡散領域212、213とそれぞれオーバーラップしている。ここで、オーバーラップするとは、拡散領域212、213の少なくとも一部の領域上に、電荷を保持する領域(シリコン窒化膜242)の少なくとも一部が存在することを意味する。なお、図8の参照番号に関して、211は半導体基板、214はゲート絶縁膜、217はゲート電極、271は(ゲート電極と拡散領域との)オフセット領域である。また、ゲート絶縁膜214下であって半導体基板211最表面部はチャネル領域272となっている。
【0108】
メモリ機能体261、262における電荷を保持する領域242と拡散領域212、213とがオーバーラップすることによる効果を説明する。
【0109】
図9は、図8の右側のメモリ機能体262周辺部の拡大図である。図9において、W1はゲート電極217と拡散領域213とのオフセット量を示す。また、W2はゲート電極のチャネル長方向の切断面におけるメモリ機能体262の幅を示しているが、メモリ機能体262のうちシリコン窒化膜242のゲート電極217と離れた側の端が、ゲート電極217から離れた側のメモリ機能体262の端と一致しているため、メモリ機能体262の幅をW2として定義した。W2−W1が、メモリ機能体262と拡散領域213とのオーバーラップ量である。メモリ機能体262と拡散領域213とのオーバーラップ量はW2−W1で表される。特に重要なことは、メモリ機能体262のうちシリコン窒化膜242で構成されたメモリ機能体262が、拡散領域213とオーバーラップする、つまり、W2>W1なる関係を満たすことである。
【0110】
また、図10に示すように、メモリ機能体262aのうちシリコン窒化膜242aのゲート電極217と離れた側の端が、ゲート電極217から離れた側のメモリ機能体262aの端と一致していない場合は、W2をゲート電極端からシリコン窒化膜242aのゲート電極217aと遠い側の端までと定義すればよい。
【0111】
図11は、図9の構造において、メモリ機能体262の幅W2を100nmに固定し、オフセット量W1を変化させたときのドレイン電流Idを示している。ここで、ドレイン電流は、メモリ機能体262を消去状態(ホールが蓄積されている)とし、拡散領域212、213をそれぞれソース電極、ドレイン電極として、デバイスシミュレーションにより求めた。
【0112】
図11から明らかなように、W1が100nm以上(すなわち、シリコン窒化膜242と拡散領域213とがオーバーラップしない)では、ドレイン電流が急速に減少している。ドレイン電流値は、読出し動作速度に略比例するので、W1が100nm以上ではメモリの性能は急速に劣化する。一方、シリコン窒化膜242と拡散領域213とがオーバーラップする範囲においては、ドレイン電流の減少は緩やかである。したがって、量産製造においてばらつきも考慮した場合、電荷を保持する機能を有する膜であるシリコン窒化膜242の少なくとも一部とソース・ドレイン領域とがオーバーラップしなければ、事実上メモリ機能を得ることが困難である。
【0113】
上述したデバイスシミュレーションの結果を踏まえて、W2を100nm固定とし、W1を設計値として60nm及び100nmとして、メモリセルアレイを作製した。W1が60nmの場合、シリコン窒化膜142と拡散領域112、113とは設計値として40nmオーバーラップし、W1が100nmの場合、設計値としてオーバーラップしない。これらのメモリセルアレイの読出し時間を測定した結果、ばらつきを考慮したワーストケースで比較して、W1を設計値として60nmとした場合の方が、読出しアクセス時間で100倍高速であった。実用上、読み出しアクセス時間は1ビットあたり100ナノ秒以下であることが好ましいが、W1=W2では、この条件を到底達成できないことが分かった。また、製造ばらつきまで考慮した場合、W2−W1>10nmであることがより好ましいことが判明した。
【0114】
メモリ機能体261(領域281)に記憶された情報の読み出しは、実施の形態1と同様に、拡散領域212をソース電極とし、拡散領域213をドレイン領域としてチャネル領域中のドレイン領域に近い側にピンチオフ点を形成するのが好ましい。すなわち、2つのメモリ機能体のうち一方に記憶された情報を読み出す時に、ピンチオフ点をチャネル領域内であって、他方のメモリ機能体に近い領域に形成させるのが好ましい。これにより、メモリ機能体262の記憶状況の如何にかかわらず、メモリ機能体261の記憶情報を感度よく検出することができ、2ビット動作を可能にする大きな要因となる。
【0115】
一方、2つのメモリ機能体の片側のみに情報を記憶させる場合又は2つのメモリ機能体を同じ記憶状態にして使用する場合には、読出し時に必ずしもピンチオフ点を形成しなくてもよい。
【0116】
なお、図8には図示していないが、半導体基板211の表面にウェル領域(Nチャネル素子の場合はP型ウェル)を形成することが好ましい。ウェル領域を形成することにより、チャネル領域の不純物濃度をメモリ動作(書換え動作及び読出し動作)に最適にしつつ、その他の電気特性(耐圧、接合容量、短チャネル効果)を制御するのが容易になる。
【0117】
メモリ機能体は、メモリの保持特性を向上させる観点から、電荷を保持する機能を有する電荷保持膜と絶縁膜とを含んでいるのが好ましい。この実施の形態では、電荷保持膜として電荷をトラップする準位を有するシリコン窒化膜242、絶縁膜として電荷保持膜に蓄積された電荷の散逸を防ぐ働きのあるシリコン酸化膜241、243を用いている。メモリ機能体が電荷保持膜と絶縁膜とを含むことにより電荷の散逸を防いで保持特性を向上させることができる。さらに、メモリ機能体が電荷保持膜のみで構成される場合に比べて電荷保持膜の体積を適度に小さくすることができる。電荷保持膜の体積を適度に小さくすることにより電荷保持膜内での電荷の移動を制限し、記憶保持中に電荷移動による特性変化が起こるのを抑制することができる。
【0118】
また、メモリ機能体は、ゲート絶縁膜表面と略平行に配置されるな電荷保持膜を含むことが好ましい。いいかえると、メモリ機能体における電荷保持膜の上面が、ゲート絶縁膜上面から等しい距離に位置するように配置されることが好ましい。具体的には、図12に示したように、メモリ機能体262の電荷保持膜242aが、ゲート絶縁膜214表面と略平行な面を有している。言い換えると、電荷保持膜242aは、ゲート絶縁膜214表面に対応する高さから、均一な高さに形成されることが好ましい。メモリ機能体262中に、ゲート絶縁膜214表面と略平行な電荷保持膜242aがあることにより、電荷保持膜242aに蓄積された電荷の多寡によりオフセット領域271での反転層の形成されやすさを効果的に制御することができ、ひいてはメモリ効果を大きくすることができる。また、電荷保持膜242aをゲート絶縁膜214の表面と略平行とすることにより、オフセット量(W1)がばらついた場合でもメモリ効果の変化を比較的小さく保つことができ、メモリ効果のばらつきを抑制することができる。しかも、電荷保持膜242a上部方向への電荷の移動が抑制され、記憶保持中に電荷移動による特性変化が起こるのを抑制することができる。
【0119】
さらに、メモリ機能体262は、ゲート絶縁膜214の表面と略平行な電荷保持膜242aとチャネル領域(又はウェル領域)とを隔てる絶縁膜(例えば、シリコン酸化膜244のうちオフセット領域271上の部分)を含むことが好ましい。この絶縁膜により、電荷保持膜に蓄積された電荷の散逸が抑制され、さらに保持特性の良いメモリ素子を得ることができる。
【0120】
なお、電荷保持膜242aの膜厚を制御すると共に、電荷保持膜242a下の絶縁膜(シリコン酸化膜244のうちオフセット領域271上の部分)の膜厚を一定に制御することにより、半導体基板表面から電荷保持膜中に蓄えられる電荷までの距離を概ね一定に保つことが可能となる。つまり、半導体基板表面から電荷保持膜中に蓄えられる電荷までの距離を、電荷保持膜242a下の絶縁膜の最小膜厚値から、電荷保持膜242a下の絶縁膜の最大膜厚値と電荷保持膜242aの最大膜厚値との和までの間に制御することができる。これにより、電荷保持膜242aに蓄えられた電荷により発生する電気力線の密度を概ね制御することが可能となり、メモリ素子のメモリ効果の大きさばらつきを非常に小さくすることが可能となる。
【0121】
(実施の形態3)
この実施の形態は、メモリ機能体262の電荷保持膜242が、図13に示すように、略均一な膜厚で、ゲート絶縁膜214の表面と略平行に配置された領域281と、さらに、ゲート電極217側面と略平行に配置された領域282とを有している。つまり、上記電荷保持膜242は、ゲート絶縁膜214の表面と略平行な表面を有する領域281を含むと共に、ゲート電極217の側面と略平行な表面を有する領域282を含んでいる。
【0122】
ゲート電極217に正電圧が印加された場合には、メモリ機能体262中での電気力線は矢印283のように、シリコン窒化膜242を2回(領域282及び領域281の部分)通過する。なお、ゲート電極217に負電圧が印加された時は電気力線の向きは反対側となる。ここで、シリコン窒化膜242の比誘電率は約6であり、シリコン酸化膜241、243の比誘電率は約4である。したがって、領域281のみを有する電荷保持膜の場合よりも、矢印283方向の電気力線方向におけるメモリ機能体262の実効的な比誘電率が大きくなり、電気力線の両端での電位差をより小さくすることができる。すなわち、ゲート電極217に印加された電圧の多くの部分が、オフセット領域271における電界を強くするために使われることになる。
【0123】
書換え動作時に電荷がシリコン窒化膜242に注入されるのは、発生した電荷がオフセット領域271における電界により引き込まれるためである。したがって、矢印282で示される電荷保持膜を含むことにより、書換え動作時にメモリ機能体262に注入される電荷が増加し、書換え速度が増大する。
【0124】
なお、シリコン酸化膜243の部分もシリコン窒化膜であった場合、つまり、電荷保持膜がゲート絶縁膜214の表面に対応する高さに対して均一でない場合、シリコン窒化膜の上方向への電荷の移動が顕著になって、保持特性が悪化する。
【0125】
電荷保持膜は、シリコン窒化膜に代えて、比誘電率が非常大きい酸化ハフニウムなどの高誘電体により形成されることがより好ましい。
【0126】
さらに、メモリ機能体は、ゲート絶縁膜表面と略平行な電荷保持膜とチャネル領域(又はウェル領域)とを隔てる絶縁膜(シリコン酸化膜241のうちオフセット領域271上の部分)をさらに含むことが好ましい。この絶縁膜により、電荷保持膜に蓄積された電荷の散逸が抑制され、さらに保持特性を向上させることができる。
【0127】
また、メモリ機能体は、ゲート電極と、ゲート電極側面と略平行な向きに延びた電荷保持膜とを隔てる絶縁膜(シリコン酸化膜241のうちゲート電極217に接した部分)をさらに含むことが好ましい。この絶縁膜により、ゲート電極から電荷保持膜へ電荷が注入されて電気的特性が変化することを防止し、メモリ素子の信頼性を向上させることができる。
【0128】
さらに、上記実施の形態2と同様に、電荷保持膜242下の絶縁膜(シリコン酸化膜241のうちオフセット領域271上の部分)の膜厚を一定に制御すること、さらにゲート電極側面上に配置する絶縁膜(シリコン酸化膜241のうちゲート電極217に接した部分)の膜厚を一定に制御することが好ましい。これにより、電荷保持膜242に蓄えられた電荷により発生する電気力線の密度を概ね制御することができるとともに、電荷リークを防止することができる。
【0129】
(実施の形態4)
この実施の形態は、ゲート電極、メモリ機能体及びソース・ドレイン領域間距離の最適化に関する。
【0130】
図14に示したように、Aはチャネル長方向の切断面におけるゲート電極長、Bはソース・ドレイン領域間の距離(チャネル長)、Cは一方のメモリ機能体の端から他方のメモリ機能体の端までの距離、つまり、チャネル長方向の切断面における一方のメモリ機能体内の電荷を保持する機能を有する膜の端(ゲート電極と離れている側)から他方のメモリ機能体内の電荷を保持する機能を有する膜の端(ゲート電極と離れている側)までの距離を示す。
【0131】
まず、B<Cであることが好ましい。チャネル領域のうちゲート電極217下の部分とソース・ドレイン領域212、213との間にはオフセット領域271が存する。B<Cにより、メモリ機能体261、262(シリコン窒化膜242)に蓄積された電荷により、オフセット領域271の全領域において、反転の容易性が効果的に変動する。したがって、メモリ効果が増大し、特に読出し動作の高速化が実現する。
【0132】
また、ゲート電極217とソース・ドレイン領域212、213がオフセットしている場合、つまり、A<Bが成立する場合には、ゲート電極に電圧を印加したときのオフセット領域の反転のしやすさがメモリ機能体に蓄積された電荷量によって大きく変化し、メモリ効果が増大するとともに、短チャネル効果を低減することができる。ただし、メモリ効果が発現する限りにおいては、必ずしも存在する必要はない。オフセット領域271がない場合においても、ソース・ドレイン領域212、213の不純物濃度が十分に薄ければ、メモリ機能体261、262(シリコン窒化膜242)においてメモリ効果が発現し得る。
したがって、A<B<Cであるのが最も好ましい。
【0133】
(実施の形態5)
この実施の形態のメモリ素子は、図15に示すように、実施の形態2における半導体基板をSOI基板とする以外は、実質的に同様の構成を有する。
【0134】
このメモリ素子は、半導体基板286上に埋め込み酸化膜288が形成され、さらにその上にSOI層が形成されている。SOI層内には拡散領域212、213が形成され、それ以外の領域はボディ領域287となっている。
【0135】
このメモリ素子によっても、上記実施の形態2のメモリ素子と同様の作用効果を奏する。さらに、拡散領域212、213とボディ領域287との接合容量を著しく小さくすることができるので、素子の高速化や低消費電力化が可能となる。
【0136】
(実施の形態6)
この実施の形態のメモリ素子は、図16に示すように、実施の形態2において、N型のソース・ドレイン領域212、213のチャネル側に隣接して、P型高濃度領域291を追加した以外は、実質的に同様の構成を有する。
【0137】
すなわち、P型高濃度領域291におけるP型を与える不純物(例えばボロン)濃度が、領域292におけるP型を与える不純物濃度より高い。P型高濃度領域291におけるP型の不純物濃度は、例えば、5×1017〜1×1019cm−3程度が適当である。また、領域292のP型の不純物濃度は、例えば、5×1016〜1×1018cm−3とすることができる。
【0138】
このように、P型高濃度領域291を設けることにより、拡散領域212、213と半導体基板211との接合が、メモリ機能体261、262の直下で急峻となる。そのため、書込み及び消去動作時にホットキャリアが発生し易くなり、書込み動作及び消去動作の電圧を低下させ、あるいは書込み動作及び消去動作を高速にすることが可能となる。さらに、領域292の不純物濃度は比較的薄いので、メモリが消去状態にあるときの閾値が低く、ドレイン電流は大きくなる。そのため、読出し速度が向上する。したがって、書換え電圧が低く又は書換え速度が高速で、かつ、読出し速度が高速なメモリ素子を得ることができる。
【0139】
また、図16において、ソース・ドレイン領域近傍であってメモリ機能体の下(すなわち、ゲート電極の直下ではない)において、P型高濃度領域291を設けることにより、トランジスタ全体としての閾値は著しく上昇する。この上昇の程度は、P型高濃度領域291がゲート電極の直下にある場合に比べて著しく大きい。メモリ機能体に書込み電荷(トランジスタがNチャネル型の場合は電子)が蓄積した場合は、この差がいっそう大きくなる。一方、メモリ機能体に十分な消去電荷(トランジスタがNチャネル型の場合は正孔)が蓄積された場合は、トランジスタ全体としての閾値は、ゲート電極下のチャネル領域(領域292)の不純物濃度で決まる閾値まで低下する。すなわち、消去時の閾値は、P型高濃度領域291の不純物濃度には依存せず、一方で、書込み時の閾値は非常に大きな影響を受ける。よって、P型高濃度領域291をメモリ機能体の下であってソース・ドレイン領域近傍に配置することにより、書込み時の閾値のみが非常に大きく変動し、メモリ効果(書込み時と消去時での閾値の差)を著しく増大させることができる。
【0140】
(実施の形態7)
この実施の形態のメモリ素子は、図17に示すように、上記実施の形態2において、電荷保持膜(シリコン窒化膜242)とチャネル領域又はウェル領域とを隔てる絶縁膜の厚さ(T1)が、ゲート絶縁膜の厚さ(T2)よりも薄いこと以外は、実質的に同様の構成を有する。
【0141】
ゲート絶縁膜214は、メモリの書換え動作時における耐圧の要請から、その厚さT2には下限値が存在する。しかし、絶縁膜の厚さT1は、耐圧の要請にかかわらず、T2よりも薄くすることが可能である。
【0142】
本実施の形態のメモリ素子において、上述のようにT1に対する設計の自由度が高いのは以下の理由による。本実施の形態のメモリ素子においては、電荷保持膜とチャネル領域又はウェル領域とを隔てる絶縁膜は、ゲート電極とチャネル領域又はウェル領域とに挟まれていない。そのため、電荷保持膜とチャネル領域又はウェル領域とを隔てる絶縁膜には、ゲート電極とチャネル領域又はウェル領域間に働く高電界が直接作用せず、ゲート電極から横方向に広がる比較的弱い電界が作用する。そのため、ゲート絶縁膜に対する耐圧の要請にかかわらず、T1をT2より薄くすることが可能になるのである。一方、例えば、フラッシュメモリに代表されるEEPROMにおいては、フローティングゲートとチャネル領域又はウェル領域とを隔てる絶縁膜は、ゲート電極(コントロールゲート)とチャネル領域又はウェル領域に挟まれているので、ゲート電極からの高電界が直接作用する。それゆえ、EEPROMにおいては、フローティングゲートとチャネル領域又はウェル領域とを隔てる絶縁膜の厚さが制限され、メモリ素子の機能の最適化が阻害されるのである。以上より明らかなように、本実施の形態のメモリ素子において電荷保持膜とチャネル領域又はウェル領域とを隔てる絶縁膜が、ゲート電極とチャネル領域又はウェル領域とに挟まれていないことが、T1の自由度を高くする本質的な理由となっている。
【0143】
T1を薄くすることにより、メモリ機能体への電荷の注入が容易になり、書込み動作及び消去動作の電圧を低下させ、又は書込み動作及び消去動作を高速にすることが可能となり、また、シリコン窒化膜242に電荷が蓄積された時にチャネル領域又はウェル領域に誘起される電荷量が増えるため、メモリ効果を増大させることができる。
【0144】
ところで、メモリ機能体中での電気力線は、図13の矢印284で示すように、シリコン窒化膜242を通過しない短いものもある。このような短い電気力線上では比較的電界強度が大きいので、この電気力線に沿った電界は書換え動作時においては大きな役割を果たしている。T1を薄くすることによりシリコン窒化膜242が図の下側に移動し、矢印283で示す電気力線がシリコン窒化膜を通過するようになる。それゆえ、電気力線は矢印284に沿ったメモリ機能体中の実効的な比誘電率が大きくなり、電気力線の両端での電位差をより小さくすることができる。したがって、ゲート電極217に印加された電圧の多くの部分が、オフセット領域における電界を強くするために使われ、書込み動作及び消去動作が高速になる。
【0145】
以上より明らかなように、T1<T2とすることにより、メモリの耐圧性能を低下させることなく、書込み動作及び消去動作の電圧を低下させ、又は書込み動作及び消去動作を高速にし、さらにメモリ効果を増大することが可能となる。
なお、絶縁膜の厚さT1は、製造プロセスによる均一性や膜質が一定の水準を維持することが可能であり、かつ保持特性が極端に劣化しない限界となる0.8nm以上であることがより好ましい。
【0146】
具体的には、デザインルールの大きな高耐圧が必要とされる液晶ドライバーLSIのような場合、液晶パネルTFTを駆動するために、最大15〜18Vの電圧が必要となる。このため、ゲート酸化膜を薄膜化することができない。上記液晶ドライバーLSIに画像調整用として本発明の不揮発性メモリを混載する場合、本発明のメモリ素子ではゲート絶縁膜厚とは独立して電荷保持膜(シリコン窒化膜242)とチャネル領域又はウェル領域とを隔てる絶縁膜の厚さを最適に設計できる。例えば、ゲート電極長(ワード線幅)250nmのメモリセルに対して、T1=20nm、T2=10nmで個別に設定でき、書込み効率の良いメモリセルを実現できている。(T1が通常のロジックトランジスタよりも厚くても短チャネル効果が発生しない理由はゲート電極に対して、ソース・ドレイン領域がオフセットしているためである)。
【0147】
(実施の形態8)
この実施の形態のメモリ素子は、図18に示すように、実施の形態2において、電荷保持膜(シリコン窒化膜242)とチャネル領域又はウェル領域とを隔てる絶縁膜の厚さ(T1)が、ゲート絶縁膜の厚さ(T2)よりも厚いこと以外は、実質的に同様の構成を有する。
【0148】
ゲート絶縁膜214は、素子の短チャネル効果防止の要請から、その厚さT2には上限値が存在する。しかし、絶縁膜の厚さT1は、短チャネル効果防止の要請かかわらず、T2よりも厚くすることが可能である。すなわち、微細化スケーリングが進んだとき(ゲート絶縁膜の薄膜化が進行したとき)にゲート絶縁膜厚とは独立して電荷保持膜(シリコン窒化膜242)とチャネル領域又はウェル領域とを隔てる絶縁膜の厚さを最適に設計できるため、メモリ機能体がスケーリングの障害にならないという効果を奏する。
【0149】
本実施の形態のメモリ素子において、上述のようにT1に対する設計の自由度が高い理由は、既に述べた通り、電荷保持膜とチャネル領域又はウェル領域とを隔てる絶縁膜が、ゲート電極とチャネル領域又はウェル領域とに挟まれていないことによる。そのため、ゲート絶縁膜に対する短チャネル効果防止の要請にかかわらず、T1をT2より厚くすることが可能になるのである。
【0150】
T1を厚くすることにより、メモリ機能体に蓄積された電荷が散逸するのを防ぎ、メモリの保持特性を改善することが可能となる。
したがって、T1>T2とすることにより、メモリの短チャネル効果を悪化させることなく保持特性を改善することが可能となる。
【0151】
なお、絶縁膜の厚さT1は、書換え速度の低下を考慮して、20nm以下であることが好ましい。
【0152】
具体的には、フラッシュメモリに代表される従来の不揮発性メモリは、選択ゲート電極が書込み消去ゲート電極を構成し、上記書込み消去ゲート電極に対応するゲート絶縁膜(フローティングゲートを内包する)が電荷蓄積膜を兼用している。このため、微細化(短チャネル効果抑制のため薄膜化が必須)の要求と、信頼性確保(保持電荷のリーク抑制のため、フローティングゲートとチャネル領域又はウェル領域とを隔てる絶縁膜の厚さは7nm程度以下には薄膜化できない)の要求が相反するため、微細化が困難となる。実際、ITRS(International Technology Roadmap for Semiconductors)によれば、物理ゲート長の微細化は0.2ミクロン程度以下に対して目処が立っていない。本発明のメモリ素子では、上述したようにT1とT2を個別に設計できることにより、微細化が可能となる。例えば、本発明では、ゲート電極長(ワード線幅)45nmのメモリセルに対して、T2=4nm、T1=7nmで個別に設定し、短チャネル効果の発生しないメモリ素子を実現した。T2を通常のロジックトランジスタよりも厚く設定しても短チャネル効果が発生しない理由はゲート電極に対して、ソース・ドレイン領域がオフセットしているためである。また、本発明のメモリセルはゲート電極に対して、ソース・ドレイン領域がオフセットしているため、通常のロジックトランジスタと比較しても更に微細化を容易にしている。
【0153】
以上要約すると、メモリ機能体の上部に書込、消去を補助する電極が存在しないため、電荷保持膜とチャネル領域又はウェル領域とを隔てる絶縁膜には、書込、消去を補助する電極とチャネル領域又はウェル領域間に働く高電界が直接作用せず、ゲート電極から横方向に広がる比較的弱い電界が作用するだけである。そのため、同じ加工世代に対してロジックトランジスタのゲート長と同程度以上に微細化されたゲート長を保有するメモリセルの実現が可能になるのである。
【0154】
(実施の形態9)
この実施の形態は、メモリ素子の書換えを行ったときの電気特性の変化に関する。
【0155】
図19は、Nチャネル型メモリ素子のメモリ機能体中の電荷量が変化したときの、ドレイン電流(Id)対ゲート電圧(Vg)の特性(実測値)である。なお、図19において、実線は消去状態におけるドレイン電流Idとゲート電圧Vgとの関係を示し、点線は書き込み状態におけるドレイン電流Idとゲート電圧Vgとの関係を示している。
【0156】
図19から明らかなように、消去状態(実線)から書込み動作を行った場合、単純に閾値が上昇するのみならず、特にサブスレッショルド領域においてグラフの傾きが顕著に減少している。そのため、ゲート電圧(Vg)が比較的高い領域においても、消去状態と書込み状態でのドレイン電流比が大きくなっている。例えば、Vg=2.5Vにおいても、電流比は2桁以上を保っている。この特性は、図31に示したフラッシュメモリの特性と大きく異なる。
【0157】
このような特性の出現は、ゲート電極と拡散領域とがオフセットし、ゲート電界がオフセット領域に及びにくいために起こる特有な現象である。メモリ素子が書込み状態にあるときには、ゲート電極に正電圧を加えてもメモリ機能体下のオフセット領域には反転層が極めてできにくい状態になっている。これが、書込み状態においてサブスレッショルド領域でのId−Vg曲線の傾きが小さくなる原因となっている。一方、メモリ素子が消去状態にあるときには、オフセット領域には高密度の電子が誘起されている。なおかつ、ゲート電極に0Vが印加されているとき(すなわちオフ状態にあるとき)は、ゲート電極下のチャネルには電子が誘起されない(そのためオフ電流が小さい)。これが、消去状態においてサブスレッショルド領域でのId−Vg曲線の傾きが大きく、かつ閾値以上の領域でも電流の増加率(コンダクタンス)が大きい原因となっている。
【0158】
以上のことから明らかなように、本発明の半導体メモリ素子を構成するメモリ素子は、書込み時と消去時のドレイン電流比を特に大きくすることができる。
【0159】
(実施の形態10)
この実施の形態は、上記実施の形態1〜8のメモリ素子をメモリセルとして有するメモリセルアレイについて説明する。
【0160】
図20は、実施の形態10のメモリセルアレイの概略平面図であり、図21は、図20の21−21線から見た概略断面図であり、図22は、図20の22−22線から見た概略断面図であり、図23は、図20の23−23線から見た概略断面図である。ただし、図20においては、上部配線構造(ビット線及びコンタクト)は簡略のため結線図として表現している。また、図20〜図22では、4行×5列のメモリセルアレイを示しているが、行数及び列数は任意である。
【0161】
図22および図23に示すように、半導体基板1101上には、P型ウェル領域1102が形成されている。上記P型ウェル領域1102の表面には、素子分離領域1108が形成されている。半導体基板表面の、素子分離領域1108が形成されていない領域は、活性領域となる。図20の紙面横方向にワード線WL1、WL2、WL3、WL4(1104)が延び、図20の紙面縦方向に関して並んで形成されている。
【0162】
各活性領域上には、図21に示すように、ゲート絶縁膜1103を介してワード線1104(WL1、WL2、WL3、WL4)が通過している。つまり、上記ワード線1104と各活性領域との間にはゲート絶縁膜1103を形成している。そして、各ワード線1104(WL1、WL2、WL3、WL4)の両側(活性領域であってかつワード線1104に覆われない領域)には、ソース・ドレイン拡散領域の一例としての拡散領域1107が形成されている。この拡散領域1107間の領域がメモリ素子のチャネル領域1110となっている。
【0163】
このように、ワード線1104(ゲート電極)と、ワード線1104の両側に形成された拡散領域1107(ソース領域またはドレイン領域)とを、1つの電界効果トランジスタであるメモリ素子が含んでいる。
【0164】
ここで、図20において、隣り合う3本のワード線1104(例えばWL1、WL2、WL3)を選び、並び順に第1のワード線(WL1)、第2のワード線(WL2)、第3のワード線(WL3)とする。このとき、第1のワード線と第2のワード線との間には、これら第1、第2のワード線と素子分離領域1108(T1)とで囲まれたソース・ドレイン領域の一方となる第1の拡散領域(図20でD1と示す)が、ワード線1、2の延びる方向に関して並んでいる。同様に、第2のワード線(WL2)と第3のワード線(WL3)との間には、これらの第2、第3のワード線と素子分離領域1108(T2)とで囲まれたソース・ドレイン領域の他方となる第2の拡散領域(図20でD2と示す)が、第2、第3のワード線の延びる方向に関して並んでいる。上記第1の拡散領域(D1)は、2つの上記第2の拡散領域(D2)とそれぞれ1つのチャネル領域を共有しており、それぞれ1つの電界効果トランジスタを構成している。同様に、上記第2の拡散領域(D2)は、2つの上記第1の拡散領域(D1)とそれぞれ1つのチャネル領域を共有しており、それぞれ1つの電界効果トランジスタを構成している。それゆえ、1つの拡散領域は、4つの電界効果トランジスタによって共有されている。
【0165】
すなわち、上記メモリセルアレイのメモリセルとしての複数のメモリ素子は、マトリクス状に配置されている。これらの複数のメモリ素子において、同一行で隣り合う2つのメモリ素子は、この2つのメモリ素子のゲート電極間の領域下に配置された拡散領域を供給している。また、また、同一列で隣り合う2つのメモリ素子も、この2つのメモリ素子のゲート電極間の領域下に配置された拡散領域を共有している。
【0166】
素子分離領域1108および拡散領域1107の配置に関する上記説明は、次のように言い換えることができる。図20において第1のワード線(WL1)と第2のワード線(WL2)とに跨って配置された第1の素子分離領域(T1)と、第2のワード線(WL2)と第3のワード線(WL3)とに跨って配置された第2の素子分離領域(T2)が、ワード線の延びる方向に関して交互に配置されている。2つの上記第1の素子分離領域(T1)と、第1、第2のワード線とにより囲まれた、ソース・ドレイン領域の一方となる第1の拡散領域(D1)が規定される。同様に、2つの上記第2の素子分離領域(T2)と、第2、第3のワード線とにより囲まれた、ソース・ドレイン領域の他方となる第2の拡散領域(D2)が規定される。素子分離領域と拡散領域の配置は、以上のように言い換えることができる。
【0167】
図21に示すように、上記ワード線1104(WL1、WL2、WL3、WL4)の側壁及び上面にはシリコン窒化膜1109が形成されている。つまり、上記ワード線1104の側面および上面はシリコン窒化膜1109で覆われている。上記シリコン窒化膜1109のうち、ワード線1104の両側壁に存する部分がメモリ機能体1105a、1105bとなっている。なお、上記シリコン窒化膜1109上には層間絶縁膜1141を積層している。
【0168】
上記ソース・ドレイン領域の一方(D1)は、第1層メタル配線で構成されたビット線1132(BL2、BL4、BL6)に接続され、ソース・ドレイン領域の他方(D2)は、そのビット線1132の隣りのビット線1132(BL1、BL3、BL5)に接続されている。上記ビット線は、ワード線の延びる方向とは垂直な方向に延在している。本実施の形態ではビット線1132は、拡散領域1107とは、導電性の材料から成るコンタクト1131(図20においてはCHで表す)により接続されている。
【0169】
図24に、上記メモリセルアレイの回路図を示す。簡単のため、メモリ素子は通常の電界効果トランジスタをあらわす記号で表現している。メモリセルMij(i=1、2、3、4、j=1、2、3、4、5)は、ゲート電極がワード線WLi(i=1、2、3、4)に、拡散領域の一方がビット線BLj(j=1、2、3、4、5)に、拡散領域の他方がビット線BLj+1(j=2、3、4、5)に、それぞれ接続されている。また、上記メモリセルMijはそれぞれ2つのメモリ機能体m1,m2(1105a,1105b)を含んでいる。
【0170】
次に、上記メモリセルアレイの動作方法についての説明を行なう。
【0171】
まず、読み出し方法について説明する。ここで、メモリセルM23のビット線BL3側のメモリ機能体(m1)の記憶情報を読み出すものとする。まず、ビット線BL3を論理レベルLに、BL4を論理レベルHに、それぞれプリチャージを行なう。ここで更に、ビット線BL3の図中左側(ビット線4とは反対側)で隣り合うビット線BL2を論理レベルLにプリチャージし、ビット線BL4の図中右側(ビット線3とは反対側)で隣り合うビット線BL5を論理レベルHにプリチャージしておくのが好ましい。プリチャージが完了した後、ワード線WL2を論理レベルHにする。ワード線WL2が論理レベルHになった瞬間、メモリセルM22及びM23はオン状態になる。このとき、メモリセルM23のソース・ドレイン間に高い電圧(論理レベルH−論理レベルL)がかかり電流が流れるのであるが、メモリ機能体m1の状態によって電流量は変化する。したがって、ビット線BL3又はBL4に流れる電流量を検知するか、若しくはビット線BL3又はBL4の電位変化をモニターすることにより、メモリッ機能体m1の状態を知ることができるのである。
【0172】
上記動作において、ビット線BL2を論理レベルLにプリチャージしていなかった場合、ワード線WL2が論理レベルHになった瞬間、メモリセルM22がオン状態になって、ビット線BL2からビット線BL3へ電流が流れてしまう。このような電流は、選択されたメモリセルM23に流れる電流の検知を阻害する。したがって、ビット線BL2は、ビット線BL3と同じ論理レベルLにプリチャージするのが好ましいのである。同様に、ビット線BL5は、ビット線BL4と同じ論理レベルHにプリチャージするのが好ましい。
【0173】
なお、メモリセルM23のビット線BL4側のメモリ機能体(m2)の記憶情報を呼び出す場合は、ビット線BL2及びBL3を論理レベルHに、BL4及びBL5を論理レベルLに、それぞれプリチャージを行なう。プリチャージが完了した後、ワード線WL2を論理レベルHにすればよい。
【0174】
本実施の形態のメモリセルアレイにおける書込み、読み出し、消去の各動作における、具体的な電圧の一例を、表1に示す。Lbw、Hbw、Lww、Hwwは、それぞれ書込み時におけるビット線の低レベル電位、ビット線の高レベル電位、ワード線の低レベル電位、ワード線の高レベル電位である。また、Lbr、Hbr、Lwr、Hwrは、それぞれ読み出し時におけるビット線の低レベル電位、ビット線の高レベル電位、ワード線の低レベル電位、ワード線の高レベル電位である。Lbe1、Lbe2、Hbe、Lwe、Hweは、それぞれ消去時におけるビット線の低レベル電位1、ビット線の低レベル電位2、ビット線の高レベル電位、ワード線の低レベル電位、ワード線の高レベル電位である。いずれも、括弧内に具体的な電圧の一例を示す。
【0175】
なお、下表1に記載した消去方法は、上述の第2の消去方法を用いたものである。それゆえ、消去時にはP型のウェル領域にはLbe2(表1では+0.8V)を印加しておく。メモリセルM23のメモリ機能体m1を消去する場合は、P型ウェル領域とビット線BL4とに印加された順方向電圧により注入された電子がトリガーとなり、消去が行われるのである。また、ビット線BL2にはLbe2を与えるが、これはメモリセルM21を誤消去するのを防ぐためである。
【0176】
【表1】

Figure 2004349353
【0177】
上記表1から明らかなように、本実施の形態のメモリセルアレイは、ランダムアクセス(1ビット毎の読出し及び書換え動作)が可能である。このため、一括消去しなければならないデバイスに比較し、アクセス効率を上げることが可能である。また、メモリ状態の一時記憶、一括消去、書込みといったシーケンスも不要となるため制御回路が簡単になるという効果がある。なお、上述の第1の消去方法を用いた場合は、表1においてLbe2をLbe1と同じ(0V)にし、Hbeを適切な電圧値(例えば+6V)にすればよい。この場合、消去動作は少なくとも2ビットが一括に行われることとなる。
【0178】
上記読出し動作時によれば、あるメモリセルの2ビットの記憶を連続して読み出そうとする場合(例えば、メモリセルM23のメモリ機能体m1、m2を連続して読み出すなど)、近傍のビット線の電位を全て反転しなければならない(上の例ではビット線BL2〜BL5の電位を全て反転する)ため、効率が悪い。そのため、アドレスデコーダー回路などの工夫を行い、左右のメモリ機能体のアドレスを互いに離すなどの対策を行なうことにより連続して交互に読み出す状態を回避することが好ましい。
【0179】
以上の説明より明らかなように、本実施の形態のメモリセルアレイは、上記メモリ素子を配列して構成されている。上述のように、上記メモリ素子は、1つの素子で2ビットの記憶が可能であり、ゲート絶縁膜の薄膜化が可能であるから、微細化が容易である。したがって、上記メモリ素子を配列して構成する本実施の形態のメモリセルアレイも、面積の縮小(もしくは高密度化)が容易となり、製造コストが削減される。
【0180】
また、本実施の形態のメモリセルアレイにおいては、1つの拡散領域が、4個のメモリ素子(電界効果トランジスタ)によって共有されているため、ビット線数及びビット線と拡散領域とを接続するコンタクト孔数が少なくなる。したがって、ビット線及びコンタクト孔に纏わるマージンが小さいのでメモリセルアレイの更なる縮小(もしくは高密度化)及び製造コストの低減が可能となる。
【0181】
また、上述のように、上記メモリ素子を形成するプロセスは、通常のCMOS(相補型金属酸化膜半導体)プロセスに非常に近く、従来のEEPROMなどフローティングゲートを有する不揮発性メモリに比べて非常に簡単に製造することが可能である。したがって、本発明のメモリセルアレイの製造が容易であり、更には論理回路との混載も容易となる。
【0182】
本実施の形態に用いるメモリ素子は、上記実施の形態2に記載するように、メモリ機能体261、262における電荷を保持する領域(シリコン窒化膜242)は、拡散領域212、213とそれぞれオーバーラップするのが好ましい。このようなメモリ素子を本実施の形態の半導体記憶装置に用いれば、半導体記憶装置の読出し速度を十分に高速にすることができる。
【0183】
また、本実施の形態に用いるメモリ素子は、実施の形態2に記載するように、メモリ機能体は、ゲート絶縁膜表面と略平行に配置されるな電荷保持膜を含むことが好ましい。このようなメモリ素子を本実施の形態の半導体記憶装置に用いれば、メモリ素子のメモリ効果のばらつきを小さくすることができるので、半導体記憶装置の読出し電流ばらつきを抑えることができる。更には、記憶保持中のメモリ素子の特性変化を小さくすることができるので、半導体記憶装置の記憶保持特性が向上する。
【0184】
また、本実施の形態に用いるメモリ素子は、上記実施の形態3に記載するように、メモリ機能体は、ゲート絶縁膜表面と略平行に配置されるな電荷保持膜を含み、かつ、ゲート電極側面と略並行に延びた部分を含むことが好ましい。このようなメモリ素子を本実施の形態の半導体記憶装置に用いれば、メモリ素子の書換え速度が増大するので、半導体記憶装置の書換え動作を高速にすることができる。
【0185】
また、本実施の形態に用いるメモリ素子は、上記実施の形態7のメモリ素子を用いることが好ましい。すなわち、電荷保持膜(シリコン窒化膜242)とチャネル領域又はウェル領域とを隔てる絶縁膜の厚さ(T1)が、ゲート絶縁膜の厚さ(T2)よりも薄く、0.8nm以上であることが好ましい。このようなメモリ素子を本実施の形態の半導体記憶装置に用いれば、書込み動作及び消去動作の電圧を低下させ、又は書込み動作及び消去動作を高速にすることが可能となる。更には、メモリ素子のメモリ効果が増大するので、半導体記憶装置の読出し速度を高速にすることが可能となる。
【0186】
また、本実施の形態に用いるメモリ素子は、上記実施の形態8のメモリ素子を用いることが好ましい。すなわち、電荷保持膜(シリコン窒化膜242)とチャネル領域又はウェル領域とを隔てる絶縁膜の厚さ(T1)が、ゲート絶縁膜の厚さ(T2)よりも厚く、20nm以下であることが好ましい。このようなメモリ素子を本実施の形態の半導体記憶装置に用いれば、メモリ素子の短チャネル効果を悪化させることなく保持特性を改善することができるから、半導体記憶装置を高集積化しても十分な記憶保持性能を得ることができる。
【0187】
また、本実施の形態に用いるメモリ素子は、例えば上記実施の形態2(図7)のように、シリコン窒化膜がシリコン酸化膜で挟まれた構造を有するメモリ機能体を備えていることが好ましい。このようなメモリ素子を本実施の形態の半導体記憶装置に用いれば、半導体記憶装置の動作速度を向上し、信頼性を向上させることが可能となる。
【0188】
また、本実施の形態に用いるメモリ素子は、既に述べた最良の形態のメモリ素子を用いるのが、最も好ましい。それにより、半導体記憶装置の性能を最良のものにすることができる。
【0189】
(実施の形態11)
本発明の実施の形態11を、図25を用いて説明する。本実施の形態の半導体記憶装置は、上記実施の形態10の半導体記憶装置において、ワード線1104(WL1、WL2、WL3、WL4)を蛇行させることによりメモリセル面積を縮小したものである。また、図25において、図20に示した構成部と同一構成部は、図20における構成部と同一参照番号を付して説明を省略する。
【0190】
ワード線1104(WL1、WL2、WL3、WL4)は、素子分離領域1108が並ぶ周期と同期して蛇行している。互いに隣接するワード線1104の蛇行は、逆位相となっている(180度ずれている)。そのため、互いに隣り合う2本のワード線1104において、ワード線1104が延びる方向と垂直な方向(図25における紙面上下方向)における距離は、素子分離領域108が並ぶ周期と同期して変化している。具体的には、上記隣り合う2本のワード線1104間において、ビット線1132が延在する方向に平行な方向の距離は、活性領域上よりも素子分離領域1108上の方が短くなっている。具体的には、互いに隣り合うワード線1104間に第1又は第2の拡散領域D1、D2が挟持される部分においては上記距離は長く、互いに隣接するワード線が1つの素子分離領域1108上を通過する部分においては上記距離は短い。
【0191】
上記のようにワード線1104(WL1、WL2、WL3、WL4)を蛇行させることにより、ワード線1104とコンタクトCHとのマージンを保ったまま、素子分離領域1108の長さを短くすることができる。図20と図25とを比較すれば明らかなように、本実施の形態の半導体記憶装置のメモリセルの大きさは、図25における紙面上下方向の長さにおいて縮小される。したがって、メモリセルアレイの更なる縮小(もしくは高密度化)及び製造コストの低減が可能となる。
【0192】
(実施の形態12)
本発明の実施の形態12を、図26及び図27を用いて説明する。本実施の形態の半導体記憶装置は、上記実施の形態1又は上記実施の形態2のメモリセルアレイと論理回路部とを含み、1つのチップから成っている。
【0193】
図26は、メモリセルアレイを構成する記憶素子13と、論理回路部を構成するスイッチング素子14との概略の断面図を並べて比較した図である。ここでは、既出の符号については説明を省略する。記憶素子13と、スイッチング素子14との構造上の違いは、スイッチング素子14においては、拡散領域1207a、1207bがゲート端に達しているという点のみである。すなわち、スイッチング素子14はオフセット領域1120をもたない。拡散領域1207a、1207bは、例えばLDD(Lightly Doped Drain)構造を有している。なお、スイッチング素子14のサイドウォールスペーサ1205は、記憶素子13のメモリ機能体1105a、1105bと全く同じ構造を有している。
【0194】
記憶素子13を形成するための手順は、通常の標準ロジック(論理)トランジスタ形成プロセスと非常に親和性の高いものとなっている。上述のように論理回路部を構成するスイッチング素子14は、記憶素子13の構成に近い構成を有している。上記スイッチング素子14と上記記憶素子13との相違点は、スイッチング素子14においてはサイドウォールスペーサ1205をメモリ機能体としては使用しない点と、スイッチング素子4はLDD領域を持つという点とである。シリコン酸化膜1111、1112、シリコン窒化膜1113の膜厚構成比は記憶素子13が適切な動作をするように選べばよい。上記スイッチング素子14のサイドウォールスペーサの膜構成が記憶素子13と同様な構造であったとしても、サイドウォールスペーサ幅(すなわちシリコン酸化膜1111、1112とシリコン窒化膜1113のトータル膜厚)が適切であって、書換え動作が起こらない電圧範囲で動作させる限り、トランジスタ性能を損なうことがない。
【0195】
なお、図26の参照番号に関して、1107aおよび1107bはソース・ドレイン拡散領域の一例としての拡散領域、1121はゲート電極下領域である。
【0196】
これまでの説明で明らかなように、上記論理回路部を構成するスイッチング素子14と上記メモリセルアレイを構成する記憶素子13とを混載させるためには、スイッチング素子14にのみLDD構造を形成する必要がある。LDD構造を形成するためには、上記ゲート電極を形成した後であって上記メモリ機能体(サイドウォールスペーサ)を形成する前に、LDD形成のための不純物注入を行なえばよい。したがって、上記LDD形成のための不純物注入を行なう際に、上記記憶素子13のみフォトレジストでマスクするだけで、記憶素子13と上記論理回路部を構成するスイッチング素子14とを容易に混載することが可能となる。更に、スイッチング素子14によってSRAM(スタティック・ランダム・アクセス・メモリ)を構成すれば、不揮発性メモリ、ロジック回路、SRAMを容易に混載することができる。
【0197】
なお、スイッチング素子14は必ずしもLDD構造を有する必要はなく、記憶素子3は必ずしもLDD構造を有してはならないわけではない。しかしながら、スイッチング素子14はLDD構造を有し、記憶素子13は必ずしもLDD構造を有しないのが好ましい。これにより、スイッチング素子14の駆動電流を大きくしつつ、記憶素子3のメモリ効果を大きくすることができる。したがって、スイッチング素子14で構成される上記論理回路部は高速で動作し、かつ記憶素子13で構成されるメモリセルアレイからは良好なメモリ特性を得ることができる。
【0198】
図27は、本実施の形態である半導体記憶装置の構成図である。半導体記憶装置15は、記憶素子13から構成されるメモリセルアレイ1301を含んでいる。半導体記憶装置15は、更に、それぞれスイッチング素子14から構成されるアクセス対象のメモリセルを特定するためのカラムアドレスバッファ1302、ロウアドレスバッファ1303、カラムアドレスデコーダー1304、ロウアドレスデコーダー1305、センスアンプ1306、これらの各部を制御する制御回路1307、MPU(マイクロ・プロセッサ・ユニット)1308を含んでいる。
【0199】
上記実施の形態10又は上記実施の形態11のメモリセルアレイと、論理回路部を1つのチップ上に混載することにより、大容量の不揮発性メモリを搭載し、製造が容易で低コストなLSIチップが提供される。
【0200】
ところで、上記のような半導体記憶装置を設計する際に、読み出し動作の効率を考えると、前述したように、あるメモリセルの2ビットの記憶を連続して読み出そうとするのは効率が悪い。なぜなら、前述のように、メモリセルの2ビット情報を連続して読み出そうとすれば、読み出し電流の向きを反対にする(ソースとドレインを入れ替える)必要があり、近傍のビット線の電位を全て反転しなければならないからである。それゆえ、あるメモリセルに記憶される2ビットのアドレスは、互いに離しておくのが好ましい。例えば、同一のワード線に属し互いに隣接するメモリセルの記憶ビットの一方を連続したアドレスにしておき、同一メモリセル内の記憶ビットの一方と他方のアドレスは離しておけばよい。
【0201】
(実施の形態13)
上記実施の形態10乃至12の半導体記憶装置を、電池駆動の携帯電子機器、特に携帯情報端末に用いることができる。携帯電子機器としては、携帯情報端末、携帯電話、ゲーム機器などが挙げられる。
【0202】
図28は、携帯電話の例を示している。この携帯電話の制御回路1411には、本発明の半導体記憶装置又は半導体装置が組み込まれている。また、図28の参照番号に関して、1412は電池、1413はRF(無線周波数)回路部、1414は表示部、1415はアンテナ部、1416は信号線、1417は電源線である。
【0203】
本発明の半導体記憶装置又は半導体装置を携帯電子機器に用いることにより、制御回路の製造コストが削減されるから、携帯電子機器自体のコストを削減することができる。もしくは、制御回路に含まれる不揮発性メモリを大容量化して、携帯電子機器の機能を高度化することができる。
【0204】
【発明の効果】
以上より明らかなように、第1の発明の半導体記憶装置によれば、ワード線の側壁には、電荷を保持する機能又は分極を保持する機能を有するメモリ機能体が形成されており、チャネル領域とワード電極とを隔てる絶縁体は分離されて形成されている。その結果、上記絶縁体を薄膜化して短チャネル効果を抑制するのが容易になるから、記憶素子を微細化できると共に、製造コストを削減することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の実施の形態1の半導体記憶装置のメモリ素子の要部の概略断面図である。
【図2】本発明の実施の形態1の半導体記憶装置の他のメモリ素子の要部の概略断面図である。
【図3】上記実施の形態1のメモリ素子の書込み動作を説明する図である。
【図4】上記実施の形態1のメモリ素子の書込み動作を説明する図である。
【図5】上記実施の形態1のメモリ素子のの去動作を説明する図である。
【図6】上記実施の形態1のメモリ素子の消去動作を説明する図である。
【図7】上記実施の形態1のメモリ素子の読出し動作を説明する図である。
【図8】本発明の実施の形態2の半導体記憶装置のメモリ素子の要部の概略断面図である。
【図9】図8の要部の拡大概略断面図である。
【図10】図8の要部の変形例の拡大概略断面図である。
【図11】上記実施の形態2のメモリ素子の電気特性を示すグラフである。
【図12】上記実施の形態2のメモリ素子の変形例の要部の概略断面図である。
【図13】本発明の実施の形態3の半導体記憶装置のメモリ素子の要部の概略断面図である。
【図14】本発明の実施の形態4の半導体記憶装置のメモリ素子の要部の概略断面図である。
【図15】本発明の実施の形態5の半導体記憶装置のメモリ素子の要部の概略断面図である。
【図16】本発明の実施の形態6の半導体記憶装置のメモリ素子の要部の概略断面図である。
【図17】本発明の実施の形態7の半導体記憶装置のメモリ素子の要部の概略断面図である。
【図18】本発明の実施の形態8の半導体記憶装置のメモリ素子の要部の概略断面図である。
【図19】本発明の実施の形態9の半導体記憶装置のメモリ素子の電気特性を示すグラフである。
【図20】本発明の実施の形態10の半導体記憶装置の概略平面図である。
【図21】図20の21−21線の概略断面図である。
【図22】図20の22−22線の概略断面図である。
【図23】図20の23−23線の概略断面図である。
【図24】上記実施の形態10の半導体記憶装置の回路図である。
【図25】本発明の実施の形態11の半導体記憶装置の概略平面図である。
【図26】本発明の実施の形態12の半導体記憶装置を説明するための図であり、メモリセルアレイを構成する記憶素子と、論理回路部を構成するスイッチング素子の概略の断面図を並べて比較した図である。
【図27】上記実施の形態12の半導体記憶装置のブロック図である。
【図28】本発明の実施の形態13の携帯電子機器のブロック図である。
【図29】従来のフラッシュメモリのメモリセルアレイの概略平面図である。
【図30】図29の30−30線の概略断面図である。
【図31】上記従来のフラッシュメモリの電気特性を示すグラフである。
【符号の説明】
1 メモリ素子
2 メモリ素子
13 記憶素子
15 半導体記憶装置
101 半導体基板
104 ゲート電極
105a,105b メモリ機能体
107a,107b 拡散領域
122 チャネル領域
131a,131b メモリ機能体
211 半導体基板
212,213 拡散領域
214 ゲート絶縁膜
217 ゲート電極
261,262 メモリ機能体
262a メモリ機能体
272 チャネル領域
1101 半導体基板
1103 ゲート絶縁膜
1104 ワード線
1105a,1105b メモリ機能体
1107a,1107b 拡散領域
1108 素子分離領域
1110 チャネル領域
1132 ビット線
1301 メモリセルアレイ
M11,M12,…,M41 メモリセル
m1,m2 メモリ機能体
WL,WL1,WL2,…,WL4 ワード線
BL1,BL2,…,BL6 ビット線[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to a semiconductor storage device, an operation method thereof, and a portable electronic device. More specifically, a semiconductor memory device in which a field effect transistor having a memory function body having a function of retaining electric charge or polarization is arranged, an operation method thereof, and a portable electronic device having such a semiconductor memory device Equipment related.
[0002]
[Prior art]
A flash memory, which is one of nonvolatile memories, includes a memory cell array as a semiconductor storage device.
[0003]
Conventionally, as a memory cell array of a flash memory, there is one as shown in FIG. 29 (for example, see Patent Document 1).
[0004]
FIG. 29 is a schematic plan view of the memory cell array. FIG. 30 is a schematic sectional view taken along line 30-30 of FIG. 29 and 30, 901 is a semiconductor substrate, 902 is a channel region, FG is a floating gate, WL is a word line, SL is a source line, BL is a bit line, 908 is an element isolation region, and 931 is an insulating film. ing.
[0005]
The memory cell array includes a plurality of memory cells arranged in a matrix. Each memory cell has a floating gate FG, as shown in FIG. 30, and retains the memory as the amount of charge in the floating gate FG.
[0006]
According to the memory cell array having the above-described configuration, a desired memory cell can be rewritten and read by selecting a specific word line WL and bit line BL and applying a predetermined voltage.
[0007]
FIG. 31 is a diagram schematically showing a characteristic of a drain current (Id) versus a gate voltage (Vg) when the amount of charge in the floating gate FG of the memory cell changes.
[0008]
When the amount of negative charges in the floating gate FG increases, the threshold value increases, and the Id-Vg curve moves substantially parallel to the direction in which Vg increases (the direction of the arrow in the figure).
[0009]
[Patent Document 1]
JP 05-304277 A
[0010]
[Problems to be solved by the invention]
By the way, in the above-mentioned conventional memory cell array, the floating gate FG is arranged between the word line WL also serving as a gate electrode and the channel region 902. Then, an insulating film 931 is provided between the floating gate FG and the word line WL and between the floating gate FG and the channel region 902 in order to prevent charge leakage from the floating gate FG.
[0011]
As described above, the floating gate FG and the insulating film 931 exist between the word line WL and the channel region 902, and it is difficult to reduce the thickness of the insulating film 931. As a result, the conventional memory cell array has a problem that the memory cell cannot be miniaturized.
[0012]
Therefore, an object of the present invention is to provide a semiconductor memory device that can be easily miniaturized.
[0013]
[Means for Solving the Problems]
In order to achieve the above object, a semiconductor memory device according to a first aspect of the present invention comprises:
A semiconductor substrate having an element isolation region and an active region on its surface,
A storage element that is a plurality of field-effect transistors formed in the active region and arranged in a matrix,
A word line connected to a gate electrode of the storage element;
A bit line connected to the source / drain diffusion region of the storage element;
Regarding two adjacent bit lines, one bit line is electrically connected to one of the source / drain diffusion regions in the same column, while the other bit line is electrically connected to the source / drain diffusion region in the same column. Electrically connected to the other of
The storage elements adjacent in the same row share one of the source / drain diffusion regions,
The storage elements adjacent in the same column share one of the source / drain diffusion regions,
The storage element is
The gate electrode formed on the semiconductor substrate via a gate insulating film,
A memory function body formed on the side of the gate electrode and having a function of retaining charge or polarization;
A channel region disposed below the gate insulating film;
The source / drain diffusion regions arranged on both sides of the channel region;
Including
The amount of current flowing from one of the source / drain diffusion regions to the other of the source / drain diffusion regions when a voltage is applied to the gate electrode changes depending on the amount of charge or polarization held in the memory function body. It is characterized by.
[0014]
According to the semiconductor memory device having the above configuration, a memory function body having a function of retaining charges or a function of retaining polarization is formed on the side wall of the word line. This memory function body is formed separately from an insulator (gate insulating film) separating the channel region and the word electrode. Accordingly, it is easy to reduce the thickness of the insulator to suppress the short channel effect. Therefore, the memory element can be miniaturized, and the manufacturing cost can be reduced.
[0015]
Further, adjacent storage elements in the same row share one of the source / drain diffusion regions, and adjacent storage elements in the same column share one of the source / drain diffusion regions. That is, one source / drain diffusion region is shared by four field effect transistors. Therefore, the number of the bit lines is reduced, and the number of contact holes for connecting the bit lines and the source / drain diffusion regions is also reduced. Therefore, the margin associated with the bit line and the contact hole is small, so that the semiconductor memory device can be further reduced and the manufacturing cost can be reduced.
[0016]
In one embodiment of the present invention, the word lines extend in a meandering manner, and a distance in a direction parallel to a direction in which the bit lines extend between two adjacent word lines is equal to or less than the distance. The element isolation region is shorter than the active region.
[0017]
According to the semiconductor memory device of the above embodiment, each of the word lines extends in a meandering manner. Between two adjacent word lines in such a plurality of word lines, the distance in the direction parallel to the direction in which the bit lines extend is shorter on the element isolation region than on the active region. Thus, the length of the element isolation region can be reduced while keeping the margin between the word line and the connection between the bit line and the source / drain diffusion region. That is, the surface area of the element isolation region can be reduced while securing the margin of the word line with respect to the connection portion. Therefore, when the storage element is used as a memory cell of a memory cell array, it is possible to further reduce (or increase the density of) the memory cell array and reduce the manufacturing cost.
[0018]
In one embodiment of the present invention, the memory function body is formed on both sides of the word line, and a rewrite operation and a read operation are performed as independent storage units.
[0019]
According to the semiconductor memory device of the above embodiment, the memory rewrite operation and the read operation are independently performed on each of the two memory function bodies formed on the side walls on both sides of the word line. Is easily realized. Therefore, when the storage element is used as a memory cell of a memory cell array, multi-leveling of one memory cell is easily realized. As a result, the capacity of the memory cell array can be further increased, and the manufacturing cost can be reduced.
[0020]
In one embodiment, at least a part of the memory function body overlaps a part of the source / drain diffusion region.
[0021]
According to the semiconductor memory device of the embodiment, at least a part of the memory function body overlaps a part of the source / drain diffusion region, so that the read speed of the storage element can be sufficiently increased.
[0022]
In one embodiment, the memory function body includes a charge holding film having a surface substantially parallel to a surface of the gate insulating film and having a function of holding charges.
[0023]
According to the semiconductor memory device of the above embodiment, the memory function body includes the charge holding film having a surface substantially parallel to the surface of the gate insulating film and having a function of holding charge, so that the memory of the storage element Variations in the effect can be reduced. As a result, variations in the read current of the storage element can be suppressed. Further, the change in characteristics of the storage element during storage can be reduced, so that the storage characteristics of the storage element are improved.
[0024]
In one embodiment, the charge storage film has a surface substantially parallel to a side surface of the gate electrode.
[0025]
According to the semiconductor memory device of the embodiment, the charge retaining film has a surface substantially parallel to the side surface of the gate electrode, so that the rewriting operation of the memory element can be performed at high speed.
[0026]
In one embodiment, the memory function body includes an insulating film formed between the charge holding film and the active region, and the thickness of the insulating film is equal to the thickness of the gate insulating film. It is thinner and 0.8 nm or more.
[0027]
According to the semiconductor memory device of the above embodiment, the thickness of the insulating film is smaller than the thickness of the gate insulating film and is 0.8 nm or more. And the speed of the write operation and the erase operation can be increased. Further, since the memory effect of the storage element is increased, the read speed of the storage element can be increased.
[0028]
In one embodiment, the memory function body includes an insulating film formed between the charge holding film and the active region, and the thickness of the insulating film is equal to the thickness of the gate insulating film. It is thicker and not more than 20 nm.
[0029]
According to the semiconductor memory device of the above embodiment, since the thickness of the insulating film is larger than the thickness of the gate insulating film and is equal to or less than 20 nm, the holding characteristics can be improved without deteriorating the short channel effect of the memory element. Can be improved. Therefore, even when the storage element is highly integrated, sufficient storage retention performance can be obtained in the storage element.
[0030]
In one embodiment, the memory function body includes a silicon nitride film and a silicon oxide film sandwiching the silicon nitride film.
[0031]
According to the semiconductor memory device of the embodiment, since the memory function body has a structure in which the silicon nitride film is sandwiched between the silicon oxide films, the efficiency of charge injection into the memory function body during a rewrite operation increases, High-speed operation becomes possible.
[0032]
A semiconductor memory device according to one embodiment includes a column decoder, a sense amplifier, and a row decoder, and is formed of one chip.
[0033]
According to the semiconductor memory device of the above embodiment, since the semiconductor memory device includes the column decoder, the sense amplifier, and the row decoder, a specific memory element can be selected to perform the rewrite and read operations.
[0034]
Further, since it is easy to mount the normal transistors constituting the logic circuits and analog circuits such as the column decoder, the sense amplifier and the row decoder, and the semiconductor memory device of the present invention, the manufacturing process is facilitated. Costs can be reduced.
[0035]
The operation method of the semiconductor memory device according to the second invention is the operation method of the semiconductor memory device according to the first invention, wherein the method is connected to the gate electrode of the storage element to which the memory function body to be operated belongs. Before applying a potential for operating the memory function body to the word line, all of the bit lines located on one side of the storage element are precharged to a first potential, and All the bit lines located on the other side of the element are precharged to a second potential.
[0036]
According to the operation method of the semiconductor memory device having the above configuration, all the bit lines located on one side of the storage element to which the memory function body to be operated belongs are precharged to the first potential, and the storage element Are precharged to the second potential. Thereafter, a potential for operating the memory function body is applied to the word line connected to the gate electrode of the storage element. According to such an operation method, reading, writing, and erasing operations by random access with a relatively simple control circuit can be performed, the area occupied by the memory can be further reduced, the operation efficiency can be improved, and high-speed operation can be performed. . For example, when reading information from the storage element, the information in the storage element can be read immediately after a potential for performing a reading operation is applied to a word line connected to a gate electrode of the storage element.
[0037]
Further, all the bit lines located on one side of the storage element are precharged to the first potential, and all the bit lines located on the other side of the storage element are connected to the second potential. Since the precharge is performed to the potential, a noise current in detecting a current flowing through the selected field effect transistor (memory element) can be reduced.
[0038]
According to a third aspect of the invention, a portable electronic device includes the semiconductor memory device according to the first aspect.
[0039]
According to the portable electronic device having the above configuration, since the manufacturing cost of the control circuit is reduced by providing the semiconductor memory device of the first aspect, the cost of the portable electronic device itself can be reduced. Alternatively, the capacity of the nonvolatile memory included in the control circuit can be increased to enhance the functions of the portable electronic device.
[0040]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
Hereinafter, a semiconductor memory device of the present invention will be described in detail with reference to the illustrated embodiments.
[0041]
In the semiconductor memory device (memory cell array) of the present invention, memory elements as storage elements that can store 2-bit information, are easy to miniaturize, and are easy to form are arranged.
[0042]
The memory element as a storage element included in the semiconductor memory device of the present invention mainly includes a first conductivity type region as a source / drain diffusion region, a second conductivity type region, and first and second conductivity type regions. Including a memory functional body disposed over the boundary of the semiconductor device and an electrode provided via an insulating film, or mainly including a gate insulating film, a gate electrode formed on the gate insulating film, and a gate electrode. , A memory function body formed on both sides of the memory function body, a source / drain diffusion region arranged on each side of the memory function body opposite to the gate electrode, and a channel region arranged below the gate electrode.
[0043]
In this specification, the first conductivity type means P-type or N-type. The second conductivity type means N-type when the first conductivity type is P-type and P-type when the first conductivity type is N-type.
[0044]
The memory element functions as a memory element for storing quaternary or more information by storing binary or more information in one charge holding film, and also has a variable resistance effect by a memory function body. , Also functions as a memory cell having both functions of a selection transistor and a memory transistor. However, this memory element does not necessarily need to store and function quaternary information or more, and may function by storing binary information, for example.
[0045]
The semiconductor storage device of the present invention is preferably formed using a semiconductor substrate, preferably a first conductivity type well region formed in the semiconductor substrate.
[0046]
The semiconductor substrate is not particularly limited as long as it is used for a semiconductor device. For example, a bulk made of an element semiconductor such as silicon or germanium, or a compound semiconductor such as silicon germanium, GaAs, InGaAs, ZnSe, or GaN is used. A substrate. In addition, as a substrate having a semiconductor layer on its surface, various substrates such as an SOI (Silicon on Insulator) substrate or a multilayer SOI substrate, or a substrate having a semiconductor layer over a glass or plastic substrate may be used. Among them, a silicon substrate or an SOI substrate having a silicon layer formed on the surface is preferable. The semiconductor substrate or the semiconductor layer may have a small amount of current flowing therein, but may be single crystal (for example, by epitaxial growth), polycrystalline, or amorphous.
[0047]
An element isolation region is preferably formed on the semiconductor substrate or the semiconductor layer, and elements such as a transistor, a capacitor, and a resistor, a circuit including the elements, a semiconductor device, and an interlayer insulating film are combined to form a single or multiple element. It may be formed in a layer structure. The element isolation region can be formed by various element isolation films such as a LOCOS (local silicon oxide) film, a trench oxide film, and an STI film. The semiconductor substrate may have a P-type or N-type conductivity type, and the semiconductor substrate preferably has at least one well region of a first conductivity type (P-type or N-type). . The impurity concentration of the semiconductor substrate and the well region can be in a range known in the art. Note that when an SOI substrate is used as the semiconductor substrate, a well region may be formed in the surface semiconductor layer, or a body region may be provided below the channel region.
[0048]
The gate insulating film or the insulating film is not particularly limited as long as it is generally used for a semiconductor memory device. For example, an insulating film such as a silicon oxide film or a silicon nitride film; an aluminum oxide film, a titanium oxide film Or a high-dielectric film such as a tantalum oxide film and a hafnium oxide film. Among them, a silicon oxide film is preferable. The thickness of the gate insulating film is, for example, about 1 to 20 nm, preferably about 1 to 6 nm. The gate insulating film may be formed only immediately below the gate electrode, or may be formed larger (wider) than the gate electrode.
[0049]
The gate electrode or the electrode is formed on the gate insulating film in a shape as used for a normal semiconductor memory device or in a shape having a concave portion at a lower end. Further, the gate electrode may be a single gate electrode. Note that a single gate electrode means a gate electrode which is formed as an integral shape without being separated by a single-layer or multilayer conductive film. Further, the gate electrode may have a sidewall insulating film on a sidewall. The gate electrode is not particularly limited as long as it is generally used for a semiconductor memory device. A conductive film, for example, a metal such as polysilicon: copper and aluminum: a high melting point metal such as tungsten, titanium, and tantalum A single-layer film or a laminated film of silicide with a high melting point metal, etc. The gate electrode is preferably formed to have a thickness of, for example, about 50 to 400 nm. Note that a channel region is formed below the gate electrode.
[0050]
The memory function body is configured to include at least a film or a region having a function of retaining charges, having a function of storing and retaining charges, trapping charges, or retaining a charge polarization state. Silicon nitride; silicon; silicate glass containing impurities such as phosphorus and boron; silicon carbide; alumina; high dielectric substances such as hafnium oxide, zirconium oxide, and tantalum oxide; zinc oxide; Body; metal and the like. The memory function body includes, for example, an insulator film including a silicon nitride film; an insulator film including a conductive film or a semiconductor layer therein; an insulator film including one or more conductors or semiconductor dots; It can be formed by a single layer or a laminated structure such as an insulating film including a ferroelectric film in which the state is maintained. Above all, the silicon nitride film has a large hysteresis characteristic due to the presence of many levels for trapping electric charges, and has a long charge retention time and does not cause a problem of charge leakage due to generation of a leak path. Is preferable, and is a material used as a standard in the LSI process.
[0051]
By using an insulating film including an insulating film having a charge holding function, such as a silicon nitride film, as a memory function body, reliability regarding storage and holding can be improved. This is because, since the silicon nitride film is an insulator, even if a charge leaks to a part of the silicon nitride film, the charge of the entire silicon nitride film is not immediately lost. Furthermore, when a plurality of memory elements are arranged, even if the distance between the memory elements is reduced and the adjacent memory function bodies come into contact with each other, the memory function bodies are stored in the respective memory function bodies as in the case where the memory function bodies are made of a conductor. No lost information is lost. Further, the contact plug can be arranged closer to the memory function body, and in some cases, can be arranged so as to overlap with the memory function body, which facilitates miniaturization of the memory element.
[0052]
In order to further increase the reliability of memory retention, the insulating film having a function of retaining charges does not necessarily have to be in the form of a film, and insulators having a function of retaining charges are discretely present in the insulating film. Is preferred. Specifically, it is preferable that the material is dispersed in a dot shape in a material that does not easily retain charge, for example, silicon oxide.
[0053]
In addition, by using an insulator film including a conductive film or a semiconductor layer therein as a memory function body, the amount of charge injected into the conductor or the semiconductor can be freely controlled;
[0054]
Further, by using an insulator film containing one or more conductors or semiconductor dots as a memory function body, writing and erasing by direct tunneling of electric charges can be easily performed, which has an effect of reducing power consumption.
[0055]
Further, a ferroelectric film such as PZT or PLZT whose polarization direction changes by an electric field may be used as the memory function body. In this case, electric charges are substantially generated on the surface of the ferroelectric film due to the polarization, and are maintained in that state. Therefore, a hysteresis characteristic similar to that of a film that is supplied with electric charge from outside the film having a memory function and traps electric charge can be obtained, and the charge retention of the ferroelectric film does not require charge injection from outside the film. Since the hysteresis characteristic can be obtained only by the polarization of the electric charge in the film, there is an effect that writing / erasing can be performed at high speed.
[0056]
That is, it is preferable that the memory function body further include a region that makes it difficult for the charge to escape or a film that has a function of making the charge hard to escape. As a material that functions to make it difficult for electric charge to escape, a silicon oxide film or the like can be given.
[0057]
The charge retaining film included in the memory function body is formed directly or on both sides of the gate electrode via an insulating film, and also directly on the semiconductor substrate (well region, body region, or via the gate insulating film or the insulating film). (Source / drain region or diffusion region). The charge retention films on both sides of the gate electrode are preferably formed so as to cover all or a part of the side wall of the gate electrode directly or via an insulating film. As an application example, when the gate electrode has a concave portion at the lower end, the gate electrode may be formed so as to completely or partially fill the concave portion directly or via an insulating film.
[0058]
The gate electrode is preferably formed only on the side wall of the memory function body, or does not cover the upper part of the memory function body. With such an arrangement, the contact plug can be arranged closer to the gate electrode, so that miniaturization of the memory element is facilitated. Further, a memory element having such a simple arrangement is easy to manufacture and can improve the yield.
[0059]
In the case where a conductive film is used as the charge holding film, the charge holding film is provided with an insulating film interposed therebetween so as not to directly contact the semiconductor substrate (the well region, the body region, the source / drain region, or the diffusion region) or the gate electrode. Is preferred. For example, a stacked structure of a conductive film and an insulating film, a structure in which a conductive film is dispersed in a dot shape or the like in an insulating film, a structure in which a part is arranged in a side wall insulating film formed on a side wall of a gate, and the like are given. .
[0060]
The source / drain diffusion regions are arranged on the opposite side of the gate electrode of the charge holding film as diffusion regions of a conductivity type opposite to that of the semiconductor substrate or the well region. The junction between the source / drain diffusion region and the semiconductor substrate or well region preferably has a steep impurity concentration. This is because hot electrons and hot holes are efficiently generated at a low voltage, and a high-speed operation can be performed at a lower voltage. The junction depth of the source / drain diffusion region is not particularly limited, and can be appropriately adjusted according to the performance of the semiconductor memory device to be obtained. Note that when an SOI substrate is used as the semiconductor substrate, the source / drain diffusion region may have a junction depth smaller than the thickness of the surface semiconductor layer; It is preferable to have a bonding depth of the order.
[0061]
The source / drain diffusion region may be arranged so as to overlap with the gate electrode end, may be arranged so as to coincide with the gate electrode end, or may be arranged so as to be offset with respect to the gate electrode end. May be. In particular, in the case of offset, when a voltage is applied to the gate electrode, the easiness of inversion of the offset region below the charge retaining film greatly changes depending on the amount of charge accumulated in the memory function body, and the memory effect is reduced. It is preferred because it increases and brings about a reduction in the short channel effect. However, if the offset is too large, the drive current between the source and the drain becomes extremely small. It is preferable that the distance from the source / drain diffusion region to the closer one is shorter. What is particularly important is that at least a part of the charge accumulation region in the memory function body overlaps with a part of the source / drain diffusion region which is a diffusion region. The essence of the memory element constituting the semiconductor memory device of the present invention is that the memory is rewritten by an electric field crossing the memory function body due to a voltage difference between the gate electrode and the source / drain diffusion region existing only on the side wall of the memory function body. Because there is.
[0062]
The source / drain diffusion region may partially extend to a position higher than the surface of the channel region, that is, the lower surface of the gate insulating film. In this case, it is appropriate that a conductive film integrated with the source / drain diffusion region is laminated on the source / drain diffusion region formed in the semiconductor substrate. Examples of the conductive film include semiconductors such as polysilicon and amorphous silicon, silicide, the above-mentioned metals, and high-melting point metals. Among them, polysilicon is preferable. Polysilicon has a much higher impurity diffusion rate than a semiconductor substrate, so it is easy to reduce the junction depth of the source / drain diffusion region in the semiconductor substrate, and it is easy to suppress the short channel effect. is there. In this case, it is preferable that a part of the source / drain diffusion region is disposed so as to sandwich at least a part of the memory function body together with the gate electrode.
[0063]
The memory element of the present invention can be formed by a normal semiconductor process, for example, by a method similar to the method of forming a single-layer or stacked-layer sidewall spacer on the side wall of a gate electrode. Specifically, after forming a gate electrode or an electrode, a single layer including a charge holding film such as a charge holding film, a charge holding film / insulating film, an insulating film / charge holding film, and an insulating film / charge holding film / insulating film. A method of forming a film or a laminated film, etching back under appropriate conditions to leave these films in the form of sidewall spacers; forming an insulating film or a charge retaining film, and etching back under appropriate conditions to form a sidewall. A method in which a charge retaining film or an insulating film is formed in the form of a spacer, and then etched back in the same manner to leave a sidewall spacer; a semiconductor substrate including a gate electrode formed of an insulating film material in which a particulate charge retaining material is dispersed A method of applying or depositing on the upper surface and etching back under appropriate conditions to leave the insulating film material in a side wall spacer shape; after forming a gate electrode, forming the single-layer film or the laminated film and forming a mask A method in which patterning and the like using. Before forming a gate electrode or an electrode, a charge holding film, a charge holding film / insulating film, an insulating film / charge holding film, an insulating film / charge holding film / insulating film, and the like are formed, and a channel region of these films is formed. An opening is formed in a region to be formed, a gate electrode material film is formed over the entire surface, and the gate electrode material film is patterned into a shape including the opening and larger than the opening.
[0064]
An example of a method for forming the memory element will be described.
[0065]
First, a gate insulating film and a gate electrode are formed on a semiconductor substrate by a known procedure. Subsequently, a silicon oxide film having a thickness of 0.8 to 20 nm, more preferably 3 to 10 nm is formed on the entire surface of the semiconductor substrate by a thermal oxidation method or deposited by a CVD (Chemical Vapor Deposition) method. . Next, a silicon nitride film having a thickness of 2 to 15 nm, more preferably 3 to 10 nm is deposited on the entire surface of the silicon oxide film by a CVD method. Further, a silicon oxide film of 20 to 70 nm is deposited on the entire surface of the silicon nitride film by a CVD method.
[0066]
Subsequently, the silicon oxide film / silicon nitride film / silicon oxide film is etched back by anisotropic etching to form a memory functional body optimal for storage in the form of a sidewall spacer on the side wall of the gate electrode.
[0067]
Thereafter, diffusion layers (source / drain regions) are formed by ion implantation using the gate electrode and the sidewall spacer-shaped memory function body as a mask. After that, the silicide process and the upper wiring process may be performed by a known procedure.
[0068]
When a memory cell array is configured by arranging the memory elements of the present invention, the memory element is in the best mode when all of the following requirements (1) to (10) are satisfied.
(1) The gate electrodes of a plurality of memory elements have a word line function integrally.
(2) A memory function body is formed on both sides of the word line.
(3) It is an insulator, particularly a silicon nitride film, that holds charges in the memory function body.
(4) The memory function body is composed of an ONO (Oxide Nitride Oxide) film, and the silicon nitride film has a surface substantially parallel to the surface of the gate insulating film.
(5) The silicon nitride film in the memory function body is separated from the word line and the channel region by the silicon oxide film.
(6) The silicon nitride film and the diffusion layer in the memory function body overlap.
(7) The thickness of the insulating film that separates the silicon nitride film having a surface substantially parallel to the surface of the gate insulating film from the channel region or the semiconductor layer is different from the thickness of the gate insulating film.
(8) Write and erase operations of one memory element are performed by a single word line.
(9) There is no electrode (word line) having the function of assisting the writing and erasing operations on the memory function body.
(10) A region having a high impurity concentration of a conductivity type opposite to the conductivity type of the diffusion region is provided immediately below the memory function body in contact with the diffusion region.
[0069]
Needless to say, the memory element of the present invention does not necessarily need to satisfy all of the above requirements (1) to (10).
[0070]
When a plurality of the above requirements (1) to (10) are satisfied, a particularly preferable combination exists. For example, (3) an insulator, particularly a silicon nitride film, holds electric charges in the memory function body, and (9) an electrode (word line) having a function of assisting a write and erase operation on the memory function body. (6) The case where the insulating film (silicon nitride film) in the memory function body and the diffusion layer overlap. If the insulator holds the electric charge in the memory function body and there is no electrode having a function of assisting the writing and erasing operations on the memory function body, the insulating film ( It has been found that only when the silicon nitride film) and the diffusion layer overlap, the writing operation is performed favorably. That is, it has been found that, when the requirements (3) and (9) are satisfied, the requirement (6) must be satisfied. On the other hand, when the electric charge is held in the memory function body by the conductor, the writing operation can be performed even when the conductor in the memory function body and the diffusion layer do not overlap (the conductor in the memory function body). Is to assist writing by capacitive coupling with the writing electrode). In addition, when there was an electrode having a function of assisting the writing and erasing operations on the memory function body, the writing operation could be performed even when the insulating film and the diffusion layer in the memory function body did not overlap. .
[0071]
However, in the case where it is an insulator, not a conductor, that retains electric charges in the memory function body, and there is no electrode having a function of assisting the writing and erasing operations on the memory function body, A very large effect can be obtained.
[0072]
First, the bit line contact can be arranged closer to the memory function body on the side wall of the word line, or even if the distance between the memory elements is short, a plurality of memory function bodies do not interfere with each other and can hold the stored information. This facilitates miniaturization of the memory element. When the charge holding region in the memory function body is a conductor, interference occurs between the charge holding regions as the memory elements approach each other due to capacitive coupling, and storage information cannot be held.
[0073]
When the charge holding region in the memory function body is an insulator (for example, a silicon nitride film), it is not necessary to make the memory function body independent for each memory cell. For example, memory function bodies formed on both sides of one word line shared by a plurality of memory cells do not need to be separated for each memory cell, and memory function bodies formed on both sides of one word line. Can be shared by a plurality of memory cells sharing a word line. Therefore, a photo and etching process for separating the memory function body is not required, and the manufacturing process is simplified. Further, a margin for alignment of a photo and a margin for reducing the thickness of an etching film are not required, so that a margin between memory cells can be reduced. Therefore, as compared with the case where the charge holding region in the memory function body is a conductor (for example, a polycrystalline silicon film), even if formed at the same fine processing level, there is an effect that the memory cell occupation area can be reduced (memory If the charge holding region in the functional body is a conductor, a photo and etching step for separating the memory functional body for each memory cell is required, and a photo alignment margin and an etching film reduction margin are required.
[0074]
Furthermore, since there is no electrode having the function of assisting the writing and erasing operations on the memory function body and the element structure is simple, the number of steps is reduced, the yield is improved, and the transistors forming the logic circuit and the analog circuit are formed. Can be easily combined.
[0075]
Further, as a very important design matter, the case where the charge holding region in the memory function body is an insulator and there is no electrode having a function of assisting the writing and erasing operations on the memory function body (the above two conditions) Is very effective in reducing the cell occupation area, improving the yield by simplifying the manufacturing method, and reducing the cost.) We have found that wrapping allows writing and erasing at very low voltages. Specifically, it was confirmed that the writing and erasing operations were performed at a low voltage of 5 V or less. This function has a very large effect on circuit design. That is, since it is not necessary to generate a high voltage in a chip as in a flash memory, it is possible to omit a charge pumping circuit requiring an enormous occupation area or to reduce the scale. In particular, when a small-capacity memory is incorporated in a logic LSI for adjustment, the occupied area of the memory section is dominated by the occupied area of the peripheral circuit that drives the memory cell rather than the memory cell. Eliminating or reducing the scale of the booster circuit is most effective for reducing the chip size.
[0076]
From the above, it is particularly preferable to satisfy the above requirements (3), (9) and (6).
[0077]
The semiconductor memory device of the present invention can be used with a personal computer, a notebook, a laptop, a personal assistant / transmitter, a minicomputer, a workstation, a mainframe, a multiprocessor computer or other Data processing systems such as computer systems of all types; electronic components constituting data processing systems such as CPUs, memories, and data storage devices; communication devices such as telephones, PHSs, modems, and routers; image displays such as display panels and projectors Equipment; office equipment such as printers, scanners, and copiers; imaging equipment such as video cameras and digital cameras; entertainment equipment such as game machines and music players; information equipment such as portable information terminals, clocks, and electronic dictionaries; Car ode E. In-vehicle devices such as e .; AV devices for recording and reproducing information such as moving images, still images, and music; appliances such as washing machines, microwave ovens, refrigerators, rice cookers, dishwashers, vacuum cleaners, air conditioners, etc .; , A wide range of applications to health management devices such as weight scales and blood pressure monitors; and electronic devices such as portable storage devices such as IC cards and memory cards. In particular, application to portable electronic devices such as mobile phones, portable information terminals, IC cards, memory cards, portable computers, portable game machines, digital cameras, portable video players, portable music players, electronic dictionaries, watches and the like is effective. is there. Note that the semiconductor storage device of the present invention may be incorporated as at least a part of a control circuit or a data storage circuit of an electronic device, or may be removably incorporated as needed.
[0078]
In the following embodiments, a case is described in which an N-channel element is used as a memory, but a P-channel element may be used as a memory. In this case, the conductivity types of the impurities may be all reversed.
[0079]
In the following description of the drawings, portions using the same material and substance are denoted by the same reference numerals, and do not necessarily indicate the same shape.
[0080]
Also, it should be noted that the following drawings are schematic, and the relationship between the thickness and the plane dimension, the ratio of the thickness and size of each layer and each part, and the like are different from actual ones. Therefore, the specific dimensions of the thickness and size should be determined in consideration of the following description. In addition, it goes without saying that parts having different dimensional relationships and ratios are included between the drawings.
[0081]
(Embodiment 1)
FIG. 1 shows a cross-sectional structure of a memory element as an example of a storage element included in a semiconductor memory device of the present invention.
[0082]
As shown in FIG. 1, the memory element 1 is formed on a P-type well region 102 formed on a surface of a semiconductor substrate 101. A gate electrode 104 is formed on the P-type well region 102 via a gate insulating film 103. On both sides of the gate electrode 104, memory function bodies 105a and 105b are formed. Here, the memory function body refers to a portion of the memory function body or the charge holding film in which charges are actually accumulated by the rewriting operation. In the example shown in FIG. 1, the upper surface and the side surface of the gate electrode 104 are covered with a silicon nitride film 109 having a trap level for retaining charges and serving as a charge retaining film. Both side wall portions of the electrode 104 serve as memory function bodies 105a and 105b, respectively, which actually hold electric charges. The diffusion regions 107a and 107b as an example of the source / drain diffusion regions function as a source region or a drain region, respectively. The diffusion region of the memory element 1 has an offset structure. That is, the diffusion regions 107 a and 107 b do not reach the region 121 below the gate electrode, and the offset region 120 below the charge holding portion forms a part of the channel region 122.
[0083]
FIG. 2 shows another example of a memory element as a storage element included in the semiconductor memory device of the present invention.
[0084]
The memory element 2 of FIG. 2 is different from the memory element 1 of FIG. 1 in that each of the memory function bodies 131a and 131b has a trap level for holding a charge, and a silicon nitride film 113 as an example of a charge holding film. Has a structure sandwiched between a silicon oxide film 111 and a silicon oxide film 112 as an example of an insulating film. By adopting a structure in which the silicon nitride film 113 is sandwiched between the silicon oxide films 111 and 112, the charge injection efficiency at the time of rewriting operation of the memory element is increased, and higher-speed operation can be performed.
[0085]
In FIG. 2, the silicon nitride film 113 may be replaced with a ferroelectric. Further, in FIG. 1, the memory function bodies 105a and 105b may have a structure in which fine particles made of a nanometer-sized conductor or semiconductor are distributed in an insulating film in a scattered manner. At this time, if the particle size is less than 1 nm, the quantum effect is too large, so that it is difficult for charges to tunnel through the dots. If it exceeds 10 nm, a remarkable quantum effect does not appear at room temperature. Therefore, the diameter of the fine particles is preferably in the range of 1 nm to 10 nm. Further, the memory function bodies 131a and 131b do not necessarily have to be in the shape of a sidewall spacer as in the memory element 2 (FIG. 2). For example, in the memory element 1 (FIG. 1), the silicon nitride film 109 having a trap level for retaining charges covers the side surface and the upper surface of the gate electrode 104. These are both side wall portions (105a, 105b) of the gate electrode. That is, it is only necessary that a substance that retains the function of retaining electric charge or the polarization is disposed in these regions.
[0086]
The principle of the write operation of the memory element will be described with reference to FIGS. Here, a case where the memory function bodies 131a and 131b have a function of holding electric charges will be described.
[0087]
Here, writing refers to injecting electrons into the memory function bodies 131a and 131b when the memory elements 1 and 2 are of the N-channel type. Hereinafter, description will be made on the assumption that the memory elements 1 and 2 are of the N-channel type.
[0088]
In order to inject (write) electrons into the second memory function body 131b, as shown in FIG. 3, the first diffusion region 107a (having N-type conductivity) is used as a source electrode and the second diffusion region 107a is used as a second electrode. The diffusion region 107b (having N-type conductivity) is used as a drain electrode. For example, 0V may be applied to the first diffusion region 107a and the P-type well region 102, + 5V may be applied to the second diffusion region 107b, and + 5V may be applied to the gate electrode 104. According to such a voltage condition, the inversion layer 226 extends from the first diffusion region 107a (source electrode) but does not reach the second diffusion region 107b (drain electrode), and a pinch-off point occurs. The electrons are accelerated by a high electric field from the pinch-off point to the second diffusion region 107b (drain electrode), and become so-called hot electrons (high-energy conduction electrons). The writing is performed by injecting the hot electrons into the second memory function body 131b. Note that no writing is performed in the vicinity of the first memory function body 131a because hot electrons do not occur.
[0089]
Thus, writing can be performed by injecting electrons into the second memory function body 131b.
[0090]
On the other hand, in order to inject (write) electrons into the first memory function body 131a, as shown in FIG. 4, the second diffusion region 107b is used as a source electrode, and the first diffusion region 107a is used as a drain electrode. I do. For example, 0V may be applied to the second diffusion region 107b and the P-type well region 102, + 5V may be applied to the first diffusion region 107a, and + 5V may be applied to the gate electrode 104. As described above, when electrons are injected into the second memory function body 131b, writing can be performed by injecting electrons into the first memory function body 131a by exchanging the source / drain regions.
[0091]
Next, the erasing operation principle of the memory element will be described with reference to FIGS.
[0092]
In the first method of erasing information stored in the first memory function body 131a, as shown in FIG. 5, a positive voltage (for example, + 5V) is applied to the first diffusion region 107a, and 0V is applied to the P-type well region 102. , A reverse bias is applied to the PN junction between the first diffusion region 107 a and the P-type well region 102, and a negative voltage (for example, −5 V) is applied to the gate electrode 104. At this time, in the vicinity of the gate electrode 104 of the PN junction, the potential gradient becomes particularly steep due to the influence of the gate electrode to which the negative voltage is applied. Therefore, hot holes (high-energy holes) are generated on the P-type well region 102 side of the PN junction due to the band-to-band tunnel. The hot holes are drawn toward the gate electrode 104 having a negative potential, and as a result, holes are injected into the first memory function body 131a. Thus, the first memory function body 131a is erased. At this time, 0 V may be applied to the second diffusion region 107b.
[0093]
When erasing information stored in the second memory function body 131b, the potentials of the first diffusion region and the second diffusion region may be exchanged in the above.
[0094]
In the second method for erasing information stored in the first memory function body 131a, as shown in FIG. 6, a positive voltage (for example, +4 V) is applied to the first diffusion region 107a and a voltage is applied to the second diffusion region 107b. 0 V, a negative voltage (for example, −4 V) to the gate electrode 104, and a positive voltage (for example, +0.8 V) to the P-type well region 102 may be applied. At this time, a forward voltage is applied between the P-type well region 102 and the second diffusion region 107b, and electrons are injected into the P-type well region 102. The injected electrons diffuse to the PN junction between the P-type well region 102 and the first diffusion region 107a, where they are accelerated by a strong electric field to become hot electrons. The hot electrons generate electron-hole pairs at the PN junction. That is, when a forward voltage is applied between the P-type well region 102 and the second diffusion region 107b, electrons injected into the P-type well region 102 serve as a trigger, and the PN junction located on the opposite side is triggered. Causes hot holes. Hot holes generated at the PN junction are drawn toward the gate electrode 104 having a negative potential, and as a result, holes are injected into the first memory function body 131a.
[0095]
According to the second method, even when only a voltage sufficient to generate a hot hole due to an interband tunnel is applied to the PN junction between the P-type well region and the first diffusion region 107a, the second diffusion is performed. The electrons injected from the region 107b serve as a trigger for generating an electron-hole pair at the PN junction, and can generate a hot hole. Therefore, the voltage at the time of the erase operation can be reduced. In particular, when the offset region 120 (see FIGS. 1 and 2) exists, the effect that the PN junction is sharpened by the gate electrode to which the negative potential is applied is small. Therefore, it is difficult to generate a hot hole due to the band-to-band tunnel. However, the second method can compensate for the disadvantage and realize the erasing operation at a low voltage.
[0096]
When erasing information stored in the first memory function body 131a, in the first erasing method, +5 V had to be applied to the first diffusion region 107a, but in the second erasing method, , + 4V was sufficient. As described above, according to the second method, the voltage at the time of erasing can be reduced, so that power consumption is reduced and deterioration of the memory element due to hot carriers can be suppressed.
[0097]
Regardless of the erasing method, the memory element of the present invention has a feature that over-erasing hardly occurs. Over-erasing is a phenomenon in which the threshold value decreases without saturation as the amount of holes stored in the memory function body increases. An EEPROM (Electrically Erasable Programmable ROM: an electrically erasable read-only memory) represented by a flash memory is a serious problem. In particular, it becomes impossible to select a memory cell when the threshold value becomes negative. Causes fatal malfunction. In the memory element of the present invention, even when a large amount of holes are accumulated in the memory function body, only electrons are induced under the memory function body, and the potential of the channel region under the gate insulating film is hardly affected. Do not give. Since the threshold value at the time of erasing is determined by the potential under the gate insulating film, over-erasing hardly occurs.
[0098]
Next, the principle of the read operation of the memory element will be described with reference to FIG.
[0099]
When reading the information stored in the first memory function body 131a, as shown in FIG. 7, the transistor is operated by using the first diffusion region 107a as a source electrode and the second diffusion region 107b as a drain electrode. For example, 0V may be applied to the first diffusion region 107a and the P-type well region 102, + 2V may be applied to the second diffusion region 107b, and + 2V may be applied to the gate electrode 104. At this time, when electrons are not accumulated in the first memory function body 131a, a drain current easily flows. On the other hand, when electrons are accumulated in the first memory function body 131a, an inversion layer is not easily formed near the first memory function body 131a, so that a drain current does not easily flow. Therefore, by detecting the drain current, information stored in the first memory function body 131a can be read. In particular, when reading is performed by applying a voltage that causes a pinch-off operation, the state of charge accumulation in the first memory function body 131a can be more accurately determined without being affected by the presence or absence of charge accumulation in the second memory function body 131b. Can be determined.
[0100]
When reading information stored in the second memory function body 131b, the transistor is operated in a saturation region using the second diffusion region 107b as a source electrode and the first diffusion region 107a as a drain electrode. For example, 0V may be applied to the second diffusion region 107b and the P-type well region 102, + 2V may be applied to the first diffusion region 107a, and + 2V may be applied to the gate electrode 104. As described above, when the information stored in the first memory function body 131a is read, the information stored in the second memory function body 131b can be read by exchanging the source / drain regions. .
[0101]
Note that in the case where a channel region (offset region 120) not covered by the gate electrode 104 is left, an inversion layer is formed in the channel region not covered by the gate electrode 104 depending on the presence or absence of excess charge of the memory function bodies 131a and 131b. It disappears or forms, resulting in a large hysteresis (change in threshold). However, if the width of the offset region 120 is too large, the drain current is greatly reduced, and the reading speed is significantly reduced. Therefore, it is preferable to determine the width of the offset region 102 so that sufficient hysteresis and reading speed can be obtained.
[0102]
Even when the diffusion regions 107a and 107b reach the end of the gate electrode 104, that is, even when the diffusion regions 107a and 107b and the gate electrode 104 overlap, the threshold value of the transistor hardly changes due to the writing operation. However, the parasitic resistance at the source / drain ends was greatly changed, and the drain current was greatly reduced (by one digit or more). Therefore, reading can be performed by detecting the drain current, and a function as a memory can be obtained. However, when a larger memory hysteresis effect is required, it is preferable that the diffusion regions 107a and 107b do not overlap with the gate electrode 104 (the offset region 120 exists).
[0103]
With the above operation method, two bits can be selectively written and erased per transistor. The word line WL is connected to the gate electrode 104 of the memory element, the first bit line BL1 is connected to the first diffusion region 107a, and the second bit line BL2 is connected to the second diffusion region 107b. By arranging, a memory cell array can be formed.
[0104]
Further, in the above operation method, writing and erasing of two bits per transistor are performed by exchanging the source electrode and the drain electrode. However, the source electrode and the drain electrode may be fixed to operate as a one-bit memory. In this case, one of the source / drain regions can be set to a common fixed voltage, and the number of bit lines connected to the source / drain regions can be reduced by half.
[0105]
As is clear from the above description, according to the memory element, the memory function body is formed independently of the gate insulating film and formed on both sides of the gate electrode. Therefore, a two-bit operation is possible. Further, since each memory function body is separated by the gate electrode, interference at the time of rewriting is effectively suppressed. Further, since the gate insulating film is separated from the memory function body, the short channel effect can be suppressed by reducing the thickness of the gate insulating film. Therefore, miniaturization of the memory element is facilitated.
[0106]
(Embodiment 2)
The memory element of this embodiment makes it difficult for the memory functional bodies 261 and 262 to escape the charge and the area where the charge is held (the area may store the charge and may be a film having the function of holding the charge). (A film having a function of preventing charge from escaping). For example, as shown in FIG. 8, it has an ONO structure. That is, the silicon nitride film 242 is interposed between the silicon oxide film 241 and the silicon oxide film 243 to form the memory function bodies 261 and 262. Here, the silicon nitride film has a function of retaining electric charges. In addition, the silicon oxide films 241 and 243 play a role of a film having a function of making it difficult for the charges stored in the silicon nitride film to escape.
[0107]
Further, the regions (silicon nitride films 242) of the memory function bodies 261 and 262 which hold the charges overlap with the diffusion regions 212 and 213 as an example of the source / drain diffusion regions. Here, the term “overlap” means that at least a part of the charge holding region (silicon nitride film 242) exists on at least a part of the diffusion regions 212 and 213. 8, reference numeral 211 denotes a semiconductor substrate, 214 denotes a gate insulating film, 217 denotes a gate electrode, and 271 denotes an offset region (between the gate electrode and the diffusion region). In addition, below the gate insulating film 214, the outermost surface portion of the semiconductor substrate 211 is a channel region 272.
[0108]
The effect of overlapping the charge holding region 242 and the diffusion regions 212 and 213 in the memory function bodies 261 and 262 will be described.
[0109]
FIG. 9 is an enlarged view of the periphery of the memory function body 262 on the right side of FIG. In FIG. 9, W1 indicates an offset amount between the gate electrode 217 and the diffusion region 213. Also, W2 indicates the width of the memory function body 262 at the cut surface of the gate electrode in the channel length direction, and the end of the memory function body 262 on the side of the silicon nitride film 242 remote from the gate electrode 217 is the gate electrode. The width of the memory function body 262 is defined as W2 because it coincides with the end of the memory function body 262 on the side away from the memory function body 217. W2-W1 is the amount of overlap between the memory function body 262 and the diffusion region 213. The amount of overlap between the memory function body 262 and the diffusion region 213 is represented by W2-W1. What is particularly important is that the memory function body 262 formed of the silicon nitride film 242 among the memory function bodies 262 overlaps with the diffusion region 213, that is, satisfies the relationship of W2> W1.
[0110]
As shown in FIG. 10, the end of the silicon nitride film 242a of the memory function body 262a on the side remote from the gate electrode 217 does not coincide with the end of the memory function body 262a on the side remote from the gate electrode 217. In this case, W2 may be defined as the distance from the end of the gate electrode to the end of the silicon nitride film 242a on the far side from the gate electrode 217a.
[0111]
FIG. 11 shows the drain current Id when the width W2 of the memory function body 262 is fixed to 100 nm and the offset amount W1 is changed in the structure of FIG. Here, the drain current was obtained by device simulation using the memory function body 262 in an erased state (having holes stored therein) and using the diffusion regions 212 and 213 as a source electrode and a drain electrode, respectively.
[0112]
As is clear from FIG. 11, when W1 is 100 nm or more (that is, the silicon nitride film 242 and the diffusion region 213 do not overlap), the drain current decreases rapidly. Since the drain current value is substantially proportional to the read operation speed, when W1 is 100 nm or more, the performance of the memory rapidly deteriorates. On the other hand, in a range where the silicon nitride film 242 and the diffusion region 213 overlap, the drain current decreases slowly. Therefore, in consideration of variations in mass production, if at least a part of the silicon nitride film 242, which is a film having a function of retaining electric charges, and the source / drain regions do not overlap, a memory function can be obtained effectively. Have difficulty.
[0113]
Based on the results of the device simulation described above, W2 was fixed at 100 nm, and W1 was set at 60 nm and 100 nm as design values, to fabricate a memory cell array. When W1 is 60 nm, the silicon nitride film 142 and the diffusion regions 112 and 113 overlap by 40 nm as a design value, and when W1 is 100 nm, they do not overlap as a design value. As a result of measuring the read time of these memory cell arrays, the read access time was 100 times faster when W1 was set to 60 nm as the design value, compared with the worst case in which the variation was considered. In practice, the read access time is preferably 100 nanoseconds or less per bit, but it has been found that this condition cannot be achieved at all when W1 = W2. In addition, it has been found that W2-W1> 10 nm is more preferable in consideration of manufacturing variations.
[0114]
As in the first embodiment, reading of information stored in the memory function body 261 (region 281) is performed by using the diffusion region 212 as a source electrode and the diffusion region 213 as a drain region on the side closer to the drain region in the channel region. Preferably, a pinch-off point is formed. That is, when reading information stored in one of the two memory function bodies, it is preferable to form a pinch-off point in a region within the channel region and close to the other memory function body. Thereby, regardless of the storage state of the memory function body 262, the storage information of the memory function body 261 can be detected with high sensitivity, which is a major factor that enables the 2-bit operation.
[0115]
On the other hand, when information is stored in only one side of the two memory function bodies or when the two memory function bodies are used in the same storage state, it is not always necessary to form a pinch-off point at the time of reading.
[0116]
Although not shown in FIG. 8, it is preferable to form a well region (a P-type well in the case of an N-channel element) on the surface of the semiconductor substrate 211. By forming the well region, it is easy to control the other electrical characteristics (breakdown voltage, junction capacitance, short channel effect) while optimizing the impurity concentration of the channel region for the memory operation (rewriting operation and reading operation). .
[0117]
It is preferable that the memory function body includes a charge holding film having a function of holding charges and an insulating film from the viewpoint of improving the holding characteristics of the memory. In this embodiment, a silicon nitride film 242 having a level for trapping charges is used as a charge holding film, and silicon oxide films 241 and 243 having a function of preventing dissipation of charges accumulated in the charge holding film are used as insulating films. I have. Since the memory function body includes the charge holding film and the insulating film, the charge can be prevented from dissipating and the holding characteristics can be improved. Furthermore, the volume of the charge holding film can be appropriately reduced as compared with the case where the memory function body is composed of only the charge holding film. By appropriately reducing the volume of the charge holding film, the movement of charges in the charge holding film can be limited, and a change in characteristics due to the charge transfer during storage can be suppressed.
[0118]
Further, it is preferable that the memory function body includes a charge retaining film that is disposed substantially in parallel with the surface of the gate insulating film. In other words, it is preferable that the upper surface of the charge retaining film in the memory function body is disposed at an equal distance from the upper surface of the gate insulating film. Specifically, as shown in FIG. 12, the charge holding film 242a of the memory function body 262 has a surface substantially parallel to the surface of the gate insulating film 214. In other words, it is preferable that the charge holding film 242a be formed at a uniform height from the height corresponding to the surface of the gate insulating film 214. The presence of the charge holding film 242a substantially parallel to the surface of the gate insulating film 214 in the memory function body 262 reduces the possibility of forming an inversion layer in the offset region 271 due to the amount of charge accumulated in the charge holding film 242a. Effective control can be achieved, and the memory effect can be increased. Further, by making the charge holding film 242a substantially parallel to the surface of the gate insulating film 214, even when the offset amount (W1) varies, the change in the memory effect can be kept relatively small, and the variation in the memory effect can be suppressed. can do. In addition, the movement of charges in the upper direction of the charge holding film 242a is suppressed, so that a change in characteristics due to the movement of charges during storage can be suppressed.
[0119]
Further, the memory function body 262 is formed of an insulating film (for example, a portion of the silicon oxide film 244 on the offset region 271) separating the charge holding film 242 a and the channel region (or well region) substantially parallel to the surface of the gate insulating film 214. ) Is preferable. With this insulating film, dissipation of the charge accumulated in the charge holding film is suppressed, and a memory element with better holding characteristics can be obtained.
[0120]
The thickness of the charge holding film 242a is controlled, and the thickness of the insulating film below the charge holding film 242a (the portion of the silicon oxide film 244 on the offset region 271) is controlled to be constant, so that the surface of the semiconductor substrate is controlled. It is possible to keep the distance from to the charge stored in the charge holding film approximately constant. That is, the distance from the surface of the semiconductor substrate to the charge stored in the charge holding film is determined from the minimum film thickness of the insulating film below the charge holding film 242a to the maximum film thickness of the insulating film below the charge holding film 242a. The control can be performed up to the sum of the maximum thickness value of the film 242a. As a result, the density of lines of electric force generated by the electric charges stored in the charge holding film 242a can be substantially controlled, and the variation in the memory effect of the memory element can be greatly reduced.
[0121]
(Embodiment 3)
In this embodiment, as shown in FIG. 13, the charge holding film 242 of the memory function body 262 has a substantially uniform film thickness, a region 281 arranged substantially parallel to the surface of the gate insulating film 214, and It has a region 282 arranged substantially parallel to the side surface of the gate electrode 217. That is, the charge retention film 242 includes a region 281 having a surface substantially parallel to the surface of the gate insulating film 214, and also includes a region 282 having a surface substantially parallel to the side surface of the gate electrode 217.
[0122]
When a positive voltage is applied to the gate electrode 217, lines of electric force in the memory function body 262 pass through the silicon nitride film 242 twice (the region 282 and the region 281) as indicated by an arrow 283. When a negative voltage is applied to the gate electrode 217, the direction of the lines of electric force is on the opposite side. Here, the relative permittivity of the silicon nitride film 242 is about 6, and the relative permittivity of the silicon oxide films 241 and 243 is about 4. Therefore, the effective relative permittivity of the memory function body 262 in the direction of the electric force line in the direction of the arrow 283 becomes larger than in the case of the charge holding film having only the region 281, and the potential difference at both ends of the electric force line becomes smaller. can do. That is, most of the voltage applied to the gate electrode 217 is used to increase the electric field in the offset region 271.
[0123]
The charge is injected into the silicon nitride film 242 during the rewrite operation because the generated charge is drawn by the electric field in the offset region 271. Therefore, by including the charge holding film indicated by the arrow 282, the charge injected into the memory function body 262 during the rewriting operation increases, and the rewriting speed increases.
[0124]
If the silicon oxide film 243 is also a silicon nitride film, that is, if the charge holding film is not uniform with respect to the height corresponding to the surface of the gate insulating film 214, the charge in the upward direction of the silicon nitride film is Movement becomes conspicuous, and the holding characteristics deteriorate.
[0125]
It is more preferable that the charge retention film is formed of a high dielectric material such as hafnium oxide having a very large relative dielectric constant instead of the silicon nitride film.
[0126]
Further, the memory function body may further include an insulating film (a portion of the silicon oxide film 241 on the offset region 271) separating the charge holding film substantially parallel to the gate insulating film surface and the channel region (or well region). preferable. With this insulating film, dissipation of the charges accumulated in the charge holding film is suppressed, and the holding characteristics can be further improved.
[0127]
In addition, the memory function body may further include an insulating film (a portion of the silicon oxide film 241 that is in contact with the gate electrode 217) separating the gate electrode and the charge holding film extending in a direction substantially parallel to the side surface of the gate electrode. preferable. With this insulating film, it is possible to prevent electric charges from being injected from the gate electrode into the charge holding film and to prevent the electrical characteristics from changing, thereby improving the reliability of the memory element.
[0128]
Further, as in the second embodiment, the thickness of the insulating film (the portion of the silicon oxide film 241 on the offset region 271) under the charge holding film 242 is controlled to be constant, and furthermore, it is disposed on the side surface of the gate electrode. It is preferable that the thickness of the insulating film to be formed (the portion of the silicon oxide film 241 in contact with the gate electrode 217) be controlled to be constant. Thus, the density of lines of electric force generated by the electric charges stored in the electric charge holding film 242 can be substantially controlled, and electric charge leakage can be prevented.
[0129]
(Embodiment 4)
This embodiment relates to optimization of a distance between a gate electrode, a memory function body, and a source / drain region.
[0130]
As shown in FIG. 14, A is the gate electrode length in the cut surface in the channel length direction, B is the distance between the source and drain regions (channel length), and C is the end of one memory function body to the other memory function body. , That is, the charge in the other memory function body from the end of the film having the function of holding the charge in one memory function body (the side away from the gate electrode) in the cut surface in the channel length direction. It shows the distance to the end of the film having the function of performing the function (the side away from the gate electrode).
[0131]
First, it is preferable that B <C. An offset region 271 exists between a portion of the channel region below the gate electrode 217 and the source / drain regions 212 and 213. Due to B <C, the charge accumulated in the memory function bodies 261 and 262 (silicon nitride film 242) effectively changes the ease of inversion in the entire offset region 271. Therefore, the memory effect increases, and particularly, the speed of the read operation is increased.
[0132]
In addition, when the gate electrode 217 is offset from the source / drain regions 212 and 213, that is, when A <B is satisfied, it is difficult to invert the offset region when a voltage is applied to the gate electrode. It changes greatly depending on the amount of electric charge stored in the memory function body, so that the memory effect increases and the short channel effect can be reduced. However, as long as the memory effect appears, it is not always necessary to exist. Even when there is no offset region 271, if the impurity concentration of the source / drain regions 212 and 213 is sufficiently low, a memory effect can be exhibited in the memory function bodies 261 and 262 (silicon nitride film 242).
Therefore, it is most preferable that A <B <C.
[0133]
(Embodiment 5)
As shown in FIG. 15, the memory element of this embodiment has substantially the same configuration except that the semiconductor substrate in the second embodiment is an SOI substrate.
[0134]
In this memory element, a buried oxide film 288 is formed on a semiconductor substrate 286, and an SOI layer is further formed thereon. Diffusion regions 212 and 213 are formed in the SOI layer, and the other regions are body regions 287.
[0135]
With this memory element, the same operation and effect as those of the memory element according to the second embodiment can be obtained. Further, the junction capacitance between the diffusion regions 212 and 213 and the body region 287 can be significantly reduced, so that the speed of the element can be increased and the power consumption can be reduced.
[0136]
(Embodiment 6)
The memory element of this embodiment is different from the second embodiment in that a P-type high concentration region 291 is added adjacent to the channel side of N-type source / drain regions 212 and 213 as shown in FIG. Has a substantially similar configuration.
[0137]
That is, the P-type impurity (for example, boron) concentration in the P-type high concentration region 291 is higher than the P-type impurity concentration in the region 292. The P-type impurity concentration in the P-type high concentration region 291 is, for example, 5 × 10 17 ~ 1 × 10 19 cm -3 The degree is appropriate. The P-type impurity concentration of the region 292 is, for example, 5 × 10 16 ~ 1 × 10 18 cm -3 It can be.
[0138]
As described above, by providing the P-type high-concentration region 291, the junction between the diffusion regions 212 and 213 and the semiconductor substrate 211 becomes steep immediately below the memory function bodies 261 and 262. Therefore, hot carriers are easily generated at the time of writing and erasing operations, and the voltage of the writing and erasing operations can be reduced, or the speed of the writing and erasing operations can be increased. Further, since the impurity concentration of region 292 is relatively low, the threshold value when the memory is in the erased state is low, and the drain current is large. Therefore, the reading speed is improved. Therefore, a memory element having a low rewrite voltage or a high rewrite speed and a high read speed can be obtained.
[0139]
In FIG. 16, the P-type high-concentration region 291 is provided near the source / drain region and below the memory function body (that is, not immediately below the gate electrode), so that the threshold value of the entire transistor is significantly increased. I do. The degree of this increase is significantly greater than when the P-type high concentration region 291 is immediately below the gate electrode. When the write charge (electrons when the transistor is an N-channel type) is accumulated in the memory function body, the difference is further increased. On the other hand, when sufficient erase charge (holes when the transistor is an N-channel type) is accumulated in the memory function body, the threshold value of the transistor as a whole is determined by the impurity concentration of the channel region (region 292) below the gate electrode. It falls to the determined threshold. That is, the threshold value at the time of erasing does not depend on the impurity concentration of the P-type high concentration region 291, while the threshold value at the time of writing is greatly affected. Therefore, by arranging the P-type high-concentration region 291 below the memory function body and near the source / drain region, only the threshold value at the time of writing greatly varies, and the memory effect (at the time of writing and erasing). Threshold difference) can be significantly increased.
[0140]
(Embodiment 7)
In the memory element of this embodiment, as shown in FIG. 17, the thickness (T1) of the insulating film separating the charge holding film (silicon nitride film 242) and the channel region or the well region in the second embodiment is different from that of the second embodiment. Except that the thickness is smaller than the thickness (T2) of the gate insulating film.
[0141]
The thickness T2 of the gate insulating film 214 has a lower limit due to demand for withstand voltage at the time of a memory rewrite operation. However, the thickness T1 of the insulating film can be made smaller than T2 regardless of the demand for the withstand voltage.
[0142]
In the memory element of the present embodiment, the degree of freedom in designing T1 as described above is high for the following reason. In the memory element of this embodiment, the insulating film that separates the charge retention film from the channel region or the well region is not sandwiched between the gate electrode and the channel region or the well region. Therefore, a high electric field acting between the gate electrode and the channel region or the well region does not directly act on the insulating film separating the charge retention film and the channel region or the well region, and a relatively weak electric field spreading laterally from the gate electrode. Works. Therefore, it is possible to make T1 thinner than T2 regardless of the demand for the withstand voltage for the gate insulating film. On the other hand, for example, in an EEPROM typified by a flash memory, an insulating film separating a floating gate and a channel region or a well region is sandwiched between a gate electrode (control gate) and a channel region or a well region. The high electric field from directly acts. Therefore, in the EEPROM, the thickness of the insulating film separating the floating gate and the channel region or the well region is limited, and the optimization of the function of the memory element is hindered. As is clear from the above, in the memory element of the present embodiment, the fact that the insulating film that separates the charge retention film from the channel region or the well region is not sandwiched between the gate electrode and the channel region or the well region is a factor of T1. This is an essential reason for increasing the degree of freedom.
[0143]
By making T1 thinner, it becomes easier to inject electric charges into the memory function body, it is possible to lower the voltage of the write operation and the erase operation, or to increase the speed of the write operation and the erase operation. Since the amount of charges induced in the channel region or the well region when charges are accumulated in the film 242, the memory effect can be increased.
[0144]
By the way, as shown by an arrow 284 in FIG. 13, there are short lines of electric force in the memory function body that do not pass through the silicon nitride film 242. Since the electric field strength is relatively large on such a short line of electric force, the electric field along the line of electric force plays a large role during the rewriting operation. By reducing the thickness of T1, the silicon nitride film 242 moves to the lower side in the figure, and the lines of electric force indicated by arrows 283 pass through the silicon nitride film. Therefore, the effective line of electric force in the memory function body along the arrow 284 increases, and the potential difference at both ends of the line of electric force can be further reduced. Therefore, much of the voltage applied to the gate electrode 217 is used to increase the electric field in the offset region, and the writing operation and the erasing operation are performed at high speed.
[0145]
As is clear from the above, by setting T1 <T2, the voltage of the writing operation and the erasing operation can be reduced or the writing operation and the erasing operation can be speeded up without lowering the withstand voltage performance of the memory, and the memory effect can be further improved. It is possible to increase.
The thickness T1 of the insulating film is preferably at least 0.8 nm, which is a limit at which uniformity and film quality due to the manufacturing process can be maintained at a certain level and holding characteristics are not extremely deteriorated. preferable.
[0146]
Specifically, in the case of a liquid crystal driver LSI which requires a high withstand voltage having a large design rule, a maximum voltage of 15 to 18 V is required to drive the liquid crystal panel TFT. Therefore, the thickness of the gate oxide film cannot be reduced. When the nonvolatile memory of the present invention is mixedly mounted on the liquid crystal driver LSI for image adjustment, in the memory element of the present invention, the charge holding film (silicon nitride film 242) and the channel region or the well region are independent of the gate insulating film thickness. The thickness of the insulating film that separates the above can be optimally designed. For example, for a memory cell having a gate electrode length (word line width) of 250 nm, T1 = 20 nm and T2 = 10 nm can be individually set, thereby realizing a memory cell with high writing efficiency. (The reason that the short channel effect does not occur even if T1 is thicker than a normal logic transistor is because the source / drain regions are offset with respect to the gate electrode).
[0147]
(Embodiment 8)
In the memory element of this embodiment, as shown in FIG. 18, in the second embodiment, the thickness (T1) of the insulating film separating the charge holding film (silicon nitride film 242) from the channel region or the well region is It has substantially the same configuration except that it is thicker than the thickness (T2) of the gate insulating film.
[0148]
The thickness T2 of the gate insulating film 214 has an upper limit due to a demand for preventing a short channel effect of the device. However, the thickness T1 of the insulating film can be made larger than T2 irrespective of the need to prevent the short channel effect. That is, when the miniaturization scaling advances (when the gate insulating film becomes thinner), the insulation separating the charge retaining film (silicon nitride film 242) from the channel region or the well region is independent of the gate insulating film thickness. Since the thickness of the film can be optimally designed, there is an effect that the memory function body does not hinder the scaling.
[0149]
As described above, the reason why the memory element of the present embodiment has a high degree of design freedom for T1 is that the insulating film that separates the charge retention film from the channel region or the well region includes the gate electrode and the channel region. Or, it is not sandwiched between the well region. Therefore, T1 can be made thicker than T2 irrespective of the request for preventing the short channel effect on the gate insulating film.
[0150]
By increasing T1, it is possible to prevent the charge accumulated in the memory function body from dissipating, and to improve the retention characteristics of the memory.
Therefore, by setting T1> T2, it is possible to improve the holding characteristics without deteriorating the short channel effect of the memory.
[0151]
Note that the thickness T1 of the insulating film is preferably 20 nm or less in consideration of a decrease in the rewriting speed.
[0152]
Specifically, in a conventional nonvolatile memory represented by a flash memory, a select gate electrode forms a write / erase gate electrode, and a gate insulating film (including a floating gate) corresponding to the write / erase gate electrode has a charge. The storage film is also used. For this reason, the demand for miniaturization (it is necessary to reduce the film thickness to suppress the short channel effect) and the securing of reliability (the thickness of the insulating film that separates the floating gate from the channel region or the well region in order to suppress the leakage of the retained charge is Since the requirement of being less than about 7 nm cannot be achieved, miniaturization becomes difficult. In fact, according to the ITRS (International Technology Roadmap for Semiconductors), the miniaturization of the physical gate length has not been remarkable for about 0.2 μm or less. In the memory element of the present invention, T1 and T2 can be individually designed as described above, so that miniaturization is possible. For example, in the present invention, for a memory cell having a gate electrode length (word line width) of 45 nm, T2 = 4 nm and T1 = 7 nm are individually set to realize a memory element in which a short channel effect does not occur. The reason that the short channel effect does not occur even when T2 is set to be thicker than a normal logic transistor is because the source / drain region is offset with respect to the gate electrode. Further, in the memory cell of the present invention, since the source / drain regions are offset with respect to the gate electrode, miniaturization is further facilitated as compared with a normal logic transistor.
[0153]
In summary, since there is no electrode for assisting writing and erasing above the memory function body, the electrode and the channel for assisting writing and erasing are formed on the insulating film separating the charge holding film and the channel region or the well region. The high electric field acting between the regions or the well regions does not act directly, only the relatively weak electric field spreading laterally from the gate electrode acts. Therefore, it is possible to realize a memory cell having a gate length that is reduced to be equal to or more than the gate length of the logic transistor for the same processing generation.
[0154]
(Embodiment 9)
This embodiment relates to a change in electrical characteristics when a memory element is rewritten.
[0155]
FIG. 19 shows characteristics (actually measured values) of the drain current (Id) versus the gate voltage (Vg) when the amount of charge in the memory function body of the N-channel type memory element changes. In FIG. 19, the solid line shows the relationship between the drain current Id and the gate voltage Vg in the erased state, and the dotted line shows the relationship between the drain current Id and the gate voltage Vg in the written state.
[0156]
As is clear from FIG. 19, when the writing operation is performed from the erased state (solid line), not only the threshold value simply rises, but also the inclination of the graph is remarkably reduced particularly in the sub-threshold region. Therefore, even in a region where the gate voltage (Vg) is relatively high, the drain current ratio between the erased state and the written state is large. For example, even at Vg = 2.5 V, the current ratio maintains two digits or more. This characteristic is significantly different from the characteristics of the flash memory shown in FIG.
[0157]
The appearance of such characteristics is a peculiar phenomenon that occurs because the gate electrode and the diffusion region are offset and the gate electric field is hard to reach the offset region. When the memory element is in the written state, even if a positive voltage is applied to the gate electrode, it is extremely difficult to form an inversion layer in the offset region below the memory function body. This causes the slope of the Id-Vg curve in the sub-threshold region to decrease in the writing state. On the other hand, when the memory element is in the erased state, high-density electrons are induced in the offset region. When 0 V is applied to the gate electrode (that is, when the gate electrode is off), no electrons are induced in the channel below the gate electrode (therefore, the off-state current is small). This causes a large slope of the Id-Vg curve in the sub-threshold region in the erased state, and a large current increase rate (conductance) even in the region above the threshold.
[0158]
As is clear from the above, the memory element constituting the semiconductor memory element of the present invention can have a particularly large drain current ratio at the time of writing and erasing.
[0159]
(Embodiment 10)
In this embodiment, a memory cell array having the memory elements of Embodiments 1 to 8 as memory cells will be described.
[0160]
20 is a schematic plan view of the memory cell array according to the tenth embodiment. FIG. 21 is a schematic sectional view taken along line 21-21 of FIG. 20, and FIG. 22 is a sectional view taken along line 22-22 of FIG. FIG. 23 is a schematic sectional view taken along line 23-23 of FIG. 20. However, in FIG. 20, the upper wiring structure (bit lines and contacts) is shown as a connection diagram for simplicity. Although FIGS. 20 to 22 show a memory cell array of 4 rows × 5 columns, the number of rows and the number of columns are arbitrary.
[0161]
As shown in FIGS. 22 and 23, a P-type well region 1102 is formed on a semiconductor substrate 1101. An element isolation region 1108 is formed on the surface of the P-type well region 1102. A region on the surface of the semiconductor substrate where the element isolation region 1108 is not formed is an active region. The word lines WL1, WL2, WL3, WL4 (1104) extend in the horizontal direction of the paper of FIG. 20, and are formed side by side in the vertical direction of the paper of FIG.
[0162]
As shown in FIG. 21, word lines 1104 (WL1, WL2, WL3, WL4) pass through each active region via a gate insulating film 1103. That is, the gate insulating film 1103 is formed between the word line 1104 and each active region. A diffusion region 1107 as an example of a source / drain diffusion region is formed on both sides (regions which are active regions and are not covered by the word lines 1104) of each word line 1104 (WL1, WL2, WL3, WL4). Have been. The region between the diffusion regions 1107 is the channel region 1110 of the memory element.
[0163]
As described above, the word line 1104 (gate electrode) and the diffusion region 1107 (source region or drain region) formed on both sides of the word line 1104 include a memory element which is one field-effect transistor.
[0164]
Here, in FIG. 20, three adjacent word lines 1104 (for example, WL1, WL2, WL3) are selected, and the first word line (WL1), the second word line (WL2), and the third word line Line (WL3). At this time, between the first word line and the second word line, one of the source / drain regions surrounded by the first and second word lines and the element isolation region 1108 (T1) is formed. The first diffusion regions (denoted by D1 in FIG. 20) are arranged in the direction in which the word lines 1 and 2 extend. Similarly, between the second word line (WL2) and the third word line (WL3), a source surrounded by the second and third word lines and the element isolation region 1108 (T2) is provided. The second diffusion regions (denoted by D2 in FIG. 20) which are the other of the drain regions are arranged in the direction in which the second and third word lines extend. The first diffusion region (D1) shares one channel region with each of the two second diffusion regions (D2), and each constitutes one field effect transistor. Similarly, the second diffusion region (D2) shares one channel region with each of the two first diffusion regions (D1), and constitutes one field effect transistor. Therefore, one diffusion region is shared by four field effect transistors.
[0165]
That is, the plurality of memory elements as the memory cells of the memory cell array are arranged in a matrix. In the plurality of memory elements, two memory elements adjacent to each other in the same row supply a diffusion region arranged below a region between gate electrodes of the two memory elements. Further, two memory elements adjacent to each other in the same column also share a diffusion region arranged below a region between the gate electrodes of the two memory elements.
[0166]
The above description regarding the arrangement of the element isolation region 1108 and the diffusion region 1107 can be paraphrased as follows. In FIG. 20, a first element isolation region (T1) disposed over a first word line (WL1) and a second word line (WL2), a second word line (WL2) and a third Second element isolation regions (T2) arranged over the word line (WL3) are alternately arranged in the direction in which the word line extends. A first diffusion region (D1) which is one of a source / drain region and defined by the two first element isolation regions (T1) and the first and second word lines is defined. Similarly, a second diffusion region (D2) which is the other of the source / drain regions and is surrounded by the two second element isolation regions (T2) and the second and third word lines is defined. You. The arrangement of the element isolation region and the diffusion region can be paraphrased as described above.
[0167]
As shown in FIG. 21, a silicon nitride film 1109 is formed on the side walls and the upper surface of the word lines 1104 (WL1, WL2, WL3, WL4). That is, the side and top surfaces of the word line 1104 are covered with the silicon nitride film 1109. In the silicon nitride film 1109, portions existing on both side walls of the word line 1104 are memory function bodies 1105a and 1105b. Note that an interlayer insulating film 1141 is stacked on the silicon nitride film 1109.
[0168]
One of the source / drain regions (D1) is connected to a bit line 1132 (BL2, BL4, BL6) formed of a first-layer metal wiring, and the other (D2) of the source / drain region is connected to the bit line 1132. Is connected to the adjacent bit line 1132 (BL1, BL3, BL5). The bit line extends in a direction perpendicular to the direction in which the word line extends. In this embodiment, the bit line 1132 is connected to the diffusion region 1107 by a contact 1131 (shown by CH in FIG. 20) made of a conductive material.
[0169]
FIG. 24 shows a circuit diagram of the memory cell array. For simplicity, the memory element is represented by a symbol representing a normal field effect transistor. In the memory cell Mij (i = 1, 2, 3, 4, j = 1, 2, 3, 4, 5), the gate electrode is connected to the word line WLi (i = 1, 2, 3, 4) and the diffusion region One is connected to a bit line BLj (j = 1, 2, 3, 4, 5), and the other of the diffusion regions is connected to a bit line BLj + 1 (j = 2, 3, 4, 5). Each of the memory cells Mij includes two memory function bodies m1 and m2 (1105a and 1105b).
[0170]
Next, an operation method of the memory cell array will be described.
[0171]
First, a reading method will be described. Here, it is assumed that the storage information of the memory function body (m1) on the bit line BL3 side of the memory cell M23 is read. First, the bit line BL3 is precharged to a logic level L and the bit line BL4 is precharged to a logic level H. Here, the bit line BL2 adjacent to the left side of the bit line BL3 in the figure (opposite to the bit line 4) is precharged to the logic level L, and the right side of the bit line BL4 in the figure (the opposite side to the bit line 3). ), It is preferable to precharge the adjacent bit line BL5 to the logic level H. After the precharge is completed, the word line WL2 is set to the logic level H. At the moment when the word line WL2 goes to the logic level H, the memory cells M22 and M23 are turned on. At this time, a high voltage (logic level H-logic level L) is applied between the source and the drain of the memory cell M23 and a current flows, but the current amount changes depending on the state of the memory function body m1. Therefore, the state of the memory function body m1 can be known by detecting the amount of current flowing through the bit line BL3 or BL4 or monitoring the potential change of the bit line BL3 or BL4.
[0172]
In the above operation, if the bit line BL2 has not been precharged to the logic level L, the memory cell M22 is turned on at the moment when the word line WL2 goes to the logic level H, and the bit line BL2 is switched to the bit line BL3. Electric current flows. Such a current hinders detection of a current flowing through the selected memory cell M23. Therefore, it is preferable that the bit line BL2 be precharged to the same logic level L as the bit line BL3. Similarly, it is preferable that the bit line BL5 be precharged to the same logic level H as the bit line BL4.
[0173]
When the storage information of the memory function unit (m2) on the bit line BL4 side of the memory cell M23 is called, the bit lines BL2 and BL3 are precharged to the logic level H, and the bit lines BL4 and BL5 are precharged to the logic level L. . After the precharge is completed, the word line WL2 may be set to the logic level H.
[0174]
Table 1 shows an example of specific voltages in each operation of writing, reading, and erasing in the memory cell array of the present embodiment. Lbw, Hbw, Lww, and Hww are the low-level potential of the bit line, the high-level potential of the bit line, the low-level potential of the word line, and the high-level potential of the word line during writing, respectively. Lbr, Hbr, Lwr, and Hwr are the low level potential of the bit line, the high level potential of the bit line, the low level potential of the word line, and the high level potential of the word line at the time of reading, respectively. Lbe1, Lbe2, Hbe, Lwe, and Hwe are the low level potential 1 of the bit line, the low level potential 2 of the bit line, the high level potential of the bit line, the low level potential of the word line, and the high level of the word line at the time of erasing, respectively. Potential. In each case, an example of a specific voltage is shown in parentheses.
[0175]
The erasing method described in Table 1 below uses the second erasing method described above. Therefore, at the time of erasing, Lbe2 (+0.8 V in Table 1) is applied to the P-type well region. When erasing the memory function body m1 of the memory cell M23, electrons injected by a forward voltage applied to the P-type well region and the bit line BL4 serve as a trigger to perform erasing. Lbe2 is applied to the bit line BL2 to prevent erroneous erasure of the memory cell M21.
[0176]
[Table 1]
Figure 2004349353
[0177]
As is clear from Table 1, the memory cell array according to the present embodiment is capable of random access (read and rewrite operation for each bit). For this reason, the access efficiency can be improved as compared with a device that needs to be erased all at once. In addition, there is no need to perform a sequence such as temporary storage of the memory state, batch erasing, and writing, so that the control circuit is simplified. When the first erasing method described above is used, Lbe2 in Table 1 may be set to the same value (0 V) as Lbe1, and Hbe may be set to an appropriate voltage value (for example, +6 V). In this case, at least two bits are collectively performed in the erasing operation.
[0178]
According to the above-described read operation, when two-bit storage of a certain memory cell is to be continuously read (for example, the memory function bodies m1 and m2 of the memory cell M23 are continuously read), a nearby bit line is read. Must be inverted (in the above example, the potentials of the bit lines BL2 to BL5 are all inverted), which is inefficient. Therefore, it is preferable to devise an address decoder circuit and the like, and to take measures such as separating the addresses of the left and right memory functional units from each other, thereby avoiding a state in which the addresses are continuously and alternately read.
[0179]
As is clear from the above description, the memory cell array according to the present embodiment is configured by arranging the above memory elements. As described above, the memory element can store two bits with one element and can reduce the thickness of the gate insulating film, so that miniaturization is easy. Therefore, in the memory cell array according to the present embodiment in which the memory elements are arranged, the area can be easily reduced (or the density can be increased), and the manufacturing cost can be reduced.
[0180]
Further, in the memory cell array of the present embodiment, since one diffusion region is shared by four memory elements (field effect transistors), the number of bit lines and contact holes for connecting the bit lines and the diffusion region are set. Fewer numbers. Therefore, the margin for the bit line and the contact hole is small, so that the memory cell array can be further reduced (or increased in density) and the manufacturing cost can be reduced.
[0181]
Further, as described above, the process of forming the memory element is very similar to a normal CMOS (complementary metal oxide semiconductor) process, and is much simpler than a conventional nonvolatile memory having a floating gate such as an EEPROM. It is possible to manufacture. Therefore, the memory cell array of the present invention can be easily manufactured, and can be easily mounted together with a logic circuit.
[0182]
In the memory element used in this embodiment, as described in Embodiment Mode 2, the regions (silicon nitride films 242) of the memory function bodies 261 and 262 which retain electric charges overlap with the diffusion regions 212 and 213, respectively. Is preferred. When such a memory element is used in the semiconductor memory device of this embodiment, the reading speed of the semiconductor memory device can be sufficiently increased.
[0183]
Further, in the memory element used in this embodiment, as described in Embodiment 2, the memory function body preferably includes a charge retention film that is arranged substantially in parallel with the surface of the gate insulating film. When such a memory element is used in the semiconductor memory device of this embodiment, variation in the memory effect of the memory element can be reduced, so that variation in the read current of the semiconductor memory device can be suppressed. Furthermore, since the change in the characteristics of the memory element during storage can be reduced, the storage characteristics of the semiconductor memory device are improved.
[0184]
Further, in the memory element used in this embodiment, as described in Embodiment Mode 3, the memory function body includes a charge holding film which is arranged substantially in parallel with the surface of the gate insulating film, and further includes a gate electrode. It is preferable to include a portion extending substantially parallel to the side surface. When such a memory element is used in the semiconductor memory device of this embodiment, the rewriting speed of the memory element increases, so that the rewriting operation of the semiconductor memory device can be performed at high speed.
[0185]
Further, as the memory element used in this embodiment, the memory element in Embodiment 7 is preferably used. That is, the thickness (T1) of the insulating film that separates the charge holding film (silicon nitride film 242) from the channel region or the well region is smaller than the thickness (T2) of the gate insulating film and is 0.8 nm or more. Is preferred. When such a memory element is used in the semiconductor memory device of this embodiment, it is possible to lower the voltage of the write operation and the erase operation or to increase the speed of the write operation and the erase operation. Further, since the memory effect of the memory element increases, the reading speed of the semiconductor memory device can be increased.
[0186]
In addition, as the memory element used in this embodiment, the memory element in Embodiment 8 is preferably used. That is, the thickness (T1) of the insulating film that separates the charge holding film (silicon nitride film 242) from the channel region or the well region is preferably larger than the thickness (T2) of the gate insulating film and equal to or less than 20 nm. . When such a memory element is used in the semiconductor memory device of this embodiment, the holding characteristics can be improved without deteriorating the short channel effect of the memory element. Memory retention performance can be obtained.
[0187]
Further, the memory element used in this embodiment preferably includes a memory function body having a structure in which a silicon nitride film is sandwiched between silicon oxide films as in Embodiment 2 (FIG. 7), for example. . When such a memory element is used in the semiconductor memory device of this embodiment, the operation speed of the semiconductor memory device can be improved, and the reliability can be improved.
[0188]
Further, as the memory element used in this embodiment, it is most preferable to use the memory element of the best mode described above. Thereby, the performance of the semiconductor memory device can be optimized.
[0189]
(Embodiment 11)
Embodiment 11 of the present invention will be described with reference to FIG. The semiconductor memory device of the present embodiment is obtained by reducing the memory cell area by meandering the word lines 1104 (WL1, WL2, WL3, WL4) in the semiconductor memory device of the tenth embodiment. In FIG. 25, the same components as those shown in FIG. 20 are denoted by the same reference numerals as the components in FIG. 20, and description thereof is omitted.
[0190]
The word lines 1104 (WL1, WL2, WL3, WL4) meander in synchronization with the cycle in which the element isolation regions 1108 are arranged. The meandering of the word lines 1104 adjacent to each other are in opposite phases (shifted by 180 degrees). Therefore, in two adjacent word lines 1104, the distance in the direction perpendicular to the direction in which the word lines 1104 extend (the vertical direction in FIG. 25) changes in synchronization with the cycle in which the element isolation regions 108 are arranged. . Specifically, the distance in the direction parallel to the direction in which the bit line 1132 extends between the two adjacent word lines 1104 is shorter on the element isolation region 1108 than on the active region. . Specifically, in a portion where the first or second diffusion region D1 or D2 is sandwiched between the adjacent word lines 1104, the distance is long, and the adjacent word lines extend over one element isolation region 1108. The distance is short in the passing portion.
[0191]
By meandering the word lines 1104 (WL1, WL2, WL3, WL4) as described above, the length of the element isolation region 1108 can be shortened while keeping the margin between the word lines 1104 and the contacts CH. As is apparent from a comparison between FIG. 20 and FIG. 25, the size of the memory cell of the semiconductor memory device of the present embodiment is reduced in the vertical direction in FIG. Therefore, it is possible to further reduce the memory cell array (or increase the density) and reduce the manufacturing cost.
[0192]
(Embodiment 12)
Embodiment 12 of the invention will be described with reference to FIGS. 26 and 27. The semiconductor memory device according to the present embodiment includes the memory cell array and the logic circuit unit according to the first or second embodiment, and is formed of one chip.
[0193]
FIG. 26 is a side-by-side comparison of schematic cross-sectional views of the storage element 13 forming the memory cell array and the switching element 14 forming the logic circuit portion. Here, the description of the already described reference numerals is omitted. The only structural difference between the storage element 13 and the switching element 14 is that in the switching element 14, the diffusion regions 1207a and 1207b reach the gate ends. That is, the switching element 14 does not have the offset region 1120. The diffusion regions 1207a and 1207b have, for example, an LDD (Lightly Doped Drain) structure. Note that the side wall spacer 1205 of the switching element 14 has exactly the same structure as the memory function bodies 1105a and 1105b of the storage element 13.
[0194]
The procedure for forming the storage element 13 is very compatible with a normal standard logic (logic) transistor formation process. As described above, the switching element 14 configuring the logic circuit unit has a configuration close to the configuration of the storage element 13. The switching element 14 differs from the storage element 13 in that the switching element 14 does not use the sidewall spacer 1205 as a memory function body and that the switching element 4 has an LDD region. The thickness composition ratio of the silicon oxide films 1111 and 1112 and the silicon nitride film 1113 may be selected so that the storage element 13 operates properly. Even if the film configuration of the sidewall spacer of the switching element 14 is the same as that of the storage element 13, the width of the sidewall spacer (that is, the total thickness of the silicon oxide films 1111 and 1112 and the silicon nitride film 1113) is appropriate. Therefore, as long as the transistor is operated in a voltage range in which the rewriting operation does not occur, the transistor performance is not impaired.
[0195]
26, reference numerals 1107a and 1107b denote diffusion regions as examples of source / drain diffusion regions, and 1121 denotes a region under the gate electrode.
[0196]
As is apparent from the above description, it is necessary to form the LDD structure only on the switching element 14 in order to mount the switching element 14 constituting the logic circuit section and the storage element 13 constituting the memory cell array together. is there. In order to form an LDD structure, impurities may be implanted for forming an LDD after forming the gate electrode and before forming the memory function body (sidewall spacer). Therefore, when the impurities are implanted for forming the LDD, only the storage element 13 is masked with a photoresist, so that the storage element 13 and the switching element 14 constituting the logic circuit section can be easily mounted together. It becomes possible. Furthermore, if an SRAM (Static Random Access Memory) is configured by the switching element 14, the nonvolatile memory, the logic circuit, and the SRAM can be easily mounted.
[0197]
Note that the switching element 14 does not necessarily have to have the LDD structure, and the storage element 3 does not necessarily have to have the LDD structure. However, it is preferable that the switching element 14 has the LDD structure and the storage element 13 does not necessarily have the LDD structure. This makes it possible to increase the memory effect of the storage element 3 while increasing the drive current of the switching element 14. Therefore, the logic circuit section including the switching elements 14 operates at high speed, and good memory characteristics can be obtained from the memory cell array including the storage elements 13.
[0198]
FIG. 27 is a configuration diagram of the semiconductor memory device according to the present embodiment. The semiconductor storage device 15 includes a memory cell array 1301 including the storage elements 13. The semiconductor storage device 15 further includes a column address buffer 1302, a row address buffer 1303, a column address decoder 1304, a row address decoder 1305, a sense amplifier 1306, and A control circuit 1307 for controlling these units and an MPU (microprocessor unit) 1308 are included.
[0199]
By embedding the memory cell array of Embodiment 10 or Embodiment 11 and the logic circuit unit on one chip, a large-capacity nonvolatile memory is mounted, and an LSI chip that is easy to manufacture and low in cost is realized. Provided.
[0200]
By the way, when designing the semiconductor memory device as described above, considering the efficiency of the read operation, as described above, it is inefficient to try to read the 2-bit storage of a certain memory cell continuously. . This is because, as described above, in order to continuously read 2-bit information of a memory cell, it is necessary to reverse the direction of the read current (replace the source and drain), and change the potential of the nearby bit line. All must be inverted. Therefore, it is preferable that 2-bit addresses stored in a certain memory cell be separated from each other. For example, one of the storage bits of memory cells belonging to the same word line and adjacent to each other may be set to a continuous address, and one of the storage bits in the same memory cell may be separated from the other address.
[0201]
(Embodiment 13)
The semiconductor storage devices of Embodiments 10 to 12 can be used for a battery-driven portable electronic device, particularly, a portable information terminal. Examples of the portable electronic device include a portable information terminal, a mobile phone, and a game device.
[0202]
FIG. 28 illustrates an example of a mobile phone. The semiconductor memory device or the semiconductor device of the present invention is incorporated in the control circuit 1411 of the mobile phone. 28, reference numeral 1412 denotes a battery, 1413 denotes an RF (radio frequency) circuit portion, 1414 denotes a display portion, 1415 denotes an antenna portion, 1416 denotes a signal line, and 1417 denotes a power line.
[0203]
By using the semiconductor memory device or the semiconductor device of the present invention for a portable electronic device, the manufacturing cost of the control circuit can be reduced, so that the cost of the portable electronic device itself can be reduced. Alternatively, the capacity of the nonvolatile memory included in the control circuit can be increased to enhance the functions of the portable electronic device.
[0204]
【The invention's effect】
As is clear from the above, according to the semiconductor memory device of the first invention, the memory function body having the function of retaining electric charge or the function of retaining polarization is formed on the side wall of the word line, and the channel region is formed. The insulator separating the word electrode and the word electrode is formed separately. As a result, it is easy to suppress the short channel effect by reducing the thickness of the insulator, so that the memory element can be miniaturized and the manufacturing cost can be reduced.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a schematic sectional view of a main part of a memory element of a semiconductor memory device according to a first embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a schematic sectional view of a main part of another memory element of the semiconductor memory device according to the first embodiment of the present invention;
FIG. 3 is a diagram illustrating a write operation of the memory element according to the first embodiment.
FIG. 4 is a diagram illustrating a write operation of the memory element according to the first embodiment.
FIG. 5 is a diagram illustrating an operation of removing the memory element according to the first embodiment.
FIG. 6 is a diagram illustrating an erase operation of the memory element according to the first embodiment.
FIG. 7 is a diagram illustrating a read operation of the memory element according to the first embodiment.
FIG. 8 is a schematic sectional view of a main part of a memory element of a semiconductor memory device according to a second embodiment of the present invention.
FIG. 9 is an enlarged schematic sectional view of a main part of FIG.
FIG. 10 is an enlarged schematic cross-sectional view of a modification of the main part of FIG.
FIG. 11 is a graph showing electric characteristics of the memory element according to the second embodiment.
FIG. 12 is a schematic sectional view of a main part of a modified example of the memory element of the second embodiment.
FIG. 13 is a schematic sectional view of a main part of a memory element of a semiconductor memory device according to a third embodiment of the present invention.
FIG. 14 is a schematic sectional view of a main part of a memory element of a semiconductor memory device according to a fourth embodiment of the present invention.
FIG. 15 is a schematic sectional view of a main part of a memory element of a semiconductor memory device according to a fifth embodiment of the present invention.
FIG. 16 is a schematic sectional view of a main part of a memory element of a semiconductor memory device according to a sixth embodiment of the present invention.
FIG. 17 is a schematic sectional view of a main part of a memory element of a semiconductor memory device according to a seventh embodiment of the present invention.
FIG. 18 is a schematic sectional view of a main part of a memory element of a semiconductor memory device according to an eighth embodiment of the present invention.
FIG. 19 is a graph showing electrical characteristics of a memory element of a semiconductor memory device according to a ninth embodiment of the present invention.
FIG. 20 is a schematic plan view of a semiconductor memory device according to a tenth embodiment of the present invention.
FIG. 21 is a schematic sectional view taken along line 21-21 of FIG. 20;
FIG. 22 is a schematic sectional view taken along line 22-22 of FIG. 20;
FIG. 23 is a schematic sectional view taken along line 23-23 of FIG. 20;
FIG. 24 is a circuit diagram of the semiconductor memory device according to the tenth embodiment.
FIG. 25 is a schematic plan view of a semiconductor memory device according to an eleventh embodiment of the present invention.
FIG. 26 is a diagram illustrating a semiconductor memory device according to a twelfth embodiment of the present invention, in which side sectional schematic views of a memory element forming a memory cell array and a switching element forming a logic circuit portion are compared. FIG.
FIG. 27 is a block diagram of a semiconductor memory device according to the twelfth embodiment.
FIG. 28 is a block diagram of a portable electronic device according to Embodiment 13 of the present invention.
FIG. 29 is a schematic plan view of a memory cell array of a conventional flash memory.
FIG. 30 is a schematic sectional view taken along line 30-30 in FIG. 29;
FIG. 31 is a graph showing electric characteristics of the conventional flash memory.
[Explanation of symbols]
1 Memory element
2 Memory element
13 Memory element
15 Semiconductor storage device
101 semiconductor substrate
104 Gate electrode
105a, 105b Memory function body
107a, 107b diffusion region
122 channel area
131a, 131b Memory function body
211 Semiconductor substrate
212,213 Diffusion area
214 Gate insulating film
217 Gate electrode
261,262 Memory Function
262a Memory function body
272 channel area
1101 Semiconductor substrate
1103 Gate insulating film
1104 word line
1105a, 1105b Memory function body
1107a, 1107b Diffusion area
1108 Element isolation region
1110 channel region
1132 bit line
1301 Memory cell array
M11, M12, ..., M41 memory cells
m1, m2 memory function body
WL, WL1, WL2,..., WL4 Word line
BL1, BL2, ..., BL6 bit lines

Claims (12)

素子分離領域と活性領域とを表面に有する半導体基板と、
上記活性領域に形成されてマトリクス状に配置された複数の電界効果トランジスタである記憶素子と、
上記記憶素子のゲート電極に接続するワード線と、
上記記憶素子のソース・ドレイン拡散領域に接続するビット線とを備え、
隣り合う2つの上記ビット線に関して、一方の上記ビット線は同一列の上記ソース・ドレイン拡散領域の一方に電気的に接続する一方、他方の上記ビット線は上記同一列の上記ソース・ドレイン拡散領域の他方に電気的に接続し、
同一行で隣り合う上記記憶素子は上記ソース・ドレイン拡散領域の一方を共有し、
同一列で隣り合う上記記憶素子は上記ソース・ドレイン拡散領域の一方を共有し、
上記記憶素子は、
上記半導体基板上にゲート絶縁膜を介して形成された上記ゲート電極と、
上記ゲート電極の側方に形成され、電荷または分極を保持する機能を有するメモリ機能体と、
上記ゲート絶縁膜下に配置されたチャネル領域と、
上記チャネル領域の両側に配置された上記ソース・ドレイン拡散領域と
を含み、
上記メモリ機能体に保持された電荷または分極の多寡により、上記ゲート電極に電圧を印加した際の上記ソース・ドレイン拡散領域の一方から上記ソース・ドレイン拡散領域の他方に流れる電流量が変化することを特徴とする半導体記憶装置。
A semiconductor substrate having an element isolation region and an active region on its surface,
A storage element that is a plurality of field-effect transistors formed in the active region and arranged in a matrix,
A word line connected to a gate electrode of the storage element;
A bit line connected to the source / drain diffusion region of the storage element;
Regarding two adjacent bit lines, one bit line is electrically connected to one of the source / drain diffusion regions in the same column, while the other bit line is electrically connected to the source / drain diffusion region in the same column. Electrically connected to the other of
The storage elements adjacent in the same row share one of the source / drain diffusion regions,
The storage elements adjacent in the same column share one of the source / drain diffusion regions,
The storage element is
The gate electrode formed on the semiconductor substrate via a gate insulating film,
A memory function body formed on the side of the gate electrode and having a function of retaining charge or polarization;
A channel region disposed below the gate insulating film;
Including the source / drain diffusion regions arranged on both sides of the channel region,
The amount of current flowing from one of the source / drain diffusion regions to the other of the source / drain diffusion regions when a voltage is applied to the gate electrode changes depending on the amount of charge or polarization held in the memory function body. A semiconductor memory device characterized by the above-mentioned.
請求項1に記載の半導体記憶装置において、
上記ワード線は夫々蛇行して延在しており、
隣り合う2つの上記ワード線間において、上記ビット線が延在する方向に平行な方向の距離は、上記活性領域上よりも上記素子分離領域上の方が短いことを特徴とする半導体記憶装置。
The semiconductor memory device according to claim 1,
Each of the word lines extends in a meandering manner,
A semiconductor memory device wherein a distance in a direction parallel to a direction in which the bit line extends between two adjacent word lines is shorter on the element isolation region than on the active region.
請求項1に記載の半導体記憶装置において、
上記メモリ機能体は、上記ワード線の両側に形成され、夫々独立した記憶単位として書き換え動作及び読み出し動作が行われることを特徴とする半導体記憶装置。
The semiconductor memory device according to claim 1,
The semiconductor memory device, wherein the memory functional unit is formed on both sides of the word line, and performs a rewrite operation and a read operation as independent storage units.
請求項1に記載の半導体記憶装置において、
上記メモリ機能体の少なくとも一部が上記ソース・ドレイン拡散領域の一部にオーバーラップすることを特徴とする半導体記憶装置。
The semiconductor memory device according to claim 1,
A semiconductor memory device, wherein at least a part of the memory function body overlaps a part of the source / drain diffusion region.
請求項1に記載の半導体記憶装置において、
上記メモリ機能体は、上記ゲート絶縁膜の表面と略並行な表面を有して電荷を保持する機能を有する電荷保持膜を含むことを特徴とする半導体記憶装置。
The semiconductor memory device according to claim 1,
The semiconductor memory device, wherein the memory functional unit includes a charge holding film having a surface substantially parallel to a surface of the gate insulating film and having a function of holding charges.
請求項5に記載の半導体記憶装置において、
上記電荷保持膜は、上記ゲート電極の側面と略平行な表面を有することを特徴とする半導体記憶装置。
6. The semiconductor memory device according to claim 5,
The semiconductor memory device, wherein the charge holding film has a surface substantially parallel to a side surface of the gate electrode.
請求項5に記載の半導体記憶装置において、
上記メモリ機能体は、上記電荷保持膜と上記活性領域との間に形成された絶縁膜を含み、
上記絶縁膜の膜厚が、上記ゲート絶縁膜の膜厚より薄く、かつ、0.8nm以上であることを特徴とする半導体記憶装置。
6. The semiconductor memory device according to claim 5,
The memory functional unit includes an insulating film formed between the charge holding film and the active region,
A semiconductor memory device wherein the thickness of the insulating film is smaller than the thickness of the gate insulating film and is 0.8 nm or more.
請求項5に記載の半導体記憶装置において、
上記メモリ機能体は、上記電荷保持膜と上記活性領域との間に形成された絶縁膜を含み、
上記絶縁膜の膜厚が、上記ゲート絶縁膜の膜厚より厚く、かつ、20nm以下であることを特徴とする半導体記憶装置。
6. The semiconductor memory device according to claim 5,
The memory functional unit includes an insulating film formed between the charge holding film and the active region,
A semiconductor memory device, wherein the thickness of the insulating film is larger than the thickness of the gate insulating film and is equal to or less than 20 nm.
請求項1に記載の半導体記憶装置において、
上記メモリ機能体は、シリコン窒化膜と、このシリコン窒化膜を挟むシリコン酸化膜とを含むことを特徴とする半導体記憶装置。
The semiconductor memory device according to claim 1,
The semiconductor memory device according to claim 1, wherein the memory function body includes a silicon nitride film and a silicon oxide film sandwiching the silicon nitride film.
請求項1に記載の半導体記憶装置において、
カラムデコーダー、センスアンプ及びロウデコーダーを含み、1つのチップから成ることを特徴とする半導体記憶装置。
The semiconductor memory device according to claim 1,
A semiconductor memory device including a column decoder, a sense amplifier, and a row decoder, and comprising one chip.
請求項1に記載の半導体記憶装置の動作方法であって、
動作させるべき上記メモリ機能体が属する上記記憶素子の上記ゲート電極に接続された上記ワード線に、上記メモリ機能体を動作させるための電位を与える前に、
上記記憶素子の一方の側方に位置する全ての上記ビット線を第1の電位にプリチャージすると共に、上記記憶素子の他方の側方に位置する全ての上記ビット線を第2の電位にプリチャージすることを特徴とする半導体記憶装置の動作方法。
2. The operation method of the semiconductor memory device according to claim 1, wherein:
Before applying a potential for operating the memory function body to the word line connected to the gate electrode of the storage element to which the memory function body to be operated belongs,
All the bit lines located on one side of the storage element are precharged to a first potential, and all the bit lines located on the other side of the storage element are precharged to a second potential. A method for operating a semiconductor memory device, comprising charging.
請求項1に記載の半導体記憶装置を備えたことを特徴とする携帯電子機器。A portable electronic device comprising the semiconductor storage device according to claim 1.
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