JP2005286185A - Nonvolatile semiconductor memory device and method for manufacturing same - Google Patents

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide an FG (floating gate) memory cell of a two-layer gate structure which can reduce a current flowing through a channel in a write mode by increasing a charge injection efficiency. <P>SOLUTION: The memory cell has the gate region 15A of a memory gate insulating film 16 and a floating gate (FG) sequentially formed on a p-type channel formation region 11A, an n-type source region (S) 17 and a drain region (D) 18 located at both sides of the gate region, the control gate (CG) of an impurity region formed in a semiconductor substrate 11 to be capacitively coupled with a floating gate (FG) 15, and a select gate (SG) 20 for channel control coupled with the channel formation region between the source (S) region 17 and the gate region 15A via a gate insulating film 9 disposed therebetween. <P>COPYRIGHT: (C)2006,JPO&NCIPI

Description

本発明は、低電圧で高効率な動作が可能な2層ゲート構造の不揮発性半導体メモリ装置と、その製造方法に関するものである。   The present invention relates to a nonvolatile semiconductor memory device having a two-layer gate structure capable of high-efficiency operation at a low voltage, and a method for manufacturing the same.

単一ポリシリコンゲートプロセスによってメモリセルのトランジスタを形成することが可能なメモリセルとして、半導体基板内に形成したP型ウェル内にN型のソース領域およびドレイン領域と、N型ソース領域とN型ドレイン領域との間のチャネル領域の上側に形成されたポリシリコンゲート(フローティングゲート)とを具備する単一ポリシリコンゲート構造のメモリトセルが知られている。(たとえば、特許文献1参照)。   As a memory cell capable of forming a transistor of a memory cell by a single polysilicon gate process, an N-type source region and drain region, an N-type source region and an N-type in a P-type well formed in a semiconductor substrate A memory cell having a single polysilicon gate structure having a polysilicon gate (floating gate) formed above a channel region between the drain region and the drain region is known. (For example, refer to Patent Document 1).

図6(A)に、このメモリセルの平面図を示す。また、図6(B)に、図6(A)のA−A線の断面図を示す。
半導体基板101の表面部に絶縁体102が形成されている。メモリセル内で、絶縁体102は2箇所で半導体表面部を表出させるパターンにて形成されている。その一方の第1の半導体表出部に、半導体基板101と逆導電型のウェル103が形成されている。半導体基板101をP型とした場合に、このウェル103はN型の不純物領域であり、コントロールゲートCGを構成する(以下、ウェル103をコントロールゲートと称する)。コントロールゲート(CG)103の上に、絶縁膜104を介してフローティングゲート(FG)105が形成されている。フローティングゲート(FG)105は、絶縁膜104を介してコントロールゲート(CG)103と容量結合している部分が、図6(A)に示すように比較的大きな面積で形成され、その部分から一方にゲート部105Aが延びているパターンを有する。このゲート部105Aは、もう一方の第2の半導体表出部(半導体基板101の一部)に交差している。ゲート部105Aと半導体基板101との間に、メモリトランジスタのゲート絶縁膜106が介在する。図6(A)に示されるように、ゲート部105Aの幅方向両側にN型の不純物領域からなるソース領域(S)107とドレイン領域(D)108が形成されている。
FIG. 6A shows a plan view of this memory cell. FIG. 6B is a cross-sectional view taken along line AA in FIG.
An insulator 102 is formed on the surface portion of the semiconductor substrate 101. In the memory cell, the insulator 102 is formed in a pattern that exposes the semiconductor surface at two locations. A well 103 having a conductivity type opposite to that of the semiconductor substrate 101 is formed on one first semiconductor exposed portion. When the semiconductor substrate 101 is a P-type, the well 103 is an N-type impurity region and constitutes a control gate CG (hereinafter, the well 103 is referred to as a control gate). A floating gate (FG) 105 is formed on the control gate (CG) 103 via an insulating film 104. In the floating gate (FG) 105, a portion capacitively coupled to the control gate (CG) 103 through the insulating film 104 is formed with a relatively large area as shown in FIG. The gate portion 105A has a pattern extending. The gate portion 105A intersects with the other second semiconductor exposed portion (a part of the semiconductor substrate 101). A gate insulating film 106 of a memory transistor is interposed between the gate portion 105A and the semiconductor substrate 101. As shown in FIG. 6A, a source region (S) 107 and a drain region (D) 108 made of an N-type impurity region are formed on both sides in the width direction of the gate portion 105A.

この単一ポリシリコンゲート構造のメモリセル100のコントロールゲート(CG)103およびフローティングゲート(FG)105は、より伝統的なスタックトゲート(二重ポリシリコン)構造のメモリセルのものと同様の態様でコンデンサを形成していることから、この単一ポリシリコンゲート構造のメモリセル100は、二重ポリシリコンゲート構造のメモリセルの場合と同様な方法によりプログラム(データ書き込み)、データの消去および読み出しを行なうことが可能である。   The control gate (CG) 103 and the floating gate (FG) 105 of the memory cell 100 having the single polysilicon gate structure are similar to those of the memory cell having the more traditional stacked gate (double polysilicon) structure. Therefore, the memory cell 100 having the single polysilicon gate structure is programmed (data writing), erased and read out by the same method as that of the memory cell having the double polysilicon gate structure. Can be performed.

プログラミング、すなわちデータの書き込み時に、たとえばソース領域(S)107に0V、ドレイン領域(D)108に5V、コントロールゲート(CG)103に10〜10数Vを印加する。このときチャネルを走行するエレクトロンを水平方向の電界により高エネルギー化してホットエレクトロンをドレイン端に発生させる。このホットエレクトロンを、コントロールゲート(CG)103との容量結合で電位が上昇したフローティングゲート(FG)105による垂直方向の電界によってフローティングゲート(FG)105に注入させ、蓄積させる。一方、データの消去は、たとえば、フローティングゲート(FG)105からエレクトロンをトンネル動作によって基板やソース領域(S)107に引き抜くことにより行なわれる。
米国特許第4649520号明細書
During programming, that is, data writing, for example, 0 V is applied to the source region (S) 107, 5 V is applied to the drain region (D) 108, and 10 to several tens V are applied to the control gate (CG) 103. At this time, electrons traveling in the channel are increased in energy by a horizontal electric field to generate hot electrons at the drain end. The hot electrons are injected and accumulated in the floating gate (FG) 105 by a vertical electric field generated by the floating gate (FG) 105 whose potential has been increased by capacitive coupling with the control gate (CG) 103. On the other hand, data is erased by, for example, extracting electrons from the floating gate (FG) 105 to the substrate or the source region (S) 107 by a tunnel operation.
US Pat. No. 4,649,520

ところが、この従来のメモリセルでは、データの書き込みをチャネル・ホットエレクトロン(CHE)注入によって行う場合、たとえば1セル当り数10μAと比較的大きな電流をチャネルに流す必要がある。そのため、メモリセルアレイの周辺回路に設けられている内部電源に非常に高い電流供給能力が要求される。また、通常の内部電源の供給能力では、並列に書き込みを行うバイト数は数10バイトと限られる。その場合に書き込み時のデータ転送速度を、画像処理をリアルタイム処理するときに必要とされる転送レート、たとえば10Mバイト/秒以上とするには内部電源の電流供給能力が不足であった。また、内部電源の電流供給能力を高めると、それだけ回路面積が増え、コスト増加要因となるなどの不利益が生じる。   However, in this conventional memory cell, when data is written by channel hot electron (CHE) injection, a relatively large current of, for example, several 10 μA per cell needs to flow through the channel. Therefore, a very high current supply capability is required for the internal power supply provided in the peripheral circuit of the memory cell array. Further, with the normal internal power supply capability, the number of bytes written in parallel is limited to several tens of bytes. In this case, the current supply capability of the internal power supply is insufficient to set the data transfer speed at the time of writing to a transfer rate required for real-time image processing, for example, 10 Mbytes / second or more. Further, when the current supply capability of the internal power supply is increased, there are disadvantages such as an increase in circuit area and a cost increase factor.

本発明が解決しようとする課題は、電荷注入効率を高めることによって書き込み時にチャネルに流す電流を低減でき、その結果、並列に書き込み可能なメモリセル数を増やすことが可能な構造のフローティングゲート型の不揮発性半導体メモリ装置を提供することである。   The problem to be solved by the present invention is that the current flowing through the channel at the time of writing can be reduced by increasing the charge injection efficiency, and as a result, the number of memory cells that can be written in parallel can be increased. A non-volatile semiconductor memory device is provided.

本発明にかかる不揮発性半導体メモリ装置は、半導体基板に形成されている第1導電型のチャネル形成領域上に順次形成されているゲート絶縁膜およびフローティングゲートと、当該フローティングゲートの両側に位置する前記チャネル形成領域の表面部分に形成されている第2導電型のソース領域およびドレイン領域と、前記半導体基板に形成され、前記フローティングゲートに絶縁膜を介して容量結合している不純物領域からなるコントロールゲートと、を有する不揮発性半導体メモリ装置であって、前記ソース領域と前記フローティングゲートとの間の前記チャネル形成領域の表面部分に対しゲート絶縁膜を介して結合し、当該チャネル形成領域の表面部分に形成されるチャネルを制御するセレクトゲートをさらに有する。   A nonvolatile semiconductor memory device according to the present invention includes a gate insulating film and a floating gate that are sequentially formed on a channel formation region of a first conductivity type formed on a semiconductor substrate, and the above-described floating gates located on both sides of the floating gate. A control gate comprising a source region and a drain region of a second conductivity type formed in the surface portion of the channel formation region, and an impurity region formed in the semiconductor substrate and capacitively coupled to the floating gate via an insulating film A non-volatile semiconductor memory device having a channel insulating region coupled to a surface portion of the channel forming region between the source region and the floating gate via a gate insulating film. It further has a select gate for controlling the formed channel.

この不揮発性半導体メモリ装置は、ソース領域とドレイン領域の間のチャネル形成領域のソース側部分にゲート絶縁膜を介して結合するセレクトゲートが設けられていることから、フローティングゲートのソース側端部でチャネルの電界を制御することができる。つまり、ソース領域とドレイン領域との間に電圧を印加し、このとき、セレクトゲートにも適切な電圧を印加すると、ソース領域からチャネル内を走行するチャネル電荷にかかるチャネル方向電界が、セレクトゲートの電界支配領域からフローティングゲートの電界支配領域に入るフローティングゲートの端部付近で適切に高くなる。そのため、セレクトゲートがない場合に比べて、同じチャネル電流を流すときのエネルギー的に励起される電荷の量が増加する。   In this nonvolatile semiconductor memory device, a select gate coupled via a gate insulating film is provided at the source side portion of the channel formation region between the source region and the drain region. The electric field of the channel can be controlled. That is, when a voltage is applied between the source region and the drain region, and an appropriate voltage is also applied to the select gate at this time, the channel direction electric field applied to the channel charge traveling in the channel from the source region is changed to the select gate. The height is appropriately increased in the vicinity of the end portion of the floating gate that enters the electric field control region of the floating gate from the electric field control region. As a result, the amount of charge excited in terms of energy when the same channel current flows is increased as compared with the case where there is no select gate.

本発明にかかる不揮発性半導体メモリ装置の製造方法は、第1導電型のチャネル形成領域と、第2導電型の不純物領域からなるコントロールゲートとを半導体基板に形成するステップと、コントロールゲートに絶縁膜を介して一部が容量結合し、当該コントロールゲートに容量結合していないゲート部分が、前記第1導電型のチャネル形成領域に対しゲート絶縁膜を介して配置されるパターンにてフローティングゲートとなる導電層を形成するステップと、フローティングゲートとなる導電層の前記ゲート部分の両側のチャネル形成領域に第2導電型の不純物領域からなるソース領域およびドレイン領域を形成するステップと、ドレイン領域とエッジ部が重なり、ソース領域と重ならないパターンにて前記導電層とその下のゲート絶縁膜を加工してフローティングゲートを形成するステップと、フローティングゲートとソース領域との間のチャネル形成領域の部分上にゲート絶縁膜を介して配置されるパターンにてセレクトゲートを形成するステップとを含む。   A method of manufacturing a nonvolatile semiconductor memory device according to the present invention includes a step of forming a first conductive type channel forming region and a control gate formed of a second conductive type impurity region on a semiconductor substrate, and an insulating film on the control gate. A gate part that is partly capacitively coupled via the gate and that is not capacitively coupled to the control gate becomes a floating gate in a pattern arranged via a gate insulating film with respect to the channel formation region of the first conductivity type. Forming a conductive layer; forming a source region and a drain region comprising impurity regions of a second conductivity type in channel forming regions on both sides of the gate portion of the conductive layer to be a floating gate; and a drain region and an edge portion And the conductive layer and the underlying gate insulating film are added in a pattern that does not overlap the source region. To and forming and forming a floating gate, a select gate in the pattern which is disposed through a gate insulating film over portions of the channel forming region between the floating gate and the source region.

本発明にかかる不揮発性半導体メモリ装置の他の製造方法は、第1導電型のチャネル形成領域と、第2導電型の不純物領域からなるコントロールゲートとを半導体基板に形成するステップと、チャネル形成領域上にゲート絶縁膜を介してセレクトゲートを形成するステップと、セレクトゲートを自己整合マスクとして当該セレクトゲートの片側のチャネル形成領域に第2導電型の不純物領域を形成するステップと、セレクトゲートを挟んで第2導電型の不純物領域と反対側のチャネル形成領域上にゲート絶縁膜を介してゲート部が配置され、かつ、ゲート部以外の一部が前記コントロールゲート上に絶縁膜を介して容量結合するパターンにてフローティングゲートを形成するステップと、前記フローティングゲートのゲート部と前記セレクトゲートを自己整合マスクとしてチャネル形成領域に第2導電型のソース領域とドレイン領域を形成するステップとを含む。   Another method of manufacturing a nonvolatile semiconductor memory device according to the present invention includes a step of forming a first conductivity type channel formation region and a control gate made of a second conductivity type impurity region on a semiconductor substrate, and a channel formation region. Forming a select gate over the gate insulating film, forming a second conductivity type impurity region in a channel forming region on one side of the select gate using the select gate as a self-aligning mask, and sandwiching the select gate The gate portion is disposed on the channel forming region opposite to the impurity region of the second conductivity type via the gate insulating film, and a part other than the gate portion is capacitively coupled to the control gate via the insulating film. Forming a floating gate in a pattern to perform, a gate portion of the floating gate and the select The over preparative and forming a source region and a drain region of the second conductivity type in the channel forming region as a self-aligned mask.

本発明にかかる不揮発性半導体メモリ装置によれば、チャネルを走行する電荷をエネルギー的に励起してフローティングゲートに注入する場合に、セレクトゲートの作用により、同じチャネル電流量なら、より多くの電荷がエネルギー的に励起されることから、その分、目標のしきい値電圧変化を得るためのチャネルに流す電流量を減らすことができるという利点がある。その結果として、複数のメモリセルに一括して電荷を注入する場合に、一括して電荷を注入することができるメモリセル数を増やすことが可能となる。電荷を注入してデータを書き込む場合は、書き込みバイト数が増え、その意味で当該不揮発性半導体メモリ装置の性能を向上させることができる。   According to the non-volatile semiconductor memory device of the present invention, when the charge traveling in the channel is energetically excited and injected into the floating gate, a larger amount of charge is generated with the same channel current due to the action of the select gate. Since it is excited energetically, there is an advantage that the amount of current flowing through the channel for obtaining the target threshold voltage change can be reduced accordingly. As a result, when charges are injected into a plurality of memory cells at a time, the number of memory cells that can be injected with a batch can be increased. When data is written by injecting electric charge, the number of write bytes increases, and in this sense, the performance of the nonvolatile semiconductor memory device can be improved.

本発明にかかる不揮発性半導体メモリ装置の製造方法によれば、フローティングゲートとコントロールゲート間の絶縁膜と、セレクトゲート直下のゲート絶縁膜とを異なる膜から形成できることから、それぞれに適した材質および膜厚の選択の自由度が高く、高性能化が容易であるという利点がある。
とくに、上述した2つの製造方法のうち、フローティングゲートより先にセレクトゲートを形成する後者の方法によれば、セレクトゲートおよびフローティングゲートに対してソース領域とドレイン領域が自己整合的に形成できるという利点がある。
According to the method for manufacturing a nonvolatile semiconductor memory device according to the present invention, the insulating film between the floating gate and the control gate and the gate insulating film immediately below the select gate can be formed from different films. There are advantages in that the degree of freedom of thickness selection is high and high performance is easy.
Particularly, of the two manufacturing methods described above, the latter method in which the select gate is formed prior to the floating gate has the advantage that the source region and the drain region can be formed in a self-aligned manner with respect to the select gate and the floating gate. There is.

図2に、不揮発性半導体メモリ装置の概略構成を示す。
図2に図解した不揮発性半導体メモリ装置は、メモリセルアレイ(MCA)1と、メモリセルアレイ1の動作を制御するメモリ周辺回路とからなる。
メモリ周辺回路は、カラムバッファ2a、ロウバッファ2b、プリロウデコーダ(PR.DEC)3、メインロウデコーダ(MR.DEC)4、カラムデコーダ(C.DEC)5、入出力回路(I/O)6、および、カラムゲートアレイ(C.SEL)7を有する。メモリ周辺回路は、とくに図解していないが、必要に応じて電源電圧を若干昇圧して、当該昇圧後の電圧を、メインロウデコーダ4を介してメモリセルアレイに供給する電源回路を含む。
入出力回路6は、プログラムおよび読み出しデータのバッファ(BUF)のほか、書き込みまたは消去時などにビット線BLに所定電圧を印加するビット線駆動回路(BLD)、書き込みまたは消去時などにソース線SLに所定電圧を印加するソース線駆動回路(SLD)、センスアンプ(SA)を含む。
なお、図2は一般的なメモリ構成を示すものであるため、周辺回路の他の構成の、ここでの機能および動作の説明は省略する。
FIG. 2 shows a schematic configuration of the nonvolatile semiconductor memory device.
The nonvolatile semiconductor memory device illustrated in FIG. 2 includes a memory cell array (MCA) 1 and a memory peripheral circuit that controls the operation of the memory cell array 1.
The memory peripheral circuit includes a column buffer 2a, a row buffer 2b, a pre-row decoder (PR.DEC) 3, a main row decoder (MR.DEC) 4, a column decoder (C.DEC) 5, and an input / output circuit (I / O). 6 and a column gate array (C.SEL) 7. Although not specifically illustrated, the memory peripheral circuit includes a power supply circuit that slightly boosts the power supply voltage as necessary and supplies the boosted voltage to the memory cell array via the main row decoder 4.
The input / output circuit 6 includes a program and read data buffer (BUF), a bit line driving circuit (BLD) for applying a predetermined voltage to the bit line BL at the time of writing or erasing, and a source line SL at the time of writing or erasing. Includes a source line driver circuit (SLD) for applying a predetermined voltage to the sense amplifier and a sense amplifier (SA).
Since FIG. 2 shows a general memory configuration, descriptions of functions and operations of other configurations of the peripheral circuit are omitted here.

[メモリセル構成]
メモリセルアレイ1は、メモリセルをマトリクス状に配列して構成されている。各メモリセルは、2層のポリシリコン層からなるゲート電極構造を有し、チャネルの導電型がN型(以下、Nチャネル型という)のメモリトランジスタを各セルに有する。以下、メモリセルの構造を、Nチャネル型を例として説明する。なお、本発明はPチャネル型のメモリセルにも適用可能であり、その場合、不純物の導電型を逆にし、ソースとドレインの電圧関係を逆にする必要がある。
[Memory cell configuration]
The memory cell array 1 is configured by arranging memory cells in a matrix. Each memory cell has a gate electrode structure composed of two polysilicon layers, and each cell has a memory transistor whose channel conductivity type is N type (hereinafter referred to as N channel type). Hereinafter, the structure of the memory cell will be described by taking the N channel type as an example. Note that the present invention can also be applied to a P-channel type memory cell. In that case, it is necessary to reverse the impurity conductivity type and reverse the voltage relationship between the source and the drain.

図1(A)にメモリセルの概略平面図を示し、図1(B)に図1(A)のA−A線の拡大断面図を示す。図1(C)は、当該メモリセルの等価回路図である。
図1(B)に示すメモリセル10は、P型の半導体基板11に形成されている。この半導体基板11は、半導体基板に形成されているPウェル、あるいは、基板に絶縁層を介して支持されているP型のSOI層などで置き換え可能である。
半導体基板11の表面部に、たとえばLOCOS酸化膜またはトレンチ絶縁層などの絶縁体12が形成されている。メモリセル10内で、絶縁体12は2箇所で半導体表面部を表出させるパターンにて形成されている。その一方の第1の半導体表出部に、半導体基板11と逆導電型のウェル13が形成されている。半導体基板11をP型とした場合に、このウェル13はN型の不純物領域であり、コントロールゲートCGを構成する。以下、ウェル13をコントロールゲートと称する。コントロールゲート13は、図1(A)の例では、一方向に長い埋め込み拡散層配線として形成されて、図示を省略している他の複数のメモリセルで共用されている。
なお、コントロールゲート(CG)13をP型の不純物領域から形成することもでき、その場合、半導体基板11にN型ウェルを形成し、その表面部にコントロールゲート(CG)となるP型ウェルを形成して2重ウェル構造にする必要がある。
1A is a schematic plan view of the memory cell, and FIG. 1B is an enlarged cross-sectional view taken along line AA of FIG. FIG. 1C is an equivalent circuit diagram of the memory cell.
A memory cell 10 shown in FIG. 1B is formed on a P-type semiconductor substrate 11. The semiconductor substrate 11 can be replaced with a P-well formed on the semiconductor substrate, or a P-type SOI layer supported on the substrate via an insulating layer.
An insulator 12 such as a LOCOS oxide film or a trench insulating layer is formed on the surface portion of the semiconductor substrate 11. In the memory cell 10, the insulator 12 is formed in a pattern that exposes the semiconductor surface portion at two locations. A well 13 having a conductivity type opposite to that of the semiconductor substrate 11 is formed on one first semiconductor exposed portion. When the semiconductor substrate 11 is P-type, the well 13 is an N-type impurity region and constitutes a control gate CG. Hereinafter, the well 13 is referred to as a control gate. In the example of FIG. 1A, the control gate 13 is formed as a buried diffusion layer wiring that is long in one direction, and is shared by a plurality of other memory cells not shown.
The control gate (CG) 13 can also be formed from a P-type impurity region. In this case, an N-type well is formed in the semiconductor substrate 11 and a P-type well serving as a control gate (CG) is formed on the surface portion. It is necessary to form a double well structure.

コントロールゲート(CG)13の上に、絶縁膜14を介してフローティングゲート(FG)15が形成されている。フローティングゲート(FG)15は、絶縁膜14を介してコントロールゲート(CG)13と容量結合している部分が、図1(A)に示すように比較的大きな面積で形成され、その部分から一方にゲート部15Aが延びているパターンを有する。図1(A)に示す平面パターンでは、このゲート部15Aが、後述するビットコンタクトBCを迂回するように配置され、もう一方の第2の半導体表出部(メモリトランジスタの能動領域となる半導体基板11の一部)に交差している。この第2の半導体表出部11Aは、メモリトランジスタが形成されて、動作時に、その一部にメモリトランジスタのチャネルが誘起されることから、本発明では「チャネル形成領域」と称する。ゲート部15Aとチャネル形成領域11Aとの間に、メモリトランジスタのメモリゲート絶縁膜16が介在する。   A floating gate (FG) 15 is formed on the control gate (CG) 13 via an insulating film 14. In the floating gate (FG) 15, a portion capacitively coupled to the control gate (CG) 13 through the insulating film 14 is formed with a relatively large area as shown in FIG. The gate portion 15A has a pattern extending. In the planar pattern shown in FIG. 1A, the gate portion 15A is arranged so as to bypass a bit contact BC, which will be described later, and the other second semiconductor exposed portion (a semiconductor substrate serving as an active region of the memory transistor) 11). The second semiconductor exposed portion 11A is referred to as a “channel forming region” in the present invention because a memory transistor is formed and a channel of the memory transistor is induced in a part of the second semiconductor exposing portion 11A during operation. A memory gate insulating film 16 of the memory transistor is interposed between the gate portion 15A and the channel formation region 11A.

チャネル形成領域11Aにおいて、図1(A)に示されるように、ゲート部15Aの幅方向両側にN型の不純物領域からなるソース領域(S)17とドレイン領域(D)18が形成されている。
ドレイン領域(D)18は、ゲート部15Aのエッジ部と平面パターン上で重なっているが、ソース領域(S)17はゲート部15Aのエッジ部から離れた位置に形成されている。このソース領域側のゲート部15Aのエッジ部に平面パターン上で重なる位置に、セレクトゲート(SG)20が形成されている。セレクトゲート(SG)20は、ソース領域(S)17とゲート部15Aとの間のチャネル形成領域11Aにセレクトゲート絶縁膜19を介して結合し、そのチャネル形成領域11Aの部分の電位を制御する。図1(A)に示す平面パターンの例では、セレクトゲート(SG)20は、コントロールゲート(CG)と平行なラインとして配線され、図示を省略した複数のメモリセルと共用されている。
In the channel formation region 11A, as shown in FIG. 1A, a source region (S) 17 and a drain region (D) 18 made of an N-type impurity region are formed on both sides in the width direction of the gate portion 15A. .
The drain region (D) 18 overlaps the edge portion of the gate portion 15A on the plane pattern, but the source region (S) 17 is formed at a position away from the edge portion of the gate portion 15A. A select gate (SG) 20 is formed at a position overlapping the edge portion of the gate portion 15A on the source region side on the plane pattern. The select gate (SG) 20 is coupled to the channel formation region 11A between the source region (S) 17 and the gate portion 15A via the select gate insulating film 19, and controls the potential of the portion of the channel formation region 11A. . In the example of the planar pattern shown in FIG. 1A, the select gate (SG) 20 is wired as a line parallel to the control gate (CG), and is shared with a plurality of memory cells not shown.

なお、製造方法の詳細は後述するが、ゲート部15Aを含むフローティングゲート(FG)15を第1層目のポリシリコンから形成したときは、このセレクトゲート(SG)20が第2層目のポリシリコンから形成され、逆に、セレクトゲート(SG)20を第1層目のポリシリコンから形成したときは、フローティングゲート(FG)15を第2層目のポリシリコンから形成する。
また、図1(B)に示す断面図では、セレクトゲート(SG)20直下のセレクトゲート絶縁膜19が、ゲート部15Aを含むフローティングゲート(FG)全体を覆っているが、このセレクトゲート絶縁膜19をセレクトゲート(SG)の直下のみ形成してもよい。
さらに、図示を省略しているが、ドレイン領域(D)の端部にチャネル形成領域11Aと同じP型の導電型を有し、そのP型の不純物濃度がチャネル形成領域11Aより高いポケット領域を形成してもよい。そのような高濃度のP型のポケット領域の存在により、動作時に、その部分で空乏層の延びが抑えられ、水平方向電界の集中性が高まり、セレクトゲート(SG)の制御とあいまって、さらに電荷の注入効率を向上させることが可能となる。
Although details of the manufacturing method will be described later, when the floating gate (FG) 15 including the gate portion 15A is formed from the first layer of polysilicon, the select gate (SG) 20 is connected to the second layer of polysilicon. On the contrary, when the select gate (SG) 20 is formed from the first layer polysilicon, the floating gate (FG) 15 is formed from the second layer polysilicon.
In the cross-sectional view shown in FIG. 1B, the select gate insulating film 19 immediately below the select gate (SG) 20 covers the entire floating gate (FG) including the gate portion 15A. 19 may be formed only directly under the select gate (SG).
Furthermore, although not shown, a pocket region having the same P-type conductivity as that of the channel formation region 11A at the end of the drain region (D) and having a P-type impurity concentration higher than that of the channel formation region 11A is provided. It may be formed. Due to the existence of such a high-concentration P-type pocket region, the extension of the depletion layer is suppressed at the time of operation, the concentration of the horizontal electric field is increased, combined with the control of the select gate (SG), Charge injection efficiency can be improved.

2層ポリシリコンゲート構造の表面を含む全域に層間絶縁膜21が堆積され、当該層間絶縁膜21に、ドレイン領域(D)の一部を開口するビットコンタクトホールが形成され、ビットコンタクトホールに導電材料が埋め込まれてビットコンタクト(BC)22が形成されている。ビットコンタクト(BC)上に接続されているビット線(BL)23が層間絶縁膜21上に形成されている。ビット線(BL)23は、通常、コントロールゲート(CG)やセレクトゲート(SG)と直交する方向に配線される。   An interlayer insulating film 21 is deposited over the entire area including the surface of the two-layer polysilicon gate structure, and a bit contact hole that opens a part of the drain region (D) is formed in the interlayer insulating film 21, and the bit contact hole is electrically conductive. The material is buried to form a bit contact (BC) 22. A bit line (BL) 23 connected on the bit contact (BC) is formed on the interlayer insulating film 21. The bit line (BL) 23 is usually wired in a direction orthogonal to the control gate (CG) and the select gate (SG).

メモリセル10は、図1(C)に示すように、ソース領域(S)からなるソース線SLとビット線BLとの間に直列接続されている、セレクトゲート(SG)をゲート電極とするセレクトトランジスタSTと、フローティングゲート(FG)を電荷蓄積層としてコントロールゲート(CG)により制御されるメモリトランジスタMTとを有する。なお、図1(C)に示すキャパシタCは、コントロールゲート(CG)とフローティングゲート(FG)との結合容量を示す。   As shown in FIG. 1C, the memory cell 10 has a select gate (SG) as a gate electrode, which is connected in series between a source line SL composed of a source region (S) and a bit line BL. The transistor ST and the memory transistor MT controlled by the control gate (CG) using the floating gate (FG) as a charge storage layer. Note that a capacitor C illustrated in FIG. 1C indicates a coupling capacitance between the control gate (CG) and the floating gate (FG).

このような構成のメモリセル10では、セレクトゲート(SG)を有するFG型のメモリセルを2層ポリシリコンから構成していることから、フローティングゲート(FG)、コントロールゲート(CG)およびセレクトゲート(SG)をそれぞれ異なるポリシリコンから形成する3層ポリシリコンゲートを有するメモリセルに比べ構造が簡素であり、作りやすいという利点がある。   In the memory cell 10 having such a configuration, since the FG type memory cell having the select gate (SG) is composed of two-layer polysilicon, the floating gate (FG), the control gate (CG), and the select gate ( Compared with a memory cell having a three-layer polysilicon gate in which SG) is formed from different polysilicon, there is an advantage that the structure is simple and easy to manufacture.

また、コントロールゲート(CG)を埋め込み拡散層形にしていることに関し、つぎの利点がある。
セレクトゲート(SG)を有するFG型のメモリセルを2層ポリシリコンゲート構造とする他の態様としては、フローティングゲート(FG)を第1層目のポリシリコンから形成し、フローティングゲート(FG)に対し異なる箇所で容量結合するように、コントロールゲート(CG)とセレクトゲート(SG)が形成される場合が考えられる。この場合、コントロールゲート(CG)とセレクトゲート(SG)は同一のポリシリコン(2層目のポリシリコン)をパターニングして一括形成される。
ところが、この場合、セレクトゲート絶縁膜(図1(B)では、符号19の膜)と、コントロールゲート(CG)とフローティングゲート(FG)間の絶縁膜(図1(B)では、符号14の膜)が同一の膜から構成されてしまう。したがって、それぞれの膜に最適な材料と膜厚の設定が困難であるという難点がある。また、成膜とその選択的なエッチングを2回繰り返すことにより、これら2つの絶縁膜をそれぞれ異なる膜で形成することも可能であるが、この場合は、プロセスが複雑化するという難点がある。
これに対し、本実施の形態では、コントロールゲート(CG)を埋め込み拡散層形とし、フローティングゲート(FG)とセレクトゲート(SG)の一方を第1層目のポリシリコンから形成し、他方を第2層目のポリシリコンから形成するために、プロセスを複雑化することなく絶縁膜の最適な材料と膜厚の設定の自由度が高いという利点がある。
Further, there are the following advantages regarding the control gate (CG) having a buried diffusion layer type.
As another mode in which the FG type memory cell having the select gate (SG) has a two-layer polysilicon gate structure, the floating gate (FG) is formed from the first layer polysilicon, and the floating gate (FG) is formed. On the other hand, there may be a case where the control gate (CG) and the select gate (SG) are formed so as to be capacitively coupled at different locations. In this case, the control gate (CG) and the select gate (SG) are collectively formed by patterning the same polysilicon (second layer polysilicon).
However, in this case, the select gate insulating film (film 19 in FIG. 1B) and the insulating film between the control gate (CG) and the floating gate (FG) (14 in FIG. 1B). Film) is composed of the same film. Therefore, it is difficult to set the optimum material and film thickness for each film. It is also possible to form these two insulating films with different films by repeating film formation and selective etching twice, but in this case, there is a problem that the process becomes complicated.
On the other hand, in the present embodiment, the control gate (CG) is a buried diffusion layer type, one of the floating gate (FG) and the select gate (SG) is formed from the first layer of polysilicon, and the other is the first layer. Since it is formed from the second-layer polysilicon, there is an advantage that the optimum material and thickness of the insulating film can be set freely without complicating the process.

以下、この利点が得られる製造方法の実施例を2例、図面を用いて説明する。図3(A)〜図3(D)に第1の製造方法による製造の途中のメモリトランジスタ部の断面図を示し、図4(A)〜図4(E)に第2の製造方法による製造の途中のメモリトランジスタ部の断面図を示す。   Hereinafter, two examples of the manufacturing method capable of obtaining this advantage will be described with reference to the drawings. 3A to 3D are cross-sectional views of the memory transistor portion in the middle of manufacturing by the first manufacturing method, and FIGS. 4A to 4E show manufacturing by the second manufacturing method. Sectional drawing of the memory transistor part in the middle is shown.

[第1の製造方法]
図3(A)より前の工程で、半導体基板11に素子分離のための絶縁体12を形成し、必要に応じて他のウェルを形成し、コントロールゲート(CG)となるウェル13を形成する。
[First manufacturing method]
In the process prior to FIG. 3A, an insulator 12 for element isolation is formed on the semiconductor substrate 11, another well is formed if necessary, and a well 13 serving as a control gate (CG) is formed. .

図3(A)に示すように、メモリゲート絶縁膜16として、たとえばSiO膜またはSiON膜をSiO膜換算で8〜11nmほどチャネル形成領域11Aの表面上に形成する。
メモリゲート絶縁膜16の上に、第1層目のポリシリコン膜を堆積し、この第1層目のポリシリコン膜をパターニングしてフローティングゲート(FG)のゲート部15Aを形成する。このときのゲート部15Aのパターンは最終的なものでなく、チャネル形成領域11Aのソース領域やドレイン領域となる部分のみ開口したパターンである。したがって、この段階では図1に示すコントロールゲート側はすべて第1層目のポリシリコンで覆われている。
As shown in FIG. 3A, as the memory gate insulating film 16, for example, a SiO 2 film or a SiON film is formed on the surface of the channel formation region 11A by about 8 to 11 nm in terms of SiO 2 film.
A first polysilicon film is deposited on the memory gate insulating film 16, and the first polysilicon film is patterned to form a gate portion 15A of a floating gate (FG). The pattern of the gate portion 15A at this time is not a final pattern, and is a pattern in which only portions that become the source region and the drain region of the channel formation region 11A are opened. Therefore, at this stage, the control gate side shown in FIG. 1 is all covered with the first layer of polysilicon.

このフローティングゲート(FG)のゲート部15Aを自己整合マスクとしたイオン注入を行う。これにより、図3(B)に示すように、N型の不純物領域、すなわちソース領域(S)17とドレイン領域(D)18がチャネル形成領域11Aに形成される。   Ion implantation is performed using the gate portion 15A of the floating gate (FG) as a self-aligned mask. Thereby, as shown in FIG. 3B, an N-type impurity region, that is, a source region (S) 17 and a drain region (D) 18 are formed in the channel formation region 11A.

その後、フローティングゲート(FG)のゲート部15Aが最終形状となるようにエッチングにより加工する。このとき図1に示すコントロールゲート(CG)側もパターンニングされ、最終的なフローティングゲート(FG)の形状となる。また、エッチングガス系を切り換えるなどして、連続して下地のメモリゲート絶縁膜16の表出部分を除去する。これにより、図3(C)に示すように、メモリトランジスタ部において、片側のエッジ部が平面パターン上でドレイン領域(D)18と重なり、他方側のエッジがソース領域(S)17から離れているゲート部15Aが形成される。   Thereafter, the gate portion 15A of the floating gate (FG) is processed by etching so as to have a final shape. At this time, the control gate (CG) side shown in FIG. 1 is also patterned to form a final floating gate (FG) shape. Further, the exposed portion of the underlying memory gate insulating film 16 is continuously removed by switching the etching gas system or the like. As a result, as shown in FIG. 3C, in the memory transistor portion, the edge portion on one side overlaps the drain region (D) 18 on the plane pattern, and the edge on the other side is separated from the source region (S) 17. A gate portion 15A is formed.

図3(D)に示すように、セレクトゲート絶縁膜19として、たとえば厚さが8〜25nmほどのSiO膜を、ゲート部15Aを覆うように形成する。つぎに、第2層目のポリシリコンを堆積し、第2層目のポリシリコンをパターンニングしてセレクトゲート(SG)20を形成する。これにより、図3(D)に示すように、メモリトランジスタ部において、ゲート部15Aとソース領域(S)17との間のチャネル形成領域11Aの部分に、セレクトゲート絶縁膜19を介して位置するセレクトゲート(SG)20が形成される。なお、このときのフォトマスクの合わせずれにより隙間ができないように、セレクトゲート(SG)20の一方のエッジ部をゲート部15Aのエッジ部に、他方のエッジ部をソース領域(S)17のエッジ部に重ねることが望ましいが、そのことは、このような合わせずれの懸念がない場合には必須ではない。 As shown in FIG. 3D, an SiO 2 film having a thickness of about 8 to 25 nm, for example, is formed as the select gate insulating film 19 so as to cover the gate portion 15A. Next, a second layer of polysilicon is deposited, and the second layer of polysilicon is patterned to form a select gate (SG) 20. As a result, as shown in FIG. 3D, in the memory transistor portion, the channel formation region 11A between the gate portion 15A and the source region (S) 17 is located via the select gate insulating film 19. A select gate (SG) 20 is formed. Note that one edge portion of the select gate (SG) 20 is an edge portion of the gate portion 15A and the other edge portion is an edge of the source region (S) 17 so that a gap is not formed due to misalignment of the photomask at this time. It is desirable to overlap the part, but this is not essential when there is no concern about such misalignment.

その後は、図1に示す層間絶縁膜21の堆積、ビットコンタクトホールの開口、プラグ材の埋め込み、ビット線(BL)23の形成を経て、当該メモリセルを完成させる。   Thereafter, the memory cell is completed through the deposition of the interlayer insulating film 21 shown in FIG. 1, the opening of the bit contact hole, the embedding of the plug material, and the formation of the bit line (BL) 23.

[第2の製造方法]
図4(A)に示す工程に先立って素子分離用の絶縁体やウェルを形成することは、第1の製造方法と同じである。
[Second manufacturing method]
Prior to the step shown in FIG. 4A, forming an insulator or well for element isolation is the same as in the first manufacturing method.

図4(A)に示す工程では、最初に、セレクトゲート絶縁膜19として、たとえば厚さが8〜25nmほどのSiO膜をチャネル形成領域11Aの表面に形成する。つぎに、第1層目のポリシリコンを堆積し、第1層目のポリシリコンをパターンニングしてセレクトゲート(SG)20を形成する。 In the step shown in FIG. 4A, first, as the select gate insulating film 19, a SiO 2 film having a thickness of, for example, about 8 to 25 nm is formed on the surface of the channel formation region 11A. Next, a first layer of polysilicon is deposited, and the first layer of polysilicon is patterned to form a select gate (SG) 20.

図4(B)に示すように、セレクトゲート(SG)20の幅方向途中にエッジが位置し、その片側(ソース領域形成側)を開口するレジストRを形成する。なお、このレジストRによって、図1に示すコントロールゲート(CG)側も覆われている。つぎに、このレジストRをマスクとしたイオン注入によりN型の不純物をチャネル形成領域11Aに導入する。このとき形成されるN型不純物領域17Aは、最終的にはソース領域(S)17の一部となるものである。また、その後のアニールを経たときにN型不純物の横方向拡散によって、セレクトゲート(SG)20のパターンの片側のエッジ部が平面パターン上で、ソース領域(S)17となるN型不純物領域17Aと重なる。   As shown in FIG. 4B, a resist R is formed in which an edge is located in the middle of the select gate (SG) 20 in the width direction, and one side thereof (source region forming side) is opened. The resist R also covers the control gate (CG) side shown in FIG. Next, an N-type impurity is introduced into the channel formation region 11A by ion implantation using the resist R as a mask. The N-type impurity region 17A formed at this time will eventually become a part of the source region (S) 17. Further, an N-type impurity region 17A in which the edge portion on one side of the pattern of the select gate (SG) 20 becomes the source region (S) 17 on the plane pattern due to the lateral diffusion of the N-type impurity after the subsequent annealing. And overlap.

図4(C)に示す工程では、レジストRを除去後、セレクトゲート(SG)20をマスクとしたエッチングにより、セレクトゲート(SG)20の周囲のセレクトゲート絶縁膜19を除去する。つぎに、メモリゲート絶縁膜16として、たとえばSiO膜またはSiON膜をSiO膜換算で8〜11nmほど形成し、セレクトゲート(SG)20の表面、および、その周囲のチャネル形成領域11Aの表面を覆う。 4C, after removing the resist R, the select gate insulating film 19 around the select gate (SG) 20 is removed by etching using the select gate (SG) 20 as a mask. Next, as the memory gate insulating film 16, for example, a SiO 2 film or a SiON film is formed to a thickness of about 8 to 11 nm in terms of SiO 2 film, and the surface of the select gate (SG) 20 and the surface of the surrounding channel formation region 11A Cover.

図4(D)に示す工程では、メモリゲート絶縁膜16の上に、第2層目のポリシリコン膜を堆積し、この第2層目のポリシリコン膜をパターニングしてフローティングゲート(FG)のゲート部15Aを形成する。なお、このときのフォトマスクの合わせずれにより隙間ができないように、ゲート部15Aの一方のエッジ部をセレクトゲート(SG)20のエッジ部に重ねることが望ましいが、そのことは、このような合わせずれの懸念がない場合には必須ではない。   In the step shown in FIG. 4D, a second-layer polysilicon film is deposited on the memory gate insulating film 16, and the second-layer polysilicon film is patterned to form the floating gate (FG). A gate portion 15A is formed. Note that it is desirable to overlap one edge portion of the gate portion 15A with the edge portion of the select gate (SG) 20 so that a gap is not formed due to misalignment of the photomask at this time. It is not essential if there is no concern about deviation.

図4(E)に示す工程では、図1に示すコントロールゲート(CG)側をレジスト等で保護した状態で、ゲート部15Aおよびセレクトゲート(SG)20を自己整合マスクとしたイオン注入を行う。これにより、図4(E)に示すように、N型の不純物領域、すなわちソース領域(S)17とドレイン領域(D)18がチャネル形成領域11Aに形成される。   In the step shown in FIG. 4E, ion implantation is performed using the gate portion 15A and the select gate (SG) 20 as a self-aligned mask in a state where the control gate (CG) side shown in FIG. Thereby, as shown in FIG. 4E, an N-type impurity region, that is, a source region (S) 17 and a drain region (D) 18 are formed in the channel formation region 11A.

コントロールゲート(CG)側を保護していたレジスト等を除去した後、図1に示す層間絶縁膜21の堆積、ビットコンタクトホールの開口、プラグ材の埋め込み、ビット線(BL)23の形成を経て、当該メモリセルを完成させる。   After removing the resist and the like that protected the control gate (CG) side, the interlayer insulating film 21 shown in FIG. 1 is deposited, the bit contact hole is opened, the plug material is buried, and the bit line (BL) 23 is formed. Then, the memory cell is completed.

[動作]
つぎに、メモリセルの動作について説明する。本実施の形態の動作では、セレクトゲート(SG)を用いたソースサイド注入を利用して電荷をフローティングゲート(FG)に注入する。ここで、本発明では電荷の種類としては電子でも正孔でもよいが、上述したNチャネル型のメモリセルの場合、チャネルを走行する電子をホットエレクトロン(HE)に励起して注入する(CHE注入)。また、電荷の注入によりデータの書き込みを行うか消去を行うかは定義上の問題であるが、ここではソースサイドCHE注入によりデータを書き込む場合を例として説明を行う。
[Operation]
Next, the operation of the memory cell will be described. In the operation of the present embodiment, charges are injected into the floating gate (FG) using source side injection using the select gate (SG). Here, in the present invention, the type of charge may be an electron or a hole. However, in the case of the above-described N-channel type memory cell, electrons traveling through the channel are excited and injected into hot electrons (HE) (CHE injection). ). Whether data is written or erased by charge injection is a matter of definition. Here, a case where data is written by source-side CHE injection will be described as an example.

図5に、ソースサイドCHE注入の動作説明図を示す。なお、図5においては説明の便宜上、フローティングゲート(FG)15上に絶縁膜14を介してコントロールゲート(CG)が積層されているように描かれているが、これは実際の構造を示すものではなく、本実施の形態における実際の構造では、コントロールゲート(CG)が埋め込み拡散層(ウェル)として別の場所に形成され、その場所でフローティングゲート(FG)と容量結合していることに注意を要する。   FIG. 5 is a diagram for explaining the operation of the source side CHE injection. In FIG. 5, for convenience of explanation, the control gate (CG) is depicted as being laminated on the floating gate (FG) 15 via the insulating film 14, but this shows the actual structure. Instead, in the actual structure in the present embodiment, it is noted that the control gate (CG) is formed in another place as a buried diffusion layer (well) and is capacitively coupled to the floating gate (FG) at that place. Cost.

データの書き込み時に、たとえば、ソース領域(S)17に0V、ドレイン領域(D)18に4V、セレクトゲート(SG)20に1.6V、コントロールゲート(CG)13に14Vの電圧を印加する。これらの電圧は、図2に示すメモリセルアレイ(MCA)の周辺回路内に設けられている電源回路(不図示)から供給される。
このバイアス条件下、ソース領域(S)17とドレイン領域(D)18との間のチャネル形成領域11Aに反転層(チャネルCH)が形成される。このチャネルCHの水平方向の電界強度は、セレクトゲート(SG)に印加される電圧の作用により、セレクトゲート(SG)20とフローティングゲート(FG)との境界付近P0で大きくなる。なお、セレクトゲート(SG)がない場合は、ドレイン端部付近P1で水平方向の電界強度が最大となる。このように、セレクトゲート(SG)によるチャネル電界の制御により、水平方向の電界強度が大きくなる箇所がフローティングゲート(FG)15のソース側端から始まっており、その結果、チャネルを走行する電子が境界P0付近で高いエネルギーを取得しホットエレクトロンとなる確率が増大する。したがって、図示のように、フローティングゲート(FG)のソース側端からドレイン側端にかけて広い範囲で電子がフローティングゲート(FG)に注入され、電子注入効率が向上する。
At the time of data writing, for example, a voltage of 0 V is applied to the source region (S) 17, 4 V is applied to the drain region (D) 18, 1.6 V is applied to the select gate (SG) 20, and 14 V is applied to the control gate (CG) 13. These voltages are supplied from a power supply circuit (not shown) provided in the peripheral circuit of the memory cell array (MCA) shown in FIG.
Under this bias condition, an inversion layer (channel CH) is formed in the channel formation region 11A between the source region (S) 17 and the drain region (D) 18. The horizontal electric field strength of the channel CH is increased near the boundary P0 between the select gate (SG) 20 and the floating gate (FG) by the action of the voltage applied to the select gate (SG). In the case where there is no select gate (SG), the electric field strength in the horizontal direction is maximized near the drain end portion P1. As described above, a portion where the horizontal electric field strength increases due to the control of the channel electric field by the select gate (SG) starts from the source side end of the floating gate (FG) 15. The probability of acquiring high energy near the boundary P0 and becoming hot electrons increases. Therefore, as shown in the figure, electrons are injected into the floating gate (FG) in a wide range from the source side end to the drain side end of the floating gate (FG), and the electron injection efficiency is improved.

このことは、所定のデータ書き込み時間の早い段階で、所望のしきい値電圧変化が得られ、その分、データの書き込み時間を短くできる利点を伴う。また、同じデータ書き込み時間なら印過電圧を下げても、所望のしきい値電圧が得られることから、より少ない電流量で書き込みが可能となるという利点がある。さらには、電荷注入効率の向上によって消費電力が低減されるという利点もある。   This is advantageous in that a desired threshold voltage change can be obtained at an early stage of a predetermined data writing time, and the data writing time can be shortened accordingly. In addition, since the desired threshold voltage can be obtained even if the printing voltage is lowered for the same data writing time, there is an advantage that writing can be performed with a smaller amount of current. Furthermore, there is an advantage that power consumption is reduced by improving the charge injection efficiency.

とくに書き込み電流が少ない点についてさらに詳しく述べる。
データ書き込みは、メモリセルアレイ(MCA)内の所定のメモリセル群で一括して実行される。たとえばコントロールゲート(CG)が共通接続されているメモリセル群(1ワード線セクタ)で一括してデータの書き込みが実行される。そのような場合でも、本実施の形態では電子の注入効率が高いことから、たとえば、100nA/セルと少ないチャンネル電流での高速な書き込みが可能となる。よって並列に書き込むデータのバイト数を、従来の数10バイトに比べ1〜2桁増やすことができ、書き込み時のデータ転送速度がたとえば10Mバイト/秒以上と高いシステムにおいても、当該メモリをリアルタイムにデータの入出力が可能なメモリとして用いることが可能となる。
In particular, the point of low write current will be described in more detail.
Data writing is performed collectively in a predetermined memory cell group in the memory cell array (MCA). For example, data writing is executed collectively in a group of memory cells (one word line sector) to which control gates (CG) are commonly connected. Even in such a case, since the electron injection efficiency is high in the present embodiment, for example, high-speed writing with a small channel current of 100 nA / cell is possible. Therefore, the number of bytes of data to be written in parallel can be increased by one to two digits compared to the conventional several tens of bytes, and even in a system where the data transfer speed at the time of writing is as high as 10 Mbytes / second or more, the memory is in real time. It can be used as a memory capable of inputting and outputting data.

このようなデータ書き込み後のメモリトランジスタのしきい値電圧は、フローティングゲート(FG)15に捕獲された電子の電荷量が、読み出し時にコントロールゲート(CG)13に印加される正電圧による電界を弱める働きがあり、その結果、書き込み後のしきい値電圧は書き込み前のしきい値電圧(消去時のしきい値電圧)より大きくなる。   The threshold voltage of the memory transistor after such data writing is such that the electric charge amount of electrons trapped in the floating gate (FG) 15 weakens the electric field due to the positive voltage applied to the control gate (CG) 13 at the time of reading. As a result, the threshold voltage after writing becomes larger than the threshold voltage before writing (threshold voltage during erasure).

データの消去は、フローティングゲート(FG)15に蓄積されている電子をFNトンネリングによりソース領域(S)17、ドレイン領域(D)18の少なくとも一方に引き抜く、あるいは、チャネル全面に引き抜くことより行う。あるいは、蓄積されている電荷(電子)と逆極性の電荷(この場合、正孔)をフローティングゲート(FG)15に注入することによってもデータの消去が可能である。消去の具体的な動作のここでの説明は省略する。   Data is erased by extracting electrons accumulated in the floating gate (FG) 15 to at least one of the source region (S) 17 and the drain region (D) 18 by FN tunneling, or extracting the electrons to the entire channel surface. Alternatively, data can be erased by injecting charges (in this case, holes) having a polarity opposite to the accumulated charges (electrons) into the floating gate (FG) 15. A description of the specific erase operation is omitted here.

消去後のしきい値電圧は、フローティングゲート(FG)の負に帯電された電荷がないことから、読み出し時のチャネルに及ぼす電界を弱めるような作用が生じない。このため、消去後のメモリトランジスタのしきい値電圧は、書き込み直後のしきい値電圧より小さくなる。
なお、データの読み出し動作についても説明は省略するが、この動作はビットごとに行ってもよいし、ページ読み出しとしてもよい。いずれにしてもデータ書き込みの有無(データ「1」または「0」)に応じて、読み出し時のビット線(BL)電位が変化し、この電位変化をセンスアンプ(SA)により増幅して読み出すことにより、記憶データの識別が可能となる。
Since the threshold voltage after erasing has no negatively charged charge of the floating gate (FG), there is no effect of weakening the electric field exerted on the channel during reading. For this reason, the threshold voltage of the memory transistor after erasing is smaller than the threshold voltage immediately after writing.
The description of the data read operation is also omitted, but this operation may be performed for each bit or may be page read. In any case, the bit line (BL) potential at the time of reading changes depending on whether data is written (data “1” or “0”), and this potential change is amplified and read by the sense amplifier (SA). Thus, the stored data can be identified.

この消去後のしきい値電圧に関し、セレクトゲート(SG)を有することの利点を述べる。
図1(C)に示す等価回路からも分かるように、セレクトゲート(SG)20が存在することから、それをゲートとするセレクトトランジスタSTの導通が制御できる。とくにデータの読出し時に、読み出し対象のメモリセル(選択されたメモリセル)と同じビット線BLに接続されている非選択のメモリセルのセル電流をセレクトトランジスタSTにより遮断できる。そのため、メモリセルの消去側のしきい値電圧を負電圧とすることができる。
通常は消去側のしきい値電圧は狭い範囲の小さい正電圧に制御する必要があるため、消去パルス印加と消去しきい値電圧の検証読出しのサイクルを何度も実行して狭い範囲にしきい値電圧を制御する必要があった。
本実施の形態では、消去しきい値電圧を負電圧にすることができることから、そのような消去ベリファイ動作のサイクル数が減るので、消去時間の短縮が可能となる。
Regarding the threshold voltage after erasing, the advantage of having the select gate (SG) will be described.
As can be seen from the equivalent circuit shown in FIG. 1C, since the select gate (SG) 20 exists, the conduction of the select transistor ST having the select gate ST as a gate can be controlled. In particular, when reading data, the cell current of the non-selected memory cell connected to the same bit line BL as the memory cell to be read (selected memory cell) can be cut off by the select transistor ST. Therefore, the threshold voltage on the erase side of the memory cell can be a negative voltage.
Normally, it is necessary to control the threshold voltage on the erase side to a small positive voltage in a narrow range, so the erase pulse application and erase threshold voltage verification read cycle are repeated many times to narrow the threshold voltage to a narrow range. It was necessary to control the voltage.
In this embodiment, since the erase threshold voltage can be set to a negative voltage, the number of cycles of such erase verify operation is reduced, so that the erase time can be shortened.

上述した以外でも、種々の変形が可能である。
たとえば、メモリトランジスタは、1回のデータ書き込みサイクル中に、それぞれが2値データである複数のビットを書き込むマルチビットデータ記憶が可能である。また、図1(A)に示す平面パターンは、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で変更可能である。
Various modifications other than those described above are possible.
For example, the memory transistor can perform multi-bit data storage in which a plurality of bits, each of which is binary data, are written during one data write cycle. Further, the plane pattern shown in FIG. 1A can be changed without departing from the gist of the present invention.

本発明は、フラッシュEEPROMなどの不揮発性半導体メモリの用途に広く適用できる。   The present invention can be widely applied to non-volatile semiconductor memories such as flash EEPROMs.

(A)は本発明の実施の形態にかかる不揮発性半導体メモリ装置のメモリセルの概略平面図である。(B)は、(A)のA−A線の断面図である。(C)は、当該メモリセルの等価回路図である。FIG. 2A is a schematic plan view of a memory cell of a nonvolatile semiconductor memory device according to an embodiment of the present invention. (B) is sectional drawing of the AA of (A). (C) is an equivalent circuit diagram of the memory cell. 本発明の実施の形態にかかる不揮発性半導体メモリ装置の概略構成図である。1 is a schematic configuration diagram of a nonvolatile semiconductor memory device according to an embodiment of the present invention. (A)〜(D)は、本発明の実施の形態にかかる第1の製造方法による製造の途中のメモリトランジスタ部の断面図である。(A)-(D) are sectional drawings of the memory transistor part in the middle of manufacture by the 1st manufacturing method concerning embodiment of this invention. (A)〜(E)は、本発明の実施の形態にかかる第2の製造方法による製造の途中のメモリトランジスタ部の断面図である。(A)-(E) are sectional drawings of the memory transistor part in the middle of manufacture by the 2nd manufacturing method concerning embodiment of this invention. 実施の形態で用いたソースサイドCHE注入の動作説明図である。It is operation | movement explanatory drawing of the source side CHE injection | pouring used by embodiment. (A)は、従来の2層ポリシリコンゲート構造のFG型メモリセルの平面図である。(B)は、(A)のA−A線の断面図である。(A) is a plan view of a conventional FG type memory cell having a two-layer polysilicon gate structure. (B) is sectional drawing of the AA of (A).

符号の説明Explanation of symbols

1…メモリセルアレイ、10…メモリセル、11…半導体基板、11A…チャネル形成領域、13…コントロールゲート(CG)、14…絶縁膜、15…フローティングゲート(FG)、15A…ゲート部、16…メモリゲート絶縁膜、17…ソース領域(S)、18…ドレイン領域(D)、19…セレクトゲート絶縁膜、20…セレクトゲート(SG)、MT…メモリトランジスタ、ST…セレクトトランジスタ、BL…ビット線   DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Memory cell array, 10 ... Memory cell, 11 ... Semiconductor substrate, 11A ... Channel formation area, 13 ... Control gate (CG), 14 ... Insulating film, 15 ... Floating gate (FG), 15A ... Gate part, 16 ... Memory Gate insulating film, 17 ... Source region (S), 18 ... Drain region (D), 19 ... Select gate insulating film, 20 ... Select gate (SG), MT ... Memory transistor, ST ... Select transistor, BL ... Bit line

Claims (6)

半導体基板に形成されている第1導電型のチャネル形成領域上に順次形成されているゲート絶縁膜およびフローティングゲートと、当該フローティングゲートの両側に位置する前記チャネル形成領域の表面部分に形成されている第2導電型のソース領域およびドレイン領域と、前記半導体基板に形成され、前記フローティングゲートに絶縁膜を介して容量結合している不純物領域からなるコントロールゲートと、を有する不揮発性半導体メモリ装置であって、
前記ソース領域と前記フローティングゲートとの間の前記チャネル形成領域の表面部分に対しゲート絶縁膜を介して結合し、当該チャネル形成領域の表面部分に形成されるチャネルを制御するセレクトゲートをさらに有する
不揮発性半導体メモリ装置。
A gate insulating film and a floating gate sequentially formed on a channel formation region of the first conductivity type formed on a semiconductor substrate, and formed on a surface portion of the channel formation region located on both sides of the floating gate. A non-volatile semiconductor memory device comprising: a source region and a drain region of a second conductivity type; and a control gate formed of an impurity region formed on the semiconductor substrate and capacitively coupled to the floating gate via an insulating film. And
A select gate is further coupled to a surface portion of the channel formation region between the source region and the floating gate via a gate insulating film, and controls a channel formed in the surface portion of the channel formation region. Semiconductor memory device.
前記フローティングゲートと前記コントロールゲートとの間の絶縁膜と、前記セレクトゲート直下のゲート絶縁膜とが異なる絶縁膜から構成されている
請求項1に記載の不揮発性半導体メモリ装置。
The nonvolatile semiconductor memory device according to claim 1, wherein the insulating film between the floating gate and the control gate and the gate insulating film immediately below the select gate are made of different insulating films.
第1導電型のチャネル形成領域と、第2導電型の不純物領域からなるコントロールゲートとを半導体基板に形成するステップと、
コントロールゲートに絶縁膜を介して一部が容量結合し、当該コントロールゲートに容量結合していないゲート部分が、前記第1導電型のチャネル形成領域に対しゲート絶縁膜を介して配置されるパターンにてフローティングゲートとなる導電層を形成するステップと、
フローティングゲートとなる導電層の前記ゲート部分の両側のチャネル形成領域に第2導電型の不純物領域からなるソース領域およびドレイン領域を形成するステップと、
ドレイン領域とエッジ部が重なり、ソース領域と重ならないパターンにて前記導電層とその下のゲート絶縁膜を加工してフローティングゲートを形成するステップと、
フローティングゲートとソース領域との間のチャネル形成領域の部分上にゲート絶縁膜を介して配置されるパターンにてセレクトゲートを形成するステップと
を含む不揮発性半導体メモリ装置の製造方法。
Forming a channel formation region of the first conductivity type and a control gate made of an impurity region of the second conductivity type on the semiconductor substrate;
A pattern in which a part of the control gate is capacitively coupled to the control gate via an insulating film and a gate portion that is not capacitively coupled to the control gate is disposed via the gate insulating film with respect to the channel formation region of the first conductivity type. Forming a conductive layer to be a floating gate,
Forming a source region and a drain region comprising impurity regions of the second conductivity type in channel forming regions on both sides of the gate portion of the conductive layer to be a floating gate;
Forming a floating gate by processing the conductive layer and the underlying gate insulating film in a pattern in which the drain region and the edge portion overlap and do not overlap the source region;
Forming a select gate in a pattern arranged on a portion of a channel formation region between the floating gate and the source region via a gate insulating film.
前記フローティングゲートを第1層目のポリシリコンから形成し、前記セレクトゲートを第2層目のポリシリコンから形成する
請求項3に記載の不揮発性半導体メモリ装置の製造方法。
4. The method of manufacturing a nonvolatile semiconductor memory device according to claim 3, wherein the floating gate is formed of a first layer of polysilicon, and the select gate is formed of a second layer of polysilicon. 5.
第1導電型のチャネル形成領域と、第2導電型の不純物領域からなるコントロールゲートとを半導体基板に形成するステップと、
チャネル形成領域上にゲート絶縁膜を介してセレクトゲートを形成するステップと、
セレクトゲートを自己整合マスクとして当該セレクトゲートの片側のチャネル形成領域に第2導電型の不純物領域を形成するステップと、
セレクトゲートを挟んで第2導電型の不純物領域と反対側のチャネル形成領域上にゲート絶縁膜を介してゲート部が配置され、かつ、ゲート部以外の一部が前記コントロールゲート上に絶縁膜を介して容量結合するパターンにてフローティングゲートを形成するステップと、
前記フローティングゲートのゲート部と前記セレクトゲートを自己整合マスクとしてチャネル形成領域に第2導電型のソース領域とドレイン領域を形成するステップと
を含む不揮発性半導体メモリ装置の製造方法。
Forming a channel formation region of the first conductivity type and a control gate made of an impurity region of the second conductivity type on the semiconductor substrate;
Forming a select gate on the channel formation region via a gate insulating film;
Forming a second conductivity type impurity region in a channel formation region on one side of the select gate using the select gate as a self-alignment mask;
A gate portion is disposed on the channel forming region opposite to the second conductivity type impurity region with the select gate interposed therebetween via a gate insulating film, and a portion other than the gate portion has an insulating film on the control gate. Forming a floating gate with a capacitively coupled pattern through;
Forming a second conductivity type source region and drain region in a channel formation region using the gate portion of the floating gate and the select gate as a self-alignment mask.
前記セレクトゲートを第1層目のポリシリコンから形成し、前記フローティングゲートを第2層目のポリシリコンから形成する
請求項5に記載の不揮発性半導体メモリ装置の製造方法。
6. The method of manufacturing a nonvolatile semiconductor memory device according to claim 5, wherein the select gate is formed from a first layer of polysilicon, and the floating gate is formed from a second layer of polysilicon.
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