JP2006229146A - 不揮発性半導体装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】 アシストゲートを備えた不揮発性半導体装置のしきい値の変動を抑制することができる不揮発性半導体装置を提供する。
【解決手段】 主表面を有する半導体基板21と、半導体基板21の主表面上に形成され、一方向に向けて延在し半導体基板21内に電子を供給可能な第1アシストゲート12b、12dと、半導体基板21の主表面上に形成され、第1アシストゲート12b、12dに沿って延在し、半導体基板21に所定電圧を印加可能な第2アシストゲート12a、12c、12eと、第1アシストゲート12b、12dと、第2アシストゲート12a、12c、12eとの間に配置され、電子を蓄積可能なフローティングゲート13a、13b、13c、13dと、第1アシストゲート12b、12dと半導体基板21とを接続し、半導体基板21と第1アシストゲート12b、12d間に電位障壁を形成する第1アシストゲート用導電層とを備える。
【選択図】 図1
【解決手段】 主表面を有する半導体基板21と、半導体基板21の主表面上に形成され、一方向に向けて延在し半導体基板21内に電子を供給可能な第1アシストゲート12b、12dと、半導体基板21の主表面上に形成され、第1アシストゲート12b、12dに沿って延在し、半導体基板21に所定電圧を印加可能な第2アシストゲート12a、12c、12eと、第1アシストゲート12b、12dと、第2アシストゲート12a、12c、12eとの間に配置され、電子を蓄積可能なフローティングゲート13a、13b、13c、13dと、第1アシストゲート12b、12dと半導体基板21とを接続し、半導体基板21と第1アシストゲート12b、12d間に電位障壁を形成する第1アシストゲート用導電層とを備える。
【選択図】 図1
Description
本発明は、不揮発性半導体装置に関し、より特定的には、行列状に配列された複数のメモリセルを含み、複数のメモリセルの各々がメモリセルトランジスタを有する不揮発性半導体装置に関する。
従来、不揮発性半導体装置の小型化を図るための様々な試みがなされている。不揮発性半導体装置の小型化を図ることのできる技術として、単位メモリセルの物理サイズが4F2であるAG(アシストゲート)−AND型フラッシュメモリが提案されている。このAG−AND型フラッシュメモリでは、メモリセルトランジスタのビット線(ソース領域およびドレイン領域)が拡散層で形成されるのではなく、AGに電圧を印加した際にシリコン基板に生じる反転層で形成される。これにより、メモリセル領域にビット線を形成するための不純物領域を形成する必要がなくなるので、不揮発性半導体装置の小型化を図ることができる。このような技術は、たとえば非特許文献1に記載されている。
このAG−AND型フラッシュメモリは、一方向に向けて複数形成されアシストゲートと、各アシストゲート間に形成され、アシストゲートに沿って形成された複数のフローティングゲートとを備えている。
なお、特開平5−206172号公報には、ゲート電極と、半導体との境界付近で、結晶欠損が生じることを抑制するために、半導体基板が、導電型の異なる二層構造とされており、この二層の境界又は、境界付近にショットキー電極を有する不揮発性半導体装置が記載されている。
また、特開平8−17946号公報には、動作電圧の低電圧化と、記憶情報の書き換え回数の増加を図るため、半導体基板上に形成されたショットキー電界効果トランジスタのゲート電極を第1ゲート電極とし、この第1ゲート電極上に形成した絶縁膜を介して第2ゲート電極を形成した不揮発性半導体装置が記載されている。
特開平5−206172号公報
特開平8−17946号公報
Y.Sasago、et.al.、"90-nm-node multi-level AG-AND type flash memory with cell size of true 2 F2/bit and programming throughput of 10 MB/s"、IEDM Tech.Dig.pp.823-826,(2003).
しかし、上記非特許文献1に記載されたAG−AND型フラッシュメモリによれば、反転層により形成されたローカルビット線の抵抗は、2MΩ/string以上10MΩ/string以下となる。このため、リーク電流が発生すると、ソース側の電位が変化し、基板バイアス効果により、読み出しの際のしきい値がずれるという問題がある。また、読み出し動作の際に、各フローティングゲート間に流れるオープンフィールド電流により、ソース側の電位の変動が大きくなり、読み出しの際のしきい値電圧が変動するという問題もあった。
上記特開平5−206172号公報および特開平8−17946号公報に記載された不揮発性半導体装置は、アシストゲートを備えた不揮発性半導体装置ではなく、アシストゲート備えた不揮発性半導体装置のしきい値電圧の変動を抑制する構成を示すものではない。
本発明は、アシストゲートを備えた不揮発性半導体装置のしきい値の変動を抑制することを目的とする。
本発明に係る不揮発性半導体装置は、主表面を有する半導体基板と、半導体基板の主表面上に形成され、一方向に向けて延在し半導体基板内に電子を供給可能なアシストゲートと、半導体基板の主表面上に形成され、アシストゲートに沿って延在し、半導体基板に所定電圧を印加可能なアシストゲートと、アシストゲートと、アシストゲートとの間に配置され、電子を蓄積可能なフローティングゲートと、アシストゲートと半導体基板とを接続し、半導体基板とアシストゲート間に電位障壁を形成するアシストゲート用導電層とを備える。
本発明に係る不揮発性半導体装置によれば、読み出しにおけるしきい値電圧の変動を抑制することができる。
図1から図20を用いて、本発明に係る実施の形態について説明する。
(実施の形態1)
図1は、本実施の形態1に係る不揮発性半導体装置100の上面図である。この図1に示されるように、不揮発性半導体装置100は、主表面を有する半導体基板21と、半導体基板21の主表面上に形成され、一方向に向けて延在し半導体基板21内に電子を供給可能なアシストゲート(第1アシストゲート)12b、12dと、半導体基板21の主表面上に形成され、アシストゲート12b、12dに沿って延在し、半導体基板21に所定電圧を印加可能なアシストゲート(第2アシストゲート)12a、12c、12eとを備えている。また、不揮発性半導体装置100は、アシストゲート12b、12dと、アシストゲート12a、12c、12eとの間に形成され、電位を蓄積可能な複数のフローティングゲート13a、13b、13c、13dとを備えている。このフローティングゲート13a、13b、13c、13dは、アシストゲート12b、12dおよびアシストゲート12a、12c、12eが延在する方向に沿って複数形成されている。
図1は、本実施の形態1に係る不揮発性半導体装置100の上面図である。この図1に示されるように、不揮発性半導体装置100は、主表面を有する半導体基板21と、半導体基板21の主表面上に形成され、一方向に向けて延在し半導体基板21内に電子を供給可能なアシストゲート(第1アシストゲート)12b、12dと、半導体基板21の主表面上に形成され、アシストゲート12b、12dに沿って延在し、半導体基板21に所定電圧を印加可能なアシストゲート(第2アシストゲート)12a、12c、12eとを備えている。また、不揮発性半導体装置100は、アシストゲート12b、12dと、アシストゲート12a、12c、12eとの間に形成され、電位を蓄積可能な複数のフローティングゲート13a、13b、13c、13dとを備えている。このフローティングゲート13a、13b、13c、13dは、アシストゲート12b、12dおよびアシストゲート12a、12c、12eが延在する方向に沿って複数形成されている。
すなわち、フローティングゲート13aは、アシストゲート12aと、アシストゲート12bとの間に形成され、アシストゲート12bに沿って複数形成されている。また、フローティングゲート13bは、アシストゲート12bと、アシストゲート12cとの間に形成され、アシストゲート12bに沿って複数形成されている。さらに、フローティングゲート13cは、アシストゲート12cと、アシストゲート12dとの間に形成され、アシストゲート12dに沿って複数形成されている。また、フローティングゲート13dは、アシストゲート12dとアシストゲート12eとの間に形成され、アシストゲート12dに沿って複数形成されている。
アシストゲート12b、12dおよびアシストゲート12a、12c、12eは、例えば低抵抗な多結晶シリコン膜から構成されている。そして、このフローティングゲート13a、13b、13c、13dの上面側には、コントロールゲート14a、14b、14c、14dが形成されている。このコントロールゲート14a、14b、14c、14dは、アシストゲート12b、12dおよびアシストゲート12a、12c、12eが延在する方向と交差する方向に向けて延在している。また、各コントロールゲート14a、14b、14c、14dは、アシストゲート12b、12dおよびアシストゲート12a、12c、12eが延在する方向に向けて間隔を隔てて配置されている。
アシストゲート12b、12dの一方の端部には、選択トランジスタ11a、11bが接続されており、また、この選択トランジスタ11a、11bには、グローバルビット線10a、10bとが接続されている。また、アシストゲート12a、12c、12eの一方の端部には、選択トランジスタ16a、16b、16cが接続されており、この選択トランジスタ16a、16b、16cには、共通ドレイン15a、15b、15cが接続されている。
図2は、図1のII−II線における断面図である。この図2に示されるように、半導体基板21の主表面上には、アシストゲート12bと、アシストゲート12dとが間隔を隔てて形成されている。また、隣接するアシストゲート12bと、アシストゲート12dとの間には、アシストゲート12cが形成されている。
半導体基板21の主表面上には、アシストゲート12b、12dと半導体基板21の主表面とを接続し、半導体基板21とアシストゲート12b、12dとの間に電位障壁を形成する導電層(第1アシストゲート用導電層)26bが形成されている。
また、半導体基板21の主表面上には、アシストゲート12a、12c、12eと半導体基板21の主表面とを接続し、半導体基板21と、アシストゲート12a、12c、12eとの間に電位障壁を形成する導電層(第2アシストゲート用導電層)26aが形成されている。この導電層26aは、導電層26bより、高い電位障壁をアシストゲート12a、12c、12eと半導体基板21との間に形成する。これら、導電層26aと導電層26bとは、例えば、シリサイドから構成されており、このシリサイドに用いられる金属としては、Pt、Co、Ni、Ir、Au、Mg、Sb、Ca、Cu、Pd、Al、Be、Ta、W、Ti、Rh、Zr、Mo、Cr、Er、Hf、Nb、V、Re、Os、Y、Pd、Ru、Yb、Tm、Er、Hi、Tb等が挙げられる。このため、導電層26a、26bの抵抗は、3KΩ/string以上6KΩ/stringとされている。
フローティングゲート13a、13b、13c、13dは、隣接するアシストゲート12b、12cおよびアシストゲート12a、12c、12eより高く形成されている。また、フローティングゲート13a、13b、13c、13dと、半導体基板21との間には、絶縁膜(ゲート絶縁膜)27が形成されている。
そして、半導体基板21の主表面上に形成され、アシストゲート12b、12dと、アシストゲート12a、12c、12eと、フローティングゲート13a、13b、13c、13dとの間に形成された例えば酸化シリコンからなる絶縁膜22が形成されている。アシストゲート12b、12dとアシストゲート12a、12c、12eとの上面上には、例えば窒化シリコン(Si3N4等)からなるキャップ絶縁膜25が形成されている。
そして、絶縁膜22、キャップ絶縁膜25およびフローティングゲート13a、13b、13c、13dの上面上には、絶縁膜24が形成されている。この絶縁膜24は、例えば酸化シリコン、窒化シリコンおよび酸化シリコンを下層から順に積層した、いわゆるONO膜で形成されている。この絶縁膜24の上面上には、図1に示されるコントロールゲート14a、14b、14c、14dが形成されている。このコントロールゲート14a、14b、14c、14dは、例えば低抵抗な多結晶シリコンからなる導体膜と、その上面に形成されたタングステンシリサイド(WSix)等のような高融点金属シリサイド膜との積層膜により形成されている。
なお、図2に示されるように、アシストゲート12b、12dの下面側の半導体基板21の主表面側に不純物領域50を形成してもよい。
このように構成された不揮発性半導体装置100の書込み動作について、図3を用いて説明する。図3は、書込み動作の際における不揮発性半導体装置100の上面図である。この図3において、選択トランジスタ16bと、選択トランジスタ11a、11bとがONとされる。また、共通ドレイン15bには、1V〜1.5V程度の電圧が印加され、グローバルビット線10aには、0V程度の電圧が印加される。さらに、グローバルビット線10bには、4.5V程度の電圧が印加される。このため、アシストゲート12bには、0V程度の電圧が印加され、また、アシストゲート12cには、1V〜1.5V程度の電圧が印加される。そして、アシストゲート12dには、4.5V程度の電圧が印加される。また、半導体基板21には、0V程度の電圧が印加されている。
コントロールゲート14cには、10V〜15V程度の電圧が印加され、他のコントロールゲート14a、14b、14dには−1V〜0V程度の電圧が印加される。ここで、コントロールゲート14cと、このコントロールゲート14cの下側に形成されたフローティングゲート13a、13b、13c、13dとのカップリング比が、0.6程度とされているので、コントロールゲート14cの下面側に配置されたフローティングゲート13cには、6V〜9V程度の電圧が印加される。
図4は、図3のIV−IV線における断面図である。この図4において、アシストゲート12bの下面に形成された導電層26bには、0V程度の電圧が印加され、アシストゲート12dの下面に形成された導電層26bには、4.5V程度の電圧が印加される。また、アシストゲート12cの下面に形成された導電層26aには、1V〜1.5V程度の電圧が印加される。
ここで、図5は、図4のアシストゲート12b、12cとフローティングゲート13bとにおける要部拡大図である。この図5に示されるように、導電層26bの幅は、導電層26bの上面上に形成されたアシストゲート12bより幅広に形成されている。このため、導電層26bは、アシストゲート12bより、アシストゲート12bに隣接するフローティングゲート13bに近接している。
ここで、図4において、アシストゲート12bの下面に形成された導電層26bには、0V程度の電圧が印加されている一方で、半導体基板21には、0V程度とされている。このため、導電層26bと、半導体基板21との間には、電位障壁が形成され、導電層26b内の電子が半導体基板21内に供給され難くなっている。ここで、アシストゲート12bの下面に形成された導電層26bと、選択されたコントロールゲート14cとの交差領域32においては、導電層2bに0V程度の電圧が印加されている一方で、この交差領域32に隣接するフローティングゲート13bには、6V〜9V程度の電圧が印加されている。
このため、交差領域32においては、導電層26b内の電子が、隣接するフローティングゲート13bの電位により、半導体基板21と、導電層26bとの間に形成される電位障壁をトンネルする。特に、図5において、交差領域32に形成された導電層26bのうち、フローティングゲート13bに近接する部分においては、電子がフローティングゲート13bの電位に引っ張られ、良好に電位障壁をトンネルする。このため、交差領域32においては、導電層26b側から半導体基板21内に電子が供給される。
なお、図3および図4において、導電層26bのうち、交差領域32以外の部分においては、導電層26bに隣接するフローティングゲート13bには、−0.6V〜0V程度の電圧が印加されている。このため、導電層26bのうち、交差領域32以外の部分においては、導電層26b内の電子が電位障壁をトンネルし難く、導電層26b内の電子が半導体基板21内に供給され難くなっている。
このように、コントロールゲート14bの下面に形成された導電層26bのうち、選択されたコントロールゲート14cとの交差領域32の部分では、半導体基板21に電子を供給する。そして、導電層26bのうち、交差領域32以外の部分では、半導体基板21内に電子が供給され難くなっている。
アシストゲート12cの下面に形成された導電層26aには、1V〜1.5V程度の電圧が印加されている一方で、半導体基板21の電位は0V程度とされている。この際、半導体基板21から導電層26a内に電子が流れないように、導電層26aを構成するシリサイドを選択する。このように、導電層26aには、1V〜1.5V程度の電圧が印加されているので、導電層26bから半導体基板21内に供給された電子は、導電層26aに向けて加速される。
そして、アシストゲート12dの下面に形成された導電層26bには、4.5V程度の電圧が印加されている一方で、半導体基板21には、0V程度の電圧が印加されている。このため、半導体基板21内の電子が、アシストゲート12dの下面に形成された導電層26bを介して、アシストゲート12d内に供給される。このように、アシストゲート12bの下面に形成された導電層26bのうち、交差領域32の部分から半導体基板21内に電子が供給され、この半導体基板21内に供給された電子が、アシストゲート12dの下面に形成された導電層26bを介して、アシストゲート12d内に入り込む。そして、電子が、アシストゲート12bからアシストゲート12dに流れる際に、電子の一部が、フローティングゲート13cの下面に形成された絶縁膜27を介してフローティングゲート13c内に蓄電される。このようにして、所定のフローティング内に電子を蓄電することにより、電気情報を書き込むことができる。
図6を用いて、本実施の形態1に係る不揮発性半導体装置100の読み出し動作について、説明する。図6は、読み出し動作における不揮発性半導体装置100の上面図である。この図6に示されるように、選択トランジスタ11bと、選択トランジスタ16bとがONとなる。そして、共有ドレイン15bに2V程度の電圧が印加され、グローバルビット線10bに0V程度の電圧が印加される。このため、アシストゲート12dには、0V程度の電圧が印加され、アシストゲート12cには、2V程度の電圧が印加される。そして、選択されたコントロールゲート14cには、10V程度の電圧が印加される。このため、コントロールゲート14cと、フローティングゲート13a、13b、13c、13dとのカップリング比が0.6程度とされている。このため、コントロールゲート14cの下面側に配置されたフローティングゲート13a、13b、13c、13dには、6V程度の電圧が印加される。また、非選択のコントロールゲート14a、14b、14dには、例えば、0V程度の電圧が印加される。このため、非選択のコントロールゲート14a、14b、14dの下面に形成されたフローティングゲート13a、13b、13c、13dには、0V程度の電圧が印加される。
図7は、図6のVII−VII線における断面図である。この図7に示されるように、アシストゲート12dの下面に形成された導電層26bには、0V程度の電圧が印加され、アシストゲート12cの下面に形成された導電層26aには、2V程度の電圧が印加される。このように、読み出し動作の際に導電層26aに印加される電圧は、書込み動作の際に導電層26aに印加される電圧よりも高く設定されている。
ここで、導電層26aおよび導電層26bの抵抗は、3KΩ/string以上6KΩ/string以下とされており、従来の反転層よりも抵抗が小さくされている。このため、基板バイアス効果も小さく、しきい値電圧の変動が抑制される。
ここで、図6および図7おいて、コントロールゲート14cと、アシストゲート12dの下面に形成された導電層26bとの交差領域33において、隣接するフローティングゲート13cには、6V程度の電圧が印加されている。このため、図7において、導電層26bのうち、交差領域33の部分では、隣接するフローティングゲート13cに6V程度の電圧が印加されている。このため、導電層26bのうち、交差領域33の部分では、電子がフローティングゲート13cに引っ張られ、導電層26bと半導体基板21との間で形成された電位障壁をトンネルする。
その一方で、アシストゲート12dの下面に形成された導電層26bのうち、交差領域33以外の部分においては、隣接するフローティングゲート13c、13dに0V程度の電圧が印加されている。このため、導電層26bのうち、交差領域33以外の部分においては、導電層26b内の電子を隣接するフローティングゲート13c、13dに向けて引っ張られる力が小さく、半導体基板21に電子が供給され難くなっている。
すなわち、アシストゲート12dの下面に形成された導電層26bのうち、交差領域33の部分では、半導体基板21内に電子が供給され、導電層26bのうち、交差領域33以外の部分では、半導体基板21内への電子の供給が抑制されている。
ここで、読み出し動作の際に導電層26aに印加される電圧は、2V程度とされており、書込み動作の際に導電層26aに印加される電圧よりも、高く設定されている。そして、導電層26aに2V程度の電圧が印加されると、半導体基板21内の電子が導電層26aを介して、アシストゲート12c内に供給される。すなわち、導電層26aと、半導体基板21とにより構成されるショットキー・ダイオードは、導電層26aに印加される電圧が、1V程度では、半導体基板21側から導電層26a側に向けて電子が流れないように設定されている。また、導電層26aに印加される電圧が2V程度の場合には、半導体基板21から導電層26aに向けて電子が移動可能なように、導電層26aが設定されている。すなわち、導電層26bと半導体基板21との間に形成される電位障壁は、導電層26aと半導体基板21との間に形成される電位障壁よりも高く設定されている。
そして、電子は、導電層26bのうち、交差領域33から半導体基板21内に供給され、この半導体基板21内に供給された電子は、アシストゲート12c内に入り込む。この際、フローティングゲート13cに電荷が蓄積されているか、否かにより、しきい値電圧が変動する。そこで、アシストゲート12cからアシストゲート12dに向けて流れる電流量または電圧をセンシングすることにより、フローティングゲート13c内に蓄積された電気情報を読み出すことができる。なお、フローティングゲート13a、13b、13c、13d内に蓄積された電気情報を消去するには、半導体基板21に正の電圧を印加して、コントロールゲート14a、14b、14c、14dに−16V程度の電圧を印加する。
なお、図1に示されるように、アシストゲート12b、12dの下側に位置する半導体基板21の主表面上に不純物領域50を形成した場合には、読み出し動作の際に、アシストゲート12bの下面に形成された導電層26bから良好に電子が半導体基板21に供給される。このため、読み出しの際に、選択されたフローティングゲート13cの下面側を電流が良好に流れることになり、読み出しを良好に行なうことができる。また、アシストゲート12dの下面側の半導体基板21の主表面上に不純物領域50を形成した場合には、アシストゲート12bから半導体基板21内に供給された電子が、良好にアシストゲート12d内に入り込むことになり、良好に読み出し電流を確保することができる。
このように構成された不揮発性半導体装置100によれば、導電層26aおよび導電層26bの抵抗は、3KΩ/string以上6KΩ/string以下とされているため、リーク電流が発生した場合においても、読み出しの際に、ソース側の電位の変動が抑制される。このため、この不揮発性半導体装置100においては、読み出し動作の際に、リーク電流が発生した場合においても、基板バイアス効果を抑制することができ、しきい値電圧の変動を抑制することができる。
また、この不揮発性半導体装置100によれば、半導体基板21のうち、選択されたフローティングゲート13cの下面以外の領域を流れるオープンフィールド電流が抑制されているので、基板バイアス効果を抑制することができ、読み出しの際のしきい値電圧の変動を抑制することができる。さらに、上記のように読み出しの際にオープンフィールド電流を抑制することができるため、フローティングゲート13a、13b、13c、13dの位置に係わらず、読み出し動作の際におけるしきい値電圧を所定のものとすることができる。このように、本実施の形態1に係る不揮発性半導体装置100によれば、読み出し動作を正確に行なうことができ、さらに、各動作において、オープンフィールド電流が抑制されているため、消費電力を小さく抑えることができる。
(実施の形態2)
図8を用いて、本発明に係る実施の形態2について説明する。図8は、本実施の形態2に係る不揮発性半導体装置200の上面図である。この図8に示されるように、不揮発性半導体装置200は、半導体基板21の主表面上に形成され、一方向に向けて延在する複数のアシストゲート12b、12dと、このアシストゲート12bに沿って延在する複数のアシストゲート12a、12c、12eとを備えている。そして、このアシストゲート12b、12dと、アシストゲート12a、12c、12eとの間には、複数のフローティングゲート13a、13b、13c、13dが形成されている。図9は、図8のIX−IX線における断面図である。この図9に示されるように、アシストゲート12a、12c、12eの下面と、半導体基板21の主表面上との間には、例えば、酸化シリコン等なる絶縁膜(第2アシストゲート用絶縁膜)28が形成されている。そして、このアシストゲート12a、12c、12eに電圧が印加されると、アシストゲート12a、12c、12eの下面であって、半導体基板21の主表面側には、反転層がそれぞれ形成される。
図8を用いて、本発明に係る実施の形態2について説明する。図8は、本実施の形態2に係る不揮発性半導体装置200の上面図である。この図8に示されるように、不揮発性半導体装置200は、半導体基板21の主表面上に形成され、一方向に向けて延在する複数のアシストゲート12b、12dと、このアシストゲート12bに沿って延在する複数のアシストゲート12a、12c、12eとを備えている。そして、このアシストゲート12b、12dと、アシストゲート12a、12c、12eとの間には、複数のフローティングゲート13a、13b、13c、13dが形成されている。図9は、図8のIX−IX線における断面図である。この図9に示されるように、アシストゲート12a、12c、12eの下面と、半導体基板21の主表面上との間には、例えば、酸化シリコン等なる絶縁膜(第2アシストゲート用絶縁膜)28が形成されている。そして、このアシストゲート12a、12c、12eに電圧が印加されると、アシストゲート12a、12c、12eの下面であって、半導体基板21の主表面側には、反転層がそれぞれ形成される。
図8において、この半導体基板21内に形成される反転層に電圧を印加するために、アシストゲート12a、12c、12eの一方の端部には、選択トランジスタ16a、16b、16cが設けられている。選択トランジスタ16aと、アシストゲート12aの下面側に形成される反転層との間には、n型不純物領域17aが形成されている。また、選択トランジスタ16aは、共通ドレイン15aに接続されている。また、選択トランジスタ16bおよび選択トランジスタ16cも、選択トランジスタ16aと同様に接続されており、アシストゲート12c、12eと、選択トランジスタ16b、16cとの間には、n型不純物領域17b、17cが形成されている。そして、選択トランジスタ16bおよび選択トランジスタ16cは、共通ドレイン15b、15cに接続されている。なお、上記構成以外の構成は、上記実施の形態1に示された不揮発性半導体装置と同様に構成されており、同一の構成には、同一の符号を付してその説明を省略する。
上記のように構成された不揮発性半導体装置200の書込み動作について説明する。図10は、本実施の形態2に係る不揮発性半導体装置200の書込み動作における上面図である。この図10に示されるように、グローバルビット線10aに0V程度の電圧を印加すると共に、グローバルビット線10bに4.5V程度の電圧を印加する。また、アシストゲート12cには、1V〜1.5V程度の電圧が印加される。そして、選択されたコントロールゲート14cに15V程度の電圧を印加する。ここで、コントロールゲート14cと、フローティングゲート13a、13b、13c、13dとのカップリング比が、0.6とされている。このため、選択されたコントロールゲート14cの下面側に形成されたフローティングゲート13a、13b、13c、13dには9V程度の電圧が印加される。また、非選択のコントロールゲート14a、14b、14dには、例えば、−1V〜0V程度の電圧が印加される。このため、非選択のコントロールゲート14a、14b、14dの下面に形成されたフローティングゲート13a、13b、13c、13dには、−0.6V〜0V程度の電圧が印加される。
図11は、図10のXI−XI線における断面図である。この図11に示されるように、アシストゲート12bに0V程度の電圧が印加されると、アシストゲート12bの下面に形成された導電層26bにも0Vの電圧が印加される。また、アシストゲート12dに4.5V程度の電圧が印加されると、このアシストゲート12dの下面に形成された導電層26bにも、4.5V程度の電圧が印加される。また、半導体基板21には、0V程度の電圧が印加されている。ここで、アシストゲート12cには、1V〜1.5V程度の電圧が印加されているので、アシストゲート12cの下面側に位置する半導体基板21の主表面には、反転層40が形成される。このアシストゲート12cの下面側に位置する半導体基板21の主表面上に形成された反転層40に接続された選択トランジスタ16bは、OFFとされている。このため、アシストゲート12cの下面に形成された反転層40には、電圧が印加されていない。
図10において、選択されたコントロールゲート14cと、アシストゲート12bの下面に形成された導電層26bとの交差領域32においては、隣接するフローティングゲート13bには、9V程度の電圧が印加されている。
このため、図11に示された導電層26bのうち、交差領域32に形成された導電層26bにおいては、導電層26b内の電子がフローティングゲート13b側に引っ張られる。このため、交差領域32における導電層26b内の電子が、導電層26bと半導体基板21との間に形成された電位障壁をトンネルして、半導体基板21内に供給される。そして、導電層26bから半導体基板21内に供給された電子は、アシストゲート12dの下面に形成された導電層26b内に入り込む。
このように、アシストゲート12bと、アシストゲート12dとにより挟まれる半導体基板21の主表面側のうち、選択されたコントロールゲート14cの下面側において、電流が流れる。そして、この書込み電流の電子の一部が、選択されたコントロールゲート14cの下面に形成されたフローティングゲート13c内に入り込む。このようにして、電気情報が記憶される。ここで、アシストゲート12cの下面と、半導体基板21との間には、絶縁膜28が形成されているので、書込み電流がアシストゲート12cの下面側を通過する際、書込み電流の電子が、アシストゲート12c内に入り込み難くなっている。
図12を用いて、本実施の形態2に係る不揮発性半導体装置200の読み出し動作について説明する。図12は、読み出し動作の際における不揮発性半導体装置200の上面図である。この図12に示されるように、グローバルビット線10bに0V程度の電圧を印加すると共に、共通ドレイン15bに1V程度の電圧を印加する。そして、アシストゲート12cには、4V程度の電圧を印加する。そして、選択トランジスタ11bと、選択トランジスタ16bとがONとされる。また、選択されたコントロールゲート14cには、10V程度の電圧が印加される。ここで、コントロールゲート14a、14b、14c、14dと、フローティングゲート13a、13b、13c、13dとのカップリング比が、0.6程度とされているので、コントロールゲート14cの下面に配置されたフローティングゲート13a、13b、13c、13dには、6V程度の電圧が印加される。
さらに、非選択のコントロールゲート14a、14b,14c,14dには、0V程度の電圧が印加される。このため、コントロールゲート14a、14b,14c,14dの下面側に配置されたフローティングゲート13a、13b、13c、13dには、0V程度の電圧が印加される。
図13は、図12のXIII−XIII線における断面図である。この図13に示されるように、選択トランジスタ11bがONとなることにより、アシストゲート12dの下面側に形成された導電層26bに0V程度の電圧が印加される。また、アシストゲート12cに4V程度の電圧が印加されると、アシストゲート12cの下面側に反転層40が形成される。そして、選択トランジスタ16bがONとなることにより、アシストゲート12cの下面側に形成された反転層40に1V程度の電圧が印加される。
ここで、アシストゲート12dの下面に形成された導電層26bと、選択されたコントロールゲート14cとの交差領域33では、アシストゲート12dに隣接するフローティングゲート13cには、6V程度の電圧が印加されている。このため、交差領域33に形成された導電層26bにおいては、フローティングゲート13cの電位により、導電層26b内の電子がフローティングゲート13c側に引っ張られる。このため、アシストゲート12dの下面に形成された導電層26bと、半導体基板21との間に形成された電位障壁をトンネルして、導電層26b内の電子が半導体基板21内に供給される。
このように、読み出しの際には、アシストゲート12dの下面に形成された導電層26bのうち、交差領域33に形成された部分から半導体基板21内に電子が供給される。その一方で、アシストゲート12dの下面に形成された導電層26bのうち、交差領域33以外の部分からは、半導体基板21内に電子が供給され難いようになっている。すなわち、本実施の形態2においても、読み出しの際、いわゆるオープンフィールド電流の発生が抑制されている。
そして、アシストゲート12dの下面に形成された導電層26bから半導体基板21内に供給された電子は、選択されたフローティングゲート13cの下面側を通過して、アシストゲート12cの下面に形成された反転層40内に入り込む。ここで、選択されたフローティングゲート13cに電荷が蓄電されているか、否かにより、しきい値電圧が変化する。そこで、アシストゲート12cからアシストゲート12dに向けて流れる電流量または電圧をセンシングすることにより、フローティングゲート13c内に電荷が蓄積されているかを判断し、電気情報を読み出すことができる。
なお、本実施の形態2に係る不揮発性半導体装置200によれば、読み出しの際に、アシストゲート12dの下面に形成された導電層26bが、ソースとして機能するため、基板バイアス効果が抑制されている。このため、フローティングゲート13cのしきい値電圧の変動が抑制されている。
なお、本実施の形態2に係る不揮発性半導体装置200の消去動作は、上記実施の形態1に係る不揮発性半導体装置100の消去動作と同じ動作である。
本実施の形態2に係る不揮発性半導体装置200においては、アシストゲート12cの下面側には、絶縁膜28が形成されているため、読み出しの際に、書込み電流がアシストゲート12c内に入り込み難く、書込み効率の低下を抑制することができる。また、不揮発性半導体装置200によれば、書込み動作の際に、アシストゲート12dの下面側に形成された導電層26bが、ソースとして機能するため、基板バイアス効果が抑制され、読み出しの際のフローティングゲート13a、13b、13c、13dのしきい値電圧の変動を抑制することができる。
また、本実施の形態2に係る不揮発性半導体装置200においても、上記実施の形態1に係る不揮発性半導体装置100と、同様に、読み出しの際に、オープンフィールド電流が抑制されているため、基板バイアス効果を抑制することができる。このため、読み出しの際のしきい値電圧の変動および、フローティングゲートの位置によるしきい値電圧の変動を抑制することができる。
(実施の形態3)
図14を用いて、本発明に係る実施の形態4について説明する。図14は、本実施の形態4に係る不揮発性半導体装置300の上面図である。この図14に示されるように、半導体基板21の主表面上には、一方向に向けて延在する複数のアシストゲート12b、12dと、このアシストゲート12b、12dに沿って延在する複数のアシストゲート12a、12c、12eとが形成されている。このアシストゲート12b、12dと、アシストゲート12a、12c、12eとの間には、フローティングゲート13a、13b、13c、13dが形成されている。このフローティングゲート13a、13b、13c、13dの上面側には、コントロールゲート14a、14b、14c、14dが形成されており、アシストゲート12b、12dと交差する方向に向けて延在している。
図14を用いて、本発明に係る実施の形態4について説明する。図14は、本実施の形態4に係る不揮発性半導体装置300の上面図である。この図14に示されるように、半導体基板21の主表面上には、一方向に向けて延在する複数のアシストゲート12b、12dと、このアシストゲート12b、12dに沿って延在する複数のアシストゲート12a、12c、12eとが形成されている。このアシストゲート12b、12dと、アシストゲート12a、12c、12eとの間には、フローティングゲート13a、13b、13c、13dが形成されている。このフローティングゲート13a、13b、13c、13dの上面側には、コントロールゲート14a、14b、14c、14dが形成されており、アシストゲート12b、12dと交差する方向に向けて延在している。
アシストゲート12a、12c、12eの下面には、絶縁膜28が形成されている。また、アシストゲート12b、12dの下面のうち、コントロールゲート14a、14b、14c、14dと交差する交差領域には、導電層26bが形成されている。また、アシストゲート12b、12dの下面のうち、コントロールゲート14a、14b、14c、14dにより挟まれる領域には、絶縁膜(第1アシストゲート用絶縁膜)29が形成されている。
図15は、図14のXV−XV線における断面図である。この図15に示されるように、絶縁膜29は、絶縁膜28より厚く形成されている。たとえば、絶縁膜29の膜厚は、20nm以上30nm以下とされ、絶縁膜28の膜厚は、5nm以上7nm以下とされる。
図16は、図14のXVI−XVI線における断面図である。この図16に示されるように、フローティングゲート13a、13b、13c、13dの下面と、半導体基板21の主表面との間には、絶縁膜27が形成されている。この絶縁膜27の膜厚は、図15に示される絶縁膜29より薄く、絶縁膜28より厚く形成されている。この絶縁膜27の膜厚は、例えば、7nm以上9nmとされている。
本実施の形態3に係る不揮発性半導体装置300の書込み動作について説明する。図17は、本実施の形態3に係る不揮発性半導体装置300の書込み動作の際の上面図である。この図17に示されるように、アシストゲート12bには、0V程度の電圧が印加され、アシストゲート12dには、4.5V程度の電圧が印加される。そして、選択されたコントロールゲート14cには、15V程度の電圧が印加され、選択されたコントロールゲート14cの下面に配置されたフローティングゲート13a、13b、13c、13dには、9V程度の電圧が印加される。非選択のコントロールゲート14a、14b、14dには、例えば、−1V〜0V程度の電圧が印加される。このため、非選択のコントロールゲート14a、14b、14dの下面に形成されたフローティングゲート13a、13b、13c、13dには、−0.6V〜0V程度の電圧が印加される。
アシストゲート12bに0V程度の電圧が印加されると、コントロールゲート14bの下面に形成された導電層26bにも、0V程度の電圧が印加される。また、アシストゲート12dに4.5V程度の電圧が印加されると、このアシストゲート12dの下面に形成された導電層26bにも、4.5V程度の電圧が印加される。
そして、選択されたコントロールゲート14cと、アシストゲート12bとの交差領域32では、隣接するフローティングゲート13bには、9V程度の電圧が印加されている。このため、この交差領域32に形成された導電層26b内の電子は、フローティングゲート13bに向けて引っ張られる。図18は、図17のXVIII−XVIII線における断面図であり、この図18に示されるように、半導体基板21と、アシストゲート12bの下面に形成された導電層26bとの間に形成される電位障壁をトンネルして、電子が半導体基板21内に供給される。
また、アシストゲート12bの交差領域32以外の領域においては、隣接するフローティングゲート13a、13b、13c、13dに印加された電圧が低いものとなっている。このため、アシストゲート12bの下面に形成された導電層26bのうち、交差領域32以外の導電層26bにおいては、電子が電位障壁を越えて半導体基板21に供給され難くなっている。また、絶縁膜29が膜厚に構成されているため、アシストゲート12bの下面のうち、絶縁膜29が形成された領域においては、絶縁膜29の下面側に反転層が形成され難く、半導体基板21に電子が供給され難くなっている。
そして、交差領域32に形成された導電層26bから半導体基板21に供給された電子は、アシストゲート12dの下面に形成された導電層26bからアシストゲート12d内に供給される。このようにして、書込み電流が流れる。そして、この書込み電流が流れると、書込み電流の一部がフローティングゲート13c内に入り込み、フローティングゲート13c内に電荷が蓄積される。このようにして、選択されたフローティングゲート13c内に電気情報が書き込まれる。
図19を用いて、不揮発性半導体装置300の読み出し動作について説明する。図19は、読み出し動作における不揮発性半導体装置300の上面図である。
この図19に示されるように、アシストゲート12dには、0V程度の電圧が印加され、アシストゲート12cには、4V程度の電圧が印加される。
また、選択されたコントロールゲート14cには、10V程度の電圧が印加される。この際、コントロールゲート14cの下面側に配置されたフローティングゲート13a、13b、13c、13dには、6V程度の電圧が印加される。非選択のコントロールゲート14a、14b、14dには、例えば、0V程度の電圧が印加される。このため、非選択のコントロールゲート14a、14b、14dの下面に形成されたフローティングゲート13a、13b、13c、13dには、0V程度の電圧が印加される。
そして、選択されたコントロールゲート14cと、アシストゲート12dとの交差領域33にいては、隣接するフローティングゲート13cには、6V程度の電圧が印加される。また、アシストゲート12dの下面のうち、交差領域33の部分に、導電層26bが形成されている。
図20は、図19のXX−XX線における断面図であり、この図20に示されるように、アシストゲート12cに電圧が印加されると、アシストゲート12cの下面に位置する半導体基板21の主表面上に反転層40が形成される。そして、この反転層40に1V程度の電圧を印加する。
このため、交差領域33に形成された導電層26bにおいては、隣接するフローティングゲート13cの電位により、引っ張られる。このため、交差領域33に形成された導電層26b内の電子が、半導体基板21内に供給される。
半導体基板21内に供給された電子は、フローティングゲート13cの下面側を通過して、アシストゲート12cの下面に形成された反転層40内に供給される。
ここで、アシストゲート12dの下面に形成された導電層26bのうち、交差領域33以外の領域においては、隣接するフローティングゲート13c、13dに印加されている電位が低いため、半導体基板21内に電子が供給されることが抑制されている。
また、アシストゲート12dの下面に形成された絶縁膜29の膜厚が厚く形成されているため、アシストゲート12dに電圧が印加された際においても、絶縁膜29の下面側に位置する半導体基板21の主表面には、反転層が形成され難くいものとなっている。
このため、アシストゲート12dのうち、交差領域33以外の領域において、電子が半導体基板21内に供給されることが抑制されている。
特に、絶縁膜29が、アシストゲート12b、12dの下面のうち、コントロールゲート14a、14b、14c、14d間に挟まれた領域に形成されている。このため、書込み動作の際に、アシストゲート12dの下面のうち、コントロールゲート14a、14b、14c、14dにより挟まれる領域から半導体基板21内への電子の供給が抑制されている。
なお、本実施の形態3に係る不揮発性半導体装置300の消去動作は、上記実施の形態1および実施の形態2と同様に、半導体基板21に正の電圧を印加して、選択されたフローティングゲート13cには、−16V程度の電圧が印加される。
このように構成された不揮発性半導体装置300によれば、読み出しの際に、いわゆるオープンフィールドリークが抑制されているため、基板バイアス効果を抑制することができる。特に、絶縁膜29の膜厚が、絶縁膜28の膜厚より厚く形成されており、絶縁膜29の下面側の半導体基板21の主表面上に反転層が形成され難く、良好にオープンフィールド電流の発生を抑制することができる。
以上のように本発明の実施の形態について説明を行なったが、今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。
本発明は、不揮発性半導体装置に好適である。
12a,12b,12c,12d,12e アシスゲート、13a フローティングゲート、14a コントロールゲート、15a 共有ドレイン、16a 選択トランジスタ、26a,26b 導電層、27,28,29 絶縁膜、32,33 交差領域、40 反転層、50 不純物領域、100 不揮発性半導体装置。
Claims (8)
- 主表面を有する半導体基板と、
前記半導体基板の主表面上に形成され、一方向に向けて延在し前記半導体基板内に電子を供給可能な第1アシストゲートと、
前記半導体基板の主表面上に形成され、前記第1アシストゲートに沿って延在し、前記半導体基板に所定電圧を印加する第2アシストゲートと、
前記第1アシストゲートと、前記第2アシストゲートとの間に配置され、電子を蓄積するフローティングゲートと、
前記第1アシストゲートと前記半導体基板とを接続し、前記半導体基板と前記第1アシストゲート間に電位障壁を形成する第1アシストゲート用導電層とを備えた不揮発性半導体装置。 - 前記第2アシストゲートの下面と前記半導体基板との間に形成された第2アシストゲート用絶縁膜をさらに備えた、請求項1に記載の不揮発性半導体装置。
- 前記第2アシストゲートの下面と、前記半導体基板との間に形成され、前記第1アシストゲート用導電層より、電位障壁の高い電位障壁を前記第2アシストゲートと、前記半導体基板との間に形成する第2アシストゲート用導電層をさらに備えた、請求項1または請求項2に記載の不揮発性半導体装置。
- 前記フローティングゲートは、前記第1アシストゲートが延在する方向に向けて複数形成され、
前記フローティングゲート上に形成され、前記第1アシストゲートと交差する方向に延在する複数のコントロールゲートと、
前記第1アシストゲートの下面のうち、前記コントロールゲートにより挟まれる領域に形成された第1アシストゲート用絶縁膜と、をさらに備え、
前記第1アシストゲートの下面のうち、前記第1アシストゲートと前記コントロールゲートとの交差領域に前記第1アシストゲート用導電層が形成された、請求項1から請求項3のいずれかに記載の不揮発性半導体装置。 - 前記第1アシストゲート用絶縁膜は、前記第2アシストゲート用絶縁膜より厚く形成された、請求項4に記載の不揮発性半導体装置。
- 前記第1アシストゲート用導電層と、前記半導体基板との接触部に、不純物領域が形成された、請求項1から請求項5のいずれかに記載の不揮発性半導体装置。
- 前記第1アシストゲート用導電層は、シリサイドから構成されている、請求項1から請求項6のいずれかに記載の不揮発性半導体装置。
- 前記第2アシストゲート用導電層は、シリサイドから構成されている、請求項3から請求項7のいずれかに記載の不揮発性半導体装置。
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