JP2006504280A - メモリセル電荷記憶素子あたりに二重のコントロールゲートを有するフラッシュメモリセルアレイ - Google Patents
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Abstract
Description
本発明の種々の態様を実現し得るメモリシステムの例が、図1のブロック図により例示されている。マトリックスをなすように配列された複数のメモリセルMを含むメモリセルアレイ1は、列制御回路2、行制御回路3、c−ソース制御回路4およびc−p−ウェル制御回路5によって制御される。この例では、メモリセルアレイ1は、前に背景技術の欄で説明され、かつ本願明細書において参照により援用されている参考文献において説明されるNANDタイプのメモリセルアレイである。制御回路2は、メモリセル(M)に記憶されているデータを読み出し、プログラミング動作中にメモリセル(M)の状態を判定し、プログラミングを促進し或いはプログラミングを抑止するようにビットライン(BL)の電位レベルを制御するために、メモリセルアレイ1のビットライン(BL)に接続される。行制御回路3は、ワードライン(WL)のうちの1つを選択し、読み出し電圧を印加し、列制御回路2により制御されるビットライン電位レベルと結合されるプログラム電圧を印加し、メモリセル(M)が形成されるp形領域の電圧と結合される消去電圧を印加するためにワードライン(WL)に接続される。c−ソース制御回路4は、メモリセル(M)に接続されている共通ソースライン(図1で“c−ソース”とラベルが付されている)を制御する。c−p−ウェル制御回路5はc−p−ウェル電圧を制御する。
NANDアレイの数個のメモリセルの主要なコンポーネントが図3に平面図で示され、その等価回路が図14に示され、ここで対応する構成要素には図3と同じ参照番号がプライム記号(’)付きで付されている。直列接続されたメモリセルの5つのストリング21〜25が含まれ、各ストリングに3つのフローティングゲート電荷記憶素子が示されている。ストリング21はフローティングゲート27,28,29を含み、ストリング22はフローティングゲート30,31,32を有し、ストリング23はフローティングゲート33,34,35を含み、ストリング24はフローティングゲート36,37,38を含み、ストリング25はフローティングゲート39,40,41を含む。説明を容易にするために、15個のメモリセルの小さな長方形アレイのみが示されている。このような1つのアレイの実際の実装例は数千個のNANDストリング中に数百万個のこのようなメモリセルを含み、各ストリングは普通16個、32個またはそれ以上のメモリセルを有する。メモリアレイの局所基板電位を共通基板電位とは無関係に電気的に制御できるように、メモリアレイは、通常共通基板内に含まれる1つ以上のウェル領域の上に配置されていることが分かる。この説明の全体にわたってトランジスタのメモリアレイに関しての“基板”という言葉の使用は、特別に言及されていない限り、このようなウェル領域への言及を含む。
図3〜5のメモリセルアレイの変化形が図6〜10に示され、これらは連続する処理ステップが実行された後のy方向にNANDストリングに沿う横断面図である。第1および第2の実施形態の相当する形成段階の図4および10は、NANDストリングの同じ長さに含まれるメモリセルのフローティングゲートの数が図10では図4より遥かに多くて、殆ど2倍であることを示す。これらの構造はx方向には同じであるように見える。この第2の実施形態の構造は、第1の実施形態について前述したのと同じ特徴および利点を有し、またy方向にかなり小さなメモリセルサイズを有する。これは、使用されるプロセスの最小のリソグラフィ的に分解可能な素子サイズより小さなエレメントを形成するためのアンダーカッティングとスペーサの使用との新規な組み合わせによって達成される。
図11を参照すると、第1の実施形態および第2の実施形態のいずれかによるアレイの動作における付加的な利点が示されている。典型的なNANDストリングでは、さらに縮小されるとき、161および163のところに示されているようにフローティングゲートの側端の酸化物における電子のエッジトラッピングがさらに厳しい問題になり始める。長期にわたる循環(プログラミングおよび消去)の後に、或る程度のトンネリングした電子が、チャネル領域の上でトンネル酸化物に直に隣接する酸化物の比較的に厚い部分に捉えられたままとなる。この捉えられた電荷はメモリセルトランジスタの伝導状態に寄与し、捉えられた電子が多いほど、読み出し中のしきい値電圧が高くなる。しかし、プログラミング後に当該デバイスを割合に高い温度(例えば、125℃)で貯蔵しておけば、この酸化物捕獲されていた電荷を基板へ逆戻りに追い出すことができる。これは、“リラクゼーション”と称され、プログラミング直後のしきい値電圧より0.3v〜0.7v低いしきい値電圧をもたらす可能性がある。このリラクゼーションは、特にフローティングゲートあたりに2より多い記憶状態(“多状態”または“MLC”)動作で動作するときに重大な問題となり得る。それは、前に大量にプログラムされていた全てのセルでデータが失われるという結果をもたらし得る。
前述した両方の実施形態の新しいNANDセル構造の基本的要素は、従来のようにフローティングゲートの上にコントロールゲートを積み重ねるのではなくて、各フローティングゲートのために1つではなくて2つのコントロールゲートを形成することである。このことの概略的表示が、ゲート間の結合を示すように図13に示されている。フローティングゲートFGの両側壁と当該フローティングゲートの両側の各々隣接するコントロールゲートCG1およびCG2との間に静電容量結合CCF1 およびCCF2 が存在する。この結合は、これらのゲートの間に位置するONOまたは他のインターポリ誘電体(図示せず)を通しての結合である。また、フローティングゲートFGと基板との間の静電容量結合CFSは、トンネル誘電体(図示せず)を通しての結合である。どのコントロールゲートも、従来の構造で普通行われているようにはフローティングゲートにそれらの頂部表面から必ずしも結合していない。各トランジスタの2つのコントロールゲートとフローティングゲートとの結合の殆どは、それらが共有する垂直壁に沿っている。
γ=(CCF1 +CCF2 )/(CCF1 +CCF2 +CFS) (1)
本発明の種々の態様をその代表的な実施形態に関して説明してきたが、本発明が添付の特許請求の範囲全体の中でその権利が保護されるべきであることが理解できよう。
Claims (37)
- 基板上でソースとドレイン領域との間に位置する電荷記憶素子のアレイを含む不揮発性メモリで、前記記憶素子のうちの指定された記憶素子の電荷状態を変更し或いは判定する方法において、
前記指定された記憶素子と両方とも容量的に結合される少なくとも第1および第2のコントロールゲートに第1の電圧レベルを印加して結合させて、前記指定された記憶素子の電荷状態を変更し或いは判定するステップと、
同時に、前記第1または第2のコントロールゲートのうちの1つと結合する指定されていない記憶素子の第1のグループと容量的に結合する少なくとも第3のコントロールゲートに第2の電圧レベルを印加して結合させて、前記指定されていない記憶素子の第1のグループの電荷状態を変更も判定も行わせないようにするステップと、
同時に、他の指定されていない記憶素子が容量的に結合する付加的なコントロールゲートに第3の電圧レベルを印加してそのうちの少なくとも2つを結合させて、前記他の指定されていない記憶素子の電荷状態を変更も判定も行わせないようにするステップと、
を含むことを特徴とする方法。 - 少なくとも前記第1および第2のコントロールゲートに印加される前記第1の電圧レベルは実質的に同じであり、前記第2および第3の電圧レベルは前記第1の電圧レベルとは著しく異なることを特徴とする請求項1記載の方法。
- 前記第1の電圧レベルを印加するステップは、前記第1の電圧レベルを1つの範囲の値にわたってインクリメントするステップを含むことを特徴とする請求項1記載の方法。
- 前記第1の電圧レベルを印加するステップは、前記第1の電圧レベルのパルスを印加するステップを含むことを特徴とする請求項1記載の方法。
- 基板表面中に位置する電荷記憶素子のアレイを含む不揮発性メモリで、前記記憶素子のうちの指定された記憶素子に記憶されるデータを表すそれらの電荷記憶状態を同時にプログラムまたは読み出すために前記指定された記憶素子に電圧を加える方法において、その両側の複数のコントロールゲートのうちの一対と容量的に結合する電荷記憶素子の間で前記アレイを横断して伸びる長さを有する複数のコントロールゲートにいろいろな電圧を印加するステップを含み、前記複数のコントロールゲートのうちの前記指定された記憶素子に隣接するコントロールゲートに第1の電圧レベルを加え、かつ前記複数のコントロールゲートのうちの前記指定された記憶素子に隣接していないコントロールゲートに第2の電圧レベルを加えるステップを含み、前記第1および第2の電圧は著しく異なることを特徴とする方法。
- 前記複数のコントロールゲートのうちの前記指定された記憶素子に隣接するコントロールゲートに加えられる前記第1の電圧レベルは実質的に同じであることを特徴とする請求項5記載の方法。
- 前記第1の電圧レベルを加えるステップは、前記指定された記憶素子の電荷記憶状態を読み出すために、1つの範囲の値にわたって前記第1の電圧レベルをインクリメントするステップを含むことを特徴とする請求項5記載の方法。
- 前記第1の電圧レベルを加えるステップは、前記指定された記憶素子を所望の記憶状態にプログラムするために、前記指定された記憶素子の両側のコントロールゲートに前記第1の電圧レベルでパルスするステップを含むことを特徴とする請求項5記載の方法。
- データをプログラムし、かつ読み出すための不揮発性メモリにおいて、
半導体基板中に位置する電荷記憶素子のアレイと、
個々の電荷記憶素子の対向する側壁がコントロールゲートラインのうちの少なくとも2つと容量的に結合するように前記アレイを横断して伸びる複数のコントロールゲートラインと、
前記コントロールゲートラインに接続されて、前記コントロールゲートラインと容量的に結合される前記電荷記憶素子にデータをプログラムし、そこからデータを読み出すときに、制御された電圧を印加するデコーダおよび電圧供給部と、
を含むことを特徴とするメモリ。 - 前記コントロールゲートラインは、電荷記憶素子間の領域で前記基板と付加的に容量的に結合されることを特徴とする請求項9記載のメモリ。
- 前記コントロールラインの経路において前記電荷記憶素子間で前記基板に形成されたトレンチを付加的に含み、前記コントロールゲートラインは、前記コントロールラインと前記基板との間に誘電体層を伴って前記トレンチ内に伸び込むことを特徴とする請求項10記載のメモリ。
- 前記メモリセルはメモリセルの複数の直列接続されたストリングを成して向けられ、前記コントロールゲートは前記電荷記憶素子間でメモリセルの複数のストリングを横切って伸びることを特徴とする請求項9記載のメモリ。
- 前記メモリセルの複数のストリング間で前記基板に誘電体で埋められた絶縁トレンチをさらに含むことを特徴とする請求項12記載のメモリ。
- 前記コントロールゲートは、前記コントロールゲートの高さの底部分としてのドーピングされたポリシリコンと、これに接触する前記コントロールゲートの高さの上部分としての金属またはシリサイド材料との組み合わせを含むことを特徴とする請求項12記載のメモリ。
- 半導体基板を横断して第1の方向に伸びる直列接続されたメモリセルの複数のストリングを含む不揮発性メモリセルアレイにおいて、前記メモリセルは電荷記憶素子を含み、前記アレイは前記メモリセルのストリングを横断して第2の方向に伸びるコントロールラインを含むと共にその電荷記憶素子に隣接するコントロールゲートを含み、前記第1および第2の方向は互いに直交し、さらに前記コントロールゲートが、前記コントロールゲートの両側で前記メモリセルのストリングの隣接する記憶素子の側壁と容量的に結合するように前記メモリのストリングの隣接する記憶素子の間に位置することを特徴とするメモリセルアレイ。
- 前記コントロールラインは、前記記憶素子間の基板領域とさらに容量的に結合されることを特徴とする請求項15記載のメモリセルアレイ。
- 前記コントロールラインは、前記基板領域に形成されたトレンチの中に伸び込み、これらの間に誘電体の層があることを特徴とする請求項16記載のメモリセルアレイ。
- 前記基板領域との前記コントロールラインの容量結合は、前記コントロールラインに加えられた電圧に応じて前記基板領域の導電率を高めることを特徴とすることを特徴とする請求項11、16または17のうちのいずれか記載のメモリセルアレイ。
- 前記電荷記憶素子は、その幅より大きい距離だけ前記基板の上に伸びる高さを個々に有する伝導性フローティングゲートを含み、前記コントロールラインは、前記コントロールゲートが容量的に結合されるフローティングゲートの高さと少なくとも同じだけ前記基板の上に伸びることを特徴とする請求項15記載のメモリセルアレイ。
- 前記コントロールラインの底部分はドーピングされたポリシリコン材料を含み、前記コントロールラインの上部分は前記ドーピングされたポリシリコン材料と接触する金属またはシリサイド材料を含むことを特徴とする請求項19記載のメモリセルアレイ。
- 前記コントロールラインの各々は、互いに電気的に絶縁されるように前記フローティングゲートのうちの隣接するフローティングゲートの間の間隔の中に位置することを特徴とする請求項14または20のうちのいずれか記載のメモリセルアレイ。
- 不揮発性メモリシステムにおいて、
メモリセルアレイであって、
半導体基板を横断して第1の方向に伸び、かつ第2の方向に間隔を置く直列接続されたメモリセルの複数のストリングであって、前記第1および第2の方向は垂直であり、前記メモリセルは個々に電荷記憶素子を含む複数のストリングと、
複数のメモリセルのストリングを横断して第2の方向に伸び、かつ前記第1の方向においては隣接する電荷記憶素子間に位置するコントロールゲートラインであって、個々の電荷記憶素子の両側壁はその両側の前記コントロールゲートの両方と容量的に結合されるコントロールゲートラインと、
前記コントロールゲートラインに接続された電圧供給回路であって、前記電圧供給回路は、(a)少なくとも記憶素子の第1の行の電圧レベルをそれらの電荷状態を変更し或いは判定するために充分なレベルまで高めるために、複数のストリングを横断して少なくとも記憶素子の第1の行の両側の一対のコントロールゲートラインに第1の電圧を供給し、同時に、(b)前記少なくとも第1の行の両側の第2および第3の行の電荷記憶素子の電圧レベルをそれらの状態を変更し或いは判定するためには不十分なレベルに保つために、前記第1の方向においてその両側の前記一対のコントロールゲートラインに隣接する2つのコントロールゲートラインの各々に前記第1の電圧とは異なる第2の電圧を供給する電圧供給回路と、を含むメモリセルアレイと、
を含むことを特徴とする不揮発性メモリシステム。 - 前記電荷状態数は、2より多く、これにより各メモリセルに2ビット以上のデータを記憶させることを可能にすることを特徴とする請求項22記載のメモリシステム。
- 前記メモリセルアレイは、NANDアレイであることを特徴とする請求項22記載のメモリシステム。
- 半導体基板上にメモリセルアレイを作る方法において、
その間の誘電体の第1の層と共に前記基板の表面領域にフローティングゲートの列および行の長方形アレイを形成するステップと、
前記基板上のフローティングゲートの列間に絶縁を設けるステップと、
前記フローティングゲートの両側壁が誘電体の第2の層を通してその両側のコントロールゲートの壁と容量的に結合し、かつ前記コントロールゲートの底面が誘電体の第3の層を通してウェル上の前記基板の表面と容量的に結合するように、前記フローティングゲートの行間で前記列に垂直に前記基板領域を横断して伸びるコントロールゲートを形成するステップと、
を含むことを特徴とする方法。 - 前記フローティングゲートを形成するステップは、
前記基板の前記表面領域で誘電体の前記第1の層の上に伝導性フローティングゲート材料の層を堆積するステップと、
前記フローティングゲート材料層の上に第1のタイプの誘電体材料を堆積するステップと、
前記列の方向に伸び、最小分解可能素子サイズに応じて前記行の方向に幅とそれらの間の間隔とを有するストリップを残すように前記第1のタイプの誘電体材料の部分を除去するステップと、
前記列の方向においてスペーサ間に前記最小分解可能素子サイズより小さなスペースを残すように、前記第1のタイプの誘電体材料のストリップの側壁に沿って第2のタイプの誘電体のスペーサを形成するステップと、
前記第1のタイプの誘電体材料の部分と前記スペーサ間のフローティングゲート材料層の部分とを除去し、これにより前記列の方向に長さと前記最小分解可能素子サイズより小さいそれらの間のスペースとを有するフローティングゲートを画定するステップと、
を含むことを特徴とする請求項25記載の方法。 - 前記第1のタイプの誘電体材料の部分を除去するステップは、ストリップの幅と、それらの間の前記最小分解可能素子サイズに応じたスペースとを有するマスクをその上に形成し、その後、前記マスクを通して、前記マスクストリップの下の前記第1のタイプの誘電体材料を部分的に除去するように前記第1のタイプの誘電体を等方的に横方向にエッチングし、これにより前記最小分解可能素子サイズより小さな幅を有する前記第1のタイプの誘電体材料のストリップを形成するステップを含むことを特徴とする請求項26記載の方法。
- コントロールゲートを形成する前に、前記列の方向において前記フローティングゲート間で前記基板表面にトレンチを形成するステップをさらに含み、前記コントロールゲートを形成するステップは前記トレンチ内に間に電気絶縁を有して伸び込むように前記コントロールゲートを形成するステップを含むことを特徴とする請求項25または26のうちのいずれか記載の方法。
- 前記コントロールゲートを形成するステップは、前記コントロールゲートの底部分をドーピングされたポリシリコン材料から形成し、その後、前記コントロールゲートの上部分を前記ドーピングされたポリシリコン材料と接触する金属またはシリサイド材料から形成するステップを含むことを特徴とする請求項25または26のうちのいずれか記載の方法。
- 前記コントロールゲートの上部分を形成するステップは、前記アレイ上に金属またはシリサイドの連続的な層を形成し、その後、前記コントロールゲートの上部分を前記トレンチ内に互いに絶縁された状態で残すだけの前記連続的な層のある量を除去するように化学機械研磨操作を実行するステップを含むことを特徴とする請求項29記載の方法。
- 不揮発性メモリセルアレイを半導体基板上に形成する方法において、
前記基板に伝導性材料の層を、その間に誘電体の第1の層を介在させ、かつその上に第1のタイプの誘電体の第2の層を置いて形成するステップと、
第1の方向の幅を有すると共に前記基板を横断して第2の方向に伸びる長さを有するストリップをなすように少なくとも前記伝導性材料と誘電体の第2の層との部分を除去するステップであって、前記第1および第2の方向は互いに垂直である除去するステップと、
マスキング素子間で誘電体の前記第2の層に溝を形成するために前記第2の方向に最小分解可能素子サイズに応じた寸法を有するマスキング素子を通して誘電体の前記第2の層の部分を除去するステップであって、誘電体の前記第2の層の残ったアイランドの前記第2の方向におけるその対向する側壁間の寸法を減少させるように前記マスキング素子の下の誘電体の前記第2の層の部分を除去することを含む除去するステップと、
前記第2の方向においてスペーサ間にギャップの第1のセットが存在するように誘電体の前記第2の層の前記アイランドの前記側壁に沿って第2のタイプの誘電体のスペーサを形成するステップと、
誘電体の前記第2の層の残りの部分を前記スペーサ間から除去し、これにより前記第2の方向において前記スペーサ間にギャップの第2のセットを形成するステップと、
その後、前記スペーサ間のギャップの前記第1および第2のセットにおいて露出する伝導性材料の前記層の部分を除去し、これにより前記スペーサの下に、その間に前記第2の方向の間隔をおいてフローティングゲートを残すステップと、
を含むことを特徴とする方法。 - その後、前記フローティングゲートの側壁がその間の絶縁材料を通してその両側のコントロールゲートラインの側壁と容量的に結合するように、前記アレイを横断して前記第1の方向に伸びる長さを有すると共に前記フローティングゲート間の前記スペースにおいて前記第2の方向に間隔を置くコントロールゲートラインを形成するステップをさらに含むことを特徴とする請求項31記載の方法。
- 前記フローティングゲート間で前記基板に浅いトレンチを形成するステップをさらに含み、前記コントロールゲートラインを形成するステップは、前記基板の前記トレンチの中に、その間に絶縁材料を置いて伸びこむコントロールゲートラインを形成するステップを含むことを特徴とする請求項32記載の方法。
- 前記コントロールゲートラインを形成するステップは、前記コントロールゲートラインの底部分が前記フローティングゲート間の基板領域と、その間の絶縁材料を通して、容量結合するように前記底部分を形成するステップを含むことを特徴とする請求項32または33のいずれか記載の方法。
- 前記コントロールゲートラインを形成するステップは、始めにドーピングされたポリシリコン材料で前記コントロールゲートラインの底部分を形成し、その後、前記ドーピングされたポリシリコン材料と接触する金属またはシリサイド材料で前記コントロールゲートラインの上部分を形成するステップを含むことを特徴とする請求項32または33のいずれか記載の方法。
- 前記コントロールゲートの上部分を形成するステップは、前記アレイ上に金属またはシリサイドの連続的な層を形成し、その後、前記コントロールゲートの上部分を前記トレンチ内に互いに絶縁された状態で残すだけの前記連続的な層のある量を除去するように化学機械研磨操作を実行するステップを含むことを特徴とする請求項35記載の方法。
- 2より多い複数の不揮発性メモリトランジスタのストリングが指定されたビットラインに直列に接続可能になっている半導体基板上のメモリアレイを操作する方法において、前記メモリトランジスタ間の基板領域と容量結合して位置する伝導性ゲートエレメントの電位を利用して前記領域を通して前記ストリングに沿って前記基板にあるレベルの導電率を選択的に提供するステップを含むことを特徴とする方法。
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