JP2010129990A - Nonvolatile semiconductor storage element, and method of manufacturing the same - Google Patents
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Abstract
Description
この発明は、フラッシュメモリ、EEPROM等の電気的に書き込み・消去可能な不揮発性半導体記憶素子とその製造方法に関する。 The present invention relates to an electrically writable / erasable nonvolatile semiconductor memory element such as a flash memory and an EEPROM, and a manufacturing method thereof.
不揮発性の半導体記憶素子として、他から絶縁された浮遊ゲートを備えるEEPROM,フラッシュメモリなどが知られている。これらの半導体記憶素子は、浮遊ゲートに蓄積される電荷の量に応じて閾値が変化し、この閾値の変化により、データを記憶する。 As a nonvolatile semiconductor memory element, an EEPROM, a flash memory, and the like having a floating gate insulated from others are known. In these semiconductor memory elements, the threshold value changes in accordance with the amount of charge accumulated in the floating gate, and data is stored by the change in the threshold value.
浮遊ゲートの電荷の注入および浮遊ゲートからの電荷の引き出しは、薄く形成されたトンネル絶縁膜を介して行われる。 The injection of the charge of the floating gate and the extraction of the charge from the floating gate are performed through a thin tunnel insulating film.
従来の半導体記憶素子では、初期欠陥、経年劣化等によりトンネル絶縁膜が劣化し、浮遊ゲートへの電荷の蓄積が困難となることがある。 In the conventional semiconductor memory element, the tunnel insulating film may be deteriorated due to initial defects, aging deterioration, or the like, and it may be difficult to accumulate charges in the floating gate.
この問題を解決するため、特許文献1は、2つの浮遊ゲートを備える不揮発性半導体素子を開示する。
この不揮発性半導体素子は、一方の浮遊ゲートの蓄積電荷が失われても、他方の浮遊ゲートの蓄積電荷により、記憶データを保持できる。
In order to solve this problem,
In this nonvolatile semiconductor element, even if the charge stored in one floating gate is lost, the stored data can be held by the charge stored in the other floating gate.
特許文献1に開示された構成では、チャネル長方向に並んで配置された2つの浮遊ゲートが、ソース・ドレイン領域につながる不純物拡散領域上まで引き回されて、薄いトンネル酸化膜を介して不純物拡散領域に対向している。このため、素子の構造が複雑で、製造歩留まりに影響を与えてしまう。且つ、素子全体の面積が大きくなってしまうため、高集積化に不適当である。また、浮遊ゲートに注入される電子に示すホットエレクトロンの割合が高く、電子の注入によるトンネル絶縁膜の劣化が激しく、素子欠陥が起こりやすい。
In the configuration disclosed in
この発明は、こうした実情に鑑みてなされたものであり、構造が簡単で、全体のサイズの縮小が可能であり、欠陥の起こりにくい不揮発性半導体記憶素子を提供することを目的とする。 The present invention has been made in view of such circumstances, and an object of the present invention is to provide a nonvolatile semiconductor memory element that has a simple structure, can be reduced in overall size, and is less prone to defects.
こうした目的を達成するため、本発明の不揮発性半導体記憶素子は、
チャネル領域を介して配置されたソース領域とドレイン領域と、
少なくとも前記チャネル領域を覆って形成された第1のゲート絶縁膜と、
前記第1のゲート絶縁膜上に、前記チャネル領域に対向し、互いに絶縁されており、前記ソース領域及び前記ドレイン領域上を避けて形成された複数の浮遊ゲート電極と、
前記複数の浮遊ゲート電極上に形成され、前記第1のゲート絶縁膜と共に前記複数の浮遊ゲート電極を相互に絶縁すると共に他から絶縁する第2のゲート絶縁膜と、
前記第2のゲート絶縁膜上に、前記チャネル領域に対向して配置されたゲート電極と、
を備える。
In order to achieve such an object, the nonvolatile semiconductor memory element of the present invention includes:
A source region and a drain region disposed through the channel region;
A first gate insulating film formed to cover at least the channel region;
A plurality of floating gate electrodes formed on the first gate insulating film so as to face the channel region and be insulated from each other, avoiding the source region and the drain region;
A second gate insulating film that is formed on the plurality of floating gate electrodes and insulates the plurality of floating gate electrodes from each other and from the other together with the first gate insulating film;
A gate electrode disposed on the second gate insulating film so as to face the channel region;
Is provided.
例えば、前記複数の浮遊ゲート電極は、それぞれ、前記チャネルの幅と物理的に或いは電気的に等しいかより広く、チャネル幅全体に渡って形成されている。 For example, each of the plurality of floating gate electrodes is formed over the entire channel width, either physically or electrically equal to or wider than the channel width.
例えば、前記複数の浮遊ゲート電極は、前記チャネル上で、同一レベルに配置されており、前記第1のゲート絶縁膜の表面は、平坦に形成されている。 For example, the plurality of floating gate electrodes are arranged at the same level on the channel, and the surface of the first gate insulating film is formed flat.
例えば、前記チャネル領域から前記複数の浮遊ゲート電極への電子の注入および注入した電子の引き抜きを行い、前記複数の浮遊ゲート電極の電子の蓄積状態を揃える記憶制御手段を更に配置してもよい。 For example, storage control means for injecting electrons from the channel region into the plurality of floating gate electrodes and extracting the injected electrons to align the accumulation state of electrons in the plurality of floating gate electrodes may be further arranged.
また、本発明の不揮発性半導体記憶素子の製造方法は、
ソース領域、チャネル領域、及びドレイン領域の上に、第1のゲート絶縁膜を形成する工程、
第1のゲート絶縁膜上に、導体層又は半導体層を形成する工程、
前記導体層又は半導体層をパターニングすることにより、同一層レベルに配置され、それぞれチャネル領域に対向し且つ前記ソース領域及び前記ドレイン領域上を避けて配置された複数の浮遊ゲート電極を形成する工程と、
前記複数の浮遊ゲート電極それぞれを覆う第2のゲート絶縁膜を形成する工程と、
前記第2のゲート絶縁膜上に前記チャネル領域に対向するゲート電極を形成する工程と、
を備えることを特徴とする。
In addition, a method for manufacturing a nonvolatile semiconductor memory element of the present invention includes
Forming a first gate insulating film on the source region, the channel region, and the drain region;
Forming a conductor layer or a semiconductor layer on the first gate insulating film;
Patterning the conductor layer or the semiconductor layer to form a plurality of floating gate electrodes arranged at the same layer level, respectively facing the channel region and avoiding the source region and the drain region; ,
Forming a second gate insulating film covering each of the plurality of floating gate electrodes;
Forming a gate electrode opposite to the channel region on the second gate insulating film;
It is characterized by providing.
本発明によれば、簡単な構成で、微小サイズで高集積化が可能で、欠陥が起こりにくい不揮発性半導体記憶素子を提供できる。 According to the present invention, it is possible to provide a non-volatile semiconductor memory element that has a simple configuration, can be highly integrated with a small size, and is less prone to defects.
以下、この発明の実施の形態に係る不揮発性半導体記憶素子10について図1を参照して説明する。
ここで、図1(a)は不揮発性半導体記憶素子10の断面図、図1(b)は不揮発性半導体記憶素子10の主要部の平面配置図である。
図示するように、本実施形態の不揮発性半導体記憶素子10は、1ビット分のデータを記憶する不揮発性の半導体記憶素子であり、半導体基体11と、ソース領域12と、ドレイン領域13と、チャネル領域14と、第1のゲート絶縁膜15と、第1と第2の浮遊ゲート電極16と17と、第2のゲート絶縁膜18と、コントロールゲート19と、保護絶縁膜20とを備える。
A nonvolatile
Here, FIG. 1A is a cross-sectional view of the nonvolatile
As shown in the figure, the nonvolatile
半導体基体11は、例えば、P型のシリコン単結晶基板、N型の単結晶基板内に形成されたP型ウエル領域、N型のシリコン単結晶基板上に形成されたP型エピタキシャル層などから構成される。
The
ソース領域12は、半導体基体11の表面領域に、例えば、矩形状にN型不純物を拡散して形成されている。
ドレイン領域13は、半導体基体11の表面領域に、ソース領域12に対向して形成されたN型の領域である。
The
The
チャネル領域14は、N型のソース領域12とN型のドレイン領域13との間のP型の領域から構成される。チャネル領域14の長さ(チャネル長)は、例えば、1nm〜200μm、チャネル領域14の幅(チャネル幅)は、1nm〜100μmに形成される。
The
ソース領域12、ドレイン領域13、チャネル領域14は、LOCOS(LOCal Oxidation of Silicon)により素子分離される。
The
第1のゲート絶縁膜15は、トンネル絶縁膜として機能し、シリコン酸化膜やシリコン窒化膜等の絶縁物から構成され、半導体基体11の上に配置されている。第1のゲート絶縁膜15は、例えば、2〜5nm程度のほぼ均一な厚さと平坦な表面を有する。
The first
第1と第2の浮遊ゲート電極16と17は、ポリシリコンなどから構成され、チャネル領域14に対向して、チャネル長方向(ソース・ドレイン間方向)に並んで配置されており、同一の電子蓄積状態(電子を蓄積又は無蓄積)に制御される。第1と第2の浮遊ゲート電極16と17は、それぞれ、チャネル幅と等しいか、又は、より広く(すなわち、チャネル領域14の幅方向全域に渡って)形成されている。なお、第1と第2の浮遊ゲート電極16と17の幅は、物理的にチャネル幅よりも広く形成されるだけでなく、物理的にはチャネル幅と同等かより狭いが、第1と第2の浮遊ゲート電極16と17からの電界(電気力線)の広がりがチャネル幅よりも広くなる程度の幅に形成されてもよい。即ち、電気的に、チャネル幅よりも広く形成されてもよい。
The first and second floating
第1の浮遊ゲート電極16と第2の浮遊ゲート電極17とは、同一の層レベルに位置しており、ソース領域12とドレイン領域13上には延在していない。即ち、ソース領域12のエッジと第1の浮遊ゲート電極16との間には間隔ΔL1が配置され、ドレイン領域13のエッジと第2の浮遊ゲート電極17との間には間隔ΔL2が配置されている。
The first floating
第2のゲート絶縁膜18は、第1のゲート絶縁膜15の上に、18nm程度の厚さで、第1と第2の浮遊ゲート電極16,17を覆って形成され、第1と第2の浮遊ゲート電極16と17とを相互に絶縁すると共に他の部材からも絶縁している。
The second
コントロールゲート19は、ポリシリコン等から構成され、第2のゲート絶縁膜18の上に、チャネル領域14に対向し、且つ、第1と第2の浮遊ゲート電極16と17を覆って形成されている。
The
保護絶縁膜20は、全体を覆って保護している。
The protective
次に、上記構成の不揮発性半導体記憶素子10にデータ”0”を書き込む、すなわち、第1と第2の浮遊ゲート電極16と17に電子を注入する動作を説明する。
Next, an operation of writing data “0” in the nonvolatile
まず、図2に示すように、コントロールゲート19に書込用高電圧VW、例えば、4(2〜5)Vを印加した状態で、ドレイン領域13に正極性の電圧V(VW>>V)、例えば、1Vを印加し、ソース領域12に基準電圧Vr(VW>>V>>Vr)、例えば、グランド電圧を印加する。
First, as shown in FIG. 2, a positive voltage V (VW >> V) is applied to the
これにより、チャネル領域14に、ソース領域12からドレイン領域13に向かって電子が流れる。
さらに、コントロールゲート19に印加された書込用高電圧VWにより、チャネル領域14を流れる電子の一部(トンネル電流)が、トンネル効果により、第1のゲート絶縁膜15を介して第1と第2の浮遊ゲート電極16と17に注入され、第1と第2の浮遊ゲート電極16と17は共に電子が注入された状態になる。
Thereby, electrons flow in the
Further, due to the high voltage VW applied to the
次に、不揮発性半導体記憶素子10の記憶データを消去する場合、すなわち、第1と第2の浮遊ゲート電極16と17に注入された電荷を引き抜く場合には、図3に示すように、コントロールゲート19に消去電圧VE(VW>0>VE)、例えば、−2〜−3Vを印加し、ソース領域12およびドレイン領域13にグランド電圧を印加する。これにより、第1と第2の浮遊ゲート電極16と17とチャネル領域14との間に第1のゲート絶縁膜15を介してトンネル電流が流れ、第1と第2の浮遊ゲート電極16と17に蓄積されていた電子(負電荷)が放出され、第1と第2の浮遊ゲート電極16と17は共に電子が放出された状態になる。
Next, when data stored in the nonvolatile
次に、不揮発性半導体記憶素子10の記憶データを読み出す場合には、図4に示すように、コントロールゲート19に読み出し電圧VR(VW>VR>VE)を印加し、ソース領域12にグランド電圧、ドレイン領域13に正極性の電圧Vを印加する。
Next, when reading data stored in the nonvolatile
すると、第1と第2の浮遊ゲート電極16と17に電子(負電荷)が蓄積されている場合には、N型チャネルが生成されにくく、ソース領域12からドレイン領域13に流れる電子流は相対的に小さくなる。逆に、第1と第2の浮遊ゲート電極16と17に負電荷が蓄積されていない場合には、ソース領域12からドレイン領域13に流れる電子流は相対的に大きくなる。このため、この電子流の大きさの差、即ち、電流の差から、このメモリセルの記憶データが”1”か”0”かが判別できる。
Then, when electrons (negative charges) are accumulated in the first and second floating
この点をより具体的に説明する。
第1と第2の浮遊ゲート電極16と17に電子が注入された状態と、注入されていない状態とで、コントロールゲート19の印加電圧Vgを0(接地)とした場合と、正極性の所定の電圧Vとした場合の、チャネル方向のポテンシャル分布を図5(a)〜(d)に示す。なお、ソース領域12とドレイン領域13とに共に接地電圧を印加している。
This point will be described more specifically.
When the applied voltage Vg of the
図5(a)、(c)に示すように、コントロールゲート19にVg=0vが印加されている状態では、ポテンシャル障壁が高く、ソース領域12とドレイン領域13との間に電圧Vを印加しても、チャネル領域14に電流は流れない。
As shown in FIGS. 5A and 5C, when Vg = 0 v is applied to the
一方、図5(b)、(d)に示すように、コントロールゲート19にVg=VR(正電圧)が印加されている状態では、ポテンシャル障壁が低くなり、ソース領域12とドレイン領域13との間に印加された電圧Vに応じて、チャネル領域14に電流が流れる。
On the other hand, as shown in FIGS. 5B and 5D, in the state where Vg = VR (positive voltage) is applied to the
しかし、第1と第2の浮遊ゲート電極16と17に電子が蓄積されているか否かにより、ポテンシャル障壁の高さが大きく異なり、ドレイン領域13からソース領域12に向かってチャネル領域14を流れる電流の量が大きく異なる。この電流の差により、電流が小さいときが”0”(電子の蓄積あり)、電流の大きいときが”1”(電子の蓄積無し)と判別することができる。
However, the height of the potential barrier varies greatly depending on whether electrons are accumulated in the first and second floating
ここで、第1のゲート絶縁膜15に欠陥が存在し、第1の浮遊ゲート電極16の蓄積電荷が漏出したとする。ただし、第2の浮遊ゲート電極17の蓄積電荷に漏出等は存在しないとする。この場合、チャネル領域のポテンシャルは、図5(e)、(f)に示すようになり、第1の浮遊ゲート電極16が存在する部分には、図5(c)、(d)に示す消去状態の不揮発性半導体記憶素子10と同様のポテンシャル分布が存在し、第2の浮遊ゲート電極17が存在する部分には、図5(a)、(b)に示す記憶状態の不揮発性半導体記憶素子10と同様のポテンシャル分布が存在する。すなわち、ソース領域12とドレイン領域13との間のチャネル領域14には、正常時と同様のポテンシャル障壁が存在する。このため、ソース領域12とドレイン領域13との間のチャネル領域には、第1と第2の浮遊ゲート電極16と17に電荷が蓄積されていない場合よりも、電流が流れにくい。このため、第1と第2の浮遊ゲート16と17に負電荷が注入されていること、すなわち、記憶データが”0”であることを判別することができる。
Here, it is assumed that there is a defect in the first
従って、不揮発性半導体記憶素子10は、2つの浮遊ゲート電極16,17のうち1つの蓄積電荷が、絶縁破壊等により漏出しても、記憶データを保持することができる。
Therefore, the nonvolatile
また、特許文献1に記載の構成と異なり、素子構造が簡単であり、素子の微細化、高歩留化が可能である。また、第1と第2の浮遊ゲート電極16と17を、ソース領域12及びドレイン領域13とオーバーラップさせないので、第1と第2の浮遊ゲート電極16,17及び第1のゲート絶縁膜15に注入される電子に占めるホットエレクトロンの割合が低下する。従って、ホットエレクトロンによる欠陥の発生率を小さくすることが可能となる。
Further, unlike the configuration described in
次に、上記構成の不揮発性半導体記憶素子10の製造方法を説明する。
まず、半導体基体11にイオン打込などにより、ソース領域12とドレイン領域13とを形成する。
Next, a method for manufacturing the nonvolatile
First, the
次に、選択酸化等により、ソース領域12、ドレイン領域13、チャネル領域14を区画するLOCOS絶縁膜を形成する。
次に、熱酸化等により、図6(a)に示すように、2〜5nm程度の均一な膜厚のシリコン酸化膜等の絶縁膜を形成する。この膜が第1のゲート絶縁膜15となる。
Next, a LOCOS insulating film that partitions the
Next, as shown in FIG. 6A, an insulating film such as a silicon oxide film having a uniform film thickness of about 2 to 5 nm is formed by thermal oxidation or the like. This film becomes the first
次に、第1のゲート絶縁膜15の上に、CVD、蒸着等により、図6(b)に示すように、多結晶シリコン、アモルファスシリコン、アルミニウムなどの金属等から構成された半導体膜或いは導体膜101を形成する。
Next, as shown in FIG. 6B, a semiconductor film or conductor made of a metal such as polycrystalline silicon, amorphous silicon, or aluminum is formed on the first
図6(c)に示すように、半導体膜或いは導体膜101を、チャネル領域14上に位置し、且つ、ソース領域12及びドレイン領域13とオーバーラップしない形状にパターニングして、第1と第2の浮遊ゲート電極16と17を形成する。
As shown in FIG. 6C, the semiconductor film or
次に、図7(a)に示すように、CVD等により、全面に15〜20nm程度の厚さのシリコン酸化膜等の絶縁膜を形成する。この絶縁膜が第2のゲート絶縁膜18となる。
Next, as shown in FIG. 7A, an insulating film such as a silicon oxide film having a thickness of about 15 to 20 nm is formed on the entire surface by CVD or the like. This insulating film becomes the second
次に、第2のゲート絶縁膜18の上に、CVD、蒸着等により、図7(b)に示すように、多結晶シリコン、アモルファスシリコン、アルミニウムなどの金属等から構成された導体膜102を形成する。
Next, as shown in FIG. 7B, a
この導体膜102を、パターニングして、チャネル領域14に対向するコントロールゲート19を形成する。
続いて、絶縁膜を形成して、保護膜とする。
The
Subsequently, an insulating film is formed to form a protective film.
不揮発性半導体記憶素子10を用いた不揮発性半導体記憶装置100の構成の一例を図8に示す。
図示するように、不揮発性半導体記憶素子10はm行×n列のマトリクス状に配置されている。
ワードラインWL(WL1〜WLm)が同一行の不揮発性半導体記憶素子10のコントロールゲートに接続されている。
ビットラインBL(BL1〜BLn)が同一列の不揮発性半導体記憶素子10のドレインに接続されている。
An example of the configuration of a nonvolatile semiconductor memory device 100 using the nonvolatile
As illustrated, the nonvolatile
Word lines WL (WL1 to WLm) are connected to the control gates of the nonvolatile
Bit lines BL (BL1 to BLn) are connected to the drains of the nonvolatile
電圧設定ラインSL(SL1〜SLm)が、同一行の不揮発性半導体記憶素子10のソースに接続される。
各電圧設定ラインSL(SL1〜SLm)は、電圧設定回路SV1〜SVmに接続される。
各ビットラインBL(BL1〜BLn)は、トランスファゲートTG(TG1〜TGn)を介して、対応するセンスアンプSA1〜SAnに接続される。
さらに、各ビットラインBL(BL1〜BLn)は、書き込みゲートWG(WG1〜WGn)を介して書き込み回路WCに接続される。
Voltage setting lines SL (SL1 to SLm) are connected to the sources of the nonvolatile
Each voltage setting line SL (SL1 to SLm) is connected to voltage setting circuits SV1 to SVm.
Each bit line BL (BL1 to BLn) is connected to a corresponding sense amplifier SA1 to SAn via a transfer gate TG (TG1 to TGn).
Further, each bit line BL (BL1 to BLn) is connected to the write circuit WC via the write gate WG (WG1 to WGn).
このように構成された不揮発性半導体記憶装置100の動作を説明する。
まず、通常状態では、ライトイネーブル信号WEはローレベルにあり、書き込みゲートWG1〜WGnは全てオフしている。書き込み回路WCもオフしている。電圧設定回路SV1〜SVmは、全ての電圧設定ラインSL1〜SLmをローレベル(グランドレベル)に設定する。これにより、不揮発性半導体記憶素子10のソース領域12はグランドレベルとなる。
An operation of the nonvolatile semiconductor memory device 100 configured as described above will be described.
First, in the normal state, the write enable signal WE is at a low level, and the write gates WG1 to WGn are all turned off. The write circuit WC is also turned off. The voltage setting circuits SV1 to SVm set all the voltage setting lines SL1 to SLm to a low level (ground level). As a result, the
・書き込み動作
書き込み対象の行のワードラインWLが書き込み電圧VWに設定され、対応する行の不揮発性半導体記憶素子10のコントロールゲート19に書き込み用のゲート電圧Vg=VWを印加する。
ライトイネーブル信号WEをハイレベルとし、全ての書き込みトランスファゲートTGをオンする。”0”を書き込む不揮発性半導体記憶素子10に接続されたビットラインBLに接続されているトランスファゲートTGを選択的にオンする。書き込み回路WCは出力電圧を正極性の電圧Vとする。
書き込み対象の行の電圧設定回路SVの出力をグランドレベルとし、他はオープン状態とする。書き込み対象行の不揮発性半導体記憶素子10のソース領域12がグランドレベルに設定され、他はオープン状態に設定される。これにより、”0”を書き込む対象の不揮発性半導体記憶素子10には、図2に示す電圧が設定され、第1と第2の浮遊ゲート電極16と17に電子が注入される。
Write Operation The word line WL of the write target row is set to the write voltage VW, and the write gate voltage Vg = VW is applied to the
The write enable signal WE is set to the high level, and all the write transfer gates TG are turned on. The transfer gate TG connected to the bit line BL connected to the nonvolatile
The output of the voltage setting circuit SV of the row to be written is set to the ground level, and the others are opened. The
・消去動作
消去対象の不揮発性半導体記憶素子10の行のワードラインWLが負(マイナス)電圧に設定され、対応する行の不揮発性半導体記憶素子10のコントロールゲート19に消去用のゲート電圧Vg<0を印加する。
ライトイネーブル信号WEをハイレベルとし、全ての書き込みトランスファゲートTGをオンする。消去対象(”1”を書き込む)の不揮発性半導体記憶素子10に接続されたビットラインBLに接続されているトランスファゲートTGを選択的にオンする(全てのトランスファゲートTGをオンしてもよい)。書き込み回路WCと電圧設定回路は出力電圧をレベルV+とする。
消去対象の行の電圧設定回路SVの出力電圧をV+とし、他をグランドレベルとする。
これにより、”1”を書き込む対象の不揮発性半導体記憶素子10には、図3に示す電圧が設定され、第1と第2の浮遊ゲート電極16と17から電子が引き抜かれる。
Erase Operation The word line WL of the row of the nonvolatile
The write enable signal WE is set to the high level, and all the write transfer gates TG are turned on. The transfer gate TG connected to the bit line BL connected to the non-volatile
The output voltage of the voltage setting circuit SV in the row to be erased is set to V +, and the others are set to the ground level.
As a result, the voltage shown in FIG. 3 is set in the nonvolatile
・データ読み出し動作
データを読み出す場合、読み出し対象の不揮発性半導体記憶素子10に接続されているワードラインWLに選択電圧Vg=VRを印加し、他のワードラインには非選択電圧Vg=0を印加する。
また、読み出し対象の不揮発性半導体記憶素子10の行に設けられている電圧設定回路SVは、対応する電圧設定ラインSLにグランド電圧を印加し、対応する行の不揮発性半導体記憶素子10のソース領域12をグランドに落とす。他の電圧設定回路SVは、例えば、電圧設定ラインSLをオープン状態とする。
また、読み出し対象の不揮発性半導体記憶素子10に接続されたビットラインBLに接続されたトランスファゲートTGにハイレベルの読み出し信号Yを供給し、対応するトランスファゲートTGをオンする。
センスアンプSA1〜SAnは、ビットラインBL1〜BLnを所定電圧に設定する。各センスアンプSA1〜SAnは、ビットラインBL1〜BLnを流れる電流、すなわち、対応する不揮発性半導体記憶素子10を流れるチャネル電流を測定し、記憶データを判別する。
Data read operation When data is read, the selection voltage Vg = VR is applied to the word line WL connected to the nonvolatile
Further, the voltage setting circuit SV provided in the row of the nonvolatile
Further, a high level read signal Y is supplied to the transfer gate TG connected to the bit line BL connected to the nonvolatile
The sense amplifiers SA1 to SAn set the bit lines BL1 to BLn to a predetermined voltage. Each of the sense amplifiers SA1 to SAn measures a current flowing through the bit lines BL1 to BLn, that is, a channel current flowing through the corresponding nonvolatile
以上説明したように、この実施の形態によれば、各不揮発性半導体記憶素子10の素子構造は単純な構成であり、製造および小型化が容易であると共に、歩留まりを高めることができる。
また、不揮発性半導体記憶素子10を大規模に集積化して不揮発性半導体記憶装置とすることも可能である。
As described above, according to this embodiment, the element structure of each nonvolatile
In addition, the nonvolatile
なお、上記実施の形態における構成、動作、数値などは一例であり、これらに限定されるものではない。 Note that the configurations, operations, numerical values, and the like in the above embodiments are examples, and the present invention is not limited to these.
例えば、ソース領域12及びドレイン領域13とチャネル領域14とを同一の幅としたが、図9に示すように、チャネル領域14をソース領域12やドレイン領域13よりも細く形成してもよい。この場合も、第1と第2の浮遊ゲート電極16と17は、チャネルの幅方向全体を物理的に或いは電気的に覆って形成されることが望ましい。
For example, although the
また、ソース領域12及び/又はドレイン領域13がチャネル領域14との間に不純物拡散領域を備える場合には、第1と第2の浮遊ゲート電極16と17は、不純物拡散領域にも重ならない事が望ましい。
In addition, when the
また、上記実施の形態では、半導体基体11内にソース領域12、ドレイン領域13、チャネル領域14を形成したが、例えば、図10に示すように、絶縁体の基板32上にソース領域12、ドレイン領域13、チャネル領域14等を配置してもよい。即ち、SOI構造を採用してもよい。
In the above embodiment, the
さらに、浮遊ゲート電極の数は2以上であれば任意であり、例えば、図10に示すように3つの浮遊ゲート電極16,17,31を配置するようにしてもよい。
Furthermore, the number of floating gate electrodes is arbitrary as long as it is two or more. For example, as shown in FIG. 10, three floating
以上の説明においては、1つのメモリセルに1ビットのデータを格納する例を説明した。この発明はこれに限定されず、1つの不揮発性半導体記憶素子10に複数ビットのデータを格納するようにしてもよい。この場合、例えば、書き込み時に、コントロールゲート19に書き込み対象のデータの値に対応する大きさの電圧VWを印加し、第1と第2の浮遊ゲート電極16と17に書き込みデータに対応する量の電子を注入する。コントロールゲート19に書き込み電圧VWを印加する時間を制御して、第1と第2の浮遊ゲート電極16と17に注入する電子の量を制御しても良い。一方、読み出し時には、ソース領域12とドレイン領域13との間に所定の電圧Vを印加し、コントロールゲート19に読み出し電圧VRを印加する。このとき、チャネル領域14を流れる電流の量は、第1と第2の浮遊ゲート電極16と17に注入された電子の量に応じて変化する。そこで、チャネル領域14を流れる電流を測定し、測定した電流量をデータに変換する。
In the above description, an example in which 1-bit data is stored in one memory cell has been described. The present invention is not limited to this, and a plurality of bits of data may be stored in one nonvolatile
本願発明は、フラッシュメモリ、EEPROM等の、電気的に書き込み、読み出し、消去、可能な不揮発性半導体素子に適用可能である。 The present invention can be applied to a nonvolatile semiconductor element that can be electrically written, read, erased, such as a flash memory and an EEPROM.
10 不揮発性半導体記憶素子
11 半導体基体
12 ソース領域
13 ドレイン領域
14 チャネル領域
15 第1のゲート絶縁膜
16 第1の浮遊ゲート電極
17 第2の浮遊ゲート電極
18 第2のゲート絶縁膜
19 コントロールゲート
20 保護絶縁膜
32 絶縁体
100 不揮発性半導体記憶装置
101 半導体膜或いは導体膜
102 導体膜
DESCRIPTION OF
Claims (5)
少なくとも前記チャネル領域を覆って形成された第1のゲート絶縁膜と、
前記第1のゲート絶縁膜上に、前記チャネル領域に対向し、互いに絶縁されており、前記ソース領域及び前記ドレイン領域上を避けて形成された複数の浮遊ゲート電極と、
前記複数の浮遊ゲート電極上に形成され、前記第1のゲート絶縁膜と共に前記複数の浮遊ゲート電極を相互に絶縁すると共に他から絶縁する第2のゲート絶縁膜と、
前記第2のゲート絶縁膜上に、前記チャネル領域に対向して配置されたゲート電極と、
を備える不揮発性半導体記憶素子。 A source region and a drain region disposed through the channel region;
A first gate insulating film formed to cover at least the channel region;
A plurality of floating gate electrodes formed on the first gate insulating film so as to face the channel region and be insulated from each other, avoiding the source region and the drain region;
A second gate insulating film that is formed on the plurality of floating gate electrodes and insulates the plurality of floating gate electrodes from each other and from the other together with the first gate insulating film;
A gate electrode disposed on the second gate insulating film so as to face the channel region;
A nonvolatile semiconductor memory element.
ことを特徴とする請求項1に記載の不揮発性半導体記憶素子。 Each of the plurality of floating gate electrodes is physically or electrically equal to or wider than the width of the channel region, and is formed over the entire channel width.
The nonvolatile semiconductor memory element according to claim 1.
前記第1のゲート絶縁膜の表面は、平坦に形成されている、
ことを特徴とする請求項1又は2に記載の不揮発性半導体記憶素子。 The plurality of floating gate electrodes are arranged at the same level on the channel,
The surface of the first gate insulating film is formed flat.
The nonvolatile semiconductor memory element according to claim 1 or 2.
第1のゲート絶縁膜上に、導体層又は半導体層を形成する工程、
前記導体層又は半導体層をパターニングすることにより、同一層レベルに配置され、それぞれチャネル領域に対向し且つ前記ソース領域及び前記ドレイン領域上を避けて配置された複数の浮遊ゲート電極を形成する工程と、
前記複数の浮遊ゲート電極をそれぞれを覆う第2のゲート絶縁膜を形成する工程と、
前記第2のゲート絶縁膜上に前記チャネル領域に対向するゲート電極を形成する工程と、
を備えることを特徴とする不揮発性半導体記憶素子の製造方法。 Forming a first gate insulating film on the source region, the channel region, and the drain region;
Forming a conductor layer or a semiconductor layer on the first gate insulating film;
Patterning the conductor layer or the semiconductor layer to form a plurality of floating gate electrodes arranged at the same layer level, respectively facing the channel region and avoiding the source region and the drain region; ,
Forming a second gate insulating film covering each of the plurality of floating gate electrodes;
Forming a gate electrode opposite to the channel region on the second gate insulating film;
A method for manufacturing a nonvolatile semiconductor memory element.
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